KR100426580B1 - 방전램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단파장의 자외선을 양호하게 컷트할 수 있고, 또한 365nm(i선)의 방사광량을 올릴 수 있는 방전램프를 제공하는 것을 목적으로 하며, 석영글래스로 이루어지는 발광관(1)의 외면(14)에 Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층(21)과, 이 코팅층(21)과 굴절률이 다른 1층 혹은 복수층의 다른 코팅층(20, 22)을 가지고, 이들 1조의 코팅층에 의해 발광관(1)의 외면에서 발생하는 파장365nm인 광반사를 거의 0%로 함과 동시에, 상기 1조의 코팅층에 의해 230nm이하인 자외선을 50%이상 컷트하는 것을 특징으로 한다. 또, 1조의 코팅층은 발광관(1)의 내면에 형성할 수 있고, 또 내면과 외면의 양쪽에 형성할 수도 있다.

Description

방전램프

본 발명은 방전램프에 관한 것이다. 특히, 반도체 웨이퍼등의 노광에 사용되는 쇼트아크형 수은램프에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼를 노광하는 스테퍼(stepper)용 쇼트아크 수은램프(이하, 단순히 「램프」라고도 한다)는 수은과 불활성가스가 봉입된 발광공간에 음극과 양극이 대향배치되어, 이것으로부터 방사하는 자외선이 이용된다. 종래는 파장436nm의 g선이 주로 이용되고 있었으나, 근래 반도체의 미세화에 따라서 365nm의 i선이 사용되고 있다.

근래, 이런 종류의 램프에서 문제점이 2가지 지적되고 있다.

첫번째 문제는 단파장의 자외선 발생이다. 단파장 자외선은 공기중의 산소와 반응하여 유해한 오존을 발생하거나, 직접 인체의 피부에 작용하거나 하기 때문에, 바람직하지 않아서 방사되지 않는 것이 요구되고 있다. 200nm이하의 자외선을 컷트하면 오존의 발생을 거의 방지할 수 있으나, 200nm이하를 완전히 컷트하기 위해서는, 적어도 230nm인 광을 50%이상 컷트하는 흡수특성이 요구된다.

이 단파장의 자외선을 컷트하는 방법으로서, 석영글래스에 산화티탄(TiO₂)을코팅하거나, TiO₂을 도핑한 석영글래스를 발광관으로서 사용하는 종래예가 있으며, 근래는 다시 장파장측의 자외선 컷트도 요구된다.

두번째 문제는 램프로부터 방사되는 365nm인 광량을 올리는 것이다.

근래, 반도체업계에서는 노장공정의 스루풋(throughput)을 올리기 위해서, 노광면적의 증대화가 이루어지고, 단위면적당 자외선의 필요광량도 증대화하는 경향에 있다. 그 때문에, 대전력 램프가 요구되지만 이 램프는 발열량도 커지고, 스테퍼내의 온도를 일정하게 유지하는 냉각기능도 커져서 복잡해진다.

따라서, 램프전력을 일정하게 한 채로, 365nm인 광량을 증대시키는 것이 중요한 문제로 되고 있다.

첫번째 문제인 단파장 자외선의 컷트에 대해서는, ①상술한 석영글래스에 산화티탄을 섞어서 분산시킨, 소위 도핑석영(혹은 오존프리 석영)을 사용하는 방법, ②일본국 특공평4-34258호에 기재된 바와 같이, 발광관내 표면에 산화티탄 확산층을 디핑도포한 후 녹여 붙이는 방법,

③일본국 특공평5-70901호에 기재된 바와 같이 발광관의 외표면에 산화티탄, 산화규소(SiO₂)를 함유한 글래스층을 코팅한 방법 등이 보고되어 있다.

이들 방법에서는 200nm이하의 자외선을 거의 100%, 230nm의 자외선을 약 50% 컷트할 수 있다. 상술한 바와 같이, 오존과의 관계에서 200nm이하를 완전히 컷트하기 위해서는, 적어도 230nm이하를 50%이상 컷트할 필요가 있다. 그러나, 더욱 바람직하게는 노광에 필요한 365nm를 컷트하지 않고, 230nm보다 장파장의 자외선도 컷트할 수 있으면 더욱 바람직하다.

