JP4132879B2 - ショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放電灯、特に半導体集積回路（ＩＣ）等の露光装置に使用されるショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ製造工程に必要な技術の１つとして、紫外線等の光線の照射により硬化するレジン（樹脂）を使用して、半導体基板上に希望するパターンを形成する露光技術がある。この露光技術で使用する露光装置には、一般にショートアーク型放電灯が使用されている。その中でも、最近のＩＣデバイスの高集積化に伴い、放射波長が短い約３６５ｎｍのｉ線を効率よく発生する放電灯が主流となっている。
【０００３】
また、現在におけるＩＣ技術の進歩は極めて早いので、ＩＣ製造には設備投資が大きく、かつ価格競争が極めて激しい。従って、製造コストの抑制がＩＣメーカーの成功には不可欠であり、ＩＣ製造工程で使用される消耗品の１つであるショートアーク型放電灯についても長寿命化によるコスト低減の要求が厳しい。
【０００４】
従来のショートアーク型放電灯の長寿命化の方法としては、放電灯を構成する電極等の部品または部材の形状変更や種々の処理が行われている。これにより、放電灯の照度維持率（点灯時間に対する照度低下率）の低下抑制や、ｉ線の発光効率を向上させて露光面での照度を高めることにより実質的に放電灯の使用可能時間を延長させている。
【０００５】
電極形状には、例えば特公昭３９−１１１２８号公報に記載されている点灯中の温度低下（放熱効果の向上）を狙ったヒートシンク構造（表面積増加）や特許第２６０１４３５号公報に記載されている電極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形成する方法、または特許第２９１５３６８号公報に記載されている微粒子状タングステン焼結層を形成する方法等がある。また、放電灯内のガス対流を考慮し電極の温度分布を最適化するための電極形状の設計も近年取り入れられている。
【０００６】
また、電極の処理方法については、電極表面の酸化膜層の除去を目的とした水素中の熱処理（還元処理）や、電極内部のガス出しを目的とした高真空中での熱処理が行われている。特に高真空中での熱処理はその温度がタングステンの再結晶化（結晶粒成長）の進行に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行っている。
【０００７】
また、ｉ線を利用するＩＣ露光装置に使用されるショートアーク型放電灯は、ｉ線の発光効率を高めるために、液晶表示パネルやプリント回路基板の露光装置等に通常使用されているショートアーク型放電灯に比較して、放電灯の発光管内に封入される水銀量を１／２〜１／１０程度にすることが一般的に行われている。これにより、点灯中の発光管内部圧力が低くなり、放射輝度が低下するために、バッファガスとして封入される希ガスの圧力を高くしてこれを補う方法がとられている。例えば特開２００１−１３５２７４号公報に記載されているように、放電灯の発光管内に封入される希ガスとして、キセノン、クリプトンまたはアルゴン等の高分子量の希ガスに、ヘリウムまたはネオン等の低分子量の希ガスを体積比で約５％〜４０％混合し、これら混合希ガスの常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の放電灯では長寿命化の要求に十分に応えることができなかった。特に、特開２００１―１３５２７４号公報に記載されている放電灯においては、封入される混合希ガスの圧力が２気圧以上となるため、放射輝度が非常に高くなり、それに伴って電極温度も高くなる。点灯中の電極温度はアーク近傍の電極先端部が最も高く、アーク領域で最も放射輝度が高い位置（輝点）に位置する陰極先端部は約２４００〜２７００℃にも達する。
【０００９】
一方、陰極素材は高融点金属であるタングステン（Ｗ）に、仕事関数を下げて放電特性を良くするための電子放射性物質である二酸化トリウム（以下、ＴｈＯ2と称する）を質量比で数％含有しているものを使用している。したがって、陰極温度が高くなると、陰極表面に存在するＴｈＯ2が陰極表面から飛散しやすく、陰極表面から飛散したＴｈＯ2は、放電空間にて酸素（Ｏ）が脱離する。そのため脱離した酸素（Ｏ）が陽極先端部に達し、陽極のタングステン（Ｗ）と結合し酸化タングステン（ＷＯ2）を形成する。この酸化タングステン（ＷＯ2）は、陽極のタングステン（Ｗ）の融点を低下させ、この融点の低下が、陽極温度の高い状態において、陽極先端部をえぐれてしまうほど著しく消耗させることになる。さらに、放電灯入力の高入力化に伴い、放電灯電流が増大し、陽極消耗を促進させ、時には陽極先端が凹凸した状態で変形し消耗するため、照度安定性を悪化させる原因となっていた。
【００１０】
そこで、本発明は、このような問題点を解決すべく創案されたもので、電極の消耗が軽減され、放電灯の照度維持率の低下が改善される長寿命の放電灯であって、発光効率が高く、照度安定性の良いショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発光管の内部に水銀と常温における圧力２気圧以上となる希ガスを封入して用いられるショートアーク型放電灯における前記発光管の内部に対向して配置される陰極と陽極からなる電極において、前記陰極が高融点金属にＴｈＯ2をドーピングして形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成したＴｈＯ 2 が除去された脱二酸化トリウム層（以下、脱ＴｈＯ2層と称する）を有するショートアーク型放電灯の電極として構成したものである。
【００１２】
前記構成において、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が除去された脱ＴｈＯ2層を有することにより、陰極の電子放射性は維持した状態で、陰極温度の上昇に起因した陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素（Ｏ）が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。
【００１３】
前記課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層の所定の深さが５０〜１００μｍであるショートアーク型放電灯の電極として構成したものである。
【００１４】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分（陰極最表面から５０μｍまでの部分）のＴｈＯ2が除去されているので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。
【００１５】
前記課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層が、放電灯組立時の高真空中での脱ＴｈＯ2処理により形成され、その脱ＴｈＯ2処理の温度が２３００〜２９００℃、時間が５〜３６０分であるショートアーク型放電灯の電極として構成したものである。
【００１６】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が、放電灯の組立時の熱処理により除去されるので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。
【００１７】
前記課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、発光管の内部に陰極と陽極を対向して配置し、前記発光管の内部空間に水銀と希ガスを封入し、前記希ガスが高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合し常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯において、前記陰極が高融点金属にＴｈＯ2をドーピングして形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成したＴｈＯ 2 が除去された脱ＴｈＯ2層を有するショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００１８】
