(57)【要約】【課題】二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの発光を安定化し、発光効率を高め、照度特性を改善し、長寿命化し、安全に製造および取り扱いできるようにする。【解決手段】二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの容器には、エキシマー光を取り出すための光取出窓が有る。誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように、放電容器の中に放電用ガスが充填される。第一電極には、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられ、第一電極に接する誘電体層が設けられている。放電開口部をＭgＯ膜で被覆し、ＭgＯ膜と第一電極との間にセラミックの絶縁膜を積層させる。第二電極は、誘電体層を介して第一電極に対向して配置される。最大発光効率が得られる放電開口部の開口面積と放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、（１気圧、0.6mm2）〜（３気圧、7.1mm2）の範囲内で、放電用ガスの圧力を、開口面積に応じた最適値に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように前記放電容器の中に充填された放電用ガスと、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、前記第一電極に接して設けられた誘電体層と、前記誘電体層を介して前記第一電極に対向して配置された第二電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電装置において、最大発光効率が得られる前記放電開口部の開口面積と前記放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、（ガス圧力＝１気圧、開口面積＝0.6mm2）〜（ガス圧力＝３気圧、開口面積＝7.1mm2）の範囲内で、前記放電用ガスの圧力を、前記開口面積に応じた最適値に設定することを特徴とする二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
【請求項２】
前記放電開口部を、ＭgＯまたは窒化アルミニウムの絶縁膜で被覆したことを特徴とする請求項１に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
【請求項３】
前記絶縁膜と前記第一電極との間にセラミックあるいはシリカガラスの高融点で電気的に高絶縁性の膜を積層させたことを特徴とする請求項２に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
【請求項４】
エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように前記放電容器の中に充填された放電用ガスと、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、前記第一電極に接して設けられた誘電体層と、前記誘電体層を介して前記第一電極に対向して配置された第二電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電ランプにおいて、最大発光効率が得られる前記放電開口部の開口面積と前記放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、（ガス圧力＝１気圧、開口面積＝0.6mm2）〜（ガス圧力＝３気圧、開口面積＝7.1mm2）の範囲内で、前記放電用ガスの圧力を、前記開口面積に応じた最適値に設定することを特徴とする二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ。
【請求項５】
前記放電開口部を、ＭgＯまたは窒化アルミニウムの絶縁膜で被覆したことを特徴とする請求項４に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ。
【請求項６】
