JP6622009B2 - 紫外光発生用ターゲット及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、紫外光発生用ターゲット及びその製造方法に関するものである。

特許文献１には、薄膜ＥＬ素子が開示されている。この薄膜ＥＬ素子では、蛍光体層からの光の取り出し効率を高めるために、ガラス基板の表面が粗面とされている。特許文献２には、ＬＥＤ用基板及びその製造方法が開示されている。このＬＥＤ用基板は、ＬＥＤの発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すための光取出し膜を有する。光取出し膜の最表面は、アモルファスアルミナあるいは水酸化アルミニウムを主成分とするナノオーダーのランダム微細凹凸構造を含む。特許文献３には、面発光体の製造に用いられる薄膜保持基板が開示されている。この薄膜保持基板は、面発光体の光取り出し効率を向上させるために透明性基材上に成膜された微粒子及びバインダーを含む複合薄膜を備える。

特開昭６１−１５６６９１号公報 特開２０１３−２２２９２５号公報 国際公開第２００５／１１５７４０号

従来より、紫外光源として、水銀キセノンランプや重水素ランプ等の電子管が用いられてきた。しかし、このような紫外光源は、発光効率が低く、大型であり、また安定性や寿命の点で課題がある。また、水銀キセノンランプを用いる場合、水銀による環境への影響が懸念される。一方、別の紫外光源として、ターゲットに電子線を照射することにより紫外光を励起させる構造を備える電子線励起紫外光源がある。電子線励起紫外光源は、高い安定性を生かした光計測分野や、低消費電力性を生かした殺菌や消毒用、あるいは高い波長選択性を利用した医療用光源やバイオ化学用光源として期待されている。

また、近年、波長３６０ｎｍ以下といった紫外領域の光を出力しうる発光ダイオードが開発されている。しかし、このような発光ダイオードからの出力光強度は未だ小さく、また発光ダイオードでは発光面の大面積化が困難なので、用途が限定されてしまうという問題がある。これに対し、電子線励起紫外光源は、十分な強度の紫外光を発生することができ、また、ターゲットに照射される電子線の径を大きくすることにより、大面積で且つ均一な強度を有する紫外光を出力することができる。

但し、電子線励起紫外光源においても、出力効率の更なる向上が求められる。通常、電子線励起紫外光源のターゲットは、支持基板と、支持基板上に成膜された発光層とを備える。発光層は電子線を受けて紫外光を発生させ、該紫外光は支持基板を通過して外部へ出力される。このようなターゲットにおいて、出力効率を更に向上させるためには、例えば紫外光が通過する支持基板の表面（発光層側の表面、及び発光層とは反対側の表面のうち一方または双方）を粗面化することが考えられる。これにより、支持基板表面における反射を低減し、光取り出し効率を高めることができる。

しかしながら、支持基板の種類によっては、安定した粗面化が難しい場合がある。例えば、支持基板がサファイアからなる場合、サファイアの硬度が極めて高いことから表面粗さを一定に制御することは容易ではない。また、サファイアは酸及びアルカリに不溶であるため、表面をエッチングすることも困難である。従って、サファイア基板を支持基板とするターゲットにおいては、光取り出し効率を安定的に高めることが難しいという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、紫外光の取り出し効率を高めることが可能な紫外光発生用ターゲット及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による紫外光発生用ターゲットは、紫外光を透過するサファイア基板と、サファイア基板に接し、酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含み、紫外光を透過する中間層と、中間層上に設けられ、賦活剤が添加された希土類を含有する酸化物結晶を含み、電子線を受けて紫外光を発生する発光層とを備える。

この紫外光発生用ターゲットの基板はサファイアからなる。従って、基板表面を粗面に加工することは容易ではない。そこで、上記の紫外光発生用ターゲットでは、サファイア基板と発光層との間に中間層が設けられている。この中間層は、酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含むので、同様に酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含むサファイア基板との親和性が高く、また、サファイア基板との界面における反射も抑えられる。そして、例えば以下に示す各構成のように、紫外光の反射を低減するための種々の任意の微細構造を該中間層に与えることが可能である。従って、上記の紫外光発生用ターゲットによれば、紫外光の取り出し効率を高めることが可能となる。

上記の紫外光発生用ターゲットにおいて、中間層は微細構造物の集合体から成ってもよい。これにより、紫外光の反射を中間層において効果的に低減することができる。

上記の紫外光発生用ターゲットにおいて、微細構造物は、粉末状または粒状の酸化アルミニウムであってもよい。これにより、上述した微細構造物の集合体を容易に形成できる。

上記の紫外光発生用ターゲットにおいて、酸化物結晶は多結晶であってもよい。本発明者の知見によれば、発光層を構成する結晶としては、単結晶よりも多結晶の方が発光効率が高い傾向がある。従って、酸化物結晶が多結晶であることにより、更に強い紫外光を得ることができる。

本発明による紫外光発生用ターゲットの製造方法は、上記の紫外光発生用ターゲットを製造する方法であって、水酸化アルミニウム膜をサファイア基板上に形成する第１工程と、水酸化アルミニウム膜を熱処理することにより中間層を形成する第２工程とを含む。この製造方法によれば、微細構造物の集合体を容易に形成できるので、紫外光の反射を中間層において効果的に低減することができる。

上記の製造方法は、第２工程の後に、発光層の材料を中間層上に配置する第３工程と、発光層の材料を熱処理することにより発光層を形成する第４工程とを更に含んでもよい。或いは、上記の製造方法は、第１工程の後、且つ第２工程の前に、発光層の材料を水酸化アルミニウム膜上に配置する工程を更に含み、第２工程において、水酸化アルミニウム膜とともに発光層の材料を熱処理することにより中間層及び発光層を形成してもよい。これらのうち何れかの方法によって、中間層及び発光層双方の熱処理を好適に行うことができる。

