(57)【要約】【課題】二次元アレー型誘電体バリア放電装置において、放電空間内の短絡放電を完全に防ぐとともに、良好な発光効率を維持しながら電極のスパッタを大幅に防ぎ、ランプを長寿命化する。【解決手段】誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように、放電容器１に放電用ガスを充填する。第１電極３に、放電用ガスに接触する放電開口部４を多数設ける。第１電極３と第２電極６との間に誘電体層５を設ける。高圧の交流電力を両電極間に供給するための電極延長部3B,6Bを誘電体層中に埋め込むことにより、放電空間内での短絡放電を完全に防ぐ。第１電極３をＭgＯの絶縁膜10で覆い、二次電子放出を増大させて発光効率を高める。第１電極３とＭgＯの絶縁膜10との間に絶縁層11を積層して、第１電極３のスパッタを防止する。【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、前記放電用ガスに接触する放電開口部が多数設けられた第１電極と、前記第１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１電極に対向して配置された第２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、前記放電空間から電気的および空間的に隔離された部位から前記誘電体層を貫通して前記両電極間に高圧の交流電力を供給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】
前記第１電極の前記放電空間と接する最上面を、絶縁膜であるＭgＯ膜または窒化アルミニウム膜または高融点で電気的高絶縁性の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１電極との間に、セラミックあるいはシリカガラスからなる絶縁層を積層させる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】
エキシマ光を取り出す光取り出し窓を設けた放電容器と、誘電体バリア放電によってエキシマ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、前記放電用ガスに接触する放電開口部が多数設けられた第１電極と、前記第１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１電極に対向して配置された第２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、前記放電空間から電気的および空間的に隔離された部位から前記誘電体層を貫通して前記両電極間に高圧の交流電力を供給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】
前記第１電極の前記放電空間と接する最上面を、絶縁膜であるＭgＯ膜または窒化アルミニウム膜または高融点で電気的高絶縁性の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１電極との間に、セラミックあるいはシリカガラスからなる絶縁層を積層させる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分子を形成し、エキシマ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】
誘電体バリア放電はPDP（プラズマディスプレイパネル）の分野において、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、エキシマ分子が効率よく生成される。エキシマ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には限界があり、その方法で発光効率を高めることは困難である。エキシマランプの配光分布は、発光面で均一ではないので、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が、光学系はコストが高いという問題がある。さらに、光学系のために光源を照射対象物に接近させられないので、強い光を照射できないという問題がある。
【０００７】
そこで、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ランプが、非特許文献１のように提案されている。図３に示す二次元アレー型バリア放電装置の放電容器には、放電ガスが充填され、放電空間を形成している。平板状の第１電極が、誘電体層の上面に形成されている。平板状の第２電極が、第１電極に対向するように誘電体層の下面に形成されている。第１電極には、多数の放電開口部が形成されている。電極表面は、発光効率を向上させる効果がある絶縁膜で覆われている。交流高圧電源から、導線を介して第１電極と第２電極との間に電力が供給される。
【０００８】
