JPH0787091B2 - ショートアーク放電灯 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体電子回路の回路パターン焼付け用露光
装置やUVスポットキュアなどのような照明光学系の光源
として使用されるショートアーク放電灯に関する。

（従来の技術） 一般に超高圧水銀ランプやキセノン−水銀ランプなどの
ショートアーク放電灯は、アークが小さくて点光源に近
い紫外線ランプであることから、反射鏡等の光学系と組
合わせて精密な産業用機器に使用されている。

例えば、半導体電子回路の回路パターンを焼付けるため
に使用される露光装置は、特開昭60−57930号公報にも
記載されているが、第２図に示すように、光源としての
ショートアーク水銀灯１を回転２次曲面からなる反射鏡
21の略焦点位置に設置し、このショートアーク放電灯１
から出る光を上記反射鏡21により集光させ、この反射光
を平面反射鏡22にて照射方向を変更して集光レンズ23を
通し、この集光レンズ23でさらに集光した光をフォトマ
スク24を通して被照射面25、例えば紫外線感光性樹脂を
被覆した半導体ウエハーの表面に照射するようになって
いる。

したがって、ショートアーク水銀灯１から放射される紫
外線により半導体ウエハー25の表面にはフォトマスク24
に対応したパターンが焼付けられる。

光源として用いられるショートアーク水銀灯１は、第３
図に示すように、石英ガラスよりなる発光管バルブ２の
両端を気密に閉止し、これら両端にそれぞれ口金３、４
を取付けて構成してある。発光管バルブ２内には両端に
電極支持棒５、６が封着されており、これら電極支持棒
５、６の先端には、直流点灯が主流であるから、陽極
（アノード）７および陰極（カソード）８が形成されて
いる。これら陽極７および陰極８は発光管バルブ２の中
央部分で微少距離を存して対向されている。これら陽極
７および陰極８間でショートアークの放電がなされるた
め発光管バルブ２の形状は、中央部分が球または楕円球
形状に脹らんだ構造となし、耐圧強度の向上を図ってい
る。

ところで、最近の産業用分野においては、微小加工の精
度が年々増加しており、より高性能な加工精度が要求さ
れ、かつ生産性向上の面からもより高効率が要求されて
きている。例えば上記半導体製造の分野でも、超LSIの
一層の高集積化が進められており、このため露光の高効
率化が要求されるようになっている。

露光効率を高める手段としては、光強度を高くするこ
と、すなわち被照射面25における明るさを向上させるこ
とが望まれる。

被照射面25の明るさを上昇させるには、反射鏡21やレン
ズ23による集光性を高めて器具効率を上げること、およ
び光源としてのランプの出力を向上させることが考えら
れる。

器具効率の改善は、従来から種々の努力がなされてお
り、すでに一定技術水準に達していると認められる。

これに対してランプの改良は未だ充分の余地を残してい
る。

すなわち、ランプ側の観点から露光効率を高めようとす
れば、従来では発光強度を強くすればよいと考えられて
おり、発光効率に優れかつ光出力の大きなランプの開発
および使用に注意が注がれていた。

しかしながら、ランプは一般に高出力化しようとする
と、大ワット化する傾向にあり、このような場合、必ず
やランプは大形化に向かうものである。

（発明が解決しようとする課題） すなわち、ランプの発光出力を増加させるためにランプ
入力を大きくするとバルブ形状が大形化し、アーク径が
太くなる。

本発明者らの研究によれば、ランプ入力を増しアークを
大きくして発光量を増加させようとしても、このランプ
を反射鏡21の焦点位置に設置した場合にそのアークが焦
点位置からはみ出すことになり、すなわちアークが点光
源にならず、反射鏡21や集光レンズ23による集光性が低
下し、被照射面25で光が拡散してしまい、むしろ被照射
面25の光強度が低下する場合があることが判明した。

逆に、アークを小さくして点光源に近づける方が、ラン
プの発光出力は若干低下しても、アークが反射鏡21の焦
点位置に高精度に設置され、反射鏡21や集光レンズ23に
よる集光性が向上して、被照射面25の光強度が増大する
場合があることが判った。

