KR19990063452A

KR19990063452A - 숏 아크형 수은램프

Info

Publication number: KR19990063452A
Application number: KR1019980058394A
Authority: KR
Inventors: 유키오 야스다; 마사노리 스기하라
Original assignee: 다나카 아키히로; 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 1999-07-26
Also published as: DE69802256T2; EP0926701B1; JPH11191394A; DE69802256D1; JP2857137B1; EP0926701A1; KR100466764B1; US6163111A; TW391030B

Abstract

본 발명은 깨끗한 발광관을 장시간 유지하고, 방사량 증대의 요구에 따른 고출력의 숏 아크형 수은 램프 및 자외선 발광장치를 제공하는 것으로서, 석영제의 발광관(1)내에 음극(2)과 양극(3)이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관(1)내에 수은과 희소 가스가 봉입된다. 그리고, 적어도 희소 가스로서 아르곤(Ar)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 밸브 구형부의 최대 직경의 반을 R(cm), 밸브의 두께를 d(cm), 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때, 0.211 ≤ (Wd/R²)^1/2≤ 0.387인 것을 특징으로 한다. 또한, 희소가스로서 크립톤(Kr)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입된 경우에는, 0.205 ≤ (Wd/R²)^1/2≤ 0.418인 것을 특징으로 한다.

Description

숏 아크형 수은 램프

본 발명은 숏 아크형 수은 램프에 관한 것으로, 특히, 반도체 노광(露光)장치에 이용되는 숏 아크형 수은램프에 관한 것이다.

최근, 반도체 제조공정중 노광공정에는 중심파장 365nm(이하 i선이라고 칭한다)의 자외광을 방사하는 숏 아크형 수은 램프가 사용된다. 이 반도체 집적회로의 집적도는 해마다 높아져, 그에따라 노광시의 해상도의 요구도 높아지고 있다. 또한, 웨이퍼의 대구경화도 있어, 노광면적도 커지고, 혹은 고해상도 달성을 위해 이용되는 변형조명기술에 의해 광원에서의 자외광 방사량(이하 단순히 「방사량」이라고도 한다)의 증대가 요구되고 있다.

또한, 제품의 단위시간당 생산고를 표시하는 지표인 스루 풋을 높이는 것도 요구된다. 즉, 광원으로서의 램프에는 보다 높은 방사효율이 요구되며, 이 광원을 포함하는 발광장치에는 높은 집광효율이 요구된다.

종래, i선의 강한 방사를 얻는 방법으로서, 램프에의 입력전력을 늘리는 방법이 고려되고 있다. 그러나, 램프에의 입력전력을 늘리면, 전극에의 열적 부하가 높아지고, 전극물질의 증발이 심해져서, 발광관의 흑화(黑化)를 빠르게 한다. 또한, 입력전력을 늘리면 필연적으로 발광관의 외관칫수가 커져서, 램프에서 발생하는 열을 제거하기 위한 배풍장치도 대형화된다. 이때문에, i선의 강한 방사를 얻기위해, 램프에의 입력전력을 늘리는 방법은 바람직하지 않다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 깨끗한 발광관을 장시간 유지하고, i선의 강한 방사를 얻을 수 있는 숏 아크형 수은램프 및 자외선 발광장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 숏 아크형 수은 램프를 도시한다.

도2는 본 발명의 자외선 발광장치를 도시한다.

도3은 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과를 도시한다.

도4는 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과를 도시한다.

도5는 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과를 도시한다.

도6은 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과를 도시한다.

도7은 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과를 도시한다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 발광관 2 : 음극

3 : 양극 6 : 봉지부(封止部)

7 : 봉지부 8 : 금속박

9 : 금속박 10 : 외부 리드 부재

11 : 외부 리드 부재 12 : 내부 리드 부재

13 : 내부 리드 부재 14 : 램프

26 : 전원

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항1에 기재하는 숏 아크형 수은램프는 석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관내에 수은과 희소가스가 봉입된다. 그리고, 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)이, 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 밸브의 두께를 d(cm), 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.211 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항2에 기재하는 숏 아크형 수은램프는, 석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관내에 수은과 희소가스가 봉입된다. 그리고, 적어도 희소가스로서 크립톤(Kr)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 밸브의 두께를 d(cm), 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.205 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.418

인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항3에 기재하는 숏 아크형 수은램프는, 석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관내에 수은과 희소가스가 봉입된다. 그리고, 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)과 크립톤(Kr)이 합계치로서 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 밸브의 두께를 d(cm), 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.209 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항4에 기재하는 자외선 발광장치는, 석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어진다. 그리고, 상기 수은램프는 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 또한, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 밸브의 두께를 d(cm), 상기 전원에서 수은 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.211 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항5에 기재하는 자외선 발광장치는, 석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어진다. 그리고, 상기 수은램프는, 적어도 희소가스로서 크립톤(Kr)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 또한, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하여, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 상기 전원에서 수은 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.205 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.418

인 것을 특징으로 한다.

