JP2006344383A

JP2006344383A - 光照射装置

Info

Publication number: JP2006344383A
Application number: JP2003179107A
Authority: JP
Inventors: Makoto Horiuchi; 誠堀内; Mika Sakagami; 美香坂上; Takeshi Ichibagase; 剛一番ヶ瀬; Satoyuki Seki; 関　　智行
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2006-12-21
Also published as: WO2004114364A1

Abstract

【課題】紫外放射エネルギー効率を向上させることができる光照射装置を提供する。
【解決手段】発光管１と封止部２とを有する高圧放電ランプ１００と、高圧放電ランプ１００から発せられる光（１１１）を反射する反射鏡５０とを備え、高圧放電ランプ１００から発せられる光（１１１）は、少なくとも紫外域のスペクトルを有し、発光管１には、１５０ｍｇ／ｃｍ³を超える水銀、ハロゲンおよび希ガスが封入されており、ランプ１００の管壁負荷は８０Ｗ／ｃｍ²以上である、光照射装置５００である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射装置に関する。特に、紫外線硬化樹脂の硬化や、半導体装置および液晶表示装置の製造工程における露光に用いられる光照射装置（例えば、紫外線照射装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線硬化樹脂を接着剤として用いた電子部品・光学部品の精密接着や、半導体装置および液晶表示装置の製造工程における露光などには、紫外線を含む光を放射する紫外線照射装置が用いれる。従来の紫外線照射装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
図６は、特許文献１に開示された紫外線照射装置の構成を示している。図６に示した紫外線照射装置は、ショートアーク型の放電ランプ１０１０と、中央部に開口を有する楕円集光鏡１０２１と、楕円集光鏡１０２１を保持する楕円集光鏡保持部材１０２０と、光ファイバーＦとを備えている。
【０００４】
ショートアーク型の放電ランプ１０１０は、内部に陰極１０１１と陽極１０１２とからなる一対の電極を有しており、放電ランプ１０１０の陽極１０１２側の口金１０１３には、フランジ部１０１５が設けられている。楕円集光鏡保持部材１０２０の底部中央には嵌合孔１０２２が設けられており、嵌合孔１０２２に放電ランプ１０１０の口金１０１３の小径部１０１６を挿入することにより、放電ランプ１０１０が定置される。放電ランプ１０１０は、楕円集光鏡１０２１の楕円の２つの焦点を通る光軸Ｌ上に放電ランプ１０１０のアークが位置するように配置される。楕円集光鏡１０２１は、ランプ点灯時に放射光が光ファイバＦの光入射端Ｆｉｎに入射するように位置調整されている。ここで、Ｓｔはシャッタである。
【０００５】
この公報に開示された紫外線照射装置では、嵌合孔１０２２に嵌合した口金１０１３に離脱可能に係合し、口金１０１３のフランジ部１０１５を楕円集光鏡保持部材１０２０側に付勢するバネ１０３０を楕円集光鏡保持部材１０２０に設けており、それにより、放電ランプ１０１０を取り付けた後、当該放電ランプ１０１０の位置調整を不要にすることができる。
【０００６】
また、直流点灯式のショートアーク型水銀ランプの紫外線照射量を増大させるために、アルゴンガスを室温で１気圧から８気圧封入し、発光管の最大半径Ｒ（ｃｍ）、発光管の肉厚ｄ（ｃｍ）、入力電力Ｗ（ｋＷ）として、０．２１１≦（（Ｗｄ／Ｒ²）^1/2≦０．３８７となる関係を満たすようにすることが、特許文献２に開示されている。ここでは、水銀は、ランプ内の単位容積当たり４．５ｍｇ／ｃｃ封入されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−５５７１３号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９１３９４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のショートアーク型水銀ランプを用いる紫外線照射装置では、水銀の紫外線波長を有効に使用できるように研究・開発が行われている。そして、紫外線硬化性樹脂の硬化や、半導体基板・液晶基板への露光に用いられる従来の紫外線照射装置では、水銀からの紫外発光を効率良く得るために、水銀動作圧で数十気圧程度のレベルの高圧水銀ランプ（または超高圧水銀ランプ）が使用されている。それを超えるレベルでの使用は、紫外発光の効率（つまり、紫外放射エネルギー効率）が低下してしまうので、そのような使用は採用されていない。
