JP2011034824A - ショートアーク型放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ランプ電力を増やすことにより電極間に形成されるアークが径方向に広がった場合において、陽極の消耗を抑制して放電ランプの寿命を延長することができるショートアーク型放電ランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 発光管の内部に対向して配置された陽極および陰極を備え、前記陽極の前記陰極に対向する先端部は、陽極中心軸上に形成された凹部と、前記凹部の周囲を包囲する平坦面とを有し、前記陽極と前記陰極とに電圧を印加したときに形成されるアークが、前記陽極に形成された凹部を超えて前記平坦面上に広がるショートアーク型放電ランプであって、前記陽極は、前記凹部および前記平坦面の間にＲ部が介在しており、前記凹部、Ｒ部および平坦面は滑らかに連続することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

紫外線を半導体基板に向けて照射することによって微細な回路パターンを形成する露光装置用の光源として使用されるショートアーク型放電ランプに関する。

従来のショートアーク型の放電ランプは、中央部が膨出した石英ガラス製の発光管と、この発光管の膨出部の内部に対向して配置された陽極および陰極等を備えて構成されるものが知られている。この放電ランプに通電すると、発光管の内部に封入した水銀等がプラズマ状態になり、陰極から放出された電子が陽極に流通して両極間にアークが発生し、放電ランプが点灯するようになっている。

放電ランプを点灯すると、陽極は、陰極から放出された電子の衝突によって加熱されて高温になり、蒸発、消耗する。さらに、電子の衝突によって陽極が消耗すると、陽極から蒸発したタングステンが発光管の内壁に付着して内壁面を黒化させる。そして、放電ランプを長時間使用すると、陽極の先端部の消耗が進行すると共に、放電ランプの放射強度が順次低下し、この放射強度の低下が使用限度を超えた場合は、放電ランプを新品のものに交換する必要があった。

そこで、陽極が放電ランプの点灯時に温度上昇することを抑制することにより、陽極の消耗と発光管の内壁面の黒化の進行を遅らせる対策が従来より様々に検討されている。
特許文献１は、図６に示すように、陰極２に対向する先端部に凹部３０を設けた陽極３を開示する。この陽極構造によれば、陰極２から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さが近づき、陽極表面の電流密度分布が分散するため、陽極３の消耗が低減し放電ランプの寿命が伸びる、とされている。

特許第３１３６５１１号

しかしながら、近年の露光装置においては、スループットを向上させるため露光面における放射照度が高いことが要求されており、この要求に対応するために放電ランプに供給する電力が増加している。本発明者は、露光装置用の光源として知られる従来の放電ランプについて鋭意検討した結果、電極間に形成されるアークの半径と放電ランプに供給する電力との間に一定の関係が成立し、放電ランプに供給する電力（以下、ランプ電力ともいう）が増えるとアークの半径が大きくなることを見出した。このアークの半径とランプ電力との間に成立する関係については後述する。このように、露光装置用の光源に使用される放電ランプは、ランプ電力が増えたときにアークの半径が径方向に広がるものであった。

そして、上記した陽極構造を備える従来の放電ランプは、ランプ電力を増やした場合において、アークが陽極３に設けられた凹部３０を超えて凹部３０の周囲へと広がるため、陽極３の消耗を十分に抑制することができなかった。即ち、アークが陽極３に設けられた凹部３０を超えて径方向に広がった場合は、凹部３０の周端縁３０Ａに電界が集中し、凹部３０の周端縁３０Ａにおいて温度が局所的に上昇するため、陽極３の消耗を抑制することができないと考えられる。
しかしながら、特許文献１は、電極間に形成されるアークが陽極に設けられた凹部を超えて凹部の周囲に広がった場合について何ら検討していない。

