(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を発生する電子線発生部と、放電ガスが封入され、前記電子線発生部で発生した電子線を前記放電ガス中に入射させることにより紫外光を発生させる光発生部と、前記電子線発生部と光発生部とを隔離してそれぞれの気密を保つとともに、前記電子線発生部で発生した電子線を前記光発生部内に透過させるダイヤモンド薄膜からなる電子線透過窓と、前記光発生部で発生した紫外光を外に取り出す光透過窓とからなる紫外光源装置において、
前記ダイヤモンド薄膜をシリコン基板上に形成し、該シリコン基板をアノードに取り付けたことを特徴とする紫外光源装置。
【請求項２】
前記電子線透過窓の形状をスリット状としたことを特徴とする請求項１記載の紫外光源装置。
【請求項３】
前記光発生部の内面を紫外光を反射する材料で構成するか、または内面に紫外光を反射する材料をコーティングしたことを特徴とする請求項１又は２記載の紫外光源装置。
【請求項４】
前記光発生部の内面を腐食防止用の紫外光を透過する材料でコーティングしたことを特徴とする請求項３記載の紫外光源装置。
【請求項５】
前記腐食防止用のコーティング材料としてフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウムのいずれかを使用したことを特徴とする請求項４記載の紫外光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光化学反応を利用して産業的に多くの利用が考えられる紫外光を発生する紫外光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外光を発生させる手段として、エキシマランプと呼ばれる放電を利用した紫外光照射装置がある。  
このエキシマランプは、図８に示すように、同軸状に配置された内管３０と外管３１との二重構造の合成石英ガラスの、内管３０の内側に内部電極３２を、外管３１の外側に外部電極３３をそれぞれ設け、内管３０と外管３１との間に形成された放電空間３４に放電用希ガスとしてのキセノン（Ｘｅ）ガス３５を充填して構成されている。
【０００３】
そして、前記電極３２、３３間に高周波電源３６から低電圧を印加することにより石英管の内管３０と外管３１との間でプラズマ放電が発生し、この放電プラズマにより放電用希ガス３５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もとの状態（基底状態）に戻る時にエキシマ特有のスペクトルが発生する。
【０００４】
発光スペクトルは充填する放電ガスの組成により設定することができ、放電ガスの組成を選ぶことにより紫外光あるいは真空紫外光を発生させることができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
この紫外光、特に真空紫外光は低電力高出力、低温照射などの特徴を有し、例えば、有用な化学物質の合成、有毒物質の分解、表面処理、新材料創成、殺菌、滅菌等の産業的に多くの利用が期待されている。
【特許文献１】特開２００２−３５２７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、紫外光（以下、真空紫外光を例にして説明する）を実際に産業に利用するためには、さらに強力な光源が必要とされるため、従来のエキシマランプではエネルギーが不足し、実用に適さない。
【０００７】
さらに、発光効率（電気エネルギーから真空紫外光へのエネルギー変換効率）も低く、経済的にも問題があった。  
また、化学反応を制御して有用な化学物質を作り出す場合などには、パルス幅が１００ナノ秒以下となるような幅の狭い真空紫外光が必要となる場合があるが、現在の放電型のエキシマランプではパルス幅が数十μ秒を切るようなパルスを出すことはほとんど不可能であり、実用的ではなかった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、真空紫外光を産業に利用するために必要とされる、強力で、発光効率が高く、必要に応じてパルス幅が１００ナノ秒以下となるような幅の狭い真空紫外光を発生することができる紫外光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために請求項１の発明は、電子線を発生する電子線発生部と、放電ガスが封入され、前記電子線発生部で発生した電子線を前記放電ガス中に入射させることにより紫外光を発生させる光発生部と、前記電子線発生部と光発生部とを隔離してそれぞれの気密を保つとともに、前記電子線発生部で発生した電子線を前記光発生部内に透過させるダイヤモンド薄膜からなる電子線透過窓と、前記光発生部で発生した紫外光を外に取り出す光透過窓とからなる紫外光源装置において、前記ダイヤモンド薄膜をシリコン基板上に形成し、該シリコン基板をアノードに取り付けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の紫外光源装置によれば、これまでのエキシマランプでは実現できなかった強力で、発光効率が高く、パルス幅が１００ナノ秒以下となるような幅の狭い紫外光を発生することができ、真空紫外光のさまざまな産業分野への利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１は本発明の第１の実施の形態による紫外光源装置を示す断面図である。  
