KR101158965B1

KR101158965B1 - 엑시머 램프

Info

Publication number: KR101158965B1
Application number: KR1020090004597A
Authority: KR
Inventors: 시게키 후지사와; 유키히로 모리모토; 노부유키 히시누마
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2012-06-21
Also published as: CN101540264A; TW200941540A; CN101540264B; TWI397942B; KR20090100229A; JP2009230867A; JP4998832B2

Abstract

방전 공간 내에서 엑시머 방전을 발생시켜 진공 자외광을 방사하는 엑시머 램프에 있어서, 방전 용기의 일부를 용융 석영 유리로 구성된 엑시머 램프를 제공하는 것이다.

내측관(4)과 외측관(3)이 동측 방향으로 배치된 이중관 구조의 석영 유리로 이루어지는 방전 용기(2)와, 당해 방전 용기(2)를 형성하는 석영 유리가 개지하는 상태에서 한 쌍의 전극(5, 6)이 설치되어 이루어지고, 방전 공간(S) 내에 크세논 가스가 봉입되어 이루어지고, 방전 용기(2)의 방전 공간(S) 내에서 엑시머 방전을 발생시키는 엑시머 램프(1)에서, 내측관(4)은 용융 석영 유리로 형성되고, 외측관(3)은 합성 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

엑시머 램프{EXCIMER LAMP}

본 발명은, 석영 유리로 이루어지는 방전 용기를 구비하고, 당해 방전 용기를 형성하는 석영 유리가 개재하는 상태에서 한 쌍의 전극이 설치되어 이루어지고, 상기 방전 용기의 내부에 엑시머 방전을 발생시키는 엑시머 램프에 관한 것이다.

근년, 금속 유리 그 이외의 재료로 이루어지는 피처리체에 파장 200㎚ 이하의 진공 자외광을 조사함으로써, 당해 진공 자외광 및 이에 의해 생성되는 오존의 작용에 의해 피처리체를 처리하는 기술, 예를 들면, 피처리체의 표면에 부착된 유기 오염물질을 제거하는 세정 처리 기술이나 피처리체의 표면에 산화막을 형성하는 산화막 형성 처리 기술이 개발되어 실용화되고 있다.

진공 자외광을 조사하는 장치로서는, 예를 들면, 엑시머 방전에 의해 엑시머 분자를 형성하고, 당해 엑시머 분자로부터 방사되는, 예를 들면, 파장 170㎚ 부근의 광을 이용하는 엑시머 램프를 광원으로서 구비하여 이루어지는 것이 이용되고 있다. 이러한 엑시머 램프(1)는, 보다 고강도의 자외선을 효율적으로 방사하기 위해 많은 시도가 이루어지고 있다.

도 1은, 엑시머 램프의 구성을 나타내는 설명용 단면도로서, (a) 방전 용 기(2)의 길이 방향에 따른 단면을 나타내는 횡단면도, (b) (a)에서의 A-A선 단면도이다.

일본국 특허 공개 2007-335350호 공보에 의하면, 엑시머 램프(1)는, 자외선을 투과하는 합성 석영 유리로 이루어지는 방전 용기(2)를 구비하고, 이 방전 용기(2)의 내측과 외측에 각각 전극(5, 6)이 설치되어 있고, 방전 용기(2)의 방전 공간(S)에 노출되는 표면의 일부에 자외선 반사막(8)이 형성되어 있다. 자외선 반사막(8)으로서는, 실리카 입자만으로 이루어지는 것, 및 실리카 입자를 포함하는 자외선 산란 입자만으로 이루어지는 것이 예시되어 있다.

이 엑시머 램프(1)에서 방전 용기(2)에, 자외선 반사막(8)이 형성되어 있지 않음에 의해, 방전 공간(S) 내에서 발생한 자외선을 출사하는 광출사부(7)가 형성되어 있다.

이와 같은 구성의 엑시머 램프(1)에 의하면, 방전 용기(2)의, 방전 공간(S)에 노출되는 표면에, 자외선 반사막(8)이 설치됨으로써, 자외선 반사막(8)이 설치된 영역에서는, 방전 공간(S) 내에서 발생한 자외선이 자외선 반사막(8)에 의해 반사되므로, 합성 석영 유리에 투과함에 의한 감쇠가 작아진다. 또, 자외선 반사막(8)에 의해 반사되어 광출사부(7)를 구성하는 영역에서만 자외선이 석영 유리를 투과하여 외부에 방사되므로 방전 공간(S) 내에서 발생한 자외선을 대상물에 효율적으로 조사할 수 있다. 또한 자외선 반사막(8)이 실리카 입자를 주체로서 구성되어 있는 것에 의해, 합성 석영 유리로 이루어지는 방전 용기(2)에 대해 높은 친화성이 얻어진다.

[특허 문헌 1: 일본국 특허 공개 2007-335350 공보]

그런데 근년, 조사 대상인 액정 패널 표시 소자의 기판이 대면적화하고 있는 것에 반하여, 엑시머 램프(1)도 장척화(長尺化)되고 있고, 예를 들면, 전체 길이가 800mm를 초과하는 엑시머 램프(1)가 요구되어 있다. 그러나, 이와 같은 장척의 엑시머 램프(1)에서는, 점등 중에 방전 용기(2)가 분열된다는 문제가 발생했다.

