JP5071085B2

JP5071085B2 - エキシマ放電ランプ

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Publication number: JP5071085B2
Application number: JP2007319638A
Authority: JP
Inventors: 新一郎野▲崎▼; 幸裕森本
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP2009146589A

Description

本発明は、放電用ガスの放電によって生成されるエキシマ分子によるエキシマ発光を利用したエキシマ放電ランプに関する。

現在、例えば半導体の製造工程や液晶基板の製造工程などにおいては、被処理体の表面処理を行うに際して真空紫外光を被処理体に照射することが行われており、このような真空紫外光を照射する光源としてエキシマ放電ランプが用いられている。
エキシマ放電ランプは、一対の電極間に配置された希ガス等の放電用ガスを放電させてエキシマ分子を形成し、エキシマ分子が解離する過程で放射されるエキシマ光を利用するものである。

エキシマ放電ランプとしては、例えば、各々ガラスよりなる外側管と内側管とが同軸上に配置されて外側管と内側管との間に放電空間が形成された二重管構造の放電容器を備えてなり、外側管の外表面に外側電極が設けられると共に内側管の内表面に内側電極が設けられ、放電空間内にエキシマ放電によってエキシマ分子を形成する放電用ガスが充填されてなるものが知られている。
而して、近時においては、表面処理されるべき被光照射対象物（被処理体）例えば液晶基板の大型化に伴って、長尺なエキシマ放電ランプが必要となってきており、例えば、略直方体形状のガラス製放電容器を備えてなり、放電容器における一対の対向壁の各々の外面に外部電極が配設され、放電容器内に放電用ガスが封入された構成のエキシマ放電ランプが普及してきている（特許文献１参照）。
このような構成のエキシマ放電ランプによれば、被光照射対象物とエキシマ放電ランプによる光照射面との間の距離を被光照射対象物の面方向に対して一定にすることができて照射効率を高めることができる、とされている。

特許文献１に開示されたエキシマ放電ランプは、放電容器の横断面における上下方向の寸法（高さ）が十数ｍｍ、左右方向の寸法（幅）が数十ｍｍ程度の横長の薄い方形状であって、前後方向の寸法が１ｍ以上の長尺な放電容器を備えたものであって、上面側の電極が放電容器の平坦な上面のほぼ全面を覆うようにシート状に形成されると共に、下面側の電極が網目状のパターンに形成されており、真空紫外線を下面側の電極における網目を介して下方に向かって照射する構成とされている。

特開２００４−１２７７１０号公報

このようなエキシマランプにおいては、より高強度の紫外線を効率よく放射することが要請されており、このような要請に対して、本発明者らが、放電容器の上方（光出射方向に対して反対方向）に向かって放射される真空紫外線を反射して当該真空紫外線を積極的に使用すべく、放電容器における電極が配された側の壁の内面に、紫外線散乱粒子よりなる紫外線反射膜を形成した、長さ１ｍ以上の長尺なエキシマ放電ランプを試作したところ、例えば特許文献１にて例示されているものと同等の構成のエキシマ放電ランプに比べて、約５０％の紫外線量の増加が確認された。

しかしながら、放電容器の内表面の一面のみに紫外線反射膜が形成されたエキシマ放電ランプにおいては、長時間点灯されて使用されると、放電容器における、光出射方向側の壁を構成するガラスには、真空紫外線が照射されることに起因して生ずる紫外線歪みが経時的に蓄積される結果、この紫外線歪みの影響によって、光出射方向側のガラスが主として長手方向に収縮し、点灯時間（積算時間）が例えば１０００時間を越えると、放電ランプ全体が紫外線反射膜が形成された方向に向かって凸状に反ってしまう状態となること、具体的には、２ｍｍもの反りが生ずることが確認された。
そして、放電容器に反りが生じたままの状態で使用し続けると、被光照射対象物を所望の紫外線照度分布で光照射することができなくなるばかりか、例えば放電ランプの両端部を固定支持した場合には、放電容器に機械的歪が生じ、紫外線歪と機械的歪との両方の影響を受けることによって放電容器が破損に至るおそれがあることが明らかになった。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、放電容器の内壁面に紫外線反射膜が形成されてなるエキシマ放電ランプにおいて、長時間点灯された場合であっても、光出射方向側の壁に紫外線歪みが蓄積されることに起因する放電ランプの反りや破損が生ずるおそれがなく、真空紫外光を所望の光照射分布で長期間の間にわたって確実に放射することのできるエキシマ放電ランプを提供することを目的とする。

