JPH11339716A - 紫外線ランプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い放射輝度で真空紫外域〜紫外域の光が効
率よく得られ、放射光束維持率が高くて寿命が長く、安
全に点灯使用できる紫外線ランプを提供すること。 【解決手段】 シリカガラス製放電容器にアルゴン、ク
リプトン、キセノンのうち少なくとも１種類の希ガスが
３００Ｋ換算で全圧０．１×１０⁵Ｐａ以上封入され、
必要に応じて０．７ｍｇ／ｃｃ以上７ｍｇ／ｃｃ以下の
量の水銀が封入されて、放電容器の少なくとも一部はそ
の内表面から２００μｍまでの深さでの平均ＯＨ基濃度
が７．８×１０²⁴個／ｍ³以上であり、かつ内表面から
深さ２０μｍまでの領域の平均ＯＨ基濃度が１．５×１
０²⁵個／ｍ³以上１．２×１０²⁶個／ｍ³以下であり、か
つ内表面からの深さ２００μｍより深い領域から放電容
器の外表面からの深さ６００μｍまでの領域間の平均Ｏ
Ｈ基濃度が６．２×１０²⁵個／ｍ³以下である紫外線ラ
ンプとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光化学産業分野や半
導体製造分野等に使用される紫外線を放出する紫外線ラ
ンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から放電ランプのバッファガスには
ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス
が使用される。希ガスがプラズマ中で励起されるとエキ
シマ発光する。このことは特開平７−５０１５１号公報
などに記載されている。例えば、図１にショートアーク
型キセノンランプの外観図を示すが、放電ランプ１の放
電容器２の材質を合成石英ガラスにするとエキシマ光に
よる真空紫外域から赤外域まで幅広い放射が得られる。
キセノンエキシマ（Ｘｅ₂ ^*）の放射原理は誘電体障壁放
電ランプと同じであるが、キセノンランプはショートア
ーク型にできるために、真空紫外域から紫外域の光を放
出する点発光の光源として比較的利用できる。

【０００３】Ｘｅ₂ ^*発光波長は１６０〜２００ｎｍにあ
り、シリカガラスの吸収端に発光帯がかかる。それゆえ
真空紫外発光を効率よく取り出すために、放電容器２を
薄くする工夫をしているが、放電容器の強度が弱まり、
ランプ点灯中に排気管用チップ３（以下、チップと略
す。）の根元からの破壊（チップ割れ）が起こる。ま
た、電気入力を高入力にする（光を高出力させる）とチ
ップ割れが起こるまでの時間が早まった。

【０００４】このチップ破壊は、ランプ点灯時の放電容
器内のガス温度上昇による高ガス圧力負荷も一因である
が、紫外線照射により誘起されるガラスの歪みも一因で
ある。紫外線誘起の歪みが、構造的に異形であるチップ
３に応力集中を起こすことも原因していると考えられ
る。特に長時間の点灯時には、前記双方の相乗効果が起
こり、チップ３の取り付け部周辺を起点として放電容器
２の破壊が起こる。

【０００５】また、水銀ランプにおいてはキセノン、ア
ルゴン、クリプトンの何れかの希ガスか、または数種類
組み合わせた希ガスがバッファガスとして放電容器内に
封入されることがある。何れのガスもエキシマ状態（Ｘ
ｅ₂ ^*、Ａｒ₂ ^*、Ｋｒ₂ ^*）で前述のエキシマ光が発生す
る。アルゴンおよび／またはクリプトンをバッファガス
にすると、ランプの発光効率、アーク安定性、アーク集
中化が向上する一方、放電容器が白濁しやすく、照度維
持率の低下を招くという不具合が起こることがある。

【０００６】発明者の検討から、この放電容器の白濁現
象は、シリカ粒の堆積が原因であることが判った。Ａｒ
₂ ^*、Ｋｒ₂ ^*はシリカガラスの吸収端よりも高いエネルギ
ーの光を放射する。この光の照射によって、Ｓｉ−Ｏの
結合が切れ、シリカガラスが昇華し放電容器内表面に沈
着するものと推定される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、高い放射輝度で真空紫外域から紫外域の光が効率よ
く得られ、放射光束維持率が高くて寿命が長く、安全に
点灯使用できる紫外線ランプを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題を解決
するために、請求項１に記載の発明は、放電容器がシリ
カガラスで構成されており、該放電容器にアルゴン、ク
リプトン、キセノンのうち少なくとも１種類の希ガスが
３００Ｋ換算で全圧で０．１×１０⁵Ｐａ以上封入さ
れ、必要に応じて０．７ｍｇ／ｃｃ以上７ｍｇ／ｃｃ以
下の量の水銀が封入されている紫外線ランプであって、
該放電容器の少なくとも紫外線放射発散度が最大となる
部分は、その内表面から２００μｍまでの深さでの平均
ＯＨ基濃度が７．８×１０²⁴個／ｍ³以上であり、かつ
該内表面から深さ２０μｍまでの領域の平均ＯＨ基濃度
が１．５×１０²⁵個／ｍ³以上１．２×１０²⁶個／ｍ³以
下であり、かつ該内表面からの深さ２００μｍより深い
領域から放電容器の外表面からの深さ６００μｍまでの
領域の間の平均ＯＨ基濃度が６．２×１０²⁵個／ｍ³以
下である紫外線ランプとするものである。

