KR100389999B1

KR100389999B1 - 쇼트아크형수은램프및그점등방법

Info

Publication number: KR100389999B1
Application number: KR1019960018351A
Authority: KR
Inventors: 신키치 모리모토; 기요타다 나카무라; 도시유키 시마; 오사무 이노우에
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 2003-10-04
Also published as: KR970003386A; US5818169A; JP3158972B2; EP0751548B1; DE69604135D1; EP0751548A1; TW444229B; JPH0917387A; ATE184423T1; DE69604135T2

Abstract

본 발명은 장시간에 걸쳐 안정한 점등이 가능한 램프를 제공하는 것을 목적으로 하며, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발광관(1)의 내부에 음극(20)과 양극(30)이 근접하게 배치하고, 그 양쪽 단에 봉지부(12, 13)를 가지는 쇼크 아크형 수은 램프에 있어서, 상기 음극(20)은 상기 봉지부(12)로부터 연장되는 막대모양 부재(21)의 선단에 설치되고, 이 막대모양 부재(21)의 외경보다 큰 외경으로 구성되며, 또한 그 봉지부(12)측의 후단(23)은 테이퍼 모양인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 램프.

Description

쇼트아크형 수은램프 및 그 점등방법{SHORT ARC TYPE MERCURY LAMP AND ITS LIGHTING METHOD}

본 발명은 쇼트 아크형 수은 램프에 관한 것이다. 특히, 대전력으로 점등하는 반도체 노광장치의 광원으로서 이용되는 쇼트 아크형 수은 램프에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼의 노광장치에는 수은과 불활성 가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 램프가 사용된다. 이 램프는 그 중앙부에 대체적으로 럭비볼 모양의 발광부를 가지고, 그 내부에 음극과 양극이 근접해서 배치된다.

음극과 양극 사이에는 아크방전이 발생하는데, 이러한 방전이 양호하게 이루어지기 위해서 음극의 선단은 원뿔 모양으로 가공되고, 양극의 선단은 대체적으로 반구면 모양으로 가공된다.

이 용도로 사용되는 수은램프는 주로 점등전력이 1KW∼5KW의 것이 있으나, 이 중 소전력용 램프에는 봉지부로부터 연장되는 막대모양 부재의 선단을 원뿔모양으로 가공한 음극이 사용된다. 한편, 약 1.4KW 이상의 비교적 고전력 램프에는 봉지부로부터 연장되는 막대모양 부재의 선단에 이러한 막대모양 부재보다 외경이 큰 음극이 설치된다. 이는 고전력이 되면 음극에 관한 부담이 커지기 때문에, 이 부담을 적게 하기 위해서이다.

한편, 이러한 쇼트 아크형 수은 램프는 노광장치에 있어서는 양극을 아래쪽에, 음극이 위쪽이 되도록 배치시켜서 점등한다. 이것은 점등중에는 양극쪽이 음극쪽보다도 고온이 되기 때문에, 노광관의 내부에서 봉입가스의 대류를 일으키기 때문이다.

이 대류를 구체적으로 설명하면, 따뜻해진 봉입가스는 양극의 측부로부터 상승하여 아크의 주위를 통과하고, 다시 음극의 측면을 따라서 흐른다. 한편, 음극의 선단부는 원뿔모양으로 가공되어 있기 때문에, 이 원뿔형상에 의해서 대류방향이 규제되며 이 규제된 가스가 원뿔의 각도에 따라서 발광관 내면까지 충돌한다. 그리고, 이 발광관 내면에 충돌한 가스는 국부적으로 이루어지기 때문에, 이 국부에 흑화물이 부착되어 버린다. 이 흑화물은 봉입가스의 성분, 즉 수은이나 불활성 가스가 부착하는 일도 있지만, 그 이상으로 전극의 구성물질 예를 들면 텅스텐 등이 부착하는 일이 많다. 이것은 전극이 램프점등 중에 있어서는, 예를 들면 2000℃의 고온이 되기 때문에 증발하는 것에 기인한다.

그리고, 이 흑화물의 부착은 램프등으로부터의 방사광을 차단하여, 충분한 조도를 가지고 노광처리를 할 수 없다고 하는 문제가 발생한다.

그런데, 종래의 반도체 노광장치에 사용되는 쇼트아크형 수은램프는 예를 들면 100시간 정도의 사용을 목적으로 하고 있고, 이 정도의 사용으로써 그 램프는 수명이 끝난 것으로서 처리하여 새로운 램프를 장치에 장착하고 있었다.