본 발명은, 상기 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 방전 공간 내에서 엑시머 방전을 발생시켜 진공 자외광을 방사하는 엑시머 램프에서, 점등 중에 방전 용기가 분열된다는 문제를 해소할 수 있는 엑시머 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본원 제1 발명은, 내측관과 외측관이 동축 방향으로 배치된 이중관 구조의 석영 유리로 이루어지는 방전 용기와, 당해 방전 용기를 형성하는 석영 유리가 개재하는 상태에서 한 쌍의 전극이 설치되고, 방전 공간 내에 크세논 가스가 봉입되어 이루어지고, 상기 방전 용기의 방전 공간 내에서 엑시머 방전을 발생시키는 엑시머 램프에서, 상기 내측관은 용융 석영 유리로 형성되고, 상기 외측관은 합성 석영 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.

또, 본원 제2 발명은, 본원 제1 발명에서, 상기 방전 용기는, 적어도 내측관의 외주면의 방전 공간에 노출되는, 표면의 전역에 걸쳐, 실리카 입자를 포함하는 자외선 산란 입자로 구성된 자외선 반사막이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제3 발명은, 본원 제2 발명에서, 상기 내측관은 전기 용융 석영 유리로 형성되고, 상기 실리카 입자는 합성 석영 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제4 발명은, 본원 제2 발명 또는 제3 발명에서, 상기 내측관의 외주면에 형성된 자외선 반사막의 막두께는, 10㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.

또, 본원 제5 발명은, 본원 제2 발명 내지 제4 발명의 어느 발명에서, 상기 자외선 산란 입자에는, 알루미나 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본원 제1 발명에 관련되는 엑시머 램프에 의하면, 고온이 되기 쉬운 내측관을 용융 석영유리로 구성하고, 내측관에 비해 온도가 낮게 유지되는 외측관을 합성 석영 유리로 구성함으로써, 외측관과 내측관 사이의 열팽창에 의한 수축차가 작아져, 엑시머 램프의 점등 중에 방전 용기가 분열되는 문제를 해소할 수 있다.

또, 본원 제2 발명에 관련되는 엑시머 램프에 의하면, 내측관을 용융 석영 유리로 구성해도, 내측관의 외주면의 방전 공간에 노출되는 표면의 전역에 걸쳐 자외선 반사막을 형성함으로써, 내측관에 진공 자외광이 조사되는 것을 방지하고, 방전 용기의 열화를 억제할 수 있다. 따라서, 방전 공간 내에서 엑시머 방전을 발생시켜 진공 자외광을 방사하는 엑시머 램프에서도, 방전 용기를 구성하는 내측관을 용융 석영 유리로 구성할 수 있다.

또, 본원 제3 발명에 관련되는 엑시머 램프에 의하면, 전기 용융 석영 유리로 형성된 내측관의 외주면에, 합성 석영 유리로 이루어지는 실리카 입자를 포함하 는 자외선 산란 입자로 이루어지는 자외선 반사막을 형성함으로써, 산소 결핍형 결함(Si-Si)을 포함하는 내측관과 OH기를 포함하는 자외선 반사막이 반응하고, Si-H의 형태로 화학적으로 결합하기 때문에, 내측관과 자외선 반사막의 부착 계면에서의 밀착성이 높아지고, 자외선 반사막이 벗겨지는 것을 효과적으로 예방할 수 있다.

또, 본원 제4 발명에 관련되는 엑시머 램프에 의하면, 내측관의 외주면에, 막두께가 10㎛ 이상이 되도록 자외선 반사막을 형성함으로써, 자외선 반사막에서 진공 자외광을 대략 완전하게 차단하고, 내측관에 진공 자외광이 조사되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 내측관에 자외선의 에너지가 축적되는 것을 막고, 자외선에 의한 변형을 원인으로 하는 열화를 억제할 수 있다.

또, 본원 제5 발명에 관련되는 엑시머 램프에 의하면, 자외선 반사막에 알루미나 입자를 포함함으로써, 서로 인접하는 실리카 입자와 알루미나 입자가 입자끼리 결합되는 것이 방지되어, 입계(粒界)가 유지되고, 자외선 반사막의 반사율 저하를 억제할 수 있다.

도 1은, 엑시머 램프(1)의 구성을 나타내는 설명용 단면도이고, (a) 방전 용기(2)의 길이 방향에 따른 단면을 나타내는 횡단면도, (b) (a)에서의 A-A선 단면도이다.

엑시머 램프(1)는, 원통 형상의 외측관(3)과 원통 형상의 내측관(4)으로 이루어지는 방전 용기(2)를 가진다. 방전 용기(2)는, 예를 들면, 관축 방향의 길이가 800~1600mm이고, 외측관(3)의 직경이 25~40㎜이고, 내측관(4)의 직경이 15~30mm로 되어 있다.

