CN101419895B - 高压放电灯及高压放电灯装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的，是在于提供一种能够降低待机模式的待机功率，同时在处理模式时可以短时间起动，且不会中断地进行高输出亮灯的高压放电灯及高压放电灯装置。本发明的解决手段为，一种高压放电灯，具备：相对置地配置有一对的电极，并封入有水银的发光管；以及形成在上述发光管外侧的直管状的外管，以上述发光管的两端来固定上述外管的高压放电灯，其特征为：在上述发光管的外表面，或者上述外管的内表面，形成有凸部。

Description

高压放电灯及高压放电灯装置

技术领域

本发明涉及于用于半导体、液晶等的曝光装置用光源的高压放电灯及高压放电灯装置，特别是，涉及在发光管外侧配置有外管的高压放电灯，以及将该高压放电灯配置在冷却套管内的高压放电灯装置。

背景技术

当前，例如在粘接剂等的树脂的固化处理或是印刷电路基板等的曝光处理中，是利用紫外线照射装置，作为紫外线光源，例如是使用高压放电灯。

图6，是显示以往的高压放电灯装置的构成概略的说明图。

如专利文献1所记载的发明，该高压放电灯装置，是在高压放电灯1的发光管2的外侧，配置由内管25与外管26所构成的冷却套管(jacket)21，进行发光管2的冷却。高压放电灯1的发光管2与冷却套管21的内管之间的间隙，平均大约为1mm。高压放电灯1，在直管状的石英玻璃制的发光管2两端封止一对电极，并在内部封入水银。冷却套管21是由圆筒状的石英玻璃等透明材料所形成，通过内管25与外管26而成为双重管构造。而且，经由设在两端外周的连接管27a、27b使冷却水从外部循环于套管内，将隔着空气层而邻近的发光管2予以冷却并且吸收从高压放电灯1所放射的热。

图6所记载的高压放电灯装置中，由于仅通过存在于高压放电灯1的发光管2与冷却套管21的内管25之间的间隙中的空气的单纯热传导，无法将发光管2所产生的热传递至冷却套管21，因此使冷却风流动于高压放电灯1的发光管2与冷却套管21的内管25之间的间隙中来提高冷却效率。但是，进入放电灯的发光管2与冷却套管21的内管25之间的间隙的冷却风，其温度在入射侧与出射侧并不均一，随此，造成发光管2的温度也变得不均一。

专利文献1

日本特开平6-267512号公报

发明所要解决的问题

因此，为了不使冷却风流动于发光管2与冷却套管21之间的间隙来进行发光管2的冷却，提议出缩小发光管2与冷却套管21的间隔的对策。对于通过将发光管2与冷却套管21的间隙设为平均约50μm，发光管2的内径为3.4mm(发光管2的外径为7.4mm)的高压放电灯1，即使输入为250W/cm也能够将发光管2的内表面温度冷却至800℃左右。

高压放电灯装置，在被用作半导体等的曝光装置用光源时，在处理中以外的更换工件等的待机中，为了省电，如图7所示地，降低在灯上接入的输入功率来亮灯。因为待机功率越低则省电效果越大，所以期望待机功率的低功率化。

然而，当待机模式时的待机功率过于下降时，则会造成发光管2的内表面温度降低，产生被封入在发光管2内的水银的未蒸发。当产生水银未蒸发时，要从待机模式移转到处理模式时的启动时间会有变慢、或者是无法维持放电而造成中断的问题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种能够降低待机模式的待机功率，同时在处理模式时可以在短时间起动，且不会中断地进行高输出亮灯的高压放电灯及高压放电灯装置。

本案的第1发明，是一种高压放电灯，具备：相对置地配置有一对的电极，并封入有水银的发光管；以及形成在上述发光管外侧的直管状的外管，以上述发光管的两端来固定上述外管，其特征为：在上述发光管的外表面，或者上述外管的内表面，形成有凸部。