図１において、１は電子線発生部で、真空に保たれた容器２の内部に電子放出源として熱電子陰極であるカソード３が設けられている。
【００１２】
このカソード３は接地電位に対して負の電位となるように、容器２外に設けられた電子線加速用電源４に接続されている。  
５はカソード３を加熱するために容器２内に設けられたヒータで、容器２外に設けられたヒータ電源６に接続されている。
【００１３】
７は金属板からなるグリッド板で、前記カソード３の前面に設けられ、カソード３から放出され、加速された電子線８の形状を成形するためのスリット９を形成している。  
１０は容器２外に設けられ、前記カソード３に接続された電子線制御用電源で、カソード３に対して正または負の電圧を印加できるようになっている。
【００１４】
１１はアノードで、前記カソード３から放出される電子線８に対向するように電子線発生部１の容器２内面に取り付けられて接地され、スリット状開口部１２が形成されている。  
このアノード１１は、図示しないが水冷、あるいは他の手段により冷却されている。
【００１５】
１３は電子線透過窓で、例えば、ダイヤモンドの薄膜をシリコン基板上に形成し、前記アノード１１のスリット状開口部１２を塞ぐようにアノード１１に取り付けられ、さらに、アノード１１と一体的に容器２に形成された開口部１４を塞ぐように容器２の内面に取り付けられている。
【００１６】
１５は光発生部で、容器１６が前記電子線発生部１の容器２に取り付けられ、容器２の開口部１４に対向した位置に開口部１７が形成されている。  
この光発生部１５の容器１６の少なくとも内面は、発生した真空紫外光を効率よく外部に取り出すために光を反射しやすい、例えばアルミニウムなどの材料で形成されるか、光を反射しやすい材料でコーティングされている。
【００１７】
１８は光透過窓で、前記光発生部１５の容器１６の開口部１７と反対側の対向した面に形成され、真空紫外光が透過する材料、例えばフッ化マグネシウムなどの材料から形成されている。
【００１８】
前記光発生部１５の容器１６の内部には１〜数気圧の例えばキセノン（Ｘｅ）ガスなどの希ガスを含む放電ガス１９が封入されている。  
真空に保たれた電子線発生部１と、高圧の放電ガスが充填された光発生部１５との気密は前記電子線透過窓１２により保たれている。
【００１９】
次に本実施の形態の作用について説明する。  
ヒータ電源６により電圧が印加されたヒータ５は発熱し、隣接したカソード３を加熱する。
【００２０】
ヒータ５によって加熱されたカソード６は熱電子放出により高エネルギーの電子線を放出する。  
一方、カソード６の前面に設けられたはグリッド板７には電子線制御用電源１０により正または負の電圧が印加される。  
グリッド板７に負の電圧を印加した場合、カソード３からの電子線の放出は抑制される。
【００２１】
逆にグリッド板７に０または正の電圧をかけた場合はカソード３から電子線が放出される。  
カソード３から放出された電子線８は電子線発生部１の容器２内で電子線加速用電源４により加速され、接地電位にあるアノード１１に向かってさらに加速される。  
電子線加速用電源４の電圧は、例えば、数十Ｋｖ〜１００Ｋｖ程度が好ましい。
【００２２】
電子線加速用電源４の電圧が低くなると、電子線透過窓１３を透過する電子線の数とエネルギーが低下する。  
逆に、電子線加速用電源４の電圧が高くなりすぎると絶縁が難しくなり、装置が大型で高価になる。特に、電圧が１００Ｋｖを超えると絶縁対策は極端に難しくなる。
【００２３】
加速された電子線８はアノード１１のスリット状開口部１２を通って電子線透過窓１３を透過し、光発生部１５に入射する。  
光発生部１５の容器１６内にはキセノンガスを含む放電ガス１９が封入されているため高エネルギーの電子線８はキセノンガス原子と衝突しイオンまたは励起原子を生成する。
【００２４】
その後、励起分子生成、電子−イオン再結合などの衝突反応過程を経てエキシマが生成される。  
エキシマは非常に短時間で解離し基底状態に戻るが、その過程でエキシマ特有の真空紫外光を発生する。  
例えば、キセノンエキシマからの発光は波長１７３ｎｍの真空紫外光２０である。
【００２５】
電子線８から真空紫外光２０へのエネルギー変換効率は、計算機シミュレーションによると、６０％程度の高効率が期待できる。  
光発生部１５で発生した真空紫外光２０は、光透過窓１８を通過して外部に取り出される。
【００２６】
このようにして発生した真空紫外光２０は、有用な化学物質の合成、フロン、ＰＣＢ、ダイオキシン等の有毒物質の分解、表面処理、新材料創成、殺菌、滅菌等の産業的に多くの分野へ利用される。