前記の構成において、バッファガスとしての希ガスの圧力を２気圧以上とし、熱伝導率が高い低分子量の希ガスを体積比で５〜４０％混合することにより、アークにより発生するｉ線の発光効率が向上する。また、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が除去された脱ＴｈＯ2層が形成されていることにより、電子放射性は維持した状態で、陰極温度の上昇に起因した陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素（Ｏ）が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。
【００１９】
前記課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層の所定の深さが５０〜１００μｍであるショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２０】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極最表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分（陰極最表面から５０μｍまでの部分）のＴｈＯ2が除去されているので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。
【００２１】
前記課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層が、放電灯組立時の高真空中での脱ＴｈＯ2処理により形成され、その脱ＴｈＯ2処理の温度が２３００〜２９００℃、時間が５〜３６０分であるショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２２】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が、放電灯の組立時の熱処理により除去されるので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、放電特性は低下しない。
【００２３】
前記課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、前記陰極と陽極の距離を一定にして対向配置し、前記陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成したショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２４】
前記構成により、放電灯の点灯時、陽極先端部の表面での電流密度が分散され、陰極から放出される電子の衝突によって弾き出される陽極構成物質の度合いが低下する。
【００２５】
前記課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、前記陰極が、その先端部を除く位置に浸炭処理を施した浸炭部を形成したショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２６】
前記構成により、浸炭部の位置ではＴｈＯ2の還元が促進されると共に、ＴｈＯ2の蒸発が抑制される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の好適な実施形態であるショートアーク型放電灯（以下、放電灯と称す）の切断側面図、（ｂ）は放電灯の原理を説明するための電極の一部を断面にした正面図、（ｃ）は電極の正面図、図２（ａ）（ｂ）は陰極の構成を示す原理図、図３は放電灯の陰極最表面から陰極内部の深さ方向に対するＴｈＯ2濃度の推移を熱処理温度別に説明するグラフ図、図４は放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図、図５は放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図である。
【００２８】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、放電灯２０は、中央部が膨らんだ両端部に封止管６、７を有する発光管１と、この発光管１内に対向して配置された陰極２および陽極３と、これら電極２、３を支持する内部リード棒４、５と、外部電源（図示せず）に接続される外部リード棒１０、１１と、内部リード棒４、５を外部リード棒１０、１１にそれぞれ電気的に接続する金属箔８、９により構成され、封止管６、７内に内部リード棒４、５、金属箔８、９、外部リード棒１０、１１が封止されている。
【００２９】
そして、発光管１の内部空間２１には、約４．５ｍｇ／ｃｃの水銀と、高分子量の希ガスに体積比で５〜４０％の低分子量の希ガスを混合した常温における圧力を２気圧以上とした混合希ガスが封入されている。高分子量の希ガスとしてキセノン、クリプトン、アルゴンまたはこれらの混合ガスを使用し、低分子量の希ガスとしてヘリウムまたはネオンまたはこれらの混合ガスを使用する。そして、陽極３を上にして垂直な姿勢で点灯し、消費電力は３５００Ｗで点灯している。
【００３０】
発光管１は、例えば石英ガラス等の光透過性ガラス製である。陰極２は、電子放射性物質を含む高融点金属、例えばＴｈＯ2を所定量含むタングステン製であり、陽極３と対向する先端は鋭角に形成され、陽極３の先端と約５．５ｍｍの間隔Ｌ１で対向する。そして、陰極２の最表面から所定の深さｄ１まで形成した脱ＴｈＯ2層２ａを有する。一方、陽極３は、高融点金属、例えば、タングステン製であり、円柱状に形成され、陰極２と対向する直径Ｄ１約８ｍｍの先端平坦部を有する。
【００３１】
陰極２は、粉末状の高融点金属、例えばタングステンに、粉末状のトリウム（Ｔｈ）を質量比約２％添加したものを焼結させることにより作製され、放電灯２０の組立時に高真空中で熱処理することにより、その陰極最表面から所定の深さｄ１まで脱ＴｈＯ2層２ａが形成される。
【００３２】
ここで、脱ＴｈＯ2層２ａの所定の深さｄ１は、寿命末期の放電灯における陰極最表面から深さ方向のＴｈＯ2濃度を、あらかじめ予備実験において確認し、ＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分として設定する。本発明の放電灯２０においては、後記する実施例の結果から、５０〜１００μｍが好ましい。５０μｍ未満ではＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分が残り、陽極３の消耗を抑制できない。また、１００μｍを超えると必要以上のＴｈＯ2が陰極２から除去されることになり、陰極２の放電特性が低下する。
【００３３】
さらに、陰極２の組立時の高真空中での熱処理条件も、各種の熱処理条件に対する陰極２のＴｈＯ2の蒸発（飛散）量を、あらかじめ予備実験において確認し、その確認結果に基づいて設定される。具体的には、点灯時の陰極２の温度に近い熱処理温度で各種の熱処理条件を設定し、各種条件で陰極２を処理して、各条件毎に陰極最表面からの深さ方向のＴｈＯ2濃度を測定する。そして、前記予備実験から設定された所定の深さｄ１までＴｈＯ2が蒸発（飛散）する条件を、陰極２の組立時の熱処理条件として設定する。本発明の放電灯２０においては、後記する実施例の結果から熱処理温度は２３００〜２９００℃が好ましく、より好ましくは２５００〜２９００℃、さらに好ましくは２７００〜２９００℃で、処理時間は５〜３６０分が好ましい。なお、処理時間は、前記設定熱処理温度範囲の中で高い温度で処理する場合には処理時間は短く、または設定熱処理温度範囲の中で低い温度で処理する場合には処理時間を長く行う。２３００℃×５分未満ではＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分が残り、陽極３の消耗を抑制できない。また、２９００℃×３６０分超えると必要以上のＴｈＯ2が陰極２から除去されることになり、陰極２の放電特性が低下する。
【００３４】
前記のように放電灯２０を構成することにより、あらかじめ蒸発（飛散）の激しい陰極表面近傍のＴｈＯ2が除去されるので、放電灯２０の点灯時に陰極表面から蒸発（飛散）するＴｈＯ2が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素（Ｏ）による陽極の消耗、あるいは陽極消耗による変形が抑制される。その結果、照度維持率が向上する。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存し、このＴｈＯ2が陰極の仕事関数を下げるので、放電特性が低下せず照度安定性も良い。さらに、高分子量の希ガスに、これよりも熱伝導率が高い低分子量の希ガスが混合された混合希ガスが使用されることにより、アークにより発生するｉ線の発光効率が向上し、露光面での照度が高くなり発光効率が高くなり、照度安定性も良い。