另外，本案的第2发明，是在本案的第1发明中，其特征为：上述凸部，通过在外管的内表面设置螺旋状的突起线条而形成。

另外，本案的第3发明，是在本案的第1发明中，其特征为：上述凸部，通过将发光管的外表面设为在与管轴方向垂直地截断的截面为截面多边形而形成。

另外，本案的第4发明，是在本案的第1～3发明中，其特征为：上述外管的内径与上述发光管的外径之差为200μm以下，上述凸部的高度为200μm以下。

另外，本案的第5发明，其特征为：将本案的第1～4发明的任一项所记载的高压放电灯，配置于冷却套管的内部，并使冷却媒体沿着上述外管的壁面流过。

发明效果

依据本发明的高压放电灯及高压放电灯装置，由于通过在外管的内表面、或是在发光管的外表面形成凸部，可以提高对在放电空间内的最冷点的温度，所以即使降低待机功率也可以维持较高的发光管的内表面温度，并可以抑制发光管内的封入水银的未蒸发状态的产生。因此，可以实现能够降低待机模式的待机功率，同时在处理模式时可以在短时间起动，且不会中断地进行高输出亮灯的高压放电灯。

附图说明

图1是显示本发明的高压放电灯装置的构成的说明用截面图。

图2是显示本发明的高压放电灯的构成的说明用截面图。

图3是显示本发明的高压放电灯的中央部的放大截面图。

图4是用以说明本发明的高压放电灯制作的方法的说明图。

图5是显示本发明的高压放电灯的中央部的放大截面图。

图6是显示以往的高压放电灯装置的构成概略的说明图。

图7是显示使用高压放电灯时的输入功率的说明图。

主要元件符号说明

1：高压放电灯

2：发光管

3：外管

4：电极

11：发光管的内表面

12：发光管的外表面

13：外管的内表面

14：间隙

15：凸部

16：空气层

17：接触部分

21：冷却套管

D：最大间隙

d：最小间隙

h：凸部的高度

P：凸部的间隔

具体实施方式

说明本发明的第1实施方式。图1，是显示本发明的高压放电灯装置的构成的说明用截面图。

高压放电灯装置构成为，在冷却套管21的内部，插通着在发光管2的外侧配置有外管3的高压放电灯1。冷却套管21，是通过可穿透过从高压放电灯1所放射(辐射)的紫外线的材料所构成，例如由石英玻璃所构成。在冷却套管21的两端，形成有：供给冷却媒体的供给流路22，以及排出冷却媒体的排出流路23。供给流路22与排出流路23其整体为大致L字型的管状，用以保持固定冷却套管21及高压放电灯1。通过轴向内方侧的锁口部24a，经由O形圈来保持固定冷却套管21的外周面。通过轴向外方侧的锁口部24b，经由O形圈来保持固定高压放电灯1的外周面。

高压放电灯1在亮灯时，冷却媒体由没有图示出的泵所供给。高压放电灯1的冷却，是让冷却媒体例如以5L(公升)/min的流量进行循环而达成。另外，对于冷却媒体，以水、纯水、或是逆渗透膜透过水等为适宜。

图2，是显示本发明的高压放电灯的构成的说明用截面图。

高压放电灯1，其两端被封止，在例如由石英玻璃所构成的直管状的发光管2的内部，分别相对置地配置着例如由钨所构成的一对棒状的电极4。各电极4连接于金属箔5的一端，金属箔5的另一端连接有外部导线6。金属箔5是由钼所构成，并气密地被埋设在：发光管2的两端所形成的杆状的封止部7。外部导线6，是在封止部7的外侧通过支撑件9而被覆盖，而成为大径。封止部7例如是使作为发光管2构成材料的管体的两端部处于熔融状态，通过将内部减压的收缩密封法所形成的，制成比发光管2的中央部(相当于发光区域的部分)还要小径。

高压放电灯1，例如是由被称之为“毛细灯(capillary lamp)”的高压水银灯所构成，在发光管2的内部，例如封入1mg/cc以上的水银、或是与水银一起添加铁、钴、镍、铅、镓、镁、锡、铊、锰等的金属卤化物之中至少一种类以上，并且适量地封入氩气等的稀有气体。因此，放射出例如含有波长为200～450nm的紫外线的光。

