TW201351052A - 紫外線照射裝置 - Google Patents

Abstract

[課題]於具備可切換藉由全亮點燈電力點燈的全亮點燈模式與藉由比前述全亮點燈電力低之待機點燈電力點燈的待機點燈模式來驅動供給給放電燈的電力之點燈控制裝置的紫外線照射裝置中，一邊維持省電力，一邊抑止陰極的變形，來防止早期的照度降低。[解決手段]特徵為將陰極之前端面的直徑設為□(mm)，將錐部的錐角度設為θ(°)時，0.5≦□≦4.0，30≦θ≦80，且將在待機點燈模式的待機點燈電力與全亮點燈模式的全亮點燈電力之間，電力轉變的期間設為電力遷移時間Ts(msec)時，前述前端徑□與錐角度θ與電力遷移時間Ts成為以下關係，計算式：Ts≧90exp(0.82□)×exp(-0.054 θ)。

Description

紫外線照射裝置

本發明係關於紫外線照射裝置，尤其，關於適用於半導體及液晶的製造領域等的曝光用光源，以短弧型放電燈為光源的紫外線照射裝置者。

通常，在發光管內部封入水銀的短弧型放電燈中，根據對向配置在發光管部之一對的電極之前端距離較短，比較接近點光源，藉由與光學系組合來構成紫外線照射裝置，利用來作為半導體製造等所使用之曝光裝置的光源。

於此種半導體及液晶面板的製造工程中所用之紫外線照射裝置中，近年來，如日本特開2000-181075號公報(專利文獻1)所記載般，為了省電力化，並不時常利用額定電力來使短弧型放電燈點燈，採用僅在曝光時利用額定電力點燈(全亮點燈)，在基板移動等的待機時，利用比前述額定電力還低之電力來點燈(待機點燈)之點燈方式(以下稱為全亮‧待機點燈)。

於圖6揭示此先前技術。

紫外線照射裝置係由光照射裝置10與控制部20所成。

光照射裝置10係由放射曝光光線之放電燈11、聚光鏡12、第1平面鏡13、積光器透鏡14、閘門15、準直鏡16所構成。

又，控制部20係由對前述燈管11供給電力之燈管點燈控制裝置21、控制閘門15的開閉之閘門控制器23及控制紫外線照射裝置整體之照射裝置控制部24所構成。又，於燈管點燈控制裝置21，設置有切換供給給燈管11之電力的切換電路22，藉此，將燈管的點燈狀態切換成「全亮點燈狀態(利用額定來使燈管點燈之狀態)」、「待機點燈狀態(利用額定以下來使燈管點燈之狀態)」。

例如，重複進行曝光時利用額定電力以0.1~10秒點燈，待機時利用比額定電力還低之待機電力以0.1~100秒點燈。

依據此種先前技術的紫外線照射裝置之點燈波形揭示於圖2(B)。從待機點燈模式切換為全亮點燈模式時，幾乎瞬間進行，例如在電力遷移時間1.0 msec之短時間中切換電力。

此係依據因為切換需要多餘時間的話，難得的省電力效果會降低，僅可能瞬時切換比較有利之想法。

因此，所謂待機點燈與全亮點燈係基本上以瞬間切換為基本原理。

再者，於先前例之專利文獻1的說明書段落0018，記載「從待機點燈(70%)切換成額定之點燈狀態的全亮點燈」時，「照度上升至輸入之額定所定之值為止約0.5秒」，但是，是代表切換輸入電力後，照度回應其輸入為止需要更耗費時間，並不是電力的切換本身耗費0.5秒。

然而，起因於如此急遽進行待機點燈至全亮點燈之電力的切換，會產生燈管陰極前端的變形之問題。

陰極前端的形狀變形的話，例如因亮度的擴散，結果會招致來自燈管的發光所致之照度的降低。

此陰極前端形狀之變形的理由係如下所述。

(1)首先，因為電力的切換太過急遽，陰極前端的溫度也急遽變化。

(2)然後，因為形成在陰極與陽極之間的電弧，陰極前端被加熱，而其溫度會上升。此熱會從陰極的前端往根部側傳導，但是，相較於該熱傳導的時間，電力切換所需時間明顯比較短。