【００３５】
また、前記放電灯２０は、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、陰極２と陽極３の距離Ｌ１を一定に対向配置し、陽極３の先端部に凹部３Ａを設け、その凹部３Ａが陰極２から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成すのが好ましい。
【００３６】
図１（ｂ）に示すように陰極２の先端部を点電荷Ｑと考えたときに、陽極３の先端側の電界の強さは次式（１）で表される。
【００３７】
Ｅ＝Ｑ／（４πε0Ｘ2）・・・式（１）
ただし、Ｅは電界強度、ε0は誘電率、Ｘは電極間の距離である。
【００３８】
前記式（１）は、点電荷Ｑからの距離Ｘが遠いほど電界Ｅが強くなるという意味である。したがって陽極３の凹部３Ａがない場合には、陽極３の中央部は周辺部より距離Ｘが短いので電界強度が弱くなる。そのため、陽極３の中央部では、電流密度が高くなり、陽極３の消耗が激しく、点灯時間が長くなるほど、その陽極３の中央部がくぼんだ形になってくると考えられる。
【００３９】
しかしながら、図１（ｂ）に示すように陽極３の先端部に凹部３Ａを設けることにより、陽極３の中央部Ｐ0、周辺部Ｐ1の位置での距離Ｘ0、Ｘ1が等しくなり、それぞれの電界の強さが近づき、陽極３の表面での電流密度が分散される。これにより、点灯中、陰極２から放出される電子の衝突によって弾き出される陽極構成物質の度合いが低下し、陽極３の消耗が少なくなる。よって、放電灯の照度維持率も向上する。
【００４０】
また、凹部３Ａの形状を、陰極２と陽極３とを結ぶ中心線の周りに形成した回転面で形成し、その回転面を、円錐面、球面、楕円面、円筒面またはこれらを２以上組み合わせたものとすることや、同一異種の回転面形状で一方を他方よりも小さくあるいは大きくした状態で重ねた形状の凹部として形成しても良い。この回転面により、陰極２からの電子がその回転面に一様に入射でき、陽極３先端部がほぼ均等に消耗する。よって、照度維持率がさらに向上する。
【００４１】
また、前記放電灯２０は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、陰極２は、その先端部（非処理部Ｂ）を除く位置に浸炭処理を施して浸炭部２ｂを形成するのが好ましい。また、浸炭部２ｂは、陰極表面Ａを表面脱炭処理することで形成した脱炭部２ｃを介して陰極表面Ａから内部に入り込んだ位置に形成するのがより好ましい。
【００４２】
浸炭部２ｂは、そのテーパ部Ｃの直径の大きさに係わりなく、陰極表面Ａから陰極内部に、ほぼ一定の濃度分布で一定の厚みで形成され、また、その浸炭部２ｂの深さｄ２が、陰極表面Ａから数ミクロンから数１０ミクロンの範囲で陰極内部に向かって形成されている。さらに、その浸炭部２ｂの深さｄ２、長さＬ２は、陰極表面Ａの不純物の付着防止できる深さ、長さであれば特に限定されるものではない。なお、浸炭部２ｂは、陰極６がタングステン（Ｗ）であれば、タングステンカーバイド（Ｗ2Ｃ）として構成される。
【００４３】
また、浸炭処理が施されない先端部（非処理部Ｂ）は、アーク放電による温度上昇が激しい部分を示している。先端部に浸炭処理を施さない理由は、先端部にＷ2Ｃからなる浸炭部２ｂが形成されると、Ｗ2ＣはＷより融点が低いため、アーク放電による温度上昇により陰極２の先端部が早期に消耗してしまうからである。
【００４４】
浸炭部２ｂの形成手段としては、特に限定されるものではないが、例えば、つぎのような方法が挙げられる。
（第１工程）塗布媒体の塗布及び乾燥工程
アルカリ系水硝子や、セラミックなどの焼結媒質中に黒鉛を混入した塗布媒体を、陰極２のテーパ部Ｃの非処理部Ｂを除く部分（処理部）に塗布した後、自然乾燥させる。焼結媒質として水溶液中に質量比で約１０％の珪酸カリウムが混在する水硝子を使用するのが好ましい。
【００４５】
（第２工程）塗布媒体の予備加熱工程
つぎに、自然乾燥した塗布媒体が付着した陰極２を、その塗布媒体の不純物が除去できる適正温度、（例えば前記の約１０質量％の珪酸カリウムを含む水硝子を使用する場合には脱ガス処理として８００℃前後の温度）で１５分程度真空中、例えば７×１０-3Ｐａ｛５×１０-5Ｔｏｒｒ｝の減圧下で加熱する。また、これらの塗布媒体に６００〜１０００℃の温度で５〜３０分間予備加熱処理を行うことが不純物を除去する上で好ましい。
【００４６】
（第３工程）焼結処理工程
そして、不純物が除去された塗布媒体の焼結温度、例えば１５００〜１７００℃の温度で、不活性ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）中で１５〜６０分焼結処理を行う。上記の約１０質量％の珪酸カリウムを含む水硝子からなる塗布媒体の場合には約１６００℃で約３０分程度加熱を行うことが好ましい。
【００４７】
（第４工程）固形物の除去工程
このようにして、焼結処理を行うと陰極２上に形成された塗布媒体の被膜が完全に焼結して固形物となる。この固形物を例えば、ピンセット等を用いて陰極２から完全に剥離・除去する。この操作の際に陰極２の内部に炭素がわずかに浸炭する。
【００４８】
（第５工程）浸炭処理工程
最後に、浸炭させる浸炭部２ｂの深さｄ２に対応させて真空中で加熱する。一般にこの浸炭処理は１８００〜２３００℃の温度で１５〜６０分、１．３×１０-2Ｐａ｛１×１０-4Ｔｏｒｒ｝以下の減圧条件下で行う。例えば約１９００℃、７×１０-3Ｐａ｛５×１０-5Ｔｏｒｒ｝の減圧下で３０分程度の浸炭処理を行うのが好ましい。この浸炭処理により、炭素が確実に陰極２の内部に拡散して浸炭して、均等な濃度分布の浸炭部２ｂを陰極表面Ａから内部に深さｄ２（約数ミクロン）入った位置まで形成すると共に、表面の塗布媒体である水硝子を完全に除去することができる。
【００４９】
また、表面脱炭処理は、前記（第５工程）浸炭処理工程の加熱時間を所定時間より長く、かつ加熱温度をより高温で処理することにより（例えば前記約１９００℃、３０分を約２０００℃、６０分）行われる。この表面脱炭処理により、炭素が存在しない脱炭部２ｃを陰極表面Ａから距離ｄ３（例えば２〜５μｍ）の間に形成し、この脱炭部２ｃを介して、浸炭部２ｂが陰極表面Ａから距離ｄ３だけ内側に入り込んだ位置に形成される。
【００５０】
また、濃度の異なる黒鉛を混入した塗布媒体により前記（第１工程）〜（第５工程）の作業を繰り返し行うことで、浸炭部２ｂが、陰極２の深さ方向に向うにしたがって徐々に炭素の濃度分布が粗になるように構成し、または炭素の濃度分布が粗、密、粗となるように構成しても良い。さらに、陽極３についても前記陰極２と同様に、その先端部を除く位置に浸炭部２ｂを形成しても良い。
【００５１】
さらに、陰極２への脱ＴｈＯ2層２ａ、浸炭部２ｂ（脱炭部２ｃ含む）の形成順序は特に限定されないが、脱ＴｈＯ2層の形成後、浸炭部２ｂ（脱炭部２ｃ含む）を形成するのが好ましい。
【００５２】
この浸炭部２ｂを形成することにより、浸炭部２ｂの位置ではＴｈＯ2の還元が促進されると共に、ＴｈＯ2の蒸発が抑制され、これにより陰極２の消耗、変形が抑制され、照度維持率が向上する。また、脱炭部２ｃを形成することにより、陰極表面Ａの不純物の残留を防止し、陰極２の消耗や破損を最小限に抑え、より照度維持率が向上する。さらに、浸炭部２ｂの炭素の濃度分布を変えることにより、陰極２の非処理部Ｂと浸炭部２ｂの境界線が渾然一体となるため、陰極２の強度が増し、電気抵抗や熱伝導率の値も向上するために放電灯の安定した使用を可能とする。
【００５３】
【実施例】
つぎに、本発明を実施例を用いて、さらに詳細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５４】
まず、本発明の陰極２に形成される脱ＴｈＯ2層２ａの所定の深さｄ１を設定するために、以下の予備実験１を行った。
（予備実験１）
試料として、所定の深さの脱ＴｈＯ2層を有しない従来の放電灯（基準放電灯Ａ、放電灯Ａ１〜Ａ３）を使用した。基準放電灯Ａは水銀４．５ｍｇ／ｃｃとキセノン（Ｘｅ）を常温における圧力１．０気圧で封入、放電灯Ａ１〜Ａ３は水銀４．５ｍｇ／ｃｃとアルゴン（Ａｒ）に体積比４０％のネオン（Ｎｅ）を混合した混合希ガスを常温における圧力２．０気圧（放電灯Ａ１）、５．０気圧（放電灯Ａ２）、７．０気圧（放電灯Ａ３）で封入し、それ以外の構成は図１（ａ）に示された本発明の放電灯２０と同様とした。
