JP5057071B2 - エキシマランプ - Google Patents

Description

この発明はエキシマランプに関し、特に、放電容器の形状が直方体であるエキシマランプに関する。

金属やガラスなどに、波長２００ｎｍ以下の真空紫外光を照射する処理技術が存在する。この技術は、真空紫外光を、直接、処理物に照射するか、あるいは、真空紫外光の照射によってオゾンを生成させて、このオゾンによって処理するものであり、例えば、処理物の表面に付着した有機汚染物質を除去する洗浄処理や、処理物の表面に酸化膜を形成する技術が存在する。

波長２００ｎｍ以下の真空紫外光を放射する光源は、誘電体バリア放電を利用したエキシマランプが知られている。このエキシマランプは、放電容器の内部にエキシマ分子を生成させる放電用ガスを充填し、誘電体バリア放電（別名、オゾナイザ放電あるいは無声放電。電機学会発行改訂新版「放電ハンドブック」平成１年６月再版７刷発行第２６３頁参照）によってエキシマ分子を形成させて、このエキシマ分子から放射される光を放射するものである。エキシマランプは、従来の低圧水銀放電ランプや高圧放電ランプにはない種々の特徴、例えば、単一波長の紫外光を強く放射する、を有している。

エキシマランプは、放電容器の形状が円筒形状のランプや、直方体形状のランプが存在する。いずれの放電容器も、円管状ガラス材料から成形するわけであるが、放電容器が円筒形状であるランプは、材料と同一形状であるため製造工程が容易であるという利点を有していた。その一方で、平板状の処理物に対して、処理物表面における照射分布が不均一になってしまうという問題があった。従来は、このような問題を解決するために、エキシマランプを、処理物とは別に、区画された不活性雰囲気のランプハウスに内蔵させて、当該ランプハウスの光透過性ガラスを介して照射処理する技術が存在していた。例えば、特許第３２１１５５６号、特許第２８５４２５０号などが参照される。

また、放電容器が直方体形状のエキシマランプも提案されている。このエキシマランプは、ランプの放射面が、処理物と同様に平面状であるため、処理物における照度分布を均一することができる。このランプは、例えば、特開２００４−９７９８６号、特開２００４−１０３４５８号、特開２００４−１１１３２６号、特開２００４−１１９９４２号、特開２００４−１２７７１０号などに紹介されている。

また、放電容器が直方体形状のエキシマランプであっても、放射光が、放電容器から放射される時点で、すでに放射強度が不均一という場合がある。つまり、ランプの放射面を、処理物と同様に平面状にしたとしても、処理物における照度分布を均一にできないという問題を有していた。

特開２００４−９７９８６号 特開２００４−１０３４５８号 特開２００４−１１１３２６号 特開２００４−１１９９４２号 特開２００４−１２７７１０号

この発明が解決しようとする課題は、放電容器が直方体形状であるエキシマランプにおいて、放電容器の放射面において、真空紫外光の強度を均一にできるランプ構造を提案することである。

上記課題を解決するために、この発明に係るエキシマランプは、真空紫外線を透過する誘電体材料からなる断面矩形の長尺状の放電容器と、この放電容器の内部に封入されたエキシマ発光のための放電用ガスと、放電容器の外面に形成された電極とよりなる。そして、前記放電容器は、前記電極が形成された部分に相当する放電空間側内壁面に、アルコキシドを塗布することで形成された平滑化膜を有することを特徴とする。

前記平滑化膜はシリカ粒子が含まれていることを特徴とする。さらに、アルミナ粒子が含まれていることを特徴とする。

ここで、本発明に係るエキシマランプの作用について説明する。図５は、放電容器の壁の肉厚が不均一である構造を模式的に示す図である。放電容器１０の外壁面に一対の電極１１（１１ａ、１１ｂ）が配置され、両電極間に、所定の電力が供給されると放電空間Ｓに放電プラズマＰが発生する。ここで、放電容器１０の内壁面、すなわち、放電空間側表面に局所的な凹部Ｇ（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）が形成されると、放電距離（ギャップ長）も当該部分だけ局所的に長くなり、放電プラズマＰの発生密度も変化してしまう。すなわち、本発明者らは、放射強度の場所的不均一という問題について、鋭意検討を重ねた結果、放電容器の肉厚が場所的に不均一であることが主原因の一つであることを突き止めた。

