KR20000048332A - 쇼트아크형 수은램프 및 자외선 발광장치 - Google Patents

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KR20000048332A
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아이우라요시노리
야스다유키오
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다나카 아키히로
우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 극히 협대역화된 365㎚의 휘선(輝線) 스펙트럼을 안정적으로 장시간에 걸쳐 방사할 수 있는 쇼트아크(short arc)형 수은램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
석영제의 발광관(1) 속에 음극(2)과 양극(3)이 대향배치되어 있고, 이 발광관(1) 속에 수은 및 희가스가 봉입되어 있는 구성에 있어서, 수은의 봉입량은 발광관 내용적(內容積) 1㏄당 1.0㎎이하이고, 또한 상기 희가스(rare gas)는 적어도 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 또는 그 혼합가스가 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있다.

Description

쇼트아크형 수은램프 및 자외선 발광장치{Mercury lamp of a short arc type and apparatus for irradiation of ultraviolet rays}
본 발명은 쇼트아크형 수은램프에 관한 것이다.
근래, 반도체나 액정의 제조, 그 밖의 미세가공의 분야에서 포토리소그래피의 광원으로서 쇼트아크형 수은램프를 이용한 노광기술이 이용되고 있다.
이와 같은 포토리소그래피에서 광원으로서의 쇼트아크형 수은램프는 포토레지스트가 감도를 가지는 파장 365㎚(i선)의 광을 효율 좋게 방사하는 것이 적용된다. 그리고 램프의 발광물질로서는 수은이 봉입됨과 동시에 시동용 가스로서 아르곤 및 크립톤 등의 희가스(rare gas)가 봉입된다. 한편, 수은과 함께 발광물질로서 크세논 가스를 봉입하는 쇼트아크형 수은램프도 존재한다(예를 들면 일본국 특개소 61-189636호).
상기 수은램프로부터의 발광은 365㎚의 주위에 수㎚의 퍼짐을 가지고 있다. 그 때문에, 노광장치에서 단일 종류의 초재(硝材)의 굴절광학계를 이용하면, 색수차에 의해 상이 흐릿해지고 노광 얼룩이나 해상도의 저하를 초래하기 때문에, 상기 미세화의 요구에 따를 수 없게 된다. 이 색수차를 보정하기 위해, 굴절율이 다른 초재를 복수개 조합한 색 제거 렌즈가 사용되고 있지만, 사용파장이 짧기 때문에 사용할 수 있는 초재의 선택 폭도 좁아 완전히 색수차를 제거할 수 없다.
그래서 굴절광학계를 통과하는 광을 보다 좁은 파장 대역으로 하는 것을 생각할 수 있다. 예를 들면 램프로부터 방사된 광을, i선 근방의 특정한 파장 대역만을 투과시키는 BPF(밴드패스필터)를 통과하게 하는 방법이 제안되어 있다. 그러나 밴드패스필터도 그 성능에는 한계가 있고 그 재료도 대단이 비싸다.
그래서 한정된 광학재료를 이용하여 색수차를 적절히 억제하기 위해서는 램프 자체로부터 방사되는 i선 스펙트럼 폭이 좁은 광일 필요가 있다. 그리고 당연하지만, 램프로부터의 방사조도도 저하되어서는 않되며, 충분히 높은 방사조도를 유지하면서 i선 스펙트럼 폭을 좁게 하지 않으면 않된다.
그래서 이 발명이 해결하고자 하는 과제는 방사조도를 낮추지 않고 i선 스펙트럼 폭을 좁힐 수 있는 쇼트아크형 수은램프 및 그 발광장치를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 쇼트아크형 수은램프를 도시한다.
도2는 본 발명의 수은램프의 설명도를 도시한다.
도3은 본 발명의 수은램프에 의한 방사 스펙트럼 분포를 나타낸다.
도4는 본 발명의 자외선 발광장치를 도시한다.
도5는 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과이다.
도6은 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과이다.