また、ランプの大形化は輻射熱の増大を招き、照明装置
に冷却対策などが必要となるから装置の大型化、高価格
化につながり、現存する装置が使用できなくなる等の問
題がある。

本発明は、ランプ単体の効率はこれが若干劣化すること
があってもアークの広がりを小さくすることにより反射
鏡等の光学系と組合わせた場合のトータル効率が向上す
るショートアーク放電灯を提供しようとするものであ
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明においては、光源から出た光を反射鏡およびレン
ズを介して被照射面に照射させる光学系における上記光
源として用いられ、発光管バルブ内に一対の電極を設け
るとともに、この発光管バルブ内に水銀および希ガスを
封入したショートアーク放電灯において、始動直後に発
生する最も高い電位のランプ電圧をＶSL（Ｖ）、安定点
灯時のランプ電圧をＶL（Ｖ）、電極間距離をｌ（m
m）、発光管バルブの電極間距離の中心部に位置する箇
所の内径をＤ（cm）、安定点灯時のランプ電力をＷL（K
W）とした場合、 に規制したことを特徴とする。

（作用） 本発明は前述したように、アークの広がりを小さくして
点光源に近づける方が、ランプの発光出力は若干低下し
ても、アークが反射鏡の焦点位置に高精度に設置される
ため反射鏡やレンズによる集光性がむしろ向上し、被照
射面の光強度が増大する場合があることに注目してなさ
れたもので、アークをどの程度まで小さくすればよいか
検討した結果のものである。

すなわち、本発明者等の研究・実験によれば、電極間距
離を従来と同等にして電位傾度を下げるとともに発光管
バルブの内径を小さくすれば、若干発光強度は低下する
もののアーク長さは従来と同等でアーク径が細くなり、
点光源に近くなる。よって、本発明はこのようなランプ
を反射鏡およびレンズと組合わせて使用した場合、トー
タル効率が従来よりも向上する範囲を、電位傾度と発光
管バルブの内径とをパラメータとして数値的に規制した
ものである。

（実施例） 以下本発明について、第１図に示す一実施例にもとづき
説明する。

第１図に示すショートアーク水銀灯はランプ入力500W定
格のものであり、図において10は石英ガラスよりなる発
光管バルブであり、この発光管バルブ10の両端は気密に
閉止され、これら両端には従来と同様に口金３、４が取
付けられている。

この発光管バルブ10には両端に電極支持棒５、６が封着
されており、これら電極支持棒５、６の先端には、比較
的大形の陽極11およびこれより小形の陰極12が形成され
ている。陽極11は純タングステンから構成されていると
ともに、陰極12は例えば２％のトリアを含有したタング
ステン製の上記電極支持棒６に純タングステン製のコイ
ル12aを巻装してなり、この電極コイル12aのコイル間に
はThO₂のエミッタが塗布されている。

これら陽極11および陰極12は発光管バルブ10の中央部分
で微少距離を隔てて対設されており、本実施例では電極
間距離ｌ＝2.5mmとされている。

発光管バルブ10は、楕円球形状に成形されており、その
電極間距離ｌ間の中心部の径ＤがＤ＝1.4cmに設定され
ている。

発光管バルブ10の内部には所定量の水銀とアルゴンガス
よりなる始動用希ガスが封入されている。水銀Hgは、ラ
ンプ電圧が36（Ｖ）となるような量に封入されていると
ともに、アルゴンガスは0.5（気圧）封入されている。

この場合、点灯中の水銀蒸気圧は30（気圧）、アルゴン
ガスの圧力は４気圧で、合計34気圧となる。

また、電極損失による電圧降下分Vdrop＝12（Ｖ）であ
り、本例の場合アルゴンガスのランプ電圧に及ぼす影響
度は０（Ｖ）とみなすことができる。

従って始動直後のランプ電圧V_SL＝Vdrop＝12Vである。

一方、従来設計による同−500Wの一般約数値を本発明と
対比させて以下の表に示す。

上記表中、No5が従来のランプ、No2〜４が本発明に該当
するランプ、No1およびNo6,7は実験により本発明の範囲
外とされたランプである。

本発明に該当するランプ（No2〜４）は、従来例のラン
プNo5より電極間距離ｌを小さくして点光源に近づけて
も、水銀封入量を少なくして電位傾度 を小さくしてあるので、点灯中の圧力は従来と比べてほ
ぼ同等（正確には２気圧減）としてある。