두번째 문제인 365nm인 광량을 올리는 시도는, 종래부터 수은, 희석가스 봉입량의 최적화, 양극, 음극의 형상의 최적화등으로 검토되어 왔다.

이와 같이 첫번째 문제와 두번째 문제를 각각 해결하는 것은 종래로부터 이루어지고는 있으나, 이들 방법은 어느 한쪽의 문제를 해결하는 데 지나지 않아, 동시에 2개의 문제를 완전히 해결할 수는 없었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단파장의 자외선을 양호하게 컷트할 수 있고, 또한 365nm인 광(i선)의 방사광량을 올릴 수 있는 방전램프를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 관련한 쇼트아크형 수은램프의 전체도,

도2는 본 발명의 코팅의 상태를 도시한 도면,

도3은 본 발명의 코팅을 실시한 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면,

도4는 본 발명의 코팅을 실시한 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면,

도5는 본 발명의 코팅을 실시한 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면,

도6은 본 발명의 코팅을 실시한 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면,

도7은 본 발명의 코팅을 실시한 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면,

도8은 종래의 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면,

도9는 본 발명의 램프와 종래의 램프에 의한 분광스펙트럼 도시한 도면,

도10은 본 발명의 코팅을 실시한 램프에 의한 분광스펙트럼을 도시한 도면.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1···발광관 2···음극

3‥·양극 4···금속박

11···발광공간 12···발광관 팽출부

13···봉지부(封止部) 14···코팅막

20···Al₂O₃층 21···Ta₂O₅층

22···SiO₂층

본 발명에 관련한 방전램프는, 석영글래스로 이루어지는 발광관의 외면 혹은 내면에 Ta₂O₅을 주성분으로 하는 코팅층과, 이 코팅층과 굴절률이 다른 1층 혹은 복수층으로 이루어지는 다른 코팅층을 가지고, 이들 1조의 코팅층에 의해 발광관의 외면 혹은 내면에서 발생하는 파장 365nm인 광반사를 거의 0%로 함과 동시에, 상기 1조의 코팅층에 의해 230nm이하의 자외선을 50%이상 컷트하는 것을 특징으로 한다.

다시, 상기 Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층의 막두께는 광학막두께로 20nm∼900nm인 것을 특징으로 한다.

다시, 상기 다른 코팅층은 그 주성분이 Al₂O₃또는 SiO₂인 것을 특징으로 한다.

다시, 상기 방전램프는 쇼트아크형 수은램프인 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제에 대해 예의 검토한 결과, 적어도 1층이 Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅막을 발광관에 코팅하면, 365nm인 광반사를 방지할 수 있고, 또한 단파장의 자외선도 양호하게 컷트할 수 있음을 발견하였다.

여기에서, Ta₂O₅를 함유하는 코팅층을 다른 코팅층과 번갈아 다수로 적층하여 특정파장의 반사특성을 갖게 하는 소위 다층반사 코팅이 종래부터 알려져 있다.

이 다층반사코팅은 어느 특정파장(λ)의 반사율을 올리기 위해서, 고굴절률의 코팅층(예를 들면, 굴절률2. 2∼2. 7의 TiO₂이나 굴절률 2.2∼2.4의 Ta₂O₅과 저굴절률의 코팅층(예를 들면, 굴절률 1. 475의 SiO₂이나 굴절률1. 38의 MgF₂)을 광학막두께(nd)로 1/4*λ의 두께로서 번갈아 코팅하여 다층 적층하는 것이다.

이 기술에서는 적층하는 층수가 적으면 소망의 반사율이 얻어지지 않아, 실용가능한 정도의 반사율을 얻으려면 통상 10층이상은 코팅하지 않으면 안되었다.

예를 들면, 일본국 특공평2-18856호에는 스테퍼에 이용되는 초고압 수은램프로서, 광학계내의 필터나 콜드 미러(cold mirror)를 생략하기 위해서 적외광을 램프내부에 반사하는 다층코팅의 기술이 기재되어 있다.

