JP2006302786A

JP2006302786A - 閃光放電ランプ

Info

Publication number: JP2006302786A
Application number: JP2005125840A
Authority: JP
Inventors: Akishi Miyanaga; 晶司宮永
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】本発明の目的は、発光管内表面に発生する黒化を防止または低減する閃光放電ランプを提供すること。
【解決手段】本発明の閃光放電ランプは、透光性セラミックスにより形成された発光管を備え、電極構造体を除いた電極先端から封止部端部までの発光管内部空間をデットスペースとし、発光管両端に形成されるデットスペースを併せた体積をＡ（ｍｍ^３）とし、発光管内表面積をＢ（ｍｍ^２）としたとき、Ａ／Ｂ≧０．１２の関係を満足することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、閃光放電ランプに関し、特にセラミックスよりなる発光管を有する閃光放電ランプに関する。

半導体製造プロセスの急速熱処理において、放射強度の高い光が効率よく得られる閃光放電ランプが光源として使われている。閃光放電ランプは、例えば直管状の発光管の両端部に、一対の放電電極が互いに対向するように配置されると共に、発光管における放電空間内に放電用ガスが封入されて構成されている。このような閃光放電ランプにおいては、１回の発光に要する時間が極めて短く、短時間に放電空間内の温度を例えば１０００℃から１４００℃にまで上昇させる。したがって、閃光放電ランプを構成する発光管においては、優れた耐熱性を有し、かつ比較的高い耐熱衝撃性を有するものであることが要求される。このような条件下で、閃光放電ランプの発光管の材料として石英ガラスを用いると、発光管の内壁が白濁し、被照射面における照度が極端に低下する恐れがあった。このような事情から、閃光放電ランプを構成する発光管としては、セラミックス（サファイア）が注目されている。セラミックス閃光放電ランプに関する技術として、例えば特開２００３−１０９５３７号公報に記載されたものがある。

発光管の材料として石英ガラスを用いた閃光放電ランプでは、石英ガラス表面が化学的に安定であり、また発光管を４００℃に予備加熱をしたうえで、閃光放電ランプ内に放電用ガスを封入しているので、発光管内部に残存する酸素量を非常に少なくすることができる。一方、発光管の材料としてセラミックスを用いた閃光放電ランプでは、ピンチシールによる封止をすることができないので、封止部に封着材を用いる必要がある。封着材の溶融温度が３００℃であるので、放電用ガス封入前の予備加熱は２００℃を上限とせざるを得ない。また、発光管のセラミックスの表面には、不純物による活性点が存在するために、酸素などが吸着しやすい。このため、発光管の材料としてセラミックスを用いた閃光放電ランプでは、放電用ガス封入前において、十分に酸素を除去することができない。

上記のように、発光管の材料としてセラミックスを用いた閃光放電ランプにおいては、放電用ガス封入前の予備加熱を２００℃以下にしなければならないので、発光管に吸着した酸素を除去するためには加熱時間を長くとることが想定される。しかし、発光管の材料として石英ガラスを用いた場合の発光管内部に残存する酸素量と同程度にするためには、発光管を３０時間以上加熱する必要があり、量産化の障害となる。

一方、発光管の材料としてセラミックスを用いた閃光放電ランプであっても、封止を行う前の発光管であれば、高い温度で真空処理をすることが可能である。すなわち、発光管のみで予備加熱を行い、その後、封止および排気を行うという手順が考えられる。しかし、この手順では、閃光放電ランプの発光管に酸素が再吸着しないようにするためには、発光管の予備加熱後からランプ完成まで発光管を大気にさらすことなく製造しなければならない。この製造手法には、新たな大型設備が必要となるため、量産化の障害となる。