このように構成された二次元アレー型バリア放電装置において、交流高圧電源により第１電極と第２電極との間に電力を供給すると、放電開口部に誘電体バリア放電が発生する。このバリア放電により、そこに接する放電ガスの原子が励起されて、瞬間的にエキシマ状態となる。このエキシマ状態から元の状態（基底状態）に戻るときに、エキシマ光が放射される。エキシマ光の発光効率は、放電用ガスの圧力を高くすることで高められ、誘電体層を薄くすることによっても高められることが知られている。
【０００９】
図４は、二次元アレー型バリア放電ランプの断面図である。具体的な構造を示してある。図４（ａ）は、二次元アレー型バリア放電ランプの上面図である。図４（ｂ）は、二次元アレー型バリア放電ランプの断面図である。図４に示すランプは、扁平状の放電容器を外囲としている。この放電容器内には、放電ガスが充填された放電空間がある。そのガスに対接するように、誘電体層の上面に、多数の放電開口を有する第１電極が形成されている。この第１電極に対向するように、誘電体層の下面に、第２電極が形成されている。放電容器の上面に、放電光を取り出す光取り出し窓が、接着剤により固着されている。第１電極と第２電極には、リード線が接続されている。第２電極は、放電容器の内面に載置されており、第２電極と放電容器との間には、必要に応じて絶縁材が設けられている。
【００１０】
このように構成されたランプにおいて、両電極間にリード線を介して高電圧が印加されると、放電開口部で誘電体バリア放電による光が発生する。これはバリア放電により、そこに接する放電ガスの原子が励起されて、瞬間的にエキシマ状態となり、このエキシマ状態から元の状態に遷移するときに、エキシマ光が発光されることで起こる現象である。
【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」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来の二次元アレー型誘電体バリア放電装置には、電極間で短絡放電が生じ、光源のエネルギー効率が極端に低下するという問題がある。非特許文献１に示される二次元アレー型誘電体バリア放電装置の構造であると、放電ガス中に配置されている第１電極と第２電極との間で短絡放電が生じ、有効な光を得るためのエネルギー変換効率が極端に低下し、光源としての機能を果たさなくなる。第１電極と第２電極は、放電空間中に露出しているため、たとえ放電空間に接する部分を含めて絶縁被覆をほどこしたとしても、第１電極と第２電極との間で短絡放電が生じる。この短絡放電は、第１電極と第２電極間に印加する電圧を高くすれば高くする程、頻繁に発生する。また、誘電体層を薄くすれば薄くする程、より頻繁に発生する。発光効率と短絡放電とは二律背反するものである。
【００１２】
図４に示すランプにおいては、リード線に高い電圧が印加されると、放電容器と各電極の縁部との間に存在する周縁空間を通じて、第１電極と第２電極との間において、短絡放電が発生する。１対のリード線と第２電極の表面を絶縁被覆したとしても、ごくまれに小規模な短絡放電が発生する。
【００１３】
また、放電ガスに接する電極がスパッタを起し、放電が維持されなくなる可能性があるという問題もある。放電ガスが直接触れる電極面、特に、放電開口部を形成している電極がスパッタを起す。長期にわたる放電において、電極が消耗する。その結果、正常な放電が行なわれなくなる。状況によっては、放電そのものが停止する。
【００１４】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の短絡放電を防止して効率を高め、電極のスパッタを防止して長寿命化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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１電極と、第１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１電極に対向して配置された第２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両電極に、高圧の交流電力を、放電空間から電気的および空間的に隔離された部位から誘電体層を貫通して供給する構成とした。
【００１６】
また、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の第１電極の放電空間と接する最上面を、絶縁膜であるＭgＯ膜または窒化アルミニウム膜または高融点で電気的高絶縁性の膜で被覆した。さらに、絶縁膜と第１電極との間に、セラミックまたはシリカガラスからなる絶縁層を積層させた。
【発明の効果】
【００１７】
