CN1941269A - 短弧型放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种短弧型放电灯，防止在亮灯时在一对电极位于上下的短弧型放电灯的光照射面上附着黑化物，不使照度下降。在上侧的阳极电极(4)的发光管端侧端面设置凹部(12)。凹部(12)的断面形状是凹字型、U字型、レ字型或V字型。借助凹部(12)使来自发光管(1)的上端部的对流气体再次循环到发光管(1)的上端部。通过阳极电极(4)的侧面的上升气流朝向发光管(1)的上端。下降气流和上升气流的合流气流与发光管(1)的上端附近的内面碰撞。由于包含黑化成分的气流与大大偏离了光照射所需要的发光管面区域的位置碰撞，因而可防止光照射所需要的面的黑化。

Description

短弧型放电灯

技术领域

本发明涉及短弧型放电灯，特别是，涉及在半导体或液晶制造的曝光工序中用作光源的短弧型放电灯。

背景技术

在半导体元件或液晶显示装置的制造过程等中的曝光工序中，被用作光源的短弧型放电灯要求高照度化。这种短弧型放电灯(以下简称为灯)一般使用接通功率大于等于1kW的灯，亮灯时的温度和内压相当高。作为用于进行高照度化的一种方法，具有更多地封入水银或稀有气体等、提高紫外区域的灯发光效率的方法。在这种短弧型放电灯中，由于由电弧放电引起的高温等离子体的产生，使得等离子体附近的阴极尖端或阳极尖端随着亮灯时间的增加而逐渐磨损。此时，电极成分作为黑化物附着在灯的发光管内面的光照射面上。黑化物由于遮断放电的光，因而通过长时间的亮灯而使灯的照度比起初始照度下降，缩短灯的寿命。

在用于防止作为短弧型放电灯中的照度下降的一个因素的黑化的现有技术中，具有：把吸附作为产生黑化的一个因素的杂质的吸气剂设置在灯内的方法；在除了电极尖端附近以外的表面设置微粒子状钨烧结层的方法；在阳极电极内设置使气体流动的孔的方法；以及抑制阳极电极温度上升的方法等。在为了防止由黑化物质引起的灯照度下降，而在电极内设置吸收黑化物的被称为吸气剂的物质的方法中，具有以下等的问题：当在阳极侧设置吸气剂时，由于高温而剥落，当在阴极侧设置吸气剂时，在吸气剂和电极间产生放电。当使吸气剂离开高温部时，吸气剂的杂质吸附功能下降。为了解决该问题，具有把吸气剂收容在阴极侧面的凹部内的方法。

作为抑制阳极温度来抑制阳极尖端的变形、消耗的方法，设计了在除了阳极尖端以外的表面设置由碳化钽和钨的混合物构成的多孔质层等的方法。然而，多数情况是，碳化钽在电极尖端附近的高温区域内由于还原反应而分解。因此，可形成多孔质层的区域存在界限。为了解决该问题，在除了阳极尖端附近以外的表面设置微粒子状钨烧结层。可使阳极温度下降来抑制阳极部的蒸发，使照度下降延迟。

为了抑制阳极物质的蒸发，提出了使阳极尖端的断面积增大的方法，为了提高阳极的热传导性，提出了设置金属碳化物(碳化钽、碳化锆、碳化铪)的热放射层的方法。然而，仅采用该方法，不能使温度充分下降。即使增加阳极的热放射，也不能把体积大、热容量大的阳极收容在发光管内。为了解决该问题，提出了设置从阳极尖端附近延伸到后端侧的贯通孔的方法。由于在设置于阳极内的贯通孔内产生气流，抑制阳极的温度上升，因而与没有贯通孔的情况相比较，能抑制阳极物质的蒸发。结果，即使灯长时间点亮，黑化物也不附着在发光管上，可提供更长寿命的灯。

另外，灯内部的杂质容易在灯的低温部集中和凝集，这在经验上是公知的。然而，有时黑化物在发光管上的附着位置分布在灯的发光管中温度最高的灯上层部。因此，可推测为：黑化物的附着位置除了灯内部的热条件以外，还依赖于包含有由放电产生的黑化成分的气体的主气流路径和发光管交叉的位置。由于亮灯中的灯内部的放电部附近的气体与其周围相比较是高温高压的，因而在灯内部，气体的密度差和温度差大，产生起因于此的气体对流。可推测为：由于高温的等离子体而从电极蒸发的黑化物质与该气体对流一起移动，并附着在灯内壁上。关于对电极端面作了倒角的以往的短弧型放电灯，当进行了放电中的灯泡的气体对流仿真时，得到图6所示的结果。据此推测为：在以往的短弧型放电灯中，产生图7的箭头所示的方向性的对流。