【０００９】
一方、数十気圧の水銀動作圧においては、３００ｎｍ未満の水銀発光が強力であり、その光が被照射物や照射装置にダメージを与えてしまうという問題がある。そして、その圧力で３００ｎｍ未満の水銀発光が生じることは水銀の発光特性であるがゆえに、ダメージを与えてしまうような紫外線（短波長側の紫外線）が放射しないようにするためには、反射鏡の方で調整する必要がある。従来の紫外線照射装置の反射鏡では、３００ｎｍ以上（例えば、３００ｎｍ〜４００ｎｍの光）を効率良く反射するとともに、３００ｎｍ未満の光はできるだけ排除するように設計がなされており、それによって３００ｎｍ未満の光が出射光に含まれないようにしている。
【００１０】
このような状況の中、本願発明者は、従来の常識および前提条件をもう一度見直し、従来よりも紫外放射エネルギー効率を向上させることを目的とし、そのようなことを実現できる光照射装置の開発に取り組んだ。
【００１１】
本発明の主な目的は、従来よりも紫外放射エネルギー効率を向上させることが可能な光照射装置を提供することにある。本発明の他の目的および本発明の特徴は、後述する発明の実施の形態によって、理解することが可能である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光照射装置は、管内に発光物質が封入された発光管と、前記発光管から延びた封止部とを有する高圧放電ランプと、前記高圧放電ランプから発せられる光を反射する反射鏡とを備え、前記高圧放電ランプから発せられる前記光は、少なくとも紫外域のスペクトルを有し、前記発光管には、前記発光管の容積を基準にして、１５０ｍｇ／ｃｍ³を超える水銀、ハロゲンおよび希ガスが封入されており、前記ランプの管壁負荷は、８０Ｗ／ｃｍ²以上である。
【００１３】
ある好適な実施形態において、前記光照射装置は、少なくとも紫外線を照射する紫外線照射装置であり、前記反射鏡は、コールドミラーであり、前記水銀の封入量は、前記発光管の容積を基準にして、１９０ｍｇ／ｃｍ³以上である。
【００１４】
ある好適な実施形態において、前記発光管内には、一対の電極が対向して配置されており、前記電極は、前記封止部内に配置された金属箔に電気的に接続されており、前記一対の電極の間の距離は、２．５ｍｍ以下である。
【００１５】
ある好適な実施形態において、前記反射鏡は、前記高圧放電ランプの前記封止部が挿入される開口部が形成された中空ネック部を有し、前記高圧放電ランプは、前記中空ネック部に挿入されて前記反射鏡に固定されており、前記反射鏡は、楕円面の反射面を有する楕円面鏡であり、前記光照射装置は、前記反射鏡を取り囲み、前記反射鏡からの光を通過させる窓が形成された筐体をさらに備えており、前記筐体内には、前記高圧放電ランプに電気的に接続された点灯回路が配置されている。
【００１６】
ある好適な実施形態において、前記筐体の窓の周囲には、光ファイバが配置されている。
【００１７】
ある好適な実施形態において、前記高圧放電ランプは、交流点灯型のランプである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示すことがある。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１９】
（実施形態１）
図１から図１１を参照しながら、本発明の実施形態１に係る光照射装置を説明する。図１は、本実施形態に係る光照射装置５００の構成を模式的に示している。
【００２０】
図１に示した光照射装置５００は、高圧放電ランプ１００と、高圧放電ランプ１００から発せられる光１１１を反射する反射鏡５０とを備えている。本実施形態の光照射装置５００は、少なくとも紫外線を照射する紫外線照射装置であり、紫外線の他、短波長可視光線（例えば、ｈ線、ｇ線）も照射することができる。
【００２１】
高圧放電ランプ１００の発光管１には、発光管１の容積を基準にして、１５０ｍｇ／ｃｍ³を超える水銀、ハロゲンおよび希ガスが封入されており、そして、ランプ１００の管壁負荷は、８０Ｗ／ｃｍ²以上である。
【００２２】
反射鏡５０の周囲には、反射鏡５０からの光１１２を通過させる窓１２５が形成された筐体１２０が設けられている。高圧放電ランプ１００は、点灯回路１００に電気的に接続されており、本実施形態では、点灯回路１００は筐体１２０内に配置されている。
【００２３】
高圧放電ランプ１００は、管内に発光物質が封入された発光管１と、発光管１から延びた封止部２とを有しており、少なくとも紫外域のスペクトルを有する光を発光する。本実施形態の高圧放電ランプ１００は、高圧水銀ランプであり、紫外域のスペクトル（例えば、３６５ｎｍ（ｉ線）など）の他、可視域のスペクトル（例えば、４０５ｎｍ（ｈ線）、４３６ｎｍ（ｇ線）など）も発光する。
【００２４】
