JP3077538B2 - ショートアーク型水銀ランプ - Google Patents
ショートアーク型水銀ランプInfo
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Description
装置などの製造プロセスにおける光源装置の光源に使用
されるショートアーク型水銀ランプに関するものであ
る。
内に対抗配置された一対の電極の先端距離が短く、点光
源に近いので、光学系と組み合わせることにより、集光
効率の高い露光装置の光源として利用されている。しか
し、ショートアーク型水銀ランプの電極は、点灯中高温
になるため、バルブ内に酸素や炭酸ガスなどの不純ガス
が混入していると、最も高温になる電極先端部に酸化物
や炭化物が生成され、蒸発が激しくなる。その結果、電
極から蒸発した物質がバルブ内面に付着してバルブが黒
化し、さらには、露光面での照度の劣化につながってい
た。また、電極の先端部が蒸発し変形することにより、
輝点のずれが生じていた。
捉するために、電極を支持する内部リード棒にゲッター
を取り付けることが従来より行われたいた。ゲッター効
果を奏する金属はいくつかあるが、現在ショートアーク
型水銀ランプに使用されている代表的な金属は、ジルコ
ニウムとタンタルである。その中でもタンタルは、ゲッ
ター効果を生じる動作温度が700〜1200℃と言わ
れており比較的高温であること、また、蒸気圧が低いこ
とからバルブ内の温度が高温になる小型のショートアー
ク型水銀ランプのゲッターとして最良と考えられてい
た。
露光装置の小型化にともない、ショートアーク型水銀ラ
ンプも小型化の要求がでてきており、従来よりもさらに
小型のショートアーク型水銀ランプを開発する必要がで
てきた。このような要求を満たすように設計されたショ
ートアーク型水銀ランプでは、バルブ内の温度が更に高
くなりタンタルがゲッターとして作用する700〜12
00℃の温度範囲が、バルブ内にとれなくなった。
なされたものであって、その目的は、700〜1200
℃の温度範囲がバルブ内にとれなくなったショートアー
ク型水銀ランプにおいても、バルブ内の不純ガスが十分
捕捉され、なおかつ、電極の蒸発を抑え、従って、露光
面の照度維持率が向上するショートアーク型水銀ランプ
を提供することになる。
に、請求項1記載のショートアーク型水銀ランプは、バ
ルブ内に水銀と希ガスが封入され、該バルブ内に対設さ
れそれぞれ内部リード棒によって支持された陽極及び陰
極と、該内部リード棒にタンタルが取り付けられたショ
ートアーク型水銀ランプにおいて、前記タンタルが取り
付けられる内部リード棒の外径をD1(mm)、前記タ
ンタルが取り付けられた内部リード棒に支持される陽極
もしくは陰極の外径をD2(mm)、前記陽極もしくは
陰極の先端から前記タンタルのアーク側の端までの距離
をL(mm)とするとき、下記の条件(1)および条件
(2)で規定される位置に前記タンタルが取り付けら
れ、その温度を1300〜1700℃の範囲内にするこ
とを特徴とする。 条件(1) (D2/D1)≧1.3 条件(2) 0.2≦(D2/D1)2 /L≦0.5
ンまたはタングステンであり、陽極及び陰極を支持する
内部リード棒もトリエイテッドタングステンまたはタン
グステンである。希ガスとは、Ar等を意味するもので
ある。陽極及び陰極の外径D2は内部リード棒の外径D
1より大きなものであり、陽極及び陰極と内部リード棒
とは段差がある。また、タンタルの取り付け場所は内部
リード棒に取り付けられており、その位置は、タンタル
のアーク側の端を基準にして、その内部リード棒によっ
て支持されている陽極あるいは陰極のアーク側の先端か
らその基準となる端までの距離をL、タンタルが取り付
けられた内部リード棒に支持される陽極及び陰極の外径
をD2、タンタルが取り付けられた内部リード棒の外径
をD1とした場合、上記条件(1)および条件(2)で
規定され、且つタンタルの温度を1300〜1700℃
の範囲内に固定するところである。