したがって、本発明のランプ（No2〜４）は、ランプ単
体の照度が29〜15％程度低下する。しかしながら、本発
明ではD/WLを従来に比し小さな値に設定しているから、
アークの広がりを縮小することができ、つまりアーク径
を小さく絞ることができ、その結果従来例のランプNo5
と比べて、ショートギャップおよびアーク広がり縮小の
両面の効果により、アークが点光源に近づき、よって反
射鏡21の焦点位置に高精度に設置し易くなり、光学系の
集光効率が大きくなる。この結果、反射鏡21やレンズ23
と組合わせて使用した場合のトータル効率は従来例No5
に比べて１〜18％向上することが判る。

一方、従来例No6は本発明と同様なトータル効率を得る
目的で、従来の球形に近い形状をなした発光管バルブ１
に、本発明と同等な短い電極間距離ｌ（mm）でかつ従来
のランプ電圧とした場合に相当するランプであるが、こ
の場合点灯中の圧力が本発明に比しべて８気圧（24％）
も上昇し、耐圧強度の点で不適格ある。

また、従来例No7のランプは、球形に近い形状をなした
発光管バルブ１に、本発明と同等な短い電極間距離ｌ
（mm）でかつ本発明と同等なランプ電圧とした場合に相
当するランプであるが、この場合、ランプ照度および集
光効率とも悪く、トータル効率が最も悪い結果であっ
た。

本発明に該当するNo2〜４のランプは、ともに良い結果
を呈しているが、これはアーク形状の広がりを光学系に
対して抑えたことによる。

従来の発想では、バルブ径はランプの大きさに合わせ大
形化するのが常であった。例えば従来の場合、D/WL（cm
/KW）＝４〜６が一般的であり、ワットが大きくなると
この値以上となることもあった。これは点灯中のバルブ
内圧力をできるだけバルブの限界耐圧強度の限界に近づ
けるべく大きくとろうとするため、耐圧強度の問題から
できるだけ球形に近づけ、かつ管壁負荷（ＷL／バルブ
内表面積）を必要値以上にとろうと考えられていたから
である。

しかしながら、本発明においては、点灯中のバルブ内圧
力をそれ程高く設定しなくても、トータル効率を高くで
きることに注目し、バルブ形状は必ずしも球形形状にと
らわれなくて済むことに着目した。すなわち、バルブ形
状は若干長細い紡錘形にして耐圧強度を若干劣化させて
も、使用に耐えられるに必要な強度が得られるように
し、むしろこのような長細い形状にすることによりアー
クの広がりを抑えてアーク径を細くすることの効果が大
きく、すなわち器具効率を含む全効率の向上が得られる
ものである。

ここで、原点に戻ってショートアーク放電灯の特性につ
いて検討して見る。

一般に、点灯中の発光管バルブ内の圧力Ｐは、電極間距
離ｌと、封入している水銀Hgの封入量および希ガスの封
入圧力に依存する。封入物の量を増すことはランプ電圧
ＶLを上昇させる。

ランプ電圧ＶLは、電極損失Vdropと、アークに電力を与
えるアーク電圧Varcの和で表わされる。すなわち、 ＶL＝Vdrop＋Varc …（１） ランプから発せられる光量Φは上記アーク電圧Varcに比
例し、 Φ∝Varc^a …（２） で表わされる。

したがって、ランプの光量Φを増すためには、アーク電
圧Varcを増すことが行われる。

アーク電圧Varcは、封入している水銀Hgの封入量および
希ガスの封入圧力に比例する。ショートアーク水銀灯の
場合、希ガスとしてはアルゴンまたはキセノンが使用使
用され、この種のショートアーク水銀灯では希ガスの使
用目的が、主として始動時のペニング効果による始動電
圧を下げたり、始動時に電極構成物質の飛散を抑えるこ
とであるから、希ガスの封入圧Pgasは低く、１気圧以下
に抑えられる。

