KR101248274B1

KR101248274B1 - 광 조사 장치

Info

Publication number: KR101248274B1
Application number: KR1020090044897A
Authority: KR
Inventors: 가즈유키 모리; 시게노리 나카타
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-03-27
Also published as: CN101603642B; TWI382283B; TW201017341A; KR20090129327A; CN101603642A; JP5092914B2; JP2009302218A

Abstract

점등 시간에 영향을 받지 않고 높은 이용율과 높은 조도를 유지할 수 있는 것 및 광원부의 파워를 크게 해도 광원부와 인티그레이터의 거리를 크게 할 필요가 없는, 광 조사 장치를 제공하는 것이다.

방전 램프(1)와 반사 미러(2)로 이루어지는 광원 유닛(N)이 복수개 배열된 광원부(10)와, 방전 램프(1)의 급전 장치(30)와, 광원부(1)로부터 방사된 광이 입사되는 인티그레이터(20)를 적어도 가지고, 광원부(1)로부터 방사된 광의 인티그레이터(20)에 대한 입사율이 90% 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

광 조사 장치{LIGHT IRRADIATION DEVICE}

이 발명은 광 조사 장치에 관한 것이다. 특히, 반도체 소자나 액정 표시 기판의 제조용 노광 장치에 사용되는 광 조사 장치에 관한 것이다.

종래부터, 반도체 웨이퍼나 액정 기판의 노광 장치에 이용되는 광원에는, 수kW로부터 수십kW의 초고압 수은 램프가 사용되고 왔다. 이 램프는, 신뢰성이 높으므로, 오래 전부터 사용되고 있지만, 최근에는, 워크의 대면적화에 수반하여, 예를 들면, 액정 노광용 램프 등에서는 25kW와 같은 대형 램프도 등장하고 있다. 그러나, 램프의 대형화는, 램프를 구성하는 벌브(발광관)나 전극 재료의 대형화에 직결하고, 제조 비용과 제작 공수의 대폭적인 증가로 연결되고, 이제 한계에 가까워지고 있다.

한편, 램프 대형화의 대책으로서 예를 들면, 일본국 특허 공개 2004-361746호(특허 문헌 1)에는, 대형 램프 하나로 광원을 구성하는 것이 아니라, 복수의 소형 램프를 나열하는 구성이 제안되고 있다.

상기 특허 문헌 1에 개시되는 광 조사 장치는 방전 램프와 반사경으로 이루는 유닛을 예를 들면 35개 나열하여 1개의 광원부를 구성하는 것으로서, 당해 광원 부로부터 방사된 광을, 인티그레이터를 사용해 워크로 조사시킨다.

또, 인티그레이터의 입사면에서의 광의 입사 영역을, 입사면 그 자체의 면적보다 작게 설계함으로써, 광원으로부터의 방사광을 높은 이용율로 워크로 조사할 수 있는 기술이 소개되고 있다.

그렇지만, 일반적으로, 방전 램프는, 점등 시간의 경과와 더불어 전극 선단이 마모되고, 전극간 거리가 길어진다. 따라서, 당초 광원으로부터의 방사광을 고이용율로 인티그레이터로 입사할 수 있다고 해도, 점등 시간의 경과와 더불어, 당해 인티그레이터에 입사할 수 없는 광의 비율이 많아져, 결과적으로, 광의 이용율이 저하해, 워크에서의 조도도 저하하게 된다.

특히, 전극간 거리가 수밀리의 방전 램프, 혹은, 다량의 수은을 봉입한 방전 램프에서는, 점등 중의 전극 온도가 극히 고온이 되므로, 전극 손모(損耗)는, 통상의 방전 램프보다 현저하게 발생한다. 또한, 점등 전력이 큰 방전 램프일수록 전극 손모는 생기기 쉽기 때문에 광이용율의 저하나 조도 저하가 발생하기 쉽다.

또한, 워크가 대형화되도, 당해 워크의 전 표면에 대해, 일정량의 조사 에너지를 부여해야 한다. 이 때문에, 워크의 대형화에 맞추어 광원의 파워(램프 전력)도 크게 해야 한다.

상기 특허 문헌 1에 개시되는 광 조사 장치는, 광원의 파워를 크게 하기 위해, 유닛수를 증가하는 것이 생각되지만, 유닛수가 증가하면, 광원으로부터 인티그레이터의 입사각과의 관계로, 광원의 위치를 인테그레이터로부터 더 멀어진 위치로 설정해야 한다. 즉, 광 조사 장치의 대형화를 초래하게 된다.

이상의 배경을 정리하면,

(가) 반도체 웨이퍼나 액정 기판의 노광 장치에 이용되는 광원으로서 하나의 대형 램프를 사용하는 것은 한계가 있는 것.

(나) 특허 문헌 1에 개시되어 있듯이, 복수의 소형 램프를 나열하여 하나의 광원부를 형성하는 방법도 제안되고 있지만, 여기에서, 사용되는 소형 램프는, 전극 손모가 심하기 때문에, 점등 시간의 경과와 더불어, 광의 이용율과 워크에서의 조도가 저하하게 되는 것.

