KR20240019741A

KR20240019741A - 엑시머 램프

Info

Publication number: KR20240019741A
Application number: KR1020230101506A
Authority: KR
Inventors: 히로키 호리베
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2023-08-03
Publication date: 2024-02-14
Also published as: TW202414509A; JP2024021634A; CN117524842A; DE102023120356A1

Abstract

[과제] 방전 용기에 대한 자외선 변형과, 방전 용기의 장소에 따른 조도 유지율의 편차의 쌍방을 억제한, 엑시머 램프를 제공한다.
[해결 수단] 엑시머 램프는, 불소가 도프된 석영 유리를 포함하고, 내부에 발광 가스가 봉입된 장척형의 방전 용기와, 방전 용기의 내부에 방전 전압을 인가하는 한 쌍의 전극을 구비한다. 방전 용기는, 유효 발광 영역 내에 있어서, 길이 방향에 따른 한 쌍의 단부 개소와, 상기 한 쌍의 단부 개소 사이의 영역을 상기 길이 방향에 관하여 소정 수만큼 실질적으로 균등하게 분할하여 얻어지는 복수의 중간 개소로 이루어지는 각 측정 개소의 가상 온도 T[℃]가, 각 측정 개소의 가상 온도 T[℃]의 중간값을 Ta[℃]로 했을 때에, 이하의 (1) 식 및 (2) 식을 만족한다.
900≤Ta≤1000 … (1)
-924.7＋1.9×Ta≤T≤924.7＋0.1×Ta … (2)

Description

엑시머 램프{EXCIMER LAMP}

본 발명은, 엑시머 램프에 관한 것이며, 특히 방전 용기에 불소가 도프된 엑시머 램프에 관한 것이다.

자외선을 발하는 엑시머 램프는, 석영 유리로 이루어지는 방전 용기 중에, 소정의 발광 가스가 봉입되어 있다.

엑시머 램프의 점등이 계속되면, 방전 공간 내에서 발생하는 자외선이, 방전 용기를 형성하는 석영 유리를 투과할 때에 석영 유리에 변형을 발생시켜, 유리의 파손을 초래하는 경우가 있다. 특히, 이러한 문제는, 피크 파장이 200nm 이하 등과 같은 단파장역의 자외선(진공 자외선이라고도 칭해진다.)을 발하는 엑시머 램프에 있어서 현저하게 나타난다.

또, 유리 그 자체의 파손에는 이르지 않는 경우여도, 석영 유리가 자외선을 흡수함으로써, 석영 유리를 구성하는 분자 자체에 구조 결함이 발생하고, 이 결함은 자외선의 흡수량을 증가시킨다. 이 결과, 방전 용기 자체의 투과율이 저하하여, 조도의 저하를 초래하는 경우가 있다.

이러한 사정으로부터, 엑시머 램프의 방전 용기에 있어서는, 가능한 한 자외선 변형을 억제하는 것이 중요하고, 지금까지도 몇 가지의 기술이 제안되어 있다.

석영 유리에 자외선의 흡수대가 발생하는 원인의 하나로서, 석영 유리 중의 불안정한 구조, 보다 상세하게는, 삼원환 구조나 사원환 구조를 들 수 있다. 이러한 불안정한 구조는, 정상적인 구조에 비해 결합 에너지가 약하기 때문에, 불안정한 구조가 많을수록 자외선의 투과율을 저하시킨다.

이 불안정한 구조는, 석영 유리의 가상 온도에 의존하는 것이 알려져 있으며, 가상 온도를 저하시킬수록 불안정한 구조의 발생량을 저하시킬 수 있다. 석영 유리의 가상 온도를 변화시키기 위한 수단으로서, 노(爐) 내에서 열처리를 행하는 방법이 알려져 있다. 석영 유리의 가상 온도를 낮게 하기 위해서는, 낮은 온도로 열처리를 행함으로써 실현할 수 있다. 그러나, 의도하는 가상 온도가 낮을 경우에는, 장시간의 열처리가 필요로 되는 경우가 많다. 열처리가 극히 장시간에 이르는 것은, 엑시머 램프를 공업적으로 생산하는 관점에서는, 바람직하지 않다. 예를 들면, 가상 시간을 500℃ 정도로 하려고 하면, 열처리 시간이 1개월 이상에 이를 가능성이 있다.

석영 유리 중에 불소(F)를 함유시키면 Si-F 결합이 생성됨으로써, 상기의 불안정한 구조를 완화시키는 작용이 있는 것도 알려져 있다. 즉, 석영 유리 중에 불소를 도입함으로써, 열처리의 시간을 비교적 단축하면서도, 불안정한 구조의 발생량을 저하시키는 것이 가능해진다.

본 출원인은, 과거에, 불소 함유량이 7000wt.ppm~30000wt.ppm이고, 가상 온도가 750℃~1000℃인 합성 석영 유리를 방전 용기로 하는 엑시머 램프를 제안하고 있다(특허 문헌 1 참조).

일본국 특허공개 2008-192351호 공보

본 발명자는, 예의 연구의 결과, 불소를 함유한 석영 유리를 방전 용기로 하는 엑시머 램프를 장시간에 걸쳐 점등하면, 방전 용기의 장소에 따라 조도에 편차가 발생하는 것을 새롭게 찾아냈다. 바꾸어 말하면, 본 발명자는, 불소를 함유한 석영 유리를 방전 용기로 하는 엑시머 램프에 있어서, 방전 용기의 장소에 따라 조도 유지율에 편차가 발생하는 것을 새롭게 찾아냈다.

