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JP-2026077371-A - 閃光照射装置

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Abstract

【課題】閃光照射を繰り返した際の出力低下を抑制でき、従来よりもフラッシュランプの点灯時のエネルギー効率が高い閃光照射装置を提供する。 【解決手段】閃光照射装置は、第一端子と第二端子とを含むフラッシュランプと、第一電極と第二電極とを含むコンデンサと、フラッシュランプとコンデンサ間の接続状態を制御する第一スイッチング素子と、第一スイッチング素子に対して並列に配置され、フラッシュランプとコンデンサ間の接続状態を制御する第二スイッチング素子と、第一及び第二スイッチング素子を制御する制御部を備え、制御部は、第一スイッチング素子がオフ状態下で第二スイッチング素子のオンオフ制御を高速で繰り返し、フラッシュランプに電圧を印加する第一制御と、第一制御の実行中に第一スイッチング素子をオン状態として、コンデンサの残存電圧に基づき主放電を発生させる第二制御と、を実行する。 【選択図】 図１

Inventors

  • 加瀬 征彦
  • 小西 政幸
  • 植松 陽香

Assignees

  • ウシオ電機株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (7)

  1. 第一端子及び第二端子を含み、前記第一端子と前記第二端子との間に電圧が印加されることで放電するフラッシュランプと、 前記第一端子に電気的に接続可能な第一電極と、前記第二端子に電気的に接続可能な第二電極とを含むコンデンサと、 前記フラッシュランプと前記コンデンサとの間の電気的な接続を制御する第一スイッチング素子と、 前記第一スイッチング素子に対して並列に配置され、前記フラッシュランプと前記コンデンサとの間の電気的な接続を制御する第二スイッチング素子と、 前記第一スイッチング素子及び前記第二スイッチング素子のオンオフ制御を行う制御部を備え、 前記制御部は、 前記第一スイッチング素子をオフ状態としながら、前記第二スイッチング素子のオンオフ制御を高速で繰り返し、充電状態にある前記コンデンサから前記フラッシュランプに電圧を印加する第一制御と、 前記第一制御の実行中に前記第一スイッチング素子をオン状態に切り替え、前記第一制御後に残存する前記コンデンサの残存電圧を前記フラッシュランプに印加して、主放電を発生させる第二制御と、を実行することを特徴とする、閃光照射装置。
  2. 前記第一スイッチング素子に対して並列に配置され、前記第二スイッチング素子に対して直列に配置されたインダクタを備えることを特徴とする、請求項１に記載の閃光照射装置。
  3. 前記制御部は、前記第一制御を４０ｍｓｅｃ以上１００ｍｓｅｃ以下の時間実行した後に前記第二制御を実行するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の閃光照射装置。
  4. 前記第一制御において、前記第二スイッチング素子のオフ時間はオン時間よりも長いことを特徴とする、請求項２に記載の閃光照射装置。
  5. 前記制御部は、前記第二制御が開始された後に、前記第二スイッチング素子をオフ状態にして前記第一制御を停止することを特徴とする、請求項１又は２に記載の閃光照射装置。
  6. 前記制御部は、前記第一制御の開始から所定時間経過後に、前記第二制御を行うように構成され、 前記所定時間は、前記第一制御で形成される放電の放電径が、前記フラッシュランプが有する発光管径の半分以上となる時間であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の閃光照射装置。
  7. 前記フラッシュランプが有する発光管の管軸方向に沿って配置され、前記フラッシュランプの始動を補助するトリガ電極と、 前記フラッシュランプが発する閃光が照射される照射対象物を支持する支持ユニットを備え、 前記トリガ電極は、前記発光管と前記照射対象物とに挟まれた空間の外側に配置されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の閃光照射装置。