本発明は、上記の問題に鑑み、ランプ電力を増やすことにより電極間に形成されるアークが径方向に広がった場合において、陽極の消耗を抑制して放電ランプの寿命を延長することができるショートアーク型放電ランプを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、発光管の内部に対向して配置された陽極および陰極を備え、前記陽極の前記陰極に対向する先端部は、陽極中心軸上に形成された凹部と、前記凹部の周囲を包囲する平坦面とを有し、前記陽極と前記陰極とに電圧を印加したときに形成されるアークが、前記陽極に形成された凹部を超えて前記平坦面上に広がるショートアーク型放電ランプであって、
前記陽極は、前記凹部および前記平坦面の間にＲ部が介在しており、前記凹部、Ｒ部および平坦面は滑らかに連続することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のショートアーク型放電ランプにおいて、前記陽極と前記陰極とに電圧を印加したときに形成されるアークの半径をＤＡ、前記凹部の直径をＤＲとしたときに、０．４７≦ＤＲ／２ＤＡ≦０．８１の関係を満たすことを特徴とする。

本発明のショートアーク型放電ランプは、電極間に形成されるアークが凹部を超えて平坦面上に広がったとしても、陽極に設けられた凹部および平坦面の間にＲ部が介在しており、前記凹部、Ｒ部および平坦面は滑らかに連続するため、陽極において電界が集中する箇所がなく、陽極の温度が局所的に上昇することがない。
したがって、本発明のショートアーク型放電ランプは、電極間に形成されるアークが陽極に形成された凹部を超えて凹部の周囲の平坦面上に広がるものでありながら、陽極の消耗を確実に抑制することができ、ランプ寿命を延長することができる。

本発明のショートアーク型放電ランプの構成の概略を示す断面図である。 図１に示すショートアーク型放電ランプにおける陽極の部分拡大図である。 アークの半径とランプ電力との関係を示すグラフである。 図１に示すショートアーク型放電ランプの陽極および陰極の間に形成されるアークを示す概念図である。 陽極先端の電界強度のシュミレーション結果を示すグラフである。 従来のショートアーク型放電ランプが備える陽極構造を陰極と共に示す断面図である。

図１は、本発明のショートアーク型放電ランプの構成の概略を示す断面図である。以下ではショートアーク型放電ランプを単にランプと略す。
ランプ１０は、略球状に形成された発光部１１と発光部１１の両端のそれぞれに連続する直管状の封止部１２Ａおよび１２Ｂとで構成される発光管１を備えている。発光管１は、例えば石英ガラスによって一体的に形成されている。封止部１２Ａおよび１２Ｂには、それぞれ円筒形状を有する給電用の口金１３Ａおよび１３Ｂが装着されている。
発光管１の内部に形成された放電空間Ｓには、陰極２と陽極３とが、陽極中心軸Ｘ上において互いに対向して配置されると共に発光物質が封入されている。
発光物質は、室温で０．１気圧以上のキセノンガス若しくはアルゴンガス若しくはクリプトンガスと、１ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入されている。なお、発光物質として、これらの希ガスおよび水銀のうち、いずれか一方のみが封入されていても良い。
このショートアーク型放電ランプは、陽極３又は陰極２を上にして垂直な姿勢で点灯させるものであり、陰極２および陽極３に電圧を印加したときにアークＡ（図４参照）が形成され、アークＡから波長３６５ｎｍの紫外光が放射される。ランプ電力は２ｋＷ（キロワット）以上である。

陰極２は、封止部１２Ａに保持されると共に放電空間Ｓに臨出する円柱状の胴部２Ａと、胴部２Ａの先端に続いて先端に向かうに従って次第に外径が細くなる円錐状に形成された先端部２Ｂとが、例えばタングステンによって一体的に形成されている。

陽極３は、円柱状の胴部３Ｂと、胴部３Ｂの先端側と基端側のそれぞれに続いて形成される円錐台部３Ａおよび３Ｃとが、例えばタングステンによって一体的に形成されている。基端側の円錐台部３Ｃには、胴部３Ｂよりも小径のロッド状のリード部（不図示）が一体的に続いており、リード部が封止部１２Ｂに保持されている。