본 발명은, 상기의 과제를 감안하여, 방전 용기에 대한 자외선 변형과, 방전 용기의 장소에 따른 조도 유지율의 편차의 쌍방을 억제한, 엑시머 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 엑시머 램프는,

불소가 도프된 석영 유리를 포함하고, 내부에 발광 가스가 봉입된 장척형의 방전 용기와,

상기 방전 용기의 내부에 방전 전압을 인가하는 한 쌍의 전극을 구비하고,

상기 방전 용기는, 유효 발광 영역 내에 있어서, 길이 방향에 따른 한 쌍의 단부 개소와, 상기 한 쌍의 단부 개소 사이의 영역을 상기 길이 방향에 관하여 소정 수만큼 실질적으로 균등하게 분할하여 얻어지는 복수의 중간 개소로 이루어지는 각 측정 개소의 가상 온도 T[℃]가, 각 측정 개소의 가상 온도 T[℃]의 중간값을 Ta[℃]로 했을 때에, 이하의 (1) 식 및 (2) 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

900≤Ta≤1000 … (1)

-924.7＋1.9×Ta≤T≤924.7＋0.1×Ta … (2)

본 발명자의 예의 연구에 의해, 방전 용기의 장소에 따라 조도 유지율에 편차가 발생하는 이유는, 제조 과정에 있어서, 방전 용기의 가상 온도에 편차가 발생함에 따른 것인 것을 밝혀냈다.

상술한 바와 같이, 엑시머 램프는, 방전 공간 내에서 발생하는 자외선이 방전 용기를 형성하고 있는 석영 유리를 투과할 때에, 석영 유리에 변형을 발생시킨다는 과제를 갖고 있다. 이 과제는, 엑시머 램프의 제조 시에, 냉각 속도를 느리게 하여 석영 유리의 가상 온도를 저하시킴으로써, 해결할 수 있는 것이 알려져 있다.

그런데, 상기의 방법은, 산업 용도의 엑시머 램프를 제조하는데 있어서는, 제조에 시간이 너무 걸린다는 다른 문제를 내포하고 있다. 이 때문에, 냉각 속도를 비교적 빠르게 하면서도, 석영 유리의 가상 온도를 저하시키기 쉽게 하는 관점에서, 상기 특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 불소를 도프한 석영 유리를 방전 용기로서 이용하는 방법이 개발되었다.

그러나, 냉각 속도를 빨리하면서 석영 유리를 냉각하는 것은, 석영 유리의 가상 온도를 불균일하게 하기 쉬워진다. 즉, 불소를 도프함으로써, 동일한 냉각 시간 하에서 석영 유리의 가상 온도가 저하하기 쉬워지는 반면, 제조 후의 방전 용기에 있어서, 장소마다의 가상 온도가 불균일해지기 쉬워진다는 다른 문제를 표면화시켰다.

특히, 엑시머 램프가 장척형의 방전 용기를 구비할 경우, 길이 방향의 위치에 따라 가상 온도에 편차가 생기기 쉬워진다. 이 가상 온도의 편차가, 장시간 점등 후의 장소마다의 조도 유지율의 편차를 유발한다. 즉, 장시간의 점등에 의해, 방전 용기의 장소에 따라, 휘도에 편차가 생기기 쉬워진다. 이 과제는, 특히 길이 방향에 따른 길이가 1m를 초과하는 방전 용기를 구비한 엑시머 램프에 있어서 현저해진다.

엑시머 램프는, 주로 산업 용도로 이용된다. 예를 들면, 주성분이 Xe로 이루어지는 발광 가스가 봉입됨으로써, 엑시머 램프는, 피크 파장이 172nm 근방의 진공 자외 광원이 된다. 이러한 광원은, 예를 들면 웨이퍼의 표면 개질이나, 세정의 용도로 이용된다. 이 때, 장시간의 점등에 의해, 방전 용기의 장소마다 휘도에 편차가 생기게 되면, 처리 대상물의 처리의 정도가 장소마다 불균일해지는 등의 영향이 예상된다.

이 때문에, 엑시머 램프에 있어서, 방전 용기 내의 장소에 관계없이, 조도 유지율의 편차는 가능한 한 억제하고 싶다는 사정이 있다. 그러나, 조도 유지율의 편차의 원인의 하나인, 가상 온도의 편차를 억제하려고 하면, 냉각 속도를 극히 느리게 할 필요가 있으며, 이러한 방법은 공업 생산을 감안하면 채용하기 힘든 점은 상술한 바와 같다.

이에 대해, 상기 (1) 식 및 (2) 식을 만족하는 엑시머 램프에 따르면, 가상 온도의 편차를 일정 정도 허용하면서도, 조도 유지율의 편차를 억제하는 것이 가능해진다. 따라서, 엑시머 램프의 제조에 필요로 하는 시간을 큰 폭으로 길게 하지 않고, 장시간 점등 후의 휘도 편차를 억제할 수 있다. 상세하게는, 「발명을 실시하기 위한 형태」의 항으로 후술된다.

상기 엑시머 램프는, 각 측정 개소에 있어서의 상기 가상 온도 T 중, 최대값과 최솟값이 10℃ 이상 떨어져 있는 것으로 해도 상관없다.

