JP2013069516A - 放電ランプ点灯装置および点灯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電ランプに対し、適切な照度測定に基づいて安定した定照度点灯を実現する。
【解決手段】ランプ点灯部が、低周波矩形波点灯方式に従って交流ランプ電流を放電ランプに供給し、放電ランプを交流作動させる。そして、反転型の合成波形信号（波形補正信号）に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータからフルブリッジ回路へ送られる直流電流量をＰＷＭ制御によって調整する。その結果、半周期開始直後に極大電流値ＰＭ、その直後に極小電流値ＰＮをもち、半周期終了直前に最小電流値ＫＮ、そして最大電流値ＫＭをもつ交流ランプ電流Ｐが生成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、露光装置等に使用される放電ランプの点灯装置に関し、特に、高圧放電ランプに用いられる低周波矩形波点灯方式に関する。

高圧放電ランプの点灯方式として、低周波数（数十〜百Ｈｚ）の交流ランプ電流を供給し、点灯極性を切り替えて交流作動させる低周波矩形波点灯方式が知られている。この点灯方式では、極性が陰極に切り替わる度にアーク放電の起点（アークスポット）が定まらないと、ゆらぎが生じてしまう。これを抑えるため、ランプ電流の極性が切り替わる直前に電流パルスを重畳させる（特許文献１参照）。

電流パルスを重畳させることによって、極性の切り替わり直前に電流量が増加し、電極温度がその瞬間著しく上昇する。その結果、陰極フェーズにおいて、アーク放電の起点が常に電極先端部の同一箇所に生じ、ゆらぎ発生を防ぐ。

一方、電流パルスを重畳する代わりに、高周波矩形波電流を低周波矩形電流に印加する点灯方式が知られている（特許文献２参照）。そこでは、低周波矩形波電流の極性変化直後に、異なる極性から始まる高周波矩形波電流を１周期（サイクル）印加する。これによって、ゆらぎの発生を防ぐ。

また、プロジェクターなどの投影装置においては、電流パルスの増加による光出力の急激な変化が、画像にちらつきを生じさせる。この明るさ変化を抑えるため、極性反転終了前に電流量を増加させず、極性反転直後に最大値をもつ低周波矩形波電流を供給する点灯方法が知られている（特許文献３参照）。

特許第３７４１７２７号公報 特許第３８４４０４６号公報 特許第４４２６１３２号公報

プロジェクターなど高圧放電ランプが使用される装置では、一般的に定電力点灯が行なわれるため、放電ランプへ供給される電力は一定である。しかしながら、露光装置等では、定期的に照度測定を行い、入力電力を調整して定照度点灯を行なっている。

上述した点灯方式の場合、点灯中の電極温度を常に適正な範囲に維持することができない。そのため、電極温度が適正範囲でない状況において、ノイズが支配的な照度変動が生じやすい。例えば、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）の輝線を含むスペクトル光を発光する放電ランプの場合、輝線付近の放射スペクトルだけが変動する。

このようなノイズの支配的な照度変動の影響により、露光装置等において、誤った照度計測に基づいて入力電力を調整する状況が生じる。その結果、不必要な電力変動が頻繁に行なわれ、生産性を低下させるとともに、ランプ寿命に影響を与える。

一方、電極温度が適正範囲から外れることを防ぐため、入力電力の単位時間当たりの変動量を小さくすると、電力調整に時間がかかり、生産性を低下させる。

したがって、高圧放電ランプ等の放電ランプに対し定照度点灯を行なう間、電力変動に対して電極温度を適正な範囲に維持することが可能な点灯方式が必要とされる。

本発明の放電ランプ点灯方法は、交流ランプ電流を放電ランプに供給する放電ランプ点灯方法であって、放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置、高圧放電ランプを備えた露光装置等に適用可能である。

本発明の放電ランプ点灯方法は、電流パルスを発生、重畳させることなく、低周波矩形波電流に基づく交流ランプ電流の波形を、該交流ランプ電流よりも１周期が短い反転型の補正用信号に基づいて補正する。この波形補正において、該交流ランプ電流の半周期終了直前に最大電流値をもつ波形部分と、該最大電流値となる直前に最小電流値をもつ波形部分と、該半周期開始直後に該最大電流値よりも小さい極大電流値をもつ波形部分とを、交流ランプ電流に形成する。例えば、補正用信号として矩形波信号を適用することができる。

