CN102182979A - 光源装置及光照射装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种光源装置及光照射装置，被交流驱动的放电灯和装入有该放电灯的凹面反射镜构成，并配置成所述放电灯的中心轴与凹面反射镜的光轴一致，抑制灯的下半部内的紫外线吸收而能够得到充分的光输出的结构。其特征在于，所述凹面反射镜的开口部朝向上方配置，一对电极的下侧电极进行阳极动作的时间比上侧电极进行阳极动作的时间长。

Description

光源装置及光照射装置
技术领域
本发明涉及由交流驱动的放电灯和凹面反射镜构成的光源装置及排列有多个该光源装置的光照射装置，尤其是涉及向上射出光的光源装置及光照射装置。
背景技术
以往，在半导体、液晶基板及滤色器等被处理物的制造工序中，使用输入功率大的紫外线光源。作为紫外线光源而使用的是在封入有水银蒸气或稀有气体的管球内使电极间发生电弧放电的类型的高压放电灯。
最近，由于处理速度的缩短化或处理面积的大型化等，要求消耗功率为几kW至几十kW的高输出的灯，伴随与此，取代一根大型灯而使用排列有多个使用了小型的放电灯的光源装置的光照射装置。
此种使用目的通常用于作为投影仪装置的光源而使用的小型的放电灯。专利文献1(日本特开2007-5588号公报)是其一例。
图4(A)、(B)表示该现有技术，(A)是局部横剖视图，(B)是该装置主视图。如(B)所示，光照射装置20将多个光源装置21沿纵向和横向排列而形成。各光源装置21由封入有例如0.08mg/mm3以上的水银的放电灯22和装入有该放电灯22的凹面反射镜23构成，且配置成所述放电灯22的中心轴与凹面反射镜23的光轴一致。
如图4(A)所示，而且如该文献1的第0026段记载所示，该光源装置21配置成使放电灯22及凹面反射镜23朝向水平方向，且来自该凹面反射镜23的光沿水平方向放射。
并且，该光源装置及光照射装置通过主要将波长300nm～400nm的光向被处理物照射而提高放射强度，进行半导体的制造工序或液晶显示基板的制造工序中的曝光处理。
图5表示使用了该光照射装置20的曝光装置的一例。
来自光照射装置20的放射光经由积分仪25通过折返镜26折返，经由掩模27向掩模台28上的工件W照射。
然而，在所述的使用大型的放电灯的光照射装置中，由于灯大型化，因此在与曝光装置组合时，主要考虑到处理的便利性，而多采用将放电灯配置在装置的下方，并从反射镜向上射出光的结构。
因此，将排列有多个由专利文献1所示的小型的放电灯和凹面反射镜构成的光源装置的光照射装置代替作为上述的以往的曝光装置的光照射装置时，需要形成为将光源装置的凹面反射镜向上配置而向上方射出光的结构，作为必然的结果而放电灯也成为沿垂直方向配置。
如此，将放电灯从水平点灯变更成垂直点灯，且反射镜也以向上方射出光的方式朝上方配置开口部时，放电灯的周围的热的状态变化，因此为了维持波长300nm～400nm的输出而需要调整灯。
然而，在专利文献2(日本特开2003-347071号公报)中提出有将放电灯形成为垂直点灯时，为了使一对上下电极的温度彼此一致，而变更交流点灯的负荷比的情况。
然而，在该现有技术中，虽然灯垂直配置，但反射镜水平配置，而来自反射镜的光也沿水平方向射出。
此种配置不适用作为上述以往存在的曝光装置的光照射装置用的替代光源装置，而需求一种作为本发明的对象的图2所示的排列有多个凹面反射镜的开口部也位于上方并使灯的中心轴与反射镜的光轴一致而向上方射出光的光源装置的光照射装置。
然而，形成为图2所示的光照射装置时，可知作为光源装置，形成为以往的水平点灯方式或专利文献2那样的灯垂直且反射镜水平配置的点灯方式时会产生不同的新的问题点。
即，在图6所示的光源装置中，在放电灯30的发光部31内，在电弧产生的热量的影响下产生对流32，高温气体沿上侧电极33上升，向发光部的上方输送。该对流32在管壁附近下降，从发光部的中央附近朝向电弧方向。由于此种对流，发光部31的上半部31a成为高温。
