JPH071374B2

JPH071374B2 - 光源装置

Info

Publication number: JPH071374B2
Application number: JP4247184A
Authority: JP
Inventors: 明彦諸井; 博田中; 進也畑中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-03-06
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: US4630182A; JPS60186829A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は高輝度な照明光を発生する放電灯等を用いた光
源装置に関し、特にその冷却構造に関するものである。

（発明の背景）高輝度の光源を使って感光剤を露光する装置において
は、しばしば超高圧水銀放電灯が使われる。この超高圧
水銀放電灯（以下、単に放電灯とする）は一般に特定の
波長の光を効率よく発生するので、マスクのパターンを
半導体ウエハ上に転写する露光装置の光源として好適で
ある。しかしながらこの種の放電灯は消費電力も大き
く、放電電極を納めた放電管の管壁の温度、その放電電
極の温度、さらに電極に給電するための口金の温度等が
200〜500℃位にまで上昇する。特に放電灯からの光を効
率よく集光するために回転楕円反射鏡を用いる場合はそ
の楕円反射鏡が放電灯の周辺を取り囲んでいるので、温
度上昇はさらに大きなものとなり、適当な冷却をしない
限り、放電灯の各部は適正温度に維持されず、破損の原
因にもなる。この冷却の方法として、例えば特公昭55-4
3226号公報には、放電灯のリード線接続端子、すなわち
口金部にノズルから冷却風を吹き付けるとともに、その
冷却風が放電灯の管壁へ伝達しないように阻止する技術
が開示されている。ところが、放電灯の平均入力電力が
変動する場合、口金および管壁の温度は著しく変化し、
上記方法によるとそれに見合った量の冷却風をノズルか
ら送出しなければならない。そこで、口金や管壁の温度
を検出してノズルからの送風量を自動的に制御すること
も考えられるが、口金の温度が上昇すると送風量も多く
なり、容量の大きな圧搾空気源（コンプレッサー等）を
必要とし、装置が大型化するという欠点がある。本発明
者らによる実験では管壁や口金の温度上昇が数10℃〜10
0℃のとき、その温度を元に戻すためには毎分数リット
ル程度の流量が必要であった。特に半導体素子製造用の
露光装置では数ミクロン、場合によっては１ミクロン程
度の微小なゴミの発生も許されないことが多い。しかし
ながら上記方法のように多量の冷却風を送り込むと、許
容されない大きさのゴミが発生する可能性も高く、半導
体素子製造用の露光装置に好ましい方法とは言えない。
またノズルが口金に向いているので、放電灯単体の冷却
という点では効果的であるが、楕円反射鏡を含めた全体
の冷却に関しては効率的ではないという欠点もあった。

（発明の目的）本発明は、上記欠点を解決し、極めて簡単な構成で放電
灯（ランプ）と楕円反射鏡（反射光学部材）との両方を
含めて効率的に冷却する装置を備えた光源装置を得るこ
とを目的とする。

（発明の概要）本発明は、照明光を発するランプと、ランプの周辺を囲
むような反射面を備え、一端に反射面からの光を射出す
るための射出口を有し、他端に該ランプの一部を通すた
めの開口を有する反射光学部材と、一部に外気と内部と
を連通する取込孔と排出孔を有し、反射光学部材とラン
プとを収納して外気から遮断するケースと、入射端と射
出端を有し、射出端がランプに向かうように取込孔と排
出孔とを結ぶ通風路中に設けられた管状の導風部材とを
設けることを技術的要点としている。

