JP7115036B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

本発明は、エキシマランプに関するものであり、具体的には例えば、放電容器の外面にメッシュ状の外部電極が設けられたエキシマランプに関する。

現在、エキシマランプは、例えば、半導体や液晶パネル等の製造工程におけるレジストの光アッシング処理、ナノインプリント装置におけるテンプレートのパターン面に付着したレジストの除去処理、液晶用のガラス基板やシリコンウエハなどのドライ洗浄処理、プリント基板製造工程におけるスミアの除去（デスミア）処理などに用いられる光処理装置の光源や、オゾン発生装置などの光源として利用されている。

例えば、特許文献１には、波長２００ｎｍ以下の紫外線透過性に優れた材料よりなる扁平な箱型形状の放電容器の外面に、網状の一対の電極が放電空間を介して互いに対向して設けられてなるエキシマランプが開示されている。
このエキシマランプにおいては、一対の電極が例えばスクリーン印刷によって形成されることが記載されており、また、電極構成用材料として、例えば金、銀、銅、ニッケル、クロムなどの金属材料が用いられることが記載されている。

特開２０１２－１９５０５８号公報

而して、電極をスクリーン印刷により形成する場合には、通常、金属粒子を含む導電性ペーストを用いて電極パターンを形成した後に、高温で加熱焼成処理することにより金属粒子を凝集させ、電極パターンの電気抵抗を低下させる必要がある。しかしながら、金属粒子として例えばアルミニウム粒子を用いた場合には、アルミニウム粒子が焼成過程で酸化されるため、形成される電極パターンの電気抵抗が大きくなってしまい、電極が破損するおそれがある。このような理由から、従来においては、アルミニウムを用いて電極を印刷形成することは困難であるとされてきた。
また、上記のような、いわゆる外部電極型のエキシマランプにおいては、電極は、真空紫外光や、当該真空紫外光の照射により生成されるオゾンに晒されることとなる。このため、実際上は、電極構成材料としては、酸化に強く、紫外線に対する耐性も高く、また電気抵抗も低いという特性を有する金を用いざるを得ないのが実情であり、所期のエキシマランプをコスト的に有利に製造することができないという問題があった。

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、外部電極を構成する材料としてアルミニウムを使用することができ、しかも、外部電極の損傷を回避することのできるエキシマランプを提供することを目的とする。

本発明のエキシマランプは、紫外線を透過する材料より構成された放電容器を備えており、当該放電容器の外面に外部電極が設けられたエキシマランプにおいて、
前記外部電極は、当該外部電極の単位体積当たりの入力が所定の範囲内の大きさとなるようパターン形成された複数本の導電ラインにより構成されており、アルミニウムを主成分とする材料よりなり、
前記外部電極の厚さが０．０８ｍｍ以下であって、かつ、前記外部電極の単位体積あたりの入力の大きさが２２Ｗ／ｍｍ ³ 以下となるように、前記外部電極の開口率の大きさおよび前記外部電極の電極面積が設定されていることを特徴とする。

さらにまた、本発明のエキシマランプにおいては、前記外部電極の開口率が４０％以上であることが好ましい。

本発明のエキシマランプによれば、外部電極が、単位体積当たりの入力が所定の範囲内の大きさとなるようパターン形成された複数本の導電ラインにより構成されていることにより、アルミニウムを主成分とするペースト状の電極構成材料を用いて外部電極を形成することができ、しかも、ランプ点灯時における外部電極の抵抗が経時的に増大することがなく、外部電極が破損することを回避することができる。

本発明のエキシマランプの一例における構成を概略的に示す斜視図である。 外部電極の開口率を説明するための模式図である。 ランプ入力を測定する測定系の一構成例を概略的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明のエキシマランプの一例における構成を概略的に示す斜視図である。
このエキシマランプ１０は、例えば波長２００ｎｍ以下の紫外線（真空紫外線）を透過する材料により構成された放電容器１１を備えている。この例の放電容器１１は、全体が扁平な直方体形状に構成されており、内部に放電空間Ｖが形成されている。
放電容器１１を構成する材料としては、例えば、合成石英ガラスなどのシリカガラス、サファイアガラスなどを用いることができる。

