(57)【要約】【課題】  サファイアを発光管に採用した閃光放電ランプにおいて、確実に発光管の破損を回避あるいは抑制できる構造を提供することである。【課題を解決するための手段】  単結晶アルミナよりなる発光管１１を備える構成において、前記発光管１１の内面には、当該発光管１１を構成する単結晶アルミナのＣ軸と交差する方向に伸びる凹部２０が形成されることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶アルミナよりなる発光管を備えて、内部に一対の電極と放電用ガスが封入された閃光放電ランプにおいて、
前記発光管の内面には、当該発光管を構成する単結晶アルミナのＣ軸と交差する方向に伸びる凹部が形成されることを特徴とする閃光放電ランプ。
【請求項２】
前記凹部は、前記発光管を構成する単結晶アルミナのＣ軸と直交するように伸びることを特徴とする請求項１の閃光放電ランプ。
【請求項３】
前記発光管は直管状であって、前記凹部は前記発光管の内周面に円形状またはらせん状に形成されることを特徴とする請求項１の閃光放電ランプ。
【請求項４】
前記凹部は、平均粗さが０．１μｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１の閃光放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は閃光放電ランプに関する。特に、単結晶アルミナの発光管を有する閃光放電ランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスの急速熱処理において閃光放電ランプが光源として使われる。放射強度の高い光が高い効率で得られるからである。
この種の閃光放電ランプは、１回の発光に要する時間が極めて短く、発光管内部の温度は、例えば１０００℃というレベルの高温に達する。このため、発光管の材料は単結晶アルミナ（サファイア）が注目される。石英ガラスよりも耐熱性という点で優れるからである。
【０００３】
しかしながら、サファイアからなる発光管は、耐熱性に優れるものの、使用寿命が十分に得られないという問題がある。サファイアの熱膨張率が石英ガラスの熱膨張率に比べて大きいからであり、閃光発光のたびに発光管内部に大きな応力が生じ、その繰り返しにより発光管が破損するからである。
【０００４】
上記課題を解決するために、例えば、特開２００３−１０９５３７号には、発光管の内部に熱膨張緩衝用凹所を設ける技術が紹介される。凹所が熱膨張を吸収することで応力の発生を回避あるいは抑制するからである。
しかし、この技術をサファイア発光管に採用しても、応力の発生を十分に抑制することができず、場合によっては熱膨張緩衝用凹所を形成していない場合と、同じレベルで発光管破損を生じることがあった。
特に、上記先行文献は、多結晶アルミナなどセラミックス全般を広く対象とするものであり、多結晶のセラミックスではある程度の効果を得ることができるものの、単結晶アルミナを使うと十分な効果を得ることはできなかった。
【特許文献１】特開２００３−１０９５３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明が解決しようとする課題は、単結晶アルミナ（サファイア）の発光管からなる閃光放電ランプにおいて、確実に、熱膨張に起因する応力の影響を抑制し、結果として、発光管の破損を回避あるいは抑制できる構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明に係る閃光放電ランプは、単結晶アルミナよりなる発光管を備えて内部に一対の電極と放電用ガスを封入した構成において、前記発光管の内面には、当該発光管を構成する単結晶アルミナのＣ軸と交差する方向に伸びる凹部が形成されることを特徴とする。
また、前記凹部は、前記発光管を構成する単結晶アルミナのＣ軸と直交するように伸びることを特徴とする。
また、前記発光管は直管状であって、前記凹部は前記発光管の内周面に円形状に形成されることを特徴とする。
