TW529056B - Short-arc discharge lamp - Google Patents

Description

529056 A7 ---------- 五、發明說明（1 ) [發明之詳細的說明] [發明所屬之技術領域] 本發明係有關於放電燈，特別是使用於半導體積體電 路（1C)等曝光裝置之高安定度且有長壽命之一種短孤型放 電燈。 [習知技術] 、積體電路（IC)製造步驟，需要各種的技術。其中一個 為曝光技術。使用由紫外線等光線照射硬化之樹脂，在半 導體基板（襯底）上形成所希望的圖形。在這樣的電子裝置 之製造步驟所使用之曝光裝置係通常使用的短弧型放電 燈。其中，隨著最近積體電路（IC)裝置之高積體化，可效 率良好地發生放射波較短約365奈米之^線（照射線）之放電 燈也變成主流。 由於積體電路技術之進步才圣為迅I，在積體電路製造 設備投資很大，且價格競爭非常的激烈。因而，製造成本 之抑制在積體電路製造廠是成功不可缺的，關於在積體電 路製造步驟使用消耗品之一種短弧型放電燈也嚴格要求以 藉長壽命化減低成本。習知之短弧型放電燈中，作為延長 竒命化的方法，係藉由構成電極等放電燈之零件或構件之 形狀或各種處理而抑制照度維持率（面對點燈時間之照度 降低率）之降低，或藉由提高i線之發光效率並提升在曝光 面之照度，以延長實際上可使用的時間。 使用於利用i線之積體電路曝光裝置之短弧型放電 燈，為提高i線之發光效率，與通常使用於液晶顯示器（LCD) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚） 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝丨 訂· 529056 A7 B7 五、發明説明（2 ) 或印刷電路基板（PCB)曝光裝置等之短弧型放電燈相較， 一般施行將封入之水銀量作成1/2〜1/10程度。由此，由於 點燈中之放電管内部壓力變低，放射亮度降低，而採取以 提高作為缓衝氣封入之稀有氣體壓力以補足此點之方法， 此係知道一方抑制電極之消耗，有抑制照度維持率降低之 效果。 再者，在曝光裝置其中，將放射i線之一部份，不僅曝 光，也可使用於曝光時之焦點調整。因此，要求很高的照 度安定性。又，近來，作成與曝光波長更短之光源之準分 子激光器等並用之態樣。藉此，可使邊於半導體基板上進 行掃瞄邊曝光的技術變得有效，且可要求更高之照度安定 性。 [發明欲解決之課題] 上述曝光裝置用光源之長壽命化要求並不能充份地回 應。 所以，本發明之目的係對應上述要求，提供一種發光 率咼、照度安定性好之短弧型放電燈。 [為解決課題之手段] 為克服上述課題，且達成上述目的，依據本發明之短 弧型放電燈，在内部對向配置陰極及陽極發光管之内部封 入水銀與稀有氣體，作為該封人之稀有氣體，制混合氣 ㈣、氪（Kr)或氬（Ar)等高分子量之稀有氣體與以體積比 5% 40%之氦（He)或氖㈣等低分子量稀有氣體之氣體，將 該等混合射氣體在f溫之璧力料2大_以上。 本紙張尺度適财關家辟（CNS) Μ祕（2歌297公楚) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) I裝丨 -、可| ►線： 529056 A7 _______B7_ 五、發明說明（3 ) 再者，陽極由圓柱狀之本體部、錐形部與頂端平土曰部 所構成。由陽極之電流密度為每平方公厘〇·3安培之陽極頂 端開始算起之距離L(公厘）係，在放電電流為〗（安培）時， 〇-〇5I<L< 〇.〇81。該陽極之頂端平坦部作為陰極與陽極之 間隔的兩倍以下之直徑。又，陽極之電流密度作為每平方 公厘3.5安培以下。 [發明之實施形態] 以下，將依據本發明短弧型放電燈較佳實施態之構成 及動作’參閱附上圖詳細的說明之。 首先’第1圖表示依據本發明短弧型放電燈較佳實施形 悲之截面圖。在第1圖所示短弧型放電燈2〇係由發光管i、 陰極2、陽極3、該等電極2、3之内部導桿4、5、發光管1 之密封部6、7、外部導桿1〇、11及將内部導桿4、5分別連 接外部導桿10、11之金屬箔8、9所構成。而且，在發光管1 之内部空間21封入水銀與稀有氣體。 