図２に、本実施形態の高圧放電ランプ１００の構成を示す。ランプ１００の発光管１は、実質的に石英ガラスから構成されており、発光管１の両端からは、同じく石英ガラスから構成された封止部２が延在している。封止部２内には、金属箔（モリブデン箔）４が配置されており、金属箔４は、発光管１内に対向して配置されている電極の一端に接続されている。また、金属箔４には外部リード５が接続されている。一方の封止部２の端部には口金７が取り付けられている。一対の電極３の間の距離は、２．５ｍｍ以下であり、例えば、０．６〜２．５ｍｍ（好ましくは、０．８〜２．０ｍｍ）である。また、本実施形態の高圧放電ランプ１００は、交流点灯型のランプである。
【００２５】
ランプ１００と組み合わされる反射鏡５０は、凹面反射面を持つ反射部分５０ａと、反射部分５０ａと一体で構成された中空ネック部５０ｂとを有している。反射部分５０ａおよび中空ネック部分５０ｂは、いずれもガラスから構成されている。反射部分５０ａの肉厚は、例えば３ｍｍ以上である。反射鏡５０の出射方向側の開口部（広開口部）の大きさＤは、例えば３０ｍｍ以上であり、好ましくは４０ｍｍから２００ｍｍである。
【００２６】
反射鏡５０の中空ネック部５０ｂの開口部（狭開口部）に、ランプ１００の封止部２が挿入されて、ランプ１００は反射鏡５０に固定されている。ランプ１００は、例えばセメント５３によって中空ネック部５０ｂと隙間が生じないように固着されている。それゆえ、本実施形態の光照射装置５００では、ランプ交換する際に、反射鏡５０とランプ１００とを同時に交換可能することができる。
【００２７】
反射鏡５０は、コールドミラーであり、反射鏡５０の反射部分５０ｂの内面（反射面）には、赤外線を透過し、紫外線を反射する膜がコートされている。本実施形態の反射鏡５０は、楕円面の反射面を有する楕円面鏡であり、２つの焦点ｆ１，ｆ２を持ち、それぞれの焦点距離Ｆ１，Ｆ２は、図１中に表している。焦点距離Ｆ１は、例えば、３ｍｍ以上であり、好ましくは５ｍｍから３５ｍｍの間にあり、一方、焦点距離Ｆ２は、例えば、５０ｍｍ以上であり、好ましくは５０ｍｍから３００ｍｍの間にある。なお、焦点ｆ１，ｆ２および焦点距離Ｆ１，Ｆ２の関係は図３に示した。
【００２８】
高圧放電ランプ１００は、楕円反射鏡５０の２つの焦点ｆ１，ｆ２を通る光軸上にセットされており、そして、高圧放電ランプ１００の電極３，３間に形成されるアークが、２つの焦点のうち反射鏡５０に近い側の焦点ｆ１に位置するように配置されている。
【００２９】
上述したように高圧放電ランプ１００は、当該ランプ１００に電力を供給できる点灯回路１３０に電気的に接続されている。より詳細に述べると、次の通りである。高圧放電ランプ１００の一方の端子（外部リード５）は、外部リード引き出し線６１に電気的に接続され、外部リード引き出し線６１は、反射鏡５０に形成された貫通孔５８を通して、配線連結部材６２に電気的に接続される。もう一方の端子は口金９となっており、この口金９および配線連結部材６２に配線６０が電気的に接続されており、そして配線６０は点灯回路１３０に電気的に接続されている。各部材間の電気的な接続は、溶接やかしめによって行われる。
【００３０】
本実施形態の点灯回路１３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１３１を含んでおり、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１３１は、例えば、スイッチング素子とスイッチングトランスとダイオードとコンデンサとから構成されている。本実施形態の点灯回路１３０は、前記スイッチング素子のスイッチング周波数、またはスイッチのＯＮ／ＯＦＦ比、あるいは両方を変化させることによって、ランプ１００に供給する電力を、放電ランプ１００の定格電力の１００％から５０％の間で変化させることができる機能を有している。
【００３１】
さらに、本実施形態の点灯回路１３０は、インバータ回路１３２を、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１３１の出力端に備えている。インバータ回路１３２は、複数のスイッチング素子を有しており、このスイッチング素子によってスイッチング周波数を例えば６０Ｈｚから８００Ｈｚの間で可変することができる。
【００３２】
高圧放電ランプ１００の構成をより詳細に説明すると、ランプ１００は、封止部２を２つ備えたダブルエンド型のランプであり、発光管１は略球形をしており、外径が例えば５ｍｍ〜２０ｍｍ程度であり、ガラス厚は例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。また、発光管１内の放電空間の容積は例えば０．０１ｃｃ〜５ｃｃ（好ましくは、０．０５〜２ｃｃ）程度である。本実施形態では、外径１０ｍｍ程度、ガラス厚３ｍｍ程度、放電空間の容積０．０６ｃｃ程度の発光管１を用いている。封止部２は、シュリンク手法によって作製されたシュリンク構造を有するものである。
