JP3596453B2

JP3596453B2 - ショートアーク放電ランプ

Info

Publication number: JP3596453B2
Application number: JP2000296872A
Authority: JP
Inventors: 恒夫岡沼; 啓介大久保
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: US20030057835A1; JP2002110083A; US6844678B2; EP1193733B1; EP1193733A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶パネルなどの製造でのフォトリソグラフィー工程等で利用する光源や映像投射用システムに用いるデジタルマイクロミラーデバイスや液晶等を利用した投射機用光源に関し、更に詳しくはショートアーク放電ランプの電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ショートアーク放電ランプの陰極には、電子放射性物質をドープした高融点金属材料、例えば酸化トリウムをドープしたタングステン材料であるトリエイテッドタングステンが用いられている。また、該陰極の形状としては円柱状材料の先端部を円錐形に加工し、該陰極の最先端部はランプ電流に応じて電流密度が適当に成るように平坦、又は丸みを帯びた形状に形成している。該ショートアーク放電ランプにおいて、点灯時に最も輝度の高くなるのは該陰極の先端近傍である。該陰極先端近傍が該陰極の径の中で最も径が小さいので電流密度が最も高くなるところとなるからである。
【０００３】
従来から該ショートアーク放電ランプを組み込んだ光学装置は陰極先端の輝度の高い部分を効率良く利用できるように該陰極の先端近傍である輝点部に該光学装置の焦点が合うように設計されており、該ショートアーク放電ランプ取り付け時にはランプ位置を該光学系の照度が最大に成るように調整するのが一般的である。しかし、該ショートアーク放電ランプは点灯時間に応じて該陰極が損耗していき、前記の陰極先端にできる輝点部の位置がランプ端方向、例えば陰極をランプ下方に配置して点灯した場合には該輝点部位置が点灯時間と伴に下方に後退するため該光学装置の最適な焦点がずれ、該光学系から放射される光が極端な照度劣化を起こすといった問題があった。これは該陰極先端における電流密度が高く、該陰極の温度が非常に高くなるためと考えられる。この問題に対して、従来は該光学装置のランプ取り付け位置を度々調整することにより対処していたが、度々調整するのは手間であるばかりか該調整の度に例えば露光時間の調整等ランプ位置以外の調整が必要であり結果として工数を非常に増加させていた。
【０００４】
そこで、該陰極先端の損耗を回避する方法として該陰極径を大きくし、該陰極先端の電流密度を低下させることが考えられる。しかし、電流密度を低下させると該輝点の輝度自体を低下させるといった問題がある。更には、放電状態が該陰極先端に局所的に偏ったアーク放電となったり、アーク放電が該陰極先端を激しく動きまわりアーク放電自体が安定しないといった問題があった。更に、このアーク放電自体の不安定により放射される光が非常に不安定となり、例えば露光機等では露光面での照度不均一による不具合の原因であり、投影機等では投影像のチラツキの原因となるといった問題があった。
【０００５】
更には、以下のような問題がある。該ショートアーク放電ランプで用いられる該陰極材料には通常質量％で２％の酸化トリウムが添加されたタングステン棒材、いわゆるトリエイテッドタングステン棒が使用される。この酸化トリウムは電子放射性物質であり、放電時に容易に電子を放出するために陰極先端全体にわたって時間的且つ空間的に均一に該酸化トリウムが供給されなければ輝点の広がりや収縮、更には局所的な放電の集中等が発生する。該酸化トリウムの供給は該タングステン材料の結晶粒界を通しての拡散による供給と該陰極表面に析出した該酸化トリウムの表面拡散による供給とがある。該表面拡散による供給に対しては、例えば特許第２７８２６１０号公報に記載されている様に該陰極の先端円錐部表面の一部に炭化処理を行うことが開示されている。しかし、該方法は該陰極側面に析出する酸化トリウムの量を高めるためのものであり、前記の表面拡散による供給は確保されるが、前記した結晶粒界による供給を確保するものではない。更に、該酸化トリウムの供給量の低下は陰極先端部の輝点広がりを起こし、逆に該酸化トリウムの供給量が過剰になると陰極先端部の輝点収縮やアーク放電のチラツキが発生するといった問題があった。