그리고, 청구항6에 기재하는 자외선 발광장치는, 석영제의 발광관내에 양극과 음극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어진다. 그리고, 상기 수은램프는, 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)과 크립톤(Kr)이 합계치로서 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 또한, 양극과 음극을 연결하는 방향으로 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 상기 전원에서 수은 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.209 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항7에 기재하는 자외선 발광장치는, 숏 아크형 수은램프가 양극을 상방으로 음극을 하방으로 하여, 수직으로 배치한 것을 특징으로 한다.

발명의 실시형태

본 발명의 숏 아크형 수은 램프는, 적어도 몇기압의 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr), 혹은 그 혼합 가스를 버퍼가스로서 봉입하고 있는 것을 특징으로 한다. 이로써, i선의 스펙트럼폭이 넓어지지 않고, 발광면의 방사조도가 향상되는 것을 실험에 의해 확인할 수 있었다. 이것은 1기압정도의 크세논가스(Xe)를 봉입하는 것에 비해, 10∼20%의 방사효율(이 효율향상분은 전력환산으로 20∼40%의 증가분에 상당한다)이 높아지기 때문이다.

또한 본 발명에서는, 적어도 몇기압의 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr) 혹은 그 혼합가스를 버퍼가스로서 소정 압력의 범위내에서 봉입된 조건하에서, 발광관(이하 「밸브」라고도 한다)의 두께등을 고려한 소정의 수치한정을 하는 것을 특징으로 한다. 이것은 봉입되는 버퍼가스가 동시에 봉입되는 수은에 대해, 그 봉입 몰수가 큰 경우에, 상기 버퍼가스는 발광관내의 열적 행동과 아크의 특성에 강한 영향을 주기 때문이다.

이 점에 대해, 본 발명자들은 버퍼가스로서 Ar 가스를 봉입한 수은램프는 Xe 가스를 봉입한 수은램프에 비해, 발광관의 공냉에 대해 예민한 것을 확인하고 있다. 구체적으로는 이하의 실험을 하고 있다. 즉, 완전 동일 형상의 램프 2개를 제작하고, 동량(5㎎/cm³)의 수은을 봉입하고, 버퍼가스로서 1개에는 Xe 가스를 2기압, 다른 1개에는 Ar 가스를 2기압 봉입했다. 임의로 강제공냉의 강도(배풍속도)를 바꿀 수 있는 동일의 등기구로 그 2개의 램프를 번갈아 점등시켰다.

그리고, 배풍속도와 수은 미증발과의 관계를 조사하면, Xe를 봉입한 수은 램프에서는 배풍속도 약 10m/sec로 램프의 수은 미증발이 발생하고, Ar을 봉입한 수은 램프에서는 배풍속도 약 6m/sec로 수은 미증발이 발생했다.

즉, Ar을 봉입한 수은 램프는, Xe를 봉입한 수은램프에 비해, 낮은 배풍속도에서 수은 미증발이 발생하므로, 램프는 배풍등의 공냉조건의 영향을 받기쉬운 것을 알 수 있다. 또한, 이 경우에, Xe를 봉입한 수은 램프는 아크의 흔들림은 발생하지 않았지만, Ar을 봉입한 수은 램프는 아크의 흔들림도 발생했다.