図２は、図１に示すＡ部を拡大して示す拡大断面図である。
陽極３の円錐台部３Ａは、図２に示すように、陽極中心軸Ｘ上に球面状の凹部３０が形成されている。凹部３０を設けることにより、陰極２から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さが近づくようになり、陽極中央部に集中していた電界を平均化し、中央部の温度が低下するので、陽極の消耗を抑制することができる。凹部３０の直径ＤＲはアーク直径未満であり、凹部３０の円弧の角度θは２０〜９０°である。凹部３０の周囲には、凹部３０を包囲するように環状の平坦面３２が形成されている。
凹部３０の端部には、陽極中心軸Ｘを含む断面において、陽極中心軸Ｘに対して凸になるように環状のＲ部３１が形成されている。これにより、球面状の凹部３０および平坦面３２の間に環状のＲ部３１が介在する。Ｒ部３１の直径は凹部３０の直径ＤＲの０．５〜２倍である。

図２に示すように、凹部３０およびＲ部３１は、陽極中心軸Ｘを含む断面において、凹部３０およびＲ部３１のそれぞれに対する接線Ｔ１の傾きが、凹部３０とＲ部３１の境界部Ｋで同じになるように構成されている。即ち、凹部３０およびＲ部３１は、各々の境界部Ｋを通過する直線Ｔ１が凹部３０およびＲ部３１のそれぞれに対して外接するように構成されている。また、図２に示すように、平坦面３２およびＲ部３１は、陽極中心軸を含む断面において、平坦面３２から陽極中心軸Ｘに向けて延在した仮想線Ｔ２がＲ部３１に対して外接するように構成されている。
このように、凹部３０、Ｒ部３１および平坦面３２は、突起や角部といった電界が局所的に集中し易い箇所を有することなく滑らかに連続している。そのため、陽極３の陰極２から放出される電子を受け止める場所は、局所的に電界が集中しない構成とされている。

陽極３に設けられた凹部３０の直径ＤＲは、図２に示すように、平坦面３２から陽極中心軸Ｘに向けて延在する仮想線Ｔ２と球面状の凹部３０を延在した仮想線Ｔ３との交点Ｐ１およびＰ２を結ぶ線分の長さである。
陽極３に設けられた凹部３０の直径ＤＲは、後述するように、アーク直径２ＤＡの０．４７〜０．８１の範囲であることが好ましい。凹部３０の直径ＤＲが大きすぎると、ランプの初期照度が低下する割合が大きくなるためである。凹部３０の直径ＤＲが小さすぎると、陰極２から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけることができなくなるためである。

図３は、陰極および陽極の間に形成されるアークの半径とランプ電力との関係を示すグラフである。
アーク半径ＤＡは陽極先端付近の輝度分布より求める。これは輝度分布がほぼ電子の量と比例していると考えられるからである。この輝度分布はほぼ正規分布で近似できる。アーク半径は、この近似した正規分布の２σの値とした。
同図は、縦軸がアーク半径ＤＡ（ｍｍ）、横軸がランプ電力Ｐ（ｋＷ）である。同図は、表１に示すように互いに異なる水銀量、電極間距離を有する５つのランプＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５をそれぞれ表１に示すランプ電力Ｐで点灯させ、各ランプについて測定したアーク半径ＤＡの数値をプロットした。表１は、図３に示すグラフを作成するにあたり使用したランプの水銀量、電極間距離、ランプ電力Ｐ、アーク半径ＤＡの一例を示す。

図３に示す５つのプロットを結んで作成した曲線で表されるように、アーク半径ＤＡとランプ電力Ｐは、ランプ電力Ｐが表１に示すように２ｋＷ（キロワット）以上である場合において、以下の関係式１に示す関係が成立する。
（関係式１） ＤＡ＝１．０＋１．８（Ｐ−１．６）^０．５
関係式1に示すように、アーク半径ＤＡはランプ電力Ｐが増えるに従って径方向に広がる。

前述したように、露光装置用の光源として使用されるランプは、高照度化の要請によりランプ電力を従来よりも増やす必要があるため、アーク半径ＤＡがランプ電力Ｐに比例して陽極中心軸Ｘを中心として径方向に広がることになる。また、凹部３０の直径ＤＲを必要以上に大きくすることは、上記したように初期照度が低下するために好ましくない。
したがって、ランプ点灯時に陰極２および陽極３の間に形成されたアークＡは、図４に示すように、アーク直径２ＤＡが凹部３０の直径ＤＲよりも大きくなり、凹部３０を超えて平坦面３２上に広がることになる。

