エキシマ放電ランプ
【課題】高管壁負荷条件下においてランプを点灯して高光量を保つことができると共に、長時間作動が可能な希ガスハロゲンエキシマ放電ランプを提供すること。
【解決手段】サファイア、ＹＡＧ、または単結晶イットリアの少なくとも１つからなる放電容器２の外表面に少なくとも１つの外部電極１０、１１を設け、放電容器２内にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入したエキシマ放電ランプであって、放電容器２の内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
【解決手段】サファイア、ＹＡＧ、または単結晶イットリアの少なくとも１つからなる放電容器２の外表面に少なくとも１つの外部電極１０、１１を設け、放電容器２内にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入したエキシマ放電ランプであって、放電容器２の内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線による樹脂の硬化、半導体基板やガラス基板等の表面洗浄、殺菌、光化学反応等を行うための紫外線放射に使用される放電ランプに係わり、特に、誘電体バリア放電を利用して、希ガスとフッ素のエキシマ発光を得るエキシマ放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
希ガスとハロゲンを封入したエキシマ放電ランプは、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の他のランプとは全く異なる放射特性を有し、特に、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等のランプでは得られない波長の紫外線を高効率で発生させることができる。
【０００３】
エキシマ放電ランプは、封入する希ガスとハロゲンとの組み合わせにより、放射する紫外線の波長を選択することができる。例えば、アルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）との組み合わせでは１９３ｎｍ、クリプトン（Ｋｒ）とフッ素（Ｆ）との組み合わせでは２４８ｎｍ、キセノン（Ｘｅ）とフッ素（Ｆ）との組み合わせでは３５１ｎｍ近傍の紫外線を得ることができる。特に、半導体のフォトリソグラフィに用いられる、１９３ｎｍの波長の紫外線が得られるＡｒＦエキシマ放電ランプや、２４８ｎｍの波長の紫外線が得られるＫｒＦエキシマ放電ランプでは、フォトレジストの特性試験、フォトマスクの検査等ヘの利用が可能である。
【０００４】
特許文献１には、石英ガラスからなる放電容器の内面を金属酸化物の不活性化層で被覆し、放電容器内に希ガスとハロゲンを封入したエキシマ放電ランプが開示されている。ハロゲンとしてフッ素や塩素を石英ガラス製放電容器に封入して使用すると、ハロゲン原子およびイオンが直に石英ガラスと反応し、ハロゲン化珪素および酸素を生成し、エキシマ放電が行われなくなるため、石英ガラス内面を被覆する必要性について記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、希ガスとハロゲンをサファイア製の放電容器に封入したエキシマ放電ランプが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−５９４５７号公報
【特許文献２】特許第３１７８１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の記載によれば、石英ガラス製放電容器の内壁を、金属アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、またはスカンジウム（Ｓｃ）の少なくとも１つから形成された無定形構造を有する酸化物で被覆することにより、少なくとも被覆していないランプと比べて１００倍の有効寿命が得られることが記載されている。
【０００７】
しかし、特許文献１の実施例には、希ガスとしてのキセノン（Ｘｅ）とハロゲンとしてのフッ素（Ｆ）を組み合わせたエキシマ放電ランプが記載されているが、直径２０ｍｍ、長さ２０ｃｍの放電容器内に充填されるガスは、キセノン（Ｘｅ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とを合わせて３１ｍｂａｒ（３１００Ｐａ）と低圧であって、入力電力も２０Ｗと小さいものである。
【０００８】
上記ような作動条件下では、放電容器は２００℃以上の高温とはなりえず、放電容器の内壁を覆う酸化物被膜は安定しているが、希ガスおよびハロゲンを利用したエキシマ放電ランプを工業的に利用するためには、より強い光量が必要であり、そのためには、エキシマ放電ランプの直径が２０ｍｍ、長さが２０ｃｍで、入力電力が４０Ｗ以上、ガス圧が１３０００Ｐａ以上ないと十分な光量が得られない。
【０００９】
仮に、特許文献１に記載のランプにおいて、封入圧を上げると放電容器の温度が上がり、フッ素と放電容器内面の被膜とが反応し、または被膜の不完全な部分を通してフッ素が石英ガラスと反応するため、発光効率が低下し、またはランプ電力を上げるために、入力電圧を上げようとすると、電子温度が上昇することにより内部電極と発光管内壁との間でスパッタリング現象が生じ、被膜が剥離する現象が起こる可能性がある。被膜が剥離すると、フッ素や塩素等のハロゲンが石英ガラスと反応して消耗し、ランプの発光強度が急速に低下することが予想される。
【００１０】
一方、特許文献２には、希ガスとハロゲンをサファイア製の放電容器に封入したエキシマ放電ランプの一実施例が開示されている。
【００１１】
本件発明者等は、特許文献２の図３に示されるランプ構成のエキシマ放電ランプを試作し、封入ガスとして、特許文献１に記載のアルゴン（Ａｒ）とフッ化物（ＳＦ６）を使用した。即ち、放電容器として円筒状のサファイア管を使用し、一対の外部電極を管壁に沿って管軸方向に配設したＡｒＦエキシマ放電ランプを試作した。しかし、工業用として必要な２Ｗ／ｃｍ２という高管壁負荷条件（電極面積に対する入力電力の割合）で点灯したところ、点灯後わずか１０時間でアルゴン−フッ素の発光波長１９３ｎｍの放射は消滅してしまった。このことは、特許文献１にアルミナの結晶質からなる放電容器ではフッ素に対するバリア作用は検出できなかったことが言及されており、そのことに符合する結果となった。
【００１２】
本発明の目的は、高管壁負荷条件下においてランプを点灯して高光量を保つことができると共に、長時間作動が可能な希ガスハロゲンエキシマ放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、サファイア、ＹＡＧ、または単結晶イットリアの少なくとも１つからなる放電容器の外表面に少なくとも１つの外部電極を設け、前記放電容器内にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入したエキシマ放電ランプであって、前記放電容器の内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第２の手段は、第１の手段において、前記放電容器は、管状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を管軸方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の両端側に有していることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第３の手段は、第１の手段において、前記放電容器は、略直方体状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を長尺方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の端側に有していることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第４の手段は、第２の手段または第３の手段において、前記ネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第５の手段は、第２の手段または第３の手段において、前記ヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、放電容器に、良好な熱伝導性のあるサファイア、ＹＡＧ、イットリアといった耐プラズマ性の高い、また透光性のある高融点材料の単結晶材料を使用することに加えて、放電容器の内表面領域の金属不純物濃度を低くしたため、ハロゲンは金属不純物と接触する機会が少なくなり、従って、放電容器内壁面でのハロゲンの反応を抑えることができ、エキシマ発光の紫外線の発光強度の減衰を防止することができる。
