JPWO2014167406A1 - 光源装置および光源装置を備えた露光装置 - Google Patents

Abstract

本発明の放電ランプは、水平方向に沿って配置される放電ランプ（２２）と、反射面が回転放物面である反射鏡（２１）とを備えた光源装置において、放電ランプ（２２）が反射鏡（２１）の中心部に配置される一方で、ランプ中心軸（Ｅ）が反射鏡中心軸（Ｔ）から鉛直方向に沿って距離（ｄ）だけ離れて平行配置される。

Description

本発明は、プロジェクタ、露光装置等に使用可能な光源装置に関し、特に、光源として用いられる放電ランプの配置、あるいは放電ランプに対する光量／照明制御に関する。

プロジェクタ、露光装置などでは、高輝度であって小型、細径のショートアーク型放電ランプを備えた光源装置が使用されている。光源装置は、反射面が回転放物面である椀状の反射鏡を備え、放電ランプからの光が反射鏡を介して所定方向に照射される。特に、発光強度を高める場合、放電ランプと反射鏡とから構成されるランプユニットを複数個設置した多灯式光源装置が組み込まれる。
ランプユニットでは、放電ランプを反射鏡の中心軸に沿って取り付け、放電管から径方向に放射される光を反射鏡によって一方向へ導く構成であり、放電ランプのアーク輝点位置が反射鏡の焦点位置と実質的に一致するように、放電ランプが同軸的に固定される（例えば、特許文献１参照）。
放電ランプの光量調整に関しては、放電ランプの位置を反射鏡の中心軸に沿って平行移動させる光源装置が知られている（特許文献２参照）。そこでは、プロジェクタ装置内に軸方向移動可能な放電ランプが装着される。点灯中に発生する熱の影響を防ぐため、放電ランプの輝点位置を反射鏡の焦点位置からずらし、反射鏡から射出する光量を調整する。
一方、露光装置では、高輝度かつ一定照度の光を照射することが要求される。そのため、露光作業中断時に測光装置を用いて照度を計測し、放電ランプへの供給電力を調整して定照度点灯制御を行う（例えば、特許文献３参照）。

特開２００６−１４７３６２号公報 特開２０１０−０７２５７１号公報 特開２００９−２０５０２５号公報

放電ランプを長時間点灯させると、ハロゲンガスなど希ガスの放電管内対流の影響などによって電極先端部が変形し、アーク輝点の位置が漸次的に変動する。その結果、アーク輝点が反射鏡の焦点位置から外れてしまう。このアーク輝点の変動は、ランプ照度を早期に低下させ、ランプ寿命を縮める。
したがって、放電ランプを長期間使用しても照度が低下しない放電ランプの配置構成が求められる。
一方、露光装置などでは定照度点灯制御が行われており、その場合、放電管、電極の消耗等によってランプの照度が低下すると、それに合わせてランプ電力を増加させる。この制御は、ランプ寿命に近づいてランプ電力上限値に達するまで続けられる。そのため、ランプ寿命を延ばすためには、できるだけランプ点灯始動時におけるランプ電力を抑えることが望ましい。
しかしながら、初期始動時のランプ電力を抑えると、アーク輝点位置が不規則に変動してチラツキが生じる可能性があり、照度が安定しなくなる。そのため、ある一定以上の電力で点灯させる必要がある。また、電力値はランプ個体差によって相異するため、多灯式光源装置などでは、すべてのランプにおいてチラツキの発生を防ぐためにより大きな電力でランプを初期始動させなければならない。
したがって、放電ランプ点灯期間中における照度低下を抑え、供給電力の上昇をできる限り緩やかにすることが必要とされる。

