JP6006961B2

JP6006961B2 - 超高圧水銀ランプおよびこれを備えた紫外線照射装置

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Inventors: 和宣藤田; 志郎前中
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Description

本発明は２４８ｎｍ付近の波長域と３６５ｎｍ付近の波長域との光強度が両立して寿命内における光強度の維持率がそれぞれの波長域において高い超高圧水銀ランプに関する。

半導体の製造プロセスとして露光技術を利用した、いわゆるステッパーと呼ばれる装置を用いて、シリコンウエハ上に塗布されたレジストに、フォトマスクを介した紫外線を照射する露光工程があり、この露光工程が、繰り返されて微細なパターンが積層された半導体チップが製造されることが知られている。しかしながら、シリコンウエハ上には、半導体チップが多数形成される領域のほかに、利用されない周辺部が存在し、この周辺部に残存するレジストを効率的に除去することが、半導体チップ製造のスループットや歩留まり等の生産性を向上させる重要なプロセス技術であるとされている。

近年、シリコンウエハ上に形成するパターンが微細化されるにつれステッパーに搭載される紫外線源は、従来のｉ線と呼ばれる３６５ｎｍに加え、Ｋｒｆと呼ばれる２４８ｎｍの波長を有するものが採用されている。この周辺部に残存するレジストを除去する、いわゆる周辺露光装置にも、ステッパーに採用された特定の紫外線と実質的に同じ波長の紫外線源を搭載する必要がある。

かかる周辺露光装置に搭載される紫外線源の代表例として、超高圧水銀ランプが用いられている。この超高圧水銀ランプは、半導体の製造プロセスに使用される機器のひとつの構成部材として、一般的な産業機器の水準を超える次のような条件が求められる。すなわち、計画的なメンテナンス期間を除き原則として２４時間稼働を前提とするため長期の連続点灯が必要であり、またメンテナンスの実施間隔の延長化やコスト削減のため、長期の連続使用に耐える長寿命であって、さらに寿命までの使用期間全体に亘り比較的安定した強度を継続的に供給することが求められている。

すなわち、このような周辺露光装置に搭載される最新の超高圧水銀ランプに求められる能力は、ステッパーに採用される異なる波長の紫外線源に対して、１種類のランプによってカバーできるよう約２３０ｎｍ〜２９０ｎｍ（以下、２４８ｎｍ付近という）の波長域の所定以上の光強度と、約３３０〜４００ｎｍ（以下、３６５ｎｍ付近という）の波長域の所定以上の光強度とが両立し、寿命内における強度の維持率（寿命までの使用期間後の強度と初期強度との比）が、それぞれの波長域において高く、ランプとして長寿命であること、例えば、３０００時間使用後の最低保証強度が具体的に求められるようになっている。

一般に、超高圧水銀ランプには定電力制御による電源が採用された紫外線照射装置が用いられる。この定電力制御の電源が採用される理由は、超高圧水銀ランプにおいては、点灯時間に応じて電極損耗により電極間の距離が延びることを想定する必要があり、定電流制御による電源を用いた場合、電極間の距離が延びると点灯電力が増大することから、ランプの寿命時間内にランプに対して設計値を超える電力が供給されることを防止するためである。

従来、そのバルブ内に水銀が封入される超高圧水銀ランプは、水銀の輝線スペクトルである３６５ｎｍ付近の波長の光が主に利用され、ランプ自体の性能評価も、この波長域の光の初期強度や強度維持率の向上に目が向けられてきた。特許文献１には、超高圧水銀ランプにおいて２４８ｎｍ付近の波長の光の強度を高める試みとして、バルブ内に封入する単位容積あたりの水銀封入量と希ガスとしてキセノン、クリプトン、アルゴンガスの封入量とを制御することが開示されている。

実用新案登録第３１６５７３１号公報

しかしながら、２４８ｎｍ付近の強度を高めることのみに着目することにより、例えば、水銀封入量を２０ｍｇ／ｃｃとした場合には、３６５ｎｍ付近の波長域における初期強度が不足し、上述した２４８ｎｍ付近の波長域の所定以上の光強度と３６５ｎｍ付近の波長域の所定以上の光強度とを両立することは困難であり、まして、それぞれの波長域における光強度の維持率を長期の寿命内において高くするとの着眼もなく、その効果自体も大きく不足しており、現在の産業上の実用に適さないとの問題を有していた。

