JP2009302218A

JP2009302218A - 光照射装置

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Publication number: JP2009302218A
Application number: JP2008153669A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Mori; 和之森; Shigenori Nakada; 重範仲田
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: CN101603642A; TW201017341A; JP5092914B2; KR101248274B1; KR20090129327A; TWI382283B; CN101603642B

Abstract

【課題】点灯時間に影響されることなく高い利用率と高い照度を維持できること、および、光源部のパワーを大きくしたとしても光源部とインテグレータの距離を大きくする必要がない、光照射装置を提供すること。
【解決手段】放電ランプ１と反射ミラー２とよりなる光源ユニットＮが複数個配列された光源部１０と、放電ランプ１の給電装置３０と、光源部１から放射された光が入射されるインテグレータ２０を少なくとも有し、光源部１から放射された光のインテグレータ２０に対する入射率が90％以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は光照射装置に関する。特に、半導体素子や液晶表示基板の製造用露光装置に使われる光照射装置に関する。

従来より、半導体ウエハや液晶基板の露光装置に用いられる光源には、数ｋＷから数１０ｋＷの超高圧水銀ランプが使われてきた。このランプは、信頼性が高いことから、古くから使われているが、最近は、ワークの大面積化に伴い、例えば、液晶露光用ランプなどでは２５ｋＷという大型ランプも登場している。しかし、ランプの大型化は、ランプを構成するバルブ（発光管）や電極材料の大型化に直結し、製造コストと製作工数の大幅な増加につながり、そろそろ限界に近づきつつある。
一方、ランプ大型化の対策として、例えば、特開２００４- ３６１７４６号（特許文献１）には、大型ランプ１つで光源を構成するのではなく、複数の小型ランプを並べる構成が提案されている。

上記特許文献１に開示される光照射装置は、放電ランプと反射鏡からなるユニットを、例えば３５個並べて１つの光源部を構成するものであり、当該光源部から放射された光を、インテグレータを使ってワークに照射させている。
また、インテグレータの入射面における光の入射領域を、入射面そのものの面積よりも小さく設計することで、光源からの放射光を高い利用率でワークに照射できるという技術が紹介されている。

しかしながら、一般に、放電ランプは、点灯時間の経過とともに電極先端が磨耗し、電極間距離が長くなる。従って、当初、光源からの放射光を高利用率でインテグレータに入射できたとしても、点灯時間の経過とともに、当該インテグレータに入射できない光の割合が多くなり、結果として、光の利用率が低下して、ワークにおける照度も低下してしまう。
特に、電極間距離が数ミリの放電ランプ、あるいは、多量の水銀を封入した放電ランプにあっては、点灯中の電極温度がきわめて高温になるので、電極損耗は、通常の放電ランプより顕著に発生する。さらに、点灯電力の大きい放電ランプほど電極損耗は生じやすいため、光利用率の低下や照度低下は生じやすい。

さらに、ワークが大型化したとしても、当該ワークの全表面に対して、一定量の照射エネルギーを付与しなければならない。このため、ワークの大型化にあわせて光源のパワー（ランプ電力）も大きくしなければならない。
上記特許文献１に開示される光照射装置は、光源のパワーを大きくするために、ユニット数を増加することが考えられるが、ユニット数が増加すると、光源からインテグレータへの入射角との関係で、光源の位置をインテグレータからより離れた位置に設定しなければならなくなる。すなわち、光照射装置の大型化を招いてしまう。

以上の背景をまとめると、
（イ）半導体ウエハや液晶基板の露光装置に用いられる光源として、１つの大型ランプを使うことには限界があること。
（ロ）特許文献１に開示されるように、複数の小型ランプを並べて１つの光源部を形成する方法も提案されているが、ここで使われる小型ランプは、電極損耗が激しいため、点灯時間の経過ととともに、光の利用率とワークにおける照度が低下してしまうこと。
（ハ）特許文献１に開示される光照射装置の場合、ワークの大型化に対応して、光源部のパワー（ランプ電力）を大きくすると、光源部とインテグレータの距離が大きくなってしまうこと。
特開２００４- ３６１７４６号公報特開平１１−２９７２６８号公報特開２０００−８２３２１号公報