本発明による紫外光発生用ターゲットの製造方法は、上記の紫外光発生用ターゲットを製造する方法であって、サファイア基板上に粉末状または粒状の酸化アルミニウムを塗布する第１工程と、粉末状または粒状の酸化アルミニウムを熱処理することにより中間層を形成する第２工程とを含む。この製造方法によれば、微細構造物の集合体を容易に形成できるので、紫外光の反射を中間層において効果的に低減することができる。

本発明による紫外光発生用ターゲット及びその製造方法によれば、紫外光の取り出し効率を高めることができる。

第１実施形態に係る紫外光発生用ターゲットを備える電子線励起紫外光源の内部構成を示す模式図である。 紫外光発生用ターゲットの構成を示す側面図である。 紫外光発生用ターゲットの製造方法における各工程を示す図である。 図３に示された方法とは別の製造方法における各工程を示す図である。 中間層の拡大ＳＥＭ画像である。 第１実施例における波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。 第１実施例における電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。 中間層が設けられない場合における、サファイア基板及び発光層の断面を拡大して示すＳＥＭ画像である。 中間層が設けられた場合における、サファイア基板、中間層、及び発光層の断面を拡大して示すＳＥＭ画像である。 第１比較例に係る紫外光発生用ターゲットの構成を示す図である。 第１比較例における波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。 第２比較例における波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。 第２比較例における電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。 変形例に係る紫外光発生用ターゲットの構成を示す側面図である。 変形例に係る紫外光発生用ターゲットの製造方法のうち、中間層を形成するための各工程を示す図である。 第２実施例における波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。 第２実施例における電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。 中間層が設けられない紫外光発生用ターゲットの発光層の表面を拡大して示すＳＥＭ画像である。 中間層を備える紫外光発生用ターゲットの発光層の表面を拡大して示すＳＥＭ画像である。 中間層の積層数が２層である場合における、熱処理後の中間層を拡大して示すＳＥＭ画像である。 中間層の積層数が２層である場合における、熱処理後の中間層を拡大して示すＳＥＭ画像である。 第２実施形態に係る紫外光発生用ターゲットの構成を示す側面図である。 第２実施形態に係る紫外光発生用ターゲットの製造方法における各工程を示す図である。 第３実施例による紫外光発生用ターゲットの中間層を拡大して示すＳＥＭ画像である。 第３実施例による紫外光発生用ターゲットの中間層を拡大して示すＳＥＭ画像である。 第３実施例による紫外光発生用ターゲットの中間層を拡大して示すＳＥＭ画像である。 第３実施例による紫外光発生用ターゲットの中間層を拡大して示すＳＥＭ画像である。 第３実施例における波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。 第３実施例における電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。 第３実施例における電子ビーム電流量と光出力との関係について、電子ビーム電流量を更に大きくした場合を示すグラフである。 第３実施例における酸化アルミニウムの平均粒径と光出力との相関を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による紫外光発生用ターゲット及びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る紫外光発生用ターゲットを備える電子線励起紫外光源１０の内部構成を示す模式図である。図１に示されるように、この電子線励起紫外光源１０では、真空排気されたガラス容器（電子管）１１の内部の上端側に、電子源１２および引き出し電極１３が配置されている。そして、電子源１２と引き出し電極１３との間に電源部１６から適当な引き出し電圧が印加されると、高電圧によって加速された電子線ＥＢが電子源１２から出射される。電子源１２としては、例えば大面積の電子線を出射する電子源（例えばカーボンナノチューブ等の冷陰極、或いは熱陰極）が用いられる。

また、容器１１の内部の下端側には、紫外光発生用ターゲット２０Ａが配置されている。紫外光発生用ターゲット２０Ａは例えば接地電位に設定され、電子源１２には電源部１６から負の高電圧が印加される。これにより、電子源１２から出射された電子線ＥＢは紫外光発生用ターゲット２０Ａに照射される。紫外光発生用ターゲット２０Ａは、この電子線ＥＢを受けて励起され、紫外光ＵＶを発生する。

図２は、紫外光発生用ターゲット２０Ａの構成を示す側面図である。図２に示されるように、紫外光発生用ターゲット２０Ａは、基板２１と、基板２１上に設けられた中間層２２と、中間層２２上に設けられた発光層２３と、発光層２３上に設けられた光反射膜２４とを備えている。基板２１は、紫外光ＵＶを透過する材料から成る板状の部材であり、本実施形態ではサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）から成る。基板２１は、主面２１ａおよび裏面２１ｂを有する。基板２１の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

中間層２２は、基板２１の主面２１ａと接しており、紫外光ＵＶを透過する。中間層２２は、酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含む材料からなる微細構造物の集合体であり、本実施形態では主面２１ａ上に形成された水酸化アルミニウム膜（Ａｌ₂Ｏ₃・ｎ（Ｈ₂Ｏ）、ｎは１以上の整数）が熱処理されて成る。水酸化アルミニウム膜としては、例えばベーマイト（アルミナ１水和物）膜が挙げられる。水酸化アルミニウム膜は熱処理されることにより水分を失うので、紫外光発生用ターゲット２０Ａの完成品において、中間層２２は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を主に含むものとなる。