本発明の光源装置は、電極軸をランプ中心軸と一致させるように放電管内で対向配置された電極対を有する少なくとも１つの放電ランプと、焦点をもつ凹型反射面を有し、前記放電ランプからの光を一方向へ導く少なくとも１つの反射鏡とを備える。
例えば、放電ランプは０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を含む高輝度ショートアーク型ランプであり、プロジェクタ、露光装置などに使用可能である。また、１つの放電ランプ、１つの反射鏡から構成されるランプ部を単体で使用してもよく、あるいはランプ部を複数配置した多灯式光源装置を構成してもよい。
本発明では、放電ランプが、反射鏡中心軸に沿って配置されるとともに、基準位置から、反射鏡中心軸に垂直な方向に沿って所定距離間隔だけ離れている。ここで、基準位置は、放電ランプ中心軸を反射鏡中心軸に一致させ、さらにアーク輝点を反射鏡焦点位置に合わせたときの位置、すなわち従来における放電ランプの軸方向および垂直方向に関して定められる位置を表す。したがって、放電ランプが水平方向に沿って配置された場合、ランプ中心軸が反射鏡中心軸よりも鉛直下方に位置するように、放電ランプがオフセット配置される。なお、厳密に反射鏡中心軸に垂直（９０°）でなくてもよく、反射鏡中心軸方向でなく、垂直方向に対してある程度沿っていればよい。
放電ランプが反射鏡中心軸から垂直方向に沿ってオフセット配置されることにより、ランプを長期間点灯するのに伴い、アーク輝点が鉛直上方に向けて移動する。そのため、放電ランプが水平となるように光源装置の配置を適宜調整することにより、照度低下が抑えられ、ランプ寿命が延びる。
なお、放電ランプについては、反射鏡中心軸に対して厳密に平行配置してもよく、あるいは、アーク輝点が反射鏡中心軸上にある焦点方向に向けて移動する限度において、放電ランプを略平行なオフセット配置にしてもよい。また、厳密に反射鏡中心軸の垂直ライン上に沿って離れた位置であってもよく、あるいは略垂直なラインに沿ってオフセット配置させてもよい。
例えば、電極対を支持する電極支持棒の径を、０．３〜０．６ｍｍの範囲に定めることが可能であり、この場合、ランプ中心軸は、反射鏡中心軸から、電極支持棒径の５〜４５％の距離間隔だけ離れた位置に定めることが可能である。特に、ランプ中心軸を、反射鏡中心軸から電極支持棒径の１０〜３５％、さらには２０〜２５％の距離間隔だけ離れるようにすることができる。
反射鏡からの射輻熱を低減するため、１つの開口部を設けるのがよい。例えば、放電ランプを水平配置し、ランプ鉛直下方側に開口部を位置決めさせるように、光源装置を設置すればよい。また、放電ランプと前記反射鏡から構成される複数のランプが、互いに隣接配置されている場合、四方向に４つの開口部を設けてもよい。
さらに本発明の光源装置は、放電ランプの電力を調整することにより、定照度点灯制御する照明制御部を備えることが可能である。そして、照明制御部は、ランプ初期始動のとき、チラツキを発生させない初期限度光量に応じた初期限度電力値よりも所定量大きい電力値によって、放電ランプを駆動することができる。ここで、チラツキを発生させない初期限度光量とは、ランプ発光が安定しているとみなせる範囲の最少の限度光量を表し、初期限度電力値はそれに応じて供給される電力値を表す。
ランプ中心軸が反射鏡中心軸よりも鉛直下方に位置するように配置された場合、オフセット配置されない従来ランプに比べ、ランプ点灯開始時における初期限度電力値が高くなるが、本発明では、さらにこの電力値よりも高い電力値によってランプが駆動される。
従来の放電ランプでは、定照度点灯制御のときには点灯時間の経過とともにランプ電力が増加するため、できる限り点灯始動時の電力値を抑えようとするが、本発明では、従来では想定されなかった電力値でランプ点灯を開始する。そのため、点灯始動時の電力値は比較的高いが、点灯時間が経過するにつれてアーク輝点が反射鏡中心軸に近づいて行くため、定照度点灯を続けていても、電力増加率が抑えられる。そして、点灯始動時の電力が高いため、チラツキなく安定点灯状態へ迅速に移行することができる。
例えば光源装置が、複数の放電ランプと複数の反射鏡とを備える、すなわち、放電ランプと反射鏡から構成されるランプ部を複数配置した多灯式光源装置の場合、照明制御部は、ランプ初期始動のとき、複数の放電ランプそれぞれの初期限度電力値の中で最大の初期限度電力値よりも大きい電力値によって、放電ランプを駆動することができる。最大電力値で発光するため、いずれかの放電ランプにおいてチラツキが発生するのを防ぐことができる。
一方、本発明の他の態様における露光装置は、上記光源装置を備えた露光装置であって、露光対象エリアに照射される投影光の光量を測定する光量測定部と、二次元的に配列させた複数の光変調素子を有し、光源装置からの照明光を被描画体の露光対象エリアへ投影する光変調素子アレイと、放電ランプへの供給電力の制御によって投影光の定照度点灯制御を実行するとともに、複数の光変調素子を制御して投影光の光量を調整可能な光量調整部とを備える。例えば、放電ランプは、ランプ中心軸が反射鏡中心軸よりも鉛直下方に位置するように配置されている。
そして、光量調整部は、ランプ初期始動から所定期間、不使用の光変調素子を設定することにより、投影光の光量を減少させる。ここで、「不使用」とは、投影に使用できる有効な光変調素子に関し、描画パターン、描画位置に応じて使用しないのではなく、露光動作に対して実際に使用しないことを表す。また、所定期間は、初期始動開始からランプ発光の不安定が続く一定期間であり、数時間〜数十時間に定めることが可能である。所定期間経過後、光変調素子による投影光量減少は終了し、有効な光変調素子によって描画処理が行われる。
光量調整部は、投影に使用可能な有効光変調素子すべてのうち、実際に使用する割合を表す使用率を定め、投影光量を減少させることができる。例えば、光量調整部は、光変調素子配列領域に対し、略一様な分布であって、かつ不規則な分布となるように、不使用の光変調素子を定めることができる。ここで、「略一様な分布」かつ「不規則な分布」とは、光変調素子配列領域全体から見て、不使用の光変調素子が略均等な間隔で一様に分散、散逸し、局所的な偏在、一部空白部分がなく、その一方で、配列領域全体を通じて規則的配列になっていない分布状態を表す。これは、等間隔で規則的に並べた不使用の光変調素子の配列をそれぞれ微小にずらした分布状態に相似する。
定照度点灯制御のため、ＤＭＤなどの光変調素子アレイがマスク／フィルタとなって投影光量を減少させると、電力値が増加する。一方、放電ランプのオフセット配置により、アーク輝点が反響中心軸に近づくことで電力増加率が抑えられる。また、一定期間経過後に使用率を１００％にしても、始動時の電力が高いため、電力減少幅が抑えられてチラツキなどが発生するのを抑制することができる。
光量調整部は、ランプ点灯始動のとき、チラツキの生じない放電ランプの最小限度電力よりも大きい電力が供給されるように、不使用の光変調素子を設定することが可能である。ここで、チラツキを発生させない初期限度光量とは、ランプ発光が安定しているとみなせる範囲の最少限度光量を表し、初期限度電力値はそれに応じて供給される電力値を表す。初期始動時の不安定な発光においても、チラツキ発生を確実に抑える一方、電力増加が緩やかなため、ランプ寿命を延ばすことが可能となる。
例えば、光源装置が、複数の放電ランプと複数の反射鏡とを備えた多灯式光源装置の場合、光量調整部は、ランプ点灯始動のとき、複数の放電ランプそれぞれの初期限度電力値の中で最大の初期限度電力値よりも大きい電力値によって、放電ランプを駆動することができる。

本発明によれば、定照度点灯などを行う場合、放電ランプの寿命を延ばすことができる。

第１の実施形態である露光装置の斜視図である。 露光装置のブロック図である。 光源装置の平面図である。 光源装置の概略的断面図である。 放電管内の電極配置を示した図である。 ランプ中心軸と反射鏡中心軸との位置関係を示した図である。 ランプ点灯時間経過に伴うランプ電力を示したグラフである。 第２の実施形態における光源装置の正面図である。 第２の実施形態における光源装置の概略的断面図である。 第３の実施形態である１つの光源装置の概略的断面図である。 第４の実施形態におけるランプ点灯始動時のランプ点灯制御のフローチャートを示した図である。 第５の実施形態におけるコントローラによって実行される調光処理を示したフローチャートである。 調光フィルタデータを示した図である。 調光フィルタデータを示した図である。 放電ランプの使用時間経過に伴う投影光の光量、入力電力、ＤＭＤの使用率を示したグラフである。 ステップ＆リピート方式による描画処理を示したフローチャートである。 第６の実施形態におけるＤＭＤ使用率およびランプ電力の変化を示した図である。