また、前記凹部は、平均粗さが０．１μｍ〜１μｍであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上構成により、単結晶アルミナよりなる発光管であっても、熱膨張による応力の発生を抑え、発光管の破損を回避することができる。
特に、本発明は、結晶軸方向に対し、異なる熱膨張係数をもつ単結晶において、最も大きな熱膨張係数を有する結晶軸（たとえば、サファイアではC軸方向）に着目して、凹所の伸びる方向を規定することが特徴であり、これにより熱膨張による応力の影響を低減する構造を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は本発明に係る閃光放電ランプ（以下、「フラッシュランプ」ともいう）を示す。
閃光放電ランプ１０は直管状の発光管１１を有する。発光管１１の内部には一対の電極１２が電極棒１３に支持されて対向配置する。発光管１１の両端には、多結晶アルミナ焼結体よりなる円柱状の封止部材１４が挿入される。発光管１１と封止部材１４の間には封着ガラス１５によって気密に封着される。封止部材１４には電極棒１３が発光管１１の軸方向に伸びるように貫通して設けられる。電極棒１３と封止部材１４も封着ガラス１５によって気密に封着される。
発光管１１の内部は放電空間を形成するとともに、放電用ガスとして、例えば、キセノンガスが封入される。
【０００９】
発光管１１は単結晶アルミナ（サファイア）より構成される。単結晶体は多結晶体と比較して、光透過性、機械的強度、耐熱性、耐プラズマ性などに優れている。ランプ材料として必要とされる物性値を考慮すると、その中でも酸化アルミニウムの単結晶体であるサファイアを使うことで優れた特性が得られる。
なお、図示略ではあるが、発光管１１の外表面にはトリガワイヤが設けられる。
【００１０】
図２は、図１に示した発光管１１の一部Ｐの拡大図を示す。発光管１１の一部Ｐは中空円筒状であり、図１に示す発光管１１の長手方向を図２では垂直方向に置き換えて表現している。また、図２は、発光管の一部Ｐのさらに一部Ｐ’を拡大させた形態も示している。
発光管１１の内壁には円周方向に円形の凹部（溝）２０が形成される。凹部２０の伸びる方向は、発光管を構成する単結晶アルミナのＣ軸(図において、Ｘで示す方向)と直交する方向に形成される。
【００１１】
図３は図２に示す発光管１１の一部Ｐの横断面構造を示す。
凹部２０は発光管１１の全長にわたって連続的に形成される。発光管全長にわたり応力の抑制を期待できるからである。また、全長とは言わないまでも、少なくとも発光管の有効発光領域に形成することが望ましい。有効発光領域は熱膨張の影響を受けやすいからである。この場合の有効発光領域とは両電極の先端同士で形成される間の領域をいう。
さらに、凹部２０は、事実上、応力の影響を回避できるならば、発光管内壁に部分的に形成することもできる。
【００１２】
本発明は単結晶アルミナのＣ軸方向との関係で凹部（溝）の伸びる方向を規定する点が特徴である。単結晶アルミナは、結晶方向により熱膨張率が異なり、発生する熱応力の方向も異なるからである。
具体的には、単結晶アルミナのＣ軸に対して、垂直方向では約４．５×１０−６（１／Ｋ）であり、平行方向では約５．３×１０−６（１／Ｋ）である。この数値は２５℃における一例である。
【００１３】
さらに、多結晶との比較において、もう少し説明すると、発光管が多結晶材料から構成される場合は、各結晶のＣ軸方向がさまざまな方向として存在するため、結果として、発光管内壁に適当に凹部を形成したとしても、多数の結晶のうち、いくつかの結晶のＣ軸は凹部の伸びる方向と最適な関係で成立することとなる。従って、発光管が多結晶からなる場合は、何ら規則性なく凹部を形成したとしても、少なからず応力を抑制あるいは回避できる効果を有していた。
一方で、単結晶の場合は、Ｃ軸方向が一つに決まってしまうため、凹部の形成方向によっては応力の抑制効果を全く生じないこととなる。
