TWI412059B - Discharge lamp device - Google Patents

Description

放電燈裝置

本發明是關於放電燈裝置。尤其是關於被使用於液晶或半導體晶圓的曝光裝置的短弧型放電燈的放電燈裝置。

放電燈是由所謂發光物質，電極間距離，發光管內壓力的觀點上可分類成幾種燈，其中在發光物質可分類成以氙氣體作為發光物質的氙氣燈，以水銀作為發光物質的水銀燈，以水銀以外的稀土類金屬作為發光物質的金屬鹵化物燈等。又，在所謂電極間距離的觀點上，可分類成電極間距離短的短弧型放電燈或電極間距離長的長弧型放電燈。又，在所謂發光管內的蒸氣壓的觀點上，可分類成低壓放電燈，高壓放電燈，超高壓放電燈。

其中，針對於短弧型高壓水銀燈來說，以高耐熱溫度的石英玻璃作為發光管，鎢製電極以2至12mm左右的間隙配置在發光管內部，而在發光管內部作為發光物質封入有點燈時蒸氣壓成為10⁵ Pa至10⁷ Pa的水銀或氬等的稀有氣體。

該短弧型高壓水銀燈，是固具有電極間距離短而可得到高亮度的優點，因此傳統上廣泛地被使用在石印術的曝光用光源。

另一方面，近年來，不僅半導體晶圓，還有液晶基板，尤其是作為使用於大面積的液晶顯示器的曝光用光源被 注目，由提高製程的生產量的觀點來看，作為光源的燈也被強烈地被要求大輸出化。

藉由放電燈的大輸出化，若額定耗電變化，則流在放電燈的電流值，是也隨著電流電壓的設計值，惟大體上會變大。

為了此，電極(尤其是，直流點燈的陽極)，是受到電子相撞的量變多，會導致容易地昇溫而被熔融的問題。又，不被限定於陽極，針對於配置於垂直方向的放電燈，位於上側的電極，受到發光管內的熱對流等的影響，成為容易受到來到電弧的熱，同樣地藉由高溫化會被熔融。

又，尤其是，當電極前端部分熔融，則不但電弧成為不穩定，而且還使得構成電極的物質蒸發而附著於發光管的內表面而有降低放射輸出的問題。

此種現象，是並不被限定於短弧型高壓水銀燈者，而將放電燈作成大輸出化時，一般性所發生的問題，習知，提案在放電燈的外部設置空氣冷卻機構俾強制地予以空氣冷卻的構造或方法，又，針對於更大輸出的放電燈，提案在電極內部設置冷卻水的流路而在電極內部流著冷卻水的所謂水冷型放電燈(例如，日本專利第3075094號)。

又，提案著作為在電極內部設置空洞的密閉空間，而在該空間中，封入銀或銅等的傳熱體的構造(日本特開2004－6246號)，傳熱體是藉由比構成電極本體的金屬還低融點的金屬所構成，在點亮燈時，利用成為液體狀態的傳熱體的對流作用或沸騰傳達作用，就可將電極前端的熱， 有效率地輸送至後部。

然而，即使採用上述構造的電極，比存在於其以前的電極也可解決所謂電極損耗的問題，惟並不是說完全地抑制者。當電極損耗時，則放電對損耗形狀受到影響而成為顯著地不穩定，在最壞情形，則也產生損壞形成，最不好時也產生在電極本體開設穴而使得傳熱體被滴出的問題。又，藉由起因於電極本體原材料的裂縫等，也有電極本體破損，而傳熱體漏出的可能性。

專利文獻1：日本特開2004-6246號

本發明欲解決的課題，是鑑於上述問題點，提供隨著放電燈的大輸出化的高溫化對策充分地被實施，而且也充分地具備電極損耗時或電極本體以原材料起因而破損時的對策的放電燈裝置。

