JP5122284B2

JP5122284B2 - コロナ放電ランプ

Info

Publication number: JP5122284B2
Application number: JP2007530253A
Authority: JP
Inventors: サルヴァーモーザー，マンフレッド; マーニック，ダニエル・イー
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: EP1794856A4; EP1794856B1; WO2006026596A3; WO2006026596A2; US7199374B2; US20060054821A1; EP1794856A2; ATE533175T1; PL1794856T3; ES2377217T3; JP2008511966A

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００４年８月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／６０５，９９１号の出願日の利益を主張し、同特許出願の内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

発明の分野
本発明は、コロナ放電ランプなどのコロナ放電デバイスに関する。

エキシマとは、典型的に、励起状態または高エネルギー状態で２つの原子からなる短寿命分子である。エキシマは、通常、非励起状態または基底状態で相互に結合しない原子を含んでもよい。内容全体が本明細書に参照により組み込まれる米国特許第６，４００，０８９号（「’０８９特許」）に示されているように、例えば、希ガスのようなエキシマを形成可能なガスに電界を印加し、ガスに自由電子を与えることによって、エキシマを効率的に発生させることができる。例えば、電界は、第１の電極とガスに浸漬させた対向電極との間にかけられてもよい。電界は、少なくとも、エキシマを形成するのに必要なエネルギーまで電子を加速するように構成されるが、電界の少なくとも１つの領域において、電界強度が、ガスを実質的にイオン化するのに必要なものより低くするように構成される。したがって、第１の電極と対向電極との間に、アークが形成されない。このような非アーク放電をコロナ放電と呼ぶ。

この配置は、任意の目的でエキシマを生じるときに使用できる。１つの特に有用な用途に、エキシマが減衰すると、光などの電磁放射を放出するエキシマの形成がある。例えば、エキシマを含有するある種の希ガスが、減衰すると紫外線光を放出する。チャンバの壁が、エキシマの減衰によって発生する光に透過性または半透過性のものであれば、光は、チャンバを通過できる。’０８９特許によるある特定のデバイスは、強度の紫外線光を供給する。

’０８９特許によって示された当分野の進歩にかかわらず、さらなる改良が望まれる。

本発明の１つの態様により、エキシマ形成方法が提供される。本発明のこの態様による方法が、望ましくは、ガス内にある第１の電極と、第１の電極から離れた対向電極との間に、自由電子が前記第１の電極から前記対向電極の方へ向かうように、約１００マイクロ秒以下の持続時間のパルスを含むパルス電位を印加することによってガス内に電界をかけるステップを含み、前記パルス電位のパルス中に、（ｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、少なくとも一部の自由電子のエネルギーが、エキシマを形成するのに必要な励起エネルギー以上であるような電子エネルギー分布を有し、および（ｉｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、実質的に大部分の自由電子のエネルギーが、ガスのイオン化エネルギー未満であるような電子エネルギー分布を有するように、前記電界が構成される。自由電子はガスを励起し、アークを生じることなくエキシマを形成する。

本発明のさらなる態様により、エキシマ形成装置が提供される。本発明のこの態様による装置は、望ましくは、エキシマ形成ガスを保持するチャンバと、チャンバ内に配置させた第１の電極と、第１の電極から離れた位置にあるチャンバ内の対向電極とを含む。この装置は、最も好ましくは、第１の電極と、対向電極とに接続された電位印加回路を含む。電位印加回路は、望ましくは、パルス中に、ガス内に電界をかけて自由電子を与え加速するパルス電位を電極間に印加するように適応される。パルス中に広がる電界は、前記パルス中に、（ｉ）電界の領域内において、自由電子が、少なくとも一部の自由電子のエネルギーが、エキシマを形成するのに必要な励起エネルギー以上であるような電子エネルギー分布を有し、および（ｉｉ）電界の領域内において、自由電子が、実質的に大部分の自由電子のエネルギーが、ガスのイオン化エネルギー未満であるような電子エネルギー分布を有するように構成さる。最も好ましくは、電位印加回路は、パルスの少なくとも一部の持続時間が、約１００マイクロ秒以下であるように、前記パルスを印加するように配設される。

本発明の前述の態様には、第１の電極と対向電極との間にパルス電位を印加することによって、電力とエキシマ形成の変換効率が著しく上がる。その結果として、印加電力と光の変換効率も上がるという理解も含まれる。好ましくは、パルスは、短い持続時間、望ましくは、約１００マイクロ秒以下のものであり、パルス電位は、全時間の７５パーセント以下、より望ましくは、全時間の約５０パーセント以下、および、最も望ましくは、全時間の約２５％以下、電位がかかった状態になるデューティーサイクルを有する。

