(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、発光効率を高め、発光強度を上げる。【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の中に放電用ガスを充填する。放電用ガスに直接接触する放電開口部４が多数設けられた内部電極３と、対向電極６とで、誘電体層５を挟んで、３層構造の放電ユニットを構成する。内部電極３を、ＭｇＯ膜などの絶縁膜８で覆う。または、誘電体層５と内部電極３との間にＭｇＯ膜などの絶縁膜８を設ける。絶縁膜８により、二次電子供給が促進されて、発光効率が向上する。さらに、絶縁膜８により、内部電極３の磨耗を防止することもできる。【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、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、前記内部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内部電極に対向して配置された対向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、前記内部電極表面を絶縁体膜で覆った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】
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、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、前記内部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内部電極に対向して配置された対向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、前記内部電極と前記誘電体層との間に絶縁体膜を設けた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３】
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、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、前記内部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内部電極に対向して配置された対向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、前記内部電極表面に絶縁体膜を設けかつ前記放電開口部に面した誘電体層の表面にも絶縁体膜を設けた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４】
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、前記放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、前記内部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内部電極に対向して配置された対向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、前記内部電極表面に絶縁体膜を設けかつ前記誘電体層と前記内部電極の間にも絶縁体膜を設けた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５】
前記絶縁体膜は、ＭｇＯ膜、窒化アルミニウムまたはその他の絶縁膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次元アレー型誘電体バリア放電装置。
【請求項６】
前記放電容器に電子冷却装置を設け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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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れている。
【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、大気圧よりも高いガス圧力で動作させる。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、高輝度化が望めない。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。放電ギャップが大きいので、二次電子供給の促進効果のあるＭｇＯ薄膜塗布の効果も小さい。
【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。以下に、放電ガス中で、安定且つ高輝度高効率で動作するランプの例を説明する。放電ギャップを極力縮小し、二次元的に並列に放電させる二次元アレー型バリア放電装置である。
【０００８】
図８は、従来の二次元アレー型バリア放電装置の概念図である。発光側の内部電極３は、厚さ５０μｍのタングステン電極である。高圧側の内部電極３には、直径１００μｍの放電開口部４が多数、縦横それぞれ１００μｍのピッチで設けてある。アース側の対向電極６は、厚さ５０μｍタングステン電極である。その間に、厚さ１００μｍの誘電体層５が形成されている。放電空間２には、希ガスＡｒを充填してある。これらを、石英ガラスの放電容器１に収納してある。高周波発生用高圧電源から、周波数が１３．５ｋＨｚで４ｋＶの電圧を、内部電極３と対向電極６の間に印加する。
【０００９】