前記絶縁膜と前記第一電極との間にセラミックあるいはシリカガラスの高融点で電気的に高絶縁性の膜を積層させたことを特徴とする請求項５に記載の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元アレー型誘電体バリア放電装置に関し、特に、誘電体バリア放電によりエキシマー分子を形成し、エキシマー分子から放射される紫外線を利用する二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびそのランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ放電を応用したランプは、超LSIなどの半導体基板露光のプロセスや、オゾンや解離酸素による表面クリーン処理等の環境分野や、ディスプレイ用光源や、照明等の光源などに応用されている。特に、石英ガラス２重管構造で知られる誘電体バリア放電を用いたエキシマーランプにより、従来の低圧水銀灯や高圧アーク放電ランプにはない126nm、146nm、172nm、222nm、308nm等の、環境分野や半導体製造プロセスにおいて特に有用な単一波長光を、選択的に高効率で取り出せるようになった。
【０００３】
エキシマーランプは、内側電極、誘電体（石英ガラス）、放電ガス領域、誘電体（石英ガラス）、外電極（網状電極）の５層、または、内側電極、放電ガス領域、誘電体（石英ガラス）、外電極（網状電極）の４層からなるものである。エキシマー分子が形成可能な放電ガス領域で、誘電体バリア放電により得たエキシマー光を、外部電極（網状電極）から漏れる光として利用するものである。ランプが安定に点灯するまでの時間が短く、高輝度、照度均一性、長寿命の点については、従来のランプと比較して優位性がある。
【０００４】
PDP（プラズマディスプレイパネル）の分野では、蛍光塗料を発光させるための紫外線光源として用いられている。PDPの基本構造は、厚さ数ミクロンの金属電極と、誘電体と、金属電極の三層構造である。小型で光特性がよい光源とするために、多層の電極構造が提案されている。しかし、電気エネルギーを光エネルギーに変換する効率が悪く、蛍光灯の1／10程度である。最近では、高周波化による効率の向上も図られている。
【０００５】
エキシマー分子は、１励起原子が基礎となり、他の２つの基底原子との三体衝突により形成される。高圧希ガス中では、三体衝突の確率が増加するため、エキシマー分子が効率よく生成される。エキシマー光の強度を高めるには、大気圧よりも高い圧力で動作させる。高圧ガス雰囲気中では、絶縁破壊電圧の上昇に伴い、グロー放電からアーク放電へ移行しやすくなり、安定な放電が成立しなくなる。
【０００６】
エキシマーランプは、構造上、放電ギャップが大きい。そのため、高圧ガス中での高輝度化には、高電圧印加の必要がある。しかし、高電圧を印加すれば、グロー放電からアーク放電へ移行して、高輝度化できない。放電ギャップそのものに放電容器が含まれており、放電空間である希ガス領域と石英ガラスを薄くできないためである。静電容量が大きい分、放電に投入されるエネルギーのロスが多く、発光効率が悪い。放電エネルギーのロスを防止して発光効率を高めるためには、誘電体を薄膜化にする必要があるが、誘電体の厚さは１mm以下にできない。誘電体を薄膜化して放電ギャップを縮小することで発光効率を高めることは困難である。エキシマーランプの配光分布に関しては、発光面で均一でないため、面照射対象物に対して均一に紫外線を照射するためには、光学系を必要とする。光学系はコストが高いという問題がある。また、光学系を必要とするので、光源を照射対象物に接近できない。照射対象物に対して光源を接近できないので、強い光が利用できないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明者らは、これらの問題を回避して、高圧ガス中で安定にグロー放電し、発光効率の向上と高輝度化を実現するエキシマーランプを、非特許文献１、２で提案した。非特許文献１に開示された二次元アレー型希ガスマイクロ放電装置は、直径100μmの穴を約60個、３mm×５mmの領域中に、二次元アレー状に配列して、電極を構成したものである。誘電体はマイカである。放電は、電極の開口部分において起こる。Ａr、Ｋr、Ｘeの１気圧中において、安定したグロー放電が得られる。真空紫外光は、希ガスエキシマー特有のバンド状のスペクトルを示す。4.5kVにおいて圧力を増加させると、初め発光強度が増加するが、約10気圧以上では減少する。印加電圧を増加すると、最大発光の圧力値も増加する。
【０００８】
非特許文献２に開示された二次元アレー型エキシマー光源は、図９に示すようなマイクロスケールバリア放電装置である。厚さ50μmのステンレス電極の３mm×５mmの範囲に、直径100μmの開口部を、横方向に１mm間隔、縦方向に120μm間隔で設けたものを、発光電極とする。誘電体は、厚さ50〜150μmのマイカである。この二次元アレー型バリア放電装置は、従来の石英製２重管誘電体バリア放電ランプに比較し、高圧雰囲気中の動作に優れており、単位体積あたりの発光効率も数倍高い。
【非特許文献１】第49回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集（2002.3東海大学湘南校舎）29ａ-Ｄ-７「真空紫外光源用二次元アレー型希ガスマイクロ放電の特性」.