また、管状または略直方体状の放電容器を備え、放電容器の外表面に少なくとも１つの外部電極を管軸方向または長尺方向に沿って設け、放電容器内にアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入し、放電容器は、全周に亘り電極を設けない外表面部分をその容器端部側に有した構造にした場合に、ヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）が封入されていると、アルゴン（Ａｒ）に比べて高熱伝導率を有するため、放電容器内の放電部から発する熱が速やかに放電部以外の領域に伝播され、放電容器内のガス温度を低く保てるため、ランプの発光効率の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの管軸を通る切断面から見た断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すエキシマ放電ランプの管軸に垂直な切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
これらの図に示すように、このエキシマ放電ランプ１の放電容器２は、直管状であり、１５０〜４００ｎｍの紫外線に対して光透光性を有すると共に、フッ素イオンの吸収の少ないサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアのいずれかの単結晶からなる材料により構成される。また、放電容器２内には、発光ガスとして、アルゴン（Ａｒ）と化学的安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入し、またバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）を全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下封入する。エキシマ放電ランプ１の点灯時には、発光ガスがアルゴンイオンおよびフッ素イオンを形成するものである。なお、放電容器としては、サファイアがＹＡＧやイットリアと比べて透光性に優れており、ＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed Growth Method)を使った板材、管材の生産方法も確立されているので工業的に生産しやすく好ましい。
【００１６】
通常、放電容器２は、材料であるサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアの単結晶のいずれもが金属坦塙を使用した製造工程を経て製造されるため、金属不純物としてのモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の遷移金属が含有される。放電容器２の材料として、サファイアを使用する場合について例示すると、放電容器２の内表面に単結晶成長時の原子配列時に起こる排他現象により偏析したモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の金属不純物が存在する。これらの金属不純物が存在すると、放電時にＳＦ６がＦ２とＳに分かれ、Ｆ２と金属不純物が反応して金属ハライドを生じ、エキシマ放電ランプから放射される１９３ｎｍの光束が減少し、短寿命の原因となっている。この金属不純物は、放電容器２の内表面から略１００数十μｍの深さまで偏析していることが化学分析の結果判明している。なお、放電容器２の内表面から１００μｍという深さには、サファイア結晶成長時に偏析により金属不純物が主に存在する深さであり、かつ点灯時バルブ温度上昇等により、バルブ内表面に拡散しうる距離の意味がある。
【００１７】
そこで、本発明においては、放電容器２の内表面を燐酸や硫酸で化学エッチング処理して、放電容器２の内表面から１００μｍまでの範囲におけるモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の金属不純物総和濃度が６００ｐｐｍ以下の状態にする。なお、化学エッチング以外に、機械的研磨によっても、表面の金属不純物濃度を５０ｐｐｍ以下の状態にすることが可能である。また、ランプの製造工程においては、一般に放電容器について容器内壁に吸着している水分を除去するために、例えば、真空炉や乾燥空気炉内で乾燥処理を行うが、本発明のランプにおいても、例えば、５００℃以上という十分に高い温度で熱処理を行うことによって、放電容器２内壁の水分量を極力少なくすることが望ましい。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、放電容器２の管軸方向における両端は開放されており、その両端にはカップ状の金属製キャップとしての蓋部材３、４が設けられる。蓋部材３、４の材料は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）である。蓋部材３、４は放熱性を考慮すると金属材料が最適であるが、放熱性を問題にしなければアルミナ等のセラミックスであってもよい。放電容器２と蓋部材３、４との間には、封止材５、６が充填されることにより、放電容器２と蓋部材３、４とが接合されて密閉される。封止材５、６の材料としては、例えば、銀と銅の合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）からなるロウ材が用いられる。第２の蓋部材４にはガス配管７が設けられており、放電容器２の内部空間８がガス配管７により排気されて減圧された後、発光ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）と化学安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）、およびバッフアーガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）が封入される。これらのガスの封入後、ガス配管７は圧接等で封止部９が形成されることにより、密閉構造となる。
【００１９】
放電容器２の外面には一対の外部電極１０、１１が互いに電気的に離れるように配置されると共に、放電容器２の管軸方向に沿って延びるように設けられている。さらに外部電極１０，１１は封止材５、６および蓋部材３、４とも離れて設けられる。外部電極１０、１１は、例えば、銅（Ｃｕ）をペースト状にしたものを放電容器２の外面に塗布して形成したり、また、板状の、例えば、アルミニウムを接着剤等によって放電容器２の外表面に接着して形成する。外部電極１０、１１の長手方向の一端にはリード１２、１３が、例えば、半田１４、１５等によって電気的に接続される。外部電極１０、１１間の沿面最短距離は外部電極１０、１１間の放電空間を介した最短距離よりも長く構成される。これは放電空間でのみ放電が起こる構造とするためである。
【００２０】
エキシマ放電ランプ１の点灯時、一対の外部電極１０、１１の間に電圧が印加されると、放電容器２を介して外部電極１０、１１間で放電が発生する。発光ガスがアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンとフッ素イオンが形成され、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、１９３ｎｍの波長の光が放電容器２から放射される。
【００２１】
放電容器２の管軸方向において、外部電極１０、１１が、封止材５、６と蓋部材３、４から離れた位置に設けられることにより、放電容器２の内部空間８において、管軸方向のＬ１の範囲にある外部電極１０、１１の端部から封止材５，６までの範囲Ｌ２では放電は発生しない。即ち、放電容器２は、全周に亘り外部電極１０、１１が設けられていない外表面部分を放電容器２の両端側に有しているため、Ｌ２の範囲に対応する内部空間は、Ｌ１の範囲に対応する内部空間と比べて温度の低い、冷却領域となる。そのため、放電容器２の内部空間８に発光ガスとして六フッ化イオウ（ＳＦ６）のような化学的安定性の高いガスを封入すると、放電の発生していない放電容器２の管軸方向におけるＬ２の領域では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の六フッ化イオウに戻る反応が生じる。これにより、放電容器２の内部空間８において、管軸方向のＬ１の範囲にある外部電極１０、１１の端部から封止材５、６までの間ではフッ素イオンと接することが抑制され、封止材５，６や蓋部材３，４を構成する材料とフッ素イオンとの反応を抑制することができる。
