TW405145B - Short-arc-type mercury lamp and UV emission device - Google Patents

Description

405145 五、發明説明（1 ) 〔發明所靥技術領域〕 本發明係關於短弧型水銀燈，特別是半導體曝光裝置 使用之高集光效率，光穩定性佳之短弧型水銀燈。 習知技術 近年來，半導體製程之中，曝光製程使用放射中心波 長365 n m (以下稱i線）紫外光之短弧型水銀燈。該 半導體積體電路之集積度年年提高，伴隨著此，曝光時之 解析度要求亦變高。又，因晶圓之大口徑化，曝光面積變 大，或者因達成高解析度使用之變形照明技術而要求來自 光源之紫外光放射量（以下簡單稱「放射量」）之增大。 再者，亦有要求提高表示製品之單位時間之生產效率 指標之生產效率亦即，作爲光源之燈管要求更高之放射效 率，包含該光源之發光裝置要求高之集光效率。 經濟部中央橾準局Μ工消费合作社印裝 (計先Μ'讀背面.之注意事項再^巧本頁) 習知，獲得i線之強放射之方法，可考慮增加輸入燈 管之輸入電力。但是，增加燈管之輸入電力時，電極之熱 負荷變高，電極物質之蒸發激裂，.發光管之黑化變快。又 ，增加輸入電力時，必然地發光管之外觀尺寸變大，除去 燈管所產生熱之排風裝置亦大型化。因此，爲得i線之強 放射，增加燈管之輸入電力之方法並非較好。 發明欲解決之問題 本發明欲解決之問題係提供一種可長時間維持淸潔之 發光管，獲得i線之強放射的短弧型水銀燈，及紫外線發 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（2】0Χ297公釐）-4- 經濟部$標準局負工消资合作社印製 405145 五、發明説明（2 ) 光裝置。 解決問題之方法 爲解決上述問題，本發明之短弧型水銀燈，係在石英 製發光管中陰極與陽極呈對向配置，於該發光管中封入有 水銀及稀有氣體的短弧型水銀燈；其特徵爲： 至少在室溫下1 . 0〜8 . Oa tm狀態下封入稀有 氣體A r，或K r， 以連接陽極和陰極之方向爲軸方向時， 以該發光管之軸方向之長度爲L (mm)，於軸方向 陰極在發光空間內突出部分之長度爲X (mm)時， 0.3SX/LS0.6 又，短弧型水銀燈，稀有氣體不封入A r或K r，而 以A r及K r之混合氣體之合計.値在室溫，1 . 0〜 8.0atm狀態下封入。 又，於此種短弧型水銀燈，以和上述發光管之軸方向 垂直之斷面之方向爲徑方向，其最大値爲D ( m m )時， 0 . 85D^ (X + 5)，且 0.85D 之 L — (X + 5 )。 又，本發明係上述短弧型水銀燈，以供供該水銀燈管 特定電力之電源形成之紫外線發光裝置。 發明之實施形態 .. 本發明之短弧型水銀燈，係至少以數氣壓之A r或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）-5- -----；--^---'------訂------'"1: * - J { ?Γ1閔¾背面之注意事項再填』本頁) 經濟部中央標準扃負工消费合作社印製 405145 五、發明説明（3 ) K r，或其混合氣體作爲緩衝氣體封入者。 經由上述，藉由賁驗可確認在不擴大i線之頻譜寬條 件下，可大幅提昇曝光面之放射照明度。具體言之爲’以 數氣壓程度之A r氣體等封入時，和以1氣壓程度之X e 氣體封入之場合比較，可提昇1 0〜2 0%之放射效率（ 此效率提昇分以電力換算相當於2 0〜4 0%之增加分） 〇 又，本發明中，以至少數氣壓之A r或K r氣體，或 其混合氣體爲緩衝氣體以特定壓力封入之條件下，發光管 之尺寸，具體言之爲，以連接陽極及陰極之方向爲軸方向 ，考慮該軸方向之長度之値，於此軸方向陰極在發光空間 內突出部分之長度之値，再者以垂直軸方向之斷面方向爲 徑方向時其最大値等之數値限定。 