一般に、デューティーサイクルのさらなる低減は、効率、および他のすべてが同じであれば、エキシマ形成およびパルスのオン時間中の単位時間当たりの光出力を増大する傾向にある。本発明は、任意の動作理論によって限定されるものではないが、この現象は、第１の電極の温度差に関係すると考えられる。第１の電極は、パルス励起の場合、連続した励起よりも低い温度を維持すると考えられる。

本発明のさらなる態様には、希ガス（例えば、Ｘｅ₂ ^*）のエキシマを形成するために希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅ）を使用するシステムにおいて、ある一定の不純物が、エキシマ形成の全効率を劇的に低減するという発見も含まれる。特に、これらの不純物は、システムに広がる条件下で電気陰イオンを形成する種を含む。水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は、このような種の１つである。実質的な程度までこれらの条件下で陰イオンを形成する他の種は、ハロゲン含有種、ＣＯ₂などの他の酸素含有種、ハロゲン含有種を含む。このように、本発明のさらなる態様により、ガス、最も好ましくは、１つ以上の希ガスを含むガスにエキシマを形成する方法が提供される。本発明のこの態様による方法は、望ましくは、ガスに自由電子を与えるステップと、前記自由電子を加速するようにガス内に電界をかけるステップとを含む。本発明のこの態様にも、電界は、望ましくは、（ｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、少なくとも一部の自由電子のエネルギーが、エキシマを形成するのに必要な励起エネルギー以上であるような電子エネルギー分布を有し、および（ｉｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、実質的に大部分の自由電子のエネルギーが、ガスのイオン化エネルギー未満であるような電子エネルギー分布を有するように構成さる。この場合も、自由電子は、ガスを励起し、アークを生じることなくエキシマを形成する。本発明のこの態様による方法において、ガスは、望ましくは、電界の前述の領域に負に帯電したイオンを形成可能な約１０ｐｐｍ未満の不純物を含有し、最も好ましくは、約１０ｐｐｍ未満の水蒸気を含有する。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照しながら、以下に示す詳細な記載からより容易に明らかになる。

本願発明者らによる文献「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｓｔａｂｌｅ，ｃｏｒｏｎａｄｉｓｃｈａｒｇｅ１７２ｎｍｘｅｎｏｎｅｘｃｉｍｅｒｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌｕｍｅ９４、Ｎｕｍｂｅｒ６、ｐａｇｅｓ３７２１−３７３１（以下、「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２００３」）の図５にも、図１および図２に示すユニットのいくつかの特徴が示されている。このような文献の内容全体は、本明細書に参照により組み込まれる。

本発明の１つの実施形態による装置が、１７２ｎｍ波長で紫外線光に透過性のある材料、最も好ましくは、溶融シリカから形成された壁の一部を有するチャンバ１０を含む。チャンバ内に、第１の電極１４が配置される。第１の電極は、実質的に一平面に配置された先端部１８を有する複数のニードル１６を含む。ニードルは、望ましくは、タングステンなどの金属材料から形成され、鋭い先端部を有する。第１の電極は、ニードル１６の１つに接続され、他のニードルの周りに延在するが、他のニードルには触れない銅プレート２０などの金属プレートをさらに含む。プレート２０は、先端部１８の平面の後方約１ｍｍの位置に設けられてもよい。各ニードル１６は、任意に、個々の安定抵抗器２２に関連付けられてもよい。各ニードルは、関連する安定抵抗器２２を介して、共通バス２４に接続されてもよい。各安定抵抗器の抵抗は、１キロオーム程度であってもよい。以下にさらに説明するように、安定抵抗器は任意であり、すなわち、ニードル１６は、バス２４に直接接続されてもよい。

また、金属スクリーンまたはプレートの形態の対向電極２６が、チャンバ１０内の位置に設けられる。ニードル先端部１８の平面と対向電極との間の距離は、例えば、約０．７〜１ｃｍであってもよい。

チャンバ１０の内部は、エキシマ形成ガス３０で充填される。ガス３０は、望ましくは、以下にさらに記載するように、高純度ガスである。図示した特定の実施形態において、ガス３０は、高純度Ｘｅである。ガスの圧力は、望ましくは、約０．５気圧以上、より好ましくは、約１気圧以上である。チャンバ１０内に、少量の乾燥剤またはゲッタ３２が与えられる。乾燥剤またはゲッタは、水蒸気、酸素、二酸化炭素、および動作中にチャンバ内に広がる条件下で陰イオンを形成可能な他の種などの不純物と反応する働きをする。ゲッタとして使用するのに適した材料は、例えば、分子ふるい、ゼオライト、または高純度バリウム、ジルコニウム、またはチタンなど、真空管においてゲッタとして一般に使用されるものを含む。