【非特許文献２】第17回光源物性とその応用研究会資料「二次元アレー型エキシマー光源の開発」，pp.89-95, 2002.12.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１、２に開示された従来の二次元アレー型バリア放電装置では、ガス圧力や、発光部位単位に対応する開口部面積の大きさによって、発光が時間的空間的に不安定となることや、全くエキシマー分子が生成されなくなることがあるという問題がある。発光を安定化するために、高圧ガスを封入すると、絶縁破壊電圧や放電維持電圧も高くなるため、電界の集中が局所的な部分に集中し、アーク放電となるという問題もある。アーク放電が起こらない安定なグロー放電を維持するためには、電界が局部に集中しないガス圧力と放電開口面積の条件を適合させる必要がある。
【００１０】
また、平面光源を前提とした場合、高圧ガスを封入したランプであると、製造中や取扱中に破裂する危険があるという問題もある。機械的欠陥によるランプ破裂の可能性は、球形ランプであるショートアークランプや低圧水銀灯やメタルハライドランプに比べて大きく、深刻な問題である。したがって、安全に製造ができ、消費者も安全に使用できる圧力の高効率の平面ランプとする必要がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記の問題を解決して、安定に発光し、発光効率が良く、安全に製造および取り扱いできる二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびランプを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明では、放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように放電容器の中に充填された放電用ガスと、放電用ガスに接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電装置の最大発光効率が得られる放電開口部の開口面積と放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、（ガス圧力＝１気圧、開口面積＝0.6mm2）〜（ガス圧力＝３気圧、開口面積＝7.1mm2）の範囲内で、放電用ガスの圧力を、開口面積に応じた最適値に設定する。このように構成したことにより、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の破裂を防ぐことができ、効率も高められる。
【００１３】
また、放電開口部を、ＭgＯまたは窒化アルミニウムの絶縁膜で被覆した。このように構成したことにより、二次電子放出効果が改善され、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の効率が高まる。
【００１４】
また、絶縁膜と第一電極との間に、セラミックあるいはシリカガラスの高融点で電気的に高絶縁性の膜を積層させた。このように構成したことにより、放電に起因する電極のスパッタを防止することができ、発光効率が高まり寿命も延びる。
【００１５】
また、エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように放電容器の中に充填された放電用ガスと、放電用ガスに接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備えた二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの最大発光効率が得られる放電開口部の開口面積と放電用ガスの圧力との対応関係に基づいて、（ガス圧力＝１気圧、開口面積＝0.6mm2）〜（ガス圧力＝３気圧、開口面積＝7.1mm2）の範囲内で、放電用ガスの圧力を、開口面積に応じた最適値に設定する。このように構成したことにより、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの破裂を防ぐことができ、発光効率も良くなる。
【発明の効果】
【００１６】
発光効率が最大となるように、ガス圧力に対応する開口面積を設定することで、常に安定放電でき、高効率で発光する二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびランプを実現できる。また、ＭgＯ膜あるいは窒化アルミニウムの絶縁膜を、電極表面あるいは誘電体表面に設け、セラミックコーティングあるいは石英ガラスコーティングによる絶縁膜を電極と誘電体の間に積層することにより、二次元アレー型誘電体バリア放電装置およびランプの発光効率を向上させ、寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図８を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
本発明の実施例は、エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように放電容器の中に充填された放電用ガスと、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備え、放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の対応関係を、（１気圧、0.6mm2）〜（３気圧、7.1mm2）とし、放電開口部をＭgＯ膜で被覆し、ＭgＯ膜と第一電極との間にセラミックの絶縁膜を積層させた二次元アレー型誘電体バリア放電ランプである。
