JP2017123232A - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】水銀が封入された発光管内に陰極と陽極とが対向配置され、１ｋＷ以上のランプ電力で直流点灯されるショートアーク型高圧放電ランプにおいて、最冷点の温度を上げることなく、ハロゲンサイクルを促進して、高い照度維持率の長寿命のショートアーク型高圧放電ランプを提供する。【解決手段】発光管内に炭素と酸素とハロゲン元素とが封入され、酸素の発光管内の分圧が、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲であり、ハロゲンの発光管内の分圧が、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲である。【選択図】図１

Description

この発明は、水銀が封入されたショートアーク型高圧放電ランプに関するものであり、特に、露光装置に用いられるショートアーク型高圧放電ランプに係わるものである。

従来から、半導体産業においてフォトリソグラフィーの露光用光源として水銀が封入されたショートアーク型高圧放電ランプが多用されている。このような高圧放電ランプにも、当然のこととして、長寿命が要求されている。

一般に、放電ランプの寿命を決定する最も大きな要因としては、電極物質が蒸発して発光管に付着する黒化があげられる。点灯中に高温にさらされる電極を構成する物質が蒸発し、より温度の低いところに凝集することに起因する。
このような発光管の黒化を防止するために、特表２０１４−５３１１１６号公報（特許文献１）に示されているように、発光管内にハロゲンを封入して、いわゆるハロゲンサイクルによって動作時間中の黒化を低減することが知られている。

ハロゲンサイクルは、生成するハロゲン化合物の量、蒸気圧が温度により異なることを利用し、温度の高い電極周辺では蒸気圧の低いタングステン化合物を生成させ、蒸気圧を低く抑えることにより電極の損耗を低減し、逆に温度の低い管壁付近では、蒸気圧の高いタングステン化合物を生成させ、管壁に付着するタングステン化合物を蒸発させ、発光管の黒化を防止するという手法である。
このようなハロゲンサイクルを活用するには、ランプの内部の最も温度が低い点（最冷点）の温度を、約８００℃以上にすることが必要であり、これ以下では、ハロゲンサイクルによる反応が有効に進行しないとされている。

ところで、１〜５ｋＷ程度のランプ電力で点灯させる中大型の高圧放電ランプにおいては、発光管の最冷点の温度が約７００℃と低く、この温度領域でハロゲンサイクルを有効に促進することは、非常に困難であった。
最冷点の温度が低いままで、ハロゲンサイクルを利用しようとすると、ハロゲンを多量に封入する必要がある。例えばハロゲンとして臭素を導入しようとすると、最冷点では、蒸気圧の低いＨｇＢｒ_２(臭化水銀)が形成され、これが凝集して、ハロゲンの分圧が低下してしまうためである。

ハロゲンの導入方法としては、Ｃ、Ｈを含んだＣＨ_３Ｂｒ（臭化メチル）、ＣＨ_２Ｂｒ_２（臭化メチレン）などのハロゲン化物を使用することが知られている。
ハロゲンを多く封入しようとすれば、臭化メチルや臭化メチレンなどのハロゲン化物を多量に発光管内に封入しなければならなくなる。これらのハロゲン化物は水素を有するため、必然的に水素が多くなり、バルブの白濁やアーク不安定が問題となる。

一方で、ハロゲンサイクルを促進するために、発光管の最冷点の温度を上げることは、発光スペクトルの変化、発光管の耐圧などの問題から実用的ではない。
しかも、ランプの冷却条件の変更を伴い、露光装置への高圧放電ランプの実装上の面からも実用的でないという問題もある。