另一方面，在发光部31的下部几乎没有对流，因此与发光部上部相比，能够形成低温且稳定的状态。因此，发光部31的下半部31b比上半部31a低温，在该下半部31b中，能够形成水银原子的浓状态。
处于灯内部的电弧周围的水银原子处于基态，因此吸收由发光部的中心放射出的波长254nm的光。通过使该吸收域变宽，而光强度在短波长侧(波长300nm～330nm)下降。并且，当水银原子处于浓状态时，会产生该水银进行的吸收更大且来自灯的光强度下降的不良情况。
并且，在由放电灯30和凹面反射镜35构成的此种光源装置中，由于主要对从发光部31的接近反射镜35的部分即从下半部31b放射出的光进行反射而利用，因此如上所述，该下半部31b的光吸收大的情况原封不动地与来自光源装置的光强度的下降直接相关，问题大。
图7是示出将放电灯的轴向与反射镜的光轴一致的光源装置以使反射镜的开口部向上的方式形成为垂直点灯时(以下简称为垂直点灯)和以反射镜的开口部朝向水平方向的方式形成为水平点灯时(以下简称为水平点灯)的波长300nm～500nm的光强度分布的图表。
从上述图表可知，在形成为垂直点灯时(虚线表示)，与形成为水平点灯时(实线表示)相比，尤其是在短波长侧(波长300nm～330nm)，光强度下降。作为其理由，考虑为如上所述由于凹面反射镜主要对从放电灯的发光部的下半部放射出的光进行反射而利用，因此在垂直点灯中，从该发光部的下半部放射的光强度下降。
专利文献1：日本特开2007-5588号公报
专利文献2：日本特开2003-347071号公报
发明内容
本发明鉴于上述现有技术的问题点，提供一种光源装置及光照射装置，在由在放电容器的内部相对向配置有一对电极、并且封入有0.08～0.26mg/mm3的水银且被交流驱动的放电灯和装入有该放电灯的凹面反射镜构成，并且所述放电灯的中心轴与凹面反射镜的光轴被配置成一致的光源装置及将该光源装置排列多个而成的光照射装置中，在以从凹面反射镜朝上方射出光的方式配置的结构中，来自发光部的下半部的光射出强度不会降低而能够有效地射出光。
为了解决上述课题，本发明的光源装置的特征在于，所述凹面反射镜的开口部朝向上方配置，所述一对电极的下侧电极进行阳极动作的时间比上侧电极进行阳极动作的时间长。
另外，其特征在于，所述下侧电极进行阳极动作的时间与所述上侧电极进行阳极动作的时间的比，即负荷比为60∶40～70∶30。
此外，其特征在于，从所述凹面反射镜的开口部的中央吸入冷却空气，从凹面反射镜的下端排出冷却空气。
发明效果
根据本发明，在凹面反射镜朝上方配置的光源装置中，由于放电灯的下侧电极进行阳极动作的时间比上侧电极长，因此该下侧电极的温度比上侧电极高，所述放电灯的发光部的下半部被加热，因此能够起到防止该下半部内的水银原子的浓度升高，该部分的短波长侧的紫外线的吸收减少，且能够抑制从此发出的光输出强度降低的效果。
另外，通过使下侧电极的阳极动作与上侧电极的阳极动作的负荷比(duty ratio)为60∶40～70∶30，能得到与水平点灯时同等或其以上的光强度。
此外，通过从凹面反射镜的开口部中央吸入冷却空气并从凹面反射镜的下端排出，能够对发光部的上半部进行冷却而使温度下降，并使下半部的温度相对上升，因此能得到光强度的进一步的改善。
附图说明
图1是本发明的光源装置的剖视图。
图2是将本发明的光源装置排列多个的光照射装置的说明图。
图3是说明本发明的效果的图表。
图4是以往的光照射装置的说明图。
图5是装入有以往的光照射装置的曝光装置的说明图。
图6是垂直点灯光源装置的说明图。
图7是垂直点灯方式与水平点灯方式的比较图表。
具体实施方式
图1表示本发明的光源装置1，由放电灯2和包围该放电灯2的凹面反射镜3构成，所述放电灯2的中心轴与凹面反射镜3的光轴一致。在该例中，放电灯2的一方的密封部2a经由灯头4通过粘结剂固定在反射镜3上。
该光源装置1以使放电灯2和反射镜3大致朝向垂直上方的方式将开口部5朝向上方配置，向上方放射光。