내측관(4)의 직경은 외측관(3)의 직경보다 작아지도록 구성되어 있고, 외측관(3)의 내부에 내측관(4)을 배치한다. 외측관(3)의 관축에 따라 내측관(4)이 배치되므로, 방전 용기(2)는 외측관(3)과 내측관(4)이 동축 방향으로 배치된 이중관 구조로 되어 있다. 외측관(3)의 단부와 내측관(4)의 단부를 용착함으로써 측벽부(9)가 형성되고, 외측관(3)의 내주면(3a)과 내측관(4)의 외주면(4b) 사이가 기밀 공간이 되고, 방전 용기(2)의 내부에 기밀하게 폐색된 환 형상의 방전 공간(S)이 형성되어 있다.

방전 용기(2)는, 진공 자외광을 양호하게 투과하는 석영 유리로 구성되지만, 외측관(3) 및 측벽부(9)는 금속 불순물의 농도가 낮은 합성 석영 유리로 구성되고, 내측관(4)은 금속 불순물의 농도가 합성 석영 유리에 비해 높은 용융 석영 유리로 구성된다.

외측관(3)에는, 외주면(3b)에 밀접해, 예를 들면 철망 등의 도전성 재료로 이루어지는 망 형상의 외측 전극(5)이 설치된다. 외측 전극(5)은, 금속선을 심리스(seamless)하게 원통 형상으로 엮은 것 안에 방전 용기(2)를 삽입한 것이고, 망 형상의 형상을 이루어지고, 그물코 사이로부터 광을 방사할 수 있다.

내측관(4)에는, 내주면(4a)에 밀접하고, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어지는 파이프 형태의 내측전극(6)이 설치된다. 내측 전극(6)은, 내측관(4)의 관축방향을 따라 형성되지만, 관축방향 양단으로부터 약 20mm의 범위에서 내측 전극(6)이 설치되어 있지 않는 클리어런스가 형성되어 있다. 또한 내측 전극(6)은, 단면에서 일부에 노치를 가지는 대략 C자 형상(통 형상)이어도 된다.

외측 전극(5)과 내측 전극(6)은, 방전 용기(2)를 구성하는 석영 가스를 사이에 두고, 서로 향하도록 배치되어 있다. 이와 같이 구성함으로써 방전 용기(2)를 구성하는 석영 유리가 유전체로서의 기능도 가지게 된다.

또, 방전 용기(2)의 방전 공간(S)에는, 방전용 가스로서 크세논 가스가 봉입되어 있고, 여기에, 크세논 가스는, 상온에서 압력이 예를 들면, 10~60kPa(100~600mbar)의 범위 내가 되는 봉입량이 된다.

외측 전극(5)과 내측 전극(6) 사이에 고주파 고전압이 공급되면, 유전체로서 기능하는 석영 유리로 이루어지는 방전 용기(2)를 개재시켜 양전극 사이에 방전이 생성된다. 주위의 부재에의 누전 방지를 위해, 엑시머 램프(1)의 외부에 노출하여 배치되는 외측 전극(5)을 접지 전극으로 하고, 엑시머 램프(1)의 내부에 배치되는 내측 전극(6)을 고전압 공급 전극으로 하는 것이 바람직하다.

방전 공간(S)에는 방전용 가스가 봉입되어 있으므로, 외측 전극(5)과 내측 전극(6) 사이의 방전에 의해 엑시머 분자를 형성함과 더불어, 이 엑시머 분자로부터 진공 자외광이 방사되는 엑시머 방전이 생긴다. 방전용 가스로서 크세논 가스를 이용할 경우는, 파장 172㎚에 피크를 가지는 진공 자외선이 방출된다.

엑시머 램프(1)를 점등시키면, 방전 용기(2)의 표면에 형성된 외측 전극(5)과 내측 전극(6)에 전력이 공급되어 있기 때문에, 방전 용기(2)에도 열이 전해져 데워진다. 방전 공간(S)에 노출되는 내측관(4)의 외주면(4b)의 면적은, 외측관(3) 의 내주면(3a)의 면적에 비해 작다. 외측 전극(5)과 내측 전극(6)에는, 거의 동일한 정도의 전력량이 투입되므로, 면적이 작은 내측관(4)의 외주면(4b)의 단위 면적당의 투입 전력은, 외측관(3)의 내주면(3a)의 단위면적당의 투입 전력보다 커진다.

또, 외측관(3)의 외주면(3b)은 바깥 공기에 노출되어 방열되기 쉽지만, 내측관(4)은 방전 공간(S)에 둘러싸여 있기 때문에, 내측관(4)의 내주면(4a)을 적극적으로 냉각하지 않는 한, 열이 꽉 차기 쉽다. 이중관 구조의 방전 용기(2)는, 구조적인 특징에 의해, 엑시머 램프(1)의 점등 중에 내측관(4)이 외측관(3)에 비해 고온이 된다.

석영 유리에 한하지 않고, 물질은 온도가 높아질수록, 보다 크게 팽창하는 성질이 있다. 이중관 구조의 방전 용기(2)는, 점등시에 내측관(4)이 외측관(3)에 비해 고온이 되고, 더 크게 팽창했기 때문에, 방전 용기(1)가 분열된다는 문제가 발생한 것으로 생각된다. 그래서, 외측관(3)을 열팽창이 큰 부재로 구성하고, 내측관(4)을 열팽창이 작은 부재로 구성해야 하는 것을 발견했다.

