KR100490579B1 - 숏아크형수은램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사조도의 유지율이 높은 숏 아크(short arc) 수은 램프를 제공하는 것으로써, 토륨 산화물을 포함하는 최선단부를 제외하고 텅스텐 카바이드층이 형성된 음극을 가지고, 그 텅스텐 카바이드층의 면적을 SC(㎠)로 하며, 음극, 양극의 적어도 한쪽에 부착된 탄탈 금속의 체적을 VT(㎣)로 할 때, 1.56≤VT/SC인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은 램프로 한다. 혹은 양극의 체적을 VW(㎤), 램프 밸브 내에 구비된 Ta의 체적을 VT(㎣)로 할 때, 0.043≤VT/VW인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은 램프로 한다.

Description

숏 아크형 수은램프

본 발명은 반도체 노광장치에 이용되는 방사효율의 변화가 적은 숏 아크형 수은램프에 관한 것이다.

최근, 반도체 제조공정중, 노광공정용으로써 중심파장 365nm(이하 i선 이라고 칭한다)의 자외광을 방사하는 숏 아크형 수은램프가 사용된다. 반도체 집적회로의 집적도는 매년 높아지고, 그에 따라 노광시의 해상도의 요구도 높아지고 있다. 또한, 웨이퍼의 대구경화로 노광면적도 커지고, 혹은 고해상도 달성을 위해 이용되는 변형 조명기술에 의해 광원에서의 자외광 방사량의 증대가 요구된다.

i선의 방사조도의 증대는 램프로의 전기입력을 늘림으로써 달성할 수 있다. 그러나, 전기입력의 증대로 전극으로의 에너지의 유입량이 증대하고, 전극온도가 높아져버린다. 이 때문에, 전극물질이나 이에 포함되는 불순물의 증발이 활발해지고, 전극의 손상이나 밸브의 흑화(黑化)를 발생시켜 버린다. 또한, 전극의 온도를 낮추기 위해, 전극의 치수를 크게 하는 방법이 있다. 그러나, 이 전극의 대형화는 전극에 불순물로써 포함되는 탄소의 양을 많게 한다.

일반적으로 밸브 안에 존재하는 산소 등의 불순가스는 전극을 구성하는 텅스텐과 반응하여 산화 텅스텐이나 저융점 화합물의 텅스텐이 된다. 이 산화 텅스텐 등은 텅스텐보다 융점이 낮으므로, 전극 자체의 변형이나 전극물질의 증발을 초래하는 것은 잘 알려져 있다.

이 때문에, 종래의 수은램프는 게터(getter)로써 티타늄, 질코늄, 탄탈 등을 사용하여, 밸브 내의 불순가스를 제거했다.

이와같이, 산소 등의 불순가스에 대해, 상기 게터를 사용함으로써, 양호하게 제거할 수 있는데, 밸브 안에 존재하는 탄소에 대해서는 그 수천백도℃이상의 고온 영역에서의 거동과 상기 게터의 능력에 대해 충분히 해명되지 않은 것이 현재 상태이었다.

여기서, 텅스텐으로 구성되는 양극에는 통상, 수wt·ppm의 탄소가 포함되어 있다. 양극은 램프 점등중 고온에 노출되기 때문에, 이 양극에 포함되는 탄소는 램프 점등중에 밸브 내의 발광공간에 갑자기 발생한다.

그리고, 이 발생한 탄소가 텅스텐으로 구성되는 양극 혹은 음극의 아크와 접촉되는 부분에 부착되면, 저융점인 텅스텐 카바이드를 형성하고, 이 부분에서의 증발을 촉진시키게 된다.

한편, 음극에는 통상, 전자방사를 용이하게 하기 위해 산화 토륨이 수중량％ 분산되어 있다. 또한, 음극의 외표면에는 텅스텐 카바이드층(탄화층)을 형성시킨다. 이것은 음극에 포함되는 산화 토륨이 환원하여 금속 토륨이 되고, 전자방사를 용이하게 하기 위함이다.

