(57)【要約】【課題】点灯時に一対の電極が上下になるショートアーク型放電灯の光照射面への黒化物の付着を防止して、照度が低下しないようにする。【解決手段】上側の陽極電極４の発光管端側端面に、くぼみ12を設ける。くぼみ12の断面形状は、凹の字型かＵ字型かレの字型かＶの字型である。くぼみ12により、発光管１の上端部からの対流ガスを、再び発光管１の上端部に循環させる。陽極電極４の側面を通過する上昇気流は、発光管１の上端へ向かう。下降気流と上昇気流との合流気流が、発光管１の上端付近の内面に衝突する。黒化成分を含んだ気流が、光照射に必要な発光管面領域から大きくずれた位置に衝突することによって、光照射に必要な面の黒化が防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電用ガスが封入された発光管と、前記発光管内の放電空間内に配置された一対の電極とを具備し、前記一対の電極が上下方向になる状態で点灯されるショートアーク型放電灯において、前記一対の電極のうちの上側電極の発光管端側端面に、発光管上端部からの放電用ガスの流れを再び発光管上端部に循環させるためのくぼみを設けたことを特徴とするショートアーク型放電灯。
【請求項２】
前記くぼみの断面形状は、凹の字状、Ｕの字状、レの字状、Ｖの字状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電灯。
【請求項３】
前記くぼみは、前記上側電極の発光管端側端面の円周に沿って設けられた溝であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電灯。
【請求項４】
前記くぼみは、前記上側電極の発光管端側端面の円周に沿って設けられた複数の凹穴であることを特徴とする請求項１に記載のショートアーク型放電灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショートアーク型放電灯に関し、特に、半導体や液晶の製造の露光工程において光源として用いられるショートアーク型放電灯に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶表示装置の製造プロセスなどにおける露光工程において、光源として使用されているショートアーク型放電灯は、高照度化が要求されている。この種のショートアーク型放電灯（以下、単にランプと称する）は、一般に投入電力が１kW以上のものが使用され、点灯時の温度と内圧がかなり高い。高照度化するための一方法として、水銀や希ガスなどをより多く封入し、紫外域のランプ発光効率を向上させる方法がある。このようなショートアーク型放電灯においては、アーク放電による高温プラズマの発生により、プラズマ近傍の陰極先端あるいは陽極先端が点灯時間の増加にしたがい徐々に磨耗する。このさい、電極成分がランプの発光管内面の光照射面に黒化物として付着する。黒化物は、放電による光を遮断するので、長時間の点灯によりランプの照度を初期照度より低下させて、ランプの寿命を短くする。
【０００３】
ショートアーク型放電灯における照度低下の一因子である黒化を防止するための従来技術には、黒化を生じさせる一因である不純物を吸着するゲッタをランプ内に設ける方法、電極先端近傍を除く表面に微粒子状タングステンの焼結層を設ける方法、陽極電極内にガスが流れる孔を設ける方法、陽極の電極温度の上昇を抑える方法などがある。黒化物質によるランプの照度低下を防ぐために、電極に黒化物を吸収するゲッタと呼ばれる物質を設ける方法では、陽極側にゲッタを設けると高温ではがれてしまうし、陰極側にゲッタを設けると、ゲッタと電極間で放電が発生するなどの問題がある。ゲッタを高温部から離すと、ゲッタの不純物吸着機能が低下する。この問題を解決するために、ゲッタを、陰極側面の凹部に収容する方法がある。
【０００４】
陽極の温度を抑えて陽極先端の変形、消耗を抑える方法として、陽極の先端を除く表面に、炭化タンタルとタングステンの混合物からなる多孔質層を設けるなどの方法が考案されている。しかし、炭化タンタルは、電極先端近傍の高温となる領域では還元反応によって分解する場合が多い。このため多孔質層を形成できる領域には限界がある。この問題を解決するために、陽極の先端近傍を除く表面に、微粒子状タングステンの焼結層を設ける。陽極の温度を下げて陽極部の蒸発を抑制し、照度の低下を遅らせることができる。
【０００５】