상기 공냉조건의 영향에 의한 수은의 미증발이나 방사광의 흔들림은 그 이유는 반드시 명확하지는 않지만 이하와 같이 추측된다. 즉, 이 원인은 Ar 가스와 Xe 가스의 열전도율의 차에 기인한다고 생각된다. 이 열전도율이 크면 열에너지의 전달속도가 커지고, 아크 중심의 온도는 용이하게 밸브내 표면부근까지 전달되며, 또한 반대로, 밸브내 표면부근의 온도도 용이하게 아크중심까지 전달된다. 여기서, Ar가스, Kr가스, Xe가스의 열전도율κ(10^-4W/cm/K)는 (Ar:1.63) ≥ (Kr:0.88) ≥ (Xe: 0.50)의 순으로 된다. 즉, Ar가스나 Kr가스를 봉입한 수은램프는, Xe 가스를 봉입한 수은 램프에 비해, 밸브의 외표면이 배풍냉각되면 용이하게 그 영향을 받아, 이것이 원인으로 밸브내 표면근방의 저온화, 및 아크중심의 저온화를 초래하게 된다.

여기서, 밸브의 내외의 온도에 관한 열운송을 간단한 모델을 이용하여 설명한다. 이 모델도 본 발명자의 추측에 의해 이하와 같이 생각할 수 있다.

처음에 밸브의 외표면의 온도에 대해 고찰한다. 램프는 구형상의 대칭 밸브로 하고, 그 외측반경을 Ro, 내측반경을 Ri로 한다. 밸브의 두께(d)는

d = Ro - Ri (1)

로 주어진다. 램프에의 전원입력을 W로 한다. 아크 방전은 구형밸브의 대략 중심에 있고, 그 크기는, 밸브내 반경에 비해 충분히 작다.

여기서, 아크로 소비되는 입력 에너지는, 일부는 광에너지에, 다른 부분은 봉입가스의 내부 에너지나 전극의 가열 에너지로 변환된다. 광 에너지의 일부는 밸브를 통하여 외부로 방사되며, 나머지는 밸브에 흡수되어 밸브의 가열원이 된다. 또한, 봉입가스는 램프내의 대류를 타고 밸브에 접근하고, 밸브와 충돌하여 에너지를 부여하는 것으로도 밸브의 가열원이 된다.

따라서, 램프에 도입된 입력 에너지는, 일부가 광 에너지로서 밸브를 통하여 외부로 방사되며, 또한 일부가 따뜻해진 밸브에서 열에너지로서 방사되며, 나머지가 따뜻해진 밸브에서 대류 열전달에 의해 열 에너지로서 방사된다. 여기서, 입력 에너지에 대한 밸브를 통하여 외부로 방사되는 광 에너지의 비율을 α로 하면, 입력 에너지W(램프에의 입력 에너지)에 대한 거시적인 에너지 보존식은

W = αW + SεσTo⁴+ Sh(To - Te) (2)

로 주어진다. 이것은 아크로 소비되는 입력 에너지(W)는, 밸브를 통하여 외부로 방사되는 광 에너지(αW)와 따뜻해진 밸브가 열방사하는 열에너지(SεσTo⁴)와, 마찬가지로 따뜻해진 밸브가 대류 열전달에 의해 방출되는 열 에너지(Sh(To-Te))로 구성되는 것을 의미한다.

상기(2) 식은, 또한, 이하와 같이 변형할 수 있다.

(1-α)W/S = εσTo⁴+ h(To - Te) (2)

여기서

S : 밸브 구형부의 외표면적으로 4πRo²와 같다.

ε: 석영 밸브의 방사율로 적외역(赤外域)에서 대략 1이다.

σ: Stefan-Boltzmann정수로 5.67x10.219W/cm²/K⁴

h : 열전도율로 0.003∼0.015W/cm²/K

To : 밸브의 외표면 온도

Te : 램프에서 충분히 떨어진 위치에서의 냉각풍의 평형온도(약 300K)이다.

α: 입력 에너지에 대한 밸브를 통하여 외부로 방사되는 광 에너지의 비율로 Xe 가스에서는 Ar 가스나 Kr 가스에 비해 연속방사의 방사효율이 큰 것이 일반적으로 알려져 있다. 따라서, Ar 가스나 Kr가스의 α치는 Xe 가스에 비해 작다. 즉, Ar가스나 Kr가스를 봉입한 수은 램프는 Xe 가스를 봉입한 수은램프에 비해, 동일 입력 에너지(W)를 램프에 투입했을 시에 밸브를 따뜻하게 하는데 이용되는 에너지의 비율이 높아진다.

다음에, 밸브내 표면온도를 생각한다. 이 밸브내 표면온도가 너무 높을 경우에 밸브의 실투(失透)가 일어나고, 또한, 너무 낮을 경우에 수은의 미증발이 일어나기 때문이다.