本発明のエキシマ放電ランプは、外形が略直方体形状の放電容器を備え、当該放電容器内にエキシマ発光ガスが封入され、当該放電容器における一対の対向壁の各々の外面に外部電極が配設されたエキシマ放電ランプにおいて、
前記対向壁の一方の内壁面には、少なくともシリカ粒子を含む紫外線散乱粒子よりなる紫外線反射膜が形成されており、
前記対向壁の他方の内壁面と、これと略垂直に連続する側壁の内壁面とにより形成される少なくとも隅部に、前記放電容器の長手方向の全域にわたって伸びるように、紫外線反射膜が形成されていることを特徴とする。

本発明のエキシマ放電ランプにおいては、放電容器における、前記対向壁の外面間の距離をｈ〔ｍｍ〕、前記両側壁の外面間の距離をＷ〔ｍｍ〕、前記対向壁および側壁と略垂直に連続する両端壁の外面間の距離をＬ〔ｍｍ〕とするとき、ｈ≦Ｗ＜Ｌであって、Ｗが３０〜５０ｍｍ、Ｌが６００ｍｍ以上、Ｌ／ｈ≧４０である構成とすることができる。

本発明のエキシマ放電ランプによれば、放電容器の一対の対向壁における、紫外線反射膜が形成された一方の壁に対向する他方の壁の内面とこれと略垂直に連続する一対の側壁の内面とにより形成される少なくとも隅部に、紫外線反射膜が形成されていることにより、前記放電容器の他方の壁を構成するシリカガラスに、点灯時間の経過に伴って、紫外線歪が蓄積されることが防止されるので、放電容器の、前記一方の壁を構成するシリカガラスとこれに対向する他方の壁を構成するシリカガラスとにおける紫外線歪みの差を緩和することができ、エキシマ放電ランプの反りや破損が生ずることを確実に防止することができ、従って、真空紫外光を所望の光照射分布で長期間の間にわたって確実に放射することができる。

特に、放電容器の内表面の一面のみに紫外線反射膜が形成された構成のものであれば上記問題が顕著に生ずる、上記条件を満足する特定の形状の放電容器を備えたものにおいて、極めて有用である。

図１は、本発明のエキシマ放電ランプの一例における構成の概略を示す斜視図、図２は、図１に示すエキシマ放電ランプの管軸に垂直な面を示す断面図である。
このエキシマ放電ランプ１０は、例えば合成シリカガラスよりなり、両端が封止されて内部に放電空間Ｓが形成された、外形が管軸方向に長尺な扁平な略直方体形状の放電容器１１を備えており、放電空間Ｓ内には、例えばキセノンガスなどのエキシマ発光ガスが封入されている。

放電容器１１における扁平な面方向に沿って伸びる一対の対向壁（以下、「上壁」および「下壁」という。）１２Ａ，１２Ｂの各々の外面には、網目状に形成された外部電極１８が配設されている。
このような外部電極１８は、例えば、金属よりなる電極材料を放電容器１１にペースト塗布することにより、あるいは、プリント印刷することによって形成することができる。

このエキシマ放電ランプ１０においては、一方の外部電極１８に点灯電力が供給されると、誘電体である放電容器１１の壁を介して両外部電極１８間に放電が生成され、これにより、エキシマ分子が形成されると共にこのエキシマ分子から例えば波長１７０ｎｍ付近にピーク値を有する真空紫外光が放射されるエキシマ放電が生ずるが、このエキシマ放電によって発生する真空紫外光を効率良く利用して、放電容器１１の下壁１２Ｂにより構成される光出射窓（部）１６を介して真空紫外線を出射するために、放電容器１１の上壁１２Ａの内面に、紫外線反射膜２０が形成されている。