陽極物質の蒸発を抑制するために、陽極の先端の断面積を大きくする方法や、陽極の熱伝導性を高めるために、金属炭化物（タンタルカーバイド、ジルコニウムカーバイド、ハフニウムカーバイド）の熱放射層を設ける方法が提案されている。しかしその方法だけでは、十分に温度を下げることはできない。陽極の熱放射を多くしようとしても、体積が大きく熱容量の大きい陽極を発光管に収容することはできない。この問題を解決するために、陽極の先端近傍から後端側に伸びる貫通孔を設ける方法が提案されている。陽極に設けられた貫通孔にガス流が生じ、陽極の温度上昇が抑制されるため、貫通がない場合に比較して陽極物質の蒸発が抑えられる。その結果、長時間ランプを点灯しても、黒化物が発光管に付着せず、より長寿命のランプを提供できる。
【０００６】
ところで、ランプ内部の不純物は、ランプの低温部に集中して凝集しやすいことが、経験的に知られている。しかし、発光管への黒化物の付着位置は、ランプの発光管において最も高温であるランプ上層部に分布している場合がある。したがって黒化物の付着位置は、ランプ内部の熱的条件のほかに、放電より発生する黒化成分が含まれているガスの主気流の径路と発光管の交わる位置にも依存していることが推測される。点灯中のランプ内部の放電部付近のガスは、その周囲に比較して高温で高圧であるため、ランプ内部では、ガスの密度差と温度差が大きく、このことに起因するガスの対流が起こっている。高温のプラズマによって電極から蒸発した黒化物質は、このガスの対流と共に移動し、ランプ内壁に付着すると推測される。電極端面を面取りした従来のショートアーク型ランプについて、放電中でのバルブのガスの対流シミュレーションを行うと、図６に示すような結果が得られる。このことから、従来のショートアーク型放電灯では、図７の矢印で示されるような方向性の対流が発生していると推測される。
【０００７】
図７で示す従来のショートアーク型放電灯では、バルブの黒化物付着のメカニズムは、次の通りであると考えられる。陽極の発光管端面側の形状は、電極中心から外側に向かって下方側に斜めになっている。水平になっているものもある。ランプが点灯すると、陰極電極と陽極電極の間に、アークプラズマが発生しこの付近が最も高温となる。その際、陰極側から陽極の側面を上昇する径路を有する気流が発生する。この気流は、陽極の発光管端側付近で、発光管上端部から下に向かって流れる気流と発光管方向へ向かい、発光管の内面に沿って進む流れとなる。この気流は発光管上端部と発光管下端部に向かう気流に分かれる。このとき、陽極端面から発光管に向かう気流が発光管と衝突する領域に、周囲よりも多量に黒化物が付着する。この対流を適正化することで、黒化物の付着位置を制御する方法がある。以下に、黒化防止に関連する従来技術の例をいくつかあげる。
【０００８】
特許文献１に開示された「ショートアーク水銀ランプ」は、半導体ウエハーの露光において、解像度の高い露光処理を長時間にわたり安定に行うことができるランプである。発光管内に、陽極と陰極とが対向配置され、水銀および希ガスが封入されている。陽極の先端を除く外表面に、炭化タンタルとタングステンの混合物よりなる多孔質層が形成されている。陽極の実効的な表面積の増大と、炭化タンタルの高放射率とにより、点灯時の陽極の温度上昇が抑制される。また、陽極の早期蒸発が防止されランプの寿命が向上する。
【０００９】
特許文献２に開示された「短アーク放電灯」は、ゲッタの蒸発を防止して管球の黒化を抑え、放電灯の寿命を長くする方法が示されている。陰極に細径部を設け、この細径部を覆うようにコイル状エミッタを巻き付ける。コイル状エミッタと細径部との間に形成された凹部にゲッタを収容する。ゲッタがコイルによってカバーされていて、ゲッタと陽極の間で放電が発生しないため、陰極の比較的アーク発生点に近い位置にゲッタを設けることができる。ゲッタを適度な温度条件下におくことができるので、黒化を防止するというゲッタ作用を長時間維持できる。
【００１０】
特許文献３に開示された「ショートアーク型放電ランプ」は、点灯時に陽極温度の昇温を可能な限り抑制し、陽極部材の早期蒸発に起因する発光管の内壁黒化を抑制し、ランプの使用寿命を延ばすものである。ショートアーク型放電ランプの陽極の先端近傍を除く外表面に、微粒子状タングステンの焼結層を形成する。これによって、陽極の実効表面積を増加させ、陽極からの放熱を促進させて、陽極部材の早期蒸発を抑制する。
【００１１】
特許文献４に開示された「ショートアーク型放電ランプ」は、長時間使用においてもバルブの黒化現象が有効に抑制され、長寿命を有するランプである。図８に示すように、ガラス製のバルブ内に、陽極と陰極が互いに対向するよう配置されている。陽極には、その先端側から後端側に伸びる貫通孔が形成されている。陽極が陰極の上方に位置される姿勢で点灯される。