【００３３】
上述したように、発光管１内には、発光種である水銀６が、例えば１５０ｍｇ／ｃｍ³よりも多く封入されている。水銀６の封入量は、好ましくは１９０ｍｇ／ｃｍ³から３５０ｍｇ／ｃｍ³である。また、発光管１内には、１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³以上のハロゲンが封入されている。ハロゲンは、好ましくは、１０^-6と１０^-1μｍｏｌ／ｍｍ³ の間の量の臭素が封入されている。ハロゲンは、ハロゲン単体の他、分解してハロゲンを生成するハロゲン前駆体の形態で封入しても良く、本実施形態では、ＣＨ₂Ｂｒ₂、ＨＢｒ、ＨｇＢｒ₂などの形態で発光管１内に導入している。そして、発光管１内には、５〜４０ｋＰａの希ガス（例えばＡｒ）も封入されており、本実施形態では、約２０ｋＰａのＡｒが封入されている。
【００３４】
次に、従来の紫外線照射装置においては、紫外線エネルギー効率を考慮して、水銀動作圧が高くても数十気圧程度まで高圧水銀ランプしか使用しなかったのに対し、本実施形態では、従来の紫外線エネルギー効率の考え方をあえて無視して、水銀封入量を１５０ｍｇ／ｃｃよりも多くしている理由について述べる。
【００３５】
本実施形態の高圧放電ランプ１００は、１５０気圧よりも高い圧力で動作させているにもかかわらず、反射鏡５０から反射され集光された光において、樹脂硬化や露光に使用される３６５ｎｍや４０５ｎｍ、４３６ｎｍの水銀輝線強度が、なんと従来のものよりも高くなる。この驚くべき事象は、本願発明者によって見出された。以下、さらに説明を続ける。
【００３６】
本願発明者は、図２に示した本実施形態の高圧水銀ランプ１００において、管壁負荷を８０Ｗ／ｃｍ²とし、水銀封入量を９０ｍｇ／ｃｍ³、１２０ｍｇ／ｃｍ³、１５０ｍｇ／ｃｍ³、１９０ｍｇ／ｃｍ³と変化させて、動作圧力を９０気圧、１２０気圧、１５０気圧、１９０気圧と変化させたときの、ランプから放射される３６５ｎｍや、４０５ｎｍ、４３６ｎｍの水銀輝線強度を測定した。その結果を図４に示す。
【００３７】
図４中のグラフの縦軸は、従来ランプの強度を１００％としたものでり、図４では、相対値でもって結果をプロットしている。図４中のグラフの横軸は、ランプの動作圧（気圧）を表す。この場合、反射鏡５０が無し状態で積分球を使用して光強度の測定を実施した。確かに、従来から言われているように、水銀蒸気圧を高くすればするほど、３６５ｎｍや、４０５ｎｍ、４３６ｎｍの水銀輝線強度は低下し、水銀蒸気圧の増加は樹脂硬化や露光によって不利な振る舞いを見せる。
【００３８】
しかしながら、同じランプを反射鏡５０に組み込み、反射鏡５０からの収束光を積分球に導いて光り強度を測定すると、驚くべきことに、露光に有利な４０５ｎｍや４３６ｎｍの輝線強度は、図５に示すように、従来ランプのよりも高くなった。
【００３９】
図５は、高圧水銀電ランプ（１００）を反射鏡５０に組み込んで、水銀封入量を９０ｍｇ／ｃｍ³、１２０ｍｇ／ｃｍ³、１５０ｍｇ／ｃｍ³、１９０ｍｇ／ｃｍ³と変化させて、動作圧力を９０気圧、１２０気圧、１５０気圧、１９０気圧と変化させたときの、反射鏡５０からの収束光の３６５ｎｍや、４０５ｎｍ、４３６ｎｍの水銀輝線強度を測定した結果を示すグラフである。参考のために、波長範囲３５５ｎｍから３７５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３４５ｎｍから３８５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３３５ｎｍから３９５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３００ｎｍから４００ｎｍの放射エネルギーもそれぞれ求めて結果をプロットしている。図４に示したグラフと同様に、図５中のグラフの縦軸は、従来ランプの強度を１００％としたものでり、図５でも、相対値でもって結果をプロットしている。図５中のグラフの横軸は、ランプの動作圧（気圧）を表す。
【００４０】
図５に示すように、露光に有利な４０５ｎｍ、４３６ｎｍの強度は９０気圧の動作時で、既に従来の１．５倍以上であり、非常に高い値が得られる。蒸気圧とともに、それらの強度は低下傾向を示すが、驚くべきことに、１５０気圧よりも高い蒸気圧範囲では圧力とともに増加に転じる。樹脂硬化に有利な３６５ｎｍ輝線強度は動作圧９０気圧から１５０気圧までは一定で、動作圧が１５０気圧よりも高くなると圧力とともに増加し、約２５０気圧以上で従来ランプをしのぐ強度が得られる。
【００４１】
