JPH1145684A - 放電ランプおよび処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高電圧を印加せず高効率で出力する処理装置
を提供する。 【解決手段】 放電ランプ１は、石英ガラスのガラス容
器２を有している。ガラス容器２は、円筒状の外管３と
この外管３に同軸状に内方した円筒状の内管４を有して
いる。外管３および内管４の両端を封着して、これら外
管３および内管４で閉塞したガラス容器２に紫外光を発
光するキセノンを４０ｋＰａの圧力で封入して放電空間
５を形成する。ガラス容器２の外管３の放電空間５とは
反対側の面に円筒状でメッシュ状の電極７を形成し、内
管４の放電空間５とは反対側の面に円筒状で反射板を兼
ねたアルミニウム製の電極８を形成する。電極７および
電極８間には、周波数１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下で
入力電力は３０Ｗで一定の電源９を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光量を増加した放
電ランプおよび処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の放電ランプとしては、た
とえば特公平８−２１３６９号公報に記載の構成が知ら
れている。

【０００３】この特公平８−２１３６９号公報には、紫
外光を透過する電気絶縁体である石英製のガラス容器内
にキセノン（Ｘｅ）などの紫外線を発光する物質を封入
し、ガラス容器の外部にメッシュ状の電極を配設し、ガ
ラス容器自体を誘電体として、電極に高電圧を印加して
放電させたいわゆる誘電体バリア放電である。

【０００４】また、放電はガラス容器を介しての放電の
ため、いわゆる無声放電となり、パルス状の電流が流れ
る。

【０００５】そして、このパルス状の電流は、高速の電
子流を持ち、休止区間が多いため、キセノンなどの紫外
線を出す物質を多量に励起し、励起された物質が一時的
にエキシマ状態の分子状態に結合し、基底状態に戻ると
きに再吸収の少ない紫外光を効率良く放出する。

【０００６】また、メッシュ状の電極を用いるため、大
面積に安定的に放電を生ぜしめ、安定放電時には、電極
の各メッシュの交点付近で発光が観測される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公平８−２１３６９号公報に記載の構成では、誘電体と
なるガラス容器を介して放電するため、数ｋＶの電圧を
印加する必要があるとともに、発光量を増加させるには
高電圧を印加しなければならない問題を有している。

【０００８】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、高電圧を印加することなく高効率で出力する放電ラ
ンプおよび処理装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の放電ラン
プは、気密に構成され紫外線発光源となる希ガスが１３
０００Ｐａ以上の圧力で封入された放電空間を形成する
少なくとも一部に紫外線を透過する電気絶縁体を有する
容器と；放電空間外に形成され１００ｋＨｚ以上２ＭＨ
ｚ以下の電圧が印加され電気絶縁体を介して対向する対
をなす電極とを具備しているもので、希ガスが１３００
０Ｐａ以上の圧力で封入された放電空間では、周波数が
１００ｋＨｚより低いと電気絶縁体を介した電流透過量
が小さくなり出力が向上せず、周波数が２ｋＨｚより高
いと、電子の温度が冷えずに分子の再結合確率が低下
し、エキシマ量が低下して出力が低下するため、１００
ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の電圧を印加することにより効
率を高める。

【００１０】請求項２記載の放電ランプは、請求項１記
載の放電ランプにおいて、容器は、内管およびこの内管
を内方する外管の二重管構造で、内管および外管間に放
電空間が形成されたもので、二重管構造により気密な放
電空間を形成する。

【００１１】請求項３記載の放電ランプは、長手状の内
管およびこの内管を内方する外管の二重管構造で内管お
よび外管間に気密に構成され紫外線発光源となる希ガス
が封入された放電空間を形成する少なくとも一部に紫外
線を透過する電気絶縁体を有する容器と；内管内を長手
方向に交差して区切る遮蔽物と；容器の内管および外管
の放電空間外に遮蔽物に対応してそれぞれ対をなして設
けられた電極とを具備したもので、放電空間が長尺にな
ると印加電圧を高くする必要があるが、遮蔽物により放
電空間の長手方向に区切るため、それぞれの放電空間が
短くなり、効率を低下させることなく印加電圧を低下さ
せる。

【００１２】請求項４記載の放電ランプは、請求項３記
載の放電ランプにおいて、遮蔽物は、鏡面としての機能
を有するもので、遮蔽物に鏡面の機能を持たせることに
より照射効率の低下を防止する。

【００１３】請求項５記載の処理装置は、請求項１ない
し４いずれか記載の放電ランプと；この放電ランプを収
容する処理装置本体とを具備したもので、それぞれの作
用を奏する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態の処
理装置を図面を参照して説明する。

