JP2004311454A

JP2004311454A - 超高圧水銀ランプおよびその電極

Info

Publication number: JP2004311454A
Application number: JP2004232304A
Authority: JP
Inventors: Kenji Takaya; 謙治高屋; Shoichi Kinoshita; 昭一木下
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】高頻度で点滅して使用される超高圧水銀ランプの電極の消耗を低
減して、長寿命かつ高効率の露光装置等に使用する超高圧水銀ランプおよびその
電極を提供すること。
【解決手段】両端に１対の円柱状の電極を対向して配置し、内部に希ガスを封入した発光管を有する交流点灯式の超高圧水銀ランプにおいて、前記電極の先端部の半径をｒとするとき、前記電極先端から管軸方向にｒまでを、半径ｒの半球状と、前記電極先端の中心部を平坦面とし角部を半径約ｒ／２の円弧で面取りした曲面で囲まれる範囲の凸状疑似円弧曲面とするものである。
【選択図】図３

Description

本発明は超高圧水銀ランプ、特に露光装置の光源等に使用される高輝度紫外線等を放射する超高圧水銀ランプおよびその電極に関する。

半導体集積回路（ＩＣ）、液晶表示パネル（ＬＣＤ）およびプリント回路基板（ＰＣＢ）等は、益々大型化かつ高密度化している。これら電子部品または装置の製造には露光装置として、短波長の高輝度光源が必要になる。そのために超高圧水銀ランプが使用されるのが一般的である。

一般的な超高圧水銀ランプは、密封された発光管を有し、この発光管内には１対の電極が対向して配置され、かつ内部に水銀とともにアルゴンやキセノン等の希ガスが封入されている。

ここで使用される超高圧水銀ランプの電極について説明する。ショートアークランプを始めとする直流点火式超高圧水銀ランプでは、陽極および陰極として異なる形状の電極を使用する。他方、交流点火式超高圧水銀ランプでは、同一の１対の電極が使用される。この交流点火式超高圧水銀ランプの電極は、用途に応じて寸法が異なる。一般には、１〜３ｍｍ程度の発光管内径に対して２０〜５０％程度の直径を有する円柱形状である。

このような超高圧水銀ランプの点灯中には、アーク放電による温度上昇や電子衝突による電極物質の蒸発やスパッタリングが発生する。この発光管内壁に付着した電極物質は、アーク放電により放射される光の透過を妨げて、被照射領域の照度を低下させる要因である。

また、一般的な超高圧水銀ランプの発光管材料として使用される石英ガラスは、高温に曝されると、準安定で透明な状態から、クリストバライトに結晶状態が変化し、所謂「失透」状態を誘発し、透明度を失う。この「失透」は、温度が高くなるにつれて顕著に進行する。そのため、発光管内壁に付着した電極物質が遮る光は、熱に変化し、発光管の温度を上昇させ、ガラスの「失透」を招き、さらに照度低下を発生させることとなる。

交流点灯式超高圧水銀ランプを使用した露光装置の多くは、プリント回路基板のパターンの露光に使用されている。このような用途では、被照射物であるレジストの露光時にはランプを点灯し、非露光時にはランプを消灯するという、ランプの点滅使用が一般的であった。

一方、交流点灯式超高圧水銀ランプにおいて、ランプ立ち上げ時、即ちランプ点灯開始から水銀が蒸発し熱平行に至り安定点灯するまでの間には、ランプ安定点灯中に比べて、２〜３倍の電流が流れる。そのために、電極に衝突する電子の量も多くなり、さらに発光管内の蒸気圧も低いため、安定点灯中に比べて電極の消耗が加速される。そのために、点滅して使用するランプでは、連続点灯するランプに比べて、積算点灯時間当たりの照度低下率が極端に大きい。

図４に、典型的な交流点灯式超高圧水銀ランプの部分断面図を示す。この超高圧水銀ランプは、石英ガラス等の光透過性の発光管２、この発光管２の両端に固定されたステム３ａ、３ｂ、発光管２内に対向して配置された電極１ａ、１ｂおよび十分な量の水銀４ａ、４ｂより構成される。この発光管２内には、アルゴン、キセノン等の希ガスが封入されている。ここで、電極１の先端部または対向面は、図４に示すような平坦面である。また、電極の先端面を楕円面や放物面とすることも知られている。
特開平４−２８００５７号公報特開平３−２８３２５３号公報

一般に、レジストの露光は、照射面での光の積算量で管理されているために、照度の低下は露光時間の増加となり、製造効率の低下となる。そこで、照度維持率の高いランプの必要性が生じる。上述した従来の超高圧水銀ランプは、電極先端部のエッジに電界が集中して消耗が激しい。そのために、この超高圧水銀ランプを使用する露光装置の露光時間が長くなり作業効率が低下するという課題があった。

従って、本発明の目的は、高頻度で点滅使用される場合でも、電極の消耗が少なく、照度維持率の高い交流点灯式超高圧水銀ランプおよびその電極を提供することである。

本発明の超高圧水銀ランプは、両端に１対の円柱状の電極を対向して配置し、内部に希ガスを封入した発光管を有する交流点灯式の超高圧水銀ランプにおいて、前記電極の先端部の半径をｒとするとき、前記電極先端から管軸方向にｒまでを、半径ｒの半球状と、前記電極先端の中心部を平坦面とし角部を半径約ｒ／２の円弧で面取りした曲面で囲まれる範囲の凸状疑似円弧曲面とするものである。