(다) 특허 문헌 1에 개시되는 광 조사 장치일 경우, 워크의 대형화에 대응하여, 광원부의 파워(램프 전력)를 크게 하면, 광원부와 인티그레이터의 거리가 커지게 되는 것.

[특허 문헌 1: 일본국 특허 공개 2004-361746호 공보]

[특허 문헌 2: 일본국 특허 공개 평11-297268호 공보]

[특허 문헌 3: 일본국 특허 공개 2000-82321호 공보]

이 발명이 해결하자고 하는 과제는, 복수의 소형 램프에 의해 광원부를 구성하는 광 조사 장치에서,

(a) 점등 시간에 영향을 받지 않고, 높은 이용율과 높은 조도를 유지할 수 있는 것

(b) 광원부의 파워를 크게 해도, 광원부와 인티그레이터의 거리를 크게 할 필요가 없는 것

을 함께 해결할 수 있는 광 조사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 관련되는 광 조사 장치는, 수은과 할로겐이 봉입된 방전 램프와 반사 미러로 이루어지는 광원 유닛이 복수개 배열된 광원부와, 방전 램프에 대해 전력을 공급하는 급전 장치와, 광원부로부터 방사된 광이 입사되는 인티그레이터를 적어도 가진다. 그리고, 상기 급전 장치는, 상기 방전 램프에 대해 교류 전류를 공급함과 더불어, 상기 광원부로부터 방사된 광의 상기 인티그레이터에 대한 입사율이 90% 이하인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 광원부로부터 방사된 광의 상기 인티그레이터에 대한 입사율은 50% 이상인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 방전 램프는, 정격 200W 이상이고, 전극간 거리가 1.0㎜ 이상인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 방전 램프는, 0.08~0.25㎎/㎣의 범위의 수은이 봉입되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 방전 램프는, 5×10^-5~7×10^-3μ㏖/㎣의 범위인 할로겐이 봉입되어 있는 것을 특징으로 한다.

(A) 본 발명에 관련되는 광 조사 장치는, 수은과 할로겐을 봉입한 방전 램프를 교류 점등시킴으로써, 당해 방전 램프의 전극 선단에 돌기를 형성시켜, 당해 돌기가 램프 점등 중에서 소모하지 않고, 대략 동일한 거리를 유지할 수 있는 성질을 이용해, 조도 유지율의 저하라는 문제를 해결한다.

(B) 또, 광원부로부터 방사되는 광 중, 인티그레이터에 입사되는 광의 비율, 즉, 광의 이용율을 90% 이하로 함으로써, 비록 전극간 거리가 증가했다고 해도, 그 영향을 받지 않고 높은 조도 유지율을 달성할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시예인 광 조사 장치의 개략 구성을 나타낸다.

광을 방사하는 광원부(10)는, 복수의 광원 유닛(N)으로 구성되고, 각 광원 유닛(N)은 공통의 지지체(3)로 개별적으로 지지된다. 각 광원 유닛(N)은, 램프(1)와 반사 미러(2)를 내장한다. 지지체(3)는, 대략 포물면 또는 대략 타원면을 따른 완만한 곡면 형상이고, 각 광원 유닛(N)으로부터 방사되는 광이, 광 조사 영역인 인티그레이터(20)의 입사면에서 서로 겹치도록, 지지체의 주변부를 향함에 따라, 광원 유닛을 서서히 기울어져 지지한다. 인티그레이터(20)는 조도 분포를 균일하게 하는 광학 소자이다. 도 1에서는, 광원부(10)와 인티그레이터(20)를 접근시켜 기재되어 있지만, 실제로는, 광원부(10)와 인티그레이터(20)의 거리는, 도시보다 길고, 또, 지지체(3)에 형성되는 곡면 형상은 더 완만하다.

인티그레이터(20)에는, 복수의 광원 유닛(N)으로부터의 광이 중첩시켜 입사한다. 이테그레이터(20)로부터 출사된 광은, 콜리메이터(21)에 의해 평행광이 되고, 마스크스테이지(22)에 유지된 마스크(23)를 통해 워크 스테이지(24) 상에 유지된, 레지스터 등의 감광제가 도포된 액정 기판이나 반도체 소자와 같은 워크(W)에 조사된다. 마스크(23)에는 패턴이 형성되어 있고, 당해 패턴이 워크(W) 상의 감광제로 노광 형성된다.

각 광원 유닛(N)에는, 각각의 방전 램프(1)에 전력을 공급하는 급전 장치(30)가, 독립하여 접속되어 있다. 또, 각 급전 장치(30)의 제어 회로는, 도시하지 않는 광 조사 장치의 장치 제어부에 접속되고, 방전 램프의 점등·소등이나, 점등 시의 방전 램프에의 전력 공급은, 광원 유닛(N)마다 제어한다. 급전 장치(30)의 구성 및 동작 및 장치 제어부에 대해서는 후술한다.