도7은 본 발명의 효과를 나타내는 실험결과이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 발광관
2 : 음극
3 : 양극
14 : 램프
15 : 타원 미러
26 : 전원
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 쇼트아크형 수은램프는 석영제의 발광관 속에 음극과 양극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 속에 수은 및 희가스가 봉입되어 있고, 상기 수은의 봉입량은 발광관 내용적(內容積) 1㏄당 1.0㎎ 미만이고, 또한 상기 희가스는 적어도 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 또는 그 혼합가스가 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 쇼트아크형 수은램프는 먼저 수은의 봉입량이 종래의 쇼트아크형 수은램프에 비해 상대적으로 적기 때문에, 파장 365㎚에서 스펙트럼 폭이 좁은 i선을 방사하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 수은량은 1.0㎎/㏄ 미만이고, 보다 바람직하게는 0.5㎎/㏄ 이상 1.0㎎/㏄ 미만으로 하는 것이다.
이것으로 i선(365±0.5㎚의 범위)의 방사를 높일 수 있는 동시에, 365±0.5㎚의 범위를 제외하는 365±5㎚ 범위의 방사를 매우 작게 할 수 있다.
그러나 수은량을 적게 하면, 램프 전체로서 방사조도가 저하한다고 하는 새로운 문제가 생긴다.
그래서 본 발명의 쇼트아크형 수은램프에서는 아르곤, 크립톤의 봉입량을 늘림으로써 이와 같은 문제를 해결할 수 있다.
일반적으로 크세논 가스 등을 시동용 보조가스로서 봉입하고 있는 쇼트아크형 수은램프에 있어서는 해당 크세논 가스의 봉입량은 겨우 0.1∼1.0 기압정도로 극히 작다. 이것은 시동보조로서 기능시키는 것이 목적이기 때문이다.
또, 한편에서 시동시에만 한정되지 않고 일상 점등시에도 크세논 가스를 기능시키는 방전램프도 존재한다. 예를 들면 상기 일본국 특개소 61-189636호에 기재되어 있는 수은램프는 크세논 가스를 5기압 정도까지 봉입하고 있다. 그러나 이와 같은 수은램프는 수은에 의한 365㎚의 휘선 스펙트럼 이외에 크세논에 의한 연속 스펙트럼도 이용하는 것이다. 그리고 크세논을 이용하는 것이기 때문에, 365㎚(엄밀하게는 365±0.5㎚의 범위)의 방사조도는 낮다.
결국, 희가스로서 크세논을 봉입하는 수은램프는 이것이 정상(定常) 점등시에 기능시키는 것이어도 i선의 방사조도 자체가 불충분한 것이 되어 버린다.
이와 같은 문제점에 대해서 본 발명자들은 희가스로서 크세논이 아닌 아르곤 또는 크립톤 혹은 아르곤과 크립톤의 혼합가스를 이용함으로써, 수은량을 적게 하여도 i선의 협대역화와 충분한 방사조도를 달성할 수 있다는 것을 알아내었다.
구체적으로는 아르곤 또는 크립톤을 단독으로 봉입하는 경우에는 1∼8 기압, 혼합가스로서 봉입할 때에는 혼합한 상태의 압력이 1∼8기압인 것이 효과적이라는 것을 알아내었다.
도2는 수은램프 (A), (B), (C)의 365㎚ 근처 분광 스펙트럼의 비교를 도시한다. 수은램프(A)는 본원 발명의 수은램프이고, 수은램프(B)는 수은량은 본원 발명과 동일하지만 희가스로서 크세논을 봉입한 것이고, 수은램프(C)는 수은량이 1.0㎎/㏄ 이상의 종래의 수은램프의 대표예를 도시한다.
도3은 상기 수은램프 (A), (B), (C)에 도시하는 수은램프에서의 수은 및 희가스의 구체적 봉입량과, 방사조도를 나타내는 것으로, 램프(A)는 수은량이 0.8㎎/㏄, 아르곤 가스가 5기압 봉입되고, 램프(B)는 수은량이 0.8㎎/㏄, 크세논 가스가 5기압 봉입되고, 램프(C)는 수은량이 5.0㎎/㏄, 크세논 가스가 1기압 봉입된 것이다.