밸브의 내표면 온도를 Ti로 표시하고, 밸브가 받는 에너지로써 열로 변환되는 에너지는 SεσTo⁴+ Sh(To - Te)로 된다. 이것을 Pin으로 하면, 밸브에 입사하는 에너지는

Pin = (1-α)W (3)

로 표시된다.

석영 밸브의 열전도율을 λ로 하면, 구형 밸브가 가정되어 있으므로, 열전도방정식에서 밸브의 내면과 외면의 온도를 규정하는 이하의 식이 주어진다.

Ti - To = (Pin/ 4πλ) (1/Ri - 1/Ro) (4)

여기서, Ti는 밸브의 내표면 온도를 표시하고, To는 외표면온도를 표시한다. 또한, Ri는 밸브의 내측반경, Ro는 밸브의 외측반경을 표시한다. 열전도율λ의 전형치는 1∼2(W/m/K)이다. 또한, 밸브의 두께(d)는 밸브 외측반경(Ro)보다 충분히 작으므로, d Ro로 된다. 따라서 (4)식의 우변의 제2항(1/Ri-1/Ro)은 ((Ro-Ri)/Ri·Ro)으로 되고, 밸브의 두께(d)는 밸브 외측반경Ro보다 충분히 작으므로, Ri=Ro이므로, 이것을 R로 하면 (d/R²)로 된다. 또한, 온도차인 Ti-To를 δT로 한다. 따라서, (4)식은

δT = (Pin/4πλ) d/R²(5)

혹은

δT = ((Wd)^1/2/R)²(1-α)/(4πλ) (6)

로 된다. (6)식에서 밸브 내면의 온도Ti는

Ti = To + ((Wd)^1/2/R)²(1-α)/(4πλ) (7)

로 주어진다.

이 식에서 밸브내 표면온도(Ti)는 램프에의 전기입력(W), 밸브의 두께(d), 밸브의 반경(R)에 의해 결정되는 것「((Wd)^1/2/R)」과 깊게 관련되어 있는 것이 나타난다.

즉, Ar가스, Kr가스를 봉입한 램프는, Xe가스를 봉입한 램프에 비해, 상기 희소가스에 의한 열전도율이 크므로, 아크중심의 온도와 밸브내 표면근방의 온도와의 사이에서 열전달이 용이하게 행해지는 것 및 램프에의 입력 에너지가 동일한 경우에 밸브의 온도를 상승시키는데 이용되는 비율이 높으므로, 상기 램프는 밸브 내부의 열적 영향을 충분히 고려할 필요가 있는것에 주목하고 있다. 그리고, 밸브의 내표면 온도가 너무 낮으면 수은의 미증발을 일으키고, 반대로 너무 높으면 밸브의 실투를 일으키는 문제점을 양호하게 해소하기 위해, 변수「((Wd)^1/2/R)」를 소정의 범위내로 정하는 것을 생각했다.

실시예

도1은 본 발명의 숏 아크형 수은램프를 도시한다. 석영제의 발광관(1)안에 음극(2)과 양극(3)이 대향 배치되어 있고, 각각의 전극은 내부 리드(12) 및 (13)을 통하여 봉지부(6, 7)의 내부에서 금속박(8, 9)과 각각 접속되어 있다. 금속박(8, 9)에는 외부 리드(10, 11)가 각각 접속되어 있다.

도2는 본 발명의 자외선 발광장치를 도시한다. 램프(14)를 나온 광은 회전타원미러(15), 평면반사미러(16)를 거쳐, 콜리메이트렌즈(17), 중심파장 365nm로 밴드폭 10nm의 밴드 패스 필터(18)에 도달하고, 인터그레이터 렌즈(19)를 통과하여, 평면반사미러(21)로 반사되며, 콘덴서렌즈(22)를 통과하여, 레티클면(23)상에 도달한다. 그리고, 레티클면(23)상에 실리콘 포토 다이오드 검출기(24)가 배치된다. 램프(14)에는 전원(26)이 접속되어 원하는 전력이 공급된다.