発光層２３は、電子線ＥＢを受けて励起され、紫外光ＵＶを発生する。発光層２３は、賦活剤が添加された希土類を含有する酸化物結晶を、多結晶として含む。このような酸化物結晶としては、賦活剤が添加された希土類含有アルミニウムガーネット結晶が好適であり、例えば賦活剤としてＰｒが添加されたＬｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（Ｐｒ：ＬｕＡＧ）が挙げられる。或いは、このような酸化物結晶としては、Ｌｕ及びＳｉを含む酸化物結晶が好適であり、例えばＬｕ₂Ｓｉ₂Ｏ₇（ＬＰＳ）やＬｕ₂ＳｉＯ₅（ＬＳＯ）が挙げられる。また、発光層２３は、賦活剤が添加された希土類を含有する酸化物結晶のうち前記以外のもの、例えば賦活剤としてＰｒが添加されたＹＡｌＯ₃（Ｐｒ：ＹＡＰ）を含んでもよい。なお、発光層２３は一種類の材料からなってもよく、異種の結晶（例えばＬＰＳとＬＳＯ）が混在してもよい。

光反射膜２４は、例えばアルミニウムといった金属材料を含む。光反射膜２４は、発光層２３の上面及び側面、並びに中間層２２の側面を覆っている。発光層２３において発生した紫外光ＵＶのうち、基板２１とは反対の方向へ進む光は光反射膜２４によって反射され、基板２１に向けて進む。

この紫外光発生用ターゲット２０Ａにおいて、電子源１２（図１参照）から出射された電子線ＥＢが発光層２３に入射すると、発光層２３が励起され、紫外光ＵＶが生じる。紫外光ＵＶの一部は基板２１の主面２１ａに直接向かい、紫外光ＵＶの残りの部分は光反射膜２４によって反射された後に基板２１の主面２１ａに向かう。その後、紫外光ＵＶは中間層２２を透過して主面２１ａに入射し、基板２１を透過後、裏面２１ｂから外部へ放射される。

図３は、紫外光発生用ターゲット２０Ａの製造方法における各工程を示す図である。まず、水酸化アルミニウム膜を基板２１上に形成する（第１工程）。そのために、まず、図３（ａ）に示されるように、基板２１の主面２１ａ上にアルミニウム膜２５を成膜する。一実施例では、基板２１は成膜前に純水により洗浄されたのち、真空加熱される。また、アルミニウム膜２５の成膜は、例えば真空蒸着若しくはスパッタリングにより行われる。アルミニウム膜２５の厚さは例えば１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、一例では５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍのいずれかである。

次に、アルミニウム膜２５に対して温水処理を行う。一実施例では、沸騰した水が収容されている容器内に基板２１を投入し、アルミニウム膜２５を煮沸する。このときの時間はアルミニウム膜２５の厚さに応じて適宜設定される。アルミニウム膜２５の厚さが５０ｎｍである場合、煮沸時間は例えば１０分である。アルミニウム膜２５の厚さが１００ｎｍである場合、煮沸時間は例えば２０分である。アルミニウム膜２５の厚さが２００ｎｍである場合、煮沸時間は例えば１時間１５分である。その後、基板２１を容器から取り出し、基板２１に付着した水分を吹き飛ばしたのち、乾燥させる。こうして、基板２１上のアルミニウム膜２５は、図３（ｂ）に示されるように水酸化アルミニウム膜（例えばベーマイト膜）２６となる。

続いて、発光層２３の材料を水酸化アルミニウム膜２６上に配置する。具体的には、水酸化アルミニウム膜２６が形成された基板２１をアブレーション装置内に設置し、図３（ｃ）に示されるように、レーザアブレーションによって発光材料層２７を水酸化アルミニウム膜２６上に成膜する。発光材料層２７の膜厚は例えば５００ｎｍである。

続いて、水酸化アルミニウム膜２６及び発光材料層２７の熱処理を行う（第２工程）。この工程では、図３（ｄ）に示されるように、水酸化アルミニウム膜２６及び発光材料層２７が形成された基板２１を熱処理炉３０内に設置する。熱処理炉３０は例えば真空炉である。そして、真空中において発光材料層２７及び水酸化アルミニウム膜２６の熱処理を行い、これらを焼成する。熱処理温度は例えば１０００℃以上２０００℃以下であり、一例では１５００℃である。また、熱処理時間は例えば０時間（すなわち、所定温度に到達したら直ちに降温させる）以上、１００時間以下であり、一例では２時間である。これにより、発光材料層２７の構成材料が結晶化し、図１に示された発光層２３が形成される。また、水酸化アルミニウム膜２６から水分が除去され、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を主に含む中間層２２が形成される。

最後に、発光層２３及び中間層２２が形成された基板２１を熱処理炉３０から取り出し、図３（ｅ）に示されるように、発光層２３の上面及び側面、並びに中間層２２の側面を覆うように光反射膜２４を形成する。光反射膜２４の形成方法は、例えば真空蒸着である。発光層２３の上面上における光反射膜２４の厚さは例えば５０ｎｍである。以上の工程を経て、本実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ａが完成する。

図４は、図３に示された方法とは別の製造方法における各工程を示す図である。この製造方法では、図４（ａ）に示されるように基板２１上にアルミニウム膜２５を成膜したのち、アルミニウム膜２５に対して上記と同様の温水処理を行うことにより、図４（ｂ）に示されるように水酸化アルミニウム膜（例えばベーマイト膜）２６を形成する（第１工程）。続いて、水酸化アルミニウム膜を熱処理することにより中間層を形成する（第２工程）。この工程では、図４（ｃ）に示されるように、水酸化アルミニウム膜２６が形成された基板２１を熱処理炉３０内に設置する。そして、真空中において水酸化アルミニウム膜２６の熱処理を行い、焼成する。これにより、水酸化アルミニウム膜２６から水分が除去され、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を主に含む中間層２２が形成される。