在图7所示的以往的短弧型放电灯中，灯泡的黑化物附着机理被认为是如下所述的机理。阳极的发光管端面侧的形状从电极中心朝向外侧并向下方侧倾斜。也有成为水平的形状。当灯点亮时，在阴极电极和阳极电极之间产生电弧等离子体，其附近温度最高。此时，产生具有从阴极侧向阳极侧面上升的路径的气流。该气流成为在阳极的发光管端侧附近，从发光管上端部向下流动的气流和朝向发光管方向、沿着发光管的内面行进的气流。该气流被分成朝向发光管上端部和发光管下端部的气流。此时，在从阳极端面朝向发光管的气流与发光管碰撞的区域内附着有比周围量多的黑化物。具有通过使该对流合适化，控制黑化物的附着位置的方法。以下，列举黑化防止相关联的现有技术的若干例。

专利文献1所公开的“短弧水银灯”是可在半导体晶片的曝光中，长时间稳定地进行分辨率高的曝光处理的灯。在发光管内，将阳极和阴极对置配置，并封入有水银和稀有气体。在除了阳极尖端以外的外表面形成有由碳化钽和钨的混合物构成的多孔质层。由于阳极的实际表面积的增大和碳化钽的高放射率，可抑制亮灯时的阳极温度上升。并且，防止阳极的早期蒸发，提高灯的寿命。

专利文献2所公开的“短弧放电灯”示出了防止吸气剂蒸发来抑制管球黑化、延长放电灯寿命的方法。在阴极处设置细径部，将线圈状发射极卷绕成覆盖该细径部。把吸气剂收容在形成于线圈状发射极和细径部之间的凹部内。由于吸气剂由线圈罩住，在吸气剂和阳极之间不产生放电，因而可在阴极的距电弧发生点比较近的位置设置吸气剂。由于可把吸气剂设置在适度的温度条件下，因而可长时间维持防止黑化的吸气作用。

专利文献3所公开的“短弧型放电灯”是在亮灯时尽可能地抑制阳极温度的升温、抑制起因于阳极构件的提前蒸发的发光管的内壁黑化、延长灯的使用寿命的灯。在短弧型放电灯的除了阳极尖端附近以外的外表面形成微粒子状钨烧结层。从而，使阳极的实际表面积增加，促进从阳极的散热，抑制阳极构件的提前蒸发。

专利文献4所公开的“短弧型放电灯”是即使长时间使用，也能有效地抑制灯泡的黑化现象、具有长寿命的灯。如图8所示，在玻璃制的灯泡内，将阳极和阴极配置成相互对置。在阳极内形成有从其尖端侧向后端侧延伸的贯通孔。以阳极位于阴极上方的状态来亮灯。

专利文献5所公开的“高压放电灯”是可得到长时间稳定的光输出的灯。如图9所示，在高压放电灯的内部具有一对电极，进行垂直亮灯。在位于上方的电极中具有对流气体的限制构件。限制构件是圆筒形状或线圈形状，配置成包围上方电极侧面，在构件和电极之间设置有间隙。限制构件采用钽、铌、锆、钛材料构成，也具有作为吸气剂的效果。

【专利文献1】日本特开平02-256150号公报

【专利文献2】特许第3380615号公报(日本特开平07-226187号公报)

【专利文献3】日本特开平09-231946号公报

【专利文献4】日本特开平10-208696号公报

【专利文献5】日本特开平10-283990号公报

然而，在以往的灯的黑化防止技术中，具有以下问题。在抑制黑化物质的方法中，仅使灯点亮中的黑化物的产生绝对量减少，针对在放射光的面上附着黑化物的情况却没有改变，不能防止照度下降。在电极内设置吸气剂、贯通孔、钨烧结层或限制板的方法中，加工成本和加工时间增加。

发明内容

本发明的目的是解决上述以往问题，在使一对电极处于上下方向进行亮灯的短弧型放电灯中，在良好地满足灯的上升特性和照度特性的同时，以低成本防止灯的照度下降，从而延长灯寿命。

为了解决上述课题，在本发明中，在使一对电极处于上下方向进行亮灯的短弧型放电灯中，在上侧电极的发光管端侧端面设置用于使来自发光管上端部的放电用气体流再次循环到发光管上端部的凹部，把凹部的断面形状设定成凹字状、U字状、レ字状、V字状的任意一方。