プは、請求項1に記載のショートアーク型水銀ランプに
おいて、特に、タンタルは、線状もしくはシート状であ
り、溶接あるいはかしめによって前記内部リード棒に固
定されていることを特徴とする。
あるという意味であり、シート状であるとは、薄板状で
あるという意味である。そして、このようなタンタルを
内部リード棒に密着させながら巻き付け、その位置がず
れないように、スポット溶接や圧着によるかしめによっ
て、内部リード棒に固定する。
プは、請求項1又は請求項2に記載のショートアーク型
水銀ランプにおいて、特に、それぞれの内部リード棒
は、それそれ支持している陽極及び陰極と一体に形成さ
れていることを特徴とする。
一体に形成されているとは、トリエイテッドタングステ
ンまたはタングステンよりなり1本の棒状の物体を削り
落として、陽極及び陰極になる部分と内部リード棒にな
る部分とを形成するという意味である。
効果の限界とみられていた1300℃以上の温度範囲に
おけるゲッター効果について調査した。その結果、13
00〜1700℃までの温度範囲でも、酸素や炭酸ガス
の不純ガスのゲッター作用は依然としてあることを見い
だした。
(1)(D2/D1)≧1.3とは、陽極もしくは陰極
の外径が内部リードの外径よりその比で1.3以上大き
いと規定している。つまり、このようにすることによ
り、陽極もしくは陰極先端の熱を内部リード棒まで伝わ
りにくくすることができる。つまり、内部リード棒は陽
極もしくは陰極の温度よりも低くなる。また、タンタル
は、この内部リード棒に取り付けられているので、陽極
もしくは陰極先端部に比べて温度の低い場所に取り付け
られることになる。そして、そのタンタルの取り付け場
所は、先の条件(1)に加え、陽極もしくは陰極の先端
からタンタルのアーク側の端までの距離をL、内部リー
ド棒の外径をD1、陽極もしくは陰極の外径をD2とし
たときそれぞれを条件(2)0.2≦(D2/D1)2
/L≦0.5となる位置であり、且つタンタルの温度
1300〜1700℃の範囲内となる位置とする。これ
により、タンタルがゲッター効果を発揮して、不純ガス
である酸素や炭酸ガスなどを捕捉して、除去することが
でき、なおかつ、電極の蒸発を抑えることができる。
が線状もしくはシート状であるので、ランプの製造つま
り電極の組み立てが容易であり、また、取扱いも簡便に
なる。さらに、タンタルがこのような形状であれば、内
部リード棒に固定する際、内部リード棒に巻き付ける方
法が採用でき、比較的簡単に取り付けられる。また、固
定方法は、溶接やかしめであるので、タンタルを内部リ
ード棒に強固に固定し、その位置がずれることがない。
従って、タンタルの温度を1300〜1700℃の範囲
内に固定できる。
ド棒はそれぞれ支持している陽極と陰極に一体に形成さ
れているので、陽極および陰極にそれぞれ内部リード棒
をはめ込む場合と違って、電極と内部リード棒との空隙
がなくなり、不純ガスの残留という問題がなくなる。
に説明する。図1は、半導体露光装置などの光源装置に
組み込まれた本発明のショートアーク型水銀ランプの説
明図である。ショートアーク型水銀ランプAのバルブ1
は略卵型であり、バブル1内に陽極2と陰極3がそれぞ
れの内部リード棒4,5に支持されて対設されている。
6,7は内部リード棒4,5に接続された金属箔であ
り、8は排気チップである。タンタルであるタンタルワ
イヤー9は、内部リード棒4に巻き付けた後、スポット
溶接で強固に固定されており、タンタルワイヤー9の温
度は点灯時1500〜1700℃である。この実施例に
おいて、タンタルとして線状のタンタルワイヤーを用い
たが、シート状のタンタル薄板であっても良い。このシ
ョートアーク型水銀ランプAはフラッシュ点灯で使用さ
れ、アイドリング中の電気特性は電圧44V,電流16
A,消費電力700W、フラッシュ点灯中の電気特性は
電圧45V,電流25A,消費電力1000Wである。
極間距離は2.9mm。バルブ内容積は13.4cc。
水銀が45.5mg/cc、希ガスとしてArが200