Description

本発明は、閃光照射装置に関する。 従来、半導体ウエハの熱処理やプリンタブルエレクトロニクス等の製造プロセスにおける熱処理として、フラッシュランプによる閃光照射が行われている。特に近年では、半導体プロセスの微細化に伴って、注入した不純物が長時間の加熱により拡散することを抑えながら活性化させる方法として、閃光照射装置による瞬時の熱処理方法が注目されている。 ところで、フラッシュランプでは、閃光によって発光管を構成するガラス材料の一部が蒸発したり、当該ガラス材料が含む酸素成分が脱離したりすることで、発光管内壁に白濁が発生する場合がある。当該白濁は、フラッシュランプの閃光照射を繰り返した際に顕著となりやすく、フラッシュランプの出力低下を引き起こす。 そこで、本出願人は、例えば下記特許文献１に示すように、フラッシュランプの点灯装置の開発を行っている。特許文献１では、閃光照射を繰り返した際に発生する発光管内壁の白濁を抑制する観点から、発光管の管軸近傍にシマー放電を形成した状態で、閃光照射を実行可能なランプ点灯装置が開示されている。 特開２００９‐１６４０８０号公報 本発明に係る閃光照射装置の一実施形態の構成を示す図面である。フラッシュランプの構成例を示す断面図である。制御部の構成例を示すブロック図である。閃光照射装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。発光管内の放電の様子を模式的に示す図面である。照射対象物に対して閃光を照射する場面の一例を示す図面である。対比例１の検証に用いた閃光照射装置の構成を示す図面である。実施例１における閃光照射装置の出力特性を示すグラフである。フラッシュランプの寿命の評価結果を示すグラフである。閃光照射装置の動作の別例を示すタイミングチャートである。図１に倣って、閃光照射装置の構成例を示す図面である。特許文献１に係るランプ点灯装置の回路構成を模式的に示す図面である。図１２に係るフラッシュランプの構成を模式的に示す図面である。図１２に係るランプ点灯装置の動作を示すタイミングチャートである。 以下、本発明に係る閃光照射装置の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比や個数は、実際の寸法比や個数と必ずしも一致していない。 図１は、本発明に係る閃光照射装置の一実施形態の構成を示す図面である。図１に示すように、閃光照射装置１は、フラッシュランプ２と、コンデンサ４と、インダクタ６と、第一スイッチング素子１１と、第二スイッチング素子１２と、制御部１５を有する。 図２は、フラッシュランプ２の構成例を示す断面図である。図２では、発光管２０の管軸Ａ１に平行な方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する平面をＹ－Ｚ平面とする、Ｘ－Ｙ－Ｚ座標系が併記されている。以下の説明では、当該座標系が適宜参照される。本実施形態では、Ｚ方向は鉛直上向き方向に対応する。 また、以下の説明では、方向を表現する際に正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。 図２に示すように、フラッシュランプ２は、例えばキセノン等の放電ガスが封入された発光管２０と、陽極２１と、陰極２２と、陽極２１側に接続されたリードからなる第一端子２ａと、陰極２２側に接続されたリードからなる第二端子２ｂを有する。陽極２１と陰極２２はＸ方向に関して、すなわち発光管２０の管軸Ａ１方向に関して互いに離間して配置される。 また、フラッシュランプ２は、図２に示すように、発光管２０の外周面に近接して配置されたトリガ電極２５を有する。一例として、トリガ電極２５はタングステン製の金属棒で構成され、発光管２０の管軸Ａ１方向に延在するように配置される。本実施形態では、トリガ電極２５は、フラッシュランプ２の＋Ｚ側、すなわち鉛直方向上方に設置される。トリガ電極２５は、図１に示すように、トリガ回路２６の駆動によって、トリガ電圧が印加可能に構成される。 発光管２０は、例えば石英ガラス等のガラス材料から構成される。一例として、発光管２０のＸ方向に係る長さは２００ｍｍ以上５００ｍｍ以下であり、発光管２０の厚みは０．８ｍｍ以上３ｍｍ以下である。また、発光管２０の外径は、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。 図示は省略するが、閃光照射装置１において、フラッシュランプ２の本数は限定されない。 陽極２１及び陰極２２は、例えばタングステン等の金属材料から構成され、発光管２０内に配置される。より詳細には、陰極２２は仕事関数を低下させる効果を有する物質（「エミッター」ともいわれる。）を含有するタングステンから構成されても構わない。当該エミッターとしては、バリウム・アルミネート、酸化ランタン、酸化トリウム等が挙げられる。 コンデンサ４は、図１に示すように、フラッシュランプ２の第一端子２ａに電気的に接続可能な第一電極４ａと、フラッシュランプ２の第二端子２ｂに電気的に接続可能な第二電極４ｂを有する。第一電極４ａ及び第二電極４ｂは、不図示の電源に対して接続可能であり、コンデンサ４は当該電源によって充電可能に構成される。 第一スイッチング素子１１は、図１に示すように、コンデンサ４の第二電極４ｂが接続されたノードＮ１と、フラッシュランプ２の第二端子２ｂが接続されたノードＮ２の間に配置される。第一スイッチング素子１１は、フラッシュランプ２の第二端子２ｂとコンデンサ４の第二電極４ｂの間の電気的な接続を制御する。また、図１に示すように、第一スイッチング素子１１とノードＮ１との間には、ダイオード３０が接続される。 第二スイッチング素子１２は、図１に示すように、第一スイッチング素子１１に対して並列に配置された状態で、ノードＮ１とノードＮ２とを連絡する。