JP7307895B2 - ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給装置に関し、より詳細には、紫外光が照射された後のガスを対象物に対して吹き付けることで、対象物に対する処理を行うための、ガス供給装置に関する。

従来、対象物の表面に付着した有機化合物を除去することを目的として、ガスに対して真空紫外光を照射することで当該ガスを活性化し、この活性化したガスを対象物の表面に吹き付ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－９８３５７号公報

しかし、本発明者らの鋭意研究によれば、特許文献１に記載された構造では、対象物に対して高濃度のラジカルを含むガスを吹き付けられないことが分かった。この理由として、本発明者らは、特許文献１に記載された構造では、ラジカルを生成するためにガスに紫外光を照射するための光源と、ラジカルを含むガスを吹き付ける対象物の設置場所とが離れ過ぎていることで、ガスが対象物に到達する前に、ラジカルの多くが失活してしまうためと推察している。

上記課題に鑑み、本発明は、従来よりも高濃度でラジカルを含むガスを対象物に対して吹き付けることのできる、ガス供給装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガス供給装置は、
ラジカル源となる原料物質を含有する原料ガスが通流するガス通流路と、
前記ガス通流路に向かって紫外光を発する、前記ガス通流路に沿った形状を呈した発光面を含む光源とを備え、
前記ガス通流路は、
前記原料ガスが流入されるガス流入口と、
前記紫外光が照射された後の前記原料ガスである処理後ガスを外部に流出させるガス流出口と、
前記ガス流出口側の端部に位置する通流領域であって、当該端部よりも前記ガス流入口に近い位置と比べて流路断面積が小さい狭小部と、を備えることを特徴とする。

本明細書中において、「ラジカル」とは、不対電子を持つ化学種（原子、分子）を総称した概念を指す。これらの一例として、Ｏ（³Ｐ）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）、水素ラジカル（・Ｈ）、・ＮＨ₂、・ＮＨなどが挙げられる。このうち、ラジカルとしてＯ（³Ｐ）が予定されている場合、原料物質は酸素原子を含む物質であり、原料ガスとしては例えば酸素を含む混合ガスや空気が挙げられる。

上記構成によれば、光源の発光面が、原料ガスが通流するガス通流路に沿った形状を呈している。このため、原料ガスは、ガス通流路をガス流出口に向かって通流する間、光源の発光面から出射される紫外光が照射され続ける。この結果、ガス流出口に近い箇所に到達する迄の間、原料ガスは紫外光が照射されることで、原料物質由来のラジカルが高濃度に含まれた処理後ガスとなる。

更に、上記構成によれば、ガス通流路のガス流出口側の端部には、当該端部よりもガス流入口に近い位置（すなわち、上流側）と比べて、流路断面積が小さい狭小部が設けられている。このため、ラジカルを高濃度に含む処理後ガスは、狭小部を通過する時点で流速が速められた状態で、ガス流出口から外部に流出される。

すなわち、上記構成によれば、原料ガスに対して紫外光が照射されてから、処理後ガスとしてガス流出口から流出されるまでの時間が短縮化されると共に、処理後ガスがガス流出口から流出を開始してから対象物に到達するまでの時間も短縮化される。この結果、対象物に対して従来よりもラジカルを高濃度に含むガス（処理後ガス）を吹き付けることができる。

また、狭小部よりも上流側においては、狭小部よりも流路断面積を大きくしておくことで、紫外光が照射される主要空間内を通流する原料ガスの速度が速められ過ぎることが回避される。これにより、原料ガスに対して紫外光が照射される時間が、ある程度確保されるため、処理後ガスは、狭小部の近傍に到達した時点において、ラジカルを高濃度に含むことができる。

なお、従来、プラズマを用いてラジカルを含むガスを生成する装置が知られているが、かかる場合には、イオンが不可避的に生成されるため、対象物に対して帯電粒子が付着して、対象物の物性を変化させるおそれがある。しかし、紫外光を原料ガスに照射することで、ラジカルを含む処理後ガスを生成する上記装置によれば、イオンが生成されることはないため、帯電粒子がガスと共に対象物に吹き付けられることが回避される。

前記ガス供給装置のガス流出口から流出される、ラジカルを高濃度に含むガスは、対象物の洗浄、改質、殺菌などの用途に利用できる。

前記狭小部は、前記ガス流出口に近づくに連れて流路断面積が連続的又は断続的に縮小する形状を呈しているものとしても構わない。

上記構成によれば、ガス流出口から流出される処理後ガスの流速を更に高める効果が奏される。

このとき、前記ガス通流路は、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かうに連れて、流路断面積が連続的又は断続的に縮小する形状を呈しているものとしても構わない。

また、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に関し、前記狭小部は、前記発光面よりも前記ガス流出口側に配置されているものとしても構わない。

この場合において、前記第一方向に関し、前記発光面と前記狭小部とが連続的に配置されているものとしても構わない。

上記構成によれば、ガスの流速が上昇する直前までガスに対して紫外光を照射することができるため、狭小部に到達した処理後ガスに含まれるラジカルの濃度が更に高められる。そして、このように高濃度にラジカルを含む処理後ガスは、狭小部を通過することで流速が速められた状態で、ガス流出口から外部に流出される。

前記ガス通流路は、前記狭小部を形成する領域の内側面に、前記紫外光を反射する第一反射部を有するものとしても構わない。

ガス通流路の寸法や、狭小部の形状によっては、発光面から出射される紫外光の一部が、狭小部を形成する領域の内側面に向かって進行する場合がある。上記構成によれば、前記内側面に到達した紫外光が反射されて、この反射光も原料ガス（処理後ガス）に照射することができるため、処理後ガスに含まれるラジカルの濃度を更に向上させる効果が見込まれる。

