JP5278648B2 - エキシマランプ - Google Patents
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Description
本発明は、シリカガラスよりなる放電容器と、該放電容器を形成するシリカガラスが介在する一対の電極と備え、前記放電容器内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプに関する。
近年、金属、ガラス、その他の材料よりなる被処理体に波長２００ｎｍ以下の真空紫外光を照射することにより、真空紫外光及びこれにより生成されるオゾンの作用によって、例えば、被処理体の表面に付着した有機汚染物質を除去する洗浄処理技術や、被処理体の表面に酸化膜を形成する酸化膜の形成処理技術等の、被処理体を処理する技術が開発され、実用化されている。
真空紫外光を照射する装置としては、例えば、エキシマ放電によってエキシマ分子を形成し、該エキシマ分子から放射される、例えば、波長１７０ｎｍ付近の光を利用するエキシマランプを光源として備えるものが知られており、このようなエキシマランプを用いて、より高強度の紫外線を効率よく放射するために多くの試みがなされている。
図１１は、特許文献１に示されるような従来技術に係るエキシマランプの構成を示す図であり、図１１（ａ）は、エキシマランプ１００の管軸をとおる切断面から見た断面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示したエキシマランプ１００のＡ−Ａから見た断面図である。
これらの図に示すように、このエキシマランプ１００は、紫外線を透過するシリカガラスよりなる放電容器１０１と、放電容器１０１の内側と外側に各々電極１０２，１０３とが設けられており、放電空間Ｓのエキシマ放電に曝される放電容器１０１内表面には、紫外線反射膜１０４が形成されている。また、放電容器１０１の一部には、紫外線反射膜１０４が形成されていないことにより放電空間Ｓ内で発生した紫外線を出射する光出射部１０５が形成されている。さらに特許文献１の記載によれば、紫外線反射膜１０４として、シリカ粒子のみからなるもの、およびアルミナ粒子のみからなるものが記載されている。
これらの図に示すように、このエキシマランプ１００は、紫外線を透過するシリカガラスよりなる放電容器１０１と、放電容器１０１の内側と外側に各々電極１０２，１０３とが設けられており、放電空間Ｓのエキシマ放電に曝される放電容器１０１内表面には、紫外線反射膜１０４が形成されている。また、放電容器１０１の一部には、紫外線反射膜１０４が形成されていないことにより放電空間Ｓ内で発生した紫外線を出射する光出射部１０５が形成されている。さらに特許文献１の記載によれば、紫外線反射膜１０４として、シリカ粒子のみからなるもの、およびアルミナ粒子のみからなるものが記載されている。
このように構成されたエキシマランプ１００によれば、放電空間Ｓ内で発生したエキシマ放電に曝される放電容器１０１の内表面に、紫外線反射膜１０４が設けられているので、紫外線反射膜１０４が設けられた領域においては、放電空間Ｓ内で発生した紫外線が、紫外線反射膜１０４によって反射され、シリカガラスに入射せずに、光出射部１０５におけるシリカガラスを透過して外部に放射されるので、放電空間Ｓ内で発生した紫外線を有効に利用することができる。
特許第３５８０２３３号公報
しかしながら、このエキシマランプ１００は、ランプを点灯すると、紫外線反射膜１０４の端部が剥がれ落ちるという問題が生じた。紫外線反射膜１０４から剥がれ落ちた切片は、放電容器１０１内に溜まるため、光出射部１０５となっている放電容器１０１の内表面にも溜まってしまう。そのため、光出射窓１０１から放射されるエキシマ光が、紫外線反射膜１０４から剥がれ落ちた切片によって遮られてしまい、エキシマランプ１００の放射光量が減少してしまう。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、紫外線反射膜が赤外光を透過するように構成し、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器と紫外線反射膜との温度差を小さくして、紫外線反射膜の放電容器からの剥がれ落ちを防止し、長時間、エキシマ光の放射光量を所定の範囲に維持することのできるエキシマランプを提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、放電空間を有するシリカガラスよりなる放電容器と、該放電容器を形成するシリカガラスが介在する一対の電極とを備え、前記放電空間内にキセノンガスが封入されてなり、前記放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、エキシマ放電に曝される前記放電容器内表面に、シリカ粒子を含む紫外線散乱粒子からなる紫外線反射膜を形成し、波長４５６０ｎｍの光が前記紫外線反射膜および厚さ１ｍｍのシリカガラスの透過で測定した時の透過率が１０％以上であることを特徴とするエキシマランプである。
