JP2005149791A - ショートアーク型高圧水銀ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 保持用筒体の体積を強度を損う程縮小することなく保持用筒体の熱容量を小さくするとともに、熱伝導経路に熱伝導率が非常に小さい真空状態の空隙を形成することにより、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じることのないショートアーク型高圧水銀ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明のショートアーク型高圧水銀ランプは、発光管と、その両端に連続して形成された封止管と、封止管に埋設された保持用筒体と、その先端に陽極あるいは陰極を有し保持用筒体に挿通された電極芯棒とからなり、前記保持用筒体に空所が形成され、又は、前記封止管と前記保持用筒体とのいずれか一方の接合面に凹所が形成されたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体露光装置用、液晶基板露光装置用の紫外線光源として使用される放電ランプに関する。特に、発光管内に発光物質として水銀が封入されたショートアーク型高圧水銀ランプに関する。

ショートアーク型高圧水銀ランプは、半導体露光装置用の光源として使用され、このときの放射光は、波長３６５ｎｍに強い輝線スペクトルを含むものが使われる。近年、半導体基板の大型化や露光時間短縮への要求が強まっていることから、光源であるショートアーク型高圧水銀ランプから放射される光量の増加が求められている。

図９は、従来のショートアーク型高圧水銀ランプを説明するための断面図である。図１０は、従来の保持用筒体を説明するための断面図である。
ショートアーク型高圧水銀ランプ１（以下、単にランプとも称す）は、発光管２と、その両端に連続して形成された封止管３を有する。発光管２内には、発光物質としての水銀と、点灯始動ガスとしてのキセノンガスが封入されている。封止管３には、石英ガラス製の保持用筒体４が溶着されることにより埋設されている。保持用筒体４は、中心部に電極芯棒を挿通するための貫通穴４０が設けられた円筒形状である。先端に陽極５若しくは陰極６を有する電極芯棒７は、保持用筒体４に設けられた貫通穴４０に挿通された状態で支持されている。電極芯棒７に電気的に接続された集電円板８には、不図示のモリブデン箔が接続されることにより外部からの電気入力を可能としている。

ショートアーク型高圧水銀ランプから放射される光量を増加させるために発光管２内へ封入する水銀量を増加させると、多量の水銀を蒸発させるためにランプの入力電力を増加させることにより、入力電流を増加させる必要が生じる。入力電流を増加させると、陽極５及び陰極６の温度が上昇し、陽極構成物質であるタングステンが蒸発して発光管２の内壁に付着することにより、ランプから放射される光の透過率が低下する不具合を生じるおそれがある。とりわけ、電子衝突をうける陽極５は、温度が上昇しやすいため、陰極６よりも体積を大きくして熱を逃がしやすくしている。

しかしながら、陽極５及び陰極６の体積を大きくすることに伴いその重量が増加した場合には、先端に陽極５若しくは陰極６が設けられた電極芯棒７を支えている保持用筒体４に過大な負荷がかかり、保持用筒体４や場合によっては保持用筒体４が埋設された封止管３が破損するおそれがある。従って、この場合には、保持用筒体４の体積も大きくすることにより、負荷に耐えうる構造とする必要がある。

ところが、このような構造によると、ランプを点灯させた際に、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じることが判明した。ここで、ランプ電圧の立ち上がりとは、ランプ電圧値が規格電圧値に達することをいう。そして、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じると、以下のような問題が生じてしまうことも判明した。

ショートアーク型高圧水銀ランプを点灯させるための電源は、ランプ内に封入された水銀量や、キセノンガスの封入圧に応じて立ち上がり時間が定められており、ランプが一定時間内に一定電圧に到達しない場合は、ガスのリークや異常放電などの異常が発生したと判断して、電流供給を自動的に遮断するように設定されている。即ち、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じると、ランプへの電流供給が遮断されることによりランプが不点灯になってしまう。
ここで、ランプが不点灯になることを防止するためには電源に対して電流供給を遮断するまでの時間を延ばすように設定すると有効であるようにも思われる。
しかしながら、電源に対してこのような設定をすると、封入ガスがリークしたり異常放電しているランプに対しても電流供給を遮断することなく大電流を入力し続けることになり、電極又は発光管を破損させてしまうおそれがあるため非常に危険である。