この紫外線反射膜２０は、少なくともシリカ粒子を含む紫外線散乱粒子の粒子堆積体により構成されており、微小粒子の積層による紫外線散乱による反射機能、すなわち、真空紫外光を紫外線散乱粒子の粒界において拡散反射させる機能を有する。
紫外線反射膜２０の厚みは、例えば１０〜１０００μｍであることが好ましく、これにより、拡散反射による十分な紫外線反射機能を確実に得ることができる。

紫外線反射膜２０を構成するシリカ粒子は、以下のように定義される粒子径が例えば０．０１〜２０μｍの範囲内にあるものであって、中心粒径（数平均粒子径のピーク値）が、例えば０．１〜１０μｍであるものが好ましく、より好ましくは０．３〜３μｍであるものである。
シリカ粒子の「粒子径」とは、紫外線反射膜２０をその表面に対して垂直方向に破断したときの破断面における、厚み方向におけるおよそ中間の位置を観察範囲として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって拡大投影像を取得し、この拡大投影像における任意の粒子を一定方向の２本の平行線で挟んだときの当該平行線の間隔であるフェレー（Ｆｅｒｅｔ）径をいう。
また、中心粒径を有するシリカ粒子の割合が５０％以上であることが好ましい。
シリカ粒子の「中心粒径」とは、上記のようにして得られる各粒子の粒子径についての最大値と最小値との粒子径の範囲を、例えば０．１μｍの範囲で、複数の区分例えば１５区分程度に分け、それぞれの区分に属する粒子の個数（度数）が最大となる区分の中心値をいう。
シリカ粒子が、真空紫外光の波長と同程度である上記範囲の粒子径を有するものであることにより、真空紫外光を効率よく拡散反射させることができる。

紫外線反射膜２０を構成する紫外線散乱粒子としては、シリカ粒子のほかに、例えばアルミナ、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウムなどを例示することができるが、これらのうちでも、真空紫外光に対して高い屈折率を有することから、シリカ粒子、アルミナ粒子が好ましい。

このような紫外線反射膜２０は、例えば「流下法」とよばれる方法により形成することができる。すなわち、例えば、水とＰＥＯ樹脂（ポリエチレンオキサイド）を組み合わせた粘性を有する溶剤に、シリカ粒子、または、シリカ粒子およびその他の紫外線に対して高い屈折率を有する紫外線散乱粒子を混ぜて分散液を調製し、この分散液を放電容器形成材料内に流し込むことにより、放電容器形成材料の内表面における所定の領域に付着させた後、乾燥、焼成することにより水とＰＥＯ樹脂を蒸発させ、これにより、紫外線反射膜２０を形成することができる。ここに、焼成温度は、例えば５００〜１１００℃とされる。

以上において、上記エキシマ放電ランプ１０における放電容器１１は、上壁１２Ａの外面と下壁１２Ｂの外面との間の距離（高さ）をｈ〔ｍｍ〕、上壁１２Ａおよび下壁１２Ｂの長辺に対して上壁１２Ａおよび下壁１２Ｂと略垂直に連続する両側壁１３，１３の外面間の距離（幅）をＷ〔ｍｍ〕、上壁１２Ａおよび下壁１２Ｂの短辺に対して上壁１２Ａおよび下壁１２Ｂと略垂直に連続する両端壁（長手方向において互いに対向する対向壁）の外面間の距離（長さ）をＬ〔ｍｍ〕とするとき、下記（１）〜（４）の条件を満足する特定の形状を有するものとすることができる。また、放電容器１１を構成する各壁の厚みは、例えば１．４〜３ｍｍである。
（１）高さｈ，幅Ｗ，長さＬの関係がｈ≦Ｗ＜Ｌであること。
（２）幅Ｗが３０〜５０ｍｍであること。
（３）長さＬが６００ｍｍ以上であること。
（４）長さＬと高さｈとの比Ｌ／ｈが４０以上であること。