toor封入されている。
ド棒に取り付けられたタンタルについて説明する。図2
は、図1におけるショートアーク型水銀ランプの陽極と
それを支持する内部リード棒とその内部リード棒に取り
付けられたタンタルワイヤーのみを取り出した説明図で
ある。陽極2の形状は、外径D2が8mm,先端部の直
径が3mmで約85度の角度で円錐台状になっており、
長手方向の長さは15mmである。この陽極2はタング
ステンでできている。内部リード棒4の形状は、外径D
1が4mmであり、タングステンでできており陽極2と
一体に形成されいる。つまり、内部リード4は陽極2と
同一物質よりなるものである。タンタルワイヤー9は、
前述したように内部リード棒4に強固に固定されいる。
そして、アーク側の陽極2の先端からアーク側のタンタ
ルワイヤー9の端9a(巻始めの端部)までの距離Lが
15mmである。つまり、上記D1,D2,Lの関係
は、条件(1)(D2/D1)≧1.3及び条件(2)
0.2≦(D2/D1)2 /L≦0.5を満足するよう
に設計されている。
ター効果の関係を調べる実験を行った。図3は、点灯1
000時間後の放射照度維持率(%)と取り付け位置を
変えてタンタルワイヤーの温度を変化させたときの実験
データーである。この実験に用いたランプは、図1に示
したショートアーク型水銀ランプAと同様の構造であ
る。また、タンタルワイヤーの温度は陽極先端からタン
タルワイヤーのアーク側の端までの距離Lを変えて、そ
の端の温度をタンタルワイヤーの温度とした。
00〜1700℃の範囲内では、点灯1000時間経過
しても、放射照度維持率が95%以上であり、良好にバ
ルブ内の不純ガスである酸素や炭酸ガスをこのタンタル
ワイヤーが捕捉していることがわかる。しかし、タンタ
ルワイヤーの温度が1700℃を越えると放射照度維持
率が急激に95%以下になる。つまり、タンタルワイヤ
ーの温度を1300〜1700℃の範囲に規定すれば、
ゲッター効果が生じていることがわかる。
なう経時的電極の蒸発関係を調べる実験を行った。その
結果を図4に示す。この実験では、電極の蒸発を電極間
距離の伸び(単位mm)で表した。この実験に用いた2
つのランプは、タンタルワイヤーの温度がそれぞれ15
00℃のものと2000℃のものを用いた。タンタルワ
イヤーの温度が1500℃のショートアーク型水銀ラン
プの場合(曲線a)、点灯後2000時間経過しても、
電極間距離の伸びが0.2mm以下であり、電極の溶融
が抑えられていることがわかる。タンタルワイヤーの温
度が2000℃のショートアーク型水銀ランプの場合
(曲線b)、点灯後2000時間経過すれば、電極間距
離の伸びが0.3mm以上になり、電極の蒸発が激しい
ことがわかる。つまり、この実験から明らかなように、
タンタルワイヤーの温度が1500℃であり、その温度
が1300〜1700℃の範囲に入っているので、バル
ブ内の酸素や炭酸ガスの不純ガスがこのタンタルワイヤ
ーにより捕捉され、電極の蒸発を抑える効果があること
がわかる。
なう経時的放射照度維持率(%)の関係を調べる実験を
行った。その結果を図5に示す。この実験に用いた2つ
のランプは、実験2と同様の、タンタルワイヤーの温度
がそれぞれ1500℃のものと2000℃のものを用い
た。タンタルワイヤーの温度が1500℃のショートア
ーク型水銀ランプの場合(曲線a1)、点灯後2000
時間経過しても、点灯初期を100%とした場合、放射
照度維持率が依然90%以上であり、良好な放射照度を
維持していることがわかる。タンタルワイヤーの温度が
2000℃のショートアーク型水銀ランプの場合(曲線
b1)、点灯後2000時間経過すれば、点灯初期を1
00%とした場合、放射照度維持率が90%以下にな
り、早期に寿命末期状態になることががわかる。つま
り、この実験から明らかなように、タンタルワイヤーの
温度が1500℃であり、その温度が1300〜170
0℃の範囲に入っているので、バルブ内の酸素や炭酸ガ
スの不純ガスがこのタンタルワイヤーにより捕捉され、