한편, 상기 흑화물의 발생은 100시간 정도의 점등에서는 거의 발생하지 않아, 즉 상기한 문제가 발생할 리도 없었다. 그러나, 최근에는 수은램프를 보다 장시간 사용하려는 요청이 높아지고 있는데, 예를 들면 1000시간 정도가 그 목표로 되어 있다. 즉, 이 요구시간까지 방사 강도를 충분히 유지할 수 있는 램프가 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 장시간에 걸쳐서 안정한 점등이 가능한램프를 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명에 관한 쇼트 아크형 수은 램프를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 음극의 부분 확대도이다.

도 3은 본 발명에 따른 쇼트 아크형 수은 램프의 내부에 있어서의 기류의 흐름과 흑화물과의 관계를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 쇼트 아크형 수은 램프를 사용한 노광장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 발광관 10: 발광부

12: 봉지부 13: 봉지부

20: 음극 21: 막대모양 부재

22: 코일 23: 테이퍼

30: 양극 31: 막대모양 부재

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 쇼트 아크형 수은 램프는 발광관의 내부에 음극과 양극이 근접하게 배치되고, 그 양쪽 단에는 봉지부를 가지는 것으로서, 음극은 상기 봉지부로부터 연장되는 막대모양 부재의 선단에 설치되고 이 막대모양 부재의 외경보다도 큰 외경으로 구성되며, 또한 그 봉지부측의 후단은 테이퍼모양인 것을 특징으로 한다.

또한, 음극의 테이퍼는 20∼40°의 범위로 할 수 있다.

또한, 발광관은 대체적으로 럭비볼 모양의 형상을 이루며, 음극의 선단은 발광관의 전극이 연장되는 방향에 있어서의 중심위치보다도 양극측으로 돌출하여 이루어지는 구성을 취할 수 있다.

또한, 막대모양 부재에는 텅스텐 코일을 감을 수 있다.

본 발명자들은 예의 검토를 거듭하여 연구한 결과, 음극의 후단에 테이퍼를 설치함으로써 발광관 내부에 있어서의 봉입가스의 대류를 변화시킬 수 있음을 발견하고, 이 변화에 따라서 흑화물의 설치위치를 노광처리에 직접 부여하지 않는 봉지부 근방에 발생시키는데 성공했다.

또, 이러한 테이퍼도 그 각도가 20°∼40°의 범위로 함으로써, 가장 효과적으로 흑화물을 봉지부 근방에 발생시킬 수 있음을 발견했다.

또한, 음극의 선단은 발광관의 전극이 연장되는 방향에 있어서의 중심위치보다도 양극측으로 돌출시킴으로써도 효과를 한층 높일 수 있음을 발견했다.

또한, 음극의 소경부에는 텅스텐 코일을 감음으로써 불순가스를 흡착할 수 있어, 흑화물의 발생 그 자체를 억제할 수 있음을 발견했다.

이하, 본 발명의 일실시예에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 쇼트 아크형 수은 램프를 도시한 도면이다.

석영 글라스로 이루어지는 발광관(1)의 중앙에 발광부(10)가 있고, 그 양측에는 봉지부(12, 13)가 있다. 발광부(10)의 내부에는 음극(20)과 양극(30)이 각각 봉지부(12, 13)로부터 연장되는 막대모양 부재(21, 31)에 지지되며, 발광부(10)의 대체적으로 중앙부근에서 간극을 가지고 서로 대항배치된다. 봉지부(12, 13)에는 도시는 생략되어 있지만, 금속박, 외부 리이드 막대가 배치되고, 막대모양 부재(21, 31)와 전기적으로 접속된다. 발광부(10)의 봉지부(12, 13)측의 근원에서는 발광부(10)의 외관을 구성하는 석영 글라스와 막대모양 부재(21, 31)가 용착되어, 발광부(10)의 내부를 기밀하게 하는 구조를 이룬다.

발광관(1)은 대체적으로 럭비볼 모양의 형상을 이루며, 그 내부에 공간을 가진다.

발광부(10)의 내부에는 수은과 불활성 가스가 혼입된다. 봉입량은 한 예를 들면 수은이 발광부의 내용적에 대해서 20mg/cc이며, 불활성 가스는 크세논 가스가 40hPa 봉입된다. 발광부(10)의 내용적은 예를 들면 180cc이며, 음극과 양극의 간극은 6mm정도이다.

음극(20)의 선단은 원뿔모양으로 되어 있고, 양극(30)의 선단은 반구모양으로 되어 있다.

이 수은 램프는 예를 들면 점등전압 58V, 점등전류 60A, 점등전력 3500W로 점등된다.

도 2는 음극(20)의 확대도이다.

