JP5541192B2

JP5541192B2 - 紫外線照射装置

Info

Publication number: JP5541192B2
Application number: JP2011033778A
Authority: JP
Inventors: 岳人千賀; 貢中嶋; 剛山田; 豊宗
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: JP2012174807A

Description

本発明は、紫外線照射装置に関するものであり、特に、半導体や液晶の製造分野などの露光用光源に適用される、ショートアーク型放電ランプを光源とする紫外線照射装置に関する。

発光管内部に水銀が封入されたショートアーク型高圧水銀ランプは、発光管内に対向配置された一対の電極の先端距離が短く点光源に近いことから、光学系と組み合わせることによって紫外線照射装置を構成して、半導体製造等に用いられる露光装置の光源として利用されている。

近年では、特開２０００−１８１０７５号公報（特許文献１）に記載されているように、半導体や液晶パネルの製造工程で用いられる紫外線照射装置は、高圧水銀ランプを常に一定の電力で点灯するのではなく、省電力化のために露光時にのみ定格電力で点灯（通常点灯）させ、基板移動などの待機時には前記定格電力よりも小さな電力で点灯（待機点灯）させるという点灯方式（以下、フル・スタンバイ点灯という）が採用されている。

図６に従来の紫外線照射装置を示す。光照射装置９０は、露光光を放出するランプ８１、集光鏡８２、第一平面鏡８３、インテグレータレンズ８４、シャッタ８５、コリメータミラー８６から構成される。また、光照射装置９０にはランプ８１、集光鏡８２を冷却する冷却手段８９が設けられている。
制御部９１には、上記ランプ８１に電力を供給するランプ電源回路９２、シャッタ８５の開閉を制御するシャッタコントローラ９３、上記冷却風を制御する冷却風コントローラ９４、および、露光装置全体を制御する露光装置制御部９５が設けられる。また、ランプ電源回路９２には、ランプ８１に供給する電力を切り替える切換回路９２ａが設けられ、これによりランプの点灯状態を「フル点灯状態（ランプを定格で点灯させる状態）」、「スタンバイ点灯状態（ランプを定格以下で点灯させる状態）」に切り替える。
例えば、露光時は定格電力で０．１〜１０秒点灯させ、待機時は定格電力よりも小さい待機電力で０．１〜１００秒点灯させるということが繰り返される。

特開２０００−１８１０７５

ところで、これらの高圧水銀ランプから放射される光の波長は、発光管内の温度状況に依存する。これは、水銀蒸気圧が温度に依存するためであり、温度の上昇にともなって水銀蒸気圧が上昇し、所定の水銀蒸気圧になることにより、所望の分光スペクトルを有する紫外線を得ることができる。

図５に、高圧水銀ランプを定格電力にて点灯している照射時と、定格の５０％で点灯している待機時の分光スペクトルの比較図を示す。縦軸は照度（μＷ／ｃｍ^２）、横軸は波長(ｎｍ）であり、照射時を実線で、待機時を破線で示した。
照射時、待機時ともに同じ波長の水銀の輝線スペクトルが観測されるが、全体の波形の形状は異なるものである。
露光に用いられる光は、特定の波長範囲の紫外線の露光量が十分であることが必要なので、例えばピーク波長の照度が同程度だとしても、露光量としては十分ではないということがある。

上記のごとく、待機時と照射時には、分光スペクトル波形に相違がある。そして、入力電力を待機時から照射時に切り替えてから、それに追随して発光管内の温度が上昇するまでには時間差があるため、点灯する条件によっては瞬時に所望の分光スペクトル波形を得ることはできなかった。
このことは、ピークのみが鋭く観測される波形、例えばより低い入力電力の状態から高い定格電力に戻したときに顕著であった。