第2圖係在第1圖所示短弧型放電燈2〇之陽極3之擴大 圖。如在第2圖所示’該陽極3係由與陰極2對向之頂端平坦 部12、倒角之圓錐部、亦即錐形部13及略圓柱狀之本體部 14所構成。 接著，參閱第1圖及第2圖，說明本發明短弧型放電燈 之詳細規格。發光管1係譬如如外徑7〇公厘之石英玻璃等光 穿透性玻璃製。陰極2係譬如含重量比約2%之氧化钍之鎢 製，其直徑約10公厘。當陽極3對向之頂端形成銳角，與陽 極3之頂端平坦部12對向約4.5公厘之間隔。一方面，陽極3 6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公楚） 529056

發明説明 直徑約7公厘’具有每1平方公厘約〇·3安培電流密度之平坦 部12及直徑約25公厘之本體部14。陽極3之電流密度係每1 平方公厘為0.3安培，自陽極3的頂端平坦部丨2之距離L(公 厘）係為3.5公厘。再者，發光管丨之内部21封入每丨立方公 方約4.5毫克之水銀。 首先’說明為確認藉封入發光管1之内部21之高屬稀有 氣體提咼照明度之預備實驗結果。封入水銀4·5亳克/立方 公分，作為稀有氣體、則封入氙（Xe)、氪（Kr)、氬（Ar)等比 較高分子量之稀有氣體。全部製造18種分別變換在常溫封 入壓力之放電燈。而且，將積體電路曝光裝置之曝光面照 度與照度安定性相較。該等放電燈全部以2500瓦點燈。該 情形之放電燈的放電流為1 〇〇安培。該實驗結果出示在第1 表。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝丨 、=口 · [第1表] 封入壓力 (大氣壓） 從有氣體 入氮？有氣體 封入稀有氣體 Ar(l) 照度 安定性 照度 安定性 照度 安定性 1.0 1.00 1.10 1.00 1.06 1.00 0.95 2.0 1.02 1.29 1.03 1.18 1.05 0.98 4.0 1.03 1.56 1.06 1.26 1.10 1.04 7.0 1.06 1.70 1.06 1.38 1.12 1.13 10.0 1.07 1.95 1.10 1.51 1.14 1.22 13.0 1.08 2.21 1.11 1.64 1.15 1.31 ▼線- 從該第1表明白清楚，關於封入稀有氣體氙（Xe)，氪（Kr) 及氬（Ar)，分別將封入壓力以ΐ·〇、2.0、4.0、7.0、10.0及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 529056 A7 ------------B7__五、發明説明（5 ^ ~-- 13·0大氣壓實驗。就各封人壓力分別施行五次之照度測 疋，將該等測定值之平均值作為放電燈之照度。由於該等 五次照度測定之照度差係〇.〇2，可以說至少提高0 02以上 照度之稀有氣體之封入壓力在2〇大氣壓以上。再者，照度 女定性係作為2 5秒連續照度測定中之照度最高值與最低值 之差除以25秒之平均照度之值。而且，該測定為施行五次 之平均值，也確認到若增加封入壓力時，照度安定性即降 低。 接著，就本發明短弧型放電燈封入發光管1之内部空間 21之稀有氣體混合實驗予以說明。將水銀封入4·5亳克/立 方公分，作為稀有氣體將氙（Xe)、氪（Kr)及氬（Ar)分別以2 大氣壓與7大氣壓封入，將比較低分子量之稀有氣體之氖 (Ne)、氦（He)以體積比5%乃至40%混合全圓製造28種放電 燈’將積體電路曝光裝置之曝光面之照度安定性相較。該 實驗結果出示於第2表。照度安定性係五次之平均測定值， 由於作為其幅度具有〇_2程度，比這再降低則優位性變成更 明確。在此，出示封入氖（Ne)或氦（He)之全部放電燈中優 位性。再者，也看不出照度降低。