于高压放电灯1的发光管2的外侧，形成：由圆筒状的石英玻璃等的透明材料所构成，内径尺寸相对于管轴方向为均一的直管状的外管3。沿着外管3的外表面让冷却媒体流过，来冷却高压放电灯1。从发光管2的两端附近并跨越覆盖外部导线6的支撑件9的一部分，且于与外管3之间插入有基端部8，隔着基端部8并通过粘接剂使发光管2及外管3气密地被固定。在发光管2与外管3之间的间隙，形成有由空气层或是适当的气体所构成的气体层。

高压放电灯1的发光管2，由于封止部7是比相当于发光区域的中央部更小径地构成，所以在中央部与外管3接近，而在封止部7与外管3间隔开。因此，在高压放电灯1的发光管2的中央部，通过冷却媒体充分地冷却而能够防止过热所造成的发光管2的破损。再者，在高压放电灯1的发光管2的封止部7，因冷却作用较弱，因此可以可靠地防止过冷却，并防止起因于水银未蒸发的照度降低。

以下显示作为上述高压放电灯1的一构成例，位于发光管2的中央部的内径为φ3.4mm，发光管2的中央部的外径为φ7.4mm，封止部7的外径为φ6mm，发光管2的全长为150mm，电极4的间距为100mm，位于放电空间10内的电极4部分的长度为3mm，水银的封入量为44mg/mm³。外管3的外径为φ9.5mm，外管3的内径为φ7.4mm。

在灯亮灯时的高压放电灯1的额定电压为2000V，额定电流为1.25A，输入功率为2500W。

图3，是显示本发明的高压放电灯的中央部的放大截面图。图3(a)是将高压放电灯1在垂直于管轴地截断时的放大截面图；图3(b)是高压放电灯1在平行于管轴地截断时的接触部分17的放大截面图。

高压放电灯1，因为发光管2与外管3之间的间隙14非常窄小，平均为50μm左右，因此，即使使发光管2与外管3的轴中心对齐一致，但由于石英玻璃所具有的尺寸误差等，也会产生发光管2与外管3接触的区域。如图3(a)所示，发光管2偏离地被配置在比外管3的中心更为下侧，下侧的发光管2与外管3的间隙d，比上侧的发光管2与外管3的间隙D小。由于下侧的发光管2的外表面12，离受到冷却媒体所冷却的外管3的距离较短，因此冷却效果要比上侧的发光管2的外表面12高。因此，位于发光管2的外表面12与外管3的内表面13相接触的接触部分17处的发光管2的内表面11，其冷却效果最高，成为放电空间10内的最冷点。相反地，位于发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间的间隙D成为最大部分处的发光管2的内表面11，其冷却效果最低，成为放电空间10内的最温热点。

如图3(b)所示，在沿着高压放电灯1的管轴方向截断的断面，在外管3的内表面13，以在轴向上周期性地产生的方式来形成凸部15。具体而言，是在圆筒状的外管3的内表面13，凸部15为螺旋状的突起线条所形成。凸部15的高度h为10～200μm，与邻接的凸部15的间隔P为0.1～2mm。由于在外管3的内表面13形成有凸部15，所以若把接触部分17放大来看时，在凸部15，虽然发光管2的外表面12与外管3的内表面13为接触，不过在凸部15以外的部分中，在发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间产生间隙，而存在有空气层16。即使在发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间的间隙d成为最小的接触部分17中，发光管2的外表面12与外管3的内表面13也并非紧密贴接地成为面接触，发光管2的外表面12与外管3的内表面13在凸部15是成为相接触的线接触或是点接触，而存在接触处与空气层16部分。

如图3(a)所示，上侧的发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间的间隙D，由于是与发光管2的外表面12与外管3的内表面13的接触部分17相对置，因此为最大。不过，接触部分17的发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间的间隔为凸部15的高度h左右，所以间隙14为最大部分的发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间的间隙D，也要成为从外管3的内径R与发光管2的外径r的差，减去凸部15的高度h后的值，而成为((R-r)-h)。

如此地，在发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间的间隙d成为最小的接触部分17，由于间隙d为凸部15的高度h左右，因此在发光管2的外表面12与外管2的内表面13之间的间隙D为最大的部分，与在外管3的内表面13没有形成凸部15的情形相比，间隙D可以减小凸部15的高度h的量。