この発明が解決しようとする課題は、複数の小型ランプにより光源部を構成する光照射装置において、
（ａ）点灯時間に影響されることなく、高い利用率と高い照度を維持できること。
（ｂ）光源部のパワーを大きくしたとしても、光源部とインテグレータの距離を大きくする必要がないこと。
をともに解決できる光照射装置を提供することである。

本発明に係る光照射装置は、水銀とハロゲンが封入された放電ランプと反射ミラーとよりなる光源ユニットが複数個配列された光源部と、放電ランプに対して電力を供給する給電装置と、光源部から放射された光が入射されるインテグレータを少なくとも有する。そして、前記給電装置は、前記放電ランプに対して交流電流を供給するとともに、前記光源部から放射された光の前記インテグレータに対する入射率が90％以下であることを特徴とする。

また、前記光源部から放射された光の前記インテグレータに対する入射率は50％以上であることを特徴とする。

また、前記放電ランプは、定格200Ｗ以上であって、電極間距離が1.0ｍｍ以上であることを特徴とする。

また、前記放電ランプは、0.08〜0.25ｍｇ／ｃｃの範囲の水銀が封入されていることを特徴とする。

また、前記放電ランプは、5×10⁻⁵〜７×10^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンが封入されていることを特徴とする。

（Ａ）本発明に係る光照射装置は、水銀とハロゲンを封入した放電ランプを交流点灯させることで、当該放電ランプの電極先端に突起を形成させ、当該突起がランプ点灯中において消耗することなく、概ね同一の距離を維持できるという性質を利用して、照度維持率の低下という問題を解決する。
（Ｂ）また、光源部から放射される光のうち、インテグレータに入射される光の割合、すなわち光の利用率を90％以下にすることで、たとえ電極間距離が増加したとしても、その影響を受けることなく高い照度維持率を達成できる。

図１は、本発明の第１の実施例の光照射装置の概略構成を示す。
光を放射する光源部１０は、複数の光源ユニットＮから構成され、各光源ユニットＮは共通の支持体３に個別に支持される。各光源ユニットＮは、ランプ１と反射ミラー２を内蔵している。支持体３は、略放物面または略楕円面に沿った緩やかな曲面形状であり、各光源ユニットＮから放射される光が、光照射領域であるインテグレータ２０の入射面において重なり合うように、支持体の周辺部に向かうにつれて、光源ユニットを徐々に傾けて支持している。インテグレータ２０は照度分布を均一にする光学素子である。図１では、光源部１０とインテグレータ２０を接近させて記載しているが、実際には、光源部１０とインテグレータ２０の距離は、図示よりも長く、また、支持体３に形成される曲面形状は、さらに緩やかである。

インテグレータ２０には、複数の光源ユニットＮからの光が重ね合わせて入射する。インテグレータ２０から出射した光は、コリメータ２１により平行光になり、マスクステージ２２に保持されたマスク２３を介してワークステージ２４上に保持された、レジスト等の感光剤が塗布された液晶基板や半導体素子といったワークＷに照射される。マスク２３にはパターンが形成されており、当該パターンがワークＷ上の感光剤に露光形成される。

各光源ユニットＮには、それぞれの放電ランプ１に電力を供給する給電装置３０が、独立して接続されている。また、各給電装置３０の制御回路は、図示しない光照射装置の装置制御部に接続され、放電ランプの点灯・消灯や、点灯時の放電ランプへの電力供給は、光源ユニットＮ毎に制御される。給電装置３０の構成及び動作および装置制御部については後述する。