一方で、３６５ｎｍを含んでわずかに波長選択範囲を広げると、例えば、３５５ｎｍから３７５の範囲の放射エネルギーは９０気圧の動作時で既に従来の１．２倍以上であり、非常に高い値が得られる。したがって、樹脂硬化においても９０気圧の動作圧であっても、従来と同等以上の性能を示すものと考えられる。その３５５ｎｍから３７５ｎｍの範囲の放射エネルギーは蒸気圧とともに、それらの強度は低下傾向を示すが、ここでも驚くべきことに、露光に有利な４０５ｎｍ、４３６ｎｍの輝線強度の振る舞いと同様に、１５０気圧よりも高い蒸気圧範囲では、圧力とともに増加に転じる。樹脂硬化に有利なその他の波長範囲である、波長範囲３４５ｎｍから３８５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３３５ｎｍから３９５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３００ｎｍから４００ｎｍの放射エネルギーにおいては、９０気圧の動作時でも、既に従来の１．２倍から１．８倍のエネルギーを示し、非常に高い値が得られる。それらは蒸気圧とともに、低下傾向を示すが、露光に有利な４０５ｎｍ、４３６ｎｍの輝線強度の振る舞いと同様に、１５０気圧よりも高い蒸気圧範囲では圧力とともに増加に転じる。
【００４２】
以上のように、反射鏡５０と組み合わされる高圧放電ランプ１００の水銀封入量を、従来の動作圧が数十気圧となるレベルの水銀封入量よりも多い、９０ｍｇ／ｃｍ³とし、好ましくは水銀封入量を１５０ｍｇ／ｃｍ³よりも多くし、その動作圧を９０気圧以上、好ましくは１５０気圧よりも高くすることで、樹脂硬化や露光に有利な放射を、従来よりもはるかに高い効率で得ることができる。
【００４３】
この高い効率によって、水銀蒸気圧の増加とともに増える赤外線による被照射物の熱の問題も実質的に解消することができる。よく知られているように、水銀蒸気圧が増加すると、可視発光とともに長波長の赤外発光も増加する。しかし、ここでは、当該高い効率によって、従来と同じ紫外線量を得るに必要なランプ電力が低減され、それゆえ、ランプから放射される赤外線の絶対量が低減される。しがたって、水銀蒸気圧の増加とともに増える赤外線による被照射物の熱の問題も実質的に解消できるのである。
【００４４】
なお、水銀封入量を１５０ｍｇ／ｃｍ³よりも多くし、その動作圧を１５０気圧よりも高くする有利な点は、放射効率がよいばかりでなく、非常に長い寿命が得られるという点である。本実施形態の光照射装置に用いる高圧放電ランプ１００では、いわゆるハロゲンサイクルによる黒化防止のために、臭素が封入されているが、いくつかの試験によって、１５０気圧以下の動作圧ではハロゲンサイクルが正常に働かないことがある。この理由は、水銀封入量が１５０ｍｇ／ｃｍ³以下では、水銀と結合せずに、ハロゲンサイクルに寄与するハロゲンが過剰となって、定温度域の電極３、具体的には、電極３のうち封止部２に近い部分が、激しくハロゲンに侵食され、その結果、その近くの発光管１が黒くなったり、電極が折れてしまう可能性があるからである。
【００４５】
また、水銀封入量の低下は、発光管１内で起きる対流が弱くなるので、発光管１の温度の過度の低下を招く。このため、水銀封入量９０ｍｇ／ｃｍ³では温度が低くなった発光管１の上部にもタングステン輸送がおき、初期に黒くなる現象が見られた。寿命の観点から述べると、水銀封入量を１５０ｍｇ／ｃｍ³よりも多くし、その動作圧を１５０気圧よりも高くすることで、なんと５０００時間から１００００時間の点灯においても、ランプは黒くならず、点灯し続けることが可能となる。従来の紫外線照射装置用ランプの寿命では、点灯時間２０００時間で長寿命をうたっているのと比較すれば、この非常に長い寿命は、顕著な効果である。
【００４６】
なお、水銀封入量の上限を熱的な観点から規定するとすれば、例えば水銀封入量３５０ｍｇ／ｃｍ³、動作圧３５０気圧である。この値を超えると、赤外放射量が猛烈な勢いで増加すると思われるので、それにより、被照射物に熱的ダメージを与えてしまうおそれがある。
【００４７】
管壁負荷を８０Ｗ／ｃｍ²以上に増加させると、反射鏡５０からの収束光の３６５ｎｍや４０５ｎｍ、４３６ｎｍの水銀輝線強度、さらには、波長範囲３６５ｎｍから３７５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３４５ｎｍから３８５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３３５ｎｍから３９５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３００ｎｍから４００ｎｍの放射エネルギーは従来ランプよりも更に増加する。例えば、下記表１に示すように、管壁負荷を８０Ｗ／ｃｍ²から１４０Ｗ／ｃｍ²に増加させると、反射鏡５０からの収束光の３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、４３６ｎｍの水銀輝線強度、さらには、波長範囲３６５ｎｍから３７５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３４５ｎｍから３８５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３３５ｎｍから３９５ｎｍの放射エネルギー、波長範囲３００ｎｍから４００ｎｍの放射エネルギーは、比較例（従来ランプ）と比較して、それぞれ、１．１倍、３．４倍、２．４倍、２．６倍、３．５倍、４．１倍となり、この条件では、もはや、比較例（従来ランプ）のを下回る強度のものはなく、それら全てが従来ランプをはるかにしのぐ、高い放射が得られる。
