JP2016081695A

JP2016081695A - エキシマ放電ランプ

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Publication number: JP2016081695A
Application number: JP2014211384A
Authority: JP
Inventors: 山崎　憲五; Kengo Yamazaki; 憲五山崎
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】真空紫外光を発生し、しかも、長時間にわたって透過率の低下が抑制されて点灯初期の照度劣化が抑制されるエキシマ放電ランプの提供。【解決手段】エキシマ放電ランプは、両端の各々が封止部によって封止されたサファイアからなる発光管と、前記発光管の管壁を介して互いに離間して配置された一対の電極とを備え、前記発光管内に発光ガスが封入されてなり、前記一対の電極の少なくとも一方は、発光管の外周面に沿って設けられ、前記発光管を形成するサファイアが、Ｔｉ、ＦｅおよびＭｎの３種に係る不純物の合計の濃度が、５ｐｐｍ以下のものであることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、殺菌、光洗浄、表面処理、光露光などに使用される真空紫外光を発生するエキシマ放電ランプに関する。

従来、殺菌、光洗浄、表面処理、光露光などの各種の処理を行うための真空紫外光を得る目的で、エキシマ放電ランプが使用されている。
エキシマ放電ランプは、誘電体となる放電容器内に、適宜の発光ガスを封入し、放電容器内における誘電体エキシマ放電によりエキシマ分子を生成させることにより、エキシマ分子からエキシマ光を放射させるものである。エキシマ放電ランプにおいて得られるエキシマ光は、発光ガスとして例えばアルゴンガスおよびフッ素ガスを封入した場合には波長１９３ｎｍの紫外光、キセノンガスを封入した場合には波長１７２ｎｍの紫外光、クリプトンガスを封入した場合には波長１４６ｎｍの紫外光、アルゴンガスのみを封入した場合には波長１２６ｎｍの紫外光となる。

そして、光洗浄、特にデスミア処理などの分野においては、生産性の向上のために処理時間を短縮することが要請されている。処理時間を短縮する方法としては、照射する紫外光を、より短波長のものとする方法が挙げられる。光のエネルギーは波長の逆数に比例して高くなるため、短波長の光の方が高いエネルギーを有し、その結果、炭化水素などの不純物の分解が促進されるからである。

一方、エキシマ放電ランプの放電容器としては、従来、石英ガラス製のものが使用されてきた。
然るに、石英ガラスは波長１６０〜１７０ｎｍの光の透過率が低く、また、波長１５０ｎｍ以下の光をほとんど透過しないので、短波長の真空紫外光を発生するエキシマ放電ランプにおける放電容器の材料としての使用には適さない。
短波長の真空紫外光の透過率が高い材料としては、フッ化マグネシウム(ＭｇＦ₂)やフッ化カルシウム(ＣａＦ₂)などが挙げられる。
しかしながら、これらはいずれも大きな結晶を得ることが難しく、従って、エキシマ放電ランプの放電容器の材料としては、実用性が極めて低い。

短波長の真空紫外光の透過率が高く、かつ、大きな結晶を得ることができる材料として、サファイア（単結晶アルミナ)が挙げられる。例えば、特許文献１には、石英ガラス製の放電容器にサファイアがコーティングされてなるエキシマランプが開示されており、また、特許文献２には、サファイアの発光管を備えるエキシマランプが開示されている。

しかしながら、通常、サファイアよりなる発光管やサファイアがコーティングされた放電容器を用いたエキシマ放電ランプにおいては、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を発生させる場合に、点灯時間の経過に伴って透過率が低下し、その結果、点灯初期に急激に照度が低下する、という照度劣化の問題がある。そのため、サファイアよりなる発光管やサファイアがコーティングされた放電容器を用いたエキシマ放電ランプから発生させる光としては、アルゴンガスおよびフッ素ガスを封入したときに得られる波長１９３ｎｍの紫外光程度が下限であった。