此乃因封入之緩衝氣體，相對於同時封入之水銀，當 封入克分子數大時，該緩衝氣體在發光管內之熱作用可發 揮大之特徵，在此理由下對電弧特性帶來強的影響。 其理由未必淸楚，但可推測如下。 亦即，與A r，K r氣體和Xe氣體之熱傳導率之差 有關。傳熱導率大時熱能量之傳達速度變大，電弧中心之 溫度容易傳達至發光管內表面附近。反之發光管內表面附 近之溫度亦容易傳達至電弧中心。此處，A r氣體，K r 氣體，Xe氣體之熱傳導率k ( 1 〇-4w/cm/k)爲 (Ar:1.63)>(Kr:〇.88)>(Xe: 0.50) » (請先閱讀背‘面之注意事項再填ΪΪΤ本頁) 訂 嗥· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） • 6 - 405145 五、發明説明（4 ) 亦即，封入A r氣體或K r氣體之水銀燈管，和封入 X.e氣體之水銀燈管比較，發光管之外表面被排風冷卻時 容易受其影響，因此容易招致發光管內表面附近之低溫化 ，及電弧中心之低溫化。 又，熱傳導率之不同，不僅對電弧中心溫度之低溫化 ’對發光空間內之氣體對流亦有大影響。該氣體對流對電 弧之穩定性亦有影響，不要之氣體對流產生時，有害電弧 之穩定性，產生閃動現象。 如上述電弧中心溫度之低溫化，或不要氣體對流引起 之電弧之閃動，於半導體曝光裝置將產生曝光面之照明度 之閃動或不均一性，導致曝光誤差或解析度下降。 因此，本發明人發現，對封入A r氣體或K r氣體之 水銀燈，著眼於燈管之形狀，將發光管之軸方向長度，及 陰極在發光空間內突出之長度設定爲特定關係，據以獲得 穗定之氣體對流。其次，在此種氣體對流之下，氣體對流 引起之電孤閃動現象可有效防止，根據電弧中心溫度之低 溫化可有效防止電弧之閃動現象。. 經濟部中央榡準局負工消f合作社印裝 (誚先閱讀背面之注意事項再填巧本頁) 又，上述發光管之軸方向長度，陰極在發光空間內突 出之長度，及徑方向之最大値間之關係設定於特定範圍內 ，亦可有效防止電弧之閃動現象。 以下說明在此發光管內獲得穩定氣體對流，發光管內 之氣體對流，當來自電極放射熱，及內部氣體與電極衝突 使該氣體由電極接收能量而形成上昇氣流。該上昇氣流沿 電極上昇。發光管之內表面和電弧中心比較，溫度極小， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X297公釐）-7. 405145 五、發明説明（5 ) 因此，該上昇氣流沿燈管內表面下降。 此處，以連接陽極與陰極之方向爲軸方向，發光管之 軸向長度爲L (mm)，於軸向陰極突出發光空間之長度 爲X (mm)，若0 . 3SX/L蠤0 . 6，即可防止電 弧之閃動，顯現穩定之點亮。 當X/L太大時，相對的陽極長度變短，來自陽極之 熱放射變小，使陽極之溫度上昇。結果，促進陽極物質之 蒸發產生發光管之黑化。 又，X/L太小時，陰極突出長度變太短，無法得足 夠沿陰極之上昇氣流，結果，沿發光管內面之下降變強而 成優勢》結果，成爲不穩定之上昇氣流使電弧成不穩定。 以下，本發明之短弧型水銀燈，除軸向陰極突出發光 空閤與.之部分之長度X (mm)，及發光管之軸向長度L (mm)之外，將發光管之徑向之最大値D (mm)設爲 特定關係，則可得更穩定之電弧。 經濟部中央標準局貝工消费合作杜印«. {誚先閱讀背«·之注意事項再本页) 其理由爲，上述D.Ϊ、 X之關係處於特定範圍係指 ，相對發光管之徑，陰極前端位於適當位置，沿發光管內 表面之下降電流，及沿兩電極之上昇電流可穩定產生。