JP2009016558A - 紫外線照射ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線被照射体の被照射面に対して一様な面照度で紫外線を照射することができ、またマイクロ波の漏出を効果的に抑制する紫外線照射ユニットを提供する。
【解決手段】マイクロ波電力の印加によって放電発光する、放電媒体が封入された光線透過性誘電体で成る管状の放電ランプ１１１と、放電ランプを収容し、当該放電ランプの放射する紫外線を下面開口から下方の被照射体に向けて出射させるランプハウス１１０と、マイクロ波を発振するマグネトロン１２１と、マグネトロンで発振されたマイクロ波電力を放電ランプに伝達する導波管１２２と、放電ランプから出射される光の照度を加減し、かつ、マグネトロンから放出されるマイクロ波を吸収する金属にて構成された光学機構とを備えた紫外線照射ユニット１であって、光学機構は、軸周りの回転によって散乱特性が変化する反射面を有するルーバー体１１５を複数体並置したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外線照射ユニットに関する。

近年、紫外線を放電発光させる長尺管状の放電ランプとして、特許文献１〜３に記載されているランプが知られている。その中でも特に、特許文献１に記載されたロングアークタイプの長尺放電ランプはランプ管内にハロゲン化鉄を封入したメタルハライドランプで、そのランプは、３６０〜３８０ｎｍ近辺に高い発光強度を持つ紫外線発光特性を持つので、半導体や液晶パネルの製造工程で紫外線照射装置の光源として多く用いられている。

従来の放電ランプを光源とする紫外線照射装置では、放電ランプを下方が開口するランプハウスの内部中央部に配置し、ランプハウスの上方に逆Ｕ字断面の反射面を持つ主反射体で覆って放電ランプからの紫外線をほぼ平行光線にして下方に反射させるようにし、またさらに、放電ランプの下方両側に補助反射板を斜めに配置して補助反射板にて被照射体の照射面で可能な限り照射強度が一様になるように紫外線が拡散反射される構成にしている。

ところが、このような従来の紫外線照射装置では、ランプハウスから出射する紫外線が被照射体の被照射面に一様な面照度で照射されるように配慮しても、一様性が十分に実現できない問題点があった。

また、特許文献３等のマイクロ波無電極放電ランプにあっては、ランプ点灯中、紫外線を出射するランプハウスの開口部からマイクロ波が漏れ出て当該紫外線照射装置やその近傍に存在する金属が加熱され、異常昇温することがある問題点もあった。
特許第３４８２４４２号公報 特開平８−１２４５４０号公報 米国特許第４６３３１４０号公報

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたもので、紫外線被照射体の被照射面に対して一様な面照度で紫外線を照射することができる紫外線照射ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、長尺管状の放電ランプと、前記放電ランプを収容し、当該放電ランプの放射する紫外線を下面開口から下方の被照射体に向けて出射させるランプハウスと、前記放電ランプから出射される光の照度を調整する光学機構とを備えた紫外線照射ユニットであって、前記光学機構は、軸周りの回転によって散乱特性が変化する反射面を有するルーバー体を複数体並置したルーバー装置で構成されている紫外線照射ユニットを特徴とする。

本発明の紫外線照射ユニットによれば、ランプハウスの紫外線出射用開口の下方に複数体のルーバー体によるルーバー装置で構成される光学機構を設けているので、ルーバー装置の複数体のルーバー体を回転させて好適な角度姿勢に調整することで、ランプハウスの開口部から出射される紫外線を適切に反射散乱させることができ、これを複数体用いて紫外線照射装置を構成することで、被照射体の被照射面に一様な面照度で紫外線を照射する紫外線照射装置が構成できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は、本発明の１つの実施の形態の紫外線照射ユニット１を示している。本実施の形態の紫外線照射ユニット１は、下方が開口するランプハウス１１０の内部中央部に紫外線放電ランプ１１１を配置し、ランプハウス１１０内で紫外線放電ランプ１１１の側方及び上方を覆い、当該紫外線放電ランプ１１１からの紫外線をほぼ平行光線にして下方に反射させるように逆Ｕ字断面の反射面を持ち、５００ｎｍ以上の光線は透過するコールドミラーで成る主反射体１１２を配置し、本実施の形態の特徴であるルーバー体１１５を２体、紫外線放電ランプ１１１の下方で、かつ、ランプハウス１１０の下面開口部１１３の直下の位置に配置した構成である。このランプハウス１１０の下面開口部１１３には、マイクロ波を吸収し、光線を透過させるマイクロ波漏洩防止兼光線透過メッシュ１１４が設置してある。この２体のルーバー体１１５がルーバー装置１１６を構成し、このルーバー装置１１６とマイクロ波漏洩防止兼光線透過メッシュ１１４とで光学機構１１７を構成している。