본 발명에 의하면, 방전 용기에 대한 자외선 변형과, 방전 용기의 장소에 따른 조도 유지율의 편차의 쌍방을 억제한 엑시머 램프를, 택트 타임의 큰 폭의 증가를 초래하지 않고 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 엑시머 램프의 일 실시 형태의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 2a는, 도 1의 엑시머 램프를, X-Z 평면으로 절단했을 때의 모식적인 단면도이며, 베이스의 도시가 생략되어 있다.
도 2b는, 도 1의 엑시머 램프를, X-Z 평면으로 절단했을 때의 다른 모식적인 단면도이며, 베이스의 도시가 생략되어 있다.
도 3은, 도 1에 나타내는 엑시머 램프의 평면도에, 유효 발광 영역 및 측정 개소가 기재된 도면이다.
도 4는, (1) 식 및 (2) 식의 내용을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는, 각 램프 샘플＃1~＃3의 조도 유지율과 점등 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 도 5의 그래프의 가로축을 로그 표기한 그래프이다.
도 7은, 각 램프 샘플＃1~＃3 각각의 가상 온도와, 선형 근사식의 기울기의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 측정 개소마다의 엑시머 램프의 조도 유지율을 측정하는 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9a는, 실시예 1의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 가상 온도의 값을 나타내는 그래프이다.
도 9b는, 실시예 1의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 조도 유지율의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10a는, 비교예 1의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 가상 온도의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10b는, 비교예 1의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 조도 유지율의 값을 나타내는 그래프이다.
도 11a는, 실시예 2의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 가상 온도의 값을 나타내는 그래프이다.
도 11b는, 실시예 2의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 조도 유지율의 값을 나타내는 그래프이다.
도 12a는, 비교예 2의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 가상 온도의 값을 나타내는 그래프이다.
도 12b는, 비교예 2의 엑시머 램프에 있어서의, 측정 개소마다의 조도 유지율의 값을 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 엑시머 램프의 실시 형태에 대해, 적절히 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 각 도면은 모식적으로 도시된 것이며, 도면 상의 치수비와 실제의 치수비는 반드시 일치하지 않는다. 또, 각 도면 간에 있어서도 치수비는 반드시 일치하지 않는다.

도 1은, 본 실시 형태의 엑시머 램프(1)의 구성을 모식적으로 나타내는 평면도이다. 엑시머 램프(1)는, 불소가 도프된 석영 유리를 주재료로 하는 장척형의 방전 용기(10)와, 방전 용기(10)의 양단에 설치된 베이스(31, 32)를 구비한다. 베이스(31, 32)는, 방전 용기(10)의 단부를 고정하는 목적으로 설치되어 있는데, 본 발명에 있어서는 필수는 아니다. 이하의 설명에서는, 도 1에 나타내어지는 X-Y-Z 좌표계가 적절히 참조된다. 또, 방향을 표현할 때에, 양음의 방향을 구별할 경우에는, 「＋X방향」, 「-X방향」과 같이 양음의 부호를 붙여 기재되고, 양음의 방향을 구별하지 않고 방향을 표현할 경우에는, 간단히 「X방향」으로 기재된다.

본 실시 형태의 엑시머 램프(1)에 있어서, 방전 용기(10)는 X방향에 따른 길이가 1m 이상이다. 단, 본 발명은, 방전 용기(10)의 X방향에 따른 길이가 1m 미만인 엑시머 램프(1)에 대해서도 적용이 가능하다.

석영 유리에 있어서의 자외선의 투과성은, 석영 유리 중에 포함되는 OH기 농도의 영향을 받는 것이 알려져 있다. 상세하게는, 석영 유리에 포함되는 OH기의 농도가 높을 경우에는, 단파장의 광에 대한 투과율이 낮고, 반대로 OH기의 농도가 낮을 경우에는, 단파장의 광에 대한 투과율이 높아진다.

본 발명에 있어서, 방전 용기(10)를 구성하는 석영 유리에 포함되는 OH기의 농도는 임의이지만, 방전 용기(10) 내에서 발생한 자외선을 방전 용기(10)의 외측으로 빼내는 효율을 높이는 관점에서는, 상기 OH기 농도는 낮은 쪽이 바람직하다.

석영 유리에 포함되는 OH기의 농도가 높을 경우, 석영 유리의 내구성이 향상한다. 그러나, 석영 유리 중에 불소를 도입함으로써도, 구조의 불안정함이 해소되어, 석영 유리의 내구성을 더할 수 있다. 즉, 석영 유리에 불소를 도프하는 경우에 있어서는, 석영 유리에 포함되는 OH기의 농도를 낮게 해도, 높은 내구성을 나타내는 석영 유리를 실현할 수 있다. 이러한 관점에서, 방전 용기(10)를 구성하는 석영 유리에 포함되는 OH기의 농도는, 10wt.ppm~450wt.ppm이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 방전 용기(10)를 구성하는 석영 유리에 도프되어 있는 불소 농도는 임의이다. 그러나, 불소 농도가 지나치게 높아지면, 엑시머 램프(1) 내에서 발생한 자외선이 방전 용기(10)를 구성하는 석영 유리 내에서 산소 결핍 결함을 일으킬 가능성이 있다. 한편으로, 함유 불소 농도가 지나치게 낮을 경우에는, 석영 유리의 가상 온도를 낮추는 효과를 거의 얻을 수 없다. 이러한 관점에서, 방전 용기(10)를 구성하는 석영 유리의 함유 불소 농도는, 10wt.ppm~3,000wt.ppm이 바람직하다.

석영 유리에 포함되는 OH기의 농도는, 예를 들면 적외 흡수 스펙트럼을 측정하여, 얻어지는 파장 3670cm^-1 부근의 흡광도에 의거하여 산출할 수 있다. 구체적인 방법의 일례로서, (1) 측정 대상물의 IR 흡수 측정을 행하고, (2) 그 후, 측정 대상물에 있어서의 측정 대상 부분(표층)을 삭제한 후, 추가로 IR 흡수 측정을 행하며, (3) 얻어진 표층의 삭제 처리 전후의 측정값의 차에 의거하여, 삭제한 부분(표층)의 농도를 산출하는 방법을 들 수 있다.