亦 即，由於外穩定之上昇氣流，使電弧呈穗定、閃動變小。 但是，發光管之徑降至特定範圍時，電極與發光管內 表面相對接近，沿兩電極之上昇氣流及沿發光管內表面之 下降氣流中之一部分起衝突，而產生亂流，結果導致電弧 之閃動。 圖7爲本發明之各參數之具體表示。發光管之軸向長 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐）-8- M濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 405145 Λ7 五、發明説明（6〉 度L，在軸向陰極突出發光空間內之部分之長度X，以和 發光管之軸向垂直之斷面方向爲徑向時之最大値D，分別 示於圖中。此處，發光管之軸向長度L *相當於發光空間 之部分，即除密封部以外之部分。發光空間之端部平滑， 終端之區別困難時，以電極之基部定義爲終端。 〔實施例〕 以下，依圖面說明本發明。 圖1爲本發明之短弧型水銀燈之實施例。在石英製發 光管1中陰極2及陽極3對向·配置。各個電極介由內部引 線構件12及13,在密封部6、 7內部分別連接箔部8 、9。於上述箔部8、 9分別連接外部引線構件10、 11· 圖2爲本發明之紫外線發光裝置，由燈管1 4發出之 光經橢圓鏡1 5、第1平面反射鏡1 6、平行光管透鏡 17、到達中心波長365nm、帶寬l〇nm之帶通濾 波器18、通過積分透鏡19，於第2平面反射鏡21反 射，通過聚光透鏡2 2到達調製盤面2 3。在調製盤面 2 3上配置矽控光電二極體檢測器2 4。燈管1 4接有電 源2 6以供給所要電力。 〔實施例1〕 首先，說明將A r或K r以至少數氣壓封入以提昇i 線之放射效率之相關實驗。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS)A4規格（210Χ297公釐）.9. {誚先阶^"'"之注意事項再硪巧本頁)

、1T Λ7 ΙΓ 405145 五、發明説明（7 ) (誚先閱讀背面之注意事項再填艿本頁) 實驗係使用除Ar、 Kr、Xe之封入量以外之條件 均相同之水銀燈管，以圖2說明之檢測器2 4測定i線照 明度。具體之水銀燈管之規格爲，在外徑約5 5mm之略 球形石英製發光管內，將鎢（W)製直徑2 Ommjef之陽 極3，及含氧化钍約2wt %之鎢製有效前端直徑爲 1 · Ommje»之陰極2，以電極間距離4 . Omm對向配 置，在發光管將水銀以相當於單位容積4 . 5mg/c c封 入。燈管藉由定電力電源，約2100w之輸入使點亮。 燈管之種類使用將X e在室溫以2 a t m封入之燈管 (燈管A)，封入Xe及Ar之燈管（燈管B1〜F1) 5種類，同樣封入X e及K r之燈管（燈管B 2〜F 2 ) 5種類。封入A r之燈管，及封入K r之燈管，分別以 0.3氣壓、1氣壓、3氣壓、8氣壓、12氣壓，及變 化封入量作成5種類。 實驗結果示於圖3，以燈管A之i線放射照明度爲基 準，分別表示各燈管之相對之i線放射照明度^ 經濟部中央標準扃貝工消费合作社印聚 此處，放射照明度之計測誤差爲1〜2 %，一般而言 將此計測誤差列入考慮，增加4%以上之場合時，在半導 體製程之曝光製程之效率即明顯改善。圖中顯示A r及 K r同時以1氣壓以上封入時相對放射照明度增加4 %以 上β 但是，Ar、Kr同時於室溫以12氣壓封入（燈管 FI、 F2)時，放射照明度增加20%之i線之頻譜寬 擴大，導致曝光中之解析度下降。結果，封入A r或K r 本纸張尺度適用中國國家標丰（CNS > A4规格（210X297公釐）-1〇 _ 405145 『 五、發明説明（8 ) 之水銀燈管中，將A r或Kr以1 . 