【００４８】
【表１】

【００４９】
管壁負荷を８０Ｗ／ｃｍ²よりも小さくすると、ランプの温度が低くなりすぎて、水銀の一部が凝縮して蒸発せず、動作圧が低下してしまい、結果として従来ランプと比べると、反射光５０からの収束光３６５ｎｍや４０５ｎｍ、４３６ｎｍの強度が低下して不利になる。逆に管壁負荷は高ければ高いほど放射に有利である。これは、発光管での光のロス（例えば、石英ガラスや封入された水銀蒸気および／またはハロゲンの吸収による短波長の光のロス）が小さくなり、さらには小さな発光管が放電アークの収縮をもたらして輝度を上げるためかもしれない。しかしながら、石英ガラスの耐熱性の制限から、実用的な寿命５０００時間から、１０００時間を得るには、３００Ｗ／ｃｍ²を上限とするのが好ましい。ただし、冷却を施したり、ランプの交換サイクルを短くするような使用が可能ならこの限りでない。
【００５０】
本実施形態の構成において、発光管１内で電極３の先端は、その先端間距離、つまり電極間距離が約０．６ｍｍから２．５ｍｍの間で、好ましくは０．８ｍｍから２．０ｍｍになるように配置されている理由を次に述べる。それは、０．６ｍｍよりも短い電極間距離では電極３の温度が高くなり、その電極の熱放射光（白熱電球と同様に、長波長成分が豊富）が反射鏡５０からの収束光に加わり、被照射物の温度を過度に上昇させてしまう可能性があるからである。また、２．５ｍｍよりも長くなると、高い動作圧に起因する対流による放電アークの不安定さが増し、ちらつきが生じやすくなるとともに、アークの温度が低下し、あたかも実質的に低い水銀蒸気圧のランプのように４０５ｎｍや４３６ｎｍの輝線強度が低くなる傾向を示すからである。好ましい０．８ｍｍから２．０ｍｍの範囲では、上記のような不都合がないのに加え、ハロゲンサイクルによって蒸発したタングステンが電流先端に戻され、非常にとがった先端形状となり、細いアークを形成せしめて、反射鏡５０による光の収束に有利に働く。
【００５１】
発光管１の内容積は約０．０１ｃｍ³から５ｃｍ³の間にあり、好ましくは、０．０５ｃｍ³から２ｃｍ³ である理由を次に述べる。０．０１ｃｍ³よりも小さければ、石英ガラスの熱的な制限によって、実質的に入力できる電力は３０Ｗ程度に制限され、絶対的に大きな出力がとれないからである。一方、５ｃｍ³よりも大きくすると、その大きな寸法がもはや点灯中の水銀蒸気の対流にまで影響を及ぼすようになり、例えば発光管１の最高温度部と最低温度部との差をますます大きくして、アークの不安定さを増す。好ましい０．０５ｃｍ³から２ｃｍ³の範囲では、上記のような不都合がないのに加え、点灯を開始してから水銀が全て蒸発し、所定の定格光出力を得るまでの時間が、車のヘッドライト用の高圧放電ランプの点灯開始のように、数分もしくは１，２分程度と非常にスムーズに光出力が立ち上がる。このことは、定格電流よりも過度の電流が流れる期間が短いことを意味し、したがって、始動電流による電極ダメージが低く抑えられ、寿命に有利に働く。
【００５２】
発光管１に封入しているハロゲンの量が１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³以上、好ましくは１０^-6と１０^-1μｍｏｌ／ｍｍ³の間にある理由を次に述べる。それは、１０^-6μｍｏｌ／ｍｍ³以上のハロゲンは、蒸発したタングステンが電極先端に戻され、非常にとがった電極先端形状をもたらし、その結果、細いアークを形成せしめて、反射鏡５０による光の収束に有利に働くからである。なお、ハロゲンが１０^-1μｍｏｌ／ｍｍ³よりも多くなると、先端形状の変形が激しくアークの位置が一定に定まらず不安定となる。先端形状の鋭角化に関しては、ハロゲンの種類は臭素の他に、ヨウ素や塩素も選択可能である。しかし、ヨウ素は始動電圧が高くなる傾向があり、また塩素はグロー放電電圧を高くするので、アーク放電への移行がヨウ素や臭素と比べて困難となるので臭素が好適である。
【００５３】