このような発光管内部に一定以上の酸素が残存する閃光放電ランプでは、電極の主成分であるタングステンが酸化して酸化タングステンとなりやすい。酸化タングステンの蒸気圧はタングステンの蒸気圧に比べて高いため、石英ガラスを用いた閃光放電ランプと同温同圧の点灯条件であっても、酸化タングステンが蒸発して発光管内表面に付着する。このように、発光管の材料としてセラミックスを用いた閃光放電ランプでは、電極の主成分であるタングステンが蒸発して、発光管内表面に付着して堆積し、発光管の透明度が失われる黒化という現象が発生する。
特開２００３−１０９５３７

そこで本発明は、発光管の材料としてセラミックスを用いた閃光放電ランプにおける上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、発光管内表面に発生する黒化を防止または低減する閃光放電ランプを提供することにある。

発光管内表面の黒化の発生は、電極から封止部材にかけての方が、電極から発光空間までよりもタングステンの堆積が多く、発光管の透明度をより一層低下していることが見出された。これより、酸化タングステンは電極から封止部材までの空間に流れ込んでいると考えられ、この空間を大きく取ることにより、酸化タングステンを選択的に堆積させることができる。

透光性セラミックスにより形成された発光管を備えてなる閃光放電ランプにおいて、電極構造体を除いた電極先端から封止部端部までの発光管内部空間をデットスペースとし、発光管両端に形成されるデットスペースを併せた体積をＡ（ｍｍ^３）とし、発光管内表面積をＢ（ｍｍ^２）としたとき、Ａ／Ｂ≧０．１２の関係を満足することを特徴とする。

本発明に係る閃光放電ランプによれば、電極構造体を除いた電極先端から封止部端部までの空間をデットスペースとし、発光管両端に形成されるデットスペースを併せた空間体積を発光管内表面積と比較して一定以上にとることにより、発光管内表面に発生する黒化を防止または低減する閃光放電ランプを提供することができる。

以下、本発明の閃光放電ランプの実施形態の構成を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の閃光放電ランプの概略断面図であり、図２は本発明の閃光放電ランプの封止部の断図面である。ただし、閃光放電ランプの発光管の軸方向の内側を発光空間側、発光管の軸方向の外側を封止部側とする。

閃光放電ランプは、透光性セラミックスよりなる直管状の発光管１を有し、この発光管１内部に、電極２、電極２をその先端に有するリード棒３、及び発光空間５を構成し、発光管１の両端には、略円柱状の封止部材６が挿入されている。
電極２は、例えばタングステンからなる略円柱状で、リード棒３と共に電極構造体４を構成する。リード棒３は、例えばニッケル導電体よりなり、発光空間側は電極２の封止部側端面に一体となるように連接され、封止部側は封止部材６の貫通孔６１に挿通され、シール部材７により気密に固定されている。封止部材６は、例えば多結晶アルミナよりなり、発光空間側に発光管１の内径より小さい径を有する胴部６２を有し、発光管１に嵌挿され、さらに、封止部側に発光管１の外径より大きい径を有する蓋部６３を有し、発光管１につき合わせて固定されている。発光管内を気密に封止するために封着材８が用いられ、封着材８は例えば、銀ろう、チタンろうなどの金属ろうをはじめとするろう材や、封着ガラスよりなり、封止部材６の形状に沿って発光管１との間に介在して、封止部材６と発光管１とを結合している。

図２に示すように、発光管内部において、封止部材６の発光空間側端部６４から電極２の発光空間側端部２１までの第一の発光管内部空間１０１（図２（ａ）参照）から、第一の発光管内部空間１０１の内部に形成される電極構造体４の体積を除いた第二の発光管内部空間をデットスペース１０２（図２（ｂ）参照）と呼ぶ。発光管１の両端に形成された各々のデットスペース１０２の体積を併せ、その体積をＡ（ｍｍ^３）とする。また、図３に示すように、発光管１が封止部材６の発光空間側端部６４と当接する箇所を発光管１の封止部側端部１１とし、発光管１の軸中心に対して垂直な断面Ａ−Ａ‘の内周を、発光管１の一方の封止部側端部１１から他方の封止部側端部１１まで足し合わせた発光管１の内表面１２の面積を、発光管内表面積Ｂ（ｍｍ^２）とする。本発明に係る閃光放電ランプでは、Ａ／Ｂの値が０．１２以上とされている。

