JP5841595B2 - プラズマ光源 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ光源に関する。

高周波（ＨＦ）プラズマという用語は、一般的に、ラジオ周波数（ＲＦ）（約１〜３００ＭＨｚ）及びマイクロ波（約０．３〜３００ＧＨｚ）が励起するプラズマを意味する。光源として利用される多くの高周波プラズマは、高周波場発生装置内部に完全に閉じ込められている。これは、即ち、容量性回路又は導電性回路と共に、共振空洞部、同軸線及び導波管において、放電が維持されるということである。

空洞共振器が占める空間のドローバックは、動作周波数により共振空洞部のサイズが定まる。技術的に成功した空洞システムは、２．４ＧＨｚで動作するように設計されている。この周波数より低い適切な周波数（ＩＳＭ：産業科学医療用バンド）では、共振空洞部及びそれに付随する導波管のサイズが、商業用照明システムに使用するには物理的に大きくなり過ぎる傾向がある。また、多くの商業利用で要求される例えば４００ワット未満で、放射効率が高く低出力でプラズマを動作させるような共振空洞用の高圧プラズマチャンバーの設計は困難である。実際に、２．４５ＧＨｚでさえ、要求される放射効率のプラズマを４００ワット未満のシステム出力で得ることは困難である。

放射効率が高く４００ワット未満出力で発生するプラズマを実現するには、誘電体が充填された共振空洞部内でプラズマチャンバーを動作させることが知られている。この後者の構成では、求められる重要要素が小型の光源であり、投影装置等の光源として適切である。その一方で、前者の構成では、不透明な誘電体の構造体により光源からの光の多くが遮られることで、通常の照明環境に対して厳しい制約がある。この後者の構成では、電球表面積の５０％未満から、自由空間における限られた立体角、２πステラジアンでしか光を放射できない。通常、この表面積は、電球体積の一部を共振空洞部の外部に位置するように設計することにより最大化される。

国際出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号明細書に示されているように、このドローバックを解消できる、マイクロ波エネルギーを動力とする光源が開示され、
この光源は、
・内部に密閉されたボイドを有する本体と、
・前記本体を取り囲むことでマイクロ波を閉じ込めるファラデーケージと、
・前記ファラデーケージ内の前記本体である共振導波管と、
・前記密閉されたボイド内に充填され、その内部においてマイクロ波エネルギーで励起され光放射プラズマを生成する充填材と、
・前記本体内に設けられ、マイクロ波エネルギー誘導プラズマを前記充填材に伝送し、マイクロ波エネルギー源と連結する前記本体の外部に延びる接続部を有するアンテナとを備え、
・前記本体は、光放射口が固体の半透明材料のプラズマ坩堝であり、
・前記ファラデーケージは、前記プラズマ坩堝から出てくる光を少なくとも部分的に透過し、
・前記密閉されたボイド内のプラズマからの光が前記プラズマ坩堝を透過し、前記ファラデーケージを介して光が放射可能なように構成されることを特徴とすることが記載されている。

本願で使用している用語で、
・「半透明」とは、半透明とされている物の材料が透明または半透明を意味する
・「プラズマ坩堝」とは、プラズマを閉じ込める密封体であり、ボイドの充填材がアンテナからのマイクロ波エネルギーによって励起された時はそのボイド内を意味する。
・「ファラデーケージ」とは、電磁放射線を閉じ込める導電性の容器であり、マイクロ波等の動作周波数において電磁波をほとんど透過させないものを意味する。

本願では、「ファラデーケージ」を上記説明したような意味で使用するが、マイクロ波を閉じ込めることに限定されることなく、上記で定義したような高周波数帯が動作周波数であるような電磁波を閉じ込めてもよい。また、本願では、「プラズマ坩堝」という用語は使用しない。

プラズマは、導波管及び遅波構造における進行波によって生成可能であり、いわゆる進行波放電（TWD: Traveling Wave Discharges）と呼ばれる。照明目的において、この種の放電の１つである表面波放電（SWD: Surface Wave Discharge）は、有望な技術であるとして、これまでに数多くの検証がなされてきた。これは伝搬表面波放電であり、この種の放電は文献において周知となっている。電磁エネルギーによりプラズマが生成され、そのプラズマ自体が構造体となり、その構造体に沿って波が伝搬する。実用化されている表面波放電（SWD）の照射機器としては、サーファトロンがある。サーファトロンは、２００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨＺの周波数レンジを越えて使用され得る広域帯構造であり、高周波（ＨＦ）エネルギーの９０％を越える部分がプラズマに結合されるような非常に高いエネルギー結合効率を達成できる特性を有している。サーファトロンにより発生する表面波放電（SWD）は、照明用途として提案されているが、これらは低圧放電向けである。表面波放電（SWD）の主な用途は、集積回路製造プロセス用に、大気圧より低い圧力から大気圧の大容量プラズマまでである。高圧の照明用途では、ドローバックがある。プラズマの容量は、プラズマの圧力及び出力に非常に左右される。２〜３気圧における４００ワット未満の出力では、非常に大きなプラズマが発生構造体内部に含まれる。この場合、不透明な材料を用いた既存のサーファトロン装置を使用すると、プラズマ光をほとんど得ることができません。