도 2는 광원 유닛(N)의 확대 구조를 나타낸다. 하나의 광원 유닛(N)은 방전 램프(1), 반사 미러(2), 및 그를 둘러싸는 수납 케이스(4)로 구성된다. 또한, 방전 램프(1)는 급전 장치(30)에 의해 교류 점등된다. 물리적 메카니즘은 후술하지만, 수은과 할로겐을 봉입한 방전 램프를 교류 점등시키면, 전극 선단에 돌기를 형성할 수 있다. 반사 미러(2)는 방전 램프(1)를 둘러싸는 오목면 반사경이고, 방전 램프(1)의 전극축과 반사 미러(2)의 광축이 일치하도록 배치된다. 반사 미러(2)는 예를 들면 타원 미러 또는 포물 미러가 사용된다. 수납 케이스(4)는 방전 램프(1)와 반사 미러(2)를 내장하는 신발장 형상의 것이고, 후방벽 혹은 측벽에 냉각풍용 개구가 설치된다.

도 3은 램프(1)의 확대도를 나타낸다. 램프(1)는, 이른바 방전 램프이고, 석영 유리로 이루어지는 방전 용기에 의해 형성된 개략 구형의 발광부(12)를 가진다. 이 발광부(12)의 안에는 발광 공간 S가 형성되어 있고, 공간 내에서 동일한 전극(15)이 1㎜~2㎜의 간격으로 대향 배치되어 있다. 발광부(12)의 양단부에는 측관부(11)가 형성되고, 이 측관부(11)에는, 몰리부덴으로 이루어지는 도전용 금속박(13)이, 예를 들면 슈링크시일에 의해 기밀하게 매설된다. 금속박(13)의 일단에는 전극(15)의 축부(150)가 접합되어 있고, 또, 금속박(13)의 타단에는 외부 리드(14)가 접합되어 외부의 급전 장치로부터 급전이 행해진다. 발광부(12)에는, 수은과 희가스와 할로겐 가스가 봉입되어 있다. 수은은, 필요한 자외광 파장, 예를 들면, 파장 300~360㎚의 방사광을 얻기 위한 것이고, 0.08~0.25㎎/㎣ 봉입되어 있다. 이 봉입량은, 온도 조건에 따라 다르지만, 점등시 80기압 이상의 높은 증기압이 된다.

희가스는, 예를 들면, 아르곤 가스가 약 13㎪ 봉입된다. 그 기능은 점등 시동성을 개선하는 것에 있다. 할로겐은, 옥소, 취소, 염소 등이 수은 혹은 그 외의 금속과 화합물의 형태로 봉입된다. 할로겐의 봉입량은, 5×10^-5~7×10^-3μ㏖/㎣의 범위로 선택된다. 할로겐의 기능은, 이른바 할로겐 사이클을 이용한 장수명화이지만, 본 발명의 방전 램프와 같이 지극히 소형이고 상당히 높은 점등 증기압의 것은, 방전 용기의 실투 방지라는 작용도 있다. 램프의 수치예를 나타내면, 예를 들면, 발광부(12)의 최대 외경 9.5㎜, 전극간 거리 1.5㎜, 발광관 내 용적 75㎣, 정격 전압 70V, 정격 전력 200W이고, 350헤르츠로 교류 점등된다.

전극(15)의 선단(다른쪽의 전극에 대향하는 단부)은, 램프의 점등에 수반하여, 돌기가 형성된다. 돌기가 형성되는 현상은, 반드시 분명하지 않지만, 이하와 같이 추측된다. 즉, 램프 점등 중에 전극 선단 부근의 고온부로부터 증발한 텅스텐(전극의 구성 재료)은, 발광관 내에 존재하는 할로겐이나 잔류 산소와 결합하여, 예를 들면 할로겐이 Br이라면 WBr, WBr₂, WO, WO₂, WO₂Br, WO₂Br₂ 등의 텅스텐 화합물으로서 존재한다. 이들 화합물은 전극 선단 부근의 기상 중의 고온부에서 분해하여 텅스텐 원자 또는 양이온이 된다. 온도 확산(기상 중의 고온부=아크 중으로부터, 저온부=전극 선단 근방으로 향하는 텅스텐 원자의 확산) 및 아크 중에서 텅스텐 원자가 전리하여 양이온이 되고, 음극 동작하고 있을 때 전계에 의해 음극 방향으로 끌어 당김(드리프트)으로써, 전극 선단 부근에서의 기상 중의 텅스텐 증기 밀도가 높아져, 전극 선단에 석출하여, 돌기를 형성한다고 생각된다.