図２は光源ユニットＮの拡大構造を示す。１つの光源ユニットＮは、放電ランプ１、反射ミラー２、およびそれらを取り囲む収納ケース４より構成される。なお、放電ランプ１は給電装置３０により交流点灯される。物理的メカニズムは後述するが、水銀とハロゲンを封入した放電ランプを交流点灯させると、電極先端に突起を形成できる。反射ミラー２は放電ランプ１を取り囲む凹面反射鏡であり、放電ランプ１の電極軸と反射ミラー２の光軸が一致するように配置される。反射ミラー２は例えば楕円ミラーまたは放物ミラーが使われる。収納ケース４は放電ランプ１と反射ミラー２を内蔵する下駄箱状のものであり、後方壁あるいは側壁に冷却風用開口が設けられる。

図３はランプ１の拡大図を示す。ランプ１は、いわゆる放電ランプであって、石英ガラスからなる放電容器によって形成された概略球形の発光部１０を有する。この発光部１０の中には発光空間Ｓが形成されており、空間内において同一の電極２が１ｍｍ〜２ｍｍの間隔で対向配置している。発光部１０の両端部には側管部１１が形成され、この側管部１１には、モリブデンよりなる導電用金属箔３が、例えばシュリンクシールにより気密に埋設される。金属箔３の一端には電極２の軸部２１が接合しており、また、金属箔３の他端には外部リード４が接合して外部の給電装置から給電が行なわれる。発光部１０には、水銀と、希ガスと、ハロゲンガスが封入されている。水銀は、必要な紫外光波長、例えば、波長300〜360ｎｍの放射光を得るためのもので、0.08〜0.25ｍｇ／ｍｍ^３封入されている。この封入量は、温度条件によっても異なるが、点灯時80気圧以上の高い蒸気圧となる。

希ガスは、例えば、アルゴンガスが約１３ｋＰａ封入される。その機能は点灯始動性を改善することにある。ハロゲンは、沃素、臭素、塩素などが水銀あるいはその他の金属と化合物の形態で封入される。ハロゲンの封入量は、5×10^-5〜７×10^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲から選択される。ハロゲンの機能は、いわゆるハロゲンサイクルを利用した長寿命化であるが、本発明の放電ランプのように極めて小型できわめて高い点灯蒸気圧のものは、放電容器の失透防止という作用もある。ランプの数値例を示すと、例えば、発光部１０の最大外径9.5ｍｍ、電極間距離1.5ｍｍ、発光管内容積75ｍｍ^３、定格電圧70Ｖ、定格電力200Ｗであり350ヘルツで交流点灯される。

電極２の先端（他方の電極に対向する端部）は、ランプの点灯に伴い、突起が形成される。突起が形成される現象は、必ずしも明らかではないが、以下のように推測される。すなわち、ランプ点灯中に電極先端付近の高温部から蒸発したタングステン（電極の構成材料）は、発光管内に存在するハロゲンや残留酸素と結合して、例えばハロゲンがＢｒならＷＢｒ、ＷＢｒ_２、ＷＯ、ＷＯ_２、ＷＯ_２Ｂｒ、ＷＯ_２Ｂｒ_２などのタングステン化合物として存在する。これら化合物は電極先端付近の気相中の高温部においては分解してタングステン原子または陽イオンとなる。温度拡散（気相中の高温部＝アーク中から、低温部＝電極先端近傍に向かうタングステン原子の拡散）、および、アーク中でタングステン原子が電離して陽イオンになり、陰極動作しているとき電界によって陰極方向へ引き寄せられる（ドリフト）ことによって、電極先端付近における気相中のタングステン蒸気密度が高くなり、電極先端に析出し、突起を形成すると考えられる。

図４は電極先端及び突起を示す模式図である。電極２は球部２ａと軸部２１から構成され、球部２ａの先端に突起２ｂが形成される。この突起２ｂは、ランプの点灯開始時に存在しない場合であっても、その後の点灯により、いわば自然発生的に形成される。ここで、突起２ｂは、いかなる放電ランプであっても生じるというわけではない。電極間距離が１ｍｍ〜２ｍｍであって、発光部に0.08ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀と、希ガスと、5×10^-5〜７×10^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲でハロゲンを封入したショートアーク型放電ランプにおいて、ランプ点灯に伴い、突起２ｂが形成され、突起２ｂ同士の間でアークが形成される・