前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に関し、前記狭小部の前記ガス流入口側の端部は、前記発光面の前記ガス流出口側の端部よりも、前記ガス流入口に近い位置に配置されているものとしても構わない。

この場合、狭小部内を通過する原料ガス（処理後ガス）に対しても、発光面から出射される紫外光を照射することができる。ただし、処理後ガスの流速を速める目的で設けられる狭小部が、ガス流入口に近い箇所に配置されていると、紫外光を照射するべき原料ガスの流速が速められてしまい、照射時間が十分に確保できない可能性がある。かかる観点から、ガス通流路内の、ガス流入口からガス流出口に向かう第一方向に係る長さのうち、ガス流出口側から３０％以内の長さの領域に狭小部を配置するのが好ましく、２０％以内の長さの領域とするのがより好ましく、１０％以内の長さの領域とするのが特に好ましい。

前記光源は、内側に中空の筒状空間が管軸方向に沿って貫通形成された発光管を有し、
前記発光面は、前記発光管の前記筒状空間側の側面に沿って形成されており、
前記ガス通流路は、前記発光面に囲まれた前記筒状空間に形成されているものとしても構わない。

上記構成において、前記発光管の前記筒状空間とは反対側の側面に、前記紫外光を反射する第二反射部を有するものとしても構わない。

かかる構成によれば、発光管内で発生した紫外光のうち、発光面とは反対側に進行した光を発光面側、すなわちガス通流路側に戻すことができるため、原料ガスに対して照射される紫外光の光量を高めることができる。

前記ガス供給装置は、複数の前記光源を有し、
複数の前記光源が備える複数の前記発光面が、前記ガス通流路を挟むように対向して配置されているものとしても構わない。

また、前記ガス供給装置は、筒状の筐体を有し、
前記光源は、前記筐体の内側に配置され、
前記ガス通流路は、前記光源と前記筐体の内側面とに挟まれた空間に形成されているものとしても構わない。

前記光源は、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に平行な方向を長手方向とする形状を呈しているものとしても構わない。

また、前記ガス供給装置は、複数の前記光源を有し、
複数の前記光源は、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に直交する方向を長手方向とする形状を呈し、前記第一方向に沿って配列されているものとしても構わない。

前記光源から出射される前記紫外光は、主たる発光波長が２３０ｎｍ未満であるものとしても構わない。

本明細書において、「主たる発光波長」とは、ある波長λに対して±１０ｎｍの波長域Ｚ（λ）を発光スペクトル上で規定した場合において、発光スペクトル内における全積分強度に対して４０％以上の積分強度を示す波長域Ｚ（λｉ）における、波長λｉを指す。例えば所定の発光ガスが封入されているエキシマランプなどのように、半値幅が極めて狭く、且つ、特定の波長においてのみ光強度を示す光源においては、通常は、相対強度が最も高い波長（主ピーク波長）をもって、主たる発光波長として構わない。

上記光源としては、例えば、発光ガスとして、Ｘｅ、Ａｒ、Ｋｒ、ＡｒＢｒ、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、及びＫｒＢｒからなる群に属する少なくとも一種の材料を含むガスを採用した、エキシマランプとすることができる。例えば、発光ガスとしてＸｅを含むエキシマランプによれば、紫外光の主たる発光波長が１７２ｎｍである。

本発明のガス供給装置によれば、従来よりも高濃度でラジカルを含むガス（処理後ガス）を、ガス流出口から流出させることができ、かかるガスを対象物に対して吹き付けることが可能となる。

ガス供給装置の第一実施形態の構成例を模式的に示す断面図である。 図１に示すガス供給装置を、図１とは異なる方向から切断したときの模式的な断面図である。 図１に示すガス供給装置の模式的な別の断面図である。 Ｘｅを含む発光ガスが封入されたエキシマランプの発光スペクトルと、酸素（Ｏ₂）の吸収スペクトルとを重ねて表示したグラフである。 ガス供給装置の第一実施形態の別構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の第一実施形態の別構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の第一実施形態の別構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の第一実施形態の別構成例を模式的に示す断面拡大図である。 ガス供給装置の第一実施形態の別構成例を模式的に示す断面拡大図である。 ガス供給装置の第一実施形態の別構成例を模式的に示す断面図である。 参考例１のシミュレーションモデル構造を示す断面図である。 実施例１のシミュレーションモデル構造を示す断面図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 ガス供給装置の第二実施形態の構成を、第一方向に直交する平面で切断したときの模式的な断面図である。 ガス供給装置の第二実施形態が備える光源の模式的な平面図である。 ガス供給装置の第二実施形態が備える光源の別の模式的な平面図である。 ガス供給装置の第二実施形態の別構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の第三実施形態の構成例を模式的に示す断面図である。 図１５に示すガス供給装置を、図１５とは異なる方向から切断したときの模式的な断面図である。 ガス供給装置の第三実施形態の別構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の第四実施形態の構成例を模式的に示す断面図である。 ガス供給装置の第四実施形態の構成例を模式的に示す斜視図である。

本発明に係るガス供給装置の各実施形態につき、適宜図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致していない。また、各図面間においても、寸法比は必ずしも一致していない。

［第一実施形態］
本発明に係るガス供給装置の第一実施形態につき、以下において説明する。

《構造》
図１は、本実施形態のガス供給装置の一構成例を模式的に示す断面図である。図１に示すガス供給装置１は、筒状の筐体３と、筐体３内に配置された光源５と、処理対象となる原料ガスＧ１が通流するガス通流路１０とを備える。

