JP5258473B2 - Short arc type discharge lamp - Google Patents
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Description
本発明は、露光装置などに光源として利用されるショートアーク型放電ランプに関し、特に、ゆらぎ(照度変動)を抑制するランプ構造に関する。 The present invention relates to a short arc type discharge lamp used as a light source in an exposure apparatus or the like, and more particularly to a lamp structure that suppresses fluctuation (illuminance fluctuation).
ショートアーク型放電ランプでは、陽極、陰極が発光管内に近接した状態で保持され、電圧を印加することによってアーク放電が電極間で発生し、紫外光など特定波長の光が放射される。ショートアーク型放電ランプは電極間距離が短いため、点光源とみなすことができ、放射輝度の高い光が得られる。例えば基板の配線パターンを形成する露光装置に使用する場合、ランプ外に放射された光は、レンズ、ミラーなどを介して平行光に変換され、基板に照射される。 In the short arc type discharge lamp, the anode and the cathode are held in the vicinity of the arc tube, and by applying a voltage, an arc discharge is generated between the electrodes, and light of a specific wavelength such as ultraviolet light is emitted. Since the short-arc discharge lamp has a short distance between the electrodes, it can be regarded as a point light source, and light with high radiance can be obtained. For example, when used in an exposure apparatus that forms a wiring pattern on a substrate, light emitted outside the lamp is converted into parallel light through a lens, a mirror, and the like, and irradiated onto the substrate.
ランプ点灯中、電極は高温状態になる。そのため、電極先端部の消耗などが原因となってアーク放電が不安定になり、アークの輝点移動、あるいは発光長の変化などが生じる。その結果、点光源として光が放射されず、照度低下、照度変動が生じる。露光装置などでは、露光面全体の照度均一性を維持する必要があり、照度変動を抑制しなければならない。 While the lamp is on, the electrode is in a high temperature state. For this reason, arc discharge becomes unstable due to, for example, the consumption of the electrode tip, and the bright spot of the arc moves or the light emission length changes. As a result, no light is emitted as a point light source, resulting in illuminance reduction and illuminance fluctuation. In an exposure apparatus or the like, it is necessary to maintain illuminance uniformity over the entire exposure surface, and illuminance fluctuations must be suppressed.
照度変動を抑制するランプ構造として、電極先端部を発光管の最大径部分を含む平面上、もしくはその上に配置させた放電ランプが知られている(特許文献1参照)。あるいは、陰極胴部の一部をテーパー状に形成し、テーパー部分に突起部を設けることによってアーク輝点の収縮、移動を抑える(特許文献2参照)。
放電ランプを点灯している間、冷却風を放電ランプ(特に、高温状態の封止管)に当ててランプ冷却する。ところが、冷却風が封止管、さらには発光管にまで当たることにより、発光管が部分的に冷却される。その結果、発光管内部の温度分布が不均一となって発光管が内部で対流が生じ、この対流がアーク輝点の移動、ゆらぎを生じさせる。このようなランプ冷却による放電ランプのゆらぎを防止することが課題となる。 While the discharge lamp is lit, the cooling air is applied to the discharge lamp (especially a high-temperature sealed tube) to cool the lamp. However, when the cooling air hits the sealing tube and further the arc tube, the arc tube is partially cooled. As a result, the temperature distribution inside the arc tube is non-uniform and convection occurs inside the arc tube, and this convection causes movement and fluctuation of the arc bright spot. It is a problem to prevent such fluctuations of the discharge lamp due to lamp cooling.