第２の手段は、第１の手段において、前記紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、該紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、ｘ＜０．９において、ｙ≦−２１０ｘ＋２９３、０．９≦ｘ＜２．７において、ｙ≦−３４ｘ＋１２７、２．７≦ｘにおいて、ｙ≦−５．５ｘ＋４９の関係を満足することを特徴とするエキシマランプである。
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記紫外線散乱粒子として、アルミナ粒子を含むことを特徴とするエキシマランプである。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、該紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、ｙ≧４ｘ＋５の関係を満足することを特徴とするエキシマランプである。
第１の手段は、放電空間を有するシリカガラスよりなる放電容器と、該放電容器を形成するシリカガラスが介在する一対の電極とを備え、前記放電空間内にキセノンガスが封入されてなり、前記放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、エキシマ放電に曝される前記放電容器内表面に、シリカ粒子を含む紫外線散乱粒子からなる紫外線反射膜を形成し、波長４５６０ｎｍの光が前記紫外線反射膜および厚さ１ｍｍのシリカガラスの透過で測定した時の透過率が１０％以上であることを特徴とするエキシマランプである。
第２の手段は、第１の手段において、前記紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、該紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、ｘ＜０．９において、ｙ≦−２１０ｘ＋２９３、０．９≦ｘ＜２．７において、ｙ≦−３４ｘ＋１２７、２．７≦ｘにおいて、ｙ≦−５．５ｘ＋４９の関係を満足することを特徴とするエキシマランプである。
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記紫外線散乱粒子として、アルミナ粒子を含むことを特徴とするエキシマランプである。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、該紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、ｙ≧４ｘ＋５の関係を満足することを特徴とするエキシマランプである。
請求項１に記載の発明によれば、紫外線反射膜が波長４５６０ｎｍの光の透過率が１０％以上あるので、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器も加熱され、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器と紫外線反射膜との温度差を小さくすることができる。また、シリカガラスよりなる放電容器と、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の膨張係数は、略同一程度なので、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器と紫外線反射膜との温度差が小さくなり、紫外線反射膜が放電容器から剥がれ落ちることを防止できる。剥がれ落ちた紫外線反射膜の切片によってエキシマ光が遮られることがないので、長時間エキシマランプを点灯してもエキシマ光の放射光量を維持できる。
請求項２に記載の発明によれば、紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）と紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）との関係を、ｘ＜０．９において、ｙ≦−２１０ｘ＋２９３、０．９≦ｘ＜２．７において、ｙ≦−３４ｘ＋１２７、２．７≦ｘにおいて、ｙ≦−５．５ｘ＋４９とすることにより、紫外線反射膜は赤外光を透過するので、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器も加熱され、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器と紫外線反射膜との温度差が小さくなる。その結果、剥がれ落ちた紫外線反射膜の切片によってエキシマ光が遮られることがなくなり、長時間エキシマランプを点灯してもエキシマ光の放射光量を所定の範囲に維持することができる。
請求項３に記載の発明によれば、エキシマランプを長時間点灯しても、シリカ粒子が溶融されて紫外線反射膜の反射率が大幅に低下してしまうことを確実に抑制することができると共に、アルミナ粒子が混入されることによる紫外線反射膜の放電容器に対する粘着性（接着性）が大幅に低下することがないため、紫外線反射膜が剥がれることを確実に防止することができる。
請求項４に記載の発明によれば、紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）と紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）との関係を、ｙ≧４ｘ＋５とすることにより、紫外線反射膜を所期の反射特性を有するものとして構成することができて真空紫外光を効率よく出射することができる。