そして、放電容器の肉厚が局所的に不均一になる現象は、放電容器の形状が円管状であるエキシマランプに比べて、放電容器の形状が直方体であるエキシマランプの場合に、より顕著に発生していた。図６は放電容器を直方体（断面矩形）に成形する製造方法を概念的に示すものである。製造は、円管状のガラス管６０を外周囲からバーナで加熱しつつ、成形型６１をガラス管６０の内部に挿入する。成形型６１は、成形板部６１０と保持部６２０から構成されており、ガラス管６０の内部に挿入することにより、成形板部６１０の形状に、ガラス管６０の形状がリサイズされる。しかしながら、このような製造を繰り返していると、成形板部６１０に欠損や変形を生じることがあり、当該欠損や変形、あるいは付着物の存在によって、放電容器内壁に凹部が生じさせる。従って、図５における凹部Ｇは、放電容器の長手方向、すなわち、図６において成形型６１を挿入する方向に沿って溝のごとく伸びるように形成されることが多い。

本発明は、このような直方体形状の放電容器を有するエキシマランプの製造方法における特有の技術課題に対して、その解決手段を提案するにほかならない。

放電容器の壁部分における肉厚の薄い部分に対して、アルコキシドが塗布されることで、当該部分にシリカが補填されることとなり、結果として、放電容器の壁の肉厚の均一化が図られ、放射強度の場所的均一化が達成できる。

図１は本発明に係るエキシマランプの全体構造を概略的に示す斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面構造を示し、図３は図１のＢ−Ｂ断面構造を示す。
エキシマランプ１は、両端が気密に封止されて内部に放電空間Ｓが形成された、断面矩形状であって中空長尺状の放電容器１０を備えている。放電容器１０は上壁１０ａ、下壁１０ｂ、前壁１０ｃ、後壁１０ｄ、側壁１０ｅ、側壁１０ｆの全体が扁平形状の直方体を形成しており、材料はシリカガラス（石英ガラス）から構成される。真空紫外光の透過性に優れるからである。本実施例では下壁１０ｂが紫外線放射部となる。

放電容器１０の上壁１０ａと下壁１０ｂの外壁面には、一対の平板状電極１１（１１ａ、１１ｂ）が配置している。いずれの電極も格子状であって、電極全体としては放電空間内で発生した紫外光を透過できるようになっている。電極１１は、例えば、金属よりなる材料を放電容器１０にペースト塗布することにより、または、プリント印刷することにより形成される。

両電極には、図示略の交流電源が接続されており、所定の電力が供給されるとランプ電流が流れる。電極１１ａと電極１１ｂは、いずれも放電容器１０の外側、すなわち、放電空間Ｓとは反対側の表面に設けられているので、電極１１ａ⇒放電容器の上壁１０ａ⇒放電空間Ｓ⇒放電容器の下壁１０ｂ⇒電極１１ｂという経路で電流が流れる。ここで、ランプ電流は、放電容器１０の壁の一部である上壁や下壁を介在する形で流れることとなり、放電空間Ｓにおいて生じる放電は、誘電体材料であるシリカガラスを介在する放電、すなわち、誘電体バリア放電（「誘電体材料障壁放電」ともいう）となる。

放電空間Ｓには、誘電体バリア放電によってエキシマ分子を形成するとともに、このエキシマ分子から真空紫外光を放射する放電用ガス、例えば、キセノンガスやアルゴンガスが封入される。誘電体バリア放電は、単一波長の真空紫外光を強く放射するという、従来の低圧水銀放電ランプや高圧アーク放電ランプにはない特徴を有している。ここで「単一波長の光」とは、放電容器内に封入されたガスによって決まり、キセノンガス（Ｘｅ）を封入した場合は波長１７２ｎｍの光、アルゴンガス（Ａｒ）と塩素ガス（ＣＬ）の混合ガスを封入した場合は波長１７５ｎｍの光、クリプトン（Ｋｒ）と沃素（Ｉ）の混合ガスを封入した場合は波長１９１ｎｍの光、アルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）の混合ガスを封入した場合は波長１９３ｎｍの光、クリプトン（Ｋｒ）と臭素（Ｉ）の混合ガスを封入した場合は波長２０７ｎｍの光、クリプトン（Ｋｒ）と塩素（ＣＬ）混合ガスを封入した場合は波長２２２ｎｍの光となる。