ランプハウス１１０の上面には、マイクロ波を発振するマグネトロン１２１を配置し、このマグネトロン１２１で発振されたマイクロ波電力を紫外線放電ランプ１１１に給電するようにマグネトロン１２１とランプハウス１１０との間に導波管１２２を設置してある。

紫外線放電ランプ１１１は、マイクロ波放電を利用するマイクロ波給電方式の無電極放電ランプであり、ランプ管内にハロゲン化鉄のようなメタルハライドを封入した無電極メタルハライドランプである。

図２に示したように、ルーバー体１１５は高輝度アルミニウム材で菱形に形成した外殻１１５Ａとその中心に挿通した回転心棒１１５Ｂにより構成されていて、その複数体がランプ軸方向の両端においてランプハウス１１０の下方の近接位置にて回転自在に並置されている。

図３に示したように、このルーバー体１１５は、回転心棒１１５Ｂを回転させることで独自に他のルーバー体１１５と異なる傾き角度の姿勢を保つことができ、被照射体（図示せず）の被照射面（水平面）の法線Ｌ１と当該ルーバー体１１５の菱形の外殻１１５Ａの長い方の対角線Ｌ２とのなす角度θを各自調整することができる。

上記構成の紫外線照射ユニット１は、図４に示すようにその複数体を縦列に設置し、所望の照射長の紫外線照射装置２を構成する。この紫外線照射装置２による紫外線照射動作について説明する。

各紫外線照射ユニット１のマグネトロン１２１を起動してマイクロ波を無電極放電ランプである紫外線放電ランプ１１１に給電して紫外線放電ランプ１１１を放電点灯させて紫外線を放出させる。

マグネトロン１２１の発生するマイクロ波の一部はランプハウス１１０の下面開口に達するが、この位置に設置されているマイクロ波漏洩防止兼光線透過メッシュ１１４がマイクロ波を吸収して下方へ漏洩するのを抑制し、当該紫外線照射ユニット１やその近傍に存在する金属がマイクロ波によって加熱され、異常昇温するのを防止する。

紫外線放電ランプ１１１から下側に放射される紫外線は直接に下方に向かい、また紫外線放電ランプ１１１から上側、側方に放射される紫外線は主反射体１１２により反射され、その反射紫外線が下方に向かう。これら紫外線はランプハウス１１０の下面開口部１１３からさらに下方に出射し、補助反射体としてのルーバー体１１５に達してその高輝度アルミニウムの外殻１１５Ａに当たって反射散乱され、さらに下方に向かい、被照射体に照射する。

この際に、紫外線は各ルーバー体１１５の傾き角度に応じて反射方向が異なることになるので、各ルーバー体１１５の傾き角度を変更しながら被照射面上の照度分布を計測することでその均斉度がランプの長手方向で一様になるように調整する。

図２に示したように、本実施の形態の紫外線照射ユニット１では、外殻１１５Ａの長い方の対角線の長さ（高さ）が６０ｍｍ、短い対角線の長さ（幅）が５ｍｍ、長さが２４０ｍのサイズの外殻１１５Ａを１．５ｍｍφ、３００ｍｍ長の回転心棒１１５Ｂに取り付けたルーバー体１１５を２体、図１に示したようにランプハウス１１０の下面開口部１１３のさらに下方に近接して並置している。

この場合、図５のグラフに示したように、並置した両ルーバー体１１５について、その傾き角度θを１５°にしたときに紫外線照度の均斉度が８％になった。これは、従来の補助反射板により得られる均斉度３２％に較べて格段に良好なものであった。

ただし、照度の均斉度は、次の式によって求めたものである。

（均斉度）＝（最高照度値−最低照度値）／（最高照度値＋最低照度値）×１００％
なお、本実施の形態の紫外線照射ユニットでは、ルーバー体１１５の構造は特に限定されず、軸心の周りに回転可能で、かつ、回転させることで反射特性が変化する形状のものを採用することができ、例えば、楕円断面形状のもの、四角断面形状のもの、羽根形等でかつ外表面が鏡面となっている部材を採用することができる。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の紫外線照射装置について、図６〜図１２を用いて説明する。図６に示したように本実施の形態の紫外線照射装置１０は、処理室１１内の所定位置に置かれている被照射体に紫外線を照射して紫外線照射処理するために処理室１１の上に複数体の紫外線照射ユニット１０Ａを並べて設置した構成である。

