(57)【要約】【課題】ＭＨｚ帯域の高周波電圧をパルス的（間欠的）に供給して、エキシマ光を効率よく発光させ、印加電圧を低くすることが可能な、高出力の真空紫外光を発光させることのできるエキシマランプ点灯装置を提供すること。【解決手段】放電によってエキシマ分子を生成する放電ガスが放電容器２内に充填され、一対の電極５，６のうち少なくとも一方の電極と前記放電空間との間に誘電体が配置されたエキシマランプ１と、前記一対の電極５，６に接続され、高周波電圧を供給しエキシマランプ１を点灯させるエキシマランプ点灯回路と、からなるエキシマランプ点灯装置において、前記放電ガスの圧力が１０ｋＰａ以上であり、前記高周波電圧が、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を、周波数が１ｋＨｚ以上、前記１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波の１／１０以下であって、デューティ比が１０〜８０％の変調信号でパルス変調されていることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電によってエキシマ分子を生成する放電ガスが放電容器内に充填され、一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記放電空間との間に誘電体が配置されたエキシマランプと、
前記一対の電極に接続され、高周波電圧を供給してエキシマランプを点灯させるエキシマランプ点灯回路と、
からなるエキシマランプ点灯装置において、
前記エキシマランプにおける前記放電ガスの圧力が１０ｋＰａ以上であり、前記エキシマランプ点灯回路から供給される前記高周波電圧が、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を、周波数が１ｋＨｚ以上、前記１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波の１／１０以下であって、デューティ比が１０〜８０％の変調信号でパルス変調されていることを特徴とするエキシマランプ点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電によってエキシマ分子を生成し、エキシマ分子から放射される光を利用するエキシマランプ点灯装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光化学反応を利用した硬化、ドライ洗浄、殺菌、表面改質、光ＣＶＤ等の処理に高効率の放射性能を有する真空紫外光放射ランプの１つであるエキシマランプが利用されている。
【０００３】
エキシマランプとしては誘電体バリヤ放電を利用したものが知られており、これは、例えば、特開平２−７３５３号公報に開示されているように、放電容器にエキシマ分子を生成する放電用ガスを充填し、誘電体バリヤ放電（別名、オゾナイザ放電あるいは無声放電、電気学会発行改訂新版「放電ハンドブック」平成１年６月再販７刷発行第２６３頁）によってエキシマ分子を生成し、エキシマ分子から真空紫外光を放射させるものである。
【０００４】
このような誘電体バリヤ放電を利用したエキシマランプでは、例えば、エキシマランプに周波数が数１０ｋＨｚの矩形波電圧を印加すると、発光効率の高い真空紫外光が得られることが知られている。
【０００５】
一方、エキシマランプ点灯装置を用いて真空紫外光を放射させる場合、処理時間を短縮するために高出力化しなければならないが、高出力化を図るために、周波数を数１０ｋＨｚで点灯しようとすると、５ｋＶ程度の高電圧で印加する必要がある。しかし、このような高電圧はエキシマランプ点灯装置にとっては厄介な絶縁上の問題を生じる。
【０００６】
そのため、このような絶縁上の問題を回避するために、数１０ｋＨｚ時の印加電圧に比べて低い印加電圧となるＭＨｚ帯域の周波数を利用（例えば、数ＭＨｚの周波数で、印加電圧が１ｋＶ程度となる）する誘電体バリア放電の応用が考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エキシマランプ装置において、ＭＨｚ帯域の周波数で点灯しようとすると、数１０ｋＨｚの周波数で点灯する場合に比べて、真空紫外光の放射量が少なくなる、つまり、エキシマ光の発光効率が悪いという問題が生じる。以下にその理由について述べる。
【０００８】
まず、図９を用いて、エキシマ光の発光現象をＸｅ（キセノン）のエネルギー準位および電子温度の点から詳述する。