放電空間Ｖ内には、エキシマ放電によってエキシマ分子を形成する発光ガスが封入されている。
発光ガスとしては、例えば、具体的には、キセノンガス、アルゴンガス、クリプトンガスなどの希ガス、または、希ガスと、臭素、塩素、ヨウ素、フッ素などのハロゲンガスとを混合した混合ガスなどを用いることができる。例えば、発光ガスとしてキセノンガスを用いた場合には、中心波長が１７２ｎｍである真空紫外線が得られる。また、クリプトンと塩素との混合ガスを用いた場合には、中心波長が２２２ｎｍである真空紫外線が得られる。さらにまた、アルゴンとフッ素との混合ガスを用いた場合には、中心波長が１９３ｎｍである真空紫外線が得られる。
発光ガスの封入圧は、例えば１～１００ｋＰａである。

放電容器１１における扁平な面方向に沿って延びる一対の周壁部１２，１２の各々の外面には、一対の外部電極２０，２０が放電容器の管軸方向に沿って延びるよう互いに対向して設けられている。

外部電極２０，２０は、単位体積あたりの入力が所定の範囲内の大きさとなるようパターン形成された複数本の導電ラインにより構成されている。
この例における外部電極２０は、図２（ａ）に示すように、例えば格子状の電極パターンをなすように同一平面上において互いに交差する複数本の導電ライン２１により構成されたメッシュ状のものであって、導電ライン２１が形成されていない開口２２によって透光部が形成されている。この例においては、互いに交差する導電ライン２１は直交した状態（開口２２の形状が例えば正方形状）とされているが、導電ライン２１の交差角度は特に限定されるものではない。
また、外部電極２０は、図２（ｂ）に示すように、ライン状の電極パターンをなすように互いに平行に延びる複数本の導電ライン２１により構成されていてもよい。

上記のエキシマランプ１０においては、外部電極２０，２０は、アルミニウムを主成分とする材料により構成されている。具体的には、外部電極２０，２０は、アルミニウムを主成分とする導電性粉末とガラス粉末とを含む導電性ペースト（アルミニウムペースト）を用い、例えばスクリーン印刷によって放電容器の外面に塗布した後、乾燥、焼成することにより形成されたものである。

上述したように、外部電極２０は、電極面積をＳ〔ｍｍ² 〕、厚さをｔ〔ｍｍ〕、エキシマランプ１０の入力電力をＰ _L 〔Ｗ〕としたときに、Ｐ _L ／［ｔ×Ｓ］で示される単位体積当たり入力Ｐ_E が所定の範囲内の大きさとなるようにパターン形成されている。
具体的には例えば、外部電極２０の厚さが０．０８ｍｍ以下の範囲内で、単位体積当たりの入力が２２Ｗ／ｍｍ³ 以下の大きさとなるように、外部電極２０の開口率Ｒの大きさおよび電極面積Ｓの大きさが設定されている。

外部電極２０の厚さｔは、０．００５～０．０８ｍｍとされることが好ましく、より好ましくは、０．０２～０．０５ｍｍとされる。
また、外部電極２０の単位体積当たりの入力Ｐ_E は、０～２２Ｗ／ｍｍ³ とされることが好ましく、より好ましくは０．１～１０Ｗ／ｍｍ³ とされる。
外部電極２０がこのような条件でパターン形成されることにより、後述する実験例の結果に示されるように、外部電極２０がアルミニウムを主成分とする材料を用いて印刷形成されたものであっても、ランプ点灯時における外部電極２０の電気抵抗が経時的に急激に増大することがなく、外部電極２０が破損することを確実に回避することができる。

外部電極２０の開口率は、開口２２を含めた電極単位面積当たりに占める当該開口２２の面積の割合を言うこととする。外部電極２０の電極パターンが、例えば図２（ａ）に示すような格子状である場合には、外部電極２０の開口率Ｒ〔％〕は、下記数式（１）で示される。下記数式（１）において、ａは開口幅、ｂは導電ライン２１の線幅である。
数式（１） Ｒ＝〔ａ／（ａ＋ｂ）〕² ×１００
また、外部電極の電極パターンが、図２（ｂ）に示すようなライン状である場合には、外部電極の開口率Ｒ〔％〕は、下記数式（２）で示される。下記数式（２）において、ａは開口幅、ｂは導電ライン２１の線幅である。
数式（２） Ｒ＝〔ａ／（ａ＋ｂ）〕×１００