【００２２】
以下に、沿面放電を避けるための絶縁のための距離と冷却のための距離との関係について説明する。蓋部材３、４である金属製キャップにおいて、ハロゲンと金属キャップとの反応が起こらないようにするためには、放電が金属キャップに触れないようにすることが不可欠である。その条件は、外部電極１０、１１間の放電ガス中の距離（放電ギャップ）よりも外部電極１０、１１と金属キャップである蓋部材３、４との距離を長くすることである。放電容器２内に、六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入した場合、六フッ化イオウ（ＳＦ６）の持つ絶縁性のために、安定に放電を保持するための電圧が高くなる。高い電圧で駆動する場合、放電ガスでの放電ではなく、外部電極１０、１１間で沿面放電を生じる危険性がある。したがって、沿面放電を起こさずに放電ガス中で安定に放電を保持するための条件は、六フッ化イオウ（ＳＦ６）濃度、放電ガス圧に弱く依存するが、実用的なエキシマ光発光効率が得られる全圧１００Ｔｏｒｒ（１３３３０Ｐａ ）以上においては、放電ギャップ（外部電極間１０、１１の放電空間を介した最短距離）よりも沿面最短距離を長くすることで達成される。
一方、放電容器２の冷却のためには、放熱部としての金属キャップである蓋部材３、４と外部電極１０、１１の距離が近いほど有利となる。
したがって、ハロゲンと金属キャップの反応によるハロゲン量の低下がなく、かつ沿面放電を起こすことなく安定に放電を維持するために必要な要件は、放電ギャップ≦沿面最短距離、かつ放電ギャップ＜外部電極と金属キャップ間の距離とすることである。
【００２３】
図２は、バッファガスとしてのネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
このグラフは、発光に寄与する希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を、フッ素を含むガスとしてＳＦ６を、バッファガスとしてＮｅを用い、全圧１００，２００，４００Ｔｏｒｒにて、アルゴン（Ａｒ）とネオン（Ｎｅ）との総和に占めるネオン（Ｎｅ）のモル濃度を変化させたときの、エキシマ発光（１９３ｎｍ）効率（相対値）を示すものである。
同図に示すように、照度が十分安定するのは、ネオン（Ｎｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ネオン（Ｎｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となる。
【００２４】
図３は、バッファガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
このグラフは、発光に寄与する希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を、フッ素を含むガスとしてＳＦ６を、バッファガスとしてＮｅを用い、全圧１００，２００，４００Ｔｏｒｒにて、アルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との総和に占めるヘリウム（Ｈｅ）のモル濃度を変化させたときの、エキシマ発光（１９３ｎｍ）効率（相対値）を示すものである。
同図に示すように、照度が十分安定するのは、ヘリウム（Ｈｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ヘリウム（Ｈｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となる。
【００２５】
以下に、後述する比較実験を行うための本発明に係るエキシマ放電ランプの実施例を示す。
（１）放電容器の仕様、材料：単結晶サファイア、形状：円筒形、肉厚：１ｍｍ、長さ：２００ｍｍ、直径：１０ｍｍ、放電容器内表面から１００μｍの深さにおける平均金属不純物濃度：２００ｗｔｐｐｍ以下
（２）電極の仕様、材料：銀（ペーストを印刷）、形状：円筒形の放電容器の軸について対称に対向、長さ：１４０ｍｍ、幅：２ｍｍ、放電空間を介した電極間離間距離：１０ｍｍ
（３）蓋部材の仕様、材料：ニッケル、蓋部材と外部電極間の距離：３０ｍｍ
（４）封止材の仕様、材料：Ａｇ−Ｃｕ合金（銀ロウ）
（５）封入ガスの仕様、Ａｒ：１．５８×１０３Ｐａ、ＳＦ６：１．６×１０１Ｐａ、Ｎｅ：７．８４×１０４Ｐａ、全圧８．０×１０４Ｐａ
（６）点灯条件、３ｋＶ（０−ｐｅaｋ）、７０ｋＨｚのパルス電圧印加
（７）放電容器内表面から１００μｍまでの金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ 以下である。そのための実現手段としては、サファイア管であれば弗酸で化学エッチングしたり、イオンビームによるドライエッチングあるいは機械切削がある。
（８）不純物濃度の測定は、サファイア管の中に燐酸６２％、硫酸３８％の混合液を入れ、サファイア管の両端をテフロン（登録商標）テープで封止し、マイクロウエーブオーブンにかけた状態で５時間程度放置する。その後、液を回収し、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて検量線法で定量分析する。
なお、以上の説明では、サファイア管について述べたが、ＹＡＧや単結晶イットリアでも結晶成長時の金属不純物が偏析するという点ではサファイアと共通した問題があり、ＹＡＧや単結晶イットリアを放電容器として使用した場合にも、内表面の金属不純物の除去は必要となる。
【００２６】
比較実験１
図１に示した形状を有する放電容器の内面を化学エッチングして、放電容器内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度を６００ ｗｔｐｐｍ以下にしたサファイア管からなるＡｒＦエキシマ放電ランプと、結晶成長後、図１に示した形状を有する放電容器の内表面を化学エッチングをしていないサファイア管からなるＡｒＦエキシマ放電ランプとを各々３本づつ製作し、バルブ負荷を変えて、１９３ｎｍの発光強度の時間的推移を調べた。
図４は、比較実験１の結果を示す表である。同図に示すように、放電容器の内表面に化学エッチングを施したエキシマランプ１、２、３は、化学エッチングを施されていないエキシマランプ４、５、６と比べて、光出力寿命が大幅に改善されていることが分かる。
【００２７】
比較実験２
図１に示した形状を有する放電容器の内表面を燐酸６２％、硫酸３８％の混合液を入れマイクロウエーブオーブンにかけて、各々５時間、４時間、３時間、２時間洗浄処理したＡｒＦエキシマ放電ランプ７，８、９、１０と、図１に示した形状を有する放電容器の内表面を洗浄処理しないＡｒＦエキシマ放電ランプ１１，１２を用意した。用意されたＡｒＦエキシマ放電ランプ７〜１２について、ＡｒＦエキシマ放電ランプから放射される１９３ｎｍの光束維持特性を調べた。ここで光束維持率とは、点灯初期を１００％とした場合４００時間経過時（ランプへの要求される点灯時間）における光束維持の割合である。
図５は、比較実験２の結果を示す表である。同図に示すように、ＡｒＦエキシマ放電ランプ７のように、４００時間経過時、光束が上昇するものもあるが、４００時間経過時点で７０％以下は寿命（取替え時期）といえるから、放電容器内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度を６００ ｗｔｐｐｍが金属不純物濃度の上限といえる。表面金属不純物濃度が高いほど光束の減衰が大きいのは、フッ素が減少するためのであると考えられる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態を図６を用いて説明する。
図６（ａ）は、本実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの長尺方向に平行な切断面から見た断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のエキシマ放電ランプを切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
これらの図に示すように、このエキシマ放電ランプ２１の放電容器２２は、略直方体状であり、１５０〜４００ｎｍの紫外線に対して光透光性を有すると共に、フッ素イオンの吸収の少ないサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアのいずれかの単結晶からなる材料により構成される。また、放電容器２２内には、発光ガスとして、アルゴン（Ａｒ）と化学的安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入し、またバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）を全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下封入する。エキシマ放電ランプ１の点灯時には、発光ガスがアルゴンイオンおよびフッ素イオンを形成する。