또, 각각의 램프에 대해서 365±5㎚ 범위의 방사강도와 365±0.5㎚ 범위의 방사강도를 나타내고, 그 비율로부터 협대역화 비율도 나타내고 있다. 구체적으로는 협대역화 비율이라는 것은 도면에서도 나타낸 바와 같이, (364.5㎚∼365.5㎚)의 적분치/(360㎚∼370㎚)의 적분치이다. 또, 방사강도라는 것은 램프(C)의 365±5㎚ 범위에서의 방사강도를 100이라고 했을 때와 동일 범위에서의 상대치를 도시하고 있다.
도2에서 램프(C)와 램프 (A), (B)를 비교하면, 수은량을 적게 하면 구체적으로는 1.0㎎/㏄ 미만으로 하면, i선(365±0.5㎚)의 협대역화가 달성되는 것을 알 수 있다. 또, 도3의 협대역화 비율을 보면 램프(C)가 0.36인 것에 대해 램프(A), (B)의 협대역화 비율은 0.50으로 올라간다.
도2에서 램프(A)와 램프(B)를 비교하면, 램프(A)는 램프(B)에 비해 365±0.5㎚에서의 정점값이 높고, 즉 이 범위에서의 적분값이 크기 때문에 방사조도가 크다는 것을 알 수 있다. 또, 도3으로부터 램프(A)의 365±0.5㎚의 적분값이 53인 것에 대해 램프(B)의 적분값은 38로 낮다는 것을 알 수 있다.
그리고 도2에서 365㎚에서는 각 램프가 모두 방사강도가 저하하고 있는데, 이것은 수은의 자기(自己)흡수에 의한 것이다.
이상이 청구항1에 관한 발명이고, 수은량을 적게 하는 것과, 아르곤 및 크립톤을 소정량 봉입한 점에 대해 설명했다.
다음에 청구항2∼청구항7에 관한 발명에 대해 설명한다. 구체적으로는 아르곤 및 크립톤을 봉입하는 수은램프의 아크 특성에 영향을 주는 것에 대해 설명한다.
본원 발명은 희가스로서 아르곤을 사용하고, 음극과 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경 방향으로 하여, 발광관의 직경 방향의 최대값 직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 입력전력을 W(㎾)로 할 때, 0.211≤((Wd)1/2/R)≤0.387인 것을 특징으로 한다.
또, 희가스로서 크립톤을 사용한 경우에는 동일한 값이 0.205≤((Wd)1/2/R)≤0.418인 것을 특징으로 한다. 또한 희가스로서 아르곤과 크립톤의 혼합가스를 사용한 경우에는 동일한 값이 0.209≤((Wd)1/2/R)≤0.387인 것을 특징으로 한다.
이것은 수기압의 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr) 혹은 그 혼합가스를 소정 압력의 범위내에서 봉입하는 경우에, 발광관(이하, 「벌브(bulb)」라고도 한다)의 두께 등을 고려한 소정의 수치한정을 한 것을 특징으로 한다. 이것은 봉입되는 희가스가 동시에 봉입되어 있는 수은에 대해 그 봉입 몰수(mol 數)가 큰 경우에 상기 희가스는 발광관내에서의 열적 동작과 아크의 특성에 강한 영향을 줄 수 있기 때문이다.
Ar을 봉입한 수은램프는 Xe를 봉입한 수은램프에 비해 약한 냉각을 행해도 수은 미증발이 많이 발생하는 것이 시험으로 확인되어 있고, 이것으로부터 Ar을 봉입한 램프는 배풍(排風) 등의 냉각조건의 영향을 받기 쉽다고 하는 것을 알 수 있으며, 또 이 경우에 Xe를 봉입한 수은램프보다도 아크의 흔들림이 생기는 것도 확인되고 있다.
