JP4054198B2 - ショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線を照射することでワークに所定パターンを形成するために用いられるショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯に関するものである。
【０００２】
一般に、ワークとしてのウエハーに所定波長の紫外線を照射して所定パターンを形成することで半導体集積回路（ＩＣ）等を製造するために用いられる露光装置は、光源としてショートアーク型放電灯が使用されている。
【０００３】
このショートアーク型放電灯は、紫外線の中でもｉ線（中心波長３６５ｎｍ）の照射をワークに対して効率的に行うことができるものが使用されている。そして、ＩＣ技術の進歩は極めて早いので、ＩＣ製造には設備投資が大きく、かつ、価格競争が極めて激しい。したがって、製造コストの抑制がＩＣメーカの成功には不可欠であり、ＩＣ製造工程で使用される消耗品であるショートアーク型放電灯についても、長寿命化によるコスト低減の要求が厳しくなっている。
【０００４】
また、技術面では、対象となるＩＣの高集積化に伴って、露光時の解像度の要求も高くなっている。さらに、ワークを構成するウエハーの大口径化もあって、露光面積も大きくなり、あるいは高解像度達成のために利用されている光学系の構造上、光源から照射される紫外線放射量の増加が要求されている。
【０００５】
そのため、従来、ショートアーク型放電灯あるいはその電極の構造は、その照射する光線の高安定度、かつ、長寿命となるように様々なものが提案されている。なお、ショートアーク型放電灯を長寿命化、および、高安定度を維持させるためには、その電極形状や電極処理方法を改善することにより電極の消耗を低減させることで、照度維持率の低下抑制に効果が有ることが知られている。
【０００６】
例えば、ショートアーク型放電灯の電極形状には、特公昭３９−１１１２８号公報に記載されている点灯中の温度低下（放熱効果の向上）を狙ったヒートシンク構造（表面積増加）が提案されている。また、特許第２６０１４３５号公報に記載されている電極表面に炭化タンタルとタングステンの混合物からなる多孔質層を形成する方法や、さらに、特許第２９１５３６８号公報に記載されている微粒子状タングステン焼結層を形成する方法等が提案されている。
【０００７】
また、発光効率が高く、照度安定性の良い光源を得るため、例えば、特開２００１−１３５２７４号公報に開示されているように、希ガスとして高分子量の希ガスに体積比で約５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合し、これらの混合ガスの常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯が提案されている。
【０００８】
前記ショートアーク型放電灯は、希ガスを封入するための圧力が２気圧未満のショートアーク型放電灯に比べ、放射輝度が非常に高いため、陽極先端部がえぐれてしまうほど著しく消耗する。そして、ランプ入力の高入力化に伴い、ランプ電流の増大による消耗も著しい。そのため、ショートアーク型放電灯内のガス対流を考慮し電極の温度分布を最適化するための電極形状の設計も近年取り入れられている。
【０００９】
また、ショートアーク型放電灯の電極の製造時における処理方法においては、電極表面の酸化膜層の除去を目的とした水素中の熱処理（還元作用）や、また、電極内部のガス出しを目的とした高真空中での熱処理が行われている。特に、高真空中での熱処理はその温度がタングステンの再結晶化（結晶粒成長）の進行に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行っていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のショートアーク型放電灯の電極ならびにショートアーク型放電灯は、さらに改良する余地が存在した。すなわち、従来のショートアーク型放電灯およびその電極は、高真空中での熱処理温度がタングステンを主成分とする金属の再結晶化（粒成長）の進行に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行っていたが、特にアーク領域で最も輝度が高い位置（輝点）となる陰極先端部は、約２４００〜２７００℃またはそれ以上にも達しているため、製造時の熱処理温度が１６００〜２２００℃では電極の消耗が促進されてしまった。
【００１１】
また、ショートアーク型放電灯の点灯時において、陰極および陽極が約２４００〜２７００℃に達してしまうと、その陰極および陽極の再結晶化が促進されることにより、結晶間等に存在した不純物が放出されて発光管内の黒化を促進させてしまった。
【００１２】
従来のショートアーク型放電灯およびその電極は、陽極の先端部の構造が平坦形状又は膨出形状として形成されていることから、圧力が高くかつ高温状態となっている発光管内において、陰極から放出される電子の衝突により陽極の消耗が激しくなってしまった。
【００１３】
本発明は、前記の問題点に鑑み創案されたもので、高圧力及び高温であっても電極の消耗が抑制され、また、電極の再結晶化を抑制し、かつ、照度維持率に優れたショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク放電灯を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るショートアーク型放電灯の電極は、発光管内に水銀と希ガスを封入して用いるショートアーク型放電灯における前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる電極において、前記電極は、その陰極または陽極の少なくとも一方が３０ｐｐｍのカリウムを添加したタングステンからなり、かつ、製造時の真空中の熱処理温度をＴとし、前記カリウムを添加する陰極または陽極の少なくとも一方として用いられる金属の融点をＭＰとしたとき、２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲において真空中で熱処理されたことにより、前記熱処理された陰極または陽極の少なくとも一方の平均金属結晶粒径が０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下である構成とした。
【００１５】
このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯の電極は、点灯時にアーク領域で最も輝度が高い位置（輝点）となる陰極先端部が、約２４００〜２７００℃に達しても、陰極または陽極の少なくとも一方が、点灯中に達する温度に対応した温度範囲で製造時に熱処理されているため、再結晶化が最小限に抑制される。
【００１６】
また、発光管内に水銀と希ガスを封入して用いるショートアーク型放電灯における前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる電極において、前記電極は、その陰極または陽極の少なくとも一方が２質量パーセントのトリウムおよび３０ｐｐｍのカリウムを添加したタングステンからなり、かつ、製造時の真空中の熱処理温度をＴとし、前記トリウムおよび前記カリウムを添加する陰極または陽極の少なくとも一方として用いられる金属の融点をＭＰとしたとき、２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲において真空中で熱処理されたことにより、前記熱処理された陰極または陽極の少なくとも一方の平均金属結晶粒径が０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下である構成した。
【００１７】
