JP6915352B2 - エキシマランプおよび光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造工程や液晶パネル製造工程において好適に用いることができるエキシマランプおよびこのエキシマランプを備えた光照射装置に関する。

金属、ガラス、その他の材料よりなる被処理体に波長２００ｎｍ以下の真空紫外線を照射することにより、当該真空紫外線およびこれにより生成されるオゾンの作用によって被処理体を処理する紫外線照射処理法が開発されている。この紫外線照射処理法は、例えば半導体製造工程や液晶パネル製造工程において、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や、被処理体の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成処理に利用されている。

従来、上記の紫外線照射処理法に用いられる紫外線光源としては、誘電体よりなる放電容器内に、エキシマ発光用ガスが充填され、放電容器内において誘電体バリア放電が生じることにより、エキシマ分子が生成されてエキシマ光が放出されるエキシマランプが用いられている。
このようなエキシマランプとしては、外側管内に内側管が配置され、外側管と内側管との間に放電空間が形成された二重管構造の放電容器を有するものが知られている（特許文献１参照。）。

而して、半導体製造工程や液晶製造工程においては、生産効率向上のため、従来のエキシマランプよりも照度の高い紫外線光源が求められている。

特開２００４−２６５７７０号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、高い照度の紫外線を放射することができるエキシマランプおよびこのエキシマランプを備えた光照射装置を提供することにある。

本発明のエキシマランプは、外側管内に内側管が配置され、外側管および内側管の間に放電空間が形成された放電容器と、前記外側管の外周面に配置された外側電極と、前記内側管の内周面に配置された内側電極とを備えてなるエキシマランプであって、
前記外側管は、互いに対向して配置された、それぞれ管軸方向に長い矩形の２つの板状部と、これらの板状部の各々における長辺部分を連結する２つの連結部とよりなり、
前記内側管は、互いに対向して配置された、それぞれ管軸方向に長い矩形の２つの板状部と、これらの板状部の各々における長辺部分を連結する２つの連結部とよりなり、
前記外側管における一方の連結部が光取り出し窓として構成され、
前記外側電極は、板状であって、前記外側管の２つの板状部の外面およびそれに続く前記外側管の他方の連結部の外面に形成され、
前記板状部における管軸方向および厚み方向の各々に垂直な方向に光が、前記外側管における一方の連結部のみから取り出されることを特徴とする。

このようなエキシマランプにおいては、前記外側管は、前記板状部の各々の内面間の距離をＤ１とし、前記連結部の各々の内面間の距離をＤ２としたとき、Ｄ２／Ｄ１の値が１．１〜４のものであることが好ましい。

また、本発明のエキシマランプにおいては、前記外側管および前記内側管の少なくとも一方には、少なくとも一つの板状部における放電空間に接する面に光反射膜が形成されていることが好ましい。
また、前記内側電極は金属管よりなり、当該金属管内に冷却媒体が流通されることが好ましい。

本発明の光照射装置は、光取出し方向に開口を有するランプ収容溝が形成された冷却ブロックと、
この冷却ブロックのランプ収容溝に収容された、上記のエキシマランプと
よりなることを特徴とする。

本発明の光照射装置においては、前記エキシマランプの複数が、各々の光取出し方向が同一方向となるよう、管軸方向と直角な方向に平行に並んで配置されていることが好ましい。

本発明によれば、外側管および内側管の各々は、互いに対向する板状部を有することにより、放電が生じる面積が大きいため、放電容器内においてエキシマが多量に発生する。しかも、板状部における管軸方向および厚み方向の各々に垂直な方向に光が取り出されるので、高い照度の紫外線を放射することができる。

本発明のエキシマランプの一例における構成の概略を示す斜視図である。 図１のエキシマランプを管軸と垂直な面で切断して示す説明用断面図である。 冷却媒体供給機構および冷却媒体排出機構が設けられたエキシマランプの構成を示す説明図である。 冷却媒体供給排出機構が設けられたエキシマランプの構成を示す説明図である。 本発明の光照射装置の一例における構成の概略を示す斜視図である。 図５の光照射装置をエキシマランプの管軸と垂直な面で切断して示す説明用断面である。 分割可能な冷却プロックの一例における構成を示す説明用断面図である。 本発明のエキシマランプの他の例における構成を、板状部の面方向に放電容器の管軸に沿って切断して示す説明図である。 本発明のエキシマランプの他の例における構成を、板状部の厚み方向に放電容器の管軸に沿って切断して示す説明図である。 本発明の光照射装置の他の例における構成の概略を示す説明用断面図である。 実施例における試験結果を示すグラフである。