本発明者らは、上記のような問題を解決するために、保持用筒体４の体積を大きくするとランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じる原因について鋭意検討したところ、以下の原因によるものであることを突き止めた。
発光管２内の水銀蒸気圧は、発光管２内における最冷部温度で決まる。図８に示すショートアーク型高圧水銀ランプでは、陰極６が陽極５に比して体積が小さく、陰極６で発生した熱は陽極５で発生した熱よりも電極芯棒７に伝わりにくい。従って、陰極６側に埋設された保持用筒体４における符号９で示す部分に最冷部が形成され、この部分に未蒸発水銀が留まることになる。ここで、保持用筒体４の体積が大きくなることに伴い熱容量が増加することにより保持用筒体４の温度上昇が鈍くなると、前記の未蒸発水銀の蒸発に時間を要することになり、その結果として、ランプ電圧に遅れが生じるものと考えられる。
さらには、保持用筒体４は、石英ガラス製のムク棒に貫通穴を設けることにより構成されており、石英ガラス製の封止管３に密着している。即ち、保持用筒体４及び封止管３を経て外部に至るまでの熱伝導経路には、全く空隙のない状態である。その結果、熱伝導により封止管３表面から熱が外部に逃げやすくなっており、このような事実もランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じる一因であると考えられる。

従って、保持用筒体の熱容量を小さくするとともに、前述の熱伝導経路中に熱伝導率が非常に小さい部分、即ち、空隙を形成することにより、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じることを効果的に防止でき、前述のような問題が発生しなくなると考えられる。保持用筒体の熱容量を下げるためには単に保持用筒体の体積を小さくすることが考えられるが、保持用筒体の体積を小さくすると保持用筒体の強度が低下し、保持用筒体や場合によっては封止管が破損してしまうおそれがあるため、好ましくない。

本発明は、このような事情によりなされたものであり、保持用筒体の体積を強度を損う程縮小することなく保持用筒体の熱容量を小さくするとともに、熱伝導経路に熱伝導率が非常に小さい真空状態の空隙を形成することにより、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じることのないショートアーク型高圧水銀ランプを提供することを目的とする。

本発明のショートアーク型高圧水銀ランプは、発光管と、その両端に連続して形成された封止管と、封止管に埋設された保持用筒体と、その先端に陽極あるいは陰極を有し保持用筒体に挿通された電極芯棒とからなり、前記保持用筒体に空所が形成され、又は、前記封止管と前記保持用筒体とのいずれか一方の接合面に凹所が形成されたことを特徴とする。

本発明のショートアーク型高圧水銀ランプは、発光管と、その両端に連続して形成された封止管と、封止管に埋設された保持用筒体と、その先端に陽極あるいは陰極を有し保持用筒体に挿通された電極芯棒とからなり、前記保持用筒体の外周に高融点金属箔を巻き回したことを特徴とする。

さらに、請求項１または請求項２のショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、前記陰極が配置された側の封止管を下側にして垂直点灯を行うことを特徴とする。

本発明のショートアーク型高圧水銀ランプによると、保持用筒体に空所が形成され、又は、保持用筒体と封止管のいずれか一方の接合面に凹所が形成されているため、保持用筒体の熱容量が小さくなっており、さらには、保持用筒体と封止管を溶着した際には前述の熱伝導経路に熱伝導率が非常に小さい空隙が形成された構造である。これにより、従来のショートアーク型高圧水銀ランプと比較して、保持用筒体の温度が短時間で上昇し、保持用筒体における最冷部に存在する未蒸発水銀を早期に蒸発させることができるため、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じることがなく、ランプが不点灯となることを防止できる。さらには、電源においてランプを不点灯にするまでの時間を短く設定できるので、封入ガスがリークした状態又は異常放電が発生した状態で大電流を供給し続けるという非常に危険な状況を回避することができる。