さらに、ショートアーク型放電灯の電極において、前記陽極は、前記陰極に対向する先端部に凹部を設け、前記凹部が陽極と陰極とを結ぶ中心線の周りに形成された回転面として形成されることとした。このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯の電極は、陰極から陽極の凹部に向かって放射されたとき、電子に対して消耗することを最小限に抑制することが可能となる。
【００１８】
そして、ショートアーク型放電灯の電極において、前記陰極の先端部を点電荷Ｑとしたとき、陽極の先端部における電界の強さをＥとし、電極間の距離をＸとし、誘電率ε ０ としたとき、Ｅ＝Ｑ／（４πε ０ Ｘ ２ ）で示し、前記陽極の凹部における電界の強さＥを均等に近づける前記回転面として形成したこととした。
【００１９】
さらに、本発明に係るショートアーク型放電灯として次のように構成した。すなわち、請求項１ないし請求項４のいずれか一項の電極を有するショートアーク型放電灯であって、発光管内に水銀と希ガスを封入して前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる前記電極を有するショートアーク型放電灯として構成した。
【００２０】
このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯は、所定温度範囲により陰極または陽極の少なくとも一方が、真空中において所定温度範囲内で熱処理されているため、点灯中にその陰極または陽極あるいは両極が、アーク放電および希ガスの封入圧力等の影響により再結晶化することに対して最小限となる。
【００２１】
また、前記希ガスとして高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合したショートアーク型放電灯として構成した。
【００２２】
このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯は、比較的低分子量である希ガスの熱伝導率が、高分子量の希ガスに対して高いことにより、複数の希ガスの常温での封入圧力が２気圧以上となったとき、高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合して照度を向上させることが可能となる。
【００２３】
なお、前記ショートアーク放電灯において、前記高分子量の希ガスは、キセノン、クリプトン、アルゴンの少なくとも１種又はこれらの混合ガスとし、また、前記低分子量の希ガスは、ヘリウム、ネオンの少なくとも１種又はこれらの混合ガスとすると都合がよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）はショートアーク型放電灯の形状を断面にして模式的に示す側面図、（ｂ）はショートアーク型放電灯の電極構成を模式的に示す一部破断した側面図、（ｃ）は陽極の凹部の構成を示す側面図である。
【００２８】
図１に示すように、ショートアーク型放電灯２０は、石英ガラスなどの紫外線透過部材により形成された発光管１の内部に対向して配置させた陰極２および陽極３と、この陰極２および陽極３のそれぞれを支持する内部リード棒４，５と、この内部リード棒４，５の後部側に接続された金属箔８，９と、この金属箔８，９の後部側に接続される外部リード棒１０，１１とを備えており、内部リード棒４，５、金属箔８，９および外部リード棒１０，１１の位置を発光管１の封止部６，７および口金（図示せず）により封止して構成されている。
【００２９】
また、陰極２と陽極３は、その一方または両方の素材がタングステンの単体で形成される場合や、タングステン合金により形成されている。この陰極２と陽極３の少なくとも一方がタングステン合金で形成される場合は、例えば、タングステン粉末に所定量のカリウム粉末を添加して焼結して製造するものや、また、タングステン粉末に所定量のトリウム粉末を添加して焼結するものや、あるいは、タングステン粉末に所定量のカリウム粉末およびトリウム粉末を添加して焼結するもの等がある。
【００３０】
さらに、陰極２と陽極３の少なくとも一方は、製造時に真空中の熱処理温度をＴとし、それぞれの金属の融点をＭＰとしたとき２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲内において高真空中で熱処理されており、ここでは、一例として、２３００〜２９００℃としており、好ましくは２４００〜２９００℃としている。ショートアーク型放電灯２０の構成によっては、陰極２または陽極３の熱処理温度が２３００℃を超えた場合、あるいは、２４００℃を超えた場合であると、点灯中に再結晶化が最小限とすることができる。なお、ここで真空中とは、１３３×１０-3（Ｐａ）〜１３３×１０-6（Ｐａ）の範囲としている。
【００３１】
そして、陰極２または陽極３の少なくとも一方の熱処理時間としては、前記温度範囲において適宜選択して決められる。なお、好ましくは、熱処理時間は、５分から１８０分としている。熱処理時間が５分未満である場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃であっても、ショートアーク型放電灯２０を点灯させた際に、陰極２あるいは陽極３に使用されている金属が再結晶化（結晶粒成長）する可能性が高く、この再結晶化のときに放出される含有ガスにより発光管１内の黒化が促進されてしまう。また、熱処理時間が１８０分を超えた場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃のとき、その熱処理温度において平均金属結晶粒径の安定性および含有ガスの除去に関して飽和状態となる。
【００３２】
ショートアーク型放電灯２０は、陰極２および陽極３として選択される金属に対して、目的とする平均金属結晶粒径に応じて、前記温度範囲（２３００℃≦Ｔ＜ＭＰ）内において、真空中で熱処理してその陰極２および陽極３を構成している。なお、所定の平均金属結晶粒径を形成するのに十分な時間は、用いられる金属から構成された電極に対して、予備実験等により見出されている所定温度で熱処理した場合、放電灯の点灯時に再結晶されにくい安定した状態を維持できる時間である。
【００３３】
例えば、陰極２または陽極３の少なくとも一方の熱処理時間としては、前記温度範囲において適宜選択して決められ、陰極２または陽極３を構成する金属（タングステンまたはその合金）の種類および初期粒径に依存して適宜選択される。ここでは熱処理時間として５分から１８０分の範囲としている。熱処理時間が５分未満である場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃であっても、ショートアーク型放電灯２０を点灯させた際に、陰極２あるいは陽極３に使用されている金属が再結晶化（結晶粒成長）する可能性が高く、この再結晶化のときに放出される含有ガスにより発光管１内の黒化が促進されてしまう。また、熱処理時間が１８０分を超えた場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃のとき、その熱処理温度において平均金属結晶粒径の安定性および含有ガスの除去に関して飽和状態となる。
【００３４】
そして、ここでは、陰極２または陽極３の少なくとも一方の熱処理時間としては、処理しようとする陰極２または陽極３を構成する金属を用いた予備データ（予備実験）を参酌して定めている。
【００３５】
この予備データは、後記するように、図２ないし図５で示す、陰極２または陽極３を構成する金属と、熱処理温度、および平均結晶粒径の関係についての情報を備えていれば良い。なお、熱処理時間についての数値が分かっていればさらに適切な陰極２または陽極３を構成することができる。このような図２ないし図５の予備データがあれば、平均金属結晶粒径の安定している状態の熱処理温度（さらに時間）から適切な陰極２あるいは陽極３を構成することができる。
【００３６】
