JP2010244821A - 光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプと集光鏡を備えた光照射装置において、ランプの温度を下げることなく、集光鏡の温度を下げられるようにすること。
【解決手段】集光鏡２の後ろ側に円筒状の整風板８が取り付けられ、この整風板８により集光鏡２の貫通孔２ａからランプ１を固定している台座４までの間隔を狭くする。集光鏡２の貫通孔２ａを通って集光鏡２の内側に向かう冷却風（図２の（ａ））は、この隙間を通って流れ、集光鏡２の内側を流れランプ１を冷却する風の風量は少なくなる。また、その分、集光鏡２の外側を流れる風（図２の（ｂ））の風量は増える。これにより、集光鏡２の外側を流れて集光鏡２を冷却する風の風量が多くなり、集光鏡２の温度上昇を少なくすることができる。また、ランプ１を冷却する風の風量は少なくなるので、冷却風量を増やしても、ランプ１が過冷却になることを防ぐことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体素子やプリント基板、液晶基板などの製造用の露光装置に用いる光照射装置に関し、特に、当該光照射装置において、冷却風によるランプと集光鏡を効果的に冷却する手段を備えた光照射装置に関するものである。

半導体素子やプリント基板、液晶表示基板の露光装置に用いられる光源として、ショートアーク型の放電ランプ、例えば数ｋＷから数１０ｋＷの大型の超高圧水銀ランプが用いられてきた。
図７に、上記露光装置の光照射部として使用される、従来の光照射装置の構造の一例を示す。
光照射装置３０は、ショートアーク型のランプ１、楕円集光鏡２等から構成される光源部１０と、第１の平面鏡１３、インテグレータレンズ１４、第２平面鏡１６、コリメータレンズ１７などを備える。
ショートアーク型の放電ランプ１は、楕円集光鏡２の第一焦点に発光点が来るように配置され、ランプ点灯電源１１から電力が供給され点灯する。ランプ１から放射された光は、集光鏡２の内側に形成されている反射面により反射され、同図上側の開口から出射する。

集光鏡２の開口から出射した光は、第１の平面鏡１３により反射され、集光鏡２の第二焦点に集光する。第二焦点には、光照射面での照度分布を均一にするインテグレータレンズ１４（フライアイレンズとも言う）が配置される。
インテグレータレンズ１４から出射した光は、シャッタ機構１５を介して第２の平面鏡１６により折り返され、光を平行光にするコリメータレンズ１７に入射し、平行光となって光照射装置３０から出射し、光照射面１８に照射される。なお、コリメータレンズ１７の代わりにコリメータミラーを使用しても良い。
ランプ１及び集光鏡２を冷却する冷却風は、冷却風取入口１０ａから取り入れられ、排気ファン２０により排気口１９から排気される。

図８に、ランプ１と集光鏡２を備える光源部１０の拡大図を示す。同図を用いて、ランプと集光鏡の支持構造について説明する。
集光鏡２は、反射した光を出射する開口が上向きになるように配置される。集光鏡２は、集光鏡支持板３の上に置かれている。集光鏡支持板３は、フレーム６に対してばね３ａを介して取り付けられている。このばね３ａにより、集光鏡支持板３には、集光鏡２を同図上方向に持ち上げようとする力が働く。
集光鏡支持板３の上の集光鏡２は、このばね３ａの力により、集光鏡２の開口の押さえる集光鏡押さえ板７に押し付けられる。集光鏡２の開口とは反対側には、貫通孔２ａが形成されている。集光鏡２は、この貫通孔２ａの周辺部において、集光鏡支持板３により支持される。なお、集光鏡支持板３にも、貫通孔２ａと同径の貫通孔３ｃが形成されている。
なお、このように、開口を上向きに配置した集光鏡２の支持構造に関する先行技術として、特許文献１がある。