以下、本発明のエキシマランプおよび光照射装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明のエキシマランプの一例における構成の概略を示す斜視図である。図２は、図１のエキシマランプを管軸と垂直な面で切断して示す説明用断面図である。
このエキシマランプ１０は、外側管２０内に内側管２５が配置されてなる放電容器１１を有する。

外側管２０は、互いに対向して配置された、それぞれ管軸方向に長い矩形の２つの板状部２１，２２と、これらの板状部２１，２２の各々における長辺部分を連結する２つの連結部２３，２４とにより構成されている。連結部２３，２４の各々は、外方に突出するよう湾曲した形状を有する。図示の例では、連結部２３，２４の各々は、外側管２０の管軸に垂直な断面の形状が半円弧状である。また、一方の連結部２３が光取り出し窓として構成されている。

内側管２５は、互いに対向して配置された、それぞれ管軸方向に長い矩形の２つの板状部２６，２７と、これらの板状部２６，２７の各々における長辺部分を連結する２つの連結部２８，２９とにより構成されている。連結部２８，２９の各々は、外側管２０の連結部２３，２４に接近する方向に突出するよう湾曲した形状を有する。図示の例では、連結部２３，２４の各々は、半球状である。

本発明において、外側管および内側管について「内周面」および「外周面」と表現するときは、外側管および内側管の各々（各管単独）の外周面および内周面を意味する。また、板状部および連結部について「内面」と表現するときは、放電空間に接する面を意味し、「外面」と表現するときは、放電空間に接していない面を意味する。すなわち、外側管における板状部の外面は、当該外側管の外周面の一部であり、外側管における板状部の内面は、当該外側管の内周面の一部である。一方、内側管における板状部の外面は、当該内側管の内周面の一部であり、内側管における板状部の内面は、当該外側管の外周面の一部である。

外側管２０および内側管２５の各々は、当該外側管２０の板状部２１，２２と当該内側管２５の板状部２６，２７とが互いに対向するよう配置されている。また、外側管２０における管軸方向の一端部および他端部と、内側管２５における管軸方向の一端部および他端部とが、封止壁部１１ａ，１１ｂによって接合されている。これにより、外側管２０と内側管２５との間には、密閉された角筒状の放電空間Ｓが形成されている。
外側管２０の内周面と内側管の外周面との間の距離（放電ギャップ）は、例えば３〜２０ｍｍである。
放電容器１１を構成する材料としては、放電空間Ｓにおいて生じるエキシマ光を透過し得るもの、例えば合成石英ガラスが用いられている。

外側管２０は、板状部２１，２２の各々の内面間の距離をＤ１とし、連結部２３，２４の各々の内面間の距離をＤ２としたとき、Ｄ２／Ｄ１の値が１．１〜４、特に１．３〜３のものであることが好ましい。Ｄ２／Ｄ１の値が上記の範囲のものであれば、高い照度の紫外線を確実に放射することができる。

外側管２０の外周面には、一方の連結部２３以外の外面（２つの板状部材２１，２２および他方の連結部２４の各々の外面）を覆うよう、薄板状の外側電極１２が設けられている。また、内側管２５の内周面（２つの板状部材２６，２７および２つの連結部２８，２９の各々の外面）には、内側電極１３が設けられている。この例では、外側電極１２が低電圧側の電極とされ、内側電極１３が高電圧側の電極とされている。

外側電極１２を構成する材料としては、例えばアルミニウムなどの金属材料を用いることができる。また、外側電極１２の厚みは、例えば０．５ｍｍである。

内側電極１３としては、コイル状の金属導線よりなるものや、内部に冷却水等の冷却媒体を流通させることが可能な金属管よりなるものを用いることができる。

内側電極１３を上記の金属管によって構成する場合には、図３に示すように、放電容器１１の一端に冷却媒体供給機構１４が設けられ、当該放電容器１１の他端に冷却媒体排出機構１５が設けられていてもよい。冷却媒体供給機構１４は、内側電極１３を構成する金属管の一端に口締め部１４ｂを介して接続された継ぎ手１４ａを有する。この継ぎ手１４ａには、冷却媒体供給源（図示省略）に接続される冷却媒体導入部１４ｃおよび高周波電源（図示省略）に電気的に接続される電極引出し部１４ｄが設けられている。冷却媒体排出機構１５は、内側電極１３を構成する金属管の他端に口締め部１５ｂを介して接続された継ぎ手１５ａを有する。この継ぎ手１５ａには、冷却媒体排出部１５ｃが設けられている。