【００２９】
放電容器２２の内表面を燐酸や硫酸で化学エッチング処理して、放電容器２２の内表面から１００μｍまでの範囲におけるモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の金属不純物総和濃度が６００ｐｐｍ以下の状態にする。なお、化学エッチング以外に、機械的研磨によっても、表面の金属不純物濃度を５０ｐｐｍ以下の状態にすることが可能である。
【００３０】
図６（ａ）に示すように、放電容器２２の長手方向における一端は開放されており、そこにはカップ状の金属製キャップとしての蓋部材２３が設けられる。蓋部材２３の材料は、例えば、コバールである。蓋部材２３は放熱性を考慮すると金属材料が最適であるが、放熱性を問題にしなければアルミナ等のセラミックスであってもよい。放電容器２２と蓋部材２３との間には、例えば、Ａｇ−Ｃｕ合金からなる封止材２４が充填されることにより、放電容器２２と蓋部材２３とが接合されて密閉される。封止材２４の材料としては、例えば、銀と銅の合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）からなるロウ材が用いられる。蓋部材２３にはガス配管２５が設けられており、放電容器２２の内部空間２６がガス配管２５により排気されて減圧された後、発光ガスとしてアルゴン（Ａｒ）と化学安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）、およびバッフアーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）が封入される。これらのガスの封入後、ガス配管２５は圧接等で封止部２７が形成されることにより、密閉構造となる。
【００３１】
放電容器２２の外面には一対の、例えば、金（Ａｕ）からなる板状外部電極２８と網状外部電極２９が互いに電気的に離れるように配置されると共に、放電容器２２の長尺方向に沿って延びるように設けられている。さらに外部電極２８，２９は封止材２４および蓋部材２３から離れて設けられる。外部電極２８、２９の長手方向の一端にはリード３０、３１が、例えば、半田３２、３３等によって電気的に接続される。外部電極２８、２９間の沿面最短距離は外部電極２８、２９間の放電空間を介した最短距離よりも長く構成される。これは放電空間でのみ放電が起こる構造とするためである。
【００３２】
エキシマ放電ランプ２１の点灯時、一対の外部電極２８、２９の間に電圧が印加されると、放電容器２２を介して外部電極２８、２９間で放電が発生する。発光ガスがアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンとフッ素イオンが形成され、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、１９３ｎｍの波長の光が放電容器２から放射される。
【００３３】
放電容器２２の長尺方向において、外部電極２８、２９が、封止材２４と蓋部材２３から離れた位置に設けられることにより、放電容器２２の内部空間２６において、長手方向のＬ３の範囲にある外部電極２８、２９の端部から封止材４２４までの範囲Ｌ４では放電は発生しない。即ち、放電容器２２は、全周に亘り外部電極２８，２９が設けられていない外表面部分を放電容器２２の一端側に有しているため、Ｌ４の範囲に対応する内部空間は、Ｌ３の範囲に対応する内部空間と比べて温度の低い、冷却領域となる。そのため、放電容器２２の内部空間２６に発光ガスとして六フッ化イオウ（ＳＦ６）のような化学的安定性の高いガスを封入すると、放電の発生していない放電容器２２の長手方向におけるＬ４の領域では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の六フッ化イオウに戻る反応が生じる。これにより、放電容器２２の内部空間２６において、長手方向のＬ３の範囲にある外部電極２８、２９の端部から封止材２４までの間ではフッ素イオンと接することが抑制され、封止材２４や蓋部材２３を構成する材料とフッ素イオンとの反応を抑制することができる。ハロゲンと金属キャップの反応によるハロゲン量の低下がなく、かつ沿面放電を起こすことなく安定に放電を維持するために必要な要件は、放電ギャップ（外部電極２８、２９間の放電空間を介した最短距離）≦沿面最短距離、かつ放電ギャップ（外部電極２８、２９間の放電空間を介した最短距離）＜外部電極と金属キャップ間の距離とすることである。
【００３４】
また、本実施形態のエキシマ放電ランプ２１においても、図２に示したように、照度が十分安定するのは、ネオン（Ｎｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ネオン（Ｎｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となり、また、図３に示したように、照度が十分安定するのは、ヘリウム（Ｈｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ヘリウム（Ｈｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となる。
【００３５】
また、本実施形態のエキシマ放電ランプ２１においても、比較実験１および比較実験２で得られたと同様の実験結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの管軸を通る切断面から見た断面図および管軸に垂直な切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
【図２】ネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
【図３】ヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
【図４】比較実験１の結果を示す表である。
【図５】比較実験２の結果を示す表である。
【図６】第２の実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの長尺方向に平行な切断面から見た断面図および切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ エキシマ放電ランプ
２ 放電容器
３，４ 蓋部材
５，６ 封止材
７ ガス配管
８ 内部空間
９ 封止部
１０、１１ 外部電極
１２，１３ リード
１４，１５ 半田
２１ エキシマ放電ランプ
２２ 放電容器
２３ 蓋部材
２４ 封止材
２５ ガス配管
２６ 内部空間
２７ 封止部
２８ 板状外部電極
２９ 網状外部電極
３０、３１ リード
３２、３３ 半田
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線による樹脂の硬化、半導体基板やガラス基板等の表面洗浄、殺菌、光化学反応等を行うための紫外線放射に使用される放電ランプに係わり、特に、誘電体バリア放電を利用して、希ガスとフッ素のエキシマ発光を得るエキシマ放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
希ガスとハロゲンを封入したエキシマ放電ランプは、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の他のランプとは全く異なる放射特性を有し、特に、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等のランプでは得られない波長の紫外線を高効率で発生させることができる。
【０００３】
エキシマ放電ランプは、封入する希ガスとハロゲンとの組み合わせにより、放射する紫外線の波長を選択することができる。例えば、アルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）との組み合わせでは１９３ｎｍ、クリプトン（Ｋｒ）とフッ素（Ｆ）との組み合わせでは２４８ｎｍ、キセノン（Ｘｅ）とフッ素（Ｆ）との組み合わせでは３５１ｎｍ近傍の紫外線を得ることができる。特に、半導体のフォトリソグラフィに用いられる、１９３ｎｍの波長の紫外線が得られるＡｒＦエキシマ放電ランプや、２４８ｎｍの波長の紫外線が得られるＫｒＦエキシマ放電ランプでは、フォトレジストの特性試験、フォトマスクの検査等ヘの利用が可能である。