ガス供給装置１は、ガス通流路１０内を通流する原料ガスＧ１に対して、光源５から発せされた紫外光Ｌ１を照射し、原料ガスＧ１に含まれるラジカル源となる原料物質に対して光化学反応を生じさせ、ラジカルを含む処理後ガスＧ２を生成して外部に排出（供給）する。すなわち、ガス供給装置１は、ラジカルを含む処理後ガスＧ２を生成し、供給するための装置である。また、本明細書において「処理後ガスＧ２」とは、紫外線の照射処理が実行された後の原料ガスＧ１を指す。

ここで、原料ガスＧ１は、ラジカル源となる原料物質を含有するガスである。一例として、ラジカルとしてＯ（³Ｐ）が予定されている場合、原料物質は酸素原子を含む物質であり、原料ガスとしては例えば酸素を含む混合ガスや空気が挙げられる。ガス供給装置１に導入される原料ガスＧ１の種類は、生成したいラジカルに応じて適宜選択されるものとして構わない。

ガス通流路１０は、原料ガスＧ１が流入されるガス流入口１１と、紫外光Ｌ１が照射されて生成されたラジカルを含む処理後ガスＧ２を流出するガス流出口１２とを含む。更に、本実施形態において、ガス供給装置１が備えるガス通流路１０は、ガス流出口１２側の端部において、それよりもガス流入口１１に近い位置（すなわち上流側）と比較して、流路断面積が小さい通流領域（以下、「狭小部１３」と呼ぶ）を有している。

光源５は、ガス通流路１０に向かって紫外光Ｌ１を発する発光面５ａを有する。この発光面５ａは、ガス通流路１０の形状に沿って、すなわち、原料ガスＧ１（又は処理後ガスＧ２）の通流方向である第一方向ｄ１に沿って形成されている。すなわち、この第一方向ｄ１は、ガス流入口１１からガス流出口１２に向かう方向である。

本実施形態では、光源５の例として、エキシマランプが採用される。この場合の構造の一例について、図２を参照して説明する。図２は、図１に示すガス供給装置１を、第一方向ｄ１に直交する平面で切断したときの模式的な断面図である。一方、図１は、ガス供給装置１を、第一方向ｄ１に平行な平面で切断したときの模式的な断面図に対応する。

図２に示すように、筐体３の内側に配置された光源５は、第一方向ｄ１に沿って延伸する発光管２１を有する。より詳細には、この発光管２１は、円筒形状を呈し外側に位置する外側管２１ａと、外側管２１ａの内側において外側管２１ａと同軸上に配置されており、外側管２１ａよりも内径が小さい円筒形状を呈した内側管２１ｂとを有する。いずれの発光管２１（２１ａ，２１ｂ）も、合成石英ガラスなどの誘電体からなる。

内側管２１ｂには、中空の筒状空間が管軸方向に沿って貫通形成されており、この筒状空間がガス通流路１０を構成する。

外側管２１ａと内側管２１ｂとは、共に第一方向ｄ１に係る端部において封止されており（不図示）、両者の間には、第一方向ｄ１から見たときに円環形状を呈する発光空間が形成される。この発光空間内には、放電によってエキシマ分子を形成する発光ガス２３Ｇが封入されている。

なお、発光ガス２３Ｇの材料によって、発光管２１から発せられる紫外光Ｌ１の波長が決定される。言い換えれば、紫外光Ｌ１として得たい波長に応じて、発光ガス２３Ｇの材料は適宜選択される。発光ガス２３Ｇとしては、例えば、Ｘｅ、Ａｒ、Ｋｒ、ＡｒＢｒ、ＡｒＦ、ＫｒＣｌ、及びＫｒＢｒからなる群に属する少なくとも一種の材料を含むガスとすることができる。これらの材料によって発光ガス２３Ｇを実現した場合、紫外光Ｌ１の主たる発光波長は、２３０ｎｍ未満となる。

図２に例示された光源５は、外側管２１ａの外壁面上に配設された第一電極３１と、内側管２１ｂの内壁面上に配設された第二電極３２とを有する。一例として、第一電極３１は膜形状を呈し、第二電極３２はメッシュ形状又は線形状を呈する。なお、第一電極３１についても、第二電極３２と同様にメッシュ形状又は線形状であっても構わない。これらの電極（３１，３２）には、不図示の給電線が接続されている。

エキシマランプで構成された光源５は、不図示の点灯電源から給電線を介して第一電極３１と第二電極３２との間に、例えば５０ｋＨｚ～５ＭＨｚ程度の高周波の交流電圧が印加されると、発光ガス２３Ｇに対して、発光管２１を介して前記電圧が印加される。このとき、発光ガス２３Ｇが充填されている放電空間内で放電プラズマが生じ、発光ガス２３Ｇの原子が励起されてエキシマ状態となり、この原子が基底状態に移行する際にエキシマ発光を生じる。発光ガス２３Ｇとして、上述したキセノン（Ｘｅ）を含むガスを用いた場合には、このエキシマ発光は、１７２ｎｍ近傍にピーク波長を有する紫外光Ｌ１となる。

発光管２１の内側管２１ｂには、上述したようにメッシュ形状又は線形状を呈した第二電極３２が形成されている。このため、第二電極３２には隙間が存在し、紫外光Ｌ１は、この隙間を通じて発光管２１よりも内側に形成された中空の筒状空間、すなわちガス通流路１０に向かって照射される。

