JP2013143205A - 希ガス−ハロゲン・エキシマランプ - Google Patents

Abstract

【課題】透光性セラミックスよりなる発光管と、該発光管の外面に形成されたメタライズ層に金属ロウ材によりロウ付けされた封止用の金属製キャップと、前記発光管の外面に設けられた外部電極とからなり、前記発光管の内部には希ガスとハロゲンが封入された希ガス−ハロゲン・エキシマランプにおいて、ロウ付けにより発光管端部を起点とするクラックの発生を防止する構造を提供するものである。
【解決手段】前記メタライズ層を前記発光管の端部から離隔させて形成し、前記金属製キャップが該メタライズ層にロウ付けされていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は希ガス−ハロゲン・エキシマランプに関し、特に、放電容器が透光性セラミックスからなり、その端部に封止用の金属キャップが設けられている希ガス−ハロゲン・エキシマランプに係わる。

従来から、誘電体材料よりなる発光管の外周面に電極を設けるとともに、その内部に希ガスとハロゲンを封入し、該発光管内に発生させた誘電体バリア放電によって前記放電ガスのエキシマ分子を生成して、該エキシマ分子からエキシマ光を放射させる希ガス−ハロゲン・エキシマランプが知られている。

上記のような希ガス−ハロゲン・エキシマランプは、放電ガスを選択することによって所望の波長のエキシマ光を得るものであり、そのために希ガス（アルゴン、クリプトン、キセノン等）とハロゲン（フッ素、塩素、臭素、沃素等）を適宜に組み合わせて選択される。
その結果得られる紫外光は、露光、表面改質、殺菌等の種々の用途に利用されている。特に、１９３ｎｍ、２４８ｎｍの紫外線放射が得られるアルゴン−フッ素、クリプトン−フッ素の希ガス−ハロゲン・エキシマランプは、レジストの特性試験、周辺露光、マスク検査等の幅広い用途に利用されている。

このような希ガス−ハロゲン・エキシマランプは、発光管として、封入したハロゲンと反応性し難い透光性セラミックスからなる発光管が用いられ、その開口端部に金属製キャップをロウ付けして固着する構造が、特開２０１０−１９８９３６号公報（特許文献１）などで知られている。
図３にその全体構造が示されていて、透光性セラミックスからなる発光管１０の外面には外部電極１１，１２が設けられ、該発光管１０の両端には金属製キャップ１３，１４が取り付けられている。前記発光管１０の内部にはアルゴンなどの希ガスとフッ素などのハロゲンが封入されている。

図３のＡ部拡大図である図４に一方の金属製キャップ１３の取り付け構造が示されている。発光管１０の端部には所望の領域に渡ってメタライズ層２０が形成されている。このメタライズ層２０は、例えばＭｏとＭｎを混合したペーストをセラミック発光管１０上に塗布して高温で焼成することにより形成される。
そして、このメタライズ層２０とキャップ１３は金属ロウ材２１によってロウ付けされている。このロウ材２１は、例えば、銀と銅との合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）からなる。
また、他端側における金属製キャップ１４の取り付け構造も全く同様である。

なお、上記公報においては、発光管の両端に金属製キャップを設けた構造以外に、排気管が設けられる側のみを金属キャップとして、他方の端部においてはサファイア製端部材を発光管側面にロウ付けして設けた構造も開示されている（図４）。