一定の電圧を印加しながら希ガスの圧力を上げていくと、１０気圧程度まで発光強度が直線的に増加する。発光効率が、高圧ガス圧雰囲気中で増加する。希ガス圧力が高くなることによって、Ａｒの準安定励起原子とＡｒの基底準位原子の三体衝突頻度が高くなり、Ａｒ２励起分子が効率よく生成される。
【００１０】
発光強度の上昇は、１０気圧近くで飽和に転じる。希ガス圧力をＰとし、電場の強さをＥとすると、Ｐの上昇によりＥ／Ｐが減少し、それに伴い、Ａｒの準安定励起原子の電子衝突による生成確率が減少し、Ａｒの準安定励起原子数が減少するためである。また、Ａｒ２励起分子とＡｒ原子との二、三体衝突により、Ａｒ２励起分子が衝突遷移を起こし、熱に変化するためである。
【００１１】
高圧希ガス中で印加電圧を増加させることにより、発光強度が増加し、希ガス圧力と発光強度の関係が直線的に近づく。これは、印加電圧の増加によって電場Ｅが増加することにより、Ａｒの準安定励起原子の生成確率が増加し、その結果、Ａｒ２励起分子が増加するためである。したがって、高圧希ガス中で発光強度と発光効率を上げるためには、希ガス圧力の増加に伴い印加電圧を増加させる必要がある。
【００１２】
図９に、誘電体の厚さを１００μｍとし、放電開口部の径を１００μｍとし、電極間印加電圧を４ｋＶとした場合の、マイクロ放電の電圧印加時の静電位分布を示す。この結果から、放電開口部において、電場が最も強くなる。
【００１３】
図１０に示すように、電極開口部の径が１０−９〜１０−１（ｍ）の範囲では、開口部の径の縮小に伴い、電極開口部の電場の強さが増加する。電場は発光強度を反映するため、開口部の径の縮小に伴い、開口部に集中する電場が大きくなり、放電面単位面積あたりの発光強度と発光効率が高くなることを示唆している。
【００１４】
放電開口部の径を変化させた時における電場の強さは、同じ電圧でも放電開口部の径の縮小により、電場集中が著しくなる。印加電圧が４ｋＶであっても、放電開口部の付近では、１０８Ｖ／ｍもの電場となる。
【００１５】
図１１に示すように、誘電体の薄膜化により、放電開口部の付近の電場集中が著しくなる。誘電体の薄膜化は、発光効率向上の要素の一つである。誘電体厚を、放電開口部の径と同等か、それ以下とする。
【００１６】
【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」
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の二次元アレー型誘電体バリア放電装置では、発光効率が低く、発光強度が弱いという問題があった。
【００１８】
本発明は、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において、発光効率を高め、発光強度を上げることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、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、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、内部電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して内部電極に対向して配置された対向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内部電極を絶縁体膜で覆った構成とした。このように構成したことにより、発光効率を高め、発光強度を上げることができる。また、絶縁膜により、電極の磨耗を防止できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
（実施の形態）
本発明の実施の形態は、放電開口部が多数設けられた内部電極をＭｇＯ膜で覆った二次元アレー型誘電体バリア放電装置である。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の概念図である。図１（ａ）は、上面図である。図１（ｂ）は、断面図である。図１において、放電容器１は、電極ユニットと希ガスを密封する石英ガラスの容器である。放電空間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、放電用の１気圧の希ガスＸｅが充填された放電容器１内の空間である。内部電極３は、放電用希ガスに直接接触する放電開口部４が多数設けられた高圧側のタングステン製電極である。放電開口部４は、エキシマ放電を行う空間である。放電開口部４の直径は１００μｍであり、縦横ピッチは８００μｍである。誘電体層５は、厚さ１００μｍのＳｉＯ２である。対向電極６は、誘電体層５を介して内部電極３に対向して配置された高電圧印加側の電極である。対向電極６は、厚さ５０μｍのタングステン製電極である。リード線７は、内部電極３および対向電極６を、それぞれ外部の電源に接続するための導線である。絶縁膜８は、５μｍの厚さのＭｇＯ膜である。電子冷却装置９は、放電容器１を冷却する手段である。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の拡大図である。図３は、内部電極に絶縁膜を設けた二次元アレー型誘電体バリア放電装置と絶縁膜がない二次元アレー型誘電体バリア放電装置のエキシマ発光強度と発光の寿命を比較した表である。図４は、内部電極と誘電体層の間に絶縁膜を設けた二次元アレー型誘電体バリア放電装置の拡大図である。図５は、内部電極と誘電体層との間に絶縁膜を設けた二次元アレー型誘電体バリア放電装置と絶縁膜がない二次元アレー型誘電体バリア放電装置のエキシマ発光強度と発光の寿命を比較した表である。
【００２４】
