JP2024057644A - 放電ランプ点灯装置、およびそれを備える露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イグナイターを電源の近傍に配置して放電ランプからの紫外線によるイグナイターへの悪影響をなくすること、すなわち放電ランプの近傍に配置する必要がない放電ランプ点灯装置を提供する。【解決手段】 直流点灯型の放電ランプＬを点灯させる放電ランプ点灯装置Ａに設けられており、延長ケーブルＣを介して放電ランプＬを始動・点灯する放電ランプ点灯回路１０を、放電ランプ点灯用のバラスト１２と、点灯始動用のイグナイター１４とで構成する。イグナイター１４を、入力側がバラスト１２の出力側に接続されており、出力側が放電ランプＬに接続されている逆流防止ダイオード２０と、逆流防止ダイオード２０の出力側に接続され、点灯始動時に放電ランプＬに印加される直流の高電圧を出力する高圧回路２２とで構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置における光源装置として使用される放電ランプを始動、点灯するための放電ランプ点灯装置、およびそれを備える露光装置に関する。

従前より、露光装置には、露光用光を放射する光源装置として放電ランプが使用されている。この放電ランプを始動、点灯させる際には、放電ランプにおける電極間に高い電圧を印加させる必要があり、そのような高電圧を放電ランプに印加する放電ランプ点灯装置が光源装置に設けられている。

例えば、特許文献１には、放電ランプ点灯回路が開示されており、当該回路における起動器１９は、パルス状の高電圧を発生するイグナイターと考えられる。

特開平７－５７８８８号公報

通常この種のイグナイターの高電圧は半値幅が数１０ns～数１００nsと非常に小さいので、放電ランプ点灯装置と放電ランプとの間にあるケーブルの浮遊容量によって波高値が低下する。

このため、ステッパなどの露光装置においては、電源からランプ間のケーブルが長い場合、当該ケーブルにおける浮遊容量の影響を少なくするためにイグナイターを放電ランプに近接して配置する必要があった。あまり近接して配置すると、放電ランプからの紫外線や熱の影響を受けてイグナイターが劣化する問題がある。

したがい、この装置において、放電ランプ点灯装置と放電ランプとの間にあるケーブルによる高圧低下の問題と紫外線によるイグナイターの劣化の問題とを同時に解決することが望まれていた。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、イグナイターを電源の近傍に配置して放電ランプからの紫外線によるイグナイターへの悪影響をなくすること、すなわち放電ランプの近傍に配置する必要がない放電ランプ点灯装置を提供することにある。

本発明の一局面によれば、
直流点灯型の放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置であって、
延長ケーブルを介して、前記放電ランプを始動・点灯する放電ランプ点灯回路を備えており、
前記放電ランプ点灯回路は、放電ランプ点灯用のバラストと、前記バラストに接続された点灯始動用のイグナイターとで構成されており、
前記イグナイターは、
入力側が前記バラストの出力側に接続されており、出力側が前記放電ランプに接続されている逆流防止ダイオードと、
前記逆流防止ダイオードの前記出力側に接続された、点灯始動時に前記放電ランプに印加される直流の高電圧を出力する高圧回路とで構成されている
放電ランプ点灯装置が提供される。

好適には、
前記放電ランプは複数であり、
前記放電ランプ点灯回路は、複数の前記放電ランプを個別に点灯あるいは遮断する機能を有しており、
複数の前記放電ランプを点灯させる際には、前記放電ランプを１台ずつ順次始動する。

好適には、
前記高圧回路は、
前記逆流防止ダイオードの前記出力側に接続された整流ダイオードと、
前記逆流防止ダイオードの前記入力側に接続されたトリガ回路と、
昇圧トランスとで構成されており、
前記昇圧トランスの一次側は前記トリガ回路に、前記昇圧トランスの二次側出力の一端は前記整流ダイオードに接続される。

好適には、
前記昇圧トランスの前記二次側出力のもう一方の一端は前記逆流防止ダイオードの前記入力側に接続されている。

好適には、
前記高圧回路は、
前記逆流防止ダイオードの前記出力側に接続された整流ダイオードと、
ＣＣＦＬインバータとで構成されており、
前記ＣＣＦＬインバータのトランスにおける二次側の第一の出力は、前記整流ダイオードに接続されており、
第二の出力は、前記逆流防止ダイオードの前記入力側に接続されている。

