DE69628504T2

DE69628504T2 - Verfahren zur Oberflächenaktivierung sowie Gerät und Lampe zum Ausführen dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE69628504T2
Application number: DE69628504T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Himeji-shi Shima; Akiyasu Himeji-shi Yamaguchi; Shinji Kawasaki-shi Suzuki
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: EP0754976A3; EP0754976B1; US5864388A; TW444876U; EP0754976A2; KR100379873B1; DE69628504D1; KR970007443A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbestrahlung, welches zur Verbesserung der Oberflächencharakteristik verwendet wird.
Unter Flüssigkristallanzeigegeräten gibt es einerseits ein Flüssigkristallanzeigegerät vom Durchlasstyp, welches aus einer Flüssigkristallanzeige, einem Treiber zur Regelung hiervon sowie Rücklicht besteht. Andererseits gibt es ein Flüssigkristallanzeigegerät vom Reflexionstyp, welches kein Rücklicht, sondern Innenbeleuchtung benutzt.
Eine Flüssigkristallzelle besteht üblicherweise aus zwei Substraten. Auf einem dieser Substrate werden ein Treibersystem zur Aktivierung der Flüssigkristalle, wie beispielsweise ein Dünnfilmtransistor, sowie Elektroden zum Ansteuern der Flüssigkristalle, sowie eine Ausrichtungsschicht zum Ausrichten der Flüssigkristalle in eine bestimmte Richtung gebildet. Auf dem anderen dieser Substrate wird ein Lichtabschirm-Film, welcher als schwarze Matrix bezeichnet wird, gebildet. Bei einer Farbflüssigkristallzelle werden ein Farbfilter sowie die vorstehend beschriebene Ausrichtungsschicht gebildet.
Die Ausrichtungsschicht wird gebildet, indem eine Oberfläche eines Dünnfilms, wie z. B. Polyimidharz oder dergleichen, einer Behandlung unterzogen wird, welche "Reiben" genannt wird, und indem sie mit feinen Rillen (Ritzen) in einer bestimmten Richtung versehen wird, was die Funktion hat, dass die Moleküle des Flüssigkristalls entlang dieser feinen Rillen in einer bestimmten Richtung ausgerichtet werden.
Bei einer Flüssigkristallzelle verändert sich der Bildkontrast entsprechend dem Gesichtsfeldwinkel. Das Winkelspektrum, bei welchem ein vorteilhafter Kontrast erreicht wird, wird als Gesichtsfeldwinkel der Flüssigkristallzelle bezeichnet. Je größer dieser Gesichtsfeldwinkel ist, desto sichtbarer und besser wird die Flüssigkristallzelle. Daher liegt hierin die wichtige technische Aufgabe einen großen Sehwinkel zu erreichen.
Bei einem bekannten Verfahren wird ein Anstellwinkel der Moleküle der Flüssigkristalle geregelt. Hierbei sollte man unter dem Begriff "Anstellwinkel" einen Winkel verstehen, bei welchem die Moleküle der Flüssigkristalle bezüglich der Fläche der Ausrichtungsschicht mit einem bestimmten Winkel ansteigen, wenn sie mit der Ausrichtungsschicht in Kontakt kommen. Bei dem Verfahren wird durch eine Maske hindurch die Ausrichtungsschicht mit ultravioletten Licht bestrahlt und somit die Charakteristik der Ausrichtungsschicht aktiviert. Diese Technik zur Regelung des Anstellwinkels ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift HEI 6-222366 sowie der japanischen Offenlegungsschrift HEI 6-281937 bekannt.
Hierbei wird unter Ausnutzung des Phänomens, dass sich der Anstellwinkel der mit dem ultravioletten Licht bestrahlten Flächen verkleinert, und durch die Maßnahme, durch welche innerhalb des selben Substrats Flächen mit unterschiedlichen Anstellwinkeln gemischt angeordnet werden, eine Flüssigkristallzelle mit einem breiten Gesichtsfeldwinkel hergestellt.
Das Phänomen, dass sich der Anstellwinkel durch Bestrahlung mit ultravioletten Licht verändert, wird vermutlich dadurch verursacht, dass die Oberfläche der Ausrichtungsschicht durch das ultraviolette Licht oxidiert wird und dass sich die Polarität der Ausrichtungsschicht verändert. Zur Aktivierung der vorstehend beschriebenen Ausrichtungsschicht ist es erforderlich, die Ausrichtungsschicht bei der Bestrahlung mit ultravioletten Licht innerhalb einer Gasatmosphäre anzuordnen, welche Sauerstoff enthält. Das heißt, dass bei der Bestrahlung der Ausrichtungsschicht mit ultravioletten Licht durch die Maske hindurch, die Maske und die Oberfläche der Ausrichtungsschicht (Substratoberfläche) beabstandet von einander festgehalten werden und eine Gasschicht (Luft), welche Sauerstoff enthält, zwischen der Maske und Ausrichtungsschicht gebildet wird.
Diese Technik der Aktivierung der Ausrichtungsschicht durch Bestrahlung der Ausrichtungsschicht mit ultravioletten Licht, während Sauerstoff mit der Ausrichtungsschicht in Kontakt ist, ist beispielsweise aus der EP 0 636 919 A1 bekannt.
US 4,023,904 A beschreibt ein Verfahren, bei welchem ein Halbleitersubstrat mit Photoresistüberzug ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 300 bis 500 nm ausgesetzt wird. Das UV-Licht geht durch Linsen so hindurch, dass sich die Bestrahlung der Maskenöffnung aus verschiedenen Winkeln nähert, wodurch leicht überlagerte Beugungsbilder entstehen. Der Zweck dieser Anordnung ist eine einheitlichere Beleuchtung des Photoresistlackes.
8 ist eine schematische Darstellung des bekannten Verfahrens zur Aktivierung der Charakteristik der Ausrichtungsschicht durch Bestrahlung mit ultravioletten Licht in der vorstehend beschriebenen Weise.
Auf einer Maske MK wird ein Maskenmuster MP gebildet, welches das ultraviolette Licht teilweise abschirmt. Auf dem Substrat 101 werden der vorstehend beschriebene Dünnfilmtransistor, die vorstehend beschriebenen Elektroden zur Aktivierung der Flüssigkristalle und dergleichen gebildet, welche nicht in der Zeichnung dargestellt sind, gebildet und auf welchen eine Ausrichtungsschicht 102 gebildet wird.
Zur Verbesserung der Charakteristik der Ausrichtungsschicht 102 wird, wie in 8(a) gezeigt, die Maske MK, auf welcher das Maskenmuster MP gebildet ist, beabstandet vom Substrat 101, auf welchem die Ausrichtungsschicht 102 gebildet wird, angeordnet, und die Maske MK wird mit ultravioletten Licht von oben bestrahlt. Dadurch wird, wie in 8(b) gezeigt, die Charakteristik der Ausrichtungsschicht 102 teilweise aktiviert, und der Anstellwinkel der mit ultravioletten Licht bestrahlten Flächen verändert sich.
Zur Aktivierung der Charakteristik der vorstehend beschriebenen Ausrichtungsschicht, kann ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von kleiner als oder gleich 300 nm (insbesondere von 200 nm bis 300 nm) verwendet werden. Als Lichtquelle, welche das Licht in diesem Wellenlängenbereich emittiert, ist eine Quecksilberlampe vom Langbogentyp bekannt. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Abstand zwischen den Entladungselektroden groß ist, d. h. die Fläche des Emissionsteils ist ein paar Dutzend cm bis ein paar Hundert cm groß und deshalb kann starkes ultraviolettes Licht auf einfache Weise erreicht werden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist als Lampe, welche zur Aktivierung der Charakteristik der Ausrichtungsschicht oder dergleichen verwendet wird, welche auf dem Substrat gebildet wird, eine Quecksilberlampe vom Langbogentyp bekannt. Nachfolgend wird das Substrat als Werkstück bezeichnet. Das ultraviolette Licht einer Lampe von diesem Typ ist jedoch Streulicht.