図９はＸｅのエネルギー準位の一部を示す図であり、ここで、基底状態にあるＸｅ原子（Ｘｅ（１Ｓ０））は、放電中の高エネルギー電子と衝突することによりエネルギーを得て、励起状態（Ｘｅ＊（ｒｅｓ）、Ｘｅ＊（ｍｅｔ））となる。励起状態に至ったＸｅ原子は、基底状態のＸｅ原子との三体衝突によりＸｅエキシマに変化する（Ｘｅ＊＋Ｘｅ＊＋Ｘｅ→Ｘｅ２＊＋Ｘｅ）。このようにして生成されたＸｅエキシマは脱励起することにより、波長１７２ｎｍの真空紫外光を放射する。
【０００９】
従って、このようなプロセスにより真空紫外光を放射する場合、真空紫外光の放射量を多くするためには、基底状態にあるＸｅ原子を頻繁に励起させて励起状態にあるＸｅ原子を増大させること、および励起状態にあるＸｅ原子をＸｅエキシマに変化させることが必要である。
【００１０】
定常放電中の電子は様々なエネルギーを持っており、一般的にはそのエネルギーは数ｅＶであり、基底状態のＸｅ原子を励起するために必要な８ｅＶ以上の高エネルギーを有する電子は少ない。そのため、上記のプロセス中、前者のプロセスは、電子のエネルギー分布をより高エネルギー化することにより、高エネルギーの電子数の割合を増やすことが必要である。
後者のプロセスは、放電中のＸｅ原子数を増やすことにより達成され、これが従来のエキシマランプが１０ｋＰａ以上の比較的高圧のガス圧力で動作させる理由である。
【００１１】
しかし、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を連続的にランプに印加する場合には、図１０に示すように、上記のプロセスが効率的に行われない。
即ち、ランプに電源を投入した直後、つまり放電生成直後は、ランプ内に入力される高周波電磁エネルギーは主に電子に吸収され、電子だけが高エネルギー状態（高電子温度）に加熱され、その結果、高エネルギー状態にある電子はＸｅ原子と衝突することによりＸｅ原子にエネルギーを与え、励起状態にあるＸｅエキシマを多く生成する。しかし、放電生成から十分な時間（ｍｓｅｃオーダー以上）経過すると、上記の衝突過程は定常状態に達し、電子温度は減少し、ガス温度（原子の温度）、イオン温度は上昇して落ち着ついてしまう。
【００１２】
このように、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を連続的にランプに印加する場合は、高周波電圧の印加直後は、電子温度は急激に上昇して非常に高い状態にあって光出力はこれに対応して増大するが、その後定常状態に落ち着き、また、ガス温度が高くなると不安定なエキシマ分子は壊れてしまい易いこともあって光出力は低下してしまう。
【００１３】
そこで、以上のことから下記のことが知見される。即ち、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を連続的に供給した場合の入力電力（消費電力）と、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波をパルス的（間欠的）に供給した場合の入力電力（消費電力）とが等しくなる条件下において、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波をパルス的（間欠的）にランプに供給する場合は、パルスＯＮ期間（出力期間）内における電圧値が連続波としたときの電圧値よりも高くすることができるので、さらにパルスＯＦＦ期間（休止期間）では放電が完全に消えガスの温度を下げることができるので、その結果として、電子のエネルギー分布をより高エネルギー状態とし、高エネルギーの電子数の割合を増し、励起種の増加、ひいては真空紫外光の増大を図ることが可能となる。
【００１４】
本発明の目的は、上記の知見に基づいて、エキシマランプにＭＨｚ帯域の高周波電圧をパルス的（間欠的）に供給して、エキシマ光を効率よく発光させ、印加電圧を低くすることが可能な、高出力の真空紫外光を発光させることのできるエキシマランプ点灯装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１６】
第１の手段は、放電によってエキシマ分子を生成する放電ガスが放電容器内に充填され、一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記放電空間との間に誘電体が配置されたエキシマランプと、前記一対の電極に接続され、高周波電圧を供給しエキシマランプを点灯させるエキシマランプ点灯回路と、からなるエキシマランプ点灯装置において、前記エキシマランプにおける前記放電ガスの圧力が１０ｋＰａ以上であり、前記エキシマランプ点灯回路から供給される前記高周波電圧が、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を、周波数が１ｋＨｚ以上、前記１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波の１／１０以下であって、デューティ比が１０〜８０％の変調信号でパルス変調されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１ないし図８を用いて説明する。
