JP7479216B2 - 放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、露光装置などに光源として利用可能な放電ランプに関し、特に、揺らぎ（照度変動）を抑制するランプ構造に関する。

放電ランプでは、ランプ点灯中に電極先端部が高温となり、電極先端部の電極構成物質が溶融し、蒸発する。蒸発した電極構成物質が発光管内に付着すると黒化現象が生じ、ランプ照度が低下してランプ寿命が短くなる。また、酸化トリウムや酸化ランタンなどをドープした陰極の場合、高温になるとドープ材が早期に枯渇してアークに揺らぎが生じる。

このような黒化現象による照度低下、アークの揺らぎを抑制するため、放電管内で対向配置される陰極、陽極の位置をオフセット配置させる放電ランプが知られている（特許文献１参照）。そこでは、電極軸に沿った陽極の先端位置を、発光管の最大径位置よりも陰極側へシフトさせる。発光管の陰極シール部側との距離間隔が短くなることによって、陰極の温度上昇が抑えられる。

特許第５８５６３８０号公報

発光管内で陰極、陽極をオフセット配置すると、ランプ点灯中、放電管内での対流のバランスが崩れ、アークの揺らぎが発生する。特に、スペクトル光としてｉ線（波長３６５ｎｍ）を放射する放電ランプの場合、１３０Ａ以上の大電流が流れるため、陰極からのドープ材の蒸発が促進される。その結果、アークの揺らぎが顕著になる。

したがって、ｉ線を放射する放電ランプに対し、アークの揺らぎを抑えることが求められる。

本発明の放電ランプは、両端に向けて縮径し、１．５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入される発光管と、発光管内で同軸的に対向配置される陰極および陽極とを備え、ランプ電流が１３０Ａ以上のｉ線を放射する放電ランプとして構成され、陽極の先端側に形成された縮径部の電極軸に沿った先端位置が、発光管の最大径位置よりも陰極側にある。

本発明では、ｉ線放射の放電ランプにおいて陰極、陽極をオフセット配置した構成であり、発光管と陰極と陽極の電極軸方向断面において、陰極先端中心から電極軸に対する最大傾斜角度で縮径部の外郭ラインを通るまたは接する第１のラインと、第１のラインと発光管の内郭ラインとの交点を接点として発光管の内郭ラインと接する第２のラインとを引いたとき、第１のラインと第２のラインとの挟角θが、６０°以上となるように構成されている。

このような挟角θは、両端に向けて縮径する発光管の形状、電極のオフセット配置、陽極の先端部形状などに起因するｉ線放射の放電ランプ特有の技術的課題をベースにして初めて導かれたランプ構造であり、挟角θが、６０°以上となるように、陽極形状およびサイズ、発光管形状、電極間距離、電極のオフセット量など少なくともいずれか１つを構成（調整）することで実現できる。例えば、発光管形状に合わせて陽極形状を定めることができる。挟角θは、６５°以上７５°以下であることが好ましい。

陽極の先端部形状は様々に構成可能であり、例えば、円錐台形状や断面円弧状の曲面部を含む構成にすることが可能である。一方で、比較的大きな最大傾斜角度の確保と、陽極先端部付近でのガスの対流の安定化などを考慮すると、陽極の縮径部を複雑な形状にすることもできる。

例えば、陽極の縮径部において、アーク放電の一部を受ける表面部分として、先端側縮径部と後端側縮径部とを繋ぐ環状の平坦面を設けるようにすることができる。また、陽極の縮径部として、先端面を含む先端側縮径部と、先端側縮径部とは径変化の度合いが異なる後端側縮径部とを設けた構成にすることが可能である。

後端側縮径部の径変化の度合いが、先端側縮径部と比べて大きいようにすることで、最大傾斜角度を確保することができる。後端側縮径部が、断面円弧状の曲面部を含む場合、その曲率を調整することによって、最大傾斜角度を自在に設定することもできる。