（実施例）第１図は本発明の実施例に好適な投影型露光装置の概略
的な光学配置図である。超高圧水銀放電灯（以下放電灯
とする）１は、円側に光反射性の蒸着コート面を有する
傘状の楕円反射鏡２の中心に垂直に配置される。この放
電灯１は、管内の放電用の電極間の発光点が楕円反射鏡
２の第１焦点と一致するように位置決めされている。楕
円反射鏡２の上方には放電灯１の上部口金1aに続く管壁
の一部が通るような開口2aが形成されている。放電灯１
からの照明光のうち楕円反射鏡２の反射面で反射された
光束は、楕円反射鏡２の下端部の射出口2bから射出し
て、ダイクロイックミラー３で直角に反射されて楕円反
射鏡２の第２焦点f₂に結像する。ダイクロイックミラー
３からの照明光は、所定の波長（例えばｇ線やｉ線）の
光のみを効率よく透過し、その他の波長の光は遮断する
ような干渉フィルターや、第２焦点f₂の光源像から複数
の２次光源像を作り出すフライアイ・レンズ等のオプチ
カル・インテグレータを含む光学部材４に入射する。光
学部材４を射出した照明光束はミラー５で下方に反射さ
れる。コンデンサーレンズ６はミラー５からの照明光の
強度分布を光学部材４と共働して均一なものにし、その
照明光を所望の回路パターンが描かれたマスクやレティ
クル（以下、代表しててレチクルＲとする）に照射す
る。投影光学系７はレチクルＲのパターンを所定倍率で
ウエハＷ上に投影する。ウエハＷの表面には、照明光に
よって感光するフォトレジストが塗布されているので、
レチクルＲのパターン像がウエハＷ上に露光される。こ
のウエハＷは互いに直交するｘ方向とｙ方向とに２次元
的に移動するステージ８に載置される。ステージ８はウ
エハＷの搬入、搬出等の際は、投影光学系７の直下の位
置から退避した位置に移動し、露光の際はレチクルＲの
パターン像がウエハＷ上に複数整列するようにステップ
アンドリピート方式でステッピング移動する。さて、こ
のような露光装置において、放電灯１と楕円反射鏡２と
はランプケース９内にほぼ密閉状態で収納され、さらに
ダイクロイックミラー３、光学部材４、ミラー５も、ラ
ンプケース９の下端部で連通するようなケース10内に密
閉状態で収納される。本実施例ではランプケース９の３
方向の側壁に外気と連通する通風孔としての通気孔9a、
9b、9cが設けられている。第１図では装置の正面の側壁
に設けられた通気孔9aと、右の側壁に設けられた通気孔
9bとが図示されている。通気孔9cはランプケース９の左
の側壁に通気孔9bと対面するように設けられている。こ
れら３つの通気孔9a、9b、9cは楕円反射鏡２の射出口2b
よりも下方の位置で、下部口金1bと同一の高さになるよ
うに設けられている。またランプケース９に通気孔9a、
9b、9cを設けると、ここから放電灯１の照明光が漏れ、
ウエハＷ上のフォトレジストに思わぬ露光を与えてしま
うことがある。そこで、通気孔9a、9b、9cを覆い隠すよ
うにランプケース９の側壁に沿って上方に延びたくさび
形の遮光部材11a、11b、11c（ただし第１図では11cを図
示せず）を設ける。この遮光部材11a、11b、11cは通気
孔9a、9b、9cのところではランプケース９の側壁との間
隔が狭く、上方にいくに従って拡がり、その上端部のみ
に開口ができるように、例えば１枚の板材をコの字状に
折り曲げて作られる。

また、第１図では不図示であるが、ダイクロイックミラ
ー３、光学部材４、ミラー５は所定の光学的配置を維持
するようにベース板に取り付けられている。そしてその
べース板は積層構造となっており、そのうちの一層には
べース板の周辺を取り囲むように水冷用のパイプが配管
されている。このパイプに所定温度（20℃程度）の水を
流すことによってベース板の温度上昇が防止されるとと
もに、ケース10の下方、特にミラー５から下の光学系や
機械系に放電灯１等からの熱を伝えないような断熱効果
を得ることができる。