Wird die Bestrahlung mit ultravioletten Licht in dem Zustand, in welchem die Maske und die Werkstücksoberfläche voneinander getrennt sind, wie vorstehend beschrieben wurde, durchgeführt, tritt der Bestandteil des Lichtes, welches in die Maske schräg einfällt, in das Innere des Lichtabschirmbereiches der Maske ein. Als Folge davon werden Bereiche, welche eigentlich nicht aktiviert werden sollen, mit ultravioletten Licht bestrahlt, und eine Aktivierung der unerwünschten Bereiche findet statt. Wird beispielsweise in der vorstehend beschriebenen 8 Streulicht verwendet, tritt das Ultraviolettes Licht bis zu den Bereichen aufgrund von Beugung ein, welche nicht mit ultravioletten Licht aktiviert werden sollen; dies bedingt eine Änderung des Anstellwinkels in den Bereichen, in welchen eine Änderung des Anstellwinkels eigentlich nicht erwünscht ist.
Wird andererseits der Abstand zwischen der Maske und der Werkstücksoberfläche verringert, oder wenn die beiden miteinander in Kontakt gebracht werden, um das vorstehend beschriebene Eintreten des schrägen Lichtes zu vermeiden, entsteht der Nachteil, dass infolge eines Mangels der für die Aktivierungsreaktion erforderlichen Sauerstoffmenge keine ausreichende Aktivierung erreicht werden kann.
Zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Aktivierung der unerwünschten Bereiche ist es deshalb erforderlich, unter Verwendung eines optischen Systems die Maske sowie das Werkstück mit parallelem Licht zu bestrahlen.
Wird eine Lampe verwendet wird, deren Lichtbogenlänge wie bei einer Quecksilberlampe vom Langbogentyp oder dergleichen ist, kann man unter Verwendung einer Linse mit einem hohen Grad der Parallelität des zentralen Lichtstrahls den Grad der Parallelität des aus dem Mittelbereich der Lampe ausgestrahlten Lichtes erhöhen. Das Licht, welches von dem Lampenende ausgestrahlt wird, fällt jedoch in das Werkstück schräg ein, wobei dieser Winkel als Sehwinkel bezeichnet wird. Der Sehwinkel definiert sich als Halbwinkel unter Berücksichtigung einer Lichtquelle. Als Folge davon wird kein vorteilhaftes paralleles Licht erhalten, und das gebeugte Licht tritt ein.
Ferner weist eine Lampe mit einer großen Lichtbogenlänge eine große Entladungsfläche auf. Bei Verwendung einer Integratorlinse oder dergleichen ist es erforderlich, diese Integratorlinse zu vergrößern, wobei man den Nachteil höherer Kosten hat. In diesem Fall entspricht die "Lichtbogenlänge" dem Abstand zwischen den Lampenelektroden.
Wird andererseits eine Lampe mit einer kurzen Lichtbogenlänge verwendet, wie beispielsweise eine Quecksilber-Höchstdrucklampe oder dergleichen, kann man den Grad der Parallelität des Lichtes erhöhen und den Sehwinkel verkleinern. Wird der Sehwinkel stark verkleinert, treten Lichtbeugungsphänomene vermehrt auf. Folglich erhöht sich die Bestrahlung der abgeschirmten Teile aufgrund des gebeugten Lichts.
Ferner wird eine Lampe mit einer kurzen Lichtbogenlänge in der Weise konstruiert, dass das Licht mit einer sogenannten i-Linie (365 nm), einer h-Linie (405 nm) sowie einer g-Linie (436 nm) mit hoher Effizienz emittiert wird. Die Strahlung des vorstehend beschriebenen ultravioletten Lichtes mit Wellenlängen von kleiner als oder gleich 300 nm ist hierbei gering. Bei einer Lampe mit einer geringen Lichtbogenlänge (Entladungslampe vom Kurzbogentyp) kann deshalb in dem für die Aktivierung der Oberfläche der Ausrichtungsschicht erforderlichen Wellenlängenbereich keine Bestrahlung in ausreichendem Maß erhalten werden. Darüber hinaus wird es bei einer Verwendung als Lampe, welche die Oberfläche aktiviert, als nachteilig angesehen, dass die Bestrahlungsdauer lang wird.
Der Erfindung liegt daher eine erste Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Oberflächenbestrahlung, bei welchem über eine Maske, welche mit einem Abstand zu einem Werkstück angeordnet wird, das Werkstück mit Licht bestrahlt wird, und bei welchem in dieser Weise die Oberflächenaktivierung des Werkstücks durchgeführt wird, ein Verfahren zur Oberflächenbestrahlung anzugeben, bei wel chem ein Eintreten des ungünstigen Lichtes (schräges Licht und gebeugtes Licht) verhindert werden kann, und bei welchem keine Bestrahlung von unerwünschten Bereichen stattfindet.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Lichtquelle zum Zweck einer Oberflächenbestrahlung sowie eine Vorrichtung anzugeben, welche zur Durchführung einer Bestrahlung eines auf dem Werkstück gebildeten Dünnfilms geeignet ist, bei welcher das Werkstück durch die Maske, die mit einem Abstand zum Werkstück angeordnet ist, mit Licht bestrahlt wird, wie zur Durchführung einer Bestrahlung einer Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssigkristallzelle oder dergleichen.
Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lampe zum Zweck einer Oberflächenbestrahlung anzugeben, bei welcher eine hohe Bestrahlung in dem Wellenlängenbereich erzielt wird, welche für eine Oberflächenbestrahlung erforderlich ist, und bei welcher die Oberflächenbestrahlung in kurzer Zeit erreicht werden kann.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Oberflächenbestrahlung gemäß Ansprüchen 1 bis 6 gelöst.
Des weiteren werden die erwähnten Aufgaben der Erfindung durch eine Vorrichtung gemäß Ansprüchen 7 bis 11 gelöst.
Wie vorstehend beschrieben wurde, vergrößert sich die Beugung des Lichtes, und die Menge des Lichtes, welches aufgrund von Beugung eintritt, wird größer, wenn der Sehwinkel α zu klein ist. Es ist denkbar, dass die Größe des Sehwinkels α, bei welchem sich infolge der vorstehend beschriebenen Beugung des Lichtes der Eintritt des gebeugten Lichtes ereignet, bei kleiner als oder gleich 1,5° liegt.
Wenn andererseits der Sehwinkel α zu groß ist, fällt das Licht in die Maske schräg ein, und unerwünschte Bereiche werden bestrahlt, wie vorstehend beschrieben wurde.
Der Höchstwert des vorstehend beschriebenen Sehwinkels α kann in der nachfolgend beschriebenen Weise berechnet werden. Das heißt, wenn die Breite des Eintretens des ungünstigen Lichtes kleiner als oder gleich 1/10 einer Breite W des kleinsten Teils der zu bestrahlenden Bereiche liegt, wird in der Praxis kein negativer Einfluss auf das Bild der Flüssigkristallzelle ausgeübt, und deshalb kann diese zulässig sein. Die Eintrittsbreite des ungünstigen Lichtes wird ferner durch eine Funktion zwischen der Dicke d der Gasschicht (dem Abstand zwischen der Maske und dem Werkstück) und dem Sehwinkel α des Lichtes dargestellt.