このように、本願発明は、水銀とハロゲンを封入したランプにおいて、交流点灯させることで、電極先端に突起が形成できるという技術を利用し、これにより、電極間距離の増大と、それに伴う照度維持率の低下という問題をかなり解決している。なお、点灯周波数を周期的に低周波で点灯させることで、電極間距離をより確実に維持することができる。例えば、３５０Ｈｚの点灯において、周期的に４０Ｈｚで点灯することである。

次に、放電ランプの点灯形態と電極間距離が、照度維持率に及ぼす影響について実験した。
実験は、交流点灯型ランプで電極間距離1.6ｍｍ（ランプ1）、交流点灯型ランプで電極間距離1.4ｍｍ（ランプ２）、交流点灯型ランプで電極間距離1.2ｍｍ（ランプ３）、交流点灯型ランプで電極間距離1.0ｍｍ（ランプ４）、直流点灯型ランプで電極間距離1.0ｍｍ（ランプ５）、直流点灯型ランプで電極間距離0.7ｍｍ（ランプ６）の６種類のランプを使った。６種類のランプの電極間距離はいずれも点灯前の大きさを示しており、点灯形態と電極間距離以外の条件は、基本的に同一とした。実験は、図２に示すような形態の６種類の200Wリフレクタ付きランプを製作し、図１に示す光源部総数53灯の装置で照度維持率を調べた。交流点灯ランプは全て350ヘルツで点灯させた。照度は、ウシオ電機製UIT250照度計とS365受光器を使い、ワーク面での照度の維持率を求めた。照度維持率は、点灯時間の経過に伴って照度を測定し、点灯初期の照度に対する相対値として表した。特に、点灯開始から750時間経過後の照度維持率を、業界における指標として捉え、75％以上を示すサンプルを照度維持率の観点から合格をした。

図５は実験結果を示す。縦軸は照度維持率（％）と示し、横軸は点灯時間（時間）を表している。図より以下のことが言える。
（１）交流点灯させた放電ランプ（ランプ１〜ランプ４）は、直流点灯させた放電ランプ（ランプ５とランプ６）に比べて、照度維持率が格段に優れている。この原因は、前記した突起成長が、交流点灯の放電ランプにおいて良好に機能しているものと考えられる。
（２）交流点灯させた放電ランプであっても、電極間距離が大きいランプほど照度維持率が優れている。具体的には、ランプ４（電極間距離1.0ｍｍ）は750時間点灯で照度維持率75％、1500時間点灯で60％まで低下しているのに対し、ランプ１（電極間距離1.6ｍｍ）は、750時間点灯で照度維持率90％以上、1500時間点灯でも90％近い維持率である。この原因は、電極間距離が小さいほど電極損耗が激しいことが考えられる。
この結果、200Ｗの交流点灯型放電ランプの場合は、電極間距離が1.0ｍｍ以上あれば、業界で認められるだけの照度維持率を発揮できることがわかった。

次に、本発明者らは、200Ｗ以外のランプ電力で上記と同様の実験を行った。具体的には、250Ｗの交流点灯型放電ランプ、300Ｗの交流点灯型放電ランプ、420Ｗの交流点灯型放電ランプを対象とした。
各ランプについて、上記と同様の照度維持率（750時間点灯で75％の照度を維持）を有するランプの電極間距離を求めたところ、ランプ電力が250Ｗの場合は電極間距離1.1ｍｍ以上、ランプ電力が300Ｗの場合は電極間距離1.2ｍｍ以上、ランプ電力が420Ｗは電極間距離1.4ｍｍ以上であった。