図７に示したように、各紫外線照射ユニット１０Ａは、下方が開口するランプハウス１３０の内部中央部に紫外線放電ランプ１３１を配置し、ランプハウス１３０内で紫外線放電ランプ１３１の側方及び上方を覆い、当該紫外線放電ランプ１３１からの紫外線をほぼ平行光線にして下方に反射させるように逆Ｕ字断面の反射面を持ち、５００ｎｍ以上の光線は透過するコールドミラーで成る主反射体１３２を配置し、本実施の形態の特徴である開閉自在なシャッター装置１３５を紫外線放電ランプ１３１の下方で、かつ、主反射体１３２の下面開口部を閉塞できる位置に配置し、さらにその下方のランプハウス開口部近くの両側に補助反射板１３３を配置した構成である。

紫外線放電ランプ１３１は、例えば、紫外線透過性を有する石英製の気密性容器の内部にタングステン（Ｗ）製等の電極が配置された外管径２７．５ｍｍ、肉厚１．５ｍｍ、発光長Ｌが１０００ｍｍ、ランプ電圧１２７５Ｖ、ランプ電圧値１３．５Ａの紫外線ランプが利用可能である。気密性容器の内部には、アルゴン（Ａｒ）ガス等の希ガス、水銀（Ｈｇ）、そして波長領域３００〜４００ｎｍにおいて水銀のスペクトル以外に少なくとも１つ以上の発光を有する金属封入物が封入されたランプが好適なものとして用いることができる。例えば、気密性容器の内部に水銀と少量の希ガスを封入させた高圧水銀ランプ、気密性容器の内部に水銀とハロゲン化した金属を封入したメタルハライドランプ、さらには、気密性容器の内部に水銀と少量の希ガスと共に、ハロゲン化タリウムを封入したタリウムランプを用いることができる。

図７に示したように、シャッター装置１３５はルーバー体１３５Ａを複数体、本実施の形態では２体をランプハウス１３０内の放電ランプ１３１の下方で、かつ、主反射体１３２の下面開口部を閉塞するように配置して構成している。

図８に詳しく示したように、ルーバー体１３５Ａは、３６５ｎｍ波長における正反射率９０％の特性を有する高輝度アルミニウム材で菱形に形成した外殻１３５−１とその中心に挿通した回転心棒１３５−２により構成されていて、ランプ軸方向の両端においてランプハウス１３０の側面にて回転可能に支持される。このルーバー体１３５Ａは、回転心棒１３５−２を回転させることで所定の傾き角度に保つことができる。図８には、実施例として、用いるロングアークの紫外線放電ランプ１３１のランプ長が１０００ｍｍであるときの寸法が示してあり、外殻１３５−１の長さが１０００ｍｍ、長い方の対角線の長さ（高さ）１１０ｍｍ、短い方の対角線の長さ（幅）１０ｍｍ、回転心棒１３５−２の径は８ｍｍφ、長さは１２００ｍｍである。

図９、図１０に示したように、各ルーバー体１３５Ａは、回転心棒１３５−２を回転させることで独自に他のルーバー体１３５Ａと異なる傾き角度の姿勢を保つことができ、被照射体（図示せず）の被照射面（水平面）の法線Ｌ１と当該ルーバー体１３５Ａの菱形の外殻１３５−１の長い方の対角線Ｌ２とのなす角度θを各自調整することができる。図６、図１０（a）はシャッター装置１３５の閉塞状態を示し、図１０（ｂ）はシャッター装置１３５の開状態を示している。

次に、上記構成の紫外線照射装置１０による紫外線照射動作について、図１１を用いて説明する。紫外線照射の停止時には、図１１（ａ）に示すように、並設された４体の紫外線照射ユニット１０Ａそれぞれにおいて、紫外線放電ランプ１３１を放電点灯させた状態のまま、各シャッター装置１３５を閉じた状態にする。つまり、各シャッター装置１３５を構成する並置された２体のルーバー体１３５Ａを長い方の対角線が水平になる状態に回転させて主反射体１３２の下面開口部を閉塞し、紫外線がこの下面開口部から下方へ放出しないようにする。

紫外線照射を開始し、あるいは再開する時には、図１１（ｂ）に示すように、各シャッター装置１３５のルーバー体１３５Ａを所定の傾き角度θまで回転させ、主反射体１３２の下面開口部を開放する。これにより、紫外線放電ランプ１３１から下側に放射される紫外線は直接に下方に向かい、また紫外線放電ランプ１３１から上側、側方に放射される紫外線は主反射体１３２により反射され、その反射紫外線が下方に向かう。これら紫外線はルーバー体１３５Ａに達してその高輝度アルミニウムの外殻１３５−１に当たって反射散乱され、さらに下方に向かい、ランプハウス１３０から下方へ出て被照射体に照射される。

