JP5316079B2

JP5316079B2 - エキシマ放電ランプ

Info

Publication number: JP5316079B2
Application number: JP2009043319A
Authority: JP
Inventors: 史彦小田; 幸裕森本
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010198936A

Description

本発明は、紫外線による樹脂の硬化、半導体基板やガラス基板等の表面洗浄、殺菌、光化学反応などを行うための紫外線放射に使用される放電ランプに係わり、特に、希ガスとフッ素のエキシマ発光を得るエキシマ放電ランプに関する。

希ガスまたは希ガスとハロゲンを封入したエキシマ放電ランプはハロゲンランプ、高圧放電ランプなど他の方式と全く異なる放射特性を持ち、特にそれらのランプでは得がたい波長の単色紫外線を高効率で発生できる。封入する希ガスとハロゲンの組合せにより波長が選択でき、例えばアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）の組合せでは１９３ｎｍ、クリプトン（Ｋｒ）とＦでは２４８ｎｍ、キセノン（Ｘｅ）とＦでは３５１ｎｍ近傍の放射が得られる。この特徴により表面改質、殺菌等の用途に広く用いられている１９３ｎｍ、２４８ｎｍの放射が得られるＡｒとF、Ｋｒと F 封入ランプでは、レジストの特性試験、周辺露光、マスク検査等の幅広い用途への適用が可能である。

通常上記の気体を封入する放電容器は石英ガラスで作られていた。しかしながら、ハロゲンを封入した場合には、ハロゲンが石英ガラスに取り込まれ、放電空間内のハロゲン量が減少し、徐々に光出力が低下するという問題があった。特に、フッ素はハロゲンの中でも反応性が著しく高く、石英ガラスと激しく反応するため、フッ素量の低下による光出力の減衰寿命が極端に短いという問題があった。

セラミックを放電容器として用いた場合、これら放電容器材料へのハロゲンの取り込みは石英ガラスに比べて大幅に低減できることが期待される。特許３１７８１６２号（特許文献１）に、誘電体を兼ねる放電容器を、金属と、珪素を除く金属の酸化物またはフッ化物で構成し、封止部材を炭素結合骨格の有機材料、具体的にはフッ素系樹脂のOリングまたはエポキシ樹脂系接着剤とすることが開示されている。図６に特許文献１記載のエキシマ放電ランプ１´の一端側断面図同等図を示す。放電容器３０内にはエキシマ分子を形成する希ガスとハロゲンを含む放電用ガスが封入され、一対の外部電極３１ａ、３１ｂが放電容器３０外面に配設され、放電容器端部はチタン（Ｔｉ）製キャップ３５をパーフロロエラストマーのＯリング３３で封止している。この構造により放電容器に取り込まれるハロゲン量を小さくし、光出力の低下を抑えることができるとされる。

しかし、本願発明者が希ガスとしてアルゴン、ハロゲンとしてフッ素を選択し、図６に示したエキシマ放電ランプ１´を試作した結果、Ｏリングまたはエポキシ樹脂系接着剤による放電容器の封止ではランプ製作時の寸法バラつきが大きく、製品の歩留まりが悪く、最悪の場合リークが発生するなどした。

そこで、特開２００６-３１８６５６号（特許文献２）に開示されている放電容器の端部封止技術のように、サファイア製の放電容器と金属部材とを金属ロウで接合し封止する方法を用いて図７に示したエキシマ放電ランプ１´´を試作したところ、歩留まりは向上した。サファイア製の円筒形状の放電容器４０にニッケル（Ｎｉ）製の端部材４４を銀と銅とからなる金属ロウ５０で固着した。

図７（ａ）は管軸方向の断面図、図７（ｂ）は管軸に直角なＡ−Ａ断面図である。放電容器４０の外側に対向する形で外部電極４１ａ、４１ｂを設置し、この間に高電圧を印加して放電を誘起する。端部材４４の一端は細管部４６となっており、放電ガスを封入した状態で細管部４６を切断することで封止した。ところが、このようなランプを点灯させた場合には金属部材や金属ロウとハロゲンとの反応が生じてしまい、結局は長寿命として例示するなら実用に耐えうる照度（０．５ｍＷ／ｃｍ^２以上）で１００時間以上の寿命のランプを得ることができず、紫外光の放射強度が短時間で減少してしまった。