集光鏡内に取り付けられるショートアーク型のランプ１は、ランプ１の軸を上記貫通孔２ａに通し、集光鏡２の外側背後に設けられた台座４に固定され支持される。
この台座４は光照射装置のランプ軸調機構５に取り付けられる。ランプ軸調機構５は、ランプ１をＸＹＺ方向に移動させるステージを備える。ランプ軸調機構５を移動させることにより、ランプ１の発光点が集光鏡２の第一焦点に来るように調節する。
また、台座４は、ランプ点灯電源１１に接続されている。ランプ１への電力の供給は、台座４に固定される側の極にはこの台座４を介して、他方集光鏡２の開口側の極には、ランプ電源１１からの給電線１１ａが取り付けられ、この線を介して行なわれる。

図７と図８を用いて、ランプ１と集光鏡２の冷却について説明する。なお、図８では、冷却風の流れを、図の左側しか示していないが、図の右側にも同様の風の流れが生じている。なお、実際は、冷却風は、ランプと集光鏡の周囲全体に流れている。
ランプ１と集光鏡２は、点灯時高温になるので冷却風により冷却される。冷却風は、光照射装置３０の集光鏡２の背後に形成された冷却風取入口１０ａから内部に取り入れられる。
ランプ１と集光鏡２を冷却した冷却風は、光照射装置３０の集光鏡２の開口側に形成された排気口１９から排気される。排気口１９にはダクトを介して排気ファン２０が取り付けられている。
冷却風取入口１０ａから取り入れられた冷却風は、図８に示すように、次の二つに分かれて流れる。一つは、図中（ａ）で示した、集光鏡２の貫通孔２ａから集光鏡２の内側に入って排気口１９に向かう流れ。もう一つは、（ｂ）で示した集光鏡２の外側を回って排気口１９に向かう流れである。
なお、特許文献２には、ランプの冷却風量を調節する手段と、冷却風調節手段を制御して冷却風量を変更する制御手段とを備えた露光装置が提案されている。

特開２０００−４０６５５号公報 特開２００８−５８８９９号公報

冷却風は、ランプ１だけでなく集光鏡２の冷却にも使われる。光照射装置が露光装置の光照射部として使用される場合、集光鏡２は露光に不要な可視光や赤外光を反射せず、露光に必要な紫外線のみを反射する蒸着膜をガラスに蒸着した反射鏡を用いることが多い。 そのような蒸着膜反射鏡を用いる場合には、蒸着膜がはがれないように、反射鏡の温度を、蒸着膜の耐熱温度である例えば３５０°Ｃ以下に保つ必要がある。これに対して、ランプの封体と呼ばれる発光管の部分の、点灯中の最適温度は６５０°Ｃ〜７５０°Ｃといわれている。
このため、集光鏡２は冷却を行わないと、ランプ１の封体からの輻射熱などにより温度が上昇して、例えば３５０°Ｃ以上となり、蒸着膜がはがれてしまうなどの不具合を生じることがある。
即ち、集光鏡２はランプ１よりも低い温度に保たなければならず、冷却は、ランプ１よりもむしろ集光鏡２を重点的に行う必要がある。特に、集光鏡２は、ランプ１が通る貫通孔２ａの近傍の部分がランプ１の発光部分に最も近くなるので、温度が高くなりやすい。したがって、冷却風は、集光鏡２の貫通孔２ａの近傍に多くの量を供給しなければならない。

ところが、従来の光照射装置において、光源部１０を流れる冷却風の風量を詳しく調べてみると、図８に示す（ａ）の集光鏡２の貫通孔２ａから集光鏡２の内側に入って流れる風の風量と、（ｂ）の集光鏡２の外側を回って流れる風の風量の割合は、およそ２：３であり、また、（ａ）の集光鏡２の貫通孔２ａから集光鏡２の内側に入った冷却風は、大部分がランプの表面に沿って流れてランプを冷却するのに使われ、集光鏡の冷却は、実質的に（ｂ）の集光鏡の外側を回って流れる風によって行われることがわかった。
このような冷却風の割合では、集光鏡２を十分に冷却するために風量を多くすると、その分ランプ１の冷却風も増えるので、ランプ１が上記に示した適切な温度範囲（６５０°Ｃ〜７５０°Ｃ）以下、即ち過冷却になり、場合によってはランプ１が消えてしまうことがある。
一方、ランプ１を上記適切な温度範囲にするために冷却風を減らすと、今度は集光鏡２を冷却するための風量も減るので、集光鏡２の温度が蒸着膜のはがれない温度（３５０°Ｃ）以上になり、蒸着膜のはがれの原因となることがある。