外部電極２０の開口率は、エキシマランプ１０からの光取り出し効率の観点から、例えば４０％以上であることが好ましく、６０～９０％であることがさらに好ましい。
開口幅ａの大きさおよび導電ライン２１の線幅ｂの大きさは、開口率Ｒが上記数値範囲内となるように適宜設定することができるが、均一な電極パターンを形成して安定した放電を得るために、開口幅ａは、例えば１～４ｍｍの範囲内の大きさとされ、導電ライン２１の線幅ｂは、例えば０．４ｍｍ以下、好ましくは、０．１～０．３ｍｍの範囲内の大きさとされることが好ましい。

外部電極２０の電極面積Ｓは、放電容器１１の外面における電極形成領域の面積ではなく、放電容器１１の外面における導電ライン２１との対接部分の面積を言うこととする。具体的には、外部電極２０の電極面積Ｓ〔ｍｍ² 〕は、下記数式（２）で示される。下記数式（２）において、Ｗ_E は電極形成領域の幅方向寸法（電極幅）〔ｍｍ〕、Ｌ_E は、電極形成領域の管軸方向寸法（電極長さ）〔ｍｍ〕、Ｒは、外部電極２０の開口率〔％〕である。
数式（２） Ｓ＝Ｗ_E ×Ｌ_E ×（１００－Ｒ）／１００

電極形成領域の幅方向寸法（電極幅）Ｗ_E は、例えば１０～８０ｍｍであり、電極形成領域の管軸方向寸法（電極長さ）Ｌ_E は、例えば１０～３０００ｍｍである。

このエキシマランプ１０においては、一対の外部電極２０，２０間に高周波交流電源から高周波交流電力が供給されることにより、外部電極２０，２０間に電位差が周期的に生じることによって放電空間Ｖにおいてエキシマ放電が生じる。そして、エキシマ放電によってエキシマ分子が形成され、そのエキシマ分子から放出される光が放電容器１１を透過し、メッシュ状の外部電極２０の透光部（開口２２）を介して放射される。

而して、上記のエキシマランプ１０によれば、外部電極２０が、単位体積当たりの入力Ｐ_E が所定の範囲内の大きさとなるようパターン形成されたものであることにより、アルミニウムを主成分とする電極構成材料を用いて外部電極２０を印刷形成することができ、しかも、ランプ点灯時における外部電極２０の電気抵抗が経時的に急激に増大することがなく、外部電極２０が破損することを回避することができる。

また、従来のエキシマランプにおいて外部電極の構成材料として好適に用いられていた金などに比して廉価なアルミニウムを用いることができるため、所期のエキシマランプ１０を有利に製造することができる。さらにまた、金属線がメッシュ状に配設されてなる外部電極であれば、外部からの力で網目が変形するなどして放電が不安定となるといった不具合が生ずるおそれがあるが、上記のエキシマランプ１０によれば、外部電極２０が印刷電極により構成されていることにより、このような不具合が生ずることを回避することができ、所期の電極パターンを容易に形成することができる。しかも、外部電極２０を平坦に形成することができるため、光照射装置への組み込みが容易となるなど優れた取扱い性を有するものとなる。

以上、本発明のエキシマランプの一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、外部電極を印刷形成する方法としては、スクリーン印刷法に限定されるものではない。また、外部電極は、電極構成材料を描画塗布して形成されたものであってもよい。
また、本発明のエキシマランプは、上記のような扁平な放電容器の外面に一対の外部電極が設けられた構成のものに限定されるものではない。

以下、本発明のエキシマランプの具体的な実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
図１に示す構成を参照して、下記表１に示す電極パターンを有する外部電極（２０）を備えた１４種類のエキシマランプを作製した（以下、「ランプ１」～「ランプ１４」とする。）。放電容器（１１）は、材質を石英ガラスとし、幅方向寸法を３６ｍｍ、管軸方向寸法（全長）を３５０ｍｍ、肉厚を１．６ｍｍ、放電ギャップ（Ｇ）を１１ｍｍとした。また、発光ガスとしては、クリプトンガス（封入圧１０ｋＰａ）と塩素ガス（封入圧０．６ｋＰａ）との混合ガスを用いた。
外部電極（２０）は、アルミニウムを主成分とし、銀、シリカ、酸化亜鉛、ホウ砂を主成分とする低融点ガラスを含むアルミニウムペーストを用いて、スクリーン印刷法によって形成した。
外部電極（２０）の厚みは、レーザー顕微鏡（キーエンス社製：ＶＫ－Ｘ１５０）を用いて測定した。