석영 유리에 포함되는 불소의 농도는, 예를 들면 이온 크로마토그래피법, EPMA법(Electron Probe Micro-Analysis), 형광 X선 분광 분석법, SIMS법(Secondary Ion Mass Spectrometry) 등의 수법에 따라 측정할 수 있다.

도 2a는, 도 1의 엑시머 램프(1)를, X-Z 평면으로 절단했을 때의 모식적인 단면도이다. 단, 도 2a에서는 베이스(31, 32)의 도시가 생략되어 있다.

도 1 및 도 2a에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 엑시머 램프(1)는, X방향을 길이 방향으로 하고, Z방향으로 자외선(L1)을 출사하는 구성이다. 방전 용기(10)의 내부는, 발광 가스가 봉입된 방전 공간(11)을 형성한다.

엑시머 램프(1)는, 방전 공간(11)에 방전 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 전극(21, 22)을 구비한다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태의 엑시머 램프(1)는, 방전 용기(10)의 ＋Z측의 외벽에 형성된 전극(21)과, -Z측에 형성된 전극(22)을 구비한다. 이 예에서는, 전극(21) 및 전극(22)은, 모두 메시 형상을 나타내고 있으며, 전극(21)들의 간극, 및 전극(22)들의 간극을 통해 자외선(L1)이 출사된다. 전극(21) 및 전극(22)은, 모두 금(Au) 등의 내(耐)부식성이 높은 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전극(21) 및 전극(22)은, 복수의 라인이 이격하여 배치되어 이루어지는 형상이어도 된다.

또한, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 전극(22)을 막 형상으로 해도 상관없다. 이 경우, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 엑시머 램프(1)가 ＋Z방향을 향하여 자외선(L1)을 출사하는 것이 예정되어 있을 경우에는, 전극(22)을 자외선(L1)에 대해 반사성을 나타내는 금속을 포함하는 재료로 구성하는 것이 적합하다. 내부식성이 높은 재료의 예로서 상술한 금은, 자외선(L1)에 대해 높은 반사성을 나타내기 때문에, 도 2b에 있어서의 전극(22)의 재료로서도 이용 가능하다.

또한, ＋Z방향뿐만 아니라 -Z방향으로도 자외선(L1)을 출사하는 것이 예정되어 있을 경우에는, -Z측의 전극(22)에 대해서도, 메시 형상 또는 선 형상으로 해도 된다.

도 1은, ＋Z측으로부터 엑시머 램프(1)를 보았을 때의 평면도에 대응하고 있기 때문에, 방전 용기(10)의 -Z측에 배치되어 있는 전극(22)에 대해서는 도시가 생략되어 있다.

방전 용기(10)의 내측에는, 방전에 의해 엑시머 분자를 형성하는 발광 가스가 봉입되어 있다. 발광 가스는 임의이지만, 예를 들면 주성분이 크세논(Xe)인 발광 가스를 이용할 수 있다. 전극(21)과 전극(22) 사이에 1KHz~5MHz 정도의 고주파의 교류 전압이 인가되면, 방전 용기(10)를 통해 발광 가스에 이 전압이 인가되어, 방전 공간(11) 내에서 플라스마가 발생한다. 이에 의해 발광 가스의 원자가 여기되어 엑시머 상태가 되고, 이 원자가 기저 상태로 이행할 때에 엑시머 발광을 일으킨다. 발광 가스로서, 상술한 크세논(Xe)을 포함하는 가스를 이용했을 경우에는, 이 엑시머 발광에 의해, 피크 파장이 172nm 근방의 자외선(L1)이 얻어진다. 또한, 발광 가스로서 이용하는 물질을 상이하게 함으로써, 자외선(L1)의 파장을 바꿀 수 있다. 발광 가스와 피크 파장의 조합으로서, ArBr(165nm), ArF(193nm), KrBr(207nm), KrCl(222nm) 등을 들 수 있다.

상술한 바와 같이, 전극(21)과 전극(22) 사이에 전압이 인가됨으로써, 방전 공간(11) 내의 발광 가스가 엑시머 발광을 하여 자외선(L1)을 발한다. 이 때문에, 엑시머 램프(1)는, 방전 공간(11) 내 중의, 전극(21)과 전극(22)이 대향하는 영역에 있어서, 강하게 발광하게 된다. 또한, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 전극(21) 및 전극(22)의 쌍방이 메시 형상을 나타낼 경우에는, 방전 공간(11) 내 중의, 방전 용기(10)의 ＋Z측의 외벽에 있어서의 전극(21)의 배치 영역과, 방전 용기(10)의 -Z측의 외벽에 있어서의 전극(22)의 배치 영역이 대향하는 영역에 있어서, 엑시머 램프(1)는 강하게 발광한다.

본 명세서에서는, 이와 같이, 방전 공간(11) 내에 있어서 상대적으로 강하게 발광하는 영역을, 「유효 발광 영역」으로 칭한다. 보다 상세하게는, 유효 발광 영역은, 방전 공간(11)에 있어서 방전 용기의 길이 방향(X방향)을 따른 광의 강도 분포에 있어서, 피크값의 60% 이상의 광이 출사되고 있는 영역을 말한다. 도 2a 이하의 각 도면에서는, 부호 5를 이용하여 유효 발광 영역이 표기된다.

엑시머 램프(1)는, 방전 용기(10)의 길이 방향(X방향)의 장소마다의 가상 온도에 대해, 이하의 특징을 갖고 있다. 이 점에 대해, 도 3을 참조하면서 설명한다. 도 3은, 도 1과 동일한 방법으로 도시한 엑시머 램프(1)의 평면도에 대응하고 있으며, 유효 발광 영역(5), 및 측정 개소(4, 4,…)가 기재되어 있다. 측정 개소(4, 4,…)의 설명은, 후술된다.