極大電流値、最小電流値、最大電流値をもつ波形電流を交流ランプ電流として生成することにより、再点弧の容易性、アーク放電位置の起点の矯正、そして、電極同一箇所を起点とするアーク放電発生が実現される。これは、アーク放電起点箇所の適正な電極温度の維持をもたらす。

極大電流値の波形部分、最大電流値の波形部分を効果的に生成することを考慮すると、該補正用信号の１周期後半部分の信号によって、該最大電流値および該極大電流値をもつ波形部分を該交流ランプ電流に形成することが可能である。また、該補正用信号の１周期前半部分の信号によって、該最小電流値をもつ波形部分を該交流ランプ電流に形成することも可能である。

また、アンダーシュート効果によって、該交流ランプ電流が、該極大電流値の直後に該最小電流値よりも大きい極小電流値をもつようにすることもできる。

アーク放電起点箇所の温度上昇と起点周囲の冷却を確実に行なうことを考慮すれば、該補正用信号の１周期前半部分の信号部分、すなわち、該最小電流値をもつ波形部分の期間（幅）は、該補正用信号の１周期後半部分の該最大電流値をもつ波形部分の期間よりも短くするのがよい。

本発明の他の局面における放電ランプ点灯装置は、直流電圧を所定の電圧値に変換する直流電圧変換手段と、低周波矩形波電流に基づいて、直流電圧の直流電流を交流ランプ電流に変換する直流／交流変換手段と、直流電圧変換手段において、直流／交流変換手段に送られる直流電圧の直流電流を、ＰＷＭ制御によって調整し、交流ランプ電流の波形を補正する交流ランプ電流補正手段とを備え、交流ランプ電流補正手段が、該交流ランプ電流よりも１周期が短い反転型の補正用信号に基づき、該交流ランプ電流の半周期終了直前に最大電流値をもち、該最大電流値の直前に最小電流値をもち、そして、該半周期開始直後に該最大電流値よりも小さい極大電流値をもつように、デューティー比を定めることを特徴とする。

本発明によれば、放電ランプに対し、適切な照度測定に基づいて安定した定照度点灯を実現することができる。

本実施形態である露光装置の概略的ブロック図である。 ランプ点灯部の概略的ブロック図である。 ランプ点灯部の各回路における信号波形を示した図である。 放電ランプに供給される交流ランプ電流を示した概略的波形図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態である露光装置の概略的ブロック図である。

露光装置１０は、フォトレジストなどの感光体を表面に形成した基板ＳＷに直接パターンを形成するマスクレス露光装置であって、放電ランプ２０、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）２２を備えている。放電ランプ２０からの照明光をパターン光として基板ＳＷに照射する。

放電ランプ２０は、ここでは高圧／超高圧水銀ランプなどの高圧放電ランプによって構成されており、ランプ点灯部２１によって点灯駆動される。放電ランプ２０から放射された光は、照明光学系（図示せず）によって平行光に修正された後、ＤＭＤ２２に導かれる。ＤＭＤ２２は、数μｍ〜数十μｍの微小矩形状マイクロミラーをマトリクス状に２次元配列させた光変調素子アレイ（例えば、１０２４×１２８０）であり、ＤＭＤ駆動回路２４によって駆動される。

図示しないワークステーションから送信されてくるＣＡＤ／ＣＡＭデータなどのベクタデータは、ラスタ変換回路２６において２次元ドットパターンのラスタデータに変換される。そして、ＤＭＤ駆動回路２４は、ラスタデータに応じて露光データをＤＭＤ２２へ送信する。

ＤＭＤ２２では、ＤＭＤ駆動回路２４から送られてくる露光データに基づいて、各マイクロミラーがそれぞれ選択的にＯＮ／ＯＦＦ制御される。ＯＮ状態のマイクロミラーにおいて反射した光は、投影光学系（図示せず）を経て、パターン像の光として基板ＳＷに照射される。

テーブル１２に搭載された基板ＳＷは、ステージ駆動機構１４によって走査方向に移動する。基板ＳＷの移動に伴って露光対象エリアが相対移動する間、所定の露光ピッチで露光動作が実行される。露光対象エリアが基板ＳＷ全体を移動することによって、パターンが基板全体に形成される。基板ＳＷの位置は、位置検出センサ１５によって検出される。

コントローラ３０は、ランプ点灯部２１等に制御信号を出力し、露光動作全体を制御する。露光動作の制御プログラムは、コントローラ３０内のＲＯＭ（図示せず）に格納されている。