以上のように、ランプ１と集光鏡２の温度は、異なった温度に保たれる必要があるが、従来の光源部では、必ずしもランプ１と集光鏡２の温度が適切な温度に保たれておらず、ランプが過冷却となったり、集光鏡の蒸着膜はがれの原因となどの問題が生じていた。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、貫通孔から集光鏡の内側に入りランプを冷却する風量を減らすとともに、集光鏡を冷却するための集光鏡の外側を回る冷却風の風量を多くできるように冷却風を供給し、ランプの温度を下げることなく、集光鏡の温度を下げられるようにすることを目的とする。

本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）放電ランプと、該ランプから放射する光を反射し該反射した光を出射する開口を備えた楕円集光鏡とを備え、該集光鏡には、上記開口とは反対側に貫通孔が形成され、上記ランプは、その一端が上記貫通孔を介して突出し、該ランプの一端は上記集光鏡の背後に設けられた台座に固定され、該ランプと該集光鏡を冷却する冷却風を上記集光鏡の上記開口とは反対の背後側から取り入れ、集光鏡の外側を流すとともに、冷却風を集光鏡の上記開口とは反対側に形成された貫通孔から取り入れて集光鏡の内側を流して集光鏡の開口側から排気することで、放電ランプと集光鏡を冷却する光照射装置において、集光鏡の貫通孔の周りに、貫通孔から集光鏡の内側に流れ込む冷却風を制限する整風板を設ける。
上記整風板は、円筒状の部材で構成され、上記貫通孔から上記ランプを固定する台座までの間隔を狭める（制限する）。
（２）上記（１）において、集光鏡の背後に、上記集光鏡を支持する集光鏡支持板を設け、該支持板に通風孔を設ける。すなわち、ランプに近く最も温度が高くなりやすい貫通孔の近傍部分を冷却風が流れるように、集光鏡を支持する集光鏡支持板に冷却風が通過する複数の通風孔を形成し、これを第２の整風板とする。
上記支持板は、上記整風板の周囲に配置され、上記集光鏡の貫通孔と連通する貫通孔を有し、上記集光鏡の貫通孔の周辺部において集光鏡と接し、集光鏡を支持する。
上記集光鏡の内側を流れる冷却風は上記集光鏡の貫通孔と支持板の貫通孔を介して流入し、また集光鏡の外側を流れる冷却風は、複数の通風孔を介して流れる。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）整風板を設けて、貫通孔から台座までの間隔を狭るように構成したので、集光鏡の内側に流れ込む風量が制限され、その分、集光鏡の外側を流れる風量を増やすことができる。このため、従来に比べて集光鏡をより冷却することができる。また、冷却風量を増やしても、ランプが過冷却になることを防ぐことができる。
（２）さらに、集光鏡の背後に設けられた支持板に通風孔を設けることにより、集光鏡の外側の貫通孔の近傍部分を、冷却風が効果的に流れるようなる。これにより、集光鏡の温度の高くなる部分である貫通孔の近傍を効率よく冷却することができる。

本発明の実施例の光照射装置の概略構成を示す図である 本発明の第１の実施例の光源部の拡大図である。 整風板の形状例を示す図である。 本発明の第２の実施例の光源部の拡大図である。 本発明の第２の実施例の集光鏡と通風孔を有する支持板の斜視図である。 支持板の変形例を示す図である。 従来の光照射装置の構造の一例を示す図である。 図７に示す光照射装置の光源部の拡大図である。