為了解決上述課題，有關於本發明的放電燈裝置，是在發光管內部面對面配置有一對電極的放電燈，及用以監視該放電燈的點燈狀態的測定手段所構成的放電燈裝置，其特徵為；上述放電燈的至少一方的電極，是在內部形成有密閉空間的電極本體，及具有比構成被封入在該密閉空間內的該電極本體的金屬的融點還低的融點的金屬所構成，而且，上述測定手段是檢知露出有上述傳熱體時所發生的構成傳熱體的金屬所致的發光。

又，上述測定手段是檢知構成傳熱體的金屬所致的發 光，及藉由構成該傳熱體的金屬未發光的波長的光，而檢測出其比率的變化為其特徵者。

又，上述電極本體是以鎢作為主成分的金屬所構成為其特徵者。

又，上述傳熱體是含有金，銀及銅的任一種金屬為其特徵者。

有關於本發明的放電燈裝置，是利用上述構成，即使因電極損耗或破損而有漏出電極內部的傳熱體的情形，也利用測定手段，來檢知構成傳熱體的金屬的發光，就可檢測出該放電燈裝置的異常，而停止放電燈的點燈，可防止繼續仍以異常狀態下點燈的情形。

第1圖是表示本案發明的放電燈裝置的整體構造的概略圖。有關於本發明的放電燈裝置，是以放電燈10及檢測出放電燈的放射光的測定手段30作為必須構成，又具有控制放電燈10的點燈的饋電裝置40。饋電裝置40是將電流供應於放電燈10者，也具有檢知放電燈10的點燈狀態，例如點燈電力來反饋控制的機構。在放電燈10裝設著凹面反射鏡50。

第2圖是表示放電燈10的擴大圖。放電燈10的發光管是石英玻璃所構成，在大約球狀的發光部11的兩端一體地連設有封閉部12。在該發光部11面對面配置有陽極2及陰極3，各電極(2、3)是以封閉部12分別被保持，其 中經由省略圖示的金屬箔連接於外部導線棒13，而被連接於第1圖的饋電裝置40。

又，在發光部11，封入有所定量的水銀，氙，氬等的發光物質或起動用氣體。又，放電燈是當由饋電裝置40供應著電力，則藉由以陽極2與陰極3進行電弧放電而有發光。又，該放電燈是以陽極2作為上，以陰極3作為下，而發光部11的管軸對大地朝大約垂直方向被支撐而被點燈的所謂的垂直點燈型的放電燈。

第3圖是表示陽極2的斷面構造。陽極2是作成電極本體20與在其內部具有傳熱體M的構造。電極本體20是由高融點金屬，或是以高融點金屬作為主成分的合金所構成，而在內部作成形成有密閉空間S(以後，也稱為「內部空間」)的容器形狀者。傳熱體M是氣密地被封入在電極本體20的內部的金屬，而由比構成電極本體20的金屬還低融點的金屬所構成。

電極本體20是由與軸部21接合的後端部201，胴部202，前端部203所構成，後端部201是形成有軸部21的插入穴2011。固定軸部21與後端部201使用著接著劑22。

作為構成電極本體20的金屬，採用著鎢，錸，鉭等的融點為3000(K)以上的高融點金屬。尤其是，鎢是與內部的傳熱體M不容易反應上較佳，又，純度99.9%的所謂純鎢較佳。

又，以高融點金屬作為主成分的合金，例如，可採用 以鎢作為主成分的鎢－錸合金。高溫時對於重複應力的耐性變高者，而可得到電極的長壽命化。

傳熱體M是藉由比構成電極本體20的金屬還低融點的金屬所構成。具體上，作為電極本體20的構成使用鎢時，則作為傳熱體M，可採用金，銀，銅或以此些作為主成分的合金。此些金，銀，銅是不會與鎢作成合金之故，因而在作為熱輸送體穩定地動作的意思上也成為盼望的金屬。其中，金是高價之故，因而銀，銅為實用上較佳的材料。

