(57)【要約】【課題】固相接合によって、優れた電極性能をもつ電極を製造する。【解決手段】ショートアーク型放電ランプなどに使用される陽極の製造工程において、トリエーテッドタングステンといったトリウムなどの成分を含む金属部材と、純タングステン金属などの金属部材とをＳＰＳ接合させて陽極を形成する。そして、ＳＰＳ接合時において、接合面外径、接合温度、加圧力、接合時間を、定められた許容範囲に定め、さらに、定義された条件式を満たすように設定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極先端面を有する先端側固体部材と、電極支持棒に支持される後端側固体部材とを含み、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を形成し、
前記複数の固体部材を、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、
接合面外径Ｌ（ｍｍ）が２≦Ｌ≦６０の範囲にあるとき、以下の条件式を満たすように固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
３０００≦Ｔｔ＋Ｐ≦１５００９３
１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０
ただし、Ｌは接合面外径（ｍｍ）、Ｔは接合温度（℃）、Ｐは接合時に加えられる加圧力（ＭＰａ）、ｔは加圧状態で金属部材を保持している接合時間（ｍｉｎ）を表す。
【請求項２】
電極先端面を有する先端側固体部材と、電極支持棒に支持される後端側固体部材とを含み、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を形成し、
前記複数の固体部材を、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、
以下の条件式を満たすように固相接合させることを特徴とする放電ランプ用電極の製造方法。
３７０．４／Ｌ≦（Ｔ＋Ｐ）ｔ／９．８Ｌ≦１５８５７．１／Ｌ  
２≦Ｌ≦６０、１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０
ただし、Ｌは接合面外径（ｍｍ）、Ｔは接合温度（℃）、Ｐは接合時に加えられる加圧力（ＭＰａ）、ｔは加圧状態で金属部材を保持している接合時間（ｍｉｎ）を表す。
【請求項３】
接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔが、以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプの製造方法。
５≦Ｌ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、３０≦Ｐ≦８０、５≦ｔ≦３０
【請求項４】
前記複数の固体部材として、少なくともどちらか一方が金属部材であり、前記先端側固体部材と、前記先端側固体部材と接合する前記後端側固体部材とを形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。
【請求項５】
前記先端側固体部材が、トリウムを含む金属部材であることを特徴とする請求項４に記載の放電ランプ用電極の製造方法。
【請求項６】
前記複数の固体部材を、ＳＰＳ接合させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放電ランプ用電極の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載された放電ランプ用電極の製造方法によって製造された放電ランプ用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光装置等に利用される放電ランプに関し、特に、複数の部材を接合させる放電ランプ用電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
放電ランプでは、高出力化に伴い、金属種類、結晶特性などが異なる部材を接合させて電極を形成する。例えば、トリウムなどのエミッターが含有される金属部材を電極先端部、純タングステンなどの高融点金属部材を胴体部とし、２つの金属部材を互いに接合させる。
【０００３】
接合方法としては、固相接合の一つである拡散接合が知られている。拡散接合では、接合面付近において結晶構造が軸方向に傾斜化させ、あるいは、金属結晶粒が軸方向に沿って変形しないように接合することが可能であり、接合による電極性能の低下を抑えることができる（特許文献１、２参照）。そこでは、定められた圧力、加圧時間、接合温度に従い、拡散接合として放電プラズマ焼結接合（ＳＰＳ接合）を行う。
【０００４】
また、電極側面の面積比率を調整することでランプを長寿命化させる方法が知られている（特許文献３参照）。そこでは、トリタンを電極先端部分とし、純タングステンの本体部と拡散接合させる放電ランプにおいて、トリタン部の側面積と電極面積との比を所定範囲内に収める構造にし、アーク放電を安定化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４９０２７号公報