特許3178162号公報

特開2006-318656号公報

そこで、本発明の目的は、光出力減衰寿命が長い、希ガスとフッ素原子を封入したエキシマ放電ランプを提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の手段は、金属ロウ付けによる封止構造が形成されたセラミック製放電容器を備え、該放電容器にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入し、該放電容器の外側に該放電容器を挟んで少なくとも一対の外部電極が対向配置されたエキシマ放電ランプであって、前記封止構造が金属部材と金属ロウを有してなり、該金属部材と該金属ロウは該放電容器内に露出しており、該放電容器内の放電領域の端部と、前記放電容器内に露出した金属部材あるいは前記金属ロウのいずれか該端部に近いほうとの最短距離をＤ（ｍｍ）とし、該放電容器内の封入全圧をＰ（Ｐａ）としたとき、Ｄ≧８×１０^５/Ｐであることを特徴とするエキシマ放電ランプとする。

本発明のエキシマ放電ランプにおいて、放電領域とは、放電容器内部領域であって放電容器外面の一対の外部電極が対向する範囲にある領域をいう。

本発明によれば、封止部構造における金属ロウおよびまたは金属部材と、放電容器内の封入元素であるフッ素との反応を少なくし、結果放電容器内でのフッ素消費を遅らせ、エキシマ放電ランプの光出力寿命を長くすることができる。

本発明に係るエキシマ放電ランプの概略を示す全体図である。本発明の実施の形態を示す断面図である。本発明の他の実施の形態を示す断面図である。本発明の他の実施の形態を示す断面図である。本発明の実験結果を示す図表である。従来技術であるエキシマ放電ランプの断面図である。本発明の参考ランプであるエキシマ放電ランプの形態を示す断面図である。

本発明の実施形態について、以下に図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係るエキシマ放電ランプの概略を示す全体図である。放電容器としてのセラミックにおいて酸化物としてはサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアの少なくとも一種から選択され、あるいはフッ化物としてはフッ化リチウム（LiF）、フッ化ナトリウム（NaF）、フッ化マグネシウム（MgF₂）、フッ化カルシウム（CaF₂）、フッ化バリウム（BaF₂）、フッ化アルミニウム（AlF₃）の少なくとも一種から選択される。

ここではサファイア製放電容器を備えた実施形態を説明する。内径８ｍｍ、外径１０ｍｍのサファイア製の管状の放電容器１０の両端にニッケル（Ｎｉ）の端部材１４、１４を銀と銅との金属ロウ（不図示）でロウ付してある。サファイア製の放電容器１０の外面に一対の金（Ａｕ）製の外部電極１１ａ、１１ｂが設置されている。外部電極１１ａ、１１ｂは放電容器１０の円筒軸を挟んで対向するように設置されており、すなわち放電ギャップは放電容器内径である８mmである。外部電極１１ａ、１１ｂが対向している領域で放電が行われ、これが図中に示した幅の放電領域Ｋである。それぞれの外部電極１１ａ、１１ｂは互いに違う方向に放電領域Ｋよりも外側に延長されており、その延長部分に給電のためのリード線が接続されている。ニッケル（Ｎｉ）の端部材１４、１４の一方には内径２ｍｍ、外径３ｍｍのニッケル（Ｎｉ）製の排気管１６が銀（Ａｇ）と銅（Ｃｕ）との金属ロウでロウ付されており、この排気管１６を通して希ガスであるアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ_６）を封入した。

なお、端部材１４にはフッ素との反応性が低い金属が適しており、ステンレス（ＳＵＳ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、及びそれらの合金を用いても良い。金属ロウ（不図示）には、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）などの合金を用いても良い。

ランプの放電領域Ｋの両端部につづく、外部電極１１ａ、１１ｂが対向して配置されていない部分は、放電が行われない非放電領域Ｎである。ここで、端部材１４と放電容器１０とを封止する封止構造において、ロウ付部分は放電空間内に金属ロウが露出する場合が多いため、放電に直接接触するとロウ付部分の金属ロウとフッ素が激しく反応しフッ素が消費されてしまう。従って、ロウ付部分が放電に直接触れないためには、ロウ付部分に隣接する領域は必ず非放電領域とすることが肝要である。