第１の電極の共通バス２４および対向電極２６に、パルス電源３４が接続される。電源３４は、対向電極２６に接続された接地接続３６を有し、第１の電極の共通バス２４に接続された高電圧出力接続３８を有する。電源３４は、スイッチング要素４６を介して低電圧一次回路４２に接続された一次側と、低値電流検出抵抗器３９を介して出力接続３８に接続された高電圧または出力側とを有する変圧器４０を組み込むように、記号を使って示している。スイッチング要素４６は単純なスイッチとして表しているが、典型的に、トランジスタなどのソリッドステートスイッチング要素を組み込んでおり、スイッチが周期的に開閉するように、タイミング回路４７によって制御される。スイッチが閉じられると、磁界が変圧器に築かれる。スイッチが開かれると、磁界は突然崩壊し、出力接続３８、ひいては、第１の電極のニードル１６に高電圧を引き起こす。制御回路４９が、検出抵抗器３９の両端にかかる電圧を検出し、ひいては、出力接続３８および第１の電極１４を流れる電流を検出する。制御回路は、タイミング回路の動作を抑制するように配設され、したがって、電流が、パルス中に所定のしきい値を超えれば、０．１〜１．０秒などの短時間、出力接続３８にさらなる高電圧パルスを印加しないようにする。電源３４の描写が略図に過ぎず、電源３４が、従来の高電圧スイッチング電源に一般に見られる他の要素を含んでもよいことを認識されたい。電源は、出力接続３８に現れる電圧が、接地に対して負であるように配設される。

電源および電源を電極に接続する回路の他の要素は、望ましくは、以下にさらに記載するように、第１の電極１４に印加される負の電圧の各パルスまたは「オン」区間の持続時間が、約１００マイクロ秒以下であり、各パルスの開始時の電圧の立ち上がり時間が、約１０マイクロ秒以下であるように構成され配設される。本明細書において使用する場合、「立ち上がり時間」という用語は、負の電圧が、最大の大きさの約１０％から最大の大きさの約９０％まで立ち上がる時間をさす。第１の電極での負の電圧のデューティーサイクルは、典型的に、約７５％以下であり、より典型的には、約５０％以下である。より低いデューティーサイクル、望ましくは、約２５％以下または５％〜約１５％、例えば、約１０％を使用することもできる。本明細書において使用する場合、「デューティーサイクル」という用語は、電圧がかかっている状態の総経過時間のパーセンテージをさす。

第１の電極が、対向電極に対して負の電位にある間、ニードル１６の先端部１８に印加された負の高電圧により、先端部の周りおよび先端部と対向電極との間に高強度の電界が生じる。図３に、理想的な形の１つの先端部を表す。電界の強度は、先端部にすぐ隣接した位置で最も高い。先端部のすぐ近くでは、電界の強度は、先端部からの距離ｒの平方とともに低下する。先端部から所与の半径ｒ_innerまで、電界の内側の概して球形の領域６０内において、電界の強度は、感知できるほどのガスのイオン化を生じることで、自由電子を生じさせるのに十分である。この領域内において、自由電子は、ガスのイオン化エネルギーε^ionに近いか、またはそれよりも高い平均エネルギーまで加速されてもよい。この領域内において、ガスは、高温であり、エキシマ形成は最小である。別の言い方をすれば、内側領域内において、局所的なコロナ放電が生じる。電界の影響下、自由電子は、対向電極の方へと移動し、内側領域から、内側領域から対向電極２６まで延在する外側領域６２へと流れる。

外側領域６２において、電界は、内側領域より実質的に低く、ほぼ均一である。この外側領域６２において、自由電子は、ガスのイオン化エネルギーε^ionよりかなり低い平均エネルギーまで加速されることで、実質的に多数の電子が、ガスのイオン化エネルギーより低いエネルギーを有する。しかしながら、電子の著しい割合が、ガス原子の電子励起エネルギーε^*より高いエネルギーを有する。この領域において、ガス原子の実質的な割合が、自由電子から移動したエネルギーによって、電子的に励起された状態へ促される。これらの励起原子がエキシマを形成する。このように、この領域において、実質的なエキシマ形成が生じる。

エキシマの形成は、外側領域６２の電界強度とともに増大し、ひいては、印加電圧とともに増大する。これは、以下のように定性的に理解できる。すなわち、印加電圧および外側領域の強度が増大すると、電子がε^*に達するように電界内を加速しなければならない距離が短くなる。内側領域から対向電極まで流れる際、特定の電子は、ε^*以上まで加速され、次いで、ガス原子を励起した後、ε^*まで再度加速し、別の原子を励起する。電子が対向電極２６に達するまで、これらのステップを繰り返す。電子当たりに形成された励起ガス原子の数は、ε^*に達するのに必要な加速距離に反比例する。このように、所与のシステムに対して、電子当たりに形成されるエキシマの数は、電界強度、ひいては、印加電位とともに増大する。