発光管１の透明度が失われる黒化の原因である発光管内部に残存する酸素は、発光管１の内表面１２に吸着して、閃光放電ランプの発光空間５に混入する。この発光管１の内表面１２に酸素が吸着する現象を巨視的に見れば、発光管１の内表面１２の単位面積あたりに吸着している酸素はほぼ一定であるとみなすことができる。これより、閃光放電ランプの発光管１の内表面１２の面積の大きさに比例して、発光空間５の内部に混入する酸素の量が増加すると考えられる。

発光管１の黒化は、電極２の主成分であるタングステンが蒸発して、発光管内表面に付着して堆積することを原因としている。このため、タングステンが堆積して黒化が発生する箇所は、特に電極周りに集中しているが、電極付近の発光管１にとどまらず、リード棒３および封止部材６の発光空間側端部６４にまで広がっていることを今回初めて見出した。また、発光管１に対する黒化の発生は、電極２を中心とする均等分布ではなく、電極２から封止部材６の発光空間側端部６４にかけての方が、電極２から発光空間５までよりもタングステンの堆積が多く、発光管１の透明度をより一層低下させる黒化が発生していることも今回初めて見出した。

これにより、閃光放電ランプ点灯時に発生する熱によって蒸発した酸化タングステンは、電極間のアーク生成に伴って封入ガスが膨張して、気圧が上昇することによって自由な拡散が妨げられ、アーク生成がないために圧力が上昇しない封止部材６の発光空間側端部６４から電極２までの空間に流れ込んでいることが考えられる。すなわち、電極２の発光空間側端部２１から封止部材６の発光空間側端部６４までのデットスペース１０２を大きくとることにより、閃光放電ランプ点灯による電極間の気圧上昇に伴って、デットスペース１０２に流れ込む封入ガスの量を多くすることが可能となり、蒸発した酸化タングステンを選択的にデットスペース１０２に堆積させることができる。

閃光放電ランプ点灯時に発生する熱によって蒸発した酸化タングステンが、電極間の発光管内表面１２に付着させないためには、電極２の発光空間側端部２１から封止部材６の発光空間側端部６４までの空間に流れ込む封入ガスの量を多くするデットスペース１０２を大きくとる必要がある。この発光管１の両端に形成された各々のデットスペース１０２の体積を併せたものがＡ（ｍｍ^３）である。また、発光空間５の内部に混入する酸素の量と比例する発光管１の発光空間内部側の内表面１２面積がＢ（ｍｍ^２）である。これらの比Ａ／Ｂを０．１２以上とすることによって、発光管１の電極間に発生する黒化を防ぐことが可能になる。さらに、発光管１の電極間に黒化が発生しないため、閃光放電ランプ点灯時の光を吸収することによる発光空間５の過剰な温度上昇を防ぎ、この過剰な温度上昇による発光管内壁に発生するクラックを防ぎ、閃光放電ランプを長寿命化させることも可能になる。

以上、本願発明の最良の実施形態について説明したが、置換可能な構成については上記構成に限定されることなく適宜変更可能である。

以下、本願発明の閃光放電ランプの具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

発光管（１）は、材質が透光性セラミックスの一種であるサファイアであり、管の外径が１３ｍｍ、内径が１０．４ｍｍのものを用いた。電極構造体（４）は電極（２）およびリード棒（３）より構成され、電極（２）はタングステンよりなり、直径が８ｍｍ、長さが７ｍｍの略円柱状で、リード棒（３）はニッケル導電体よりなり、直径が３ｍｍのものを用いた。封止部材（６）は、アルミナよりなり、リード棒（３）との間のシール材（７）にはボロシリケイト系のガラス材を用い、発光管（１）との間の封着材（８）には、酸化ビスマスを主成分としたガラス材を用いて接合した。また、発光管（１）の内部にはキセノンガスを６０ｋＰａ封入した。