特表２０１４−５３１１１６号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、水銀が封入された発光管内に陰極と陽極とが対向配置され、１ｋＷ以上のランプ電力で直流点灯されるショートアーク型高圧放電ランプにおいて、最冷点の温度を上げることなく、ハロゲンサイクルを促進して、高い照度維持率の長寿命のショートアーク型高圧放電ランプを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明では、発光管内に炭素と酸素とハロゲン元素とが封入され、前記酸素の発光管内の分圧が、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲であり、前記ハロゲンの発光管内の分圧が、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲であることを特徴とする。
また、前記ハロゲンとして臭素を封入し、前記酸素（Ｏ）と前記臭素（Ｂｒ）とのモル比率が、Ｏ／Ｂｒ＝０．０１〜１０の範囲であることを特徴とする。
また、前記炭素は、炭化タングステン（ＷＣまたはＷ_２Ｃ）として、電極表面に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ハロゲンサイクルが適正に機能することにより、タングステン付着によるバルブ内壁の黒化を防止することができる。
特に、封入物中に炭素が存在するので、この炭素が電極先端の高温部において酸素と反応しＣＯ、ＣＯ_２を生成するため、酸素ゲッター剤として働く。これより、酸素の分圧を減少させて、電極付近において、蒸気圧の高い酸化タングステンＷＯ、または、二酸化タングステンＷＯ_２の生成を抑制でき、発光管の黒化物質の生成を低減させることができる。

また、酸素濃度を所定の範囲にすることにより、発光管の内壁や、電極芯線と封止部の接触部などの温度の低い部分（低温部）では、蒸気圧の高いＷＯ_２Ｂｒ_２の生成を促しつつ、温度の高い電極付近では、蒸気圧の低い酸化タングステンＷＯまたは二酸化タングステンＷＯ_２の生成を抑制し、ハロゲンサイクルを促進させることができる。

また、ハロゲンを所定の範囲とすることで、アークの不安定性を抑制しつつ、低温部でのＷＯ_２Ｂｒ_２の生成を促進することができる。
更に、酸素とハロゲンとのモル比率を所定の範囲にすることにより、前述したＷＯ_２Ｂｒ_２を生成する反応をさらに促進できる。
また、炭素の存在形態として、ＷＣまたはＷ_２Ｃとして電極に存在させることによって、酸化タングステンＷＯまたは二酸化タングステンＷＯ_２の生成を抑制し、発光管の黒化物質の生成を更に低減させることができる。

本発明に係るショートアーク型高圧放電ランプの概略図。 本発明の高圧放電ランプ内のタングステン化合物の蒸気圧曲線図。 本発明と比較例の封入物比較表１。 本発明と比較例の照度維持率比較した表２。

図１は、本発明のショートアーク型高圧放電ランプ１を示したものである。
発光管２内に陰極３と陽極４とが対向配置されていて、陰極３は、材質がトリエ―テッドタングステンにより構成され、陽極４は、材質がタングステンにより構成される。そして、発光管２内には、放電ガスとして、水銀が、１ｍｇ／ｃｃ〜７０ｍｇ／ｃｃ程度封入されるとともに、アルゴンやキセノンが、５×１０^３Ｐａ〜５×１０^５Ｐａ（０．５気圧〜５気圧）封入されている。
陰極３及び陽極４には、それぞれ電極芯線５、６が電気的に接続されていて、この電極芯線５、６は、封止部７、８を介して給電端子９、１０に接続される。この両給電端子９、１０に電圧を印加することにより、放電が開始し、高圧放電ランプは直流点灯する。
放電が開始すると、徐々に発光管内の温度が上昇し、それに伴い封入物も蒸発し、発光管の内圧も高圧となり、定常状態に達すると、所望の輝線スペクトルの発光が得られるようになる。

本発明の高圧放電ランプでは、発光管内への封入物としてハロゲンと酸素と炭素とが含まれている。
ここで、ハロゲンとして臭素（Ｂｒ）を封入する場合を考えると、酸素は、低温領域で蒸気圧の高いＷＯ_２Ｂｒ_２ガスを形成し、ハロゲンサイクルを有効に働かせる役割をもつ。
一方で、この酸素は炭素と一緒に存在させると、温度の低い領域において、ＣＯ、ＣＯ_２、ＣＢｒ_４を形成し、酸素と臭素（Ｂｒ）を消費してしまい、ＷＯ_２Ｂｒ_２の生成を抑制する方向に作用することにより、ハロゲンサイクルを阻害する。