図２ないし図５に示すように、陰極２または陽極３に対して、製造時の真空中での熱処温度が高く、かつ熱処理時間が長い場合は、陰極２および陽極３の平均金属結晶粒径が成長して安定した粒径となると共に、素材が含有している含有ガスを熱処理中に放出する。そのため、ショートアーク型放電灯２０として点灯している際には、陰極２および陽極３により予期しなかった含有ガスを放出することがなく、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができる。
【００３７】
なお、陰極２および陽極３の素材は、タングステン（Ｗ）、タングステンにカリウム（Ｋ）をドーピングしたもの、あるいは、タングステンにトリウム（Ｔｈ）をドーピングした素材、さらに、タングステンにカリウムとトリウムをドーピングした素材とした場合を例に挙げて説明したが、もちろん、タングステンに他の組成がドーピングあるいは焼結または鋳造、鍛造して形成されてても構わず、前記した陰極２または陽極３の少なくとも一方を高真空中で熱処理する工程を行うことで陰極２および陽極３が安定した状態となる。
【００３８】
そして、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、陰極２と、陽極３との距離は、ショートアーク型放電灯２０において発光管内では、例えば、５．５ｍｍとしており、陰極２と対面する陽極３の所定位置に凹部３Ａが形成されている。この陽極３に形成されている凹部３Ａは、陰極２の先端からの距離がその凹部３Ａの曲面における各ポイントＰ0、Ｐ1…において、等距離Ｘ0，Ｘ1…となるように形成されている。
【００３９】
また、陰極２の先端部を点電荷Ｑとしたとき、陽極３の先端部における電界の強さをＥとし、電極間の距離をＸとし、誘電率ε0としたとき、Ｅ＝Ｑ／（４πε0Ｘ2）で示し、前記陽極の凹部における各点での電界の強さＥを均等に近づけるように、その陽極３の凹部３Ａの曲面を回転面として形成しても構わない。この凹部３Ａの回転面形状は、円弧の一部となる形状や、また、楕円の一部となる形状や、さらに、放物線の一部となる形状等であってもよい。
【００４０】
このように、陽極３の凹部３Ａにおいて、陰極２から電子が送られたときに、電界Ｅの強さが均等あるいは均等に近いため、凹部３Ａ面での電流密度が均等になり、その陽極３の消耗を最小限に抑えることが可能となる。なお、電界の強さＥを均等に近づけるとき、陰極２から陽極３の凹部３Ａ面までの距離Ｘが等しい状態となる場合もある。
【００４１】
さらに、ショートアーク型放電灯２０は、発光管１内に水銀および希ガスとして、キセノン、アルゴン、クリプトンのような比較的高分子量の希ガスと、ネオンまたはヘリウムのような比較的低分子量の希ガスを体積比で５〜４０％混合して混合希ガスが収納されている。そして、前記混合希ガスは、常温における圧力を２気圧以上で封入されており発光率を高くし、照度安定性を良くしている。この希ガスの種類についての一例は、表１に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
また、ここでは、ショートアーク型放電灯２０は、陽極３を上にして垂直方向に配置し、ランプ入力電力として３５００Wで点灯している。もちろん、ショートアーク型放電灯２０の点灯姿勢およびランプ入力電力は、特に限定されるものではない。
【００４４】
【実施例】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。また、予備実験としてここでは、図２ないし図５に示すように、試料１から試料４までのデータを揃えた。
【００４５】
予備実験方法としては、試料１（タングステン）、試料２（タングステンにトリウムを２質量パーセント添加）、試料３（タングステンに３０ｐｐｍのカリウム添加）、試料４（タングステンにトリウムを２質量パーセントと３０ｐｐｍのカリウム添加）（φ２０×３０ｍｍ）を洗浄（メタノール超音波洗浄１５分×２回）、水素処理（１０００℃×３０分）、および高温真空処理を行った。高温真空処理は、１６００℃、１９００℃、２２００℃、２５００℃、２７００℃でそれぞれ、１５分、６０分、１８０分加熱した。加熱速度は２０℃／分とした。なお、真空度は、１３３×１０-3（Ｐａ）〜１３３×１０-6（Ｐａ）の範囲で行った。
【００４６】
そして、分析機器として、デジタルマイクロスコープ、ＶＨ−６３００（株式会社キーエンス製）と、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、ＤＸ−７００（株式会社トプコン製）と、高温真空炉（大亜真空株式会社製）と、ダイヤモンドカッター、ＭＣ−１２２（株式会社マルトー製）を用いた。
【００４７】
さらに、高温真空処理後の各試料１〜４について、ダイヤモンドカッターで３０ｍｍの中央から切断した横断面と、直径方向に切断した縦断面において、ＳＥＭにより観察して横断面での結晶粒径を測定した。なお、平均金属結晶粒径は、その横断面において任意に選択した５つの結晶粒の平均値を取った。
【００４８】
つぎに、前記予備データの一具体例として以下に説明する。図２に示すように、試料１の場合では、０．１２５ｍｍ以上で０．１８５ｍｍ以下であること、あるいは下限値が０．１３ｍｍ以上とする平均金属結晶粒径であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．１２５ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径は、０．１８５ｍｍを超えて大きくなってもその平均金属結晶粒径が飽和状態に近くなる。なお、平均金属結晶粒径が０．１３ｍｍ以上である場合は、熱処理温度が２４００℃以上となり、点灯中に高温となる両極２，３の再結晶化がさらに起こりにくい状態となる。
【００４９】
また、図３に示すように、試料２の場合では、０．０３５（あるいは０．０４）ｍｍ以上で０．０６ｍｍ以下の平均金属結晶粒径であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．０３５ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径は、０．０６ｍｍを超えて大きくなった場合、その平均金属結晶粒径が熱に対して安定して飽和状態に近くなる。
【００５０】
そして、図４に示すように、試料３の場合では、平均金属結晶粒径は、０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．１４５ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径が、０．１８ｍｍを超えて大きくなった場合、その平均金属結晶粒径が熱に対して安定して飽和状態に近くなる。
【００５１】
さらに、図５に示すように、試料４の場合では、０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下の平均金属結晶粒径であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．０９ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径が、０．１４ｍｍを超えて大きくなった場合、その平均金属結晶粒径が熱に対して安定して飽和状態に近くなる。
【００５２】
つぎに、ショートアーク型放電灯の照度維持率について実験を行った。なお、電極は、陰極および陽極の両者と、陰極と陽極の少なくとも一方について照度維持率を測定した。
【００５３】
そして、第１実施例として、ショートアーク型放電灯の構成は、水銀量が、４．５ｍｇ／ｃｃとし、また、封入した希ガスとして高分子量のＡｒと、低分子量のＮｅを体積比で４０パーセント混合して封入した。また、陰極および陽極の距離を５．５ｍｍとし、ランプ入力を３５００Ｗで点灯させた。なお、試料４から陰極を構成し、試料３から陽極を構成し、それぞれ２３００℃で真空中で熱処理した（試料４は、タングステンに、トリウムを２質量パーセントと、カリウムを３０ｐｐｍ添加、試料３はタングステンにカリウムを３０ｐｐｍ添加）。そして、陽極は、図１（ｃ）に示すように、端面Ｄ１の直径は８ｍｍとし、球面状の凹部の直径Ｄ２の直径は６ｍｍとし、その凹部の深さ１ｍｍとした。