さて第２図は第１図に示したランプケース９の断面図で
ある。楕円反射鏡２の射出口2bは、その端面が保持部材
12に支えられている。保持部材12は楕円反射鏡２の射出
口2bからの照明光を遮光しないように配置されている。
また放電灯１の下部口金1bはリード線13との接続を兼ね
るランプホルダー14によって保持されている。このラン
プホルダー14と保持部材12とは、例えば特開昭57-85046
号公報に開示されたように一体に固定されている。保持
部材12の下面には円筒状のダクト15を水平に固定するた
めの固定具16が設けられている。ダクト15はランプケー
ス９の３つの通気孔9a、9b、9cの各々に対応して３ヶ所
に配置され、ダクト15の一端が通気孔9a、9b、9cに近
接、もしくは接触するような位置に、そして他端が楕円
反射鏡２の射出口2bの端部付近で照明光を遮光しないよ
うな位置にくるように定められている。さて、保持部材
12の上方には楕円反射鏡２の周囲を平面的に取り囲むよ
うな導風手段を構成する遮風板17が設けられている。遮
風板17の中央には、楕円反射鏡２の射出口2bに近い外周
面に接触、または近接するような円形の穴が形成され、
遮風板17の外周端はランプケース９の内周壁の全てに接
触または近接している。この遮風板17は楕円反射鏡２の
射出口2b付近を境に上部空間と下部空間とに分離し、ダ
クト15を通って入ってきた空気が、楕円反射鏡２の外周
面とランプケース９の内壁との間に入り込むことを阻止
し、楕円反射鏡２の内側へ効率よく流れ込むように導く
作用を有する。

一方、放電灯１の形状によって、楕円反射鏡２には上部
口金1aに続く管壁の一部が通る開口2aが設けられている
が、放電灯１の交換をその開口2aを介して行なうため
に、開口2aの直径は放電灯１の電極1c、1dが位置する中
央部の管径よりも大きく定められている。また上部口金
1aには放射状に複数のフィンを設けた放熱器18が固定さ
れるとともに、リード線19が接続される。さて、ランプ
ケース９の上壁面には、ランプケース９内の空気を外気
に排出するための穴9dが放電灯１の上方に位置するよう
に形成されている。穴9dの上には、穴9dを覆うような大
きさの電動フアン（送風器）20が配置される。電動フア
ン（以下単にフアンとする）20はランプケース９と接触
しないように、ランプケース９から垂直に延設された複
数のピアノ線21によって懸架されている。このためフア
ン20の振動が直接ランプケース９に伝わることが阻止さ
れる。このフアン20は穴9dを介してランプケース９内の
空気を強制的に外気に排出するように送風する。またフ
アン20の下面とランプケース９の穴9dの周辺とは上記振
動伝達の防止のために離間しているので、フアン20は穴
9dを通ってきた空気以外に、外気からまわり込んできた
空気も送風することになる。この外気からのまわり込み
を低減するために、フアン20の下面がもぐり込むような
高さのカバー板22が穴9dを取り囲むように立てられてい
る。このカバー板22もフアン20と接触せず、できるだけ
小さな間隔になるように配置されている。さて、このよ
うに穴9dが放電灯１の上方に位置すると、楕円反射鏡２
の開口2aを通ってきた不要な照明光が外部に漏れること
になる。そこで穴9dの内側の周辺に複数の棒状のスペー
サ23を設け、このスペーサ23の下に円形開口24aを形成
した遮光板24を取りつける。そして、遮光板24の円形開
口24aの周辺に複数のスペーサ25を上方に向けて植設
し、このスペーサ25の上に円形開口24aを覆うととも
に、穴9dよりも径の小さい円形遮光板26を取りつける。
このようにすると、放電灯１から上方に発生した不要な
照明光は遮光板24と円形遮光板26とによって遮断され、
穴9dを通って外部に漏れる光量が低減される。しかも楕
円反射鏡２の開口2aを通って上昇してきた熱い空気は円
形開口24aを介して円形遮光板26に当った後スペーサ25
の脇を通って穴9dから排出される。