并且，在凹面反射镜3的上方开口部5的前表面玻璃6的中心设置有冷却空气导入口7，另一方面，在凹面反射镜3的下端的灯头4朝向侧面形成有冷却空气排出口8，冷却空气从凹面反射镜3的前表面导入到反射镜3内，对灯2进行冷却而从下端的灯头4的冷却空气排出口8排出。
在放电灯2的发光部封入有水银、稀有气体、卤素气体。用于改善电灯起动性的稀有气体例如封入有约13kPa的氩气。卤素气体的碘、溴、氯等以与水银之外的金属的化合物的形态被封入，其封入量从1×10-6～1×10-2μmol/mm3的范围选择。
水银被水银原子的吸收产生的光谱的形状限定，但由于水银吸收发光部的中心放射的波长254nm的光，因此利用波长300nm～330nm附近的紫外线时，必须考虑封入到发光部的水银量。
另外，封入到发光部的水银量少时，放电灯的阻抗减小，因此在电极间流动的电流值增大。电流值增大时，由于作用于电极的负载增大，因此电极提前损耗。因此，封入到放电灯的水银密度为0.08mg/mm3以上。
在封入有0.08mg/mm3以上的水银的放电灯中，在发光部的中心发光的波长254nm的光全部被吸收而成为向外部放射的发光全部看不见的状态。被封入到发光部的水银密度进一步增加时，水银的吸收波长域变宽。在水银密度为0.20mg/mm3左右时，水银进行的吸收从波长254nm变宽到300nm附近。进一步使水银密度为0.30mg/mm3左右时，波长313nm的发光线被吸收，波长300～330nm的光输出大幅度降低。
使水银封入量变化时，评价相对于在波长320nm的光具有主感度的PS用抗蚀剂照射一秒紫外线时的硬化状态的结果为表1。
<表1>
  水银密度(mg/mm3)   0.16   0.18   0.20   0.26   0.30
  波长300～330nm的光强度(mW/cm2)   24.5   22.6   20.8   15.2   11.5
  硬化状态   5   5   4   3   2
硬化状态如下所述进行评价。
[1]未硬化状态
[2]硬化的部分与未硬化的部分混杂的状态
[3]实用上没有问题的最低限度的水平的硬化状态
[4]虽然超过实用上没有问题的最低水平的硬化状态但未达到最高水平的硬化状态
[5]最高水平的硬化状态
从上述评价结果可知，水银密度在0.26mg/mm3以下时，能够形成硬化状态事实上没有问题的最低限度的水平的硬化，水银密度在0.18mg/mm3以下时，能得到最高水平的硬化状态。由此，水银密度需要为0.08mg/mm3～0.26mg/mm3，尤其是优选0.08mg/mm3～0.18mg/mm3。
放电灯2被从未图示的点灯装置供给交流驱动电流而点灯。在交流驱动中，寿命比直流驱动长，能够实现照度高的放电灯。使用负荷比表示发光部内的一对电极间的极性反转的时机。具体来说，将负荷比表示为“施加下侧电极作为阳电极的时间”：“施加上侧电极作为阳电极的时间”。
电极具有在成为阳极动作时被供给电流而温度上升的性质。因此，通过使下侧电极进行阳极动作的时间长于上侧电极进行阳极动作的时间，而下侧电极的温度上升，且能够提高发光部的下半部的温度。
如此，通过发光部内部的对流而相对提高温度变低的发光部的下半部的温度，消除水银原子浓的状态，而减小水银导致的短波长侧(波长300nm～330nm)的吸收的影响，能够提高该短波长侧(波长300nm～330nm)的紫外线强度。
另外，即使在凹面反射镜3的内部使冷却空气流通而积极地对放电灯2进行冷却，也能够冷却发光部的上半部而使温度下降，并使发光部的下半部的温度相对上升。
从前表面玻璃6的冷却空气导入口7流入到凹面反射镜3内部的冷却空气通过放电灯2的发光部的侧面而沿下侧密封部2a流通，并经由安装在凹面反射镜3下端的灯头4的冷却空气排出口8向凹面反射镜3外排出。在该冷却空气的作用下，尤其是放电灯2的发光部的上半部被冷却，下半部的温度相对上升。
如图2所示，沿纵横方向排列并配置多个上述的光源装置1，构成使来自该光源装置的光朝上方射出的光照射装置10，作为以往的一个大型灯进行的光照射装置的有效的替代装置发挥作用，能够形成半导体装置的制造工序或液晶显示基板的制造工序中的用于进行曝光处理的放射强度高的光源。