陽極については、ガスの流れをガイドする形状として、後端側縮径部の電極軸方向長さを、先端側縮径部の電極軸方向長さより長くするように構成することもできる。

本発明によれば、ｉ線を放射する放電ランプに対し、アークの揺らぎを抑えることができる。

第１の実施形態である放電ランプの平面図である。 放電ランプの部分的断面図である。 第２の実施形態である放電ランプの部分的断面図である。 第３の実施形態である放電ランプの部分的断面図である。 挟角θに対する揺らぎの値をプロットしたグラフを示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

ショートアーク型放電ランプ１０は、高輝度の光を出力可能な大型放電ランプであり、透明な石英ガラス製の発光管（放電管）１２を備え、発光管１２内には、一対の電極２０、３０が対向配置される。発光管１２の両側には、石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが発光管１２と連設し、一体的に形成されている。

発光管１２は、封止管１３Ａ、１３Ｂに向けて縮径した対称的形状であり、ここでは断面楕円状に形成されている。発光管１２内の放電空間ＤＳには、水銀と、ハロゲンやアルゴンガスなどの希ガスが封入されている。

陰極である電極２０は、電極支持棒１７Ａによって支持されている。封止管１３Ａには、電極支持棒１７Ａが挿通されるガラス管（図示せず）と、外部電源と接続するリード棒１５Ａと、電極支持棒１７Ａとリード棒１５Ａを接続する金属箔１６Ａなどが封止されている。陽極である電極３０についても同様に、電極支持棒１７Ｂが挿通されるガラス管（図示せず）、金属箔１６Ｂ、リード棒１５Ｂなどのマウント部品が封止されている。封止管１３Ａ、１３Ｂの端部には、口金１９Ａ、１９Ｂがそれぞれ取り付けられている。

一対の電極２０、３０に電圧が印加されると、電極２０、３０との間でアーク放電が発生し、発光管１２の外部に向けて光が放射される。ここでは、１ｋＷ以上の電力が投入される。発光管１２から放射された光は、反射鏡（図示せず）によって所定方向へ導かれる。例えば露光装置に放電ランプ１０が組み込まれた場合、放射光はパターン光となって基板などに照射される。

本実施形態のショートアーク型放電ランプ１０は、ｉ線（３６５ｎｍ）の光をスペクトル光として放射可能な放電ランプであり、放電空間ＤＳには１．５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀が封入され、１３０Ａ以上の電流で点灯させる。以下詳述するように、本実施形態の放電ランプ１０では、ランプ点灯中、黒化現象を防ぐとともに、ガスの対流を安定させてアークの揺らぎを抑制している。

図２は、放電ランプ１０の部分的断面図である。ここでは、電極支持棒１７Ａ、１７Ｂについて図示していない。

陰極２０は、先端面２０Ｓを有するテーパー状の縮径部２２と柱状の胴体部２４から構成され、陽極３０も、先端面３０Ｓを有するテーパー状の縮径部３２と、柱状の胴体部３４から構成されている。陰極２０と陽極３０は、所定の距離間隔Ａをあけて対向配置されている。また、陰極２０および陽極３０は、発光管軸（ランプ軸）と電極軸Ｅとが一致するように同軸的に配置されている。

陽極３０の先端面３０Ｓは、その電極軸Ｅに沿った位置が発光管最大径の位置Ｍよりも陰極側にあり、陰極２０および陽極３０は、発光管１２に対し、電極軸Ｅに沿ってオフセット配置されている。発光管最大径の位置Ｍと、陽極３０の先端面３０Ｓとの距離間隔Ｄは、発光管１２、陰極２０、陽極３０のサイズ、形状などに基づいて定められる。

陰極２０、陽極３０がオフセット配置されることにより、陰極２０と封止管側の発光管１２の内面１２Ｐとの距離間隔が短くなる。陰極２０が、比較的低温の封止管側の発光管内面１２Ｐに近づくため、そこで冷却された対流するガスが陰極２０の先端面２０Ｓを含めた縮径部２２を冷却する。