【０００４】
特許文献１には、石英ガラスからなる放電容器の内面を金属酸化物の不活性化層で被覆し、放電容器内に希ガスとハロゲンを封入したエキシマ放電ランプが開示されている。ハロゲンとしてフッ素や塩素を石英ガラス製放電容器に封入して使用すると、ハロゲン原子およびイオンが直に石英ガラスと反応し、ハロゲン化珪素および酸素を生成し、エキシマ放電が行われなくなるため、石英ガラス内面を被覆する必要性について記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、希ガスとハロゲンをサファイア製の放電容器に封入したエキシマ放電ランプが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−５９４５７号公報
【特許文献２】特許第３１７８１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の記載によれば、石英ガラス製放電容器の内壁を、金属アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、またはスカンジウム（Ｓｃ）の少なくとも１つから形成された無定形構造を有する酸化物で被覆することにより、少なくとも被覆していないランプと比べて１００倍の有効寿命が得られることが記載されている。
【０００７】
しかし、特許文献１の実施例には、希ガスとしてのキセノン（Ｘｅ）とハロゲンとしてのフッ素（Ｆ）を組み合わせたエキシマ放電ランプが記載されているが、直径２０ｍｍ、長さ２０ｃｍの放電容器内に充填されるガスは、キセノン（Ｘｅ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とを合わせて３１ｍｂａｒ（３１００Ｐａ）と低圧であって、入力電力も２０Ｗと小さいものである。
【０００８】
上記ような作動条件下では、放電容器は２００℃以上の高温とはなりえず、放電容器の内壁を覆う酸化物被膜は安定しているが、希ガスおよびハロゲンを利用したエキシマ放電ランプを工業的に利用するためには、より強い光量が必要であり、そのためには、エキシマ放電ランプの直径が２０ｍｍ、長さが２０ｃｍで、入力電力が４０Ｗ以上、ガス圧が１３０００Ｐａ以上ないと十分な光量が得られない。
【０００９】
仮に、特許文献１に記載のランプにおいて、封入圧を上げると放電容器の温度が上がり、フッ素と放電容器内面の被膜とが反応し、または被膜の不完全な部分を通してフッ素が石英ガラスと反応するため、発光効率が低下し、またはランプ電力を上げるために、入力電圧を上げようとすると、電子温度が上昇することにより内部電極と発光管内壁との間でスパッタリング現象が生じ、被膜が剥離する現象が起こる可能性がある。被膜が剥離すると、フッ素や塩素等のハロゲンが石英ガラスと反応して消耗し、ランプの発光強度が急速に低下することが予想される。
【００１０】
一方、特許文献２には、希ガスとハロゲンをサファイア製の放電容器に封入したエキシマ放電ランプの一実施例が開示されている。
【００１１】
本件発明者等は、特許文献２の図３に示されるランプ構成のエキシマ放電ランプを試作し、封入ガスとして、特許文献１に記載のアルゴン（Ａｒ）とフッ化物（ＳＦ６）を使用した。即ち、放電容器として円筒状のサファイア管を使用し、一対の外部電極を管壁に沿って管軸方向に配設したＡｒＦエキシマ放電ランプを試作した。しかし、工業用として必要な２Ｗ／ｃｍ２という高管壁負荷条件（電極面積に対する入力電力の割合）で点灯したところ、点灯後わずか１０時間でアルゴン−フッ素の発光波長１９３ｎｍの放射は消滅してしまった。このことは、特許文献１にアルミナの結晶質からなる放電容器ではフッ素に対するバリア作用は検出できなかったことが言及されており、そのことに符合する結果となった。
【００１２】
本発明の目的は、高管壁負荷条件下においてランプを点灯して高光量を保つことができると共に、長時間作動が可能な希ガスハロゲンエキシマ放電ランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、サファイア、ＹＡＧ、または単結晶イットリアの少なくとも１つからなる放電容器の外表面に少なくとも１つの外部電極を設け、前記放電容器内にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入したエキシマ放電ランプであって、前記放電容器の内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第２の手段は、第１の手段において、前記放電容器は、管状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を管軸方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の両端側に有していることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第３の手段は、第１の手段において、前記放電容器は、略直方体状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を長尺方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の端側に有していることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第４の手段は、第２の手段または第３の手段において、前記ネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
第５の手段は、第２の手段または第３の手段において、前記ヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、放電容器に、良好な熱伝導性のあるサファイア、ＹＡＧ、イットリアといった耐プラズマ性の高い、また透光性のある高融点材料の単結晶材料を使用することに加えて、放電容器の内表面領域の金属不純物濃度を低くしたため、ハロゲンは金属不純物と接触する機会が少なくなり、従って、放電容器内壁面でのハロゲンの反応を抑えることができ、エキシマ発光の紫外線の発光強度の減衰を防止することができる。
また、管状または略直方体状の放電容器を備え、放電容器の外表面に少なくとも１つの外部電極を管軸方向または長尺方向に沿って設け、放電容器内にアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入し、放電容器は、全周に亘り電極を設けない外表面部分をその容器端部側に有した構造にした場合に、ヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）が封入されていると、アルゴン（Ａｒ）に比べて高熱伝導率を有するため、放電容器内の放電部から発する熱が速やかに放電部以外の領域に伝播され、放電容器内のガス温度を低く保てるため、ランプの発光効率の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。
図１（ａ）は、本実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの管軸を通る切断面から見た断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すエキシマ放電ランプの管軸に垂直な切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
これらの図に示すように、このエキシマ放電ランプ１の放電容器２は、直管状であり、１５０〜４００ｎｍの紫外線に対して光透光性を有すると共に、フッ素イオンの吸収の少ないサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアのいずれかの単結晶からなる材料により構成される。また、放電容器２内には、発光ガスとして、アルゴン（Ａｒ）と化学的安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入し、またバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）を全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下封入する。エキシマ放電ランプ１の点灯時には、発光ガスがアルゴンイオンおよびフッ素イオンを形成するものである。なお、放電容器としては、サファイアがＹＡＧやイットリアと比べて透光性に優れており、ＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed Growth Method)を使った板材、管材の生産方法も確立されているので工業的に生産しやすく好ましい。