구체적으로는, 파장1000nm인 광을 반사시키기 위해 250nm의 두께로 Ta₂O₅와 SiO₂를 12층 번갈아 코팅하고, 그 위에 250nm의 두께의 고굴절률층(Ta₂O₅)과 125nm의 두께의 저굴절률층(SiO₂)을 적층하고 있다. 결과적으로, 800∼1100nm인 광을 거의 램프내부에 반사함으로써 투과율을 0%로 하고 있다.

또, 일본국 특공평7-19568호에는 램프의 반구면에 365nm인 광을 반사시키기 위한 반사층을 다수 형성하고, 편반면으로부터 365nm인 광을 반사시키는 기술이 기재된다.

구체적으로는 Ta₂O₅와 SiO₂를 두께90nm로 9층, 두께100nm로 l층, 그 후 두께110nm로 9층 코팅하여, 파장400nm인 광을 중심으로 반사시켰다. 결과적으로, 365nm부근의 광을 거의 100%반사시킨 것이 소개되었다.

이들 종래기술은 발광관내의 발광중심으로부터 반사된 광을 발광관 외표면에 형성한 다수의 코팅층 상호에 광교섭에 의해 소망의 광을 반사시킨다고 하는 것으로, 소망의 광을 반사시키는 것 및 소망의 광을 반사시킴으로써 반대로 소망의 광을 투과시킨다고 하는 효과를 노린 것이다.

본 발명은 이와 같은 종래의 기술사상의 연장선상에서 행하는 것이 아니고, 발광관의 외표면으로부터 방사되는 365nm인 광 그 자체의 증대를 도모하는 것에 있다.

구체적으로는, 365nm인 광이 발광관의 내부로부터 외부로 통과할 때, 발광관의 내부공간과 발광관의 내표면과의 사이에 발생하는 반사 및 발광관의 외표면과 발광관의 외부공간 사이에 발생하는 반사를 감소시키는 것에 있다.

그리고, Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층과, 이 코팅층과 굴절률이 다른 1층혹은 복수층으로 이루어지는 다른 코팅층으로 구성되는 1조의 코팅층을 발광관의 외면 혹은 내면에 코팅하는 것으로, 이 1조의 코팅층만으로 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 발명했다.

게다가, 이 코팅이 단파장 자외선의 컷트에도 효과적인 것을 알 수 있었다.

이와 같은 반사를 억제할 수 있는 막은, 다른 용도로는 이미 이용되고 있는 것으로서, 후술하는 무반사코팅 혹은 반사방지막으로 불린다. 여기에서, 반사방지막이란 주로 글래스 또는 다른 투명물질의 표면에서 반사를 줄이고, 투과율을 증대시키기 위한 막과 「광학기술 핸드북 증보판」구보타 히로시 외 편집, 아사구라 서점(소화 59년)에 기재되고, 또, 무반사코팅이란 굴절률이 다른 계면에 있어서의 반사손실을 저감하는 방법과 「광학박막 제2편」도모리츠 출판(1985년)에 기재되어 있다.

여기에서, 방전램프에 대해서 말하면, 무반사코팅을 하지 않는 경우에는 석영글래스의 365nm의 광에 대한 굴절률 약 1. 48과 공기의 굴절률이 약 1. 0인 관계에 의해, 발광관의 편면에서 약 4. 0%의 365nm의 광반사가 발생한다.

이 현상이 발광관의 내부공간과 발광관의 내표면과의 계면, 발광관의 외표면과 외기와의 계면에서 각각 발생하면, 이 반사에 의한 손실은 약 8.0%로 된다.

즉, 발광관의 외표면으로부터 방사되는 365nm의 광은 적어도 8. 0%는 이미 반사에 의해 감쇠되어 있음을 의미한다.

본 발명에서는 발광관의 외면 혹은 내면에 그 소재에 단파장 자외선의 흡수특성을 가지는 무반사코팅을 함으로써, 365nm의 방사광량을 올림과 동시에, 소망의단파장 자외선도 컷트하고 있다.