表示上述光源装置的一个数值例时，如下所示。
灯输入275W、电极间距离1mm、灯泡外形φ12mm、封入水银密度0.17mg/mm3、氩13kPa、封入有适量的卤素，AC点灯、驱动频率300Hz、凹面反射镜的外径65mm×70mm、装置整体冷却空气量4.5m3/min、前表面玻璃使用厚度3mm的石英玻璃且在中心部分开设有φ8mm的冷却空气导入口。
对由上述数值例的规格构成的光源装置进行了实验。以负荷比50∶50且进行水平点灯时的光强度为比较基准，对于进行垂直点灯的情况，改变负荷比和冷却条件时的实验结果如下面的表2所示。使用关于各波长域的累计光量进行比较。
<表2>
Figure BSA00000416760900091
此外，在上述表2中，关于水平点灯(负荷比50∶50)、垂直点灯(负荷比50∶50)、垂直点灯(负荷比60∶40)，波长300～330nm的光谱分布如图3所示。
由上述表2及图3可知，下侧电极进行阳极动作的时间与上侧电极进行阳极动作的时间的比即负荷比为60∶40以上时，能得到与水平点灯同等或其以上的光强度。
此外，在负荷比60∶40的条件下，能够使用2000h(照度维持率70％)的灯在负荷比70∶30的灯下经过800h照度维持率为70％，在负荷比80∶20下经过120h照度维持率下降到70％。照度下降的主要原因是阳极循环时间变长的下侧电极的过热，下侧电极前端熔融而极间变长，光的集光性下降。因此，可能有灯的电极设计的影响，但实际上能够使用的负荷比达到70∶30左右。
另外，从上述表2的结果可知，与虽然垂直点灯但导入冷却空气而冷却放电灯、在水平点灯下未冷却的放电灯相比，提高了波长300～330nm及波长330nm～400nm的光强度。
该理由考虑为即使水平点灯也通过对流使发光部的下侧的温度下降，且形成水银的浓度高的状态。在垂直点灯下通过使下侧电极进行阳极动作的时间长于上侧电极进行阳极动作的时间，而提高下侧电极的温度并使冷却空气从放电灯的上方向下方流通，从而特别冷却发光部的上半部，能够更均匀地保持发光部的内部温度分布。
此外，在上述中，垂直并非仅表示严格意义上的垂直，而是相当于上方的意思。
如上所述，在由放电灯和凹面反射镜构成的光源装置中，使凹面反射镜的开口部朝上方配置而向上方放射光时，通过使下侧电极进行阳极动作的时间长于上侧电极进行阳极动作的时间，而能得到如下的效果：下侧电极的温度上升，从而充分加热发光部的下半部而减少与上半部的相对的温度差，该部分的水银原子的浓度平均化，较少地抑制紫外线的吸收而能得到充分的光强度。

Claims (5)

1.一种光源装置，由在放电容器的内部相对向配置有一对电极、并且封入有0.08～0.26mg/mm3的水银且被交流驱动的放电灯和装入有该放电灯的凹面反射镜构成，所述放电灯的中心轴与凹面反射镜的光轴被配置成一致，所述光源装置的特征在于，
所述凹面反射镜的开口部朝向上方配置，
所述一对电极的下侧电极进行阳极动作的时间比上侧电极进行阳极动作的时间长。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
所述下侧电极进行阳极动作的时间与所述上侧电极进行阳极动作的时间的比为60∶40～70∶30。
3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
封入到所述放电容器中的水银密度为0.08～0.18mg/mm3。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光源装置，其特征在于，
从所述凹面反射镜的开口部的中央吸入冷却空气，从凹面反射镜的下端排出冷却空气。
5.一种光照射装置，其特征在于，
并列配置有多个所述权利要求1～4中任一项所述的光源装置。
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