【００１６】
通常、放電容器２は、材料であるサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアの単結晶のいずれもが金属坦塙を使用した製造工程を経て製造されるため、金属不純物としてのモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の遷移金属が含有される。放電容器２の材料として、サファイアを使用する場合について例示すると、放電容器２の内表面に単結晶成長時の原子配列時に起こる排他現象により偏析したモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の金属不純物が存在する。これらの金属不純物が存在すると、放電時にＳＦ６がＦ２とＳに分かれ、Ｆ２と金属不純物が反応して金属ハライドを生じ、エキシマ放電ランプから放射される１９３ｎｍの光束が減少し、短寿命の原因となっている。この金属不純物は、放電容器２の内表面から略１００数十μｍの深さまで偏析していることが化学分析の結果判明している。なお、放電容器２の内表面から１００μｍという深さには、サファイア結晶成長時に偏析により金属不純物が主に存在する深さであり、かつ点灯時バルブ温度上昇等により、バルブ内表面に拡散しうる距離の意味がある。
【００１７】
そこで、本発明においては、放電容器２の内表面を燐酸や硫酸で化学エッチング処理して、放電容器２の内表面から１００μｍまでの範囲におけるモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の金属不純物総和濃度が６００ｐｐｍ以下の状態にする。なお、化学エッチング以外に、機械的研磨によっても、表面の金属不純物濃度を５０ｐｐｍ以下の状態にすることが可能である。また、ランプの製造工程においては、一般に放電容器について容器内壁に吸着している水分を除去するために、例えば、真空炉や乾燥空気炉内で乾燥処理を行うが、本発明のランプにおいても、例えば、５００℃以上という十分に高い温度で熱処理を行うことによって、放電容器２内壁の水分量を極力少なくすることが望ましい。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、放電容器２の管軸方向における両端は開放されており、その両端にはカップ状の金属製キャップとしての蓋部材３、４が設けられる。蓋部材３、４の材料は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）である。蓋部材３、４は放熱性を考慮すると金属材料が最適であるが、放熱性を問題にしなければアルミナ等のセラミックスであってもよい。放電容器２と蓋部材３、４との間には、封止材５、６が充填されることにより、放電容器２と蓋部材３、４とが接合されて密閉される。封止材５、６の材料としては、例えば、銀と銅の合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）からなるロウ材が用いられる。第２の蓋部材４にはガス配管７が設けられており、放電容器２の内部空間８がガス配管７により排気されて減圧された後、発光ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）と化学安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）、およびバッフアーガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）が封入される。これらのガスの封入後、ガス配管７は圧接等で封止部９が形成されることにより、密閉構造となる。
【００１９】
放電容器２の外面には一対の外部電極１０、１１が互いに電気的に離れるように配置されると共に、放電容器２の管軸方向に沿って延びるように設けられている。さらに外部電極１０，１１は封止材５、６および蓋部材３、４とも離れて設けられる。外部電極１０、１１は、例えば、銅（Ｃｕ）をペースト状にしたものを放電容器２の外面に塗布して形成したり、また、板状の、例えば、アルミニウムを接着剤等によって放電容器２の外表面に接着して形成する。外部電極１０、１１の長手方向の一端にはリード１２、１３が、例えば、半田１４、１５等によって電気的に接続される。外部電極１０、１１間の沿面最短距離は外部電極１０、１１間の放電空間を介した最短距離よりも長く構成される。これは放電空間でのみ放電が起こる構造とするためである。
【００２０】
エキシマ放電ランプ１の点灯時、一対の外部電極１０、１１の間に電圧が印加されると、放電容器２を介して外部電極１０、１１間で放電が発生する。発光ガスがアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンとフッ素イオンが形成され、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、１９３ｎｍの波長の光が放電容器２から放射される。
【００２１】
放電容器２の管軸方向において、外部電極１０、１１が、封止材５、６と蓋部材３、４から離れた位置に設けられることにより、放電容器２の内部空間８において、管軸方向のＬ１の範囲にある外部電極１０、１１の端部から封止材５，６までの範囲Ｌ２では放電は発生しない。即ち、放電容器２は、全周に亘り外部電極１０、１１が設けられていない外表面部分を放電容器２の両端側に有しているため、Ｌ２の範囲に対応する内部空間は、Ｌ１の範囲に対応する内部空間と比べて温度の低い、冷却領域となる。そのため、放電容器２の内部空間８に発光ガスとして六フッ化イオウ（ＳＦ６）のような化学的安定性の高いガスを封入すると、放電の発生していない放電容器２の管軸方向におけるＬ２の領域では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の六フッ化イオウに戻る反応が生じる。これにより、放電容器２の内部空間８において、管軸方向のＬ１の範囲にある外部電極１０、１１の端部から封止材５、６までの間ではフッ素イオンと接することが抑制され、封止材５，６や蓋部材３，４を構成する材料とフッ素イオンとの反応を抑制することができる。
【００２２】
以下に、沿面放電を避けるための絶縁のための距離と冷却のための距離との関係について説明する。蓋部材３、４である金属製キャップにおいて、ハロゲンと金属キャップとの反応が起こらないようにするためには、放電が金属キャップに触れないようにすることが不可欠である。その条件は、外部電極１０、１１間の放電ガス中の距離（放電ギャップ）よりも外部電極１０、１１と金属キャップである蓋部材３、４との距離を長くすることである。放電容器２内に、六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入した場合、六フッ化イオウ（ＳＦ６）の持つ絶縁性のために、安定に放電を保持するための電圧が高くなる。高い電圧で駆動する場合、放電ガスでの放電ではなく、外部電極１０、１１間で沿面放電を生じる危険性がある。したがって、沿面放電を起こさずに放電ガス中で安定に放電を保持するための条件は、六フッ化イオウ（ＳＦ６）濃度、放電ガス圧に弱く依存するが、実用的なエキシマ光発光効率が得られる全圧１００Ｔｏｒｒ（１３３３０Ｐａ ）以上においては、放電ギャップ（外部電極間１０、１１の放電空間を介した最短距離）よりも沿面最短距離を長くすることで達成される。
一方、放電容器２の冷却のためには、放熱部としての金属キャップである蓋部材３、４と外部電極１０、１１の距離が近いほど有利となる。
したがって、ハロゲンと金属キャップの反応によるハロゲン量の低下がなく、かつ沿面放電を起こすことなく安定に放電を維持するために必要な要件は、放電ギャップ≦沿面最短距離、かつ放電ギャップ＜外部電極と金属キャップ間の距離とすることである。
【００２３】
図２は、バッファガスとしてのネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
このグラフは、発光に寄与する希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を、フッ素を含むガスとしてＳＦ６を、バッファガスとしてＮｅを用い、全圧１００，２００，４００Ｔｏｒｒにて、アルゴン（Ａｒ）とネオン（Ｎｅ）との総和に占めるネオン（Ｎｅ）のモル濃度を変化させたときの、エキシマ発光（１９３ｎｍ）効率（相対値）を示すものである。