유리 공학 핸드북(아사쿠라 서점) p488의 기재에 의하면, 합성 석영 유리에서는, 150℃에서의 팽창 계수는 0.54×10^-6?K^-1이 되고, 310℃에서의 팽창계수는 0.59×10^-6?K^-1이 된다. 한편, 용융 석영 유리에서는, 310℃에서의 팽창계수는 0.55×10^-6?K^-1이 된다. 이들 수치로부터, 석영 유리 중에서도, 용융 석영 유리는 합성 석영 유리보다 열팽창이 작은 것이 알 수 있다.

고온이 되기 쉬운 내측관(4)을 용융 석영 유리로 구성하고, 내측관(4)에 비 해 온도가 낮게 유지되는 외측관(3)을 합성 석영 유리로 구성함으로써, 외측관(3)과 내측관(4) 사이의 열팽창에 의한 수축 차이가 작아지고, 엑시머 램프(1)의 점등 중에 방전 용기(2)가 분열된다는 문제를 해소할 수 있다.

또, 합성 석영 유리도 용융 석영 유리도 이산화 규소(SiO₂)를 주성분으로 하는 석영 유리의 일종이므로, 외측관(3)과 내측관(4)을 팽창율이 다른 부재라도, 가공 등 하기 쉽다.

엑시머 램프(1)는, 엑시머 방전에 의해 발생하는 진공 자외광을 효율좋게 이용하기 위해, 방전 용기(2)의 방전 공간(S)에 노출되는 표면에, 자외선 산란 입자로 이루어지는 자외선 반사막(8)을 설치할 수도 있다. 특히, 내측관(4)의 외주면(4b)에는, 방전 공간(S)에 노출되는 표면의 전역에 걸쳐 자외선 반사막(8)이 형성되어 있다. 한편, 외측관(3)은, 자외선 반사막(8)이 형성되어 있지 않으므로, 방전 공간(S)에서 생긴 진공 자외선을 방전 용기(2)의 외부에 조사하기 위한 광출사부(7)가 구성되어 있다. 또한, 외측관(3)의 내주면(3a) 또는 외주면(3b)의 일부에 자외선 반사막(8)을 형성하여, 진공 자외광의 이용 효율을 높일 수 있다.

내측관(4)을 구성하는 용융 석영 유리는, 합성 석영 유리에 비해, 광의 파장이 150㎚~380㎚의 범위의 진공 자외광을 흡수하기 쉽다. 흡수된 자외선의 에너지가 방전 용기(2)에 모이고, 변형을 일으켜 열화되기 쉽다. 그러나, 내측관(4)의 외주면(4b)의 방전 공간(S)에 노출되는 표면의 전역에 걸쳐 자외선 반사막(8)을 형성함으로써, 내측관(4)에 진공 자외광이 조사되는 것을 방지해, 방전 용기(2)의 열화를 억제할 수 있다.

자외선 반사막(8)은, 그 자체가 높은 굴절률을 가지는 진공 자외광 투과성을 가지는 세라믹으로 이루어지는 미소 입자, 자세히는, 실리카 입자를 포함하는 자외선 산란 입자로 구성된다. 자외선 산란 입자를 세라믹으로 구성함으로써, 자외선 반사막(8)으로부터 발생되는 불순물 가스의 양을 저감하고, 또, 방전에 견딜 수 있는 특성을 가진다. 이 자외선 산란 입자에 도달한 진공 자외광의 일부가 입자의 표면에서 반사됨과 더불어 다른 일부가 굴절하여 입자의 내부에 입사되고, 또한, 입자의 내부에 입사되는 광이 많이 투과되고(일부가 흡수), 다시, 출사될 때에 굴절된다. 이와 같은 반사, 굴절이 반복하여 일어나는 「확산 반사(산란 반사)」를 시키는 기능을 가진다.

자외선 반사막(8)을 구성하는 자외선 산란 입자로서 예를 들면, 합성 석영 유리를 분말 형상으로 가는 입자로 한 실리카 입자 등이 이용된다. 실리카 입자는, 합성 석영 유리로 구성되고, 입자 직경이 예를 들면 0.01~20㎛의 범위 내에 있는 것으로서, 중심 입경(수평균 입자 직경의 피크값)이, 예를 들면 0.1~10㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3~3.0㎛인 것이다. 또, 자외선 반사막(8)에 포함되는 실리카 입자의 입경의 분포는 광범위하게 넓어지지 않는 것이 바람직하고, 입경이 중심 입경의 값이 되는 실리카 입자가 반수 이상이 되도록 선별된 실리카 입자를 이용하는 것이 바람직하다.

통상, 광은, 입경이 비교적 큰 입자에 맞게 되면 반사하지만, 입경이 작아지면, 입자에 광이 닿아도 반사는 하지 않고, 산란이 일어난다. 광의 산란은, 입자의 크기에 의해 3가지로 분류되고, 입자 직경이 파장보다 작을 때는 레일리 산란이 일어나고, 입자 직경이 파장과 같은 정도일 때는 미산란(Mie Scattering)이 일어나고, 입자 직경이 파장보다 클 때는 비선택적 산란이 일어난다.