然るに、本発明のランプは、アークが陽極３の先端において凹部３０を超えて径方向に広がって形成された場合でも、陽極３を構成する凹部３０、Ｒ部３１および平坦面３２が、突起や角部といった電界が局所的に集中し易い箇所を有することなく滑らかに連続しているため、陽極表面において電界が局所的に集中することがない。
しかも、本発明のランプによれば、陽極３の陽極中心軸Ｘ上に設けられた凹部３０の曲面に沿って電界が平均化され、陰極２から放出される電子を受け止める陽極表面における電流密度を分散させることができる。
したがって、本発明のランプは、長時間に亘り陽極３の消耗を抑制することができ、ランプの寿命を延長することができる。

図５は、本発明のランプおよび従来のランプのそれぞれについて、陽極３の先端から陰極２側に１ｍｍ離れた場所の電界強度をシュミレーションした結果を示す。同図の実線が本発明のランプ、破線が従来のランプである。本発明のランプは図２に示す凹部およびＲ部を有する陽極を備え、従来のランプは図６に示す凹部のみを有する陽極を備える。同図は縦軸が電界強度の任意単位、横軸がＤＲ／２ＤＡを示す。
従来のランプは、同図に示すようにＤＲ／２ＤＡ＝０．４７の位置に電界強度の鋭いピークが観測された。ＤＲ／２ＤＡ＝０．４７は陽極に設けた凹部の直径ＤＲがアーク直径２ＤＡの約半分であり、換言すれば図４に示すようにアークＡが凹部３０を超えて径方向に広がったことを意味する。
図５に示すシュミレーションの結果から、従来のランプは、アークが凹部を超えて径方向に広がった場合に、凹部の周端部に電界が局所的に集中することが明らかとなった。従来のランプは、アークが凹部を超えて径方向に広がった場合に、陽極の消耗を十分に抑制することができないことが明らかである。

一方、本発明のランプは、ＤＲ／２ＤＡ＝０．４７の位置に電界強度の鋭いピークが観測されなかった。図５に示すシュミレーションの結果から、本発明のランプは、アークが凹部を超えて径方向に広がった場合であっても、陽極表面において電界強度が平均化されることが明らかとなった。本発明のランプは、アークが凹部を超えて径方向に広がった場合であっても、陽極の消耗を十分に抑制することができる。

以下に本発明の効果を確認するために行った実験およびその実験の結果について説明する。実験を行うにあたり、図２に示す陽極構造を有する本発明に係るランプＡ１〜Ａ５を作製した。ランプＡ１〜Ａ５は、以下に示すランプの基本構成を有するとともに、各陽極の仕様が互いに異なっている。
＜ランプＡ１〜Ａ５の基本構成＞
・電極間距離Ｌ ： ５ｍｍ
・水銀封入量 ： ３０ｍｇ／ｃｃ
・キセノンガス ： １気圧（常温）
・ランプ電力 ： ５ｋＷ（キロワット）
・アーク直径２ＤＡ ： ８．６ｍｍ
＜ランプＡ１〜Ａ５の陽極の仕様（図４参照）＞
・陽極３は凹部３０およびＲ部３１を有する
・凹部３０の深さＨ ： ０．４〜１．４ｍｍ
・凹部３０の直径ＤＲ ： ２〜７ｍｍ
・凹部３０を構成する円弧の半径ＤＣ ： １．５〜５．１ｍｍ
・凹部３０の円弧の角度θ ： ４４°
・Ｒ部３１の直径ＤＱ ： ４ｍｍ
・アーク直径２ＤＡ ： ８．６ｍｍ
・ＤＲ／２ＤＡ ： ０．２３〜０．８１
・凹部３０の体積 ： ０．７９〜２９ｍｍ^３

比較例として図６に示す陽極構造を有するランプＢ１〜Ｂ５を作製した。ランプＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５が備える陽極は、Ｒ部を有しないことを除けば、それぞれ、ランプＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５が備える陽極と同じ仕様を有している。
さらに、比較例として凹部を有しない陽極を有するランプＣ１も作製した。