막대모양 부재(21)는 예를 들면 직경 6mm로 텅스텐으로 이루어지고, 그 주위에는 텅스텐의 코일(22)이 감겨 있다. 이 코일(22)은 예를 들면, 선직경 1.5mm, 길이 25mm가 17회 정도 감겨 있다.

음극(20)은 텅스텐으로 이루어지며, 예를 들면 외경(D1)이 10mm, 외경(D2)이 7mm정도 사용된다. 그리고, 음극(20) 내에는 토륨 등의 전자 방사성 물질이 첨가된다. 또, 음극의 선단은 전자 방사성을 높이기 위해, 원뿔모양으로 가공되고 그 선단은 평탄한 모양으로 되어 있다.

한편, 음극(20)의 막대모양 부재측의 후단에는 테이퍼(23)가 형성된다. 이 테이퍼(23)는 도면에 도시한 각도(θ)가 예를 들면 30°이다.

본 발명에 있어서의 테이퍼각이란 도 2에 도시한 바와 같은 각도(θ)를 말한다.

여기에서, 발광부(10)의 내부공간은 상술한 바와 같이 기밀하게 구성되어 램프점등 중에는 이 공간에 있어서 대류가 발생할 만도 하지만, 이 대류가 흐르는 방향은 전극의 온도, 전극의 크기, 전극 간의 거리 등이 서로 복잡하게 작용하여 결정하는 것이다.

그러나, 본 발명은 이들 요인 중에 음극(20)의 후단에 테이퍼를 형성하는 것이 가스를 위쪽, 즉 막대모양 부재(21)의 근원방향으로 이끈다고 하는 점에 있어서는 상당히 큰 요인이 됨을 발견한 것이다. 즉, 양극 근방에서 따뜻해져서 상승하는 기류는 음극 선단의 원뿔형상으로 방향을 규제받지 않고 음극의 측면을 따르도록 상승하여, 음극과 지지하는 막대모양 부재의 근원에서 발광관과 충돌할 수 있음을 발견한 것이다.

이것을 도 3을 참조하여 설명하면, 음극(20)의 측면을 따라서 상승하는 기류는 도면에 도시한 바와 같이 (a), (b), (c), (d)의 방향으로 흐른다. 그리고, 테이퍼(23)의 각도(θ)를 규정하는 것이 (d)의 방향으로 흐르는 가스의 비율을 증가시키는 데에 크게 기여할 수 있음을 발견한 것이다.

하기의 표는 테이퍼각(θ)과 기류방향과의 관계를 나타낸 실험결과이다.

실험은 테이퍼각(θ)을 변경한 램프를 사용하여 각각 약 1시간 점등시켜서 발광부(10) 내부의 기류의 흐름을 관찰하고, 이 기류의 흐름에 따라서 발광관 내벽의 흑화물의 부착위치를 추정하여 행했다. 이것은 흑화물의 발생은 상술한 바와 같이 상당한 정도의 점등시간을 요하지만, 기류의 흐름은 선글라스를 사용하여 용이하게 눈으로 관찰할 수 있기 때문이다. 평가는 기류의 흐름이 발광부(10)의 근원, 즉 봉지부(12)에 가까운 측으로 올라간 것일수록 「효과있음」 으로 했다.

실험에서는 도 1에 도시한 수은 램프를 58V, 3500W로 점등하여 행했으나, 1KW 이상의 수은 램프라면 거의 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

이 결과, 테이퍼각(θ)은 20°∼40°의 범위 내에서라면, 흑화물의 부착을 발광부(10)의 근원 부근에 발생시킬 수 있다. 한편, 반도체 노광장치에서는 램프로부터의 방사광 중, 아크의 휘점을 중심으로 하여 특정 각도의 범위 내에 방사시키는 광만이 노광에 기여하기 때문에, 상기 특정 각도의 범위 외에 흑화물을 발생시키는 것이 결과적으로는 장시간에 걸친 노광처리를 가능하게 한다.

또, 본 발명의 수은 램프는 막대모양 부재(21)에 텅스텐 코일(22)을 감음으로써, 기류가 코일(22)의 주변을 통과할 때에 기류 중에 포함되는 텅스텐 등의 불순물을 양호하게 흡수할 수 있다. 즉, 발광부(10)의 내면에 부착하는 흑화물의 양 그 자체를 감소시킬 수 있다.

도 3은 발광부(10)의 내부공간에 있어서, 음극(20)의 선단에 형성되는 아크의 휘점(T)을 램프의 전극방향의 중심(L)보다도 양극(30)측으로 위치시킨 상태를 도시한 것이다.