이와 같은 냉각조건의 영향에 의한 수은의 미증발이나 방사광의 흔들림은 그 이유는 반드시 명확하지는 않지만 이하와 같이 추측된다. 즉, 이 원인은 Ar가스와 Xe가스의 열전도율의 차에 의존한다고 생각된다. 이 열전도율이 크면 열에너지의 전달속도가 커지고, 아크중심의 온도는 용이하게 벌브 내표면(內表面) 부근까지 전달되고, 또 역으로 벌브 내표면 부근의 온도도 용이하게 아크중심까지 전달된다. 여기에서 Ar가스, Kr가스, Xe가스의 열전도율 κ(10-4W/㎝/K)는 (Ar : 1.63)＞(Kr : 0.88)＞(Xe : 0.50)의 순서가 된다. 결국, Ar가스나 Kr가스를 봉입한 수은램프는 Xe가스를 봉입한 수은램프에 비해 벌브의 외표면이 배풍(排風)냉각 등이 되면 용이하게 그 영향을 받게 되고, 이것이 원인이 되어 벌브 내표면 근방의 저온화 및 아크중심의 저온화를 초래하게 된다.
그래서 벌브의 내외에서의 온도에 관한 열전송을 간단한 모델을 이용하여 설명한다. 이 모델도 본 발명자들의 추측에 의해 이하와 같이 생각된다.
처음으로, 벌브의 외표면의 온도에 대해 고찰한다. 램프는 구형상의 대칭 벌브로서, 그 외직경을 Ro, 내직경을 Ri로 한다. 벌브의 두께(d)는
d=Ro-Ri (1)
로 얻어진다. 램프에의 전기전력을 W로 한다. 아크 방전은 구형상 벌브의 거의 중심에 있고, 그 크기는 벌브의 내직경에 비해 충분히 작다.
여기서, 아크에서 소비되는 입력에너지는 일부는 광에너지로, 다른 부분은 봉입가스의 내부 에너지나 전극의 가열 에너지로 변환된다. 광에너지의 일부는 벌브를 통해서 외부로 방사되고, 나머지는 벌브에 흡수되어 벌브의 가열원이 된다. 또, 봉입가스는 램프내의 대류를 타고 벌브에 접근하여 벌브와 충돌해서 에너지를 줌으로써 벌브의 가열원이 된다.
따라서, 램프에 도입된 입력에너지는 일부가 광에너지로서 벌브를 통해서 외부로 방사되고, 또 일부가 데워진 벌브로부터 열에너지로서 방사되며, 나머지가 데워진 벌브로부터 대류 열전달에 의해 열에너지로서 방사된다. 여기서, 입력에너지에 대한 벌브를 통해서 외부로 방사되는 광에너지의 비율을 α로 하면, 입력에너지 W(램프의 입력에너지)에 대한 거시적인 에너지 보존식은
W=αW+SεσTo4+Sh(To-Te) (2)
로 얻어진다. 이것은 아크에서 소비되는 입력에너지(W)는 벌브를 통해서 외부로 방사되는 광에너지(αW)와, 데워진 벌브가 열방사하는 열에너지(SεσTo4)와, 마찬가지로 데워진 벌브가 대류 열전달에 의해 방출하는 열에너지(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')
여기에서
S : 벌브 구형상부의 외표면적으로 4πRo2와 같다
ε : 석영 벌브의 방사율로 적외영역에서 거의 1이다
σ : Stefan-Boltzmann 정수로 5.67×10.219W/㎠/K4
h : 열전달율로 0.003∼0.015W/㎠/K
To : 벌브의 외표면 온도
Te : 램프로부터 충분히 떨어진 위치에서의 냉각풍의 평형온도(약 300K)
이다.
