JPH025359A - ショートアーク放電灯 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体電子回路の回路パターン焼付は用露光
装置やＵＶスポットキュアなどのような照明光学系の光
源として使用されるショートアク放電灯に関する。

（従来の技術） 一般に超高圧水銀ランプやキセノン−水銀ランプなどの
ショートアーク放電灯は、アークが小さくて点光源に近
い紫外線ランプであることから、反射鏡等の光学系と組
合わせて精密な産業用機器に使用されている。

例えば、半導体電子回路の回路パターンを焼付けるため
に使用される露光装置は、特開昭６０−５７９３０号公
報にも記載されているが、第２図に示すように、光源と
してのンヨートアーク水銀灯１を回転２次曲面からなる
反射鏡２１の略焦点位置に設置１７、このショートアー
ク放電灯１から出る光を上記反射鏡２１により集光させ
、この反射光を平面反射鏡２２に゛Ｃ照射方向を変更し
て集光レンズ２３を通し、この集光レンズ２３でさらに
集光した光をフォトマスク２４を通して被照射面２５、
例えば紫外線感光性樹脂を被覆した半導体ウェハーの表
面に照射するようになっている。

したがって、ショートアーク水銀灯１から放射される紫
外線により半導体ウェハー２５の表面にはフォトマスク
２４に対応したパターンが焼付けられる。

光源として用いられるショートアーク水銀灯１は、第３
図に示すように、石英ガラスよりなる発光管バルブ２の
両端を気密に閉止し、これら両端にそれぞれ口金３．４
を取付けて構成しである。

発光管バルブ２内には両端に電極支持棒５．６が封着さ
れており、これら電極支持棒５．６の先端には、直流点
灯が主流であるから、陽極（アノード）７および陰極（
カソード）８が形成されている。これら陽極７および陰
極８は発光管バルブ２の中央部分で微少距離を存して対
向されている。

これら陽極７および陰極８間でショートアークの放電が
なされるため発光管バルブ２の形状は、中央部分が球ま
たは楕円球形状に脹らんた構造となし、耐圧強度の向上
を図っている。

ところで、最近の産業用分野においては、微小加工の精
度が年々増加しており、より高性能な加工精度が要求さ
れ、かつ生産性向上の面からもより高効率が要求ぎれて
きている。例えば上記半導体製造の分野でも、超ＬＳＩ
の一層の高集積化が進められており、このため露光の高
効率化が要求されるようになっている。

露光効率を高める手段としては、光強度を高くすること
、すなわち被照射面２５における明るさを向上させるこ
とが望まれる。

被照射面２５の明るさを上昇させるには、反射鏡２１や
レンズ２３による集光性を高めて器具効率を上げること
、および光源としてのランプの出力を向上させることが
考えられる。

器具効率の改善は、従来から種々の努力がなされており
、すでに一定技術水準に達していると認められる。

これに対してランプの改良は未だ充分の余地を残してい
る。

すなわち、ランプ側の観点から露光効率を高めようとす
れば、従来では発光強度を強くすればよいと考えられて
おり、発光効率に優れがっ光出力の大きなランプの開発
および使用に注意が注がれていた。

しかしながら、ランプは一般に高出力化しようとすると
、大ワット化する傾向にあり、このような場合、必ずや
ランプは大形化に向かうものである。

（発明が解決しようとする課題） すなわち、ランプの発光出力を増加させるためにランプ
入力を大きくするとバルブ形状が大形化し、アーク径が
太くなる。

本発明者らの研究によれば、ランプ人力を増しアークを
大きくして発光量を増加させようとしても、このランプ
を反射鏡２１の焦点位置に設置した場合にそのアークが
焦点位置からはみ出すことになり、すなわちアークが点
光源にならず、反射１！２１や集光レンズ２３による集
光性が低下し、被照射面２５で光が拡散してしまい、む
しろ被照射面２５の光強度が低下する場合があることが
判明した。