図２は本発明の実施の形態を詳細に示す断面図である。サファイア製の円筒状の放電容器１０の端部にニッケル（Ｎｉ）製の端部材１４を金属ロウ２０でロウ付することで封止している。金属ロウ２０はチタニウム（Ｔｉ）を含みサファイアとの濡れ性がよい活性銀ロウである。金属ロウ２０は一部が放電容器１０の内部にはみ出している。放電容器１０の外側には一対の金（Ａｕ）製の外部電極１１ａ、１１ｂが対向する形で設置されている。外部電極１１ａ、１１ｂにはそれぞれ給電のためのリード線１８ａ、１８ｂが例えば半田１７ａ、１７ｂにて接続されている。リード線１８ａ、１８ｂから給電を行うと、外部電極１１ａ、１１ｂが対向している部分が放電領域Ｋとなり、外部電極１１ａ、１１ｂが対向していない部分は放電が存在しない領域の非放電領域Ｎとなる。封止構造の金属部材あるいは金属ロウのいずれか放電領域の端部に近いほうと放電領域の端部との最短距離（Ｄ）は、この場合、放電容器内部にはみ出した金属ロウの端２０ａと、放電領域端Ｋ１との間の距離である。以後、本明細書においては簡便のため、この最短距離（Ｄ）のことを、放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）、と記載する。

図２に示した管状のエキシマ放電ランプで、ランプ発光長を１００ｍｍで一定として、（ａ）放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）および、（ｂ）封入ガス全圧(Ｐ)を様々に変化させたサンプルランプ１２種類を用意した。点灯用の高周波・高電圧電源（不図示）からサンプルランプにピーク電圧３ｋＶ、点灯周波数５０ｋＨｚで給電し、放電領域Ｋに形成された放電より、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマ光が放射されることを確認した後に、フッ素減少による光出力減衰寿命を調べた。光出力はフォトダイオードをランプ直下１０ｍｍの位置に離間配置し、フォトダイオードに生じる光起電力を測定し、フォトダイオードの受光感度により光出力に換算して求めた。なお、放電容器の両端二箇所にある放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）は同じ長さになるようにした。

上記の点灯方法で、封入圧力Ｐが１×１０^５Ｐａより大きい場合は放電開始電圧が高すぎるため点灯ができず、また封入圧力Ｐが０．２×１０^５Ｐａ未満では発光に寄与するエキシマ生成量が小さくなり例えば、レジスト感度特性の測定などの用途にとって実用的な照度である０．５ｍＷ／ｃｍ^２以上の照度を得ることができなかったため、本発明においては封入圧力Ｐが０．２×１０^５Ｐａ〜１×１０^５Ｐａの間で実験して調べた。

光出力減衰寿命は、波長１９３ｎｍの光出力が初期の５０%になるまでの点灯時間と定義した。実験結果を図５に示す。この図５をみて分かるが、放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）の違いにより、光出力減衰寿命に明確な違いが見られた。放電領域と金属間の最短距離Ｄ（mm）が8×10⁵／Ｐより小さい条件では、寿命が急激に短くなることがわかった。そして、条件をＤが8×10⁵／Ｐ以上となる条件（１）式Ｄ≧8×10⁵／Ｐとした場合に実用的な長寿命を得ることができることがわかった。

光出力減衰寿命が図５のようになった原因は次のように推定された。
フッ素と金属部材あるいは金属ロウとの反応は、主にロウ付部分およびそれに続く金属部材に、放電で活性化された後に非放電領域へ拡散した活性原子、ラジカル、イオン等フッ素種が到達することで進むと考えられる。拡散距離は活性種の種類、封入ガス全圧に依存する。従って、放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）を大きくとることで、ロウ付部分に到達する活性種を減らせることになり、光出力減衰寿命を長くすることができるものと思われる。また封入ガス全圧（Ｐ）が小さくなるほど、原子種同士の衝突・失活の頻度が小さくなり、活性種の拡散距離が大きくなるため、ロウ付部での反応を十分低減し、長寿命を得るための前記の最短距離Ｄが大きくなる。以上の結果、条件（１）式の条件で長寿命が実現できるものと推定される。

さらに、管状の放電容器の管径を変化させて、放電ギャップ長を８ｍｍから、１０ｍｍ、13ｍｍ、６ｍｍ、4ｍｍと変化させて同様の実験を行い、やはり条件（１）式の条件にて希ガスフッ素エキシマ放電ランプは長寿命を得られることを確認した。
なお、光出力減衰寿命を長くする観点からは、前記の放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）の大きさに上限は無く、Ｄが大きいほど好ましい結果となるが、放電容器長に対する放電領域の長さが短くなるデメリットがある。

図３は本発明の他の実施の形態を詳細に示す断面図である。サファイア製の角型の放電容器１０の一方の端部１０Ａが閉塞端となっており、もう一方の端は部分的に開放となっている。図３（ａ）は放電容器の一方向の断面図であり、図３（ｂ）はその一方向に直角なＢ−Ｂ断面図である。開放の端部の開口部１０ａにニッケル（Ｎｉ）製の端部材１５を挿入し、銀と銅との金属ロウ２０でロウ付することで封止している。