続いて、発光層２３の材料を中間層２２上に配置する（第３工程）。この工程では、中間層２２が形成された基板２１をアブレーション装置内に設置し、図４（ｄ）に示されるように、レーザアブレーションによって発光材料層２７を中間層２２上に成膜する。そして、図４（ｅ）に示されるように、発光材料層２７が形成された基板２１を熱処理炉３０内に設置し、真空中において発光材料層２７の熱処理を行い、焼成する。熱処理温度及び熱処理時間は上述した製造方法と同様である。これにより、発光材料層２７の構成材料が結晶化し、発光層２３が形成される（第４工程）。最後に、発光層２３及び中間層２２が形成された基板２１を熱処理炉３０から取り出し、光反射膜２４を形成する（図４（ｆ））。以上の工程を経て、本実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ａが完成する。

図５は、上述したいずれかの製造方法によって得られる中間層２２の拡大ＳＥＭ画像である。図５に示されるように、中間層２２は、微細構造物の集合体から成る。微細構造物は、水分が除去された後の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）である。微細構造物の一つ当たりの大きさは、例えば太さ５０ｎｍ、長さ２００ｎｍである。

以上に説明した本実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ａによって得られる効果について説明する。紫外光発生用ターゲット２０Ａは、サファイアからなる基板２１を支持基板として備える。前述したように、サファイア基板の表面を粗面に加工することは容易ではない。そこで、本実施形態では、基板２１と発光層２３との間に中間層２２が設けられている。この中間層２２は、酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含むので、同様に酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含む基板２１との親和性が高く、また、基板２１との界面における紫外光ＵＶの反射も抑えられる。そして、例えば図５に示されたように、紫外光ＵＶの反射を低減するための微細構造を該中間層２２に与えることが可能である。従って、本実施形態によれば、紫外光ＵＶの取り出し効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態のように、中間層２２は微細構造物の集合体から成ってもよい。これにより、紫外光ＵＶの反射を中間層２２において効果的に低減することができる。また、この場合、中間層２２は、基板２１上に形成された水酸化アルミニウム膜２６が熱処理されることにより形成されてもよい。これにより、図５に示されたように微細構造物の集合体を容易に形成できる。

また、本実施形態のように、発光層２３を構成する結晶（賦活剤が添加された希土類を含有する酸化物結晶）は、多結晶であってもよい。本発明者の知見によれば、発光層２３を構成する結晶としては、単結晶よりも多結晶の方が発光効率が高い傾向がある。従って、発光層２３を構成する結晶が多結晶であることにより、更に強い紫外光ＵＶを得ることができる。

また、本実施形態の製造方法は、水酸化アルミニウム膜２６を基板２１上に形成する第１工程と、水酸化アルミニウム膜２６を熱処理することにより中間層２２を形成する第２工程とを含む。この製造方法によれば、微細構造物の集合体を容易に形成できるので、紫外光ＵＶの反射を中間層２２において効果的に低減することができる。

また、図３に示されたように、第１工程の後、且つ第２工程の前に、発光材料層２７を水酸化アルミニウム膜２６上に配置し、第２工程において、水酸化アルミニウム膜２６とともに発光材料層２７を熱処理することにより中間層２２及び発光層２３を形成してもよい。或いは、図４に示されたように、この製造方法は、第２工程の後に、発光材料層２７を中間層２２上に配置する第３工程と、発光材料層２７を熱処理することにより発光層２３を形成する第４工程とを更に含んでもよい。これらのうち何れかの方法によって、中間層２２及び発光層２３の双方の熱処理を好適に行うことができる。

（第１実施例）
続いて、第１実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ａを作製し、その光出力特性を調べた結果について説明する。本実施例では、中間層２２が設けられない紫外光発生用ターゲットと、中間層２２を形成する際のアルミニウム膜２５の厚さがそれぞれ５０ｎｍ、１００ｎｍ、及び２００ｎｍである３つの紫外光発生用ターゲット２０Ａとを作製した。その際、図３に示された製造方法を用い、水酸化アルミニウム膜２６をベーマイト膜とし、発光層２３をＰｒ：ＬｕＡＧ多結晶膜とし、基板２１をサファイア基板（直径１２ｍｍ、厚さ２ｍｍ）とし、熱処理温度を１５００℃とし、熱処理時間を２時間とした。また、紫外光発生用ターゲットが取り付けられる電子線励起紫外光源の加速電圧を１０ｋＶとし、管電流を２００μＡとし、電子ビーム径を２ｍｍとした。

図６は、波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。図６において、グラフＧ１１は中間層２２が設けられない場合を示し、グラフＧ１２、Ｇ１３、及びＧ１４は、それぞれアルミニウム膜２５の厚さが５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍである場合を示している。図６に示されるように、中間層２２が設けられることによって中間層２２が設けられない場合よりも高いピーク強度が得られ、更に、アルミニウム膜２５が厚いほど（すなわち中間層２２が厚いほど）ピーク強度が高くなる傾向がある。例えばアルミニウム膜２５の厚さが２００ｎｍである場合（グラフＧ１４）には、中間層２２が設けられない場合（グラフＧ１１）に対して約２．４倍のピーク強度を実現できる。

図７は、電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。図７において、グラフＧ２１は中間層２２が設けられない場合を示し、グラフＧ２２及びＧ２３は、それぞれアルミニウム膜２５の厚さが１００ｎｍ、２００ｎｍである場合を示している。図７に示されるように、中間層２２が設けられることによって中間層２２が設けられない場合よりも高い光出力効率が得られ、更に、中間層２２が厚いほど光出力効率が高くなる傾向がある。例えばアルミニウム膜２５の厚さが２００ｎｍである場合（グラフＧ２３）には、中間層２２が設けられない場合（グラフＧ２１）に対して約１．７倍の光出力効率を実現できる。