好適には、
前記延長ケーブルは、ＰＴＦＥ電線である。

本発明の他の局面によれば、
上述した放電ランプ点灯装置を備える露光装置が提供される。

本発明によれば、放電ランプ点灯回路１０におけるイグナイターが、逆流防止ダイオードと、当該逆流防止ダイオードの出力側に接続された、点灯始動時に放電ランプに印加される直流の高電圧を出力する高圧回路とで構成されており、直流の高電圧を出力するので、放電ランプと放電ランプ点灯回路とを電気的に接続する延長ケーブルにおける浮遊容量による高圧低下の影響をほとんど無視することができる。

これにより、放電ランプと放電ランプ点灯回路との間の距離を長くとって放電ランプからの紫外線によるイグナイターへの悪影響（イグナイターに使用される樹脂材料の紫外線劣化等）を回避できる放電ランプ点灯装置を提供することができる。

本発明が適用された放電ランプ点灯装置Ａの一例を示す図である。 本発明が適用された放電ランプ点灯回路１０の一例を示す図である。 ＤＣタイプの放電ランプ点灯回路の一例と、延長ケーブルＣと等価な回路の一例とを示す図である。 ＡＣタイプの放電ランプ点灯回路の一例と、延長ケーブルＣと等価な回路の一例とを示す図である。 実施形態に係る放電ランプ点灯回路１０の一例を示す図である。 複数の放電ランプ点灯回路１０で複数の放電ランプＬを点灯させる場合について説明するための図である。 順次始動する時間間隔Trが高圧の発生期間Tstより短い場合を示す図である。 順次始動する時間間隔Trが高圧の発生期間Tstより長い場合を示す図である。 変形例１に係る放電ランプ点灯回路１０の一例を示す図である。 変形例２に係る放電ランプ点灯回路１０の一例を示す図である。 変形例３に係る複数の放電ランプＬの一例を示す図である。 変形例３に係る複数の放電ランプＬの別の一例を示す図である。

本発明が適用された実施形態に係る放電ランプ点灯装置Ａの放電ランプ点灯回路１０は、延長ケーブルＣを介して直流点灯型の放電ランプＬを点灯させるものであり、図１および図２に示すように、大略、バラスト１２と、イグナイター１４とを備えている。なお、本実施形態では、複数の放電ランプＬが使用されているが、ひとつの放電ランプＬを使用してもよい。また、放電ランプ点灯回路１０に対する放電ランプＬからの紫外線の影響を避けるため、延長ケーブルＣの長さは、例えば５ｍから１０ｍ程度を確保するのが望ましい。

また、本実施形態に係る放電ランプ点灯装置Ａは、放電ランプ点灯回路１０と延長ケーブルＣと点灯制御装置Ｚとで構成されている。

放電ランプ点灯回路１０は、点灯制御装置Ｚによって、複数の放電ランプＬを個別に点灯あるいは遮断する機能を有しており、複数の放電ランプＬを点灯させる際には、放電ランプＬを１台ずつ順次始動するようになっている。

複数の放電ランプＬを同時に始動する場合、放電ランプＬの始動時における突入電流が大きくなるので入力電流が一時的に巨大になり、遮断器等が最悪突入電流によって誤作動するおそれがある。放電ランプＬを１台ずつ順次始動することでこの影響は緩和される。大型の１灯ランプを点灯する大型電源の場合、突入電流が大きくなるので装置の電源供給側は入力電流が一時的に巨大になってしまい、この巨大な突入電流によって遮断器等が誤動作するおそれがある。

また、複数の放電ランプＬのうち1灯でも点灯成功すれば、直ちに紫外線が放出され、別の放電ランプのタングステン電極にあたって光電子放出の作用を発揮することになり、そして次々連鎖的に点灯していくことになる。1回の始動で放電ランプに印加される高圧期間は通常数秒で制限されるので、同時に始動すると、この紫外線の恩恵を受ける機会は短くなる。順次始動にすればこの機会は有利である。

バラスト１２は、放電ランプＬの点灯を安定的に維持するための定電流回路（定電力回路であってもよい）である。本実施形態では、直流点灯型の放電ランプＬを点灯させるので、バラスト１２からも直流が供給される。

なお、本明細書全体を通して、「直流」とは、「波形が一直線の直流」だけに限られるものではなく、例えば、交流成分が残存する直流であってもよい。

イグナイター１４は、バラスト１２に接続されており、放電ランプＬの点灯始動に用いられる回路であり、大略、逆流防止ダイオード２０と、高圧回路２２とを備えている。

逆流防止ダイオード２０は、その入力側（アノード側）がバラスト１２のプラス側に接続されており、出力側（カソード側）が延長ケーブルＣを介して放電ランプＬの陽極側に接続されている。