電界強度および印加電位の上限は、アークを回避または制限する必要性によって課せられる。電界の外側領域にある電子は、ある範囲のエネルギーを有する。電子の平均エネルギーが、ガス原子をイオン化するのに必要なエネルギーε^ionを下回る場合でも、電子の一部は、ε^ionに近付くエネルギーを有する。ε^ion以上のエネルギーを有する電子の数が、しきい値を超える場合、アークが生じる。任意の所与のシステムに対して、印加電位および著しいアークを発生する電界強度は、実験的に決定でき、各パルス中の印加電位は、この上限のすぐ下に設定され得る。各パルス中に印加された電圧は、電源３４を構成することによって選択され得る。電圧を調節しやすいように、変圧器４０は、可変変圧器であってもよい。

さらに、上述したＪ．Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙｓ．２００３文献にさらに記載されているように、印加電位と電子エネルギー分布との関係を計算することもできる。本明細書において、電界の１つの算定基準を低減電界と呼ぶ。低減電界は、電界強度Ｅ（単位ｋＶ／ｃｍ）をガス圧力（単位バール）で割ったものに等しい。Ｘｅの場合、パルス電位のオン時間中、約１ｋｖ／（ｃｍｂａｒ）〜約３ｋＶ／（ｃｍｂａｒ）、好ましくは、約３ｋｖ／（ｃｍｂａｒ）の低減電界での動作により、一般に、アークを生じずに高効率が得られる。Ｘｅの場合、ε^ionは、ほぼ１２．１ｅＶであるのに対して、ε^*は、ほぼ８．３２ｅＶである。

１００μｓ以下などの比較的短いパルス持続時間またはオン時間のパルス電位を使用することで、多大な利益が得られる。所与のシステムに対して、アークを発生させることなくこのようなパルス電位のオン時間中に印加可能な電位は、アークを発生させることなく印加可能な連続電位より著しく大きい。したがって、パルス電位を使用するシステムは、一定の電位を使用する同等のシステムより高い電位、ひいては、高い効率で動作できる。また、第１の電極が、ニードルや、複数の点（図１に示すように）を画定する他の構造を含む場合、高速立ち上がり時間で短パルスの電位を印加すると、電流が１つのニードルに集中しないようになる。この場合も、本発明は、任意の動作理論によって限定されるものではない。しかしながら、この効果は、ガスの電子および／またはイオンの有限のドリフト時間から生じたものであると考えられる。この効果の理由にかかわらず、この効果は多大な利益をもたらす。マルチニードル電極において、安定抵抗器は、単一のニードルでアークが発生しないように働く。しかしながら、短い立ち上がり時間を有する本明細書に記述するようなパルス励起の場合、安定抵抗器を省いてもよく、または安定抵抗器の抵抗を比較的低くしてもよく、それによって、システムの全効率が上がる。

さらに高速の立ち上がり時間の場合でも、さらに短いパルス長が、上述した利益を最大化する傾向にある。例えば、パルス長は、約５０μｓ以下、または約２５μｓ以下、または約１０μｓ以下、例えば、約１μｓ〜約１５μｓまたは約１０μｓ〜約１５μｓであってもよい。本明細書において参照したパルス長は、パルスの開始時の立ち上がり時間およびパルスの終了時の立ち下がり時間を含む、全パルス長である。各パルスの開始時の立ち上がり時間は、望ましくは、パルス長の約１０％以下である。例えば、パルス長が１０μｓ以下の場合、立ち上がり時間は、望ましくは、約１μｓ以下である。

電極、ひいては、検出抵抗器３９を通る電流は、典型的に、各パルス中、１００ミリアンペア以下の範囲にあり、パルス間の区間ではゼロである。両パルス、いわゆる「オン」時間と、パルス間の区間、いわゆる「オフ」時間とを含む全動作時間にわたって平均化された電流を、本明細書において「時間平均電流」と呼び、最も典型的には、１ｍＡ〜数ｍＡの範囲のものである。特定のパルス中にアークが発生する場合、電極を流れる電流は、例えば、数百ｍＡのように、通常のパルス中に観察されるレベルの何倍ものレベルまで増大する。制御回路４９は、短い区間、望ましくは、通常の数サイクル分に等しい区間、スイッチング要素４６を開いたままにするようにタイミング回路に命令することによって、この増大に応答する。この時間中、アークに形成されたイオン化種は消失し、電極の温度が下がる。次いで、通常の動作を再開できる。このようにして、制御回路は、アークが発生するしきい値に非常に近いパルス電圧での動作を可能にし、システムの効率に寄与する。さらなる変形例において、制御回路は、アークがない場合に電圧を増大させ、アークが存在するとき電圧を低減することで、システムが、アークが発生するしきい値のすぐ下のパルス電圧へ落ち着くようにすることで、各パルス中に印加された電圧を制御するように配設される。