そこで、炭素の存在のもと、前記酸素の発光管内の分圧を、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲とする。
酸素が、０．０１Ｐａより少ないと、低温部において蒸気圧の高いＷＯ_２Ｂｒ_２が生成しにくくなり、ハロゲンサイクルが停滞する。
一方、１００Ｐａより多いと、酸素と炭素とが反応し、ＣＯ、ＣＯ２が生成されると同時に、過剰の酸素が、電極を構成するタングステンと反応してしまい、電極付近で蒸気圧の低い酸化タングステン（ＷＯ）または二酸化タングステン（ＷＯ_２）を生成するため、電極が損耗する。

また、ハロゲンの発光管内の分圧を、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲とする。
ハロゲンとして、例えば、臭素（Ｂｒ）を採用した場合、この臭素（Ｂｒ）が０．０１Ｐａより少ないと、低温部でのＷＯ_２Ｂｒ_２が生成されにくくなって、ハロゲンサイクルが停滞する。
一方、１００Ｐａよりも多いと、電気陰性度の高い臭素（Ｂｒ）が放電プラズマ中の電子を捕獲することにより、電子密度が下がってしまい、アークの不安定を引き起こす。

本発明の高圧放電ランプにおいて、ハロゲンとして臭素（Ｂｒ）を封入した場合、前記酸素（Ｏ）と臭素（Ｂｒ）とのモル比率Ｏ／Ｂｒは、
Ｏ／Ｂｒ＝０．０１〜１０
の範囲である。
Ｏ／Ｂｒ比が、０．０１より少ないと、酸素（Ｏ）に対して臭素（Ｂｒ）が過剰となり、過剰となった臭素（Ｂｒ）が電極のタングステンと反応し、電極が損耗する。
また、Ｏ／Ｂｒ比が、１０より多いと酸素（Ｏ）が過剰となり、酸化水銀（ＨｇＯ）を生成し、低温部に付着することで、水銀（Ｈｇ）の密度が低下し、水銀輝線の発光強度が減少する。
また、過剰の酸素とタングステンが反応し、酸化タングステン（ＷＯ）または二酸化タングステン（ＷＯ_２）が生成されて、電極が損耗する。

本発明の高圧放電ランプにおいては、炭素は、ＷＣまたはＷ_２Ｃとして電極に含まれる。炭素を電極に付着させ、予め熱処理を施し、Ｗ_２ＣまたはＷＣを形成させる方法により、炭素を導入してもよい。または、炭素を電極に付着させるとともに、電極内部に炭素を導入し、熱処理を施してもよい。ランプ点灯時に、電極が高温となり、この状態で電極にＣが存在すると、電極付近でＣＯまたはＣＯ_２を容易に生成できるためである。
この炭素は、酸素のモル数に対し、過剰に存在する。炭素のモル数が酸素のモル数より小さいと、炭素と反応できなかった過剰の酸素が、タングステンと反応し、酸化タングステン（ＷＯ）または二酸化タングステン（ＷＯ_２）が生成され、電極が損耗するからである。

図２は、高圧放電ランプ内のタングステン化合物の熱平衡状態における蒸気圧曲線の計算結果を示す図である。横軸に温度Ｔ（Ｋ）をとり、縦軸にタングステン化合物の蒸気圧Ｐ（Ｐａ）の対数を表示している。
蒸気圧曲線Ａ（実線）は、本発明にかかる封入組成の高圧放電ランプ（本発明のランプ）の蒸気圧の計算例である。
蒸気圧曲線Ｂ（点線）は、本発明の比較例であり、封入物として炭素を含まない点を除き、本発明にかかる高圧放電ランプの封入組成と同じ組成の高圧放電ランプ（比較例１）の蒸気圧の計算例である。
蒸気圧曲線Ｃ（一点鎖線）は、従来のハロゲンの入っていない高圧放電ランプ（比較例２）の場合である。