寿命末期（点灯７５０時間後）の前記基準放電灯Ａ、放電灯Ａ１〜Ａ３を破壊して陰極を取り出し、陰極を縦方向に切断して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により陰極最表面からの深さによるＴｈＯ2の濃度を測定した。点灯前の陰極、未使用の基準放電灯Ａと比較した結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
前記の予備実験１の結果（表１）から、希ガスとして本発明と同様の混合希ガスを使用した放電灯Ａ１〜Ａ３においては、基準放電灯Ａに比べて陰極表面近傍のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が激しく、特に陰極最表面から深さ５０μｍまでのＴｈＯ2の蒸発（飛散）が激しいことが確認された。
【００５７】
つぎに、前記予備実験１の結果に基づいて、陰極２にその最表面から深さ５０μｍまでの脱ＴｈＯ2層２ａを形成させるための高真空中での熱処理条件を設定するために、以下の予備実験２を行った。
（予備実験２）
質量比約２％のＴｈＯ2を含むタングステンからなる陰極を、１６００℃、２１００℃、２３００℃、２５００℃、２７００℃、２９００℃、３１００℃の各条件（熱処理時間６０分）で高真空中（１３３×１０-3〜１３３×１０-6Ｐａ｛１０-3〜１０-6Ｔｏｒｒ｝）で熱処理した。熱処理後に陰極を縦方向に切断し走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により陰極表面層近傍のＴｈＯ2の濃度を測定した。図３に陰極最表面層から陰極内部の深さ方向に対するＴｈＯ2の濃度を熱処理温度別に示す。
【００５８】
図３の結果から、高真空中の熱処理温度を２３００℃以上にすることにより、陰極最表面層から陰極内部の深さ５０μｍまでのＴｈＯ2を除去できることが確認された。
【００５９】
前記の予備実験２の結果（図３）を踏まえて、高真空中で熱処理された陰極（脱ＴｈＯ2層を有する陰極）を使用した放電灯について、ＩＣ露光装置の露光面での照度、照度安定性、照度維持率を測定した。ここで照度は、前記基準放電灯Ａが照射した波長３６５ｎｍの紫外線の初期における照度を１としたときの照度の比率であり、発光効率の指標となる。照度安定性については、２５秒間の連続した照度測定中の照度の最高値と最低値の差を２５秒間の平均照度で除した値である。照度維持率は、点灯時間７５０時間までの照度低下率である。
【００６０】
（実施例１）
試料として、陰極、陽極の両者を高真空中（１３３×１０-3〜１３３×１０-6Ｐａ｛１０-3〜１０-6Ｔｏｒｒ｝）で熱処理温度２３００〜３１００℃の各条件（熱処理時間６０分）で処理した放電灯Ｂ１〜Ｂ５を使用した。発光管の内部空間には水銀４．５ｍｇ／ｃｃと混合希ガスを封入した。封入した混合希ガスは高分子量の希ガスをアルゴン（Ａｒ）とし、低分子量の希ガスとしてネオン（Ｎｅ）を体積比で４０％混合し、常温での封入圧力を５気圧とした。基準放電灯Ｂは、陰極、陽極の両者を熱処理温度２１００℃で処理し、封入する水銀と混合希ガスは放電灯Ｂ１〜Ｂ５と同様とした。また、放電灯Ｂ１〜Ｂ５、基準放電灯Ｂは陽極先端部の凹部は設けず、前記以外の構成については図１に示された本発明の放電灯２０と同様とした。表２に放電灯の照度、照度安定性の測定結果を示し、図４に照度維持率の測定結果を示す。
【００６１】
【表２】
【００６２】
表２の結果から、陰極、陽極の両者の熱処理温度を２３００〜２９００℃に上げた放電灯Ｂ１〜Ｂ４の照度は、基準放電灯Ｂとは同等であった。また、放電灯Ｂ１〜Ｂ４の照度安定性は基準放電灯Ｂより良かった。しかし、熱処理温度を３１００℃に上げた放電灯Ｂ５は基準放電灯Ｂと照度は同等だったが、照度安定性が悪化した。この原因としては、熱処理温度を３１００℃まで上げてしまうと、陰極最表面から必要以上のＴｈＯ2を除去してしまうために、陰極の電子放射性が低下して照度安定性が悪化したと考えられる。
【００６３】
図４の結果から、放電灯Ｂ１〜Ｂ５の照度維持率は基準放電灯Ｂに比べ、放電灯Ｂ１〜Ｂ４が約３〜５％の向上を示し、照度安定性が悪化した放電灯Ｂ５は寿命に関しては放電灯Ｂ１〜Ｂ４と同等の向上が見られた。
【００６４】
表２、図４の結果より、陰極の高真空中での熱処理温度は２３００〜２９００℃が良いことが確認された。また、この熱処理により脱ＴｈＯ2層２ａの所定の深さｄ１は、図３より５０〜１００μｍになることが確認された。
【００６５】
（実施例２）
試料として、図１（ｃ）に示すように陽極３の先端部に凹部３Ａを設けた放電灯Ｃ１〜Ｃ４を使用した。陽極３の先端平坦部直径Ｄ１を８ｍｍ、凹部３Ａの直径Ｄ２を６ｍｍ、凹部３Ａの深さＨを１ｍｍ、電極間距離Ｌ１を５．５ｍｍとした。前記以外の構成については前記放電灯Ｂ１〜Ｂ４と同様である。表３に照度、照度安定性の測定結果、図５に照度維持率の測定結果を示す。その結果、放電灯Ｃ１〜Ｃ４は、基準放電灯Ｂに対し、照度が高く、照度安定性が良かった。また、照度維持率は約１６％向上した。
【００６６】
【表３】
【００６７】
【発明の効果】
前記に説明したように本発明のショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入されたショートアーク型放電灯において、陰極が高融点金属にＴｈＯ2をドーピングして形成されていると共に、その陰極最表面から所定の深さまで形成した脱ＴｈＯ2層を有し、また、その脱ＴｈＯ2層の所定の深さが５０〜１００μｍであり、放電灯の組立時に高真空中で２３００〜２９００℃、５〜３６０分の熱処理により形成されることにより、陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くなる。
【００６８】
また、本発明のショートアーク型放電灯は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入され、陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成したことにより、さらに陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くなる。
【００６９】
また、本発明のショートアーク型放電灯は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入され、陰極が、その先端部を除く位置に浸炭部を形成したことにより、さらに陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の好適な実施形態であるショートアーク型放電灯の切断側面図、（ｂ）は放電灯の原理を説明するための電極の一部を断面にした正面図、（ｃ）は電極の正面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）本発明の陰極の構成を示す原理図である。
【図３】放電灯の陰極最表面から陰極内部の深さ方向に対するＴｈＯ2濃度の推移を熱処理温度別に説明するグラフ図である。
【図４】本発明の放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図である。
【図５】本発明の放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 陰極
２ａ 脱二酸化トリウム層
２ｂ 浸炭部
２ｃ 脱炭部
３ 陽極
３Ａ 凹部
４、５ 内部リード棒
６、７ 封止管
８、９ 金属箔
１０、１１ 外部リード棒
２０ 放電管
２１ 内部空間
Ａ 陰極表面
Ｂ 非処理部
Ｃ テーパ部
【発明の属する技術分野】
本発明は放電灯、特に半導体集積回路（ＩＣ）等の露光装置に使用されるショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ製造工程に必要な技術の１つとして、紫外線等の光線の照射により硬化するレジン（樹脂）を使用して、半導体基板上に希望するパターンを形成する露光技術がある。この露光技術で使用する露光装置には、一般にショートアーク型放電灯が使用されている。その中でも、最近のＩＣデバイスの高集積化に伴い、放射波長が短い約３６５ｎｍのｉ線を効率よく発生する放電灯が主流となっている。
【０００３】
また、現在におけるＩＣ技術の進歩は極めて早いので、ＩＣ製造には設備投資が大きく、かつ価格競争が極めて激しい。従って、製造コストの抑制がＩＣメーカーの成功には不可欠であり、ＩＣ製造工程で使用される消耗品の１つであるショートアーク型放電灯についても長寿命化によるコスト低減の要求が厳しい。
【０００４】