종래의 다층반사코팅의 경우는 그 특성은 코팅막의 특성(고굴절률과 저굴절률의 두께)만으로 결정되지만, 본 발명에 관련된 무반사코팅의 경우는 발광관의 굴절률도 크게 영향을 미친다.

다음에, 발광관의 굴절률과의 관계에서 본 발명의 무반사코팅에 요구되는 굴절률에 대해서 설명한다.

투명기판(굴절률 : n_s)상에 막두께d의 투명막(굴절률 : n)을 1층코팅하면, 「광학박막 제2편」도모리츠 출판(1985년)에 의하면, n_s>n에서는,

2πnd/λ = π, 3π, (2m+l) π로,

극소값R = ( (n_s-n²/(n_s+n²) )²

을 취한다. 그 때, 반사율을 0으로 하려면, n=(n_s)^{o. 5}일 필요가 있다. 발광관의 재질인 석영글래스의 굴절률은 약 1. 5이므로, 굴절률1. 22의 코팅층이면, 이 코팅층만으로 365nm의 광의 발광관과의 계면에 발생하는 반사를 방지할 수 있다. 그러나, 굴절률1. 22이고, 또한 요구되는 자외선 컷트특성을 가지는 재료는 현재 존재하지 않는다.

다음에, 복수의 코팅층에 의해 무반사코팅을 형성하는 경우에 대해서 설명한다. 복수의 코팅층은 각각 365nm의 광에 대한 굴절률이 다른 관계에 있으면, 고굴절률과 저굴절률의 관계를 가지고 무반사코팅으로서 기능할 수 있다.

2층코팅막(n₁, n₂)의 경우, 특정파장λ을 완전히 반사방지하려면,

tan²g₂= (n₁ ²×(n_o-n_s) ×(n_sn_o-n₂ ²) ) /

단, g₁=2πn₁d₁/λ, g₂=2πn₂d₂,/λ, n₀은 공기의 굴절률을 나타내며 1이다. n₁과 n₂는 각각의 코팅층의 굴절률, d₁과 d₂은 각각의 코팅층의 두께를 나타낸다.

상기식의 해는 복수개 존재한다. 예를 들면, n₁=1. 472(SiO₂), n₂= 2. 34(Ta₂O₅), n_s(석영글래스365nm의 굴절률)=1. 475로 상기식을 풀면, 예를 들면 다음과 같은 해가 얻어진다.

다음에, 해1로부터 해4의 조건을 만족한 코팅층을 발광관의 외표면에 코팅하여 발광관의 투과율을 측정했다. 그 결과를 각각 도3, 도4, 도5, 도6에 도시한다.도면은 가로축으로 파장을 나타내고, 세로축으로 투과율을 나타내며, 도3은 Ta₂O₅를 24. 3nm, SiO₂를 123nm코팅하고 있고, 도4는 Ta₂O₅를 207nm, SiO₂를 123nm코팅하고 있고, 도5는 Ta₂O₅를 389nm, SiO₂를 123nm코팅하고 있으며, 도6은 Ta₂O₅를 572nm, SiO₂를 123nm코팅하고 있다.

그 결과, 전체에 있어서 365nm의 광의 투과율은 96%를 얻고 있음을 알 수 있다. 본 실시예는 발광관의 외표면에 무반사코팅을 한 것이므로, 발광관의 내표면과 방전공간과의 계면에서 발생하는 약 4%의 반사를 제외한 양이 발광관으로부터 양호하게 방사되는 것을 나타내고 있다.

수학해는 또한 복수개 존재하고, 수학해 이외에도 반사율을 O에 가깝게 하는 근사한 조건 또한 복수개 존재한다.

여기에서, 사용되는 코팅층의 재료에는 소망의 자외선을 흡수할 수 있는 것이 요구된다. 상술한 365nm의 광의 무반사조건을 얻은 후에, 365nm의 파장을 컷트하지 않는 것, 및 230nm이하의 광을 50%이상 컷트하는 것이 요구된다.