측정 개소(4, 4,…)는, 방전 용기(10)의 가상 온도가 측정되는 대상이 되는 개소이다. 상세하게는, 측정 개소(4, 4,…)는, 방전 용기(10)의 유효 발광 영역(5) 내의 영역을, 길이 방향(X방향)으로 소정 수만큼 실질적으로 균등하게 분할하여 얻어진 개소이다. 도 3의 예에서는, 방전 용기(10)의 유효 발광 영역(5) 내의 영역이 X방향으로 실질적으로 4등분됨으로써, 합계 5개소의 측정 개소(4, 4,…)가 나타내어져 있다. 각각의 측정 개소(4, 4,…)의 X 좌표의 위치가, X1, X2, X3, X4, X5에 대응한다. 도 3의 예에서는, 위치(X1 및 X5)에 대응하는 측정 개소(4)가 「한 쌍의 단부 개소」에 대응하고, 위치(X2, X3 및 X4)에 대응하는 측정 개소(4)가 「중간 개소」에 대응한다.

측정 개소(4, 4,…)는, 방전 용기(10)의 가상 온도가, 길이 방향(X방향)에 관하여 어느 정도 불균일해져 있는지(균일도)를 측정하기 위해 설치되어 있다. 이 때문에, 복수의 측정 개소(4, 4,…)가, -X측의 단부에 치우쳐 있거나, ＋X측의 단부에 치우쳐 있거나, 또는 X방향에 따른 중앙 부근에 치우쳐 있거나 하면, 방전 용기(10)의 X방향에 관한 가상 온도의 편차의 검증이 실효적이라고는 할 수 없다.

즉, 본 명세서에 있어서, 「실질적으로 균등하게 분할한다」란, 방전 용기(10)의 X방향에 관한 가상 온도의 편차를 검증할 수 있을 정도로 X방향으로 분산시키는 것을 의미하는 것이며, 이 목적을 달성하는 범위 내에 있어서, 측정 개소(4, 4,…)들의 이격 거리가 서로 변동하는 것은 허용된다. 일례로서, 측정 개소(4, 4,…)들의 이격 거리의 최대값이, 상기 이격 거리의 평균값의 2배 이하이면 된다.

엑시머 램프(1)가 구비하는 방전 용기(10)는, 상기와 같이 설정된 각 측정 개소(4, 4,…)에 있어서의 가상 온도 T[℃]와, 모든 가상 온도 T의 중간값 Ta[℃]가, 이하의 (1) 식 및 (2) 식을 만족한다.

900≤Ta≤1000 … (1)

-924.7＋1.9×Ta≤T≤924.7＋0.1×Ta … (2)

바꾸어 말하면, 각 가상 온도 T[℃]와, 모든 가상 온도 T의 중간값 Ta[℃]는, 도 4의 그래프의 해칭 영역 내에 위치하는 관계에 있다.

각 측정 개소(4, 4,…)에 있어서의 가상 온도 T는, 적외 흡수 스펙트럼법이나 라만 스펙트럼법에 따라 얻을 수 있다.

적외 흡수 스펙트럼법이란, 석영 유리의 Si-O 결합의 신축 진동을 나타내는 피크(2260cm^-1 부근)의 시프트량으로부터 석영 유리의 가상 온도를 산출하는 방법이다. 구체적으로는, 이하의 (3) 식에 의거하는 간편한 연산에 의해, 피크 파수 ν2[cm^-1]로부터 가상 온도 T_f를 산정하는 방법이 알려져 있다.

T_f= 43809.21/(ν2-2228.64) … (3)

라만 스펙트럼법이란, 석영 유리 중의 Si-O-Si 결합의 변각 진동에 기인하는 ω₁(440cm^-1 부근에 나타나는 피크) 라인의 시프트량을 이용하는 방법이다. 구체적으로는, 이하의 (4) 식에 의거하는 간편한 연산에 의해, 석영 유리의 라만 시그널에 나타나는 ω₁의 피크 위치로부터 가상 온도 T_f를 산정하는 방법이 알려져 있다.

T_f= (ω₁-418)/18×10^-3 … (4)

상기의 적외 흡수 스펙트럼법, 라만 스펙트럼법 등의 방법을 이용하여, 각 측정 개소(4, 4,…)에 있어서의 가상 온도 T가 계측된다. 이하에서는, 각 측정 개소(4, 4,…) 각각의 위치 Xi(i=1, 2,…)에 있어서의 가상 온도가 Ti로 표기된다.

중간값 Ta는, 각 위치 Xi의 가상 온도 Ti의 최대값과 최솟값의 정확히 중앙에 위치하는 값이다.

상술한 바와 같이, 엑시머 램프를 산업용으로 제조하려고 하면, 방전 용기의 가상 온도에는 불가피적으로 편차가 발생한다. 한편, 방전 용기를 제조하는데 있어서는, 가상 온도를 어느 목표값이 되도록, 가열·냉각의 프로파일이 설정된다. 즉, 통상의 방법으로 제조된 방전 용기에 대해 측정 개소마다의 가상 온도를 계측하면, 제조 시에 목표로 된 가상 온도의 값이 각 측정 개소의 가상 온도의 중간값에 거의 일치하고, 그 중간값을 기준으로 하여 측정 개소에 따라 상하로 변동하는 경향을 나타낸다.