Der Höchstwert α_max des Sehwinkels kann deshalb mit der folgenden Formel bezeichnet werden: d × tan αmax ≤ 0,1 W
Wenn hierbei die Dicke d der Gasschicht bei 10 μm (Mikrometer) und ferner die Breite W der zu aktivierenden Bereiche der Ausrichtungsschicht ebenfalls bei 100 μm (Mikrometer) liegen, wie vor stehend beschrieben wurde, liegt der Höchstwert α_max des Sehwinkels bei ca. 5,7°. Das heißt, es ist erwünscht, dass der Sehwinkel α innerhalb des nachfolgend beschriebenen Bereiches liegt, wenn durch die Maske hindurch das Werkstück mit Licht bestrahlt wird, welche mit einem Abstand zu dem Werkstück angeordnet ist, und wenn damit die Oberflächenbestrahlung durchgeführt wird: 1,5° < α ≤ αmax (ca. 5,7°)
Der Sehwinkel α hängt andererseits von der Lichtbogenlänge der Lampe ab, wie vorstehend beschrieben wurde. Ist die Lichtbogenlänge der Lampe groß, wird der Sehwinkel α größer, während bei einer kurzen Lichtbogenlänge der Sehwinkel α kleiner wird. Das heißt, es ist erforderlich die Lichtbogenlänge der Lampe entsprechend auf geeignete Weise auszuwählen, damit der Sehwinkel α innerhalb eines gewissen Bereiches liegen kann.
Es wurde daher unter Berücksichtigung von konstruktiven Beschränkungen oder dergleichen im Hinblick auf eine Realisation des optischen Systems eine Lichtbogenlänge errechnet, bei welcher der Sehwinkel α innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereiches liegt, wie nachstehend beschrieben wird. Hierbei wurde herausgefunden, dass es wünschenswert ist, dass die Lichtbogenlänge zum Erhalten eines Sehwinkels von 1,5° bei ca. 7,5 mm liegt, und dass die Lichtbogenlänge zum Erhalten eines Sehwinkels von 5,7° bei ca. 29 mm liegt.
Als eine Lampe zur Durchführung einer Oberflächenbestrahlung, bei welcher durch eine Maske hindurch ein Werkstück mit Licht bestrahlt wird, welche mit einem Abstand zu dem Werkstück angeordnet ist, wie zur Bestrahlung einer Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssigkristallzelle oder dergleichen, ist deshalb eine Lampe mit einer Lichtbogenlänge von ca. 7,5 mm bis 29 mm erwünscht.
Andererseits ist es bekannt, dass zum Zweck der Oberflächenbestrahlung ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 nm bis 300 nm nützlich ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Ferner ist zur Oberflächenbestrahlung einer Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssigkristallzelle oder dergleichen unter dem vorstehend beschriebenen ultravioletten Licht ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 bis 230 nm wirksamer als ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 230 nm bis 300 nm. (Ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 nm bis 230 nm weist mindestens eine Doppelwirkung als ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 230 nm bis 300 nm auf. Aus diesem Grund beträgt die Behandlungsdauer nur kleiner als oder gleich die Hälfte.)
Es wurde daher bei einer Quecksilberlampe die relative spektrale Verteilung untersucht, indem unterschiedliche Quecksilbermengen verwendet wurden, wodurch die graphische Darstellung in 4 erhalten wurde.
Ferner wurde eine Relation zwischen der Bestrahlung in dem vorstehend beschriebenen Wellenlängenbereich und der Quecksilbermenge in der Lampe untersucht, wodurch die in 5 gezeigte Relation erhalten wurde. 5 zeigt einen Fall, bei welchem die in den Lichtbogen der Lampe zugeführte Leistung (Leistung, bei welcher der Verlust, wie bei einem Spannungsabfall der Elektroden oder dergleichen, von der Lampen-Eingangsleistung abgezogen wurde) konstant gehalten wurde. Bei der relativen spektralen Verteilung in 4 wurde ein Spektroskop benutzt, welches unter Verwendung einer Normlampe (von Optronic Laboratories, Inc. hergestelltes Modell UV40) geeicht wurde, um die relative spektrale Verteilung der Lampe in horizontaler Richtung aus einer Entfernung von 1 m zu messen; dies wurde durch Multiplizieren mit 4 π als Gesamtstrahlungsenergie bezeichnet.
Dieses Ergebnis zeigte eindeutig, dass es als Lampe zum Zweck der Aktivierung eines Dünnfilms erwünscht ist, dass die Quecksilbermenge M_Q (mg/cm³)((mg/cc)) im Bereich von 2 ≤ M_Q ≤ 15 liegt.
Ferner ist es wünschenswert, dass der Einfülldruck des Edelgases im Fall einer Verwendung als Lampe zum Zweck der Aktivierung der Dünnschicht bei 0,1 × 10⁵ bis 5 × 10⁵ Pa liegt, wie aus 5 ersichtlich ist. Die Strahlung erhöht sich, je kleiner der Einfülldruck des Edelgases ist. Bei einem Einfülldruck des Edelgases von kleiner als oder gleich 0,05 × 10⁵ (Pa) wurde jedoch beim Zünden der Lampe kein Lichtbogen durch die Anodenspitze gebildet, und ein abnormer Lichtbogen entstand. Es ist deshalb zur Stabilisierung der Zündungs-Charakteristik erforderlich, dass der Einfülldruck des Edelgases bei größer als oder gleich 0,1 × 10⁵ Pa liegt.
Andererseits wurden bei einer Cadmiumlampe die relative spektrale Verteilung untersucht, indem unterschiedliche Mengen des eingefüllten Metall Cadmiums verwendet wurden, wodurch die graphische Darstellung in 6 erhalten wurde.
Ferner wurde eine Relation zwischen der Lichtbestrahlung in dem vorstehend beschriebenen Wellenlängenbereich und der Cadmiummenge untersucht, wodurch die in 7 gezeigte Relation erhalten wurde. 7 zeigt einen Fall, bei welchem die in den Lichtbogen der Lampe zugeführte Leistung konstant gehalten wurde, wie in 5. Aus diesem Ergebnis wurde ersichtlich, dass es als Lampe zum Zweck einer Bestrahlung eines Dünnfilms wünschenswert ist, dass die Cadmiummenge C (mg/cm³)(cc)) im Bereich von 0,06 ≤ C ≤ 3 liegt.
Es ist bekannt, dass durch ein zusätzliches Einfüllen von HgI₂ oder dergleichen in der Quecksilberlampe sowie durch ein zusätzliches Einfüllen eines Halogenides oder eines Halogens wie CdI₂ oder dergleichen in der Cadmiumlampe, die Elektroden-Lebensdauer sowie die Lebensdauer je nach Lampen-Eingangsleistung verlängert werden, bevor sich die Beleuchtungsintensität verschlechtert. Sie können deshalb bei Bedarf eingefüllt werden.
Ferner ist es erwünscht, dass der Einfülldruck P2 des Edelgases in der Cadmiumlampe im Fall einer Verwendung als Lampe zum Zweck der Aktivierung des Dünnfilms bei 0,1 × 10⁵ bis 3 × 10⁶ Pa liegt, wie aus 7 ersichtlich wird. Die Beleuchtungsintensität erhöht sich, je größer der Einfülldruck des Edelgases ist. Bei einem Einfülldruck P2 von größer als oder gleich 3,8 × 10⁶ Pa muss jedoch um die Druckdichte zu erhöhen, die Dicke des Quarzglases vergrößert werden, welches die Leuchtröhre der Lampe bildet, was höhere Kosten verursacht. Es ist deshalb wünschenswert, dass der Einfülldruck P2 kleiner als oder gleich 3 × 10⁶ Pa beträgt.