【０００９】ここで、紫外線放射発散度が最大となる部
分とは放電容器の外面から放射される紫外線量が最大と
なる部分であり、一対の電極を対向配置させた放電ラン
プにおいては、放電容器の略中央の容器壁部分である。

【００１０】前記紫外線ランプにおいて、放電容器にア
ルゴン、クリプトン、キセノンのうち少なくとも１種類
の希ガスが３００Ｋ換算で全圧で０．１×１０⁵Ｐａ以
上封入される理由は、封入された希ガス圧力が、３００
Ｋ換算で全圧で０．１×１０⁵Ｐａ未満であると希ガス
による紫外線発光効率を充分に得ることができないから
である。

【００１１】また、水銀の封入量について０．７ｍｇ／
ｃｃ以上７ｍｇ／ｃｃ以下である理由は、０．７ｍｇ／
ｃｃ未満であると波長３６５ｎｍの紫外線強度を実効的
に得ることができないし、７ｍｇ／ｃｃを超えると波長
３６５ｎｍの発光のスペクトル幅が広がってしまうから
である。

【００１２】また、請求項２に記載の発明は、放電容器
がシリカガラスで構成されており、該放電容器に、アル
ゴンの分圧をＰＡ（Ｐａ）、クリプトンの分圧をＰＫ
（Ｐａ）としたときに、ＰＡ＋ＰＫ≧１．０×１０
⁵（Ｐａ）の条件でアルゴンとクリプトンが封入され、
それらに加えて、キセノンが分圧として、０．１３×１
０⁵Ｐａ以上２．０×１０⁵Ｐａ以下の範囲で封入され、
水銀が所定量封入されている紫外線ランプであって、該
放電容器の少なくとも紫外線放射発散度が最大となる部
分は、その内表面から２００μｍまでの深さでの平均Ｏ
Ｈ基濃度が１．５×１０²⁵個／ｍ³以上であり、かつ該
内表面から深さ２０μｍまでの領域の平均ＯＨ基濃度が
１．５×１０²⁵個／ｍ³以上１．２×１０²⁶個／ｍ³以下
であり、かつ該内表面からの深さ２００μｍより深い領
域から放電容器の外表面からの深さ６００μｍまでの領
域の間の平均ＯＨ基濃度が７．８×１０²³以上１．５×
１０²⁵個／ｍ³以下である紫外線ランプとするというも
のである。

【００１３】前記紫外線ランプにおいて、アルゴンの分
圧ＰＡ、クリプトンの分圧をＰＫでＰＡ＋ＰＫ≧１．０
×１０⁵（Ｐａ）とし、それらに加えて、キセノンが
０．１３×１０⁵Ｐａ以上２．０×１０⁵Ｐａ以下の範囲
で封入される理由は、ＰＡ＋ＰＫ＜１．０×１０⁵（Ｐ
ａ）であると、波長３６５ｎｍの紫外線強度を高めるこ
とができず、またクリプトンとアルゴンに加えてキセノ
ンが分圧として、０．１３×１０⁵Ｐａ未満であると放
電容器の白濁現象が生じるからであり、一方２．０×１
０⁵Ｐａ以上であると波長３６５ｎｍの紫外線強度を実
効的に得ることができないからである。

【００１４】シリカガラスがＯＨ基を含有すると紫外線
による歪みを受け難くすることは知られている（例えば
特開平７−５０１５１号公報）。しかし、多量のＯＨ基
が含まれているときの効果や、紫外線ランプの放電容器
用のシリカガラスに適したＯＨ基の濃度分布は知られて
いなかった。今回、ＯＨ基が多量にシリカガラスのバル
ク全体に含まれていると紫外線照射によって放電容器壁
の厚み中央部に圧縮歪みが発生し、内面と外面には引っ
張り歪みが発生することが推定された。

【００１５】シリカガラスは引っ張りに弱く、圧縮に強
いが、ＯＨ基を放電容器壁の厚み中央部よりも特に内表
面に高濃度に分布させることで、内面に発生する引っ張
り歪みを緩和することや、真空紫外光によるシリカガラ
スの昇華を抑制すること、シリカガラスを変質させる真
空紫外光を吸収することができ、３００ｎｍ以下に発生
する吸収中心や白濁の発生を驚くほど抑制することを可
能にすることを見出した。