우선, 아르곤 혹은 크립톤 혹은 이들 혼합가스를 봉입한 수은램프와, 크세논을 봉입한 수은램프의 i선조도를 비교한 실험예에 대해 설명한다. 아르곤, 크립톤, 크세논의 봉입량 이외의 조건은 동일 수은램프를 사용하여, 도2에서 설명한 검출기(24)로 i선조도를 측정하고 있다. 구체적인 수은램프의 형태는 외측지름 약55mm의 대략 구형상의 석영제 발광관내에 텅스텐제로 직경 20mmø의 양극(3)과, 산화토륨을 약 2wt%포함하는 텅스텐제로 선단 유효직경이 1.0mmø의 음극(2)이 대향하여 배치되어 있고, 수은이 램프내의 단위 용적당 4.5㎎/cc봉입된다.

Xe를 실온에서 2atm 봉입한 램프(램프A), Xe에 첨가하여 Ar을 봉입한 램프(램프B1∼F1)을 5종류, 마찬가지로 Xe에 첨가하여 Kr을 봉입한 램프(램프B2∼F2)를 5종류 사용했다. Ar을 봉입한 램프, 및 Kr을 봉입한 램프는 각각 0.3기압, 1기압, 3기압, 8기압, 12기압과 봉입량을 변화시켜 5종류를 만들었다. 이들 램프는 정전력 전원(26)에 의해, 약 2100W의 입력으로, 램프는 음극을 위로 한 자세로 점등했다.

실험의 결과를 도3에 도시한다. 램프(A)에 의한 i선방사조도를 기준으로 하여 상기 각각의 램프의 상대적인 i선 방사조도를 도시하고 있다.

여기서, 방사조도의 계측오차는 1∼2%라고 말해지고, 통상, 이 계측오차를 고려해도 4%이상 증가한 경우에 반도체 제조공정의 노광공정에서의 스루 풋이 확실하게 개선된다고 생각된다. 도면에서 아르곤, 크립톤 모두 1기압 이상 봉입했을 때에 상대방사조도가 4%이상 증가하는 것이 표시된다.

그러나, 아르곤, 크립톤 모두 실온에서 12기압 봉입한 것(램프F1, F2)은 방사조도는 20% 이상 증가했지만, i선의 스펙트럼폭이 넓어져, 노광의 해상도의 저하를 초래한다. 이 결과, 아르곤, 혹은 크립톤을 봉입한 수은램프는, 아르곤 혹은 크립톤을 1.0기압에서 8기압 봉입하면, i선의 스펙트럼폭을 넓히지 않고, 효과적으로 방사조도를 향상시킬 수 있는 것을 알았다.

또한, 이상 실험예에서는, 아르곤(Ar), 크립톤(Kr)은 Xe(크세논)과 함께 봉입되는 램프에 대해 언급했는데, Xe(크세논)을 봉입하지 않고, 아르곤(Ar), 크립톤(Kr)을 각각 단체로 봉입해도 같은 효과가 얻어지는 것이 확인되고 있다.

여기서, 희소가스로서 Ar과 Xe를 봉입한 램프에 있어서는, Ar의 봉입압력에 대해 Xe의 봉입압력을 약3배까지 상승시키면, 그 상승에 따라 i선의 레티클면에서의 방사조도는 증대한다. 그러나, 그 이상으로 Xe의 봉입압력을 상승시켜도 i선방사조도는 거의 상승하지 않는 것이 확인되고 있다. 이로써, 희소가스로서 Ar과 Xe를 봉입한 그래프에 있어서는, 레티클면상의 i선방사조도의 향상에는, Xe 봉입압력을 Ar봉입압력의 약 3배까지 하는 것이 바람직하다.

마찬가지로, Ar대신에 Kr을 봉입하고, Kr과 Xe의 혼합가스로 한 경우에 있어서도, Xe의 봉입압력을 Kr봉입압력의 약 3배까지 하는 것이 바람직한 것이 확인되고 있다.

실시예2

다음에, Ar과 Kr의 양쪽을 혼합가스로 하여 봉입한 램프에 대해 실험을 했다. 각각의 램프는 봉입량 이외에 대해서는, 실시예1에 도시한 때와 같은 형상형태로 램프5개(G∼N)를 제작했다.

도4는 각각의 램프(A, G∼N)의 봉입가스와 그 봉입압력을 도시한다. 램프A는 실시예1에서 도시한 것과 같은 것으로써, Xe를 2.0atm 봉입하고 있다. 램프G∼L은 Xe를 봉입하지 않고 Ar과 Kr을 0.3atm, 0.5atm, 1.5atm, 4.0atm, 5.0atm씩 봉입한 것이다. 램프M, N은 Xe를 0.3atm, 3.0atm 봉입한 위에 Ar, Kr을 0.5atm씩 봉입한 것이다.