請求項２に記載の発明によれば、紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）と紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）との関係を、ｘ＜０．９において、ｙ≦−２１０ｘ＋２９３、０．９≦ｘ＜２．７において、ｙ≦−３４ｘ＋１２７、２．７≦ｘにおいて、ｙ≦−５．５ｘ＋４９とすることにより、紫外線反射膜は赤外光を透過するので、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器も加熱され、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器と紫外線反射膜との温度差が小さくなる。その結果、剥がれ落ちた紫外線反射膜の切片によってエキシマ光が遮られることがなくなり、長時間エキシマランプを点灯してもエキシマ光の放射光量を所定の範囲に維持することができる。
請求項３に記載の発明によれば、エキシマランプを長時間点灯しても、シリカ粒子が溶融されて紫外線反射膜の反射率が大幅に低下してしまうことを確実に抑制することができると共に、アルミナ粒子が混入されることによる紫外線反射膜の放電容器に対する粘着性（接着性）が大幅に低下することがないため、紫外線反射膜が剥がれることを確実に防止することができる。
請求項４に記載の発明によれば、紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）と紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）との関係を、ｙ≧４ｘ＋５とすることにより、紫外線反射膜を所期の反射特性を有するものとして構成することができて真空紫外光を効率よく出射することができる。
本願発明の一実施形態を図１ないし図１０を用いて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態の発明に係るエキシマランプ１０の長尺方向に平行な切断面から見た断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のエキシマランプ１０をＡ−Ａから見た断面図である。
図１（ａ）は、本実施形態の発明に係るエキシマランプ１０の長尺方向に平行な切断面から見た断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のエキシマランプ１０をＡ−Ａから見た断面図である。
このエキシマランプ１０は、両端が気密に封止され内部に放電空間Ｓが形成された、断面矩形状の中空長尺状の放電容器１１を備えており、この放電容器１１の内部には、放電用ガスとして、キセノンガスが封入されている。このキセノンガスは、圧力が、例えば、１０〜６０ｋＰａ（１００〜６００ｍｂａｒ）の範囲内となる封入量である。放電容器１１は、真空紫外光を良好に透過するシリカガラス、例えば、合成石英ガラスよりなり、誘電体としての機能を有する。放電容器１１における長辺面の外表面には、一対の格子状の電極、即ち、高電圧給電電極として機能する一方の電極１２、および接地電極として機能する他方の電極１３とが長尺な方向に伸びるよう対向して配置されている。
これにより、一対の電極１２，１３間に誘電体として機能する放電容器１１が介在した状態となる。このような電極１２，１３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、またはプリント印刷することによって形成される。このエキシマランプ１０においては、電極１２，１３間に点灯電力が供給されると、誘電体として機能する放電容器１１の壁を介して放電空間Ｓにおいて放電が生成され、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真空紫外光が放射されるエキシマ放電を生じる。
図２は、放電容器１１を形成する肉厚１ｍｍのシリカガラスの波長３０００ｎｍから波長５０００ｎｍの範囲の光の透過率を示すグラフである。
放電容器１１はシリカガラスより形成されるので、波長１７０ｎｍから波長３５００ｎｍの光を９０％程度透過し、波長５０００ｎｍ以上の光はシリカの吸収の性質より光は透過しない。同図に示すように、波長３５００ｎｍから波長５０００ｎｍにかけて徐々にシリカガラスの透過率が下がる。透過率の減少分は、シリカガラスにおける光の吸収分となる。通常、エキシマランプ１０の放電容器１１の内部からは波長１７２ｎｍ付近にピーク値を有する真空紫外光が放射されるが、真空紫外光のみならず可視光、赤外光も光束全体に占める割合は低いものの放射されている。したがって、波長３５００ｎｍから波長５０００ｎｍの赤外光をシリカガラスが吸収すると、放電容器１１が加熱されることが分かる。
放電容器１１はシリカガラスより形成されるので、波長１７０ｎｍから波長３５００ｎｍの光を９０％程度透過し、波長５０００ｎｍ以上の光はシリカの吸収の性質より光は透過しない。同図に示すように、波長３５００ｎｍから波長５０００ｎｍにかけて徐々にシリカガラスの透過率が下がる。透過率の減少分は、シリカガラスにおける光の吸収分となる。通常、エキシマランプ１０の放電容器１１の内部からは波長１７２ｎｍ付近にピーク値を有する真空紫外光が放射されるが、真空紫外光のみならず可視光、赤外光も光束全体に占める割合は低いものの放射されている。したがって、波長３５００ｎｍから波長５０００ｎｍの赤外光をシリカガラスが吸収すると、放電容器１１が加熱されることが分かる。