これに対し、ショートアークキセノン−水銀灯では、希
ガスとしてキセノンを使用しており、この場合はキセノ
ンが上述の電極飛散防止作用のほかに、点灯中における
キセノンの発光を利用することを目的としているため、
キセノンの封入圧力Pgasは高く、１気圧以上で５〜６気
圧封入される例もある。これらは点灯中４〜５倍の圧力
になる。

しかし、一般に封入されている希ガスは、封入水銀に比
べてランプ電圧に及ぼす影響は小さく、始動直後のラン
プ電圧V_SLは V_SL＝Vdorp＋Vgas …（３） で表わされ、この場合Vgasは常温の希ガス封入圧が５〜
６気圧であっても数ボルト程度にしか過ぎない。

前述のアーク電圧Varcは、封入ガス圧に依存するVgas
と、水銀封入量に依存するVHgとの和で表わされ、 Varc＝Vgas＋VHg …（４） となるからショートアーク放電灯の場合は、 VarcVHg …（５） となる。

ここでVHgは、封入される水銀量Ｍ（mg）、電極間距離
ｌ（mm）、発光管容積Ａ（cc）としたとき、 なる関係が一般的に知られている。したがって、（６）
式は、 と置き換えることができる。

点灯中の発光管バルブ内の圧力Ｐは発光管バルブ内の平
均温度にも依存するが、温度一定とすれば、 Ｐ∝Pgas …（８）、 Ｐ∝Ｍ …（９） となり、希ガスの封入圧力Pgasが大きい程、また水銀封
入量が多い程バルブ内圧力Ｐは高くなる。

すなわち、前記（６）式から、ランプ電圧ＶLを同一と
した場合、電極間距離ｌを小さくすると水銀量Ｍを増加
しなければならず、またアーク電圧Varcを増して光量Φ
を増大させようとすれば、（２）式および（７）式から
水銀量Ｍを増す必要がある。

一方、同一ランプ電力ＷLでアーク電圧Varcを増すため
には、ランプ電圧ＶLを上げることでも可能であった
が、このようにすると（７）式に示すように、水銀量Ｍ
を増加させることになり、点灯中の圧力Ｐを上げること
になる。

点灯中の圧力Ｐが増すと、発光管バルブの耐圧強度に対
し余裕度を低下させることになり、点灯中のランプ破損
を生じ易くなる。

またアーク電圧Varcを上げ、かつ電極間距離ｌを広げる
ことにより点灯中の圧力をＰ上昇せずに光出力を増すこ
とも考えられるが、これは、このランプ本来がもつ点光
源的要素を小さくすることになり、光学系を組合わせた
場合の集光効率の低下をもたらし、トータル効率が低減
することになる。

また、水銀Hgの圧力を増す手段は、次のような不具生も
生じ得る。すなわち、水銀Hg圧が増加することによって
光出力を上げることは、アーク全体の広がりを生じさせ
る欠点があり、スペクトルの連続部分の出力増加を生じ
させ、本来望ましいUV領域の出力は必ずしも比例的に増
加しない。つまり不必要な部分の出力増加も加えた形で
の光出力増加であり、真の効率向上とは言えない部分も
あった。

このようなことから、本発明は前述したように、バルブ
形状を若干長細い紡錘形にして耐圧強度を若干劣化させ
ても、使用に耐えられるに必要な強度が得られるように
し、むしろこのような長細い形状にすることによりアー
クの広がりを抑えてアーク径を細くして器具効率を含む
全効率の向上が得られるようにしたものである。

前記表に示したように、 は電位傾度を表わしており、これは電極間距離ｌに関係
しているので点光源さに関係をもつとともに、（６）、
（７）および（９）式から判るように、水銀蒸気圧とも
関係しており、上記実験結果の表から５〜10（V/mm）が
望ましい。

が５より小さい場合は、電極間距離ｌが大き過ぎるかま
たはランプの安定点灯時におけるランプ電圧ＶLが小さ
過ぎることになり、これは点光源としての機能を失う
か、または照度低下が余りに大きくてアーク広がりを抑
えるのみではトータル効率を向上させることができなく
なって、本発明の目的を達成することができない。