作製したランプ１～ランプ１４の各々を一対の外部電極（２０）間に６～１０ｋＶｐｐ、６０～１２０ｋＨｚの交流電圧を印加することにより点灯させた。そして、ランプを点灯させてから１００時間の時間が経過した時点での外部電極（２０）の電気抵抗を測定し、ランプ点灯初期時における外部電極（２０）の電気抵抗に対する変化の程度を調べた。
外部電極（２０）の電気抵抗は、デジタルマルチメーター（横河電機社製「デジタルマルチメーター７５６２」）、プローブ（日置電機製「ピン形リード９７７０」）を用い、４端子法にて測定した。
１００時間経過時点での電気抵抗値（ｒ１）をランプ点灯初期時の電気抵抗値（ｒ０）で除算した値を百分率で表した電気抵抗値上昇率［（ｒ１／ｒ０）×１００］が、３００％未満である場合を「〇」、３００％以上である場合を「×」として評価を行った。結果を下記表２に示す。

表２におけるランプ入力Ｐ_L 〔Ｗ〕は、次のようにして測定された値である。先ず、図３に示す測定系を構成し、エキシマランプ（１０）の両端の電圧と、エキシマランプ（１０）に流れる電流とをオシロスコープ（３０）で測定した。そして、得られた電圧波形と電流波形とを掛け合わせ、１周期分積分し、周波数をかけることによりエキシマランプ（１０）に入力されるランプ入力Ｐ_L を測定した。図３において、３１は電圧プローブ、３２は電流プローブ、３３は点灯電源である。

以上の結果に示されるように、厚さｔが０．０８ｍｍ以下の大きさであり、かつ、単位体積当たりの入力（電極入力Ｐ_E ）が２２Ｗ／ｍｍ³ 以下となるように、パターン形成された外部電極（２０）を備えたランプ３～ランプ９およびランプ１１～ランプ１４の各々においては、いずれも、外部電極（２０）を印刷形成するに際して、アルミニウムを主成分とする材料を用いた場合であっても、外部電極（２０）の電気抵抗値が経時的に急激に増大することがなく、外部電極（２０）が破損することを回避することができることが確認された。
一方、電極入力Ｐ_E が２２Ｗ／ｍｍ³ よりも大きくなるように、パターン形成された外部電極（２０）を備えたランプ１～ランプ２および電極厚さが０．０８ｍｍよりも大きくなるように、パターン形成された外部電極（２０）を備えたランプ１０においては、いずれも、電気抵抗値が急上昇することによって外部電極（２０）を構成する導電ラインが断線し、ランプが不点灯となることが確認された。この原因は、以下のように考えられる。

すなわち、ランプ点灯時においては、外部電極の中で移動する電子とアルミ原子が衝突することで、運動量の交換が行われ、これにより、イオンが徐々に移動するエレクトロマイグレーションが発生する。電極入力Ｐ_E が２２Ｗ／ｍｍ³ よりも大きい場合には、イオンの移動量が時間経過に伴って大きくなり、外部電極の電気抵抗値が増大することによって電極の損傷（導電ラインの断線）が生じたものと考えられる。また、電極入力Ｐ_E が大きくなると、電流密度も高くなるため、外部電極の中で移動する電子量も増加する。そのため、エレクトロマイグレーションによる電極損傷といった不具合が顕著に現れたものと考えられる。

１０ エキシマランプ
１１ 放電容器
１２ 周壁部
２０ 外部電極
２１ 導電ライン
２２ 開口
３０ オシロスコープ
３１ 電圧プローブ
３２ 電流プローブ
３３ 点灯電源
Ｇ 放電ギャップ
Ｖ 放電空間

Claims (2)

1. 紫外線を透過する材料より構成された放電容器を備えており、当該放電容器の外面に外部電極が設けられたエキシマランプにおいて、
   前記外部電極は、当該外部電極の単位体積当たりの入力が所定の範囲内の大きさとなるようパターン形成された複数本の導電ラインにより構成されており、アルミニウムを主成分とする材料よりなり、
   前記外部電極の厚さが０．０８ｍｍ以下であって、かつ、前記外部電極の単位体積あたりの入力の大きさが２２Ｗ／ｍｍ ³ 以下となるように、前記外部電極の開口率の大きさおよび前記外部電極の電極面積が設定されていることを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記外部電極の開口率が４０％以上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。

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