Aus der vorstehend beschriebenen 6 kann abgeleitet werden, dass im Strahlungslicht der Cadmiumlampe mehr ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 bis 230 nm enthalten ist, welche für eine Oberflächenbestrahlung besonders wirksam sind, und dass daher eine Cadmiumlampe für die Oberflächenbestrahlung geeigneter ist als eine Quecksilberlampe.
Andererseits weist die Quecksilberlampe weniger ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 nm bis 230 nm auf als die Cadmiumlampe, wie vorstehend beschrieben. Bei der erfindungsgemäßen Quecksilberlampe, bei welcher die Quecksilbermenge M_Q (mg/cm³)(cc)) innerhalb des Bereiches von 2 ≤ M_Q ≤ 15 liegt, und bei welcher außerdem der Einfülldruck P1 (Pa) des Edelgases im Bereich von 0,1 ×10⁵ ≤ P1 ≤ 5 × 10⁵ liegt, erhält man jedoch eine Bestrahlung in einer Menge, welche für eine Oberflächenbestrahlung ausreicht. Die erfindungsgemäße Quecksilberlampe ist daher in einem ausreichenden Maß praktisch einsetzbar.
Als nächstes wurde die Intensität des aus der Lampe ausgestrahlten Lichtes überprüft. Bei einer herkömmlichen Entladungslampe ist die Intensität des emittierten Lichtes desto größer, je größer die dem Lichtbogen zugeführte Leistung ist (die Leistung, welche zur Emission beiträgt). Das heißt, die Strahlungsenergie E der Lampe kann ungefähr mit E = a × P (a ist eine Proportionalitätskonstante) bezeichnet werden, wobei P die Leistung ist, welche dem Lichtbogen zugeführt wird, und die Einfüll-Quecksilbermenge M_Q konstant gehalten wird.
Ferner können die vorstehend beschriebene Leistung P mit dem Verhältnis von P = b × A × I (b ist eine Proportionalitätskonstante, A ist die Lichtbogenlänge, und I ist der Strom) dargestellt werden und die vorstehend beschriebene Strahlungsenergie E ungefähr mit dem Verhältnis E = c × A × I (c ist eine Proportionalitätskonstante). Hierbei hängt die obere Grenze des Stroms I von der Elektrodenanordnung der Lampe, der Effizienz der Kühlung der Lampe und dergleichen ab. Darüber hinaus ist eine Beschädigung der Elektroden bei einem zu großen Strom wahrscheinlicher, und die Effizienz sinkt infolge eines Spannungsabfalls bei den Elektroden oder dergleichen ab. Die obere Grenze wird deshalb notwendigerweise festgelegt und kann nicht ohne weiteres erhöht werden.
Das heißt, zur Erhöhung der Strahlungsenergie E der Lampe ist es erforderlich, die Lichtbogenlänge A zu vergrößern. Man kann dadurch die Strahlungsenergie E der Lampe sowie die Beleuchtungsintensität erhöhen.
Bei der vorstehend beschriebenen Entladungslampe vom Kurzbogentyp, wie z. B. einer herkömmlichen Quecksilber-Höchstdrucklampe oder dergleichen, kann wegen ihrer geringen Lichtbogen länge sowie ihres kurzen Abstandes zwischen den Elektroden die Strahlungsenergie E der Lampe nicht erhöht werden. Die Intensität des emittierten Lichtes nimmt in diesem Fall ab.
Wenn umgekehrt die Lichtbogenlänge bei ca. 7,5 mm bis 29 mm liegen kann, wie vorstehend beschrieben wurde, kann man die dem Lichtbogen zugeführte Leistung erhöhen und eine für die Bestrahlung des Dünnfilms erforderliche Lichtintensität erhalten.
Das heißt, bei einer Lampe zum Zweck der Oberflächenbestrahlung kann man durch Aufrechterhalten einer Lichtbogenlänge, bei welcher der Sehwinkel α innerhalb des Bereiches von 1,5° < α ≤ α_max (ca. 5,7°) liegt, das Eintreten des ungünstigen Lichtes verhindern, ohne in dem optischen System eine Konkavlinse oder dergleichen anzuordnen. Man kann somit die Anordnung des optischen Systems vereinfachen und zugleich die Bestrahlungsenergie erhalten, welche für die Oberflächenbestrahlung erforderlich ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen weiter beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestrahlung;
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Entladungslampe;
3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Lichtquelle, welche ultraviolettes Licht ausstrahlt;
4 ist eine graphische Darstellung, welche die spektrale Verteilung einer Quecksilber-Entladungslampe zeigt;
5 ist eine graphische Darstellung, welche die Relation zwischen der Quecksilbermenge und der integralen Bestrahlung von ultraviolettem Licht zeigt;
6 ist eine graphische Darstellung, welche die spektrale Verteilung einer Cadmiumlampe zeigt;
7 ist eine graphische Darstellung, welche die Relation zwischen der Cadmiummenge und der integralen Bestrahlung von ultraviolettem Licht zeigt;
8(a) und (b) sind schematische Darstellungen der Bestrahlung einer Ausrichtungsschicht mit ultraviolettem Licht;
9 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenbestrahlung;
10 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Lichtquelle, welche ultraviolettes Licht ausstrahlt.
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Beispiels einer Anordnung einer ultravioletten Lichtquelle zur Durchführung der Bestrahlung der Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssig kristallzelle. In der Figur kann eine Lampe 10, für welche eine in 2 gezeigte Entladungslampe für Gleichströme oder eine Entladungslampe für Wechselströme verwendet werden kann, mit derselben Anordnung verwendet werden.
Lampe 10 ist an einem ersten Brennpunkt eines ovalen Fokussierspiegels 11 angeordnet. Ein erster Flachreflektor 12 reflektiert Licht, welches von der Lampe 10 durch eine Integratorlinse 13 emittiert wird. Unmittelbar vor oder hinter der Integratorlinse 13 gibt es eine kreisförmige Blende, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Der Grund hierfür liegt darin, zu vermeiden, dass sich der Sehwinkel des das Werkstück bestrahlenden Lichtes entsprechend der Richtung auf der Werkstückoberfläche unterscheidet, weil der Lichtbogen-Bildpunkt der Lampe 10 strenggenommen nicht kreisförmig ist. Durch die Anordnung der kreisförmigen Blende kann die Form des Lichtstrahls bestimmt werden.
Nach der Integratorlinse 13 und der erwähnten Blende gibt es einen Verschluss 14, welcher mittels einer Verschluss-Antriebsvorrichtung 15 angetrieben wird und welcher den optischen Weg öffnet und schließt. Ein Kollimator 16 wird ebenfalls bereitgestellt und für welchen eine Kollimationslinse (Konvexlinse) oder ein Kollimationsspiegel (Konkavspiegel) verwendet werden kann. In 1 ist Kollimator 16 ein Kollimationsspiegel (Konkavspiegel). Ferner kann durch Verwendung eines Konkavspiegels als Kollimator 16 eine Bestrahlungsvorrichtung kostengünstig gebildet werden und sie bestrahlt eine größere Fläche im Vergleich zu einer Linse. Ein zweiter Planspiegel 17 ermöglicht den Freiheitsgrad der Anordnung des ovalen Fokussierspiegels 11, die Erhöhung des Kollimationsspiegel 16 oder dergleichen und den Erhalt einer kompakten Vorrichtung.
