JP2002251979A

JP2002251979A - ショートアーク型放電灯

Info

Publication number: JP2002251979A
Application number: JP2001048286A
Authority: JP
Inventors: Izumi Serizawa; 和泉芹澤; Masaaki Miyazawa; 正明宮澤; Akiyoshi Fujimori; 昭芳藤森
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-06
Also published as: TW529056B; US20020163307A1; EP1235254A3; US6657390B2; EP1235254A2; KR20020069095A

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩＣの露光装置等に使用されるショートアー
ク型放電灯の長寿命化を図るために、高発光効率かつ良
好な照度安定性を実現すること。【解決手段】発光管１の内部21に水銀と希ガスを封入
し、この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比較的高分子量の希ガスに、ヘリ
ウムまたはネオン等の比較的低分子量の希ガスを体積比
で５％〜４０％混合し、圧力を常温で約２気圧以上にす
る。また、陽極３は、円柱状の胴体部14と、テーパ部13
と、先端平坦部12とにより構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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高安定度、
かつ長寿命のショートアーク型放電灯に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ製造工程には、種々の技術を必要と
する。その1つが、露光技術である。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（サブストレート）上に希望するパターンを形成す
る。斯かる電子デバイスの製造工程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】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。従来のショートアーク
型放電灯では、長寿命化の方法として、電極等の放電灯
を構成する部品または部材の形状や種々の処理により照
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露光面での照度を高める
ことにより実質的に使用可能時間を延長させることが行
われている。

【０００４】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（ＬＣＤ）やプリント回路基板
（ＰＣＢ）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、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、点灯中の放電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。
これは、一方で電極の消耗を抑え、照度維持率の低下を
抑制する効果があることが知られている。

【０００５】また、露光装置においては、放射したｉ線
の一部を、露光のみならず露光時の焦点調整にも使用さ
れる。そのために、高い照度安定性が求められる。ま
た、最近では、露光波長のさらに短い光源であるエキシ
マレーザ等との併用をする。これにより、半導体サブス
トレート上を走査しながら露光する技術が有効になり、
より高い照度安定性が要求されるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した露光装置用光
源の長寿命化の要求に十分に応えることができなかっ
た。そこで、本発明の目的は、上述の要求に対応して、
発光効率が高く、照度安定性の良いショートアーク型放
電灯を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を克服し、
かつ上述の目的を達成するために、本発明のショートア
ーク型放電灯によると、内部に陰極および陽極を対向し
て配置する発光管の内部に水銀と希ガスが封入され、こ
の封入される希ガスとして、キセノン（Ｘｅ）、クリプ
トン（Ｋｒ）またはアルゴン（Ａｒ）等の高分子量の希
ガスと、体積比で５％〜４０％のヘリウム（Ｈｅ）また
はネオン（Ｎｅ）等の低分子量の希ガスを混合したガス
を使用し、これら混合された希ガスの常温における圧力
を２気圧以上とする。

【０００８】また、陽極は、略円柱状の胴体部と、テー
パ部と、先端平坦部とにより構成される。陽極の電流密
度が、１ｍｍ²当たり０.３Ａとなる陽極先端からの距離
Ｌ（ｍｍ）は、放電電流をＩ（Ａ）とすると、０.０５
Ｉ＜Ｌ＜０.０８Ｉとする。この陽極の先端平坦部は、
陰極と陽極の間隔の２倍以下の直径とする。また、陽極
の電流密度は、１ｍｍ²当たり３.５Ａ以下とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるショートアー
ク型放電灯の好適な実施形態の構成および動作を、添付
図を参照して詳細に説明する。

【００１０】先ず、図１は、本発明によるショートアー
ク型放電灯の好適な実施形態の断面図を示す。図１に示
すショートアーク型放電灯20は、発光管１、陰極２、陽
極３、これら電極２、３の内部リード棒４、５、発光管
1の封止部６、７、外部リード棒10、11および内部リー
ド棒４、５を夫々外部リード棒10、11に接続する金属箔
８、９により構成される。そして、発光管１の内部空間
21には、水銀と希ガスが封入されている。