第二スイッチング素子１２は、フラッシュランプ２の第二端子２ｂとコンデンサ４の第二電極４ｂの間の電気的な接続を制御する。本実施形態では、第二スイッチング素子１２とノードＮ２との間には、インダクタ６が接続される。また、第一スイッチング素子１１と同様に、第二スイッチング素子１２とノードＮ１との間には、ダイオード３１が接続される。 例えば、第一スイッチング素子１１及び第二スイッチング素子１２はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）から構成され、制御部１５が制御端子に印加する電圧を制御することでオン状態とオフ状態が切り替えられる。制御部１５の構成については後述される。 なお、第一スイッチング素子１１及び第二スイッチング素子１２がＩＧＢＴから構成されるかは任意である。第一スイッチング素子１１及び第二スイッチング素子１２は、制御部１５からの制御信号によって、電気的な接続状態を変更できる限り、任意の構成が採用可能である。 ダイオード３０は、アノード側に第一スイッチング素子１１が接続され、逆起電力によって逆向きの電流が第一スイッチング素子１１に流れ込むことを抑制する。同様に、ダイオード３１は、アノード側に第二スイッチング素子１２が接続され、逆向きの電流が第二スイッチング素子１２に流れ込むことを抑制する。なお、本発明は、ダイオード（３０，３１）を有するか否かに限定されない。 インダクタ６は、一方の端子がノードＮ３において第二スイッチング素子１２に接続され、他方の端子がノードＮ２に接続される。つまり、インダクタ６は、図１に示すように、第一スイッチング素子１１に対して並列に配置され、第二スイッチング素子１２に対して直列に配置される。インダクタ６は、第二スイッチング素子１２がオン状態とされた際に、フラッシュランプ２に供給される電流の時定数を調整する。すなわち、コンデンサ４からフラッシュランプ２に供給される電流の立ち上がり速度と立ち下り速度を調整する。 また、本実施形態では、閃光照射装置１は、ノードＮ３と、フラッシュランプ２の第一端子２ａが接続されたノードＮ４とを連絡するダイオード３２を有する（図１参照）。ダイオード３２のアノードはノードＮ３側に配置され、カソードはノードＮ４側に配置される。後述するように、第二スイッチング素子１２のオンオフ制御が実行された際に、インダクタ６の逆起電力によって第二スイッチング素子１２に逆向きの電流が流れ込むことを抑制する観点から、閃光照射装置１はダイオード３２を有することが好ましい。また、ダイオード３２を有することで、例えば１０００Ｖ以上の高電圧が印加された際に回路を保護しやすくなり、好適である。 制御部１５は、図１に示すように、第一スイッチング素子１１、第二スイッチング素子１２、及びトリガ回路２６に接続される。より詳細には、制御部１５は、第一スイッチング素子１１及び第二スイッチング素子１２のそれぞれのゲート端子と接続されている。制御部１５は、第一スイッチング素子１１及び第二スイッチング素子１２に対して制御信号を送信可能な制御手段であり、例えばＣＰＵ等のプロセッサと、情報を記憶するためのメモリを含んで構成される。 図３は、制御部１５の構成例を示すブロック図である。図３に示すように、制御部１５は、第一スイッチング素子１１のオン状態とオフ状態を制御する第一導通制御部１５ａと、第二スイッチング素子１２のオン状態とオフ状態を制御する第二導通制御部１５ｂと、トリガ回路２６の駆動状態を制御する始動制御部１５ｃを有する。なお、図１１を参照して後述するように、第一導通制御部１５ａと、第二導通制御部１５ｂは別個に構成されても構わない。 次に、閃光照射装置１の動作について説明する。図４は、閃光照射装置１の動作の一例を示すタイミングチャートである。図４では、コンデンサ４の充電電圧Ｖcと、フラッシュランプ２に投入される電流ＩFと、第一スイッチング素子１１及び第二スイッチング素子１２のそれぞれのオンオフ制御のタイミングが示されている。 まず、不図示の電源から電圧を印加することで、コンデンサ４が充電される。図４では、コンデンサ４に対して所望の充電電圧Ｖ1が充電されている。 次に、タイミングｔ１において、始動制御部１５ｃによってトリガ回路２６が駆動される。また、同時に第二スイッチング素子１２がオン状態とされる。これにより、トリガ電極２５からフラッシュランプ２に対してトリガ電圧が印加される。トリガ電圧が印加されると、発光管２０内のガスが電離状態となって絶縁破壊が起こり、陽極２１と陰極２２の間で放電が発生する。そして、当該放電の発生により、第二スイッチング素子１２が配置された経路を介して（図１参照）、フラッシュランプ２に電流が流れ始める。なお、図４では、第二スイッチング素子１２が、トリガ回路２６の駆動と同時にオン状態とされているが、この点は任意である。例えば、第二スイッチング素子１２は、トリガ回路２６の駆動の前のタイミングで、オン状態とされていても構わない。 制御部１５は、図４に示すように、タイミングｔ１においてトリガ回路２６を駆動した後、第二スイッチング素子１２のオン状態とオフ状態とを高速で切り替えるオンオフ制御を繰り返す。 図４では、第二スイッチング素子１２がオン状態とされるオン時間ｘ１と、第二スイッチング素子１２がオフ状態とされるオフ時間ｘ２が模式的に示されている。一例として、制御部１５は、フラッシュランプ２に流れる電流ＩFが所定の電流値Ｉoffとなった時点で第二スイッチング素子１２をオフ状態とし、電流ＩFが所定の電流値Ｉonとなった時点で第二スイッチング素子１２をオン状態とするように構成される。例えば、制御部１５は記憶部（不図示）を有し、当該記憶部に対して記憶された情報に基づいて、第二スイッチング素子１２のオンオフ制御を実