逆に、アークを小さくして点光源に近づける方が、ラン
プの発光出力は若干低下しても、アークが反射鏡２１の
焦点位置に高精度に設置され、反射鏡２１や集光レンズ
２３による集光性が向上して、被照射面２５の光強度が
増大する場合があることが判った。

また、ランプの大形化は輻射熱の増大を招き、照明装置
に冷却対策などが必要となるから装置の大型化、高通格
化につながり、現存する装置が使用できなくなる等の問
題がある。

本発明は、ランプ単体の効率はこれが若干劣化すること
があってもアークの広がりを小さくすることにより反射
鏡等の光学系と組合わせた場合のトータル効率が向上す
るショートアーク放電灯を提供しようとするものである
。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明においては、光源から出た光を反射鏡およびレン
ズを介して被照射面に集光させる光学系における上記光
源として用いられ、発光管バルブ内に一対の電極を設け
るとともに、この発光管バルブ内に水銀および希ガスを
封入したショートアーク放電灯において、始動直後のラ
ンプ電圧をＶＳＬ（Ｖ）、安定点灯時のランプ電圧をＶ
　１（Ｖ）、電極間距離をＩ！（ｍｍ）、発光管バルブ
の電極間距離の中心部に位置する箇所の内径をＤ（ｃｍ
Ｌ、安定点灯時のランプ電力をＷＬ　　（ＫＷ）とした
場合、 ■Ｌ−”’＝５〜１０　（Ｖ／ｍ＋ｓ）ア に規制したことを特徴とする。

（作用） 本発明は前述したように、アークの広がりを小さくし”
Ｃ点光源に近づける方が、ランプの発光出力は若干低下
しても、アークが反射鏡の焦点位置に高精度に設置され
るため反射鏡やレンズによる集光性かむしろ向上し、被
照射面の光強度が増大する場合があることに注目してな
されたもので、アークをどの程度まで小さくすればよい
か検討した結果のものである。

すなわち、本発明者等の研究・実験によれば、電極間距
離を従来と同等にして電位傾度を下げるとともに発光管
バルブの内径を小さくすれば、若干発光強度は低下する
もののアーク長さは従来と同等でアーク径が細くなり、
点光源に近くなる。

よって、本発明はこのようなランプを反射鏡およびレン
ズと組合わせて使用した場合、トータル効率が従来より
も向上する範囲を、電位傾度と発光管バルブの内径とを
パラメータとして数値的に規制したものである。

（実施例） 以下本発明について、第１図に示ず一実施例にもとづき
説明する。

第１図に示すショートアーク水銀灯はランプ入力５００
Ｗ定格のものであり、図において１０は石英ガラスより
なる発光管バルブであり、この発光管バルブ１０の両端
は気密に閉止され、これら両端には従来と同様に口金３
．４が取付けられている。

この発光管バルブ１０には両端に電極支持棒５．６が封
着されており、これら電極支持棒５．６の先端には、比
較的大形の陽極１１およびこれより小形の陰極１２が形
成されている。陽極１１は純タングステンから構成され
ているとともに、陰極１２は例えば２％のトリアを含有
したタングステン製の上記電極支持棒６に純タングステ
ン製のコイル１２ａを巻装してなり、この電極コイル１
２ａのコイル間にはＴｈ　Ｏ２のエミッタが塗布されて
いる。

これら陽極１１および陰極１２は発光管バルブ１０の中
央部分で微少距離を隔てて対設されており、本実施例で
は電極間距離ノー２．５■とされている。

発光管バルブ１０は、楕円球形状に成形されており、そ
の電極間距離１間の中心部の径りがＤ−１，４ｃｍに設
定されている。

発光管バルブ１０の内部には所定量の水銀とアルゴンガ
スよりなる始動用希ガスが封入されている。水銀Ｈｇは
、ランプ電圧が３６（Ｖ）となるような量に封入されて
いるとともに、アルゴンガスは０．５（気圧）封入され
ている。