α : 입력에너지에 대한 벌브를 통해서 외부로 방사되는 광에너지의 비율로, Xe가스에서는 Ar가스나 Kr가스에 비해 연속방사의 방사효율이 큰 것이 일반적으로 알려져 있다. 따라서 Ar가스나 Kr가스의 α값은 Xe가스에 비해 작다. 즉, Ar가스나 Kr가스를 봉입한 수은램프는 Xe가스를 봉입한 수은램프에 비해 동일한 입력에너지(W)를 램프에 투입했을 때에 벌브를 데우는데에 이용되는 에너지의 비율이 높아진다.
다음에, 벌브 내표면 온도를 생각한다. 이 벌브 내표면 온도가 너무 높은 경우에 벌브에 불투명 현상이 일어나고, 또 너무 낮은 경우에 수은의 미증발이 일어나기 때문이다.
벌브의 내표면 온도를 Ti로 나타내고, 벌브가 받는 에너지로서 열로 변환되는 에너지는 SεσTo4+Sh(To-Te)가 된다. 이것을 Pin으로 하면, 벌브에 입사하는 에너지는
Pin=(1-α)W (3)
으로 표현된다.
석영벌브의 열전도율을 λ으로 하면, 구형벌브가 가정되어 있기 때문에, 열전도 방정식으로부터 벌브의 내면과 외면의 온도를 규정하는 이하의 식이 얻어진다.
Ti-To=(Pin/4πλ) (1/Pi-1/Po) (4)
여기에서 Ti는 벌브의 외표면 온도를 나타내고, To는 벌브의 외표면 온도를 나타낸다. 또한, Ri은 벌브의 내반경, Ro는 벌브의 외반경을 나타낸다. 열전도율 λ의 전형값은 1∼2(W/m/K)이다. 또, 벌브의 두께(d)는 벌브 외반경(Ro)보다 충분히 작기 때문에, d≪Ro가 된다. 따라서 (4)식의 우변의 제2항 (1/Ri-1/Ro)은 ((Ro-Ri)/Ri·Ro)가 되고, 벌브의 두께(d)는 벌브 외반경(Ro)보다 충분히 작기 때문에 Ri=Ro이므로, 이것을 R이라고 하면 (d/R2)가 된다. 또 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)
이 된다. (6)식에 의해 벌브 내면의 온도(Ti)는
Ti=To+((Wd)1/2/R)2(1-α)/(4πλ) (7)
으로 얻을 수 있다.
이 식으로부터 벌브 내표면 온도(Ti)는 램프에의 전기입력(W), 벌브의 두께(d), 벌브의 반경(R)에 의해 결정되는「((Wd)1/2/R)」과 깊게 관련되어 있는 것을 알 수 있다.
즉, Ar가스, Kr가스를 봉입한 램프는 Xe가스를 봉입한 램프에 비해 해당 희가스에 의한 열전도율이 크기 때문에, 아크중심의 온도와 벌브 내표면 근방의 온도 사이에서 열전달이 용이하게 행해지는 것, 및 램프에의 입력에너지가 동일한 경우에 벌브의 온도를 상승시키는 것에 이용되는 비율이 높기 때문에, 해당 램프는 벌브 내부의 열적 영향을 충분히 고려할 필요가 있는 것에 주목하게 되었다. 그리고, 벌브의 내표면 온도가 너무 낮으면 수은의 미증발을 일으키고, 역으로 너무 높으면 벌브에 불투명 현상을 일으킨다고 하는 문제를 양호하게 해소하기 위해서는 변수「((Wd)1/2/R)」를 소정 범위내에 결정해야 한다는 것을 알게 되었다.
또한, 본원 발명의 자외선 발광장치는 석영제의 발광관내에 양극과 음극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 중에 수은과 희가스가 봉입되어 있는 쇼트아크형 수은램프와, 이 수은 램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지고, 상기 수은의 봉입량은 발광관 내용적 1㏄당 1.0㎎ 미만이고, 또한 상기 희가스는 아르곤(Ar)이 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있으며, 또한 음극과 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 상기 전원으로부터 수은램프에의 입력전력을 W(㎾)로 할 때, 0.211≤((Wd)1/2/R)≤0.387인 것을 특징으로 한다.