【００１５】図１は処理装置の縦断面を示す構成図で、
図２は放電ランプの横断面図で、これら図１および図２
に示すように、放電ランプ１は、電気絶縁体である石英
ガラスのガラス容器２を有している。そして、このガラ
ス容器２は全長２００ｍｍ、外径３０ｍｍ、肉厚１ｍｍ
の円筒状の外管３とこの外管３に同軸状に内方された全
長２００ｍｍ、外径２０ｍｍ、肉厚１ｍｍの円筒状の内
管４を有し、これら外管３および内管４の両端は封着さ
れて、これら外管３および内管４で閉塞されたガラス容
器２は紫外光を発光する希ガスのキセノン（Ｘｅ）が１
３０００Ｐａ以上、好適には４０ｋＰａの圧力で封入さ
れて気密に放電空間５が形成されている。

【００１６】また、ガラス容器２の外管３の放電空間５
とは反対側の面に円筒状でメッシュ状の電極７が形成さ
れ、内管４の放電空間５とは反対側の面に円筒状で反射
板を兼ねたアルミニウム製の電極８が形成されている。

【００１７】さらに、電極７および電極８間には、周波
数１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下で入力電力は３０Ｗで
一定の電源９が接続されている。

【００１８】また、これらはインク硬化、半導体の付着
物のアッシング用の灰化装置、浄水装置あるいは殺菌用
の紫外線などを照射する処理装置本体10に収容されてい
る。

【００１９】そして、この放電ランプ１は、図３に示す
ように周波数を高くすると、２ＭＨｚ程度までは相対出
力が向上する。このように、相対出力が向上する理由と
しては、単に放電空間５の発光だけの問題ではなく、ガ
ラス容器２での損失の低下も含まれると考えられる。

【００２０】ここで、いわゆる誘電体バリア放電中での
真空紫外光の発生メカニズムについて説明する。

【００２１】キセノンガスを０．０数Ｐａ以上封入した
場合、キセノンガスから発生する真空紫外光は原子状の
共鳴順位の１４７ｎｍ光よりも、分子状のエキシマ順位
からの１７２ｎｍを中心とした発光であることが知られ
ているが、共鳴順位光がキセノンガスにより再吸収され
て放電ランプ１の外部に出てこないことによる。

【００２２】また、図４は周波数２ｋＨｚ、圧力４００
Ｐａにおける準安定レベル１ｓ２の時間的振る舞い（Ab
sorption）、電流（Current ）および２ｐレベルの発光
（Emission）を示すグラフで、図５は周波数２ｋＨｚ、
圧力１３３０Ｐａにおける準安定レベル１ｓ２の時間的
振る舞い、電流および２ｐレベルの発光を示すグラフ
で、図６は周波数２ｋＨｚ、圧力２６６０Ｐａにおける
準安定レベル１ｓ２の時間的振る舞い、電流および２ｐ
レベルの発光を示すグラフで、図７は周波数１０ｋＨ
ｚ、圧力２６６０Ｐａにおける準安定レベル１ｓ２の時
間的振る舞い、電流および２ｐレベルの発光を示すグラ
フである。

【００２３】そして、この準安定レベル１ｓ２は封入さ
れるキセノンガスの圧力が低い場合には、１４７ｎｍ光
の供給源になり、圧力が高い場合には、エキシマ状態の
１７２ｎｍ光の供給源になる１ｓレベルの一つである。
なお、１ｓレベルには１ｓ２、１ｓ３、１ｓ４、１ｓ５
があるが、これらは実験条件下では十分に混合（mixin
g）されて一つのレベルであるように振る舞う。

【００２４】また、レベル１ｓ２での振る舞いの測定
は、放電ランプ１の放電方向とは垂直にレーザ光を照射
し、１ｓ２レベルとさらに上位の２ｐレベル間でレーザ
光を吸収させる、１９９６年米国ＩＥＥＥ学会Ｂｏｓｔ
ｏｎで発表されたいわゆる吸収法で行なう。

【００２５】そして、図４ないし図７からわかるよう
に、１ｓ２レベルでは、キセノンガスの圧力が低い間は
放電の休止区間ではほとんど発生しないが、圧力が高く
なるに従い、放電の休止区間に著しく発生する。この１
ｓ２レベルでは、共鳴順位光が再吸収を受けるため、１
４７ｎｍの遷移は行なわず、キセノンガスとのいわゆる
３体衝突によりほとんどすべてがエキシマ状態になり、
１７２ｎｍを中心とした遷移を行なう。また、エキシマ
状態自体は発光などにより素早く基底状態に戻るため、
１ｓ２レベルの振る舞いがそのままエキシマの振る舞い
を表すことになる。

【００２６】すなわち、休止区間のエキシマの亮は圧力
が高いほど高く、また、圧力が低いほど早く減衰するこ
とがわかる。

【００２７】従って、放電ランプ１からの大量の真空紫
外光を取り出すためには、キセノンなどのエキシマを形
成するガスを十分高圧に封入し、点灯周波数を上げてエ
キシマの量が休止区間で減衰すれば、直ぐに次の点灯電
圧の印加される状態であることが好ましいことがわか
る。