通过这样构成，可良好地维持短弧放电灯的上升特性和照度特性，不需要更多的工序和大的成本，即可长时间维持初始照度。

附图说明

图1是本发明的实施例中的短弧型放电灯的概念图。

图2是示出本发明的实施例中的短弧型放电灯的主气流的对流仿真结果的图。

图3是示出本发明的实施例中的短弧型放电灯的对流方向的示意图。

图4是示出本发明的实施例中的短弧型放电灯的发光管端侧的阳极端面形状的示例的图。

图5是示出本发明的实施例中的短弧型放电灯的发光管端侧的阳极端面形状的示例的图。

图6是示出以往的短弧型灯中的主气流的对流仿真结果的图。

图7是示出以往的短弧型放电灯中的对流方向的示意图。

图8是在以往的短弧型放电灯的阳极内设置了贯通孔的概念图。

图9是在以往的短弧型放电灯的阳极内设置了对流限制板的概念图。

具体实施方式

以下，参照图1～图5对用于实施本发明的最佳方式进行详细说明。

【实施例】

本发明的实施例是在亮灯时在成为上侧的电极的发光管端侧端面设置了凹字状、U字状、レ字状或V字状的断面形状的凹部的短弧型放电灯。

图1是本发明的实施例中的短弧型放电灯的概念图。图2是示出短弧型灯的主气流的对流仿真结果的图。图3是示出所计算的短弧型放电灯的对流方向的示意图。图4和图5是示出短弧型灯的阳极后侧端面形状的示例的图。

在图1～图5中，发光管1是短弧型放电灯的灯泡。放电空间2是封入有水银的放电用密闭空间。在发光管1内配置有一对由钨等的高熔点金属构成的阳极电极3和阳极电极4。在位于发光管1的端侧的阳极电极4的端面形成有凹部12，作为用于把从发光管的上端侧下降的对流再次引导到发光管的上端侧、并把从发光管的下端侧上升的对流引导到发光管上端部侧的循环单元。阴极电极3和阳极电极4分别由电极支撑棒5a和电极支撑棒5b支撑。密封玻璃6a、6b(以下有时统称为密封玻璃6)是从发光管1延长并将该发光管1进行气密密封的玻璃。密封用玻璃构件7a、7b(以下有时统称为密封用玻璃构件7)是将电极支撑棒5a、5b和密封玻璃6a、6b之间进行密封、并保持电极支撑棒5a、5b的玻璃。

密封用玻璃构件8a、8b(以下有时统称为密封用玻璃构件8)是支撑电极支撑棒5a、5b的部位。金属箔9a、9b(以下有时统称为金属箔9)是配置在密封用玻璃构件8a、8b和密封玻璃6a、6b之间、使来自外部的作为电力供给口的引线11a、11b(以下有时统称为引线11)和电极支撑棒5a、5b电连接的导体。管套10a、10b是用于使引线11a、11b和电极支撑棒5a、5b通过金属箔9a、9b电连接、并保持短弧型放电灯的导体。引线11a、11b是用于使电流流入短弧型放电灯的导体。使用密封玻璃6a、6b以及密封用玻璃构件8a、8b和密封用玻璃构件7a、7b将发光管1进行密封。这样，可在放电空间2与外气完全隔离的状态下，从外部对灯进行通电。

在放电空间2内封入有稀有气体、和从可见区域到紫外区域具有高强度的发光光谱的水银等。当对各个极性的引线11施加了直流电流时，在阳极电极4和阴极电极3之间产生电弧放电。在放电空间2中所产生的光透过光透过性的发光管1的发光管球面部，放射期望的紫外线。由于亮灯时的内压是几MPa数量级的压力，因而作为发光管的材料，多数情况是使用厚度为3mm左右的硅玻璃。当灯安装在亮灯装置上时，固定在灯长轴方向的管套10的端面上，在灯长轴垂直于水平面的状态下亮灯。特别是，多数情况是，在阳极侧为上侧的状态下亮灯。

对上述构成的本发明的实施例中的短弧型放电灯的动作进行说明。首先，参照图1对控制短弧型放电灯的黑化物的附着位置的方法进行说明。为了防止灯照度下降，有必要使黑化物的附着位置成为偏离了光放射面的位置。黑化物在发光管上的附着位置对气体的主气流和发光管的碰撞位置依赖性强。由于使该碰撞位置偏离光放射面，因而从阳极电极的侧面上升而朝向发光管上端部的气流不会被从发光管上端部下降的气流阻碍。即，改变发光管端面侧的阳极端面形状，以便产生使从发光管上端部下降的气流再次回到发光管上端部的循环流。这样，可使黑化物附着在不妨碍从灯放出光的位置上。这对于其中任一个电极比起另一电极位于上侧的亮灯方式也是可行的对策。

具体地说，如图1所示，把位于发光管端侧的阳极端面的断面形状设定为V字状。即，把朝向阳极尖端方向变深的V字状的凹部12设定成沿着阳极端面的圆周的槽型。借助凹部12，使从发光管上端部下降的气流再次回到发光管上端部。由于使包含黑化成分的气流与接近发光管上端部的位置碰撞，因而防止在光照射所需要的发光管面区域内发生黑化。