〇氣壓〜8氣壓封入 時，i線之頻譜寬不致擴大，可有效提昇放射照明度。 又，以上實驗例中，係針對Ar、 Kr及Xe同時封 入之燈管，但是，不封入Xe，而將Ar、Kr分別以單 體封入亦可得同樣效果。 此處，以稀有氣體A r及X e封入之燈管中’相對於 A r之封入壓力，將X e之封入壓力提昇約3倍時’隨該 提昇，i線之調製盤面之放射照明度增大。但是’Xe之 封入壓力再上昇時i線放射照明度幾乎不再上昇。 因此，以A r及X e等稀有氣體封入之燈管’考慮調 製盤面上之i線放射照明度之提昇，較好將A r封入壓力 設爲Xe封入壓力之約3倍。同樣，以K r取代A r封入 時，K r及X e之混合氣體時，較好是將K r封入壓力設 爲X e封入壓力之約3倍。 〔實施例2〕 經濟部中央榡準局貝工消费合作社印製 (誚先閱讀背而_之-;±意事項再硪:!5?本頁) 以下，說明i線放射效率相關之實驗。此實驗中，針 對以A r及K r兩方之混合氣體封入之燈管作實驗驗。各 燈管，除封入量以外，以和實施例1相同之形狀規格製作 燈管5個（G〜N ) » 圖4及各燈管（A、G〜N)之封入氣體及封入壓力 。燈管A與實施例1所示者相同，將Xe以2 . Oa tm 封入。燈管G〜L不封入Xe，而將Ar及Kr分別以 0.3atm、 〇.5atm、 1 . 5 a t m , 4.0 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS)A4規格（210X297公釐）.<|*| 405145 五、發明说明（9 ) a tm、5 _ 〇a tm封入。燈管Μ、N，除將Xe以 〇 . 3 a t m , 3.0八丁1^封入之外，將人1'、1^]：分 別以0 . 5 a t m封入。 結果如圖示，於室溫將Ar以0 . 5a tm及Kr以 〇 . 5a tm封入之燈管Η，與僅將Xe以2a tm封入 之燈管A比較時，燈管Η搭載於曝光機使用時’在調整盤 面上之i線之紫外線放射照明度較燈管Α增加約5%。 但是，於室溫將Ar以5 . 〇a tm及Kr以5 . 0 a tm之混合氣體以封入壓1 0 . 0 a tm封入發光管之 燈管L，其i線放射照明度增加1 8% ’但i線之頻譜寬 擴大導致曝光中之解像度降低。 如上述，使用燈管之燈具之實驗中，將Α γ及K r之 混合氣體之合計値，於室溫以1 . 〇a tm〜8 . 0 a t m封入時，調製盤面之相對i線放射照明度有有效提 昇。 經濟部中央橾隼局只工消费合作社印製 (請先閱讀背面·之注意事項再硪巧本頁) 又，關於除A r及K r之混合氣體之外，封入X e之 燈管Μ、N，其A r及K r之合計封入壓力於室溫爲1 . 〇a tm〜8 . 0a tm時，i線放射照明度可有效提昇 。因此，比較燈管Μ及燈管N，上昇X e之封入壓力時， i線之於調製盤面上之放射照明度亦伴隨上昇。但是，依 本發明人之實驗，相對於A r及K r之合計封入壓力， X e之封入壓力大於約3倍時，i線之放射照明度幾乎不 再上昇。因此，就i線放射照明度之提昇觀點而言，較好 是X e封入壓力設爲A r及K r之合計封入壓力之約3倍 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）· 12 經濟部中央標準局貝工消费合作社印繁 五、發明説明（10 ) Ί實施例3〕 以下，說明電弧穩定度，即封入上述稀有氣體之燈管 ，該燈管形狀引起之電弧穩定之相關實驗。首先，說明發 光管軸向長度與陰極突出發光空間內部之長度之關係。 使用和實施例1製作者爲同型之燈管，即封入水銀量 爲4 . 5rag/cc，稀有氣體封入量爲Ar 1.5 atm(其他稀有氣體不封入）、Kr 1.5atm( 其他稀有氣體不封入）、Xe 0 . 