この場合、点灯中の水銀蒸気圧は３０（気圧）、アルゴ
ンガスの圧力は４気圧で、合計３４気圧となる。

また、電極損失による電圧降下分Ｖｄｒｏｐ−１，２（
Ｖ）であり、本例の場合アルゴンガスのランプ電圧に及
ぼす影響度は０（■）とみなすことができる。

従って始動直後のランプ電圧ＶＳ　Ｌ　”’　Ｖ　ｄｒ
ｏｐ−１、２Ｖである。

一方、従来設計による同一５００Ｗの一般約数値を本発
明と対比させて以下の表に示す。

上記表中、Ｎｏ５が従来のランプ、Ｎｏ　２〜４が本発
明に該当するランプ、Ｎｏ　１およびＮｏ　６゜７は実
験により本発明の範囲外とされたランプである。

本発明に該当するランプ（Ｎｏ２〜４）は、従来例のラ
ンプＮｏ５より電極間距離ノを小さくして点光源に近づ
けても、水銀封入量を少なくして灯中の圧力は従来と比
べてほぼ同等（正確には２気圧減）としである。

したがって、本発明のランプ（Ｎｏ　２〜４）は、ラン
プｌｊ体の照度が２９〜１５％程度低下する。

しかしながら、本発明ではＤ　／　Ｗ　Ｌを従来に比し
小さな値に設定しているから、アークの広がりを縮小す
ることができ、つまりアーク径を小さく絞ることができ
、その結果従来例のランプＮｏ５と比べて、ショートギ
ャップおよびアーク広がり縮小の両面の効果により、ア
ークが点光源に近づき、よって反射鏡２１の焦点位置に
高精度に設置し易くなり、光量Ｙ系の集光効率が大きく
なる。この結果、反射鏡２］、やレンズ２３と組合わせ
て使用した場合のトータル効率は従来例Ｎｏ５に比べて
１〜１８％向上することが判る。

一方、従来例Ｎｏ６は本発明と同様なトータル効率を得
る目的で、従来の球形に近い形状をなした発光管バルブ
１に、本発明と同等な短い電極間距離Ｊ（ａｍ）でかつ
従来のランプ電圧とした場合に相当するランプであるが
、この場合点灯中の圧力が本発明に比しべて８気圧（２
４％）も上昇し、耐圧強度の点で不適格ある。

また、従来例Ｎｏ７のランプは、球形に近い形状をなし
た発光管バルブ１に、本発明と同等な短い電極間距離、
ｊ？（ｍｍ）でかつ本発明と同等なランプ電圧とした場
合に相当するランプであるが、この場合、ランプ照度お
よび集光効率とも悪く、トータル効率が最も悪い結果で
あった。

本発明に該当するＮｏ２〜４のランプは、ともに良い結
果を呈しているが、これはアーク形状の広がりを光学系
に対して抑えたことによる。

従来の発想では、バルブ径はランプの大きさに合わせ大
形化するのか常であった。例えば従来の場合、Ｄ　／　
ＷＬ　　（ｃｍ／ＫＷ）＝　４〜６か一般的であり、ワ
ットが大きくなるとこの値以上となることもあ−っだ。

これは点灯中のバルブ内圧力をできるだけバルブの限界
耐圧強度の限界に近づけるべく大きくとろうとするため
、耐圧強度の問題からできるたけ球形に近づけ、かつ管
壁負荷（ＷＬ／バルブ内表１Ｉｌｊ積）を必要値以上に
とろうと考えられていたからである。

しかしながら、本発明においては、点灯中のバルブ内圧
力をそれ程高く設定しなくても、トータル効率を高くで
きることに注目し、バルブ形状は必ずしも球形形状にと
られれなくて済むことに着１］シた。すなわち、バルブ
形状は若干長細い紡錘形にして耐圧強度を若干劣化させ
ても、使用に耐えられるに必要な強度が得られるように
し、むしろこのような長細い形状にすることによりアー
クの広がりを抑えてアーク径を細くすることの効果が大
きく、すなわち器具効率を含む全効率の向上が得られる
ものである。