この結果、
（３）照度維持率が業界水準を満たすための電極間距離は、ランプの定格電力（ランプ電力）によって異なる。具体的には、200Ｗの場合は電極間距離1.0ｍｍ以上、250Ｗの場合は電極間距離1.1ｍｍ以上、300Ｗの場合は電極間距離1.2ｍｍ以上、420Ｗの場合は電極間距離1.4ｍｍ以上のランプであり、ランプ電力が大きくなるほど、要求を満たす電極間距離は大きくなる。

さらに、電極間距離は、光の利用率（光源部から放射される光のうちインテグレータに入射される割合）に深く関連している。なぜなら、電極間距離が小さいランプほど放電アークを実質的に点とみなせるため、放電アークの光を100％インテグレータに取り込めるからである。一方、電極間距離が大きいランプは、放電アークを有限の大きさと考えるため、必要以上に大きい入射面を有するインテグレータを用いない限り、放電アークの光を100％インテグレータに入射することはできず、インテグレータに取り込めない光、すなわち、無駄な光を発生させるからである。

そこで、図１に示した光照射装置に対して、点灯電力と電極間距離の異なる複数のランプを順に組み込んで、インテグレータに入射する光を測定してみた。
具体的には、200Ｗ電極間距離1.0ｍｍのランプを使った装置（装置Ａ）、250Ｗ電極間距離1.1ｍｍのランプを使った装置（装置Ｂ）、300Ｗ電極間距離1.2ｍｍのランプを使った装置（装置Ｃ）、420Ｗ電極間距離1.4ｍｍのランプを使った装置（装置Ｄ）について、光の利用率を測定した。
なお、各装置は、露光面における照度が等しくなるようにランプ（ユニット）の数を調整している。具体的には、装置Ａはユニット数53個で総電力10.7KW、装置Ｂは42個で総電力10.6KW、装置Ｃは36個で総電力10.8KW、装置Ｄは25個で総電力10.5KWであり、露光面照度は45.5ｍＷ／cm^２に統一させた。
そして、この実験における各装置の光の利用率を測定したところ、装置Ａは89.9％、装置Ｂは88.7％、装置Ｃは88.0％、装置Ｄは89.3％となった。
この結果、以下のことがわかる。
（４）照度維持率が十分な光照射装置は、ランプ電力に関わらず、光の利用率が90％以下であることがわかる。言い方を変えるならば、光の利用率が90％以下であるならば、ランプ電力に関わらず照度維持率を十分である。ここで、照度維持率が十分とは業界基準値を満たすものをいう。

ここで、光の利用率の測定方法を説明する。
図６は光の利用率の測定方法を説明する図面であり、（ａ）はランプとインテグレータの配置関係を示す図面であり、（ｂ）はインテグレータの入射面を示す図面であり、（ｃ）はインテグレータの入射面における直径方向の照度分布を示す。
（ａ）において、ランプとインテグレータを所定距離（例えば、2600mm）離して設置する。この距離は図１に示される装置を組み立てた場合に設定される数値であり、実際にはランプの搭載本数によって最適値は変化する。インテグレータの入射面に照射された光は（ｂ）に示すように、インテグレータの入射面を照射する成分もあるが、入射面に照射されてない成分も存在する。インテグレータの入射面では、入射面より広い領域を対象に受光器の位置をインテグレータの直径方向に移動させる。具体的には、ロボット（XY方向に稼動する機構）を配置して、例えば20mm間隔で照度計の受光器を移動させて、X,Yの各点で照度（mＷ/cm2）を測定する。なお、受光器の移動は手動であってもかまわない。測定した照度値とその位置の面積（ドーナツ状部分）の面積（cm²）を掛ければ、光束（Ｗ）が求まる。このようにして、インテグレータの入射面全体に渡って照度測定を行うことでランプの全光束を求めることができる。そして、インテグレータに入射する領域は、入射面の光束（=インテグ入射光束）であるから、インテグ入射光束／全光束を計算すれば、インテグレータに何％の光束が入射しているかを求めることができる。具体的には、20mm間隔で左右、上下各17点の計33点（中心は1回省く）でφ720の円内を測定し、全光束としている。