典型的なシステムの場合、電位源は、各パルス中に、第１の電極が対向電極に対して約１ｋＶ〜約２０ｋＶの負の電圧にあるようにパルス電位を印加可能でなければならない。最適な電圧は、ガス圧力、ガス純度、および第１の電極と対向電極との間の距離などの要因とともに変動する。この距離は、典型的に、約１０ｍｍ〜数センチメートルの範囲のものである。最も典型的に、ガス圧力は、約０．２バール〜約１０バールの範囲のものである。ガス圧力時間と電極間の距離との積は、典型的に、０．１バール^*ｃｍ〜２０バール^*ｃｍのオーダーである。

図４および図５に示す本発明のさらなる実施形態による装置が、動作中に放出される紫外線光に透過性のある溶融シリカなどの材料から形成された管状壁１０１と、エンドキャップ１０２および１０４とを有するチャンバ１１０を含む。この装置は、細長く直径が小さい金属ワイヤの形態の第１の電極１１４と、第１のワイヤ電極と同軸で、ひいては、第１のワイヤ電極から均一の距離に配置された金属スクリーンの形態の管状の対向電極１２６とをさらに含む。第１の電極またはワイヤ１１４は、エンドキャップ１０２および１０４によって物理的に支持されてもよいが、エンドキャップから電気的に絶縁される。対向電極１２６は、エンドキャップの一方または両方を介して接地電位に接続されてもよい。第１の電極１１４と対向電極との間に、スイッチ付き電源１３４を含む電位印加回路が電気的に接続される。電位印加回路は、上述したものと実質的に同じ方法で、第１の電極１１４にスイッチングまたはパルス負電位を印加するように配設される。この実施形態において、エキシマ形成ガス１３０は、チャンバ１１０を通過して、ポート１０９から出るように、供給源１０８から連続して供給される。他の形態において、チャンバは、チャンバ内に永久に収容されたエキシマ形成ガスで密封されてもよい。チャンバまたはガス源に、またはそれらの両方に、ゲッタ（図示せず）が設けられてもよい。通常の動作中、チャンバ内の電力損失は穏やかであり、したがって、チャンバ壁を通って標準大気への熱消失が、適度な温度、典型的に、５０℃未満にチャンバを維持する。しかしながら、さらなる冷却手段（図示せず）が設けられてもよく、これらは、チャンバ壁に冷却剤の通路、エンドキャップまたは電極を含んでもよい。

動作時、第１のワイヤ電極１１４に負の電位が印加されると、ワイヤの長さに沿って不連続な発光ゾーンのセットを生成する傾向がある。本発明は、任意の動作理論によって限定されるものではないが、これらの発光ゾーンは、ワイヤ表面にある小さな不規則性などの要因が、ワイヤの付近に電界を局所的に集中する場所で形成されると考えられる。印加電圧の増大に伴い、発光ゾーンの数も増える。各発光ゾーンは、図３を参照しながら上述したものに類似した電界領域を含む。このように、各放射ゾーンは、電子の実質的な割合が、イオン化に必要なものより高いエネルギーを有する内側領域１６０と、電子のすべてまたはほとんどすべてが、イオン化に必要なものより低いエネルギーを有するが、多くの電子が、エキシマ形成に必要なものより高いエネルギーを有する外側領域１６２とを含む。この実施形態において、電界は、実質的に放射状であり、領域１６０および１６２は概して円筒状である。

１つの例において、図４および図５に示す管状実施形態は、外径が約４ｃｍの管状チャンバを含む。図４および図５に示す条件において、数ｋＶの電圧、例えば、約２．３ｋＶ〜約６ｋＶの電圧がパルス状に印加され、約１ミリアンペア〜数ミリアンペアの時間平均電流を生成する。チャンバは、約１バールの圧力で、本明細書に記述する任意のガス、例えば、Ｘｅを収容してもよい。

上述したように、パルス電位源は、各パルスの開始時に電位が高速に立ち上がるように、パルスを印加するように配設される。この実施形態において、高速立ち上がり時間は、ワイヤの長さに沿った１つ以上の点に電流が集中するのを最小限に抑える傾向がある。

第１の電極と対向電極との間の印加電位は、上述したパルス励起の他にも１つのコンポーネントを含んでもよい。例えば、ＤＣコンポーネントが、パルス間の区間中に、対向電極に対して負の電圧で第１の電極を維持してもよい。１つのこのような配置において、第１の電極は、パルス間の区間中に対向電極に対してある負の電位（例えば、−１ｋＶ）で、およびパルス中により大きな負の電位（例えば、−３ｋＶ）で維持される。他の配置において、追加のコンポーネントは、逆極性のＤＣコンポーネントまたはゆっくりと変化するＡＣコンポーネントを含んでもよい。