코팅층이 2층이상인 경우는, 어느 쪽인가 1층이 상기 조건을 만족하는 것이 필요하다. 그 때, 다른 코팅층의 자외선 컷트특성은 상기 코팅층의 자외선 컷트특성보다 낮을(자외선의 투과가 좋다) 필요가 있다.

본 발명자는 Ta₂O₅만이 상기 조건을 만족하고 있음을 발견했다.

CeO₂는 자외선의 흡수가 너무 커서 365nm의 광도 컷트해 버린다. TiO₂도365nm의 광을 약간 컷트한다. ZrO₂는 365nm의 광은 컷트하지 않지만, Ta₂O₅보다도 단파장 자외선의 컷트특성이 나쁘다.

또, 2층이상의 코팅인 경우는, 1층이 Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층이고, 다른 코팅층은 SiO₂, Al₂O₃과 같이 Ta₂O₅의 단파장 자외선의 컷트특성이 낮은(자외선의 투과율이 좋다)재료를 선택할 필요가 있다.

여기에서, Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층이란, Ta₂O₅가 전체의 50%정도는 함유되어 있음을 의미하고 있고, 그 밖의 재료로서 HfO₂, ZrO₂등이 적용된다.

상술한 바와 같이 무반사코팅의 조건은, 2층의 경우에도 복수이다.

단, Ta₂O₅의 막두께가 얇아지면, 도3에 도시한 바와 같이 자외선의 흡수가 적어진다. 광학막두께로서 20nm이하에서는, 230nm이하의 파장을 50%이상 컷트하는 조건을 만족하지 않게 되는 것을 알 수 있었다.

365nm인 광의 무반사조건을 유지하면서, Ta₂O₅의 막을 두껍게 하면, 도6과 같이 무반사인 파장영역이 좁아진다. 또한, Ta₂O₅의 막을 두껍게하면 무반사 파장영역이 한층 좁아진다. 그와 같은 상태에서는, 코팅막두께가 목적값으로부터 조금 어긋나도 365nm인 무반사상태는 성립하지 않게 된다. 코팅의 막두께제어가 문제가 되어, 실용조건으로부터는 어긋나 버린다. 실용가능한 Ta₂O₅의 막두께의 상한은 광학막두께로서 900nm이다.

3층에서는 무반사의 조건은 또한 복수이나, 각 코팅층의 두께의 최소, 최대값은 상술한 2층의 경우와 거의 동일하다.

따라서, Ta₂O₅의 박두께는 쾅학막두께로 20nm∼900nm의 범위로 함으로써, 단파장 자외선의 컷트와, 효율좋게 i선(365nm)의 출력이 얻어진다고 하는 목적을 동시에 달성할 수 있다.

무반사코팅은 3층의 코팅을 실시함으로써, 무반사영역의 파장범위가 넓어져서 유용해진다. Ta₂O₅이외의 재료는 그 굴절률과 자외선 흡수특성이 중요하나, 365nm의 자외선을 흡수하지 않고 굴절률이 1. 4∼1. 7인 것이 적용된다. 이 조건을 만족하는 재료로서, SiO₂, Al₂O₃이 적합하다.

그리고, 이들 막, 즉 Ta₂O₅를 주성분으로 하는 막, SiO₂를 주성분으로 하는 막, Al₂O₃을 주성분으로 하는 막을 모두 이용함으로써, 이 1조의 코팅층에 의해 350nm의 광으로부터 450nm의 광까지 넓은 영역에서 반사방지를 할 수 있다. 또, 3개의 막을 1조의 코팅층으로 함으로써 막에 응력이 들어가지 않아 기계적 강도가 높고, 내열온도도 높고, 내구성도 좋은, 이상에 가까운 막으로 할 수 있다.

상술한 무반사코팅재료의 발광관에의 코팅방법은 증착법, 스퍼터링법, CVD법, 디핑법이 적당하다.

또한, 무반사코팅재료는 발광관의 외면뿐만 아니라, 발광관의 내면에도 코팅할 수 있다. 이와 같이 하면, 발광관의 내면과 발광관의 내부공간의 계면에서의365nm인 광반사를 감소시킬 수 있다. 이 발광관의 내면에의 코팅은 CVD법, 디핑법으로 가능하다.