なお、光の利用率は、90％以下であれば業界基準を超える照度維持率を達成することができ、利用率が小さくなるほど照度維持率は優れる。光の利用率が小さいことは、電極間距離が大きくなることであり、電極損耗が生じにくいからである。因みに、図５に示した200Ｗのランプのうち交流点灯型ランプ（ランプ１〜ランプ４）を図１に示した光照射装置に光源として取り込んで、各々の装置について、光の利用率を測定してみた。なお、前記と同様に、各装置は、露光面における照度がほぼ等しくなるようにランプ（ユニット）の数を調整した。
その結果、光の利用率は、ランプ１は58%、ランプ２は67%、ランプ３は77%、ランプ４は90%、ランプ５は90%、ランプ６は100%であった。
すなわち、この実験からも、照度維持率が十分な光照射装置は、ランプ電力に関わらず、光の利用率が90％以下である。しかし、光の利用率が50％を下回ると、利用していない光が多くなり、投入電力との関係で好ましくない。従って。光の利用率は50％以上90％以下が望ましい。

このように本願発明は種々の試作や実験を繰り返しながら、以下の事実を見い出だした。
（１）放電ランプを交流点灯させることで、直流点灯させる場合に比較して、格段に優れた照度維持率を発揮できる。
（２）電極間距離と照度維持率は正の相関関係を有し、電極間距離が大きい放電ランプほど照度維持率が優れる。
（３）業界水準とされる照度維持率（所定の照度維持率）を満たす最小の電極間距離は、ランプ電力によって異なる。ランプ電力が大きくなるほど、所定の照度維持率を満たす電極間距離は大きくなる。
（４）所定の照度維持率は、ランプ電力に関わらず、光の利用率に関係する。光の利用率が90％以下であるならば、ランプ電力に関わらず、照度維持率は業界水準を満たすことができる。

ところで、ワークである液晶基板や半導体ウエハは近年大型化しており、液晶基板で言えば、画面対角で40インチを超えるものがある。このような大型の液晶基板を露光する場合、露光面積が大きくなったとしても、単位面積当たりの照射エネルギーは、従前と同様量が必要となる。液晶基板上に塗布されたレジストが感光するためのエネルギーが露光面積に関係なく一定だからである。つまり、露光面積が大きくなると、その分だけ光源部から発生する照射エネルギーを高めなければならない。例えば、１灯５ｋＷの高圧水銀ランプを用いた光照射装置と同等な特性を露光面で得るためには、電力換算で、100Ｗの放電ランプならば50本（50台の光源ユニット）が必要になり、光源部はより大型化する。

一方、インテグレータ（インテグレータレンズ）には、インテグレータの内部に光が入るための入射角が存在しており、この角度以外の角度から入射された光は、インテグレータの表面で反射されてしまい、内部に入ることはできない。つまり、光源ユニットが50台になるほど光源部が大型化してしまうと、インテグレータに入射できない光が生じてしまう。

このため、複数のランプを用いて光源部を構成する場合は、ランプ数（ユニット数）と、インテグレータとの距離を調整しながら、光源部からの放射光をインテグレータに良好に入射することができ、かつ、露光面において十分な照射エネルギーを提供できるだけの構造を設定しなければならない。

具体的説明すると、従来の一般的な光照射装置（１灯５ｋＷの高圧水銀ランプ、照射エリア500ｍｍ×600ｍｍ、視角1.8°）では、露光面で必要とされる照射エネルギーは45ｍＷ／ｃｍ^２である。これを、本願発明のような複数の放電ランプで光源部を構成する光照射装置に置き換えると、100Ｗの放電ランプならば61個用いることで、同一の照射エリアに対し、同一の視覚で同一の照射エネルギーを構成することができる。この場合、61個の放電ランプは総電力で6.1ｋＷとなる。
一方、200Ｗの放電ランプならば18個用いることで、同一の照射エリアに対し、同一の視覚で同一の照射エネルギーを構成することができる。この場合18個の放電ランプは総電力で3.6kＷとなり、100Ｗのランプを用いた場合に比較して、約59％の電力効率がアップする。つまり、100Ｗの放電ランプを用いて光源部を構成するよりも、200Ｗの放電ランプを用いて光源部を構成するほうが、ランプの数が少なくなり、電力効率が高くなることが分かった。