すなわち、光源５は、第一方向ｄ１に沿って延在する内側管２１ｂの内側面によって形成される発光面５ａ（図１参照）を有する。

なお、図３に示すように、第一電極３１をメッシュ形状又は線形状とし、第一電極３１と筐体３の間に、紫外光Ｌ１を反射する反射部材３３を備えるものとしても構わない。この反射部材３３は、紫外光Ｌ１に対する高い反射率（例えば８０％以上）を示す材料で構成されており、例えば、Ａｌ、Ａｌ合金、ステンレス、シリカ、シリカアルミナなどを利用することができる。反射部材３３が「第二反射部」に対応する。

また、筐体３自体が紫外光Ｌ１に対する反射性を示す材料（例えばＳＵＳなどのステンレス）で構成されている場合には、筐体３の面を反射部材３３として利用することができる。

図４は、Ｘｅを含む発光ガス２３Ｇが封入されたエキシマランプで構成された光源５の発光スペクトルと、酸素（Ｏ₂）の吸収スペクトルとを重ねて表示したグラフである。図４において、横軸は波長を示し、左縦軸はエキシマランプの光強度の相対値を示し、右縦軸は、酸素（Ｏ₂）の吸収係数を示す。

エキシマランプの発光ガス２３ＧとしてＸｅを含むガスを用いる場合、図４に示されるように、光源５から出射される紫外光Ｌ１は、主たる発光波長が１７２ｎｍであり、およそ１６０ｎｍ以上１９０ｎｍ以下の範囲内に帯域を有する。

原料ガスＧ１として酸素（Ｏ₂）を含むガスが採用された場合、光源５から出射された波長λの紫外光Ｌ１が照射され、酸素（Ｏ₂）に吸収されると、以下の（１）式及び（２）式の反応が進行する。（１）式において、Ｏ（¹Ｄ）は、励起状態のＯ原子であり、極めて高い反応性を示す。Ｏ（³Ｐ）は基底状態のＯ原子である。（１）式と（２）式の反応は、紫外光Ｌ１の波長成分に応じて生じる。
Ｏ₂ + ｈν（λ） → Ｏ（¹Ｄ） + Ｏ（³Ｐ） ‥‥（１）
Ｏ₂ + ｈν（λ） → Ｏ（³Ｐ） + Ｏ（³Ｐ） ‥‥（２）

すなわち、原料ガスＧ１に対して紫外光Ｌ１が照射されると、Ｏ（¹Ｄ）やＯ（³Ｐ）といったラジカルを含む処理後ガスＧ２が生成される。光源５の発光面５ａは、第一方向ｄ１に沿って延在するため、処理後ガスＧ２がガス通流路１０内を通流中も、引き続き紫外光Ｌ１が照射される。このため、処理後ガスＧ２に含まれる、未反応のラジカル源となる原料物質に対しても、次々と光化学反応が生じる。これにより、処理後ガスＧ２は、ラジカルを高濃度で含んだ状態のまま、狭小部１３が形成されている領域まで進行する。

なお、上記では、処理後ガスＧ２に含有させる対象となるラジカルをＯ（³Ｐ）などの酸素ラジカルとし、原料物質が酸素（Ｏ₂）である場合を挙げて説明しているが、他のラジカルを含む処理後ガスＧ２を生成したい場合には、含ませたいラジカル源に応じて原料ガスＧ１の材料、及び紫外光Ｌ１の波長が選択される。

上述したように、狭小部１３は、ガス通流路１０内の当該狭小部１３よりも上流側の位置と比較して、流路断面積が小さい形状を呈している。図１に示すガス供給装置１では、狭小部１３が、ガス流出口１２に近づくに連れて流路断面積が連続的に縮小する形状を呈している。

狭小部１３に到達した処理後ガスＧ２は、狭小部１３内を通流時に流速を速めながらガス流出口１２に向かって進行した後、ガス流出口１２から排出される。

すなわち、上記構成によれば、狭小部１３よりも上流側、すなわちガス流入口１１側においてはガス通流路１０内の流路断面積が大きいため、狭小部１３内を通過する時点よりは遅い流速で原料ガスＧ１がガス通流路１０内を通流する。このため、原料ガスＧ１に対して、光源５からの紫外光Ｌ１が照射される時間が長く確保され、光化学反応によってラジカルを生成するのに十分な照射光量が確保される。

更に、光源５の発光面５ａが、第一方向ｄ１に沿って延在しているため、原料ガスＧ１（又は処理後ガスＧ２）が狭小部１３の近傍の箇所に到達するまで、光源５からの紫外光Ｌ１が照射される。このため、狭小部１３の近傍の箇所に到達した処理後ガスＧ２は、高濃度にラジカルを含んだ状態となる。その後、この処理後ガスＧ２は、狭小部１３内を通流時に流速を速めながらガス流出口１２を介して外部に排出される。この結果、ガス供給装置１は、ラジカルを高濃度に含んだ状態で処理後ガスＧ２を排出できる。

なお、図１に示すガス供給装置１は、光源５の発光面５ａのガス流出口１２側の端部の第一方向ｄ１に係る位置と、狭小部１３のガス流入口１１側の端部の第一方向ｄ１に係る位置がほぼ一致している。すなわち、第一方向ｄ１に関し、発光面５ａと狭小部１３とが連続的に配置されている。かかる構成によれば、ガスの流速が上昇する直前までガスに対して紫外光Ｌ１が照射されるため、狭小部１３に到達した処理後ガスＧ２に含まれるラジカルの濃度が更に高められる。