上述した特徴は、エキシマを形成可能な任意のガスを使用して適用され得る。望ましくは、ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅおよびそれらの混合物からなる群から選択された第１のガス成分を含む。ガスは、本質的に、この第１のガス成分からなるものであってもよい。例えば、ガスは、Ｘｅ₂ ^*エキシマを形成するために、実質的に純粋なＸｅであってもよい。これらのエキシマの減衰は、１７２ｎｍの波長で紫外線放射を生じる。他の実施形態において、ガスは、前記第１のガス成分の組成とは異なる組成を有する第２のガス成分を含む。第２のガス成分は、第１のガス成分から形成されたエキシマと接触すると、励起種を形成する成分であってもよい。例えば、第２のガス成分は、窒素および水素からなる群から選択されてもよい。あるシステムにおいて、ガスは、本質的に、第１のガス成分としてＮｅと、第２のガス成分としてＨ₂とからなる。この混合物は、Ｎｅ₂ ^*エキシマを形成するように励起することができ、米国特許第６，２８２，２２２号においてさらに説明されている機構によって、約１２１ｎｍで紫外線放射を放出し、同特許の内容全体は、本明細書に参照により組み込まれる。’２２２特許も本発明も、任意の動作理論によって限定されるものではないが、この機構は、Ｎｅ₂ ^*エキシマから水素へのエネルギー移動と、結果的に得られた励起された単原子水素からの放出を伴うと考えられる。別の例において、ガスは、本質的に、ＡｒおよびＮ₂からなる。Ａｒは、好ましくは、ガスの約９５〜９９モルパーセントを構成し、例えば、約１バールＡｒおよび約２０ミリバールＮ₂である。上述したように励起すると、システムは、他の波長とともに約３３７ｎｍで紫外線放射を生じる。本発明は、任意の動作理論によって限定されるものではないが、これが起こる原因は、Ａｒ₂ ^*エキシマが形成され、これらのエキシマからＮ₂へエネルギーが移動することで、Ｎ₂分子を励起した後に、励起されたＮ₂が減衰するためであると考えられる。

ガスが、希ガス（例えば、Ｘ₂ ^*）のエキシマを形成するために、１つ以上の希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅ）を含む場合、ある不純物が、エキシマ形成の全効率を劇的に低下させてしまう。特に、これらの不純物は、システムに広がる条件下で電気陰イオンを形成する種を含む。典型的に、これらの条件は、約２〜約８電子ボルトのオーダーのエネルギーを有する電子衝撃を含む。衝撃電子のエネルギーは、印加電位、およびガス圧力から計算可能な平均自由行程などの要因から計算可能である。Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２００３文献においてさらに詳細に記載されているように、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は、このような種の１つである。これらの条件下で実質的な程度まで陰イオンを形成する他の種は、ハロゲン含有種、Ｏ₂およびＣＯ₂などの他の酸素含有種、およびハロゲン含有種を含む。最も好ましくは、希ガスエキシマ生成が望ましい場合（希ガスエキシマ放出を採用した紫外線光源など）、ガス混合物は、これらの不純物をまとめたものすべての約１０ｐｐｍ以下を含み、特に、約１０ｐｐｍ以下の水蒸気を含む。より少ない不純物含有量がさらに望ましい。

上述したように、本発明によるエキシマ形成方法および装置は、光を生成するために使用することができ、エキシマが減衰すると、最も典型的には、スペクトルの紫外線領域で光が放出される。チャンバに、発光波長で光を透過させる１つ以上の壁がある場合、光は、チャンバの外側で使用することもできる。他の形態において、光によって処理される材料が、エキシマ形成ガスおよび電極を含むチャンバ内に置かれてもよい。さらなる変形例において、対向電極は、リフレクタとして働いてもよく、放射光を方向付けまたは集束させるように構成されてもよい。光は、化学反応を促進するように直接適用することもできる。Ｘｅ^* ₂エキシマによって放出された１７２ｎｍの光は、酸素と効率的に相互に作用して、Ｏ₂を単原子Ｏに分割し、この単原子と他のＯ₂分子とが再び結合して、オゾン（Ｏ₃）を形成する。大気中の５％のオーダーの高濃度のオゾンが生成され得る。また、半導体および他の用途においてフォトレジストを現像する目的などでは、紫外線光が直接使用され得る。他の用途において、紫外線光は、ガス含有チャンバの内側または外側に配置した適切な燐光体によって、可視またはより長い波長の紫外線光に変換されて、デバイスが可視またはより長い波長の紫外線光を生成するためのランプとしても作用させることもできる。さらなる他の用途において、減衰中のエキシマによって放出された紫外線光などの放射が、他の化学反応を促進させるために適用される。