露光装置１０は、定期的に照度測定を行なうため、放電ランプ２０の照度を測定する測光装置３４を備えており、測光装置３４は、測光駆動部３５によって位置制御される。照度測定の間、測光駆動部３５は、測光装置３４を光路上に配置し、測定が終了すると測光装置３４を退避位置へ移動させる。

コントローラ３０は、測定された照度に基づき、基板ＳＷに照射する光の光量を調整する。具体的には、放電ランプ２０への入力電力を調整することによって、定照度点灯制御が行われる。

図２は、ランプ点灯部の概略的ブロック図である。

ランプ点灯部２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４、フルブリッジ回路５６を備え、放電ランプ２０に対し、交流ランプ電流に基づくランプ入力電圧を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５４は、スイッチング素子、コンデンサ、ダイオード、チョークコイル、駆動回路等を備えた直流電圧変換回路であり、直流電源電圧５２によって入力される直流電圧値を、放電ランプ２０に供給する電圧値に変換する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータの代わりにチョッパ回路を設けることも可能である。

フルブリッジ回路５６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４から供給される直流電流を交流電流に変換する直流−交流変換回路であり、始動用のイグナイタ回路、および２組のトランジスタ対を備える。安定点灯下において、低周波矩形波生成回路６０から送られてくる低周波矩形波信号に基づき、２組のトランジスタ対を交互に導通させ、直流電流の極性を交互に反転させる。これにより、極性が半周期ごとに反転する矩形波の交流ランプ電流が生成される。

さらにランプ点灯部２１は、電流設定用直流信号出力回路６２、波形合成回路６４、波形補正信号出力回路６６、ＰＷＭ制御回路５８を備える。ＰＷＭ制御回路５８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４からフルブリッジ回路５６へ送られる直流電流量を調整可能であり、放電ランプ２０に供給する電圧レベルを調整するとともに、電流量を変化させることによって交流ランプ電流の波形を補正、変更する。以下、交流ランプ電流の波形補正について説明する。

図３は、ランプ点灯部の各回路における信号波形を示した図である。図４は、放電ランプに供給される交流ランプ電流を示した概略的波形図である。

低周波矩形波信号Ｌ１は、交流ランプ電流と同一周波数の矩形波信号であり、数十〜数百Ｈｚの低周波数に従い、低周波矩形波生成回路６０から出力される。フルブリッジ回路５６は、この矩形波信号に基づいて、極性が半周期ごとに交互に切り替わる交流ランプ電流を出力する。

一方、波形補正信号Ｃ１は、低周波矩形波信号の数倍〜数十倍の周波数をもつ高周波矩形波信号について、その１周期分を間欠的に抽出した信号である。波形補正信号Ｃ１の発生間隔は、低周波矩形波信号Ｌ１の周波数、すなわち、交流ランプ電流の周波数に対応している。

波形補正信号Ｃ１は、１周期の極性切換えが反転しており、１周期の最初の半周期となる前半部分は立下りで開始される波形であって、次の半周期となる後半部分は立ち上がりで始まる波形となっている（ここでは、このような波形を反転型と呼ぶ）。また、波形補正信号Ｃ１は、前半部分の波形となっている期間（幅）が後半部分の波形となっている期間よりも短い。

そして、波形補正信号Ｃ１に対して電流設定用直流信号出力回路６２から出力される一定値の直流信号Ｂ１を加算することにより、波形補正信号Ｃ１と同様な反転型の合成波形信号Ｄ１（補正用信号）が得られる。生成された合成波形信号Ｄ１は、ＰＷＭ制御回路５８へ送られる。

ＰＷＭパルス信号Ｅ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４の直流電流量を制御するパルス信号であり、デューティー比に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ５４のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ時間を調整する。図３には、ＰＷＭパルス信号が同一パルス幅のパルス信号として表されているが、ＰＷＭパルス信号Ｅ１の一部を拡大した部分波形に示すように、実際には、合成波形信号Ｄ１に従ってパルス幅が変調されている。

詳述すると、合成波形信号Ｄ１の出力期間以外は、一定パルス幅の波形であって、合成波形信号Ｄ１の最初の半周期となる前半部分ＤＮに応じてパルス幅ＥＮが一定パルス幅よりも短くなり、次の半周期となる後半部分ＤＭに応じてパルス幅ＥＭが一定パルス幅よりも大きくなる。すなわち、前半部分ＤＮに合わせてデューティー比が小さくなり、後半部分ＤＭに合わせてデューティー比が大きくなる。