又，作為其他具體例，作為構成電極本體20的金屬使用錸時，則作為傳熱體M可使用鎢。

作為構成電極本體20的金屬採用錸的優點，是封入鹵化物的水銀燈或金屬鹵化物燈時，可防止電極的腐蝕，藉由此，可得到放電燈的長壽命化。

電極本體20是作成在內部具有密閉空問S的概略容器形狀的構造。所以，即使傳熱體M為被高溫化而熔融，而其一部分被蒸氣化，也不會漏出在發光部11的發光空間。

因此，本發明的放電燈，是不需要如水冷型放電燈地從外部供應，排出冷卻媒體的機構，不但以極簡單構造就可保持冷卻機構，而且一次所製造的放電燈，則一直到放電燈的壽命為止，不必補給傳熱體等，還可持續地功能冷卻機構。

亦即，習知就被提案的大輸出型放電燈，是在放電燈 以外的外部依存冷卻機構者，對於此，依本發明的放電燈，是在燈本身以極簡單的構造具有冷卻功能上有很大不同。

測定手段30是由被安裝於凹面反射鏡的開口附近的輸入透鏡31，傳送輸入於透鏡31的光的光纖等的傳送線32，設於傳送線32的終端而分析放電燈10的放射光的放射光檢測機構33及訊號處理機構34所構成。

輸入透鏡31是收聚放電燈10的放射光者，較佳是配置在可收聚作為直射光的位置較佳，惟設置在與放電燈10的本來的使用目的的關係上不會妨礙的位置。具體上，如圖示地，凹面反射鏡30的開口近旁，惟凹面反射鏡30的頸部開口側或配置於開口側前面的反射鏡或透鏡的旁邊也可以。放射光檢測機構33是由：用以僅透射放電燈1的放射光中的所定光的波長選擇濾波鏡，用以將透射波長選擇濾波鏡的所定光調整成適用於處理的強度的減光濾波鏡，及受光該所定光而轉換成電性訊號的光轉換元件所構成。波長選擇濾波器是例如，採用帶通濾波器或彩色玻璃濾波器，而減光濾波器是例如採用ND濾波器，光轉換元件是例如採用，矽光二極體。

傳送線32是被採用光纖等，擔任將在輸入透鏡31所受光的所定波長的光傳送至放射光檢測機構33的作用。

放射光檢測機構33是受光藉由傳送線32所引導的所定波長的光的感測器所構成，擔任將感測器所受光的光量轉換成適當的電性訊號的作用。訊號處理機構34是將由 放射光檢測機構33所接收的電性訊號與基準位準相比較的機構，若被引導的電性訊號超過基準位準時，則顯示異常狀態。又，輸入透鏡31或傳送線32並不是不可欠缺的構成。配置在直接將光收聚在傳送線32，或是將來自放射光檢測機構33配置在直接收聚來自燈的放射光的位置，而省略輸入透鏡31或傳送線32也可以。

在放射光檢測機構33須檢測的所定波長的光，必須為構成被封入在電極本體的密閉空間的傳熱體的金屬所發光的波長的光。例如，在採用金作為傳熱體時，則在放射光檢測機構33所檢測的光，是波長460nm，波長479nm，波長751nm的光，在採用銀作為傳熱體時，則為波長521nm。波長769nm，波長827nm的光，而在採用銅作為傳熱體時，則為波長325nm，波長465nm，波長5llnm，波長522nm的光。

又，測定手段30是不僅藉由構成傳熱體的金屬所發生的波長的光，相反地還一併檢測出構成該傳熱體的金屬從未發生的波長的光也可以。該波長是，例如封入金作為傳熱體時，則為波長500nm的光，波長520nm的光，波長600nm的光，波長650nm的光，封入銀作為傳熱體時，則為波長460nm的光，波長600nm的光，波長650nm的光，而封入銅作為傳熱體時，則為波長600nm的光，波長650nm的光，波長490nm的光，檢測出此些光的理由是如後述，惟本來求出構成傳熱體的金屬的發光，與不會受到構成傳熱體的金屬的影響的波長的光的光量比率， 有助於從該照射比率的變化來檢測異常狀態。