【００１１】図２は、図１に示すショートアーク型放電
灯20の陽極３の拡大図である。図２に示すように、この
陽極３は、陰極２と対向する先端平坦部12、面取りされ
た円錐部、即ちテーパ部13および略円柱状の胴体部14に
より構成される。

【００１２】次に、図１および図２を参照して、本発明
のショートアーク型放電灯の詳細仕様を説明する。発光
管１は、例えば外径７０ｍｍの石英ガラス等の光透過性
ガラス製である。陰極２は、例えば重量比約２％のトリ
アを含むタングステン製であり、その直径は、約１０ｍ
ｍである。陽極３と対向する先端は、鋭角に形成され、
陽極３の先端平坦部12と約４.５ｍｍの間隔で対向す
る。一方、陽極３は、直径が約７ｍｍであり、１ｍｍ²
当たり約０.３Ａの電流密度である平坦部12および直径
が約２５ｍｍの胴体部14を有する。陽極３の電流密度
が、１ｍｍ²当たり０.３Ａとなる陽極３の先端平坦部12
からの距離Ｌ（ｍｍ）は、約３.５ｍｍである。また、
発光管１の内部21には、１ｃｃ当たり約４.５ｍｇの水
銀が封入されている。

【００１３】先ず、発光管１の内部21に封入されている
高圧の希ガスによる照度向上を確認するための予備実験
の結果を説明する。水銀を４.５ｍｇ/ｃｃ封入し、希ガ
スとして、キセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ），ア
ルゴン（Ａｒ）等の比較的高分子量の希ガスを封入し
た。それぞれ常温での封入圧力を変化させた放電灯を全
部で１８種類製造した。そして、ＩＣ露光装置の露光面
での照度と照度安定性を比較した。これらの放電灯は、
全て２５００Ｗで点灯した。この場合の放電灯の放電電
流は、１００Ａであった。この実験結果を表１に示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】この表１から明らかなように、封入希ガス
Ｘｅ、ＫｒおよびＡｒにつき、それぞれ封入圧力を１.
０、２.０、４.０、７.０、１０.０および１３.０気圧
で実験した。各封入圧力につきそれぞれ５回の照度測定
を行い、これら測定値の平均値を放電灯の照度とした。
これら５回の照度測定の照度差は、０.０２であったの
で、少なくとも０.０２以上の照度向上となる希ガスの
封入圧力は、２.０気圧以上であるといえる。また、照
度安定性は、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とす
る。さらに、この測定を５回行った平均値であり、封入
圧力を増加すると照度安定性が低下することも確認され
た。

【００１６】次に、本発明に関するショートアーク型放
電灯の、発光管１の内部空間21に封入する希ガスの混合
実験について説明する。水銀を４.５ｍｇ/ｃｃ封入し、
希ガスとしてＸｅ、ＫｒおよびＡｒをそれぞれ２気圧と
７気圧封入し、比較的低分子量の希ガスであるネオン
（Ｎｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）を体積比５％乃至４０％混
合させた放電灯を全部で２８種類製造し、ＩＣ露光装置
の露光面での照度と照度安定性を比較した。この実験結
果を表２に示す。照度安定性は、５回の測定値の平均で
あり、その幅として０.２程度を有するので、それ以上
の低下で優位性が明確になる。ここでは、ＮｅまたはＨ
ｅを封入した全ての放電灯において優位性が示された。
また、照度の低下も見られなかった。

【００１７】

【表２】

【００１８】なお、複数の希ガスの常温での封入圧力が
２気圧以上の場合、ＮｅおよびＨｅをその他の希ガスに
対して体積比で４０％以上にすることは、封入方法の問
題から、安定した割合で封入することができなっかっ
た。従って、ＮｅまたはＨｅをＸｅ、ＫｒまたはＡｒに
混合させて封入し、照度を向上させ、かつ照度安定性を
向上させるためには、複数の希ガスの常温での封入圧力
が２気圧以上でＮｅまたはＨｅのＸｅ、ＫｒまたはＡｒ
に対する体積比が５％乃至４０％であるとき有効である
ことが確認できた。これは、比較的低分子量のＮｅおよ
びＨｅの熱伝導率が、混合されるほうの希ガスであるＸ
ｅ、ＫｒまたはＡｒよりも高いことによるものである。
このことから、ＮｅおよびＨｅの両方の希ガスを混合し
たガスを封入した場合でも同様の効果が得られることが
明らかである。また、混合される方の希ガスであるＸ
ｅ、ＫｒおよびＡｒを混合した場合にも同様の効果が得
られることが明らかである。