以上のように作製した、本発明にかかる閃光放電ランプについて、電極の発光空間側端部（２１）から封止部材の発光空間側端部（６４）までの空間に流れ込む封入ガスの量を多くさせる封止管両側のデットスペース（１０２）の体積Ａ（ｍｍ^３）と、発光空間（５）の内部に混入する酸素の量と比例する発光管の発光空間内部側の内表面（１２）の発光管内表面積Ｂ（ｍｍ^２）を変化させて、図４に示すような寸法の閃光放電ランプを作製した。この閃光放電ランプにおいて、パルス幅１００μｓ、管壁負荷１２Ｊ／ｃｍ^２の点灯条件で、２０ｓで１ショットとなる時間間隔で繰り返し点灯し、１０万回点灯後の発光管内部の黒化発生状況を測定した。電極間に黒化が発生しなかったものは◎、電極間に黒化が発生したがその度合いは薄く、クラックが発生しなかったものは○、黒化およびクラックが発生したものは×とした。

図４は、この実験結果をまとめた表である。一方の封止部材の発光空間側端部（６４）から他方の封止部材の発光空間側端部（６４）までの長さを発光空間長さ（５１）とし、封止部材の発光空間側端部（６４）から電極の発光空間側端部（２１）までの長さをリード棒長さ（３１）とし、閃光放電ランプそれぞれについて、発光空間長さ、リード棒長さ、両端のデットスペースＡ（ｍｍ^３）、発光管内表面Ｂ（ｍｍ^２）、Ａ／Ｂ、および１０万ショット後発光管外観の測定結果を同図に記入した。

図４に示す結果から、Ａ／Ｂの値が０．１２以上の閃光放電ランプは、１０万ショット後の発光管でも、電極間に黒化が発生しない、または、電極間に黒化が発生したがその度合いは薄く、クラックが発生しなかった。一方、Ａ／Ｂの値が０．１２未満の閃光放電ランプは、１０万ショット後の発光管に、黒化およびクラックが発生した。

以上の結果からも明らかなように、発光管両端に形成されるデットスペース（１０２）の体積をＡ（ｍｍ^３）、発光空間内部側の内表面１２の面積をＢ（ｍｍ^２）としたとき、Ａ／Ｂの値が０．１２以上であれば、発光管１の電極間に発生する黒化を防ぐことができた。さらに、発光管１の電極間に黒化が発生しないため、閃光放電ランプ点灯時の光を吸収することによる発光空間５の過剰な温度上昇を防ぎ、この過剰な温度上昇による発光管内壁に発生するクラックを防ぎ、閃光放電ランプを長寿命化させることも可能になった。

本発明の閃光放電ランプの概略断面図本発明の閃光放電ランプの封止部の断面図本発明の閃光放電ランプの封止部の断面図本発明の閃光放電ランプの実施例１の結果

符号の説明

１発光管
２電極
３リード棒
４電極構造体
５発光空間
６封止部材
７シール部材
８封着材
１１封止部側端部
１２内表面
２１発光空間側端部
２２封止部側端部
３１リード棒長さ
５１発光空間長さ
６１貫通孔
６２胴部
６３蓋部
６４発光空間側端部
１０１第一の発光空間内部
１０２デットスペース

Claims

透光性セラミックスにより形成された発光管を備えてなる閃光放電ランプにおいて、
電極構造体を除いた電極先端から封止部端部までの発光管内部空間をデットスペースとし、発光管両端に形成されるデットスペースの体積を併せてＡ（ｍｍ^３）とし、発光管内表面積をＢ（ｍｍ^２）としたとき、Ａ／Ｂ≧０．１２の関係を満足することを特徴とする閃光放電ランプ。