また、図３に示す冷却媒体供給機構１４および冷却媒体排出機構１５の代わりに、図４に示すように、放電容器１１の一端に冷却媒体供給排出機構１６が設けられていてもよい。冷却媒体供給排出機構１６は、内側電極１３を構成する金属管の一端および他端の各々に口締め部１６ｂを介して接続された継ぎ手１６ａを有する。この継ぎ手１６ａには、冷却媒体供給源（図示省略）に接続される冷却媒体導入部１６ｃおよび冷却媒体排出部１６ｄが設けられている。

外側管２０の内周面には、一方の連結部２３以外の内面（２つの板状部材２１，２２および他方の連結部２４の各々の内面）を覆うよう、光反射膜１７が形成されている。また、内側管２５の外周面（２つの板状部材２６，２７および２つの連結部２８，２９の各々の内面）には、光反射膜１８が形成されている。
光反射膜１７、１８を構成する材料としては、シリカ、アルミナ、またはこれらの混合物を用いることができる。光反射膜１７、１８の厚みは、例えば１０〜１００μｍである。

放電容器１１内の放電空間Ｓには、キセノンやアルゴン等の希ガスを含む発光ガスや、水銀などが封入されている。
発光ガスの封入圧は、例えば静圧で１３〜１１０ｋＰａである。

上記のエキシマランプ１０においては、高周波電源により外側電極１２と内側電極１３との間に高周波電圧が印加されると、放電容器１１における外側管２０と内側管２５との間に誘電体バリア放電が発生し、これにより、放電空間Ｓにおいて発光ガスによるエキシマが生成されてそのエキシマ光である紫外線が放出される。そして、この紫外線は、直接または光反射膜１７，１８に反射されながら、外側管２０の板状部２１，２２における管軸方向および厚み方向の各々に垂直な方向に向かって進み、一方の連結部２３から外部に取り出される。

上記のエキシマランプ１０によれば、外側管２０および内側管２５の各々は、互いに対向する板状部２１，２２，２６，２７を有することにより、放電が生じる面積が大きいため、放電容器内においてエキシマが多量に発生する。しかも、板状部２１，２２における管軸方向および厚み方向の各々に垂直な方向に一方の連結部２３から光が取り出されるので、高い照度の紫外線を放射することができる。

図５は、本発明の光照射装置の一例における構成の概略を示す説明図である。図６は、図５に示す光照射装置をエキシマランプの管軸と垂直な面で切断して示す説明用断面図である。
この光照射装置は、光取出し方向に開口を有するランプ収容溝３１が形成された冷却ブロック３０と、この冷却ブロック３０のランプ収容溝３１に収容された、図１に示すエキシマランプ１０とを備えてなる。
具体的に説明すると、冷却ブロック３０のランプ収容溝３１は、エキシマランプ１０の外側管２０および他方の連結部２４に適合する形態を有する。そして、エキシマランプ１０は、外側管２０および他方の連結部２４がランプ収容溝３１に収容され、一方の連結部２３が、冷却ブロック３０のランプ収容溝３１から突出した状態で配置されている。外側管２０および他方の連結部２４は、ランプ収容溝３１の内壁面に外側電極１２を介して接触した状態であっても、近接した状態であってもよい。
また、冷却ブロック３０には、冷却用流体を流通するための冷却用流体流通路３２が、ランプ収容溝３１と同方向に貫通して伸びるよう形成されている。

上記の光照射装置によれば、図１に示すエキシマランプ１０が設けられているため、高い照度の紫外線を放射することができる。
また、エキシマランプ１０は、冷却ブロック３０のランプ収容溝３１に収容されているため、エキシマランプ１０の除熱の効果が高く、効率よくエキシマランプ１０を冷却することができる。