【００２７】
本実施の形態によれば、電子線発生部１から発生した高エネルギーの電子線８を高圧の放電ガス１９中に入射することにより光発生部１５でエキシマを生成し、真空紫外光２０を発生させるので、電子線８からエキシマ生成を経由した光へのエネルギー変換効率は、６０％近い効率が得られる。
【００２８】
また、高エネルギーの電子線８の発生効率は、１００％近い高効率が実現できることから、電気エネルギーから真空紫外光への変換を数十％と非常に高い効率で行うことができる。  
また、エキシマから発生する光は紫外光、特に、希ガスのみの単体ガスや、混合ガスのエキシマから発生する光は、波長２００ｎｍ以下の真空紫外光となる。
【００２９】
図２に、さまざまな化学結合の結合エネルギーを光の波長に換算した値と、同時にキセノンエキシマから発生する光の波長１７３ｎｍも示す。  
図において短波長ほどエネルギーは高いことを示している。
【００３０】
図２から分かるように、キセノンエキシマ光はＮ≡Ｎ、Ｃ≡Ｃ、Ｃ＝Ｏを除いたほとんどの化学結合エネルギーより高いエネルギーを持つため、この波長よりも長い波長を持つ化学結合は波長１７３ｎｍの真空紫外光で結合を直接切ることができることを示しており、ほとんどの結合を切ることができることが分かる。  
また、電子線８のパワー密度を高くすることにより、原理的にはより強力（高輝度）な真空紫外光２０を発生させることができる。
【００３１】
電子線８のパワー密度を高くする際の最大の問題点は、電子線透過窓１３の発熱による破壊であるが、本実施の形態ではこの電子線透過窓１３にダイヤモンド薄膜を使用することで電子線８のパワー密度を高くすることとができる。
【００３２】
電子線透過窓１３の材料として使用したダイヤモンドは、強度が高く、原子番号が小さく、熱伝導率が非常に大きいという特徴があり、電子線透過窓１３としては非常に優れた性質を持っている。
【００３３】
電子線８は電子線透過窓１３を透過する時、電子線透過窓１３の構成原子中の電子と衝突して散乱され、エネルギーを失っていくため、電子線透過窓１３の厚さを薄くし、また、原子番号の小さな物質を使用することにより、電子線８の透過率を高くすることができる。
【００３４】
ダイヤモンドは強度が高いため、膜の厚さを薄くすることができ、また、原子番号も６と小さいため電子線８の透過率を高くすることができる。  
さらに、電子線透過窓１３の形状を、アノード１１のスリット状開口部１２によりスリット状にすることで、同面積の円形（ピンホール形）の電子線透過窓等と比較して厚さを薄くすることが可能となる。
【００３５】
例えば、スリット幅を１ｍｍ程度とすると、ダイヤモンド膜の厚さは数μｍで十分である。この厚さのダイヤモンド膜に対して電子線８のエネルギーが数十Ｋｖとすると電子線８の透過率は９８％以上となる。
【００３６】
また、電子線透過窓１３を透過する電子線８の密度は、電子線透過窓１３での発熱とその冷却能力とのバランスで決まる。  
すなわち、電子線透過窓１３の冷却能力が高ければより多くの電子線８を通すことが可能となり、紫外光源装置としての出力が増加することとなる。
【００３７】
ダイヤモンドは熱伝導率の良いとされる金属と比較しても熱伝導率がさらに一桁程度高いため、アノード１１を十分冷やしさえすれば熱伝導により電子線透過窓１３の冷却を効率よく行うことができる。
【００３８】
そのため、通常の金属薄膜やシリコン薄膜と比較して、１桁以上の電流密度を通過させることができる。  
一方、光透過窓１８を形成する材料は真空紫外光２０が透過する材料であればよく、前記実施の形態で説明したフッ化マグネシウムの他に、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウム、石英、サファイヤ等の材料を用いることもできる。
【００３９】
光発生部１５の容器１６の少なくとも内面に形成されるか、コーティングされ、真空紫外光を反射しやすい材料としてはアルミニウム等が適している。  
例えば、アルミニウムは、１７３ｎｍの真空紫外光に対し、９２％以上の反射率を有している。
【００４０】
さらに、光発生部１５の容器１６の内面に、あるいは、内面に真空紫外光を反射する材料をコーティングした上に、真空紫外光を透過する材料をコーティングすることにより容器１６の内壁の腐食を防止することができる。
【００４１】
特に、光発生部１５に封入する放電ガスとして希ガスとハロゲンガスの混合ガスを用いた場合には、反射材としてのアルミニウムは腐食しやすくなるため、腐食防止のためのコーティングが必要となる。  
腐食防止のためのコーティング材料としてフッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、フッ化リチウム、フッ化ナトリム、フッ化カリウム等が考えられる。
【００４２】
光発生部１５に封入する放電ガスは、キセノン、クリプトン、アルゴン、ヘリウム等の希ガス単体でもよく、また、２種類以上の希ガスの混合ガスでもよく、また、希ガスとハロゲンガス（フッ素、塩素、臭素等）の混合ガスでもよい。  