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) #1 ▼線| 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2WX297公楚） 529056 A7 -—_______ B7 五、發明說明（6 ) [第2表] t稀有氣 體乏_入 壓力（大 Ne(氖）或 He(氦）之 體積比 從有氣體 有氣體 封入稀有氣體 Am 照度 安定性 照度 安定性 照度 安定性 2.0 氖40% 1.04 0.68 1.05 0.66 1.08 0.67 Ζ〇\ 氖20% 1.04 0.82 1.04 0.76 1.07 0.74 2.0 氖10% 1.04 0.97 1.03 0.96 1.06 0.76 2.0 氖5% 1.03 1.09 1.03 0.97 1.06 0.77 2.0 無 1.02 1.29 1.03 1.05 1.05 0.98 7.0 氖10% 1.07 1.36 1.07 1.14 1.12 0.79 7.0 氖5% 1.06 1.43 1.07 1.15 1.12 0.86 7.0 無 1.06 1.70 1.06 1.38 1.12 1.13 2.0 氦40% 1.05 0.66 — — — 一 2.0 氦5% 1.03 1.08 一 — 一 — 7.0 氦10% 1.07 1.34 — — 一 一 7.0 氦5% 1.07 1.44 一 一 — — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝· 此外，複數稀有氣體在常溫之封入壓力在2大氣壓以上 時’將氖（Ne)及氦（He)對其他稀有氣體以體積比作成4〇% 以上係從封入方法問題而言，以安定之比例並不能封入。 因而，將Ne(氖）或He(氦）混合Xe(氣）、Kr(氪）或^(氯）封 入，為提高照度，且提高照度安定性，可確認複數稀有氣 體在常溫之封入壓力在2大氣壓以上、對Ne(氖）或He(氦） 之Xe(氙）、Kr(氪）或Ar(氬）之體積比有5%乃至40%時有效。 此係分子量較低之Ne(氖）及He(氦）之熱傳導率，較被混合 一方之稀有氣體之Xe(氙）、Kr(氪）或Ar(氬）高而引起者。根 據這事實，明白即使封入混合Ne(氖）及He(氦）兩方稀有氣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -9 - 529056 A7 ----- --- -B7___ 五、發明説明（7 ) 體之氣體時也能得到同樣的效果。再者，顯然即使混合了 被混合一方稀有氣體之Xe(氙）、Kr(氪）及Ar(氬）時也能得同 樣的效果。 接著’就有關陽極3之電流密度與放電燈壽命之實驗予 以說明。電流密度係將放電電流除以陽極3之截面積之值。 哥命係將初期之照度作為1〇〇%，將丨5〇〇小時連續點燈後之 照度作為照度維持率相較。在此，陽極3的形狀，雖照第2 圖所不原樣，但自陽極3之頂端平坦部12面向圓柱狀本體部 14之距離L(公厘）作為參數朝3公厘〜1〇公厘，以1公厘為單 位使其變換實驗。 首先，封入水銀4.5亳克/立方公分，作為稀有氣體係 將含體積比10%Ne(氖）之Ar(氬）以常溫封入7大氣壓，關於 陽極3之頂端平坦部12之直徑作為7公厘之放電燈，準備自 上述陽極3之頂端平坦部12面向圓柱狀本體部14之距離 L(公厘）作為參數之8種放電燈，從實驗求得照度及照度維 持率。放電燈20之其他規格與上述同樣。該等之實驗結果 出示在第3表。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 10

-----------::·裝…： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .、可| ▼線·！ 529056 明說 明發 A7B7 8 矣 3 第 封入 福有 氣體 氖體 積比 全封入 壓力 (大氣 壓） 陽極頂端 L(距離） 照度 維 持 率 A徑 (mm) 電流密度 JA/mm2) 電流 (mm) 氬 10% 7 7 2.6 0.031 3 0.76 89% 氬 10% 7 7 2.6 0.041 4 0.83 86% 氬 10% 7 7 2.6 0.051 5 1.00 87% 氩 10% 7 7 2.6 0.061 6 1.01 86% 氬 10% 7 7 2.6 0.071 7 1.01 84% 氬 10% 7 7 2.6 0.081 8 1.01 85% 氬 10% 7 7 2.6 0.091 9 1.00 79% 氬 10% 7 7 2.6 0.101 10 1.00 72% 裝----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 自陽極3之頂端平坦部12面向本體部14之距離L變成4 公厘以下時，看出來照度降低。