従来のショートアーク型放電灯の長寿命化の方法としては、放電灯を構成する電極等の部品または部材の形状変更や種々の処理が行われている。これにより、放電灯の照度維持率（点灯時間に対する照度低下率）の低下抑制や、ｉ線の発光効率を向上させて露光面での照度を高めることにより実質的に放電灯の使用可能時間を延長させている。
【０００５】
電極形状には、例えば特公昭３９−１１１２８号公報に記載されている点灯中の温度低下（放熱効果の向上）を狙ったヒートシンク構造（表面積増加）や特許第２６０１４３５号公報に記載されている電極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形成する方法、または特許第２９１５３６８号公報に記載されている微粒子状タングステン焼結層を形成する方法等がある。また、放電灯内のガス対流を考慮し電極の温度分布を最適化するための電極形状の設計も近年取り入れられている。
【０００６】
また、電極の処理方法については、電極表面の酸化膜層の除去を目的とした水素中の熱処理（還元処理）や、電極内部のガス出しを目的とした高真空中での熱処理が行われている。特に高真空中での熱処理はその温度がタングステンの再結晶化（結晶粒成長）の進行に影響し、これまでは１６００〜２２００℃で行っている。
【０００７】
また、ｉ線を利用するＩＣ露光装置に使用されるショートアーク型放電灯は、ｉ線の発光効率を高めるために、液晶表示パネルやプリント回路基板の露光装置等に通常使用されているショートアーク型放電灯に比較して、放電灯の発光管内に封入される水銀量を１／２〜１／１０程度にすることが一般的に行われている。これにより、点灯中の発光管内部圧力が低くなり、放射輝度が低下するために、バッファガスとして封入される希ガスの圧力を高くしてこれを補う方法がとられている。例えば特開２００１−１３５２７４号公報に記載されているように、放電灯の発光管内に封入される希ガスとして、キセノン、クリプトンまたはアルゴン等の高分子量の希ガスに、ヘリウムまたはネオン等の低分子量の希ガスを体積比で約５％〜４０％混合し、これら混合希ガスの常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の放電灯では長寿命化の要求に十分に応えることができなかった。特に、特開２００１―１３５２７４号公報に記載されている放電灯においては、封入される混合希ガスの圧力が２気圧以上となるため、放射輝度が非常に高くなり、それに伴って電極温度も高くなる。点灯中の電極温度はアーク近傍の電極先端部が最も高く、アーク領域で最も放射輝度が高い位置（輝点）に位置する陰極先端部は約２４００〜２７００℃にも達する。
【０００９】
一方、陰極素材は高融点金属であるタングステン（Ｗ）に、仕事関数を下げて放電特性を良くするための電子放射性物質である二酸化トリウム（以下、ＴｈＯ2と称する）を質量比で数％含有しているものを使用している。したがって、陰極温度が高くなると、陰極表面に存在するＴｈＯ2が陰極表面から飛散しやすく、陰極表面から飛散したＴｈＯ2は、放電空間にて酸素（Ｏ）が脱離する。そのため脱離した酸素（Ｏ）が陽極先端部に達し、陽極のタングステン（Ｗ）と結合し酸化タングステン（ＷＯ2）を形成する。この酸化タングステン（ＷＯ2）は、陽極のタングステン（Ｗ）の融点を低下させ、この融点の低下が、陽極温度の高い状態において、陽極先端部をえぐれてしまうほど著しく消耗させることになる。さらに、放電灯入力の高入力化に伴い、放電灯電流が増大し、陽極消耗を促進させ、時には陽極先端が凹凸した状態で変形し消耗するため、照度安定性を悪化させる原因となっていた。
【００１０】
そこで、本発明は、このような問題点を解決すべく創案されたもので、電極の消耗が軽減され、放電灯の照度維持率の低下が改善される長寿命の放電灯であって、発光効率が高く、照度安定性の良いショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発光管の内部に水銀と常温における圧力２気圧以上となる希ガスを封入して用いられるショートアーク型放電灯における前記発光管の内部に対向して配置される陰極と陽極からなる電極において、前記陰極が高融点金属にＴｈＯ2をドーピングして形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成したＴｈＯ 2 が除去された脱二酸化トリウム層（以下、脱ＴｈＯ2層と称する）を有するショートアーク型放電灯の電極として構成したものである。
【００１２】
前記構成において、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が除去された脱ＴｈＯ2層を有することにより、陰極の電子放射性は維持した状態で、陰極温度の上昇に起因した陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素（Ｏ）が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。
【００１３】
前記課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層の所定の深さが５０〜１００μｍであるショートアーク型放電灯の電極として構成したものである。
【００１４】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分（陰極最表面から５０μｍまでの部分）のＴｈＯ2が除去されているので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。
【００１５】
前記課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層が、放電灯組立時の高真空中での脱ＴｈＯ2処理により形成され、その脱ＴｈＯ2処理の温度が２３００〜２９００℃、時間が５〜３６０分であるショートアーク型放電灯の電極として構成したものである。
【００１６】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が、放電灯の組立時の熱処理により除去されるので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。
【００１７】
前記課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、発光管の内部に陰極と陽極を対向して配置し、前記発光管の内部空間に水銀と希ガスを封入し、前記希ガスが高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合し常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯において、前記陰極が高融点金属にＴｈＯ2をドーピングして形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成したＴｈＯ 2 が除去された脱ＴｈＯ2層を有するショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００１８】
前記の構成において、バッファガスとしての希ガスの圧力を２気圧以上とし、熱伝導率が高い低分子量の希ガスを体積比で５〜４０％混合することにより、アークにより発生するｉ線の発光効率が向上する。また、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が除去された脱ＴｈＯ2層が形成されていることにより、電子放射性は維持した状態で、陰極温度の上昇に起因した陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素（Ｏ）が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。
【００１９】
前記課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層の所定の深さが５０〜１００μｍであるショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２０】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極最表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分（陰極最表面から５０μｍまでの部分）のＴｈＯ2が除去されているので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、陰極の放電特性は低下しない。
【００２１】