【００２８】そして、このようにエキシマ状態自体は早
く遷移するため、振る舞いは供給源の１ｓレベルの振る
舞いと一致するわけであるが、１ｓレベルの減衰は高圧
ガス下ではいわゆる３体衝突によるものが圧倒的であ
る。なお、J.Phys.B:Atom.Molec.Phys.Vol.8 No.10 197
5 PP1776のA Barbetによれば、減衰の時定数τは、

【００２９】

【式１】１／τ＝１９／ｐＡ＋７５ｐ＋８０ｐ×ｐ で表せる。なお、ｐはＴｏｒｒで表したガス圧である。

【００３０】そして、Ａは特性拡散長であるが、高圧の
ときには第１項および第２項は無視でき、ほとんど第３
項で時定数τが決定する。

【００３１】したがって、この時定数τの逆数の値より
低い周波数で点灯させればエキシマ発光を無駄なく次々
と発生できる。反対に、時定数の逆数の値に近いか、よ
り高い周波数で点灯すると出力は低下する。

【００３２】また、図７に示す場合には、１０ｋＨｚの
周波数のパルスで点灯しており、休止区間は約０．４ｍ
秒、逆数は２５ｋＨｚとなる。そして、式１では１３３
０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）では、１／τは１０ｋＨｚであ
り、図７に示すように、振る舞いのノイズ分が多くなり
相対出力が低下する。

【００３３】また、式１に数値を代入して計算すると、
約７ＭＨｚまでは相対出力が増加することになるが、図
３に示すように、２ＭＨｚを越えると出力は飽和し、減
少傾向が見られる。

【００３４】この理由としては、このような高圧を印加
した放電実験では、原子状のイオンよりも分子状イオン
が圧倒的に多く作られ、この分子が電子と再結合して１
ｓレベルの供給源となるが、点灯周波数が高いと電子の
温度が十分に低下せず、分子と電子との再結合確率が低
下してしまい、１ｓレベルが十分に生成されず、エキシ
マ量が低下するためと考えられる。

【００３５】上記実施の形態によれば、真空紫外光を直
接測定する場合について説明したが、対象となる放電ラ
ンプ１の内部に蛍光体などの紫外線を可視光に変化する
ものでも同様の効果を得ることができる。

【００３６】また、ガラス容器２は必ずしも二重管構造
である必要はなく、気密の放電空間を有し、ガラス容器
２のガラスを介して放電される構成であればよい。

【００３７】さらに、一対の電極７，８のうち、いずれ
か一方は放電空間５内に形成しても、放電がガラス容器
２のガラスなどの誘電体を介するものであれば同様の効
果を得ることができる。

【００３８】次に、他の実施の形態を図８および図９を
参照して説明する。

【００３９】図８は処理装置の縦覧面を示す構成図で、
図９は放電ランプの横断面図で、これら図８および図９
に示す放電ランプ１は、図１および図２に示す放電ラン
プ１において、電極8a，8bは、内管４の長手方向略中央
で長手方向に直交するように円板状の厚さ１ｍｍの石英
板の遮蔽物としての遮蔽板11で絶縁するとともにに、放
電空間５内のキセノンガスの圧力を５３０００Ｐａに設
定したものである。

【００４０】また、電極７および電極8a，8b間には、４
０ｋＨｚの周波数のそれぞれ電源9a，9bが接続されてい
る。

【００４１】そして、放電ランプ１の電流密度を一定に
すれば、図１０に示すように、放電ランプ１の長さが長
くなれば比例的に印加電圧を高くしなければならず、電
流密度を高くするためにも同様に印加電圧を高くしなけ
ればならないため、放電ランプ１の全長を短くすれば印
加電圧を低くできるので、図８および図９に示すよう
に、遮蔽板11でランプ全長を分割して短くすることによ
り印加電圧の低減を図れる。すなわち、放電ランプ１の
全長を長くしつつ、印加電圧を高くすることなく電流密
度を高くでき、放電ランプ１の光量を増加できる。

【００４２】また、遮蔽板11が無い場合には、位相差に
より電極8a，8b間で放電が発生し、安定したバリア放電
は得られないが、遮蔽板11を設けることにより放電条同
士の干渉が無くなり放電が安定する。

【００４３】次に、他の実施の形態を図１１および図１
２を参照して説明する。

【００４４】図１１は処理装置の縦断面を示す構成図
で、図１２は放電ランプの横断面図で、これら図１１お
よび図１２に示す放電ランプ１は、図８および図９に示
す放電ランプ１において、遮蔽板11a ，11b を楕円状に
して側面Ｖ字状に配設し、所定方向に向け、これら遮蔽
板11a ，11b の表面に表面が鏡面のアルミニウムの反射
板12a ，12b を設けたものである。