このエキシマランプ１０においては、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するために、放電空間Ｓにおけるエキシマ放電に曝される放電容器１１の内表面に、シリカ粒子、またはシリカ粒子およびアルミナ粒子とからなる紫外線反射膜１４が設けられる。紫外線反射膜１４は、例えば、放電容器１１における長辺面の、高電圧給電電極として機能する一方の電極１２に対応する内表面領域とこの領域に連続する短辺面の内表面領域にわたって形成される。放電容器１１における長辺面の、接地電極として機能する他方の電極１３に対応する内表面領域においては紫外線反射膜１４が形成されていないことによって光出射部１５が形成される。
紫外線反射膜１４は、それ自体が高い屈折率を有する真空紫外光透過性を有するシリカ粒子を含む紫外線散乱粒子よりなり、紫外線散乱粒子に到達した真空紫外光の一部は粒子の表面で反射されると共に、他の一部は屈折して粒子の内部に入射され、さらに、粒子の内部に入射された光の多くは透過され（また一部は吸収され）、再び出射される際に屈折される。つまり、紫外線反射膜１４は、このような反射、屈折が繰り返し起こる「拡散反射（散乱反射）」する機能を有する。
放電容器１１の内表面に紫外線反射膜１４が形成された部分は、紫外線反射膜１４によってエキシマ光が反射されるため、波長３５００ｎｍから波長５０００ｎｍの赤外光を全く透過しない性質を有する場合は、放電容器１１を形成するシリカガラスの温度は上昇しない。そのため、放電容器１１の内表面に形成された紫外線反射膜１４は、放電空間において生成されたエキシマ光に曝されて、紫外線反射膜１４を構成する紫外線散乱粒子の温度が上昇し、紫外線反射膜１４が形成された部分の放電容器１１と紫外線反射膜１４との温度差が大きくなる。
それに対して、紫外線反射膜１４が真空紫外光を反射しつつ波長３５００ｎｍから波長５０００ｎｍの赤外光を透過する性質を有する場合には、紫外線反射膜１４が形成された部分の放電容器１１も加熱され、紫外線反射膜１４が形成された部分の放電容器１１と紫外線反射膜２０との温度差は小さくなる。
即ち、本実施形態のエキシマランプ１０によれば、シリカガラスよりなる放電容器１１の熱膨張係数と、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１４の熱膨張係数は、略同一程度なので、紫外線反射膜１４が形成された部分の放電容器１１と紫外線反射膜１４との温度差が小さくなり、紫外線反射膜１４と放電容器１１とが一体になって伸縮するので、放電容器１１から紫外線反射膜１４の剥がれ落ちを防止することができる。剥がれ落ちた切片によって光出射部１５から出射されるエキシマ光が遮られることがないので、長時間エキシマランプ１０を点灯してもエキシマ光の放射光量を維持することができる。
紫外線反射膜１４を構成する紫外線散乱粒子の１つとして用いられるシリカ粒子は、シリカガラスを粉末状に細かい粒子としたもの等が用いられる。シリカ粒子としては以下に定義するものが用いられる。粒子径が、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、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。また、中心粒径を有するシリカ粒子の割合が５０％以上であるものであることが好ましい。紫外線散乱粒子が、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。
ここで、紫外線反射膜２０を構成する紫外線散乱粒子の「粒子径」とは、紫外線反射膜１４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該平行線の間隔であるフェレー（Ｆｅｒｅｔ）径をいう。
具体的には、図３（ａ）に示すように、略球状の粒子Ａおよび粉砕粒子形状を有する粒子Ｂ等の粒子が単独で存在している場合には、該粒子を一定方向（例えば、紫外線反射膜１４の厚み方向）に伸びる２本の平行線で挟んだときの該平行線の間隔を粒径ＤＡ、ＤＢとする。また、出発材料の粒子が溶融して接合した形状を有する粒子Ｃについては、図３（ｂ）に示すように、出発材料である粒子Ｃ１、Ｃ２と判別される部分における球状部分の各々について、一定方向（例えば、紫外線反射膜１４の厚み方向）に伸びる２本の平行線で挟んだときの該平行線の間隔を測定し、これを該粒子の粒径ＤＣ１、ＤＣ２とする。
また、紫外線反射膜１４を構成する紫外線散乱粒子の「中心粒径」とは、上記のよう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、各々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。