【０００６】
図５に従来のショートアーク放電ランプにおける点灯初期のアーク放電状態と陰極先端の結晶状態を示す。図５（ａ）は比較的先端形状が細い従来の陰極での放電状態と該陰極の結晶状態である。該陰極先端部での結晶粒径はリード棒側と同程度の比較的細かい結晶粒径である。このような比較的細かい結晶粒径では前記したように酸化トリウムの結晶粒界を通っての拡散による供給が活発であり、点灯初期には供給過剰の状態となっていた。そのため、アーク放電の状態は先端部全体を覆っているものの、該アーク放電の安定性は低かった。しかも、該陰極先端の径が細く、該陰極先端での電流密度が高い等のために該陰極先端部の損耗が激しく陰極先端位置後退等による光学系での極端な照度低下を起こしていた。そこで、図５（ｂ）には先端径状を（ａ）と比較して太くし該陰極にかかる電流密度を低下させることを試みた場合を示した。点灯初期の陰極先端部における結晶粒径は（ａ）の場合と同様にリード棒側と同程度の比較的細かい粒径であり（ａ）の場合と同様にアーク放電の安定性には欠けている。更に、図示したアーク放電は該陰極先端の一部に偏っている場合であり、該アーク放電が局所的に集中し固定されると却って該陰極先端の温度が不均一になり該陰極の損耗を助長する。更に、偏ったアーク放電が一定の箇所に固定されなければ放射される光が非常に不安定となり、露光機等では露光面での照度不均一による不具合の原因となり、投影機等では投影像のチラツキの原因となり問題であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ショートアーク放電ランプの陰極先端部の損耗を抑制し、且つアーク放電に偏りや該アーク放電自体のチラツキが少ないショートアーク放電ランプを実現することにより、該ショートアーク放電ランプを組み込んだ装置等の光照射面における照度低下やチラツキを防止する。更には長期間点灯した場合でも輝度の劣化が少なく、且つ安定した光放射が可能なショートアーク放電ランプを提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のショートアーク放電ランプは、概略球状の発光管を持ち、該発光管内部に陰極と陽極とが対向して配置されたショートアーク放電ランプにおいて、前記陰極は、最先端部から軸方向に０．１ｍｍ乃至３．０ｍｍの厚み部分における結晶粒が、先端径が１．５ｍｍの陰極の場合数個から十数個の複数の結晶粒でしめられる程度に、それよりも後方にある結晶粒よりも粗大化しており、かつ、当該部分に含有される電子放射性物質が０．１質量％以下であることを特徴とする。
【０００９】
更には、電子放射性物質として酸化トリウムを含有していることを特徴とする。
【００１０】
更には、該ショートアーク放電ランプの点灯時における陰極先端部の電流密度が３０Ａ／ｍｍ^２乃至１００Ａ／ｍｍ^２であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のショートアーク放電ランプの該略図を示す。石英ガラス製で概略球状のバルブ部１の両端に気密性を保つための略円筒状のシール部２、３がある。該シール部２，３はＭｏ等からなる金属箔を用いて該シール部の外径を成す石英管の内側でいわゆる箔シールされ外部と電極とを電気的に接続している。更に、該シール部２、３の各々には例えば真鍮等の金属からなる円筒状の口金４、５が連接されている。また、バルブ部１の内部には希ガスとして例えばＸｅガスが静圧で約１．５×１０^５Ｐａ充填され、該バルブ部１内に陽極６と陰極７とが対向して配置されている。該陽極６は外径２５ｍｍ全長３０ｍｍの概略円柱状であって該陽極６の先端部は円錐状に加工されており、最先端部にあたる該陽極の頭部には直径５ｍｍの円形状の平坦部を設けている。また、該陰極７は外径１５ｍｍの円柱状であって該陰極の先端部は頂部の角度が６０度の円錐状に加工されており、最先端部にあたる該陰極の頭部には直径１．５ｍｍの円形状の平坦部を設けている。該陽極６と該陰極７とは各々内部リード棒８、９により保持され、該内部リード棒８、９はシール部２、３によって保持されると共に気密性を保ちつつ外部と電気的に接続されている。本発明は、このようなショートアーク放電ランプに関するものであって、特に該陰極７に特徴を持つ。
【００１３】
図２に該陰極７の結晶状態を表す説明図を示す。該陰極７の円錐状に加工した先端部Ａ側から内部リード棒９の接続された側へ厚みｄのところまでタングステンの結晶粒が該リード棒９側の結晶粒に比べて粗大化している。請求項１にある陰極の先端部分とは、この結晶粒が粗大化している部分のことを言う。該粗大化の程度は例えば先端径が１．５ｍｍの陰極の場合数個から十数個の複数の結晶粒でしめられる程度の粗大化である。この程度の結晶粒粗大化が結晶粒界で拡散し供給される酸化トリウムの量として該酸化トリウムを枯渇させず且つ過剰供給にもならない適正量であり、安定したアーク放電を得るのに望ましい。