결과를 도4에 도시하는데, 실온에서 Ar을 0.5atm과 Kr을 0.5atm 봉입한 램프H와 Xe만을 2atm 봉입한 램프A로 비교를 행하면, 램프H쪽이 노기에 탑재하여 사용한 경우, 레티클면상의 i선의 자외선 방사조도는 램프A보다 약 5%증가했다.

그러나, 실온에서 Ar 5.0atm과 Kr 5.0atm의 혼합가스의 봉입압 1.0atm으로 발광관에 봉입한 램프L에서는, i선방사조도는 18% 증가했지만, i선의 스펙트럼폭이 넓어져 노광의 해상도의 저하를 초래했다.

이상과 같이, 램프의 등기구를 이용한 실험에서는, Ar과 Kr의 혼합가스를 합계치로 하여 실온에서 1.0atm에서 8.0atm 봉입하면, 레티클면의 상대 i선방사조도가 효과적으로 향상하는 것을 알았다.

또한, Ar과 Kr의 혼합가스에 첨가하여 Xe를 첨가한 램프(M, N)에 대해서도, Ar과 Kr의 합계의 봉입압력이 실온에서 1.0atm에서 8.0atm이면, i선방사조도가 효과적으로 향상될 수 있는 것을 알았다. 그리고, 램프(M)와 램프(N)의 비교에 의해, Xe의 봉입압력을 높히면, 그에따라 i선의 레티클면상에서의 방사조도도 향상하는 것을 알았다. 그러나, 본 발명자들의 실험에 의하면, Xe의 봉입압력이 Ar과 Kr의 합계의 봉입압력에 대해, 약3배를 초과하면, i선의 방사조도는 거의 상승하지 않게되는 것이 확인된다. 따라서, i선방사조도의 향상의 점에서는, Xe봉입압력을 Ar과 Kr의 합계의 봉입압력의 약3배까지 하는 것이 바람직하다.

다음에 「(Wd)^1/2/R」에 대해 설명한다.

우선, 아르곤을 봉입한 수은램프로써, 발광관(밸브)의 최대직경의 반값R(cm), 밸브의 두께d(cm) 및 램프에의 입력전력W(kW)에 의한 밸브의 실투 및 수은미증발의 관계를 도시하는 실험에 대해 설명한다. 여기서, 밸브의 최대 직경이란 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 의미한다. 실험은 아르곤을 실온에서 3기압 봉입한 수은 램프를 5종류 준비하고, 상기 각 파라미터를 변화시켜 각각의 램프에 대해 (Wd/R²)^1/2의 값에 따라 검토를 행했다.

구체적인 수은램프의 형태는, 대략 구형상의 석영제 발광관내에, 텅스텐제로 직경 20mmø의 양극과 산화 토륨을 약 2wt% 포함하는 텅스텐제의 음극이 대향하여 배치되어 있고, 수은이 램프내의 단위 용적당 4.5㎎/cc 봉입된다. 그 결과를 도5에 도시한다.

이 결과, 램프(X1)는 점등후 20시간부터 밸브내면에 실투가 급속하게 진행되고, 급격한 방사의 저하가 보여졌다. 그 이유는 밸브 내면 온도가 너무 높아 실투가 진행된 것으로 추정된다. 또한, 램프X5는 점등직후부터 램프전압이 흔들려 방사가 안정되지 않았다. 또한, 점등시의 램프를 관찰하면 밸브 내면에 수은의 미증발이 확인되었다.

다음에, 크립톤을 봉입한 수은램프로써, 밸브의 최대직경의 반값R(cm), 밸브 두께d(cm), 및 램프의 입력잔력W(kW)에 의한 밸브의 실투, 및 수은 미증발의 관계를 도시하는 실험에 대해 설명한다.

실험은 크립톤을 실온에서 3기압 봉입한 수은 램프를 5종류 준비하고, 상기 각 파라미터를 변화시켜, 각각의 램프에 대해 (Wd/R²)^1/2의 값에서 검토를 행했다. 구체적인 수은램프의 사양은 먼저의 아르곤의 경우와 같다.