紫外線反射膜１４を構成する紫外線散乱粒子として、シリカ粒子だけでなくアルミナ粒子を含有するものも用いる。アルミナ粒子は、上記において定義したと同様に、粒子径が、０．１〜１０μｍ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、０．１〜３μｍであるものが好ましく、より好ましくは０．３〜１μｍであるものである。また、中心粒径を有するアルミナ粒子の割合が５０％以上であるものであることが好ましい。
一般に、エキシマランプにおいては、プラズマが発生することが知られているが、上記のように構成したエキシマランプにおいては、プラズマが紫外線反射膜１４に対して略直角に入射して作用することになるため、紫外線反射膜１４の温度が局所的に急激に上昇し、紫外線反射膜１４が、例えば、シリカ粒子のみからなるものであれば、プラズマの熱によって、シリカ粒子が溶融されて粒界が消失し、真空紫外光を拡散反射させることができなくなって反射率が低下することがある。然るに、紫外線反射膜１４をシリカ粒子だけでなくアルミナ粒子も含有させることによって、上記構成のエキシマランプ１０において、基本的には、プラズマによる熱に曝された場合であっても、シリカ粒子より高い融点を有するアルミナ粒子は溶融しないため、互いに隣接するシリカ粒子とアルミナ粒子とが粒子同士で結合されることが防止されて粒界が維持され、長時間点灯しても、真空紫外光を効率よく拡散反射させることができ、初期の反射率を実質的に維持することができる。
紫外線反射膜１４に含有されるアルミナ粒子の割合は、シリカ粒子とアルミナ粒子との合計の１ｗｔ％以上であることが好ましく、より好ましくは５ｗｔ％以上、さらに好ましくは１０ｗｔ％である。また、シリカ粒子とアルミナ粒子との合計の７０ｗｔ％以下であることが好ましく、より好ましくは４０ｗｔ％以下である。紫外線反射膜１４がシリカ粒子とアルミナ粒子とが上記混合比で構成されていることにより、長時間点灯しても、シリカ粒子が溶融されて紫外線反射膜１４の反射率が大幅に低下してしまうことを確実に抑制することができると共に、アルミナ粒子が混入されることによる紫外線反射膜１４の放電容器１１に対する粘着性（接着性）が大幅に低下することがないため、紫外線反射膜１４が剥がれることを確実に防止することができる。なお、紫外線散乱粒子としてシリカ粒子のみならずアルミナ粒子も含まれているとき、「粒子径」および「中心粒径」はシリカ粒子とアルミナ粒子とは区別せずに測定する。
紫外線散乱粒子として用いられるシリカ粒子およびアルミナ粒子の製造は、固相法、液相法、気相法のいずれの方法も利用することができるが、これらのうちでも、サブミクロン、ミクロンサイズの粒子を確実に得ることができることから、気相法、特に、化学蒸着法（ＣＶＤ）が好ましい。具体的には、シリカ粒子は、塩化ケイ素と酸素を９００〜１０００℃で反応させることにより、アルミナ粒子は、原料の塩化アルミニウムと酸素を１０００〜１２００℃で加熱反応させることにより、合成することができ、粒子径は、原料濃度、反応場での圧力、反応温度を制御することにより調整することができる。
放電容器１１内面への紫外線反射膜１４の形成は、例えば、「流下法」と呼ばれる方法によって行うことができる。まず、放電容器１１内に流し込むコート液を調合する。コート液は、紫外線散乱粒子、粘着剤、分散剤、および溶剤から構成される。粘着材は、エタノール：酢酸：オルトケイ酸テトラエチルを３：１：１の重量比で混合した液を２４時間還流したものを用いる。分散剤はシランカップリング剤を用いる。シランカップリング剤を含有することで、コート液をゲル化して放電容器１１に付着させやすくすると共に、コート液中で均等に分散された紫外線散乱粒子を定着させることができる。溶剤はエタノールを用いる。このコート液を放電容器１１内に流し込むことにより、放電容器１１の内表面における所定の領域に付着させる。この状態で自然乾燥させて溶剤を蒸発させる。このとき、粘着剤は紫外線散乱粒子の粒子間の隙間や粒子近傍に存在する。続いて、酸素雰囲気中で１時間、１０００℃で加熱して焼成すると、分散剤が加熱消失し、紫外線散乱粒子と粘着剤だけが残る。粘着剤は、シリカとなって紫外線散乱粒子に溶融付着し、粒子同士や、放電容器１１との粘着力を高める。また、紫外線散乱粒子に含まれるシリカ粒子と、放電容器１１を構成するシリカガラスと、粘着材に由来するシリカは、同質材料であり膨張係数もほぼ同一の値となるので、エキシマランプの点灯と消灯により加温と冷却が繰り返される放電容器１１に形成される紫外線反射膜１４の剥がれを防止することができる。
以下に、放電容器内面に紫外線反射膜を形成したエキシマランプにおける紫外線反射膜の剥がれ落ち有無の実験例について説明する。
実験例１
まず、紫外線散乱粒子としてシリカ粒子のみを含有する紫外線反射膜と、シリカ粒子とアルミナ粒子の組成比を９：１、７：３とする紫外線反射膜とが各々形成されたエキシマランプを作成する。紫外線反射膜を構成するシリカ粒子およびアルミナ粒子の中心粒径、紫外線反射膜の透過率、紫外線反射膜の膜厚を測定し、続いて、エキシマランプを点灯して紫外線反射膜の剥がれ発生の有無を観察した。
実験例１
まず、紫外線散乱粒子としてシリカ粒子のみを含有する紫外線反射膜と、シリカ粒子とアルミナ粒子の組成比を９：１、７：３とする紫外線反射膜とが各々形成されたエキシマランプを作成する。紫外線反射膜を構成するシリカ粒子およびアルミナ粒子の中心粒径、紫外線反射膜の透過率、紫外線反射膜の膜厚を測定し、続いて、エキシマランプを点灯して紫外線反射膜の剥がれ発生の有無を観察した。