【００１６】

【発明の実施の形態】実際に紫外線ランプを作製し、紫
外線照射により誘起される放電容器のガラスの歪みの大
きさや、シリカガラスの昇華によっておこる放電容器内
壁のガラス白濁についてＯＨ基濃度との関係を調べた。
なお、本発明はショートアーク型の紫外線ランプに限ら
ず、ロングアーク型の紫外線ランプや、電極を放電容器
内に持たない誘電体障壁放電ランプ等、真空紫外域から
紫外域の光を放出する紫外線ランプに適用される。

【００１７】＜実施例１＞出力２ｋＷのショートアーク
型キセノンランプを作製した。封入ガスはＸｅで圧力は
３００Ｋ換算で３×１０⁵Ｐａであり、電極間距離は
４．５ｍｍのショートアーク型ランプである。放電容器
用の素材である原管のシリカガラスには、（１）平均Ｏ
Ｈ基濃度が４．０×１０²³個／ｍ³であるものと、
（２）平均ＯＨ基濃度が６．０×１０²⁵個／ｍ³である
ものと、（３）平均ＯＨ基濃度が９．４×１０²⁵個／ｍ
³であるものを使用した。そして、上記（１）、
（２）、（３）の原管を使用し、図２の表に示したよう
に放電容器の厚み方向で、紫外線放射発散度が最大とな
る部分のＯＨ基濃度が異なる次に示すＡ１〜Ａ５の５種
類の放電容器を使用したキセノンランプを作製した。

【００１８】Ａ１は（１）の原管のまま放電容器に加工
したもの、Ａ２は（１）の原管にＯＨ基を導入しただけ
のもの、Ａ３は（２）の原管にＯＨ基を導入して真空加
熱したもの、Ａ４は（２）の原管にＯＨ基を導入しただ
けのもの、Ａ５は（３）の原管にＯＨ基を導入しただけ
のものである。なお、ＯＨ基の導入はシリカガラスの原
管の中へ水蒸気を導入して後、外部から加熱する方法で
行なった。

【００１９】ＯＨ基濃度の測定は次のように行なった。
ＩＲ（赤外線）領域の吸収測定を行ない、波長３６７３
ｃｍ^-1の赤外線吸収強度からＯＨ基濃度を求めた。ガラ
スの深さ方向のある領域の濃度は、試料となるシリカガ
ラスを厚さ方向に化学研磨（ＨＦ／Ｈ₂ＳＯ₄でエッチン
グする）して、その研磨前後でのＩＲ吸光の度合いを比
較し、研磨された領域に含まれた平均ＯＨ基濃度を算出
した。

【００２０】本実施例においては、点灯時間は４００時
間後の紫外線照射で放電容器に誘起されたガラス歪みの
測定を行なった。ガラス歪みの測定は、試料とするガラ
ス板および偏向板を直交ニコルの関係に配置し、拡散光
を照らし複屈折により試料中を透過してくる光の強弱を
得る方法（光弾性測定）で行ない、測定部位は放電ラン
プを垂直にした場合に陰極の先端部の略水平横方向に位
置する放電容器ガラス部分（紫外線放射発散度が最大と
なる部分）について行なった。

【００２１】図２の評価結果から判るように、Ａ２、Ａ
３、Ａ４の放電ランプで４００時間点灯後も放電容器の
紫外線誘起による歪みは小さいものであった。

【００２２】なお、ロングアークランプや誘電体障壁放
電ランプにおいて、同様に歪み測定をする場合の測定部
位は、放電容器の長さ方向の中央部に位置する放電容器
ガラス部分ということになる。また、誘電体障壁放電ラ
ンプの一部の型においては平面状のガラス面から紫外線
放出するものがあり、その場合は紫外線放射発散度が最
大となる部分は平面状のガラス面部分の中央部となる。

【００２３】＜実施例２＞次に、出力２ｋＷの水銀ラン
プを作製した。放電容器内には、ＡｒとＫｒが合計で１
×１０⁵Ｐａ、Ｘｅが１×１０⁵Ｐａ封入され、水銀が４
ｍｇ／ｃｃ封入されている。放電容器用の素材である原
管のシリカガラスには、チタン（Ｔｉ）を１００ｗｔｐ
ｐｍ含むシリカガラスを用いた。（４）平均ＯＨ基濃度
が４．０×１０²³個／ｍ³であるものと、（５）平均Ｏ
Ｈ基濃度が１．５６×１０²⁵個／ｍ³であるものを使
い、図３の表に示したように放電容器の厚み方向で、紫
外線放射発散度が最大となる部分のＯＨ基濃度が異なる
次に示すＢ１〜Ｂ４の４種類の放電容器を使用して水銀
ランプを作製した。