《別構成例》
以下、本実施形態の別構成例について説明する。

〈１〉図５に示すように、狭小部１３の内側面に係る位置に、紫外光Ｌ１に対する反射性を示す反射面１３ａを設けるものとしても構わない。この反射面１３ａは、「第一反射部」に対応する。

図５に示すガス供給装置１は、図１に示すガス供給装置１と同様、第一方向ｄ１に沿って発光面５ａが形成されている。発光面５ａから出射される紫外光Ｌ１は、所定の発散角を有してガス通流路１０側に進行するため、狭小部１３に近い位置における発光面５ａからは、一部の紫外光Ｌ１が狭小部１３に向かって進行することが想定される。かかる場合、図５に示すように狭小部１３の内側面に反射面１３ａが形成されることで、当該反射面１３ａで反射した紫外光Ｌ１を、狭小部１３よりも上流側に戻すことができる。これにより、原料ガスＧ１（及び処理後ガスＧ２）に対して照射される紫外光Ｌ１の照射光量が増加するため、処理後ガスＧ２に含まれるラジカルの濃度を更に上昇させる効果が得られる。

この反射面１３ａは、例えば狭小部１３の内側面に、シリカ粒子やシリカアルミナ粒子など、紫外光Ｌ１に対する反射性の高い材料からなる膜（層）が形成されることで実現される。また、筐体３自体がステンレス（ＳＵＳ）のように、紫外光Ｌ１に対して一定割合の反射率を示す材料からなる場合には、狭小部１３が形成されている位置における筐体３そのもので反射面１３が実現されているものとしても構わない。

〈２〉図６に示すように、狭小部１３を構成する領域にも発光面５ａが延在しているものとしても構わない。図６に示すガス供給装置１では、ガス流出口１２に近い位置における光源５の形状を幅広にすることで、ガス流出口１２に近い位置においてガス通流路１０の流路断面積が小さい、狭小部１３が形成されている。

かかる構成の場合、狭小部１３内を通流するガス（原料ガスＧ１，処理後ガスＧ２）は、流速が速められているため、狭小部１３よりも上流側と比較すると、紫外光Ｌ１の照射光量は低い。しかし、狭小部１３よりも上流側の位置において、原料ガスＧ１は、すでにラジカルを生成するために必要な照射光量の紫外光Ｌ１が照射されているため、狭小部１３に到達した時点では、ラジカルを多く含んだ処理後ガスＧ２に変化している。図６に示す構造は、図１に示す構造と比較して、狭小部１３内を通流するガスに対して、少ない照射光量ながらも紫外光Ｌ１が照射されることでラジカルを更に追加的に生成することができるという効果を奏するものであり、図１に示す構造よりもラジカル生成能が低下するわけではない。

同様の観点から、図７に示すガス供給装置１のように、ガス流出口１２に近い位置における発光面５ａ上に、紫外光Ｌ１に対して透過性を示す透光部材９を配置し、この透光部材９に囲まれた領域によって狭小部１３が形成されるものとしても構わない。この場合、透光部材９は、第一方向ｄ１に関して貫通する中空筒状を呈し、この筒状体の開口面積が、ガス流入口１１側よりもガス流出口１２側の方が小さい。この場合においても、透光部材９の内側によって形成される狭小部１３内を通過する処理後ガスＧ２は、通流時に流速を速めながらガス流出口１２を介して外部に排出される。また、狭小部１３内を通過する際にも、発光面５ａから発せられた紫外光Ｌ１が、透光部材９を透過してガス（原料ガスＧ１，処理後ガスＧ２）に対して照射されるため、図６に示す構造の場合と同様に、図１に示す構造と比較して、ラジカルを更に追加的に生成できるという効果を奏する。

このような透光部材９は、例えば、石英、フッ化マグネシウムなどの材料によって構成される。かかる場合において、光源５を構成する発光管２１に対して透光部材９を溶接しても構わないし、物理的に嵌め込む形で取り付けられても構わない。

〈３〉図１に示すガス供給装置１では、狭小部１３が、ガス流出口１２に近づくに連れて流路断面積が連続的に縮小する形状を呈していた。しかし、狭小部１３は、あくまでガス通流路１０内において、狭小部１３よりも上流側（ガス流入口１１側）の位置よりも流路断面積が小さい形状を呈している限りにおいて、その形状は任意である。この点は、図５～図７に示すガス供給装置１においても同様である。

例えば、図８Ａに示すように、ガス供給装置１は、狭小部１３内においては流路断面積がほぼ一定となるような形状を呈していても構わない。また、図８Ｂに示すように、ガス供給装置１は、狭小部１３内においては流路断面積が、断続的に縮小する形状を呈していても構わない。図８Ａ及び図８Ｂは、ガス供給装置１においてガス流出口１２の近傍を拡大した断面図である。

〈４〉図２又は図３を参照して上述したように、ガス供給装置１は、第一方向ｄ１から見たときに円形状を呈した光源５を備えるものとして説明した。しかし、光源５の形状はこれに限られない。

例えば、図９に示すように、ガス供給装置１は、矩形環状の発光管２１を有する光源５を備えるものとしても構わない。この場合、内側管２１ｂの内側によって形成されるガス通流路１０も、第一方向ｄ１から見たときに矩形状を呈する。

《検証》
ガス供給装置１によれば、ガス流出口１２から排出される処理後ガスＧ２に高濃度のラジカルが含有される点につき、シミュレーションを用いて検証した。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、このシミュレーションに利用されたガス供給装置のモデルを模式的に示す断面図である。図１０Ａに示すガス供給装置１００は参考例１に対応し、図１０Ｂに示すガス供給装置１は実施例１に対応する。