그러나, 음극의 외표면에 설치된 텅스텐 카바이드층이 램프 점등중 고온에 노출되면 상기 텅스텐 카바이드층에서 탄소가 증발하고, 이 탄소가 밸브 내의 발광 공간을 부유하여, 밸브의 내표면에 부착되기 어렵다. 또한, 이 부유하는 탄소가 음극 혹은 양극의 선단으로써, 텅스텐이 직접 아크에 접촉되는 부분에 부착되어 버리면 상기 부착부분에서의 증발을 한층 촉진시키게 된다. 이것은 텅스텐 카바이드쪽이 텅스텐보다 융점이 낮으므로 증발하기 쉽기 때문이다. 이와 같은 전극의 선단부의 전극구성물질의 증발은 방사광량의 감퇴를 현저하게 이끈다.

본 발명이 해결하려는 과제는 불순물인 탄소를 양호하게 제거하고, 방사조도의 유지율이 높은 수은 램프를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 숏 아크형 수은램프는 발광관 내에 음극과 양극이 배치되어 있고, 상기 발광관 내에 수은과 희가스가 봉입되며, 음극은 토륨 산화물을 포함하는 최선단부를 제외한 표면에 텅스텐 카바이드층을 형성하고, 음극, 양극의 적어도 한쪽에는 탄탈 금속을 설치하고, 상기 텅스텐 카바이드층의 면적을 SC(㎠), 설치한 탄탈금속의 체적을 VT(㎣)로 할 때, 1.56≤VT/SC인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 음극의 외표면에 설치된 텅스텐 카바이드에 포함되는 탄소가 밸브 내의 발광공간에 갑자기 발생한 경우에, 이것을 양호하게 포획하는 소정량의 탄탈을 게터로써 설치한 것이다.

상술한 바와 같이, 텅스텐 카바이드에 포함되는 탄소는 램프의 점등시간의 경과와 동시에 음극에서 빠져나간다. 통상, 이와 같은 텅스텐 카바이드에 포함되는 탄소의 양은 1mg에서 수mg인데, 본 발명에서는 음극, 양극의 적어도 한쪽에 탄탈을 설치함으로써, 밸브 내에서 대류에 의해 운반되는 탄소 및 불순가스인 산소와 결합한 일산화탄소를 양호하게 흡착할 수 있다.

여기서, 램프는 대지에 대해 수직으로 배치될 때, 밸브 내에서는 대류가 양전극을 따라 상승하도록 격렬하게 발생한다. 따라서, 게터로써의 탄탈도 이 대류를 고려하여 그 부착되는 위치를 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 청구항2에 기재의 숏 아크형 수은램프는 발광관 내에 음극과 양극이 배치되어 있고, 상기 발광관 내에 수은과 희가스가 봉입되어 있으며, 양극의 체적을 VW(㎤), 양극의 선단부를 제외한 램프 밸브 내에 설치한 탄탈금속의 체적을 VT(㎣)로 할 때, 0.043≤VT/VW인 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 양극을 구성하는 텅스텐중에 포함되는 탄소가 램프 점등중에 밸브 내의 발광공간에 갑자기 발생한 경우에 이 갑자기 발생한 탄소를 양호하게 포획하는 소정량의 탄탈을 설치한 것이다.

통상, 양극이 받는 열부하는 음극보다 크기 때문에, 양극은 음극보다 체적이 커진다. 이것은 음극은 체적이 작으므로, 음극을 구성하는 텅스텐중에 포함되는 탄소를 고려할 필요는 없지만, 양극은 체적이 크기 때문에 고려할 필요가 있는 것을 의미한다.

램프 점등중, 양극의 몸체부가 예를 들면 1500℃에서 2천수백℃의 고온에 노출된 경우에 탄소를 발광공간에 갑자기 발생시키기 쉬워진다.

〈발명의 실시형태〉

도 1은 본 발명의 숏 아크형 수은램프의 단면도를 도시한다. 석영제의 발광관(1)안에 음극(2)과 양극(3)이 대향 배치되어 있고, 각각의 전극은 내부 리드부재(12) 및 (13)을 통하여 봉지부(6), (7) 내부에서 박형부(8), (9)와 각각 접속되어 있다. 상기 박형부(8), (9)에는 외부 리드부재(10), (11)가 각각 접속되어 있다.