また、保持用筒体の外周に高融点金属箔を巻き回した形態のショートアーク型高圧水銀ランプによっても、高融点金属箔を複数回巻き回すことにより高融点金属箔同士の間に熱伝導率が非常に小さい真空状態の空隙が形成されるので、上記効果を得ることができる。

図１は、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの第１の実施形態を説明するための断面図である。
ショートアーク型高圧水銀ランプ１は、発光管２と、その両端に連続して形成された封止管３を有する。発光管２内には、発光物質として水銀が封入され、点灯始動ガスとしてキセノンガスが封入されている。点灯始動ガスとしては、キセノン以外にもアルゴン、クリプトン等を用いることができる。
封止管３には、凹所４１を有する石英ガラス製の保持用筒体４が溶着されることにより埋設されている。溶着作業は、封止管３内に保持用筒体４を挿通して配置した状態で、発光管２内を減圧した状態にて封止管３の外表面をバーナー等で炙ることにより行われる。この際に、凹所４１に対応する部分の封止管３については縮径させず、保持用筒体４とは溶着させない。従って、溶着作業終了後には、保持用筒体４に設けられた凹所４１が空隙として存在することになる。
先端に陽極５又は陰極６を有する電極芯棒７は、保持用筒体４に設けられた貫通穴４０に挿通された状態で支持されており、貫通穴４０は、電極芯棒７の外径に適合する寸法に形成されている。電極芯棒７に電気的に接続された集電円板８には、不図示のモリブデン箔が接続されることにより外部からの電気入力を可能としている。

上記ショートアーク型高圧水銀ランプ１の数値例を以下に挙げる。発光管２の外径は２０ｍｍ〜２００ｍｍである。保持用筒体４の外径は１０ｍｍ〜５０ｍｍである。陽極５は、体積が５ｃｍ^３〜１００ｃｍ^３であり、重量が１００ｇ〜１５００ｇである。陰極６は、体積が１０ｃｍ^３〜１００ｃｍ^３であり、重量が２０ｇ〜５００ｇである。発光管内に封入された水銀量は、１〜１００ｍｇ／ｃｃであり、好ましくは１０〜５０ｍｇ／ｃｃ、特に好ましくは２０〜３０ｍｇ／ｃｃである。発光管内に封入されたキセノンガスの圧力は非点灯状態で１〜１０気圧である。定格電力は２ｋＷ〜３０ｋＷであり、定格電圧は２０Ｖ〜１４０Ｖである。

図２は、図１に示す保持用筒体の種々の実施形態を説明するための断面図である。
図２（ａ）に示す保持用筒体４は、外径の均一な石英ガラス製のムク材に貫通穴を設けることにより構成され、その外周面に凹所４１が形成されている。凹所４１は、工具等による切削加工によって形成しても良いし、型等により凹所４１が形成されるように成型しても良い。このような保持用筒体４の数値例を挙げると、外径３０ｍｍ、内径（貫通穴４０の径）：５ｍｍ、管軸方向長さ４０ｍｍである。
図２（ｂ）に示す保持用筒体４は、その外周面に２個の凹所４１が設けられている。無論、強度を損なわないのであれば、幾つ設けても良い。図２（ｃ）に示す保持用筒体４は、空所４２を有する構造である。このような空所４２は、図２（ａ）に示す保持用筒体４の外周に別体の石英管４３を溶着することにより形成される。
尚、図示していないが、保持用筒体４に対して、凹所４１及び空所４２の両方を形成しても良い。