【００５４】
さらに、表２に示すように、高真空中の熱処理温度（℃）と、陽極先端部の凹部と、封入ガスの種類と気圧と、Nｅの体積比とを特定してショートアーク型放電灯を構成した。
また、図６に示すように、照度維持率と点灯時間（７５０時間）について測定した。照度は、ショートアーク型放電灯からＩＣ露光装置の露光面となる位置に照度計を配置してｉ線（中心波長３６５ｎｍ）の紫外線の初期における照度およびその照度安定性を測定した。なお、照度安定度は、「０」に近い数値が安定度について高いといえる。
【００５５】
【表２】
【００５６】
評価の結果、基準ランプＡに対して陽極先端部に凹部を設けたランプＡ４〜Ａ６は、陽極先端部に凹部が無いランプＡ１〜Ａ３と比較して、封入ガス圧に対する照度、照度安定性の傾向が同等であることが確認された。また、図６に示すように、ランプＡ４〜Ａ６は、ランプＡ１〜Ａ３と比較して、約１０％の照度維持率の向上が見られた。
【００５７】
また、第２実施例として、基準ランプＢは、陽極、陰極の高真空中の熱処理温度を共に２１００℃としている。そして、ランプＢ１〜Ｂ６は、陽極、陰極のいずれか一方について高真空中の熱処理温度を２３００℃、２５００℃、２７００℃で熱処理し、陽極の凹部が無い状態としてショートアーク型放電灯を構成した。なお、ランプＢ１〜Ｂ３は、陰極についてのみ高真空中で２３００℃、２５００℃、２７００℃で熱処理し、また、ランプＢ４〜Ｂ６は陽極についてのみ高温真空中で２３００℃、２５００℃、２７００℃で熱処理した。さらに、表３にないショートアーク型放電灯の他の構成（水銀封入量等）は、前記した構成と同じである。
【００５８】
【表３】
【００５９】
評価の結果、基準ランプＢに対してランプＢ１〜Ｂ６は、照度、照度安定性は同等であることが示されている。また、図７に示すように、照度維持率は、基準ランプＢに比較して、ランプＢ１〜Ｂ３が約３〜５％向上していることが示されている。さらに、図８に示すように、照度維持率は、基準ランプＢに比較して、ランプＢ４〜Ｂ６が約２〜３％向上していることが示されている。
【００６０】
第１実施例および第２実施例の結果から、表４に示す構成のランプＣとしたもで、図９に示すように、照度維持率を測定した。なお、表４にないショートアーク型放電灯の他の構成（水銀封入量等）は、前記した構成と同じである。
【００６１】
【表４】
【００６２】
図９に示すように、基準ランプＢに対して約１６％の照度維持率の向上が確認された。
なお、本実施例では、図６ないし図９に示す電極に対する熱処理時間は６０分として行ったが、これに限定されるものではない。また、陰極に対して試料４を用い、陽極に対して試料３を用いたが、他の試料あるいは他のタングステン合金を試料として予備データを揃えて用いても構わない。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成しているため以下の優れた効果を奏する。
（１）ショートアーク型放電灯およびその電極は、陽極または陰極の少なくとも一方がカリウムを添加したタングステンからなり、製造時の真空中の熱処理温度を２３００℃あるいは２４００℃から、用いられる金属の融点までの温度範囲において熱処理して平均金属結晶粒径が０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下である構成としているため、ショートアーク型放電灯に用いた場合、点灯時に電極が高温になっても、再結晶化されることおよび消耗されることを最小限に抑えることができ、所定の照度維持率を所定時間において保つことができる。
【００６４】
（２）ショートアーク型放電灯およびその電極は、陽極または陰極の少なくとも一方がトリウムおよびカリウムを添加したタングステンからなり、製造時の真空中の熱処理温度を２３００℃あるいは２４００℃から、用いられる金属の融点までの温度範囲において熱処理して平均金属結晶粒径が０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下である構成としているため、ショートアーク型放電灯に用いた場合、点灯時に電極が高温になっても、再結晶化されることおよび消耗されることを最小限に抑えることができ、所定の照度維持率を所定時間において保つことができる。
【００６５】
（３）ショートアーク型放電灯およびその電極は、その陽極が、前記陰極に対向する先端部に凹部を設けているため、所定の照度維持率を所定時間において保つことが可能となる。
【００６６】
（４）ショートアーク型放電灯およびその電極は、その陽極が、前記陰極に対向する先端部に凹部を設け、その凹部面が受ける電解の強さを均等に近づけるようにすることにより、電極の消耗を抑制して、更に発光効率が高く、照度安定性が良く、照度維持率を改善することができる。
（５）ショートアーク型放電灯およびその電極は、高い封入圧力における環境での電極の再結晶化および消耗を最小限に抑えることができ、また、さらに高い照度維持率を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るショートアーク型放電灯の形状を断面にして模式的に示す側面図、（ｂ）はショートアーク型放電灯の電極構成を模式的に示す一部破断した側面図，（ｃ）は陽極の凹部の構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図６】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【図７】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【図８】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【図９】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 陰極
３ 陽極
４ 内部リード棒
５ 内部リード棒
６ 封止部
７ 封止部
８ 金属箔
９ 金属箔
１０ 外部リード棒
１１ 外部リード棒
２０ ショートアーク型放電灯
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線を照射することでワークに所定パターンを形成するために用いられるショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯に関するものである。
【０００２】
一般に、ワークとしてのウエハーに所定波長の紫外線を照射して所定パターンを形成することで半導体集積回路（ＩＣ）等を製造するために用いられる露光装置は、光源としてショートアーク型放電灯が使用されている。
【０００３】
このショートアーク型放電灯は、紫外線の中でもｉ線（中心波長３６５ｎｍ）の照射をワークに対して効率的に行うことができるものが使用されている。そして、ＩＣ技術の進歩は極めて早いので、ＩＣ製造には設備投資が大きく、かつ、価格競争が極めて激しい。したがって、製造コストの抑制がＩＣメーカの成功には不可欠であり、ＩＣ製造工程で使用される消耗品であるショートアーク型放電灯についても、長寿命化によるコスト低減の要求が厳しくなっている。
【０００４】
また、技術面では、対象となるＩＣの高集積化に伴って、露光時の解像度の要求も高くなっている。さらに、ワークを構成するウエハーの大口径化もあって、露光面積も大きくなり、あるいは高解像度達成のために利用されている光学系の構造上、光源から照射される紫外線放射量の増加が要求されている。
【０００５】