在此，說明藉由放電燈10的陽極2有損耗，使得放電不穩定的現象，依電極本體原材料所致的破損現象，及傳熱體由電極本體的內部空間漏出的現象。陽極是由鎢等的高融點金屬所構成，惟隨著點燈時間的經過，構成該陽極的材料是蒸發或會磨耗。尤其是，電弧局部性地集中在陽極表面的一部分等的情形，則該部位的損耗變激烈，終於會打破電極本體。又，若在電極本體有裂痕或解鬆等時，則局部性地會降低強度之故，因而有破損的可能性。任何情形，都會使得被封入在內部的傳熱體有露出於放電空間的通路，而會產生液體或氣體狀態的傳熱體的漏出。

第4圖是表示放電燈10處於異常點燈狀態時的放電燈的照度變化。亦即，說明本發明的放電燈裝置如何地檢知異常點燈狀態所用的圖式。在圖中，縱軸是表示感測器檢知波長521nm的光的照度，亦即放射照度，橫軸是表示點燈經過時間(分)。放射照度是表示以在穩定點燈狀態下所觀察的波長521nm的照度作為基準的相對值。具體上，點亮放電燈10，例如可選擇60分鐘後的穩定點燈的狀態的照度值。又，第4圖的事例是放電燈10為表示於第2圖的構造者，而在發光部11作為發光物質被封入有水銀與氙氣，而在電極本體20以銀被封入作為傳熱體M者作為例子。

在圖中，時間－20~時間0，是放電燈10進行穩定點燈的時間帶。又，在時間0中，被封入於內部的銀從電極 本體20開始洩漏至發光空間內。該瞬間，在發光空間，除了本來的發光物質的水銀，氙氣之外，成為重新混入有銀，作為依銀的發光會強烈地放射波長521nm的光，結果，放射強度是急激地上昇。又，波長521nm的放射照度，是在時問0下急激地上昇之後，徐徐地降低。此為傳熱體構成金屬的銀，附著於發光管內表面，會衰減被放射到燈外部的光量。

放射光檢測機構33是在檢測光的相對值超過所定臨界值時，則判斷為異常狀態。臨界值是在穩定狀態下也考慮到檢測光的情形而須設定成比通常的穩定狀態還高某一程度。又，在檢測上述異常狀態下，設定繼續檢測時問較佳。具體上，被檢出的相對照度，至少繼續所定時間(t1)而超過臨界值時，則被認定為異常點燈狀態的情形。為了將瞬間性的照度變動處理作為誤差。

又，所檢測的相對照度值，對於超過臨界值的繼續時間，設置上限值(t2)也可以。此為，即使被檢測的相對照度值超過所定時間(t1)而超過臨界值，一直到超過上限時間t2(t2>t1)，雖繼續仍未超過臨界值作為條件的情形，換言之，在經過上限值的時間(t2)的時機，所檢測的相對照度值，是將低於臨界值的情形作為異常點燈的條件。

此為，依本案發明的放電燈特有的理由所成。亦即，從傳熱體構成金屬開始混入在發光空間之後，經過某一程度的時間，則該傳熱體構成金屬是開始附著於發光管的內表面。所以，本來放射光檢測機構33須檢測的波長 521nm的光，是不但未發生在發光空間內，藉由附著於內表面的傳熱體構成金屬被遮光，成為不會放射至燈外部，有降低結果被檢測的溫度。

在此，繼續檢測時間的下限值(tl)，是對燈種類並不會受到那麼樣的影響，而不會依燈的種類，例如可設定為0.5秒~10秒。但是，繼續檢測時間的上限值(t2)，是藉由燈的種類或使用環境，例如發光空間的物理性大小，傳熱體的封入量，傳熱體的種類，燈周圍溫度，最適值是不相同。例舉一例，被設定為開始超過臨界值之後15分至20分。在第4圖中，臨界值為20，而上限值t2是例如被設定為20分。因此，放射光檢測機構33，是被檢測的相對照度值超過臨界的時間為下限值(tl)以上，而不超過上限值(t2)較佳。

又，所檢測的相對照度值，超過上限值(t2)時，為除了傳熱體的漏出之外還藉由其他原因，有異常點燈的情形。因此，被檢測的相對照度值仍繼續而在上限時間t2之期間，超過臨界值時，則本案發明作為問題的異常點燈，為被認識或推定為依據其他的原因的異常點燈，而也可加以對應。