図１（ａ）は、エキシマランプの管軸方向の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａから見た断面図である。
【００１８】
同図において、１はエキシマランプ、２はキセノンガス等のエキシマ分子を形成するための放電用ガスが１０ｋＰａ以上封入され、竹輪状に形成された放電容器、３は放電容器２の外側管、４は放電容器２の内側管、５は放電容器２の外側管３面上に網目状に形成された第１の電極、６は放電容器２の内側管４面上に形成された第２の電極である。
【００１９】
同図に示すように、エキシマランプ１の放電容器２は、誘電体からなる外側管３と内側管４が同軸的に配置された２重管構造からなり、外側管３と内側管４の両端は閉じられ、この間に放電空間が形成される。後述する点灯回路から第１の電極５と第２の電極６間に、後に詳述する高周波電圧が印加されると、放電容器２内で放電が発生し、放電により励起されて生成されたエキシマ分子から真空紫外光が発生し、発生した真空紫外光は外側管３の網目状の第１の電極５の間から外部に放射させることができる。
【００２０】
なお、後述する実験に用いたエキシマランプとしては、エキシマ分子を生成する放電用ガスとして、キセノン（Ｘｅ）ガスが２ｋＰａ、１０ｋＰａ、６０ｋＰａ（いずれも２５℃換算）からなる封入圧の異なる３種類のもの用いた。また、放電容器２は、材質が合成石英ガラスからなり、外側管３の外径がφ２６ｍｍ、内側管４の外径がφ１６ｍｍ、長さ２５ｃｍ、内容積６３ｃｃのものを用いた。
【００２１】
図２は、エキシマランプ１を点灯するための点灯回路の構成を示すブロック図である。
同図において、７は１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波（基準周波数）を発生する高周波発生回路、８は１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波（基準周波数）を変調するために、周波数の下限が１ｋＨｚ以上、上限が１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの１／１０以下であって、デューティ比が１０〜８０％のパルス変調信号を発生する変調信号発生回路、９はパルス変調された高周波電圧を発生し増幅する変調増幅回路、１０はパルス変調された高周波電圧をエキシマランプ１に印加するための整合回路である。
【００２２】
図３（ａ）は、エキシマランプに印加されるパルス変調された高周波電圧、図３（ｂ）は、エキシマランプから放射される真空紫外光の光出力を示す図である。
同図に示すように、本発明によれば、エキシマランプ１に、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数電圧（基準周波数）を、周波数が１ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの１／１０以下の周波数であって、デューティ比が１０〜８０％のパルス変調信号によって変調された高周波電圧を印加して点灯することにより、エキシマ光を効率よく発光させ、印加電圧を低くすることが可能な、高出力の真空紫外光を出力させることができる。
【００２３】
次に、エキシマランプに上記の条件からなる高周波電圧を印加することを知見するに至ったエキシマランプ点灯装置による実験結果を、図４ないし図８の表に示す。
【００２４】
この実験は、図１に示したエキシマランプとして、キセノン（Ｘｅ）ガスの封入圧が２ｋＰａ、１０ｋＰａ、６０ｋＰａの３種類のもの用い、図２に示した点灯回路において、高周波発生回路７において８００ｋＨｚ〜１ＧＨｚの範囲において高周波（基準周波数）を種々に変化させ、また変調信号発生回路８において、周波数を１００Ｈｚ〜５００ＭＨｚの範囲で、かつデューティ比を５〜９０％の範囲のパルス変調周波数を種々に変化させて行ったものである。
【００２５】