【００４５】そして、反射板12a ，12b で所定方向に反
射させることにより、遮蔽板11a ，11b 位置の光出力の
低下を補い、照射面への紫外線などの出力分布が一定に
なる。

【００４６】

【発明の効果】請求項１記載の放電ランプによれば、希
ガスが１３０００Ｐａ以上の圧力で封入された放電空間
では、周波数が１００ｋＨｚより低いとガラスを介した
電流透過量が小さくなり出力が向上せず、周波数が２ｋ
Ｈｚより高いと、電子の温度が冷えずに分子の再結合確
率が低下し、エキシマ量が低下して出力が低下するた
め、１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の電圧を印加するこ
とにより効率を高めることができる。

【００４７】請求項２記載の放電ランプによれば、請求
項１記載の放電ランプに加え、容器は、内管およびこの
内管を内方する外管の二重管構造で、内管および外管間
に放電空間が形成されたので、二重管構造により気密な
放電空間を形成できる。

【００４８】請求項３記載の放電ランプによれば、放電
空間が長尺になると印加電圧を高くする必要があるが、
遮蔽物により放電空間の長手方向に区切るため、それぞ
れの放電空間が短くなり、効率を低下させることなく印
加電圧を低下させることができる。

【００４９】請求項４記載の放電ランプによれば、請求
項３記載の放電ランプに加え、遮蔽物は、鏡面としての
機能を有するので、遮蔽物に鏡面の機能を持たせること
により照射効率の低下を防止できる。

【００５０】請求項５記載の処理装置によれば、請求項
１ないし４いずれか記載の放電ランプを収容する処理装
置本体を具備したので、それぞれの効果を奏することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す処理装置の縦覧面
を示す構成図である。

【図２】同上放電ランプの横断面図である。

【図３】周波数と相対出力との関係を示すグラフであ
る。

【図４】周波数２ｋＨｚ、圧力４００Ｐａにおける準安
定レベル１ｓ２の時間的振る舞い、電流および２ｐレベ
ルの発光を示すグラフである。

【図５】周波数２ｋＨｚ、圧力１３３０Ｐａにおける準
安定レベル１ｓ２の時間的振る舞い、電流および２ｐレ
ベルの発光を示すグラフである。

【図６】周波数２ｋＨｚ、圧力２６６０Ｐａにおける準
安定レベル１ｓ２の時間的振る舞い、電流および２ｐレ
ベルの発光を示すグラフである。

【図７】周波数１０ｋＨｚ、圧力２６６０Ｐａにおける
準安定レベル１ｓ２の時間的振る舞い、電流および２ｐ
レベルの発光を示すグラフである。

【図８】同上他の実施の形態を示す処理装置の縦断面を
示す構成図である。

【図９】同上放電ランプの横断面図である。

【図１０】印加電圧と電流密度との関係を示すグラフで
ある。

【図１１】同上また他の実施の形態を示す処理装置の縦
覧面を示す構成図である。

【図１２】同上放電ランプの横断面図である。

【符号の説明】

１ 放電ランプ ２ ガラス容器 ３ 外管 ４ 内管 ５ 放電空間 ７，８ 電極 10 処理装置本体 11 遮蔽物としての遮蔽板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密に構成され紫外線発光源となる希ガ
   スが１３０００Ｐａ以上の圧力で封入された放電空間を
   形成する少なくとも一部に紫外線を透過する電気絶縁体
   を有する容器と；放電空間外に形成され１００ｋＨｚ以
   上２ＭＨｚ以下の電圧が印加され電気絶縁体を介して対
   向する対をなす電極と；を具備していることを特徴とす
   る放電ランプ。
2. 【請求項２】 容器は、内管およびこの内管を内方する
   外管の二重管構造で、内管および外管間に放電空間が形
   成されたことを特徴とする請求項１記載の放電ランプ。
3. 【請求項３】 長手状の内管およびこの内管を内方する
   外管の二重管構造で内管および外管間に気密に構成され
   紫外線発光源となる希ガスが封入された放電空間を形成
   する少なくとも一部に紫外線を透過する電気絶縁体を有
   する容器と；内管内を長手方向に交差して区切る遮蔽物
   と；容器の内管および外管の放電空間外に遮蔽物に対応
   してそれぞれ対をなして設けられた電極と；を具備した
   ことを特徴とする放電ランプ。
4. 【請求項４】 遮蔽物は、鏡面としての機能を有するこ
   とを特徴とする請求項３記載の放電ランプ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４いずれか記載の放電ラ
   ンプと；この放電ランプを収容する処理装置本体と；を
   具備したことを特徴とする処理装置。