（参考例１）
参考例１のガス供給装置１００は、第一方向ｄ１に係る長さｈ１が５０ｍｍの筒状体の側面形状を呈した発光面５ａを有する光源５と、この発光面５ａに囲まれた領域にガス通流路１０とを備えていた。ガス通流路１０は、直径５ｍｍの円形状のガス流入口１１と、直径５ｍｍの円形状のガス流出口１２とを備えていた。

（実施例１）
実施例１のガス供給装置１は、参考例１のガス供給装置１００と同様に、第一方向ｄ１に係る長さｈ１が５０ｍｍの筒状体の側面形状を呈した発光面５ａを有する光源５と、この発光面５ａに囲まれた領域にガス通流路１０とを備えていた。ただし、ガス通流路１０は、筒状体の内径が均一な領域と、ガス流出口１２に近づくに連れて前記内径が縮小する狭小部１３とを備えていた。

ガス通流路１０は、直径５ｍｍの円形状のガス流入口１１と、直径２．５ｍｍの円形状のガス流出口１２とを備えていた。また、ガス通流路１０のうち、狭小部１３よりもガス流入口１１側の領域の第一方向ｄ１に係る長さｈ２は４０ｍｍであり、狭小部１３を構成する領域の第一方向ｄ１に係る長さｈ３は１０ｍｍであった。すなわち、実施例１のガス供給装置１は、ガス通流路１０全体についての第一方向ｄ１に係る長さｈ１が、参考例１と共通の５０ｍｍであった。

なお、実施例１に対応するガス供給装置１、及び参考例１に対応するガス供給装置１００が備える光源５は、共に主たるピーク波長が１７２ｎｍのＸｅエキシマランプとされた。

（結果）
上記参考例１及び実施例１のモデルに対して、光源５から発光面５ａにおける照度５０ｍＷ／ｃｍ²で紫外光Ｌ１をガス通流路１０に対して照射しながら、ガス流入口１１から所定流量の原料ガスＧ１を流入させた。そして、それぞれのモデルにおいて、ガス流出口１２から第一方向ｄ１に係る離間距離ｖ１が１０ｍｍの位置に、処理後ガスＧ２が吹き付けられる対象物４０が設置されているものとし（図１０Ａ、図１０Ｂ参照）、この対象物４０の表面におけるラジカルの濃度を測定した。

より具体的には、以下のシミュレーション条件で演算を行った。
・対象物４０は、ガス通流路１０の中心軸上に中心が配置された、半径ｒ１が２０ｍｍの円形状を呈していた。
・原料ガスＧ１は、９９．５％の窒素ガスと０．５％の酸素ガスの混合ガスとし、３０Ｌ／min の流量でガス流入口１１からガス供給装置（１００，１）内に導入された。
・参考例１のガス供給装置１００、及び実施例１のガス供給装置１の双方に関し、各装置のガス流出口１２に対向して配置された対象物４０の面の、中心から半径２．５ｍｍ（φ５ｍｍ）の範囲内の領域に噴射された処理後ガスＧ２に含まれる酸素ラジカルＯ（³Ｐ）の平均濃度を算出した。

この演算結果を図１１に示す。図１１によれば、実施例１の方が、参考例１よりも対象物４０の面に吹き付けられる処理後ガスＧ２に含まれる酸素ラジカルＯ（³Ｐ）の平均濃度が大きく上昇していることが確認された。

なお、図１０Ｂに示す実施例１のモデルは、ガス通流路１０の第一方向ｄ１に係る長さｈ１を、図１０Ａに示す参考例１のモデルと共通化するために、狭小部１３を構成する領域に形成された発光面５ａが折り曲げられた形状を示している。このため、図１０Ｂに示す実施例１のモデルでは、図１０Ａに示す参考例１のモデルと比較して、発光面５ａ全体の面積が少し減少している（実施例１：７８５ｍｍ²、参考例１：７４７ｍｍ²）。しかし、図１１に示すように、実施例１の方が参考例１よりも酸素ラジカルＯ（³Ｐ）の平均濃度が大きく上昇している。

上記シミュレーション結果からも、実施例１のガス供給装置１が、ガス通流路１０のガス流出口１２側に狭小部１３を設けたことで、ガス流出口１２から流出される処理後ガスＧ２の流速が速められた結果、処理後ガスＧ２に含まれる酸素ラジカル（Ｏ（³Ｐ））が失活する前に対象物４０の表面に到達する割合が高められたものと考えられる。

なお、酸素ラジカル（Ｏ（³Ｐ））は、周囲に酸素ガス（Ｏ₂）が存在すると、これに反応して、（３）式に従ってオゾン（Ｏ₃）を生成する。かかる反応が生じると、Ｏ（³Ｐ）の濃度が低下してしまう。
Ｏ（³Ｐ） + Ｏ₂ → Ｏ₃ ‥‥（３）

参考例１のガス供給装置１００の場合、ガス流出口１２から流出された処理後ガスＧ２が対象物４０の表面に到達する迄の間に、上記（３）の反応が生じる割合が高く、この結果、対象物４０の表面に吹き付けられる処理後ガスＧ２に含まれるＯ（³Ｐ）の濃度が実施例１よりも低くなったものと推察される。

上記のシミュレーション結果からも、ガス供給装置１が、上述した図１、図５～図８Ｂの各図に示す構造の場合であっても、同様に、処理後ガスＧ２に高濃度のラジカルを含んだ状態で対象物４０に対して吹き付けられることが分かる。