以上により、搭載された高圧水銀ランプをフル・スタンバイ点灯する紫外線照射装置において、スタンバイ点灯からフル点灯に切り替えた直後に、所望の紫外線を照射することができる紫外線照射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、発光管内に水銀が封入され、管壁負荷が１０〜３０Ｗ／ｃｍ^２である高圧水銀ランプと、該高圧水銀ランプに供給する電力を、定格電力によって点灯させるフル点灯モードと、該フル点灯モードよりも低い電力によって点灯させるスタンバイ点灯モードとを切換可能に駆動できるランプ点灯装置とを備える紫外線照射装置において、前記フル点灯モード時の前記高圧水銀ランプより放射される波長５２５ｎｍの照度Ｉｆと、スタンバイ点灯モード時の該高圧水銀ランプより放射される波長５２５ｎｍの照度Ｉｓとの比をＩｓ／Ｉｆ（％）とし、Ｉｓ／Ｉｆが３０％以上、１００％未満であることを特徴とする。
また、前記紫外線照射装置は、波長３００〜８００ｎｍの発光を利用することを特徴とする。
また、前記スタンバイ点灯モード時の前記高圧水銀ランプより放射される波長５２５ｎｍの照度Ｉｓを前記ランプ点灯装置より供給する電力によって調整することを特徴とする。

以上により、本発明によれば、スタンバイ点灯からフル点灯に切り替えた直後にも、ある波長範囲の紫外線の積算光量が時間的に安定する。これにより露光量のばらつきがなくなり、フル点灯時に切換えた直後にも所望の紫外線を照射することができる。
そして、このようなＩｓ／Ｉｆの範囲で電力等を調整することができ、可能な限りより省電力な紫外線照射装置とすることができる。
また、本発明の紫外線照射装置は、高圧水銀ランプを光源としているため、特に波長３００〜８００ｎｍの範囲の積算露光量が時間的に安定するという効果がある。
また、上記Ｉｓ／Ｉｆは、ランプ点灯装置によれば、電力を調整することで適切に調整することができる。

本発明に係る高圧水銀ランプを示す図である。本発明に係る紫外線照射装置の構成を示す図である。本発明に係るランプ点灯装置および照射装置制御部からなる点灯制御装置の構成を示す図である。本発明に係る実験結果を示す図である。高圧水銀ランプの分光スペクトル分布を示す図である。従来例に係る紫外線照射装置の構成を示す図である。

図１に、本発明の紫外線照射装置に搭載される高圧水銀ランプの図を示す。
高圧水銀ランプ２０は、例えば石英ガラス等の透光性材料より構成される発光管を有している。
発光管は、外観が略球状となるように形成されるとともに内部空間Ｓを有する発光部２１と、発光部２１の両端のそれぞれに連続して円柱状に形成された封止部２２、２２を備える。
封止部２２および２２の端部には、それぞれ口金２５および２５が装着されており、高圧水銀ランプ２０への給電が可能とされている。
発光部２１の内部空間Ｓには、陽極２４および陰極２３が対向して配置されているとともに、発光物質としての水銀が封入されている。水銀の封入量は、高圧水銀ランプ２０を高出力とするために、例えば１〜７０ｍｇ／ｃｃとされる。なお、水銀とともにキセノンガス等の希ガスを封入しても良い。
発光部の内壁に対する入力電力の比で表される管壁負荷は、例えば１０〜３０Ｗ／ｃｍ^２である。
高圧水銀ランプ２０は、陽極２４および陰極２３に電力が供給されることにより、陽極２４と陰極２３との間で絶縁破壊が生じてプラズマが生成され、例えば波長３６５ｎｍの紫外線が放射される。