また、反射鏡５０は光軸を有する凹状反射面を持つ反射部分５０ａと、反射部分５０ａと一体で光軸を包んでいる中空ネック部５０ｂとを備え、いずれもガラスから構成されているが、少なくとも反射部分５０ａの肉厚は３ｍｍ以上とするのが好ましい。従来よりも高い水銀蒸気圧は、樹脂効果や露光に有利な波長の光量を増すが、同時に、赤外成分の発光も増加する。本実施形態のように当該肉厚を３ｍｍ以上にすれば、従来よりも増加した赤外線を吸収することができ、その結果、反射鏡５０から周囲に漏れ出る赤外線を従来ランプレベルに抑制することが可能となる。このことは、装置の加熱を防止し、機器の小型化に有利に働く。さらに、中空ネック部５０ｂは、放電ランプの光の影響をほとんど受けないので、赤外線を吸収した反射部分５０ａのラジエターの働きをし、効果的に、反射鏡５０全体の温度低下に寄与する。
【００５４】
なお、反射鏡５０の開口部（広開口部）を、紫外線を透過するガラス、例えば石英ガラスで塞げば、放電ランプ１００の温度をより安定に一定に保つことができ、その結果、水銀蒸気圧の変化を抑え、光出力の安定に有利に働く。また、そのガラスが従来よりも増加した赤外線の一部を吸収し、被照射物の温度上方を効果的に抑制することもでき、有利である。
【００５５】
本実施形態の楕円反射鏡５０の焦点距離Ｆ１が３ｍｍ以上で、好ましくは５ｍｍから３５ｍｍの間にある理由を述べると、まず、３ｍ未満ではランプ１００が中空ネック部５０ｂに近すぎて、その部分の温度を上昇させ、上述のラジエター効果を抑制するばかりでなく、熱的負担の増加によってネック部５０ｂのわれを生じる危険性が増すからである。５ｍｍから３５ｍｍの範囲が好ましい理由は、上述のような不都合がないことに加えて、中空ネック部５０ｂ側に位置する放電ランプ１００の封止部２が過度に長くなりすぎず、したがって、放電ランプ１００の温度を適切に高め、蒸気圧の低下を抑制することができるからである。
【００５６】
また、焦点距離Ｆ２が５０ｍｍ以上で、好ましくは５０ｍｍから３００ｍｍの間にある理由を述べると、まず、５０ｍｍ以下だと反射鏡５０からの収束光が放電ランプ１００の封止部２に遮られるおそれがあるからである。そして、３００ｍｍを超えると、収束位置において反射鏡５０からの光が収束する範囲が広がり、シャープな光強度分布が得られず、例えば、収束付近に光ファイバの入射端を設け、光ファイバによって光を通じて光を照射するような場合、光ファイバへの入射効率が悪く、結果として、光利用効率を低下させてしまうからである。ただし、それを補正するレンズなどを用いる場合は、焦点距離Ｆ２は３００ｍｍよりも長くしてもよく、その意味で、楕円反射鏡の代わりに、放物面反射鏡を用い、それと集光レンズ系を組み合わせるような構成にしてもよい。
【００５７】
なお、本実施形態の光照射装置では、高圧放電ランプ１００が光軸上にあるような状態で封止部２が中空ネック部５０ｂに挿入され、中空ネック部５０ｂと隙間がないように、例えば無機系接着剤（セメントなど）で固着されおり、それゆえ、ランプ交換は、反射鏡５０と高圧放電ランプ１００とを同時に交換可能となっている。このことは、従来のランプのみを交換する方式（例えば、特許文献１参照）と比べて、反射部分５０ａの反射面にコートされている膜（紫外線反射・赤外線透過膜）が、長い時間、放電ランプ１００の強い光や熱に曝されることで劣化し、光出力特性に変化を及ぼす可能性を無くするとともに、ランプの位置を再度調整し配置する煩雑な手間や、あるいは配置ミスの可能性を実質的に完全になすくことができることを意味する。
【００５８】
なお、本実施形態の構成では、高圧放電ランプ１００が光軸上にあるような状態で封止部２が中空ネック部５０ｂに挿入され、中空ネック部５０ｂと隙間がないように固着させた例を示したが、反射鏡５０の温度をコントロールするための間隙が中空ネック部５０ｂと封止部２との間にあってもよい。また、中空ネック部５０ｂと封止部２とをセメントによって直接固着するのはなく、スペーサを介して両者を固着するようにしてもよい。また、中空ネック部５０ｂの中空部は、反射部分５０ａに向かって円錐状に、孔が小さくなる形が光景である。この方が反射部分５０ａの反射面を大きくとれ、それゆえ、収束する光の量が増える。
【００５９】
また、上述したことと重複する部分もあるが、特許文献１等の従来技術は、本実施形態の構成と比較して、点灯中の水銀蒸気圧が数十気圧程度と低いので、次のような問題が発生し得る。ただし、この問題は、従来においては、常識的な条件での使用であったため、問題とはされていなかったものである。
【００６０】
点灯中の水銀蒸気圧が数十気圧程度と低いことにより、点灯中のランプ動作電圧が低く、ランプ電流が大きいため、電極の熱負担が大きく、それゆえ、寿命が短い。さらに、低い蒸気圧のために特に波長３００ｎｍ以下の水銀発光が強力で、被照射物や照射装置自身が、この紫外線によりダメージを受けていた。さらに、ランプだけを交換するために、長期の使用により反射鏡の特性（分光反射率、強度など）が劣化し、その反射鏡の劣化により出力が変化したり、反射鏡が破損し得るという問題もあった。
【００６１】