実験に用いたエキシマランプは、放電容器が、合成石英ガラス製で、寸法１０×４２×１５０ｍｍ、肉厚１．８ｍｍ、封入ガスが、キセノンガスで、ガス圧が３０ｋＰａ、両電極は、寸法３０×１００ｍｍである。また、紫外線反射膜の、シリカ粒子における中心粒径を有する粒子の割合が５０％、アルミナ粒子における中心粒径を有する粒子の割合が５０％である。また、中心粒径は、出発材料の中心粒径ではなく、紫外線反射膜における中心粒径であって、日立製作所製電界放出型走査電子顕微鏡「Ｓ４１００」を用いて、加速電圧を２０ｋｖとし、拡大投影像における観察倍率を、粒子径が０．０５〜１μｍである粒子については２００００倍、粒子径が１〜１０μｍである粒子については２０００倍として、測定した。
透過率の測定には、フーリエ変換赤外分光光度計ＦＴ−ＩＲ（Fourier transform Infrared Spectrophotometer）を用いて測定した。波長３０００ｎｍ〜５０００ｎｍにわたって透過率を求めたが、シリカガラスの透過率の局所的ピーク値を示す波長４５６０ｎｍにおける紫外線反射膜の透過率を代表値として、紫外線反射膜の赤外域の透過率とした。測定に使用した装置はバリアン製ＦＴＳ−４０、測定波長域は波長３０００ｎｍ〜５０００ｎｍ（ただし、分解能２ｃｍ−１、スキャン回数３０回）、測定対象はシリカガラスの基板上に形成された紫外線反射膜、測定条件は紫外線反射膜および基板を透過する光の透過率（ただし、放電容器の厚みを１ｍｍまで薄くして基板とした。）である。各エキシマランプのシリカガラスの厚さに測定結果値が影響を受けないように、シリカガラスの厚みを１ｍｍに揃えた。また、放電容器の紫外線反射膜との接触部分が赤外線の透過により加熱されているかを確認するには、基板の厚さとして１ｍｍとすれば十分である。
紫外線反射膜の膜厚測定には、紫外線反射膜が形成されている放電容器の断面を顕微鏡で拡大して見た。拡大画像の紫外線反射膜の膜厚の長さと拡大率を考慮することにより、実際の紫外線反射膜の膜厚が得られる。使用した顕微鏡は、キーエンス製デジタルマイクロスコープであり、数値誤差は±８％である。
点灯条件は、放電容器の管壁負荷が０．５Ｗ／ｃｍ２となるように入力電力を調整した。１５分点灯／１５分消灯のサイクルを繰り返した。点灯と消灯を繰り返すことによって、放電容器および紫外線反射膜が加熱される状態と冷却される状態を繰り返し、厳しい使用条件を実現した。点灯状態の積算時間が３０時間となったとき、即ち、点灯実験開始から６０時間経過したとき、強制振動を与えた。
強制振動は、試験管等の内容物を撹拌、混和するために用いる試験管ミキサー機（アズワン製の試験管ミキサーＴＲＩＯのＴＭ−１Ｆ）により強制振動を与えた。これは上部の振動部にモーターで振動を発生させ、押し当てた試験管に円運動を与え、内容物を回転させるというものである。使用条件は、回転数２５００ｐｒｍ、動作時間１分間とした。強制振動を与えた後、エキシマランプを外部から目視にて観察した。紫外線反射膜に割れや剥がれが確認された場合は、そこで実験を中止した。紫外線反射膜の割れや剥がれが起きない場合は、エキシマランプをさらに３０時間点灯し、強制振動を与えて観察した。点灯時間が１００時間になるまで実験を繰り返し、１００時間点灯後も紫外線反射膜の割れや剥がれが起きない場合は、これ以上実験を続けても紫外線反射膜の割れや剥がれが起きないとして実験を終了した。
図４は、実験結果を示す表である。
同図において、表の横軸に膜組成および中心粒径、縦軸に透過率をとり、その該当する枠内に膜厚および実験結果の良否を記入した。各膜組成については、紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径を計測し、その膜厚と透過率を測定すると共に、エキシマランプを点灯して紫外線反射膜の剥がれ発生の有無を観察し、膜剥がれが発生した場合は×、１００時間経過後も膜剥がれが発生しなかった場合は○とした。
同図に示すように、膜剥がれが発生しない紫外線反射膜は、波長４５６０ｎｍの赤外光の透過率が１０％以上であることがわかる。膜剥がれが発生しない程度に内表面に紫外線反射膜が形成された部分の放電容器を加熱するには、紫外線反射膜の波長４５６０ｎｍの赤外光の透過率が１０％以上必要であることがわかる。
同図において、表の横軸に膜組成および中心粒径、縦軸に透過率をとり、その該当する枠内に膜厚および実験結果の良否を記入した。各膜組成については、紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径を計測し、その膜厚と透過率を測定すると共に、エキシマランプを点灯して紫外線反射膜の剥がれ発生の有無を観察し、膜剥がれが発生した場合は×、１００時間経過後も膜剥がれが発生しなかった場合は○とした。
同図に示すように、膜剥がれが発生しない紫外線反射膜は、波長４５６０ｎｍの赤外光の透過率が１０％以上であることがわかる。膜剥がれが発生しない程度に内表面に紫外線反射膜が形成された部分の放電容器を加熱するには、紫外線反射膜の波長４５６０ｎｍの赤外光の透過率が１０％以上必要であることがわかる。
図５は図４の実験結果に基づいて作成されたグラフである。