図１は、本発明の実施例の光照射装置の概略構成を示す図である。
光照射装置３０は、ショートアーク型のランプ１、楕円集光鏡２等から構成される光源部１０と、第１の平面鏡１３、インテグレータレンズ１４、第２平面鏡１６、コリメータレンズ１７などを備える。
放電ランプ１は、ショートアーク型の超高圧水銀ランプが使用され、ランプ点灯電源１１から電力が供給され点灯する。集光鏡２は、ガラス製の楕円集光鏡が使用され、放電ランプ１の発光中心が集光鏡２の第１焦点に位置するように配置される。
また、集光鏡２は、露光に必要な紫外線を含む光のみを反射し、不要な熱線を除くために、紫外線を反射し、赤外線を透過する無機多層蒸着膜を反射面の表面に形成したものが使用される。

放電ランプ１から照射される紫外線を含む光は、集光鏡２により集光され、第１平面鏡１３に到達する。第１平面鏡１３で反射した光は、照射領域での照度分布を均一化するために設けられたインテグレータレンズ１４の入射部付近の第２焦点に集光する。
インテグレータレンズ１４から出射した光は、インテグレータレンズ１４の後方に配置されたシャッタ機構１５が開くと、第２平面鏡１６を介してコリメータレンズ１７で平行光にされて、光照射面１８に載置されたマスクやワークといった被照射物の照射を開始し、シャッタ機構１５が閉じると照射を終了する。なお、シャッタ構１５は、インテグレータレンズ１４の前方に配置されてもよい。また、コリメータレンズ１７に代えてコリメータミラーを使用しても良い。
ランプ１及び集光鏡２を冷却する冷却風は、集光鏡２の開口とは反対の背後側に設けられた冷却風取入口１０ａから取り入れられ、集光鏡２の開口側に設けられた排気ファン２０により排気口１９から排気される。

図２に、ランプ１と集光鏡２を備える光源部１０の拡大図を示す。ランプと集光鏡の支持構造については、基本的には、図２で示した従来の構造と同じであり、集光鏡２は、前記したように反射した光を出射する開口が上向きになるように配置される。
集光鏡２は、集光鏡支持板３の上に置かれており、集光鏡支持板３は、フレーム６に対してばね３ａを介して取り付けられている。そして、前述したように集光鏡２は、このばね３ａの力により、集光鏡２の開口の押さえる集光鏡押さえ板７に押し付けられる。集光鏡２の開口とは反対側には、貫通孔２ａが形成されている。
集光鏡支持板３は上記集光鏡２の貫通孔２ａと連通する、貫通孔２ａと同じ径の貫通孔３ｃを有し、集光鏡２の貫通孔２ａの周辺部において集光鏡２と接し、集光鏡２を下側から支持する。なお、集光鏡支持板３にも、貫通孔２ａと同径の貫通孔３ｃが形成されている。

集光鏡内に取り付けられるショートアーク型のランプ１は、ランプ１の軸が上記貫通孔２ａ，３ｃを貫通し、集光鏡２の外側背後に設けられた台座４に固定され支持される。
この台座４は光照射装置のランプ軸調機構５に取り付けられ、前述したようにランプ軸調機構５は、ランプ１をＸＹＺ方向に移動させるステージを備える。
台座４はランプ点灯電源１１に接続され、また、集光鏡２の開口側のランプ１の極には、ランプ電源１１からの給電線１１ａが取り付けられ、ランプ１への電力の供給は台座４とこの線を介して行なわれる。
なお、図８と同様に、冷却風の流れは、図の左側しか示していないが、図の右側にも同様の風の流れが生じている。なお、実際は、冷却風は、ランプと集光鏡の周囲全体に流れている。

