JP3065581B2 - ショートアーク型水銀ランプ、および紫外線発光装置 - Google Patents
ショートアーク型水銀ランプ、および紫外線発光装置Info
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Description
水銀ランプに関する。特に、半導体露光装置に用いられ
る高集光効率で光安定性のよいショートアーク型水銀ラ
ンプに関する。
は中心波長365nm(以下i線と称す)の紫外光を放射
するショートアーク型水銀ランプが使われる。この半導
体集積回路の集積度は年々高まり、それに伴って露光時
の解像度の要求も高くなっている。さらに、ウエハーの
大口径化もあって、露光面積も大きくなり、あるいは高
解像度を達成するために利用されている変形照明技術に
よって光源からの紫外光放射量(以下、単に「放射量」
ともいう)の増大が要求されている。
表す指標であるスループットを高めることも要求され
る。つまり、光源としてのランプにはより高い放射効率
が要求され、この光源を含む発光装置には高い集光効率
が要求される。
ランプへの入力電力を増やす方法が考えられている。し
かしながら、ランプへの入力電力を増やすと、電極への
熱的負荷が高くなり、電極物質の蒸発が激しくなって、
発光管の黒化を速めることになる。また、入力電力を増
やすと必然的に、発光管の外観寸法が大きくなり、ラン
プから発生する熱を除去するための排風装置も大型化す
る。このため、i線の強い放射を得るために、ランプへ
の入力電力を増やす方法は好まれていない。
とする課題は、クリアーな発光管を長時間維持し、i線
の強い放射を得ることができるショートアーク型水銀ラ
ンプ、および紫外線発光装置を提供することである。
に、この発明のショートアーク型水銀ランプは、石英製
の発光管の中に陰極と陽極が対向して配置しており、こ
の発光管の中に水銀と希ガスが封入されており、少なく
とも希ガスとしてアルゴン(Ar)、もしくはクリプト
ン(Kr)が、室温で1.0〜8.0atm封入されてお
り、陽極と陰極を結ぶ方向を軸方向としたとき、当該発
光管の軸方向の長さをL(mm)、軸方向において陰極が発
光空間内に突き出た部分の長さをX(mm)とする時、0.
3≦ X/L ≦ 0.6であり、かつ、前記発光管の
軸方向に垂直な断面の方向を径方向としたとき、その最
大値をD(mm)とする時、0.85D≧(X+5)、かつ、
0.85D≧L−(X+5)であることを特徴とする。
希ガスとしてアルゴン、もしくはクリプトンを封入する
のではなく、アルゴンとクリプトンの混合ガスを合計値
で室温で1.0〜8.0atm封入することを特徴とす
る。
銀ランプと、この水銀ランプに所定の電力を供給する電
源よりなることを紫外線発光装置であることを特徴とす
る。
ランプは、少なくとも数気圧のアルゴン(Ar)又はク
リプトン(Kr)、あるいはその混合ガスをバッファガ
スとして封入することを特徴とする。このことによっ
て、i線のスペクトル幅を広げることなく、露光面の放
射照度を十分に向上できることが実験によって確認され
ている。具体的には、数気圧程度のアルゴンガス等を封
入した場合は、1気圧程度のキセノンガス(Xe)を封
入した場合に比較して、10〜20%の放射効率(この
効率向上分は電力換算で20〜40%の増加分に相当す
る)が高められている。
ルゴン(Ar)又はクリプトン(Kr)、あるいはその
混合ガスをバッファガスとして所定の圧力で封入した条
件下において、発光管(以下、「発光管」ともいう)の
寸法、具体的には、陽極と陰極を結ぶ方向を軸方向とし
て、その軸方向の長さの値、この軸方向において陰極が
発光空間内に突き出た部分の長さの値、さらには、軸方
向に垂直な断面の方向を径方向としたときその最大値、
を考慮した数値限定をすることを特徴とする。これは封
入されるバッファガスが、同時に封入されている水銀に
対して、その封入モル数が大きい場合に、このバッファ
ガスは、発光管内における熱的振る舞いという点で大き
な特徴を発揮して、これが理由でアークの特性に強い影
響を与えているからと考えられる。