특히, 레일리 산란은, 산란된 광의 강도가 입사한 광의 파장에 의존하는 특징이 있다. 구체적으로는, 입사광의 파장이 짧으면 산란광의 강도가 커지고, 입사광의 파장이 길면 산란광의 강도가 작아진다. 이 레일리 산란을 자외선 반사막(8)에서 일으키면, 자외선이나 진공 자외선이라고 하는 파장이 짧은 광을, 광의 강도가 큰 산란광으로 할 수 있다.

엑시머 램프(1)의 방전 용기(2)의 내부에 발생하는 광의 파장은 150㎚~380㎚의 범위에 있으므로, 실리카 입자 및 알루미나 입자의 입자 직경을 0.01㎛~20㎛의 범위 내, 중심 입경을 0.3㎛~3.0㎛로 함으로써, 자외선 반사막(8)에서 레이리 산란이 일어나도록 할 수 있다. 또한, 실리카 입자의 입자 직경을 상기 범위보다 더 작게 하고 레일리 산란이 일어나기 쉬워지도록 구성해도, 실리카 입자의 소결이 진행되어 입계가 소멸하게 되고, 반대로 광의 산란 성능을 잃게 된다.

또한, 자외선 반사막(8)을 구성하는 자외선 산란 입자의 「입자 직경」이란, 자외선 반사막(8)을 그 표면에 대해 수직 방향으로 파단했을 때의 파단면에서의, 두께 방향에서의 대략 중간 위치를 관찰 범위로서, 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 확대 투영상을 취득하고, 이 확대 투영상에서의 임의의 입자를 일정 방향의 2개의 평행선에서 사이에 두었을 때의 당해 평행선의 간격인 페렛(Feret) 직경을 말한다.

또, 자외선 반사막(8)을 구성하는 자외선 산란 입자의 「중심 입경」이란, 상기와 같이 하여 얻어지는 각 입자의 입자 직경에 대한 최대값과 최소값의 입자 직경의 범위를, 예를 들면 0.1㎛의 범위에서 복수의 구분, 예를 들면, 15구분 정도로 나눠, 각각의 구분에 속하는 입자의 개수(도수)가 최대가 되는 구분의 중심값을 말한다.

자외선 산란 입자를 구성하는 실리카 입자가 일부 용융하는 것 등에 의해, 자외선 반사막(8)을 방전 용기(2)에 부착시킨다. 일반적으로, 선팽창 계수의 값이 동일하거나 또는 근사한 것은, 접착하기 쉽다는 성질이 있다. 실리카 입자는, 석영 유리로 이루어지는 방전 용기(2)와 선팽장 계수의 값이 대략 같기 때문에, 방전 용기(2)와의 접착력을 높이는 기능을 가진다.

내측관(4)은, 용융 석영 유리 중에서도, 특히 전기 용융 석영 유리(type1)에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 전기 용융 석영 유리(type1)는, 재료 중에 포함되는 OH의 농도가 10ppm 이하로 상당히 낮고, 산소 결핍형 결함(Si-Si)을 가진다는 특징이 있다. 전기 용융 석영 유리(type1)는, 대부분이 실리카와 산소의 결합(Si-O)으로 구성되어 있지만, 일부에서 산소 결핍형 결함(Si-Si)을 가진다.

한편, 합성 석영 유리로 구성되는 실리카 입자는, 대부분이 실리카와 산소의 결합(Si-O)으로 구성되어 있지만, 일부에 OH기가 존재하고, 산소 결핍형 결함(Si-Si)은 거의 존재하지 않는다. OH기는, 원자간의 화학 결합이 끊어지기 쉽고, 수소(H)가 단독이 되기 쉽다는 특징이 있다. 합성 석영 유리로 구성되는 실리카 입자는, 재료 중에 포함되는 OH의 농도가 300ppm 정도이고, 원자간의 화학 결합이 끊어져 단독이 된 수소(H)가 발생하기 쉽다.

자외선 반사막(8)을 구성하는 합성 석영 유리로 이루어지는 실리카 입자는, 600℃ 이상의 고온이 되면, OH기의 원자간의 화학 결합이 끊어져 단독이 된 수소(H)가 발생하고, 수소(H)가 확산한다. 용융 석영 유리로 구성되는 내측관(4)의 외주면(4b)에, 자외선 반사막(8)을 부착시켜 600℃ 이상의 고온으로 소성하면, 아래에 나타내는 화학식의 반응이 일어난다.

[화학식 1]

SiOH + Si-Si → Si-O-Si + SiH

자외선 반사막(8)으로부터 생긴 수소(H)가 확산하고, 내측관(4)에 포함되는 산소 결핍형 결함(Si-Si)의 한쪽의 Si와 반응한다. 그리고, Si-Si결합을 해제시켜, Si-H의 형태로 화학적으로 결합한다.

전기 용융 석영 유리에 포함되는 산소 결핍형 결함(Si-Si)은, 실리카와 산소의 결합(Si-O)에 비해, 안정성이 부족하다. 그래서, 자외선 반사막(8)에 포함되는 OH기가 원자간의 화학 결합이 끊어지고 단체가 되어, 이 수소(H)가 산소 결핍형 결함(Si-Si)에 손을 뻗고 Si-Si결합을 해제시켜, Si-H의 형태로 화학적으로 결합하고, 산소 결핍형 결함(Si-Si)보다 안정된 것으로 한다.

