JPS60186829A

JPS60186829A - 光源装置

Info

Publication number: JPS60186829A
Application number: JP59042471A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Moroi; 諸井　明彦; Hiroshi Tanaka; 博田中; Shinya Hatanaka; 畑中　進也
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-03-06
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1985-09-24
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: US4630182A; JPH071374B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ェ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５５−４３２２６号公報には、放電灯のリ
ード線接紗端子、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Ｉ７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°Ｃ〜１００℃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、高輝度の照明光を発する超高圧水銀放電灯等
のランプと、該ランプの周辺を囲むような反射面を備え
、一端にその反射面からの光を射出するための射出口を
有し、他端にそのランプの一部を通すための開口を有す
る楕円反射鏡等の反射光学部材と、この反射光学部材と
ランプとを一体に収納して外気から遮断すると共に、一
部に外気と連通ずる通風孔を設けたケースと、反射光学
部材の射出口と開口とを結ぶ通風路と前記通風孔とをつ
なぐ導風手段（遮風板１７、ダクト１５、導風パイプ３
２）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、内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１８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と共動して均一なも
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はレチクル凡のパターンを
所定倍率でウェハＷ上に投影する。ウェハ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のパターン像がウェハＷ上に露光
される。このウェハ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１０はウェハ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
レチクル凡のパターン像がウェハ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の下端部で連通ずるようなケ
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ずる通風孔とし
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
９８％　９　ｂｓ　９　ｃ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
ように設けられてイル。またランプケース９に通気孔９
３％９ｂ％９Ｃを設けると、ここから放電灯１の照明光
が漏し、ウェハ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９　ａ　％９ｂ
１９ｃを覆い隠すようにランプケース１０の側壁に沿っ
て上方に延びたくさび形の遮光部材１１ａ、ｌｌｂ、ｌ
ｉｅ　（ただし第１図ではＩＩＣを図示せず）を設ける
。この遮光部材１１ａ、ｌｌｂ％１１ｃは通気孔９　ａ
　％　９　ｂ　％　９　ｃ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４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
ベース板は積層構造となっており、そのうちの一層には
ベース板の周辺を取り囲むように水冷用のペイプが配管
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。

サテ第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ケ所に配置され、ダク
ト１５の一端が通気孔９　ａ　％　９　ｂ　％　９　ｃ
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１
７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）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１８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ＩＣ％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ねている。穴９ｄの上には
、穴９ｄを覆うような大きさの電動ファン（送風器）２
０が配置される。Ｎ動ファン（以下単にファンとする）
２０はランプヶ一ス９と接触しないように、ランプケー
ス９がう垂直に延設されたｖＩ数のピアノ線２１によっ
て懸架されている。このためファン２ｏ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。このファン２
０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。またファン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、ファン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。この外気がらのまわり込みを低減
するために、ファン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。このカパニ板２２もファン２ｏ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□−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がら上方に発生した不要な照明光は遮光板２
４と円形遮光板２５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ろ。しかも楕円反射ｍ！
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７７ン先板２６、及びヂ―÷−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Ｉ
Ｃ１１ｄの温度、管壁の温度、及び口金１ａ、ｌｂ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。

そこでファン２０を所定の回転数で作動させると、遮光
部材１１　ａ　１１　ｌ　ｂ　％　１１　ｃ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
の設置場所は環境湿度が常時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１１
８％　１１ｂ％　ＩＩＣ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
９　ａ、　９　ｂｚ　９　Ｃｓ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ばらファン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１ｂ１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１
ｂ、ランプホルダー１４の周囲を通るととも、電極１ｃ
、ｌｄ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、
避先板２４の円形開口２４ａを通り、ファン２０で外部
に排出される。本実施例ではファン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ｕｌｌａ。

１１ｂ、ＩＩＣはその上端部に空気取り入れ用の開口を
設けたので、ウェハ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９８％　９　ｂ
−＝　９　ｃ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９ａｓ　９　ｂ−、９ｃはラン
プケース９に３ケ所設けたが、場合によっては２ケ所、
あるいは１ケ所に設けてもよい。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
ファン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。従ってファン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、ファン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、ｌｌｃ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、本実施例ではファン２０をランプケース９の下端
に設けずに、通気孔９ｂ、９ｃの所に小型のファンを設
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９’）％９Ｃの上方位置に、照明
光に対して透過率が高いガラ１ス板を水平に配置して、
放電灯ｌ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９’）％　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ｌ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とファン２
０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ァンを設ける。この
場合空気は、通気孔９ｂｓ９ｃがら入って、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傳風手段）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妃全く
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ｉｔ
−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がりな付加装
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°パ°゛°放　電　灯、　１ａ、１ｂ−・Ｃ金、２・
・・・・・楕円反射鏡、　２ａ・・・・・・開　口１２
ｂ・・・・・・射　出　口、９・・・・・・ランプケー
ス、１１２％　１１　ｂｓ　１１　ｃ−’：’−遮　光
　部　材、１５・・・・・・ダ　り　ト、１７・・・・
・・遮　風　板、２０・・・・・・７　ア　ン、３２・
・・・・・導風パイプ出願人　日本光学工業株式会社代理人　渡辺隆男第２図

Claims

【特許請求の範囲】

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；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と共に、一部に外気と
内部とを連通ずる通風孔を設けたケースと；前記反射光
学部材の射出口と開口とを結ぶ通風路と前記通風孔とを
つなぐ導風手段とを設けたことを特徴とする光源装置。