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。
図１は、第１の実施形態である露光装置の斜視図である。図２は、露光装置のブロック図である。
露光装置１０は、フォトレジストなどの感光材料を表面に形成した基板Ｗに直接パターンを形成するマスクレス露光装置であって、基台１４の上に搭載された露光部１３には、放電ランプ２２を含む光源装置２０と、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）３２を含む露光ヘッド３０が備えられている。
基板Ｗは、ステージ１２の上に搭載されており、ステージ１２は、ステージ駆動機構１５によって移動可能である。ここでは、走査方向Ｘ、副走査方向Ｙに沿って移動可能であり、ステージ１２上ではＸ−Ｙ座標が規定されている。
放電ランプ２２から放射される光は、照明光学系（図示せず）によってＤＭＤ３２に導かれる。ＤＭＤ３２は、数μｍ〜数十μｍの微小矩形状マイクロミラーをマトリクス状に２次元配列させた光変調素子アレイ（ここでは、１０２４×１２８０）であり、ＤＭＤ駆動回路２４によって駆動される。
図示しないワークステーションから送信されてくるＣＡＤ／ＣＡＭデータなどのベクタデータは、ラスタ変換回路２６において２次元ドットパターンのラスタデータに変換される。そして、露光データ生成回路２８では、必要に応じて、マスクパターンとなる調光フィルタデータとラスタデータとを合成した露光データが生成される。
ＤＭＤ３２では、ＤＭＤ駆動回路２４から送られてくる露光データに基づいて、各マイクロミラーがそれぞれ選択的にＯＮ／ＯＦＦ制御される。ＯＮ状態のマイクロミラーにおいて反射した光は、投影光学系（図示せず）を経て、パターン像の光として基板Ｗに照射される。
基板Ｗがステージ駆動機構１５によって走査方向Ｘに移動することにより、ＤＭＤ３２による投影エリア（露光エリア）が基板Ｗに対して相対移動する、露光エリアをＸ−Ｙ方向に沿って相対移動させながら、露光動作を所定の露光ピッチで行うことにより、パターンが基板Ｗの全体に形成される。基板Ｗの位置、すなわち露光エリアの位置は、位置検出センサ１７によって検出される。
露光装置１０は、ステージ１２上に投影される光の光量を測定する測光装置３４を備え、測光駆動部３５によって位置制御される。露光動作が行なわれていないとき、測光駆動部３５は、測光装置３４を光路上に配置し、測定が終了すると測光装置３４を退避位置へ移動させる。ただし、測光装置３４をステージ１２に取り付け、基板Ｗの移動に合わせて光量測定することも可能である。
コントローラ５０は、露光データ生成タイミング、ＤＭＤ駆動等、露光動作全体を制御する。メモリ５２から調光に関するデータが読み出されると、露光データ生成回路２８に調光フィルタデータが送られる。露光動作の制御プログラムは、コントローラ５０内のＲＯＭ（図示せず）に格納されている。
コントローラ５０は、調光処理（照度／光量調整処理）機能を備えており、ＤＭＤ３２に対するミラー制御および放電ランプ２２に対する出力制御を組み合わせることにより、調光処理を実行する。放電ランプ２２のライフサイクル、すなわち点灯始動（初期点灯）させてからランプ寿命に基づく点灯終了までの期間全体に渡る間、コントローラ５０は、測定された光量に基づき、ミラー制御、ランプ出力制御を実行し、基板Ｗに投影／照射する光の光量を調整する。
図３は、光源装置の平面図である。図４は、光源装置の概略的断面図である。
光源装置２０の放電ランプ２２は、中央部に位置する球状放電管２２Ａと、その両端部に一体的に繋がる一対の封止部２２Ｂから構成されるショートアーク型水銀ランプであり、一対の電極２３Ａ、２３Ｂが放電管２２Ａ内に対向配置されている。反射鏡２１の中心軸（図示なし）が水平方向である場合、放電ランプ２２は、水平方向に沿って配置されている。
放電管２２Ａ内には、希ガスおよびハロゲンとともに、０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀が含まれている。ランプ点灯時、電極対２３Ａ、２３Ｂには交流電圧が印加され、陰極、陽極が電極対２３Ａ、２３Ｂとの間で交互に入れ替わる。
反射鏡２１は、凹型の反射部２１Ａと筒状首部２１Ｂとが一体的に形成された椀型ミラーであり、反射部２１Ａの反射面２１Ｓは、焦点をもつ回転放物面に形成されている。放電ランプ２２は、後述するように、反射鏡２１に対し、オフセットした同軸的配置になっており、首部２１Ｂと接続する口金２５との放電ランプ２２との間に配置される保持部材ＭＳによって固定されている。なお、放電ランプ２２を接着剤などで固定することも可能である。
図５は、放電管内の電極配置を示した図である。図６は、ランプ中心軸と反射鏡中心軸との位置関係を示した図である。図５、６を用いて、放電ランプの配置について説明する。
電極対２３Ａ、２３Ｂは、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂによって支持されており、電極対２３Ａ、２３Ｂは、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂにそれぞれ溶融して一体化されている。電極対２３Ａ、２３Ｂの電極先端部２９Ａ、２９Ｂは、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂに沿って形成されており、電極先端部２９Ａ、２９Ｂの間でアーク放電が発生する。
電極対２３Ａ、２３Ｂおよび電極支持棒２７Ａ、２７Ｂの位置は、その電極軸がランプ中心軸Ｅ、すなわち筒状である封止部２２Ｂの中心軸と一致するように、調整されている。したがって、電極先端部２９Ａ、２９Ｂの位置もランプ中心軸Ｅに沿っている。
上述したように、陰極と陽極が電極２３Ａ、２３Ｂとの間で交互に入れ替わるため、アーク放電の輝点も、電極先端部２９Ａ、２９Ｂとの間で交互に入れ替わる。したがって、ランプ始動時、アーク放電はランプ中心軸Ｅを中心に発生する。
ところが、放電ランプ２２が水平方向に沿って配置されているため、ランプ点灯中、放電管２２Ａ内においては、ガスの熱対流が生じる。電極先端部２９Ａ、２９Ｂ付近では、希ガスと共に封入されているハロゲンなどによるハロゲンサイクルに従い、鉛直下方側から鉛直上方に向けてガスの上昇流が生じる。その結果、放電管２２Ａの鉛直上方側と下方側との間で温度差が生じる。