高圧回路２２は、点灯始動時に放電ランプＬに印加される直流の高電圧を出力するための回路であり、この高圧回路２２で発生する高圧出力は逆流防止ダイオード２０の出力側（カソード側）に接続されている。これにより高圧は放電ランプＬ側には供給されるが、バラスト１２側には遮断されている。

高圧回路２２が供給する波形として直流が効果的な理由は以下の通りである。放電ランプ点灯回路１０と放電ランプＬとの接続には延長ケーブルＣが使用されており、さらに放電ランプＬは複数台で構成されるので、延長ケーブルＣも複数束ねられている。

延長ケーブルＣ間には浮遊容量が存在するので、図３に示すように、延長ケーブルＣのインダクタンス成分と浮遊容量成分によりＬＣ分布回路が形成される。放電ランプ点灯回路１０にはＡＣタイプとＤＣタイプとがあり、それぞれのイグナイタ出力電圧が延長ケーブルＣによりどの程度影響を受けるのか実験してみた。なお、延長ケーブルＣはUL3239（耐圧20kVdc）5mを軽くツイストにして使用、ＤＣタイプはフェニックス製バラストPSD-1097（サイダック（登録商標、以下同じ）変更して高圧HV≒1kV）を使用、ＡＣタイプはオスラム製VIPバラストを使用した。

ＤＣタイプの場合、延長ケーブルＣによる高圧維持率は100%で高圧低下が認識できない。一方、ＡＣタイプの場合は84%と大きく低下した。ＡＣタイプの場合、図４のようにイグナイター１４はＬＣ直列共振回路を構成している回路が主流である。バラスト１２からの駆動パルス(160KHz～130kHzで掃引)を受けて３次高調波近傍（共振fo≒400kHzより高めの領域）で共振により高圧を発生する。ここで共振用容量は2200pF３直列であり約730pFである。

一方、延長ケーブルＣの浮遊容量Cpは、実測で約150pFであった。Cpにより等価的な共振用容量は730pF+150pFと1.2倍にも大きくなったので共振周波数は1/√(1.2)≒0.9倍と低下してしまう。その結果、動作周波数が共振foから大きくずれてしまい、高圧が低下する結果となった。

仮に共振回路の容量を大きく選定すると、同じfoなら共振用インダクタ（図では100μH）が小さくなり、今度は延長ケーブルＣのラインインダクタ(Ls≒5μH)が無視できなくなる。

このように延長ケーブルＣの等価的なＬＣ回路がＡＣタイプの共振回路には影響が大きくなる。一方、ＤＣタイプの場合は、延長ケーブルＣの浮遊容量Cpはイグナイタ出力立ち上がりの時定数には影響するものの、高圧レベルには直接影響しない。しいて言えば高圧レベルに影響するのは延長ケーブルの直列抵抗成分位であり、これはほとんど無視できる。

一例に係る高圧回路２２は、図５に示すように、整流ダイオード２４と、トリガ回路２６と、昇圧トランス２８とを有している。

整流ダイオード２４は、逆流防止ダイオード２０の出力側（カソード側）に、その出力側（カソード側）が接続されている。

トリガ回路２６は、逆流防止ダイオード２０の入力側（アノード側）に接続されている。

昇圧トランス２８は、その一次側がトリガ回路２６に接続されており、その二次側の一端が整流ダイオード２４の入力側（アノード側）に接続されている。

（放電ランプ点灯回路１０の特徴）
本実施形態に係る放電ランプ点灯回路１０によれば、放電ランプ点灯回路１０におけるイグナイター１４が、逆流防止ダイオード２０と、当該逆流防止ダイオード２０の出力側に接続された、点灯始動時に放電ランプＬに印加される直流の高電圧を出力する高圧回路２２とで構成されているので、放電ランプＬと放電ランプ点灯回路１０とを電気的に接続する延長ケーブルＣにおける浮遊容量による高圧低下の影響をほとんど無視することができる。

好適には、放電ランプＬは複数使用されるので、電源も複数で構成され、個々の電源の電力は従来の大型電源に比べて例えば３００Ｗと低くできる。これにより、比較的細い延長ケーブルＣを使用することができるので、放電ランプＬと放電ランプ点灯回路１０との間の距離を長くとって放電ランプＬからの紫外線によるイグナイター１４への悪影響を回避しつつ、ハンドリングの問題も生じ難い放電ランプ点灯装置Ａを提供することができる。