同様に、従来の一般的な光照射装置（１灯10ｋＷの高圧水銀ランプ、照射エリア750ｍｍ×650ｍｍ、視角2.0°）についても、本願発明の光照射装置に置き換えるならば、100Ｗの放電ランプならば94個（総電力9.4ｋＷ）に対し、200Ｗの放電ランプならば29個（総電力5.8ｋＷ）となり、上記と同様に、200Ｗの放電ランプを用いて光源部を構成するほうが、電力効率が高くなることが分かった。

ここで、本発明に係る放電ランプは、0.08〜0.25ｍｇ／ｍｍ^３の範囲の水銀が封入されている。
図７は、0.15ｍｇ／ｍｍ^３の水銀と、ハロゲンを封入した放電ランプの分光分布を示す。図示のように、波長300〜350ｎｍの紫外線が多く放射されていることがわかる。水銀は0.08ｍｇ／ｍｍ^３よりも少なくなると、波長300〜350ｎｍの発光以外に300ｎｍ以下水銀による発光も増加して露光に悪影響を及ぼすため好ましくない。また、350〜450ｎｍ付近の連続スペクトルも低下するため好ましくない。水銀が0.25ｍｇ／ｍｍ^３よりも多くなると、波長300〜350nｍの発光が少なくなり好ましくない。

図８は放電ランプを点灯させる給電装置３を示す。
給電装置３は、直流電圧が供給される降圧チョッパ回路３１と、降圧チョッパ回路３１の出力側に接続され直流電圧を交流電圧に変化させて放電ランプ１に供給するフルブリッジ型インバータ回路３２（以下、「フルブリッジ回路」ともいう）と、放電ランプに直列接続されたコイルＬ１、コンデンサＣ１、スタータ回路３３、および制御回路３４から構成される。
なお、降圧チョッパ回路３１、フルブリッジ回路３２、スタータ回路３３、制御回路３４により給電装置を構成し、放電ランプ１を含めて点灯装置と称される。

降圧チョッパ回路３１は、直流電源Ｖ_ＤＣに接続され、スイッチング素子Ｑｘと、ダイオードＤｘと、コイルＬｘと、平滑コンデンサＣｘと、スイッチング素子Ｑｘの駆動回路Ｇｘから構成される。スイッチング素子Ｑｘは、駆動回路Ｇｘによりオン／オフ駆動される。この駆動によって、スイッチング素子Ｑｘのディーテュ比が調整されて、放電ランプ１０に供給される電流あるいは電力が制御される。
フルブリッジ回路３２は、ブリッジ状に接続されたトランジスタやＦＥＴのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の駆動回路Ｇ１〜Ｇ４から構成される。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、各々に並列にダイオードが逆並列に接続されることもあるが、この実施例においてダイオードは省略している。
制御回路３４は、電力変換器３４０、比較器３４１、パルス幅変調回路３４２、制御部３４３、フルブリッジ回路駆動回路３４４から構成される。電力変換器３４０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で検出された電圧信号や電流信号を電力信号に変換する。電力信号は比較器３４１で基準電力値と比較されパルス幅変調回路３４２を介してスイッチング素子Ｑｘをフィードバック制御する。これにより、ランプの点灯電力を一定値とする、いわゆる定電力制御が実施される。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、制御部３４３を介してフルブリッジ回路駆動回路３４４により駆動される。