如此一來，因為此時間差，某時間之陰極前端測的位置之溫度上升，與根部側的位置之溫度上升之間會產生極大的差異。

(3)因此，產生在陰極前端側中溫度上升較大，其所致熱膨脹量較大，但是，在陰極根部側中溫度上升較小，熱膨脹量也較少之事態，因此熱膨脹量的差而在陰極內產生熱應力。然後，因該熱應力而陰極前端變形。

具體來說，如圖7(A)所示，從待機點燈切 換至全亮點燈時，來自電弧A的熱會傳導至陰極30的前端30a，此熱會朝向根部30b側。

然後，如前述般，於此陰極30中，根據前端30a側變成高溫，且該形狀也成為前端較細的形狀，故該熱容量也較小，熱膨脹量會較大，另一方面，根部30b側比前端低溫，且直徑較大，熱容量也比較大，故熱膨脹量較小，因該等熱膨脹係數的不同而產生熱應力，如圖7(B)所示，陰極30的前端面會產生往水平方向膨脹之變形31。

進而，陰極前端也受到機械強度較弱，容易變形之情況的影響。

再者，關於可思及為原因的前述要因(2)，雖然是在通常點燈方式的點燈時也適用的要因，但是，相較於通常點燈下之點燈啟動的次數，全亮‧待機點燈方式的切換次數明顯比較多，因為點燈切換的蓄積而變形比較顯著。

有鑑於以上的問題點，為了抑制陰極前端的變形，也考慮延遲(延長)從待機點燈模式至全亮點燈模式的切換時間之方法。

藉由延遲切換時間，緩和急遽的溫度變化，使陰極整體膨脹來消除膨脹量的不均，減低熱應力的想法所致者。

然而，如前述般，空虛地延遲切換時間，並無法回應此紫外線照射裝置的「省電力」之產業要求，無法說是現實的解決對策。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2000-181075號公報

本發明所欲解決之課題，係於具備於發光管內部的發光空間封入水銀，且陰極及陽極對向配置於該發光空間內之放電燈，與可切換藉由全亮點燈電力點燈的全亮點燈模式與藉由比前述全亮點燈電力低之待機點燈電力點燈的待機點燈模式來驅動供給給前述放電燈的電力之點燈控制裝置的紫外線照射裝置中，提供不空虛地延遲(延長)從待機點燈至全亮點燈的切換電力遷移時間，即使重複進行切換，陰極前端也不會變形，導致照度降低之狀況的紫外線照射裝置。

為了解決前述課題，在關於本發明的紫外線照射裝置中，特徵為：前述放電燈的陰極，係具有前端形成為圓錐台形狀，從前端面往根部側擴徑的錐部；將前述前端面的直徑設為(mm)，將前述錐部的錐角度設為θ(°)時，0.5≦≦4.0 30≦θ≦80且將在待機點燈模式的待機點燈電力與全亮點燈模式的全 亮點燈電力之間，電力轉變的期間設為電力遷移時間Ts(msec)時，

前述前端徑與錐角度θ與電力遷移時間Ts成為以下關係，Ts≧90exp(0.82 )×exp(-0.054 θ)。

又，特徵為：前述待機點燈電力，係為全亮點燈電力的45~65%的電力。

依據本發明，藉由以放電燈之陰極前端的形狀，亦即，前端面徑與錐角度的關係來適當選擇在待機點燈電力與全亮點燈電力之間電力轉變的電力遷移時間，發揮不會空虛地延遲前述電力遷移時間，可防止前述陰極前端的熱應力所致之變形，同時達成回應紫外線照射裝置的省電力之產業要求，且不會引起照度降低之目的的效果者。