在成为放电空间10内的最冷点的间隙14为最小的接触部分17，由于发光管2的外表面12与外管3的内表面13在凸部15的接触成为线接触或是点接触，因此与外管3之间存在空气层16，增大与由冷却媒体所冷却的外管3的距离，所以使得最冷点的温度提升。另外，由于凸部15在圆筒状的外管3的内表面13以成为螺旋状的突起线条的方式形成，因此即使在外管3的内表面13的任一处形成接触部分17，也必然存在空气层16，使发光管2的外表面12与外管3的内表面13不会紧密接触。另一方面，成为放电空间10内的最温热点的间隙14为最大的部分D，与外管3的间距虽稍微有缩小，但由于与外管3之间存在有由间隙14所形成的空气的层，因此最温热点的温度无关于凸部15的有无，几乎没有变动。因此，通过在外管3的内表面13形成凸部15，可以缩小最冷点与最温热点的温度差。

由于通过在外管3的内表面13形成凸部15，可以提升位于放电空间10内的最冷点的温度，因此即使降低待机功率也能够维持较高的发光管2的内表面11的温度，所以可以抑制发光管2内所封入的水银的未蒸发状态的产生。因此，可以实现能够降低待机模式的待机功率，同时在处理模式时可以在短时间起动，且不会中断地进行高输出亮灯的高压放电灯1。

图4，是用以说明制作本发明的高压放电灯的方法的说明图。

该高压放电灯1，可以以如下的方式来制作。

首先，在金属箔5的两端，将杆状的电极4与外部导线6电连接，作成2个电极4构造体。在圆筒状的石英玻璃管的内部，封入适当量的水银等，并且将电极构造体从石英玻璃管的两侧插入，利用收缩密封法将石英玻璃管的两端部予以封止。如此地实施，作成在内部具备有封入物及电极4的发光管2。

如图4(a)所示地，在发光管2的外表面12将直径80μm的碳线30以2mm间隔卷绕成螺旋状。考虑到图示方便，在图中是将碳线30放大来绘图。另一方面，准备具有比发光管2的外径尺寸还要大的内径尺寸的圆筒状石英玻璃管31，仅将单方封止。将卷绕有碳线30的发光管2置入于石英玻璃管31之中，将石英玻璃管31的内部予以减压并旋转。用氢氧喷灯在轴方向扫描，从石英玻璃管31的外侧进行加热，将石英玻璃管31烧缩而形成外管3。此时，外管3，烧缩到使其与发光管2的间隙14比碳线30还窄小为止。

如图4(b)所示地，将外管3充分地烧缩之后，切断外管3的两端，制成两端开口的圆筒管形状。然后，将高压放电灯1置于大气压环境下的1000℃的电炉中加热3小时。通过此加热来烧掉碳线30。存在于外管3与发光管2的间隙14的碳线30消失，形成由设在外管3的内表面13的螺旋状的突起线条所构成的凸部15。如图示般地在沿着高压放电灯1的管轴所截断的断面上，在外管3的内表面13，在管轴方向上周期性地形成有多个凸部15。由螺旋状的突起线条所形成的凸部15，可以通过如此地卷绕碳线30后进行加工而容易地形成。另外，如上所述地将石英玻璃管31烧缩形成外管3时，由于碳线30也充当间隔物的作用，所以可以将外管3与发光管2的间隔以大致一定的形态来进行控制。因此，不会产生发光管2与外管3紧密接触的区域，可以消除冷却的偏颇不均，也可以抑制高压放电灯1的偏差。

接着，说明本发明的第2实施方式。图5，是显示在本发明的高压放电灯1的中央部，将高压放电灯1垂直于管轴地予以截断时的发光管2的外表面12与外管3的外表面12的接触部分17的部分放大截面图。

第2实施方式的高压放电灯1，除了外管3的内表面13为平滑的面，发光管2的外表面12为截面多边形之外，具有与第1实施方式的高压放电灯1同样的构成。以下对于第2实施方式，省略与第1实施方式的高压放电灯1相同的构成构件的说明。