代表的なサーファトロンの構造を図１に図式的に示す。サーファトロン１は、２つの金属シリンダー２，３からなる高周波構造を有する。サーファトロン１では、この２つの金属シリンダー２，３が、一端を短絡回路５で終端され他端を環状ギャップ（circular gap）で終端された同軸伝送線路４の一部を形成する構成を有する。環状ギャップに広がる高周波電場は、方位角的に対称表面波を励起して、シリンダー内部に同軸に配置された誘電管８内の励起物質のプラズマ柱７を維持することができる。同軸かつシリンダー状の容量性結合器９は、シリンダー２，３の間に位置し、外側シリンダーを通り抜けて外部に延びる接続部１０を有する。接続部１０は、入力伝送線路に結合される。プレートと金属シリンダーの内側との間にキャパシタンスを形成するために、当該プレートは縁側の電導部に取り付けられる。

国際出願第ＰＣＴ／ＧＢ２００８／００３８２９号明細書

本発明は、性能が向上した光源を提供することを目的とする。

本発明によると、高周波エネルギーにより動作する光源を提供し、
その光源は
・密閉されたボイドを有し、半透明な材料の収納容器と、
・前記密閉されたボイド内において高周波エネルギーで励起され光放射プラズマを生成する物質であって、前記密閉されたボイド内に充填された当該物質からなる充填材と、
・前記収納容器を取り囲むことでマイクロ波を閉じ込め、プラズマ坩堝から出てくる光を少なくとも部分的に透過するファラデーケージと、前記ファラデーケージが２つの端部と、前記２つの端部間に外側スリーブとを有し、
・前記ファラデーケージ内部に配置され、高周波エネルギー誘導プラズマを前記充填材に伝送するアンテナと、前記アンテナが高周波エネルギー源と連結する前記ファラデーケージの外部に延びる接続部とを備え、
・高周波エネルギー障壁のシリンダー状内側スリーブが、該内側スリーブとの間に空間を有する前記外側スリーブの内部に配置され、
・前記内側スリーブは、部分的に前記光が通過できるようになっており、前記内側スリーブの一端において前記ファラデーケージの一端が電気的に接続され、前記内側スリーブの他端において前記ファラデーケージの他端により励起用ギャップが規定され、
・前記収納容器は、前記内側スリーブ内部に配置され、
・前記アンテナは、前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間に配置されることにより、前記アンテナを介して前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間に誘導された高周波エネルギーが、前記ギャップを通じて前記内側スリーブ内に照射されることで前記プラズマが励起されて、前記光源から前記内側スリーブ及び前記外側スリーブを介して前記光が放射されることを特徴とする。

内側スリーブと外側スリーブとの間の空間を固体物質が存在しない状態にすることも可能であるが、これらの間の空間は、半透明かつ固体の誘電物質が少なくとも部分的に充填されていることが好ましい。好適な実施形態では、この空間はほぼ石英で充填されているのがよい。

また、内側スリーブの断面積をボイドの収納容器の断面積より大きくして、その間の空間に固体物質が存在しない状態にしてもよい。しかしながら、その間の空間は、半透明な固体誘電物質で充填されているのが好ましい。以下のようないくつかの構成が可能である。
・内側スリーブの断面積をボイドの収納容器の断面積より大きくして、その間の空間に半透明な固体誘電物質が充填された構成。
・ボイドの収納容器が充填材が含む電球であり、この電球が内側スリーブ内部の半透明な固体誘電物質体の穿孔に収納されている構成。好適には、電球が誘電物質体の穿孔を埋めるように取り付けられるのがよい。また、電球は、穿孔から放射状に空間を設けて、誘電物質体の穿孔に取り付けられてもよい。
・内側スリーブの断面積をボイドの収納容器の断面積とほぼ同じにして、ボイドを収納容器の穿孔として、そのボイドの両端を密封する構成。
好ましくは、ボイドが内側スリーブの励起用ギャップ側の端に位置するのがよい。