この温度差によってガス対流がより一層激しくなり、電極先端部２９Ａ、２９Ｂが変形して鉛直上方側に移動する。温度差は電極先端部２９Ａ、２９Ｂの変形量に影響し、温度差が大きいほど電極先端部２９Ａ、２９Ｂの変形量が大きくなる。
本実施形態では、放電ランプ２２のランプ中心軸Ｅは、反射鏡２１の中心軸Ｔと一致しておらず、鉛直下方に所定距離ｄだけ離れてオフセットに平行配置されている。所定距離ｄは、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂの径Ｄに対して５〜４５％の長さに定められる。特に、１０〜３５％、さらには２０〜２５％の範囲に定めることが望ましく、例えば、２２％に定められる。ただし、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂの径Ｄは、０．３〜０．６ｍｍの範囲に定められる。
ランプ中心軸Ｅに関する放電ランプ２２の位置に関しては、反射鏡２１の焦点ＦＰから鉛直下方に沿って距離ｄだけ移動した位置にアーク輝点がランプ存在するように、放電ランプ２２の位置が定められている。ここでは、電極先端部２９Ｂのアーク輝点発生ポイント（頂点）から反射鏡中心軸Ｔに垂直な方向に沿って距離ｄの位置に焦点ＦＰが位置する。
このように放電ランプ２２を反射鏡２１に対して完全な同軸配置ではなく、オフセットさせた配置にすることにより、ランプ寿命を延ばすことが可能となる。以下、図７を用いて説明する。
図７は、ランプ点灯時間経過に伴うランプ電力を示したグラフである。
定照度制御を行う間、電極先端部２９Ａ、２９Ｂの変形によってアーク輝点が変動し、照度が低下するのを補償するため、ランプ電力を増加させていく、その増加率は略一定とみなせる。
放電ランプ２２は、ランプ中心軸Ｅを反射鏡２１の中心軸Ｔに対してオフセット配置されているため、ランプ初期始動のとき、従来のようにランプ中心軸Ｅと反射鏡中心軸Ｔとを一致させたときと比べ、電力値の大きい初期限度電力Ｗ１で点灯される。ただし、初期限度電力Ｗ１は、チラツキの発生が抑制される最小電力値を表す。図７には、放電ランプ２２を反射鏡２１と完全に同軸配置させたときの初期限度電力Ｗ０も示している。
放電ランプ２２を長時間点灯し続けると、時間経過に従って電極先端部２９Ａ、２９Ｂが鉛直上方向に向けて変形し、アーク輝点の位置が鉛直上方向に向けて移動し、ランプ寿命前到達前の途中の段階で、反射鏡２１の中心軸Ｔ上にアーク輝点が辿り着く。そして、ランプ寿命近くになると、アーク輝点は中心軸Ｔよりさらに鉛直上方まで移動する。
従来ランプのように、時間経過とともにアーク輝点が焦点位置から離れていくのではなく、アーク輝点が途中まで焦点位置に近づき、その後離れていく。放電管の消耗などによってランプ電力は必然的に増加するが、アーク輝点の鉛直方向上方への移動による照度アップが、全体的な照度低下を抑える。これによって、供給するランプ電力の増加率が低くなる。図７では、従来の放電ランプのランプ電力の変化をラインｋ０、本実施形態による電力変化をラインｋ１で示している。
したがって、初期限度電力が比較的大きくてもランプ電力の増加割合が抑えられるため、結果的にランプ寿命が延びる。ただし、上述したように、ランプ中心軸Ｅの反射鏡中心軸Ｔからのオフセット距離ｄは、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂの径Ｄの５〜４５％の範囲に定められる。また、電極先端部の大きさ、すなわち電極支持棒２７Ａ、２７Ｂの径Ｄは、０．３〜０．６ｍｍに定められる。
オフセット距離ｄが大き過ぎると、初期限度電力が必要以上に大きくなり、放電管の消耗、電極先端部の変形が非常に早まって早期の照度低下をもたらす。また、アーク輝点が反射鏡中心軸Ｔまで移動したときに放電管上部近くでアーク放電が発生し、熱による放電管変形の恐れがある。
一方、オフセット距離ｄが小さすぎると、初期限度電力が従来ランプと相違せず、ランプ寿命が延びない。また、電極支持棒２７Ａ、２７Ｂの径Ｄが小さすぎると電極変形が生じやすく、径Ｄが大きすぎるとアーク輝点の位置が変動しやすくなるため、上記範囲に定められる。
このように本実施形態によれば、水平方向に沿って配置される放電ランプ２２と、反射面が回転放物面である反射鏡２１とを備えた光源装置２０において、放電ランプ２２が反射鏡２１の中心部に配置される一方で、ランプ中心軸Ｅが反射鏡中心軸Ｔから鉛直方向に沿って距離ｄだけ離れて平行配置される。
次に、図８、９を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、反射鏡に開口部が形成されている。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。
図８は、第２の実施形態における光源装置の正面図である。図９は、第２の実施形態における光源装置の概略的断面図である。
光源装置２０は、反射鏡１２１を備えており、その中心軸に沿って放電ランプ２２がオフセット配置されている。反射鏡１２１の鉛直下方側には矩形状開口部１２１Ａが形成されている。なお、開口部１２１Ａの形状については他の形状にすることも可能である。
ランプ点灯中、放電管鉛直上方側の温度はアーク放電の熱の影響が支配的である。一方、下方側の温度も主にアーク放電の熱に影響されるが、加えて反射鏡の輻射熱の影響を受ける。放電ランプ２２が鉛直下方側にオフセット配置されるため、放電管鉛直下方側の温度は、輻射熱を高効率で反射する反射鏡と放電管鉛直下部との距離間隔が短くなることから、反射鏡に大きく影響されて温度が上昇する。
第２の実施形態では、反射鏡１２１の鉛直下側部分に開口部１２１Ａが形成されているため、放電管下部の温度は、反射鏡が接近しなくなるため、輻射熱の影響が抑えられる。その結果、放電管下部側と放電管上部側との温度差が拡大する。これは、放電管内でのガス対流を激しくし、電極先端部の変形量、すなわちアーク輝点の移動量を大きくする。
これによって、放電ランプ２２のオフセット距離間隔をできる限り長く設定することが可能となり、ランプ初期始動時の初期限度電力を上げることが可能となる。
次に、図１０を用いて、第３の実施形態である露光装置について説明する。第３の実施形態では、開口部を四方に設けた４つの光源装置が隣接配置される。それ以外の構成については、第１の実施形態と同じである。
図１０は、第３の実施形態である１つの光源装置の概略的断面図である。
光源装置２０は、上述した光源装置を４つ用意し、方形状に組み立てたアッセンブリ構造であり、図１０に示す光源装置２０の水平方向に沿った右側（あるいは左側）、鉛直下方側、斜下側に図示しない３つの光源装置が隣り合うように配置されている。