【００１９】次に、陽極３の電流密度と放電灯の寿命に
関する実験について説明する。電流密度は、放電電流を
陽極３の断面積で除した値である。寿命は、初期の照度
を１００％とし、１５００時間連続点灯後の照度を照度
維持率として比較した。ここで、陽極３の形状は、図２
に示すとおりであるが、陽極３の先端平坦部12から円柱
状胴体部14へ向かう距離Ｌ（ｍｍ）をパラメータとして
３ｍｍ〜１０ｍｍへ、１ｍｍ単位で変化させて実験し
た。

【００２０】先ず、水銀を４.５ｍｇ/ｃｃ封入し、希ガ
スとして体積比で１０％のＮｅを含むＡｒを常温で７気
圧封入し、陽極３の先端平坦部12の直径を７ｍｍとした
放電灯について、上述した陽極３の先端平坦部12から円
柱状胴体部14へ向かう距離Ｌ（ｍｍ）をパラメータとし
て８種類の放電灯を用意し、照度および照度維持率を実
験により求めた。放電灯20のその他の仕様は、上述と同
じである。これらの実験結果を表３に示す。

【００２１】

【表３】

【００２２】陽極３の先端平坦部12から胴体部14へ向か
う距離Ｌが４ｍｍ以下になると、照度の低下が見られ
た。これは、陽極３自身が発光を遮るので、結果的に照
度を低下させるためであると考えられる。また、陽極３
の先端平坦部12から円柱状胴体部14へ向かう距離Ｌが９
ｍｍ以上の場合には、照度維持率の低下が見られた。こ
れは、陽極３の先端平坦部12における電流密度が高く、
陽極３の先端部の温度が高いため、放電による電子およ
びイオンの衝突発熱による陽極先端の消耗が促進される
ためであると考えられる。照度維持率の実験を行ったこ
れらの放電灯を観察した結果、陽極先端にクレータ状の
深い穴が観察された。

【００２３】次に、水銀を４.５ｍｇ/ｃｃ封入し、希ガ
スとして体積比で１０％のＮｅを含むＡｒを常温で７気
圧封入し、陽極３の電流密度が１ｍｍ²当たり０.３Ａと
なる陽極３の先端平坦部12から円柱状胴体部14へ向かう
距離Ｌ（ｍｍ）を５ｍｍおよび８ｍｍとし、陽極３の先
端平坦部12の直径をパラメータとしと１６種類の放電灯
を製造して照度と照度維持率を比較した。放電灯のその
他の仕様は上述と同じである。この実験結果を表４に示
す。

【００２４】

【表４】

【００２５】上述した陽極３の先端平坦部12から電流密
度が１ｍｍ²当たり０.３Ａとなる距離Ｌ（ｍｍ）が、５
ｍｍおよび８ｍｍのいずれの場合にも、陽極３の先端平
坦部12の直径が１０ｍｍ以上では、照度が明らかに低下
した。これは、上述の場合と同様に、陽極３自身が発光
を遮るために結果的に照度が低下するものと考えられ
る。この放電灯では、陰極２と陽極３との距離(間隔)が
４.５ｍｍであるので、この距離の２倍以上の直径で
は、この問題が発生することを示している。また、陽極
３の先端平坦部12の直径が５.５ｍｍ以下では、照度維
持率の低下が見られた。これも、上述の場合と同様に、
陽極３の先端部の温度が高いために、放電による電子お
よびイオンの衝突発熱で陽極３の消耗が促進されたため
と考えられる。照度維持率の実験を終了した各放電灯の
サンプルを観察したところ、この放電灯も陽極先端に深
いクレータが形成されていた。