【００１９】
図１は、本発明の実施例における二次元アレー型放電ランプの断面図である。図１において、第一電極１は、誘電体２の上面に配された多数の穴のあいた電極である。誘電体２は、第二電極３の上面に配された平板状のマイカである。誘電体２は、マイカ以外の材料でもよい。第二電極３は、穴のない平板状の電極である。開口部４は、第一電極１に設けられた多数の穴である。放電容器５は、これらの電極及び誘電体を覆う容器である。図示していないが、放電容器５には、エキシマー光を取り出すための光取出窓が設けられている。放電空間６は、放電容器５と第一電極１との間に形成されている空間である。放電空間６には、放電によりエキシマー分子が形成されるようなガス、例えば、アルゴンガスが封入されている。第一電極１と第二電極３との間には、交流電界を形成するための交流電源Ｅが接続されている。このように、連続した１層の誘電体２を第一電極１と第二電極３とで挟む構造において、エキシマー分子が形成されるような放電用ガス雰囲気中であれば、第一電極１と第二電極３との間に交流電源Ｅによる交流電圧を加えると、第一電極１の開口部４である誘電体２の表面で、エキシマー光Ａが発生する。このような二次元アレー型放電ランプにおいて、エキシマー発光Ａの最大発光効率を与える放電用ガス圧力と、二次電極３の開口面積の対応関係を求めて、設定する。
【００２０】
上記のように構成された本発明の実施例における二次元アレー型放電ランプの放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の対応関係の求め方を説明する。二次元アレー型放電ランプ＃１の第一電極１の開口径を50μmとする。放電ランプ＃２の第一電極１の開口径を150μmとする。放電ランプ＃３の第一電極１の開口径を500μmとする。各放電ランプの誘電体２（マイカ）の厚さを150μmとし、第一電極と第二電極の厚さを20μmとする。これらの放電ランプについて、１〜15気圧のＡrガス雰囲気中で放電を行い、それぞれの相対発光強度を比較する。なお、放電ランプに印加した電圧は４kVであり、その周波数は10kHzである。
【００２１】
それぞれの放電ランプで、ガス圧力に対する発光強度を測定する。それぞれの放電ランプで、異なるガス圧力において、発光強度の最大ピーク値がみられる。この発光強度のピークを、最大発光効率の場合とみなして、各放電ランプの放電部位の開口径と、最大発光効率を与えるガス圧力との関係を求める。最大効率を与えるガス圧力と開口径の対応関係は、（開口径、ガス圧力）＝（50μm、８気圧）、（150μm、６気圧）、（500μm、４気圧）となる。この対応関係から、他の範囲におけるガス圧力と開口径の関係を求めるために、ガス圧力と開口径の測定値から近似式を求める。その結果、ｙをガス圧力（気圧）、Ｘを開口径（mm）とすると、
ｙ＝−1.74ln(Ｘ)＋14.76
という式が得られる。この式から、最大発光効率を与えるガス圧力と開口径の関係を示すグラフは、図２に示すようになる。図２の（0.9mm、1.0気圧）と、（3.0mm、3.0気圧）の点では、発光効率は、曲線上の発光効率より20％〜30％低下する。
【００２２】
平面型のランプにおいて安全な１〜３気圧において、最大の発光効率を与えるガス圧力と開口径の関係を説明する。最大発光効率を示すガス圧力は、１気圧に対しては、開口径3.0mmが対応する。３気圧に対しては、開口径0.9mmが対応する。したがって、１〜３気圧においては、開口径3.0mm〜0.9mmが最適な対応条件である。この開口の形状は円である必要はないため、ガス圧力に対する開口径は、開口面積に置き換えられる。したがって、最大発光効率を与えるガス圧力と開口面積の関係は、図３に示すようになる。図３から明らかなように、ガス圧力の１〜３気圧において、開口面積7.1mm2〜0.6mm2が対応する。
【００２３】
また、ガス圧力と発光強度の関係において、図４に示すように、１気圧付近を境として、圧力の低下とともに発光強度は急激に低下する。また、図５に示すように、１気圧付近よりも低い領域においては、発光強度の時間的な揺らぎが急激に増加する。これらの現象は、各放電ランプにおいて同様に発生する。
【００２４】
以上のことから、放電ランプの破裂に対する安全性を考慮すると、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプのガス圧力は、１気圧〜３気圧の範囲に設定し、開口径（開口面積）を、圧力に対応する特定値とするとよい。この条件で、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプは良好な発光効率を示す。具体的には、放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の組合せを、（１気圧、0.6mm2）〜（３気圧、7.1mm2）とする。この中間の圧力範囲においては、式
ｙ＝−1.74ln(Ｘ)＋14.76
により、開口径Ｘからガス圧力ｙを求めて設定する。ガス圧力を厳密に設定することは困難であるし、実用上は10％程度の誤差は許容範囲であるから、通常の精度で設定すれば十分である。
【００２５】