내측관(4)의 외주면(4b)처럼, 전기 용융 석영 유리로 이루어지는 표면에, 합성 석영 유리로 이루어지는 실리카 입자를 포함하는 자외선 산란 입자로 이루어지는 자외선 반사막(8)을 형성하면, 내측관(4)과 자외선 반사막(8)의 부착계면에서, 산소 결핍형 결함(Si-Si)을 포함하는 내측관(4)과 OH기를 포함하는 자외선 반사막(8)이 상기 반응을 일으키고, Si-H의 형태로 화학적으로 결합한다. 이에 의해, 내측관(4)과 자외선 반사막(8)의 부착계면에서는, 자외선 반사막(8)을 구성하는 실리카 입자가 용해할 뿐만이 아니라, 내측관(4)을 구성하는 용융 석영 유리와 Si-H의 형태로 화학적으로 결합하므로, 내측관(4)과 자외선 반사막(8)의 밀착성이 높아지고, 자외선 반사막(8)이 벗겨지는 것을 효과적으로 예방할 수 있다.

한편, 실리카 입자는 엑시머 램프(1)의 방전 공간(S)에서 발생하는 플라스마의 열에 의해 용융하고, 입계가 소실되고, 진공 자외광을 확산 반사시킬 수 없게 되어 반사율이 저하할 때가 있다. 자외선 산란 입자로서 실리카 입자뿐만이 아니라 알루미나 입자도 포함함으로써, 플라스마에 의한 열에 노출되었을 경우에도, 실리카 입자보다 높은 융점을 가지는 알루미나 입자는 용융하지 않기 때문에, 서로 인접하는 실리카 입자와 알루미나 입자가 입자끼리 결합되는 것이 방지되어, 입계가 유지되어 자외선 반사막(8)의 반사율의 저하를 억제할 수 있다.

알루미나 입자는, 입자 직경이 예를 들면 0.1~10㎛의 범위 내에 있는 것이고, 중심 입경 (수평균 입자 직경의 피크값)이, 예를 들면 0.1~3.0㎛인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3~1.0㎛인 것이다. 또, 자외선 반사막(8)에 포함되는 알루미나 입자의 입경의 분포는 광범위하게 퍼지지 않는 것이 바람직하고, 입경이 중심 입경의 값이 되는 알루미나 입자가 반수 이상이 되도록 선별된 알루미나 입자를 이용하는 것이 바람직하다.

자외선 반사막(8)에 함유되는 알루미나 입자의 비율은, 실리카 입자와 알루미나 입자의 합계의, 예를 들면, 1wt% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5wt% 이상, 보다 바람직하게는 10wt%이다. 또, 자외선 반사막(8)에 함유되는 알루 미나 입자의 비율은, 실리카 입자와 알루미나 입자의 합계의 70wt% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 40wt% 이하이다.

자외선 반사막(8)이 실리카 입자와 알루미나 입자가 상기 혼합비로 구성되어 있는 것에 의해, 장시간 점등되었을 경우에도, 실리카 입자가 용융되어 자외선 반사막(8)의 반사율이 대폭 저하하게 되는 것을 확실히 억제할 수 있음과 더불어 알루미나 입자가 혼입되는 것에 의하는 자외선 반사막(8)의 방전 용기(2)에 대한 결착성(접착성)이 대폭 저하할 수 없기 때문에, 자외선 반사막(8)이 벗겨지는 것을 확실히 방지할 수 있다.

또, 자외선 산란 입자로서 실리카 입자뿐만 아니라 알루미나 입자도 포함되어 있을 때, 「입자 직경」 및 「중심 입경」은 실리카 입자와 알루미나 입자를 구별하지 않고 모두를 자외선 산란 입자로서 측정한다.

자외선 산란 입자로서 이용되는 실리카 입자 및 알루미나 입자의 제조는, 고상법, 액상법, 기상법의 어느 방법도 이용할 수 있지만, 이들 중에서도, 서브 미크론, 미크론 사이즈의 입자를 확실히 얻을 수 있으므로, 기상법, 특히 화학 증착법(CVD)이 바람직하다.

구체적으로는, 예를 들면, 실리카 입자는, 염화규소와 산소를 900~1000℃로 반응시킴으로써, 알루미나 입자는, 원료의 염화알루미늄과 산소를 1000~1200℃로 가열 반응시킴으로써, 합성할 수 있고, 입자 직경은, 원료 농도, 반응장에서의 압력, 반응 온도를 제어함으로써 조정할 수 있다.

자외선 반사막(8)은, 예를 들면 「유하법(流下法)」이라고 불리는 방법에 의 해, 형성할 수 있다. 우선, 방전 용기 형성 재료 내에 흘려 넣는 코트액을 조합한다. 코트액은, 자외선 산란 입자, 결착제, 분산제, 및 용제로 구성된다. 자외선 산란 입자는 예를 들면 실리카 입자와 알루미나 입자이고, 결착재는 오르토규산테트라에틸을 포함하고, 분산제는 실란 커플링제이며, 용제는 에탄올이다.