図８は、中間層２２が設けられない場合における、サファイア基板２１及び発光層２３の断面を拡大して示すＳＥＭ画像である。また、図９は、中間層２２が設けられた場合における、サファイア基板２１、中間層２２、及び発光層２３の断面を拡大して示すＳＥＭ画像である。図８及び図９を比較すると、サファイア基板２１と発光層２３との間に、微細構造物を含む中間層２２が好適に形成されていることがわかる。

（第１比較例）
ここで、比較のため、中間層２２が設けられない紫外光発生用ターゲットにおいて、基板２１の表面を粗面化したときの光出力特性を調べた。本比較例では、図１０に示されるように、基板２１の主面２１ａのみを粗面化した場合（図１０（ａ））、基板２１の裏面２１ｂのみを粗面化した場合（図１０（ｂ））、並びに、主面２１ａ及び裏面２１ｂの双方を粗面化した場合（図１０（ｃ））のそれぞれについて、波長毎の発光強度（相対値）を調べた。

その結果を図１１に示す。図１１において、グラフＧ３１は主面２１ａ及び裏面２１ｂの双方が粗面化されていない場合を示し、グラフＧ３２は主面２１ａのみが粗面化された場合を示し、グラフＧ３３は裏面２１ｂのみが粗面化された場合を示し、グラフＧ３４は主面２１ａ及び裏面２１ｂの双方が粗面化された場合を示す。図１１に示されるように、主面２１ａのみ粗面化した場合に、ピーク強度が最も高くなった。但し、その場合でも、主面２１ａ及び裏面２１ｂの双方が粗面化されない場合に対してピーク強度の増加が僅か１．２倍であった。上記の第１実施形態による紫外光発生用ターゲット２０Ａによれば、このように基板の表面を粗面化する場合と比較して、格段に高いピーク強度を得ることができる。

（第２比較例）
更に比較のため、基板２１の主面２１ａのみ粗面化する形態において、サンドブラストにより様々な表面粗さでもって主面２１ａを粗面化し、光出力特性を調べた。本比較例では、粗面化されていない通常の基板を備える紫外光発生用ターゲットと、主面２１ａの表面粗さがそれぞれ０．１μｍ、０．３μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ、５．０μｍ、１０μｍである７つの紫外光発生用ターゲットとを作製した。これらの紫外光発生用ターゲットでは、サファイア基板上にＰｒ：ＬｕＡＧ結晶をレーザアブレーションにより１時間成膜し、真空中で１５００℃、２時間の熱処理を行い、その上に厚さ５０ｎｍの光反射膜を蒸着した。なお、紫外光発生用ターゲットが取り付けられる電子線励起紫外光源の加速電圧を１０ｋＶとし、管電流を２００μＡ以下とし、電子ビーム径を２ｍｍとした。

図１２は、波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。図１２において、グラフＧ４１は粗面化がなされていない場合を示し、グラフＧ４２〜Ｇ４８は、それぞれ主面２１ａの表面粗さが０．１μｍ、０．３μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ、５．０μｍ、１０μｍである場合を示している。図１２に示されるように、主面２１ａが粗面化されることによって粗面化されない場合よりも高いピーク強度が得られ、概ね、表面粗さが粗いほどピーク強度が高くなる傾向がある。例えば最もピーク強度が高い表面粗さ１０μｍの場合（グラフＧ４８）には、粗面化されない場合（グラフＧ４１）に対して約１．６倍のピーク強度を実現できる。しかしながら、上記の第１実施形態による紫外光発生用ターゲット２０Ａによれば、表面粗さ１０μｍの場合と比較しても更に高いピーク強度を得ることができる。

また、図１３は、電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。図１３において、グラフＧ５１は粗面化がなされていない場合を示し、グラフＧ５２〜Ｇ５８は、それぞれ主面２１ａの表面粗さが０．１μｍ、０．３μｍ、１．０μｍ、２．０μｍ、３．０μｍ、５．０μｍ、１０μｍである場合を示している。図１３に示されるように、主面２１ａが粗面化されることによって粗面化されない場合よりも高い光出力効率が得られ、概ね、表面粗さが粗いほど光出力効率が高くなる傾向がある。例えば最も光出力が大きい表面粗さ１０μｍの場合（グラフＧ５８）には、粗面化されない場合（グラフＧ５１）に対して約１．６倍の光出力効率を実現できる。しかしながら、上記の第１実施形態による紫外光発生用ターゲット２０Ａによれば、表面粗さ１０μｍの場合と比較しても更に高い光出力効率を得ることができる。

（変形例）
上記実施形態の一変形例について説明する。図１４は、本変形例に係る紫外光発生用ターゲット２０Ｂの構成を示す側面図である。図１４に示されるように、紫外光発生用ターゲット２０Ｂは、基板２１と、基板２１上に設けられた中間層２８と、中間層２８上に設けられた発光層２３と、発光層２３上に設けられた光反射膜２４とを備えている。これらのうち、基板２１、発光層２３、及び光反射膜２４の構成は上記実施形態と同様である。

本変形例の中間層２８は、複数の層２８ａが積層されて成る。複数の層２８ａのそれぞれは、上記実施形態の中間層２２と同様の構成を有する。なお、図１４には４つの層２８ａが積層されている場合を例示しているが、層２８ａの積層数は２以上の任意の数である。

図１５は、本変形例に係る紫外光発生用ターゲット２０Ｂの製造方法のうち、中間層２８を形成するための各工程を示す。なお、中間層２８を形成する工程を除く他の工程は、上記実施形態と同様である。