【００１４】
また、該陰極７の先端部である該粗大結晶粒に含有される酸化トリウムの量が質量％で０．１％以下となっている。該陰極７に用いられているトリエイテッドタングステンは酸化トリウムが質量％で約２％含有されたものであり、例えば該陰極７の内部リード棒９側では酸化トリウムが質量％で約２％含有された状態をそのまま保持している。しかし、該陰極先端においては該結晶粒径を粗大化させ、且つ該粗大化した結晶粒中に含有される酸化トリウムを質量％で０．１％以下とすることが必要である。更に点灯初期には該酸化トリウムが含有されていないことが望ましい。これは特に該ショートアーク放電ランプの点灯初期に過剰供給される酸化トリウムの効果を少なくするためである。また、該酸化トリウムの含有量が０．１％以上になると該酸化トリウムの過剰供給が起こりアーク放電の局所集中が起こる場合があった。
【００１５】
該陰極先端に形成された粗大化した結晶粒の厚みｄは、０．１ｍｍ乃至３．０ｍｍの範囲であるのが望ましく、該アーク放電が安定するために適当な範囲である。該厚みｄが０．１ｍｍ以下になると該陰極先端に形成された粗大化したタングステン結晶の結晶粒界から拡散によって供給される酸化トリウム量が過剰となり安定したアーク放電が得られない。また、逆に該厚みｄが３．０ｍｍ以上になると結晶粒界から供給される該酸化トリウムの量が不足し、該陰極先端の輝点が必要以上に広がり光学系に取り込んだ場合に光量が足らない等の不具合がある。
【００１６】
図２に示した実施例では該陰極の先端径はφ１．５ｍｍであり、点灯電流は約８８Ａ、陰極先端の電流密度は約５０Ａ／ｍｍ^２である。該電流密度は該陰極先端の損耗と深く関係しており、該陰極先端の電流密度は３０Ａ／ｍｍ^２乃至１００Ａ／ｍｍ^２の範囲が適当な値である。該電流密度が１００Ａ／ｍｍ^２以上と高くなると該陰極先端の温度が高くなり該陰極先端の損耗が激しくなる。また、３０Ａ／ｍｍ^２以下であれば、該陰極先端部全体に均一なアーク放電が広がらず、局所的にアーク放電が集中してしまい、安定した光が得られない。
【００１７】
該粗大結晶粒を作製するための直流放電処理装置の概略図を図３に示す。該処理装置は石英ガラス管からなる処理槽１０の一端に設けられた希ガス流入口１１から例えばＡｒなどの希ガスを数十秒間流入し該処理槽１０内の空気を該希ガスに置換する。該処理槽１０内には電極保持棒１２に差込み保持された前記ショートアーク放電ランプ用の陰極７が該装置のプラス電荷側（陽極側）に取り付けられている。また、該装置のマイナス電荷側（陰極側）には針状陰極１３が取り付けられ被処理物である該陰極７との位置を調整できるようになっている。該陰極７は電極保持棒１２で保持された状態で回転機構部１４、受電板１５、給電ブラシ１６を介して直流電源１７のプラス側に接続されている。更に、該直流電源のマイナス側は前記した針状電極１３の一端へ接続されている。
【００１８】
該粗大結晶粒は次のように作製できる。すなわち、直流放電処理装置に前記ショートアーク放電ランプ用の陰極７として使用するトリエイテッドタングステン製の電極を該装置の陽極側に取り付け、希ガスとして例えばＡｒガスを流し、該気流中で該陰極７を回転させながら該陰極７先端部と針状陰極１３との間に放電を発生させる。該陰極７は該直流放電処理装置において放電電流として例えば７０Ａを印加して加熱することによりタングステン材料の融点（約３３８０℃）まで昇温させる。該放電処理により被処理物である該陰極７の先端が溶融し該加熱処理後に粗大化した結晶粒が生成される。更に、該陰極７の先端の結晶粒の大きさは該直流放電処理装置での放電電流を制御し該陰極７の処理部分に相当する箇所の温度を変化させることにより可能である。例えば、約３０００℃への昇温期間を数秒維持後タングステン材料の融点まで昇温し該温度で数秒間維持するといった処理を数回繰り返すことにより調節できる。
【００１９】
また、該加熱処理により該陰極の先端部分が溶融させるので該陰極の母材であるトリエイテッドタングステンに含有されている酸化トリウムも該加熱処理と同時に蒸発して大半が該陰極外部へ放出される。これにより、該陰極先端部分に形成された粗大化した結晶粒中に含有される電子放射性物質である酸化トリウムの量は０．１％以下となる。該陰極の先端部分である粗大化した複数個の結晶粒からなる部分における酸化トリウムの含有量が少なくなるため該酸化トリウムが過剰供給することなく、且つ複数個の結晶粒の結晶粒界から粒界拡散によって該陰極の後方より供給される該酸化トリウムによって枯渇することもないので、安定したアーク放電を提供できる。