前記課題を解決するために、請求項６に記載の発明は、前記脱ＴｈＯ2層が、放電灯組立時の高真空中での脱ＴｈＯ2処理により形成され、その脱ＴｈＯ2処理の温度が２３００〜２９００℃、時間が５〜３６０分であるショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２２】
前記構成により、放電灯の点灯時に陰極表面からのＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分のＴｈＯ2が、放電灯の組立時の熱処理により除去されるので、放電灯の点灯時のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素が減少し、陽極におけるＷＯ2の生成が抑制される。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存するので、放電特性は低下しない。
【００２３】
前記課題を解決するために、請求項７に記載の発明は、前記陰極と陽極の距離を一定にして対向配置し、前記陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成したショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２４】
前記構成により、放電灯の点灯時、陽極先端部の表面での電流密度が分散され、陰極から放出される電子の衝突によって弾き出される陽極構成物質の度合いが低下する。
【００２５】
前記課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、前記陰極が、その先端部を除く位置に浸炭処理を施した浸炭部を形成したショートアーク型放電灯として構成したものである。
【００２６】
前記構成により、浸炭部の位置ではＴｈＯ2の還元が促進されると共に、ＴｈＯ2の蒸発が抑制される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の好適な実施形態であるショートアーク型放電灯（以下、放電灯と称す）の切断側面図、（ｂ）は放電灯の原理を説明するための電極の一部を断面にした正面図、（ｃ）は電極の正面図、図２（ａ）（ｂ）は陰極の構成を示す原理図、図３は放電灯の陰極最表面から陰極内部の深さ方向に対するＴｈＯ2濃度の推移を熱処理温度別に説明するグラフ図、図４は放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図、図５は放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図である。
【００２８】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、放電灯２０は、中央部が膨らんだ両端部に封止管６、７を有する発光管１と、この発光管１内に対向して配置された陰極２および陽極３と、これら電極２、３を支持する内部リード棒４、５と、外部電源（図示せず）に接続される外部リード棒１０、１１と、内部リード棒４、５を外部リード棒１０、１１にそれぞれ電気的に接続する金属箔８、９により構成され、封止管６、７内に内部リード棒４、５、金属箔８、９、外部リード棒１０、１１が封止されている。
【００２９】
そして、発光管１の内部空間２１には、約４．５ｍｇ／ｃｃの水銀と、高分子量の希ガスに体積比で５〜４０％の低分子量の希ガスを混合した常温における圧力を２気圧以上とした混合希ガスが封入されている。高分子量の希ガスとしてキセノン、クリプトン、アルゴンまたはこれらの混合ガスを使用し、低分子量の希ガスとしてヘリウムまたはネオンまたはこれらの混合ガスを使用する。そして、陽極３を上にして垂直な姿勢で点灯し、消費電力は３５００Ｗで点灯している。
【００３０】
発光管１は、例えば石英ガラス等の光透過性ガラス製である。陰極２は、電子放射性物質を含む高融点金属、例えばＴｈＯ2を所定量含むタングステン製であり、陽極３と対向する先端は鋭角に形成され、陽極３の先端と約５．５ｍｍの間隔Ｌ１で対向する。そして、陰極２の最表面から所定の深さｄ１まで形成した脱ＴｈＯ2層２ａを有する。一方、陽極３は、高融点金属、例えば、タングステン製であり、円柱状に形成され、陰極２と対向する直径Ｄ１約８ｍｍの先端平坦部を有する。
【００３１】
陰極２は、粉末状の高融点金属、例えばタングステンに、粉末状のトリウム（Ｔｈ）を質量比約２％添加したものを焼結させることにより作製され、放電灯２０の組立時に高真空中で熱処理することにより、その陰極最表面から所定の深さｄ１まで脱ＴｈＯ2層２ａが形成される。
【００３２】
ここで、脱ＴｈＯ2層２ａの所定の深さｄ１は、寿命末期の放電灯における陰極最表面から深さ方向のＴｈＯ2濃度を、あらかじめ予備実験において確認し、ＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分として設定する。本発明の放電灯２０においては、後記する実施例の結果から、５０〜１００μｍが好ましい。５０μｍ未満ではＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分が残り、陽極３の消耗を抑制できない。また、１００μｍを超えると必要以上のＴｈＯ2が陰極２から除去されることになり、陰極２の放電特性が低下する。
【００３３】
さらに、陰極２の組立時の高真空中での熱処理条件も、各種の熱処理条件に対する陰極２のＴｈＯ2の蒸発（飛散）量を、あらかじめ予備実験において確認し、その確認結果に基づいて設定される。具体的には、点灯時の陰極２の温度に近い熱処理温度で各種の熱処理条件を設定し、各種条件で陰極２を処理して、各条件毎に陰極最表面からの深さ方向のＴｈＯ2濃度を測定する。そして、前記予備実験から設定された所定の深さｄ１までＴｈＯ2が蒸発（飛散）する条件を、陰極２の組立時の熱処理条件として設定する。本発明の放電灯２０においては、後記する実施例の結果から熱処理温度は２３００〜２９００℃が好ましく、より好ましくは２５００〜２９００℃、さらに好ましくは２７００〜２９００℃で、処理時間は５〜３６０分が好ましい。なお、処理時間は、前記設定熱処理温度範囲の中で高い温度で処理する場合には処理時間は短く、または設定熱処理温度範囲の中で低い温度で処理する場合には処理時間を長く行う。２３００℃×５分未満ではＴｈＯ2の蒸発（飛散）の激しい部分が残り、陽極３の消耗を抑制できない。また、２９００℃×３６０分超えると必要以上のＴｈＯ2が陰極２から除去されることになり、陰極２の放電特性が低下する。
【００３４】
前記のように放電灯２０を構成することにより、あらかじめ蒸発（飛散）の激しい陰極表面近傍のＴｈＯ2が除去されるので、放電灯２０の点灯時に陰極表面から蒸発（飛散）するＴｈＯ2が減少し、ＴｈＯ2から脱離する酸素（Ｏ）による陽極の消耗、あるいは陽極消耗による変形が抑制される。その結果、照度維持率が向上する。また、陰極内部には電子放射性のＴｈＯ2が残存し、このＴｈＯ2が陰極の仕事関数を下げるので、放電特性が低下せず照度安定性も良い。さらに、高分子量の希ガスに、これよりも熱伝導率が高い低分子量の希ガスが混合された混合希ガスが使用されることにより、アークにより発生するｉ線の発光効率が向上し、露光面での照度が高くなり発光効率が高くなり、照度安定性も良い。
【００３５】
また、前記放電灯２０は、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、陰極２と陽極３の距離Ｌ１を一定に対向配置し、陽極３の先端部に凹部３Ａを設け、その凹部３Ａが陰極２から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成すのが好ましい。
【００３６】
図１（ｂ）に示すように陰極２の先端部を点電荷Ｑと考えたときに、陽極３の先端側の電界の強さは次式（１）で表される。
【００３７】
Ｅ＝Ｑ／（４πε0Ｘ2）・・・式（１）
ただし、Ｅは電界強度、ε0は誘電率、Ｘは電極間の距離である。
【００３８】
前記式（１）は、点電荷Ｑからの距離Ｘが遠いほど電界Ｅが強くなるという意味である。したがって陽極３の凹部３Ａがない場合には、陽極３の中央部は周辺部より距離Ｘが短いので電界強度が弱くなる。そのため、陽極３の中央部では、電流密度が高くなり、陽極３の消耗が激しく、点灯時間が長くなるほど、その陽極３の中央部がくぼんだ形になってくると考えられる。
【００３９】
しかしながら、図１（ｂ）に示すように陽極３の先端部に凹部３Ａを設けることにより、陽極３の中央部Ｐ0、周辺部Ｐ1の位置での距離Ｘ0、Ｘ1が等しくなり、それぞれの電界の強さが近づき、陽極３の表面での電流密度が分散される。これにより、点灯中、陰極２から放出される電子の衝突によって弾き出される陽極構成物質の度合いが低下し、陽極３の消耗が少なくなる。よって、放電灯の照度維持率も向上する。