本発明のショートアーク型放電ランプは、ランプ冷却に影響を受けずに安定して光を放射するランプであり、例えば露光装置の照明装置に使用され、ショートアーク型放電ランプを冷却する冷却装置によって冷却されながら光を照射する。そして、放電ランプは、対向する陽極と陰極を内部に設けた発光管と、前記発光管と連接し、前記陽極と前記陰極を支持する封止管とを備える。例えば陰極と陽極は、電極軸が鉛直方向に沿うように配置される。 The short arc type discharge lamp of the present invention is a lamp that stably emits light without being affected by lamp cooling. For example, the short arc type discharge lamp is used in an illumination device of an exposure apparatus, and is cooled by a cooling device that cools the short arc type discharge lamp. Irradiate light while being cooled. The discharge lamp includes an arc tube having an anode and a cathode facing each other, and a sealing tube connected to the arc tube and supporting the anode and the cathode. For example, the cathode and the anode are arranged such that the electrode axis is along the vertical direction.
本発明では、発光管肩部の厚さが、5mm以上であることを特徴とする。ただし、発光管肩部は、発光管最大径部と封止管との接続部との間にある発光管部分に相当し、前記陰極の先端部を基準とした場合、その先端部を含む平面からの角度が60度付近の発光管部分に相当する。電極を鉛直方向に配置した場合緯度方向60付近に相当する。あるいは、光の放射範囲の領域外の発光管部分に相当する。
In the present invention, the thickness of the arc tube shoulder is 5 mm or more. However, the arc tube shoulder corresponds to the arc tube portion between the arc tube maximum diameter portion and the connection portion of the sealing tube, and the plane including the tip when the tip of the cathode is used as a reference. Corresponds to the arc tube portion with an angle from about 60 degrees. When the electrodes are arranged in the vertical direction, it corresponds to the vicinity in the
従来の照度変動、ゆらぎを抑制するランプ構造では、照明装置以外からの影響(外乱)を考慮しておらず、特に、ランプ冷却による冷却風の影響について考慮されていなかった。特に、発光管の一部分の厚さ(全体の厚さではない)がゆらぎに影響を与えることが見出されていなかった。本発明では、この冷却風の影響によってゆらぎが生じるのを抑えるため、発光管肩部の厚さを、従来型ランプに比べ非常に厚い5mm以上に設定している。これによって、ゆらぎ(照度変動)が最小となり、照度変動を抑えることができる。 In the conventional lamp structure that suppresses fluctuations in illumination and fluctuations, the influence (disturbance) from other than the lighting device is not considered, and in particular, the influence of the cooling air due to the lamp cooling is not considered. In particular, it has not been found that the thickness of a part of the arc tube (not the total thickness) affects fluctuations. In the present invention, the thickness of the arc tube shoulder is set to 5 mm or more, which is much thicker than that of the conventional lamp, in order to suppress the occurrence of fluctuations due to the influence of the cooling air. As a result, the fluctuation (illuminance fluctuation) is minimized, and the illuminance fluctuation can be suppressed.
ガラス管などから成る放電ランプを製造するとき、加熱によって軟化させて発光管を膨らませる。ランプ製造方法を考慮すると、発光管全体を肉厚の大きい状態で維持することが難しい。そのため、発光管全体を同じ厚さで均一にするよりも、前記発光管の最大径部付近の発光管厚さを、発光管肩部の厚さよりも小さくするのが望ましい。 When manufacturing a discharge lamp made of a glass tube or the like, the arc tube is expanded by being softened by heating. Considering the lamp manufacturing method, it is difficult to maintain the entire arc tube with a large thickness. For this reason, it is desirable to make the arc tube thickness near the maximum diameter portion of the arc tube smaller than the thickness of the arc tube shoulder, rather than making the entire arc tube uniform with the same thickness.
特に、光の透過性に影響を与えないようにするためにも、最大径部付近の発光管厚さを薄くするのがよい。また、光の放射範囲の発光管厚さをほぼ一定にすることにより、照度一定を維持するのが望ましい。 In particular, in order not to affect the light transmission, it is preferable to reduce the thickness of the arc tube near the maximum diameter portion. In addition, it is desirable to maintain a constant illuminance by making the arc tube thickness in the light emission range substantially constant.