金属ロウ２０は一部が放電容器１０内部にはみ出しているが、金属ロウ２０よりも端部材１５のほうが放電領域Ｋ側に突出ている。端部材１５はパイプ形状であり、ここから放電ガスを封入し、封入後、端部材１５を圧接し閉塞することでガスを封入できる構造となっている。放電容器１０外側には一対の金（Ａｕ）からなる外部電極１１ａ、１１ｂが対向する形で設置されている。外部電極１１ａ、１１ｂにはそれぞれ給電のためのリード線１８ａ、１８ｂが半田１７ａ、１７ｂにて接続されている。

リード線１８ａ、１８ｂから給電を行うと、外部電極１１ａ、１１ｂが対向している部分が放電領域Ｋとなり、外部電極１１ａ、１１ｂが対向していない部分は放電が存在しない領域の非放電領域Ｎとなる。この場合、放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）は、非放電領域Ｎ側に突出ている端部材１５の内端と、放電領域端Ｋ１との間の距離である。

図４は本発明の他の実施の形態を詳細に示す断面図である。サファイア製の円筒状の放電容器１０の一方端部にサファイア製の端部材１３を、もう一方の端部にはニッケル（Ｎｉ）製の端部材１４を、銀と銅との金属ロウ２０でロウ付している。端部材１３のロウ付を行う部分には金属ロウ２０の濡れ性をよくするためのメタライズ層２１が設けられている。ニッケル（Ｎｉ）製の端部材１４には開口があり、開口にニッケル（Ｎｉ）製の排気管１６が挿入、ロウ付されている。排気管１６から放電ガスを封入し、封入後、排気管１６を圧接し閉塞することでガスを封入できる構造となっている。

サファイア製の端部材１３のロウ付け部においては金属ロウ２０が放電容器１０の内部に露出している。ニッケル（Ｎｉ）製の端部材１３のロウ付け部においても金属ロウ２０が放電容器１０の内部にはみ出している。放電容器１０の外側には一対の金（Ａｕ）からなる外部電極１１ａ、１１ｂが対向する形で設置されている。外部電極にはそれぞれ給電のためのリード線１８ａ、１８ｂが半田１７ａ、１７ｂにて接続されている。リード線１８ａ、１８ｂから給電を行うと、外部電極１１ａ、１１ｂが対向している部分が放電領域Ｋとなり、外部電極が対向していない部分は放電が存在しない領域の非放電領域Ｎとなる。

放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）のうち、サファイア製の端部材１３側をＤ１、ニッケル（Ｎｉ）製の端部材１４側をＤ２とする。この場合は、Ｄ１、Ｄ２とも放電容器１０内部にはみ出した金属ロウ２０と、放電領域端Ｋ１、Ｋ１´との距離である。ここで、Ｄ１＞Ｄ２であった。すなわち、この場合には放電領域と金属間の最短距離（Ｄ）はＤ２である。

１エキシマ放電ランプ
１´ エキシマ放電ランプ
１´´ エキシマ放電ランプ
１０放電容器
１０Ａ一方の端部
１０ａ開口部
１１ａ外部電極
１１ｂ外部電極
１３端部材
１４端部材
１５端部材
１６排気管
１７ａハンダ
１７ｂハンダ
１８ａリード線
１８ｂリード線
２０金属ロウ
２１メタライズ層
３０放電容器
３１ａ外部電極
３１ｂ外部電極
３３フッ素樹脂系Ｏリング
３５キャップ
４０放電容器
４１ａ外部電極
４１ｂ外部電極
４４端部材
４６細管部
５０金属ロウ
Ｋ放電領域
Ｋ１、Ｋ１´ 放電領域端
Ｎ非放電領域
Ｄ放電領域と封止構造の金属ロウあるいは金属部材との最短距離

Claims

金属ロウ付けによる封止構造が形成されたセラミック製放電容器を備え、該放電容器にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入し、該放電容器の外側に該放電容器を挟んで少なくとも一対の外部電極が対向配置されたエキシマ放電ランプであって、
前記封止構造が金属部材と金属ロウを有してなり、該金属部材と該金属ロウは該放電容器内に露出しており、
前記放電容器内の放電領域の端部と、前記放電容器内に露出した金属部材あるいは前記金属ロウのいずれか該端部に近い方との最短距離をＤ（ｍｍ）とし、該放電容器内の封入ガス全圧をＰ（Ｐａ）としたとき、Ｄ≧８×１０^５/Ｐであることを特徴とするエキシマ放電ランプ。