また、本発明の交流点灯式超高圧水銀ランプの電極は、発光管の両端に対向して配置した１対の電極を有する交流点灯式超高圧水銀ランプの電極において、前記電極先端部は、半径ｒの円柱状であり、該電極先端の中心部は平坦面であり、角部が約ｒ／２の丸み付けされた曲面と、半径rの半球面とで囲まれた範囲の緩やかな凸状疑似曲面に形成されるものである。

本発明の超高圧水銀ランプおよびその電極によると、電極先端部の構成、形状を従来の平坦形状ではなく、凸状疑似円弧曲面に加工することにより、電界の集中を防止して、点灯条件に関係なくランプ立ち上げ中および安定点灯中の電極の消耗を抑制することが可能である。その結果、スパッタリングや「失透」の発生が少なく、使用時間の経過に伴う照度の低下を最小にすることが可能であるという実用上の顕著な効果を有する。

以下、本発明による超高圧水銀ランプおよびその電極の好適な実施形態の構成および動作を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、従来技術および本発明による交流点灯式超高圧水銀ランプ用電極の各種実施形態例の長手方向に沿う先端部を示す。これら図１(ａ)、(ｅ)〜(ｇ)の電極は、上述した図４に示す交流点灯式超高圧水銀ランプの密封された発光管２の両端に対向して配置される。図１(ａ)は、従来技術による電極先端部を示す。図１(ｅ)〜(ｇ)は、本発明の電極先端部を示す。

本発明の発明に際して、図１に示すような種々の電極先端部構造について実験を行った。以下、これら各種実験を説明する。なお、評価用基準ランプの仕様は、次のとおりである。ランプ放電位置における内径が２ｍｍの発光管に、半径が０．３ｍｍで円柱形状の電極が距離１４０ｍｍで対向して配置されている。発光管内には、約０．２ａｔｍのキセノンと発光に必要充分以上の量の水銀が封入されたランプを製造する。以下、この基準ランプをランプＡという。

電極１の先端部以外は、上述した基準ランプＡと同一仕様であり、表１に示すように、電極１の先端部形状を角部に半径ｄ２（ｍｍ）の丸みを付けたランプＥ、ＦおよびＧの３種類のランプを用意した。これら電極先端部の形状を、夫々図１(ｅ)、(ｆ)および(ｇ)に示す。

なお、表１中の有効電極径とは、この特定例では電極先端から管軸方向２ｍｍの位置の電極径を表す。

これらのランプＡ、Ｅ、Ｆ、Ｇを筒状の容器に収め、外部から毎分１０リットルの流量の冷却水で冷却しながら、約５ｋＶＡの電力を投入して点灯した。基準ランプＡとこれら３種類のランプＥ、ＦおよびＧを、１５秒間点灯し５秒間消灯する点滅サイクルで点滅しながら点灯した場合の、点滅回数に伴う照度維持率（または照度低下率）は、図２に示すとおりであった。

図２の特性曲線から明らかなように、電極１の先端部形状として先端角部の丸みの半径を電極半径と等しく、即ち半径ｒの半球状とした場合(ランプＥ)が、最も低照度減衰である。丸みを小さくするほど（ランプＦ、Ｇ）照度低下率は大きくなる。特に、丸み半径が０．１ｍｍの場合(ランプＧ)には、丸みのない電極を使用した場合(ランプＡ)に近い照度減衰特性を示す。このことから、電極先端の角部における丸みの半径を小さくすることにより、冷陰極として、電極先端の周辺部に温度不足部分が生じ、スパッタリングが発生していることが分かる。

次に、上述した基準ランプＡと各実験例のランプＥ〜Ｇの１０００回点滅時の照度維持率を表２にまとめて示す。

本発明の目的を実現する超高圧水銀ランプに使用する電極の先端部構成を図３にまとめて示す。図３には、本発明の請求項１および２に限定する電極先端部の構成をハッチング部で示す。

上述のように、電極先端部形状を凸状疑似円弧曲面の各種形状に加工したランプは、従来のランプＡと比較してランプ立ち上げ中および安定点灯中の電極の消耗を抑制することができる。従って、スパッタリングや「失透」の発生が少なく、このようなランプの使用時間の経過に伴う照度の低下を小さくすることが可能になる。

以上、本発明の超高圧水銀ランプおよびその電極の好適実施形態例を詳述した。しかし、本発明は、このような特定例のみに限定されるべきではなく、種々の変形変更が可能である。例えば、電極は、全長にわたり同一半径の円柱状である必要はなく、また円柱部も必ずしも真円である必要もない。

本発明を説明するための各種電極先端部形状を示す図、本発明の電極を使用した超高圧水銀ランプの点滅回数対照度維持率特性を示す特性曲線図、本発明の電極先端部構成を示す図、典型的な超高圧水銀ランプの構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ電極
２発光管
３ステム
４ａ、４ｂ水銀
ｒ円柱状電極の半径

Claims

両端に１対の円柱状の電極を対向して配置し、内部に希ガスを封入した発光管を有する交流点灯式の超高圧水銀ランプにおいて、
前記電極の先端部の半径をｒとするとき、前記電極先端から管軸方向にｒまでを、半径ｒの半球状と、前記電極先端の中心部を平坦面とし角部を半径約ｒ／２の円弧で面取りした曲面で囲まれる範囲の凸状疑似円弧曲面とすることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
発光管の両端に対向して配置した１対の電極を有する交流点灯式超高圧水銀ランプの電極において、
前記電極先端部は、半径ｒの円柱状であり、該電極先端の中心部は平坦面であり、角部が約ｒ／２の丸み付けされた曲面と、半径rの半球面とで囲まれた範囲の緩やかな凸状疑似曲面に形成されることを特徴とする超高圧水銀ランプの電極。