TWI445041B - A light source device and a light irradiation device - Google Patents
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Description
此發明係關於被交流驅動之放電燈與凹面反射鏡所成的光源裝置及配置複數個該光源裝置的光照射裝置者,尤其是關於光朝上射出之光源裝置及光照射裝置者。
先前,於半導體、液晶基板及彩色濾光片等之被處理物的製造工程中,使用輸入電力較大的紫外線光源。作為紫外線光源而使用的是在封入水銀蒸氣或稀有氣體之管球內,於電極間使電弧放電產生之型式的高壓放電燈。
近來,因為處理速度的短縮化及處理面積的大型化等,要求消費電力為數kW乃至數十kW之高輸出的燈,伴隨此狀況,逐漸使用排列複數個使用小型放電燈之光源裝置的光照射裝置來代替1個大型燈。
於此種使用目的,使用通常作為投影裝置的光源所使用之小型放電燈。專利文獻1(日本特開2007-5588號公報)為其一範例。
圖4(A)、(B)揭示之此先前技術,(A)係一部份的橫剖面圖,(B)係其裝置前視圖。如(B)所示,光照射裝置20係由將多數光源裝置21排列於縱方向與橫方向者所成。各光源裝置21係例如由封入0.08mg/mm3
以上之水銀的放電燈22,與組入該放電燈22的凹面反射鏡23所成,以前述放電燈22的中心軸與凹面反射鏡23的光軸一致之方式配置。
該光源裝置21係如圖4(A)所示,又,如同文獻1的段落0026所記載般,以放電燈22及凹面反射鏡23朝向水平方向之方式配置,來自該凹面反射鏡23的光係放射置水平方向。
然後,此光源裝置及光照射裝置係藉由將波長300nm~400nm的光主要照射被處理物,提升放射強度,進行半導體的製造工程及液晶顯示裝置的製造工程之曝光處理。
於圖5揭示使用該光照射裝置20之曝光裝置的一例。
來自光照射裝置20的放射光係經由積光器25而藉由折返鏡片26折返,並經由遮罩27,照射至遮罩台28上的工件W者。
然而,於使用前述之大型放電燈的光照射裝置中,因燈大型化,在組合於曝光裝置時,主要考慮其處理上的便利性,大多採用將放電燈配置於裝置的下方,從反射鏡朝上射出光的構造。
為此,將排列多數個由專利文獻1所揭示之小型放電燈與凹面反射鏡所成之光源裝置的光照射裝置,作為前述先前之曝光裝置的光照射裝置來代替時,會被要求將光源裝置的凹面反射鏡朝上配置而將光朝上方射出的構造,作為必然的結果,放電燈也會被配置於垂直方向。
如此,以將放電燈從水平點燈變更為垂直點燈,且反射鏡也朝上方射出光之方式將開口部朝上方來配置時,因為放電燈周圍的熱狀況會改變,對於為了維持波長300nm~400nm的輸出來說,必須調整燈。
但是,於專利文獻2(日本特開2003-347071號公報),提案在將放電燈垂直點燈時,為了使一對上下電極的溫度相互一致,變更交流點燈的能率(duty)比。
然而,在此先前技術中,雖然燈是垂直配置,但是,反射鏡為水平配置,來自反射鏡的光也射出至水平方向。
此種配置作為前述之先前就存在的曝光裝置之光照射裝置用的代替光源裝置並無法適用,本案發明作為對象被要求如圖2所示,配置多數凹面反射鏡的其開口部也位於上方,使燈的中心軸與反射鏡的光軸一致而朝上方射出光的光源裝置之光照射裝置。
但是,設為如圖2所示之光照射裝置時,判明作為光源裝置,會發生與設為先前的水平點燈方式,及如專利文獻2之燈為垂直而反射鏡為水平配置之點燈方式時不同之新的問題點。
亦即,於圖6所示之光源裝置中,在放電燈30的發光部31內,因電弧所致之熱的影響而產生對流32,高溫氣體沿著上側電極33上升,被輸送至發光部的上方。此對流32在管壁附近下降,從發光部的中央附近朝向電弧方向移動。而因為此種對流,發光部31的上半部31a會成為高溫。
另一方面,因為於發光部31的下部幾乎沒有對流,故相較於發光部上部可成為低溫且安定之狀態。為此,發光部31的下半部31b相較於上半部31a較為低溫,在該當下半部31b中可成為水銀原子較濃之狀態。