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、例えば以下のような種々の変更を加えることが可能である。
（１）外側管２０および内側管２５の各々における一方の連結部２３，２８は、半球状ではなく平坦な板状のものであってもよい。
（２）外側管２０と外側電極１２との間、および／または外側電極１２と冷却ブロック３０との間には、伝熱シートが配置されていてもよい。
（３）冷却ブロック３０は、例えば図７に示すように、ランプ収容溝３１の底壁を構成する底壁部３３と、ランプ収容溝３１の側壁を構成する２つの側壁部３４，３５とに分割可能に構成されていてもよい。

（４）エキシマランプ１０における放電容器１１は、例えば図８およひ図９に示す構造のものであってもよい。
具体的に説明すると、図８および図９に示すエキシマランプ１０における放電容器１１においては、内側管２５は、その管軸方向の一端部が外側管２０における管軸方向の一端部から突出し、その管軸方向の他端部が外側管２０における管軸方向の他端部より内方に位置するよう、外側管２０内に配置されている。外側管２０における管軸方向の一端部と、内側管２５における管軸方向の一端側の外周面とは、封止壁部１１ａによって接合されている。外側管２０における管軸方向の他端部は、外側管封止壁部２０ａによって接合されている。内側管２５における管軸方向の他端部は、内側管封止壁部２５ａによって接合されている。外側管２０における管軸方向の一端側には、内壁面から突出する支持部２０ｂが設けられている。この支持部２０ｂの先端が内側管２５の外周面に当接または接合されることにより、内側管２５における管軸方向の他端側が支持されている。
内側管２５における管軸方向の一端側には、板状部２６，２７および連結部２８，２９の各々の一端に連続して、内側管２５の一端に向かって板状部２６，２７の厚み方向に拡開する中継部２５ｂを介して円管部２５ｃが形成されている。
また、内側管２５内には、冷却媒体供給管１９が、その外周面が内側管２５の内周面および内側電極１３から離間し、かつ先端が内側管封止壁部２５ａから離間した状態で挿入されている。これにより、冷却媒体供給管１９の内部および冷却媒体供給管１９の外周面と内側管２５の内周面と間に、冷却媒体流路が形成されている。

（５）光照射装置においては、図１０に示すように、冷却ブロック３０には、それぞれ同方向に伸びる複数のランプ収容溝３１が、ランプ収容溝３１が伸びる方向に垂直な方向に並ぶよう形成され、複数のエキシマランプ１０が、ランプ収容溝３１の各々に収容されることにより、各々の光取出し方向が同一方向となるよう、管軸方向と直角な方向に平行に並んで配置された構成であってもよい。
このような光照射装置によれば、エキシマランプ１０を高い密度で配置することができる。

〈実施例１〉
図５の構成に従い、下記の仕様のエキシマランプを作製した。
放電容器の材質＝合成石英ガラス
外側管の板状部の寸法：４００ｍｍ（管軸方向の長さ）×１０ｍｍ（光取り出し方向の長さ）×１ｍｍ（厚み）
外側管の連結部：外径が２６．５ｍｍ、内径が２４．５ｍｍの半球状のもの
内側管の板状部の寸法：４００ｍｍ（管軸方向の長さ）×１０ｍｍ（光取り出し方向の長さ）×１ｍｍ（厚み）
内側管の連結部：外径が６ｍｍ、内径が４ｍｍの半球状のもの
放電ギャップ：９．２５ｍｍ
外側電極：材質＝アルミニウム，厚み＝５００μｍ
内側電極：材質＝ステンレス，厚み＝３００μｍ
光反射膜：材質＝シリカとアルミナとの混合物，厚み＝５０μｍ
このエキシマランプにおいて、Ｄ１は２４．５ｍｍ、Ｄ２は３４．５ｍｍ、Ｄ２／Ｄ１の値は１．４１である。

〈実施例２〉
外側管および内側管の板状部における光取り出し方向の長さを２０ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成のエキシマランプを作製した。
このエキシマランプにおいて、Ｄ１は２４．５ｍｍ、Ｄ２は４４．５ｍｍ、Ｄ２／Ｄ１の値は１．８２である。

〈実施例３〉
外側管および内側管の板状部における光取り出し方向の長さを３０ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成のエキシマランプを作製した。
このエキシマランプにおいて、Ｄ１は２４．５ｍｍ、Ｄ２は５４．５ｍｍ、Ｄ２／Ｄ１の値は２．２２である。