第5圖也表示放電燈的照度變化，惟表示與第4圖不相同的檢測方法的情形。具體上，表示於第4圖的檢測方法，是直接檢知依傳熱體構成金屬的漏出的放射光的方法，對於此，表示於第5圖的檢測方法，是檢知依傳熱體構成金屬的漏出的放射光與比較光的照度，來檢測兩光的照 度比率的變化的方法。在圖中，左縱軸是依傳熱體構成金屬的漏出的放射光的放射照度，及比較的放射照度，而右縱軸是表示兩相對放射照度的比率，橫軸是表示點燈經過時間(分)。放射照度是表示以穩定點燈狀態的放射照度作為基準的相對值。放電燈10是表示於第2圖的構造者，以在發光部11有水銀與氙氣被封入作為發光物質，而在電極本體20有銀被封入作為傳熱體M者作為例子。放射光檢測機構是作為依傳熱體構成金屬的漏出的放射光檢測設定波長521nm的光，而作為比較光設定波長420nm的光。

在時間0中，時間－20~時間0，是放電燈10穩定點燈的時間帶。又，在時間0中龜裂產生在電極本體20的一部分，而被封入在電極本體20的內部的銀開始洩漏至發光空間內。在該瞬間，成為除了本來的發光物質的水銀、氙氣之外，有銀重新被混入在發光空間內，而作為依銀的發光有波長521nm的光被強放射，結果，放射照度是急激地上昇。

如上述地，波長521nm的放射強度，是在時間0中急激地上昇之後，徐徐地降低。一方面，比較光的460nm的放射強度，是在時間0(傳熱體漏出開始時機)之前，相對照度值為10，當經過時問0，則徐徐地被降低。降低照度的理由是與波長521nm的降低理由相同，藉由銀附著於發光管的內表面，也被遮光比較光所致。因此，本檢測方法的情形，照度比率為雖在時間0會急激地上昇者，之 後，可維持大約一定值，為了此，檢知異常點燈狀態的情形成為容易。又，放射照度比率是經過大約50分鐘的時機，會徐徐地降低。此為被封入在電極本體的傳熱體M成為大致上完全地漏出，而減少波長521nm的光的放射量本身的情形成為原因。

如此地，並不是直接檢知依傳熱體構成金屬的發光變化，而是檢知與比較光的照度比率的變化的方法，是可長時間繼續表示異常狀態之故，因而成為容易檢知，或可確保操作人員的可判斷時間。又，即使從外部受到電磁雜訊等的情形，則在相同條件下檢知傳熱體構成金屬的發光的訊號系，與檢知比較光的發光的訊號系的雙方受到影響之故，因而作為兩者的比率，可認識作為不容易受到影響的數值。又，增減燈的點燈電力時等，也增減傳熱體構成金屬的發光及比較光的發光雙方之故，因而作為兩者的比率可認識作為不容易受到影響的數值。

又，放射光檢測機構33所檢測的波長，是必須作成使用作為傳熱體的金屬所致的放射波長。一方面，比較光並不是傳熱體構成金屬的發光波長，及水銀或氙氣等的發光物質與傳熱體構成金屬進行反應而不會受到影響的波長作為條件。又，放射光檢測機構33是使用與穩定點燈狀態的相同波長的照度的相對值進行檢知較佳。在穩定點燈狀態也某種程度放射者檢測波長的光。在上述實施例中，設定成以穩定點燈狀態的照度作為基準來認識作為相對值，而在該相對值為臨界值以上時來認識作為異常狀態的方 式。

又，在檢測上述異常狀態中，針對於設定繼續檢測時間的下限值(t1)，是與上述第4圖的檢測方法同樣。另一方面，針對於設定繼續檢測時間的上限值(t2)，是在本檢測方法上必需性較薄。此乃如第5圖所示地照度比率是以高比率維持較久時間在一定。如此地，保持在一定的例子是漏出量變動較少時，惟即使在漏出量有很大變動之際，依傳熱體構成金屬的發光的變化也變化，而因應於該變化，在比率也有變動，惟以高水準可容易維持長時間。