〈실시예1〉

도 2는 양극의 외관도이고, 도 3은 음극의 외관도를 도시한다.

발광관(1)은 석영 유리로 이루어지고, 외경 약 55mm의 대략 구형을 하고 있다. 음극(2)은 텅스텐으로 이루어지고, 선단직경(ø) 1.0mm, 콘각 60°, 몸체직경(ø) 6mm이고, 그 안에 산화 토륨이 약 2wt ％ 포함되어 있다. 양극(3)도 텅스텐으로 이루어지고, 콘각 90°, 선단의 평탄면의 직경 5mm, 몸체직경(ø) 20mm, 전체길이 21.5mm이다.

이 음극(2)과 양극(3)이 발광관(1)안에서 4.0mm의 간격으로 대향하여 배치된다. 발광관(1)안에는 수은이 단위 용적당 4.5mg/cc, 크세논(Xe)이 실온에서 2atm봉입된다.

음극(2)에는 콘부(5)의 선단 3mm의 위치에서 몸체부를 향해 텅스텐 카바이드(4)를 형성시켰다. 그 면적은 약 0.25㎠이다. 이 텅스텐 카바이드(4)는 카본 미립자와 초산부틸을 혼합 교반하고, 그것을 음극에 도포하며, 약 1800℃의 고온 진공로 내에 약 1시간 유지하고, 열처리하여 형성되었다. 텅스텐 카바이드(4)의 두께는 약 50㎛이다. 이와 같이하여 텅스텐 카바이드(4)가 음극(2)의 선단부를 제외한 표면에 형성된다. 양극(3)은 약 2500℃의 고온 진공 가열로 내에 약 50시간 노출시킴으로써 탄소성분을 제거했다.

또한, 상기에 표시한 수치는 일예이고, 그 이외의 수치예가 적용될 수 있는 것은 말할 것도 없다.

다음에, 상기 양태의 수은램프를 이용하여, 본 발명의 효과를 표시하는 실험을 행했다. 우선, 상기 양태의 수은램프로써, 탄탈을 부착하지 않은 램프(A1)를 제작했다. 다음에, 음극에 감긴 탄탈의 크기(량)를 변화시켜, 7종류의 수은램프를 제작했다. 이들 램프(A1)∼(A8)는 그 이외의 조건을 모두 동일하게 했다.

램프(A2)∼(A8)에서, 음극에 감긴 탄탈은 직경 0.05mm로 선 형상을 각각 소정 길이로 절단하고, 약 2000℃의 진공 고온로 내에 약 30분간 두고 탈가스를 행했다. 소정 길이란 램프(A2)∼(A8)에서, 각각 20, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000(mm)이다. 감은 위치는 도 3에서 기호15로 표시하는 바와 같이, 음극(2)의 선단 10mm에서 근원을 향해 감았다. 감은 길이가 큰 탄탈은 당연히 하중에도 감기게 된다.

표1은 램프(A1)∼(A8)의 텅스텐 카바이드층 1㎠당의 탄탈량을 표시한다. 즉, 감긴 탄탈의 량이 큰 램프일수록 이 수치가 크게되는 것을 표시한다.

〈표1〉

이들 (A1)∼(A8)의 램프를 정전력 전원에 의해 약1500W의 입력으로 점등했했다. 램프전압은 23.1V, 램프전류는 63A였다. 램프는 음극을 상방으로 대지에 대해 수직인 자세로 점등시켰다.

수평에서의 방사조도의 유지율을 다음과 같이 측정했다. 숏 아크형 수은램프를 수직으로 유지하고, 음극선단에서 수평으로 50cm 떨어진 위치에 파장 365nm±5nm의 자외광을 투과하는 특성을 가지는 밴드 패스 필터를 배치시켰다. 그리고, 이 필터의 바로 후방에 광 검출소자인 실리콘 포토 다이오드를 고정하고, 램프점등에서 1000시간 경과후의 방사조도를 측정했다.