【００２０】
該陰極７を組み込んだショートアーク放電ランプについて従来の陰極を用いた場合との点灯比較を行った。該ショートアーク放電ランプにはバルブ内に水銀を３０ｍｇ／ｃｃ、希ガスとしてＸｅガスを静圧で２．０×１０^５Ｐａ封入している。また、該ランプの電極間距離は５ｍｍとし、入力電力４３００Ｗで点灯した。
【００２１】
該ショートアーク放電ランプを点灯した場合、陰極先端は点灯時間と伴に消耗し次第に丸みを帯びてくるため点灯初期と該陰極先端部の形状は大きく変化する。そこで、図４に示すように該陰極の先端の後退量や先端径の変化を規定し測定した。すなわち、図４（ａ）の陰極先端拡大図では、該先端径２１に陰極７の長軸方向である陰極軸２３に対して傾き４５°の仮想線２２からなる接線と該陰極７との交点を結んだ線を先端径２１として規定した。また、図４（ｂ）に記載したように先端の後退量は該陰極７ｂのリード棒側を基準にした陰極最先端部である同図の点Ｐ２までの距離Ｌ２と初期の陰極７ａの最先端部Ｐ１までの距離Ｌ１との差Ｌ３と規定して測定した。
【００２２】
図６に該陰極を用いたショートアーク放電ランプの点灯時間に対する先端後退量の比較図を示す。同図の縦軸は陰極先端の後退量を長さで表しており、横軸は該ショートアーク放電ランプの点灯時間である。点灯時間が約５００時間で従来の陰極先端後退量と比較すると約１／２の変化量である０．２ｍｍの後退量であった。
【００２３】
図７には該陰極を用いたランプの点灯時間に対する先端径の増大量比較図を示す。同図の縦軸は陰極先端径の増大量を相対値で表しており、横軸は該ショートアーク放電ランプの点灯時間を示している。点灯時間が約５００時間で従来陰極は初期に比べて先端径が約２倍に増大しているのに対して本発明の陰極では初期に比べて先端径は約１．２倍程度しか増大していなかった。
【００２４】
【発明の効果】
ショートアーク放電ランプの陰極先端部分に酸化トリウムの含有量が０．１％以下であるタングステン粗大結晶粒を形成することにより、該ショートアーク放電ランプの陰極先端の点灯による損耗が抑制される。更には、該ショートアーク放電ランプを組み込んだ装置において光学系焦点からの輝点のずれや輝点広がりによる照射面における照度低下が低減され長時間にわたり安定した輝度が得られるショートアーク放電ランプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のショートアーク放電ランプの概略図。
【図２】本発明に用いる陰極の結晶構造を示す概略図
【図３】本発明の陰極を放電処理する直流放電処理装置の概略図
【図４】点灯後の陰極先端径に関する概念図
【図５】従来のショートアーク放電ランプにおける陰極先端の結晶状態とアーク放電状態を示す説明図
【図６】本発明の実施のランプにおける点灯時間による陰極先端の損耗量比較図
【図７】本発明の実施のランプにおける点灯時間による陰極先端径増大量の比較図
【符号の説明】
１バルブ部
２、３シール部
４、５口金
６陽極
７、７ａ、７ｂ陰極
８、９内部リード棒
Ａ陰極先端部分
ｄ結晶粒の粗大化した厚み
１０処理槽
１１希ガス流入口
１２電極保持棒
１３針状陰極
１４回転機構
１５受電板
１６給電ブラシ
１７直流電源
２１先端径
２２陰極軸に対して４５°の仮想線
２３陰極軸
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２最先端部
Ｌ１、Ｌ２陰極先端までの距離
Ｌ３陰極後退距離

Claims

概略球状の発光管を持ち、該発光管内部に陰極と陽極とが対向して配置されたショートアーク放電ランプにおいて、
前記陰極は、最先端部から軸方向に０．１ｍｍ乃至３．０ｍｍの厚み部分における結晶粒が、先端径が１．５ｍｍの陰極の場合数個から十数個の複数の結晶粒でしめられる程度に、それよりも後方にある結晶粒よりも粗大化しており、かつ、当該部分に含有される電子放射性物質が０．１質量％以下であることを特徴とするショートアーク放電ランプ。
電子放射性物質として酸化トリウムを含有し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放電ランプ。
ショートアーク放電ランプの点灯時における陰極先端部の電流密度が３０Ａ／ｍｍ^２乃至１００Ａ／ｍｍ^２であ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放電ランプ。