如图5所示，发光管2的外表面12，在垂直于高压放电灯1的管轴方向所截断的截面中，发光管2的外周是形成为截面多边形，以使其顶部形成为凸部18。具体而言，是使圆筒状的发光管2的外表面12，以成为在轴向较长的截面多边形的方式而形成。具有10～60个角的多边形，凸部18的高度h为10～200μm，相邻接的凸部18的间隔P为0.5～2mm。成为凸部18的部分，其发光管2的厚度为最大，发光管2的外表面12与外管3的内表面13接触。在凸部16以外的部分，发光管2的厚度变薄，并在发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间形成有空气层16。

发光管2的外表面12与外管3的内表面13相接触的凸部18，离由冷却媒体所冷却的外管3的距离较短，发光管2是由外管3所直接冷却。位于凸部18的发光管2的内表面11，冷却效果最高。另一方面，凸部18的邻接部分20，在发光管2的外表面12与外管3的内表面13之间形成有空气层16，离由冷却媒体所冷却的外管3的距离较远。由于发光管2是由空气层16所间接冷却，发光管2的内表面11的冷却效果较弱。因此，位于邻接部分20的发光管2的内表面11的温度，是不会下降到如凸部18的内表面13的程度。

另外，由于凸部18是通过将发光管2的外周作成截面多边形而形成，因此即使外管3的内表面13的任一处存在有接触部分17，也必然存在空气层16，使发光管2的外表面12与外管3的内表面13不会紧密接触。

即使在接触部分17，发光管2的外表面12与外管3的内表面13为紧密接触但并非是面接触，发光管2的外表面12与外管3的内表面13在凸部18是成为相接触的线接触或是点接触，而存在接触处与空气层16部分。位于具有空气层16的邻接部分20的发光管2的内表面11的温度，由于比位于凸部18的发光管2的内表面11的温度还要高，因此可以温热位于凸部18的发光管2的内表面11，提高作为接触部分17的整体的发光管2的内表面11的温度。因此，与在发光管2的外表面12没有形成凸部18的情形相比，可以提升位于放电空间10内的成为最冷点的位于接触部分17的发光管2的内表面11的温度。

由于通过在发光管2的外表面12形成凸部18，可以提升位于放电空间10内的最冷点的温度，因此即使降低待机功率也能够维持较高的发光管2的内表面11的温度，所以可以抑制发光管2内所封入的水银的未蒸发状态的产生。因此，可以实现能够降低待机模式的待机功率，同时在处理模式时可以在短时间起动，且不会中断地进行高输出亮灯的高压放电灯1。

接着，说明关于实施例。

<实施例1>

制作使用了第1实施方式所示的高压放电灯的高压放电灯装置，来作为实验对象。作为实验对象所使用的高压放电灯的规格如以下所示。

发光管：石英玻璃制，中央部的内径为φ8mm，中央部的外径为φ12mm，封止部的外径：φ6mm，发光长度是100mm。

外管：石英玻璃制，内径为φ12.1mm，外径为φ14.1mm。

凸部：高度为50μm，管轴方向的间隔为2mm。

电极：钨制，电极间距离为100mm，位于放电空间10内的电极部分的长度为3mm。

封入物：水银7.5mg/cc，氩气100Torr。

另外，凸部是在发光管的外表面，将直径80μm的碳线以2mm间隔卷绕成线圈状，并通过上述的方法所形成。

在处理模式下亮灯30秒钟，接着在待机模式下亮灯30秒钟，以使处理模式与待机模式为交互的方式进行了亮灯。在处理模式时，高压放电灯的输入功率为3000W(300W/cm)的方式进行亮灯。在待机模式时，高压放电灯的输入功率为2000W(200W/cmm)的方式进行亮灯。

在冷却套管中，作为冷却媒体，是使水以5L/min的流量进行循环。

另外，作为比较对象，除了在外管的内表面没有形成凸部之外，制作了与实验对象相同样的规格的高压放电灯1。

在外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，位于发光管的内表面的温度，在处理模式时，在接触部分为700℃，在间隙最大部分为1000℃。另外，在待机模式时，在接触部分为540℃，在间隙最大部分为800℃。