しかるに、上記金属製キャップをロウ材によって取り付けた構造のランプにおいては、点灯時間の経過とともに、発光管端部を基点としてクラックＸが発生し、ランプ点灯時間に伴って照度維持率が低下し、ランプ寿命が短いという問題が生じている。
その原因として以下の現象が考えられる。
金属製キャップ１３を発光管１０にロウ付けするとき、ロウ材２１を加熱溶融して前記キャップ１３とメタライズ層２０の間に流入させるが、このロウ材２１は金属ロウ材であることから、例えば１０００度のような高温で加熱して溶融させる必要がある。
このロウ材２１の加熱の際に、発光管１０とメタライズ層２０も同時に加熱される。溶融したロウ材２１は、メタライズ層２０と金属キャップ１３との間に十分流入された後に冷却されて固まり、両者を固着する。
このとき、ロウ材２１と発光管１０のいずれも冷却されて収縮するが、透光性セラミックよりなる発光管１０に比べて、金属ロウ材２１の熱膨張係数の方が大きいので、該金属ロウ材２１の収縮量の方が発光管１０の収縮量よりも大きくなる。
そのため、発光管１０の外面近傍にはその半径方向に引張応力が加えられ、その結果、発光管１０の端面１０ａを起点としてクラックＸが生じたものと推測される。点灯初期においては、このクラックＸは、発光管内のガスがリークするほど大きなものでなく、極めて微小なものであることから、ランプの点灯に支障が生じることなく正常に行える。
しかしながら、この微小クラックが入った状態で、ランプの点灯を続けると、そのクラックＸが徐々に成長し、やがて発光管内のハロゲンガスがクラックＸを通過するようになる。クラックＸを通過したハロゲンガスはメタライズ層２０と反応してしまい、それに連れて発光管内の発光に寄与するハロゲンガスが減少していき、やがて所望の照度を得ることができなくなり、ランプ寿命が短くなってしまうものである。

特開２０１１−０３４７７９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、発光管と金属製キャップの取り付け構造による発光管端部でのクラックの発生を未然に防止して、発光管内のハロゲンの減少を抑制し、長時間ランプを点灯しても、光出力の低下が少ない希ガス−ハロゲン・エキシマランプを提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明に係る希ガス−ハロゲン・エキシマランプは、透光性セラミックスよりなる発光管と、該発光管の外面に形成されたメタライズ層に金属ロウ材によりロウ付けされた封止用の金属製キャップとを備え、前記発光管の内部には希ガスとハロゲンが封入された希ガス−ハロゲン・エキシマランプにおいて、前記メタライズ層を前記発光管の端部から離隔させて形成し、前記金属製キャップが該メタライズ層にロウ付けされていることを特徴とする。

本発明によれば、透光性セラミックスからなる発光管の外面に形成されるメタライズ層が、前記発光管の最も応力の集中しやすい端部から離隔しているので、金属製キャップのロウ付け時に該メタライズ層上に固着されるロウ材が収縮しても、発光管端部に応力が作用することがなく、該端部を基点としたクラックが発生することもなく、従って発光管内のハロゲンガスがリークすることがないので、発光管内でのハロゲンガスの減少を招かず高い照度を長期に渡って維持できるものである。

本発明に係る希ガス−ハロゲン・エキシマランプの部分断面図。 図１のＡ部の拡大断面図。 従来の希ガス−ハロゲン・エキシマランプの断面図。 図３のＡ部の拡大断面図。

図１において、本発明の希ガス−ハロゲン・エキシマランプは、サファイア等の透光性セラミックスからなる発光管１の外面に一対の外部電極２，３が設けられるとともに、その端部には、ニッケル（Ｎｉ）あるいはニッケルを主成分とする合金からなるキャップ４が設けられている（他の端部は図１には不図示）。なお、一方のキャップ４には排気管５が設けられている。
図１のＡ部拡大図である図２に示されるように、前記キャップ４を発光管１に取り付けるに際して、前記発光管１の外面には、メタライズ層６が形成されるが、発光管１の端部１ａから所定の距離Ｌだけ離隔して形成されている。そして、このメタライズ層６に、銀と銅の合金（Ａｇ−Ｃｕ合金）からなるロウ材７によって前記金属製キャップ４がロウ付けされているものである。
この離隔距離Ｌについては、例えば１ｍｍ以上であることが好ましく、発光管１の肉厚よりも大きいことが望ましい。また、当該メタライズ層６と外部電極２，３とが近づきすぎると、沿面放電を起こすことがあるので、この点も考慮しておく必要がある。従って、前記メタライズ層６と発光管端部１ａとの離隔距離Ｌは、該メタライズ層６と外部電極２，３との離隔距離よりも小さくすることが好ましい。
また、この封止構造として、発光管１の他方の端部においても金属キャップを取り付ける構造を採用した場合には、その取り付け構造については上記と同様である。しかしながら、他方の端部においては、排気管５を設ける必要がないので、必ずしも金属製キャップである必要はなく、引用文献１と同様に、サファイア製端部材であってもよい。