特開２００８−１４６９０６号公報特開２００９−１６３９６５号公報

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、その目的は、真空紫外光を発生し、しかも、長時間にわたって透過率の低下が抑制されて点灯初期の照度劣化が抑制されるエキシマ放電ランプを提供することを目的とする。

本発明の発明者らが上記の問題を鋭意研究したところ、サファイアにおける特定の不純物の濃度を低く抑制した場合には、波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光を照射しても急速な透過率の低下は生じないことが明らかとなった。
すなわち、通常のサファイアに、波長１８０ｎｍよりも短波長の真空紫外光が照射されると、その一部がサファイアに吸収され、サファイアに含まれる不純物、例えばＴｉＯ₂中の４価のイオンであるＴｉが、Ｔｉ⁴⁺→Ｔｉ³⁺→Ｔｉ⁰のように還元される。これに伴い、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）中の酸素欠陥が増大されて、真空紫外光の吸収が発生してしまう。そして、不純物の還元反応は、照射される光のエネルギーが高くなるほど、すなわち、波長が短いほど反応速度が大きくなる。

本発明のエキシマ放電ランプは、両端の各々が封止部によって封止されたサファイアからなる発光管と、前記発光管の管壁を介して互いに離間して配置された一対の電極とを備え、前記発光管内に発光ガスが封入されてなり、
前記一対の電極の少なくとも一方は、発光管の外周面に沿って設けられ、
前記発光管を形成するサファイアが、Ｔｉ、ＦｅおよびＭｎの３種に係る不純物の合計の濃度が、５ｐｐｍ以下のものであることを特徴とする。

本発明のエキシマ放電ランプにおいては、前記一対の電極の他方が、発光管の内部に設けられていることが好ましい。

本発明のエキシマ放電ランプにおいては、前記発光ガスが、キセノンガス、クリプトンガスまたはアルゴンガスの少なくとも１つであることが好ましい。

本発明のエキシマ放電ランプは、発光管を形成するサファイアにおける特定の不純物の濃度の上限が規定されている。これによって、長時間にわたってサファイアの透過率の低下が抑制されるので、点灯初期の照度劣化が抑制され、その結果、長時間にわたって波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光（ＶＵＶ）を得ることができる。

本発明のエキシマ放電ランプの一例における構成の概略を示す斜視図である。本発明のエキシマ放電ランプの別の一例における構成の概略を示す斜視図である。実施例および比較例のそれぞれに係るサファイアの波長に対する透過率を示すグラフである。実施例および比較例のエキシマ放電ランプの点灯時間に対する発光強度を示すグラフである。

以下、本発明のエキシマ放電ランプの実施の形態について説明する。

図１は、本発明のエキシマ放電ランプの一例における構成の概略を示す斜視図である。
このエキシマ放電ランプ１０は、両端がエンドキャップ１４，１５によって気密に封止された直管状の発光管１１を備えており、この発光管１１の内部には、発光ガスが封入されている。発光管１１の外周面には、互いに離間して一対の外部電極１２，１３が配置され、また、一方のエンドキャップ１５には、発光管１１内に発光ガスを封入するための排気管１９が設けられている。

発光管１１は、サファイア（単結晶アルミナ）よりなり、誘電体としての機能を有する。
そして、本発明においては、当該サファイアが、Ｔｉ、ＦｅおよびＭｎの３種に係る不純物の合計の濃度（以下、「特定の不純物合計濃度」ともいう。）が５ｐｐｍ以下のものとされている。
なお、通常、サファイア（単結晶アルミナ）の特定の不純物合計濃度は、１０〜３０ｐｐｍ程度である。
サファイアは大きな結晶を得ることができるので、大面積の照射を可能とするエキシマ放電ランプの発光管１１を形成することができる。
本発明において、特定の不純物合計濃度を０．５ｐｐｍ以下とすることは、実際上、困難である。