図２に本発明にかかる紫外線照射装置の構成を示す。光照射装置４０は、露光光を放出する高圧水銀ランプ２０、装置の光学系である集光鏡３２、第一平面鏡３３、インテグレータレンズ３４、シャッタ３５、コリメータミラー３６から構成される。
点灯制御装置４１には、上記高圧水銀ランプ２０に電力を供給するランプ点灯回路４２、シャッタ３５、紫外線照射装置全体を制御する照射装置制御部４５が設けられる。
ランプ点灯回路４２には、高圧水銀ランプ２０に供給する電力を切り替える、後述する切換部４３が設けられ、これによりランプの点灯状態を「フル点灯モード（ランプを定格で点灯させる状態）」、と「スタンバイ点灯モード（ランプを定格以下で点灯させる状態）」とに切り換える。
これにより、例えば、露光時は定格電力で０．１〜６０秒点灯させ、待機時は定格電力よりも小さい待機電力で０．１〜１２０秒点灯させるということが繰り返される。

図３は、上記のランプ点灯回路４２および照射装置制御部４５からなる点灯制御装置４１の構成の一例を示す図である。
このランプ点灯回路４２は、商用電源５０から供給される交流電圧を、例えば、全波整流回路とコンデンサから構成される整流平滑回路５１により直流電圧に整流・平滑する。
整流平滑回路５１から得られる直流電圧は、複数のスイッチング素子から構成されるフルブリッジ型のスイッチング回路５２に供給される。
スイッチング回路５２に含まれるスイッチング素子（不図示）の各ベースはＰＷＭ制御部５４の出力に接続されており、ＰＷＭ制御部５４の出力により各スイッチング素子がオン／オフし、スイッチング回路５２から高周波電圧を出力させる。
スイッチング回路５２の出力は、トランスＴにより昇圧されて、不図示のダイオード、インダクタンス、コンデンサから構成される整流平滑回路５３により直流電圧に変換され、起動器５５を介して、高圧水銀ランプ２０に供給される。

照射装置制御部４５からは、放電ランプ２０をフル点灯モードにするか、またはスタンバイ点灯モードするかの信号が切換部４３に入力される。切換部４３はこの信号を受けてフル点灯モードまたはスタンバイ点灯モードのいずれかを選択する。同時に、照射装置制御部３５からは、シャッタ３５にも信号が送信される。
シャッタ３５については、詳細は図示しないが、シャッタ駆動機構とシャッタ３５から構成され、スタンバイ点灯モードにおいてはシャッタ３５が光路中に挿入され、露光光が遮断される。

上記の点灯制御装置の動作について説明する。まず、フル点灯モードが選択された場合、照射装置制御部４５からの指令により、切換部４３がフル点灯モード基準電力発生部６１に基づき、ランプ電力がフル点灯モード基準電力、例えば定格電力、になるように、いわゆる定電力制御が行われる。
具体的には、ＰＷＭ制御部５４は、各スイッチング素子のオン時間とオフ時間との比率(デユーティ比）を制御することにより、高圧水銀ランプへの供給電力が調整される。

また、照射装置制御部４５からの指令により切換部４３がスタンバイ点灯モード基準電力発生部６２側に切り替えられて、スタンバイ点灯モードが選択された場合も、上記定電力制御の動作は同様である。
すなわち、スタンバイ点灯モード基準電力発生部６２の基準電力値がスタンバイ点灯モード用の基準電力値として上記と同様の制御が行われる。
以上により、照射装置制御部４５からの指令により、ランプ点灯回路４２から高圧水銀ランプ２０へ供給される電力を切り替え制御することができる。

ここで、スタンバイ点灯モードによって点灯される高圧水銀ランプから得られる紫外光の好ましいスペクトル波形について説明する。
前述のように、露光の際には、特定の波長範囲の紫外線の露光量が適切であるかどうかが重要である。
具体的に露光量は、例えば、波長３００〜５５０ｎｍの範囲で区切られた光の照度の積分値で表される積算光量と、照射された時間によって決まる。ランプ点灯時にこの積算光量の時間的変動が激しいと、一定時間露光したときの露光量がばらついてしまうため、積算光量の時間的変動がなく一定であることが好ましい。例えば、レジストを硬化させる用途においては、露光量が足りないとレジストが適正に硬化せず、所望のパターンが得られないなどの不具合が生じるからである。