【００４０】
また、凹部３Ａの形状を、陰極２と陽極３とを結ぶ中心線の周りに形成した回転面で形成し、その回転面を、円錐面、球面、楕円面、円筒面またはこれらを２以上組み合わせたものとすることや、同一異種の回転面形状で一方を他方よりも小さくあるいは大きくした状態で重ねた形状の凹部として形成しても良い。この回転面により、陰極２からの電子がその回転面に一様に入射でき、陽極３先端部がほぼ均等に消耗する。よって、照度維持率がさらに向上する。
【００４１】
また、前記放電灯２０は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、陰極２は、その先端部（非処理部Ｂ）を除く位置に浸炭処理を施して浸炭部２ｂを形成するのが好ましい。また、浸炭部２ｂは、陰極表面Ａを表面脱炭処理することで形成した脱炭部２ｃを介して陰極表面Ａから内部に入り込んだ位置に形成するのがより好ましい。
【００４２】
浸炭部２ｂは、そのテーパ部Ｃの直径の大きさに係わりなく、陰極表面Ａから陰極内部に、ほぼ一定の濃度分布で一定の厚みで形成され、また、その浸炭部２ｂの深さｄ２が、陰極表面Ａから数ミクロンから数１０ミクロンの範囲で陰極内部に向かって形成されている。さらに、その浸炭部２ｂの深さｄ２、長さＬ２は、陰極表面Ａの不純物の付着防止できる深さ、長さであれば特に限定されるものではない。なお、浸炭部２ｂは、陰極６がタングステン（Ｗ）であれば、タングステンカーバイド（Ｗ2Ｃ）として構成される。
【００４３】
また、浸炭処理が施されない先端部（非処理部Ｂ）は、アーク放電による温度上昇が激しい部分を示している。先端部に浸炭処理を施さない理由は、先端部にＷ2Ｃからなる浸炭部２ｂが形成されると、Ｗ2ＣはＷより融点が低いため、アーク放電による温度上昇により陰極２の先端部が早期に消耗してしまうからである。
【００４４】
浸炭部２ｂの形成手段としては、特に限定されるものではないが、例えば、つぎのような方法が挙げられる。
（第１工程）塗布媒体の塗布及び乾燥工程
アルカリ系水硝子や、セラミックなどの焼結媒質中に黒鉛を混入した塗布媒体を、陰極２のテーパ部Ｃの非処理部Ｂを除く部分（処理部）に塗布した後、自然乾燥させる。焼結媒質として水溶液中に質量比で約１０％の珪酸カリウムが混在する水硝子を使用するのが好ましい。
【００４５】
（第２工程）塗布媒体の予備加熱工程
つぎに、自然乾燥した塗布媒体が付着した陰極２を、その塗布媒体の不純物が除去できる適正温度、（例えば前記の約１０質量％の珪酸カリウムを含む水硝子を使用する場合には脱ガス処理として８００℃前後の温度）で１５分程度真空中、例えば７×１０-3Ｐａ｛５×１０-5Ｔｏｒｒ｝の減圧下で加熱する。また、これらの塗布媒体に６００〜１０００℃の温度で５〜３０分間予備加熱処理を行うことが不純物を除去する上で好ましい。
【００４６】
（第３工程）焼結処理工程
そして、不純物が除去された塗布媒体の焼結温度、例えば１５００〜１７００℃の温度で、不活性ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）中で１５〜６０分焼結処理を行う。上記の約１０質量％の珪酸カリウムを含む水硝子からなる塗布媒体の場合には約１６００℃で約３０分程度加熱を行うことが好ましい。
【００４７】
（第４工程）固形物の除去工程
このようにして、焼結処理を行うと陰極２上に形成された塗布媒体の被膜が完全に焼結して固形物となる。この固形物を例えば、ピンセット等を用いて陰極２から完全に剥離・除去する。この操作の際に陰極２の内部に炭素がわずかに浸炭する。
【００４８】
（第５工程）浸炭処理工程
最後に、浸炭させる浸炭部２ｂの深さｄ２に対応させて真空中で加熱する。一般にこの浸炭処理は１８００〜２３００℃の温度で１５〜６０分、１．３×１０-2Ｐａ｛１×１０-4Ｔｏｒｒ｝以下の減圧条件下で行う。例えば約１９００℃、７×１０-3Ｐａ｛５×１０-5Ｔｏｒｒ｝の減圧下で３０分程度の浸炭処理を行うのが好ましい。この浸炭処理により、炭素が確実に陰極２の内部に拡散して浸炭して、均等な濃度分布の浸炭部２ｂを陰極表面Ａから内部に深さｄ２（約数ミクロン）入った位置まで形成すると共に、表面の塗布媒体である水硝子を完全に除去することができる。
【００４９】
また、表面脱炭処理は、前記（第５工程）浸炭処理工程の加熱時間を所定時間より長く、かつ加熱温度をより高温で処理することにより（例えば前記約１９００℃、３０分を約２０００℃、６０分）行われる。この表面脱炭処理により、炭素が存在しない脱炭部２ｃを陰極表面Ａから距離ｄ３（例えば２〜５μｍ）の間に形成し、この脱炭部２ｃを介して、浸炭部２ｂが陰極表面Ａから距離ｄ３だけ内側に入り込んだ位置に形成される。
【００５０】
また、濃度の異なる黒鉛を混入した塗布媒体により前記（第１工程）〜（第５工程）の作業を繰り返し行うことで、浸炭部２ｂが、陰極２の深さ方向に向うにしたがって徐々に炭素の濃度分布が粗になるように構成し、または炭素の濃度分布が粗、密、粗となるように構成しても良い。さらに、陽極３についても前記陰極２と同様に、その先端部を除く位置に浸炭部２ｂを形成しても良い。
【００５１】
さらに、陰極２への脱ＴｈＯ2層２ａ、浸炭部２ｂ（脱炭部２ｃ含む）の形成順序は特に限定されないが、脱ＴｈＯ2層の形成後、浸炭部２ｂ（脱炭部２ｃ含む）を形成するのが好ましい。
【００５２】
この浸炭部２ｂを形成することにより、浸炭部２ｂの位置ではＴｈＯ2の還元が促進されると共に、ＴｈＯ2の蒸発が抑制され、これにより陰極２の消耗、変形が抑制され、照度維持率が向上する。また、脱炭部２ｃを形成することにより、陰極表面Ａの不純物の残留を防止し、陰極２の消耗や破損を最小限に抑え、より照度維持率が向上する。さらに、浸炭部２ｂの炭素の濃度分布を変えることにより、陰極２の非処理部Ｂと浸炭部２ｂの境界線が渾然一体となるため、陰極２の強度が増し、電気抵抗や熱伝導率の値も向上するために放電灯の安定した使用を可能とする。
【００５３】
【実施例】
つぎに、本発明を実施例を用いて、さらに詳細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５４】
まず、本発明の陰極２に形成される脱ＴｈＯ2層２ａの所定の深さｄ１を設定するために、以下の予備実験１を行った。
（予備実験１）
試料として、所定の深さの脱ＴｈＯ2層を有しない従来の放電灯（基準放電灯Ａ、放電灯Ａ１〜Ａ３）を使用した。基準放電灯Ａは水銀４．５ｍｇ／ｃｃとキセノン（Ｘｅ）を常温における圧力１．０気圧で封入、放電灯Ａ１〜Ａ３は水銀４．５ｍｇ／ｃｃとアルゴン（Ａｒ）に体積比４０％のネオン（Ｎｅ）を混合した混合希ガスを常温における圧力２．０気圧（放電灯Ａ１）、５．０気圧（放電灯Ａ２）、７．０気圧（放電灯Ａ３）で封入し、それ以外の構成は図１（ａ）に示された本発明の放電灯２０と同様とした。
寿命末期（点灯７５０時間後）の前記基準放電灯Ａ、放電灯Ａ１〜Ａ３を破壊して陰極を取り出し、陰極を縦方向に切断して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により陰極最表面からの深さによるＴｈＯ2の濃度を測定した。点灯前の陰極、未使用の基準放電灯Ａと比較した結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
前記の予備実験１の結果（表１）から、希ガスとして本発明と同様の混合希ガスを使用した放電灯Ａ１〜Ａ３においては、基準放電灯Ａに比べて陰極表面近傍のＴｈＯ2の蒸発（飛散）が激しく、特に陰極最表面から深さ５０μｍまでのＴｈＯ2の蒸発（飛散）が激しいことが確認された。
【００５７】
つぎに、前記予備実験１の結果に基づいて、陰極２にその最表面から深さ５０μｍまでの脱ＴｈＯ2層２ａを形成させるための高真空中での熱処理条件を設定するために、以下の予備実験２を行った。
（予備実験２）
質量比約２％のＴｈＯ2を含むタングステンからなる陰極を、１６００℃、２１００℃、２３００℃、２５００℃、２７００℃、２９００℃、３１００℃の各条件（熱処理時間６０分）で高真空中（１３３×１０-3〜１３３×１０-6Ｐａ｛１０-3〜１０-6Ｔｏｒｒ｝）で熱処理した。熱処理後に陰極を縦方向に切断し走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により陰極表面層近傍のＴｈＯ2の濃度を測定した。図３に陰極最表面層から陰極内部の深さ方向に対するＴｈＯ2の濃度を熱処理温度別に示す。