逆に、 が10より大きい場合は、点灯中のバルブ内圧力が大きく
なり信頼性を損なうことになるから、石英製バルブを使
用する範囲では10以下に抑えるのが望ましい。

上記 が５〜10の範囲では、D/WL（cm/KW）を1.8〜3.5にする
ことが必要である。

D/WLが1.8未満になると、アーク径が絞られても石英管
壁温度が必要以上に高められ、バルブの耐圧強度が低下
し、また寿命中の失透等が現われることがあった。

また、D/WLが3.5を超えると、従来に比しトータル効率
の向上が認められなくなる。

また、単位長さ当りのランプ電力ＷL（WL/l）は、本発
明の D/WLの条件を満たすように電流を設定すれば良いが、シ
ョートアーク高圧放電灯としてはワットが大きくなって
もその点光源性を重要視すべきある。その点から、本実
施例のように（WL/l）を0.17以上に設定するのが好まし
いといえる。

本発明では、点灯中の内圧を抑えかつトータル効率をア
ップさせることを目的とするものであり、（WL/l）に影
響を受けるものでないが、電極をかなり大形化し、しか
もバルブの耐圧強度が小ワットのものに比して多少低下
する大ワットのものにより一層の効果が現れるといえ
る。

つまり、本発明は500Wで説明したが、1KWでも2KWでもワ
ットの大きい程一般的にバルブ耐圧が低下する傾向をも
つので、より小さな電極間距離のランプを製作できる本
発明のメリットを発揮できる。

このような本実施例によると、電極間距離が短くなって
アーク長さが短くなり、かつ発光管バルブの径を細くし
てアーク径が絞られるのでアークが点光源に近くづき、
集光性が向上するため光学系と組合せたトータル効率が
向上する。

しかもこの場合、電位傾度を低くしてランプ効率をむし
ろ抑え気味にしてあるので、ランプ電圧は上昇しなく、
点灯中の圧力は増加せず、ランプ強度の信頼性を保つこ
とができる。

また、ランプ電力は増加しないから、ランプの発熱や、
電極の熱容量の大形化が発生せず、照明装置全体の大形
化を防止して、冷却装置、電源、光学系の大形化や価格
の増加を招くことがない。

以上述べてきた例は、希ガスが１気圧以下の場合であっ
たが、１気圧以上でキャノンガスを使用するキセノン−
水銀ランプでも同様な効果があることは言うまでもな
い。

さらに、本発明は半導体電子回路の回路パターン焼付け
用露光装置に適用されることに制約されるものではな
く、UVスポットキュアなどにも適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によると、電極間距離が短く
なってアーク長さが短くなり、かつ発光管バルブの径を
細くしてアーク径が絞られるのでアークが点光源に近く
づき、ランプ単体の効率は若干劣化することがあって
も、反射鏡やレンズなど組み合せて使用すれば集光性が
向上しトータル効率が増大する。しかもこの場合、電位
傾度を低くしてランプ効率をむしろ抑え気味にしてある
ので、ランプ電圧は上昇しなく、点灯中の圧力は増加せ
ず、ランプ強度の信頼性を保つことができる。また、ラ
ンプ電力は増加しないから、ランプの発熱や、電極の熱
容量の大形化が発生せず、照明装置全体の大形化を防止
して、冷却装置、電源、光学系の大形化や価格の増加を
招くことがないなどの利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すショートアーク水銀灯
の構成図、第２図および第３図は従来技術を説明するも
ので、第２図は半導体電子回路の回路パターン焼付け用
露光装置を示す概略的構成図、第３図は従来のショート
アーク水銀灯の構成図である。 10……発光管バルブ、11……陽極、12……陰極、21……
反射鏡、23……集光レンズ、25……被照射面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からでた光を反射体およびレンズを介
   して被照射面に照射する光学系における上記光源として
   用いられ、発光管内に一対の電極を配置したショートア
   ーク放電灯において、 始動直後に発生する最も高い電位のランプ電圧をV
   _SL（Ｖ）、安定点灯時のランプ電圧をV_L（Ｖ）、電極間
   距離をｌ（mm）、発光管バルブの電極間距離の中心部に
   位置する箇所の内径をＤ（cm）、安定点灯時のランプ電
   力をW_L（kW）とした場合、 としたことを特徴とするショートアーク放電灯。