電極の溶融を抑え、従って、このショートアーク型水銀
ランプを露光装置に組み込んだ場合、露光面の照度維持
率が向上する。
ョートアーク型水銀ランプの構成によれば、内部リード
棒の外径D1と電極の外径D2を、条件(1)(D2/
D1)≧1.3と規定する。つまり、このようにするこ
とにより、陽極もしくは陰極先端の熱を内部リード棒ま
で伝わりにくくすることができ、内部リード棒は陽極も
しくは陰極の温度よりも低くなる。また、タンタルは、
この内部リード棒に取り付けられているので、陽極もし
くは陰極先端部に比べて温度の低い場所に取り付けられ
ることになる。そして、そのタンタルの取り付け場所
は、先の条件(1)に加え、陽極もしくは陰極の先端か
らタンタルのアーク側の端までの距離をL、内部リード
棒の外径をD1、陽極もしくは陰極の外径をD2とした
ときそれぞれを条件(2)0.2≦(D2/D1)2
/L≦0.5と規定してなる位置である。つまり、タン
タルを条件(1)と条件(2)で規定される場所の内部
リード棒に取り付け、且つタンタルの温度1300〜1
700℃の範囲内となる位置とする。これにより、タン
タルがゲッター効果を発揮して、不純ガスである酸素や
炭酸ガスなどを捕捉して、除去することができ、なおか
つ、電極の蒸発を抑えることができる。その結果、この
ショートアーク型水銀ランプを露光装置に組み込んだ場
合、露光面の照度維持率が向上する。
水銀ランプにおいて、タンタルが線状もしくはシート状
であるので、ランプの製造つまり電極の組み立てが容易
であり、また、取扱いも簡便になる。さらに、タンタル
がこのような形状であれば、内部リード棒に固定する
際、内部リード棒に巻き付ける方法が採用でき、比較的
簡単に取り付けられる。また、固定方法は、溶接やかし
めであるので、タンタルを主成分とする金属を内部リー
ド棒に強固に固定し、その位置がずれることがない。従
って、タンタルを主成分とする金属の温度を1300〜
1700℃の範囲内に固定できる。
水銀ランプにおいて、内部リード棒はそれぞれ支持して
いる陽極と陰極に一体に形成されているので、陽極およ
び陰極にそれぞれ内部リード棒をはめ込む場合と違っ
て、電極と内部リード棒との空隙がなくなり、不純ガス
の残留という問題がなくなる。
である。
極とそれを支持する内部リード棒とその内部リード棒に
取り付けられたタンタルワイヤーのみを取り出した説明
図である。
け位置を変えてタンタルワイヤーの温度を変化させたと
きの実験データーである。
の溶融関係の実験データーである。
照度維持率の実験データーである。
Claims (3)
- 【請求項1】 バルブ内に水銀と希ガスが封入され、該
バルブ内に対設されそれぞれ内部リード棒によって支持
された陽極及び陰極と、該内部リード棒にタンタルが取
り付けられたショートアーク型水銀ランプにおいて、 前記タンタルが取り付けられる内部リード棒の外径をD
1(mm)、前記タンタルが取り付けられた内部リード
棒に支持される陽極もしくは陰極の外径をD2(m
m)、前記陽極もしくは陰極の先端から前記タンタルの
アーク側の端までの距離をL(mm)とするとき、下記
の条件(1)および条件(2)で規定される位置に前記
タンタルが取り付けられ、その温度を1300〜170
0℃の範囲内にすることを特徴とするショートアーク型
水銀ランプ。 条件(1) (D2/D1)≧1.3 条件(2) 0.2≦(D2/D1)2 /L≦0.5 - 【請求項2】 前記タンタルは、線状もしくはシート状
であり、溶接あるいはかしめによって前記内部リード棒
に固定されていることを特徴とする請求項1に記載のシ
ョートアーク型水銀ランプ。 - 【請求項3】 前記それぞれの内部リード棒は、それぞ
れ支持している陽極及び陰極と一体に形成されているこ
とを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のショート
アーク型水銀ランプ。
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