ここで、比較例１の蒸気圧曲線Ｂは、本発明のランプと比較のため、封入物としてハロゲンを含み、炭素は痕跡程度に含む、超高圧水銀ランプを模擬したものであり、仮想的なランプである。
また、従来のハロゲンの入っていない高圧放電ランプ（比較例２）は、例えば、フォトリソグラフィーに用いられる超高圧水銀ランプのように、ハロゲンを元々含まない高圧放電ランプを模擬している。

本発明のランプの蒸気圧曲線Ａの計算は、Ｈｇが１．４×１０^−５ｍｏｌ／ｃｃ、Ｏが１×１０^−８ｍｏｌ／ｃｃ、Ｂｒが１．３×１０^−７ｍｏｌ／ｃｃ、及び過剰の炭素が封入されているという条件で計算したものである。
比較例１の蒸気圧曲線Ｂの計算は、Ｈｇが１．４×１０^−５ｍｏｌ／ｃｃ、Ｏが１×１０^−８ｍｏｌ／ｃｃ、Ｂｒが１．３×１０^−７ｍｏｌ／ｃｃ、及び炭素は痕跡程度（１０^−７Ｐａ程度）が封入されているという条件で計算したものである。これは本発明ランプの炭素以外の封入組成に相当する。
また、比較例２の蒸気圧曲線Ｃの計算は、タングステンの蒸気圧である。
以上の関係を表したものが、図３の表１である。

図２において、横軸に垂直な線１〜３はそれぞれ、線１は、約３２５０Ｋ（≒３０００℃）、線２は、約１２５０Ｋ（≒１０００℃）、線３は、約９５０Ｋ（≒７００℃）を示している。
線１が示す温度（約３０００℃）は、高圧放電ランプの定常点灯中の陰極近傍の温度を代表している。
線３が示す温度（約７００℃）は、本発明のランプ及び比較例ランプ１、２の定常点灯中の発光管の最冷点の温度、例えば、発光管の内壁や、電極芯線と封止部の接触部の温度（６００℃〜８００℃）を代表している。
線２が示す温度（約１０００℃）は、本発明と比較例ランプ１との対比説明用であり、ハロゲンサイクルを起こさせるための管壁や封止部の温度を代表している。
なお、ここにおいて、線１の温度における蒸気圧曲線Ａの蒸気圧すなわち、線１と蒸気圧曲線Ａの交点をａ１と表記し、他の交点もそれに準じて符号を付している。

まず、比較例１について説明する（蒸気圧曲線Ｂ）。
比較例１の定常点灯中のタングステン化合物の蒸気圧は、蒸気圧曲線Ｂで示される。この比較例１の電極付近の温度は、約３０００℃であり、この電極付近の蒸気圧はｂ１であって、この蒸気圧ｂ１は、主として、ＷＯの分圧である。
一方で、比較例１の最冷点の温度は、約７００℃である。この最冷点の蒸気圧は、ｂ３であって、この蒸気圧ｂ３は、主として、ＷＯ_２Ｂｒ_２の分圧である。
両方の蒸気圧を比較すれば、ｂ３≒ｂ１である。これは、電極付近と最冷点のタングステン化合物の蒸気圧がほぼ等しいことを示している。

もし、最冷点の温度が７００℃より低下すると、ｂ３＜ｂ１となり、電極付近よりも最冷点のタングステン化合物の蒸気圧が低くなる。つまり、電極付近で生成したタングステン化合物は、蒸気圧の差により、電極付近から最冷点に向かって輸送される。
その結果、電極から蒸発したタングステンは、最冷点に輸送され、この最冷点に凝集し、電極付近には回生されず、ハロゲンサイクルは停滞する。
つまり、この条件では、比較例１は、発光管が黒化する。

また、もし、最冷点の温度が７００℃より上昇すれば、ｂ３＞ｂ１となり、電極付近よりも最冷点のタングステン化合物の蒸気圧が高くなる。電極付近で生成されたタングステン化合物は、蒸気圧の差により、最冷点から電極付近に向かって輸送されることにはなる。
しかし、このグラフの縦軸が対数であることに注意すれば、蒸気圧が高くなるといっても、せいぜい数倍以内であることから、このハロゲンサイクルによるタングステンの回生の効率は悪い。
発光管の最冷点の温度範囲が６００℃〜８００℃であることを考慮すれば、この温度範囲では、ハロゲンサイクルが働いたり、働かなかったり、あるいは、働いたとしても効率が悪く、ハロゲンサイクルの動作が不安定である。