［第二実施形態］
本発明に係るガス供給装置の第二実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

《構造》
図１２は、図２にならって、本実施形態のガス供給装置１を、第一方向ｄ１に直交する平面で切断したときの模式的な断面図である。なお、このガス供給装置１は、第一方向ｄ１に平行な平面で切断したときの模式的な断面図は、図１と共通である。

第一実施形態では、光源５を構成する発光管２１の内側に、ガス通流路１０が形成されているものとした。これに対し、本実施形態では、複数の光源５（５１，５２）が離間して配置されており、これらに挟まれた領域にガス通流路１０が形成されている。すなわち、複数の光源５（５１，５２）が備えるそれぞれの発光面５ａは、ガス通流路１０を挟むように対向して配置されている。

その他の点は、第一実施形態と共通であるため、重複を避ける観点から説明を割愛する。

《別構成例》
以下、本実施形態の別構成例について説明する。

〈１〉第一実施形態では、筒形状を呈した光源５の中空領域にガス通流路１０が形成されていた。このため、光源５は、二重管構造の発光管２１を備えることを前提としていた。しかし、本実施形態のように、ガス供給装置１が複数の光源５を備える構成においては、光源５の形状は限定されない。

例えば、図１３Ａは、光源５として、いわゆる「一重管構造」を呈したエキシマランプを採用した場合において、第一方向ｄ１に直交する平面で切断したときの模式的な断面図である。図１３Ａに示す光源５は、図２に示す光源５とは異なり、１つの発光管２１を有している。発光管２１は、長手方向、すなわち第一方向ｄ１に係る端部において封止されており（不図示）、内側の空間内に発光ガス２３Ｇが封入される。そして、発光管２１の内側（内部）には第二電極３２が配設され、発光管２１の外壁面には、網目形状又は線形状の第一電極３１が配設される。

別の例として、図１３Ｂは、光源５として、いわゆる「扁平管構造」を呈したエキシマランプを採用した場合において、図１３Ａにならって模式的に図示した断面図である。図１３Ｂに示す光源５は、長手方向、すなわち第一方向ｄ１から見たときに矩形状を呈した１つの発光管２１を有する。そして、発光管２１の一方の外表面には第一電極３１が配設され、発光管２１の外表面であって第一電極３１と対向する位置は第二電極３２が配設される。第一電極３１及び第二電極３２のうち、少なくともガス通流路１０側に位置する電極は、紫外光Ｌ１が発光管２１の外側に出射することへの妨げにならないよう、メッシュ形状（網目形状）又は線形状を呈している。

なお、図１３Ａ及び図１３Ｂに示す光源５においても、第一方向ｄ１に直交する平面で切断したときの形状については、円形や長方形には限定されず、種々の形状が採用され得る。

〈２〉図１４に示すように、ガス供給装置１が、ガス通流路１０を隔てて対向するように配置された複数の光源５を備えており、各光源５が有する発光面５ａが、第一方向ｄ１に対して傾斜を有した状態で配置されることで、ガス通流路１０の流路断面積がガス流出口１２に近づくに連れて縮小するように構成されていても構わない。

〈３〉本実施形態において、ガス供給装置１が備える光源５は、エキシマランプには限られない。すなわち、光源５は、紫外光Ｌ１を発し、第一方向ｄ１に沿って延在する面光源であればよく、例えば紫外ＬＥＤ素子が面方向に配列されてなる面光源によって構成されても構わない。

［第三実施形態］
本発明に係るガス供給装置の第三実施形態につき、上記各実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

《構造》
図１５は、図１にならって、本実施形態のガス供給装置１を、第一方向ｄ１に平行な平面で切断したときの模式的な断面図である。また、図１６は、図１５に示すガス供給装置１を、第一方向ｄ１に直交な平面で切断したときの模式的な断面図である。

第一実施形態及び第二実施形態では、発光面５ａに囲まれた領域にガス通流路１０が形成されていた。これに対し、本実施形態では、発光面５ａと筐体３の内側面３ａとの間に、ガス通流路１０が形成されている点が異なる。

すなわち、図１５に示すように、筐体３内に配置された光源５は、その発光面５ａが筐体３の内側面３ａに囲まれるように配置される。すなわち、原料ガスＧ１は、光源５の外側に形成されたガス通流路１０内を通流する。この場合、紫外光Ｌ１が発光管２１の外側に出射されることへの妨げにならないよう、第一電極３１は、網目形状又は線形状とされる。

その他の点は、第一実施形態と共通であるため、重複を避ける観点から説明を割愛する。

《別構成例》
以下、本実施形態の別構成例について説明する。

〈１〉本実施形態においても、第二実施形態と同様、光源５は二重管構造のエキシマランプに限られず、一重管構造や扁平管構造のエキシマランプであっても構わないし、面状に配列された複数の紫外ＬＥＤ素子で構成されていても構わない。

〈２〉図１７に示すガス供給装置１のように、図１５に示すガス供給装置１に対して、筐体３の内側面３ａ側にも別の光源５を配置するものとしても構わない。この場合、対向する光源５の発光面５ａ同士に挟まれた領域によって、ガス通流路１０が形成される。

［第四実施形態］
本発明に係るガス供給装置の第三実施形態につき、上記各実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

《構造》
図１８は、図１にならって、本実施形態のガス供給装置１を、第一方向ｄ１に平行な平面で切断したときの模式的な断面図である。また、図１９は、図１８に示すガス供給装置１の模式的な断面図である。