而して、上記エキシマ放電ランプ１０においては、図３に示すように、放電容器１１の下壁１２Ｂの内面と、下壁１２Ｂの長辺に対して下壁１２Ｂと略垂直に連続する側壁１３の内面とにより形成される隅部１５に、放電容器１１の長手方向の全域にわたって伸びるよう、紫外線反射膜２５が形成されている。ここに、「隅部１５」とは、管軸に直交する断面において、下壁１２Ｂと側壁１３との稜線部に内接する半径Ｒの円弧の中心角が例えば９０°の周領域をいう。

この放電容器１１の隅部１５に設けられる紫外線反射膜（以下、「隅部紫外線反射膜」という。）２５は、真空紫外光が照射されることによる紫外線歪みが経時的に蓄積されることを抑制するための、いわば「紫外線歪蓄積抑制機能膜」というべきものであるので、真空紫外光を反射する機能を有するものであれば、上述した紫外線反射膜２０と同種のものであっても、異種のものであっても、いずれのものであってもよい。
隅部紫外線反射膜２５を上述した紫外線反射膜２０と同種のもの（粒子堆積体）により構成する場合には、上記紫外線反射膜２０の形成方法と同様に、流下法によって形成することができ、その厚みは、例えば１０〜１０００μｍとされることが好ましい。

而して、上記（１）〜（４）の条件を満足する特定の形状を有する放電容器１１を備えてなり、放電容器１１の内表面の一面のみに紫外線反射膜２０が形成されたエキシマ放電ランプにおいては、上述したように、長時間点灯されると、エキシマ放電ランプの反りや破損などの問題が顕著に生じやすい。
すなわち、放電容器１１における隅部１５は、放電容器１１の形態的に機械的歪みを有している状態である上、さらに、真空紫外光が照射されることによって放電容器１１を構成するシリカガラスが収縮して紫外線歪みが生じるため、エキシマ放電ランプが長時間点灯された場合には、エキシマ放電ランプの反り、あるいは、例えば隅部１５における長手方向の中央部にクラックが発生して、破損に至る場合がある。なお、放電容器１１における両側壁１３，１３は共に同等の真空紫外光が照射されるため、実質的に反りの原因とならず、内面に紫外線反射膜２０が設けられた上壁１２Ａと光出射窓１６を構成する下壁１２Ｂとの間の紫外線歪みの差が問題になると考えられる。
然るに、放電容器１１の隅部１５に隅部紫外線反射膜２５が形成されていることにより、上記構成のエキシマ放電ランプ１０によれば、長時間点灯された場合であっても、放電容器１１の下壁１２Ｂを構成するシリカガラスに、紫外線歪が点灯時間の経過に伴って蓄積されることが抑制されるので、放電容器１１の上壁１２Ａを構成するシリカガラスとこれに対向する放電容器１１の下壁１２Ｂを構成するシリカガラスとにおける紫外線歪みの差を緩和することができる結果、エキシマ放電ランプ１０の反りや破損が生ずることを確実に防止することができ、従って、真空紫外光を所望の光照射分布で長期間の間にわたって確実に放射することができる。

特に、放電容器１１の内表面の一面のみに紫外線反射膜が形成された構成のものであれば上記問題が顕著に生ずる、上記条件（１）〜（４）を満足する特定の形状の放電容器１１を備えたものにおいて、極めて有用である。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験例を示す。
＜実験例１＞
図１〜図３に示す構成に従って、互いに同一構成の３本の本発明に係るエキシマ放電ランプ（これを、ランプ１〜３とする。）を作製すると共に、隅部紫外線反射膜を有さないことの他は、ランプ１〜３と同一の構成を有する比較用のエキシマ放電ランプ（これを、比較用ランプ１とする。）を作製した。これらのランプ１〜３および比較用ランプ１の基本構成は、以下に示す通りである。

〔エキシマ放電ランプの基本構成〕
放電容器は、材質がシリカガラスであって、長さＬ１６００ｍｍ、高さｈ１５ｍｍ、幅Ｗ４３ｍｍ、肉厚が２．５ｍｍであるものである。なお、肉厚の大きさは、エキシマランプの機械的強度の観点から選ばれた厚みであり、例えば２．２±０．８ｍｍ（１．４〜３．０ｍｍの範囲内であれば、機械的強度は厚みが変わっても略一定である。
放電容器内に封入される放電用ガスは、キセノンガスであり、その封入量は４０ｋＰａである。
外部電極の寸法は、３０×１５４０ｍｍである。
紫外線反射膜は、粒径範囲が０．４〜１．５μｍ、中心径が０．７μｍであるシリカ粒子と、粒径範囲が０．２〜０．５μｍ、中心径が０．３μｍであるアルミナ粒子とよりなり、流下法によって、焼成温度を１１００℃として、４０μｍの厚さで形成した。紫外線反射膜におけるアルミナ粒子の含有割合は１０質量％である。