一方、陰極２０、陽極３０のオフセット配置により、陰極２０、陽極３０、発光管１２との間のガスの対流を生じさせるスペースＳＰも、オフセット配置に合わせて陰極側に形成される。このとき、電極支持棒１７Ｂ側へ向けて多くのガスが流れていくと、スペースＳＰにおけるガスの対流が安定せず、アークの揺らぎが生じてしまう。これを抑えるため、以下を満たすランプ構造が採用される。

すなわち、電極軸Ｅを含めた発光管１２、陰極２０、陽極３０の断面において、まず、陰極２０の先端中心Ｃから陽極３０の縮径部３２の外郭ラインＴを通る直線（以下、第１のラインという）Ｌ１を規定する。縮径部３２の外郭ラインＴは、陽極３０と交差する他の外郭ラインと比べ、陰極２０の先端中心Ｃから電極Ｅに対する傾斜角度αが大きく、最大傾斜角度となるラインであり、ここでは縮径部３２の先端面３０Ｓを除いた外表面に相当する。

次に、第１のラインＬ１と発光管内面１２Ｐの断面に沿ったライン（以下、内郭ラインという）Ｎとの交点を接点Ｐとし、接点Ｐを通り内郭ラインＮと接するライン（以下、第２のラインという）Ｌ２を規定する。そして、第１のラインＬ１、第２のラインＬ２とのなす角（以下、挟角という）θが、６０°以上になっている。

挟角θが６０°以上の場合、発光管内面１２Ｐに衝突したガスの多くは、陰極側（下方）へ流れ、陰極２０の縮径部２２、陽極３０の縮径部３２、発光管１２との間のスペースＳＰにおける対流が発光管１２の内部において支配的になる。対流が安定化することによってアークが乱れず、アークの揺らぎを抑えることができる。その結果、電極変形が抑えられ、ランプ寿命が延びる。

また、陰極２０、陽極３０のオフセット配置により、光の有効放射範囲も発光管１２に対して陰極側にオフセットする。そのため、黒化現象が生じても、比較的温度の低い発光管１２の電極支持棒１７Ｂ側に生じるため、有効放射範囲外となって黒化現象による照度低下を防ぐことができる。

挟角θを６０°以上にすることは、陽極３０の縮径部３２の形状を調整することによって実現できる。また、縮径部３２の形状だけでなく、電極間距離Ａ、距離間隔Ｄ、発光管１２の形状（曲率）の少なくともいずれかを調整してもよい。

より好ましくは、挟角θを６５°以上、７５°以下に定めるのが良い。６５°以上にすることで、ガスの対流がより安定化する。一方、陽極３０の縮径部３２の傾斜角度を大きくしすぎると、縮径部３２によって光が遮られ、照度が落ちる。また、電極間距離Ａと発光管１２の形状（曲率）の変更には、ランプ性能の維持のため制限がある。そのため、７５°以下にするのがよい。

陽極３０の縮径部３２は、ここでは円錐台形状であるためにテーパー角度が一定であるが、一定に径の大きさが変化する構成に限定されず、挟角θを６０°以上にする（スペースＳＰに支配的な対流を生じさせる）形状であればよい。例えば、断面円弧状の曲面部を形成してもよく、あるいは砲弾形状にしてもよい。この場合、第１のラインＬ１を、最大傾斜角度αで陽極３０の縮径部３２の外郭ラインＴと接するラインとして規定すればよい。

このように本実施形態のｉ線を放射する放電ランプ１０では、発光管１２内で陰極２０と陽極３０とを電極軸Ｅに沿ってオフセット配置する。そして、陰極先端中心Ｃから電極軸Ｅに対する最大傾斜角度αで陽極３０の縮径部３２の外郭ラインを通る第１のラインＬ１と、第１のラインＬ１と発光管１２の内郭ラインＮとの交点を接点Ｐとして発光管内郭ラインＮと接する第２のラインＬ２とを規定したとき、第１のラインＬ１と第２のラインＬ２との挟角θが、６０°以上になっている。