【特許文献２】特開２０１１−７１０９１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１５４９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電極本体部分をトリタンなどのエミッターを含む金属として電極を構成する場合、エミッターの供給は接合面を経由する。したがって、接合面の径の大きさ自体が、電極性能に影響を与える。従来では、固相接合のとき、接合面の径の大きさが与える影響について考慮されていない。
【０００７】
さらに、接合温度、接合時間、加圧力に関しては、接合面の径の大きさの違いによって、求められる条件も異なる。接合温度、接合時間、圧力および接合面の径についての相関性がないまま設定すれば、望ましい電極性能を得ることができない。
【０００８】
したがって、複数の部材を固相接合して電極を形成する場合、接合温度、接合時間、圧力、そして接合面の径を、互いに関連付けて設定し、優れた電極性能を実現させる値に設定することが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の放電ランプ用電極の製造方法は、電極先端面を有する先端側固体部材と、電極支持棒に支持される後端側固体部材とを含み、少なくとも１つが金属部材である複数の固体部材を形成し、前記複数の固体部材を、前記先端側固体部材と前記後端側固体部材との間で固相接合させる製造方法であって、接合面外径Ｌ（ｍｍ）が２≦Ｌ≦６０の範囲にあるとき、以下の条件式を満たすように固相接合させる。
３０００≦Ｔｔ＋Ｐ≦１５００９３
（１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０）
ただし、Ｌは接合面外径（ｍｍ）、Ｔは接合温度（℃）、Ｐは接合時に加えられる加圧力（ＭＰａ）、ｔは加圧状態で金属部材を保持している接合時間（ｍｉｎ）を表す。
【００１０】
あるいは、本発明の他の局面における放電ランプ用電極の製造方法は、以下の条件式を満たすように固相接合させる。
３７０．４／Ｌ≦（Ｔ＋Ｐ）ｔ／９．８Ｌ≦１５８５７．１／Ｌ  
２≦Ｌ≦６０、１２００≦Ｔ≦２５００、１０≦Ｐ≦９０、３≦ｔ≦６０
【００１１】
上記２つの式は、接合強度を十分に維持することが可能な変数Ｌ、Ｔ、Ｐ、ｔの設定範囲を定めたもので、経験的に導出されたものであり、変数が互いに相関関係を持って設定される。
【００１２】
各変数を個別に検討すると、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔは、以下の条件を満たすのがよい。
５≦Ｌ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、３０≦Ｐ≦８０、５≦ｔ≦３０
【００１３】
複数の固体部材として、少なくともどちらか一方が金属部材であればよい。また、接合前において、前記先端側固体部材と、前記先端側固体部材と接合する前記後端側固体部材とを形成、成形すればよい。先端側固体部材として、トリウムを含む金属部材を用意すればよい。さらに、固相接合の方式としてＳＰＳ接合を適用することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固相接合によって、優れた電極性能をもつ電極を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した平面図である。
【図２】陽極の概略的断面図である。
【図３】放電プラズマ焼結装置を示した図である。
【図４】条件式（１）のグラフを示した図である。
【図５】条件式（２）のグラフを示した図である。
【図６】表１に示す実施例、比較例の座標位置および条件式（１）の領域を示したグラフを表す図である。
【図７】各実施例、比較例の座標位置および条件式（２）の領域を示したグラフを表す図である。
【図８】図７の一部分を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本実施形態であるショートアーク型放電ランプを模式的に示した平面図である。
【００１８】
ショートアーク型放電ランプ１０は、パターン形成する露光装置（図示せず）の光源などに使用可能な放電ランプであり、透明な石英ガラス製の放電管（発光管）１２を備える。放電管１２には、陰極２０、陽極３０が所定間隔をもって対向配置される。
【００１９】
放電管１２の両側には、対向するように石英ガラス製の封止管１３Ａ、１３Ｂが放電管１２と一体的に設けられており、封止管１３Ａ、１３Ｂの両端は、口金１９Ａ、１９Ｂによって塞がれている。放電ランプ１０は、陽極３０が上側、陰極２０が下側となるように鉛直方向に沿って配置されている。後述するように、陽極３０は、２つの金属部材４０、５０から構成されている。