도 4의 그래프는, 가상 온도의 중간값 Ta, 바꾸어 말하면, 제조 시에 목적으로 된 가상 온도의 값(목표값)에 따라, 측정 개소(4, 4,…)마다의 가상 온도의 편차의 허용 범위가 변화하는 것을 의미하는 것이다. 구체적인 수치예를 들면 이하와 같다. 가상 온도의 중간값 Ta(즉 목표값)가 920℃인 경우에는, 각 위치 Xi의 모든 가상 온도 Ti가 823.3℃~1016.7℃의 범위 내이며, 허용 가능한 변동 폭은 193.4℃이다. 다른 예로서, 가상 온도의 중간값 Ta(즉 목표값)가 960℃인 경우에는, 각 위치 Xi의 모든 가상 온도 Ti가 899.3℃~1020.7℃의 범위 내이며, 허용 가능한 변동 폭은 121.4℃이다. 또 다른 예로서, 가상 온도의 중간값 Ta(즉 목표값)가 980℃인 경우에는, 각 위치 Xi의 모든 가상 온도 Ti가 937.3℃~1022.7℃의 범위 내이며, 허용 가능한 변동 폭은 85.4℃이다.

즉, 가상 온도의 중간값 Ta가 1000℃에 가까워짐에 따라, 측정 개소(4, 4,…)마다의 가상 온도 Ti의 허용 가능한 변동 폭은 작아진다. 각 측정 개소(4, 4,…)의 가상 온도 Ti가, 이 허용 가능한 변동 폭을 초과할 정도로 불균일해질 경우에는, 엑시머 램프를 장시간 점등시킨 후의 조도 유지율에, 큰 편차가 발생한다. 이에 대해, 본 실시 형태의 엑시머 램프(1)와 같이, 측정 개소(4, 4,…)마다의 가상 온도 Ti의 허용 가능한 변동 폭이, 도 4의 그래프 내의 해칭 영역에 머물고 있을 경우에는, 3000시간 후에 있어서의, 장소마다의 조도 유지율의 차이를 15% 이하로 유지하는 것이 가능해진다. 이 점에 대해, 추가로 상세하게 서술한다.

X방향에 따른 장소마다의 가상 온도 Ti의 편차를 억제한, 이상적인 엑시머 램프의 샘플＃1~＃3을 준비했다. 이들 샘플＃1~＃3은, 모두 Xe 가스가 발광 가스로서 방전 용기 내에 봉입된, 피크 파장 172nm의 엑시머 램프이다.

이들 샘플＃1~＃3은, 제조 시에 있어서 세세하게 설정된 온도 프로파일을 따라 고정밀도의 제어 하에서 가열하면서, 산업용의 엑시머 램프(1)를 제조하는데 있어서는 효율적이라고는 할 수 없는 시간을 들여, 극히 천천히 냉각함으로써 제조된 것이다. 샘플＃1~＃3은, 목적으로 하는 가상 온도(목표값)를 상이하게 하여 제조된 램프이다. 각 샘플＃1~＃3의 목표 가상 온도는, 하기 표 1과 같이 된다.

[표 1]

또한, 만약을 위해, 이들 샘플＃1~＃3에 대해 각 측정 개소(4, 4,…)의 가상 온도 Ti를 측정한 결과, 어느 샘플＃1~＃3에 있어서도, 가상 온도 Ti는 목표값(즉 중간값 Ta)에 대해, ±5℃ 이내의 범위 내에 들어가 있는 것이 확인되었다.

이들 샘플＃1~＃3에 대해, 조도 유지율의 시간적인 변화를 측정했다. 구체적으로는, 소정 시간 점등 후에, 조도계로 각 샘플＃1~＃3으로부터의 자외선의 조도를 측정하고, 초기 시의 조도에 대한 상대값을 산정했다. 조도의 측정에 임해서는, 우시오전기사 제조의 자외선 적산 광량계(UIT-250)와 세퍼레이트형 수광기(VUV-S172)가 이용되었다. 각 샘플＃1~＃3의 조도 유지율과 점등 시간의 관계는, 도 5에 나타내는 결과가 얻어졌다. 또한, 도 5에 얻어진 결과를, 가로축을 로그 표기하여 그래프를 재묘화했다. 이 그래프를 도 6에 나타낸다.

도 6에서 얻어진 각 데이터를, 선형 회귀 모델에 의해 선형 근사함으로써, 각 샘플＃1~＃3에 있어서의, 조도 유지율 y와, 점등 시간[Log(h)] x의 관계식을 도출했다. 각각의 선형 근사식, 및 결정계수 R²는 이하와 같다.

샘플＃1：선형 근사식 y = -4.2999×x+100, 결정계수 R²= 0.8931

샘플＃2：선형 근사식 y = -4.9565×x+100, 결정계수 R²= 0.8998

샘플＃3：선형 근사식 y = -7.6343×x+100, 결정계수 R²= 0.9541

어느 샘플＃1~＃3에 있어서도, 근사식의 결정계수의 값이 1에 가까운 점에서, 근사식은, 얻어진 데이터와의 상관성이 높은 것이 이해된다.

다음에, 각 샘플＃1~＃3 각각의 가상 온도(목표값이며, 중간값 Ta이기도 하다.)와, 상기 선형 근사식의 기울기의 관계를 그래프화했다. 이 그래프를 도 7에 나타낸다. 이하에서는, 선형 근사식의 기울기를 「조도 유지율 저하 계수」로 칭하고, 도 7의 그래프의 세로축에 기재된 「계수」에 대응한다.