パルス電位は、強度が脈動した状態で光を生じる。典型的に、光強度は、パルス間でゼロへ急速に減衰する。オゾン形成およびフォトレジスト現像などの多くの用途では、時間平均光強度は、重要なパラメータである。エキシマ形成の効率が高いと、平均光強度も高くなる。他の用途では、印加電位のオンおよびオフ時間、ひいては、発光のオンおよびオフ時間が、特定の結果を促進するために選択され得る。例えば、ある化学反応は、特定の時間定数を有する。このような反応を促進させるために、エキシマによって放出される放射が適用される場合、印加電位のパルス間の時間、ひいては、放射パルス間の時間は、このような時間定数と一致するように選択され得る。さらなる変形例において、パルス放射は、ストロボ効果を与えるために使用され得る。例えば、光によって処理されるワークピースを、高速に連続してシステムを通って移動させる場合、パルスは、新しいワークピースが露光位置にきたときに各放射パルスを生じさせるような時間に設定される。

上述した電極およびチャンバの特定の構成は、例示的なものにすぎない。’０８９特許に示すものを含む他の構成が使用されてもよい。例えば、第１の電極は、鋭いエッジを有する１つ以上のブレード、例えば、複数のワイヤまたは複数のニードルなどを有する特徴を含んでもよい。また、上述した実施形態において、第１の電極付近に局所的なイオン化によって、エキシマ形成ガス内に自由電子が導入される。しかしながら、電子銃などの他の自由電子源が採用されてもよい。電子銃を使用する１つの実施形態において、エキシマ形成ガス内の電界は、電子が注入され電界によって加速されると、実質的な数の電子が、原子を励起し、ひいては、エキシマを形成するのに必要なエネルギーより高いエネルギーを有するが、大多数の電子、望ましくは、電子のすべてまたはほぼすべてが、ガスのイオン化エネルギーより低いエネルギーを有するようなエネルギー分布を電子が有するような大きさの均一な電界であってもよい。別の言い方をすれば、電界は、アークを生成する大きさより小さいものでなければならない。

特許請求の範囲によって規定される本発明から逸脱することなく、上述した特徴の上記および他の変形例および組み合わせを利用することができるため、好ましい実施形態の前述の記載は、特許請求の範囲によって規定される本発明を限定するものではなく、例示するものとして考慮されるべきである。

本発明の１つの実施形態による装置のブロック図である。図１の線２−２に沿って切り取った断面図である。図１および図２に示す装置の一部分を拡大して表す理想図である。本発明のさらなる実施形態による装置を表す断面図である。図１の線５−５に沿って切り取った断面図である。