ここで、原点に戻ってンヨートアーク放電灯の特性につ
いて検討して見る。

一般に、点灯中の発光管バルブ内の圧力Ｐは、電極間距
離、ｅと、封入している水銀１１ｇの封入量および希ガ
スの封入圧力に依存する。封入物の量を増すことはラン
プ電圧ＶＬを上昇させる。

ランプ電圧Ｖ１、は、電極損失Ｖｄｒｏｐと、アークに
電力を４えるアーク電圧ＶａｒＱの和で表わされる。す
なわち、 Ｖ　Ｌ　＝　Ｖ　ｄｒｏｐ＋　Ｖ　ａｒｃ　　　　　　
　−（１）ランプから発せられる光量Φは上記アーク電
圧Ｖ　ａｒｅに比例し、 Φ　ｏｅ　　Ｖａｒｃ　　”　　　　　　　　　　〜１
２）で表わされる。

したがって、ランプの光量Φを増すためには、アーク電
圧ｖ　ａｒｃを増すことが行われる。

アーク電圧ｖ　ａｒｃは、封入している水銀１１ｇの封
入量および希ガスの封入圧力に比例する。ショートアー
ク水銀灯の場合、希ガスとしてはアルゴンまたはキセノ
ンが使用使用され、この種のショートアーク水銀灯では
希ガスの使用目的が、主として始動時のペニング効果に
よる始動電圧を下げたり、始動時に電極構成物質の飛散
を抑えることであるから、希ガスの封入圧ｐ　ｇａｓは
低く、１気圧以下に抑えられる。

これに対し、ショートアークキセノン−水銀灯では、希
ガスとしてキセノンを使用しており、この場合はキセノ
ンが上述の電極飛散防止作用のほかに、点灯中における
キセノンの発光を利用することを目的としているため、
キセノンの封入圧力ｐ　ｇａｓは高く、１気圧以上で５
〜６気圧封入される例もある。これらは点灯中４〜５倍
の圧力になる。

しかし、一般に封入されている希ガスは、封入水銀に比
べてランプ電圧に及ぼす影響は小さく、始動直後のラン
プ電圧Ｖｓ、−は Ｖ　ＳＬ　−Ｖ　ｄｒｏｐ＋　Ｖ　ｇａｓ　　　　　−
（３）で表わされ、この場合Ｖ　ｇａｓは常温の希ガス
封入圧が５〜６気圧であっても数ボルト程度にしか過ぎ
ない。

前述のアーク電圧ｖａｒｃは、封入ガス圧に依存するｖ
　ｇａｓと、水銀封入量に依存するＶｌｌｇとの和で表
わされ、 Ｖ　ａｒｃ　−Ｖ　ｇａｓ　＋　Ｖ　Ｉｌｇ　　　　　
　−（４）となるからショートアーク放電灯の場合は、
Ｖ　ａｒｃ　＝　Ｖ　Ｈｇ　　　　　　　　　　−（５
）となる。

ここでＶｌｇは、封入される水銀ｆｆ１Ｍ　（ｎ＋ｇ）
　、７１Ｘ極間距離、ｅ（ｍ１１）、発光管容積Ａ（ｃ
ｃ）としたとき、 なる関係が一般的に知られている。したがって、（６）
式は、 と置き換えることができる。

点灯中の発光管バルブ内の圧力Ｐは発光管バルブ内の平
均温度にも依存するが、温度一定とすれば、 Ｐ　　　ｃｃＰｇａｓ　　　　　　　　　　　　　　＝
４Ｊ３）、Ｐ　　　−Ｍ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（９）となり、希ガスの封入圧力ｐ　ｇ
ａｓが大きい程、また水銀封入量が多い程バルブ内圧力
Ｐは窩くなる。