此係由於陽極3自身遮蔽發 光，涊為結果為降低照度。再者，自陽極3之頂端平坦部12 面向圓柱狀本體部14之距離L為9公厘以上時，看出來照度 維持率降低。此係由在陽極3之頂端平坦部12之電流密度 高，陽極3之頂端部溫度較高，認為為促進因放電電子及離 子衝撞發熱引起之陽極頂之消耗。觀察施行照度維持率實 驗之該等放電燈結果，觀察出放電痕狀的深穴在陽極頂端。 接著，封入水銀4.5亳克/立方公分，作為稀有氣體將 含以體積比10%Ne(氖）之Ar(氬）在常溫封入7大氣壓，陽極3 之電流密度每1平方公厘為0.3安培，自陽極3之頂端平坦部 12面向圓柱狀本體部14之距離L(公厘）作為5公厘及8公 厘，製造將陽極3之頂端平坦部12之直徑作為參數之16種放 電燈相較照度與照度維持率。放電燈其他的規袼係與上述 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 529056

五、發明説明（9 ) 相同。將该實驗結果出示在第4表。 [第4表] 封入 稀有A 氣體 氖體 _比 全封 入壓 力 (大氣 壓） 陽極頂端 L(距離） 照度 維持 率 直徑 (mm) 電流密 度 (A/mm2) 電流 密度 (mm) 氬 10% 7 5.0 5.1 0.051 5 1.00 68% 氬 10% 7 5.5 4.2 0.051 5 1.00 76% 氬 10% 7 6.0 3.5 1.051 5 1.01 84% 氬 10% 7 6.5 3.0 1.051 5 1.00 86% 氬 10% 7 7.0 2.6 0.051 5 1.00 87% 氬 10% 7 8.0 2.0 0.051 5 0.98 88% 氬 10% 7 9.0 1.6 0.051 5 0.98 92% 氬 10% 7 10.0 1.3 0.051 5 0.75 90% 氬 10% 7 5.0 5.1 0.081 8 1.02 63% 氬 10% 7 5.5 4.2 0.081 8 1.01 72% 氬 10% 7 6.0 3.5 0.081 8 1.00 81% 氬 10% 7 6.5 3.0 0.081 8 1.01 82% 氬 10% 7 7.0 2.6 0.081 8 1.01 85% 氬 10% 7 8.0 2.0 0.081 8 *0.98 83% 氬 10% 7 9.0 1.6 0.081 8 0.99 85% 氬 10% 7 10.0 1.3 0.081 「8 0.76 87% (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 自上述陽極3之頂端平坦部12電流密度每丨平方公厘為 〇·3安培，即使距離L(公厘）為5公厘及8公厘任一情形，陽 極3之頂端平坦部12之直徑在1〇公厘以上時，照度也顯然降 低。此情形，與上述情开> 同樣，認為陽極3自身為遮蔽發光 結果降低了照度。該放電燈由於陰極2與陽極3之距離（間隔） 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱） 529056 A7 I--~__67 五、發明説明（10 ) 有4.5公厘，在該距離兩倍以上之直徑，表示會發生該問 題。再者，陽極3之頂端平坦部12之直徑在5·5公厘以下時， 纟出來照度維持率之降低。這也與上述情形同樣，認為由 於陽極3之頂端部溫度高，為促進因放電電子及離子衝撞發 熱所引起之陽極3之消耗。觀察完成照度維持率實驗之各放 電燈樣品，該放電燈也在陽極頂端形成很深的放電痕。 因而，在該等放電燈中，為獲得充分的壽命，放電電 /瓜為I (安培）時，陽極3之電流密度每丨平方公厘為〇.3安 培，自陽極3之頂端平坦部12朝圓柱狀本體部14之距離l(公 厘）為0.05 I到〇.〇8 I ,因陽極3之頂端平坦部η之平均電流 ^度為每1平方公厘3.5安培以下之面積，故表示其直徑為 刖述陰極2與陽極3間距離之兩倍以下時為有效。 