同図に示すように、照度が十分安定するのは、ネオン（Ｎｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ネオン（Ｎｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となる。
【００２４】
図３は、バッファガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
このグラフは、発光に寄与する希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）を、フッ素を含むガスとしてＳＦ６を、バッファガスとしてＮｅを用い、全圧１００，２００，４００Ｔｏｒｒにて、アルゴン（Ａｒ）とヘリウム（Ｈｅ）との総和に占めるヘリウム（Ｈｅ）のモル濃度を変化させたときの、エキシマ発光（１９３ｎｍ）効率（相対値）を示すものである。
同図に示すように、照度が十分安定するのは、ヘリウム（Ｈｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ヘリウム（Ｈｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となる。
【００２５】
以下に、後述する比較実験を行うための本発明に係るエキシマ放電ランプの実施例を示す。
（１）放電容器の仕様、材料：単結晶サファイア、形状：円筒形、肉厚：１ｍｍ、長さ：２００ｍｍ、直径：１０ｍｍ、放電容器内表面から１００μｍの深さにおける平均金属不純物濃度：２００ｗｔｐｐｍ以下
（２）電極の仕様、材料：銀（ペーストを印刷）、形状：円筒形の放電容器の軸について対称に対向、長さ：１４０ｍｍ、幅：２ｍｍ、放電空間を介した電極間離間距離：１０ｍｍ
（３）蓋部材の仕様、材料：ニッケル、蓋部材と外部電極間の距離：３０ｍｍ
（４）封止材の仕様、材料：Ａｇ−Ｃｕ合金（銀ロウ）
（５）封入ガスの仕様、Ａｒ：１．５８×１０３Ｐａ、ＳＦ６：１．６×１０１Ｐａ、Ｎｅ：７．８４×１０４Ｐａ、全圧８．０×１０４Ｐａ
（６）点灯条件、３ｋＶ（０−ｐｅaｋ）、７０ｋＨｚのパルス電圧印加
（７）放電容器内表面から１００μｍまでの金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ 以下である。そのための実現手段としては、サファイア管であれば弗酸で化学エッチングしたり、イオンビームによるドライエッチングあるいは機械切削がある。
（８）不純物濃度の測定は、サファイア管の中に燐酸６２％、硫酸３８％の混合液を入れ、サファイア管の両端をテフロン（登録商標）テープで封止し、マイクロウエーブオーブンにかけた状態で５時間程度放置する。その後、液を回収し、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ発光分析）にて検量線法で定量分析する。
なお、以上の説明では、サファイア管について述べたが、ＹＡＧや単結晶イットリアでも結晶成長時の金属不純物が偏析するという点ではサファイアと共通した問題があり、ＹＡＧや単結晶イットリアを放電容器として使用した場合にも、内表面の金属不純物の除去は必要となる。
【００２６】
比較実験１
図１に示した形状を有する放電容器の内面を化学エッチングして、放電容器内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度を６００ ｗｔｐｐｍ以下にしたサファイア管からなるＡｒＦエキシマ放電ランプと、結晶成長後、図１に示した形状を有する放電容器の内表面を化学エッチングをしていないサファイア管からなるＡｒＦエキシマ放電ランプとを各々３本づつ製作し、バルブ負荷を変えて、１９３ｎｍの発光強度の時間的推移を調べた。
図４は、比較実験１の結果を示す表である。同図に示すように、放電容器の内表面に化学エッチングを施したエキシマランプ１、２、３は、化学エッチングを施されていないエキシマランプ４、５、６と比べて、光出力寿命が大幅に改善されていることが分かる。
【００２７】
比較実験２
図１に示した形状を有する放電容器の内表面を燐酸６２％、硫酸３８％の混合液を入れマイクロウエーブオーブンにかけて、各々５時間、４時間、３時間、２時間洗浄処理したＡｒＦエキシマ放電ランプ７，８、９、１０と、図１に示した形状を有する放電容器の内表面を洗浄処理しないＡｒＦエキシマ放電ランプ１１，１２を用意した。用意されたＡｒＦエキシマ放電ランプ７〜１２について、ＡｒＦエキシマ放電ランプから放射される１９３ｎｍの光束維持特性を調べた。ここで光束維持率とは、点灯初期を１００％とした場合４００時間経過時（ランプへの要求される点灯時間）における光束維持の割合である。
図５は、比較実験２の結果を示す表である。同図に示すように、ＡｒＦエキシマ放電ランプ７のように、４００時間経過時、光束が上昇するものもあるが、４００時間経過時点で７０％以下は寿命（取替え時期）といえるから、放電容器内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度を６００ ｗｔｐｐｍが金属不純物濃度の上限といえる。表面金属不純物濃度が高いほど光束の減衰が大きいのは、フッ素が減少するためのであると考えられる。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施形態を図６を用いて説明する。
図６（ａ）は、本実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの長尺方向に平行な切断面から見た断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のエキシマ放電ランプを切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
これらの図に示すように、このエキシマ放電ランプ２１の放電容器２２は、略直方体状であり、１５０〜４００ｎｍの紫外線に対して光透光性を有すると共に、フッ素イオンの吸収の少ないサファイア、ＹＡＧ、単結晶イットリアのいずれかの単結晶からなる材料により構成される。また、放電容器２２内には、発光ガスとして、アルゴン（Ａｒ）と化学的安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）を封入し、またバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）を全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下封入する。エキシマ放電ランプ１の点灯時には、発光ガスがアルゴンイオンおよびフッ素イオンを形成する。
【００２９】
放電容器２２の内表面を燐酸や硫酸で化学エッチング処理して、放電容器２２の内表面から１００μｍまでの範囲におけるモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、クローム（Ｃｒ）等の金属不純物総和濃度が６００ｐｐｍ以下の状態にする。なお、化学エッチング以外に、機械的研磨によっても、表面の金属不純物濃度を５０ｐｐｍ以下の状態にすることが可能である。
【００３０】
図６（ａ）に示すように、放電容器２２の長手方向における一端は開放されており、そこにはカップ状の金属製キャップとしての蓋部材２３が設けられる。蓋部材２３の材料は、例えば、コバールである。蓋部材２３は放熱性を考慮すると金属材料が最適であるが、放熱性を問題にしなければアルミナ等のセラミックスであってもよい。放電容器２２と蓋部材２３との間には、例えば、Ａｇ−Ｃｕ合金からなる封止材２４が充填されることにより、放電容器２２と蓋部材２３とが接合されて密閉される。封止材２４の材料としては、例えば、銀と銅の合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）からなるロウ材が用いられる。蓋部材２３にはガス配管２５が設けられており、放電容器２２の内部空間２６がガス配管２５により排気されて減圧された後、発光ガスとしてアルゴン（Ａｒ）と化学安定性の高い六フッ化イオウ（ＳＦ６）、およびバッフアーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）が封入される。これらのガスの封入後、ガス配管２５は圧接等で封止部２７が形成されることにより、密閉構造となる。
【００３１】
放電容器２２の外面には一対の、例えば、金（Ａｕ）からなる板状外部電極２８と網状外部電極２９が互いに電気的に離れるように配置されると共に、放電容器２２の長尺方向に沿って延びるように設けられている。さらに外部電極２８，２９は封止材２４および蓋部材２３から離れて設けられる。外部電極２８、２９の長手方向の一端にはリード３０、３１が、例えば、半田３２、３３等によって電気的に接続される。外部電極２８、２９間の沿面最短距離は外部電極２８、２９間の放電空間を介した最短距離よりも長く構成される。これは放電空間でのみ放電が起こる構造とするためである。