その結果、デューティー比が小さい期間において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４からフルブリッジ回路５６へ供給される直流電流の電流量が減少し、デューティー比が大きい期間において電流量が増加する。これにより、合成波形信号Ｄ１（波形補正信号Ｃ１）に対応する波形部分を形成した交流ランプ電流が生成される。

図４に示す交流ランプ電流Ｐは、その半周期後半部分において、最大値ＫＭ、最小値ＫＮを有する。合成波形信号Ｄ１は、その１周期終了タイミングが低周波矩形波信号Ｌ１の立下りに対応している。

そのため、合成波形信号Ｄ１の波形に対応した波形部分が形成されることになり、交流ランプ電流Ｐの半周期終了直前に、絶対値として最大となる電流値ＫＭが得られ、また、最大電流値ＫＭの直前には、絶対値として最小となる電流値ＫＮが得られる。最小電流値ＫＮの得られる期間は、最大電流値ＫＭの得られる期間よりも短い。

その一方、合成波形信号Ｄ１の周期は、低周波矩形波信号Ｌ１の周期と同じであるが、低周波矩形波信号Ｌ１に対して位相がわずかに遅れている。その結果、合成波形信号Ｄ１の１周期終了タイミングは、低周波矩形波信号Ｌ１の立下りタイミングからずれている。

合成波形信号Ｄ１の後半部分ＤＭの一部は、デューティー比の大きいパルス幅ＥＭにより、極性反転後の交流ランプ電流の波形に影響を与える。これにより、反転直後の電流量が増加する。このときの絶対値としての電流値ＰＭは、最大電流値ＫＭより小さい（ここでは、極大電流値という）。

一方で、交流ランプ電流Ｐが極性反転直後に極大電流値ＰＭを持つと、その直後の電流値が小さくなる。これは、アンダーシュート効果に起因する。絶対値としての電流値ＰＮは、最小電流値ＫＮより大きい（ここでは、極小電流値という）。

このような交流ランプ電流波形Ｐによってランプ点灯が行なわれることにより、電極温度が常に適正な範囲に維持される。まず、陰極フェーズに切り替わることによってアーク放電の起点を設けるとき、極大電流値ＰＭが流れることによって瞬間的に電極が加熱されることになり、再点弧を容易にする。

そして、電極の瞬間的加熱直後に極小電流値ＰＮが生じることにより、アーク放電の起点となる電極先端部以外が冷却されることになり、アーク放電の起点の位置が適正な位置に矯正され、陰極フェーズの間、安定化する。

さらに、陰極フェーズから陽極フェーズへ切り替わる交流ランプ電流Ｐの半周期終了前には、最小電流値ＫＮ、最大電流値ＫＭが続けて得られることなり、最大電流値ＫＭを得た直後に交流ランプ電流Ｐの極性が反転する。

アーク放電の起点となっている電極先端部以外を一度冷却することで、アーク放電の起点の位置が適正な位置に矯正された後、電極先端部のみが瞬間的に高温化する。これにより、次の陰極フェーズにおいてアーク放電の起点が電極先端部の同一箇所で生じることになる。特に、最大電流値ＫＭの期間が最小電流値ＫＮの期間よりも長いため、アーク放電起点周囲の冷却と起点部分の温度上昇が確実に実現される。

その結果、定照度点灯のため電力変動させた場合でも、電極全体としての温度がアーク放電を安定化させる適正範囲となり、短時間で素早く安定点灯状態に移行することで放電が安定する。特に、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）の輝線を含むスペクトル光を発光する放電ランプにおいて、輝線付近の放射スペクトルだけが変動する場合にその効果が顕著である。

このような電極温度の維持は、交流ランプ電流Ｐの全期間に渡る。したがって、定照度点灯制御を行う場合、ノイズの支配する照度変動が抑制され、入力電力の調整に従って放射照度が正確に検出されることになる。その結果、無駄な電力調整を行なうことなく、安定した定照度点灯を実現できる。

また、合成波形信号Ｄ１によって、最大電流値ＫＭ、極大電流値ＰＭをもつ波形部分を形成することにより、効果的に交流ランプ電流Ｐの半周期開始、終了時の波形部分を同時に修正、変更している。

なお、定照度点灯において電力を増加させる場合、最小電流値ＫＮを定電力時よりも小さくするか、その期間を長く設定してもよい。逆に、電力を減少させる場合には、最小電流値ＫＮを定電力時よりも大きくするか、または、その期間を短く設定するのがよい。