本発明は、このような知見に基づき、単結晶の発光管を使った場合は結晶のＣ軸方向との関係で凹部の伸びる方向を規定することが有効であることを見出したことにほかならない。すなわち、結晶構造に異方性があって、方向によって熱膨張係数が異なる単結晶アルミナにおいて、凹部を形成させる方向を結晶のＣ軸方向との関係で規定しているわけである。
従って、単結晶材料であればサファイアに限定されることなく他の材料にも適用できるが、ランプの発光管に適する材料として、事実上、サファイアが採用される。
【００１４】
ここで、凹部が形成される方向は、発光管のＣ軸と直交することが最も望ましいが、必ずしも直交だけに限定されるものではなく、所定の角度で交差する関係であってもそれなりに効果を有する。
従って、発光管が直管形状であり結晶のＣ軸が長手方向に形成される場合は、凹部は発光管の内壁に円形状あるいはらせん状に形成される。
【００１５】
ここで、結晶格子を構成する基本の立体に縦、横、高さに対応する各辺に沿って座標軸をとり、これら結晶軸をそれぞれＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸という。結晶のＣ軸は、例えば、背面反射ラウエ法という結晶方位の測定方法があり、単結晶アルミナに対してＸ線回折解析を行うことで検出することができる。
【００１６】
凹部の深さＲａは、ＪＩＳ規格の算術平均粗さであり、０．１μｍ〜１．０μｍの範囲から選択される数値が好ましく、特に、０．３μｍ〜１．０μｍの範囲が好ましい。
０．１μｍより小さい場合は、発光管の熱膨張によって生じる応力が十分に抑制できず、発光管内表面に亀裂を生じるからである。一方、１．０μｍを超える場合は発光管の機械的強度が低くなるからである。ランプの肉厚は、通常０．５〜２ｍｍ程度であり、その範囲において凹部の深さが１．０μｍを超える場合は問題となる。
なお、深さＲａとはＪＩＳ規格に掲載される算術平均粗さのことであり、カットオフ値は２．５ｍｍとする。
【００１７】
また、本発明は高負荷で点灯される閃光放電ランプに適する。高負荷で点灯するからこそ発光管が熱膨張を起こすからである。
具体的には、管壁負荷ＷＬが４×（τ×１０４）0.5（Ｊ／ｃｍ２）以上の条件でフラッシュ点灯する場合に本発明の構造は有効である。ここで、管壁負荷ＷＬはランプの入力エネルギー（Ｊ）を発光管の内表面積で割った値であり、発光管の内表面積は発光管の内部全体の面積ではなく、一対の電極の先端同士で形成される部分、すなわち、有効発光領域の面積と意味する。また、τは電流波形の半値幅（ＦＷＨＭ）を意味する。
管壁負荷ＷＬが４×（τ×１０４）0.5（Ｊ／ｃｍ２）未満の場合は、ランプに対する衝撃が小さいため、凹部の有無にかかわらず発光管の熱膨張は問題にならないからである。
管壁負荷ＷＬが４×（τ×１０４）0.5（Ｊ／ｃｍ２）以上であれば、熱膨張の抑制という技術的観点では上限値は存在しないが、現実には、発光管の強度との関係で概ね18×（τ×１０４）0.5（Ｊ／ｃｍ２）以下に制限される。
従って、本発明は管壁負荷ＷＬが４×（τ×１０４）0.5（Ｊ／ｃｍ２）〜18×（τ×１０４）0.5（Ｊ／ｃｍ２）の範囲で有効となる。
【００１８】
発光管の内表面に凹部を形成する方法は、例えば、塊状の単結晶アルミナから切削、機械加工により形成する方法、円筒状発光管を形成した後に切削機械加工あるいは化学エッチングをする方法、さらには、引き上げ法において引き上げ条件を調整する方法などがある。
【００１９】
フラッシュランプについて、数値例をあげると、発光管の内径はφ８〜２０ｍｍの範囲から選択され、例えば１０ｍｍ、発光管の長さは１００〜６００ｍｍの範囲から選択され、例えば３００ｍｍである。
封入ガスであるキセノンガスの封入量は２００〜１５００ｔｏｒｒの範囲から選択され、例えば５００ｔｏｒｒである。また、主発光成分としてはキセノンガスに限らず、その代わりにアルゴンやクリプトンガスを採用することもできる。また、キセノンガスに加えて水銀など他の物質を添加することもできる。