のように推測される。すなわち、Ar、Krガスと、Xeガス
の熱伝導率の差に依存すると考えられる。熱伝導率が大
きいと熱エネルギーの伝達速度が大きくなり、アーク中
心の温度は容易に発光管内表面付近まで伝達され、また
逆に、発光管内表面付近の温度も容易にアーク中心まで
伝達される。ここで、Arガス、Krガス、Xeガスの
熱伝導率κ(10-4W/cm/K)は、(Ar:1.63)>
(Kr:0.88)>(Xe:0.50)の順になってい
る。つまり、ArガスやKrガスを封入した水銀ランプは、
Xeガスを封入した水銀ランプに比べて、発光管の外表面
が排風冷却などされると容易にその影響を受けてしま
い、これが原因で発光管内表面近傍の低温化、およびア
ーク中心の低温化を招くことになる。
度の低温化だけでなく、発光空間内におけるガスの対流
にも大きな影響を及ぼす。このガスの対流によってはア
ークの安定性にも影響を与えることになり、不所望なガ
ス対流が発生するとアークの安定性を害して揺らぎを発
生させることにもなりかねない。
いは不所望なガス対流によって生ずるアークの揺らぎ
は、半導体露光装置においては露光面の照度の揺らぎや
不均一性を生じ、さらには、露光ムラや解像度の低下を
招いてしまう。
スを封入した水銀ランプは、ランプの形状に着目して、
発光管の軸方向の長さと、陰極が発光空間内に突出する
長さを所定の関係にすることにより、安定したガス対流
を得ることを見出した。そして、このようなガス対流の
下では、ガス対流によるアーク揺らぎは良好に防止でき
ることは当然のこと、アーク中心温度の低温化に基づき
アークの揺らぎも良好に防止できることを見出したもの
である。また、上記の発光管の軸方向の長さと、陰極が
発光空間内に突出する長さに加えて、径方向の最大値と
の関係を所定範囲にすることによっても、アークの揺ら
ぎと良好に防止できることをも見出している。
いうことを説明すれば、発光管内のガス対流は、電極か
らの放射熱、および内部ガスが電極と衝突することで当
該ガスが電極からエネルギーを受け取り、これが原因で
上昇気流を形成する。この上昇気流は電極に沿って上昇
する。そして、発光管の内表面はアークの中心に比べて
温度が十分に小さいので、この上昇気流はランプの内表
面に沿って下降することになる。
し、発光管の軸方向の長さをL(mm)、その軸方向におい
て陰極が発光空間内に突出する長さをX(mm)とすると
き、0.3 ≦ X/L ≦0.6 であれば、アーク
の揺らぎを防止した安定な点灯ができることを見出して
いる。これは、X/Lが大きすぎると、相対的に陽極の
長さが短くなり、陽極からの熱放射が小さくなるので陽
極の温度を上昇させることになる。結果として、陽極物
質の蒸発を促進させ、発光管の黒化を発生させてしま
う。また、X/Lが小さすぎると、陰極突出長が短すぎ
るため、陰極に沿った上昇気流を十分に得ることができ
ず、結果として発光管内面に沿った下降気流が強くなっ
て優勢になる。結果として、不安定な上昇気流によって
アークを不安定にさせてしまう。
プでは、軸方向において陰極が発光空間内に突き出た部
分の長さX(mm)と、発光管の軸方向の長さL(mm)に
加えて、発光管の径方向の最大値D(mm)を所定の関係
にすることで、アークをさらに安定できることを見出し
た。この理由は、上記D、L、Xの関係が所定の範囲に
あるということは、発光管の径に対して陰極先端が適当
な位置にあるということであり、発光管内表面に沿った
下降気流と、両電極に沿った上昇気流が安定的に生ずる
ということになる。つまり、これが原因で安定した上昇
気流によって、アークが安定させられて揺らぎも小さく
なるものと考えられる。しかし、発光管の径が所定の範
囲を下回ると、電極と発光管内表面が相対的に近づくこ
とになり、両電極に沿った上昇気流と発光管内表面に沿
った下降気流が一部において衝突を起こし、これが原因
で乱流を発生させ、その結果アークの揺らぎを生じさせ
てしまう。
す。発光管の軸方向の長さL、軸方向において陰極が発
光空間内に突き出た部分の長さX、発光管の軸方向に垂
直な断面の方向を径方向としてその最大値Dとは、各々
図に示す部分を意味する。ここで、発光管の軸方向の長