以上，詳細的說明依據在本發明短弧型放電燈較佳的 實施形態。不過，本發明並不需要僅限定於這樣特定之實 施形態，業者可容易理解到只要不脫離本發明要旨精神範 圍下可作各種改變或變動。 [發明之效果] 從上述說明可理解，依據本發明短弧型放電燈，在放 内封人稀有氣體與水銀，作為該封人之稀有氣體、如 Xe(氣）、Kr(氪）或Ar(氬）比較冑分子量之稀有氣體或在該等 稀有氣體之混合氣體，以體積比5%〜40%混合如Ne(氖）或 He(氦）比較低分子量之稀有氣體。而且該等混合稀有氣體 在常溫之壓力作為2大氣麼以上。其結果，獲得所謂可改善 照度及照度維持率之效果。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公董） 13

、τ. ▼線----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ▼裝丨 529056 五、發明説明（11

再者，該短弧型放電燈之放電電流作為！（安培），自陽 極3之頂端平坦部12面向圓柱狀本體部14之電流密度每^平 方公厘為0.3安培、距離l(公厘）係以次式設定範圍 即 0.05 I < L < 0.08 I ’由於陽極頂端平坦部之直徑係陰極與陽極間距離之兩倍 以下，且電流密度為每丨平方公厘35安培以上之面積，故 可獲得一回應光源長壽命要求之高發光效率且照度安定性 良好的短弧型放電燈。 [圖式之簡單的說明] [第1圖] 表示依據在本發明短弧型放電燈較佳實施形態之構成 截面圖。 [第2圖] 在第1圖之短弧型放電燈使用之陽極擴大圖。 -----------、-吁---------- (^先閲#背面之注意事项再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） 14

—-J 529056 A7 B7 五、發明説明（l2 ) 元件標號對照 1…發光管 2…陰極 3…陽極 12…陽極頂端之平坦部 13…錐形部 14…陽極之本體部 20…短弧型放電燈 21…放電空間 15 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 529056 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 L 一種短弧型放電燈，係在發光管内對向配置陰極及陽 極’且在前述發光管内的空間封入水銀與稀有氣體者， 其特徵在於： 前述稀有氣體係以體積比約5%〜約40%之低分子量稀 有氣體混合於高分子量之稀有氣體，且該等混合氣體在 常溫之壓力為2大氣壓以上者。 2·如申請專利範圍第1項之短弧型放電燈，其中前述高分 子$之稀有氣體係使用氙（Xe)、氪（Kr)或氬（Ar)或該等 之混合氣體者。 3·如申請專利範圍第1或2項之短弧型放電燈，其中前述低 分子量稀有氣體係使用氦（He)或氖（Ne)或該等之混合 氣體者。 4.如申請專利範圍第1項之短弧型放電燈，其中前述陽極 具有略圓柱狀之本體部，該本體部之前述陰極側之錐形 部，及該錐形部前端之平坦部。 5·如申請專利範圍第1項之短弧型放電燈，其中由前述陽 極之電流密度為每一平方公厘〇 · 3安培（A)之前述陽極 頂端開始算起之距離L(公厘），係在放電電流為〗（安培） 時， 0.051 < L < 0.081 。 6.如申請專利範圍第5項之短弧型放電燈，其中前述陽極 頂端平坦部之直徑係前述陰極與陽極間距離之兩倍以 下。 7·如申請專利範圍第4、5或6項之短弧型放電燈，其中前 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公釐） # (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂— -16- 529056 A8 B8 C8 D8 七、申請專利範圍 述陽極之頂端平坦部之面積係作成使電流密度為每平 方公厘3.5安培以下者。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） -17-