放電空間から電気的および空間的に隔離された部位から誘電体層を貫通して放電電極に高圧の交流電力を供給する構造としたことより、誘電体層で電極から端子までの間の絶縁を保ちつつ、１対の電極を放電空間外に配置することが可能となり、放電空間内の対向電極間における短絡放電を防止できる。また、第１電極が放電空間と接する最上面にMgO膜を設け、第１電極とMgO膜との間に絶縁層を設けたことで、ランプの発光効率が向上し、電極のスパッタを防ぐことができ、ランプの長寿命化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１と図２を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１は、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように、放電容器に放電用ガスを充填し、第１電極に、放電用ガスに接触する放電開口部を多数設け、第１電極と第２電極との間に誘電体層を設け、高圧の交流電力を両電極間に供給するための電極延長部を誘電体層中に埋め込んだ二次元アレー型誘電体バリア放電装置である。
【００２０】
図１は、本発明の実施例１における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の断面図である。図１において、放電容器１は、放電装置の各部材を収容する容器である。放電空間２は、放電容器１の上部内に放電ガスが充填された空間である。第１電極３は、多数の放電開口部４を有する電極である。第２電極６は、第１電極３に対向するように誘電体層５に形成された電極である。遮断部材７は、放電容器１の内周辺と誘電体層５の側面との間に設けられ、放電空間２と電力供給端との間を、電気的及び空間的に遮断するための高真空対応の部材である。電源８は、第１電極３と第２電極６にリード線を介して高電圧の交流電力を供給する電源である。
【００２１】
第１電極３とリード線との間は、誘電体層５を貫通する延長部3Bと、誘電体層５の下面5Aに形成された逆Ｔ字状の端子部3Cとで接続されている。延長部3Bと端子部3Cは、誘電体層５に埋め込まれている。第２電極６とリード線との間は、誘電体層５を貫通する延長部6Bと、誘電体層５の下面5Aに形成された逆Ｔ字状の端子部6Cとで接続されている。延長部6Bと端子部6Cは、誘電体層５に埋め込まれている。第１電極６は、図４で示したものと同様に、平面状の導体よりなる。例えば、第１電極６は、厚さが約30μmのスクリーン印刷電極であり、放電開口部４の開口径は、例えば約100μmである。
【００２２】
放電空間２と接する第１電極の最上面は、放電開口部４を含め、ＭgＯ膜よりなる３〜５μmの厚さの絶縁膜10で覆われている。ＭgＯ膜は、二次電子放出を増大させる効果があり、発光効率を向上させるものである。絶縁膜10と第１電極３との間には、セラミックまたはシリカガラスからなる10〜20μmの厚さの絶縁層11がコーティングされている。なお、ＭgＯ膜に代えて、窒化アルミニウム膜または高融点で電気的高絶縁性の膜を、絶縁膜10としてもよい。誘電体層５の下面と放電容器１の底部1Aとの間は空間としてもよいが、絶縁部材14で充填してもよい。
【００２３】
次に、図１に示す二次元アレー型誘電体バリア放電装置における放電動作を説明する。端子部3Cと端子部6Cに対して電源８から高周波高電圧の電流を加えると、第１電極３と第２電極６との間で放電が起き、放電開口部４において電界の染み出しによる発光が起きる。ＭgＯの絶縁膜10により、２次電子供給が増大され、発光効率が向上する。絶縁膜10と第１電極３との間に積層されたセラミックあるいはシリカガラスの絶縁層11により、長時間による放電においても、第１電極３のスパッタが防止される。放電容器１の光取り出し窓の部分が合成石英である場合、放電装置表面で発生した光の300〜400nm付近の可視光が取り出せる。光取り出し窓の部分がＭgＦ2，ＢaＦ2，ＣaＦ2であれば、172nmの真空紫外光を取り出せる。第１電極３から端子部3Cの間と、第２電極６から端子6Cの間は、誘電体層５に埋め込まれているため、誘電体層により絶縁が保たれる。同時に、放電部分以外が放電空間から隔離されるので、放電空間内で短絡放電が起きることを防止できる。
【００２４】
上記のように、本発明の実施例１では、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の放電電極までの電極延長部を誘電体層中に埋め込んだ構成としたことにより、放電空間内での短絡放電を完全に防ぐことができる。第１電極とＭgＯ膜との間に絶縁膜を設けることにより、電極のスパッタを大幅に削減でき、放電装置を長寿命化できる。
【実施例２】
【００２５】
本発明の実施例２は、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように、放電容器に放電用ガスを充填し、第１電極に、放電用ガスに接触する放電開口部を多数設け、第１電極と第２電極との間に誘電体層を設け、高圧の交流電力を両電極間に供給するための電極延長部を誘電体層中に埋め込んだ二次元アレー型誘電体バリア放電ランプである。
【００２６】