因為在燈內部之電弧周圍的水銀原子為基態(ground state),故在發光部的中心吸收被放射之波長254nm的光。因為此吸收區域擴大,在短波長側(波長300nm~330nm)光強度會降低。然後,在水銀原子較濃之狀態時,會產生此水銀所致之吸收變更大,而來自燈的光強度降低之不便問題。
然後,在放電燈30與凹面反射鏡35所成之此種光源裝置中,接近發光部31的反射鏡35之部份,亦即,因為主要反射利用從下半部31b放射之光,如前述般,在此下半部31b之光吸收較大之狀況會直接引起來自光源裝置的光強度之降低,問題較大。
圖7係揭示將放電燈的軸方向與反射鏡的光軸一致之光源裝置,以反射鏡的開口部朝上之方式垂直點燈時(以下單稱為垂直點燈),與以反射鏡的開口部朝水平方向之方式水平點燈時(以下單稱為水平點燈)之波長300nm~500nm的光強度分布之圖表。
由前述圖表可知,在垂直點燈時(以虛線表示),相較於水平點燈時(以實線表示),尤其在短波長側(波長300nm~330nm)中光強度降低。作為其理由,如前述般,可舉出凹面反射鏡因為主要反射利用從放電燈的發光部之下半部放射之光,故於垂直點燈中,從此發光部的下半部放射之光強度降低。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
〔專利文獻1〕日本特開2007-5588號公報
〔專利文獻2〕日本特開2003-347071號公報
此發明係有鑒於前述先前技術的問題點,提供於放電容器的內部對向配置一對電極,並且封入0.08~0.26mg/mm3
的水銀,由被交流驅動之放電燈與被組入該放電燈之凹面反射鏡所成,以前述放電燈的中心軸與凹面反射鏡的光軸方向一致之方式配置所構成的光源裝置及配置多數該光源裝置的光照射裝置,其中,於以從凹面反射鏡朝上方射出光之方式配置者中,不使來自發光部的下半部之光射出強度降低,可有效地射出光的光源裝置及光照射裝置者。
為了解決前述課題,關於此發明的光源裝置,其特徵為前述凹面反射鏡的開口部朝向上方而配置;前述一對電極的下側電極進行陽極動作的時間,比上側電極進行陽極動作的時間長。
又,以前述下側電極進行陽極動作的時間與前述上側電極進行陽極動作的時間之比,亦即能率比為60:40至70:30為特徵。
進而,以由前述凹面反射鏡之開口部的中央吸入冷卻
空氣,從凹面反射鏡的下端排出冷卻空氣為特徵。
依據本發明,因為於凹面反射鏡朝上方配置的光源裝置中,使放電燈的下側電極進行陽極動作的時間比上側電極長,該下側電極的溫度相較於上側電極會變高,而提升前述放電燈的發光部之下半部的溫度,故可發揮防止該下半部內的水銀原子之濃度變高,在其部份的短波長側之紫外線的吸收變少,抑制來自此之光輸出強度的降低之效果。
又,藉由將下側電極的陽極動作與上側電極的陽極動作之能率比設為60:40至70:30,可取得與水平點燈時同等或其以上的光強度。
進而,因為藉由從凹面反射鏡的開口部中央吸入冷卻空氣,從凹面反射鏡的下端排出,可冷卻發光部的上半部而降低溫度,故可獲得光強更加改善。
於圖1揭示本發明的光源裝置1,由放電燈2與包圍此放電燈2的凹面反射鏡3所成,前述放電燈2的中心軸與凹面反射鏡3的光軸一致。在此範例中,放電燈2之一方的封止部2a經由套件4,藉由接著劑等固定於反射鏡3。
該光源裝置1係以放電燈2與反射鏡3幾乎朝向垂直上方之方式,開口部5朝向上方而配置,光放射至上方。
然後,於凹面反射鏡3之上方開口部5的前面玻璃6之中心,設置有冷卻空氣導入口7,另一方面,於凹面反射鏡3之下端的套件4,朝向側面而形成冷卻空氣排出口8,冷卻空氣從凹面反射鏡3的前面被導入反射鏡3內,冷卻燈2而從下端之套件4的冷卻空氣排出口8排出。
於放電燈2的發光部係封入有水銀、稀有氣體及鹵素氣體。用以改善點燈始動性的稀有氣體係例如封入約13kPa的氬氣體(argon gas)。鹵素係例如碘、溴、氯等與水銀或其他金屬之化合物的狀態下被封入,其封入量係從1×10-6
~1×10-2
μmol/mm3