尚、上記第１図、第２図に示すような構成において、ラ
ンプケース９は放電灯１の交換のためにケース10に対し
て回転可能に軸支されている。具体的には第１図におい
て、ランプケース９が正面（ミラー５の方向）に倒れる
ようにヒンジでケース10と結合されている。このときラ
ンプケース９に固定された遮風板17、遮光板24、円形遮
光板26、及びフアン20が、ランプケース９と一体に正面
に倒れる。このため、保持部材12、固定具16、ダクト15
をランプケース９や遮風板17と接着しない方が望まし
い。本実施例ではこのようにランプケース９を正面に可
倒としたので、少なくとも遮光部材11aは第１図のよう
にくさび形にしておかないと、放電灯１の交換作業に必
要なだけランプケース９を倒すことができない。しかし
ながら他の遮光部材11b、11cは必ずしもくさび形である
必要はなく、通気孔9b、9cからの漏光が十分遮断できる
程度に上方に伸びた角柱形状、円筒形状としてもよい。
もちろん、その場合も遮光部材の上端部に空気取り入れ
用の開口が設けられる。

以上のような構成で、放電灯１が所定の入力電力で定常
的に発光しているものとすると、楕円反射鏡２の電極1
c、1dの温度、管壁の温度、及び口金1a、1bの温度が数
百℃位まで上昇し、楕円反射鏡２の内側の空間も相当な
温度に達する。そこでフアン20を所定の回転数で作動さ
せると、遮光部材11a、11b、11cの上端部の開口から空
気が吸い込まれる。一般にこの種の露光装置の設置場所
は環境温度が常時20℃、又は25℃で安定するように温度
調節されている。このため遮光部材11a、11b、11cから
吸い込まれた空気も環境温度と同じ温度である。そして
吸い込まれた空気は通気孔9a、9b、9c、及び３つのダク
ト15に導かれて、楕円反射鏡２の射出口2bの周端部付近
で、下部口金1bやランプホルダー14に向けて流れ出す。
ただしその流量はもっぱらフアン20の排気能力によって
決まり、従来のようにノズルを使って口金に強制的に空
気を吹き付ける構造ではないのでそれ程多いものではな
い。むしろノズルのような指向性の強い噴出口を使わ
ず、ダクト15のように噴出口を大きくすることで、下部
口金1b、ランプホルダー14に向けて空気を流すばかりで
なく、楕円反射鏡２の内側にも空気を流すことができ
る。こうして、ダクト15からの空気は下部口金1b、ラン
プホルダー14の周囲を通るとも、電極1c、1dを納めた管
壁周囲を通り、開口2aを介して上昇していく。すなわち
ダクト15から吸い込まれた空気は、楕円反射鏡２の内側
を射出口2bから開口2aに向けて流れ、放電灯１ばかりで
なく楕円反射鏡２も含めて全体的に冷却することにな
る。そして開口2aを通った空気は放熱器18も冷却して、
遮光板24の円形開口24aを通り、フアン20で外部に排出
される。本実施例ではフアン20は放電灯１の上方に設け
られているので、放電灯１の発熱による管壁周辺の空気
の対流を促進、増大させる形になっている。

以上のように本実施例によれば遮光部材11a、11b、11c
はその上端部に空気取り入れ用の開口を設けたので、ウ
エハＷに向うような漏光が防止される。さらにダクト15
を設けたので、通気孔9a、9b、9cからの空気が楕円反射
鏡２の下側の射出口2bまで効率よく導かれ、冷却効果が
増大する。また、上記本実施例では通気孔9a、9b、9cは
ランプケース９に３ヶ所設けたが、場合によっては２ヶ
所、あるいは１ヶ所に設けてもよい。ただし、ダクト15
の噴出口の断面積の合計、ランプケース９の内容積、及
びフアン20の送風能力との兼ね合いで、必要以上に通気
孔を多く設けると逆に冷却効果が低下することがある。
これはダクト15から流れ出す空気の速度が小さくなり、
放電灯１に適量な空気が到達する前に大部分の空気が楕
円反射鏡２の内周壁（反射面）に沿って上昇してしまう
からである。従ってフアン20を同一のものとし、４つ以
上の通気孔とダクトとを設ける場合は、ダクトの直径を
３つの場合のダクトの径よりも小さくすれば同等の冷却
効果が得られる。さらに、本実施例のようにダクト15を
設けなくとも、遮風板17のみによっても必要な冷却効果
を得ることもできる。またダクト15にその噴出口の断面
積を変えるような可変絞りを設け、最適な冷却状態が得
られるように調整するようにしても有効である。