一方、封止管を厚くしすぎると、発光管破裂によるランプ破損を起こす危険性がある。すなわち、封止管内部に亀裂が生じたとき、封止管の厚さによって破断が生じにくいことによって発光管に亀裂が先に伝わる恐れがある。そのため、封止管の厚さを前記発光管肩部の厚さよりも小さくするのが望ましい。 On the other hand, if the sealing tube is made too thick, there is a risk of lamp breakage due to the arc tube rupture. That is, when a crack occurs inside the sealing tube, the crack may be transmitted to the arc tube first because it is difficult to break due to the thickness of the sealing tube. Therefore, it is desirable to make the thickness of the sealing tube smaller than the thickness of the arc tube shoulder.
ゆらぎをより効果的に抑えるため、陽極の先端面が、発光管最大径部に沿った平面上に位置するのが望ましい。一方、発光管と封止管との間の接続部分の曲率半径が、2mmより大きくすることにより、封止管と発光管の接続部分が緩やかな曲がり具合となり、応力集中が避けられる。 In order to suppress the fluctuation more effectively, it is desirable that the tip surface of the anode is located on a plane along the maximum diameter portion of the arc tube. On the other hand, when the radius of curvature of the connecting portion between the arc tube and the sealing tube is larger than 2 mm, the connecting portion between the sealing tube and the arc tube is bent gently, and stress concentration is avoided.
本発明によれば、冷却によるランプのゆらぎ、照度変動を抑え、安定したランプ点灯を維持することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress lamp fluctuation and illuminance fluctuation due to cooling, and maintain stable lamp lighting.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態のショートアーク型放電ランプを照明装置の光源として使用する露光装置を模式的に示した斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing an exposure apparatus that uses the short arc type discharge lamp of this embodiment as a light source of an illumination apparatus.
露光装置100は、照明装置120、DMD(Digital Micro-mirror Device)140を備え、パターンを描画テーブル180に形成する。照明装置120は、ショートアーク型放電ランプ(ここでは図示せず)を備え、放電ランプ10から放射された光はDMD140に導かれる。放電ランプ10を点灯している間、放電ランプ10の傍に設けられた冷却装置140は、冷却風を放電ランプ10の口金(ここでは図示せず)に向けて送風する。
The
図2は、ショートアーク型放電ランプ10の概略的断面図である。図3は、ランプの配光分布(照度分布)を示した図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the short arc
照明装置120内のショートアーク型放電ランプ10は、透明な石英ガラス製の発光管12と、その発光管12内に陰極20、陽極30を備え、陰極20、陽極30は所定間隔Lをもって対向配置される。球状の発光管12の両側には、互いに対向する石英ガラス製の封止管13A、13Bが発光管12と連接し、一体的に形成されている。放電ランプ10は、陽極30が上側、陰極20が下側となり、電極軸Eが鉛直方向に沿うように配置されている。
The short arc
封止管13A、13Bの内部には、陰極20、陽極30を支持する導電性の電極支持棒17A、17Bが配設され、金属リング18A、18B、金属箔16A、16Bを介して導電性のリード棒15A、15Bにそれぞれ接続される。封止管13A、13Bは、その両端が口金19A、19Bによって塞がれる。また、封止管13A、13Bは、内部内に設けられたガラス管21A、21B、およびガラス棒23A、23Bと溶着し、これによって発光管12内の放電空間が封止される。発光管12内には、水銀、および希ガスが封入されている。
Inside the
リード棒15A、15Bは外部の電源部(図示せず)に接続されており、リード棒15A、15B、金属箔16A、16B、金属リング18A、18B、そして電極支持棒17A、17Bを介して陰極20、陽極30に電力が供給される。陰極20、陽極30の間に電圧が印加されることにより、電極間でアーク放電が発生し、水銀による光が発光管12の外へ放射される。