なお、上記ロウ付けに際して、ロウ材７が加熱溶融してメタライズ層６を超えて発光管１の端部１ａ側に若干流入するようなことがあっても、ロウ材７は該メタライズ層６にロウ付けされるので、セラミックからなる発光管１に密着するようなことがなく、その冷却時の収縮に起因する応力が発光管１に作用することはない。

上記構成において、発光管１の材料である透光性セラミックスとしては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするサファイア（単結晶アルミナ）やアルミナ（多結晶アルミナ）が挙げられ、この他には、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、二フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）のようなフッ化物を使用できる。
また、メタライズ層６は、従来例と同様に、例えばＭｏとＭｎを混合したペーストを発光管１上に塗布して高温で焼成することにより形成される。

そして、前記キャップ４は、外側に向かって略球状に膨出する形状（いわゆる、ドーム形状）とされていることにより、温度上昇したときに外側に向かって延伸するように変形するので、発光管１に必要以上の応力をかけることがなく、該発光管１の破壊を防止するという効果を期待できるものである。

本発明の効果を検証するために実験を行った。
＜ランプ構造＞
発光管：サファイア（内径φ７．６ｍｍ×外径φ１０ｍｍ×長さ２００ｍｍ）
金属製キャップ：ニッケル（厚さ０．１ｍｍ）、形状は図１に示すドーム形状
ロウ材：Ａｕ−Ｎｉロウ
メタライズ層：Ｍｏ−Ｍｎメタライズを施し、メタライズ表面にＮｉメッキ
形成長さ：管軸方向で５ｍｍ
ロウ付け：真空中で１０００℃の温度でロウ付け
＜本発明ランプ＞
メタライズ層の位置を、発光管端部から１．５ｍｍ離隔して形成
＜比較例ランプ＞
メタライズ層の位置を、発光管端部から離隔することなく形成

上記の各ランプのロウ付け処理後にクラックの有無を確認すべく、ダイアモンドカッターによって発光管を軸方向に切断して、その接合状態を観察した。
その結果、比較例ランプにおいては、発光管の端部を起点とするクラックが確認されたが、本発明ランプにおいては、クラックの発生が見られなかった。
なお、比較例ランプにおけるクラックの発生範囲は、発光管端部から１ｍｍ未満であることも確認された。

以上のように、本発明の希ガス−ハロゲン・エキシマランプでは、発光管の両端外面に、該発光管の端部から離隔させてメタライズ層を形成し、金属製キャップが該メタライズ層に金属ロウ材によりロウ付けされている構成としたことにより、ロウ付け処理後にロウ材が冷却されて収縮することにより発光管に応力が作用しても、該ロウ材が、応力集中しやすい発光管端部から離隔してメタライズ層に固着されているので、当該端部からクラックが発生することがないという効果を奏するものである。

１ 発光管
１ａ 発光管端部
２，３ 外部電極
４ 金属製キャップ
５ 排気管
６ メタライズ層
７ ロウ材
Ｌ メタライズ層と発光管端部との離隔距離

Claims (1)

1. 透光性セラミックスよりなる発光管と、該発光管の外面に形成されたメタライズ層に金属ロウ材によりロウ付けされた封止用の金属製キャップと、前記発光管の外面に設けられた外部電極とからなり、前記発光管の内部には希ガスとハロゲンが封入された希ガス−ハロゲン・エキシマランプにおいて、
   前記メタライズ層を前記発光管の端部から離隔させて形成し、前記金属製キャップが該メタライズ層にロウ付けされていることを特徴とする希ガス−ハロゲン・エキシマランプ。
   
   
   

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