도 4는 전극 선단 및 돌기를 나타내는 모식도이다. 전극(15)은 구부(球部)(15a)와 축부(150)로 구성되고, 구부(15a)의 선단에 돌기(15b)가 형성된다. 이 돌기(15b)는, 램프의 점등 개시시에 존재하지 않는 경우에도, 그 후의 점등에 의해, 이른바 자연 발생적으로 형성된다. 여기에서, 돌기(15b)는, 어떠한 방전 램프에도 생기는 것이 아니다. 전극간 거리가 1㎜~2㎜이고, 발광부에 0.08㎎/㎣ 이상의 수은과 희가스와 5×10^-5~7×10^-3μ㏖/㎣의 범위에서 할로겐을 봉입한 쇼트 아크형 방전 램프에서, 램프 점등에 수반하여, 돌기(15b)가 형성되고 돌기(15b)끼리 사이에서 아크가 형성된다.

이와 같이, 본원 발명은, 수은과 할로겐을 봉입한 램프에서, 교류 점등시킴으로써, 전극 선단에 돌기를 형성할 수 있는 기술을 이용해, 이에 의해, 전극간 거리의 증대와, 그에 수반하는 조도 유지율의 저하라는 문제를 많이 해결하고 있다. 또한, 점등 주파수를 주기적으로 저주파로 점등시킴으로써, 전극간 거리를 더 확실히 유지할 수 있다. 예를 들면, 350㎐의 점등에서, 주기적으로 40㎐로 점등하는 것이다.

다음에, 방전 램프의 점등 형태와 전극간 거리가, 조도 유지율에 미치는 영향에 대해 실험했다.

실험은, 교류 점등형 램프로 전극간 거리 l.6㎜(램프 1), 교류 점등형 램프로 전극간 거리 1.4㎜(램프 2), 교류 점등형 램프로 전극간 거리 1.2㎜(램프 3), 교류 점등형 램프로 전극간 거리 1.0㎜(램프 4), 직류 점등형 램프로 전극간 거리 1.O㎜(램프 5), 직류 점등형 램프로 전극간 거리 0.7㎜(램프 6)의 6종류의 램프를 사용했다. 6종류의 램프의 전극간 거리는 모두 점등 전의 크기를 나타내고, 점등 형태와 전극간 거리 이외의 조건은, 기본적으로 동일로 했다. 실험은, 도 2에 나 타내는 형태의 6종류의 200W 리플렉터가 부여된 램프를 제작하여, 도 1에 나타내는 광원부 총수 53등의 장치로 조도 유지율을 조사했다. 교류 점등 램프는 모두 350헤르츠로 점등시켰다. 조도는, 우시오 전기제 UIT 250 조도계와 S365 수광기를 사용해, 워크면에서의 조도의 유지율을 구했다. 조도 유지율은, 점등 시간의 경과에 수반하여 조도를 측정해, 점등 초기의 조도에 대한 상대값으로서 나타냈다. 특히, 점등 개시로부터 750시간 경과 후의 조도 유지율을, 업계에서의 지표로서 파악하고 75% 이상을 나타내는 샘플을 조도 유지율의 관점에서 합격으로 했다.

도 5는 실험 결과를 나타낸다. 세로축은 조도 유지율(%)로 나타내고, 가로축은 점등 시간(시간)을 나타낸다. 도로부터 이하의 것이 서술할 수 있다.

(1) 교류 점등시킨 방전 램프(램프 1~램프 4)는, 직류 점등시킨 방전 램프(램프 5와 램프 6)에 비해, 조도 유지율이 상당히 뛰어나다. 이 원인은, 상기한 돌기 성장이, 교류 점등의 방전 램프에서 양호하게 기능하는 것으로 생각된다.

(2) 교류 점등시킨 방전 램프에도, 전극간 거리가 큰 램프일수록 조도 유지율이 뛰어나다. 구체적으로는, 램프 4(전극간 거리 1.O㎜)는 750시간 점등에서 조도 유지율 75%, 1500시간 점등에서 60%까지 저하하는데 대해, 램프 1(전극간 거리 1.6㎜)은, 750시간 점등에서 조도 유지율 90% 이상, 1500시간 점등에서도 90%가까운 유지율이다. 이 원인은, 전극간 거리가 작을수록 전극 손모가 심하다고 생각된다.

이 결과, 200W의 교류 점등형 방전 램프일 경우는, 전극간 거리가 1.O㎜ 이상 있으면, 업계에서 인정될 정도의 조도 유지율을 발휘할 수 있는 것이 알게 되었 다.

다음에, 본 발명자들은, 200W 이외의 램프 전력에서 상기와 같은 실험을 실시했다. 구체적으로는, 250W의 교류 점등형 방전 램프, 300W의 교류 점등형 방전 램프, 420W의 교류 점등형 방전 램프를 대상으로 했다.

각 램프에 대해, 상기와 같은 조도 유지율(750시간 점등에서 75%의 조도를 유지)을 가지는 램프의 전극간 거리를 구했을 때, 램프 전력이 250W일 경우는 전극간 거리가 1.1㎜ 이상, 램프 전력이 300W일 경우는 전극간 거리가 1.2㎜ 이상, 램프 전력이 420W는 전극간 거리가 1.4㎜ 이상이었다.