このような特定の不純物合計濃度のサファイアは、例えば、白金やイリジウムなどの貴金属による坩堝内において、溶融状態のサファイアの融液に種結晶を浸漬させ、当該融液中において当該種結晶を起点に結晶を成長させることにより、得ることができる。

封止部を構成するエンドキャップ１４，１５は、高純度アルミナよりなるものとされる。このエンドキャップ１４，１５を形成する高純度アルミナの熱膨張係数は、発光管１１を形成するサファイアの熱膨張係数の±２０％の範囲であることが好ましい。
発光管１１とエンドキャップ１４，１５との接合には、サファイア封止用フリットガラスを使用することができる。
一方のエンドキャップ１５に設けられた排気管１９の材料としては、ニオブ（Ｎｂ）などの金属を使用することができる。

発光管１１の外周面には、一対の外部電極１２，１３が、発光管１１の管軸方向に伸びるよう互いに径方向に離間した状態で対向して配置されており、これにより、一対の外部電極１２，１３間に誘電体として機能する発光管１１が介在された状態とされている。この外部電極１２，１３は、エンドキャップ１４，１５と非接触状態に設けられている。
このような外部電極１２，１３は、例えば、導電箔を発光管１１の外周面に貼り付けることによって形成することができる。また、金属よりなる電極材料を発光管１１の外周面にペースト塗布することにより、あるいは、プリント印刷することによっても形成することができる。

放電空間内には、キセノンガス、クリプトンガスまたはアルゴンガスの少なくとも１つからなる発光ガスが封入されている。放電空間内には、発光ガスと共に、ヘリウムガスやネオンガスなどのバッファーガスが封入されていてもよい。
発光ガスの封入圧は、０．１〜３０気圧であることが好ましい。
ここに、発光ガスとしてキセノンガスを封入した場合には波長１７２ｎｍにピークを有する真空紫外光、クリプトンガスを封入した場合には波長１４６ｎｍにピークを有する真空紫外光、アルゴンガスを封入した場合には波長１２６ｎｍにピークを有する真空紫外光が放射される。

上記のエキシマ放電ランプ１０の寸法の一例を挙げると、発光管１１の全長が２００ｍｍ、外径が２０ｍｍ、肉厚が１ｍｍである。

以上のエキシマ放電ランプ１０においては、一対の外部電極１２，１３間に電源１８により高周波の高電圧が印加されると、誘電体として機能する発光管１１の管壁を介して両電極１２，１３間に放電が生じ、これにより、放電空間にエキシマ分子が生成されると共にこのエキシマ分子から真空紫外光が放射される。

本発明のエキシマ放電ランプ１０は、発光管１１を形成するサファイアにおける特定の不純物合計濃度が５ｐｐｍ以下と規定されている。これによって、長時間にわたってサファイアの透過率の低下が抑制されるので、点灯初期の照度劣化が抑制され、その結果、長時間にわたって波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光（ＶＵＶ）を得ることができる。

以上、本発明の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、一対の外部電極を備えることは必須ではなく、図２に示されるように、一方の電極が外部電極２３として発光管１１の外周面に沿って設けられると共に、他方の電極が内部電極２２として発光管１１内に設けられることの他は、図１に示すエキシマ放電ランプ１０と同様の構成を有していてもよい。
具体的には、外部電極２３として例えばＳＵＳ製のメッシュ状のものを用いて、これを発光管１１の外周面の全面を覆う状態に配置する。内部電極２２は、例えばタングステンのフィラメントよりなるものとされる。内部電極２２は、発光管１１の管軸上に配置される。内部電極２２の一端は、一方のエンドキャップ１４を貫通して外部に伸びる例えばＮｂ製の電流導入端子２５の基端に電気的に接続され、他端は、排気管１９内に伸びてその先端において管肉と共に圧潰されることによって固定されている。電流導入端子２５は、エンドキャップ１４に対してフリットガラスによって封止されている。
このような構成を有するエキシマ放電ランプ２０は、内部電極２２を電源１８の高電圧側に接続することにより、絶縁破壊を生じさせやすいものとなる。