上記のように構成された本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の動作を説明する。図１、図２に示すように、二次電子供給を促進して、発光効率を向上させるために、内部電極３の表面をＭｇＯの絶縁膜８で覆う。また、図４に示すように、電極の消耗を防ぐために、内部電極３と誘電体層５の間に、ＭｇＯの絶縁膜８を設ける。また、図６に示すように、発光効率の向上と電極の消耗防止のために、内部電極３の表面と、発光面である放電開口部に面した誘電体層５の表面とに、ＭｇＯを塗布して絶縁膜８を形成する。
【００２５】
図２と図４と図６の拡大図に示すように、内部電極３や誘電体層５に、ＭｇＯ膜を５μｍの厚さで塗布する。放電容器１に、内部電極３と誘電体層５と対向電極６からなる放電ユニットを封入する。放電空間２には、１気圧の希ガスＸｅを封止する。高周波発生用高圧電源を用いて。周波数が１３．５ｋＨｚで５ｋＶの電圧を、内部電極３と対向電極６との間に印加する。
【００２６】
図３の比較表に示すように、内部電極３に絶縁膜８を設けた二次元アレー型誘電体バリア放電装置における発光寿命は、内部電極３に絶縁膜８を設けない従来の二次元アレー型誘電体バリア放電装置と比較して３倍程度よい。しかし発光強度と発光効率は、ともに変化しない。絶縁膜８は、ＭｇＯ膜以外の他の窒化アルミニウム等を絶縁体材料で形成してもよい。また、他の形式の電極構造を有する放電装置に適用することもできる。
【００２７】
図４を参照しながら、二次元アレー型誘電体バリア放電装置の別の例を説明する。絶縁膜８を、内部電極３と誘電体層５の間に設ける。内部電極３と誘電体層５の間とは、内部電極３と誘電体層５との接合面のみでなく、放電開口部４にある誘電体層５の表面も含めた領域である。このようにすると、二次電子供給が促進され、図５に示すように、発光強度、発光効率がともに２倍向上する。しかし、内部電極３の消耗を防ぐことはできず、エキシマ発光の寿命は変化しない。絶縁膜８は、ＭｇＯ膜以外の他の窒化アルミニウム等を絶縁体材料で形成してもよい。また、他の形式の電極構造を有する放電装置に適用することもできる。
【００２８】
図６を参照しながら、二次元アレー型誘電体バリア放電装置のさらに別の例を説明する。絶縁膜８を、内部電極３の表面と、放電開口部４にある誘電体層５の表面に設けた例を説明する。このようにすると、図７に示すように、エキシマ発光強度、発光効率ともに２倍程度向上し、エキシマ発光の寿命も３倍程度向上する。なお、図２と図４に示したものを組み合わせて、内部電極３と誘電体層５との接合面を含めて、内部電極３の表面と誘電体層５の表面をすべて絶縁膜８で覆うようにしてもよい。絶縁膜８は、ＭｇＯ膜以外の他の窒化アルミニウム等を絶縁体材料で形成してもよい。また、他の形式の電極構造を有する放電装置に適用することもできる。
【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装置を、放電開口部が多数設けられた内部電極の表面および内部電極と誘電体との間にＭｇＯ膜を設けた構成としたので、発光強度の増加と発光効率の向上を実現することができ、且つ電極の磨耗を防止できて、寿命を伸ばすことも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、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、放電用ガスに直接接触する放電開口部が多数設けられた内部電極と、内部電極に接して設けられた誘電体層と、誘電体層を介して内部電極に対向して配置された対向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、内部電極をＭｇＯ膜で覆うか、内部電極と誘電体層との間にＭｇＯ膜を設けた構成としたので、発光効率を高め、発光強度を上げることができる。また、絶縁膜により、電極の磨耗を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の概念図、
【図２】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の拡大図、
【図３】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置と、従来の絶縁膜がない二次元アレー型誘電体バリア放電装置のエキシマ発光強度と発光の寿命を比較した表、
【図４】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置の別の例の拡大図、
【図５】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置と、従来の絶縁膜がない二次元アレー型誘電体バリア放電装置のエキシマ発光強度と発光の寿命を比較した表、
【図６】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置のさらに別の例の拡大図、
【図７】本発明の実施の形態における二次元アレー型誘電体バリア放電装置と、従来の絶縁膜がない二次元アレー型誘電体バリア放電装置のエキシマ発光強度と発光の寿命を比較した表、
【図８】従来の二次元アレー型バリア放電装置の概念図、
【図９】マイクロ放電の電圧印加時の静電位分布を示す図、
【図１０】放電開口部の径と電場の関係を示す図、
【図１１】誘電体層の厚さと電場の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  放電容器
２  放電空間
３  内部電極
４  放電開口部
５  誘電体層
６  対向電極
７  リード線
８  絶縁膜
９  電子冷却装置
【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】
2004234956.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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