そして、光源装置２０の反射鏡２２１は、上下左右の四方向に略等間隔で同形状の開口部が形成されている。図１０では、１つの開口部のみ図示している。この構成により、隣接する光源装置の反射鏡外表面側からの熱が抑えられることになり、放電管鉛直下方側の温度上昇を抑えることができる。すなわち、発光管上部、下部における温度差が広がり、アーク輝点移動量を大きくすることができる。
次に、図１１を用いて、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態では、初期始動時におけるランプ電力を調整する。
図１１は、ランプ点灯始動時のランプ点灯制御のフローチャートを示した図である。
ステップＳ１０１では、光量が測定されるとともに、目標となる光量が設定される。目標光量は、チラツキが発生しない範囲で最小限の光量を表し、あらかじめオペレータなどによって設定される。そして、目標光量に応じた電力値（初期限度電力値）によって放電ランプが駆動される。
測定光量が目標光量と同じもしくはそれ以上であることが確認されると、さらにランプ出力を上げるため、初期限度電力値よりも所定値だけ大きな電力値Ｗ２によって放電ランプが駆動される（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。この電力値Ｗ２は、放電ランプの反射鏡中心軸からのオフセット距離ｄなどに基づいて定められる。
なお、多灯式光源装置の場合、ランプの個体差によって初期限度電力値が異なる。そのため、その中で最大値となる初期限度電力値よりも大きな電力値が供給される。
このように第４の実施形態によれば、水平方向に沿って配置される放電ランプ２２と、反射面が回転放物面である反射鏡２１とを備え、放電ランプ２２が反射鏡２１の中心部に配置される一方、ランプ中心軸Ｅが反射鏡中心軸Ｔから鉛直方向に沿って距離ｄだけ離れて平行配置される光源装置において、初期限度電力よりも大きな電力値によってランプが点灯始動される。
放電ランプが反射鏡に対してオフセット配置されているため、ランプを長期間点灯させて定照度点灯制御させたときの電力増加率は低い。したがって、初期始動時のランプ電力を大きく設定しても、ランプ寿命に至る期間が長くなる。一方、ランプ初期電力が高いため、チラツキ発生を確実に抑えながら安定した点灯状態へ迅速に移行する。
このように、従来設定されていた最少限度電力値を上回る値を設定することで、ランプ初期始動時のチラツキ発生を確実に防ぐ一方、ランプ寿命を延ばすことができる。特に、多灯式光源装置の場合、ランプ個体差に関わらずチラツキ発生を確実に防止することができる。
次に、図１２〜１５を用いて、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態では、ＤＭＤによる投影光の光量調整とランプ出力制御による照明光光量調整とを組み合わせた調光処理が、定期的に行われる。
図１２は、コントローラによって実行される調光処理を示したフローチャートである。
調光処理を行うタイミングとしては、新しい放電ランプを取り付けたとき、感度の異なる感光材料の基板を処理するときなど様々であり、ロットごと（製品単位）、一定枚数基板処理するごと、一定期間ごとに調光処理を行うことも可能である。ここでは、一定期間ごとに調光処理が実行される。
ユーザの入力操作等によって調光処理が開始されると、放電ランプ２２が点灯した状態で測光装置３４が光路上に移動し、光量測定を行なう（Ｓ２０１）。このとき、ＤＭＤ３２において描画に使用可能なミラー（以下、有効ミラーという）全てをＯＮ状態にして、光量を測定する。
したがって、測光装置３４では、有効ミラー全てＯＮ状態の光による光量が、その投影エリア（露光エリア）を対象として計測される。なお、有効ミラーとは、ＤＭＤの全ミラーのうち、描画に使用しないことがあらかじめ定められたミラー（ＤＭＤ周縁部のミラー等）を除いたミラーを表す。
光量の測定後、測定された光量があらかじめ定められた光量（以下、目標光量という）以上であるか否かが判断される（Ｓ２０２）。測定光量が目標光量以上であると判断されると、ＤＭＤ３２の有効ミラー全体の中で実際に描画のため使用するミラーの割合（以下、使用率という）が算出される（Ｓ２０４）。
使用率１００％の場合、描画エリアを構成する有効ミラー全体がＯＮ状態であり、ＯＦＦ状態に設定するミラー数が増えるほど（使用ミラーの数が下がるほど）、使用率が下がる。ここでの調光処理は、基板Ｗに投影する光の光量を目標光量に合わせることであり、測定された光量を基準にして減光の程度、すなわち使用率を定める。
ここで、ミラーの使用率をＲ、有効ミラー全数ＯＮ状態で測定される光量をＬ１、目標光量をＬ０とすると、使用率Ｒは、光量比（Ｒ＝Ｌ０／Ｌ１）によって求められる。そして、使用率Ｒが定められると、描画時に不使用とする、すなわちパターンに関係なくＯＦＦ状態にするミラーが特定、設定される（Ｓ２０４）。このとき、基板Ｗに投影される光の光量を、局所的ではなく全体的に減少させるため、ＤＭＤの有効ミラー全体から見て、略均一、かつ規則的にならないように抽出する。
具体的には、不使用ミラーがミラー領域全体の中で２次元的に略一様分布となるように不使用ミラーが決定される。すなわち、ＤＭＤ３２の有効ミラーエリア内で略均等な距離間隔で不使用ミラーが配列し、局所的な集中なく均質に不使用ミラーが散らばった状態で配置されるように、不使用ミラーの配列が決定される。
さらに、略一様分布の配列に加え、光の干渉によるモアレを防ぐため、不使用ミラーが規則的、周期的ではなく、ランダムに配列している。このような略均等な距離間隔を保ち、かつ不規則的な不使用ミラーを選定するため、ここでは擬似乱数が使用される。例えば、一様乱数を用いた改良型レーマー法に基づいて乱数を発生させることが可能である。
このような擬似乱数では、有効ミラーの数をＮ、不使用ミラーの数をｎ（＝Ｎ（１−Ｒ））とすると、有効ミラーＭ１、Ｍ２、・・・、ＭＮの中から擬似乱数を使って不使用ミラーを選択、抽出すればよい。これをｎ回繰り返すことにより、不使用ミラーが決定される。このとき、パターンデータに関係なく有効ミラー全体から不使用ミラーを決定する。
ただし、すでに抽出された所定数のミラーが再度選択された場合には、不使用ミラーの抽出が再度行なわれる。また、不使用ミラーとして抽出されたミラーの中で互いに隣接するミラーが所定の数だけ存在する場合、その選択を無効にして再度不使用ミラーを抽出する。なお、不使用ミラーを無効とする隣接ミラーの数は、使用率に応じて調節する。