まず、最初の層２８ａを形成する為に、水酸化アルミニウム膜を基板２１上に形成する。そのために、まず、図１５（ａ）に示されるように、基板２１の主面２１ａ上にアルミニウム膜２５を成膜する。次に、アルミニウム膜２５に対して温水処理を行う。これにより、アルミニウム膜２５は、図１５（ｂ）に示されるように水酸化アルミニウム膜（例えばベーマイト膜）２６となる。

続いて、次の層２８ａを形成する為に、水酸化アルミニウム膜２６上に別の水酸化アルミニウム膜を形成する。すなわち、図１５（ｃ）に示されるように、水酸化アルミニウム膜２６上にアルミニウム膜２５を成膜する。次に、アルミニウム膜２５に対して温水処理を行う。これにより、アルミニウム膜２５は、図１５（ｄ）に示されるように水酸化アルミニウム膜２６となる。以降、水酸化アルミニウム膜２６の形成を繰り返し行うことにより、複数の水酸化アルミニウム膜２６を得る。

その後、図３若しくは図４に示された方法と同様にして、積層された複数の水酸化アルミニウム膜２６の熱処理を行う。これにより、複数の水酸化アルミニウム膜２６から水分が除去され、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を主に含む複数の層２８ａが形成される。

以上に説明した本変形例の紫外光発生用ターゲット２０Ｂによれば、上記実施形態と同様に、中間層２８が酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含み、紫外光ＵＶの反射を低減するための種々の任意の微細構造を中間層２８に与えることが可能である。従って、紫外光ＵＶの取り出し効率を高めることが可能となる。特に、本変形例のように複数の層２８ａが積層されることにより、後述する実施例に示されるように、紫外光ＵＶの取り出し効率をより一層高めることができる。また、中間層２８を厚く形成する場合であっても、各層２８ａを薄くすることで、温水処理による水酸化アルミニウム膜化を確実に且つ短時間で行うことができる。

（第２実施例）
第２実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ｂを作製し、その光出力特性を調べた結果について説明する。本実施例では、中間層２８が設けられない紫外光発生用ターゲットと、中間層２８を構成する層２８ａの積層数がそれぞれ２層、３層、及び４層である３つの紫外光発生用ターゲット２０Ｂとを作製した。その際、図３に示された製造方法と同様の方法（中間層２８と発光層２３とを同時に熱処理）を用い、図１５に示されたアルミニウム膜２５の成膜時間を４分、厚さを１００ｎｍとし、水酸化アルミニウム膜２６をベーマイト膜とし、発光層２３をＰｒ：ＬｕＡＧ多結晶膜とし、基板２１をサファイア基板（直径１２ｍｍ、厚さ２ｍｍ）とし、熱処理温度を１５００℃とし、熱処理時間を２時間とした。また、紫外光発生用ターゲットが取り付けられる電子線励起紫外光源の加速電圧を１０ｋＶとし、管電流を２００μＡとし、電子ビーム径を２ｍｍとした。

図１６は、波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。図１６において、グラフＧ６１は中間層２８が設けられない場合を示し、グラフＧ６２、Ｇ６３、及びＧ６４は、それぞれ層２８ａの積層数が２層、３層、４層である場合を示している。図１６に示されるように、中間層２８が設けられることによって中間層２８が設けられない場合よりも高いピーク強度が得られ、更に、層２８ａの積層数が多いほどピーク強度が高くなる傾向がある。例えば層２８ａの積層数が３層である場合（グラフＧ６３）には、中間層２８が設けられない場合（グラフＧ６１）に対して約２．６倍のピーク強度を実現できる。

図１７は、電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。図１７において、グラフＧ７１は中間層２８が設けられない場合を示し、グラフＧ７２、Ｇ７３、及びＧ７４は、それぞれ層２８ａの積層数が２層、３層、４層である場合を示している。図１７に示されるように、中間層２８が設けられることによって中間層２８が設けられない場合よりも高い光出力効率が得られる。例えば層２８ａの積層数が３層である場合（グラフＧ７３）には、中間層２８が設けられない場合（グラフＧ７１）に対して約２．１倍の光出力効率を実現できる。

図１８は、中間層２８が設けられない紫外光発生用ターゲットの発光層２３の表面を拡大して示すＳＥＭ画像である。図１８（ａ）は熱処理前の状態を示し、図１８（ｂ）は熱処理後の状態を示す。また、図１９は、中間層２８を備える紫外光発生用ターゲット１Ｂの発光層２３の表面を拡大して示すＳＥＭ画像である。図１９（ａ）は熱処理前の状態を示し、図１９（ｂ）は熱処理後の状態を示す。図１８及び図１９に示されるように、中間層２８が設けられた場合であっても、中間層２８が設けられない場合と同様に、発光層２３が熱処理によって好適に結晶化していることがわかる。

また、図２０及び図２１は、中間層２８の層２８ａの積層数が２層である場合における、熱処理後の中間層２８を拡大して示すＳＥＭ画像である。なお、図２０は中間層２８及び発光層２３の熱処理を同時に行った場合を示しており、図２１は中間層２８の熱処理を単独で行った場合を示している。図２０及び図２１を参照すると、微細構造物を含む中間層２８が好適に形成されていることがわかる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る紫外光発生用ターゲットについて説明する。図２２は、本実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ｃの構成を示す側面図である。図２２に示されるように、紫外光発生用ターゲット２０Ｃは、基板２１と、基板２１上に設けられた中間層２９と、中間層２９上に設けられた発光層２３と、発光層２３上に設けられた光反射膜２４とを備えている。これらのうち、中間層２９を除く他の構成は、上述した第１実施形態と同様である。