【００１２】
特許文献５に開示された「高圧放電ランプ」は、長時間安定した光出力を得ることができるランプである。図９に示すように、高圧放電ランプの内部に一対の電極があり、垂直点灯する。上方に位置する電極には、対流ガスの規制部材がある。規制部材は、円筒形状またはコイル形状であり、上方電極側面を囲むように配置され部材と電極の間には間隙が設けられている。規制部材は、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、チタン素材からなりより構成され、ゲッタとしての効果も併せ持つ。
【特許文献１】特開平02-256150号公報
【特許文献２】特許第3380615号公報（特開平07-226187号公報）
【特許文献３】特開平09-231946号公報
【特許文献４】特開平10-208696号公報
【特許文献５】特開平10-283990号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来のランプの黒化防止技術では、次のような問題がある。黒化物質を抑制する方法では、ランプ点灯中における黒化物の発生絶対量を低減させるのみであり、光を放射する面に黒化物が付着することには変わりはなく、照度の低下を防ぐことができない。電極にゲッタや貫通孔やタングステン焼結層や規制板を設ける方法では、加工コストと加工時間が増加する。
【００１４】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、一対の電極を上下方向にして点灯するショートアーク型放電灯において、ランプの立ち上がり特性と照度特性を良好に満足しながら、低コストでランプの照度低下を防止してランプ寿命を延ばすことである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明では、一対の電極を上下方向にして点灯するショートアーク型放電灯において、上側電極の発光管端側端面に、発光管上端部からの放電用ガスの流れを再び発光管上端部に循環させるためのくぼみを設け、くぼみの断面形状を、凹の字状、Ｕの字状、レの字状、Ｖの字状のいずれかとした。
【発明の効果】
【００１６】
このように構成したことにより、ショートアーク放電灯の立ち上がり特性や照度特性を良好に維持し、より多くの工程や大きなコストを必要とせずに初期照度を長時間維持させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
本発明の実施例は、点灯時に上側となる電極の発光管端側端面に、凹の字状かＵの字状かレの字状かＶの字状の断面形状のくぼみを設けたショートアーク型放電灯である。
【００１９】
図１は、本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の概念図である。図２は、ショートアーク型ランプの主気流の対流シミュレーション結果を示す図である。図３は、計算されたショートアーク型放電灯の対流の向きを示した模式図である。図４と図５は、ショートアーク型ランプの陽極後側端面形状の例を示す図である。
【００２０】
図１〜図５において、発光管１は、ショートアーク型放電灯のバルブである。放電空間２は、水銀が封入された放電用の密閉空間である。発光管１内に、１対のタングステンなどの高融点金属からなる陰極電極３と陽極電極４が配置されている。発光管１の端側に位置する陽極電極４の端面には、発光管の上端側から下降してきた対流を再び発光管の上端部側に導き、発光管の下端側から上昇する対流を発光管上端部側に導くための循環させる手段として、くぼみ12が形成されている。陰極電極３と陽極電極４それぞれは、電極支持棒５ａと電極支持棒５ｂによって支えられている。シールガラス６ａ、６ｂ（以下、シールガラス６と総称することがある）は、発光管１から延長され、この発光管１を気密に封じるガラスである。シール用ガラス部材７ａ、７ｂ（以下、シール用ガラス部材７と総称することがある）は、電極支持棒５ａ、５ｂとシールガラス６ａ、６ｂとの間を封じて、電極支持棒５ａ、５ｂを保持するガラスである。
【００２１】
