JP2005056692A - ショートアーク型水銀蒸気放電ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 ２５０ｎｍ以下の紫外線の放射を除去し、３６５ｎｍの紫外線を高い効率で放射し、石英ガラスバルブの劣化を抑えることで、放射照度維持率が高く寿命の長いショートアーク型水銀蒸気放電ランプを提供すること。
【解決手段】 酸化チタニウムがドープされた石英ガラスバルブの中に、陽極と陰極が対向配置され、希ガスと水銀が封入され、希ガスはクリプトン・アルゴン・ネオン・ヘリウムの中から少なくとも一種以上が選ばれ２５℃換算で１×１０^５Ｐａ以上封入され、水銀がバルブ内容積の単位体積当り０．２mg／cm^３から１０mg／cm^３の範囲で封入され、陽極の最大直径をＤ（cm）、その長さをＬ（cm）、バルブ略球形部の最大直径の半分をＲ（cm）とするとき、０．２４≦（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２≦１．３４であり、バルブ肉厚方向のチタニウムの平均濃度をＮ（wtppm）とするとき、５≦Ｎ≦６０であるショートアーク型水銀蒸気放電ランプとする。
【選択図】 図1

Description

この発明はショートアーク型金属水銀蒸気放電ランプであって、特に、波長３６５nmの紫外線照射に用いられるショートアーク型水銀蒸気放電ランプに関する。

半導体製造のフォトリソグラフィー工程(以下、露光工程と呼ぶ)では、その光源にショートアーク型水銀蒸気放電ランプが使用され、該ランプから放射される波長３６５nmの紫外線が利用されている。この露光工程では、近時、単位時間当りの処理能力を高める為に、より多量の紫外線が要求されてきている。この要求に応える為に、ランプへの入力を高めたり、バッファガスとしてキセノンガス（Ｘｅ）でなはく、クリプトンガス（Ｋｒ）やアルゴンガス（Ａｒ）に置き換えて室温換算で数十万Ｐａ封入することで放射効率を高めたりして、ランプからの波長３６５nmの放射量の増大を図っている。

他方、これらの希ガスは、当然アーク放電の下で、共鳴線やエキシマ光の真空紫外光を発生し、それらの一光子当りのエネルギーはＸｅ＜Ｋｒ＜Ａｒ＜Ｎｅ（ネオン）＜Ｈｅ（ヘリウム）の順序で高くなる。今、その真空紫外光の元では、バルブ材の石英ガラスの温度が高くなると、石英ガラスバルブの劣化が見られる。石英ガラスバルブの劣化を防ぐ為に、ＯＨ基を含んだ石英ガラスが使用されている。石英ガラスバルブの温度が、石英ガラスバルブの劣化速度に大きく影響していることが伺える。

特許文献１には本願のショートアーク型水銀蒸気放電ランプに相当する紫外線ランプに、アルゴン、クリプトン、キセノンの内少なくとも１種類の希ガスが３００Ｋ換算で全圧で０．１×１０^５Ｐａ以上封入され、放電容器の表面から２００μｍまでの深さのＯＨ基濃度を規定する技術が開示されている。

ショートアーク型水銀蒸気放電ランプのアーク放電からは波長２５０nm以下の紫外線も放射しており、それらの光は露光装置の光学部品に損傷を与えたり、装置の腐食を引き起こす原因となっている。この波長２５０nm以下の紫外光を遮光する為に、しばしば、石英ガラスバルブに紫外線吸収剤である酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）がドープされる。たとえば、特許文献２には酸化チタニウムがドープされた石英ガラスから製造された放電管を使用したショートアーク型水銀蒸気放電ランプが示されている。通常、ドープする酸化チタニウムの重量濃度はチタニウム（Ｔｉ）で換算して１００wtppmである。しかし、この様な酸化チタニウムをドープした石英ガラスをバルブに使用すると、その石英ガラスバルブの劣化が加速される。これは、紫外線吸収によるガラスの温度上昇に起因するものと考えられる。