好適な実施形態では、
・半透明な固体誘電体物質は内側スリーブ内部にあり、内側スリーブと外側スリーブとの間は内側スリーブの厚みにより隔てられているが、励起用ギャップにおいてのみ接している。
・内側スリーブ及び外側スリーブは、金属製で網状である。
・外側スリーブは無孔の周縁を有し、当該周縁を介して光源は、ファラデーケージの一端となるメタルキャリア（metallic carrier）に固定される。

本発明の理解を促進するため、具体的な実施形態を実施例及びそれに関する図面を用いて説明する。

従来のサーファトロンの垂直断面図の略図である。 本発明の光源の垂直断面図の略図である。 図２の光源の変形例の図である。

図２を参照すると、高周波エネルギー、具体的には４３３ＭＨｚのエネルギーにより動作する光源１１の概略図が示されている。
この光源１１は、
・長さ３２ｍｍ、直径１６ｍｍのシリンダー状をした石英ガラス製の中央体１２を備える。
・中央体１２に結合する管残部（tube vestige）１５を介して内部が真空にされ、この管残部１５により密封されるボイド１４を備える。このボイド１４は、中央体１２に長さ１０ｍｍ、口径４ｍｍで形成される。
・ボイド１４内において高周波エネルギーで励起され光放射プラズマを生成する物質であって、ボイド１４に充填された当該物質からなる充填材１６を備える。代表的な充填材としては、不活性ガス雰囲気中における金属ハロゲン化物である。
・メタルパンチ製のシムであって、励起用ギャップ（launching gap）１８を設けるために、中央体１２の長手方向に沿ってボイド１４の端部から２．５ｍｍ以内の位置まで延びた内側スリーブ１７を備える。この内側スリーブ１７は、中央体１２の内部側の端、即ち中央体１２の他端の全体に渡って広がる横長端部１９を有する。
・内側スリーブ１７が滑り嵌めするような長さ３２ｍｍの内部穴２１が形成され、内側スリーブ１７に中央体１２が取り付けられるようになされた石英ガラス製の外側シリンダー２０を備える。それにより、２つの石英ガラス製の構成要素である中央体１２及び外側シリンダー２０の間において、電磁気的に無視できる細い隙間である励起用ギャップ１８が形成される。この外側シリンダー２０は、外径８１ｍｍである。
・外側シリンダー２０を取り囲み、シリンダー状の中央体１２及び外側シリンダー２０のボイド１４側の端部と管残部１５用の開口部２４との同一平面全体に渡って広がる端部２３を有する、メタルパンチである外側スリーブ２２を備える。この外側スリーブ２２は、２つの石英ガラス製の構成要素の同一平面な他端を過ぎて、アルミ製キャリア２６に突出するスカート２５を有する。この場合、キャリア２６に対し石英ガラス製の構成要素を保持するために、既知の手段により固定される。これにより、外側スリーブ２２は、端部２３及びキャリア２６を有することで、石英ガラス製の構成要素及びボイド１４の周りにファラデーケージを形成する。
・キャリア２６から絶縁され、このキャリア２６から石英ガラス製の外側シリンダー２０の穿孔２８に延びるアンテナ２７を備える。このアンテナ２７は、パンチメタルである内側及び外側スリーブ１７，２２で形成される同軸導波管に高周波放射を導入する。これらのミシン目は、内側及び外側スリーブ１７，２０が高周波放射に対して不透明となり、その内部に高周波放射を閉じ込めようとするものであるが、それと同時に内側及び外側スリーブ１７，２０に光透過性を有するようにするものである。これにより、プラズマ光は、内側及び外側スリーブ１７，２２を透過できる。キャリア２６内のアンテナ部分は、図示しない高周波エネルギー源に接続される接続部を有する。

内側スリーブ１７の他側端部１９ではキャリア２６に接地されており、それと同様に、外側スリーブ２０でも端部２３によりキャリア２６に接地されている。そのため、、内側スリーブ１７の一側端部とファラデーケージの端部との間に、励起用ギャップ１８が高周波エネルギーをボイド１４に照射し得るように形成され、ボイド内のプラズを励起及び維持する。プラズマ光は、石英ガラス内を通り抜け、内側及び外側スリーブ１７，２２及び他側端部１９に設けられたミシン目の穴から通り抜ける。その結果、光源から光が放射される。