Eine Maske MK, auf welcher ein Lichtabschirmmuster gebildet wird, sowie ein Werkstück WE, auf welchem mehrere Einrichtungen von Flüssigkristallanzeigen gebildet werden, werden unterhalb des Kollimators 16 angeordnet. Die Maske MK und das Werkstück WE sind, wie vorstehend beschrieben wurde, mit einer Entfernung von ca. 100 μm (Mikrometer) voneinander beabstandet, wobei eine sauerstoffhaltige Gasschicht dazwischen gebildet wird. Das Werkstück WE wird ferner auf einem Werkstückträger WS in der Weise aufgesetzt, dass seine Ausrichtungsschicht zu der oberen Fläche wird, und unter Verwendung eines Befestigungsmittels, wie zum Beispiel einer Unterdruckspannvorrichtung oder dergleichen, festgehalten wird. Das Werkstück WE hat üblicherweise vier oder sechs Vorrichtungen und weist eine Maximalgröße von 600 mm × 700 mm auf; üblicherweise wird jedoch eine Größe von ca. 365 mm × 460 mm verwendet.
In 1 wird ultraviolettes Licht, welches von der Lampe 10 ausgestrahlt wird, mittels des ovalen Fokussierspiegels 11 gebündelt und fällt über den ersten Planspiegel 12 in die Integratorlinse 13 ein. Ferner fällt es über den Verschluss 14 sowie den zweiten Planspiegel 17 in den Kollimator 16 ein. Das ultraviolette Licht, welches vom Kollimator 16 reflektiert wird, bestrahlt über die Maske MK das Werkstück WE.
2 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Entladungslampe 1 für Gleichstrom, welche ultraviolettes Licht ausstrahlt. Entladungslampe 1 weist eine aus Quarzglas bestehende Leuchtröhre 2 auf, innerhalb welcher Quecksilber und Edelgas oder metallisches Cadmium und Edelgas eingefüllt werden.
Für den Fall, dass Quecksilber eingefüllt wird, wird eine Quecksilbermenge M_Q (mg/cm³)(cc)) im Bereich von 2 ≤ M_Q ≤ 15 sowie ein Einfülldruck P1 (Pa) des Edelgases im Bereich von 0,1 × 10⁵ ≤ P1 ≤ 5 × 10⁵ ausgewählt.
Für den Fall, dass metallisches Cadmium eingefüllt wird, wird eine Cadmiummenge C (mg/cm³)(cc)) im Bereich von 0,06 ≤ C ≤ 3 zusammen mit einem Einfülldruck P2 (Pa) des Edelgases im Bereich von 0,1 × 10⁵ ≤ P2 ≤ 3 × 10⁶ ausgewählt.
Die Elektroden 3 bestehen aus einer Anode 3a sowie einer Kathode 3b. Der Abstand zwischen den Elektroden 3a und 3b beträgt ca. 7,5 mm bis 29 mm, damit die Lichtbogenlänge bei 7,5 mm bis 29 mm liegt. Ferner bezeichnet ein Bezugszeichen 4 Abdeckungen für die Lampenfassung. Während 2 eine Entladungslampe für Gleichstrom zeigt, kann genauso gut eine Entladungslampe für Wechselstrom bereitgestellt werden, bei welcher die Elektroden eine andere Form aufweisen, aber die anderen Aspekte im wesentlichen die gleichen sind.
Bei der in 1 gezeigten ultravioletten Lichtquelle wurden Bedingungen ermittelt, unter welchen der vorstehend beschriebene Sehwinkel α (1,5° < α ≤ α_max) erreicht wird, was nachfolgend beschrieben wird.
3 ist eine schematische Darstellung, in welcher die in 1 gezeigte ultraviolette Lichtquelle vereinfacht dargestellt und erklärt wird. In 3 wird zur Vereinfachung des Verständnisses der Kollimationsspiegel, welcher als Kollimator 16 dient, mit einer Kollimationslinse (Konvexlinse) ersetzt. Der Kollimationsspiegel (Konkavspiegel) und die Kollimationslinse (Konvexlinse) weisen äquivalente Funktionen als Kollimator auf, wobei sich nur ihre optischen Wege im Hinblick auf Reflexion oder Transmission voneinander unterscheiden.
(a) Relation zwischen dem Sehwinkel a und der Lichtbogenlänge
Wird die Lichtbogenlänge mit A bezeichnet, wird der Vergrößerungsfaktor des ovalen Fokussierspiegels 11 mit M_Q sowie der Verkleinerungskoeffizient der Integratorlinse 13 durch die Blende K bezeichnet, dann kann der Durchmesser D des Lichtes, welches in die Integratorlinse 13 einfällt, mit der folgenden Formel (1) bezeichnen werden: D = A × Ms × K (1)
Wenn als nächstes der Abstand zwischen der Integratorlinse 13 und dem Kollimator 16 mit L bezeichnet wird, kann der Sehwinkel α mit der folgenden Formel (2) bezeichnet werden: tan α = D/2L (2)
Aufgrund der mit den vorstehend beschriebenen Formeln (1) und (2) bezeichneten Relationen lässt sich deshalb die folgende Formel (3) ableiten: A = 2L × tanα/(Ms × K) (3)
(b) Berechnung der Lichtbogenlänge A
Üblicherweise wird ein Vergrößerungsfaktor M_s des ovalen Fokussierspiegels 11 im Bereich von 10 bis 60 verwendet. Je kleiner der Vergrößerungsfaktor ist, desto mehr kann die Größe der Integratorlinse 13 verkleinert werden. Hierbei wird jedoch der Einfallwinkel des in die Integratorlinse 13 einfallenden Lichtes größer, wodurch die Konstruktion der Integratorlinse schwierig wird, und wodurch Gleichmäßigkeit schwer erreicht wird.
Wenn umgekehrt der Vergrößerungsfaktor vergrößert wird, wird entsprechend der Größe des vergrößerten Lichtbogen-Bildpunkts eine große Integratorlinse benötigt. Ferner tritt hierbei eine Verschlechterung des Sehwinkels α auf. Es ist deshalb erforderlich, einen optimalen Vergrößerungsfaktor für den Vergrößerungsfaktor M_s des ovalen Fokussierspiegels 11 entsprechend den Anwendungen auszuwählen. Bei der nachfolgend angegebenen Berechnung wird ein Vergrößerungsfaktor 18 angewandt.
Ferner wird üblicherweise ein Verkleinerungskoeffizient K durch die Blende von ca. 0,65 angewendet. Ein Abstand L zwischen der Integratorlinse 13 und dem Kollimator 16 wird durch die erforderliche Bestrahlungsfläche sowie einem Divergenzwinkel β des aus der Integratorlinse 13 emittierten Lichtes bestimmt.
Unter dem Begriff "Divergenzwinkel" β soll das Halbquadrat der Streuung des aus der Integratorlinse 13 kommenden Lichtes verstanden werden, wie in 3 veranschaulicht. Das heißt, je größer der Divergenzwinkel β ist, desto kleiner wird der Abstand L, desto mehr vergrößert sich das Licht und desto größer wird die Fläche, welche mittels eines kompakten optischen Systems bestrahlt werden kann. Erhöht sich jedoch der Divergenzwinkel β zu sehr, erhöht sich die Krümmung des Kollimators 16, wodurch die Herstellung schwierig wird, und darüber hinaus vergrößert sich der Abbildungsfehler (bzw. die Aberration).