このような保持用筒体４を用いることにより、空所や凹所の形成されていない従来の保持用筒体と比較して熱容量を小さくすることができる。これにより、ランプ点灯開始から短時間で保持用筒体４の温度が上昇するので、ランプ点灯開始初期に図１に示す最冷部９に存在する未蒸発水銀を短時間で蒸発させることができる。

図３は、図１の点線部分Ａを拡大した図である。尚、図中の矢印１００が示す方向が陰極６が存在する方向である。
さらに、保持用筒体４に形成された凹所４１は、保持用筒体４と封止管３とを溶着した際に真空状態となっている。即ち、発光管２内の放電空間又は電極芯棒７から保持用筒体４及び封止管３を経て外部に至るまでの熱伝導経路に熱伝導率が非常に小さい真空状態の空隙が存在しているので、ランプ点灯時に生じた熱が封止管３を通じて外部へ発散することを抑制することができる。

このように、保持用筒体４に設けられた凹所４１は、熱伝導率が非常に小さい真空状態の空隙として外部への熱発散防止機能を果たす部分であるため、その体積が極力大きいことが好ましいが、保持用筒体４の強度を損わない程度であることが好ましい。具体的には、凹所４１の体積は、貫通穴４０を除いた保持用筒体４の体積の５％〜３０％であることが好ましい。

以上のような、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの第１の実施形態によると、保持用筒体の熱容量を小さくすることができ、さらには、保持用筒体と封止管を溶着した際には前述の熱伝導経路に熱伝導率が非常に小さい真空状態の空隙が形成された構造となる。これにより、従来のショートアーク型高圧水銀ランプと比較して、保持用筒体の温度が短時間で上昇する上に熱が外部に発散しにくく、保持用筒体における最冷部に存在する未蒸発水銀を早期に蒸発させることができるため、ランプ電圧の立ち上がりに遅れが生じることがなく、ランプが不点灯になることを防止することができる。さらには、電源においてランプを不点灯にするまでの時間を短く設定できるので、封入ガスがリークした状態又は異常放電が発生した状態で大電流を供給し続けるという非常に危険な状況を回避することができる。

図４、５は、本発明の第２の実施形態について説明するための断面図である。図４は、保持用筒体を拡大した図である。図５は、図４に示す保持用筒体が使用されている場合において図１の点線部分Ａを拡大した図である。
図４に示す保持用筒体４は、その外周面に高融点金属箔４４が２周巻き回された構造である。高融点金属箔４４の材質は、モリブデンであるが、これに限らず、
タンタル、モリブデンとタンタルとからなる合金等を用いることもできる。
第２の実施形態においては、図５に示すように、保持用筒体４は、高融点金属箔４４が設けられていない部分でのみ封止管３に溶着されており、高融点金属箔４４は、封止管３に溶着されているわけではない。ここで、高融点金属箔４４は、その表面に存在する凹凸が、溶着作業時の熱により溶融した保持用筒体４又は封止管３を構成する石英ガラスによって埋められるため、保持用筒体４又は封止管３に接している部分において溶着する。各々の高融点金属箔４４同士間においては、このような現象は生じないので空隙４５が形成される。尚、図５において、高融点金属箔４４の厚み及び空隙４５は非常に小さいものであるが誇張して表現している。

図４に示す高融点金属箔４４は、空隙４５を形成する役割、保持用筒体４と封止管３との溶着作業性、保持用筒体４への巻き回し作業性等を考慮して、幅５〜５０ｍｍ、長さ２０〜５００ｍｍ、厚み５〜５０μｍであることが好ましい。

図４、５に示すような第２の実施形態においても、熱伝導率が非常に小さい空隙４５が形成されるため、発光管２内で対向する電極間で放電することにより発生した熱が、封止管３を通じて外部に発散することを抑制できる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