이 결과,

(3) 조도 유지율이 업계 수준을 만족하기 위한 전극간 거리는, 램프의 정격 전력(램프 전력)에 따라 상이하다. 구체적으로는, 200W일 경우는 전극간 거리 1.O㎜ 이상, 250W의 경우는 전극간 거리 1.1㎜ 이상, 300W의 경우는 전극간 거리가 1.2㎜ 이상, 420W의 경우는 전극간 거리가 1.4㎜ 이상의 램프이며, 램프 전력이 커질수록, 요구를 만족하는 전극간 거리는 커진다.

또한, 전극간 거리는, 광의 이용율(광원부로부터 방사되는 광 중 인티그레이터에 입사되는 비율)에 깊게 관련된다. 왜냐하면, 전극간 거리가 작은 램프일수록 방전 아크를 실질적으로 점으로 간주할 수 있어서, 방전 아크의 광을 100% 인티그레이터에 담을 수 있기 때문이다. 한편, 전극간 거리가 큰 램프는, 방전 아크를 유한의 크기로 생각하기 때문에, 필요 이상으로 큰 입사면을 가지는 인티그레이터를 이용하지 않는 이상 방전 아크의 광을 100% 인티그레이터에 입사할 수는 없고, 인티그레이터에 담을 수 없는 광, 즉, 쓸데없는 광을 발생시키기 때문이다.

그래서, 도 1에 나타낸 광 조사 장치에 대해, 점등 전력과 전극간 거리가 상이하는 복수의 램프를 순서대로 편입시켜, 인티그레이터에 입사하는 광을 측정해 보았다.

구체적으로는, 200W 전극간 거리 1.0㎜의 램프를 사용한 장치(장치 A), 250W 전극간 거리 1.1㎜)의 램프를 사용한 장치(장치 B), 300W 전극간 거리 1.2㎜의 램프를 사용한 장치(장치 C), 420W 전극간 거리 1.4㎜의 램프를 사용한 장치(장치 D)에 대해, 광의 이용율을 측정했다.

또한, 각 장치는, 노광면에서의 조도가 동일해지도록 램프(유닛)의 수를 조정한다. 구체적으로는, 장치 A는 유닛수 53개로 총전력 10.7kW, 장치 B는 42개로 총전력 10.6kW, 장치 C는 36개로 총전력10.8kW, 장치 D는 25개로 총전력 10.5kW이고, 노광면 조도는 45.5㎽/㎠로 통일시켰다.

그리고, 이 실험에서의 각 장치의 광의 이용율을 측정했는데, 장치 A는 89.9%, 장치 B는 88.7%, 장치 C는 88.0%, 장치 D는 89.3%가 되었다.

이 결과, 이하의 내용을 알 수 있다.

(4) 조도 유지율이 충분한 광 조사 장치는, 램프 전력에 관련되지 않고, 광의 이용율이 90% 이하인 것을 알 수 있다. 환연하면, 광의 이용율이 90% 이하이면, 램프 전력에 관련되지 않고 조도 유지율은 충분하다. 여기에서, 조도 유지율이 충분하다는 것은 업계 기준값을 만족한다는 뜻이다.

여기에서, 광의 이용율의 측정 방법을 설명한다.

도 6은 광의 이용율의 측정 방법을 설명하는 도면이고, (a)는 램프와 인티그레이터의 배치 관계를 나타내는 도면이고, (b)는 인티그레이터의 입사면을 나타내는 도면이고, (c)는 인티그레이터의 입사면에서의 직경 방향의 조도 분포를 나타낸다.

(a)에서, 램프와 인티그레이터를 소정 거리(예를 들면, 2600㎜) 이간하여 설치한다. 이 거리는 도 1에 나타내어지는 장치를 조립한 경우에 설정되는 수치이고, 실제로는 램프의 탑재 개수에 의해 최적값은 변화된다. 인티그레이터의 입사면에 조사된 광은 (b)에 나타낸 바와 같이, 인티그레이터의 입사면을 조사하는 성분도 있지만, 입사면에 조사되지 않는 성분도 존재한다. 인티그레이터의 입사면에서는, 입사면보다 넓은 영역을 대상으로 수광기의 위치를 인티그레이터의 직경 방향으로 이동시킨다. 구체적으로는, 로봇(XY 방향으로 가동하는 기구)을 배치하고, 예를 들면 20㎜ 간격으로 조도계의 수광기를 이동시켜, X, Y의 각 점에서 조도(㎽/㎠)를 측정한다. 또한, 수광기의 이동은 수동이라도 상관없다. 측정된 조도값과 그 위치의 면적(도너츠 형상 부분)의 면적(㎠)을 곱하면, 광속(W)이 구해진다. 이와 같이 해서, 인티그레이터의 입사면 전체에 걸쳐 조도 측정을 실시함으로써 램프의 전 광속을 구할 수 있다. 그리고, 인티그레이터에 입사하는 영역은, 입사면의 광속(=인티그레이터 입사 광속)이기 때문에, 인티그레이터 입사 광속/전 광속을 계산하면, 이테그레이터에 몇%의 광속이 입사하고 있는지 구할 수 있다. 구체적으로는, 20㎜ 간격으로 좌우, 상하 각 17점의 합계 33점(중심은 1번 생략)이고 φ720의 원 내를 측정해, 전 광속으로 한다.