ランプＡ１〜Ａ５およびランプＢ１〜Ｂ５並びにランプＣ１をそれぞれ５ｋＷ（キロワット）のランプ電力で連続点灯させた。各ランプから放射される波長３６５ｎｍの光の強度に基づき、各ランプについて、照度維持率が８５％になるまでの点灯時間とランプ点灯初期の照度である初期照度とを測定した。その結果を表２に示す。

表２に示すように、本発明のランプＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５は照度維持率が８５％になるまでの時間が、それぞれ３９０時間、４００時間、３９０時間、３４０時間、２５０時間であった。比較例のランプＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５は、照度維持率が８５％になるまでの時間が、それぞれ３７０時間、３１０時間、２５０時間、２２０時間、１８０時間であった。
比較例のランプＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５は、陽極がＲ部を有しないことを除くと、それぞれ本発明のランプＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５と同じ陽極の仕様を有するものでありながら、本発明のランプに比べてランプ寿命が短いことが確認された。
本発明のランプＡ１〜Ａ５は、陽極にＲ部を有することにより、陽極にＲ部を有しない比較例のランプＢ１〜Ｂ５に比べランプ寿命が長いことが確認された。なお、凹部を有しない陽極を備えるランプＣ１は、照度維持率が８５％になるまでの時間が１８０時間であり、本発明のランプＡ１〜Ａ５に比べてランプ寿命が格段に短いことが確認された。

また、本発明のランプＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５の初期照度は、比較例のランプＣ１の初期照度を１とした場合に、それぞれ０．９７、０．９８、０．９８、０．９９、１．００であることが確認された。
比較例のランプＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５の初期照度は、比較例のランプＣ１の初期照度を１とした場合に、それぞれ０．９７、０．９９、１．００、１．００、１．００であることが確認された。
表２に示す結果から、本発明のランプＡ１〜Ａ５の初期照度は、比較例のランプＢ１〜Ｂ５およびＣ１の初期照度と概ね同じであることが確認された。
さらに、表２に示す結果から、ランプＡ１〜Ａ５の初期照度は、概ね凹部の体積が小さくなるほど、高くなる傾向にあり、凹部を有しないランプＣ１の初期照度に近付くことが確認された。また、凹部の体積は、凹部の直径ＤＲの三乗に影響を受けるため、凹部の直径ＤＲが増減するに従って増減する。したがって、アーク直径２ＤＡに比べて凹部の直径ＤＲを小さくするほど、初期照度の低下を可及的に抑制することができる。

表２に示す結果から、本発明のランプＡ１〜Ａ５は、比較例のランプＢ１〜Ｂ５およびＣ１と同等の初期照度が得られるものでありながら、比較例のランプＢ１〜Ｂ５およびＣ１よりもランプ寿命が長いことが確認された。

１０ ランプ
１ 発光管
１１ 発光部
１２Ａ，１２Ｂ 封止部
１３Ａ，１３Ｂ 口金
２ 陰極
３ 陽極
３０ 凹部
３１ Ｒ部
３２ 平坦面
Ａ アーク

Claims (2)

1. 発光管の内部に対向して配置された陽極および陰極を備え、
   前記陽極の前記陰極に対向する先端部は、陽極中心軸上に形成された凹部と、前記凹部の周囲を包囲する平坦面とを有し、
   前記陽極と前記陰極とに電圧を印加したときに形成されるアークが、前記陽極に形成された凹部を超えて前記平坦面上に広がるショートアーク型放電ランプであって、
   前記陽極は、前記凹部および前記平坦面の間にＲ部が介在しており、
   前記凹部、Ｒ部および平坦面は滑らかに連続することを特徴とするショートアーク型放電ランプ。
2. 前記陽極と前記陰極とに電圧を印加したときに形成されるアークの半径をＤＡ、前記凹部の直径をＤＲとしたときに、０．４７≦ＤＲ／２ＤＡ≦０．８１の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のショートアーク型放電ランプ。

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