ここで、本発明の効果を確認するための実験を行うために製作したショートアーク型高圧水銀ランプについて、以下に説明する。
＜実施例＞
発光管 ：内容積４００ｃｍ^３
封止管 ：外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ、全長１００ｍｍ
陽極 ：体積２０ｃｍ^３、重量４００ｇ
陰極 ：体積１０ｃｍ^３、重量２００ｇ
電極間距離：４ｍｍ
電極芯棒 ：外径５ｍｍ、全長５０ｍｍ
保持用筒体：外径３０ｍｍ、内径５ｍｍ、全長４０ｍｍ、体積３０ｃｍ^３
形状は図２（ａ）に示す構造
封入水銀量：２０ｍｇ／ｃｃ
封入キセノンガス量：５気圧
定格電力 ：４ｋＷ
定格電圧 ：５０Ｖ
＜比較例＞
保持用筒体の構造が従来の図１０に示す構造であることを除き、その他の構成は実施例に係るショートアーク型高圧水銀ランプと同一のランプを製作した。
＜実験方法＞
図６は、ショートアーク型高圧水銀ランプのランプ電圧を測定する方法を説明するための図である。
実施例及び比較例に係るショートアーク型高圧水銀ランプ１に電気的に接続した電源２０にて、上記電力をランプ１に供給することによって、ランプ１を点灯させる。そして、ランプ１の両端に電気的に接続したペンレコーダ２１によって、ランプ電圧の経時変化を測定した。

図７は、ランプ電圧の経時変化を示す図である。
図７に示された●は実施例のデータを、○は比較例のデータを示す。図７で、電圧値が約４４Ｖで一定となっており、この時の電圧値を規格電圧値という。ランプ電圧が規格電圧値に達することにより所望の照度を得ることが可能である。
両ランプを比較すると、比較例のランプが規格電圧値に達するのに約１５分間要したのに対し、実施例のランプは約１０分間で規格電圧値に達していることから、実施例のランプは比較例のランプよりもランプ電圧の立ち上がり時間が大幅に短縮できることが分かる。
この結果から、上記規格電圧値と異なる規格電圧値を有するショートアーク型高圧水銀ランプでも、本発明の構造を採用すると当然のことながらランプ電圧が速やかに立ち上がることになると考えられる。尚、本発明のショートアーク型高圧水銀ランプでは、いかなる規格電圧値を有するものであっても、そのランプ電圧が点灯開始から１０分以内に規格電圧値の９０％以上に達することが望ましい。

尚、本発明に係るショートアーク型高圧水銀ランプは、使用時には通常は垂直点灯させるものであるが、陰極を下側にして使用することが好ましく、その理由について以下に図８を用いて説明する。図８は、陰極を下側にして垂直点灯することの利点を説明するための図であり、図８（ａ）が陽極を下側にして点灯した場合を、図８（ｂ）が陰極を下側にして点灯した場合を示す。ここで、上側とは垂直点灯させた場合の鉛直方向上側をいい、下側とは垂直点灯させた場合の鉛直方向下側をいう。

図８（ａ）に示すように、ショートアーク型高圧水銀ランプ１において、ランプ１の管軸１０１と直交する直線１０２と、陰極６の先端部１０３と陰極６のテーパー部１０４の上側端部１０５とを通過する仮想線１０６と、でなす角を陰極側配光角Ｗ１と称す。ここで、ランプ１の陽極５及び陰極６がランプ点灯時に高温となり電極を構成するタングステンが蒸発した場合において、タングステン蒸気は、高温であることにより発光管の上側の内表面に付着して黒化部分１００が形成されるおそれがある。そして、このような黒化部分１００が形成されると、陰極側配光角Ｗ１は、仮想線１０６と、陰極６の先端部１０３と黒化部分１００の下側端部１０７とを通過する仮想線１０８と、でなす角Ｘ１をＷ１から除いた角Ｙ１となってその大きさが減少し、ランプ１の照度が低下する問題が生じることになる。このような問題は、仮想線１０６と、管軸１０１に直交する直線１０２とのなす角Ｗ１が大きいこと、言い換えると、仮想線１０６と管軸１０１とでなす角Ｚ１が小さくなるようなテーパー部１０４を有する陰極６が上側に配置されていることに起因して生じるのである。
これに対し、図８（ｂ）に示す本発明に係るショートアーク型高圧水銀ランプ１においては、陽極５が上側に配置されており、管軸１０１と直交する直線１０２と、陽極５のテーパー部１１０の下側端部１１１と上側端部１１２とを通過する仮想線１１３と、でなす角Ｗ２が小さい。即ち、仮想線１１３と管軸１０１とでなす角Ｚ２が大きい。これにより、黒化部分１００が極端に下方側にまで形成されない限りは陽極側の配光角が減少するおそれがなく、ランプ１の照度が低下する問題が生じない。ここで、上記角Ｚ２は６０〜８０°であると、陽極側配光角が減少することがないので好ましい。
尚、上記角Ｚ１が小さくなるように陰極６のテーパー部１０４を製作すれば良いように思われるが、テーパー部１０４は、放電を良好に行うために上記角Ｚ１が１０〜３０°となるように製作されることが好ましい。