또한, 광의 이용율은, 90% 이하이면 업계 기준을 초과하는 조도 유지율을 달성할 수 있고, 이용율이 작아질수록 조도 유지율은 뛰어나다. 광의 이용율이 작은 것은, 전극간 거리가 커지는 것이고, 전극 손모가 생기기 어렵기 때문이다. 여기에서, 도 5에 나타낸 200W의 램프 중 교류 점등형 램프(램프 1~램프 4)를 도 1에 나타낸 광 조사 장치에 광원으로서 담아, 각각의 장치에 대해, 광의 이용율을 측정해 보았다. 또한, 상기와 같이, 각 장치는 노광면에서의 조도가 대략 같아지도록 램프(유닛)의 수를 조정했다.

그 결과, 광의 이용율은, 램프 1은 58%, 램프 2는 67%, 램프 3은 77%, 램프 4는 90%, 램프 5는 90%, 램프 6은 100%였다.

즉, 이 실험에서도, 조도 유지율이 충분한 광 조사 장치는, 램프 전력에 관련되지 않고, 광의 이용율이 90% 이하이다. 그러나, 광의 이용율이 50%를 밑돌면, 이용하지 않는 광이 많아져, 투입 전력과의 관계로 바람직하지 않다. 따라서. 광의 이용율은 50% 이상 90% 이하가 바람직하다.

이와 같이 본원 발명은 여러 가지의 시작이나 실험을 반복하면서, 이하의 사실을 찾아 냈다.

(1) 방전 램프를 교류 점등시킴으로써 직류 점등시킬 경우와 비교해, 상당히 뛰어난 조도 유지율을 발휘할 수 있다.

(2) 전극간 거리와 조도 유지율은 정(正)의 상관 관계를 가지고, 전극간 거리가 큰 방전 램프일수록 조도 유지율이 뛰어나다.

(3) 업계 수준으로 되는 조도 유지율(소정의 조도 유지율)을 만족하는 최소 의 전극간 거리는, 램프 전력에 따라 상이하다. 램프 전력이 커질수록, 소정의 조도 유지율을 만족하는 전극간 거리는 커진다.

(4) 소정의 조도 유지율은, 램프 전력에 관련되지 않고, 광의 이용율에 관계한다. 광의 이용율이 90% 이하이면, 램프 전력에 관련되지 않고, 조도 유지율은 업계 수준을 만족할 수 있다.

그런데, 워크인 액정 기판이나 반도체 웨이퍼는 근년 대형화되고 있고, 액정 기판으로 하면, 화면 대각으로 40인치를 초과하는 것이 있다. 이러한 대형의 액정 기판을 노광할 경우, 노광 면적이 커져도, 단위 면적당의 조사 에너지는, 종전과 같은 양이 필요하다. 액정 기판 상에 도포된 레지스터가 감광하기 위한 에너지가 노광 면적에 관계없이 일정이기 때문이다. 즉, 노광 면적이 커지면, 그 만큼 광원부로부터 발생하는 조사 에너지를 높여야 된다. 예를 들면, 1등 5kW의 고압수는 램프를 이용한 광 조사 장치와 동등한 특성을 노광면에서 얻기 위해서는, 전력 환산으로, 100W의 방전 램프라면 50개(50대의 광원 유닛)가 필요하게 되고, 광원부는 더 대형화된다.

한편, 인티그레이터(인티그레이터 렌즈)에는, 인티그레이터의 내부에 광이 들어가기 위한 입사각이 존재하고, 이 각도 이외의 각도로부터 입사된 광은, 인테그레이터의 표면에서 반사되고, 내부에 들어갈 수 없다. 즉, 광원 유닛이 50대가 될 정도 광원부가 대형화하게 되면, 인티그레이터에 입사할 수 없는 광이 생기게 된다.

이 때문에, 복수의 램프를 이용하여 광원부를 구성할 경우는, 램프수(유닛 수)와, 인티그레이터의 거리를 조정하면서, 광원부로부터의 방사광을 인티그레이터에 양호하게 입사할 수 있고, 또한, 노광면에서 충분한 조사 에너지를 제공할 수 있는 구조를 설정해야 한다.

구체적으로 설명하면, 종래의 일반적인 광 조사 장치(1등 5kW의 고압 수은 램프, 조사 에리어 500㎜×600㎜, 시각 1.8°)에서는, 노광면에서 필요로 되는 조사 에너지는 45㎽/㎠이다. 이를, 본원 발명과 같은 복수의 방전 램프로 광원부를 구성하는 광 조사 장치로 치환하면, 100W의 방전 램프라면 61개 이용함으로써, 동일한 조사 에리어에 대해, 동일한 시각으로 동일한 조사 에너지를 구성할 수 있다. 이 경우, 61개의 방전 램프는 총전력으로 6.1kW가 된다.