同図において、横軸を中心粒径（μｍ）とし、縦軸を紫外線反射膜の膜厚（μｍ）として、図４の実験結果に基づいて、紫外線散乱粒子としてシリカ粒子のみを含有する紫外線反射膜を○印でプロットし、シリカ粒子とアルミナ粒子の組成比が９：１である紫外線反射膜を△印でプロットし、シリカ粒子とアルミナ粒子の組成比が７：３である紫外線反射膜を□印でプロットし、剥がれの発生したランプを塗りつぶし、剥がれが発生しなかったランプを白抜きで示した。
同図において、横軸を中心粒径（μｍ）とし、縦軸を紫外線反射膜の膜厚（μｍ）として、図４の実験結果に基づいて、紫外線散乱粒子としてシリカ粒子のみを含有する紫外線反射膜を○印でプロットし、シリカ粒子とアルミナ粒子の組成比が９：１である紫外線反射膜を△印でプロットし、シリカ粒子とアルミナ粒子の組成比が７：３である紫外線反射膜を□印でプロットし、剥がれの発生したランプを塗りつぶし、剥がれが発生しなかったランプを白抜きで示した。
図５に示すように、中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、ｘ＜０．９において、ｙ＝−２１０ｘ＋２９３より薄いとき、０．９≦ｘ＜２．７において、ｙ＝−３４ｘ＋１２７より薄いとき、２．７≦ｘにおいて、ｙ＝−５．５ｘ＋４９より薄いとき、紫外線反射膜の膜剥がれが発生しないことがわかる。このような膜厚を有する紫外線反射膜は赤外光を透過するので、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器も加熱され、紫外線反射膜が形成された部分の放電容器と紫外線反射膜との温度差が小さくなる。その結果、剥がれ落ちた紫外線反射膜の切片によってエキシマ光が遮られることがなくなり、長時間エキシマランプを点灯してもエキシマ光の放射光量を所定の範囲に維持することができる。
実験例２
図６は、実験に使用した、粒子径範囲、中心粒径、および放電容器のシリカ粒子とアルミナ粒子の構成比が異なる６種類のエキシマランプ１〜６の明細を示す表である。
図７は、図６に示したエキシマランプ１〜６について、１５０〜２００ｎｍの波長域の真空紫外光の照度を測定し、紫外線反射膜を有さないエキシマランプの前記波長域の光の照度を１としたときの照度相対値を示すグラフである。
照度測定は、アルミニウム製容器の内部に配置されたセラミックス製の支持台上に、エキシマランプを固定すると共に、エキシマランプの表面から１ｍｍ離れた位置に、エキシマランプに対向するように紫外線照度計を固定し、アルミニウム製容器の内部雰囲気を窒素で置換した状態において、エキシマランプの両電極間に５ｋＶの交流高電圧を印加することにより、放電容器の内部に放電を発生させ、接地電極の網目を介して放射される１５０〜２００ｎｍの波長域の真空紫外光の照度を測定した。
図６は、実験に使用した、粒子径範囲、中心粒径、および放電容器のシリカ粒子とアルミナ粒子の構成比が異なる６種類のエキシマランプ１〜６の明細を示す表である。
図７は、図６に示したエキシマランプ１〜６について、１５０〜２００ｎｍの波長域の真空紫外光の照度を測定し、紫外線反射膜を有さないエキシマランプの前記波長域の光の照度を１としたときの照度相対値を示すグラフである。
照度測定は、アルミニウム製容器の内部に配置されたセラミックス製の支持台上に、エキシマランプを固定すると共に、エキシマランプの表面から１ｍｍ離れた位置に、エキシマランプに対向するように紫外線照度計を固定し、アルミニウム製容器の内部雰囲気を窒素で置換した状態において、エキシマランプの両電極間に５ｋＶの交流高電圧を印加することにより、放電容器の内部に放電を発生させ、接地電極の網目を介して放射される１５０〜２００ｎｍの波長域の真空紫外光の照度を測定した。
図８は、図７の結果から求められた紫外線反射膜の必要膜厚を示す表である。
紫外線反射膜が設けられたエキシマランプにおいては、紫外線反射膜を有さないエキシマランプに比して２０％以上高い照度を有すること、即ち、照度相対値が１．２以上であれば、実用上十分な効果が得られるものと判断することができ、従って、照度相対値を１．２以上とするために必要とされる紫外線反射膜の膜厚（必要膜厚）を図７に基づいて求めると、図８に示すような結果が得られる。
紫外線反射膜が設けられたエキシマランプにおいては、紫外線反射膜を有さないエキシマランプに比して２０％以上高い照度を有すること、即ち、照度相対値が１．２以上であれば、実用上十分な効果が得られるものと判断することができ、従って、照度相対値を１．２以上とするために必要とされる紫外線反射膜の膜厚（必要膜厚）を図７に基づいて求めると、図８に示すような結果が得られる。
図９は、図６に示したエキシマランプ１〜６の中心粒径と図８で得られた紫外線反射膜の必要膜厚との関係を示すグラフである。
同図に示すように、紫外線反射膜の必要膜厚と、紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子（シリカ粒子とアルミナ粒子）の中心粒径とは線形の関係にあって直線により近似することができ、照度相対値を１．２以上とするための紫外線反射膜の膜厚（必要膜厚）ｙ（μｍ）と紫外線散乱粒子の中心粒径ｘ（μｍ）との関係は、ｙ＝４ｘ＋５で示される近似度線Ｌより上の領域における大きさ（ｙ≧４ｘ＋５）であれば、紫外線反射膜を所期の反射特性を有するものとして構成することができて真空紫外光を効率よく出射することができることが確認された。