本実施例においては、集光鏡２の外側背後（後ろ側）であって、貫通孔２ａの周りに、図３に示すような、筒８ａとフランジ８ｃからなる円筒状の整風板８を取り付けている。具体的には、円筒状の整風板８は、集光鏡支持板３の、集光鏡２を支持している側とは反対側の面に、整風板８に設けられたねじ孔８ｂを貫通するねじ９により取り付ける。
この整風板８は、集光鏡２の貫通孔２ａからランプ１を固定している台座４までの間隔を制限する（狭くする）。この隙間Ｓの間隔は、整風板８の筒の長さを変えることにより調節ができる。
貫通孔２ａを通って集光鏡２の内側に向かう冷却風（図２の（ａ））は、円筒状の整風板８と台座４の間の隙間を通ることになる。従来に比べて貫通孔２ａから台座４までの間隔は狭くなり、集光鏡２の内側を流れランプ１を冷却する風の風量は少なくなる。反対に、その分、集光鏡２の外側を流れる風（図２の（ｂ））の風量が増える。

具体的には、１０ｋＷのランプを用い、集光鏡の貫通孔がφ１４０ｍｍである場合において、円筒状の整風板８と台座４の間の隙間を５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることにより、集光鏡２の内側を流れる冷却風（図２の（ａ））の風量と、集光鏡２の外側を流れる冷却風（図２の（ｂ））の風量の割合を、およそ１：４にすることができた。
これにより、集光鏡２の外側を流れて集光鏡２を冷却する風の風量が多くなり、従来に比べて集光鏡２の温度上昇を少なくすることができた。また、冷却風量を増やしても、ランプ１が過冷却になることを防ぐことができた。
なお、上記したように、整風板８の筒８ａの長さを変えることにより、集光鏡２の内側を流れる冷却風の風量を調節することができるので、筒８ａの長さの異なる整風板８をいくつか準備しておけば、それらを交換することにより、集光鏡２の内側を流れる冷却風と外側を流れる冷却風量のバランスを、集光鏡２やその他の光源部１０の他の部材を取外すことなく、容易に調整することができる。
集光鏡２の内側を流れる冷却風と外側を流れる冷却風のバランスは、集光鏡２の貫通孔２ａや、集光鏡支持板３の貫通孔３ｃの径を小さくしても調整することができるが、貫通孔２ａや３ｃの径を小さくすると、貫通孔２ａ，３ｃを介して台座４に固定されているランプ１の軸とのクリアランスが狭くなる。
ランプ１の軸と貫通孔２ａ，３ｃとのクリアランスが少なくなると、ランプを交換するためにランプを貫通孔２ａ，３ｃに対して抜き挿しするときや、交換したランプの発光点の位置をランプ軸調機構５により集光鏡２の第１焦点に合わせるために移動させるときに、ランプ１と集光鏡２や集光鏡支持板３が接触し、ランプ１や集光鏡２が傷つく可能性がある。
即ち、集光鏡２の貫通孔２ａからランプ１を固定している台座４までの間隔Ｓを狭くする筒状の整風板８を用いることにより、ランプ１と集光鏡２や集光鏡支持板３との接触を心配することなく、集光鏡２の内側を流れる冷却風と外側を流れる冷却風のバランスを、最適な状態に調整することができる。

図４に本発明の第２の実施例の光源部の拡大図を示す。
本実施例は、整風板の外周に、さらに第２の整風板を設けたものである。具体的には、整風板８の外周に沿って、集光鏡２を支持する集光鏡支持板３に、冷却風が通過する複数の貫通孔３ｂを形成し、これを第２の整風板とする。
集光鏡２は、ランプ点灯中、図４に示すようにランプ１に最も近くなる貫通孔２ａの近傍のＡ部の温度が最も高くなる。そのため、集光鏡２の外側を流れる冷却風が、貫通孔２ａの近傍を確実に流れる流路を形成するために、第２の整風板を設ける。
本実施例においては、図４に示すように、第２の整風板は集光鏡支持板３を兼ねている。具体的には、円筒状の整風板８の外周に沿って、集光鏡支持板３に、φ１０ｍｍ程度の冷却風が通過する貫通孔である通風孔３ｂを複数形成する。