한편, 200W의 방전 램프라면 18개 이용함으로써, 동일한 조사 에리어에 대해, 동일한 시각으로 동일한 조사 에너지를 구성할 수 있다. 이 경우 18개의 방전 램프는 총전력으로 3.6kW가 되고, 100W의 램프를 이용했을 경우와 비교해 약 59%의 전력 효율이 상승한다. 즉, 100W의 방전 램프를 이용하여 광원부를 구성하는 것보다, 200W의 방전 램프를 이용하여 광원부를 구성하는 것이, 램프 수가 적게 되고, 전력 효율이 높아지는 것이 알게 되었다.

마찬가지로, 종래의 일반적인 광 조사 장치(1등 10kW의 고압 수은 램프, 조사 에리어 750㎜×650㎜, 시각 2.0°)에 대해서도, 본원 발명의 광 조사 장치에 치환하면, 100W의 방전 램프라면 94개(총전력 9.4kW)에 대해, 200W의 방전 램프라면 29개(총전력 5.8kW)가 되고, 상기와 같이, 200W의 방전 램프를 이용하여 광원부를 구성하는 것이, 전력 효율이 높아지는 것을 알 수 있었다.

여기에서, 본 발명에 관련되는 방전 램프는, 0.08~0.25㎎/㎣의 범위의 수은이 봉입되어 있다.

도 7은, 0.15㎎/㎣의 수은과, 할로겐을 봉입한 방전 램프의 분광 분포를 나타낸다. 도시와 같이, 파장 300~350㎚의 자외선이 많이 방사되어 있는 것을 알 수 있다. 수은은 0.08㎎/㎣보다 적게 되면, 파장 300~350㎚의 발광 이외에 300㎚ 이하 수은에 의한 발광도 증가하여 노광에 악영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다. 또, 350~450㎚ 부근의 연속 스펙트럼도 저하하기 때문에 바람직하지 않다. 수은이 0.25㎎/㎣보다 많아지면 파장 300~350㎚의 발광이 적게 되고 바람직하지 않다.

도 8은 방전 램프를 점등시키는 급전 장치(30)를 나타낸다.

급전 장치(30)는, 직류 전압이 공급되는 강압 초퍼 회로(31)와, 강압 초퍼 회로(31)의 출력측에 접속되고 직류 전압을 교류 전압으로 변화시켜 방전 램프(1)에 공급하는 풀 브리지형 인버터 회로(32) (이하, 「풀 브리지 회로」라고도 함)와, 방전 램프에 직렬 접속된 코일(L1), 콘덴서(C1), 스타터 회로(33) 및 제어 회로(34)로 구성된다.

또한, 강압 초퍼 회로(31), 풀 브리지 회로(32), 스타터 회로(33), 제어 회로(34)에 의해 급전 장치를 구성하고, 방전 램프(1)를 포함하여 점등 장치라고 칭해진다.

강압 초퍼 회로(31)는, 직류 전원 Vdc에 접속되고 스위칭 소자 Qx와 다이오드 Dx와 코일 Lx와 평활 콘덴서 Cx와. 스위칭 소자 Qx의 구동 회로 Gx로 구성된다. 스위칭 소자 Qx는, 구동 회로 Gx에 의해 온/오프 구동된다. 이 구동에 의해, 스위칭 소자 Qx의 듀티비가 조정되고, 방전 램프(10)에 공급되는 전류 혹은 전력이 제어된다.

풀 브리지 회로(32)는, 브리지 형상으로 접속된 트랜지스터나 FET의 스위칭 소자 Q1~Q4와, 스위칭 소자 Q1~Q4의 구동 회로 G1~G4로 구성된다. 또한, 스위칭 소자 Q1~Q4에는, 각각에 병렬로 다이오드가 역병렬로 접속될 때도 있지만, 이 실시예에서 다이오드는 생략한다.

제어 회로(34)는, 전력 변환기(340), 비교기(341), 펄스폭 변조 회로(342), 제어부(343), 풀 브리지 회로 구동 회로(344)로 구성된다. 전력 변환기(340)는, 저항 R1, R2, R3으로 검출된 전압 신호나 전류 신호를 전력 신호로 변환한다. 전력 신호는 비교기(341)로 기준 전력값과 비교되고 펄스폭 변조 회로(342)를 통해 스위칭 소자 Qx를 피드백 제어한다. 이에 의해, 램프의 점등 전력을 일정값으로 하는, 이른바 정전력 제어가 실시된다. 또, 스위칭 소자 Q1~Q4는, 제어부(343)를 통해 풀 브리지 회로 구동 회로(344)에 의해 구동된다.