【００２０】
封止管１３Ａ、１３Ｂの内部には、金属性の陰極２０、陽極３０を支持する導電性の電極支持棒１７Ａ、１７Ｂが配設され、金属リング（図示せず）、モリブデンなどの金属箔１６Ａ、１６Ｂを介して導電性のリード棒１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ接続される。封止管１３Ａ、１３Ｂは、封止管１３Ａ、１３Ｂ内に設けられるガラス管（図示せず）と溶着しており、これによって、水銀、および希ガスが封入された放電空間ＤＳが封止される。
【００２１】
リード棒１５Ａ、１５Ｂは外部の電源部（図示せず）に接続されており、リード棒１５Ａ、１５Ｂ、金属箔１６Ａ、１６Ｂ、そして電極支持棒１７Ａ、１７Ｂを介して陰極２０、陽極３０の間に電圧が印加される。放電ランプ１０に電力が供給されると、電極間でアーク放電が発生し、水銀による輝線（紫外光）が放射される。
【００２２】
図２は、陽極の概略的断面図である。
【００２３】
陽極３０は、金属部材４０、５０を接合させた電極構造であり、金属部材４０は、電極先端面４０Ｓを含む円錐台形状部分４０Ａと、円柱状の金属部材５０と同一径をもち、金属部材５０と接合する円柱状形状部分４０Ｂによって構成される。金属部材４０は、純タングステンなどの高融点、あるいはタングステンを主成分とする合金によって構成される。
【００２４】
一方、円柱状金属部材５０は、金属部材４０よりも熱伝導率の高い金属（例えば、大形状可能な純タングステン、トリウム、モリブデン、ゲッター効果のあるタンタル、熱伝導性の高い窒化アルミ、カーボン素材など）を含有する金属によって構成される。
【００２５】
金属部材４０、５０は、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）方式に従って拡散接合している。そのため、電極軸Ｘに垂直な方向に沿って形成される接合面Ｓ付近には、拡散層が形成されている。
【００２６】
ここでは、接合に寄与する接合面結晶粒だけが部分的に変形し、それ以外の接合面Ｓ付近の結晶粒は、接合面に垂直な方向（電極軸方向）に沿って変形、二次再結晶化による粒径肥大化、粒界移動がほとんど生じていない。また、接合面に沿った結晶粒径がほぼ均一であり、また、接合面付近における電極軸方向に沿った結晶粒径も、ほぼ均一である。
【００２７】
このような接合面Ｓを挟む拡散層の形成により、熱伝導特性、導電性については接合面Ｓに沿ってバラツキが生じない。ランプ点灯によって高温になる電極先端面４０Ｓ（１０００℃以上）から電極支持棒１７Ｂに向けて熱が輸送される間、陽極内部の温度分布は、電極軸Ｘを中心として対称的な分布となり、熱輸送は接合面Ｓによる影響を受けない。
【００２８】
なお、金属結晶の径が接合面Ｓに沿って略均一となって、電極軸Ｘに沿って結晶構造が傾斜化するように、拡散接合を行うことも可能である。傾斜化により、結晶径は電極軸Ｘに沿って連続的、あるいは段階的に変化する。
【００２９】
金属部材４０、５０の形状は、図２以外の形状にすることも可能であり、金属部材４０、５０の間に他の金属部材を介在させるように固相接合させてもよい。
【００３０】
図３は、放電プラズマ焼結装置を示した図である。
【００３１】
放電プラズマ焼結法は、圧粉体あるいは成形体の粒子間隙にパルス状の電気エネルギーを直接投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高温エネルギーを熱拡散、電界拡散などへ適用した焼結方法である。
【００３２】
図３の放電プラズマ焼結装置６０は、真空チャンバー６５を備え、真空チャンバー６５内部に設けられた上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂおよびグラファイト製ダイ８０の間に、図２に示した形状をもつ金属部材４０、５０がそれぞれ接触面を接触させた状態で設置される。金属部材４０、５０は、あらかじめ切削などの金属加工処理によって接触面が同じサイズとなるように成型されている。
【００３３】
グラファイト製の上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂは、上部パンチ電極７０Ａ、下部パンチ電極７０Ｂとそれぞれ接続されている。装置内を真空雰囲気にした後、パルス電源９０によって上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂの間に電圧が印加される。
【００３４】
そして、通電とともに、加圧機構（図示せず）によって上部パンチ８０Ａ、下部パンチ８０Ｂの間に圧力が加えられる。通電による放電プラズマによって所定の温度まで瞬時に昇温された後、圧力が加えられた状態で一定時間保持する。これにより、図２に示す形状をもつ陽極が得られる。
【００３５】
次に、図４、５を用いて、電極製造時の接合条件について説明する。
【００３６】