さLとは、発光空間に相当する部分であって、いわゆる
封止部を除外するものである。そして、発光空間の端部
が滑らかで終端の区別がつきにくい場合であっても電極
の根元を終端と定義する。
る。図1は本発明のショートアーク型水銀ランプの実施
例を示す。石英製の発光管1の中に陰極2と陽極3が対
向配置しており、それぞれの電極は内部リード部材12
および13を介して封止部6、7の内部で箔部8、9と
それぞれ接続されている。前記箔部8、9には外部リー
ド部材10、11がそれぞれ接続されている。
ンプ14を出た光は楕円鏡15、第一平面反射鏡16を
経て、コリメイトレンズ17、中心波長365nmでバ
ンド幅10nmのバンドパスフィルター18へ到り、イ
ンテグレータレンズ19を通り、第二平面反射鏡21で
反射され、コンデンサレンズ22を通り、レチクル面2
3上に到達する。そして、レチクル面23上にシリコン
フォトダイオード検出器24が配置する。ランプ14に
は電源26が接続Sれて所望の電力は供給される。
プトンを少なくとも数気圧封入してi線の放射効率を向
上できることに関する実験について説明する。実験は、
アルゴン、クリプトン、キセノンの封入量以外の条件は
同一である水銀ランプを使い、図2で説明した検出器2
4でi線照度を測定している。具体的な水銀ランプの仕
様は、外径約55mmの略球形の石英製発光管内に、タ
ングステン製で直径20mmΦの陽極3と、酸化トリウ
ムを約2wt%含むタングステン製で有効先端直径が
1.0mmΦの陰極2が電極間距離4.0mmで対向し
て配置しているもので、水銀が発光管内に単位容積当た
り4.5mg/cc封入されている。ランプは定電力電
源により、約2100Wの入力で点灯させた。
入したランプ(ランプA)、Xeに加えてArを封入し
たランプ(ランプB1〜F1)を5種類、同じくXeに
加えてKrを封入したランプ(ランプB2〜F2)を5
種類使った。Arを封入したランプ、およびKrを封入
したランプは、それぞれ0.3気圧、1気圧、3気圧、
8気圧、12気圧と封入量を変化させて5種類作った。
i線放射照度を基準として、上記それぞれのランプによ
る相対的なi線放射照度を示している。ここで、放射照
度の計測誤差は1〜2%と言われており、通常、この計
測誤差を考慮しても、4%以上増加した場合に半導体製
造工程の露光工程でのスループットが明らかに改善され
ると考えられる。図よりアルゴン、クリプトンがともに
1気圧以上封入した時に相対放射照度が4%以上増加し
ていることが示される。
温で12気圧封入したもの(ランプF1、F2)は、放
射照度は20%増加したものの、i線のスペクトル幅が
拡がってしまい、露光における解像度の低下を招いてし
まう。この結果、アルゴン、もしくはクリプトンを封入
した水銀ランプでは、アルゴン、もしくはクリプトンを
1.0気圧から8気圧封入すると、i線のスペクトル幅
を広がらせることなく、効果的に放射照度を向上できる
ことが分かった。
r)、クリプトン(Kr)はXe(キセノン)とともに
封入するランプについて掲げたが、Xe(キセノン)を
封入することなく、アルゴン(Ar)、クリプトン(K
r)をそれぞれ単体で封入しても同様の効果が得られる
ことが確認されている。
たランプにおいては、Arの封入圧力に対して、Xeの
封入圧力を約3倍まで上昇させると、その上昇に伴っ
て、i線のレチクル面での放射照度は増大する。しかし
ながら、それ以上にXeの封入圧力を上昇させてもi線
放射照度はほとんど向上しないことが確認されている。
このことから、希ガスとしてArとXeを封入したラン
プにおいては、レチクル面上のi線放射照度の向上に
は、Xe封入圧力をAr封入圧力の約3倍までとするこ
とが望ましい。同様に、Arの替わりにKrを封入し、
KrとXeの混合ガスとした場合においても、Xeの封
入圧力をKr封入圧力の約3倍までとすることが望まし
いことが確認されている。
に関する実験を説明する。この実験では、ArとKrの
両方を混合ガスとして封入したランプについて実験して
いる。各々のランプは封入量以外は、実施例1で示した
ときと同じ形状仕様で、ランプ5本(G〜N)を製作し