Üblicherweise wird deshalb ein Divergenzwinkel β von 5 bis 15° verwendet. Zum Zwecke der Herstellung einer Flüssigkristallzelle wird infolge des großen Substrates eine große Bestrahlungsfläche benötigt, wie vorstehend beschrieben wurde.
Bei der nachfolgend angegebenen Berechnung wurde ein Divergenzwinkel β von 10,7° verwendet. Wenn mit diesem Divergenzwinkel β ein Abstand L zwischen der Integratorlinse 13 und dem Kollimator 16, welcher zur Bestrahlung eines Substrates von beispielsweise 400 × 500 mm erforderlich ist, ermittelt wird, erhält man folgendes: L = ( √(400 × 400 + 500 × 500)/2)/tan10,7° = 1700 mm
Wenn unter der vorstehend beschriebenen Voraussetzung die Lichtbogenlänge A zum Erhalten des vorstehend beschriebenen Sehwinkels von 1,5° sowie des vorstehend beschriebenen Sehwinkels von 5,7° ermittelt wird, ergibt sich folgendes:
(1) Lichtbogenlänge A_1,5 zum Erhalt eines Sehwinkels von 1,5°
Durch Substitution der Werte M_s = 18, K = 0,65, L = 1700 mm sowie α = 1,5° in der vorstehend beschriebenen Formel (3) wird folgendes erhalten: A1,5 = 2 L α tan α/(Ms × K) = (2 × 1700 × tan 1,5°)/(18 × 0,65) = 7,6 mm – 7,5 mm
(2) Lichtbogenlänge A_5,7 zum Erhalt eines Sehwinkels von 5,7°
Durch Substitution der Werte M_s = 18, K = 0,65, L = 1700 mm sowie α = 5,7° in der vorstehend beschriebenen Formel (3) wird folgendes erhalten: A5,7 = 2 L × tan α/(Ms × K) = (2 × 1700 × tan 5,7°)/(18 × 0,65) = 29 mm
Wie vorstehend beschrieben, kann durch die Verwendung einer Lampe mit einer Lichtbogenlänge A von 7,5 mm bis 29 mm der Sehwinkel α des in die Maske MK einfallenden Lichtes unter Verwendung eines realisierbaren optischen Systems im Bereich von 1,5° < α ≤ 5,7° festgelegt werden, wodurch die Aktivierung der unerwünschten Bereiche infolge des Eintretens des ungünstigen Lichtes vermieden werden kann.
Ferner kann die von der Lampe ausgestrahlte Energie im Vergleich zu einer herkömmlichen Entladungslampe vom Kurzbogentyp durch die Maßnahme, durch welche die Lichtbogenlänge A bei der vorstehend beschriebenen Länge liegt, in ausreichendem Maß vergrößert werden. Dadurch wird die Bestrahlung der Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssigkristallzelle mit der gewünschten Dauer ermöglicht.
Als nächstes wurde eine Überprüfung im Hinblick auf die Energie durchgeführt, welche für die Bestrahlung der Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssigkristallzelle erforderlich ist, woraus folgt:
Zur Aktivierung der Ausrichtungsschicht auf einem Substrat einer Flüssigkristallzelle ist Energie von ca. 0,5 J/cm² erforderlich. Wenn angenommen wird, dass eine Behandlung eines Substrates von 40 × 50 cm in 90 Sekunden durchgeführt wird, lässt sich die Energie E1 des ultravioletten Lichtes mit Wellenlängen von 200 nm bis 300 nm nach der folgenden Formel berechnen, welche für die Bestrahlung des Substrates erforderlich ist: E1 = 0,5 × 40 × 50/90 = 11 W
Wenn hierbei angenommen wird, dass die Effizienz des optischen Systems bei 20% liegt, dann wird eine Energie E2 von 55 W des von der Lampe ausgestrahlten ultravioletten Lichtes gemäß der folgenden Formel benötigt: E2 = 11/0,2 = 55 W
Andererseits kann man bei einer Quecksilber-Entladungslampe eine Lichtbogenleistung (Leistung, welche dem Lichtbogen zugeführt wird, bei welcher der Verlust, wie bei einem Spannungsabfall auf den Elektroden oder dergleichen, abgezogen wurde, und welche der Beleuchtungsintensität entspricht) von ca. 20 bis 100 W/mm erhalten. Man kann deshalb durch die Maßnahme, durch welche die Lichtbogenlänge bei ca. 7,5 mm bis 29 mm liegt, Lichtenergie entnehmen, welche für die Aktivierung erforderlich ist, wie vorstehend beschrieben wurde.
9 zeigt die Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenbestrahlung. In der Darstellung ist ein ultraviolettes Bestrahlungsteil 20 mit der in 1 gezeigten ultravioletten Lichtquelle identisch, und deshalb wird sie hier nicht weiter beschrieben. Ferner kann für die Lampe innerhalb des Bestrahlungsteils 20 nicht nur eine Quecksilber-Entladungslampe oder eine Cadmiumlampe, sondern auch eine elektrodenlose Leuchtröhre verwendet werden, wie nachstehend beschrieben wird.
Das ultraviolette Licht aus diesem Bestrahlungsteil 20 fällt durch die Maske MK hindurch in das Werkstück WE ein. Auf dem Werkstück WE wird die vorstehend beschriebene Ausrichtungsschicht gebildet. Die Maske MK und das Werkstück WE werden, wie vorstehend beschrieben wurde, mit einer Entfernung von ca. 100 μm (Mikrometer) voneinander angeordnet, wobei hierzwischen eine sauerstoffhaltige Gasschicht gebildet wird. Ferner wird das Werkstück WE in der Weise auf einen Werkstückträger 25 aufgesetzt, dass die Ausrichtungsschicht zur oberen Fläche wird, und anhand eines Mittels, wie beispielsweise einer Unterdruckspannvorrichtung oder dergleichen, befestigt wird. Ferner wird das Werkstück WE insgesamt mit ultravioletten Licht bestrahlt und dadurch erfolgt die Aktivierung der Ausrichtungsschicht eines jeden Substrats. Jedoch kann jede beliebige zu bestrahlende Fläche des Werkstücks WE auch schrittweise belichtet, und die Ausrichtungsschicht kann durch allmähliches Bewegen des Werkstücks WE aktiviert werden.
Eine Basis 21 stützt den Maskenträger 22 ab, welcher die Maske MK festhält. Der Maskenträger 22 weist eine Positionierungsvorrichtung zum Fixieren der Maske MK in einer vorgegebenen Position sowie eine Unterdruckspannvorrichtung zum Festhalten der Maske durch Vakuumansaugen auf.
Eine Vorrichtung 23 wird bereitgestellt, um die Maske MK relativ zum Werkstück WE in Richtungen auszurichten, welche parallel zueinander sind, und welche zugleich mit einem konstanten Abstand zwischen der Basis 21 und dem Maskenträger 22 an mindestens drei Stellen angeordnet wird. Zu dieser Vorrichtung zur Abstandseinstellung wird auf die frühere europäische Patentanmeldung EP 0 633 505 A1 derselben Anmelderin hingewiesen.
Eine Vorrichtung 24 dient der Bewegung des Maskenträgers 22 zu einer vorgegebenen Position hin. Eine Vorrichtung 26 dient der Bewegung des Werkstückträgers 25 zu einer vorgegebenen Position hin. Ein Mikroskop 27 hat eine Lichtquelle 27a, welche Ausrichtungslicht ausstrahlt, sowie einen CCD-Sensor 27b. Das Licht aus der Lichtquelle 27a wird auf die Maske sowie das Werkstück ausgestrahlt, das reflektierte Licht hiervon wird vom CCD-Sensor 27b aufgenommen, und die Ausrichtungskennzeichen der Maske MK sowie des Werkstücks WE werden miteinander in Übereinstimmung gebracht.