仮に、比較例１の最冷点温度を約１０００℃とした場合、最冷点での蒸気圧はｂ２であって、この蒸気圧ｂ２は、主として、ＷＯ_２Ｂｒ_２の分圧である。
一方、電極付近の温度は、約３０００℃であり、電極付近の蒸気圧はｂ１である。
これら両方の蒸気圧を比較すれば、ｂ２＞ｂ１である。これは、電極付近よりも最冷点のほうがタングステン化合物の蒸気圧が高いことを示している。しかし、前述のように、蒸気圧が高くなるといっても、１０倍以内である。
つまり、電極付近で生成したタングステン化合物は、蒸気圧の差により、最冷点から電極付近に向かって輸送されることにはなるが、ハロゲンサイクルによる回生の効率は悪い。
であるからといって、発光管の最冷点の温度を上げることは、発光スペクトルの変化、発光管の耐圧などの問題から実用的ではない。

次に、比較例２について説明する。
この比較例２の定常点灯中のタングステン化合物の蒸気圧は、蒸気圧曲線Ｃで示される。
比較例２の電極付近の温度は、比較例１と変わらず、約３０００℃であり、電極付近の蒸気圧はｃ１であって、この蒸気圧ｃ１は、主として、タングステンの分圧である。
ここで、この蒸気圧ｃ１と、後述する本発明の蒸気圧曲線Ａにおける蒸気圧ａ１がほぼ同じ値になっているが、これは、高温においては、炭素が酸素と反応しＣＯ、ＣＯ_２を生成するため、蒸気圧の高い酸化タングステン（ＷＯ）の生成を抑制する結果、タングステンの蒸気圧が支配的になり、酸素の入っていない場合と同等の蒸気圧となるためと考えられる。
一方、比較例２の最冷点温度は、約７００℃であり、最冷点での蒸気圧は低すぎて、図に示しきれていない。
つまり、電極から蒸発したタングステンは、最冷点に輸送され、電極付近に回生されず、発光管黒化の原因となる。

仮に、比較例２に、比較例１の封入仕様のハロゲンを封入した場合を考えてみる。
この場合、定常点灯中のタングステン化合物の蒸気圧は、蒸気圧曲線Ｂで示される。そのため、上述した比較例１におけるハロゲンサイクルと同様の挙動を示すことになり、ハロゲンサイクルは停滞し、発光管の黒化の原因となる。
つまり、比較例２、例えば、従来のフォトリソグラフィーの放電ランプに、従来組成のハロゲンを入れてみても、ハロゲンサイクルが良好に機能することにはならない。

次に、本発明のランプについて説明する。
定常点灯中のタングステン化合物の蒸気圧は、蒸気圧曲線Ａで示される。
炭素が痕跡程度に封入された比較例１の蒸気圧曲線Ｂと比較して、全体的にタングステン化合物の蒸気圧が低いことがわかる。
本発明のランプの電極付近の温度は、比較例１及び比較例２と変わらず、約３０００℃であり、電極付近の蒸気圧はａ１である。
比較例１の項で説明したように、比較例１の蒸気圧曲線Ｂにおける約３０００℃での蒸気圧ｂ１は、主として、ＷＯの分圧である。
一方、本発明では、炭素の導入により、電極付近でＣ＋Ｏ_２→ＣＯまたはＣＯ_２の反応が促進され、蒸気圧の低いＷＯの生成を抑えることができる。そのため、約３０００℃での本発明の蒸気圧ａ１と比較例１の蒸気圧ｂ１とを比較すると、ａ１＜ｂ１であり、電極からの蒸発自体が低いことがわかる。
図２の温度範囲の蒸気圧曲線Ａは、３０００℃〜３３００℃程度の範囲でタングステン化合物の蒸発を抑えることが可能となることを示している。
なお、この蒸気圧ａ１は、主として、タングステンの分圧である。