결과를 표2에 표시한다. 탄탈을 가지지 않는 램프(A1)는 방사조도가 70％를 유지하는데 대해, 탄탈을 가지는 램프(A2∼A8)는 그 이상의 방사조도를 유지하는 것이 나타난다. 특히, 텅스텐 카바이드층 1㎠당의 탄탈의 체적이 3.89(㎣/㎠)를 넘으면 90％이상의 방사조도를 유지하는 것을 알 수 있다.

또한, 탄탈을 설치한 램프는 탄탈을 설치하지 않은 램프에 비해, 전극의 손상도 매우 적어지고, 또한, 텅스텐 카바이드층 1㎠당의 탄탈의 체적이 큰 램프일수록 전극의 손상이 적은 것도 확인된다.

또한, 텅스텐 카바이드층 1㎠당의 탄탈의 체적을 늘려도 방사조도의 유지율은 93％이상은 되지않고, 포화하는 경향을 볼 수 있다. 이것은 양극선단에서의 순수한 텅스텐의 증발에 의한 것으로 생각된다. 표2의 결과를 도 4에 텅스텐화하여 표시한다. 세로축은 i선의 방사조도의 유지율, 가로축은 텅스텐 카바이드층 1㎠당의 탄탈의 체적을 표시한다.

〈표2〉

여기서, 탄탈을 설치하지 않은 램프(A1)와 비교하여 i선의 상대 방사조도의 유지율이 5％이상 향상한 경우를 효과가 있는 것으로 간주했다. 즉, 유지율이 5％향상한다는 것은 1000시간의 램프 점등에서, i선의 방사 에너지가 약 5％증가하게 되고, 이 점등시간에 대해 5％의 스루 풋의 향상에 상당한다. 또한, 일반적으로 방사에너지가 4％ 높아지면, 소위 반도체 제조공정의 노광공정의 스루 풋이 확실하게 개선된다. 따라서, 텅스텐 카바이드층 1㎠당의 탄탈의 체적이 1.56(㎣/㎠)이상일 때, 방사조도의 유지율의 향상에 효과가 있다고 인정된다.

〈실시예2〉

다음에, 양극의 체적과 탄탈의 체적과의 관계에 대한 실험을 설명한다.

텅스텐 카바이드층을 가지지 않는 수은램프로써, 램프(B1)는 탄탈을 가지지 않는데, 램프(B2∼B8)는 실시예1과 마찬가지로 직경이 0.05mm이고 길이가 각각 20, 50, 100, 500, 1000, 5000, 10000mm의 탄탈선을 각각 음극에 감아 제작했다.

각각의 램프의 양극의 체적은 동일하고, 이 실험예에서는 약 4.56㎤으로 했다. 양극의 외관도는 도 2에 도시하는데, 여기서 내부 리드부재(13)를 삽입하는 양극의 공동부(14)의 용적은 전체의 양극체적에 비해 매우 작아 무시할 수 있으므로, 이 공동부(14)의 용적을 포함하여 편의상 양극의 체적으로 했다.

표3에 램프(B1∼B8)의 양극 1㎤당의 탄탈의 체적을 표시한다. 즉, 양극의 체적은 동일하므로, 감긴 탄탈의 양(체적)이 클수록 이 값은 커지는 것을 알 수 있다.

〈표3〉

이 램프(B1∼B8)에 대해 방사조도의 유지율을 측정했다. 방법은 실시예1과 같고, 그 결과를 표4에 표시한다. 또한, 측정시의 램프전압은 23.1V, 램프전류는 65A이고, 각 램프에서 동일조건으로 점등시켰다. 그리고, 1000시간 점등후의 각 램프의 방사조도의 유지율을 표시한다.

이 결과, 탄탈을 감지 않은 램프(B1)는 방사조도가 1000시간의 점등에 의해 70％가 된 것에 대해, 탄탈을 감은 그 이외의 램프는 그 이상의 방사조도를 유지하는 것이 나타난다. 이에 따라 탄탈을 감은 수은램프는 양극에서 갑자기 발생하는 탄소를 상기 탄탈에 의해 양호하게 제거할 수 있으므로, 이와 같이 방사조도를 높게 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.