Ein Steuerelement 28, welches aus einem Prozessor oder dergleichen besteht, steuert die Positionen der Maske MK sowie des Werkstücks WE mittels der Vorrichtung 24 zur Bewegung des Maskenträgers sowie mittels des Werkstückträgers 26, welches zugleich die Vorrichtung zur Abstandseinstellung 23 steuert und welches ebenfalls den Bestrahlungsteil 20 steuert.
Nachfolgend wird eine Behandlung mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Oberflächenbestrahlung beschrieben:

1) Zuerst wird die Maske MK auf dem Maskenträger 22 positioniert und wird durch ein Vakuumansaugen festgehalten.
2) Der Werkstückträger 25 wird gesenkt und Werkstück 25 wird positioniert.
3) Der Werkstückträger 25 wird angehoben und das Werkstück WE und die Maske MK werden in Richtungen, welche parallel zueinander sind, ausgerichtet, während ein konstanter Abstand zwischen ihnen beibehalten wird.
4) Es erfolgt die Positionierung der Maske MK auf dem Werkstück WE.
5) Das ultraviolette Licht wird ausgestrahlt und die Aktivierungsbehandlung der Oberfläche erfolgt.
6) Der Werkstückträger 25 wird gesenkt und das Werkstück WE wird entfernt.

10 zeigt eine ultraviolettes Licht ausstrahlende Lichtquelle, bei welcher als die ultraviolettes Licht ausstrahlende Lampe keine mit Elektroden versehene Lampe verwendet wird, wie eine Quecksilber-Entladungslampe oder eine Cadmiumlampe, und bei welcher stattdessen eine elektrodenlose Lampe M1 verwendet wird.
Ein Mikrowellen-Hohlraum M2 hat die Funktion eines ovalen Fokussierspiegels für die kugelförmige elektrodenlose Lampe M1, und ein Magnetron M3, welches an eine Stromquelle angeschlossen ist (in der Zeichnung nicht dargestellt), leitet Mikrowellen in den Hohlraum M2 über einen Wellenleiter M4 und einem Fenster M5 ein. Ein Motor M6 wird zum Drehen der Lampe M1 bereitgestellt, eine Kühlröhre M7 ist zum Kühlen der Lampe bereitgestellt, und ein Metallgitter M8 bedeckt das offene Ende des Mikrowellen-Hohlraums M2.
Über die Mikrowellenleistung, welche vom Magnetron M3 erzeugt und welche mittels des Wellenleiters M4 durch das Einleitungsfenster M5 in den Mikrowellenhohlraum M2 eingeleitet wird, wird ein Mischgas innerhalb der Lampe M1 angeregt und ultraviolettes Licht erzeugt. Ferner wird die Lampe M1 durch den Motor M6 gedreht und durch Kühlluft abgekühlt, welche von dem Kühlrohr M7 eingeblasen wird.
Als elektrodenlose Lampe M1 kann beispielsweise eine Lampe mit einem eingefüllten Mischgas welches wie folgt beschrieben wird, verwendet werden:
Innendurchmesser des Kolbens: 7,5 mm bis 29 mm (Optimalwert von 18,5 mm, Volumen bei 3.3 cm³)
Einfüllmenge des Quecksilbers: 8,65 mg, cm³
Einfüllmenge des Quecksilber(II)-chlorids (Mercurichlorid): 0,03 mg/cm³
Einfüllmenge des Argons: 0,12 × 10⁵ Pa (90 Torr) (bei Raumtemperatur)
Ferner ist die "Lichtbogenlänge" in dieser elektrodenlosen Lampe mit dem Innendurchmesser des kugelförmigen Teils der Leuchtröhre identisch.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann man erfindungsgemäß folgende Wirkungen erhalten:

(1) Durch die Maßnahme, durch welche bei einer ungefähr senkrechten Bestrahlung einer Maske sowie eines Werkstücks mit ultravioletten Licht durch die Maske hin durch in einem Zustand, in welchem zwischen der vorstehend beschriebenen Maske und dem vorstehend beschriebenen Werkstück eine Gasschicht gebildet wird, sowie bei einer Bestrahlung der sauerstoffhaltige Oberfläche auf dem Werkstück das vorstehend beschriebene ultraviolette Licht paralleles Licht ist, und durch welche die Bedingungen α > 1,5° und d × tan α ≤ 0,1 W zugleich erfüllt werden, wobei α der Sehwinkel des ultraviolettes Lichtes ist, d die Dicke der Gasschicht ist und W die Breite einer Minimaleinheit der zu aktivierenden Flächen auf dem Werkstück ist, kann man das Eintreten des ungünstigen Lichtes und somit die Bestrahlung von unerwünschten Bereichen auf dem Werkstück verhindern. Ferner kann man durch die Maßnahme, durch welche der Sehwinkel α in dem vorstehend beschriebenen Bereich liegt, die Lichtbogenlänge der Lampe, welche das ultraviolette Licht ausstrahlt, vergrößern und die für die Oberflächenbestrahlung erforderliche Bestrahlungsenergie sicherstellen.
(2) Durch die Maßnahme, durch welche die Lichtbogenlänge der Quecksilber-Entladungslampe sowie der Cadmiumlampe und der Innendurchmesser der elektrodenlosen Lampe bei größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm liegen, kann man den Sehwinkel α in einem erforderlichen Bereich sicherstellen, ohne optische Teile zur Vergrößerung des Sehwinkels zu verwenden, wie z. B. eine Konkavlinse oder dergleichen. Dadurch kann man die Anordnung des optischen Systems vereinfachen und ferner die für die Oberflächenbestrahlung erforderliche Bestrahlungsenergie in ausreichendem Maß sicherstellen.

Es versteht sich von selbst, dass obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Fachleuten verschiedene andere Ausführungsformen und Abänderungen einfallen können. Es ist beabsichtigt, dass solche anderen Ausführungsformen und Abänderungen, welche in den Umfang und den Sinn der vorliegenden Erfindung fallen, von den folgenden Ansprüchen abgedeckt werden.

Claims

Verfahren zur Oberflächenbestrahlung, welches die Schritte umfasst: Anordnen einer Maske und eines Werkstücks aneinander angrenzend, Bilden einer sauerstoffhaltigen Gasschicht zwischen der Maske und dem Werkstück, Bestrahlen einer Oberfläche des Werkstücks durch die Maske in einer ungefähr senkrechten Richtung mit ultraviolettem Licht; wobei der Bestrahlungsschritt mit parallelem ultravioletten Licht durchgeführt wird, während gleichzeitig die Bedingungen α > 1,5 ° und d × tan α ≤ 0,1 W erfüllt sind, wobei α ein Sehwinkel des ultravioletten Lichts ist, d eine Dicke der Gasschicht zwischen der Maske und dem Werkstück ist, und W eine Breite einer Minimaleinheit der zu bestrahlenden Werkstückoberfläche ist.
Verfahren zur Oberflächenbestrahlung nach Anspruch 1, bei welchem die Bestrahlung unter Verwendung einer Lichtquelle durchgeführt wird, welche eine Lampe umfasst, die Licht ausstrahlt, welches zumindest ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 nm bis 300 nm enthält, einen ovalen Fokussierspiegel, welcher das von der Lampe ausgestrahlte Licht bündelt, und ein optisches System, welches zumindest eine Integratorlinse sowie eine Kollimationslinse enthält, und wobei die Maske, durch welche die Oberfläche des Werkstücks bestrahlt wird, an das Werkstück angrenzend über der sauerstoffhaltigen Gasschicht angeordnet ist.