電極は、タングステンを主成分とする電極であって、大きさは外径が４〜１８ｍｍの範囲から選択され、例えば５ｍｍ、長さが５〜９ｍｍの範囲から選択され、例えば７ｍｍである。電極間距離は５０〜５５０ｍｍの範囲から選択され、例えば２８０ｍｍである。また、陰極にはエミッターとして酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）,アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２O３）、酸化トリウム（ＴｈＯ２）などが混入されている。
さらに、トリガ電極は、ニッケルやタングステンで形成されるワイヤ状のものであり発光管に接触される。
【００２０】
フラッシュランプの発光について、数値例をあげると、発光周期は、例えば１分間に０．５〜６回、具体的には１回の割合で繰り返され、各フラッシュランプの発光エネルギーは２４〜１７０００Ｊの範囲から選択され、例えば８５０Ｊとなる。
フラッシュランプは複数本並べて同時に発光させる場合があり、具体的には５〜４０本から選択されて、例えば、３０本を並べる。照射面における光強度は、フラッシュランプの総本数が５〜４０の範囲として、２〜５０Ｊ／ｃｍ２範囲から選択され、例えば２０Ｊ／ｃｍ２となる。
【００２１】
次に、本発明の効果を確認する実験について説明する。
図１に示す直管状の発光管であって、図２に示すように発光管の長手方向にＣ軸を有する閃光放電ランプにおいて、凹部の形成する方向（伸びる方向）が、Ｃ軸に対して０°（Ｃ軸と平行）、３０°、６０°、９０°の４種類のランプを作成した。
各ランプは凹部の形成方向が異なる以外は、基本的に同一構造であり、内径φ１０．４ｍｍ、外径φ１３ｍｍ、全長３００ｍｍ、凹部の深さは０．３μｍ、有効発光長（電極間距離）２５０ｍｍ、封入ガスはキセノンで４５０Ｔｏｒｒとした。また、管壁負荷ＷＬは１５Ｊ／ｃｍ２、半値幅１００μ秒でフラッシュ点灯を繰り返した。
【００２２】
上記条件によりほぼ１０００回点灯させたところ、凹部をＣ軸に対して０°で形成したランプと、軸に対して３０°で形成したランプは、発光管内表面に微細クラックを多数発生させた。また、凹部をＣ軸に対して６０°で形成したランプは、わずかではあるが微細クラックを発生させた。一方、凹部をＣ軸に対して９０°で形成したランプは、ほとんどクラックを発生させておらず、また、光出力も点灯開始時と変わらないことが確認された。
この結果、凹部は結晶のＣ軸に対して６０〜９０°の範囲で熱膨張に対するクラック発生の抑制効果があり、特に９０°において優れた効果を生じることが分かる。
【００２３】
発光管１１の端部に装着した封止部材１４は、安価であること、また、熱膨張の影響を受けにくいことから多結晶アルミナの焼結体を用いているが、他の材料を用いることも可能である。特に、電極棒１３が短く有効発光領域が長い場合などにおいて、発光管１１の端部においても熱膨張の影響を受けるような場合は単結晶アルミナを設けることは利点がある。
【００２４】
上記実施例では、内径が１０ｍｍ程度であるのに対し、全長が２００ｍｍ以上もある直管形状の発光管を有する閃光放電ランプを対象とした。しかし、このような直管形状の発光管に限定されるものではない。
【００２５】
なお、図に示す構造は、説明の便宜上、寸法関係が正確には表現されていない。特に、凹部の深さと発光管内径の関係は誇張されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る閃光放電ランプを示す。
【図２】本発明に係る閃光放電ランプの一部を示す。
【図３】本発明に係る閃光放電ランプの一部を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１０  閃光放電ランプ
１１  発光管
１２  電極
１３  電極棒
１４  封止部材
１５  封着ガラス
２０  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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