なお、延長ケーブルＣには、ＰＴＦＥ電線を使用することが好ましい。この理由は、ＰＴＦＥ電線が、放電ランプＬからの紫外線による影響が最も小さく、延長ケーブルＣの絶縁体が最も劣化しにくいからである。

また、複数の放電ランプＬを点灯させる際に、放電ランプＬを１台ずつ順次始動する際の時間間隔について説明する。図６は２台の放電ランプ点灯回路１０Ａと１０Ｂによる放電ランプ点灯装置Ａを示す。１０Ａと１０Ｂの延長ケーブルＣ間の浮遊容量をCpで示す。図７と図８は２台の放電ランプ点灯回路１０から出力される直流の高圧波形HV(A)とHV(B)を示し、図７は順次始動する時間間隔Trが高圧の発生期間Tstより短い場合（Tr＜Tst）を示し、図８はTr＞Tstの場合を示す。

Tr＜Tstの場合、HV(B)の立ち上がりがCpによる容量結合によりHV(A)に重畳するので高圧が一瞬高めになり逆流防止ダイオードに印加される逆方向電圧が一瞬高くなる。これが逆流防止ダイオード２０の逆方向耐電圧を超えると、最悪、逆流防止ダイオードが破壊する恐れがある。

次に、Tr＞Tstの場合、HV(B)の立ち上がりがCpによる容量結合によりHV(A)に重畳するのはHV(A)の高圧発生が終了した後なので重畳電圧は低く、逆流防止ダイオード２０への影響はない。

上記高圧重畳の現象は２台の放電ランプ点灯回路１０Ａと１０Ｂに接続された放電ランプＬが点灯失敗し不点灯になった場合に生じる。１０ＡのランプがTr以内に点灯してしまえば、放電ランプ点灯回路１０Ａの出力インピーダンスは著しく低くなるのでHV(B)による重畳電圧はほぼゼロである。

（変形例１）
上述した実施形態に係る高圧回路２２（図５）の場合、トリガ回路２６のＲＣにより充電し、サイダックのＯＮ電圧に達すればサイダックが短絡状態になるのでコンデンサが放電して繰り返す。その結果、トリガ回路２６におけるコンデンサ端子間電圧波形は鋸波になる。サイダックが短絡すると急速に放電し昇圧トランス２８にはパルス状の電流が流れる。昇圧後整流されて直流の高圧電圧を出力する。実際の回路は図のように逆流防止ダイオードに並列に平滑コンデンサ２９が接続されている。

昇圧トランス２８の二次側に出力するパルス状の高圧は整流ダイオード２４で整流され、直流高圧HV1としてそのまま放電ランプＬの両端に印加される。HV1は同時にバラスト１２出力と逆流防止ダイオード２０にも分圧して印加される。逆流防止ダイオード２０の逆方向インピーダンスが高いのでHV1は殆ど逆流防止ダイオード２０に印加される。従って逆流防止ダイオード２０の逆方向耐電圧はHV1より高くなければならない。万一、逆流防止ダイオード２０が破壊して短絡状態になると高圧HV1はバラスト１２の出力に印加され、最悪バラスト１２が破損する。

このようなバラスト１２の破損を回避するため、実施形態に係る高圧回路２２に変えて、図９に示すように、昇圧トランス２８の二次側出力の一端は整流ダイオードに接続し、昇圧トランス２８の二次側出力のもう一方の一端は逆流防止ダイオード２０の入力側（アノード側）に接続してもよい。

この場合、昇圧トランス２８の二次側は整流ダイオード２４で整流され、直流高圧HV1として逆流防止ダイオード２０の両端に印加される。放電ランプＬにはバラスト１２出力の開放電圧OCV(OPEN CIRCUIT VOLTAGE＝例えば350V)とHV1の加算電圧(HV2=OCV+HV1)が印加される。これにより、万一、逆流防止ダイオード２０が破壊して短絡状態になっても高圧はバラスト出力に印加されない。

（変形例２）
さらに言えば、図１０に示すように、高圧回路２２を、逆流防止ダイオード２０の出力側（カソード側）に接続された整流ダイオード２４と、ＣＣＦＬインバータ３０とで構成してもよい。ＣＣＦＬインバータ３０のトランスにおける二次側の第一の出力は、整流ダイオード２４に接続されており、第二の出力は、逆流防止ダイオード２０の入力側（アノード側）に接続されている。