이와 같이, 아크의 휘점(T)의 위치를 중심선(L)보다도 아래측에 배치함으로써, 아크 휘점(T)으로부터 방사되는 광도 전체적으로 아래쪽으로 이동할 수 있다. 즉, 노광처리에 직접 기여하는 유효방사광도 램프의 위치를 기준으로 하여, 전체적으로 아래쪽으로 이동시키는 것을 가능하게 한다.

이것은 발광부(10)의 음극측에 있어서 흑화물이 부착하더라도, 노광처리에 지장이 없는 영역을 넓게 취할 수 있음을 의미한다. 그리고, 청구항 1에 기재한 테이퍼의 발명과 아울러 상승적으로 램프의 장수명화를 높일 수 있다.

구체적으로는 음극(20)의 선단이 중심선(L)보다도 3mm 아래쪽으로 돌출되어 있다. 이 돌출은 1∼6mm가 바람직한 것이 실험적으로 판명되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 쇼트 아크형 수은 램프를 사용한 노광장치를 대체적으로 도시한 개략도이다.

램프(40)는 집광경(41)의 가운데에 배치되지만, 집광경(41)의 제1 초점에 램프(40)의 아크 휘점이 배치된다. 램프(40)는 전원(42)에 의해서 제어된 전력이 공급된다.

집광경(41)으로부터의 반사광 및 램프(40)로부터의 직사광은 반사경(43), 인티그레이터(integrator) 렌즈(44), 반사경(45), 콘덴서 렌즈(46)로 이루어지는 광학 시스템에 의해서 포토마스크(47)에 인도된다. 이 포토마스크(47)에 그려진 회로패턴을 투사하여 집광경(48)을 통해서 웨이퍼(W)를 조사한다.

여기에서 램프(40)는 상술한 바와 같이 음극이 위쪽, 양극이 아래쪽으로 수직 점등되며, 음극 선단의 아크 휘점(T)으로부터 유효 방사각도(α)의 광이 반사경(43)쪽으로 인도된 상술한 웨이퍼(W)의 노광에 공헌한다. 그리고, 각도(α)로부터 벗어난 음극측의 발광관을 투과하는 광은 노광처리에는 이용되지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 쇼트 아크형 수은 램프는 음극의 후단에 테이퍼를 설치함으로써, 흑화물의 부착을 노광처리에 직접 기여하지 않는 봉지부 근방에 발생시킬 수 있다.

또, 이러한 테이퍼도 그 각도가 20°∼40°의 범위로 함으로써, 가장 효과적으로 흑화물을 봉지부 근방에 발생시킬 수 있다.

또한, 음극의 선단이 발광관의 전극이 연장되는 방향에 있어서의 중심위치보다도 양극측으로 돌출시킴으로써, 램프로부터 방사되는 광 중에 노광처리에 기여하는 광을 램프 전체의 위치에 대해서 아래쪽으로 이행시킬 수 있다.

또한, 음극측의 막대모양부분에는 텅스텐 코일을 감음으로써, 불순가스를 흡착할 수 있어 흑화물의 발생 그 자체를 억제할 수 있다.

Claims

발광관의 내부에 음극과 양극이 근접배치되고, 그 양쪽 단에 봉지부를 가지는 쇼트 아크형 수은 램프에 있어서, 상기 음극은 상기 봉지부로부터 연장되는 막대모양 부재의 선단에 설치되고, 이 막대모양 부재의 외경보다 큰 외경으로 구성되며, 또한 그 봉지부측의 후단은 테이퍼 모양인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 램프.
제1항에 있어서, 상기 테이퍼는 20°∼ 40°의 범위인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 램프.
제1항에 있어서, 상기 음극과 상기 양극 사이에 형성되는 아크 휘점은 발광관에 대한 전극이 연장되는 방향에 있어서의 중심위치보다도 양극측으로 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 램프.
제1항에 있어서, 상기 막대모양 부재는 텅스텐 코일이 감긴 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 램프.
발광관의 내부에 음극과 양극이 근접하게 배치되고, 그 양쪽 단에 봉지부를 가지는 쇼트 아크형 수은 램프를 점등하는 방법으로서, 상기 봉기부로부터 연장되는 막대모양 부재의 선단에 설치되고, 이 막대모양 부재의 외경보다도 큰 외경으로 구성되며, 또한 상기 봉지부측의 후단은 테이퍼 모양인 음극이 위쪽이 되게 하고 상기 양극을 아래쪽이 되게 수직으로 배치시켜서 상기 수은램프를 점등하는 쇼트 아크형 수은 램프의 점등방법.