本発明は、以上の事情に基づいてなされたものであり、その課題は２４８ｎｍ付近の波長域の所定以上の光強度と、３６５ｎｍ付近の波長域の所定以上の光強度とが両立し、寿命内における光強度の維持率が、それぞれの波長域において高く、長寿命の超高圧水銀ランプを提供すること、および、これを搭載した紫外線照射装置を提供することである。

なお、本発明は、課題・手段・効果を明確に説明するために、周辺露光装置に搭載される紫外線照射装置、およびこの紫外線照射装置に取り付けられる超高圧水銀ランプを取り上げているが、その他の半導体製造、電子機器・電子部品製造等における紫外線を用いた露光・硬化・光洗浄等、２４８ｎｍ付近および３６５ｎｍ付近の波長域の紫外線を共用する、または、１つのランプを用いてこれらの波長域の光を使い分ける必要があるような精密な光照射を必要とする分野にも適用可能な技術思想である。

本発明に係る第１の観点による超高圧水銀ランプは、
定電力制御電源に接続されて使用され、
密閉され所定の容積を備えるバルブ部を有し
前記バルブ部内に同軸上に対向するよう所定の電極間距離をもって配置される陽極および陰極を備え、
さらに２００〜３３０Wのランプ定格を有する主に紫外線を放射する超高圧水銀ランプであって、
前記バルブ部内に、少なくとも水銀およびキセノンガスが封入され、
前記水銀の封入量が、前記容積１ｃｃあたり３０〜４０ｍｇの範囲であり、
前記キセノンガスの封入圧が、０．１〜５．０ａｔｍの範囲であり、
前記電極間距離は、２．２〜２．４ｍｍの範囲であり、
点灯時のランプ電流値が５．０A〜７．０Aの範囲であることを特徴とする超高圧水銀ランプである。

[ランプ定格]
本発明に係る第２の観点による超高圧水銀ランプは、そのランプ定格が２００W〜３３０Wの範囲であることを前提とする。さらに、第３の観点による超高圧水銀ランプは、前記したランプ定格に応じた定電力電源により制御されることにより実現される。本発明者は多数の実証実施を繰り返し、以下に掲げる超高圧水銀ランプを構成する技術要素を特定するものである。

[水銀量]
本発明に係る超高圧水銀ランプのバルブに封入される水銀量は、以下のとおり定義される。

水銀量は、３６５ｎｍ付近の波長域の光強度の観点から見れば、単位容量（１ｃｃ）あたり、６０ｍｇ程度の上限までは、封入量が多いほど光強度が高くなる。一方、２４８nm付近の波長域の光強度の観点から見ると、単位容量あたりの量を３６５ｎｍ付近の波長域の光強度が最大となる封入量と比較すると、著しく少なくすることによりその光強度は増加する傾向がある。例えば、２４８ｎｍ付近の波長域の光強度のみを高める観点では、他の構成要素とのバランスに影響されるが、１５ｍｇ／ｃｃ程度を封入した場合、最大値を取得している。しかしながら、この１５ｍｇ／ｃｃ程度の封入量では、課題の一部とする３６５ｎｍ付近の波長域の所定以上の光強度を確保することができない。

この水銀量は、他の構成要素とのバランスに影響されるが、封入量が少ないと、ランプ電流値が大幅に上昇したり、バルブの点灯時内圧が不足することでアークが広がるため、陰極先端において広範囲で損耗が促進し、特に寿命末期にチラツキなどの問題を生じるなど安定的な点灯に悪影響を及ぼしたりする。さらに、封入量の多寡により、ランプの点灯時電圧にも相応の影響を及ぼすものである。

本発明に係る超高圧水銀ランプにおいて、この水銀量は、好ましくは、３０~４０ｍｇ／cm^３とすることであり、下限を下回ると３６５ｎｍ付近の波長域の光強度が所定値に達せず、またランプの点灯時電圧が低下することで電流値が上昇し光強度維持率を低下させる要因となり、上限を超えると２４８ｎｍ付近の波長域の光強度が所定値に達しないため好ましくない。そして、さらに３４〜３８ｍｇ／cm^３とすることがさらに好ましい。この範囲の封入量とすることにより、後述するガス圧と電極間距離とにより定まるランプの点灯時電圧を好適な範囲に収めることにより、後述するランプの点灯時電流値を好適な範囲に収れんし、光強度維持率の高いランプの実現に寄与する。