実際、水銀０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上が放電管内に封入された高圧放電ランプを用いて定照度点灯制御を行なったところ、上記交流ランプ電流を供給したときの電力調整頻度、およびそのときの調整電力振幅が、従来のパルス放電ランプ電流を供給した場合の電力調整頻度および調整電力振幅に比べ、著しく小さく、電力調整にかかる時間を短縮することができた。

このように本実施形態によれば、ランプ点灯部２１が、低周波矩形波点灯方式に従って交流ランプ電流を放電ランプ２０に供給し、放電ランプ２０を交流作動させる。そして、反転型の合成波形信号Ｄ１（波形補正信号Ｃ１）に基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４からフルブリッジ回路５６へ送られる直流電流量をＰＷＭ制御によって調整する。その結果、半周期開始直後に極大電流値ＰＭ、その直後に極小電流値ＰＮをもち、半周期終了直前に最小電流値ＫＮ、そして最大電流値ＫＭをもつ交流ランプ電流Ｐが生成される。

なお、小電流時などにおいて、アンダーシュート効果が働かないため極小電流値の波形部分が生じない、あるいは意図的に極小電流値を交流ランプ電流に持たせなくても、アーク放電の再点弧が電極同一箇所で生じているので、電極温度は十分適正な範囲で維持される。また、極大電流値をもつ波形部分については、合成波形信号以外の信号によって形成する構成にすることも可能である。

さらに、補正信号としては、矩形波以外の波形による信号を適用することも可能である。

２０ 放電ランプ
２１ ランプ点灯部
５４ ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換手段）
５６ フルブリッジ回路（直流／交流変換手段）
５８ ＰＷＭ制御回路
６０ 低周波矩形波生成回路
６２ 電流設定用直流信号出力回路
６４ 波形合成回路
６６ 波形補正信号出力回路
Ｃ１ 波形補正信号
Ｄ１ 合成波形信号
Ｅ１ ＰＷＭパルス信号
Ｌ１ 低周波矩形波信号
Ｐ 交流ランプ電流

Claims (9)

1. 交流ランプ電流を放電ランプに供給する放電ランプ点灯方法であって、
   電流パルスを発生、重畳させることなく、低周波矩形波電流に基づく交流ランプ電流の波形を、該交流ランプ電流よりも１周期が短い反転型の補正用信号に基づいて補正し、
   該交流ランプ電流の半周期終了直前に最大電流値をもつ波形部分と、該最大電流値となる直前に最小電流値をもつ波形部分と、該半周期開始直後に該最大電流値よりも小さい極大電流値をもつ波形部分とを、交流ランプ電流に形成することを特徴とする放電ランプ点灯方法。
2. 該補正用信号の１周期後半部分の信号によって、該最大電流値および該極大電流値をもつ波形部分を該交流ランプ電流に形成することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ点灯方法。
3. 該補正用信号の１周期前半部分の信号によって、該最小電流値をもつ波形部分を該交流ランプ電流に形成することを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の放電ランプ点灯方法。
4. 該交流ランプ電流が、該極大電流値の直後に該最小電流値よりも大きい極小電流値をもつことを特徴とする請求項２乃至３のいずれかに記載の放電ランプ点灯方法。
5. 該補正用信号の１周期前半部分の信号によって形成される該最小電流値をもつ波形部分の期間は、該補正用信号の１周期後半部分の信号によって形成される該最大電流値をもつ波形部分の期間よりも短いことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の放電ランプ点灯方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載された点灯方法によって放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置。
7. 高圧放電ランプと、
   請求項１乃至５のいずれかに記載された点灯方法によって、前記高圧放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置と
   を備えた露光装置。
8. 直流電圧を所定の電圧値に変換する直流電圧変換手段と、
   低周波矩形波電流に基づいて、直流電圧の直流電流を交流ランプ電流に変換する直流／交流変換手段と、
   前記直流電圧変換手段において、前記直流／交流変換手段に送られる直流電圧の直流電流を、ＰＷＭ制御によって調整し、交流ランプ電流の波形を補正する交流ランプ電流補正手段とを備え、
   前記交流ランプ電流補正手段が、該交流ランプ電流よりも１周期が短い反転型の補正用信号に基づき、該交流ランプ電流の半周期終了直前に最大電流値をもち、該最大電流値の直前に最小電流値をもち、そして、該半周期開始直後に該最大電流値よりも小さい極大電流値をもつように、デューティー比を定めることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
9. 高圧放電ランプと、
   請求項８に記載された、前記高圧放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置と
   を備えたことを特徴とする露光装置。

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