次に、図３を用いて第２の実施形態である放電ランプについて説明する。第２の実施形態では、縮径部が多段構成されている。なお、同一の構成部分については、第１の実施形態と同じ符号を用いている。

図３は、第２の実施形態である放電ランプの部分的断面図である。

放電ランプ１０’は、陰極２０、陽極１３０とを備え、陽極１３０の縮径部１３２は、先端面１３０Ｓを含む先端側縮径部１３２Ａと、その後方側（電極支持棒側）の後端側縮径部１３２Ｂとから構成されている。陰極２０、陽極１３０は、第１の実施形態と同様、電極軸Ｅに沿ってオフセット配置されている。

先端側縮径部１３２Ａのテーパー角度は、後端側縮径部１３２Ｂのテーパー角度よりも大きく、縮径部１３２は多面形状となっている。そのため、陰極２０の先端中心Ｃから先端側縮径部１３２Ａと後端側縮径部１３２Ｂとの境部分１３２Ｔを通るラインが、最大傾斜角度αをもつ第１のラインＬ１として規定される。そして、第１の実施形態と同様、第１のラインＬ１と第２のラインＬ２との挟角θが、６０°以上になっている。

このような縮径部１３２の形状によっても、ガスの対流が安定し、アークの揺らぎを抑えることができる。また、先端側縮径部１３２Ａのテーパー角度を後端側縮径部１３２Ｂのテーパー角度よりも相対的に大きくすることで、熱容量を確保しつつ、後端側縮径部１３２Ｂによって光が遮られるのを抑制できる。

なお、後端側縮径部１３２Ｂのテーパー角度を相対的に大きくするようにしてもよい。上述した断面円弧状の曲面部、砲弾形状を、先端側縮径部、あるいは後端側縮径部に適用する場合、その径の変化の度合いが先端側縮径部と後端側縮径部との間で相違すればよい。

次に、図４を用いて第３の実施形態である放電ランプについて説明する。第３の実施形態では、異なる表面形状を組み合わせた縮径部で構成されている。

図４は、第３の実施形態である放電ランプの部分的断面図である。

放電ランプ１０”は、陰極２０と陽極２３０を備え、陽極２３０は、先端面２３０Ｓを含む縮径部２３２と胴体部２３４から構成されている。陰極２０、陽極２３０は、第１、第２の実施形態と同様、電極軸Ｅに沿ってオフセット配置されている。

縮径部２３２は、円錐台形状の先端側縮径部２３２Ａと、断面円弧状の曲面部分を有する後端側縮径部２３２Ｂとを有し、また、先端側縮径部２３２Ａと後端側縮径部２３２Ｂとの間には、環状の平坦部２３３が形成されている。

陰極２０の先端中心Ｃから最大傾斜角度αで後端側縮径部２３２Ｂの外郭ラインＴと接する第１のラインＬ１が規定され、第１のラインＬ１と第２のラインＬ２との挟角θが、６０°以上になる。また、後端側縮径部２３２Ｂの電極軸Ｅに沿った長さＢ２は、先端側縮径部２３２Ａの電極軸Ｅに沿った長さＢ１よりも長い。

このように、先端側縮径部２３２Ａ、平坦部２３３、後端側縮径部２３２Ｂで縮径部２３２を構成することにより、陽極２３０によって遮られる光の範囲を狭めることができる一方、胴体部２３４付近で発光管１２側へ径を急激に拡大させる形状によって、安定したガスの対流を実現させることができる。特に、後端側縮径部２３２Ｂが断面円弧状になっているため、後端側縮径部２３２Ｂに沿ってガスが流れやすい。さらに、環状の平坦部２３３を形成することにより、アーク放電を受ける表面積が増えて先端磨耗が抑えられ、アーク放電の安定性を向上させることができる。そして、後端側縮径部２３２Ｂの電極軸Ｅに沿った長さＢ２を先端側縮径部２３２Ａの電極軸Ｅに沿った長さＢ１より長くすることによって、ガスが陽極側面に沿って流れ、対流が安定する。