1‧‧‧放電燈

2‧‧‧發光管

3‧‧‧發光部

4‧‧‧封止部

5‧‧‧套管

6‧‧‧陰極

6a‧‧‧前端面

6b‧‧‧錐部

7‧‧‧陽極

10‧‧‧光照射裝置

11‧‧‧放電燈

12‧‧‧聚光鏡

13‧‧‧第1平面鏡

14‧‧‧積光器透鏡

15‧‧‧閘門

16‧‧‧準直鏡

20‧‧‧控制部

21‧‧‧燈管點燈控制裝置

22‧‧‧切換電路

23‧‧‧閘門控制器

24‧‧‧照射裝置控制部

30‧‧‧陰極

30a‧‧‧前端

30b‧‧‧根部

31‧‧‧變形

A‧‧‧電弧

Ts‧‧‧電力遷移時間

[圖1]本發明所搭載之放電燈的整體圖。

[圖2](A)係本發明的點燈波形圖，(B)係先前例的點燈波形圖。

[圖3]本發明之電力遷移時間的設定應考慮之陰極形狀的圖。

[圖4]揭示點燈實驗結果的圖。

[圖5]將圖4之結果表圖表化的圖。

[圖6]先前的紫外線照射裝置。

[圖7]先前例的電極之問題的說明圖。

於圖1揭示本發明的紫外線照射裝置所搭載之放電燈1的圖。

放電燈1具有例如由石英玻璃等的透光性構件所構成之發光管2。

前述發光管2係以外觀為略球狀之方式形成，並且具備具有發光空間S的發光部3，與分別連續於該發光部3之兩端所形成的封止部4、4。

於封止部4、4的端部，分別安裝有套罩5、5，可進行對放電燈1供電。

於發光部3的發光空間S，陰極6及陽極7對向配置，並且封入有作為發光物質的水銀。

發光空間S之水銀的封入量係為了使放電燈20成為高輸出，例如設為5~75(mg/cc)。再者，也有與水銀一起封入氙氣等的稀有氣體0.9~1.2(atm)之狀況。

以相對於發光部3之內壁的輸入電力之比表示的管壁負荷係例如為10~30W/cm²。

放電燈1係藉由對陰極6及陽極7供給電力，在該陰極6與陽極7之間發生絕緣破壞而產生電漿，例如放射波 長365nm的紫外線。

此種放電燈被組入作為先前例而圖6所示之紫外線照射裝置。

然後，該放電燈係例如重複進行曝光時以全亮點燈電力點燈0.1~60秒來進行照射，不進行照射時則以比全亮電燈電力低之待機點燈電力點燈0.1~120秒來待機之點燈方式進行點燈。

再者，所謂全亮點燈電力係指為了達成被照射之紫外線的照度所需之基準而投入至放電燈的電力，不一定為額定電力，例如也有相對於額定電力為80%的電力之狀況。

於圖2(A)揭示本發明的紫外線照射裝置之放電燈的點燈波形。

於此圖中，橫軸揭示時間，縱軸揭示額定設為100%之燈管電力投入比例(%)。

例如，在全亮點燈模式中，設為相對於額定電力，投入100%的燈管電力者，在待機點燈模式中，設為相對於額定電力，投入50%的燈管電力者。

再者，如前述般，全亮點燈電力不作為額定電力的100%亦可，待機點燈電力也不限定於全亮點燈電力的50%，例如設為45~65%亦可。

因本發明的紫外線照射裝置所搭載之放電燈為具有陰極與陽極的直流放電燈，即使在全亮點燈模式與待機點燈模式之任一點燈模式中，點燈波形也實質構成直流電流所致之波形。

在圖2(B)所示之先前例中，從待機點燈模式切換成全亮點燈模式時，投入電力瞬間從50%被切換成100%。如前述般，此因根據省電力的觀點，僅可能瞬間切換為佳的想法，此切換所需時間例如為1.0 msec。

相對於此，如圖2(A)所示，在本發明中，從待機點燈電力轉變至全亮點燈電力的期間，及從全亮點燈電力轉變至待機點燈電力的期間任一皆設定有所定電力遷移時間Ts(msec)。

藉由設定此電力遷移時間Ts，切換時間變慢，可緩和陰極之急遽的溫度變化，減低熱應力。

在此，「電力遷移時間」係如前述般，為在待機點燈電力與全亮點燈電力之間電力轉變所需之期間，此電力遷移時間中雖然電力值會變化，但是，該變化不一定為單調增加或單調減少亦可。

實際描繪電力變化之線的形態如果通常的話，直線為佳，但是，即使描繪其他線，例如曲線來變化，即使變化為階梯狀，只要是連結出發點之電力與目標點之電力的兩點之間的線即可。