すなわち、前記（６）式から、ランプ電圧Ｖ　Ｌを同一
とした場合、ｒｃ　ｈ間距離ノを小さくすると水銀ｍＭ
を増加しなければならず、またアーク電圧Ｖａｒｅを増
して光量Φを増大させようとすれば、（２）式および（
７）式から水銀ｆｆ１Ｍを増す必要かある。

一方、同一ランプ電力ＷＬでアーク電圧ｖ　ａｒｃを増
すためには、ランプ電圧ＶＬをを上げることでも１ｆｆ
Ｊ能であったが、このようにすると（７）式に示すよう
に、水銀ｍ　Ｐｖｌを増加させることになり、点灯中の
圧力Ｐを上げることになる。

Ｉ、１灯中の圧力Ｐが増すと、発光管バルブの耐圧強ｔ
Ｗに対し余裕度を低下させることになり、点灯中のラン
プ破損を生じ易くなる。

またアーク電圧ｖ　ａｒｃを上げ、かつｔＮ　Ｆ’５．
　Ｌ！ｊＪ距離、ｅを広げることにより点灯中の圧力を
Ｐ上昇せずこ先出力を増すことも考えられるが、これは
、このランプ本来がもつ点光源的要素を小さくすること
になり、光学系を組合わせた場合の集光効率の低下をも
たらし、トータル効率が低減することになる。

また、水銀Ｈｇの圧力を増す手段は、次のような不具生
も生じ得る。すなわち、水銀１１ｇ圧が増加することに
よって光出力を上げることは、アーク全体の広がりを生
じさせる欠点があり、スペクトルの連続部分の出力増加
を生じさせ、本来望ましいＵＶ領域の出力は必ずしも比
例的に増加しない。

つまり不必要な部分の出力増加も加えた形での光出力増
加であり、真の効率向上とは言えない部分もあった。

このようなことから、本発明は前述したように、バルブ
形状を若干長細い紡錘形にして耐圧強度を若干劣化させ
ても、使用に耐えられるに必要な強度が得られるように
し、むしろこのような長細い形状にすることによりアー
クの広がりを抑えてアーク径を細くして器具効率を含む
全効率の向上が得られるようにしたものである。

傾度を表わしており、これは電極間距離ノに関係してい
るので点光源さに関係をもつとともに、（［ｉ）　　（
７）および（９）式から判るように、水銀蒸気圧とも関
係しており、上記実験結果の表から５〜１０　（Ｖ／ｍ
ｕ）が望ましい。

離７ｅが大き過ぎるかまたはランプの安定点灯時におけ
るランプ電圧ＶＬが小さ過ぎることになり、これは点光
源としての機能を失うか、または照度低下が余りに大き
くてアーク広がりを抑えるのみてはトータル効率を向上
させることかできなくな、って、本発明の目的を達成す
ることができない。

点灯中のバルブ内圧力が大きくなり信頼性を損なうこと
になるから、石英製バルブを使用する範囲では１０以下
に抑えるのが望ましい。

Ｄ　、／　ＷＬ　　（ａｍ／ＫＷ）を１．８〜３．５に
することが必要である。

Ｄ／ＷＬが１．８未満になると、アーク径が絞られても
石英管壁温度が必要以上に高められ、バルブの耐圧強度
が低下し、また寿命中の失透等が現われることがあった
。

また、Ｄ／ＷＬが３．５を超えると、従来に比しトータ
ル効率の向上が認められなくなる。

また、単位長さ当りのランプ電力ＷＬ　ｍ、／ノ）を満
たすように電流を設定すれば良いが、ショートアーク高
圧放電灯としてはワットが大きくなってもその点光源性
を重要視すべきある。その点から、本実施例のように（
ＷＬ／、ｆ’　）を０．１７以上に設定するのが好まし
いといえる。