下面，参照图2对放电气体的对流仿真进行说明。对在灯内部产生的对流分布进行仿真，求出发光管端侧的电极端面形状与产生黑化物的位置即对流的主成分和发光管的碰撞位置的关系。当解析对象物的形状或边界条件变得复杂时，由于采用运动方程式进行解析变得困难，因而采用将具有复杂形状/性质的物体分割成单纯的小部分来求近似的有限元法(Finite Element Method)来进行解析。具体地说，使用专用于流体解析的有限元法解析程序ANSYS/FLOTRAN来进行解析。成为解析模型对象的灯是8kW短弧型放电灯，假定使阳极位于上侧来亮灯的状态。

对沿着圆周设置了使位于发光管端侧的阳极端面的形状如图1所示朝向阳极尖端方向变深的V字状的凹部12的灯，进行放电气体的对流仿真。在使灯长轴与水平轴垂直的亮灯条件下，针对放电空间，作为以垂直中心轴为对称轴的二维轴对称模型进行解析。作为边界条件，对产生电弧放电的阳极和阴极之间的y轴赋予5000℃。作为热传递系数，对发光管内面赋予7.09×10^-6〔W/mm²·K〕。关于壁边界的自由度约束，将所有线约束在X轴方向。内部流体采用以下条件，即：根据物理参数推算法，输入所计算的水银气体的物理参数，物理参数根据温度而变化。

图2示出灯的主气流的对流仿真结果。与以往灯相比较，从发光管端部下降的气流和通过阳极侧面的上升气流的合流气流与发光管内面的上侧碰撞。即，合流气流的碰撞位置大大偏离了光照射所需要的发光管面区域。作为该理由，考虑如下。在面对发光管端侧的阳极端面，沿着圆周设置了朝向阳极尖端方向变深的V字状的凹部。借助该V字状的凹部12，产生使从发光管上端部下降的气流再次回到发光管上端部的循环流。这是因为，通过阳极电极侧面的上升气流在发光管端部侧的阳极端面上不会被其他气流阻碍，可朝向发光管上端。即，在该短弧型放电灯中，产生图3所示的对流。由于包含黑化成分的气流与发光管碰撞，因而产生灯的黑化，因此黑化物附着在发光管上的位置通过改变发光管侧的电极端面形状来改变。

为了确认由阳极形状差异引起的黑化物附着状态的不同，进行了短弧型放电灯的亮灯实验。实验对象的灯是在仿真时成为模型的8kW的灯，如图1所示，是在发光管端侧的阳极端面呈圆周状设置了朝阳极尖端方向变深的V字状的凹部12的灯。作为对照物，仅准备了对阳极端面作了倒角的以往的阳极结构的同一规格的灯。对在灯的照度分别下降到初始照度的70％之前的寿命作了测定。结果，该阳极形状的灯与以往的阳极形状的灯相比，寿命明显延长约30％。本发明的阳极形状的灯的黑化分布与以往灯相比密集在发光管的更上侧，在光放射所需要的面上，黑化物的附着明显减少。

发光管端侧的阳极端面的断面形状只要是使来自发光管上端部的对流气体再次循环到发光管上端部的形状即可。可以是图4(a)所示的具有曲面的レ字状，可以是图4(b)所示的レ字状，也可以是图4(c)所示的U字状。如图5(a)所示，可以是V字状。尽管未作图示，然而可以是凹字状。任意一种形状都是有效的，这通过仿真和实际的灯点亮实验得到证实。并且，也可以取代把凹部设定为圆周状的槽，而如图5(b)所示，设置多个凹孔。当然，即使在阴极侧相对于阳极为上侧的情况下，通过把阴极的发光管端侧的端面断面形状设定成使来自发光管上端部的对流气体再次循环到发光管上端部的形状，也能取得相同效果。

如上所述，在本发明的实施例中，由于短弧型放电灯构成为：在亮灯时在成为上侧的电极的发光管端侧端面设置了凹字状、U字状、レ字状或V字状的断面形状的凹部，因而可在良好地满足上升特性和照度特性的同时，以低成本长时间维持初始照度。

本发明的短弧型放电灯最适合用作半导体元件或液晶显示装置制造的曝光工序中的大于等于1kW的光源。

Claims (4)

1.一种短弧型放电灯，该放电灯具有：封入有放电用气体的发光管，以及配置在前述发光管内的放电空间内的一对电极，并在前述一对电极处于上下方向的状态下亮灯，其特征在于，在前述一对电极中的上侧电极的发光管端侧端面，设置有用于使来自发光管上端部的放电用气体流再次循环到发光管上端部的凹部。

2.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，前述凹部的断面形状是凹字状、U字状、レ字状、V字状的任意一方。

3.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，前述凹部是沿着前述上侧电极的发光管端侧端面的圆周所设置的槽。

4.根据权利要求1所述的短弧型放电灯，其特征在于，前述凹部是沿着前述上侧电极的发光管端侧端面的圆周所设置的多个凹孔。

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