中間層２９は、基板２１の主面２１ａと接しており、紫外光ＵＶを透過する。中間層２９は、酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含む材料からなる微細構造物の集合体であり、本実施形態では、微細構造物は主面２１ａ上に配置された粉末状または粒状の酸化アルミニウムである。一例では、中間層２９は、主面２１ａ上に塗布された粉末状または粒状の酸化アルミニウム（アルミナパウダー）が熱処理されて成る。

図２３は、紫外光発生用ターゲット２０Ｃの製造方法における各工程を示す図である。まず、図２３（ａ）に示されるように、粉末状または粒状の酸化アルミニウム２９ａを基板２１の主面２１ａ上に塗布する（第１工程）。このときの塗布厚さは、各粒径の酸化アルミニウム粒が主面２１ａ上に均等に分散できる厚さであるとよい。

次に、粉末状または粒状の酸化アルミニウム２９ａの熱処理を行う（第２工程）。この工程では、図２３（ｂ）に示されるように、粉末状または粒状の酸化アルミニウム２９ａが塗布された基板２１を熱処理炉３０内に設置する。熱処理炉３０は例えば真空炉である。そして、真空中において粉末状または粒状の酸化アルミニウム２９ａの熱処理を行い、これを焼成する。熱処理温度は例えば１０００℃以上２０００℃以下であり、一例では１６００℃である。また、熱処理時間は例えば０時間（すなわち、所定温度に到達したら直ちに降温させる）以上、１００時間以下であり、一例では２時間である。これにより、粉末状または粒状の酸化アルミニウム２９ａの各粒子の表面が溶けて各粒子が互いに結合するとともに基板２１に固着し、図２２に示された中間層２９が形成される。

続いて、発光層２３の材料を中間層２９上に配置する。この工程では、中間層２９が形成された基板２１をアブレーション装置内に設置し、図２３（ｃ）に示されるように、レーザアブレーションによって発光材料層２７を中間層２９上に成膜する。そして、図２３（ｄ）に示されるように、発光材料層２７が形成された基板２１を熱処理炉３０内に設置し、真空中において発光材料層２７の熱処理を行い、焼成する。熱処理温度及び熱処理時間は上述した第１実施形態と同様である。これにより、発光材料層２７の構成材料が結晶化し、発光層２３が形成される。

最後に、発光層２３及び中間層２９が形成された基板２１を熱処理炉３０から取り出し、光反射膜２４を形成する（図２３（ｅ））。この工程では、例えば、発光層２３上にニトロセルロース膜を形成し、そのニトロセルロース膜上にアルミニウム膜を蒸着する。このアルミニウム膜の厚さは例えば２０ｎｍである。そして、基板２１を熱処理炉内に設置し、ニトロセルロース膜を大気中で焼成することにより気化させる。このときの熱処理温度は例えば３５０℃であり、熱処理時間は例えば１０分間である。その後、アルミニウム膜上に更にアルミニウム膜を蒸着する。このアルミニウム膜の厚さは例えば３０ｎｍである。こうして、２層のアルミニウム膜からなる光反射膜２４が形成される。以上の工程を経て、本実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ｃが完成する。

本実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ｃによれば、上記第１実施形態と同様に、中間層２９が酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含み、紫外光ＵＶの反射を低減するための微細構造を中間層２９に与えることが可能である。従って、紫外光ＵＶの取り出し効率を高めることが可能となる。また、本実施形態のように中間層２９の微細構造物が粉末状または粒状の酸化アルミニウムであることによって、微細構造物の集合体を容易に形成できるので、紫外光ＵＶの反射を中間層２９において効果的に低減することができる。

（第３実施例）
続いて、第２実施形態の紫外光発生用ターゲット２０Ｃを作製し、その光出力特性を調べた結果について説明する。本実施例では、中間層２９が設けられない紫外光発生用ターゲットと、中間層２９を形成する際の酸化アルミニウム２９ａの平均粒径がそれぞれ３．１μｍ、５．２μｍ、２１．７μｍ、２４μｍである４つの紫外光発生用ターゲット２０Ｃとを作製した。中間層２９が設けられない紫外光発生用ターゲットでは、サファイア基板上にＰｒ：ＬｕＡＧ結晶をレーザアブレーションにより１時間成膜し、真空中で１５００℃、２時間の熱処理を行い、その上に厚さ５０ｎｍの光反射膜を蒸着した。また、４つの紫外光発生用ターゲット２０Ｃでは、酸化アルミニウム２９ａの熱処理温度を１６００℃、熱処理時間を２時間とした。更に、発光層２３としてＰｒ：ＬｕＡＧ結晶をレーザアブレーションにより１時間成膜し、真空中で１５００℃、２時間の熱処理を行い、その上に厚さ５０ｎｍの光反射膜２４を蒸着した。なお、紫外光発生用ターゲットが取り付けられる電子線励起紫外光源の加速電圧を１０ｋＶとし、管電流を８００μＡ以下とし、電子ビーム径を２ｍｍとした。

図２４〜図２７は、４つの紫外光発生用ターゲット２０Ｃの中間層２９を拡大して示すＳＥＭ画像であって、酸化アルミニウム２９ａの平均粒径が３．１μｍである場合（図２４）、５．２μｍである場合（図２５）、２１．７μｍである場合（図２６）、及び２４μｍである場合（図２７）をそれぞれ示す。これらの図において、（ａ）は１回目の熱処理（１６００℃、２時間）の後の状態を示し、（ｂ）は２回目の熱処理（１５００℃、２時間）の後の状態を示す。図２４〜図２７の（ａ）を参照すると、酸化アルミニウムからなる微細構造物が集合し、互いに結合して一体化していることがわかる。また、図２４〜図２７の（ｂ）を参照すると、酸化アルミニウムの表面にＰｒ：ＬｕＡＧ結晶からなる領域が形成されていることがわかる。