이 결과, 램프Y1는 점등후 20시간부터 밸브 내면에 실투가 급속하게 진행되고, 급격한 방사의 저하가 보여졌다. 그 이유는 밸브 내면 온도가 너무 높아 실투가 진행되었다고 추정된다. 또한, 램프Y5는 점등직후부터 램프 전압이 흔들려 방사가 안정되지 않았다. 또한, 점등시의 램프를 관찰하면 밸브 내면에 수은의 미증발이 확인되었다.

다음에, 아르곤과 크립톤을 봉입한 수은램프로써, 발광관(밸브)의 최대직경의 반값R(cm), 밸브의 두께d(cm), 및 램프에의 입력전력W(kW)에 의한 밸브의 실투 및 수은 미증발의 관계를 나타내는 실험에 대해 설명한다. 실험은 아르곤을 실온에서 1.5 기압, 크립톤을 실온에서 1.5기압, 또한 크세논을 실온에서 0.5 기압 봉입한 수은 램프를 5종류 준비하고, 상기 각 파라미터를 변화시켜, 각각의 램프에 대해 (Wd/R²)^1/2의 값에 의해 검토를 행했다. 구체적인 수은 램프의 형태는 상술의 아르곤, 크립톤의 경우와 같다.

이 결과, 램프Z1는 점등후 약20시간부터 밸브 내면에 실투가 급속하게 진행되고, 급격한 방사 저하가 보여졌다. 이 이유는 밸브 내면온도가 너무 높아 실투가 진행되었다고 추정된다. 또한, 램프Z5는 점등직후부터 램프 전압이 흔들려 방사가 안정되지 않았다. 또한, 점등시의 램프를 관찰하면 밸브내면에 수은의 미증발이 확인되었다.

그리고, 상기 숏 아크형 수은램프에 있어서, 양극이 위에 위치하는 자세로 점등됨으로써, 음극휘점의 변동을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 자외선 발광장치는 도2에 있어서도 도시한 것과 같은 광학계를 채용하므로 집광효율이 높은 조사를 가능하게 한다.

이상 상세하게 설명한 바와같이, 숏 아크형 수은 램프에 있어서, 봉입되는 희소가스가 아르곤(Ar) 및/또는 크립톤(Kr)으로써, 상기 희소가스의 봉입압력을 1.0∼8 기압으로 함으로써, 입력전력을 올리지 않고, 발광효율을 높게 할 수 있어 방사휘도를 올릴 수 있다. 또한, 상기 아르곤(Ar) 및/또는 크립톤(Kr)을 소정량 봉입한 수은 램프에 있어서, 밸브의 최대직경의 반값R(cm), 밸브의 두께d(cm), 및 램프에의 입력전력W(kW)으로 규정되는 (Wd/R²)^1/2의 관계식으로 도출되는 값을 소정의 것으로 함으로써, 밸브의 실투, 및 수은 미증발을 양호하게 방지할 수 있다.

Claims

석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은 램프에 있어서, 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)이, 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.211 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은램프.
석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은 램프에 있어서, 적어도 희소가스로서 크립톤(Kr)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.205 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.418

인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은 램프.
석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은 램프에 있어서, 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)과 크립톤(Kr)이 합계치로서 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하여, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.209 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 하는 숏 아크형 수은램프.
석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지는 자외선 발광장치에 있어서, 상기 수은램프는 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)이, 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 상기 전원에서 수은 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.211 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
석영제의 발광관내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지는 자외선 발광장치에 있어서, 상기 수은램프는 적어도 희소가스로서 크립톤(Kr)이 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 또한, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 상기 전원에서 수은 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.205 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.418

인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
석영제의 발광관내에 양극과 음극이 대향하여 배치되어 있고, 이 발광관안에 수은과 희소가스가 봉입되어 있는 숏 아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지는 자외선 발광장치에 있어서, 상기 수은램프는 적어도 희소가스로서 아르곤(Ar)과 크립톤(Kr)이 합계치로서 실온에서 1.0∼8atm 봉입되어 있고, 또한, 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 지름방향으로 하고, 발광관의 지름방향의 최대 직경의 반을 R(cm), 발광관의 두께를 d(cm), 상기 전원에서 수은 램프에의 입력전력을 W(kW)로 할 때,

0.209 ≤ ((Wd)^1/2/R) ≤ 0.387

인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
제4항 내지 제6항에 있어서, 상기 숏 아크형 수은램프는 양극이 상방이고 음극이 하방이 되도록 수직으로 배치한 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.