【００２４】Ｂ１は（４）の原管のまま放電容器に加工
したもの、Ｂ２は（１）の原管にＯＨ基を導入しただけ
のもの、Ｂ３は（２）の原管にＯＨ基を導入して真空加
熱したもの、Ｂ４は（２）の原管のまま放電容器に加工
したものである。なお、ＯＨ基の導入は実施例１と同様
にて、シリカガラスの原管の中へ水蒸気を導入しての
ち、外部から加熱する方法で行なった。

【００２５】図３に示したように、３００時間点灯後の
放電容器の白濁の度合いについて見ると、Ｂ１ではかな
りの白濁があり、Ｂ２、Ｂ４で白濁はなく、Ｂ３では白
濁が少し生じた。そして、シリカガラスの昇華に起因す
る放電容器の白濁の進行による照度維持率の変化につい
て１５００時間まで点灯して確認を行なった。波長３６
５ｎｍの紫外線照度維持率を点灯初期の値を１と規格化
して測定の結果を図４に示す。Ｂ２、Ｂ４で１５００時
間点灯後も放電容器の白濁も生じず照度維持率は点灯初
期の９０％もあった。Ｂ１は照度維持率の劣化が激しく
３００時間で点灯初期の５０％まで半減し、Ｂ３も１５
００時間点灯後は点灯初期の４５％程度にまで照度が低
下した。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、放電容器内面に発生する引っ張り歪みを
緩和でき、放電容器の排気管用チップ部への応力集中を
抑制でき、排気管用チップ部での破裂危険性の少ない安
全な紫外線ランプとすることができる。

【００２７】また、請求項１に記載の発明によれば、真
空紫外光によるシリカガラスの昇華を抑制し、シリカガ
ラスを変質させる真空紫外光を吸収することができ、３
００ｎｍ以下に発生する吸収中心や白濁の発生を驚くほ
ど抑制することを可能にし、放射光束維持率が高くて寿
命が長い紫外線ランプとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ショートアーク型キセノンランプの外観図を
示す。

【図２】 ＯＨ基濃度と放電容器の紫外線歪みとの関係
表を示す。

【図３】 ＯＨ基濃度と放電容器の白濁度合いとの関係
表を示す。

【図４】 照度維持率の測定結果を示す。

【符号の説明】

１ 放電ランプ ２ 放電容器 ３ 排気管用チップ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電容器がシリカガラスで構成されてお
   り、該放電容器にアルゴン、クリプトン、キセノンのう
   ち少なくとも１種類の希ガスが３００Ｋ換算で全圧で
   ０．１×１０⁵Ｐａ以上封入され、必要に応じて０．７
   ｍｇ／ｃｃ以上７ｍｇ／ｃｃ以下の量の水銀が封入され
   ている紫外線ランプであって、 該放電容器の少なくとも紫外線放射発散度が最大となる
   部分は、その内表面から２００μｍまでの深さでの平均
   ＯＨ基濃度が７．８×１０²⁴個／ｍ³以上であり、かつ
   該内表面から深さ２０μｍまでの領域の平均ＯＨ基濃度
   が１．５×１０²⁵個／ｍ³以上１．２×１０²⁶個／ｍ³以
   下であり、かつ該内表面からの深さ２００μｍより深い
   領域から放電容器の外表面からの深さ６００μｍまでの
   領域の間の平均ＯＨ基濃度が６．２×１０²⁵個／ｍ³以
   下であることを特徴とする紫外線ランプ。
2. 【請求項２】 放電容器がシリカガラスで構成されてお
   り、該放電容器に、アルゴンの分圧をＰＡ（Ｐａ）、ク
   リプトンの分圧をＰＫ（Ｐａ）としたときに、ＰＡ＋Ｐ
   Ｋ≧１．０×１０⁵（Ｐａ）の条件でアルゴンとクリプ
   トンが封入され、それらに加えて、キセノンが分圧とし
   て、０．１３×１０⁵Ｐａ以上２．０×１０⁵Ｐａ以下の
   範囲で封入され、水銀が０．７ｍｇ／ｃｃ以上７ｍｇ／
   ｃｃ以下の量封入されている紫外線ランプであって、 該放電容器の少なくとも紫外線放射発散度が最大となる
   部分は、その内表面から２００μｍまでの深さでの平均
   ＯＨ基濃度が１．５×１０²⁵個／ｍ³以上であり、かつ
   該内表面から深さ２０μｍまでの領域の平均ＯＨ基濃度
   が１．５×１０²⁵個／ｍ³以上１．２×１０²⁶個／ｍ³以
   下であり、かつ該内表面からの深さ２００μｍより深い
   領域から放電容器の外表面からの深さ６００μｍまでの
   領域の間の平均ＯＨ基濃度が７．８×１０²³以上１．５
   ×１０²⁵個／ｍ³以下であることを特徴とする紫外線ラ
   ンプ。