的範圍中選擇。
水銀係以藉由水銀原子的吸收所產生之光譜的形狀來規定,但是,水銀係吸收在發光部的中心被放射之波長254nm的光,故在利用波長300nm~330nm附近的紫外線時,必須考慮封入至發光部的水銀量。
又,因為封入至發光部的水銀量較少時,放電燈的阻抗變小,故流通於電極間的電流值會變大。電流值較大時,電極的負擔會增加,故電極會耗損較嚴重。為此,被封入放電燈的水銀密度係設為0.08mg/mm3
以上。
在封入0.08mg/mm3
以上之水銀的放電燈中,在發光部的中心發光之波長254nm的光係為全部被吸收,完全無法見到放射至外部的發光之狀態。進而使封入至發光部的水銀密度增加時,水銀的吸收波長區域也會擴大。在水銀密度為0.20mg/mm3
程度中,水銀所致之吸收係從波長254nm擴大至300nm附近為止。進而,水銀密度成為0.30mg/mm3
程度時,波長313nm的發光線被吸收,波長300~330nm的光輸出會大幅降低。
使水銀封入量變化時,評估對於主要對波長320nm的光具有感度的PS用光阻劑,照射1秒鐘紫外線時之硬化狀態的結果為表1。
硬化狀態係如以下評估。
[1] 未硬化狀態
[2] 硬化之部份與未硬化之部份混合存在的狀態
[3] 實用上沒有問題之最低限度等級的硬化狀態
[4] 雖然是超過實用上沒有問題之最低限度等級的硬化狀態,但是不到最高等級的硬化狀態
[5] 最高等級的硬化狀態
由前述評估結果可知,如將水銀密度設為0.26mg/mm3
以下的話,硬化狀態可成為事實上沒有問題之最低限度等級的硬化狀態,將水銀密度設為0.18mg/mm3
以下的話,可取得最高等級的硬化狀態。因此,水銀密度被要求設為0.08mg/mm3
~0.26mg/mm3
,尤其,設為0.08mg/mm3
~0.18mg/mm3
為佳。
放電燈2係從未圖示之點燈裝置供給交流驅動電流而被點燈。在交流驅動中,可實現使用壽命比直流驅動長,具有高照度的放電燈。發光部內之一對電極間的極性反轉的時機係使用能率比來表示。具體來說,作為「下側電極作為陽電極而被施加的時間」:「上側電極作為陽電極而被施加的時間」,表示能率比。
電極係有在成為陽極動作時被供給電流而溫度上升的性質。為此,藉由使下側電極進行陽極動作的時間比上側電極進行陽極動作的時間長,下側電極的溫度上升,可提升發光部之下半部的溫度。
如此一來,藉由發光部內部的對流而提升相對溫度變低之發光部之下半部的溫度,消除水銀原子較濃的狀態,降低水銀所致之短波長側(波長300nm~330nm)的吸收之影響,可提升該短波長側(波長300nm~330nm)的紫外線強度。
又,即使藉由於凹面反射鏡3的內部使冷卻空氣流通而積極冷卻放電燈2,冷卻發光部的上半部而降低溫度,可相對提升發光部之下半部的溫度。
從前面玻璃6的冷卻空氣導入口7流入至凹面反射鏡3的內部之冷卻空氣,係通過放電燈2之發光部的側面而沿著下側封止部2a流通,經由安裝於凹面反射鏡3的下端之套件4的冷卻空氣排出口8,被排出至凹面反射鏡3外。藉由此冷卻空氣,尤其可冷卻放電燈2之發光部的上半部,使下半部的溫度相對上升。
如圖2所示,將前述之光源裝置1複數個並排於橫縱方向並加以配置,構成來自該光源裝置的光朝上方射出之光照射裝置10,作為先前1個大型燈所致之光照射裝置的有效代替裝置而作用,可作為用以進行半導體裝置的製造工程或液晶顯示裝置的製造工程之曝光處理的高放射強度之光源。
揭示前述光源裝置之一數值例的話,則如下所述。
燈輸入275W,電極間距離1mm,閥外形Φ
12mm,封入水銀密度0.17mg/mm3
,氬13kPa,封入適量的鹵素,AC點燈,驅動頻率300Hz,凹面反射鏡的外徑65mm×70mm,裝置整體冷卻空氣量;4.5m3/min,於前面玻璃使用厚度3mm的石英玻璃,於中心部份開口Φ
8mm的冷卻空氣導入口。
針對由前述數值例的規格來進行實驗。以在設為能率比50:50,水平點燈時的光強度作為比較基準,針對垂直點燈時,將改變能率比與冷卻條件時的實驗結果揭示於下面表2。使用關於各波長區域的積算光量來進行比較。