The
陰極20には円錐状先端部20Aが形成され、その先端面は放電面として構成される。一方、陽極30にも円錐状先端部30Aが形成され、その先端面が放電面として構成されている。陰極20、陽極30の先端面の間でアーク放電が発生すると、光が四方に放射する。陰極先端部20Aの先端面には、放電ランプ10を点光源としたときの発光中心(以下、輝点という)Hが定められ、輝点Hから光が放射するものとみなすことができる。
The
図3に示す配光分布は、放射された光の中で上下方向、すなわち緯度方向の放射照度を測定することによって得られる。縦軸は照度を示し、基準面(±0°)での照度を100%としたとき、緯度に沿った照度をその割合で表す。ただし、電極軸Eに直交し、陰極20の先端部20Aに沿った水平面F(図2参照)を基準面(0度)とし、この基準面から陽極側にプラス、陰極側マイナスの緯度を規定する。
The light distribution shown in FIG. 3 is obtained by measuring the irradiance in the vertical direction, that is, the latitudinal direction in the emitted light. The vertical axis represents the illuminance. When the illuminance on the reference plane (± 0 °) is 100%, the illuminance along the latitude is represented by the ratio. However, a horizontal plane F (see FIG. 2) perpendicular to the electrode axis E and along the
放電ランプ10の放射範囲RKは、陰極20、陽極30の配置、サイズ、形状、および陰極20、陽極30との距離間隔などに従って定まる。ここでは、陽極先端部30Aの形状および電極間距離の影響によって、陽極側の放射範囲が0度〜約30度までの範囲に規定される。一方、陰極側の放射範囲は約−60度付近まで及ぶ。
The radiation range RK of the
本実施形態では、発光管12の厚さは全体的に一様ではなく、発光管肩部12T付近の厚さ(肉厚)T1は、発光管最大径部12S付近の厚さT2より大きい。ここで、発光管肩部12Tは、封止管13A、13Bとの接続部12Vに近い発光管部分であって、陽極側に緯度方向+60度付近に相当する発光管部分を示す。
In the present embodiment, the thickness of the
一方、発光管最大径部12Sは、発光管12の径が最大となる発光部分を示し、ここでは陽極先端部30Aの先端面31Aに沿った平面Gに相当する発光管部分である。最大径部12S付近の厚さT2は5mm未満であり、例えば3mm〜3.5mmの範囲に定められる。一方、発光管肩部12T付近の厚さT1は、5mm以上(例えば、5.3mm〜5.5mm)に定められる。
On the other hand, the arc tube
発光管12の放射範囲RK(図3参照)に該当する発光管部分は、その厚さをほぼ一定とし、最大径部12Sの厚さT2となっている。また、発光管肩部12Tの厚さT1は、封止管13A、13Bとの接続部12V付近までほぼ変わらない。一方、封止管13A、13Bの厚さT3は、発光管肩部12Tの厚さT1より小さい。また、封止管13A、13Bと発光管12との接続部12Vにおける曲率半径R1は、2mm以上(例えば10mm)に定められる。
The arc tube portion corresponding to the radiation range RK (see FIG. 3) of the
図2に示すように、ランプ点灯中、冷却装置140からの冷却風は、主に口金19A、19Bに向けて送風される。この送風方向は、封止管13A、13B内部の過熱状態を防ぐと当時に、発光管12内部まで冷却して発光管12内の温度変動が生じることを防ぐためである。この冷却風により、高温状態になる封止管13A、13B内部が冷却され、高温状態になるのを抑えている。
As shown in FIG. 2, during the lamp lighting, the cooling air from the
冷却風が直接的に影響を受けるランプ10の構造部分は、封止管13A、13Bに限らず、封止管13A、13Bに近い発光管12の接続部12V、および肩部12T付近まで及ぶ。しかしながら、発光管肩部12Tの厚さT1が通常(約3.0mm)よりも十分厚いため、冷却風の影響が発光管内部12まで及ばず、あるいはその影響は非常に小さい。その結果、封止管13A、13B内部が冷却されても発光管12内部まで冷却されず、発光管12内での温度分布が一様に保持され、ゆらぎを起こす管内対流が抑えられる。
The structural portion of the
一方、発光管12の製造には、通常、素材となる石英管をバーナーなどによって過熱し、軟化させて膨らませる作業を伴う。発光管最大径部12Sの厚さT2を小さくするため、発光管厚さ全体を発光管肩部12Tの厚さT1で維持するのに比べ、容易に発光管12を製造することができる。また、厚さによって透過性に影響が生じることを防ぐ。
On the other hand, the production of the