なお、これらの図において、効率比とは、両者とも高周波（基準周波数）の周波数が同じであり、一方の図１０（ａ）に示すよう高周波（基準周波数）を連続的に供給した場合の入力電力（消費電力）と、他方の図３（ａ）に示すように高周波（基準周波数）をパルス的（間欠的）に供給した場合の入力電力（消費電力）とが等しくなる条件下において、一方の連続的に供給した場合の真空紫外光（１７２ｎｍ波長）の光出力に対する他方のパルス的（間欠的）に供給した場合の真空紫外光（１７２ｎｍ波長）の光出力との比を表したものである。またこれらの表における○は効率比の改善が特に認められた実験結果を示すものである。
【００２６】
図４〜図８に示すように、この実験結果から以下に示すような点灯条件が見出された。
まず、図４の表に示すように、基準周波数が８００ｋＨｚ程度では、これをパルス的（間欠的）に変調したいかなる高周波電圧で印加しても、効率比の改善が見られないことが分かる。よって、基準周波数は１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲にあることが分かる。
【００２７】
また、図５〜図８の表に示すように、パルス変調周波数の下限値は１ｋＨｚ以上なければならないことが分かる。これはパルス変調周波数が１ｋＨｚ以下では、パルス変調周波数の１周期におけるパルスＯＮ期間が長くなり、結果として、このＯＮ期間内に図１０（ｂ）に示したような状態を呈するためと考えられる。また、パルス変調周波数の上限値も、図５〜図８の表に示すように、基準周波数の１／１０以上では効率比の改善が見られないことが分かる。例えば、基準周波数の１／２では効率比の改善は見られない。これはパルス変調周波数の１周期におけるパルスＯＮ期間が短く、即ち、基準周波数の期間が短すぎて、エキシマランプへの１パルス当たりの入力電力が不足して基底Ｘｅ原子を励起できないためと考えられる。
【００２８】
また、同じく、図５〜図８の表に示すように、デューティ比１０〜８０％の範囲においては、効率比の改善が見られる。デューティ比が１０％以下では、パルス変調周波数の１周期におけるパルスＯＮ期間が短すぎて、エキシマランプへの入力電力が不足し、エキシマ分子の生成する時間がないためと考えられる。また、デューティ比が８０％以上では、パルス変調周波数の１周期におけるパルスＯＮ期間が長くなるため、ＯＮ期間内は図１０（ｂ）に示したような状態を呈してしまうと考えられる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、エキシマランプにおける放電ガスの圧力が１０ｋＰａ以上であり、エキシマランプ点灯回路から供給される高周波電圧が、１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波を、周波数が１ｋＨｚ以上、前記１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波の１／１０以下であって、デューティ比が１０〜８０％の変調信号でパルス変調するようにしたので、エキシマランプの点灯周波数をＭＨｚ帯域としてもエキシマ光の発光効率を高くとることができると共に、印加電圧を低くすることができ、真空紫外光の高出力化が可能なエキシマランプ点灯装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエキシマランプの管軸方向の断面図およびエキシマランプの管軸方向に対して直角方向から見た断面図である。
【図２】本発明に係るエキシマランプの点灯回路の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係るエキシマランプに印加されるパルス変調された高周波電圧およびエキシマランプから放射される真空紫外光の光出力を示す図である。
【図４】エキシマランプ点灯装置における実験結果を示す表である。
【図５】エキシマランプ点灯装置における実験結果を示す表である。
【図６】エキシマランプ点灯装置における実験結果を示す表である。
【図７】エキシマランプ点灯装置における実験結果を示す表である。
【図８】エキシマランプ点灯装置における実験結果を示す表である。
【図９】Ｘｅのエネルギー準位の一部を示す図である。
【図１０】従来技術に係るエキシマランプに連続的に印加される１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高周波電圧およびエキシマランプから放射される真空紫外光の光出力を示す図である。
【符号の説明】
１　エキシマランプ
２　放電容器
３　外側管
４　内側管
５　第１の電極
６　第２の電極
７　高周波発生回路
８　変調信号発生回路
９　変調増幅回路
１０　整合回路
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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