5a tm (其他氣體 不封入），變化發光管之軸向長度L(mm)，及陰極突 出發光空間內部之長度X (mm)之燈管。燈管之點亮使 用定電流電源。又，此實驗中，發光管之徑向長度雖無關 ，但因變化上述參數時，徑向尺寸亦隨之改變，爲參考之 用而將徑向長度記載。 各燈管之電弧閃動情況之測定方法如下。圖2之調製 盤面2 4上之矽光電二極體檢測器2-4檢出之光信號，其 輸出信號之最大値爲MA、最小値爲Μ I ，電弧穩定度之 評價以 2 (ΜΑ - ΜΙ)/(ΜΑ + ΜΙ) Χ100%表 示。一般而言，電弧穩定度爲5%，曝光顯影時即不致產 生曝光誤差’此判定爲良，大於5%則判定爲不良。 此結果示於圖5，由該結果可知，X/L之値爲 0.3〜0.6,電弧即可穩定。 尤/ I---I ....Γ n T I n I I I .^1 泉. • V-d λν / -- (詞先吣^-背而之注意事項再^艿本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐〉 -13- Λ" _ 1Γ 五、發明説明（11 ) 4051^5 〔實施例4〕 以下，說明除發光管之軸向長度，及陰極突出發光空 間內之長度之外，另考慮徑向長度之實驗》 以和實施例3試作者相同型之燈管，改變發光管之軸 向長度L，在軸向陰極突出發光管內之長度X，及發光管 之徑向長度進行實驗。測定方法和實施例3同樣。 結果示於圖6，（X+5)/DS〇 . 85，而且（ L— (X+5) )/DS0 . 85時，即可得良好之電弧 穩定度。 〔發明之效果〕 本發明之短弧型水銀燈，至少將A r或K r於室溫以 1 . 0〜8 . Oa tm，或其混合氣體之合計値於室溫以 1 . 0〜8 . 〇a tm封入，則在不擴大i線頻譜寬之狀 態下，可大幅提昇曝光面之放射照明度。 經濟部中央標準局真工消f合作社印製 {誚先閱讀背ν&Λ之注意事項再蜞巧本頁) 悚 又，將發光管之軸向長度’陰極突出發光空間內之長 度，發光管之徑向最大値設定爲特定關係’即可有效防止 電弧之閃動。

I 〔圖面之簡單說明〕 圖1:本發明之短弧型水銀燈。 圖2:本發明之紫外線發光裝置。 圖3 :本發明之i線放射照明度相關之實驗結果。 圖4 :本發明之i線放射照明度相關之實驗結果。 本紙張尺度適用中S國寥標準（CNS ) A4坑格（2丨0><297公釐> -14 - 405145 ；；, 五、發明説明（12 ) 圖5:本發明之電弧穩定性之實驗結果。 圖6:本發明之電弧穩定性之實驗結果。 圖7:本發明之短弧型水銀燈。 〔符號說明〕 1 發光管 2 陰極 3 陽極 4 陰極前端放電領域 5 電弧領域 6 密封部 7 密封部 8 箔部 9 箔部 10 外引線構件 11 外引線構件 12 內引線構件 .- 經濟部中央榡準局負工消費合作社印34 {計先閱讀背面之注意事項再填巧本頁) 束 13 內引線構件 14 燈管 15 橢圓鏡 16 第1平面反射鏡 17 平行光管銹鏡 18 帶通濾波器 19 積分透鏡 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-15- 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 405145 五、發明説明（13 ) 2 0、 光 圈 2 1 第 2 平面反射 鏡 2 2 聚 光 透鏡 2 3 調 製 盤面 2 4 矽 光 電二極體 檢測器 2 5 監 控器 2 6 .電 源 (#先M-讀背面_之注意事項再填巧本頁) 嗥， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-16-

Claims (1)