【００３２】
エキシマ放電ランプ２１の点灯時、一対の外部電極２８、２９の間に電圧が印加されると、放電容器２２を介して外部電極２８、２９間で放電が発生する。発光ガスがアルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）の場合、これらが電離されて、アルゴンイオンとフッ素イオンが形成され、アルゴン−フッ素からなるエキシマ分子が形成され、１９３ｎｍの波長の光が放電容器２から放射される。
【００３３】
放電容器２２の長尺方向において、外部電極２８、２９が、封止材２４と蓋部材２３から離れた位置に設けられることにより、放電容器２２の内部空間２６において、長手方向のＬ３の範囲にある外部電極２８、２９の端部から封止材４２４までの範囲Ｌ４では放電は発生しない。即ち、放電容器２２は、全周に亘り外部電極２８，２９が設けられていない外表面部分を放電容器２２の一端側に有しているため、Ｌ４の範囲に対応する内部空間は、Ｌ３の範囲に対応する内部空間と比べて温度の低い、冷却領域となる。そのため、放電容器２２の内部空間２６に発光ガスとして六フッ化イオウ（ＳＦ６）のような化学的安定性の高いガスを封入すると、放電の発生していない放電容器２２の長手方向におけるＬ４の領域では、放電によって電離したフッ素イオンが電離前の六フッ化イオウに戻る反応が生じる。これにより、放電容器２２の内部空間２６において、長手方向のＬ３の範囲にある外部電極２８、２９の端部から封止材２４までの間ではフッ素イオンと接することが抑制され、封止材２４や蓋部材２３を構成する材料とフッ素イオンとの反応を抑制することができる。ハロゲンと金属キャップの反応によるハロゲン量の低下がなく、かつ沿面放電を起こすことなく安定に放電を維持するために必要な要件は、放電ギャップ（外部電極２８、２９間の放電空間を介した最短距離）≦沿面最短距離、かつ放電ギャップ（外部電極２８、２９間の放電空間を介した最短距離）＜外部電極と金属キャップ間の距離とすることである。
【００３４】
また、本実施形態のエキシマ放電ランプ２１においても、図２に示したように、照度が十分安定するのは、ネオン（Ｎｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ネオン（Ｎｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となり、また、図３に示したように、照度が十分安定するのは、ヘリウム（Ｈｅ）比率が９０％以上の領域であるが、ヘリウム（Ｈｅ）比率が極めて高い（９９．５％以上）領域では発光効率の低下が顕著となる。
【００３５】
また、本実施形態のエキシマ放電ランプ２１においても、比較実験１および比較実験２で得られたと同様の実験結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの管軸を通る切断面から見た断面図および管軸に垂直な切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
【図２】ネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
【図３】ヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度と発光効率との関係を示すグラフである。
【図４】比較実験１の結果を示す表である。
【図５】比較実験２の結果を示す表である。
【図６】第２の実施形態の発明に係るエキシマ放電ランプの長尺方向に平行な切断面から見た断面図および切断面Ａ−Ａから見た断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ エキシマ放電ランプ
２ 放電容器
３，４ 蓋部材
５，６ 封止材
７ ガス配管
８ 内部空間
９ 封止部
１０、１１ 外部電極
１２，１３ リード
１４，１５ 半田
２１ エキシマ放電ランプ
２２ 放電容器
２３ 蓋部材
２４ 封止材
２５ ガス配管
２６ 内部空間
２７ 封止部
２８ 板状外部電極
２９ 網状外部電極
３０、３１ リード
３２、３３ 半田
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア、ＹＡＧ、または単結晶イットリアの少なくとも１つからなる放電容器の外表面に少なくとも１つの外部電極を設け、前記放電容器内にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入したエキシマ放電ランプであって、
前記放電容器の内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプ。
【請求項２】
前記放電容器は、管状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を管軸方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の両端側に有し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。
【請求項３】
前記放電容器は、略直方体状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を長尺方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の端側に有し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。
【請求項４】
前記ネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエキシマ放電ランプ。
【請求項５】
前記ヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエキシマ放電ランプ。
【請求項１】
サファイア、ＹＡＧ、または単結晶イットリアの少なくとも１つからなる放電容器の外表面に少なくとも１つの外部電極を設け、前記放電容器内にアルゴン（Ａｒ）とフッ素（Ｆ）原子を含むガスを封入したエキシマ放電ランプであって、
前記放電容器の内表面から１００μｍまでの深さ領域に含まれる金属不純物濃度が６００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするエキシマ放電ランプ。
【請求項２】
前記放電容器は、管状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を管軸方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の両端側に有し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。
【請求項３】
前記放電容器は、略直方体状に構成され、該放電容器内には、アルゴン（Ａｒ）と六フッ化イオウ（ＳＦ６）とヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）とが封入され、前記放電容器の外表面には少なくとも１つの外部電極を長尺方向に沿って設け、前記放電容器は、全周に亘り外部電極が設けられていない外表面部分を前記放電容器の端側に有し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。
【請求項４】
前記ネオン（Ｎｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエキシマ放電ランプ。
【請求項５】
前記ヘリウム（Ｈｅ）の全封入ガスに占めるモル濃度が９０％以上９９．５％以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のエキシマ放電ランプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１７６４５９（Ｐ２００９−１７６４５９Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１１３４１（Ｐ２００８−１１３４１）
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２２日（２００８．１．２２）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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