図３に示された変形例では、ファラデーケージである外側スリーブ２２を介して光源から光束が放射されるように、一般的には、内側スリーブ１７が１０ｍｍほど短く、そのため励起用ギャップ１８が１０ｍｍほど幅広となっている。

１１ 光源
１２ 中央体
１４ ボイド
１６ 充填材
１７ 内側スリーブ
１８ 励起用ギャップ
１９ 他側端部
２０ 外側シリンダー
２２ 外側スリーブ
２３ 端部
２４ 開口部
２６ キャリア
２７ アンテナ

Claims (16)

1. 高周波エネルギーにより動作する光源であって、
   ・密閉されたボイドを有し、半透明な材料の収納容器と、
   ・前記密閉されたボイド内において高周波エネルギーで励起され光放射プラズマを生成する物質であって、前記密閉されたボイド内に充填された当該物質からなる充填材と、
   ・前記収納容器を取り囲むことでマイクロ波を閉じ込め、プラズマ坩堝から出てくる光を少なくとも部分的に透過するファラデーケージと、
   ・前記ファラデーケージ内部に配置され、高周波エネルギー誘導プラズマを前記充填材に伝送するアンテナと、前記アンテナが高周波エネルギー源と連結する前記ファラデーケージの外部に延びる接続部とを備え、
   ・前記ファラデーケージが２つの端部と、前記２つの端部間に外側スリーブとを有し、
   ・高周波エネルギー障壁のシリンダー状内側スリーブが、該内側スリーブとの間に空間を有する前記外側スリーブの内部に配置され、
   ・前記内側スリーブは、部分的に前記光が通過できるようになっており、前記内側スリーブの一端において前記ファラデーケージの一端が電気的に接続され、前記内側スリーブの他端において前記ファラデーケージの他端により励起用ギャップが規定され、
   ・前記収納容器は、前記内側スリーブ内部に配置され、
   ・前記アンテナは、前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間に配置されることにより、前記アンテナを介して前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間に誘導された高周波エネルギーが、前記ギャップを通じて前記内側スリーブ内に照射されることで前記プラズマが励起されて、前記光源から前記内側スリーブ及び前記外側スリーブを介して前記光が放射されることを特徴とする光源。
2. 前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間の前記空間には、前記アンテナ以外に固体物質がないことを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間の前記空間には、少なくとも部分的に半透明な固体誘電体物質が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の光源。
4. 前記内側スリーブの断面積は、前記収納容器の断面積よりも大きく、前記内部スリーブと前記収納容器との間の空間には固体物質がないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源。
5. 前記内側スリーブの断面積は、前記収納容器の断面積よりも大きく、前記内部スリーブと前記収納容器との間の空間には半透明な固体誘電体物質が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源。
6. 前記収納容器は、前記充填材を含む電球であり、前記電球は、前記内側スリーブ内の半透明な固体誘電体物質体に設けられた穿孔に収容されていることを特徴とする請求項５に記載の光源。
7. 前記電球は、前記半透明な固体誘電体物質体に設けられた前記穿孔に詰められ、前記穿孔に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の光源。
8. 前記電球は、前記穿孔から放射状に空間を設けて、前記穿孔に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載の光源。
9. 前記内側スリーブの断面積を前記収納容器の断面積とほぼ同じにして、前記ボイドを前記収納容器の前記穿孔とし、前記ボイドの両端を密封することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源。
10. 前記ボイドは、前記内側スリーブにおける励起用ギャップ側の端に位置することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光源。
11. 前記半透明な固体誘電体物質は前記内側スリーブの内部にあり、前記内側スリーブと前記外側スリーブとの間は、前記内側スリーブの厚みにより隔てられているが、前記励起用ギャップにおいてのみ接していることを特徴とする請求項３に従属する請求項５〜１０のいずれかに記載の光源。
12. 前記半透明な固体誘電体物質は、石英ガラスであることを特徴とする請求項３に従属する請求項５〜１１のいずれかに記載の光源。
13. 前記内側スリーブと前記外側スリーブとは、金属製で網状であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光源。
14. 前記外側スリーブは無孔の周縁を有し、前記周縁を介して前記光源は、前記ファラデーケージの一端となるメタルキャリア（metallic carrier）に固定されることを特徴とする請求項１３に記載の光源。
15. 前記ボイドは、少なくとも部分的に前記内側スリーブと重なるように、前記光源の軸方向に配置されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の光源。
16. 前記ボイドは、前記内側スリーブと重ならないように、前記光源の軸方向に配置されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の光源。

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