Verfahren zur Oberflächenbestrahlung nach Anspruch 1, welches die weiteren Schritte umfasst: Festhalten der Maske mit einem Maskenträgerteil sowie Festhalten des Werkstücks mit einem Werkstückträger eines Werkstückträgerteils, welches eine Bewegungsvorrichtung besitzt zum Drehen und Bewegen des Werkstückträgers in horizontale und vertikale Richtungen; und bei welchem das Anordnen und Formen durchgeführt wird durch Verwendung einer Regelvorrichtung zur Steu erung der Trägerteile sowie einer Positionierungsvorrichtung zur Einstellung der Entfernung zwischen dem Werkstück und der Maske.
Verfahren zur Oberflächenbestrahlung nach Anspruch 1, bei welchem die Bestrahlung unter Verwendung einer Quecksilberentladungslampe durchgeführt wird, welche eine Leuchtröhre aus Quarzglas aufweist, innerhalb derer ein Elektrodenpaar so beabstandet angeordnet ist, dass eine Lichtbogenlänge von größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm entsteht, und in der zumindest Quecksilber und ein Edelgas eingefüllt sind, wobei das Quecksilber in einer Menge M_Q (mg/cm³) eingefüllt ist, die innerhalb eines Bereiches von 2 ≤ M_Q ≤ 15 liegt, und das Edelgas mit einem Druck P1 (Pa) bei Raumtemperatur eingefüllt ist, welcher innerhalb eines Bereiches von 0,1 × 10⁵ ≤ P1 ≤ 5 × 10⁵ liegt.
Verfahren zur Oberflächenbestrahlung nach Anspruch 1, bei welchem die Bestrahlung unter Verwendung einer Cadmiumlampe durchgeführt wird, welche eine Leuchtröhre aus Quarzglas aufweist, innerhalb derer ein Elektrodenpaar so beabstandet angeordnet sind, dass eine Lichtbogenlänge größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm entsteht, und in welcher zumindest metallisches Cadmium und ein Edelgas eingefüllt sind, wobei das Cadmium in einer Menge C (mg/cm³) eingefüllt ist, welche in einem Bereich von 0,06 ≤ C ≤ 3 liegt, und wobei das Edelgas mit einem Druck P2 (Pa) bei Raumtemperatur eingefüllt ist, welcher innerhalb eines Bereiches von 0,1 × 10⁵ ≤ P2 ≤ 3 × 10⁶ liegt.
Verfahren zur Oberflächenbestrahlung nach Anspruch 1, bei welchem der Bestrahlungsschritt unter Verwendung einer Lampe durchgeführt wird, welche eine kugelförmige elektrodenlose Leuchtröhre aufweist, mit einem Innendurchmesser, der größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm ist, und eines ovalen Fokussierspiegels, eines Mikrowellenhohlraum-Behälters, welcher einen Mikrowellenhohlraum bildet, in welchem sich die elektrodenlose Leuchtröhre befindet und in welchem eine Kopplung mit Mikrowellen durchgeführt wird und welcher gleichzeitig als ovaler Fokussierspiegel dient, eines Magnetrons zur Erzeugung von Mikrowellen, und einer Hohlleiter- und Kopplungs-Vorrichtung zum Einleiten der vom Magnetron erzeugten Mikrowellen in den Mikrowellenhohlraum, sowie eines Kühlmittels zum Kühlen der elektrodenlosen Leuchtröhre.
Vorrichtung zur Durchführung des Oberflächenbestrahlungsverfahrens nach Anspruch 1, welche eine Lichtquelle umfasst zur Bestrahlung des Werkstücks durch die Maske in einer ungefähr vertikalen Richtung mit parallelem ultraviolettem Licht, während gleichzeitig die Bedingungen a > 1,5 ° und d × tan α ≤ 0,1 W erfüllt sind, wobei α ein Sehwinkel des ultravioletten Lichts ist, d eine Dicke der Gasschicht zwischen der Maske und dem Werkstück ist, und W eine Breite einer Minimaleinheit der zu aktivierenden Werkstückoberfläche ist, wobei die Vorrichtung eine Lampe umfasst, welche Licht ausstrahlt, welches zumindest ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 200 nm bis 300 nm enthält, einen ovalen Fokussierspiegel, welcher das von der Lampe ausgestrahlte Licht bündelt, und ein optisches System, welches zumindest eine Integratorlinse und eine Kollimationslinse enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 7, welche umfasst: ein Maskenträgerteil zum Festhalten der Maske, ein Werkstückträgerteil mit einem Werkstückträger zum Festhalten des Werkstücks und eine Bewegungsvorrichtung zum Drehen und Bewegen des Werkstückträgers in horizontale und vertikale Richtungen, eine Vorrichtung zum Einstellen des Abstands zwischen dem Werkstück und der Maske zur Bildung einer sauerstoffhaltigen Gasschicht zwischen dem Werkstück und der Maske, und ein Regelelement zum Steuern der Trägerteile und der Positionierungsvorrichtung zum Einstellen der relativen Position des Werkstücks zur Maske.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche eine Quecksilberentladungslampe umfasst, welche eine Leuchtröhre aus Quarzglas aufweist, innerhalb derer ein Elektrodenpaar so beabstandet ist, dass eine Lichtbogenlänge von größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm entsteht, und in welcher zumindest Quecksilber und ein Edelgas eingefüllt sind, wobei das Quecksilber in einer Menge M_Q (mg/cm³) eingefüllt ist, welche in einem Bereich von 2 ≤ M_Q ≤ 15 liegt, und das Edelgas mit einem Druck P1 (Pa) bei Raumtemperatur eingefüllt ist, welcher in einem Bereich von 0,1 × 10⁵ ≤ P1 ≤ 5 × 10⁵ liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche eine Cadmiumlampe unfasst, die eine Leuchtröhre aus Quarzglas aufweist, innerhalb derer ein Elektrodenpaar so beabstandet ist, dass eine Lichtbogenlänge von größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm entsteht, und in der zumindest metallisches Cadmium und ein Edelgas eingefüllt sind, wobei das Cadmium in einer Menge C (mg/cm³) eingefüllt ist, welche in einem Bereich von 0,06 ≤ C ≤ 3 liegt, und das Edelgas mit einem Druck P2 (Pa) bei Raumtemperatur eingefüllt ist, welcher in einem Bereich von 0,1 × 10⁵ ≤ P2 ≤ 3 × 10⁶ liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche eine Lampe umfasst, die ultraviolettes Licht ausstrahlt und eine kugelförmige, elektrodenlose Leuchtröhre aufweist mit einem Innendurchmesser von größer als oder gleich 7,5 mm und kleiner als oder gleich 29 mm und einem ovalen Fokussierspiegel, einen Mikrowellenhohlraum-Behälter, welcher einen Mikrowellenhohlraum bildet, in welchem sich die elektrodenlose Leuchtröhre befindet und in welchem eine Kopplung mit Mikrowellen durchgeführt wird und welcher gleichzeitig als ovaler Fokussierspiegel dient, ein Magnetron zur Erzeugung von Mikrowellen, einen Hohlleiter zum Einleiten der vom Magnetron erzeugten Mikrowellen in den Mikrowellenhohlraum, ein Kopplungsmittel zum Koppeln der Mikrowellen, die vom Hohlleiter in den Mikrowellenhohlraum eingeleitet wurden, und ein Kühlmittel zum Kühlen der elektrodenlosen Leuchtröhre.