再者，作為電性電路的實際問題，也考慮到進行點燈模式的切換而電力轉變之後暫時超過目標電力之後，收斂在該目標電力或相反地暫時低於目標電力之後再收斂之狀況。

即使是此種狀況，考慮本發明之電力遷移時間的意義的話，也以電力變化開始之點為起始點，到達目標電力之 時間為終點，設定電力遷移時間者。

前述電力遷移時間必須是以並不是不當地延遲點燈模式的切換，且不產生陰極的變形之方式緩和熱應力者。亦即，在不產生陰極的變形之範圍內越短越好。

進而，電力遷移時間並未對於各種放電燈一律訂定，預測為對應每一陰極材料或陰極的形狀，因應來自電弧的熱所致之溫度上升時間而不同者。

其理由係因接收熱之陰極的尺寸形狀而陰極前端部的溫度上升所需時間不同，故應設定之電力遷移時間也不同。陰極前端部的溫度上升時間係根據材料的熱傳導率、比熱及密度，與對陰極前端形狀賦予特徵之參數的陰極前端徑及錐角度來決定者。

但是，前述要因中，材料的熱傳導率、比熱及密度即使陰極的尺寸形狀不同，也相同，故不考慮亦可。

例如，身為陰極材料的鎢係如下所述。

熱傳導率k=120(J/smK)

密度ρ=19100(kg/m³)

比熱Cp=134.4(J/kgK)

另一方面，前述要因中，關於陰極前端徑及錐角度，因每一陰極的尺寸形狀不同，會影響溫度上升時間，「電力遷移時間」必須對應每一陰極的前端徑及錐角度來設定。

再者，溫度上升時間因根據前述要因來訂定，故在某 投入電力比例的待機點燈模式與全亮點燈模式之間電力轉變時，應不會被該電力變化量等影響。

因此，本發明者們係為了因應陰極的尺寸形狀來規定適當的電力遷移時間，進行以下的實驗。

如圖3所示，陰極6係具有前端為小徑的前端面6a，與以隨著從該前端面6a朝向根部側而成為大徑之方式擴徑的錐部6b。關於此陰極構造，以鎢作為材料，使(1)陰極前端部(mm)與(2)錐角度θ(°)變化，作成具有各種陰極的燈管。

再者，於本實驗之陰極材料的鎢，作為射極，使用最大包含氧化釷2.0重量%者。關於用以考慮溫度上升時間的物理性質，可想成與不包含該種射極之高純度鎢同樣處理即可者。

關於在此實驗中所用之放電燈，陰極的形狀以外之規格係如下所述。

‧水銀封入量(g)：5~75

‧稀有氣體封入量(atm)：0.9~1.2

‧發光管最大外徑(mm)：62~176

‧電極間距離(mm)：3~21

‧發光管內容積(cc)：70~2800

‧額定電壓(V)：25~165

‧額定電力(kW)：2~25

作為前述放電燈所用之陰極的形狀，將前端徑設為0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm，將該等前端 徑之陰極的錐角度(θ)分別設為30°、45°、60°、80°來製作各種陰極，使電力遷移時間變化，進行全亮.待機點燈實驗。

全亮點燈電力設為額定電力的100%，待機點燈電力設為全亮點燈電力的50%。又，全亮點燈模式與待機點燈模式的時間比率設為全亮點燈模式為2秒，待機點燈模式為28秒。

利用此種時間比率，交互切換全亮點燈與待機點燈來進行500小時的點燈實驗。

此點燈試驗的結果，針對陰極前端的形狀有抑止變形效果而未變形(○)，無抑止效果而變形(×)進行調查。

針對前述實驗所致之各陰極的前端徑()、錐角度(θ)及電力遷移時間(Ts)，與對於陰極變形之效果的有無之關係，於圖4的表格揭示。

對於陰極變形之抑止效果的有無(○與×)之判斷，係藉由實驗後之該陰極的(1)「變形率」對於(2)「先前例的變形率」，是否滿足(3)某種「基準」來進行。

各定義係如下所述。

(1)所謂「變形率」係如圖7(B)所示，將點燈實驗後，擴大之前端徑 A減去點燈實驗前之前端徑 B的長度之變形量( A- B)除以原本的前端徑 B。

(2)所謂「先前例的變形率」係如圖2(B)所示，電力遷移時間為1 msec時之陰極的變形率。

(3)所謂「基準」係實驗之陰極的變形率相較於先前例的變形率，減低之變形率為10%以上。

以下揭示進行判斷的具體例。

在前端徑為4.0mm時，在具有錐角度θ為80°之陰極的額定電力25kW之放電燈中，在電力遷移時間1 msec的先前例中變形量為1.80mm，變形率為45%。

相對於此，變更電力遷移時間Ts來進行實驗之陰極的變形率成為35%以下，變形率被改善了10%以上時，則當作有抑止變形效果者，設為○。

於前述陰極中，電力遷移時間為10 msec時，變形量為1.77mm，變形率為44%。又，20 msec時也是變形量為1.74mm，變形率為43.5%。所以，因為該等任一都未滿足基準，設為×。