このシャッター装置１３５の各ルーバー体１３５Ａを通過する際に、紫外線は各ルーバー体１３５Ａの傾き角度θに応じて反射方向が異なることになるので、各ルーバー体１３５Ａの傾き角度θを変更しながら被照射体の被照射面上の照度分布を計測することでその均斉度が一様になるように調整する。

本実施の形態では、図８に示したように、外殻１３５−１の高さが１１０ｍｍ、幅が１０ｍｍ、長さが１０００ｍｍのサイズのルーバー体１３５Ａを採用している。この場合、図６、図１１に示したように４体の紫外線照射ユニット１０Ａを並置して構成した紫外線照射装置について照度分布の均斉度を測定した。この照度分布の均斉度の測定結果を図１２のグラフに示してある。このグラフから明らかなように、シャッター装置１３５の各ルーバー体１３５Ａの開き角度θ＝１５°の時に照度分布の均斉度がいちばん良好になることが確認できた。そしてその時の均斉度は８％であった。これに対して、シャッター装置１３５を設置しない従来装置の場合、均斉度は１６％であった。

尚、本発明の紫外線照射装置では、ルーバー体１３５の構造は特に限定されず、軸心の周りに回転可能で、かつ、回転させることで主反射体１３２の下面開口部を閉塞できる形状で、かつ回転によって反射特性が変化する形状のものを採用することができ、例えば、楕円断面形状のものを採用することができる。

（第３の実施の形態）図１３〜図１８を用いて、本発明の第３の実施の形態の紫外線照射装置２０について説明する。図１３、図１４に示したように本実施の形態の紫外線照射装置２０は、処理室２１内の所定位置に置かれている被照射体に紫外線照射処理をするために処理室２１の上に複数体の紫外線照射ユニット２０Ａを並べて設置した構成である。

図１５に示したように、各紫外線照射ユニット２０Ａは、下方が開口するランプハウス１４０の内部に複数本、本実施の形態では４本のエキシマ放電ランプ１４１を配置してある。このエキシマ放電ランプ１４１には、ランプハウス１４０内でエキシマ放電ランプ１４１の側方及び上方を覆い、当該放電ランプ１４１からの紫外線をほぼ平行光線にして下方に反射させるように半円形断面の反射面を持ち、１７２ｎｍの紫外線に対する反射率５０％の反射特性を持つＳＵＳ製の反射板兼外面電極１４２が設置してある。本実施の形態の特徴である補助反射板１４３が、ランプハウス１４０の下面開口部の両縁にランプ１４１の軸方向に平行に設置してある。１４４はランプハウス１４０の下面開口部に設けられた窓材である。

エキシマ放電ランプ１４１は、１７２ｎｍの単一波長の紫外線を放射する誘電体バリア放電を利用した誘電体バリア放電ランプであり、ランプ容器内にキセノンガスを封入し、上述した外面電極１４２をランプ容器の外面に設置したものである。

図１６に示したように、補助反射板１４３は、１７２ｎｍの紫外線に対して正反射率５０％以上の特性を持つ高輝度アルミニウム材で菱形に形成した外殻１４３Ａとその中心に挿通した回転心棒１４３Ｂにより構成されていて、ランプ軸方向の両端においてランプハウス１４０の側面にて回転可能に支持されている。補助反射板１４３は、回転心棒１４３Ｂを回転させることで所定の傾き角度に保つことができる。図１６には、実施例として、用いるエキシマ放電ランプ１４１のランプ長が４００ｍｍであるときの寸法が示してあり、外殻１４３Ａの長さが４００ｍｍ、長い方の対角線の長さ（高さ）３ｍｍ、回転心棒１４３Ｂの径は１．５ｍｍφ、長さは５００ｍｍである。

図１７に示したように、各補助反射板１４３は、回転心棒１４３Ｂを回転させることで任意の傾き角度の姿勢を保つことができ、被照射体（図示せず）の被照射面（水平面）の法線Ｌ１と当該補助反射板１４３の菱形の外殻１４３Ａの長い方の対角線Ｌ２とのなす角度θを調整することができる。