そのため、従来、ショートアーク型放電灯あるいはその電極の構造は、その照射する光線の高安定度、かつ、長寿命となるように様々なものが提案されている。なお、ショートアーク型放電灯を長寿命化、および、高安定度を維持させるためには、その電極形状や電極処理方法を改善することにより電極の消耗を低減させることで、照度維持率の低下抑制に効果が有ることが知られている。
【０００６】
例えば、ショートアーク型放電灯の電極形状には、特公昭３９−１１１２８号公報に記載されている点灯中の温度低下（放熱効果の向上）を狙ったヒートシンク構造（表面積増加）が提案されている。また、特許第２６０１４３５号公報に記載されている電極表面に炭化タンタルとタングステンの混合物からなる多孔質層を形成する方法や、さらに、特許第２９１５３６８号公報に記載されている微粒子状タングステン焼結層を形成する方法等が提案されている。
【０００７】
また、発光効率が高く、照度安定性の良い光源を得るため、例えば、特開２００１−１３５２７４号公報に開示されているように、希ガスとして高分子量の希ガスに体積比で約５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合し、これらの混合ガスの常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯が提案されている。
【０００８】
前記ショートアーク型放電灯は、希ガスを封入するための圧力が２気圧未満のショートアーク型放電灯に比べ、放射輝度が非常に高いため、陽極先端部がえぐれてしまうほど著しく消耗する。そして、ランプ入力の高入力化に伴い、ランプ電流の増大による消耗も著しい。そのため、ショートアーク型放電灯内のガス対流を考慮し電極の温度分布を最適化するための電極形状の設計も近年取り入れられている。
【０００９】
また、ショートアーク型放電灯の電極の製造時における処理方法においては、電極表面の酸化膜層の除去を目的とした水素中の熱処理（還元作用）や、また、電極内部のガス出しを目的とした高真空中での熱処理が行われている。特に、高真空中での熱処理はその温度がタングステンの再結晶化（結晶粒成長）の進行に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行っていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のショートアーク型放電灯の電極ならびにショートアーク型放電灯は、さらに改良する余地が存在した。すなわち、従来のショートアーク型放電灯およびその電極は、高真空中での熱処理温度がタングステンを主成分とする金属の再結晶化（粒成長）の進行に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行っていたが、特にアーク領域で最も輝度が高い位置（輝点）となる陰極先端部は、約２４００〜２７００℃またはそれ以上にも達しているため、製造時の熱処理温度が１６００〜２２００℃では電極の消耗が促進されてしまった。
【００１１】
また、ショートアーク型放電灯の点灯時において、陰極および陽極が約２４００〜２７００℃に達してしまうと、その陰極および陽極の再結晶化が促進されることにより、結晶間等に存在した不純物が放出されて発光管内の黒化を促進させてしまった。
【００１２】
従来のショートアーク型放電灯およびその電極は、陽極の先端部の構造が平坦形状又は膨出形状として形成されていることから、圧力が高くかつ高温状態となっている発光管内において、陰極から放出される電子の衝突により陽極の消耗が激しくなってしまった。
【００１３】
本発明は、前記の問題点に鑑み創案されたもので、高圧力及び高温であっても電極の消耗が抑制され、また、電極の再結晶化を抑制し、かつ、照度維持率に優れたショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク放電灯を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るショートアーク型放電灯の電極は、発光管内に水銀と希ガスを封入して用いるショートアーク型放電灯における前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる電極において、前記電極は、その陰極または陽極の少なくとも一方が３０ｐｐｍのカリウムを添加したタングステンからなり、かつ、製造時の真空中の熱処理温度をＴとし、前記カリウムを添加する陰極または陽極の少なくとも一方として用いられる金属の融点をＭＰとしたとき、２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲において真空中で熱処理されたことにより、前記熱処理された陰極または陽極の少なくとも一方の平均金属結晶粒径が０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下である構成とした。
【００１５】
このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯の電極は、点灯時にアーク領域で最も輝度が高い位置（輝点）となる陰極先端部が、約２４００〜２７００℃に達しても、陰極または陽極の少なくとも一方が、点灯中に達する温度に対応した温度範囲で製造時に熱処理されているため、再結晶化が最小限に抑制される。
【００１６】
また、発光管内に水銀と希ガスを封入して用いるショートアーク型放電灯における前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる電極において、前記電極は、その陰極または陽極の少なくとも一方が２質量パーセントのトリウムおよび３０ｐｐｍのカリウムを添加したタングステンからなり、かつ、製造時の真空中の熱処理温度をＴとし、前記トリウムおよび前記カリウムを添加する陰極または陽極の少なくとも一方として用いられる金属の融点をＭＰとしたとき、２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲において真空中で熱処理されたことにより、前記熱処理された陰極または陽極の少なくとも一方の平均金属結晶粒径が０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下である構成した。
【００１７】
さらに、ショートアーク型放電灯の電極において、前記陽極は、前記陰極に対向する先端部に凹部を設け、前記凹部が陽極と陰極とを結ぶ中心線の周りに形成された回転面として形成されることとした。このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯の電極は、陰極から陽極の凹部に向かって放射されたとき、電子に対して消耗することを最小限に抑制することが可能となる。
【００１８】
そして、ショートアーク型放電灯の電極において、前記陰極の先端部を点電荷Ｑとしたとき、陽極の先端部における電界の強さをＥとし、電極間の距離をＸとし、誘電率ε ０ としたとき、Ｅ＝Ｑ／（４πε ０ Ｘ ２ ）で示し、前記陽極の凹部における電界の強さＥを均等に近づける前記回転面として形成したこととした。
【００１９】
さらに、本発明に係るショートアーク型放電灯として次のように構成した。すなわち、請求項１ないし請求項４のいずれか一項の電極を有するショートアーク型放電灯であって、発光管内に水銀と希ガスを封入して前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる前記電極を有するショートアーク型放電灯として構成した。
【００２０】
このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯は、所定温度範囲により陰極または陽極の少なくとも一方が、真空中において所定温度範囲内で熱処理されているため、点灯中にその陰極または陽極あるいは両極が、アーク放電および希ガスの封入圧力等の影響により再結晶化することに対して最小限となる。