Claims

チャンバ内にある第１の電極と、前記第１の電極から離れた、該チャンバ内にある対向電極との間に、自由電子が前記対向電極の方へ向かうように、約１００マイクロ秒以下の持続時間のパルスを含むパルス電位を印加することによって、ガス内において電界をかけるステップを含む、チャンバ内のガス内においてエキシマを形成する方法であって、
前記パルス電位のパルス中に、（ｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、少なくとも一部の自由電子のエネルギーがエキシマを形成するのに必要な励起エネルギー以上であるような電子エネルギー分布を有し、および（ｉｉ）前記電界の領域内において、
前記自由電子が、実質的に大部分の自由電子のエネルギーがガスのイオン化エネルギー未満であるような電子エネルギー分布を有するように前記電界が構成され、前記自由電子が前記ガスを励起してアークを生じることなくエキシマを形成する、方法。
前記パルス電位の持続時間が、本質的に約１００マイクロ秒以下のパルスからなる請求項１に記載の方法。
前記パルス電位のパルスの本質的にすべてが、前記パルス中に前記第１の電極が前記対向電極に対して負であるような極性のものである請求項１に記載の方法。
前記パルス電位が、前記第１の電極と前記対向電極との間に印加された唯一の電位である請求項３に記載の方法。
前記パルスの少なくとも一部の立ち上がり時間が、約１０マイクロ秒以下である請求項１に記載の方法。
前記パルスの本質的にすべての立ち上がり時間が、約１０マイクロ秒以下である請求項１に記載の方法。
前記パルス電位のデューティーサイクルが約７５％以下である請求項１に記載の方法。
前記デューティーサイクルが約５０％以下である請求項７に記載の方法。
前記第１の電極が細長いワイヤを含み、前記対向電極の少なくとも一部が前記細長いワイヤから等距離にある表面である請求項１から８のいずれかに記載の方法。
前記細長いワイヤが実質的に直線であり、直線の伸長軸を画定し、前記対向電極の前記少なくとも一部が前記伸長軸と同軸の管状の少なくとも一部分の形で存在する請求項９に記載の方法。
前記エキシマの減衰によって発生する電磁放射を利用するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
前記電磁放射が紫外線光を含む請求項１１に記載の方法。
前記ガスが、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅおよびそれらの混合物からなる群から選択される第１のガス成分を含む請求項１に記載の方法。
前記ガスが本質的に前記第１のガス成分からなる請求項１３に記載の方法。
前記ガスが前記第１のガス成分の組成とは異なる組成を有する第２のガス成分を含む請求項１３に記載の方法。
前記第２のガス成分が窒素および水素からなる群から選択される請求項１５に記載の方法。
前記ガスが本質的にＮｅおよびＨ₂からなる請求項１６に記載の方法。
前記ガスが本質的にＡｒおよびＮ₂からなる請求項１６に記載の方法。
前記ガスが約１０ｐｐｍ未満の水蒸気を含有する請求項１、１３および１４のいずれかに記載の方法。
ガスにエキシマを形成する装置であって、
（ａ）エキシマ形成ガスを保持するチャンバと、
（ｂ）前記チャンバ内に配置させた第１の電極と、
（ｃ）前記第１の電極から離れた位置にある前記チャンバ内の対向電極と、
（ｄ）前記第１の電極と、前記対向電極とに接続された電位印加回路とを備え、前記回路が、前記パルス中に、前記ガス内に電界をかけて自由電子を供給し加速するパルス電位を前記電極間に印加するように適応され、前記パルス中に、（ｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、少なくとも一部の自由電子のエネルギーが、エキシマを形成するのに必要な励起エネルギー以上であるような電子エネルギー分布を有し、および（ｉｉ）前記電界の領域内において、前記自由電子が、実質的に大部分の自由電子のエネルギーが、ガスのイオン化エネルギー未満であるような電子エネルギー分布を有するように前記電界が構成され、前記電位印加回路が、前記パルスの少なくとも一部の持続時間が約１００マイクロ秒以下であるように、前記パルスを印加するように適応される、装置。
前記電位印加回路が、前記パルスの実質的にすべてのパルスの持続時間が約１００マイクロ秒以下であるように、前記パルスを印加するように適応される請求項２０に記載の装置。
前記電位印加回路が、前記パルスの少なくとも一部の立ち上がり時間が約１０マイクロ秒以下であるように、前記パルスを印加するように適応される請求項２１に記載の装置。
前記電位印加回路が、前記パルスの本質的にすべての立ち上がり時間が約１０マイクロ秒以下であるように、前記パルスを印加するように適応される請求項２１に記載の装置。
前記電位印加回路が、前記パルス電位のデューティーサイクルが約７５％以下であるように、前記パルスを印加するように適応される請求項２１に記載の装置。
前記電位印加回路が、前記デューティーサイクルが約５０％以下であるように、前記パルスを印加するように適応される請求項２４に記載の装置。
前記第１の電極が細長いワイヤを含み、前記対向電極の少なくとも一部が前記細長いワイヤから等距離にある表面である請求項２０に記載の装置。
前記細長いワイヤが実質的に直線であり、直線の伸長軸を画定し、前記対向電極の前記少なくとも一部が前記伸長軸と同軸の管状の少なくとも一部分の形で存在する請求項２６に記載の装置。
前記第１の電極が、複数の先の鋭い領域を画定する電極構造を含む請求項２０から２７のいずれかに記載の装置。
前記エキシマの減衰によって発生する電磁放射を利用するステップをさらに含む請求項２８に記載の装置。
前記電磁放射が紫外線光を含む請求項２９に記載の装置。
前記ガスが、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅおよびそれらの混合物からなる群から選択される第１のガス成分を含む請求項２０に記載の装置。
前記ガスが本質的に前記第１のガス成分からなる請求項３１に記載の装置。
前記ガスが、前記第１のガス成分の組成とは異なる組成を有する第２のガス成分を含む請求項２０に記載の装置。
前記第２のガス成分が窒素および水素からなる群から選択される請求項３３に記載の装置。
前記ガスが本質的にＮｅおよびＨ₂からなる請求項３３に記載の装置。
前記チャンバが、前記エキシマの減衰によって放出された電磁放射に透過性のある壁を有する請求項２０に記載の装置。
前記電位印加回路がアークを検出し、アークに応答して前記電位印加回路の動作を修正するように配設された制御回路を含む請求項２０に記載の装置。
前記制御回路が、アークに応答して前記電位印加回路の動作を瞬間的に中断するように配設された請求項３７に記載の装置。
前記エキシマが紫外線を放出し、さらに、前記エキシマから放出された紫外線を可視光又はより長い波長の紫外線に変えるために蛍光体（燐光体）を使用するステップを含む請求項１に記載の方法。
前記蛍光体（燐光体）は、前記エキシマから放出された紫外線をより長い波長の紫外線に変えるために採用される請求項３９に記載の方法。
前記蛍光体（燐光体）はチャンバ内に配置される請求項３９又は４０のいずれかに記載の方法。
さらに蛍光体（燐光体）を備え、該蛍光体（燐光体）は前記エキシマから放出された紫外線を可視光又はより長い波長の紫外線に変えるために採用される請求項２０に記載の装置。
前記蛍光体（燐光体）は、前記エキシマから放出された紫外線をより長い波長の紫外線に変えるために採用される請求項４２に記載の装置。
前記蛍光体（燐光体）は、前記チャンバ内に配置される請求項４２又は４３のいずれかに記載の装置。