以下では、実施例である放電ランプを用いて、挟角θと揺らぎとの関係について説明する。

実施例である放電ランプは、第１の実施形態に相当する放電ランプであり、陰極、陽極が発光管内においてオフセット配置されている。例えば、電極形状は縮径部が円錐台形状あるいは砲弾形状であり、オフセット量は５～１３ｍｍの範囲で製造されている。そして、６０°以上の範囲で挟角θの異なる放電ランプを用意し、揺らぎを測定した。また、比較例として、電極形状が砲弾形状で、オフセット量を１３ｍｍとした、６０°より小さい挟角（５９°）の放電ランプを用意し、揺らぎを測定した。

図５は、挟角θに対する揺らぎの値をプロットしたグラフを示した図である。各放電ランプに対して所定時間点灯後に揺らぎを測定し、測定した中で最大の揺らぎ数値を基準としたときの百分率を揺らぎの値（％）として表している。ここでは、比較例の放電ランプで測定したときの揺らぎが基準値となる。

図５に示すように、挟角θが６０°以上になると揺らぎ数値が下がり、揺らぎが抑えられていることがわかる。また、図５に収まらない６６°を越えた範囲においては、揺らぎが７０°に近づくほど下がり続けて７０°付近で最も抑えられ、７０°～７５°の範囲では揺らぎが略同じとなった。したがって、６０°～７５°の範囲で有効であることが確かめられた。

１０ 放電ランプ
２０ 陰極
３０ 陽極
３２ 縮径部

Claims (7)

1. 両端に向けて縮径し、１．５ｍｇ／ｃｃ以上の水銀と、希ガスが封入され、断面形状が楕円状となる発光管と、
   前記発光管内で同軸的に対向配置される陰極および陽極とを備え、
   ランプ電流が１３０Ａ以上であって、３６５ｎｍの光をスペクトル光として放射し、
   前記陽極の先端側に形成された縮径部の電極軸に沿った先端位置が、前記発光管の最大径位置よりも、５ｍｍ～１３ｍｍの範囲のオフセット量の分だけ陰極側にあり、
   前記発光管と前記陰極と前記陽極の電極軸方向断面において、陰極先端中心から電極軸に対する最大傾斜角度で前記縮径部の外表面に相当する外郭ラインを通る、または該外表面と接する外郭ラインとして規定される第１のラインと、前記第１のラインと前記発光管の内郭ラインとの交点を接点として前記発光管の内郭ラインと接する第２のラインとを引いたとき、前記第１のラインと前記第２のラインとの挟角θが、６０°以上７５°以下となるように、少なくとも前記陽極の形状およびサイズと、前記オフセット量とが調整されていることを特徴とする放電ランプ。
2. 前記陽極の縮径部の形状が、円錐台形状、断面円弧状の曲面形状、または砲弾形状であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
3. 前記陽極の縮径部が、先端面を含む先端側縮径部と、前記先端側縮径部とは径変化の度合いが異なる後端側縮径部とを有することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ。
4. 前記後端側縮径部の径変化の度合いが、前記先端側縮径部と比べて大きいことを特徴とする請求項３に記載の放電ランプ。
5. 前記後端側縮径部が、断面円弧状の曲面部を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の放電ランプ。
6. 前記縮径部が、前記先端側縮径部と前記後端側縮径部とを繋ぐ環状の平坦面を有することを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の放電ランプ。
7. 前記後端側縮径部の電極軸方向長さが、前記先端側縮径部の電極軸方向長さより長いことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の放電ランプ。

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