隅部紫外線反射膜は、上記紫外線反射膜と同種のものであり、管軸に直交する断面において、下壁と側壁との稜線部に内接する半径Ｒが２ｍｍの円弧の中心角が例えば９０°の周領域に形成した（図３参照）。

ランプ１〜３および比較用ランプ１の各々について、３７５Ｗの点灯電力で１０００時間連続点灯させた後における、ランプの反り量を調べた。結果を下記表１に示す。
反り量の測定は、図４に示すように、エキシマ放電ランプ（１０）の管軸方向の両端部を紫外線反射膜（２０）が形成された上壁（１２Ａ）を上向きにして（光出射方向が下方となる姿勢で）２点で支持した状態において、支持部（Ｍｂ）とランプ中央部（放電容器端部から８００ｍｍの位置，Ｍａ）とを測定点として、放電容器（１１）の水平位置を基準とする各測定点（Ｍａ，Ｍｂ）の高さレベルを、エキシマ放電ランプ（１０）の上方からダイヤルゲージを放電容器（１１）の上壁（１２Ａ）の外表面に接触させることにより測定し、支持部（Ｍｂ）の高さレベルとランプ中央部（Ｍａ）の高さレベルとの差（Δｂ）を算出する。
そして、エキシマ放電ランプ作製直後における高さレベルの差と、１０００時間連続点灯させた後における高さレベルの差との差を反り量として算出した。ここに、エキシマ放電ランプ作製直後における高さレベルの差は、自重によるたわみ量を含むものである。

以上の結果から明らかなように、本発明に係るランプ１〜３によれば、隅部紫外線反射膜を有さない比較用ランプ１に比して３割もの反り量軽減効果が得られることが確認された。
また、放電容器の全長Ｌが１０００ｍｍ以上の放電ランプにおいては、点灯時間１０００時間あたりの反り量が１．５ｍｍ以下であれば、実用上問題はなく、所望の紫外線照射分布を得ることができる。

＜実験例２＞
放電容器の全長Ｌが１０００ｍｍ未満であって、放電容器の高さｈ〔ｍｍ〕と、長さ（全長）Ｌ〔ｍｍ〕との比Ｌ／ｈの値が比較的大きいエキシマ放電ランプにおいて、本発明の効果が奏されるランプ寸法仕様について検証した。
上記実験例１において作製したランプ１において、放電容器の長さＬを６００ｍｍとすると共に、放電容器の高さｈを１３ｍｍ、１５ｍｍ、１７ｍｍとしたことの他は同一の構成を有する３種類のエキシマ放電ランプ（以下、ランプ４，５および参照用ランプ１とする。）を作製すると共に、隅部紫外線反射膜を有さないことの他はランプ４，５および参照用ランプ１と同一の構成を有する比較用のエキシマ放電ランプ（以下、比較用ランプ２，３，４とする。）を作製した。