また、石英ガラスバルブの温度上昇への影響として、陽極からの熱放射がある。陽極の直径を大きくしたり、長くすることで陽極先端の温度を下げ、石英ガラスバルブの黒化を防いでいる。しかし、陽極を大きくすることで先端の温度は下がるが、陽極胴部の温度は逆に上がり、陽極からの熱放射量は増大する結果となる。これは、石英ガラスバルブが吸収する赤外域の放射も増大しており、結果として石英ガラスバルブの温度上昇を招く原因となるものと考えられる。
特許第２８９１９９７号公報 特開平８−９６７５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、波長２５０ｎｍ以下の紫外線の放射を除去し、水銀の波長３６５ｎｍの紫外線を高い効率で放射し、石英ガラスバルブの劣化を抑えることで、放射照度維持率が高い、ランプ寿命の長いショートアーク型水銀ランプを提供することである。

陽極からの熱放射と石英ガラスバルブ表面積との関係が、バルブの曇り発生とその抑制に及ぼす機構について考える。陽極の作用を考える時、簡単のために陽極の温度をT_０で一定とする。陽極表面からの熱放射エネルギーEは、Stefan-Boltzmannの式に基いて、
E＝SεσT_０ ^４で与えられる。ここで、Ｓは陽極の表面積、εは放射率、σはStefan-Boltzmann定数で５．６７×１０^−８W／m^２／K^４である。この式より、陽極からの放射エネルギーはその表面積に比例する。陽極からの熱放射エネルギーが石英ガラスバルブに当るとき、その石英ガラスバルブが受ける単位表面積当りの熱放射エネルギーの割合は石英ガラスバルブの表面積で割れば求められる。陽極表面の放射率が高くなれば、陽極表面からの放射エネルギーも増大する。したがって、石英ガラスバルブへ当るエネルギーも高くなる。

一方、石英ガラスバルブ部材には、波長２５０ｎｍ以下の光を遮光するため、チタニウム（Ｔｉ）がドープされている。このチタニウムがドープされた石英ガラスは、ランプ点灯中にアークからの真空紫外光を浴びる。そして、この真空紫外光が、チタニウム酸素‐珪素の連鎖を切断してしまうことで、石英ガラスの劣化を引き起こしていると想像される。

ここで、陽極からの熱放射エネルギーが増えて、石英ガラスバルブの温度が高くなると、当然、この反応速度は、加速度的に増大すると考えられる。一方この曇りを抑制するものとしてＯＨ基が存在すると、連鎖が切断された後の不飽和結合にそれが結合して、劣化を緩和させるものと推測している。

ところで、本発明者らは、上述した希ガスを含むショートアーク型水銀放電ランプにおいて、石英ガラスバルブの温度に影響を与える因子として種々検討を重ね、石英ガラスバルブにドープされる酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）の濃度、バルブの大きさ、陽極の大きさが重要な因子であり、それらの間に相関があることを初めて見出して本発明を完成したのである。

酸化チタニウムがドープされた略球形状の透明石英ガラスバルブの中に、陽極と陰極が対向して配置され、希ガスと水銀が封入され、封入される希ガスとしてはクリプトンまたはアルゴンまたはネオンまたはヘリウムの中から少なくとも一種以上の希ガスが選ばれ、それらの希ガスが２５℃換算で１×１０^５Ｐａ気圧以上封入され、水銀がバルブ内容積の単位体積当り０．２mg/cm^３から７mg/cm^３の範囲で封入されたショートアーク型水銀蒸気放電ランプにおいて、陽極の最大直径をＤ、その長さをＬ、バルブ略球形部の最大直径の半分をＲとするとき、０．２４≦（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２≦１．３４であって、略球形バルブの肉厚方向における酸化チタニウム(チタ二ア)の平均濃度をＮ（wtppm）とするとき ５≦Ｎ≦６０ であることを特徴とするショートアーク型水銀蒸気放電ランプとする。

また、上記に加えて、略球形バルブに５０wtppmから３００wtppmの濃度のＯＨ基を含むことを特徴とするショートアーク型水銀蒸気放電ランプとする。

尚、ここで云うチタニウムの濃度は石英ガラス中のチタニウムの重量割合であり、wtppmで表す。その測定は、蛍光X線や、試料を沸酸に溶かし、その溶液をＩＣＰ分析にかけることで行われる。