垂直点灯式のショートアーク型高圧水銀ランプについて説明してきたが、これに限るものではなく水平点灯式への適用を排除するものではない。また、必ずしも陰極を下側にして点灯させねばならないものではなく、発光管２に全く黒化が生じないのであれば、陰極を上側にして使用することも可能である。
また、保持用筒体と封止管との間に空隙が形成できるのであれば、保持用筒体へ空所又は凹所を設ける方法、保持用筒体の外周に高融点金属箔を巻き回す方法に必ずしも依存する必要はない。例えば、保持用筒体と溶着した際に空隙が形成されるように封止管の一部を隆起させたり、封止管の一部に凹所を設けるような加工を施す等してもよい。
さらに、前述の熱伝導経路中に存在する空隙内は、必ずしも真空状態である必要はなく、保持用筒体や封止管を構成する石英ガラスよりも熱伝導率が小さい状態であれば良い。例えば、空隙内に大気や不活性ガス等が存在していても良い。

本発明のショートアーク型高圧水銀ランプの第１の実施形態を説明するための図である。 図１に示す保持用筒体の種々の実施形態を説明するための図である。 図１の点線部分Ａを拡大した図である。 本発明の第２の実施形態について説明するための図である。 本発明の第２の実施形態について説明するための図である。 ショートアーク型高圧水銀ランプのランプ電圧を測定する方法を説明するための図である。 ランプ電圧の経時変化を示す図である。 陰極を下側にして垂直点灯することの利点を説明するための図である。 従来のショートアーク型高圧水銀ランプを説明するための図である。 従来の保持用筒体を説明するための図である。

符号の説明

１ ショートアーク型高圧水銀ランプ
２ 発光管
３ 封止管
４ 保持用筒体
５ 陽極
６ 陰極
７ 電極芯棒
８ 集電円板
９ 最冷部
４０ 貫通穴
４１ 凹所
４２ 空所
４３ 別体の石英管
４４ 高融点金属箔
４５ 空隙

Claims (3)

1. 発光管と、その両端に連続して形成された封止管と、封止管に埋設された保持用筒体と、その先端に陽極あるいは陰極を有し保持用筒体に挿通された電極芯棒とからなるショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、
   前記保持用筒体に空所が形成され、又は、前記封止管と前記保持用筒体とのいずれか一方の接合面に凹所が形成されたことを特徴とするショートアーク型高圧水銀ランプ。
2. 発光管と、その両端に連続して形成された封止管と、封止管に埋設された保持用筒体と、その先端に陽極あるいは陰極を有し保持用筒体に挿通された電極芯棒とからなるショートアーク型高圧水銀ランプにおいて、
   前記保持用筒体の外周に高融点金属箔を巻き回したことを特徴とするショートアーク型高圧水銀ランプ。
3. 前記陰極が配置された側の封止管を下側にして垂直点灯を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアーク型高圧水銀ランプ。
   

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