〈実施例４〉
外側管および内側管の板状部における光取り出し方向の長さを４０ｍｍに変更したこと以外は、実施例１と同様の構成のエキシマランプを作製した。
このエキシマランプにおいて、Ｄ１は２４．５ｍｍ、Ｄ２は６４．５ｍｍ、Ｄ２／Ｄ１の値は２．６３である。

〈比較例１〉
外側管として、外径が２６．５ｍｍ、内径が２４．５ｍｍ、長さが４００ｍｍの円管状のものを用い、内側管として、外径が６ｍｍ、内径が４ｍｍ、長さが４００ｍｍの円管状のものを用いたこと以外は、実施例１と同様の構成のエキシマランプを作製した。
このエキシマランプにおいて、実質的に、Ｄ１は２４．５ｍｍ、Ｄ２は２４．５ｍｍ、Ｄ２／Ｄ１の値は１である。

［試験］
実施例１〜４および比較例１に係るエキシマランプの各々を下記の条件により点灯し、外側管の一方の連結部（光取り出し窓）から光取り出し方向に２０ｍｍ離間した位置における照度を測定し、比較例１のエキシマランプによる照度を１としたときの相対値を求めた。結果を図１１に示す。
図１１のグラフにおいて、縦軸は照度の相対値、横軸は板状部における光取り出し方向の長さを示す。比較例１に係るエキシマランプは、板状部が存在しないので、板状部における光取り出し方向の長さを「０」とした。
図１１の結果から、実施例１〜４に係るエキシマランプによれば、高い照度が得られることが確認された。

１０ エキシマランプ
１１ 放電容器
１１ａ，１１ｂ 封止壁部
１２ 外側電極
１３ 内側電極
１４ 冷却媒体供給機構
１４ａ 継ぎ手
１４ｂ 口締め部
１４ｃ 冷却媒体導入部
１４ｄ 電極引出し部
１５ 冷却媒体排出機構
１５ａ 継ぎ手
１５ｂ 口締め部
１５ｃ 冷却媒体排出部
１６ 冷却媒体供給排出機構
１６ａ 継ぎ手
１６ｂ 口締め部
１６ｃ 冷却媒体導入部
１６ｄ 冷却媒体排出部
１７，１８ 光反射膜
１９ 冷却媒体供給管
２０ 外側管
２０ａ 外側管封止壁部
２０ｂ 支持部
２１，２２ 板状部
２３，２４ 連結部
２５ 内側管
２５ａ 内側管封止壁部
２５ｂ 中継部
２５ｃ 円管部
２６，２７ 板状部
２８，２９ 連結部
３０ 冷却ブロック
３１ ランプ収容溝
３２ 冷却用流体流通路
３３ 底壁部
３４，３５ 側壁部
Ｓ 放電空間

Claims (5)

1. 外側管内に内側管が配置され、外側管および内側管の間に放電空間が形成された放電容器と、前記外側管の外周面に配置された外側電極と、前記内側管の内周面に配置された内側電極とを備えてなるエキシマランプであって、
   前記外側管は、互いに対向して配置された、それぞれ管軸方向に長い矩形の２つの板状部と、これらの板状部の各々における長辺部分を連結する２つの連結部とよりなり、
   前記内側管は、互いに対向して配置された、それぞれ管軸方向に長い矩形の２つの板状部と、これらの板状部の各々における長辺部分を連結する２つの連結部とよりなり、
   前記外側管における一方の連結部が光取り出し窓として構成され、
   前記外側電極は、板状であって、前記外側管の２つの板状部の外面およびそれに続く前記外側管の他方の連結部の外面に形成され、
   前記板状部における管軸方向および厚み方向の各々に垂直な方向に光が、前記外側管における一方の連結部のみから取り出されることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記外側管は、前記板状部の各々の内面間の距離をＤ１とし、前記連結部の各々内面間の距離をＤ２としたとき、Ｄ２／Ｄ１の値が１．１〜４のものであることを特徴とする請求項１に記載のエキシマランプ。
3. 前記外側管および前記内側管の少なくとも一方には、少なくとも一つの板状部における放電空間に接する面に光反射膜が形成されている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。
4. 前記内側電極は金属管よりなり、当該金属管内に冷却媒体が流通されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のエキシマランプ。
5. 光取出し方向に開口を有するランプ収容溝が形成された冷却ブロックと、
   この冷却ブロックのランプ収容溝に収容された、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のエキシマランプと
   よりなることを特徴とする光照射装置。

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