図２８は、波長毎の発光強度（相対値）を示すグラフである。図２８には、酸化アルミニウムの平均粒径がそれぞれ３．１μｍ（グラフＧ８１）、５．２μｍ（グラフＧ８２）、２１．７μｍ（グラフＧ８３）、２４μｍ（グラフＧ８４）である場合の各グラフが示されている。なお、これらのグラフは、管電流を２００μＡとして測定されたものである。図２８に示されるように、平均粒径が２１．７μｍである場合に発光ピーク強度が最も高く、平均粒径が３．１μｍである場合にピーク強度が最も低くなった。

図２９は、電子ビーム電流量と光出力との関係を示すグラフである。図２９において、グラフＧ９１は中間層２９が設けられない場合を示し、グラフＧ９２、Ｇ９４、及びＧ９５は、それぞれ酸化アルミニウムの平均粒径が３．１μｍ、２１．７μｍ、２４μｍである場合を示している。図２９に示されるように、中間層２９が設けられることによって中間層２９が設けられない場合よりも高い光出力効率が得られ、更に、中間層２９の酸化アルミニウムの平均粒径が大きいほど光出力効率が高くなる傾向がある。なお、平均粒径が２４μｍである場合に、平均粒径が２１．７μｍである場合と比較して光出力が低くなったが、図２７に示されたＳＥＭ画像から明らかなように、他の粒径のものとは形状が若干異なり、細かい粒子が集まって２４μｍの平均粒径を構成している。このため、光出力が低くなったものと考えられる。

図３０は、電子ビーム電流量と光出力との関係について、電子ビーム電流量を更に大きくした場合（〜８００μＡ）を示すグラフである。図３０において、グラフＧ９１は中間層２９が設けられない場合を示し、グラフＧ９２、Ｇ９３、Ｇ９４、及びＧ９５は、それぞれ酸化アルミニウムの平均粒径が３．１μｍ、５．２μｍ、２１．７μｍ、２４μｍである場合を示している。いずれの粒径の場合においても管電流が７００μＡ以上である場合に光出力の飽和が見られたが、平均粒径が小さいほど、飽和の程度が軽微であった。

図３１は、電子ビーム電流量を２００μＡとした場合の、酸化アルミニウムの平均粒径と光出力との相関を示すグラフである。図３１において、プロットＰ１は中間層２９が設けられない場合を示し、プロットＰ２〜Ｐ５は、それぞれ酸化アルミニウムの平均粒径が３．１μｍ、５．２μｍ、２１．７μｍ、２４μｍである場合を示している。図３１に示されるように、平均粒径がいずれの場合であっても、中間層２９が設けられない場合と比較して格段に大きな光出力が得られた。

本発明による紫外光発生用ターゲット及びその製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、

１Ａ，１Ｂ…紫外光発生用ターゲット、１０…電子線励起紫外光源、１１…容器、１２…電子源、１３…電極、１６…電源部、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…紫外光発生用ターゲット、２１…基板、２１ａ…主面、２２，２８，２９…中間層、２３…発光層、２４…光反射膜、２５…アルミニウム膜、２６…水酸化アルミニウム膜、２７…発光材料層、２９ａ…粉末状または粒状の酸化アルミニウム、３０…熱処理炉、ＥＢ…電子線、ＵＶ…紫外光。

Claims (8)

1. 紫外光を透過するサファイア基板と、
   前記サファイア基板に接し、酸素原子及びアルミニウム原子を組成に含み、前記紫外光を透過する中間層と、
   前記中間層上に設けられ、賦活剤が添加された希土類を含有する酸化物結晶を含み、電子線を受けて前記紫外光を発生する発光層と、
   を備える、紫外光発生用ターゲット。
2. 前記中間層は微細構造物の集合体から成る、請求項１に記載の紫外光発生用ターゲット。
3. 前記微細構造物は、粉末状または粒状の酸化アルミニウムである、請求項２に記載の紫外光発生用ターゲット。
4. 前記酸化物結晶は多結晶である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の紫外光発生用ターゲット。
5. 請求項１に記載の紫外光発生用ターゲットを製造する方法であって、
   水酸化アルミニウム膜を前記サファイア基板上に形成する第１工程と、
   前記水酸化アルミニウム膜を熱処理することにより前記中間層を形成する第２工程と、
   を含む、紫外光発生用ターゲットの製造方法。
6. 前記第２工程の後に、前記発光層の材料を前記中間層上に配置する第３工程と、
   前記発光層の材料を熱処理することにより前記発光層を形成する第４工程と、
   を更に含む、請求項５に記載の紫外光発生用ターゲットの製造方法。
7. 前記第１工程の後、且つ前記第２工程の前に、前記発光層の材料を前記水酸化アルミニウム膜上に配置する工程を更に含み、
   前記第２工程において、前記水酸化アルミニウム膜とともに前記発光層の材料を熱処理することにより前記中間層及び前記発光層を形成する、請求項５に記載の紫外光発生用ターゲットの製造方法。
8. 請求項１に記載の紫外光発生用ターゲットを製造する方法であって、
   前記サファイア基板上に粉末状または粒状の酸化アルミニウムを塗布する第１工程と、
   前記粉末状または粒状の酸化アルミニウムを熱処理することにより前記中間層を形成する第２工程と、
   を含む、紫外光発生用ターゲットの製造方法。