再者,前述表2中針對水平點燈(能率50:50)、垂直點燈(能率50:50)、垂直點燈(能率60:40),於圖3揭示波長300~330nm的光譜分布。
以前述表2及圖3可知,將身為下側電極進行陽極動作的時間與上側電極進行陽極動作的時間之比的能率比設為60:40以上的話,可取得與水平點燈同等或其以上之光強度。
再者,在能率比60:40的條件下,可使用2000h(照度維持率70%)的燈,在能率比70:30下降低為800h而照度維持率為70%,在能率80:20則降低為120h而照度維持率70%為止。照度降低的主要要因係原因為陽極週期時間變長之下側電極的過熱,下側電極前端融溶而極間變長,光的集光性降低所致。所以,雖然大概也有燈之電極設計的影響,實際上可使用的能率比為70:30程度為止。
又,由前述表2的結果,可知即使垂直點燈也導入冷卻空氣來冷卻放電燈相較於水平點燈且不冷卻的放電燈,波長300~330nm及波長330nm~400nm的光強度會提升。
此因即使水平點燈也可藉由對流使發光部之下側的溫度降低,形成水銀的濃度較高的狀態。藉由使在垂直點燈中下側電極進行陽極動作的時間比上側電極進行陽極動作的時間長,提升下側電極的溫度之同時,藉由使冷卻空氣從放電燈上方流通至下方,尤其利用冷卻發光部的上半部,可使發光部的內部溫度分布更加保持均勻。
再者,前述內容中,所謂垂直並不僅表示在嚴密意義上的垂直,也有上方的意義。
如上所述,於由放電燈與凹面反射鏡所成的光源裝置中,藉由將凹面反射鏡的開口部朝向上方加以配置,並使光放射至上方時,使下側電極進行陽極動作的時間比上側電極進行陽極動作的時間長,利用下側電極的溫度上升,充分加熱發光部的下半部,減少與上半部的相對溫度差,使在該當部份之水銀原子的濃度平準化,可發揮抑制減少紫外線的吸收而取得充分光強度的效果。
1...光源裝置
2...放電燈
3‧‧‧凹面反射鏡
4‧‧‧套件
5‧‧‧開口部
6‧‧‧前面玻璃
7‧‧‧冷卻空氣導入口
8‧‧‧冷卻空氣排出口
10‧‧‧光照射裝置
[圖1]關於本發明之光源裝置的剖面圖。
[圖2]排列多數關於本發明之光源裝置的光照射裝置的說明圖。
[圖3]說明本發明效果的圖表。
[圖4]先前之光照射裝置的說明圖。
[圖5]組入先前之光照射裝置的曝光裝置的說明圖。
[圖6]垂直點燈光源裝置的說明圖。
[圖7]垂直點燈方式與水平點燈方式的比較圖表。
1...光源裝置
2...放電燈
2a...封止部
3...凹面反射鏡
4...套件
5...開口部
6...前面玻璃
7...冷卻空氣導入口
8...冷卻空氣排出口
Claims (5)
- 一種光源裝置,係於放電容器的內部對向配置一對電極,並且封入0.08~0.26mg/mm3 的水銀,由被交流驅動之放電燈與被組入該放電燈之凹面反射鏡所成,以前述放電燈的中心軸與凹面反射鏡的光軸方向一致之方式配置所構成的光源裝置,其特徵為:前述凹面反射鏡的開口部朝向上方而配置;前述一對電極的下側電極進行陽極動作的時間,比上側電極進行陽極動作的時間長。
- 如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置,其中,前述下側電極進行陽極動作的時間與前述上側電極進行陽極動作的時間之比,係為60:40至70:30。
- 如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置,其中,被封入前述放電容器的水銀密度係0.08~0.18mg/mm3 。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所記載之光源裝置,其中,由前述凹面反射鏡之開口部的中央吸入冷卻空氣,從凹面反射鏡的下端排出冷卻空氣。
- 一種光照射裝置,其特徵為:並排配置複數個前述申請專利範圍第1~4項中任一項所記載之光源裝置。
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