또한, 희가스로서 크립톤을 사용한 경우에 동일 값이 0.205≤((Wd)1/2/R)≤0.418인 것을 특징으로 한다.
또한 희가스로서 아르곤과 크립톤의 혼합가스를 사용한 경우에 동일 값이 0.209≤((Wd)1/2/R)≤0.387인 것을 특징으로 한다.
(실시형태)
도1은 본 발명의 쇼트아크형 수은램프의 제1 실시예의 단면도이다. 석영제의 발광관(1) 속에 음극(2)과 양극(3)이 대향배치되어 있고, 각각의 전극은 내부 리드부재(12 및 13)를 통해서 밀봉부(6, 7)의 내부에서 박부(箔部)(8, 9)와 각각 접속되어 있다. 박부(8, 9)에는 외부 리드부재(10, 11)가 각각 접속되어 있다.
이와 같은 쇼트아크형 수은램프의 구체적인 설계예를 이하에서 설명한다.
발광관(1)은 석영 글래스로 이루어져 있으며, 외직경이 약 55㎜인 대략 구형의 것이다. 음극(2)은 산화토륨을 약 2wt% 함유하는 텅스텐제이고, 직경이 약 6.0㎜인 봉형상의 것이다. 봉형상 부분의 선단에 가까운 부분에는 텅스텐 코일이 감겨져 있다. 양극(3)과 대향하는 선단은 원추상으로 형성된다. 양극(3)은 텅스텐제이고 몸통부의 직경은 20㎜, 음극(2)과 대향하는 선단은 곡면형상으로 형성된다. 음극(2)과 양극(3)으로 형성되는 전극간 거리는 4.0㎜이다. 발광관의 내용적은 약 75㏄이다.
발광관 내부에는 봉입물질로서 수은이 0.8㎎/㏄, 아르곤 가스가 5.0 기압 봉입되어 있다.
그리고 이와 같은 쇼트아크형 수은램프는 예를 들면 정격 23V, 정격 2KW에서 점등된다.
다음에 「(Wd)1/2/R」에 대해 설명한다.
먼저, 아르곤을 봉입한 수은램프에 있어서, 발광관(벌브)의 최대 직경의 반분의 값 R(㎝), 벌브의 두께 d(㎝) 및 램프에의 입력전력 W(KW)에 의한 벌브의 불투명 현상 및 수은 미증발의 관계를 나타내는 실험에 대해 설명한다. 여기에서 벌브의 최대 직경이란 양극과 음극을 연결하는 방향을 축방향으로 하여 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 의미한다. 실험은 아르곤을 실온에서 3기압 봉입한 수은램프를 5종류 준비하고, 상기 각 파라메터를 변화시켜 각각의 램프에 대해 ((Wd)1/2/R)의 값에 의해 검토를 행했다.
구체적인 수은램프의 시험방법은 대략 구형의 석영제 발광관내에 텅스텐제로 직경 20㎜ø의 양극과, 산화토륨을 약 2wt% 함유하는 텅스텐제의 음극이 대향하여 배치되어 있고, 수은이 램프내의 단위용적당 4.5㎎/㏄ 봉입된다. 그 결과를 도5에 도시한다.
그 결과, 램프 X1는 점등후 20시간으로부터 벌브 내면에 불투명 현상이 급속하게 진행되고, 급격한 방사의 저하가 보였다. 이 이유는 벌브 내면 온도가 너무 높아서 불투명 현상이 진행했다고 추정된다. 또 램프 X5는 점등 직후로부터 램프 전압이 흔들려 방사가 안정되지 않았다. 또한 점등시의 램프를 관찰하면 벌브 내면에 수은의 미증발이 확인되었다.