上述したように、金属部材４０、５０をＳＰＳ接合するとき、接合温度、加圧力、接合／保持時間が定められる。これらパラメータの設定は、電極性能を大きく左右する。さらに、これらパラメータは、接合面の径の大きさと相関関係があり、最適な条件を求めるためには、接合面外径、接合温度、加圧力、接合時間を適切な値に設定する必要がある。
【００３７】
本実施形態では、各パラメータの適切な値を求めるとともに、パラメータ間の相関関係を表す式を導出している。導出した条件式を満たすようにパラメータを設置することにより、ヒューリスティックに各パラメータを設定することなく、電極性能の優れた電極構造をある程度自動的に得ることが可能となる。
【００３８】
まず、接合面外径Ｌ（ｍｍ）については、２≦Ｌ≦６０を満たすように設定される。接合面外径Ｌが２ｍｍ未満の場合、接合時の加圧を大きくすることができず、接合面以外で部分的に微小放電が発生し、接合が安定しない。接合時の加圧を大きくすると、接合前の金属材料に割れや変形が生じやすくなる。さらに、トリウムの拡散が発生し、トリウム含有量が少なくなってランプ性能が低下する。一方、接合面外径Ｌが６０ｍｍより大きいと、接合面の平滑度を得るための加工処理が煩雑となり、また、トリウム使用量過多になる。
【００３９】
接合時の接合温度Ｔ（℃）については、１２００≦Ｔ≦２５００を満たすように設定される。接合温度Ｔが２５００℃より大きい場合、トリウム融点（約１８００℃）を大きく超え、接合面付近の最上層に含まれるトリウムが一部溶融、蒸発する。接合面にトリウムが拡散すると、接合強度が低下してしまう。一方、接合温度Ｔが１２００℃未満の場合、十分な接合強度が得られない。
【００４０】
接合時の加圧力Ｐ（ＭＰａ）については、１０≦Ｐ≦９０を満たすように設定される。加圧力Ｐが９０ＭＰａより高いと、接合時に金属部材に割れや変形が生じやすい。また、２つの金属部材を正対させて同軸上に加圧させる必要があるが、加圧の向きにずれが生じ、接合面に反りや窪みが生じ、接合面付近の密度が不均一性となる。一方、加圧力Ｐが１０ＭＰａ未満の場合、十分な接合強度が得られない。
【００４１】
そして、接合時の金属部材保持時間である接合時間ｔ（ｍｉｎ）については、３≦ｔ≦６０を満たすように設定される。保持時間ｔが６０ｍｉｎよりも長いと、生産性が低下する。一方、保持時間ｔが３ｍｉｎ未満の場合、十分な接合強度が得られない。
【００４２】
このように、ＳＰＳ接合時における接合面外径Ｌ、温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔには、それぞれ優れた電極性能を実現させる数値範囲が定められる。しかしながら、これらパラメータ間には相関関係があり、各パラメータをバラバラに変えながらより優れた電極性能を実現させるパラメータの組み合わせを決めることは難しい。
【００４３】
そこで本実施形態では、２つの条件式を規定している。条件式を満たす数値範囲をそれぞれグラフ化することで、４つのパラメータの範囲が視覚化される。
【００４４】
まず、接合時のエネルギーを考慮した１つの条件式が以下のように規定される。
３０００≦Ｔｔ＋Ｐ≦１５００９３                    ・・・・・（１）
（２≦Ｌ≦６０）                      
【００４５】
接合面外径Ｌを変えながら、（１）式を満たすように、下限値、上限値を満たすように接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔが定められる。
【００４６】
図４は、条件式（１）のグラフを示した図である。図４に示すように、（１）式を満たす範囲は、横軸Ｌ、縦軸Ｔｔ＋Ｐの２次元座標系を定義することにより、領域Ｓ１としてグラフ化される。矩形領域Ｓ内の（Ｌ、Ｔｔ＋Ｐ）座標位置により、接合強度が変わる。
【００４７】
さらに、接合強度を考慮した以下の条件式が規定される。
３７０．４／Ｌ≦α／Ｌ≦１５８５７．１／Ｌ          ・・・・・（２）
（α＝（Ｔ＋Ｐ）ｔ／９．８、２≦Ｌ≦６０）
【００４８】
図５は、条件式（２）のグラフを示した図である。図５に示すように、（２）式を満たす範囲は、横軸Ｌ、縦軸（Ｔ＋Ｐ）ｔ／（９．８Ｌ）の２次元座標系を定義することにより、領域Ｓ２としてグラフ化される。
【００４９】
このように各パラメータの設定可能な範囲を図示化することによって、電極構造が異なる、すなわち接合面外径が異なる電極を製造する場合においても、同等の優れた熱伝導性、強度を得る数値を容易に推定し、設定することができる。
【００５０】
特に、以下の範囲に接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを定めることによって、一層優れた電極性能をもつ電極を製造することが可能である。
５≦Ｌ≦３０、１５００≦Ｔ≦２２００、３０≦Ｐ≦８０、５≦ｔ≦３０
・・・・・（３）
【００５１】
このように本実施形態によれば、トリウムなどの成分を含む金属部材４０と純タングステン金属などの金属部材５０とをＳＰＳ接合させて陽極を形成する。そして、ＳＰＳ接合時において、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを、上記定められた許容範囲に定め、さらに、（１）、（２）式を満たすように設定する。