次に、上記構成の紫外線照射装置２０による紫外線照射動作について説明する。誘電体バリア放電ランプはバッチ点灯点滅制御ができ、瞬時に点灯できるので、シャッターを必要とせず、必要な時に点灯させて被照射体に対して紫外線照射することができる。そこで、補助反射板１４３を適宜の傾き角度θにした状態で、紫外線照射を開始する。これにより、各エキシマ放電ランプ１４１から下側に放射される紫外線は下方に向かい、ランプハウス１４０の側部に広がった光も補助反射板１４３にて反射されて中央側に戻されてさらに下方に向かい、ランプハウス１４０から下方へ出て被照射体に照射される。

この補助反射板１４３によって反射する際に、紫外線はその傾き角度θに応じて反射方向が異なるので、傾き角度θを変更しながら被照射体の被照射面上の照度分布を計測することでその均斉度が一様になるように傾き角度θを調整することができる。

本実施の形態では、図１３、図１４に示したように、４体の紫外線照射ユニット２０Ａを並置して構成した紫外線照射装置について照度分布の均斉度を測定した。この照度分布の均斉度の測定結果を図１８のグラフに示してある。このグラフから明らかなように、補助反射板１４３の傾き角度θ＝１５°の時に照度分布の均斉度がいちばん良好になることが確認できた。そしてその時の均斉度は８％であった。これに対して、補助反射板を設置しない構造の場合、均斉度は３２％であった。

尚、本発明の紫外線照射装置では、補助反射板１４３の構造は特に限定されず、軸心の周りに回転可能で、かつ、回転させることで反射特性が変化する形状のものを採用することができ、例えば、楕円断面形状のものを採用することができる。

本発明の第１の実施の形態の紫外線照射ユニットの断面図。 上記実施の形態における紫外線照射ユニットにおけるルーバー体の斜視図。 上記実施の形態におけるルーバー体の作用説明図。 上記実施の形態の紫外線照射ユニットを４体用いた紫外線照射装置の斜視図。 上記実施の形態におけるルーバー体の開き角度θと紫外線照度分布の均斉度との関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態の紫外線照射装置の斜視図。 上記実施の形態の紫外線照射装置を構成する紫外線照射ユニットの断面図。 上記実施の形態における紫外線照射ユニットにおけるシャッター装置に用いられるルーバー体の斜視図。 上記実施の形態におけるシャッター装置の作用説明図。 上記実施の形態において紫外線放射を遮断するためにシャッター装置を閉じた状態の断面図及び紫外線照射のためにシャッター装置を開いた状態の断面図。 上記実施の形態の紫外線照射装置において紫外線放射を遮断するために各シャッター装置を閉じた状態の断面図及び紫外線照射のためにシャッター装置を開いた状態の断面図。 上記実施の形態におけるシャッター装置の開き角度θと紫外線照度分布の均斉度との関係を示すグラフ。 本発明の第３の実施の形態の紫外線照射装置の斜視図。 上記実施の形態の紫外線照射装置の断面図。 上記実施の形態の紫外線照射装置を構成する紫外線照射ユニットの断面図。 上記実施の形態における補助反射板の斜視図。 上記実施の形態における補助反射板の作用説明図。 上記実施の形態における補助反射板の傾き角度θと紫外線照度分布の均斉度との関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 紫外線照射ユニット
２ 紫外線照射装置
１０ 紫外線照射装置
１０Ａ 紫外線照射ユニット
１１ 処理室
２０ 紫外線照射装置
２０Ａ 紫外線照射ユニット
２１ 処理室
１１０ ランプハウス
１１１ 紫外線放電ランプ
１１２ 主反射体
１１３ 下面開口部
１１４ メッシュ
１１５ ルーバー体
１１５Ａ 外殻
１１５Ｂ 回転心棒
１２１ マグネトロン
１２２ 導波管

Claims (3)

1. 長尺管状の放電ランプと、
   前記放電ランプを収容し、当該放電ランプの放射する紫外線を下面開口から下方の被照射体に向けて出射させるランプハウスと、
   前記放電ランプから出射される光の照度を調整する光学機構とを備えた紫外線照射ユニットであって、
   前記光学機構は、軸周りの回転によって散乱特性が変化する反射面を有するルーバー体を複数体並置したルーバー装置で構成されていることを特徴とする紫外線照射ユニット。
2. 前記ルーバー体は、菱形断面形状の反射面を持つ外殻と、前記外殻の中心部に挿通された回転心棒で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射ユニット。
3. 前記ルーバー体は、その水平状態で前記ランプハウスから被照射体に向けて出射する光を遮断できる数だけ並置されていることを特徴とする請求項２に記載の紫外線照射ユニット。

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