キセノン単体ガスを使えば、波長１７３ｎｍの真空紫外光が得られ、どのガスを使っても基本的には同じである。
【００４３】
グリッド板７としては、前記実施の形態の説明においては加速された電子線８がすべて電子線透過窓１３を透過するように電子線形状の成型のためのスリット９を設けた金属板を用いた場合を説明したが、メッシュ状のものを用いることもできる。
【００４４】
また、電子放出源としてのカソード３前面にグリッド板７を設置し、電子線制御用電源１０によりカソード３からの電子線の放出をオン・オフ制御することで光発生部１５に入射する電子線８のパルス幅を狭くし、発生する真空紫外光２０のパルス幅を１００ナノ秒以下にまで狭くすることができる。
【００４５】
図３に、電子線出力をパルス制御することにより前記光発生部から発生する真空紫外光をパルス的に発生するさせるパルス制御を行った場合のカソードに対するグリッド板印加電圧Ｖの様子を示す。
【００４６】
図３において、タイミングＡがグリッド板７に電圧を印加した場合、タイミングＢがグリッド板７に電圧を印加しない場合で、タイミングＡの場合のみ真空紫外光をパルス的に放出することができる。
【００４７】
また、電子線発生部の構成は、前記実施の形態で説明した熱電子発生を利用した手段以外にも、多くの手段が考えられる。  
例えば、プラズマを利用して電子を発生させるプラズマ電子源もその一つの手段である。その他、電子を発生して加速できればどのような手段でもよい。
【００４８】
図４は、アノードへの電子線透過窓の取り付け方の一例を示す図である。  
図４において、１１はアノード、１２はアノード１１のほぼ中心部に形成されたスリット状開口部、２１はシリコン基板でほぼ中心部に前記アノード１１のスリット状開口部１２に対応させてエッチングなどで幅１ｍｍ程度のスリット孔２２を形成している。
【００４９】
シリコン基板２１のアノード１１に面する表面にはアノード１１を構成する例えば銅などの材料となじみの良い金属（例えば銅、銀、金等）２３を蒸着して、この金属２３を介してシリコン基板２１がアノード１１にロー付けされている。  
２４は電子線透過窓１３を構成するダイヤモンド膜で、厚さは数μｍ程度である。
【００５０】
また、アノード１１には水冷部２５が形成され、冷却されている。  
アノード１１へのシリコン基板２１の取り付け方としては、図５に示すように、金等の軟らかい金属の薄膜２６を挟んで押え金具２７とねじ２８等で機械的に固定してもよい。
【００５１】
このようにすることにより、アノード１１にダイヤモンド薄膜２４を簡単に取り付けることができ、電子線透過窓１３を構成することができる。  
また、シリコン基板２１の厚さはダイヤモンド薄膜２４に比べ十分厚い（数十倍以上）ため熱伝導の妨げにはほとんどならない。
【００５２】
図６は本発明の変形例を示す図で、光発生部１５の容器１６の形状を、前記第１の実施の形態で示した矩形箱型から円錐箱型にしている。  
このようにすることにより、容器１６内で発生した真空紫外光２０を少ない反射で外部に取り出すことができる。もちろん円錐形状の代わりに三角錐、四角錘等の多角錘にしてもよい。
【００５３】
さらに図７に示すように、電子線発生部１の容器２の先端を開口させ、電子線透過窓１３を取り付けたアノード１１を、光発生部１５の容器１６の外面に取り付けるようにしてもよく、場合によっては容器１６の内面に取り付けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による紫外光源装置の断面図。
【図２】さまざまな化学結合の結合エネルギーを光の波長に換算して表した説明図。
【図３】本発明における電子線発生部のカソードに対してグリッド板にかけるパルス電圧の一例を示す説明図。
【図４】本発明におけるアノードへの電子線透過窓の取り付け方の一例を示す断面図。
【図５】本発明におけるアノードへの電子線透過窓の取り付け方の別の一例を示す断面図。
【図６】本発明の変形例を示す断面図。
【図７】本発明の別の変形例を示す断面図。
【図８】従来のエキシマランプを示す断面図。
【符号の説明】
【００５５】
１…電子線発生部、２…電子線発生部の容器、３…カソード、４…電子線加速用電源、５…ヒータ、６…ヒータ電源、７…グリッド板、８…電子線、９…スリット、１０…電子線制御用電源、１１…アノード、１２…スリット状開口部、１３…電子線透過窓、１４…開口部、１５…光発生部、１６…光発生部の容器、１７…開口部、１８…光透過窓、１９…放電ガス、２０…真空紫外光、２１…シリコン基板、２２…スリット孔、２３…金属、２４…ダイヤモンド膜、２５…水冷部、２６…金属膜、２７…押え金具、２８…ねじ。
【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】
0004568183.tif 000008
【図８】
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