ここで、陽極表面からの熱放射がバルブに与える熱的影響を表わすパラメータとして、（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２を導入した。このパラメータを採用したのは以下の理由による。
まず、陽極表面からの熱エネルギー放射量は、前述のＥ＝ＳεσＴ_０ ^４の式より、表面積Ｓに比例することが分かる。陽極を直径Ｄ(ｃｍ)、長さＬ(ｃｍ)の略円柱状であると近似して考え、その表面積を側面積で代表させると、その側面積は、Ｄ×Ｌ×πで与えられる。つまりＳ≒Ｄ×Ｌ×πである。この電極から放射された熱エネルギーの一部は、当然バルブが受け取る。したがって、バルブを最大半径Ｒ（ｃｍ）の略球形状とすると、バルブの表面積は、４π×Ｒ^２で与えられる。今、このバルブの単位面積当りに受け取る陽極表面からの熱エネルギーは、陽極から放射されるエネルギーをバルブの全表面積で割ったものであり、Ｓ≒Ｄ×Ｌ×πとして計算すれば、
Ｄ×Ｌ×π×ε×σ×Ｔ_０ ^４／４π×Ｒ^２である。つまり、このバルブが単位面積当りに受け取る陽極表面からの熱エネルギー放射量Ｅは（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２に比例するといえるから、（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２を本発明においてパラメータとして採用したのである。この面積比に応じた量だけバルブへ熱エネルギーが流れ、バルブの温度上昇に寄与する。したがい、（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２が小さくなると、電極からの熱エネルギーのバルブ単位面積当りに受け取るエネルギーが少なく、バルブの温度上昇への影響が少ない、逆に（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２が大きくなると、電極からの熱エネルギーのバルブ単位面積当りに受け取るエネルギーが大きく、バルブ温度上昇への影響が大きくなる。

ショートアーク型水銀蒸気放電ランプからのｉ線（３６５ｎｍ）の放射について考える。水銀の封入量が０．１mg／ｃｍ^３未満であれば、必要とされるｉ線の発光強度が得られない。また１０mg／ｃｍ^３より超えると、ｉ線のスペクトル幅が広がり露光の解像度が下がる。ｉ線の放射照度の発光効率を上げる為には、ＸｅガスではなくＫｒ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｈｅの何れかのガスか又はそれらの混合ガスを用いる。効果を上げるのに必要な封入量は、それらの混合又は単一ガスが２５℃において１×１０^５Ｐａ以上必要である。1気圧未満であれば、有意な発光効率の増加が得られない。８×１０^５Ｐａより高いとｉ線のスペクトル幅が広がり過ぎてしまう。

チタニウム濃度が５wtppm未満であれば、２５０ｎｍ以下の紫外線の透過率が高くなり、多量の紫外線を透過してしまう。そのため、紫外線遮光効果が見られず、紫外線照射による光学機器への不具合を引き起こす。また、チタニウム濃度が６０wtppmを越えると、石英ガラスバルブの劣化が加速される。

酸化チタニウムがドープされた略球形状の透明石英ガラスバルブの中に、陽極と陰極が対向して配置され、希ガスと水銀が封入され、封入される希ガスはクリプトン・アルゴン・ネオン・ヘリウムの中から少なくとも一種以上の希ガスが選ばれ、それらの希ガスが２５℃換算で１×１０^５Ｐａ以上封入され、水銀がバルブ内容積の単位体積当り０．２mg／cm^３から１０mg／cm^３が封入されたランプにおいて、陽極の最大直径をＤ（cm）、その長さをＬ（cm）、バルブ略球形部の最大直径の半分をＲ（cm）とするとき、０．２４≦（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２≦１．３４であって、略球形状のバルブの肉厚方向におけるチタニウムの平均濃度をＮ（wtppm）とするとき、５≦Ｎ≦６０であるショートアーク型水銀蒸気放電ランプとすることで、波長２５０ｎｍ以下の紫外線の放射を除去し、水銀の波長３６５ｎｍの紫外線を高い効率で放射し、石英ガラスバルブの劣化を抑えることで、放射照度維持率が高い、ランプ寿命の長いショートアーク型水銀ランプを提供することができる。