同図に示すように、紫外線反射膜の必要膜厚と、紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子（シリカ粒子とアルミナ粒子）の中心粒径とは線形の関係にあって直線により近似することができ、照度相対値を１．２以上とするための紫外線反射膜の膜厚（必要膜厚）ｙ（μｍ）と紫外線散乱粒子の中心粒径ｘ（μｍ）との関係は、ｙ＝４ｘ＋５で示される近似度線Ｌより上の領域における大きさ（ｙ≧４ｘ＋５）であれば、紫外線反射膜を所期の反射特性を有するものとして構成することができて真空紫外光を効率よく出射することができることが確認された。
図１０は、本実施形態の発明に係る紫外線反射膜１４が形成されたエキシマランプ１０を備えるエキシマ光照射装置とワーク２０を搬送する搬送装置とからなる処理装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、エキシマ光照射装置の筐体内に取り付けられたエキシマランプ１０は、放電容器１１に紫外線反射膜１４が形成されており、紫外線反射膜１４が形成されていない光出射部１５がエキシマ光照射装置の筐体の開口に面するように配置されている。紫外線反射膜１４は真空紫外光を反射しつつ赤外光を透過するので、赤外光は紫外線反射膜１４を透過して放電容器１１の外に放射される。ワーク２０は、ＰＥＥＫ材やＰＴＦＥ等の樹脂からなるローラ２１が回転することにより取り付けられているベルト２２が動くことによって運搬され、ワーク２０は運搬の過程でエキシマランプ１０によってエキシマ光が照射される構造となっている。エキシマランプ１０からワーク２０に照射されるエキシマ光は、真空紫外光は紫外線反射膜１４によって反射されて強められるが、赤外光の強度は紫外線反射膜１４のない放電容器１１の部分と同程度に抑えられる。したがって、ワーク２０を運搬するために構成される樹脂製のローラ２１やベルト２２の温度上昇を抑制することができ、交換の頻度を減らすことができる。
同図に示すように、エキシマ光照射装置の筐体内に取り付けられたエキシマランプ１０は、放電容器１１に紫外線反射膜１４が形成されており、紫外線反射膜１４が形成されていない光出射部１５がエキシマ光照射装置の筐体の開口に面するように配置されている。紫外線反射膜１４は真空紫外光を反射しつつ赤外光を透過するので、赤外光は紫外線反射膜１４を透過して放電容器１１の外に放射される。ワーク２０は、ＰＥＥＫ材やＰＴＦＥ等の樹脂からなるローラ２１が回転することにより取り付けられているベルト２２が動くことによって運搬され、ワーク２０は運搬の過程でエキシマランプ１０によってエキシマ光が照射される構造となっている。エキシマランプ１０からワーク２０に照射されるエキシマ光は、真空紫外光は紫外線反射膜１４によって反射されて強められるが、赤外光の強度は紫外線反射膜１４のない放電容器１１の部分と同程度に抑えられる。したがって、ワーク２０を運搬するために構成される樹脂製のローラ２１やベルト２２の温度上昇を抑制することができ、交換の頻度を減らすことができる。
１０ エキシマランプ
１１ 放電容器
１２ 一方の電極
１３ 他方の電極（接地電極）
１４ 紫外線反射膜
１５ 光出射部（アパーチャ部）
２０ ワーク
２１ ローラ
２２ ベルト
Ｓ 放電空間
１１ 放電容器
１２ 一方の電極
１３ 他方の電極（接地電極）
１４ 紫外線反射膜
１５ 光出射部（アパーチャ部）
２０ ワーク
２１ ローラ
２２ ベルト
Ｓ 放電空間
Claims (4)
- 放電空間を有するシリカガラスよりなる放電容器と、該放電容器を形成するシリカガラスが介在する一対の電極とを備え、前記放電空間内にキセノンガスが封入されてなり、前記放電空間内においてエキシマ放電を発生させるエキシマランプであって、
エキシマ放電に曝される前記放電容器内表面に、シリカ粒子を含む紫外線散乱粒子からなる紫外線反射膜を形成し、波長４５６０ｎｍの光が前記紫外線反射膜および厚さ１ｍｍのシリカガラスの透過で測定した時の透過率が１０％以上であることを特徴とするエキシマランプ。 - 前記紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、該紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、ｘ＜０．９において、ｙ≦−２１０ｘ＋２９３、０．９≦ｘ＜２．７において、ｙ≦−３４ｘ＋１２７、２．７≦ｘにおいて、ｙ≦−５．５ｘ＋４９の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
- 前記紫外線散乱粒子として、アルミナ粒子を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエキシマランプ。
- 前記紫外線反射膜の膜厚ｙ（μｍ）は、該紫外線反射膜を構成する紫外線散乱粒子の中心粒径をｘ（μｍ）とするとき、ｙ≧４ｘ＋５の関係を満足することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つの請求項に記載のエキシマランプ。
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