ＣＣＦＬインバータ３０のトランス出力は高周波（例えば100kHz）の連続波となるので、整流ダイオード２４の出力は安定した直流の高圧を得ることができる。

（変形例３）
また、複数の放電ランプＬを個別に点灯あるいは遮断する場合、これを「カセット単位」で行ってもよい。具体的には、図１１に示すように、複数の放電ランプＬが配置されたカセット４０を複数用意し、これらカセット４０を互いに隣接するように配置する。図１１に示す例では、１６個の放電ランプＬが配置されるカセット４０が９個用意されており、これら９個のカセット４０が互いに隣接するように配置されている。なお、図１１における白丸は点灯状態の放電ランプＬを示しており、黒丸は消灯状態の放電ランプＬを示す。

そして、放電ランプ点灯回路１０は、カセット４０ごとに、放電ランプＬを順に点灯（あるいは遮断）させていく。図１１（ａ）は各カセット４０における１つ目の放電ランプＬが点灯した状態、図１１（ｂ）は各カセット４０における２つ目の放電ランプＬが点灯した状態、そして図１１（ｃ）は各カセット４０における３つ目の放電ランプＬが点灯した状態を示している。

もちろん、カセット４０ごとに複数個（例えば、２つ）ずつの放電ランプＬを順に点灯（あるいは遮断）させてもよい。図１２（ａ）は各カセット４０において２つの放電ランプＬが点灯した状態、図１２（ｂ）は各カセット４０において４つの放電ランプＬが点灯した状態、そして図１２（ｃ）は各カセット４０において４つの放電ランプＬが点灯した状態を示している。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…放電ランプ点灯回路、１２…バラスト、１４…イグナイター、２０…逆流防止ダイオード、２２…高圧回路、２４…整流ダイオード、２６…トリガ回路、２８…昇圧トランス、２９…平滑コンデンサ、３０…ＣＣＦＬインバータ
４０…カセット
Ａ…放電ランプ点灯装置、Ｌ…放電ランプ、Ｃ…延長ケーブル、Ｚ…点灯制御装置

Claims (7)

1. 直流点灯型の放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置であって、
   延長ケーブルを介して、前記放電ランプを始動・点灯する放電ランプ点灯回路を備えており、
   前記放電ランプ点灯回路は、放電ランプ点灯用のバラストと、前記バラストに接続された点灯始動用のイグナイターとで構成されており、
   前記イグナイターは、
   入力側が前記バラストの出力側に接続されており、出力側が前記放電ランプに接続されている逆流防止ダイオードと、
   前記逆流防止ダイオードの前記出力側に接続された、点灯始動時に前記放電ランプに印加される直流の高電圧を出力する高圧回路とで構成されている
   放電ランプ点灯装置。
2. 前記放電ランプは複数であり、
   前記放電ランプ点灯回路は、複数の前記放電ランプを個別に点灯あるいは遮断する機能を有しており、
   複数の前記放電ランプを点灯させる際には、前記放電ランプを１台ずつ順次始動する
   請求項１に記載の放電ランプ点灯装置。
3. 前記高圧回路は、
   前記逆流防止ダイオードの前記出力側に接続された整流ダイオードと、
   前記逆流防止ダイオードの前記入力側に接続されたトリガ回路と、
   昇圧トランスとで構成されており、
   前記昇圧トランスの一次側は前記トリガ回路に、前記昇圧トランスの二次側出力の一端は前記整流ダイオードに接続される
   請求項１または２に記載の放電ランプ点灯装置。
4. 前記昇圧トランスの前記二次側出力のもう一方の一端は前記逆流防止ダイオードの前記入力側に接続されている
   請求項３に記載の放電ランプ点灯装置。
5. 前記高圧回路は、
   前記逆流防止ダイオードの前記出力側に接続された整流ダイオードと、
   ＣＣＦＬインバータとで構成されており、
   前記ＣＣＦＬインバータのトランスにおける二次側の第一の出力は、前記整流ダイオードに接続されており、
   第二の出力は、前記逆流防止ダイオードの前記入力側に接続されている
   請求項１または２に記載の放電ランプ点灯装置。
6. 前記延長ケーブルは、ＰＴＦＥ電線である
   請求項１または２に記載の放電ランプ点灯装置。
7. 請求項１に記載の放電ランプ点灯装置を備える露光装置。
   

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