また、石英ガラスバルブに５０wtppmから３００wtppmの濃度のＯＨ基を含むことで、さらに放射照度維持率の高い、ランプ寿命の長いショートアーク型水銀蒸気放電ランプを提供することができる。

本発明のショートアーク型水銀蒸気放電ランプの概略構成を図１に示す。
ショートアーク型水銀蒸気放電ランプ１０は、酸化チタニウムがドープされた略球形状の透明な石英ガラスバルブ１の中に、陽極２と陰極３が対向して配置され、希ガスと水銀が封入され、封入される希ガスとしてはクリプトンまたはアルゴンまたはネオンまたはヘリウムの中から少なくとも一種以上の希ガスが選ばれ、それらの希ガスが２５℃換算で１×１０^５Ｐａ以上封入され、水銀がバルブ内容積の単位体積当り０．２mg/cm^３から１０mg/cm^３が封入されている。記号４は封止部、記号５は口金である。図２にショートアーク型水銀蒸気放電ランプ１０の各部のパラメータを示す。石英ガラスバルブ１のバルブ球部の最大直径の半分の長さＲ（ｃｍ）、陽極２の最大直径Ｄ（ｃｍ）、陽極２の全長Ｌ（ｃｍ）である。

本発明の効果を確認するため、次の評価実験を行った。
石英ガラスバルブ１のバルブ球部の最大直径の半分の長さＲ（ｃｍ）、陽極２の最大直径Ｄ（ｃｍ）、陽極２の全長Ｌ（ｃｍ）をパラメータとするショートアーク型水銀蒸気放電ランプを１１本製作した。その各パラメータに対する（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２の値を図３の表にまとめる。

製作されたランプ番号Ａ１からＡ１１のランプに、バルブ内容積の単位体積当り５mg/cm^３の水銀と常温で３×１０^５Ｐａ相当のアルゴン（Ａｒ）を封入した。ランプの点灯に際しては、ランプ消費電力が５ｋＷとなるように点灯した。電源としては、定電力電源を用いた。

いま、ランプ番号Ａ１からＡ１１のランプに対して、ＯＨ基濃度が１０ppm未満の石英ガラスで、チタニウムのドープ量をｎ（wtppm）として表わし、（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２とバルブの白い曇り（白濁）発生の関係を調べた。バルブの白濁については目視で確認した。その結果を図３の表に示している。

この評価実験１から、酸化チタニウムがドープされた略球形状の透明石英ガラスバルブの中に、陽極と陰極が対向して配置され、アルゴンと水銀が封入され、アルゴンが２５℃換算で１×１０^５Ｐａ以上封入され、水銀がバルブ内容積の単位体積当り０．２mg／cm^３から１０mg／cm^３が封入されたランプにおいて、陽極の最大直径をＤ（cm）、その長さをＬ（cm）、バルブ略球形部の最大直径の半分をＲ（cm）とするとき、０．２４≦（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２≦１．３４であって、略球形状のバルブの肉厚方向におけるチタニウムの平均濃度をＮ（wtppm）とするとき、５≦Ｎ≦６０であると、バルブの白濁の発生が遅い、放射照度維持率が高い、ランプ寿命の長いショートアーク型水銀蒸気放電ランプとすることができることがわかった。

なお、ランプ番号Ａ６、Ａ１１についてはバルブ径が大きすぎたため、バルブ内温度が上がらず、水銀が未蒸発となり、アーク不安定を引き起こし、激しい照度変動を生じた。また、ＵＶ遮光効果については波長２５０ｎｍ以下の紫外線がバルブから放射されるか否かは、分光光度計で分光放射照度を測定することで確認した。