図５は、集光鏡２と支持板３に形成した通風孔３ｂの位置関係を分かりやすく示した斜視図である。同図に示すように、通風孔３ｂは、なるべく集光鏡２の貫通孔２ａ（集光鏡支持板３の貫通孔３ｂ）に対して近い部分に形成し、冷却風が集光鏡２の温度が最も高くなる貫通孔２ａの近傍に流れるようにする。
本実施例においては、通風孔を形成した集光鏡支持板３が、第２の整風板の役割を果たす。即ち、集光鏡２の外側を流れる冷却風は、集光鏡支持板３による第２の整風板にあたって、通風孔３ｂに入り、集光鏡２の貫通孔２ａの近傍を冷却して流れ排気される。
これにより、集光鏡２の温度の高くなる部分を効率よく冷却することができる。

第１の実施例と同様に、１０ｋＷのランプを用い、集光鏡２の貫通孔がφ１４０ｍｍである場合において、円筒状の整風板８と台座の問の隙間を５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とし、集光鏡支持板３にφ１０ｍｍの貫通孔を９個形成することにより、集光鏡２の内側を流れる冷却風の風量（ａ）と、集光鏡の外側であって通風孔を通って流れる冷却風の風量（ｂ２）と、集光鏡２の外側であって通風孔３ｂを通らないで流れる冷却風の風量（ｂ１）の割合は、およそ１：１：３にすることができた（図４参照）。
これにより、集光鏡２の外側であって支持板３の通風孔３ｂを通り、集光鏡２の貫通孔２ａ近傍を冷却する冷却風の流れを作ることができる。したがって、集光鏡２のランプ１の発光部に近く、最も温度が上がりやすい集光鏡２の貫通孔２ａ近傍を確実に冷却し、その温度上昇を防ぐことができる。また、冷却風量を増やしても、ランプ１が過冷却になることを防ぐことができる。

なお、上記集光鏡支持板３の形状は、集光鏡２を支持できる形状であれば、任意の形状とすることができ、例えば図６に示すように十字形状であってもよい。このような形状の場合には、十字の角の部分Ａを冷却風が通過するので、図５に示す形状の場合に比べ、通風孔３ｂの数は少なくてもよい。

１ ランプ
２ 集光鏡
２ａ 貫通孔
３ 集光鏡支持板
３ａ ばね
３ｂ 通風孔
３ｃ 貫通孔
４ 台座
５ ランプ軸調機構
６ フレーム
７ 集光鏡支持板
８ 整風板
９ ねじ
１０ 光源部
１０ａ 冷却風取入口
１１ ランプ点灯電源
１２ 筐体
１３，１６ 平面鏡
１４ インテグレータレンズ
１５ シャッタ機構
１７ コリメータレンズ
１８ 光照射面
１９ 排気口
２０ 排気ファン
３０ 光照射装置

Claims (2)

1. ショートアーク型の放電ランプと、該ランプから放射する光を反射し該反射した光を出射する開口を備えた楕円集光鏡と、上記ランプと上記集光鏡を冷却する冷却風を上記集光鏡の上記開口とは反対の背後側から取り入れる冷却風取入口と、上記冷却風を上記集光鏡の上記開口側から排気する冷却風排気口とを備え、
   上記集光鏡には、上記開口とは反対側に貫通孔が形成され、上記ランプは、その一端が上記貫通孔を介して、上記集光鏡の背後に設けられた台座に固定され、
   上記冷却風は、上記集光鏡の外側と、上記貫通孔から入り上記集光鏡の内側を流れる光照射装置において、
   上記集光鏡の貫通孔の周りに、該貫通孔から上記集光鏡の内側に流れ込む冷却風量を制限する整風板が設けられ、
   上記整風板は、上記貫通孔から上記ランプを固定する台座までの間隔を狭める円筒状の部材である
   ことを特徴とする光照射装置。
2. 上記集光鏡の背後に集光鏡を支持する集光鏡支持板が設けられ、該支持板に通風孔が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光照射装置。

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