図２は、本発明の実施例２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である。図１と同一部部分には同一番号を付し、詳細な説明を省略する。図１と異なる構成のみを説明する。二次元アレー型誘電体バリア放電ランプは、上面が開放された放電容器１の開放部分に、フリットガラスまたはインジウムよりなる接着剤13を介して、例えば、特殊合成石英ガラス、ＭgＦ2またはＣaＦ2またはＢaＦ2よりなる光取り出し窓12と、誘電体層５の下面5Aに接合された電子式の冷却装置９を備えている。なお、第１電極３の端子部3Cと第２電極６の端子部6Cは、放電容器１の側面部に延長されてリード線に接続されている。放電空間２には、ＡrまたはＫrまたはＸeよりなる放電ガスが充填されている。
【００２７】
次に、図２の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプにおける発光動作を説明する。第１電極の端子部3Cと第２電極の端子部6Cに対して、電源８から高周波高電圧を加えると、第１電極３と第２電極６との間で放電が起き、放電開口部４において、電界の染み出しによる発光が起きる。ＭgＯの絶縁膜10により、２次電子供給が増大され、発光効率が向上する。絶縁膜10と第１電極３の間に積層されたセラミックあるいはシリカガラスの絶縁層11により、長時間による放電においても、第１電極３のスパッタが防止される。放電装置表面で発光した真空紫外光を、ＭgＦ2，ＣaＦ2，ＢaＦ2などからなる光取り出し窓12から取り出す。二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの裏面には、冷却装置９が配置されている。放電による発熱が吸収されて、プラズマの電子温度を下げて、発光効率を維持できる。第１電極３の端子部3Cと第２電極６の端子部6C間は、誘電体層５に埋め込まれているため、誘電体層により各電極から端子間の絶縁が保たれる。同時に、放電部分以外を放電空間外に隔離でき、放電空間内の短絡放電が防止できる。
【００２８】
このような構造とすることで、大きな電力を投入しても、電極間の短絡放電を完全に防ぐことができる。セラミックスやシリカガラスの絶縁層11が有るものと無いものとを比較した場合、絶縁層11が有るものが、無いものより格段に長寿命である。
【００２９】
ところで、放電装置の封止法として、放電装置の上面に光取り出し窓も含めた箱枠を設置し、箱枠と放電装置の接合面を接着剤（シール材）で固定封止する方法が考えられるが、この封止法であると、接着剤が放電による光に曝され、プラズマによる熱や光により損傷を受けことにより、接着剤としての機能を果たさなくなるおそれがある。したがって、図２に示す放電装置の封止構造が、ランプとしての役割を果たすために必然的な構造である。
【００３０】
放電ガスは、Ｎe，Ａr，Ｘe，Ｋr，Ｃl2，Ｉ2，Ｂr2，Ｆ2のいずれかもしくはそれらの混合ガスでもよい。放電装置と放電容器１、放電容器１と光取り出し窓は、ケミカル的な接着以外に、Ｏリングを使用した機械的封止としてもよい。
【００３１】
上記のように、本発明の実施例２では、二次元アレー型誘電体バリア放電ランプを、誘電体バリア放電によってエキシマ分子が形成されるように、放電容器に放電用ガスを充填し、第１電極に、放電用ガスに接触する放電開口部を多数設け、第１電極と第２電極との間に誘電体層を設け、高圧の交流電力を両電極間に供給するための電極延長部を誘電体層中に埋め込んだ構成としたので、放電空間内での短絡放電を完全に防ぐことができる。また、第１電極とＭgＯ膜との間に絶縁膜を設けたことにより、電極のスパッタを大幅に削減でき、ランプを長寿命化できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の二次元アレー型誘電体バリア放電装置は、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、紫外線を利用する分野で利用する放電装置として最適である。また、本発明の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプは、可視光を利用するランプとして適当である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の断面図、
【図２】本発明の実施例２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３】従来の二次元アレー型誘電体バリア放電装置の断面図、
【図４】従来の二次元アレー型誘電体バリア放電ランプの平面図と断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  放電容器
２  放電空間
３  第１電極
４  放電開口部
５  誘電体層
６  第２電極
７  遮断部材
８  電源
９  冷却装置
10  絶縁膜
11  絶縁層
12  光取り出し窓
13  接着剤
14  絶縁部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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