【００５８】
図３の結果から、高真空中の熱処理温度を２３００℃以上にすることにより、陰極最表面層から陰極内部の深さ５０μｍまでのＴｈＯ2を除去できることが確認された。
【００５９】
前記の予備実験２の結果（図３）を踏まえて、高真空中で熱処理された陰極（脱ＴｈＯ2層を有する陰極）を使用した放電灯について、ＩＣ露光装置の露光面での照度、照度安定性、照度維持率を測定した。ここで照度は、前記基準放電灯Ａが照射した波長３６５ｎｍの紫外線の初期における照度を１としたときの照度の比率であり、発光効率の指標となる。照度安定性については、２５秒間の連続した照度測定中の照度の最高値と最低値の差を２５秒間の平均照度で除した値である。照度維持率は、点灯時間７５０時間までの照度低下率である。
【００６０】
（実施例１）
試料として、陰極、陽極の両者を高真空中（１３３×１０-3〜１３３×１０-6Ｐａ｛１０-3〜１０-6Ｔｏｒｒ｝）で熱処理温度２３００〜３１００℃の各条件（熱処理時間６０分）で処理した放電灯Ｂ１〜Ｂ５を使用した。発光管の内部空間には水銀４．５ｍｇ／ｃｃと混合希ガスを封入した。封入した混合希ガスは高分子量の希ガスをアルゴン（Ａｒ）とし、低分子量の希ガスとしてネオン（Ｎｅ）を体積比で４０％混合し、常温での封入圧力を５気圧とした。基準放電灯Ｂは、陰極、陽極の両者を熱処理温度２１００℃で処理し、封入する水銀と混合希ガスは放電灯Ｂ１〜Ｂ５と同様とした。また、放電灯Ｂ１〜Ｂ５、基準放電灯Ｂは陽極先端部の凹部は設けず、前記以外の構成については図１に示された本発明の放電灯２０と同様とした。表２に放電灯の照度、照度安定性の測定結果を示し、図４に照度維持率の測定結果を示す。
【００６１】
【表２】
表２の結果から、陰極、陽極の両者の熱処理温度を２３００〜２９００℃に上げた放電灯Ｂ１〜Ｂ４の照度は、基準放電灯Ｂとは同等であった。また、放電灯Ｂ１〜Ｂ４の照度安定性は基準放電灯Ｂより良かった。しかし、熱処理温度を３１００℃に上げた放電灯Ｂ５は基準放電灯Ｂと照度は同等だったが、照度安定性が悪化した。この原因としては、熱処理温度を３１００℃まで上げてしまうと、陰極最表面から必要以上のＴｈＯ2を除去してしまうために、陰極の電子放射性が低下して照度安定性が悪化したと考えられる。
【００６３】
図４の結果から、放電灯Ｂ１〜Ｂ５の照度維持率は基準放電灯Ｂに比べ、放電灯Ｂ１〜Ｂ４が約３〜５％の向上を示し、照度安定性が悪化した放電灯Ｂ５は寿命に関しては放電灯Ｂ１〜Ｂ４と同等の向上が見られた。
【００６４】
表２、図４の結果より、陰極の高真空中での熱処理温度は２３００〜２９００℃が良いことが確認された。また、この熱処理により脱ＴｈＯ2層２ａの所定の深さｄ１は、図３より５０〜１００μｍになることが確認された。
【００６５】
（実施例２）
試料として、図１（ｃ）に示すように陽極３の先端部に凹部３Ａを設けた放電灯Ｃ１〜Ｃ４を使用した。陽極３の先端平坦部直径Ｄ１を８ｍｍ、凹部３Ａの直径Ｄ２を６ｍｍ、凹部３Ａの深さＨを１ｍｍ、電極間距離Ｌ１を５．５ｍｍとした。前記以外の構成については前記放電灯Ｂ１〜Ｂ４と同様である。表３に照度、照度安定性の測定結果、図５に照度維持率の測定結果を示す。その結果、放電灯Ｃ１〜Ｃ４は、基準放電灯Ｂに対し、照度が高く、照度安定性が良かった。また、照度維持率は約１６％向上した。
【００６６】
【表３】
【発明の効果】
前記に説明したように本発明のショートアーク型放電灯の電極およびショートアーク型放電灯は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入されたショートアーク型放電灯において、陰極が高融点金属にＴｈＯ2をドーピングして形成されていると共に、その陰極最表面から所定の深さまで形成した脱ＴｈＯ2層を有し、また、その脱ＴｈＯ2層の所定の深さが５０〜１００μｍであり、放電灯の組立時に高真空中で２３００〜２９００℃、５〜３６０分の熱処理により形成されることにより、陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くなる。
【００６８】
また、本発明のショートアーク型放電灯は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入され、陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成したことにより、さらに陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くなる。
【００６９】
また、本発明のショートアーク型放電灯は、希ガスが常温における圧力２気圧以上で封入され、陰極が、その先端部を除く位置に浸炭部を形成したことにより、さらに陽極の消耗、変形が抑制され、放電灯の照度維持率の低下が改善される。また、放電灯の発光効率も高く、照度安定性も良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の好適な実施形態であるショートアーク型放電灯の切断側面図、（ｂ）は放電灯の原理を説明するための電極の一部を断面にした正面図、（ｃ）は電極の正面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）本発明の陰極の構成を示す原理図である。
【図３】放電灯の陰極最表面から陰極内部の深さ方向に対するＴｈＯ2濃度の推移を熱処理温度別に説明するグラフ図である。
【図４】本発明の放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図である。
【図５】本発明の放電灯の照度維持率の推移を説明するグラフ図である。
【符号の説明】
１ 発光管
２ 陰極
２ａ 脱二酸化トリウム層
２ｂ 浸炭部
２ｃ 脱炭部
３ 陽極
３Ａ 凹部
４、５ 内部リード棒
６、７ 封止管
８、９ 金属箔
１０、１１ 外部リード棒
２０ 放電管
２１ 内部空間
Ａ 陰極表面
Ｂ 非処理部
Ｃ テーパ部
Claims (8)
- 発光管の内部に水銀と常温における圧力２気圧以上となる希ガスを封入して用いられるショートアーク型放電灯における前記発光管の内部に対向して配置される陰極と陽極からなる電極において、
前記陰極が高融点金属に二酸化トリウムをドーピングして形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成した二酸化トリウムが除去された脱二酸化トリウム層を有することを特徴とするショートアーク型放電灯の電極。 - 前記脱二酸化トリウム層の所定の深さが５０〜１００μｍ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の電極。
- 前記脱二酸化トリウム層が、放電灯組立時の高真空中での脱二酸化トリウム処理により形成され、その脱二酸化トリウム処理の温度が２３００〜２９００℃、時間が５〜３６０分であることを特徴とする請求項１または２に記載のショートアーク型放電灯の電極。
- 発光管の内部に陰極と陽極を対向して配置し、前記発光管の内部空間に水銀と希ガスを封入し、前記希ガスが高分子量の希ガスに体積比で５％〜４０％の低分子量の希ガスを混合し常温における圧力を２気圧以上としたショートアーク型放電灯において、
前記陰極が高融点金属に二酸化トリウムをドーピングして形成されていると共に、その陰極の最表面から所定の深さまで形成した二酸化トリウムが除去された脱二酸化トリウム層を有することを特徴とするショートアーク型放電灯。 - 前記脱二酸化トリウム層の所定の深さが５０〜１００μｍであることを特徴とする請求項４に記載のショートアーク型放電灯。
- 前記脱二酸化トリウム層が、放電灯組立時の高真空中での脱二酸化トリウム処理により形成され、その脱二酸化トリウム処理の温度が２３００〜２９００℃、時間が５〜３６０分であることを特徴とする請求項４または５に記載のショートアーク型放電灯。
- 前記陰極と陽極の距離を一定にして対向配置し、前記陽極の先端部に凹部を設け、その凹部が陰極から放出される電子を受け止める点で発生する電界の強さを近づけるように形成したことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載のショートアーク型放電灯。
- 前記陰極が、その陰極の先端部を除く位置に浸炭処理により形成した浸炭部を有することを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載のショートアーク型放電灯。
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