1. A8B8C8D8

   六、申請專利範圍 附件1 第87118〇57號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 民國89年4月修正 1 .—種短弧型水銀燈，係在石英製發光管中陰極與 陽極呈對向配置，於該發光管中封入有水銀及稀有氣體的 短弧型水銀燈；其特徵爲： 至少將稀有氣體Ar或Kr，於室溫以1 . 〇〜 8 .. 0 a t m 封入， 以連接陽極及陰極之方向爲軸向時， 以該發光管之軸向長爲L (mm)，於軸向陰極突出 發光空間內之部分之長度爲X(mm)時， 0.3SX/LS0.6。 2 .—種短弧型水銀燈，係在石英製發光管中陰極與 陽極呈對向配置，於該發光管中封入有水銀及稀有氣體的 短弧型水銀燈：其特徵爲： 經濟部智慧財產局員工消费合作杜印製 至少將稀有氣體A r及K r之合計値’於室溫以 1 . 0 〜8 · 〇a tm封入， 以連接陽極及陰極之方向爲軸向時’ 以該發光管之軸向長爲L(mm) ’於軸向陰極突出 發光空間內之部分之長度爲X(mm)時’ 〇 . 3SX/LS0 · 6。 3 .如申請專利範圍第1或2項之短弧型水銀燈’其 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） A8B8C8D8 六、申請專利範圍 以和上述發光管之軸向垂直之斷面之方向爲徑向，以 其最大値爲D(mm)時， 〇.85D^(X+5)，而且 0 . 85D^L - (X + 5)。 4 ·—種紫外線發光裝置，係由：在石英製發光管中 陰極與陽極呈對向配置，於該發光管中封入有水銀及稀有 氣體的短弧型水銀燈，及供給特定電力於該水銀燈管的電 源所構成：其特徵爲： 上述水銀燈管係至少將稀有氣體A r或K r，於室溫 以1 · 0〜8 . Oa tm封入， 以連接陽極及陰極之方向爲軸向時， 以該發光管之軸向長爲L(mm)，於軸向陰極突出 發光空間內之部分之長度爲X(mm)時， 0.3SX/LS0.6。 5 ·—種紫外線發光裝置，係由：在石英製發光管中 陰極與陽極呈對向配置，於該發光管中封入有水銀及稀有 氣體的短弧型水銀燈，及供給特定電力於該水銀燈管的電 源所構成；其特徵爲： 上述水銀燈管係至少將稀有氣體A r及K r之合計値 ，於室溫以1 . 0〜8 . Oa tm封入， 以連接陽極及陰極之方向爲軸向時， 以該發光管之軸向長爲L(mm)，於軸向陰極突出 發光空間內之部分之長度爲X(mm)時， 0.3SX/LS0.6。 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 《請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -1 — I — 1111 訂- 111 — — — — -"^1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -2- A8 B8 C8 __08 六、申請專利範圍 6 .如申請專利範圍第4或5項之紫外線發光裝置， 其中 以和上述發光管之軸向垂直之斷面之方向爲徑向，以 其最大値爲D (mm)時， 0 . 85Dg (X+5) ，而且 0 . 85D^L - (X+5)。 7.如申請專利範圍第4或5項之紫外線發光裝置， 其中 上述短弧型水銀燈，係陽極在上方陰極在下方呈垂直 配置。 I I J I I— I I I I I I , * — — — — — —— « — — — — —^ — 1— % 4 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公芨） -3 -