[キセノンガス]
超高圧水銀ランプのバルブ内に、一般的に封入されるキセノン、アルゴン、クリプトン等の希ガスのうち、本発明に係る超高圧水銀ランプが、キセノンガスを取り上げて封入する技術的意義を以下に述べる。

本発明者は、多数の実証実施を経て光強度の維持率を、ランプ寿命内において高く維持するための技術的要素として、点灯時の電極、とりわけ陰極の温度を低く抑えることが電極の損耗量を低減するうえで、極めて重要であるとの見識に立ち、超高圧水銀ランプのバルブ内に封入する希ガス種の適性について考察を行った。

このような観点より、本発明者は、希ガスが有する電離電圧と熱伝導率（１０^-4W／cm／K）に着目した。すなわち、電離電圧は高いほど、点灯時のアーク内の温度が高くなる傾向があり、熱伝導率は低いほど、アーク内から放射される熱が陰極に伝播しにくいことを見出し、電離電圧が１２．１eVと、クリプトンガス（１４．０eV）やアルゴンガス（１５．８eV）よりも低いキセノンガスが点灯時のアーク内の温度を低減することに寄与すること、さらに、熱伝導率が０．５０と、他のガスよりも比較的低い（クリプトン０．８８、アルゴン１．６３）キセノンガスがアークから放射される熱の伝播を低く抑えることができることから、封入するガスをキセノンガスとしたものである。

しかしながら、このキセノンガスは、クリプトンガスやアルゴンガスと比して、放電を開始させる為の絶縁破壊電圧が比較的高くなるとの物性を有することから、後述するガス圧を考慮して電源の制御条件を好適な範囲に収める課題を残している。

[ガス圧]
本発明に係る超高圧ランプのバルブに封入されるキセノンガスのガス圧は、以下のとおり定義される。すなわち、キセノンガスは、０．１ａｔｍ〜５．０ａｔｍの範囲とすることがより好ましい。キセノンガス圧は、３６５ｎｍ付近の波長域の光強度を高める観点より見ると、前記した範囲においては封入圧が高いほど、光強度が高くなる傾向を示す。

一方、２４８ｎｍ付近の波長域の光強度を高める観点より見ると、下限値である０．１ａｔｍまでの範囲においては、封入圧が低いほど、光強度が高くなる傾向を示し、３６５ｎｍ付近の波長域の光強度を高める観点とは相反する実態を呈する。

さらに、ガス圧は、上述したより好ましい範囲とすることにより、水銀量と後述する電極間距離とにより定まるランプの点灯時電圧を好適な範囲に収めることにより、後述するランプの点灯時電流値を好適な範囲に収れんし、光強度維持率の高いランプの実現に寄与する。

[電極間距離]
電極間距離は、バルブ内に同軸上に対向して配設される陽極と陰極の両先端部間の距離を指す。

一般的に、周辺露光装置に搭載される光源には、超高圧水銀ランプから放射される光の輝点を第一焦点とし、その光を受光し、外部の被照射物に光を伝導する導光体に設けられる入射面を第二焦点とする集光楕円ミラーが採用されることから、電極間距離は短いほど、放射される光が第二焦点において集光され、単位面積あたりの光強度は高くなり、長いほど集光度が低減し、入射面以外の領域にも多くの光が散乱し、単位面積あたりの光強度は低くなり、ランプから放射される光の利用効率が下がる。