在外管的内表面没有形成凸部的比较对象的高压放电灯，位于发光管的内表面的温度，在处理模式时，在接触部分为550℃，在间隙最大部分为1000℃。另外，在待机模式时，在接触部分为430℃，在间隙最大部分为800℃。

在外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，成为最冷点的接触部分的温度，与比较对象的高压放电灯相比，在处理模式时要高出150℃，待机模式时要高出110℃。

当放电空间内的温度为400℃以下时，会发生所封入的水银未蒸发，并产生从待机模式移转至处理模式时的启动时间的延迟、或是无法维持放电而放电中断。依本实验结果，可知在外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，高压放电灯亮灯中，在放电容器内的温度为最低的待机模式时的接触部分的温度为540℃，比最冷点温度400℃还要高140℃。由此，可以预测到在外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，即使将待机模式的输入功率减少到小于200W/cm，在更降低待机模式时的接触部分的温度的条件下进行亮灯，也不会产生水银的未蒸发部分。

<实验例2>

由实验例1的实验结果所预测，将外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，减少待机模式的输入功率地来进行亮灯。作为实验对象所使用的高压放电灯的规格，与实验例1相同。另外，高压放电灯装置的冷却条件亦与实验例1相同。还有，高压放电灯的亮灯条件，设定如下。

在处理模式下亮灯30秒钟，接着在待机模式下亮灯30秒钟，以使处理模式与待机模式为交互的方式进行了亮灯。处理模式时，高压放电灯的输入功率为3000W(300W/cm)的方式进行亮灯。待机模式时，高压放电灯的输入功率为1500W(150W/cm)的方式进行亮灯。

即，除了降低待机模式的输入功率之外，高压放电灯的亮灯条件，设成与实验例1相同。

外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，即使将待机模式的输入功率设为150W/cm，也没有产生水银的未蒸发部分。由于没有产生水银的未蒸发部分，所以从待机模式移转到处理模式，也依然能够维持较短的起动时间。另外，处理模式时，与待机模式的输入功率值无关地，可以以高输入功率进行高输出亮灯。

因此，由于即使降低待机模式的待机功率，也没有产生水银的未蒸发部分，所以确定了可以实现在短时间从待机模式到处理模式的起动，处理模式时可以进行不中断的高输出亮灯的高压放电灯。

依据实验例1的结果，对于在外管的内表面没有形成凸部的高压放电灯，当将输入功率设为200W/cm时，成为放电空间内的最冷点的接触部分的发光管的内表面温度为430℃。若输入功率值更小于此值时，就会降低放电空间内的最冷点温度而产生水银的未蒸发。即，对于在外管的内表面没有形成凸部的高压放电灯，待机模式时的输入功率的最低值为200W/cm。

另一方面，由实验例2的结果，外管的内表面形成有凸部的实验对象的高压放电灯，确定了可将待机模式的输入功率设为150W/cm。由此可得知，与没有形成凸部的现有技术下的高压放电灯相比，可以将待机模式的输入功率减低至75％。

Claims (5)

1.一种高压放电灯，具备：相对置地配置有一对的电极，并封入有水银的发光管；以及形成在上述发光管外侧的直管状的外管，以上述发光管的两端来气密地固定上述外管，其特征为：

在上述发光管的外表面，或者上述外管的内表面，在轴向上一体地形成有凸部，发光管的外表面和外管的内表面在该凸部接触。

2.如权利要求1所述的高压放电灯，其特征为：

上述凸部，通过在外管的内表面设置螺旋状的突起线条而形成。

3.如权利要求1所述的高压放电灯，其特征为：

上述凸部，通过将发光管的外表面设为在与管轴方向垂直地截断的截面为截面多边形而形成。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的高压放电灯，其特征为：

上述外管的内径与上述发光管的外径之差为200μm以下，上述凸部的高度为200μm以下。

5.一种高压放电灯装置，其特征为：

将权利要求1至4中的任一项所述的高压放电灯，配置于冷却套管的内部，并使冷却媒体沿着上述外管的壁面流过。

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