相對於此，設為50 msec時，變形量為1.40mm，變形率為35%，進而，設為100 msec時，變形量為1.16mm，變形率為29%，任一皆滿足基準，故設為○。

如上所述，針對各陰極，進行電力遷移時間與抑止變形相關之效果有無的判定。

根據圖4的表格，可知以相當於前述○×的邊際之○的數值設為下限值，選定長於其以上的電力遷移時間Ts的話，可改善陰極的變形。

再者，關於電力遷移時間的上限值，推測越比該電力遷移時間長則越有抑止變形效果，但是，過於延長會不當地延遲切換時間，如前述般，根據省電力的觀點來看並不 理想。

所以，電力遷移時間的上限值係應考慮陰極的抑止變形與省電力的均衡，來適當選擇。

根據圖4的表格，可知針對每一陰極判定為(○)之下限值的電力遷移時間。以此為基準，測定成為下限值之電力遷移時間Ts與錐角度θ的關係是圖5的圖表A。

又，同樣地，測定成為下限值之電力遷移時間Ts與前端徑的關係是圖5的圖表B。

然後，作成各圖表A、B中測定之點的近似線，根據該形狀，可知電力遷移時間Ts與前端徑及錐角度θ的關係，可分別表現為指數函數。

因此，針對各圖表A、B，使用最小平方法來進行曲線擬合(curve fitting)，將所得之指數函數相乘，最後關於電力遷移時間，求出以下計算式。

Ts≧90exp(0.82 )×exp(-0.054 θ)。

將滿足上述計算式的電力遷移時間Ts(msec)設定為下限值的話，可緩和陰極前端部的溫度上升，也可抑制陰極的變形量。

藉此，可同時達成本發明的目的之陰極變形的防止與省電力。

再者，此電力遷移時間在將電力從全亮點燈切換為待機點燈時也適用為佳。藉此，可緩和發生在陰極的熱應力。

如以上所說明般，於本發明之全亮.待機點燈的紫外線照射裝置中，將陰極前端面的直徑設為(mm)，錐部的錐角度設為θ(°)時，0.5≦≦4.0 30≦θ≦80且將在待機點燈模式的待機點燈電力與全亮點燈模式的全亮點燈電力之間，電力轉變的期間設為電力遷移時間Ts(msec)時，使前述前端徑與錐角度θ與電力遷移時間Ts成為以下關係，Ts≧90exp(0.82 )×exp(-0.054 θ)。藉此，發揮不會空虛地延長電力遷移時間，可一邊維持省電力的效果，一邊抑止陰極前端的熱應力所致之變形，防止早期的照度降低之效果。

Claims (2)

1. 一種紫外線照射裝置，係具備：放電燈，係於發光管內部的發光空間封入水銀，且陰極及陽極對向配置於該發光空間內；及點燈控制裝置，係可切換藉由全亮點燈電力點燈的全亮點燈模式與藉由比前述全亮點燈電力低之待機點燈電力點燈的待機點燈模式來驅動供給給前述放電燈的電力，；其特徵為：前述放電燈的陰極，係具有前端形成為圓錐台形狀，從前端面往根部側擴徑的錐部；將前述前端面的直徑設為(mm)，將前述錐部的錐角度設為θ(°)時，0.5≦≦4.0 30≦θ≦80且將在待機點燈模式的待機點燈電力與全亮點燈模式的全亮點燈電力之間，電力轉變的期間設為電力遷移時間Ts(msec)時，前述前端徑與錐角度θ與電力遷移時間Ts成為以下關係，計算式：Ts≧90exp(0.82 )×exp(-0.054 θ)。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之紫外線照射裝置，其中，前述待機點燈電力，係為全亮點燈電力的45~65%的電力。