풀 브리지 회로(32)의 동작은, 스위칭 소자 Q1, Q4와, 스위칭 소자 Q2, Q3를 교대로 온, 오프를 반복한다. 스위칭 소자 Q1, Q4가 온할 때는, 강압 초퍼 회로(31)→스위칭 소자 Q1→코일 L1→방전 램프(1)→스위칭 소자 Q4→강압 초퍼 회로(31)에 전류가 흐른다. 한편, 스위칭 소자 Q2, Q3가 온할 때는, 강압 초퍼 회로(31)→스위칭 소자 Q3→방전 램프(1)→코일 L1→스위칭 소자 Q2→강압 초퍼 회로(31)의 경로에서 방전 램프(1)에 교류 구형파 전류를 공급한다.

상기 스위칭 소자 Q1~Q4를 구동할 때, 스위칭 소자 Q1~Q4의 동시 온을 방지 하기 위해, 교류 구형파의 극성 전환시에, 스위칭 소자 Q1~Q4의 모두 오프로 하는 기간(데드 타임 Td)이 설치된다.

또한, 방전 램프(1)에 공급되는 교류 구형파 출력의 주파수는, 60~1000㎐(정상 주파수)의 범위로부터 선택되는 것이고, 예를 들면 350㎐이다. 또, 상기 데드 타임 기간은, 0.5㎲~10㎲의 범위에서 선택된다.

여기에서, 본 발명의 방전 램프 점등 장치는, 도 3에 나타내는 급전 장치에 의해, 도 1에 나타내는 방전 램프를 정상 주파수(60~1000㎐)로 점등시키면서, 그 중에 정기적으로 저주파가 삽입된다. 이 저주파는, 정상 주파수보다 낮은 주파수이고, 5~200㎐의 범위에서 선택되고, 또, 삽입되는 파의 수가 반주기를 1단위로서 1단위로부터 10단위의 범위에서 선택되고, 또한 정상 주파수에 삽입되는 간격이 0.Ol초~120초의 범위에서 선택된다.

본 발명의 광 조사 장치는, 광원 유닛과, 급전 장치와, 인티그레이터를 가지는 것을 요건으로 하는 것이고, 그 이외의 구성 요소, 예를 들면, 절반(折返) 미러, 필터, 조도 모니터 등을 포함해도 상관없다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 관련되는 광 조사 장치는, 수은과 할로겐을 봉입한 방전 램프를 교류 점등시킴으로써, 당해 방전 램프의 전극 선단에 돌기를 형성시켜, 당해 돌기가 램프 점등 중에서 소모하지 않고, 대략 동일한 크기를 유지한다는 성질을 이용해, 전극간 거리의 증대와 그에 따른 조도 유지율의 저하라는 문제를 해결한다. 또, 광원부로부터 방사되는 광 중, 인티그레이터에 입사되는 광의 비율, 즉, 광의 이용율을 90% 이하로 함으로써, 전극간 거리가 증가했다고 해 도, 그 영향을 받지 않고 높은 조도 유지율을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관련되는 광 조사 장치의 개략 구성을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 관련되는 광 조사 장치의 광원 유닛을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 관련되는 광 조사 장치의 방전 램프를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 관련되는 방전 램프의 원리를 설명하는 모식도를 나타낸다.

도 5는 본 발명에 관련되는 광 조사 장치의 실험 결과를 나타낸다.

도 6은 본 발명에 관련되는 광 조사 장치의 입사율을 측정으로 하는 실험의 설명도를 나타낸다.

도 7은 본 발명에 관련되는 방전 램프의 방사 파장을 나타낸다.

도 8은 본 발명에 관련되는 급전 장치의 회로 구성을 나타낸다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 방전 램프 2 : 반사 미러

3 : 지지체 4 : 수납 케이스

10 : 광원부 11 : 측관부

12 : 발광부 13 : 금속박

14 : 외부 리드 20 : 인티그레이터

21 : 콜리메이터 22 : 마스크 스테이지

23 : 마스크 24 : 워크 스테이지

30 : 급전 장치 N : 유닛

W : 워크

Claims

수은과 할로겐이 봉입된 방전 램프와 반사 미러로 구성되는 광원 유닛이 복수개 배열된 광원부와, 각 방전 램프에 대해 전력을 공급하는 급전 장치와, 광원부로부터 방사된 광이 입사되는 인티그레이터를 적어도 가지는 광 조사 장치에 있어서,

상기 급전 장치는, 상기 방전 램프에 대해 교류 전류를 공급함과 더불어,

상기 광원부로부터 방사된 광의 상기 인티그레이터에 대한 입사율이 50% 이상 90% 이하인 것을 특징으로 하는 광 조사 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 방전 램프는, 정격 200W 이상이고, 전극간 거리가 1.O㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 광 조사 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 방전 램프는, 0.08~0.25㎎/㎣의 범위의 수은이 봉입되어 있는 것을 특 징으로 하는 광 조사 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 방전 램프는, 5×10^-5~7×10^-3μ㏖/㎣의 범위의 할로겐이 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는 광 조사 장치.