도 7의 결과로부터, 가상 온도가 949℃인 샘플＃1과 가상 온도 987℃인 샘플＃2 사이의 조도 유지율 저하 계수의 차이와 비교하여, 가상 온도가 987℃인 샘플＃2와 가상 온도 997℃인 샘플＃3 사이의 조도 유지율 저하 계수의 추이 쪽이, 변화의 정도가 큰 것이 이해된다. 도 7의 결과를 근거로 하여, 가상 온도와 조도 유지율 저하 계수의 관계를, 2개의 직선 m1 및 m2에 의해 근사했다. 즉, 가상 온도가 987℃ 이하의 범위 내에 있어서는, 가상 온도 x와 조도 유지율 저하 계수 y 사이에는, 직선 m1:y=-0.0159*x+10.786으로 근사되는 관계가 성립하는 것을 알 수 있다. 또, 가상 온도가 987℃ 이상의 범위 내에 있어서는, 가상 온도 x와 조도 유지율 저하 계수 y 사이에는, 직선 m2:y=-0.2651*x+256.69로 근사되는 관계가 성립하는 것을 알 수 있다. 즉, 직선 m1 및 m2는, 가상 온도와 조도 유지율 저하 계수의 관계식이다. 이하에서는, 간단히 「관계식 α」로 약기된다.

여기서, 엑시머 램프(1)에 있어서, 각 측정 개소(4, 4,…)의 조도 유지율의 균일도 U[%]는, 조도 유지율의 최대값 Imax와 가상 온도의 최솟값 Imin을 이용하여, 이하의 (5) 식으로 정의된다.

U[%] = (Imax-Imin)/(Imax＋Imin)×100 … (5)

도 5~도 6의 결과로부터, 방전 용기의 가상 온도가 높을수록 조도 유지율의 값이 낮아지는 것이 이해된다. 즉, 엑시머 램프의 조도 유지율을 방전 용기의 장소마다 측정했을 경우에 있어서, 조도 유지율의 최대값 Imax를 나타내는 개소의 가상 온도, 바꾸어 말하면 가장 낮은 가상 온도 T1은, 가상 온도의 중간값(목표값)을 x, 중간값과 당해 개소의 온도차를 a로 하면, T1 = x-a로 규정된다. 반대로, 조도 유지율의 최솟값 Imin을 나타내는 개소의 가상 온도, 바꾸어 말하면 가장 높은 가상 온도 T2는, T2 = x＋a로 규정된다.

가장 낮은 가상 온도 T1의 위치에 있어서의, 상기 관계식 α의 계수를 k1, 절편을 k1'로 하고, 점등 시간을 τ[h]로 하면, 가상 온도 T1을 나타내는 개소에 있어서의 조도 유지율 Imax는, 이하의 (6) 식으로 규정된다.

Imax = 100＋｛(x-a)×k1＋k1'｝×logτ … (6)

마찬가지로, 가장 높은 가상 온도 T2의 위치에 있어서의, 상기 관계식 α의 계수를 k2, 절편을 k2'로 하고, 점등 시간을 τ[h]로 하면, 가상 온도 T2를 나타내는 개소에 있어서의 조도 유지율 Imin은, 이하의 (7) 식으로 규정된다.

Imin = 100＋｛(x＋a)×k2＋k2'｝×logτ … (7)

상기 (6) 식 및 (7) 식을, (5) 식에 대입하여, 중간값에 대한 가상 온도의 온도차 a를 구하는 식으로 변형하면, 이하의 (8) 식을 얻는다.

엑시머 램프에 있어서는, 3000시간 점등 후에 있어서의 방전 용기(10)의 장소마다의 조도 유지율의 차이를 15% 이하로 유지할 수 있으면, 이용에 있어서의 지장이 낮다고 여겨지고 있다. 이 때문에, 상기 (8) 식에 있어서, τ=3000, U=15가 대입된다.

또, 가장 낮은 가상 온도 T1의 위치에 있어서의 상기 관계식 α의 계수 k1, 절편 k1', 및 가장 높은 가상 온도 T2의 위치에 있어서의 상기 관계식 α의 계수 k2, 절편 k2'에 대해서는, 모두, 도 7에 도시한 관계식 α에 의거하여, 가상 온도의 값에 따라 일의적으로 결정된다.

즉, 목적의 가상 온도(중간값) x를 순서대로 변화시켜 감으로써, 허용 온도차 a가 구해지고, 이 결과, 허용 상한값 및 허용 하한값이 연산에 의해 산출된다. 이 산출 과정을, 이하의 표 2에 나타낸다.

[표 2]

이와 같이 하여 얻어진 중간값 x와 허용 하한값 (x-a)의 관계, 및 중간값 x와 허용 상한값 (x＋a)의 관계를 그래프화하고, 양자의 범위 내에 포함되는 영역을 해칭한 것이, 도 4의 그래프이다. 따라서, 도 4에 나타내어지는 해칭 영역 내에 가상 온도의 중간값 Ta와 각 측정 개소의 가상 온도 Ti가 존재하도록, 엑시머 램프(1)를 제조함으로써, 3000시간 점등 후에 있어서의 방전 용기(10)의 장소마다의 조도 유지율의 차이를 15% 이하로 유지할 수 있다.

이하, 실시예 및 비교예를 이용하여 행해진 검증 결과를 설명한다.

(실시예 1)

불소가 도프된 석영 유리를 이용하여, 어느 특정의 온도 프로파일 하에서, 가상 온도의 목표값을 983℃로 하여 엑시머 램프(1)의 샘플을 복수 제작하고, 실시예 1로 했다. 복수 제작된 샘플 중 1개에 대해, 도 3에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 5개소의 측정 개소(X1, X2,…, X5)의 가상 온도를 계측했다. 구체적으로는, 이하의 방법으로 계측되었다. 우선, 방전 용기(10)의 유효 발광 영역(5) 내에 위치하는, 상기 5개소의 부분을 파쇄함으로써 유리 소편을 얻었다. 그리고, 얻어진 유리 소편의 적외 흡수 스펙트럼을 투과법으로 측정한 후, 상술한 (3) 식에 의거하는 연산을 행했다. 연산에 의해 얻어진 수치를 갖고, 각 소편에 대응하는 위치의 측정 개소(X1, X2,…, X5)의 가상 온도 Ti(i=1, 2,…, 5)로 했다.