【００２１】
また、前記希ガスとして高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合したショートアーク型放電灯として構成した。
【００２２】
このように構成されることにより、ショートアーク型放電灯は、比較的低分子量である希ガスの熱伝導率が、高分子量の希ガスに対して高いことにより、複数の希ガスの常温での封入圧力が２気圧以上となったとき、高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合して照度を向上させることが可能となる。
【００２３】
なお、前記ショートアーク放電灯において、前記高分子量の希ガスは、キセノン、クリプトン、アルゴンの少なくとも１種又はこれらの混合ガスとし、また、前記低分子量の希ガスは、ヘリウム、ネオンの少なくとも１種又はこれらの混合ガスとすると都合がよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）はショートアーク型放電灯の形状を断面にして模式的に示す側面図、（ｂ）はショートアーク型放電灯の電極構成を模式的に示す一部破断した側面図、（ｃ）は陽極の凹部の構成を示す側面図である。
【００２８】
図１に示すように、ショートアーク型放電灯２０は、石英ガラスなどの紫外線透過部材により形成された発光管１の内部に対向して配置させた陰極２および陽極３と、この陰極２および陽極３のそれぞれを支持する内部リード棒４，５と、この内部リード棒４，５の後部側に接続された金属箔８，９と、この金属箔８，９の後部側に接続される外部リード棒１０，１１とを備えており、内部リード棒４，５、金属箔８，９および外部リード棒１０，１１の位置を発光管１の封止部６，７および口金（図示せず）により封止して構成されている。
【００２９】
また、陰極２と陽極３は、その一方または両方の素材がタングステンの単体で形成される場合や、タングステン合金により形成されている。この陰極２と陽極３の少なくとも一方がタングステン合金で形成される場合は、例えば、タングステン粉末に所定量のカリウム粉末を添加して焼結して製造するものや、また、タングステン粉末に所定量のトリウム粉末を添加して焼結するものや、あるいは、タングステン粉末に所定量のカリウム粉末およびトリウム粉末を添加して焼結するもの等がある。
【００３０】
さらに、陰極２と陽極３の少なくとも一方は、製造時に真空中の熱処理温度をＴとし、それぞれの金属の融点をＭＰとしたとき２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲内において高真空中で熱処理されており、ここでは、一例として、２３００〜２９００℃としており、好ましくは２４００〜２９００℃としている。ショートアーク型放電灯２０の構成によっては、陰極２または陽極３の熱処理温度が２３００℃を超えた場合、あるいは、２４００℃を超えた場合であると、点灯中に再結晶化が最小限とすることができる。なお、ここで真空中とは、１３３×１０-3（Ｐａ）〜１３３×１０-6（Ｐａ）の範囲としている。
【００３１】
そして、陰極２または陽極３の少なくとも一方の熱処理時間としては、前記温度範囲において適宜選択して決められる。なお、好ましくは、熱処理時間は、５分から１８０分としている。熱処理時間が５分未満である場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃であっても、ショートアーク型放電灯２０を点灯させた際に、陰極２あるいは陽極３に使用されている金属が再結晶化（結晶粒成長）する可能性が高く、この再結晶化のときに放出される含有ガスにより発光管１内の黒化が促進されてしまう。また、熱処理時間が１８０分を超えた場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃のとき、その熱処理温度において平均金属結晶粒径の安定性および含有ガスの除去に関して飽和状態となる。
【００３２】
ショートアーク型放電灯２０は、陰極２および陽極３として選択される金属に対して、目的とする平均金属結晶粒径に応じて、前記温度範囲（２３００℃≦Ｔ＜ＭＰ）内において、真空中で熱処理してその陰極２および陽極３を構成している。なお、所定の平均金属結晶粒径を形成するのに十分な時間は、用いられる金属から構成された電極に対して、予備実験等により見出されている所定温度で熱処理した場合、放電灯の点灯時に再結晶されにくい安定した状態を維持できる時間である。
【００３３】
例えば、陰極２または陽極３の少なくとも一方の熱処理時間としては、前記温度範囲において適宜選択して決められ、陰極２または陽極３を構成する金属（タングステンまたはその合金）の種類および初期粒径に依存して適宜選択される。ここでは熱処理時間として５分から１８０分の範囲としている。熱処理時間が５分未満である場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃であっても、ショートアーク型放電灯２０を点灯させた際に、陰極２あるいは陽極３に使用されている金属が再結晶化（結晶粒成長）する可能性が高く、この再結晶化のときに放出される含有ガスにより発光管１内の黒化が促進されてしまう。また、熱処理時間が１８０分を超えた場合は、熱処理温度が２３００℃から２９００℃のとき、その熱処理温度において平均金属結晶粒径の安定性および含有ガスの除去に関して飽和状態となる。
【００３４】
そして、ここでは、陰極２または陽極３の少なくとも一方の熱処理時間としては、処理しようとする陰極２または陽極３を構成する金属を用いた予備データ（予備実験）を参酌して定めている。
【００３５】
この予備データは、後記するように、図２ないし図５で示す、陰極２または陽極３を構成する金属と、熱処理温度、および平均結晶粒径の関係についての情報を備えていれば良い。なお、熱処理時間についての数値が分かっていればさらに適切な陰極２または陽極３を構成することができる。このような図２ないし図５の予備データがあれば、平均金属結晶粒径の安定している状態の熱処理温度（さらに時間）から適切な陰極２あるいは陽極３を構成することができる。
【００３６】
図２ないし図５に示すように、陰極２または陽極３に対して、製造時の真空中での熱処温度が高く、かつ熱処理時間が長い場合は、陰極２および陽極３の平均金属結晶粒径が成長して安定した粒径となると共に、素材が含有している含有ガスを熱処理中に放出する。そのため、ショートアーク型放電灯２０として点灯している際には、陰極２および陽極３により予期しなかった含有ガスを放出することがなく、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができる。
【００３７】
なお、陰極２および陽極３の素材は、タングステン（Ｗ）、タングステンにカリウム（Ｋ）をドーピングしたもの、あるいは、タングステンにトリウム（Ｔｈ）をドーピングした素材、さらに、タングステンにカリウムとトリウムをドーピングした素材とした場合を例に挙げて説明したが、もちろん、タングステンに他の組成がドーピングあるいは焼結または鋳造、鍛造して形成されてても構わず、前記した陰極２または陽極３の少なくとも一方を高真空中で熱処理する工程を行うことで陰極２および陽極３が安定した状態となる。
【００３８】
そして、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、陰極２と、陽極３との距離は、ショートアーク型放電灯２０において発光管内では、例えば、５．５ｍｍとしており、陰極２と対面する陽極３の所定位置に凹部３Ａが形成されている。この陽極３に形成されている凹部３Ａは、陰極２の先端からの距離がその凹部３Ａの曲面における各ポイントＰ0、Ｐ1…において、等距離Ｘ0，Ｘ1…となるように形成されている。
【００３９】