次に本発明の第２の実施例を第３図と第４図に基づいて
説明する。第３図は、楕円反射鏡２の上下を逆にして照
明光を上方に向けて射出し、ダイクロイックミラー３で
正面に向けて反射し、ミラー５で下方のコンデンサーレ
ンズ６に向けて反射するような光源装置の光学配置図で
ある。この光源装置の場合、楕円反射鏡２の射出口2bが
開口2aの上方に位置するので、冷却条件は先の実施例の
場合よりも厳しくない。また先の実施例と同様、ランプ
ケース９の側壁には通気孔9bが形成され、この通気孔9b
を覆うような遮光部材11bが設けられている。このよう
に楕円反射鏡２の上下を逆にした場合は、ランプケース
９内は第４図に示すような構造とする。第４図において
第２図と異なる部材は、保持部材12の下方に植設された
複数のスペーサ30と、このスペーサ30に取り付けられ
て、楕円反射鏡２の開口2aを支持する支持部材31と、第
２図中の遮光板24をその周辺がランプケース９の内壁に
接近、又は接触するように延ばした遮光板24′と、この
遮光板24′の円形開口24aのまわりに立てられて、遮光
板24′と楕円反射鏡２の開口2aとの間を遮へいするよう
な導風手段としての導風パイプ32である。このような構
成で、フアン20は空気を上方に向けて送り出し、その空
気は通風孔としての穴9dから遮光板24′の円形開口24a
を通り、導風パイプ32を通り貫けて、楕円反射鏡２の開
口2aから射出口2bに向けて流れ、通気孔9b、9c及び遮光
部材11b、11cを介して外部に排出される。以上のような
構成において、導風パイプ32は第２図に示した遮風板17
と同等の作用、効果を有するものである。さらに、本実
施例ではフアン20をランプケース９の下端に設けずに、
通気孔9b、9cの所に小型のフアンを設け、熱い空気を強
制的に外部に排出するようにしてもよい。

また、本実施例の場合、放電灯１、楕円反射鏡２からの
熱い空気はそのまま上昇し、第３図に示したダイクロイ
ックミラー３、ミラー５を介してコンデンサーレンズ６
の方に流れてしまうこともあり得る。そこで例えばダイ
クロイックミラー３と楕円反射鏡２との間、具体的には
第４図において通気孔9b、9cの上方位置に、照明光に対
して透過率が高いガラス板を水平に配置して、放電灯１
から上昇してきた熱い空気がそのガラス板によって遮ぎ
られ、通気孔9b、9cへ効率よく流れるようにするとよ
い。また第３図に点線で示したように放電灯１、楕円反
射鏡２からの照明光のうち露光に使う波長の光は上方に
透過し、露光に不必要な波長の光は反射するようなダイ
クロイックミラー40を設け、その不必要な光を集光して
放電灯１の光源像を作り、その像ができる位置を観察し
て放電灯１の発光点が楕円反射鏡２の第１焦点と一致す
るように調整する装置、例えば特開昭57-85046号公報や
特開昭57-85019号公報に開示された装置を付加する場合
は、そのダイクロイックミラー40を上述のガラス板と同
様に使うことができる。また、本実施例の場合、ランプ
ケース９の側壁に放電灯１の下部口金1b付近に位置する
通風孔を設け、この通風孔から下部口金1bに向けて伸び
るようなダクトを配置し、支持部材31は楕円反射鏡２の
開口2aを取り囲み、その外周がランプケース９の内壁と
接触又は近接するような遮風板とし、導風パイプ32とフ
アン20を取り除き、穴9dを密閉した構造とする。そし
て、そのダクトから強制的にランプケース９内の空気を
ケース９外に排気するようなフアンを設ける。この場合
空気は、通気孔9b、9cから入って、楕円反射鏡２の射出
口2bから放電灯１の周囲を通り、開口2aをすりぬけた後
ダクト（導風手段）に吸い込まれて、通風孔から外部に
送出される。このように、支持部材31を遮風構造とし、
ダクトによって強制排気することによっても先の実施例
と全く同様の効果が得られる。