【００５２】
ＳＰＳ接合以外の拡散接合方法によって電極を製造してもよい。例えば、ホットプレス（ＨＰ）、熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）など、加圧しながら焼結する拡散接合方式によって電極を製造可能である。さらに、拡散接合方法以外の固相接合法（摩擦圧接法、超音波接合法など）も適用可能である。
【００５３】
なお、陰極についても異なる金属部材を固相接合させてもよい。さらには、一方を金属部材、他方をその他の素材から成る部材（セラミックなど）として固相接合させてもよい。また、部材間にインサート部材を介在させて接合してもよい。
【００５４】
以下、本発明の実施例について説明する。ここでは、条件式（１）、（２）に関して考察するため、複数の実施例と比較例となる陽極を製造し、試験を行った。
【実施例１】
【００５５】
条件式（１）に関し、先端部がトリタン（トリエーテッドタングステン）部材、胴体部が純タングステン部材となる陽極を、ＳＰＳ接合によって製造した。このとき、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔをそれぞれ変えて、実施例１〜３、比較例１〜３を製造した。その後、製造された各陽極について、引張試験を行った。実験結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
2014063655.tif 000003
【００５７】
実施例１、比較例１は、インサート部材なしでトリタン部材と純タングステン部材とをＳＰＳ接合させて製造された電極である。実施例２、比較例２は、インサート部材としてタンタル（Ｔａ）部材を介在させてＳＰＳ接合させた電極である。実施例３、比較例３は、インサート部材としてレニウム（Ｒｅ）部材を介在させてＳＰＳ接合させた電極である。
【００５８】
引張試験については、材料試験機の継ぎ手で電極両端を保持し、１０ｍｍ／ｍｉｎのスピードで引っ張り、破断する際の力を測定した。
【００５９】
図６は、表１に示す実施例、比較例の座標位置および条件式（１）の領域を示したグラフを表す図である。
【００６０】
図６に示すように、本実施例１〜３は、領域Ｓ１に含まれており、また、表１からわかるように、引張強度が非常に強い。それに対し、比較例１〜３は、領域Ｓ１に属さず、引張強度が弱い。接合エネルギーが過剰であったため、引張試験において電極が変形した。また、トリウム拡散が見られた。
【００６１】
このように、領域Ｓ１の範囲内で接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを定めることにより、優れた電極性能が得られる。
【実施例２】
【００６２】
次に、条件式（２）に関し、先端部がトリタン部材、胴体部が純タングステン部材となる電極を、ＳＰＳ接合によって製造した。このとき、接合面外径Ｌ、接合温度Ｔ、加圧力Ｐ、接合時間ｔを変えながら、実施例５〜８、１１〜１５、比較例１〜４、９〜１０を製造した。その後、製造された陽極について引張試験を行った。実験結果を表２に示す。ただし、表１と異なり、ここでは製造、試験順に合わせて実施例と比較例の番号が割り当てられている。
【００６３】
【表２】
2014063655.tif 000004
【００６４】
図７は、各実施例、比較例の座標位置および条件式（２）の領域を示したグラフを表す図である。図８は、図７の一部分を拡大した図である。
【００６５】
表２の実施例の番号、比較例の番号を図７、８において参照すると明らかなように、すべての比較例は領域Ｓ２の範囲外に位置する。また、表２からわかるように、比較例では、トリウム拡散、接合強度の不足、あるいは電極変形が見られた。一方、すべての実施例では、接合強度が大きく、優れた電極性能が得られた。
【００６６】
上記実施例では、トリタン先端部とタングステン胴体部を接合する構成であるが、それ以外の金属固定部材同士のＳＰＳ接合においても、同様の結果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０  放電ランプ
１２  放電管
３０  陽極
４０  金属部材（先端側固体部材）
５０  金属部材（後端側固体部材）
Ｓ  接合面
【図１】
2014063655.tif 000005
【図２】
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【図３】
2014063655.tif 000007
【図４】
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【図５】
2014063655.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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