各ランプについて、上記実験例１と同様に、３７５Ｗの点灯電力で１０００時間連続点灯させた後における、ランプの反り量を調べた。結果を下記表２に示す。

以上の結果より、長さＬと高さｈとの比Ｌ／ｈが４０以上である場合には、隅部紫外線反射膜を形成することにより紫外線歪に起因する反り量を小さく低減することができるのに対して、長さＬと高さｈとの比Ｌ／ｈが４０未満である場合には、隅部紫外線反射膜を形成することによる紫外線歪に起因する反り量の低減効果が十分に得られないことが確認され、従って、放電容器の全長Ｌが１０００ｍｍ未満であっても、放電容器の高さｈ〔ｍｍ〕と長さ（全長）Ｌ〔ｍｍ〕との比Ｌ／ｈが４０以上となる形態の放電容器を備えたものにおいては、隅部紫外線反射膜を形成することによりエキシマランプの反りを小さく抑制することができることが確認された。
また、放電容器の全長Ｌが１０００ｍｍ未満であって、長さＬと高さｈとの比Ｌ／ｈが４０以上である放電ランプにおいては、点灯時間１０００時間あたりの反り量が０．６ｍｍ以下であれば、実用上問題はなく、所望の紫外線照射分布を得ることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、本発明のエキシマ放電ランプにおいては、図５に示すように、紫外線反射膜が形成された放電容器における一対の対向壁の一方の壁と対向する他方の壁１２Ｂの内壁面とこれに略垂直に連続する側壁１３の内壁面とにより形成される隅部１５と、他方の壁１２Ｂの内壁面における外部電極１８が配設されていない領域に相当する電極非配置領域Ａとにおいて、紫外線歪蓄積抑制機能を有する紫外線反射膜２５が形成された構成とすることができる。
このような構成によれば、放電容器１１の隅部１５に加えてさらに電極非配置領域Ａに紫外線反射膜２５が形成されていることにより、電極１８が配置された領域におけるシリカガラスと隅部１５のシリカガラスとの温度差に起因して隅部１５に生ずる熱歪の程度を緩和することができるので、エキシマ放電ランプの反り量軽減効果を一層確実に得ることができる。

また、本発明のエキシマ放電ランプにおいては、図６に示すように、放電容器１１における一対の対向壁における一方の壁１２Ａの内壁面、当該一方の壁１２Ａの内壁面に略垂直に連続する一対の側壁１３，１３の内壁面および一方の壁１２Ａと対向する他方の壁１２Ｂの内壁面と側壁１３の内壁面とにより形成される隅部１５の全域にわたって一体に形成された連続する紫外線反射膜２０Ａが形成された構成とされていてもよく、このような構成のものにおいても、エキシマ放電ランプの反りや破損が生ずることを確実に防止することができ、従って、真空紫外光を所望の光照射分布で長期間の間にわたって確実に放射することができる。

本発明のエキシマ放電ランプの一例における構成の概略を示す斜視図である。図１に示すエキシマ放電ランプの管軸に垂直な面を示す断面図である。図２における破線で示す領域の拡大断面図である。実験例における放電ランプの反り量の測定方法を説明するための図である。本発明のエキシマ放電ランプの他の例における要部を示す拡大断面図である。本発明のエキシマ放電ランプのさらに他の例における構成の概略を示す断面図である。

符号の説明

１０エキシマ放電ランプ
１１放電容器
１２Ａ上壁（一方の壁）
１２Ｂ下壁（他方の壁）
１３側壁
１５隅部
１６光出射窓（光出射部）
１８外部電極
２０紫外線反射膜
２０Ａ紫外線反射膜
２５紫外線反射膜（隅部紫外線反射膜）
Ｓ放電空間
Ａ電極非配置領域
Ｍｂ支持部
Ｍａランプ中央部

Claims

外形が略直方体形状の放電容器を備え、当該放電容器内にエキシマ発光ガスが封入され、当該放電容器における一対の対向壁の各々の外面に外部電極が配設されたエキシマ放電ランプにおいて、
前記対向壁の一方の内壁面には、少なくともシリカ粒子を含む紫外線散乱粒子よりなる紫外線反射膜が形成されており、
前記対向壁の他方の内壁面と、これと略垂直に連続する側壁の内壁面とにより形成される少なくとも隅部に、前記放電容器の長手方向の全域にわたって伸びるように、紫外線反射膜が形成されていることを特徴とするエキシマ放電ランプ。
放電容器における、前記対向壁の外面間の距離をｈ〔ｍｍ〕、前記両側壁の外面間の距離をＷ〔ｍｍ〕、前記対向壁および側壁と略垂直に連続する両端壁の外面間の距離をＬ〔ｍｍ〕とするとき、ｈ≦Ｗ＜Ｌであって、Ｗが３０〜５０ｍｍ、Ｌが６００ｍｍ以上、Ｌ／ｈ≧４０であることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ放電ランプ。