しかし、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行した直後、フル／スタンバイ点灯の温度差によっては、未蒸発の水銀が多量に存在する場合がある。この場合、時間の経過とともに水銀が蒸発して蒸気圧が変化すると、分光スペクトル波形が変動し、結果として積算光量が時間的に変動することとなる。
フル点灯モードのみを継続する場合には、照度が安定するのを待ってシャッタを開けるなどすればよいが、フル／スタンバイ点灯を頻繁に切り換える点灯方法にあっては、点灯モードを切り替えるごとに照度が安定するのを待っていてはスループットが低下する。

そこで本発明者らは、フル点灯モード時の分光スペクトル波形と、スタンバイ点灯モード時の分光スペクトル波形とを比較分析し、フル点灯モードに移行しても積算光量が時間的に著しく変動しないスタンバイ点灯モードの分光スペクトル波形について検討するために以下の実験を行った。

図３に示したランプ点灯装置を用いて高圧水銀ランプ２０を点灯し、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードに移行させる条件を変化させ、積算光量安定性及び発光管内の未蒸発水銀の観測を行った。
実験に用いたのは、図１に示した高圧水銀ランプであり、発光管内には０．０２６ｍｇ／ｃｍ^３の水銀と、０．９ｈＰａのキセノンとを封入したものを用いた。
陰極と陽極との電極間距離は２１ｍｍであり、定格電力は２５ｋＷ、発光管内壁に対する管壁負荷は２５Ｗ／ｃｍ^２である。

積算光量安定性は、以下のように評価した。
高圧水銀ランプをスタンバイ点灯し、フル点灯に切換えた直後の照度を照度計により一定時間測定した。そして、照度計より得られた波長３００〜５５０ｎｍの範囲の照度を積分し、その積分値を積算光量とした。観測した期間の積算光量の変動率（積分値の最大値と最小値の差を、最大値と最小値の和で除して％表示したもの）が±３％以下である場合は、積算光量の時間的安定性があるとして○、±３％を超えた場合を安定性に欠けるとして×とした。

スタンバイ点灯モードからフル点灯モードへの移行の条件変化の指標として、波長５２５ｎｍの光の照度比Ｉｓ／Ｉｆ（％）を用いた。Ｉｓはスタンバイ点灯モード時の波長５２５ｎｍの照度であり、Ｉｆはフル点灯モード時の波長５２５ｎｍの照度である。
波長５２５ｎｍは、水銀の輝線スペクトル波長に該当しない連続スペクトル部分である。上述のごとく積算光量は、ある波長範囲の照度の積分値であるから、積分すると蒸気圧に影響されにくい輝線スペクトルとその周辺部分の照度よりも、蒸気圧に依存して変化する連続スペクトル部分の照度が、安定性において重要である。
したがって、波長５２５ｎｍを選択したのは、輝線スペクトルから離れていてその影響が少なく、連続スペクトル部分の評価をするのに優れているという理由からである。

このように、Ｉｓ／Ｉｆ比によってスタンバイ点灯モードからフル点灯モードへの移行を条件として設定すると、所望の分光スペクトルとの関係が、波形に起因した指標としてより直接的に比較されるので、単に入力電力の変化を条件として設定するよりも望ましい。
Ｉｓ／Ｉｆ比を変化させるには、例えばスタンバイ点灯モードの入力電力を変化させることにより調整可能である。具体的には、予め波長５２５ｎｍの照度を測定して得られたＩｓを図３に示したスタンバイ点灯モード基準電力発生部６２にスタンバイ点灯モード時の電力として設定するなどして調整可能である。