다음에 크립톤을 봉입한 수은램프에 있어서, 벌브의 최대 직경의 반분의 값을 R(㎝), 벌브의 두께를 d(㎝) 및 램프에의 입력전력 W(KW)에 의한 벌브의 불투명 현상 및 수은 미증발의 관계를 나타내는 실험에 대해 설명한다.
실험은 크립톤을 실온에서 3기압 봉입한 수은램프를 5종류 준비하고 상기 각 파라미터를 변화시켜 각각의 램프에 대해서 ((Wd)1/2/R)의 값으로부터 검토를 행했다. 구체적인 수은램프의 시험방법은 이전의 아르곤의 경우와 동일하다. 그 결과를 도6에 도시한다.
이 결과, 램프 Y1는 점등후 20시간으로부터 벌브 내면에 불투명 현상이 급속하게 진행되고, 급격한 방사의 저하가 보였다. 이 이유는 벌브 내면 온도가 너무 높아서 불투명 현상이 진행되었다고 추정된다. 또 램프 Y5는 점등 직후로부터 램프 전압이 흔들려서 방사가 안정되지 않았다. 또한 전등시의 램프를 관찰하면 벌브 내면에 수은의 미증발이 확인되었다.
다음에 아르곤과 크립톤을 봉입한 수은램프에 있어서, 발광관(벌브)의 최대 직경의 반분의 값 R(㎝), 벌브의 두께 d(㎝) 및 램프에의 입력전력 W(KW)에 의한 벌브의 불투명 현상 및 수은 미증발의 관계를 나타내는 실험에 대해 설명한다. 실험은 아르곤을 실온에서 1.5기압, 크립톤을 실온에서 1.5기압, 또한 크세논을 실온에서 0.5기압 봉입한 수은램프를 5종류 준비하고 상기 각 파라미터를 변화시켜서, 각각의 램프에 대해 ((Wd)1/2/R)의 값으로부터 검토를 행했다. 구체적인 수은램프의 시험방법은 전술한 아르곤 및 크립톤의 경우와 동일하다. 그 결과를 도7에 도시한다.
이 결과, 램프 Z1는 점등후 20시간으로부터 벌브 내면에 불투명 현상이 급속하게 진행되어 급격한 방사의 저하가 보였다. 이 이유는 벌브 내면 온도가 너무 높아서 불투명 현상이 진행되었다고 추정된다. 또 램프 Z5는 점등 직후로부터 램프 전압이 흔들려 방사가 안정되지 않았다. 또한 점등시의 램프를 관찰하면 벌브 내면에 수은의 미증발이 확인되었다.
그리고 또한 상기 쇼트아크형 수은램프에서 양극이 위에 위치하는 자세로 점등됨으로써 음극 휘점(輝点)의 변동을 억제할 수 있다.
또, 본 발명의 자외선 발광장치는 도4에서 도시하는 바와 같이 광학계를 채용하기 때문에 집광효율이 높은 방사를 가능하게 한다.
도4는 본 발명의 쇼트아크형 수은램프를 사용한 노광장치를 나타낸다.
램프(14)를 나온 광은 타원미러(15), 제1 평면반사미러(16)를 지나서 콜리메이터 렌즈(collimator lens)(17), 중심파장 365㎚에서 밴드폭 10㎚의 밴드패스필터(18)에 도달하고, 인테그레이터 렌즈(integrator lens)(19)를 통해서 제2 평면미러(21)에서 반사되고, 콘덴서 렌즈(condenser lens)(22)를 통해서 마스크면(23) 상에 도달한다. 또 램프(14)에는 전원(26)이 접속된다. 그리고 실제의 노광장치에서는 그 사용목적에 따라 마스크면 이후에 광학계를 배치하지만 본원 발명에서는 생략한다.
그리고 본 발명에서는 희가스로서 아르곤을 봉입한 경우, 크립톤을 봉입한 경우, 아르곤과 크립톤의 혼합가스를 봉입한 경우에 대해 설명했지만, 이들 이외의 희가스, 헬륨, 네온, 크세논을 봉입해도 상관없다.