このように不使用ミラーの配列を表すデータ（ここでは、調光フィルタデータという）が使用率Ｒに基づいて算出、作成され、調光フィルタデータはメモリ５２に保存される（Ｓ２０６）。
図１３Ａ、１３Ｂは、調光フィルタデータを示した図である。図１３Ａでは、有効ミラーすべてを使用したときの調光フィルタデータを示している。黒い部分がミラーＯＮ状態を表しており、使用率１００％のためにエリア内は黒一色である。
一方、図１３Ｂには、使用率Ｒ＝８０％、すなわち不使用ミラーの割合が２０％である調光フィルタデータが図示されている。図１３Ｂから明らかなように、不使用ミラーは、ミラー領域に対して略一様な分布で略均等な距離間隔で散在しており、その一方でミラー領域全体から見ると規則的な配列にはなっていない。
このように使用率に応じた調光フィルタデータによって、投影光の光量がその投影エリア全体において均一に調整される。この調光フィルタデータと、描画用のパターンデータとを重ね合わせることにより、投影エリアの光量減少を伴ったパターン形成をすることができる。なお、調光フィルタデータは、パターンデータには依存しない。
一方、ステップＳ１０３において測定された光量が目標光量より少ない場合、ＤＭＤ３２を使った光量調整を行なうことができない。すなわち、測定される光量は有効ミラーすべてをＯＮ状態でも目標光量に到達しないため、不使用ミラー選定によって目標光量に一致させることができない。
これは、放電ランプ２２の使用経過に伴う出力低下であり、比較的長い点灯時間経過後に生じる。このような状態になった場合、放電ランプ２２の出力がアップするように、ランプへの入力電力が調整される（Ｓ２０３）。
具体的には、放電ランプ２２からの照明光の光量が目標光量よりも所定量多い基準光量となるように、ランプ入力電力が調整される。例えば、測定光量が目標光量の１２０％の光量に到達するまでランプ入力電力を上げる。そして、再び調光フィルタデータが作成される。放電ランプ２２の出力が一度調整されると、測定光量が目標光量より再び下回るまで、そのまま入力電力は一定に維持される。
図１４は、放電ランプの使用時間経過に伴う投影光の光量、入力電力、ＤＭＤの使用率を示したグラフである。
図１４に示すように、放電ランプ２２の使用開始時の入力電力（初期電力）は、目標光量より高い基準光量を得る電力Ｗ１に設定されている。この入力電力を一定に維持しながら、ＤＭＤ３２を利用した光量調整（減光）によって、投影光の光量を目標光量Ｌ０に調整する。
放電ランプ２２の点灯中、放電ランプ２２の出力は細かく変動することがあり、それに合わせてミラー使用率も増減する。しかしながら、点灯時間が長くなると、放電ランプ２２の出力は徐々に低下していく。それに伴い、ミラー使用率も徐々に上昇していく。
そして、測定光量が目標光量Ｌ０を下回ったとき、ランプ入力電力を増加させ、再び基準光量になるまで入力電力をＶＤだけ増加させる。新たに設定された入力電力を維持しながら、ミラー使用率を算出して光量調整を行う。
その結果、図１４に示すように、ランプ入力電力一定の期間、ミラー使用率が増減しながら１００％に向けて上昇して最終的にほぼ１００％になるまでに達し、これが繰り返される。なお、ミラー使用率をすべて１００％としたときの光量を、図１４では２点鎖線Ｌ１で示している。
このように、ＤＭＤを利用した調光処理を所定時間間隔で行いながら、ＤＭＤ調光処理時間間隔よりも長いスパンで、ランプ入力電力を段階的に増加させ、最終的には上限となる最大電力までアップする。放電ランプ２２の使用開始から寿命による使用終了まで、基板Ｗの投影エリアに対する光量、照度は、常に描画に適切な目標光量Ｌ０で維持される。
ところで、パターンの必要とされる解像度を考慮すると、ＤＭＤ３２を使った減光には限度があり、使用率Ｒに下限値を設ける必要がある。使用率Ｒの下限値は、ＤＭＤ３２のチルト角度、画素数、画素サイズ、投影光学系の倍率、解像度、感光体の感度などによって定められる。ここでは、要求される解像度に差が生じない調整範囲を定めており、その使用率Ｒの下限値ＲＺは、６５％に定められている。
したがって、放電ランプ２２の出力を増加させるとき、使用率Ｒが下限値ＲＺ＝６５％より小さくならないようにする必要がある。本実施形態では、出力増加のときに参照される基準光量が下限値ＲＺに対応しており、ランプ出力が増加する度に使用率Ｒは下限値ＲＺまで下がる。その結果、ランプ出力増加の間では、使用率Ｒが下限値ＲＺ＝６５％〜１００％までの光量調整範囲が利用される。
さらに本実施形態では、第１の実施形態と同様、放電ランプ２２がオフセット配置されている。したがって、初期始動時の電力Ｗ１は、放電ランプがオフセット配置されていない場合の初期始動電力Ｗ０よりも大きいが、アーク輝点の鉛直上方へ向けた移動により、照度低下が抑えられる。その結果、ＤＭＤ使用率の上昇率が抑えることになり、それに応じて、次の電力値に切り替わるまでの電力一定期間が長くなる。
さらに、アーク輝点が時間経過とともに反射軸に近づくため、目標光量よりも高い基準光量に達するまでの電力増加量△Ｖが、従来と比べて小さくなる。このように電力一定期間の拡大および電力増加の抑制により、ランプ寿命期間が大きく延びる。図１４では、放電ランプがオフセット配置されていない場合の光量変化、電力変化、ＤＭＤ使用率の変化を二点鎖線で示している。
なお、一回の電力増加幅をより抑えるため、ＤＭＤ使用率をさらに下げて定電力期間を短くするようにしてもよい。
図１５は、ステップ＆リピート方式による描画処理を示したフローチャートである。
基板Ｗが移動する間、投影エリア（露光エリア）の相対位置が検出され、生成されたパターンデータに応じたパターンを投影すべき基板上のエリアに露光エリアが到達すると、基板Ｗが停止する（Ｓ３０１〜Ｓ３０３）。そして、ベクタデータからラスタデータが生成される（Ｓ３０４）。
そして、メモリ５２から調光フィルタデータが読み出されると、ラスタデータと調光フィルタデータの重ね合わせ（論理積）により、露光データが生成される（Ｓ３０５、Ｓ３０６）。露光データがＤＭＤ駆動回路２４へ送られることにより、パターン光が投影される（Ｓ３０７）。描画が終了するまで、このような露光動作が繰り返し行なわれる（Ｓ３０８、Ｓ３０９）。