本発明では、点灯中の内圧を抑えかつトータル効率をア
ップさせることを目的とするものであり、（ＷＬ／））
に影響を受けるものでないが、電極をかなり大形化し、
しかもバルブの耐圧強度が小ワツトのものに比して多少
低下する大ワットのものにより一層の効果が現れるとい
える。

つまり、本発明は５００　Ｗで説明したが、ＩＫＷでも
２ＫＷでもワット大きい程−膜内にバルブ耐圧が低下す
る傾向をもつので、より小さな電極間距離のランプを製
作できる本発明のメリットを発揮できる。

このような本実施例によると、電極間距離が短くなって
アーク長さが短くなり、かつ発光管バルブの径を細くし
てアーク径が絞られるのでアークが点光源に近くづき、
集光性が向上するため光学系と組合せたトータル効率が
向上する。

しかもこの場合、電位傾度を低くしてランプ効率をむし
ろ抑え気味にしであるので、ランプ電圧は上昇しなく、
点灯中の圧力は増加せず、ランプ強度の信頼性を保つこ
とができる。

また、ランプ電力は増加しないから、ランプの発熱や、
電極の熱容量の大形化が発生せず、照明装置全体の大形
化を防止して、冷却装置、電源、光学系の大形化や価格
の増加を招くことがない。

以上述べてきた例は、希ガスが１気圧以下の場合であっ
たが、１気圧以上でキャノンガスを使用するキセノン−
水銀ランプでも同様な効果があることは言うまでもない
。

さらに、本発明は半導体電子回路の回路パターン焼付は
用露光装置に適用されることに制約されるものではなく
、ＵＶスポットキュアなどにも適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によると、電極間距離か短く
なってアーク長さが短くなり、かつ発光管バルブの径を
細くしてアーク径が絞られるのでアークが点光源に近く
づき、ランプ単体の効率は若干劣化することがあっても
、反射鏡やレンズなど組み合せて使用すれば集光性が向
上しトータル効率が増大する。しかもこの場合、電位傾
度を低くしてランプ効率をむしろ抑え気味にしであるの
で、ランプ電圧は上昇しなく、点灯中の圧力は増加せず
、ランプ強度の信頼性を保つことができる。

また、ランプ電力は増加しないから、ランプの発熱や、
電極の熱容量の大形化が発生せず、照明装置全体の大形
化を防止して、冷却装置、電源、光学系の大形化や価格
の増加を招くことがないなどの利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すショートアーク水銀灯
の構成図、第２図および第３図は従来技術を説明するも
ので、第２図は半導体電子回路の回路パターン焼付は用
露光装置を示す概略的構成図、第３図は従来のショート
アーク水銀灯の構成図である。 １０・・・発光管バルブ、１１・・・陽極、１２・・・
陰極、２１・・・反射鏡、２３・・・集光レンズ、２５
・・・被照射面。 第１図 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源から出た光を反射鏡およびレンズを介して被照射面
   に集光させる光学系における上記光源として用いられ、
   発光管バルブ内に一対の電極を配設するとともに、この
   発光管バルブ内に水銀および希ガスを封入したショート
   アーク放電灯において、 始動直後のランプ電圧をＶＳＬ（Ｖ）、安定点灯時のラ
   ンプ電圧をＶＬ（Ｖ）、電極間距離をｌ（ｍｍ）、発光
   管バルブの電極間距離の中心部に位置する箇所の内径を
   Ｄ（ｃｍ）、安定点灯時のランプ電力をＷＬ（ＫＷ）と
   した場合、 ［Ｖ＿Ｌ−Ｖ＿Ｓ＿Ｌ／ｌ］＝５〜１０（Ｖ／ｍｍ）Ｐ
   ／Ｗ＿Ｌ＝１．８〜３．５（ｃｍ／ＫＷ）としたことを
   特徴とするショートアーク放電灯。