さらに、特許文献２に開示された技術のように、紫外線放射を増すためにアルゴンを高圧で封入するには、ランプの製造工程において液体窒素にてランプを冷却しアルゴンガス（沸点−１８６℃）を発光管内にトラップする必要がある。アルゴンガスと沸点が近い液体窒素（沸点−１９６℃）にてランプを冷却する場合、管壁負荷が１０〜３０Ｗ／ｃｍ²といった寸法の大きな発光管しか製造できなかったり、あるいは小型のランプを作製する場合は、非常に高価な液体ヘリウムを使用したりする必要があり、それが問題となる。さらに、高圧のアルゴンガスはランプの始動を非常に困難にし、そのため高い始動電圧を印加する必要があるために、装置の大型化を招いたり、あるいは、高い始動電圧がランプの電極にダメージを与え、寿命を短くするという問題も生じる。
【００６２】
特許文献１、２を含む従来技術でもそうであるが、紫外光照射装置用のランプは、直流型の高圧放電ランプ（ＤＣランプ）が用いられるのが一般的である。これに対し、交流型の高圧放電ランプを用いた場合、陰極輝点（この近傍では、高温のため紫外光がより多く発せされる）が２つ出来るので、光ファイバ等への紫外光がより多く収束（集光）されるという利点もある。なお、上述した水銀封入量が１５０ｍｇ／ｃｍ³を超える高圧放電ランプによってもたらされる効果は、直流型ランプ、交流型ランプに限定されず、得られるものであるので、本実施形態の光照射装置は、交流型ランプ、直流型ランプともに利用可能である。
【００６３】
本発明の実施形態に係る光照射装置および光照射方法は、少なくとも紫外線を含む光を照射する用途に適用できる。例えば、上述した紫外線硬化性樹脂の硬化や、半導体基板・液晶基板の露光の用途に利用することができる。より具体的な用途としては、キュアリング、ＵＶ接着、ウエハ露光、ウエハ周辺露光、液晶露光、プリント基板露光、ＴＡＢ露光などに用いることができる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の光照射装置によれば、１５０ｍｇ／ｃｍ³を超える水銀、ハロゲンおよび希ガスが発光管に封入され、管壁負荷が８０Ｗ／ｃｍ²以上である高圧放電ランプと反射鏡とを備えているので、従来よりも紫外放射エネルギー効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る光照射装置５００の構成を示す模式図
【図２】本発明の実施形態に係る高圧放電ランプ１００の構成を示す模式図
【図３】焦点ｆ１，ｆ２および焦点距離Ｆ１，Ｆ２の関係を説明するための図
【図４】水銀動作圧力を変化させたときの、ランプから放射される各種水銀輝線強度についてのグラフ
【図５】ランプを反射鏡に組み込んだ場合における、水銀動作圧力を変化させたときの、ランプから放射される各種水銀輝線強度についてのグラフ
【図６】従来の紫外線照射装置の構成を示す図
【符号の説明】
１発光管
２封止部（側管部）
３電極（電極棒）
４金属箔
５外部リード
６発光種（水銀）
７口金
５０反射鏡
５０ａ反射部分
５０ｂ中空ネック部
１００高圧放電ランプ（高圧水銀ランプ）
１２０筐体
１２５窓
１３０点灯装置
１３１ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
１３２インバータ回路
５００光照射装置（紫外線照射装置）

Claims

管内に発光物質が封入された発光管と、前記発光管から延びた封止部とを有する高圧放電ランプと、
前記高圧放電ランプから発せられる光を反射する反射鏡と
を備え、
前記高圧放電ランプから発せられる前記光は、少なくとも紫外域のスペクトルを有し、
前記発光管には、前記発光管の容積を基準にして、１５０ｍｇ／ｃｍ³を超える水銀、ハロゲンおよび希ガスが封入されており、
前記ランプの管壁負荷は、８０Ｗ／ｃｍ²以上である、光照射装置。
前記光照射装置は、少なくとも紫外線を照射する紫外線照射装置であり、
前記反射鏡は、コールドミラーであり、
前記水銀の封入量は、前記発光管の容積を基準にして、１９０ｍｇ／ｃｍ³以上である、請求項１に記載の光照射装置。
前記発光管内には、一対の電極が対向して配置されており、
前記電極は、前記封止部内に配置された金属箔に電気的に接続されており、
前記一対の電極の間の距離は、２．５ｍｍ以下である、請求項２に記載の光照射装置。
前記反射鏡は、前記高圧放電ランプの前記封止部が挿入される開口部が形成された中空ネック部を有し、
前記高圧放電ランプは、前記中空ネック部に挿入されて前記反射鏡に固定されており、
前記反射鏡は、楕円面の反射面を有する楕円面鏡であり、
前記光照射装置は、前記反射鏡を取り囲み、前記反射鏡からの光を通過させる窓が形成された筐体をさらに備えており、
前記筐体内には、前記高圧放電ランプに電気的に接続された点灯回路が配置されている、請求項１から３の何れか一つに記載の光照射装置。
前記筐体の窓の周囲には、光ファイバが配置されている、請求項４に記載の光照射装置。
前記高圧放電ランプは、交流点灯型のランプである、請求項１から５の何れか一つに記載の光照射装置。