た。
ガスとその封入圧力を示す。ランプAは実施例1で示し
たものと同じものであって、Xeを2.0atm封入し
ている。ランプG〜LはXeを封入することなく、Ar
とKrを0.3atm、0.5atm、1.5atm、
4.0atm、5.0atmずつ封入したものである。
ランプM、Nは、Xeを0.3atm、3.0atm封
入したうえでAr、Krを0.5atmずつ封入したも
のである。
tmとKrを0.5atm封入したランプHと、Xeの
みを2atm封入したランプAとで比較を行うと、ラン
プHの方が露光機に搭載して使用した場合、レチクル面
上のi線の紫外線放射照度はランプAよりも約5%増加
した。しかし、室温でAr5.0atmとKr5.0a
tmの混合ガスの封入圧10.0atmで発光管に封入
したランプLでは、i線放射照度は18%増加したもの
の、i線のスペクトル幅が拡がり露光における解像度の
低下を招いた。以上のように、ランプの灯具を用いた実
験では、ArとKrの混合ガスを合計値として、室温で
1.0atmから8.0atm封入すると、レチクル面
の相対i線放射照度が効果的に向上することが分かっ
た。
を加えたランプM、Nについても、ArとKrの合計の
封入圧力が室温で1.0atmから8.0atmであれ
ば、i線放射照度が効果的に向上できることが分かっ
た。そして、ランプMとランプNの比較により、Xeの
封入圧力を上げると、それに伴って、i線のレチクル面
上での放射照度も上昇することがわかる。しかしなが
ら、本発明者らの実験によれば、Xeの封入圧力がAr
とKrの合計の封入圧力に対して、約3倍を超えると、
i線の放射照度はほとんど上昇しなくなることが確認さ
れている。従って、i線放射照度の向上の点からは、X
e封入圧力をArとKrの合計の封入圧力の約3倍まで
とすることが望ましい。
ち、上記希ガスを封入したランプであって、ランプ形状
によるアークの安定に関する実験を説明する。まず、発
光管の軸方向の長さと、陰極が発光空間内部に突出する
長さとの関係について説明する。実施例1で試作したも
のと同型のランプにて、封入水銀量が4.5mg/c
c、希ガス封入量がAr1.5atm(他の希ガスは封
入しない)、Kr1.5atm(他の希ガスを封入しな
い)、Xe0.5atm(他の希ガスは封入しない)で
あって、発光管の軸方向の長さL(mm)と、陰極が発光
空間内部に突き出た長さX(mm)を変化させたランプを
使った。ランプ点灯には、定電流電源を用いた。また、
この実験では発光管の径方向の長さは関係しないが、上
記パラメータを変化させると径方向の大きさも変わるた
め、参考までに径方向の長さの記載している。
する方法は次の通りである。図2で示したレチクル面2
4上のシリコンフォトダイオード検出器24で検出した
光信号で、その出力信号の最大値をMA、最小値をMI
として、アーク安定度の評価は、2(MA−MI)/
(MA+MI)×100%で表した。通常、アーク安定
度が5%までであれば、露光焼き付けに際して露光むら
を生じないと言われており、これを良(○)として、5%
より大きいものを不良(×)とした。この結果を図5に示
すが、この結果より、X/Lの値が0.3〜0.6であ
ればアークが安定していることが、明確に示されてい
る。
さ、陰極が発光空間内に突き出る長さに加えて、径方向
の長さも考慮した実験について説明する。実施例3で試
作したものと同型のランプにて、発光管の軸方向の長さ
Lと、軸方向において陰極が発光管内に突き出た長さX
と、発光管の径方向の長さを変化させて実験を行なっ
た。測定方法等も実施例3と同様に行なった。この結果
を図6に示すが、(X+5)/D≦0.85であり、か
つ、(L−(X+5))/D≦0.85であれば、良好にア
ークを安定できることが示されている。
は、少なくともアルゴン(Ar)又はクリプトン(K
r)を室温で1.0〜8.0atm、あるいはその混合
ガスを合計値として室温で1.0〜8.0atm封入す
ることによって、i線のスペクトル幅を広げることな
く、露光面の放射照度を十分に向上させることができ
る。さらに、発光管の軸方向の長さ、陰極が発光空間内