フルブリッジ回路３２の動作は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を交互にオン、オフを繰り返す。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４がオンするときは、降圧チョッパ回路１→スイッチング素子Ｑ１→コイルＬ１→放電ランプ１→スイッチング素子Ｑ４→降圧チョッパ回路１に電流が流れる。一方、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３がオンするときは、降圧チョッパ回路１→スイッチング素子Ｑ３→放電ランプ１→コイルＬ１→スイッチング素子Ｑ２→降圧チョッパ回路１の経路で放電ランプ１に交流矩形波電流を供給する。
上記スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するに際し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の同時オンを防止するため、交流矩形波の極性切り替わり時に、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の全てオフにする期間（デッドタイムＴｄ）が設けられる。

なお、放電ランプ１に供給される交流矩形波出力の周波数は、60〜1000Ｈｚ（定常周波数）の範囲から選択されるものであり、例えば350Ｈｚである。また、上記デッドタイム期間は、0.5μｓ〜10μｓの範囲から選択される。

ここで、本発明の放電ランプ点灯装置は、図３に示す給電装置によって、図１に示す放電ランプを定常周波数（60〜1000Ｈｚ）で点灯させつつ、その中に定期的に低周波が挿入される。この低周波は、定常周波数よりも低い周波数であって、5〜200Ｈｚの範囲から選択され、また、挿入される波の数が半周期を1単位として1単位から10単位の範囲から選択され、さらに定常周波数に挿入される間隔が0.01秒〜120秒の範囲から選択される。

本発明の光照射装置は、光源ユニットと、給電装置と、インテグレータを有することを要件とするものであり、それ以外の構成要素、例えば、折り返しミラー、フィルター、照度モニターなどを含んでいてもかまわない。

以上、説明したように、本発明に係る光照射装置は、水銀とハロゲンを封入した放電ランプを交流点灯させることで、当該放電ランプの電極先端に突起を形成させ、当該突起がランプ点灯中において消耗することなく、概ね同一の大きさを維持するという性質を利用して、電極間距離の増大とそれに伴う照度維持率の低下という問題を解決している。また、光源部から放射される光のうち、インテグレータに入射される光の割合、すなわち光の利用率を90％以下にすることで、電極間距離が増加したとしても、その影響を受けることなく高い照度維持率を達成できる。

本発明に係る光照射装置の概略構成を示す。本発明に係る光照射装置の光源ユニットを示す。本発明に係る光照射装置の放電ランプを示す。本発明に係る放電ランプの原理を説明する模式図を示す。本発明に係る光照射装置の実験結果を示す。本発明に係る光照射装置の入射率を測定にする実験の説明図を示す。本発明に係る放電ランプの放射波長を示す。本発明に係る給電装置の回路構成を示す。

符号の説明

１放電ランプ
２反射ミラー
３支持体
４収納ケース
１０光源部
１１発光部
１２封止部
１３金属箔
１４外部リード
２０インテグレータ
２１コリメータ
２２マスクステージ
２３マスク
２４ワークステージ
３０給電装置
Ｎユニット
Ｗワーク

Claims

水銀とハロゲンが封入された放電ランプと反射ミラーとより構成される光源ユニットが複数個配列された光源部と、各放電ランプに対して電力を供給する給電装置と、光源部から放射された光が入射されるインテグレータとを少なくとも有する光照射装置において、
前記給電装置は、前記放電ランプに対して交流電流を供給するとともに、
前記光源部から放射された光の前記インテグレータに対する入射率が90％以下であることを特徴とする光照射装置。
前記光源部から放射された光の前記インテグレータに対する入射率は50％以上であることを特徴とする請求項１の光照射装置。
前記放電ランプは、定格200Ｗ以上であって、電極間距離が1.0ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１の光照射装置。
前記放電ランプは、0.08〜0.25ｍｇ／ｍｍ^３の範囲の水銀が封入されていることを特徴とする請求項１の光照射装置。
前記放電ランプは、5×10⁻⁵〜７×10^−３μｍｏｌ／ｍｍ^３の範囲のハロゲンが封入されていることを特徴とする請求項１の光照射装置。