本発明における二次元アレー型放電ランプにおいて、発光効率をさらに向上させ、長寿命化するために、図示していないが、誘電体２の表面のみに、ＭgＯの絶縁膜１aを積層する。これをＡ型とする。図６に示すように、誘電体２の表面と第一電極１の表面に、ＭgＯの絶縁膜１aを積層する。これをＢ型とする。また、図７に示すように、絶縁膜１aと第一電極１との間に、高融点で電気的に高絶縁性のセラミック膜１ｂを積層する。これをＣ型とする。第一電極１の開口径を150μmとし、誘電体２（マイカ）の厚さを100μmとし、第一電極１と第二電極３の厚さを20μmとする。絶縁膜３aであるＭgＯ膜の厚さを10μmとし、セラミック絶縁膜３bの厚さを10μmとする。絶縁膜１aは、窒化アルミニウムでもよい。絶縁膜１bは、シリカガラスでもよい。
【００２６】
これらの放電ランプに、１気圧のＡrガスを充填して放電を行う。放電ランプに印加する電圧は４kVであり、その周波数は10kHzである。対照放電ランプを、絶縁膜が全く積層されていない従来の二次元アレー型放電ランプとする。これをＤ型とする。それぞれの放電ランプにおいて、発光効率と、初期照度の80％に照度に至るまでの寿命を測定する。
【００２７】
図８に、それぞれの放電ランプの発光効率と寿命を、相対値で示す。絶縁膜が全く積層されていないＤ型では、照度と寿命ともに、最も悪い。絶縁膜が積層されている放電ランプの中で比較すると、誘電体２の表面のみにＭgＯの絶縁膜１aを積層したＡ型が、照度に関しては最も優位であるが、寿命に関しては最も悪い。絶縁膜１aと第一電極１との間に高融点で電気的に高絶縁性のセラミック膜１ｂを積層したＣ型が、寿命に関しては最も優位であるが、照度に関しては最も悪い。いずれにせよ、絶縁膜１aと絶縁膜１bは、照度向上と寿命向上に効果がある。これらの絶縁膜の積層態様を、放電ランプの用途や利用目的に応じて適宜選択することにより、最適の性能が得られる。
【００２８】
なお、放電ガスは、Ｎe，Ａr，Ｘe，Ｋr，Ｃl2，Ｉ2，Ｂr2，Ｆ2のいずれでもよいし、それらの混合ガスでもよい。放電容器５の封止方法と、光取出窓の放電容器５への封止は、ケミカル的な接着でもよいし、Ｏリングを使用した機械的封止でもよい。この実施例では、放電ランプとして説明したが、ランプ用途以外の放電装置としても利用可能である。その場合は、放電容器の光取出窓が不要となることがある。例えば、放電容器内部に紫外線透過性のパイプを通して、オゾン発生に利用することもできる。また、放電容器の全体または一部を蛍光体利用の発光手段とすることもできる。
【００２９】
上記のように、本発明の実施の形態では、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプを、エキシマー光を取り出すための光取出窓を有する放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマー分子が形成されるように放電容器の中に充填された放電用ガスと、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた第一電極と、第一電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して第一電極に対向して配置された第二電極とを備え、放電用ガスの圧力と放電開口部の開口面積の組合せを、（１気圧、0.6mm2）〜（３気圧、7.1mm2）とし、放電開口部をＭgＯ膜で被覆し、ＭgＯ膜と第一電極との間にセラミックの絶縁膜を積層させた構成としたので、安定で効率と照度特性が良く、寿命の長いランプが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の二次元アレー型誘電体バリア放電装置は、オゾン発生器として最適である。本発明の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプは、半導体基板露光装置用光源や、ディスプレイ用光源や、照明装置用光源として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例における二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの断面図
【図２】最大発光効率を示す開口径とガス圧力の関係を示すグラフ
【図３】最大発光効率を示す開口面積とガス圧力の関係を示すグラフ
【図４】ガス圧力と発光強度の関係を示すグラフ
【図５】ガス圧力に対する発光強度の時間的揺らぎの割合を示すグラフ
【図６】本発明の実施例における二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ（Ｂ型）の断面図
【図７】本発明の実施例における二次元アレー型誘電体バリア放電ランプ（Ｃ型）の断面図
【図８】絶縁膜積層態様ごとの照度と寿命の相対値を示す表
【図９】従来の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの断面図と平面図
【符号の説明】
【００３２】
１  第一電極
２  誘電体
３  第２電極
４  放電開口部
５  放電容器
６  放電空間
Ａ  エキシマー発光
Ｅ  電源
【図１】
2006032242.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006032242.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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