또한, 발광관의 내면과 외면의 양쪽에 무반사코팅층을 형성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 무반사코팅층을 형성하지 않을 경우에는 약 4%의 광이 반사되기 때문에, 발광관의 내면과 외면의 양쪽에 무반사코팅층을 형성함으로써, 약 8%의 i선의 투과효율이 올라가게 된다.

본 발명의 구체적인 실시예를 이하에 도시한다.

도1은 정격소비전력1kw의 쇼트아크형 수은증기 방전램프의 전체도이다. 발광관(1)의 내부에는 음극(2)과 양극(3)이 대향배치되어, 이 음극(2)과 양극(3)은 각각 리드봉에 지지되어 금속박(4)이 접속된다. 램프는 발광관 팽출부(12)와 그 양단에 봉지부(13)를 가지고, 발광관 팽출부(12)의 내부에 방전공간(11)을 형성한다.

이러한 방전램프에 있어서, 발광관 팽출부(12)의 외측표면(14)에, 각각 광학막두께로 Al₂O₃90nm, Ta₂O₅180nm, SiO₂90nm를 증착법에 의해 코팅했다.

이 상태를 도2에 도시한다. 발광관(1)의 외표면(14)에는, Al₂O₃층 20, Ta₂O₅층 21, SiO₂층 22가 코팅되어 있다.

이와 같은 코팅을 실시한 램프를 점등시켜, 그 실온투과율을 도7에 도시했다. 도면에서 365nm인 광의 투과율은 96%이상이고, 270nm이하의 자외선이 50%이상 컷트되어 있음을 알 수 있다.

다음에, 본 발명에 관련한 수은램프(반사방지막을 발광관에 코팅)와 종래의수은램프(발광관에 코팅하지 않음)를 점등시켜, 분광스펙트럼을 측정하여, 365nm인 광의 출력 및 단파장 자외선의 컷트특성을 조사했다.

도8에 종래의 램프의 분광스펙트럼, 도9에 본 발명의 램프의 분광스펙트럼을 나타내고, 도10에 도9의 분광스펙트럼을 도8의 분광스펙트럼으로 나눗셈한 결과를 도시한다.

이 결과, UV컷트특성에 대해서는, 램프점등시에 발광관이 가열됨으로써, 코팅막에 의한 자외선의 흡수영역이 장파장측으로 이동하고, 50%를 투과하는 파장이 약 290nm로 되어 종래의 램프보다 바람직한 방향으로 변화하고 있다. 한편, 365nm인 광의 방사강도는 본 발명의 램프가 종래의 램프에 비해서 3∼5% 올라가 있다.

즉, 본 발명에 관련한 수은램프를 스테퍼에 사용하면, 스테퍼의 스루풋을 약 1% 상승시킬 수 있고, 반도체 제조라인의 스루풋도 마찬가지로 1% 상승시킬 수 있다. 이것은 상당히 효과있는 숫자이다.

Claims (4)

1. 석영글래스로 이루어지는 발광관의 외면 혹은 내면에, Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층과, 이 코팅층과 굴절률이 다른 1층 흑은 복수층의 다른 코팅층으로 무반사 코팅층을 형성하고, 이들 1조의 무반사 코팅층에 의해 발광관의 외면 혹은 내면에서 발생하는 365nm 파장 광의 반사를 거의 0%로 함과 동시에, 상기 1조의 무반사 코팅층에 의해 230nm 이하의 자외선을 50% 이상 컷트하는 것을 특징으로 하는 방전램프.
2. 제 1항에 있어서, 상기 Ta₂O₅를 주성분으로 하는 코팅층의 막두께는 광학막두께로 20nm∼900nm인 것을 특징으로 하는 방전램프.
3. 제 1항에 있어서, 상기 다른 코팅층은 그 주성분이 Al₂O₃또는 SiO₂인 것을 특징으로 하는 방전램프.
4. 제 1항에 있어서, 상기 방전램프는 쇼트아크형 수은램프인 것을 륵징으로 하는 방전램프.