さらに、発光管12の肉厚の変化は、放射範囲RKの範囲外において生じしており、放射範囲RK内で発光管肉厚がほぼ一定に維持される。そのため、透過性が全体器に均一となり、照度均一性を維持することができる。
Furthermore, the change in the thickness of the
また、陽極先端部30Aの先端面31Aに沿った平面Gが最大径部12Sを通る平面と一致させていることによって、ゆらぎが抑えられる。
Further, the fluctuation G is suppressed by matching the plane G along the
一方、封止管13A、13Bについては、亀裂などによるランプ破損を防ぐため、必要以上に厚くすることができない。封止管13A、132Bの厚さT3を大きくすると、封止管13A、13B内に亀裂が生じた場合、封止管13A、13Bが亀裂、破断に到るまで時間がかかり、発光管12に亀裂が先に伝わり、ランプ破裂を引き起こす恐れがある。そのため、封止管13Aの厚さT3は発光管肩部12Tの厚さより小さく設定される。
On the other hand, the sealing
発光管肩部12Tの厚さT1を大きくし、また、封止管13A、13Bの厚さT3と発光管肩部12Tの厚さT1とが異なるように構成しているため、発光管接続部12Vに応力集中がかかりやすい。しかしながら、接続部12Vの曲率半径R1が2mm以上と曲率を小さく設定している。そのため、応力集中を防ぐことができる。
Since the thickness T1 of the
なお、冷却風の影響によるゆらぎが発光管肩部12Tの厚さに関連することから、発光管12の厚さを全体的に肩部12Tの厚さT1に一致させてもよい。また、陽極、電極の配置方向、位置等に基づき、発光管肩部を規定、特定することも可能である。また、ショートアーク型放電ランプを露光装置以外に使用してもよい。
Since the fluctuation due to the influence of the cooling air is related to the thickness of the
上記構成の有効性を確認するため、発光管肩部12Sの厚さ、そして冷却風の強さを変えながら、発光管12内部のゆらぎ(照度変動)を計測した。上述した構成による放電ランプを鉛直方向に沿って配置し、冷却風を口金に向けて送風させながら点灯させた。基準面Fから約60度の発光管厚さを、発光管肩部12Tの厚さT1としている。
In order to confirm the effectiveness of the above configuration, the fluctuation (illuminance fluctuation) inside the
図4は、発光管肩部の厚さに対するゆらぎの大きさを示したグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the magnitude of fluctuation with respect to the thickness of the arc tube shoulder.
横軸は、発光管肩部12Tの厚さT1(mm)を表し、縦軸はゆらぎの大きさを表す。ゆらぎは照度変動として計測し、緯度方向+30度において波長350nm付近に感度領域のある照度計によって照度を測定した。そして、5秒毎に平均化し、「(最大値−最小値)÷平均値」によってゆらぎの値Rを求めた。なお、照度変動率としてゆらぎの大きさを算出することも可能である。
The horizontal axis represents the thickness T1 (mm) of the
冷却風は、発光管肩部12Sが過冷却状態の「強」、発光管肩部12Sへの冷却風が弱い「中」、発光管肩部12Sへ冷却風が当たらない「弱」という3段階に設定され、「強」、「中」、「弱」における発光管肩部12Sの温度は、それぞれ約470℃、約700℃、約800℃になる。
The cooling air has three stages: “strong” when the
発光管肩部12Tの厚さT1が約3.0mm〜約5.5mmの範囲(特に、3.5〜4.0mm、および5.3mm以上の範囲)にある放電ランプを複数本用意し、冷却風の強さを変えながらゆらぎRを測定した。そして、測定プロットに基づき、厚さT1とゆらぎRの相関関係を示す曲線W1〜W3を規定している(図4参照)。曲線W1、W2、W3は、それぞれ「強」、「中」、「弱」の冷却に対応する。
Preparing a plurality of discharge lamps having a thickness T1 of the
図4から明らかなように、発光管肩部12Tの厚さT1が5.0mm以上の場合、ゆらぎRはほぼ最小値(65前後)に収まり、厚さT1が3.0mm〜5.0mmの範囲にある場合に比べて照度変動が少なく、安定している。特に、厚さ3.0mm〜5.0mmの範囲では冷却風レベルによってバラツキが生じるが、厚さT1が5.0mm以上の場合、いずれの冷却風のレベルによっても、ゆらぎRにバラツキがなく低い値に抑えられる。
As can be seen from FIG. 4, when the thickness T1 of the
10 ショートアーク型放電ランプ
12 発光管
12S 発光管最大径部
12T 発光管肩部
13A、13B 封止管
RK 放射範囲
F 基準面(陰極先端部を含む平面)
G 陽極先端面を含む平面
DESCRIPTION OF
G Plane including anode tip
Claims (7)
前記発光管と連接し、前記陽極と前記陰極を支持する封止管とを備え、
前記陰極の先端部を基準として、電極軸に直交し、前記先端部を含む平面からの角度60度付近の発光管肩部の厚さが、5mm以上であり、