なお、この評価実験１では、希ガスとしてアルゴンについて実験したが、アルゴンに限らず、アルゴン・クリプトン・ネオン・ヘリウムの中から少なくとも一種以上の希ガスが選ばれ、それらの希ガスが２５℃換算で１×１０^５Ｐａ以上封入されていれば、ｉ線の高い放射効率が得られる事に加え、陽極からの熱放射がバルブへ与える影響は同じであるので、同様な効果を示すことが推測される。

他方、ランプ番号Ａ４、Ａ５、Ａ７、Ａ９、Ａ１０でも点灯５００時間から９００時間前後の点灯で、ランプに白い曇り（白濁）が発生し始めている。この白濁の発生に対する改良を加える為に、これらのランプからランプ番号Ａ４のランプを代表して選定し、ＯＨ基濃度だけを５０wtppm、１２０wtppm、３００wtppm、５００wtppmと変化させて４本のランプ（Ａ４ａ、Ａ４ｂ、Ａ４ｃ、Ａ４ｄ）を試作して、その白濁発生時間を調査した。

ここで、始めに石英ガラスバルブ内に水蒸気を混入して封止し、それを１１００℃に保った高温炉の中に長時間放置することで、石英ガラスバルブ中に多量のＯＨ基をドープした。次に、石英ガラスバルブ内を真空排気しつつ、約１１００℃の高温の雰囲気下にバルブを曝(さら)し、その曝す時間により石英ガラスバルブ中のＯＨ基濃度を制御して前記４本のランプ（Ａ４ａ、Ａ４ｂ、Ａ４ｃ、Ａ４ｄ）を製作した。

これらのＯＨ基濃度を制御された石英ガラスバルブを用いたランプでの結果は、図４の表に示すが、ＯＨ基濃度が高くなるにつれて白濁の発生する時間が１０００時間、１３００時間、１７００時間と遅くなった。すなわち、５０wtppm、１２０wtppm、３００wtppmのＯＨ基濃度にすると白濁発生までの時間は１０００時間以上となりバルブの白濁発生を抑制できることが分った。しかし、１０００wtppmでは、バルブ内面の黒化を急速に進行させ２００時間で急速な放射照度低下をもたらした。この黒化は点灯時間中バルブ中のＯＨ基がランプ内に水として放出され、それが電極と反応して、タングステンが蒸発し、その蒸発物がバルブに付着したことによるものと考えられる。

この評価実験２から、石英ガラスバルブに５０wtppmから３００wtppmの濃度のＯＨ基を含むことでバルブの白濁発生を１０００時間以上発生させないようにできることが分った。

本発明に係るショートアーク型水銀蒸気放電ランプの全体構成を示す。 本発明に係るショートアーク型水銀蒸気放電ランプの各部のパラメータを示す。 本発明の評価実験結果を表す。 本発明の評価実験結果を表す。

符号の説明

１ 石英ガラスバルブ
２ 陰極
３ 陽極
４ 封止部
５ 口金
１０ ショートアーク型水銀蒸気放電ランプ

Claims (2)

1. 酸化チタニウムがドープされた略球形状の透明石英ガラスバルブの中に、陽極と陰極が対向して配置され、希ガスと水銀が封入され、封入される希ガスとしてはクリプトンまたはアルゴンまたはネオンまたはヘリウムの中から少なくとも一種以上の希ガスが選ばれ、それらの希ガスが２５℃換算で１×１０^５Ｐａ以上封入され、水銀がバルブ内容積の単位体積当り０．２mg/cm^３から１０mg/cm^３の範囲で封入されたショートアーク型水銀蒸気放電ランプにおいて、
   陽極の最大直径をＤ（cm）、その長さをＬ（cm）、バルブ略球形部の最大直径の半分をＲ（cm）とするとき、
   ０．２４≦（Ｄ×Ｌ）／Ｒ^２≦１．３４
   であって、略球形状のバルブの肉厚方向におけるチタニウムの平均濃度をＮ（wtppm）とするとき、５≦Ｎ≦６０であることを特徴とするショートアーク型水銀蒸気放電ランプ。
2. 略球形バルブに５０wtppmから３００wtppmの濃度のＯＨ基を含むことを特徴とする請求項1に記載のショートアーク型水銀蒸気放電ランプ。
   

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