このように本実施形態によれば、光量調整を行なう場合、ＤＭＤ３２の有効ミラーをＯＮ状態にして投影光の光量を測定し、測定された光量と目標光量との比である使用率Ｒを定める。そして、使用率Ｒに基づいて、不使用ミラーの配列を示す調光フィルタデータを生成する。このとき、不使用ミラーが略一様な分布で、かつ不規則に並ぶようにする。
ＤＭＤ３２を利用した光量調整を行なっている間、放電ランプ２２の出力が徐々に低下し、測定光量が目標光量に達しない状況になると、測定光量が目標光量より所定量多い基準光量に達するまで放電ランプ２２の出力をアップする。
露光対象エリア全体に対する光量調整をＤＭＤ３２によって行い、ＤＭＤ３２では光量調整できない（光量アップできない）状況になって始めてランプ出力を増加させるため、ランプの寿命に悪影響を与えることなく、ランプのライフサイクル全般に渡って良好な光量調整を行なうことができる。さらに、ランプ点灯中の放電の揺らぎや、放射スペクトル分布における輝線とブロードバンド全体に渡るスペクトルの非連動的な変動に起因するランプ出力の短期スパンの変動について、ランプ出力を頻繁に変更することなく調整することができる。
特に、不使用ミラーの配列が、露光対象エリア全体に対して２次元的に略一様分布かつ規則性のない配列となっているため、２次元ドット照射によっても、モアレなどの光学的現象が生じることなく、露光対象エリア全体に渡って均一な光量減少を実現することができる。
本実施形態では、測定光量が目標光量に達しない状況になると放電ランプ２２の出力増加を実行するが、あらかじめそのような状況になるタイミングを経験的に取得し、所定時間ごとに放電ランプ２２の出力増加を実行してもよい。ランプの出力増加については、測定光量が目標光量に達したか否かを測定装置で確認しているが、あらかじめ定めた一定値だけ入力電力を増加させるようにしてもよい。
ＤＭＤ３２を使った光量調整における使用ミラーの割合、すなわち使用率については、露光条件でいずれかの要件を満たす範囲で設定することも可能である。使用率の範囲は、ＤＭＤのサイズ、画素ピッチ、分解能、ＤＭＤチルト角度、フォトレジストなど感光体の多重露光限度回数などに従う。例えば、２０％〜１００％の範囲で設定可能である。
使用ミラーの使用率は、連続的に設定する代わりに、要求される光量精度に応じて、段階的（例えば５％）に設定することも可能である。また、調光フィルタデータを使用率に応じて予め作成してメモリに記憶させ、測定された光量と目標光量との比から、対応する調光フィルタデータを選択するように構成してもよい。
次に、図１６を用いて、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態では、ランプ点灯始動開始から一定期間、第５の実施形態のようにＤＭＤをマスクとして機能させ、電力を増加させる。そして一定期間経過後、第１の実施形態と同様に定照度点灯制御を行う。
図１６は、第６の実施形態におけるＤＭＤ使用率およびランプ電力の変化を示した図である。
図１６に示すように、ランプ始動開始から一定期間（電力増強期間）、ランプ電力を増加させるため、チラツキが発生しない初期限度電力よりも大きい電力が供給されるように、ＤＭＤの使用率Ｄ１が定められている。使用率Ｄ１は、従来のように放電ランプを同軸配置させた場合の使用率Ｄ２よりも小さく、投影光は大きく減光される。電力増強期間では、ＤＭＤの使用率Ｄ１は変わらず、一定である。
一方、複数の放電ランプを備える、すなわちランプ部は複数設置された多灯式光源装置が使用される場合、最も大きな初期限度電力値よりも大きな電力が供給されるように、使用率Ｄ１が定められる。
定照度制御を行うため、ランプ電力はランプ始動開始直後大きな値に設定されるが、時間経過とともにアーク輝点が反射鏡中心軸に近づいていくため、電力上昇率が従来の放電ランプと比べて抑えられる。図１６では、本実施形態における電力変化を実践ラインＫ４、従来の放電ランプにおける電力変化を破線ラインＫ３で示している。
このように、ＤＭＤを使用して投影光量を減少させ、これに伴って定照度点灯制御による電力増加が図られることとなり、一定照度を維持しながら電力増強を図ることができる。
電力を増強させた一定期間経過後、ＤＭＤ使用率は１００％に設定される。これにより、電力はＤＭＤ使用率変更と同時に減少するが、一定期間における電力増加幅が小さいため、電力減少幅も従来と比べて小さくなる。これにより、急激な電力減少に伴う定照度点灯制御の不安定、チラツキ発生を防ぐことができる。一定期間経過後は、第１、第２の実施形態と同様な定照度点灯制御が行われる。
このように第６の実施形態によれば、水平方向に沿って配置される放電ランプ２２と、反射面が回転放物面である反射鏡２１とを備え、放電ランプ２２が反射鏡２１の中心部に配置される一方、ランプ中心軸Ｅが反射鏡中心軸Ｔから鉛直方向に沿って距離ｄだけ離れて平行配置される光源装置を設けた露光装置において、ランプ始動開始からあらかじめ定められた電力増強期間において、ＤＭＤの使用率Ｄ１を定めてＤＭＤをマスク／フィルタとして機能させる。そして、一定照度となるように電力を増加させる。
なお、ランプ始動開始直後の電力値については、第５の実施形態と同様に検出される使用率１００％での投影光の光量と目標光量に基づいて定めればよい。
ステップ＆リピートの代わりに連続的スキャン方式を適用しても良い。また、多重露光方式の代わりに、単一のショット露光を行なう方式であってもよい。さらに、ＤＭＤ以外の光変調素子アレイを用いてもよく、放電ランプ以外の光源を適用することも可能である。また、マスク、レクチルを用いた露光装置において、ＤＭＤなど光変調素子アレイを専用フィルタデバイスとして別途装備する構成にしてもよい。
本発明に関しては、添付されたクレームによって定義される本発明の意図および範囲から離れることなく、様々な変更、置換、代替が可能である。さらに、本発明では、明細書に記載された特定の実施形態のプロセス、装置、製造、構成物、手段、方法およびステップに限定されることを意図していない。当業者であれば、本発明の開示から、ここに記載された実施形態がもたらす機能と同様の機能を実質的に果たし、又は同等の作用、効果を実質的にもたらす装置、手段、方法が導かれることを認識するであろう。したがって、添付した請求の範囲は、そのような装置、手段、方法の範囲に含まれることが意図されている。
本願は、日本出願（特願２０１３−０８１６６６号、特願２０１３−０８１６６３号、特願２０１３−０８１６７０号、２０１３年４月９日出願）を基礎出願として優先権主張する出願であり、基礎出願の明細書、図面およびクレームを含む開示内容は、参照することによって本願全体に組み入れられている。