に突き出る長さ、発光管の径方向の最大値を所定の関係
にすることで、アークの揺らぎを良好に防止することが
できる。
示す。
示す。
す。
す。
す。
Claims (5)
- 【請求項1】石英製の発光管の中に陰極と陽極が対向配
置しており、この発光管の中に水銀と希ガスが封入され
ているショートアーク型水銀ランプにおいて、 少なくとも希ガスとしてアルゴン(Ar)、もしくはク
リプトン(Kr)が、室温で1.0〜8.0atm封入さ
れ、 陽極と陰極を結ぶ方向を軸方向としたとき、 当該発光管の軸方向の長さをL(mm)、軸方向において陰
極が発光空間内に突き出た部分の長さをX(mm)とする
時、 0.3≦ X/L ≦ 0.6 であり、かつ、前記発光管の軸方向に垂直な断面の方向
を径方向として、その最大値をD(mm)とする時、 0.85D≧(X+5)、かつ 0.85D≧L−(X+5) であることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。 - 【請求項2】石英製の発光管の中に陰極と陽極が対向配
置しており、この発光管の中に水銀と希ガスが封入され
ているショートアーク型水銀ランプにおいて、 少なくとも希ガスとしてアルゴン(Ar)とクリプトン
(Kr)が、合計値として室温で1.0〜8.0atm
封入され、 陽極と陰極を結ぶ方向を軸方向としたとき、 当該発光管の軸方向の長さをL(mm)、軸方向において陰
極が発光空間内に突き出た部分の長さをX(mm)とする
時、 0.3≦ X/L ≦ 0.6 であり、かつ、前記発光管の軸方向に垂直な断面の方向
を径方向として、その最大値をD(mm)とする時、 0.85D≧(X+5)、かつ 0.85D≧L−(X+5) であることを特徴とするショートアーク型水銀ランプ。 - 【請求項3】石英製の発光管内に陰極と陽極が対向して
配置しており、この発光管の中に水銀と希ガスが封入さ
れているショートアーク型水銀ランプと、この水銀ラン
プに所定の電力を供給する電源よりなる紫外線発光装置
において、 前記水銀ランプは、少なくとも希ガスとしてアルゴン
(Ar)、もしくはクリプトン(Kr)が、室温で1.0
〜8.0atm封入されており、 陽極と陰極を結ぶ方向を軸方向としたとき、 当該発光管の軸方向の長さをL(mm)、軸方向において陰
極が発光空間内に突き出た部分の長さをX(mm)とする
時、 0.3≦ X/L ≦ 0.6 であり、かつ、 前記発光管の軸方向に垂直な断面の方向を径方向とし
て、その最大値をD(mm)とする時、 0.85D≧(X+5)、かつ 0.85D≧L−(X+5) であることを特徴とする紫外線発光装置。 - 【請求項4】石英製の発光管内に陰極と陽極が対向して
配置しており、この発光管の中に水銀と希ガスが封入さ
れているショートアーク型水銀ランプと、この水銀ラン
プに所定の電力を供給する電源よりなる紫外線発光装置
において、 前記水銀ランプは、少なくとも希ガスとしてアルゴン
(Ar)とクリプトン(Kr)が、合計値として室温で
1.0〜8.0atm封入されており、 陽極と陰極を結ぶ方向を軸方向としたとき、 当該発光管の軸方向の長さをL(mm)、軸方向において陰
極が発光空間内に突き出た部分の長さをX(mm)とする
時、 0.3≦ X/L ≦ 0.6 であり、かつ、 前記発光管の軸方向に垂直な断面の方向を径方向とし
て、その最大値をD(mm)とする時、 0.85D≧(X+5)、かつ 0.85D≧L−(X+5) であることを特徴とする紫外線発光装置。 - 【請求項5】前記ショートアーク型水銀ランプは、陽極
が上方で陰極が下方になるように垂直に配置したことを
特徴とする請求項3または請求項4に記載する紫外線発
光装置。
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JP10093847A JP3065581B2 (ja) | 1998-03-24 | 1998-03-24 | ショートアーク型水銀ランプ、および紫外線発光装置 |
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