코트액에 분산제를 함유함으로써, 코트액을 겔화하여 방전 용기 형성 재료에 쉽게 부착할 수 있도록 함과 더불어, 코트액 중에 균등하게 분산된 자외선 산란 입자를 정착시킬 수 있다.

코트액에 용제를 함유함으로써, 코트액의 자외선 산란 입자의 함유 농도를 조정할 수 있다.

코트액을 방전 용기 형성 재료의 내부에 흘려 넣어, 소정의 영역에 부착시킨다.

이이서, 코트액이 부착한 방전 용기 형성 재료를 산소 분위기 중에서 1시간, 1100℃로 가열하여 소성하면, 분산제가 가열 소실하고, 자외선 산란 입자와 결착제만이 남는다. 용융 석영 유리는, 합성 석영 유리에 비해 순도가 거기까지 높지 않기 때문에, 합성 석영 유리에 비해 융점이 올라가 1100℃까지 가열하여 소성할 수 있다.

또한, 이상에 있어서는, 양단이 봉지되어 링 형상의 측벽부(9)가 형성된 이중관 구조의 방전 용기(2)를 가지는 엑시머 램프(1)에 대해 설명했지만, 도 2에 나타내는 바와 같이, 한쪽의 단부만이 봉지되어 링 형상의 측벽부(9)를 형성하고, 다른쪽의 단부는, 외측관(3)을 닫는 원반 형상의 외벽부(10)와 내측관(4)을 닫는 원 반 형상의 내벽부(11)가 형성된 コ자형상이 되는 이중관 구조의 방전 용기(2)를 가지는 엑시머 램프(1)에 대해서도 적용할 수 있다.

방전 용기(2)는, 한쪽의 단부에서, 외측관(3)과 내측관(4)이 측벽부(9)에 의해 접합되어 있지만, 다른쪽의 단부에서, 외측관(3)이 외벽부(10)에 닫혀져 내측관(4)이 내벽부(11)에 닫혀지고 외측관(3)과 내측관(4)이 연결 접촉되어 있지 않다. 따라서, 엑시머 램프의 점등시에, 석영 유리의 열팽창에 의해 늘어나는 길이가 외측관(3)과 내측관(4)이 달라도, 다른쪽 단부에서 신축함으로써 늘어나는 양을 흡수할 수 있고, 외측관(3)과 내측관(4)이 접합되어 있는 측벽부(9)에 응력이 집중하지 않는다.

또한, 고온이 되기 쉬운 내측관(4)을 용융 석영 유리로 구성하고, 내측관(4)에 비해 온도가 낮게 유지되는 외측관(3)을 합성 석영 유리로 구성함으로써, 외측관(3)과 내측관(4) 사이의 열팽창에 의한 수축차가 작아져, 엑시머 램프(1)의 점등 중에 방전 용기(2)가 분열된다는 문제를 해소할 수 있다.

도 2에 나타내는 コ자형이 되는 이중관 구조의 방전 용기(2)를 가지는 엑시머 램프(1)는, 방전 용기(2)가 축방향으로 긴 장척 형상의 엑시머 램프(1)에서, 특히 적합하게 이용된다.

도 3은, 자외선 반사막(8)의 막두께와, 그 광의 투과율의 관계를 나타내는 그래프이다.

세로축을 투과율[%]로 하고, 가로축을 자외선 반사막의 막두께[㎛]로 하여, 그 관계를 나타낸다. 용융 석영 유리로 이루어지는 시험편의 표면에 자외선 반사막 을 형성하고, 이 자외선 반사막이 형성되어 있는 표면에 진공 자외광을 조사했다. 여기에서는 파장 172㎚의 진공 자외광에 대해, 자외선 반사막이 형성되어 있는 표면에 조사하는 조사 강도에 대한, 자외선 반사막 및 시험편을 투과한 광의 방사 강도의 비율을, 투과율로서 나타낸다. 또한, 파장 150㎚~파장 200㎚의 범위의 진공 자외선 영역에서, 투과율은 거의 같은 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.

〈자외선 반사막의 사양〉

실리카 입자: 합성 석영 유리제, 입자 직경 0.1㎛~1.0㎛, 중심 입경 0.3㎛

알루미나 입자: 고순도α알루미나제, 입자 직경 0.1㎛~1.0㎛, 중심 입경 0.3㎛

혼합비: 실리카 입자:알루미나 입자=90wt%:10wt%

그래프로부터, 자외선 반사막의 막두께를 두껍게 하면, 진공자외광의 투과율이 저하하는 것을 알 수 있다. 자외선 반사막의 막두께가 10㎛ 이상의 범위에서는, 진공 자외광을 전혀 투과하지 않는 것을 알 수 있다.

내측관(4)의 외주면(4b)에, 막두께가 10㎛ 이상이 되도록 자외선 반사막(8)을 형성함으로써, 자외선 반사막(8)에서, 진공 자외광을 거의 완전하게 차단하고, 내측관(4)에 진공 자외광이 조사되지 않게 할 수 있다. 따라서, 내측관(4)에 자외선의 에너지가 축적되는 것을 방지하고, 자외선에 의한 변형을 원인으로 하는 열화를 억제할 수 있다.