１０ 露光装置
２０ 光源装置
２１ 反射鏡
２２ 放電ランプ
５０ コントローラ（光量調整部、照明制御部）

Claims (11)

1. 電極軸をランプ中心軸と一致させるように放電管内で対向配置された電極対を有する少なくとも１つの放電ランプと、
   焦点をもつ凹型反射面を有し、前記放電ランプからの光を一方向へ導く少なくとも１つの反射鏡とを備え、
   前記放電ランプが、反射鏡中心軸に沿って配置されるとともに、
   前記放電ランプが、前記放電ランプ始動時のアーク輝点を前記反射鏡の焦点に対応させた基準位置から、反射鏡中心軸に垂直な方向に沿って所定距離間隔だけ離れていることを特徴とする光源装置。
2. 前記放電ランプが、水平方向に沿って配置され、
   ランプ中心軸が、反射鏡中心軸よりも鉛直下方に位置することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記電極対を支持する電極支持棒の径が、０．３〜０．６ｍｍの範囲であり、
   ランプ中心軸が、反射鏡中心軸から、電極支持棒径の５〜４５％の距離間隔だけ離れていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. ランプ中心軸が、反射鏡中心軸から、電極支持棒径の２０〜２５％の距離間隔だけ離れていることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記放電ランプが、０．２ｍｇ／ｍｍ^３以上の水銀を含むことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
6. 前記放電ランプの電力を調整することにより、定照度点灯制御する照明制御部をさらに備え、
   前記照明制御部が、ランプ初期始動のとき、チラツキを発生させない初期限度光量に応じた初期限度電力値よりも所定量大きい電力値によって、前記放電ランプを駆動することを特徴とする請求項１乃至５に記載の光源装置。
7. 前記光源装置が、複数の放電ランプと複数の反射鏡とを備えた多灯式光源装置であり、
   前記照明制御部が、ランプ初期始動のとき、複数の放電ランプそれぞれの初期限度電力値の中で最大の初期限度電力値よりも大きい電力値によって、前記放電ランプを駆動することを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 請求項１乃至５のいずれかに記載された光源装置を備えた露光装置であって、
   露光対象エリアに照射される投影光の光量を測定する光量測定部と、
   二次元的に配列させた複数の光変調素子を有し、前記光源装置からの照明光を被描画体の露光対象エリアへ投影する光変調素子アレイと、
   前記放電ランプへの供給電力の制御によって投影光の定照度点灯制御を実行するとともに、前記複数の光変調素子を制御して投影光の光量を調整可能な光量調整部とを備え、
   前記光量調整部が、ランプ初期始動から所定期間、不使用の光変調素子を設定することにより、投影光の光量を減少させることを特徴とする露光装置。
9. 前記光量調整部が、ランプ点灯始動のとき、チラツキの生じない前記放電ランプの最小限度電力よりも大きい電力が供給されるように、不使用の光変調素子を設定することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
10. 前記光源装置が、複数の放電ランプと複数の反射鏡とを備えた多灯式光源装置であり、
    前記光量調整部が、ランプ点灯始動のとき、複数の放電ランプそれぞれの初期限度電力値の中で最大の初期限度電力値よりも大きい電力値によって、前記放電ランプを駆動することを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
11. 前記光量調整部が、光変調素子配列領域に対し、略一様な分布であって、かつ不規則な分布となるように、不使用の光変調素子を定めることを特徴とする請求項８に記載の露光装置。

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