또 본 발명자들은 아르곤, 크립톤 대신에 헬륨, 네온을 사용한 경우에도 방사조도의 향상에 기여할 수 있는 것을 알고 있다. 그러나 헬륨, 네온은 석영글래스를 통해서 외부로 빠져나가기 쉽기 때문에, 방사조도를 장시간 유지하는 것이 곤란하여 실용성이 부족하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 쇼트아크형 수은램프는 석영제의 발광관 속에 음극과 양극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 속에 수은 및 희가스가 봉입되어 있는 구성에 있어서, 수은의 봉입량은 발광관 내용적 1㏄당 1.0㎎ 이하이고, 또한 상기 희가스는 적어도 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 또는 그 혼합가스가 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있다.
이와 같은 구성에 의해 극히 협대역화된 365㎚의 휘선 스펙트럼으로 방사조도가 충분한 쇼트아크형 수은램프를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 석영제의 발광관 속에 음극과 양극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 속에 수은, 희가스가 봉입되어 있는 쇼트아크형 수은램프에 있어서,
    상기 수은의 봉입량은 발광관 내용적 1㏄당 1.0㎎ 미만이고, 또한 상기 희가스는 적어도 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 또는 그 혼합가스가 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 희가스는 아르곤이고,
    상기 음극과 상기 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경 방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대 직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 입력전력을 W(㎾)로 할 때,
    0.211≤((Wd)1/2/R)≤0.387
    인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 희가스는 크립톤이고,
    상기 음극과 상기 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대 직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 입력전력을 W(㎾)로 할 때,
    0.205≤((Wd)1/2/R)≤0.418
    인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 희가스는 아르곤과 크립톤의 혼합가스이고,
    상기 음극과 상기 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 입력전력을 W(㎾)로 할 때,
    0.209≤((Wd)1/2/R)≤0.387
    인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.
  5. 석영제의 발광관내에 양극과 음극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 속에 수은과 희가스가 봉입되어 있는 쇼트아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지는 자외선 발광장치에 있어서,
    상기 수은의 봉입량은 발광관 내용적 1㏄당 1.0㎎ 미만이고, 또한 상기 희가스는 아르곤(Ar)이 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있고,
    또한 음극과 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대 직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 상기 전원으로부터 수은램프에의 입력전력을 W(㎾)로 할 때,
    0.211≤((Wd)1/2/R)≤0.387
    인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  6. 석영제의 발광관내에 양극과 음극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 속에 수은과 희가스가 봉입되어 있는 쇼트아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지는 자외선 발광장치에 있어서,
    상기 수은의 봉입량은 발광관 내용적 1㏄당 1.0㎎ 미만이고, 또한 상기 희가스는 크립톤(Kr)이 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있고,
    또한 음극과 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대 직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 상기 전원으로부터 수은램프에의 입력전력을 W(㎾)로 할 때,
    0.205≤((Wd)1/2/R)≤0.418
    인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
  7. 석영제의 발광관내에 양극과 음극이 대향배치되어 있고, 이 발광관 속에 수은과 희가스가 봉입되어 있는 쇼트아크형 수은램프와, 이 수은램프에 소정의 전력을 공급하는 전원으로 이루어지는 자외선 발광장치에 있어서,
    상기 수은의 봉입량은 발광관 내용적 1㏄당 1.0㎎ 미만이고, 또한 상기 희가스는 아르곤(Kr)과 크립톤(Kr)이 혼합가스로서 실온에서 1.0∼8.0atm 봉입되어 있고,
    또한 음극과 양극을 연결하는 방향을 축방향으로 하고, 그 축방향에 수직인 단면의 방향을 직경방향으로 하며, 발광관의 직경방향의 최대 직경의 반분을 R(㎝), 발광관의 두께를 d(㎝), 상기 전원으로부터 수은램프에의 입력전력을 W(㎾)로 할 때,
    0.209≤((Wd)1/2/R)≤0.387
    인 것을 특징으로 하는 자외선 발광장치.
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