上記各実施形態では、光源５は、第一方向ｄ１に沿って延在する発光面５ａを備えるものとして説明した。これに対し、本実施形態のガス供給装置１は、第一方向ｄ１に沿って配列された複数の光源５を有し、それぞれの光源５は、第一方向ｄ１に対して直交する第二方向ｄ２に沿って延在する発光面５ａを有している。すなわち、各光源５は、第二方向を長手方向とする形状を呈している。

より詳細には、図１８及び図１９に示すガス供給装置１は、第一方向ｄ１に沿って配列された、光源５（５１，５２，５３）と、これらの光源５の発光面５ａに対向するように配置された、光源５（５４，５５，５６）を備えている。そして、各光源５の発光面５ａは、いずれも第二方向ｄ２に延在している。

その他の点は、第一実施形態と共通であるため、重複を避ける観点から説明を割愛する。かかる場合であっても、複数の光源５によって構成された発光面５ａは、原料ガスＧ１が流れる方向である第一方向ｄ１に沿って配列されており、ガス通流路１０は、ガス流出口１２の近傍において流路断面積が小さい狭小部１３が形成されている。よって、第一実施形態と同様に、ラジカルを高濃度に含んだ状態で処理後ガスＧ２をガス流出口１２から排出できる。

《別構成例》
以下、本実施形態の別構成例について説明する。

図１５に示した第三実施形態のガス供給装置１のように、発光面５ａと筐体３の内側面３ａとの間に、ガス通流路１０が形成されている場合においても、本実施形態と同様に、発光面５ａが第二方向ｄ２に延在する複数の光源５が第一方向ｄ１に沿って並べられた構成を採用することが可能である。

なお、本実施形態において、光源５の本数は任意である。また、光源５としては、二重管構造、一重管構造、扁平管構造の各種エキシマランプや、面方向に複数配列された紫外ＬＥＤ素子などを採用できる。

１ ：ガス供給装置
３ ：筐体
３ａ ：筐体の内側面
５ ：光源
５ａ ：発光面
９ ：透光部材
１０ ：ガス通流路
１１ ：ガス流入口
１２ ：ガス流出口
１３ ：狭小部
１３ａ ：反射面
２１ ：発光管
２１ａ ：外側管
２１ｂ ：内側管
２３Ｇ ：発光ガス
３１ ：第一電極
３２ ：第二電極
３３ ：反射部材
４０ ：対象物
５１，５２，５３，５４，５５，５６ ：光源
１００ ：参考例のガス供給装置
Ｇ１ ：原料ガス
Ｇ２ ：処理後ガス
Ｌ１ ：紫外光
ｄ１ ：第一方向
ｄ２ ：第二方向

Claims (15)

1. ラジカル源となる原料物質を含有する原料ガスが通流するガス通流路と、
   前記ガス通流路に向かって紫外光を発する、前記ガス通流路に沿った形状を呈した発光面を含む光源とを備え、
   前記ガス通流路は、
   前記原料ガスが流入されるガス流入口と、
   前記紫外光が照射された後の前記原料ガスである処理後ガスを外部に流出させるガス流出口と、
   前記ガス流出口側の端部に位置する通流領域であって、当該端部よりも前記ガス流入口に近い位置と比べて流路断面積が小さい狭小部と、を備えることを特徴とする、ガス供給装置。
2. 前記狭小部は、前記ガス流出口に近づくに連れて流路断面積が連続的又は断続的に縮小する形状を呈していることを特徴とする、請求項１に記載のガス供給装置。
3. 前記ガス通流路は、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かうに連れて、流路断面積が連続的又は断続的に縮小する形状を呈していることを特徴とする、請求項２に記載のガス供給装置。
4. 前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に関し、前記狭小部は、前記発光面よりも前記ガス流出口側に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス供給装置。
5. 前記第一方向に関し、前記発光面と前記狭小部とが連続的に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のガス供給装置。
6. 前記ガス通流路は、前記狭小部を形成する領域の内側面に、前記紫外光を反射する第一反射部を有することを特徴とする、請求項４又は５に記載のガス供給装置。
7. 前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に関し、前記狭小部の前記ガス流入口側の端部は、前記発光面の前記ガス流出口側の端部よりも、前記ガス流入口に近い位置に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス供給装置。
8. 前記光源は、内側に中空の筒状空間が管軸方向に沿って貫通形成された発光管を有し、
   前記発光面は、前記発光管の前記筒状空間側の側面に沿って形成されており、
   前記ガス通流路は、前記発光面に囲まれた前記筒状空間に形成されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のガス供給装置。
9. 前記発光管の前記筒状空間とは反対側の側面に、前記紫外光を反射する第二反射部を有することを特徴とする、請求項８に記載のガス供給装置。
10. 複数の前記光源を有し、
    複数の前記光源が備える複数の前記発光面が、前記ガス通流路を挟むように対向して配置されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のガス供給装置。
11. 筒状の筐体を有し、
    前記光源は、前記筐体の内側に配置され、
    前記ガス通流路は、前記光源と前記筐体の内側面とに挟まれた空間に形成されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のガス供給装置。
12. 前記光源が、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に平行な方向を長手方向とする形状を呈していることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のガス供給装置。
13. 複数の前記光源を有し、
    複数の前記光源は、前記ガス流入口から前記ガス流出口に向かう第一方向に直交する方向を長手方向とする形状を呈し、前記第一方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載のガス供給装置。
14. 前記光源から出射される前記紫外光は、主たる発光波長が２３０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか１項に記載のガス供給装置。
15. 前記原料物質が、酸素原子を含む物質であることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか１項に記載のガス供給装置。

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