本発明のランプの最冷点温度は、約７００℃であり、最冷点での蒸気圧はａ３であって、この蒸気圧ａ３は、主として、ＷＯ_２Ｂｒ_２の分圧である。
両方の蒸気圧を比較すれば、ａ１＜ａ３である。これは、電極付近よりも最冷点のほうがタングステン化合物の蒸気圧が高いことを示している。蒸気圧曲線の縦軸を考慮すれば、１０^１〜１０^１．５倍高いことがわかる。
つまり、最冷点にタングステン化合物が存在すると、蒸気圧の差により、最冷点から電極付近に向かって、タングステン化合物は輸送される。
結果として、電極から蒸発したタングステンは、最冷点から再び電極付近に回生されることになり、ハロゲンサイクルは有効に働く。
つまり、発光管の黒化を防止することができることになる。

本発明の効果を実証すべく、以下の仕様のランプによって寿命評価実験を行った。
（本発明ランプ）
図１に示すような、一般的なショートアーク型高圧放電ランプ内に、常温で、Ｈｇ＝１４μｍｏｌ／ｃｃ、Ａｒ＝３ａｔｍを封入し、さらに、ハロゲンサイクルを活性化させるために、ＨｇＢｒ_２を０．１μｍｏｌ／ｃｃ、Ｏ_２＝３５Ｐａ封入した。
高圧放電ランプには、タンタル等のゲッター材が含まれることがあるが、ハロゲンとの反応が懸念されるため、これらは含めなかった。箔・電極の溶接バインダーとしてＰｔを使用している。
放電空間内には、製造上、完全に取り除くことが困難な、少量のＨ_２またはＨ_２Ｏが含まれる。
陰極には、エミッター材としてＴｈＯ_２が含まれるトリエーテッドタングステンを使用した。陰極に、カーボンを塗布し、Ｗ_２Ｃ層を形成した。

（比較例１）
比較例１は、ハロゲン、カーボンを封入しない点を除き、本発明ランプと同じ構成のランプである。
（比較例２）
比較例２は、ハロゲンを封入し、カーボンを封入しない点を除き、本発明ランプと同じ構成のランプである。

上記各ランプを、４５００Ｗで、３０００時間点灯させた結果の照度維持率比較が図４の表２に示されていて、本発明ランプは、比較例１、２のいずれよりも照度維持率が向上していることが分かる。

以上のように、本発明によれば、発光管内に炭素と酸素とハロゲン元素とが封入され、酸素の発光管内の分圧を、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲とし、ハロゲンの発光管内の分圧を、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲としたことにより、発光管の最冷点での温度を上げることなく、当該最冷点での蒸気圧を電極近傍での蒸気圧よりも高くすることができ、これにより、電極から蒸発したタングステンが最冷点近傍に滞留することなく、再び電極付近に回生されて、ハロゲンサイクルが良好に機能し、発光管の最冷点で黒化を起こすことがないという効果を奏するものである。

１ ショートアーク型高圧放電ランプ
２ 発光管
３ 陰極
４ 陽極
５ 陰極芯線
６ 陽極芯線
７ 封止部
８ 封止部
９ 給電端子
１０ 給電端子

Claims (3)

1. 水銀が封入された発光管内に陰極と陽極とが対向配置され、１ｋＷ以上のランプ電力で直流点灯されるショートアーク型高圧放電ランプにおいて、
   前記発光管内に炭素と酸素とハロゲン元素とが封入され、
   前記酸素の発光管内の分圧が、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲であり、
   前記ハロゲンの発光管内の分圧が、常温において、０．０１〜１００Ｐａの範囲である
   ことを特徴とするショートアーク型高圧放電ランプ。
2. 前記ハロゲンとして臭素を封入し、
   前記酸素（Ｏ）と前記臭素（Ｂｒ）とのモル比率が、Ｏ／Ｂｒ＝０．０１〜１０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
3. 前記炭素は、炭化タングステン（ＷＣまたはＷ_２Ｃ）として、電極表面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
   
   
   

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