図４に上記の実験結果を示す。
Ｉｓ／Ｉｆが１０％、２０％のときは、発光管内に未蒸発の水銀が観測され、変動率も±３％を超えてしまい積算光量が安定しなかった。
一方、Ｉｓ／Ｉｆが３０％〜８０％のときは、発光管内に未蒸発の水銀は観測されず、変動率も±３％以下であり、積算光量が安定していた。
さらに図示はしていないが、Ｉｓ／Ｉｆが８０％を超え、１００％未満である範囲についても、変動幅が非常に小さいことは上記の実験結果より技術的に明らかである。
したがって、Ｉｓ／Ｉｆが３０％以上、１００％未満であるときは、スタンバイ点灯モードからフル点灯モードへ切換えても、所定の範囲の照度の積算光量が時間的に安定しており、発光管内の水銀の未蒸発もなく、結果として露光量のばらつきが無かった。
この結果より、Ｉｓ／Ｉｆが３０％以上、１００％未満となる範囲においてスタンバイ点灯するべきことを規定した。

以上により、本発明は、搭載された高圧水銀ランプをフル・スタンバイ点灯する紫外線照射装置において、スタンバイ点灯モード時の波長５２５ｎｍの照度Ｉｓと、フル点灯モード時の波長５２５ｎｍの照度Ｉｆとの照度比Ｉｓ／Ｉｆ（％）を３０％以上、１００％未満とすることにより、スタンバイ点灯からフル点灯に切り替えた直後にも、ある波長範囲の紫外線の積算光量が時間的に安定する。これにより露光量のばらつきがなくなり、フル点灯時に切換えた直後にも所望の紫外線を照射することができる。
そして、このようなＩｓ／Ｉｆの範囲で電力等を調整することができ、可能な限りより省電力な紫外線照射装置とすることができる。
また、本発明の紫外線照射装置は、高圧水銀ランプを光源としているため、特に波長３００〜８００ｎｍの範囲の積算路光量が時間的に安定するという効果がある。
また、上記Ｉｓ／Ｉｆは、ランプ点灯装置によれば、電力を調整することで適切に調整することができる。

２０高圧水銀ランプ
２１発光部
２２封止部
２３陰極
２４陽極
２５口金
３２集光鏡
３３第一平面鏡
３４インテグレータレンズ
３５シャッタ
３６コリメータミラー
４１点灯制御装置
４２ランプ点灯回路
４３切換部
４５照射装置制御部
５０商用電源
５１整流平滑回路
５２スイッチング回路
５４ＰＷＭ制御部
５５起動器
５６電力測定回路
６１フル点灯モード基準電力発生部
６２スタンバイ点灯モード基準電力発生部
８１ランプ
８２集光鏡
８３第一平面鏡
８４インテグレータレンズ
８５シャッタ
８６コリメータミラー
９０光照射装置
９１制御部
９２ランプ電源回路
９２ａ切換回路
９３シャッタコントローラ
９４冷却風コントローラ
９５露光装置制御部
Ｓ内部空間
Ｔトランス

Claims

発光管内に水銀が封入され、管壁負荷が１０〜３０Ｗ／ｃｍ^２である高圧水銀ランプと、
該高圧水銀ランプに供給する電力を、定格電力によって点灯させるフル点灯モードと、該フル点灯モードよりも低い電力によって点灯させるスタンバイ点灯モードとを切換可能に駆動できる点灯制御装置とを備える紫外線照射装置において、
前記フル点灯モード時の前記高圧水銀ランプより放射される波長５２５ｎｍの照度Ｉｆと、スタンバイ点灯モード時の該高圧水銀ランプより放射される波長５２５ｎｍの照度Ｉｓとの比をＩｓ／Ｉｆ（％）とし、
Ｉｓ／Ｉｆが３０％以上、１００％未満であることを特徴とする紫外線照射装置。
前記紫外線照射装置は、波長３００〜８００ｎｍの発光を利用することを特徴とする請求項１に記載の紫外線照射装置。
前記スタンバイ点灯モード時の前記高圧水銀ランプより放射される波長５２５ｎｍの照度Ｉｓを前記点灯制御装置より供給する電力によって調整することを特徴とする請求項２に記載の紫外線照射装置。