실시예 1에 있어서는, 각 측정 개소의 가상 온도 T와, 가상 온도의 중간값 Ta 사이에, 상기 (2) 식의 관계가 성립하고 있었다.

다음에, 파괴되지 않았던 실시예 1의 엑시머 램프(1)의 샘플을, 3000시간 연속 점등시켰다. 그리고, 3000시간 점등 후에 있어서의, 각 측정 개소(X1, X2,…, X5)의 조도 유지율을 계측했다.

도 8은, 측정 개소마다의 조도 유지율을 측정하는 방법을 모식적으로 나타내는 도면이다. 구체적으로는, 3000시간 점등 후의 엑시머 램프(1)에 대해, 광량계(41)를 각각의 측정 개소(X1, X2,…, X5)의 근방에 설치하고, 당해 개소의 자외선(L1)만이 수광되도록 조정했다. 그리고, 각각의 개소에서 측정된 조도의, 초기의 조도에 대한 비율을 산출함으로써, 측정 개소(X1, X2,…, X5)마다의 조도 유지율을 산정했다. 측정에 임해서는, 상기와 동일하게, 우시오전기사 제조의 자외선 적산 광량계(UIT-250)와 세퍼레이트형 수광기(VUV-S172)가 이용되었다.

(비교예 1)

가상 온도의 목표값에 대해서는 실시예 1과 동일하게 983℃로 한 다음, 제조 시의 온도 프로파일을 실시예 1로부터 변경한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로 검증이 행해졌다. 비교예 1에 있어서는, 각 측정 개소의 가상 온도 T와, 가상 온도의 중간값 Ta 사이에, 상기 (2) 식의 관계가 성립하지 않았다.

(실시예 2)

가상 온도의 목표값을 909℃로 한 다음, 제조 시의 온도 프로파일을 실시예 1로부터 변경한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로 검증이 행해졌다. 실시예 2에 있어서도, 각 측정 개소의 가상 온도 T와, 가상 온도의 중간값 Ta 사이에는, 상기 (2) 식의 관계가 성립하고 있었다.

(비교예 2)

가상 온도의 목표값에 대해서는 실시예 2와 동일하게 909℃로 한 다음, 제조 시의 온도 프로파일을 실시예 2로부터 변경한 점 이외는, 실시예 2와 동일한 방법으로 검증이 행해졌다. 비교예 2에 있어서는, 각 측정 개소의 가상 온도 T와, 가상 온도의 중간값 Ta 사이에, 상기 (2) 식의 관계가 성립하지 않았다.

검증 결과를 하기 표 3 및 도 9a~도 12b에 나타낸다. 또한, 하기 표 3에 있어서의 균일도는, 상술한 (5) 식에 의거하여 산정된 값이다.

[표 3]

상기 결과에 따르면, 각 측정 개소(X1, X2,…, X5)의 가상 온도 Ti(i=1, 2,…, 5)가, 허용 범위 내로 억제되어 있는 실시예 1 및 실시예 2에 있어서는, 3000시간 점등 후의 조도 유지율의 균일도(편차 정도)가 6% 이하이며, 허용 범위인 15%를 크게 밑돌고 있는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 각 측정 개소(X1, X2,…, X5)의 가상 온도 Ti(i=1, 2,…, 5)의 일부가, 허용 범위를 초과하고 있는 비교예 1 및 비교예 2에 있어서는, 3000시간 점등 후의 조도 유지율의 균일도(편차 정도)가, 15%를 큰 폭으로 초과하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 엑시머 램프(1)가 구비하는 방전 용기(10)의 형상은 한정되지 않는다. 예를 들면, 방전 용기(10)가, 외측관과 상기 외측관의 내측에 배치된 내측관을 갖고, 외측관과 내측관이 관축 방향에 따른 양단에 있어서 봉지(封止)되어 이루어지는, 이중관 구조를 나타내고 있어도 된다. 이 구성 하에서는, 엑시머 램프(1)는, 상기 내측관과 상기 외측관 사이에 끼인 공간이 방전 공간(11)을 형성하고, 이 방전 공간(11) 내에 발광 가스가 봉입된다.

1：엑시머 램프
4：측정 개소
5：유효 발광 영역
10：방전 용기
11：방전 공간
21, 22：전극
31, 32：베이스
41：광량계
L1：자외선

Claims

불소가 도프된 석영 유리를 포함하고, 내부에 발광 가스가 봉입된 장척형의 방전 용기와,
상기 방전 용기의 내부에 방전 전압을 인가하는 한 쌍의 전극을 구비하고,
상기 방전 용기는, 유효 발광 영역 내에 있어서, 길이 방향에 따른 한 쌍의 단부 개소와, 상기 한 쌍의 단부 개소 사이의 영역을 상기 길이 방향에 관하여 소정 수만큼 실질적으로 균등하게 분할하여 얻어지는 복수의 중간 개소로 이루어지는 각 측정 개소의 가상 온도 T[℃]가, 각 측정 개소의 가상 온도 T[℃]의 중간값을 Ta[℃]로 했을 때에, 이하의 (1) 식 및 (2) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.
900≤Ta≤1000 … (1)
-924.7＋1.9×Ta≤T≤924.7＋0.1×Ta … (2)
청구항 1에 있어서,
각 측정 개소에 있어서의 상기 가상 온도 T 중, 최대값과 최솟값은 10℃ 이상 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 방전 용기는, 상기 길이 방향에 따른 길이가 1m를 초과하는 것을 특징으로 하는 엑시머 램프.