また、陰極２の先端部を点電荷Ｑとしたとき、陽極３の先端部における電界の強さをＥとし、電極間の距離をＸとし、誘電率ε0としたとき、Ｅ＝Ｑ／（４πε0Ｘ2）で示し、前記陽極の凹部における各点での電界の強さＥを均等に近づけるように、その陽極３の凹部３Ａの曲面を回転面として形成しても構わない。この凹部３Ａの回転面形状は、円弧の一部となる形状や、また、楕円の一部となる形状や、さらに、放物線の一部となる形状等であってもよい。
【００４０】
このように、陽極３の凹部３Ａにおいて、陰極２から電子が送られたときに、電界Ｅの強さが均等あるいは均等に近いため、凹部３Ａ面での電流密度が均等になり、その陽極３の消耗を最小限に抑えることが可能となる。なお、電界の強さＥを均等に近づけるとき、陰極２から陽極３の凹部３Ａ面までの距離Ｘが等しい状態となる場合もある。
【００４１】
さらに、ショートアーク型放電灯２０は、発光管１内に水銀および希ガスとして、キセノン、アルゴン、クリプトンのような比較的高分子量の希ガスと、ネオンまたはヘリウムのような比較的低分子量の希ガスを体積比で５〜４０％混合して混合希ガスが収納されている。そして、前記混合希ガスは、常温における圧力を２気圧以上で封入されており発光率を高くし、照度安定性を良くしている。この希ガスの種類についての一例は、表１に示す。
【００４２】
【表１】
また、ここでは、ショートアーク型放電灯２０は、陽極３を上にして垂直方向に配置し、ランプ入力電力として３５００Wで点灯している。もちろん、ショートアーク型放電灯２０の点灯姿勢およびランプ入力電力は、特に限定されるものではない。
【００４４】
【実施例】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。また、予備実験としてここでは、図２ないし図５に示すように、試料１から試料４までのデータを揃えた。
【００４５】
予備実験方法としては、試料１（タングステン）、試料２（タングステンにトリウムを２質量パーセント添加）、試料３（タングステンに３０ｐｐｍのカリウム添加）、試料４（タングステンにトリウムを２質量パーセントと３０ｐｐｍのカリウム添加）（φ２０×３０ｍｍ）を洗浄（メタノール超音波洗浄１５分×２回）、水素処理（１０００℃×３０分）、および高温真空処理を行った。高温真空処理は、１６００℃、１９００℃、２２００℃、２５００℃、２７００℃でそれぞれ、１５分、６０分、１８０分加熱した。加熱速度は２０℃／分とした。なお、真空度は、１３３×１０-3（Ｐａ）〜１３３×１０-6（Ｐａ）の範囲で行った。
【００４６】
そして、分析機器として、デジタルマイクロスコープ、ＶＨ−６３００（株式会社キーエンス製）と、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、ＤＸ−７００（株式会社トプコン製）と、高温真空炉（大亜真空株式会社製）と、ダイヤモンドカッター、ＭＣ−１２２（株式会社マルトー製）を用いた。
【００４７】
さらに、高温真空処理後の各試料１〜４について、ダイヤモンドカッターで３０ｍｍの中央から切断した横断面と、直径方向に切断した縦断面において、ＳＥＭにより観察して横断面での結晶粒径を測定した。なお、平均金属結晶粒径は、その横断面において任意に選択した５つの結晶粒の平均値を取った。
【００４８】
つぎに、前記予備データの一具体例として以下に説明する。図２に示すように、試料１の場合では、０．１２５ｍｍ以上で０．１８５ｍｍ以下であること、あるいは下限値が０．１３ｍｍ以上とする平均金属結晶粒径であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．１２５ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径は、０．１８５ｍｍを超えて大きくなってもその平均金属結晶粒径が飽和状態に近くなる。なお、平均金属結晶粒径が０．１３ｍｍ以上である場合は、熱処理温度が２４００℃以上となり、点灯中に高温となる両極２，３の再結晶化がさらに起こりにくい状態となる。
【００４９】
また、図３に示すように、試料２の場合では、０．０３５（あるいは０．０４）ｍｍ以上で０．０６ｍｍ以下の平均金属結晶粒径であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．０３５ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径は、０．０６ｍｍを超えて大きくなった場合、その平均金属結晶粒径が熱に対して安定して飽和状態に近くなる。
【００５０】
そして、図４に示すように、試料３の場合では、平均金属結晶粒径は、０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．１４５ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径が、０．１８ｍｍを超えて大きくなった場合、その平均金属結晶粒径が熱に対して安定して飽和状態に近くなる。
【００５１】
さらに、図５に示すように、試料４の場合では、０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下の平均金属結晶粒径であると都合がよい。この平均金属結晶粒径は、０．０９ｍｍ未満であると、点灯中の熱により再結晶化が起こりやすい状態となり、所定の照度維持率を保ちながら所定時間点灯することができなくなる。また、平均金属結晶粒径が、０．１４ｍｍを超えて大きくなった場合、その平均金属結晶粒径が熱に対して安定して飽和状態に近くなる。
【００５２】
つぎに、ショートアーク型放電灯の照度維持率について実験を行った。なお、電極は、陰極および陽極の両者と、陰極と陽極の少なくとも一方について照度維持率を測定した。
【００５３】
そして、第１実施例として、ショートアーク型放電灯の構成は、水銀量が、４．５ｍｇ／ｃｃとし、また、封入した希ガスとして高分子量のＡｒと、低分子量のＮｅを体積比で４０パーセント混合して封入した。また、陰極および陽極の距離を５．５ｍｍとし、ランプ入力を３５００Ｗで点灯させた。なお、試料４から陰極を構成し、試料３から陽極を構成し、それぞれ２３００℃で真空中で熱処理した（試料４は、タングステンに、トリウムを２質量パーセントと、カリウムを３０ｐｐｍ添加、試料３はタングステンにカリウムを３０ｐｐｍ添加）。そして、陽極は、図１（ｃ）に示すように、端面Ｄ１の直径は８ｍｍとし、球面状の凹部の直径Ｄ２の直径は６ｍｍとし、その凹部の深さ１ｍｍとした。
【００５４】
さらに、表２に示すように、高真空中の熱処理温度（℃）と、陽極先端部の凹部と、封入ガスの種類と気圧と、Nｅの体積比とを特定してショートアーク型放電灯を構成した。
また、図６に示すように、照度維持率と点灯時間（７５０時間）について測定した。照度は、ショートアーク型放電灯からＩＣ露光装置の露光面となる位置に照度計を配置してｉ線（中心波長３６５ｎｍ）の紫外線の初期における照度およびその照度安定性を測定した。なお、照度安定度は、「０」に近い数値が安定度について高いといえる。
【００５５】
【表２】
評価の結果、基準ランプＡに対して陽極先端部に凹部を設けたランプＡ４〜Ａ６は、陽極先端部に凹部が無いランプＡ１〜Ａ３と比較して、封入ガス圧に対する照度、照度安定性の傾向が同等であることが確認された。また、図６に示すように、ランプＡ４〜Ａ６は、ランプＡ１〜Ａ３と比較して、約１０％の照度維持率の向上が見られた。
【００５７】
また、第２実施例として、基準ランプＢは、陽極、陰極の高真空中の熱処理温度を共に２１００℃としている。そして、ランプＢ１〜Ｂ６は、陽極、陰極のいずれか一方について高真空中の熱処理温度を２３００℃、２５００℃、２７００℃で熱処理し、陽極の凹部が無い状態としてショートアーク型放電灯を構成した。なお、ランプＢ１〜Ｂ３は、陰極についてのみ高真空中で２３００℃、２５００℃、２７００℃で熱処理し、また、ランプＢ４〜Ｂ６は陽極についてのみ高温真空中で２３００℃、２５００℃、２７００℃で熱処理した。さらに、表３にないショートアーク型放電灯の他の構成（水銀封入量等）は、前記した構成と同じである。