【００２６】従って、これら放電灯において、十分な寿
命を得るには、放電電流をＩ（Ａ）とするとき、陽極３
の電流密度が１ｍｍ²当たり０.３Ａとなる陽極３の先端
平坦部12から円柱状胴体部14への距離Ｌ（ｍｍ）が、
０.０５Ｉから０.０８Ｉであり、陽極３の先端平坦部12
の平均電流密度が１ｍｍ²当たり３.５Ａ以下となる面積
で、陰極２と陽極３間の間隔の２倍以下の直径を有する
のが有効であることを示している。

【００２７】以上、本発明によるショートアーク型放電
灯の好適な実施形態を詳細に説明した。しかし、本発明
は、斯かる特定の実施形態のみに限定されるべきではな
く、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が
可能であること、当業者には容易に理解できよう。

【００２８】

【発明の効果】上述の説明から理解されるように、本発
明のショートアーク型放電灯によると、放電管内に希ガ
スと水銀が封入され、この封入する希ガスとして、Ｘ
ｅ、ＫｒまたはＡｒのような比較的高分子量の希ガスま
たはこれら希ガスの混合ガスに、ＮｅまたはＨｅのよう
な比較的低分子量の希ガスを体積比で５％〜４０％混合
する。そしてこれらの混合希ガスの常温における圧力を
２気圧以上にする。その結果、照度および照度維持率を
改善することができるという効果が得られる。

【００２９】また、このショートアーク型放電灯の放電
電流をＩ（Ａ）とし、陽極３の先端平坦部12から円柱状
の胴体部14へ向かい電流密度が１ｍｍ²当たり０.３Ａと
なる距離Ｌ（ｍｍ）は、次式で与えられる範囲０.０５Ｉ＜Ｌ＜０.０８Ｉであり、陽極の先端平坦部が陰極と陽極間の距離の２倍
以下の直径、かつ電流密度が１ｍｍ²当たり３.５Ａ以上
となる面積とすることで、光源の長寿命の要求に応える
高発光効率且つ照度安定性の良好なショートアーク型放
電灯を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるショートアーク型放電灯の好適実
施形態の構成を示す断面図、

【図２】図１のショートアーク型放電灯において使用す
る陽極の拡大図である。

【符号の説明】

１発光管２陰極３陽極 12 陽極先端の平坦部 13 テーパ部 14 陽極の胴体部 20 ショートアーク型放電灯 21 放電空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤森昭芳東京都調布市調布ケ丘３丁目34番１号株式会社オーク製作所内Ｆターム(参考） 5C015 JJ04 JJ06 PP01 PP02 PP03 PP04 PP05 PP06 5C039 HH02 HH07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光管内に陰極および陽極を対向して配
置し、前記発光管内の空間に水銀と希ガスを封入したシ
ョートアーク型放電灯において、前記希ガスとして高分子量の希ガスに体積比で約５％〜
約４０％の低分子量の希ガスを混合し、これら混合ガス
の常温における圧力を２気圧以上としたことを特徴とす
るショートアーク型放電灯。
【請求項２】前記高分子量の希ガスとして、キセノ
ン、クリプトンまたはアルゴンまたはこれらの混合ガス
を使用す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。
【請求項４】前記陽極は、略円柱状の胴体部と、該胴
体部の前記陰極側のテーパ部と、該テーパ部の前端の平
坦部とを有す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５】前記陽極の電流密度が１ｍｍ²当たり０.
３Ａとなる前記陽極先端からの距離Ｌ（ｍｍ）は、放電
電流をＩ（Ａ）とするとき、０.０５Ｉ＜Ｌ＜０.０８Ｉ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６】前記陽極の先端平坦部の直径が、前記陰
極と陽極間の距離の２倍以下であることを特徴とする請
求項５に記載のショートアーク型放電灯。
【請求項７】前記陽極の先端平坦部の面積は、電流密
度が１ｍｍ²当たり３.５Ａ以下とすることを特徴とする
請求項４、５または６に記載のショートアーク型放電
灯。