シール用ガラス部材８ａ、８ｂ（以下、シール用ガラス部材８と総称することがある）は、電極支持棒５ａ、５ｂを支える部位である。金属箔９ａ、９ｂ（以下、金属箔９と総称することがある）は、シール用ガラス部材８ａ、８ｂとシールガラス６ａ、６ｂとの間に配置され、外部からの電力供給口であるリード線11ａ、11ｂ（以下、リード線11と総称することがある）と電極支持棒５ａ、５ｂを電気的に接続する導体である。口金10ａ、10ｂは、リード線11ａ、11ｂと電極支持棒５ａ、５ｂを、金属箔９ａ、９ｂを介して電気的に接続するとともに、ショートアーク型放電灯を保持するための導体である。リード線11ａ、11ｂは、ショートアーク型放電灯に電流を流すための導体である。シールガラス６ａ、６ｂおよびシール用ガラス部材８ａ、８ｂとシール用ガラス部材７ａ、７ｂとで、発光管１が封止されている。これにより、放電空間２と外気とが完全に隔離された状態で、外部からランプに通電することができる。
【００２２】
放電空間２には、希ガスと、可視から紫外域にかけて高い強度の発光スペクトルを有する水銀などが封入されている。それぞれの極性のリード線11に直流電流を印加すると、陽極電極４と陰極電極３との間にアーク放電が発生する。放電空間２の中で発生した光が、光透過性の発光管１の発光管球面部を透過して、所望の紫外線が放射される。点灯時の内圧は、数MPaオーダーの圧力であるため、発光管の素材として、厚さが３mm程度のシリカガラスが使用される場合が多い。ランプが点灯装置に搭載される際には、ランプ長軸方向の口金10の端面で固定され、ランプ長軸が水平面に対して垂直となる状態で点灯される。特に、陽極側が上側となる状態で点灯される場合が多い。
【００２３】
上記のように構成された本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、ショートアーク型放電灯の黒化物の付着位置を制御する方法を説明する。ランプの照度の低下を防止するには、黒化物の付着位置を、光放射面からずれた位置とする必要がある。黒化物の発光管への付着位置は、ガスの主気流と発光管との衝突位置に強く依存している。この衝突位置を光放射面からずらすために、陽極電極の側面を上昇して発光管上端部へと向かう気流が、発光管上端部から下降してくる気流によって阻害されないようにする。すなわち、発光管上端部から下降してきた気流を、再び発光管上端部に戻す循環流を発生させるように、発光管端面側の陽極端面形状を変える。このようにして、ランプからの光の放出を妨げない位置に、黒化物を付着させることができる。これは、どちらの電極が他方の電極よりも上側に位置する点灯方式であっても可能な対策である。
【００２４】
具体的には、図１に示すように、発光管端側に位置する陽極端面の断面形状を、Ｖの字状にする。すなわち、陽極先端方向に向かって深くなるＶの字状のくぼみ12を、陽極端面の円周に沿った溝型に設ける。くぼみ12により、発光管上端部から下降する気流を、再び発光管上端部に戻す。黒化成分を含んだ気流を、発光管の上端部に近い位置に衝突させことによって、光照射に必要な発光管面領域に黒化が生じるのを防ぐ。
【００２５】
次に、図２を参照しながら、放電ガスの対流のシミュレーションについて説明する。ランプ内部で起こっている対流分布をシミュレートし、発光管端側の電極端面形状と、黒化物が生じる位置である対流の主成分と発光管との衝突位置との関係を求める。解析対象物の形状や境界条件が複雑になると、運動方程式では解析が困難となるため、複雑な形状・性質を持つ物体を単純な小部分に分割して近似する有限要素法（Finite Element Method）により解析する。具体的には、流体解析に特化した有限要素法解析プログラムANSYS/FLOTRANを用いて解析する。解析モデルの対象としたランプは、８ｋWショートアーク型放電ランプであり、陽極を上側に位置させて点灯させた状態を想定する。
【００２６】
発光管端側に位置する陽極端面の形状を、図１に示すように、陽極先端方向に向かって深くなるＶの字状のくぼみ12を、円周に沿って設けたランプについて、放電ガスの対流のシミュレーションを行う。ランプ長軸を水平軸と垂直となるような点灯条件で、放電空間に対し、鉛直中心軸を対称軸とする２次元軸対称モデルとして解析する。境界条件として、アーク放電が発生している陽極と陰極の間のｙ軸に5000℃を与える。熱伝達係数として、発光管内面に7.09×10-6〔W/mm2・K〕を与える。壁境界の自由度拘束に関しては、ラインすべてをＸ軸方向に拘束する。内部の流体は、物性値推算法に基づき、計算された水銀ガスの物性値を入力し、温度により物性値が変化する条件とする。
【００２７】