前記発光管の最大径部付近の発光管厚さが、前記発光管肩部の厚さよりも小さく、
光の放射範囲に相当する発光管部分の厚さが、ほぼ一定であり、
発光管部分の厚さの変化が、光の放射範囲外において生じていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。 An arc tube provided with an opposing anode and cathode inside;
A sealing tube connected to the arc tube and supporting the anode and the cathode;
Relative to the distal end portion of the cathode, and perpendicular to the electrode axis, the thickness of the arc tube shoulder near the angle 60 degrees from the plane including the tip state, and are more 5 mm,
The arc tube thickness near the maximum diameter portion of the arc tube is smaller than the thickness of the arc tube shoulder,
The thickness of the arc tube portion corresponding to the light emission range is substantially constant,
A short arc discharge lamp characterized in that the change in thickness of the arc tube portion occurs outside the light emission range .
前記発光管肩部の厚さが、5.3〜5.5mmの範囲に定められることを特徴とする請求項1に記載のショートアーク型放電ランプ。 The arc tube thickness near the maximum diameter portion of the arc tube is determined in the range of 3 to 3.5 mm,
The short arc type discharge lamp according to claim 1, wherein a thickness of the arc tube shoulder is set in a range of 5.3 to 5.5 mm .
前記ショートアーク型放電ランプを冷却する冷却装置と
を備えたことを特徴とする露光装置。 An illumination device having the short arc type discharge lamp according to any one of claims 1 to 5,
An exposure apparatus comprising: a cooling device that cools the short arc discharge lamp.
前記発光管と連接し、前記陽極と前記陰極を支持する封止管とを備え、
前記封止管との接続部と前記発光管の最大径部との間にあって光の放射範囲外にある発光管肩部の厚さを、5mm以上とし、
前記発光管の最大径部付近の発光管厚さが、前記発光管肩部の厚さよりも小さく、
光の放射範囲に相当する発光管部分の厚さが、ほぼ一定であり、
発光管部分の厚さの変化が、光の放射範囲外において生じていることを特徴とするショートアーク型放電ランプ。 An arc tube provided with an opposing anode and cathode inside;
A sealing tube connected to the arc tube and supporting the anode and the cathode;
The thickness of the shoulder of the arc tube that is between the connecting portion with the sealing tube and the maximum diameter portion of the arc tube and is outside the light emission range is 5 mm or more ,
The arc tube thickness near the maximum diameter portion of the arc tube is smaller than the thickness of the arc tube shoulder,
The thickness of the arc tube portion corresponding to the light emission range is substantially constant,
A short arc discharge lamp characterized in that the change in thickness of the arc tube portion occurs outside the light emission range .
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2008
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