第6圖是表示圖示於第5圖的檢測方法，檢知傳熱體構成金屬的漏出所致的放射光與比較光的照度，而來檢知兩光的照度比率的變化的方法的流程圖。

在步驟1中，輸入有來自測定手段30的訊號S1與訊號S2。訊號S1是傳熱體構成金屬的漏出所致的放射光的相對放射照度值的訊號，而訊號S2是比較光的相對放射照度值的訊號。此些動作是在訊號處理機構34所進行。

在步驟2中，由訊號S1與訊號S2形成有照度比率訊號S3(S1/S2)。該動作是例如在訊號處理機構34的照度比率生成機構所進行。

在步驟3中，進行照度比率訊號S3與臨界值的比較。照度比率訊號S3比臨界值還低時，則回到步驟1。一方面，照度比率訊號S3比臨界值還高時，則移行至下一步驟。該動作是例如在訊號處理機構34的比較機構所進行。

在步驟4中，若照度比率訊號S3比臨界值還高時，則發出警報。該警報是聲音也可以，或視覺性表現手段也可以，或是振動等其他方法都可以。

在步驟5中，操作人員是停止警報器，或是繼續發出警報時是使之自動停止。

如以上所述地，本發明的放電燈裝置，是在發光管內部面對面配置有一對電極的放電燈，及監視該放電燈的點燈狀態的測定手段所構成，上述放電燈的至少一方的電極，是在內部形成有密閉空間的電極本體，及具有比構成被封入在該密閉空間內的該電極本體的金屬的融點還低的融點的金屬所構成，而且，上述測定手段是隨著點亮該放電燈使得上述電極本體損耗，或破損，檢知構成露出有上述傳熱體時所發生的傳熱體的金屬所致的發光的構成，藉由此，即使露出電極內部傳熱體時，也藉由測定手段，檢知構成傳熱體的金屬的發光，就可檢知該放電燈裝置的異常，而停止放電燈的點燈而可防止仍異常之狀態下繼續點燈的情形。

2‧‧‧陽極

3‧‧‧陰極

10‧‧‧放電燈

11‧‧‧發光部

12‧‧‧對閉部

20‧‧‧電極本體

21‧‧‧軸部

30‧‧‧測定手段

31‧‧‧輸入透鏡

40‧‧‧饋電裝置

50‧‧‧凹面反射鏡

M‧‧‧傳熱體

第1圖是表示本發明的放電燈裝置的整體構成圖。

第2圖是表示本發明的放電燈的整體圖。

第3圖是表示本發明的放電燈的電極的圖式。

第4圖是表示放電燈的照度變化圖表。

第5圖是表示放電燈的照度變化圖表。

第6圖是表示藉由本發明來檢知照度變化的流程圖。

10‧‧‧放電燈

30‧‧‧測定手段

31‧‧‧輸入透鏡

32‧‧‧傳送線

33‧‧‧放射光檢測機構

34‧‧‧訊號處理機構

40‧‧‧饋電裝置

50‧‧‧凹面反射鏡

Claims (4)

1. 一種放電燈裝置，是在發光管內部面對面配置有一對電極的放電燈，及用以監視該放電燈的點燈狀態的測定手段所構成的放電燈裝置，其特徵為：上述放電燈的至少一方的電極，是在內部形成有密閉空間的電極本體，及具有比構成被封入在該密閉空間內的該電極本體的金屬的融點還低的融點的金屬所構成，而且，上述測定手段是檢知露出有上述傳熱體時所發生的構成傳熱體的金屬所致的發光。
2. 如申請專利範圍第1項所述的放電燈裝置，其中，上述測定手段是檢知構成傳熱體的金屬所致的發光，及藉由構成該傳熱體的金屬未發光的波長的光，而檢測出其比率的變化。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述放電燈裝置，其中，上述電極本體是以鎢作為主成分的金屬所構成。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的放電燈裝置，其中，上述傳熱體是含有金，銀及銅的任一種金屬。