放電容器１０の壁のうち、電極が形成された壁部分に相当する放電空間側の内壁面、すなわち、本実施例でいえば、電極１１ａが形成された上壁１０ａの内壁面と、電極１１ｂが形成された下壁１０ｂの内壁面に平滑化膜１２が形成されている。この平滑化膜１２は、アルコキシドを塗布することで形成されたものであり、アルコキシドは、例えば、オルトケイ酸テトラエチルに起因するアルコキシル基を含む液体を放電容器の内壁に塗布し、当該アルコキシル基が加水分解されることで、シリカとして放電容器の内壁に残ったものである。このような平滑化膜を形成させることで、放電容器１０の内壁に、壁の肉厚が局所的に薄い部分、すなわち、肉薄部Ｐが存在していたとしても、内壁の肉厚を均一にすることができる。

平滑化膜１２は、例えば、「流下法」で作ることができる。具体的には、まず、前記図６の製法により断面矩形状の筒状の容器部材を作る。この容器部材は、後に放電容器となるものではあるが、現段階では、封止部が形成されていない。次に、一端の開口からコート液を流しこむ。コート液は、放電容器になった場合の上壁１０ａもしくは下壁１０ｂのいずれかの内壁面が全体に濡れるように流しこまなければならない。そして、コート液を自然乾燥させて溶剤を蒸発させる。当該内壁面全体にコート液が塗布されたならば、その肉厚を測定して平滑性を確認する。肉厚の測定は、例えば表面粗さ計（東京精密製SURFCOM 130A）により行う。肉厚が均一になったならば、次に、下壁１０ｂもしくは上壁１０ａのコートしていない内壁面にも同様に行う。平滑化膜１２は、平均表面粗さが２０μｍ以下でなければならない。放電ギャップ長のバラツキ（不均一）が放射強度に影響を及ぼさないレベルだからである。

コート液は、結着剤および溶剤から構成される。結着剤は、エタノール、酢酸、オルトケイ酸テトラエチルを３：１：１の重量比で混合させた液体であって、例えば、２４時間還流させたものを用いる。溶剤は、コート液における結着剤の濃度を調整するものである。例えば、エタノールを用いる。結着剤の濃度で膜厚を微調することが可能である。一例をあげると、結着剤１００ｇ、溶剤１０ｇを容器に計量混合し、一昼夜ミキシングを行い均等に拡散させる。このコート液からおよそ１μｍの平滑化膜を作ることができる。１０μｍの平滑化膜を得るためには、上記コート液を用い、１０回コートを繰り返すことにより得ることができる。１０μｍ程度の厚膜を得るための方法として別な手段もある。上記コート液にシリカ粒子を平滑化膜の骨材として混合すれば、１０回コートを繰り返すことなく１０μｍの厚膜を得ることができる。例えば、結着剤を１０ｇ、平均粒径０．１μｍのシリカ粒子を３０ｇ、溶剤を１００ｇを容器に計量混合し、一昼夜ミキシングを行い均等に拡散させる。このコート液から１回のコートで１０μｍの平滑化膜を作ることができる。混合する粒子は小さいものほど平滑化膜を得やすい。

コート液中に含まれる結着剤は、オルトケイ酸テトラエチルに起因するアルコキシル基を有する。アルコキシル基は加水分解されるが、一部分解されなかったものが残留物として膜中に残る。この残留物は酸素雰囲気中で加熱処理されると取り除かれ、結着剤はシリカとなって、凹部を含めて容器部材の内壁面に溶融付着する。なお、十分な酸素雰囲気下で加熱燃焼させても、全ての残留アルコキシル基を完全に取り除くことは一般にはできない。シリカ炭素結合（ＳｉＣ結合）は高温でも安定であり、高温で加熱燃焼させても分解せずに残るからである。従って、放電容器を構成する材料と、平滑化膜は、シリカガラスという同一の材料ではあるが、放電容器の内壁部分におけるカーボン濃度を検知することで、本発明における平滑化膜を使用した事実を把握することができる。