이어서, 합성 석영 유리와 용융 석영 유리를 구별하는 검증 방법을 설명한다.

석영 유리에는, 알루미늄(Al), 붕소(B), 금(Au), 철(Fe), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 구리(Cu), 리튬(Li), 나트륨(Na), 인(P), 티탄(Ti) 등이 금속 불순물로서 포함되어 있다. 합성 석영 유리에 포함되는 금속 불순물은, 분석 한계에 가까운 정도(ppb 레벨)밖에 포함되지 않지만, 용융 석영 유리에는, 1~20ppm 정도의 금속 불순물이 포함되어 있다. 따라서, 석영 유리에 포함되는 금속 불순물의 농도를 조사하면, 합성 석영 유리와 용융 석영 유리를 구별할 수 있다.

방전 용기(2)를 분석용 샘플의 크기에 잘라 시험편으로 한다. 시험편을 에탄올, 순수의 순서로 세정하고, 또한 불산으로 표면을 에칭한다. 에칭한 시험편을 순수로 세정하고, 충분히 건조시킨 후, 칭량(稱量)한다. 다음으로 시험편을 불산에 담궈 용해한다. 시험편의 형상을 확인할 수 없게 될 때까지 용해한다. 석영 유리(SiO₂)와 금속 불순물이 용해된 불산액을 가열함으로써, 실리카 성분과 불화수소산을 불화규소(SiF₄)로서 증발시키면, 금속 불순물 성분이 찌꺼기가 된다. 찌꺼기에 질산 및 황산을 넣어 금속 불순물 성분을 용해시킨다. 용해액을 순수로 희석해 시료 용액으로 한다. ICP 발광 분광 분석 장치를 이용해, 시료 용액 중 불순물 원소의 농도를 정량해, 질량 환산한다. 시험편의 질량에 대한 금속 불순물의 질량으로부터, 금속 불순물의 농도를 산출할 수 있다.

이어서, 전기 용융 석영 유리(type1)와 산수소 용융 석영 유리(type2)를 구별하는 검증 방법을 설명한다.

용융 석영 유리에는, 전기 용융 석영 유리(type1)와 산수소 용융 석영 유 리(type2)가 있다. 전기 용융 석영 유리(type1)는, 재료 중에 포함되는 OH의 농도가 10ppm 이하로 상당히 낮고, 산소 결핍형 결함(Si-Si)을 가진다는 특징이 있다. 한편, 산수소 용융 석영 유리(type2)는, 재료 중에 포함되는 OH의 농도가 300ppm 정도 있고, 산소 결핍형 결함(Si-Si)은 거의 존재하지 않는다. 따라서, 용융 석영 유리에 포함되는 OH의 농도를 조사하면, 전기 용융 석영 유리(type1)와 산수소 용융 석영 유리(type2)를 구별할 수 있다.

석영 유리의 재료 중에 포함되는 OH의 농도는, FT-IR(푸리에 변환 적외 분광 광도계)를 이용함으로써 측정할 수 있다. 측정기로서 예를 들면, 바리안제 FTS-40을 사용할 수 있다. FT-IR(푸리에 변환 적외 분광 광도계)에서는, 물질에 적외선을 조사하면, 어느 파장의 광이 선택적으로 흡수를 받는 특성을 이용해, OH의 농도가 구해진다. 적외 흡수 스펙트럼은 물질 고유의 것이므로 OH의 흡수 스펙트럼을 확인함으로써, 석영 유리에 적외선을 조사했을 때의 특정 파장에서의 광의 흡수량으로부터, OH의 농도가 측정된다.

도 1은 엑시머 램프의 구성을 나타내는 설명용 단면도

도 2는 엑시머 램프의 구성을 나타내는 설명용 단면도

도 3은 자외선 반사막의 막두께와 그 광의 투과율의 관계를 나타내는 그래프

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 엑시머 램프 2 방전 용기

3 외측관 4 내측관

5 외측 전극 6 내측 전극

7 광출사부 8 자외선 반사막

Claims

내측관과 외측관이 동축 방향으로 배치된 이중관 구조의 석영 유리로 이루어지는 방전 용기와, 당해 방전 용기를 형성하는 석영 유리가 개재하는 상태에서 한 쌍의 전극이 설치되어 이루어지고, 방전 공간 내에 크세논 가스가 봉입되어 이루어지고, 상기 방전 용기의 방전 공간 내에서 엑시머 방전을 발생시키는 엑시머 램프에 있어서,

상기 내측관은 전기 용융 석영 유리로 형성되고, 상기 외측관은 합성 석영 유리로 형성되며, 상기 방전 용기는, 적어도 내측관의 외주면의 방전 공간에 노출되는 표면의 전역에 걸쳐, 합성 석영 유리로 형성된 실리카 입자를 포함하는 자외선 산란 입자로 구성된 자외선 반사막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.
청구항 1에 있어서,

상기 내측관의 외주면에 형성된 자외선 반사막의 막두께는, 10㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 자외선 산란 입자에는, 알루미나 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.
삭제
삭제