以下、本発明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２に示す構成を参照して、下記の仕様を有する本発明に係るエキシマ放電ランプ〔１〕を作製した。
［発光管（１１）］
寸法：全長２００ｍｍ、外径２０ｍｍ、円筒状
材質：サファイアＡ（特定の不純物合計濃度：３ｐｐｍ）
［外部電極（２３）］
材料：ＳＵＳメッシュ
［内部電極（２２）］
材料：タングステンのフィラメント
［排気管（１９）］
材質：Ｎｂ
［電流導入端子（２５）］
材質：Ｎｂ
［発光ガス］
種類：キセノンガス（波長１７２ｎｍにピークを有する真空紫外光を放射）
封入圧：全圧1気圧

＜実施例２＞
実施例１において、発光ガスをクリプトンガスに変更して波長１４６ｎｍにピークを有する真空紫外光を放射するものとした以外は同様にして、本発明に係るエキシマ放電ランプ〔２〕を作製した。

＜実施例３＞
実施例２において、サファイアＡをサファイアＢ（特定の不純物合計濃度：５ｐｐｍ）に変更した以外は同様にして、本発明に係るエキシマ放電ランプ〔３〕を作製した。

＜比較例１＞
実施例２において、サファイアＡをサファイアＣ（特定の不純物合計濃度：６ｐｐｍ）に変更した以外は同様にして、比較用のエキシマ放電ランプ〔４〕を作製した。

＜比較例２＞
実施例１において、サファイアＡをサファイアＤ（特定の不純物合計濃度：１０ｐｐｍ）に変更した以外は同様にして、比較用のエキシマ放電ランプ〔５〕を作製した。

＜比較例３＞
比較例２において、発光ガスをクリプトンガスに変更して波長１４６ｎｍにピークを有する真空紫外光を放射するものとした以外は同様にして、比較用のエキシマ放電ランプ〔６〕を作製した。

以上の実施例および比較例において用いたサファイアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに含有される各不純物の濃度を、表１に示す。
また、サファイアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの光の透過率について、波長に対する透過率を図３に示す。図３においては、サファイアＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれに係るグラフをＡ〜Ｄとして示した。

以上のエキシマ放電ランプ〔１〕〜〔６〕について、４０Ｗで点灯させ、点灯時間に対する発光強度の減衰の度合いを確認した。結果を図４に示す。図４においては、エキシマ放電ランプ〔１〕〜〔６〕のそれぞれに係るグラフを〔１〕〜〔６〕として示した。

以上の結果より明らかなように、本発明に係るエキシマ放電ランプによれば、比較用のエキシマ放電ランプと比較して、長時間にわたってサファイアの透過率の低下が抑制され、長時間にわたって波長１８０ｎｍ以下の真空紫外光（ＶＵＶ）を得ることができることが確認された。

１０エキシマ放電ランプ
１１発光管
１２，１３外部電極
１４，１５エンドキャップ
１８電源
１９排気管
２０エキシマ放電ランプ
２２内部電極
２３外部電極
２５電流導入端子

Claims

両端の各々が封止部によって封止されたサファイアからなる発光管と、前記発光管の管壁を介して互いに離間して配置された一対の電極とを備え、前記発光管内に発光ガスが封入されてなり、
前記一対の電極の少なくとも一方は、発光管の外周面に沿って設けられ、
前記発光管を形成するサファイアが、Ｔｉ、ＦｅおよびＭｎの３種に係る不純物の合計の濃度が、５ｐｐｍ以下のものであることを特徴とするエキシマ放電ランプ。
前記一対の電極の他方が、発光管の内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のエキシマ放電ランプ。
前記発光ガスが、キセノンガス、クリプトンガスまたはアルゴンガスの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエキシマ放電ランプ。