図４は本発明に係るエキシマランプの他の実施形態を示す。
本実施例は、上壁１０ａの内壁面に塗布された平滑化膜１２の中にシリカ粒子１３が含まれていることを特徴としており、この点のみが図１から図３に示した実施例と相違する。
平滑化膜１２に、シリカ粒子（ＳｉＯ２）１３を含有させることで、平滑化膜１２に反射機能を持たせることができる。また、シリカ粒子１３以外にアルミナ粒子（ＡＬ２Ｏ３）も併せて含有させることができる。シリカ粒子は、放電容器を構成する材料と同じ物質でもあるため接着性（接着強度）という点で有用である。また、アルミナ粒子はシリカ粒子よりも紫外線を反射する能力が高い点で利用される。
なお、下壁１０ｂの内壁面に塗布された平滑化膜１２にはシリカ粒子やアルミナ粒子は含まれていない。下壁１０ｂから紫外線を外部に放射するからである。

シリカ粒子以外の粒子はアルミナ粒子に限定されるわけではなく、シリカ粒子よりも紫外線の反射能力が高い粒子であれば代替させることができる。例えば、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化ランタン、フッ化セリウム、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムの粒子を使うことができる。また、放電容器への接着性と真空紫外光の反射特性を低下させないという機能を併せて有する限り、シリカ粒子とアルミナ粒子に加えて上記粒子を混在させてもよい。ただし、酸化チタン（ＴｉＯ２）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）は、異物を放電空間内に放出してしまうという理由から、積極的に含めることは好ましくないが、製造工程において、不純物として不所望に混入してしまう程度はしかたない。

シリカ粒子（ＳｉＯ２）と他の粒子との混合比率は、放電容器の接着性という観点からシリカ粒子を３０重量％以上とすることが好ましく、また、他の粒子として、アルミナ粒子を使った場合は、真空紫外光の反射機能という観点も考慮して、シリカ粒子の比率は５０〜１００重量％未満の範囲が好ましい。なお、このようなシリカ粒子やアルミナ粒子を平滑化膜に含有させる方法は、平滑化膜を製造する際のコート液にこれら粒子を含ませておくとよい。

次に、本発明の効果を確認する実験を行った。未処理(平滑化膜を施していない)の放電容器の平均粗さが58μm、最大粗さ（P-P）が87μmである場合に、平滑化膜としてシリカアルコキシドを塗布させた場合（実験例１）、平滑化膜としてシリカアルコキシドとシリカ粒子（90重量％）を塗布させた場合（実験例２）、平滑化膜としてシリカアルコキシドとシリカ粒子（10重量％）を塗布させた場合（実験例３）の各粗さを測定した。その結果、実験例１は平均粗さが0.5μm、最大粗さが1.1μmであり、実験例２は平均粗さが13μm、最大粗さが15μmであり、実験例３は平均粗さが1.2μm、最大粗さが2.1μmであった。シリカアルコキシドは段落0021の記載方法による。この結果、平滑化膜を施すことで、平均粗さも最大粗さも大きく低減できることがわかる。そして、平均粗さや最大粗さが小さいほど放射強度の均一性が図られていた。なお、シリカ粒子は反射機能を高めるためには有用であるが、平滑化という点では含有量は少ないほうが良いことがわかる。

以上説明したように、本発明に係るエキシマランプは、放電容器の電極が形成された部分に相当する放電空間側内壁面に平滑化膜を設けているので、放電容器の壁の肉厚の均一化が図られ、放射強度の場所的均一化が達成される。

本発明に係るエキシマランプを示す。 放電容器と粒子の接合部分の拡大図を示す。 粒子による紫外線反射の原理を説明するための図を示す。 粒径の測定方法を説明するためのヒストグラムを示す。 本発明に係るエキシマランプの他の実施形態を示す。 本発明に係るエキシマランプの他の実施形態を示す。

符号の説明

１ エキシマランプ
１０ 放電容器
１１ 電極
１２ 平滑化膜
１３ シリカ粒子

Claims (3)

1. 真空紫外線を透過する誘電体材料からなる断面矩形の長尺状の放電容器と、この放電容器の内部に封入されたエキシマ発光のための放電用ガスと、放電容器の外面に形成された電極とよりなるエキシマランプにおいて、
   前記放電容器は、前記電極が形成された部分に相当する放電空間側内壁面に、アルコキシドを塗布することで形成された平滑化膜を有することを特徴とするエキシマランプ。
2. 前記平滑化膜に、シリカ粒子が混在していることを特徴とする請求項１のエキシマランプ。
3. 前記平滑化膜に、アルミナ粒子が混在していることを特徴とする請求項２のエキシマランプ。

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