【００５８】
【表３】
評価の結果、基準ランプＢに対してランプＢ１〜Ｂ６は、照度、照度安定性は同等であることが示されている。また、図７に示すように、照度維持率は、基準ランプＢに比較して、ランプＢ１〜Ｂ３が約３〜５％向上していることが示されている。さらに、図８に示すように、照度維持率は、基準ランプＢに比較して、ランプＢ４〜Ｂ６が約２〜３％向上していることが示されている。
【００６０】
第１実施例および第２実施例の結果から、表４に示す構成のランプＣとしたもで、図９に示すように、照度維持率を測定した。なお、表４にないショートアーク型放電灯の他の構成（水銀封入量等）は、前記した構成と同じである。
【００６１】
【表４】
図９に示すように、基準ランプＢに対して約１６％の照度維持率の向上が確認された。
なお、本実施例では、図６ないし図９に示す電極に対する熱処理時間は６０分として行ったが、これに限定されるものではない。また、陰極に対して試料４を用い、陽極に対して試料３を用いたが、他の試料あるいは他のタングステン合金を試料として予備データを揃えて用いても構わない。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成しているため以下の優れた効果を奏する。
（１）ショートアーク型放電灯およびその電極は、陽極または陰極の少なくとも一方がカリウムを添加したタングステンからなり、製造時の真空中の熱処理温度を２３００℃あるいは２４００℃から、用いられる金属の融点までの温度範囲において熱処理して平均金属結晶粒径が０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下である構成としているため、ショートアーク型放電灯に用いた場合、点灯時に電極が高温になっても、再結晶化されることおよび消耗されることを最小限に抑えることができ、所定の照度維持率を所定時間において保つことができる。
【００６４】
（２）ショートアーク型放電灯およびその電極は、陽極または陰極の少なくとも一方がトリウムおよびカリウムを添加したタングステンからなり、製造時の真空中の熱処理温度を２３００℃あるいは２４００℃から、用いられる金属の融点までの温度範囲において熱処理して平均金属結晶粒径が０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下である構成としているため、ショートアーク型放電灯に用いた場合、点灯時に電極が高温になっても、再結晶化されることおよび消耗されることを最小限に抑えることができ、所定の照度維持率を所定時間において保つことができる。
【００６５】
（３）ショートアーク型放電灯およびその電極は、その陽極が、前記陰極に対向する先端部に凹部を設けているため、所定の照度維持率を所定時間において保つことが可能となる。
【００６６】
（４）ショートアーク型放電灯およびその電極は、その陽極が、前記陰極に対向する先端部に凹部を設け、その凹部面が受ける電解の強さを均等に近づけるようにすることにより、電極の消耗を抑制して、更に発光効率が高く、照度安定性が良く、照度維持率を改善することができる。
（５）ショートアーク型放電灯およびその電極は、高い封入圧力における環境での電極の再結晶化および消耗を最小限に抑えることができ、また、さらに高い照度維持率を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るショートアーク型放電灯の形状を断面にして模式的に示す側面図、（ｂ）はショートアーク型放電灯の電極構成を模式的に示す一部破断した側面図，（ｃ）は陽極の凹部の構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図３】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明に係るショートアーク型放電灯の電極の平均金属結晶粒径と熱処理温度の関係を示すグラフ図である。
【図６】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【図７】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【図８】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【図９】本発明に係るショートアーク型放電灯の照度維持率と点灯時間の関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 陰極
３ 陽極
４ 内部リード棒
５ 内部リード棒
６ 封止部
７ 封止部
８ 金属箔
９ 金属箔
１０ 外部リード棒
１１ 外部リード棒
２０ ショートアーク型放電灯
Claims (6)
- 発光管内に水銀と希ガスを封入して用いるショートアーク型放電灯における前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる電極において、
前記電極は、その陰極または陽極の少なくとも一方が３０ｐｐｍのカリウムを添加したタングステンからなり、かつ、
製造時の真空中の熱処理温度をＴとし、前記カリウムを添加する陰極または陽極の少なくとも一方として用いられる金属の融点をＭＰとしたとき、２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲において真空中で熱処理されたことにより、前記熱処理された陰極または陽極の少なくとも一方の平均金属結晶粒径が０．１４５ｍｍ以上で０．１８ｍｍ以下であることを特徴とするショートアーク型放電灯の電極。 - 発光管内に水銀と希ガスを封入して用いるショートアーク型放電灯における前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる電極において、
前記電極は、その陰極または陽極の少なくとも一方が２質量パーセントのトリウムおよび３０ｐｐｍのカリウムを添加したタングステンからなり、かつ、
製造時の真空中の熱処理温度をＴとし、前記トリウムおよび前記カリウムを添加する陰極または陽極の少なくとも一方として用いられる金属の融点をＭＰとしたとき、２３００℃≦Ｔ＜ＭＰの温度範囲において真空中で熱処理されたことにより、前記熱処理された陰極または陽極の少なくとも一方の平均金属結晶粒径が０．０９ｍｍ以上で０．１４ｍｍ以下であることを特徴とするショートアーク型放電灯の電極。 - 前記陽極は、前記陰極に対向する先端部に凹部を設け、前記凹部が陽極と陰極とを結ぶ中心線の周りに形成された回転面として形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のショートアーク型放電灯の電極。
- 前記陰極の先端部を点電荷Ｑとしたとき、陽極の先端部における電界の強さをＥとし、電極間の距離をＸとし、誘電率ε０としたとき、Ｅ＝Ｑ／（４πε０Ｘ２）で示し、前記陽極の凹部における電界の強さＥを均等に近づける前記回転面として形成したことを特徴とする請求項３に記載のショートアーク型放電灯の電極。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか一項の電極を有するショートアーク型放電灯であって、発光管内に水銀と希ガスを封入して前記発光管内に対向して配置される陰極および陽極からなる前記電極を有することを特徴とするショートアーク型放電灯。
- 前記希ガスとして高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合したことを特徴とする請求項５に記載のショートアーク型放電灯。
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