〈표4〉

또한, 표4의 결과를 도 5에 도시한다. 상술한 바와 같이 i선의 방사조도의 유지율이 5％이상 향상하면, 탄소를 제거함에 의한 효과가 충분히 있는 것으로 간주할 수 있다. 즉, 본 실험에서는 양극 1㎤당의 탄탈의 체적이 0.043이상이면, 효과가 인정될 수 있다.

또한, 부착되는 탄탈은 선 형태를 감는 것에 한정되지 않고, 판 형상, 박형 형상, 탄탈입자의 소결체 등의 다양한 형태가 있고, 그 중에 어떤 것도 탄소를 제거하는 효과를 가진다. 또한, 탄탈을 부착하는 위치는 음극에 한정되지 않고 양극 혹은 그 양쪽에 부착해도 상관없다. 또한, 음극 혹은 양극이 내부 리드봉으로 지지되는 경우에는 이 내부 리드봉에 부착해도 상관없다.

또한, 상술한 바와 같이, 밸브 내에서는 격렬하게 대류가 발생하므로, 탄탈을 코일형상으로 감은 경우와 같이, 발광공간에 대한 표면적이 작아도 충분히 탄소를 제거하는 효과를 가진다. 다만, 탄탈은 음극 혹은 양극의 선단에 부착된 경우는 고온하에 노출되므로 바람직하지 않다. 구체적으로는 음극, 혹은 양극의 선단에서 5mm∼15mm가 떨어진 위치에 부착하는 것이 바람직하다.

또한, 탄탈의 체적 1㎣는 약 16mg에 상당한다. 따라서, 체적으로 측정할 수 없는 경우는 이 중량환산에 의해 탄탈을 측정할 수도 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 숏 아크형 수은램프에서 음극 선단부의 텅스텐 카바이드 1㎠당의 탄탈의 체적량이 1.56(㎣)이상일 때, 텅스텐 카바이드에서 방출되는 탄소를 양호하게 제거할 수 있고, 전극 손상과 밸브 흑화를 양호하게 억제할 수 있다. 그리고, 이들을 억제함으로써, 방사조도를 충분하게 유지할 수 있다.

또한, 양극 1㎤당 0.043(㎣)이상의 탄탈을 부착함으로써, 양극에서 방출되는 탄소를 양호하게 제거할 수 있고, 동시에 전극 손상과 밸브 흑화를 양호하게 억제하여 방사조도를 충분히 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 숏 아크형 수은램프를 도시한다.

도 2는 본 발명의 숏 아크형 수은램프의 양극의 외관도를 도시한다.

도 3은 본 발명의 숏 아크형 수은램프의 음극의 외관도를 도시한다.

도 4는 텅스텐 카바이드의 면적과 탄탈의 체적관계에 의한 실험결과를 도시한다.

도 5는 양극체적과 탄탈의 체적의 관계에 의한 실험결과를 도시한다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 발광관 2 : 음극

3 : 양극 4 : 텅스텐 카바이드층

5 : 콘부 6 : 봉지(封止)부

7 : 봉지부 8 : 박형부

9 : 박형부 10 : 외부 리드부재

11 : 외부 리드부재 12 : 내부 리드부재

13 : 내부 리드부재 14 : 양극의 공동부

15 : 탄탈선

Claims (2)

1. 발광관 내에 음극과 양극이 배치되어 있고, 상기 발광관 내에 수은과 희가스가 봉입되는 숏 아크형 수은램프에 있어서,

   음극은 토륨 산화물을 포함하는 최선단부를 제외한 표면에 텅스텐 카바이드층을 형성하고,

   음극, 양극의 적어도 한쪽에는 탄탈금속을 설치하고,

   상기 텅스텐 카바이드층의 면적을 SC(㎠), 설치한 탄탈금속의 체적을 VT(㎣)로 할 때. 1.56≤VT/SC 인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은램프.
2. 발광관 내에 음극과 양극이 배치되어 있고, 상기 발광관 내에 수은과 희가스가 봉입되는 숏 아크형 수은램프에 있어서,

   양극의 체적을 VW(㎤), 양극의 선단부를 제외한 램프벌브 내에 설치한 탄탈 금속의 체적을 VT(㎣)로 할 때, 0.043≤VT/VW인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은램프.