図２に、ランプの主気流の対流シミュレーション結果を示す。従来ランプと比較すると、発光管端部から下降してくる気流と陽極の側面を通過する上昇気流との合流気流が、発光管内面の上側に衝突している。すなわち、合流気流の衝突位置が、光照射に必要な発光管面領域から大きくずれている。この理由としては、次のことが考えられる。発光管端側に面した陽極の端面に、陽極先端方向に向かって深くなるＶの字状のくぼみを、円周に沿って設けてある。このＶの字状のくぼみ12により、発光管上端部から下降する気流を、再び発光管上端部に戻す循環流が発生する。陽極電極側面を通過する上昇気流が、発光管端部側の陽極端面において、他の気流から阻害されずに、発光管上端へ向かうことができたためである。すなわち、このショートアーク型放電灯では、図３に示すような対流が生じているのである。黒化成分を含んだ気流が発光管と衝突することによって、ランプの黒化が生じるので、黒化物が発光管に付着する位置は、発光管側の電極端面の形状を変えることによって変わる。
【００２８】
陽極形状の差異による黒化物の付着態様の相違を確認するために、ショートアーク型放電灯の点灯実験を行った。実験対象のランプは、シミュレーションの際にモデルとした８kWのランプであり、図１に示すように、陽極先端方向に深くなるＶの字状のくぼみ12を、発光管端側の陽極端面に円周状に設けたランプである。対照物として、単に陽極端面を面取りした従来の陽極構造の同一規格のランプを用意した。それぞれランプの照度が初期照度の70％に低下するまでの寿命を測定した。その結果、この陽極形状のランプは、従来の陽極形状のランプよりも、約30％寿命が延びることが明らかとなった。本発明の陽極形状のランプの黒化分布は、従来ランプよりも発光管のより上側に密集しており、光放射を必要とする面には、明らかに黒化物の付着が少なくなっている。
【００２９】
発光管端側の陽極端面の断面形状は、発光管上端部からの対流ガスを再び発光管上端部に循環させる形状であればよい。図４（ａ）に示すような曲面を有するレの字状でも、図４（ｂ）に示すようなレの字状でも、図４（ｃ）に示すようなＵの字状でもよい。図５（ａ）に示すように、Ｖの字状でもよい。図示してはいないが、凹の字状でもよい。いずれの形状でも有効であることが、シミュレーションと実際のランプ点灯試験により実証された。また、くぼみを円周状の溝とする代わりに、図５（ｂ）に示すように、複数の凹穴を設けるようにしてもよい。当然ながら、陰極側が陽極に対して上側となる場合においても、陰極の発光管端側の端面断面形状を、発光管上端部からの対流ガスを再び発光管上端部に循環させる形状とすることで、同じ効果が得られる。
【００３０】
上記のように、本発明の実施例では、ショートアーク型放電灯を、点灯時に上側となる電極の発光管端側端面に、凹の字状かＵの字状かレの字状かＶの字状の断面形状のくぼみを設けた構成としたので、立ち上がり特性や照度特性を良好に満足しながら、低コストで初期照度を長時間維持できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のショートアーク型放電灯は、半導体素子や液晶表示装置の製造の露光工程における１kW以上の光源として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の概念図である。
【図２】本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の主気流の対流シミュレーション結果を示す図である。
【図３】本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の対流の向きを示した模式図である。
【図４】本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の発光管端側の陽極端面形状の例を示す図である。
【図５】本発明の実施例におけるショートアーク型放電灯の発光管端側の陽極端面形状の例を示す図である。
【図６】従来のショートアーク型ランプにおける主気流の対流シミュレーション結果を示す図である。
【図７】従来のショートアーク型放電灯における対流の向きを示した模式図である。
【図８】従来のショートアーク型放電灯の陽極に貫通孔を設けた概念図である。
【図９】従来のショートアーク型放電灯の陽極に対流規制板を設けた概念図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  発光管
２  放電空間
３  陰極電極
４  陽極電極
５  電極支持棒
６  シールガラス
７  第１のシール用ガラス部材
８  第２のシール用ガラス部材
９  金属箔
10  口金
11  リード線
12  くぼみ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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