以上本発明の２つの実施例では反射光学部材として楕円
反射鏡を使った光源装置について説明したが、本発明は
その他、放物面鏡をもった光源装置、あるいはレンズや
プリズムと反射鏡とを組み合せた集光系を放電灯１の周
辺を取り囲むように配置した光源装置に利用しても全く
同様の効果が得られる。

（発明の効果）以上本発明によれば、ランプ（放電灯）を冷却するだけ
でなく、ランプの周囲に配置した反射光学部材（楕円反
射鏡）の冷却も効率的に行なわれるので、反射光学部材
の反射面が熱的に変成することが低減され、長時間の照
明動作を実行したとしても、反射面が黒ずんで反射率を
低下させることがないという効果が得られる。さらに、
強制的な送風手段としては単にランプケース内の空気を
排出したり、ケース内に外部の空気を送り込むようなも
のでよいので、コンプレッサー等の大がかりな付加装置
が不要となり、装置の小型化が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例が適用される投影型露光装置の
概略的な光学配置図、第２図はランプケース内の構造を
具体的に示す断面図・第３図は本発明の第２の実施例が
適用される露光装置の概略的な構成を示す斜視図、第４
図は第２の実施例によるランプケース内の構造を示す断
面図である。〔主要部分の符号の説明〕１……放電灯、1a、1b……口金、２……楕円反射鏡、2a
……開口、2b……射出口、９……ランプケース、11a、1
1b、11c……遮光部材、15……ダクト、17……遮風板、2
0……フアン、32……導風パイプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を発するランプと；該ランプの周辺を囲むような反射面を備え、一端に該反
射面からの光を射出するための射出口を有し、他端に該
ランプの一部を通すための開口を有する反射光学部材
と；一部に外気と内部とを連通する取込孔と排出孔を有し、
該反射光学部材と前記ランプとを収納して外気から遮断
するケースと；入射端と射出端を有し、該射出端が前記ランプに向かう
ように前記取込孔と前記排出孔とを結ぶ通風路中に設け
られた管状の導風部材を有することを特徴とする光源装
置。
【請求項２】前記ランプからの光が前記ケースから外部
に漏れるのを防止するために、前記取込孔と前記排出孔
との少なくとも一方に近接して設けられた遮光板を有す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光源
装置。
【請求項３】前記反射光学部材の射出口と開口との間の
空間に生じる空気流量を制御する遮風板を有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光源装置。
【請求項４】前記取込孔と前記排出孔との間に空気流を
生じさせる送風手段を有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の光源装置。
【請求項５】前記送風手段は振動吸収体を介して前記ケ
ースに設けられていることを特徴とする特許請求の範囲
第４項に記載の光源装置。
【請求項６】前記導風部材は、前記入射端が前記取込孔
に近接もしくは接触するような位置に、かつ前記射出端
が前記射出口の端部付近にくるように配置されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光源装
置。
【請求項７】前記射出端の断面積を調整する可変絞りを
設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
光源装置。
【請求項８】前記導風部材は少なくとも２つの射出端を
有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
光源装置。