従来の超高圧水銀ランプにおいて、一般に採用される電極間距離は、２．０ｍｍとされているが、本発明に係る超高圧水銀ランプの電極間距離は、２．２ｍｍ〜２．４ｍｍとすることが好ましい。電極間距離を拡げることにより初期の単位面積あたりの光強度は低下するが、ランプ点灯時電圧を増加させ電流値を下げることにより、電極の損耗量を低減し、寿命内の光強度維持率を向上させ、所定の光強度を従来よりも長時間維持することが可能になる。一方、電極間距離が２．４ｍｍを超える場合は初期の単位面積あたりの光強度の低下が大きく、光強度維持率の向上を踏まえても所定の光強度を維持できないため好ましくない。電極間距離は２．２ｍｍ〜２．４ｍｍの範囲内で水銀量と希ガス圧とにより定まるランプの点灯時電圧を好適な範囲に収めることにより、後述するランプの点灯時電流値を好適な範囲に収れんし、光強度維持率の高いランプの実現に寄与する。

[点灯時ランプ電流値]
発明者は、多数の実証実施により、本発明に係る超高圧水銀ランプの点灯時電流値が、ランプの光強度維持率に大きな影響を及ぼすことを見出した。すなわち、本発明に係る点灯時電流値は、５．０A〜７．０Aの範囲に収まるよう超高圧水銀ランプを構成することが好ましい。定電力制御の電源を用いて、この超高圧水銀ランプを点灯する場合、上記した範囲の電流値における点灯を実現するようランプ点灯時電圧を水銀量、希ガス圧、電極間距離により制御することが必要である。

点灯時電流値が、下限５．０Aを下回ると、アーク放電が安定せずチラツキが発生するなどの弊害を生じる。一方、上限７．０Aを上回ると、電極の温度が上昇することから電極の損耗が促進され、チラツキを発生したり、電極から蒸発した浮遊物が、ランプのバルブ部内面に付着することにより、放射される光の透過率が低下したり、電極間距離の拡大が促進されることにより集光効率が低下したりすることで光強度維持率の低下現象を生じることが確認された。さらに、このランプの点灯時電流値は、ランプ定格が２００W〜３３０Wの間の本発明に係る超高圧水銀ランプに連続的に適用可能である。

さらに、点灯時のランプ電流値が、５．５Ａ以上６．５Ａ以下に収まるよう超高圧水銀ランプを構成することがより好ましい。この電流値範囲で点灯されたランプは、その光強度維持率が、表１に示されるとおり、極めて高く最も実用性の高い超高圧水銀ランプを提供することが可能である。

このような格別な作用効果を示す要因は、必ずしも明らかではないが、封入されたキセノンガスの有する電離電圧の低さと熱伝導率の低さから、電極材料であるトリエーテドタングステンに与える熱的な影響を極めて低く抑えることにより、ランプ寿命全体に亘り、電極材料の損耗量を低減させていることによるものと推測される。

[所定光強度]
本発明に係る所定強度とは、周辺露光装置に搭載される光源に設けられる導光体の入射面における、周辺露光装置の作動に最小限求められる超高圧水銀ランプの紫外線強度であり、設計寿命内において維持されなければならない光強度である。

例えば、２４８ｎｍ付近：１３００ｍW／cm²以上、３６５ｎｍ付近：３５００ｍW／cm²以上の光強度を意味する。

上記の各強度値は、紫外線強度測定器として、ウシオ電機株式会社製・本体：ＵＩＴ−２５０、受光器：UVD−S３６５、UVD−S２５４を用いる。超高圧水銀ランプは、後述する紫外線照射装置１００に装着され、それぞれのランプ定格に応じた電力を供給して点灯させる。この超高圧水銀ランプより放射された光を、紫外線照射装置１００に装着された石英ファイバを用いたライトガイド（結束径：φ５ｍｍ・長さ：１０００ｍｍ）の入射面で受光し、その出射面から１０ｍｍの位置に前述の受光器を正対させて、それぞれ測定した強度値である。

また、本発明に係る第４の観点による超高圧水銀ランプは、放射される紫外線のうち、２４８ｎｍ付近の光（具体的には、約２３０〜２９０ｎｍの波長域）と、３６５ｎｍ付近の光（具体的には、約３３０〜４００ｎｍの波長域）とが、従来の同種のランプと対比して、極めてバランスされている。上記した第１〜第３の観点による超高圧水銀ランプは、２４８ｎｍ付近の光が、３６５ｎｍ付近の光に対して、それぞれの波長域でのｅＶ積算値において、少なくとも４０％以上であるとの技術的特徴を有するものである。

半導体製造に用いられるレジストは、照射された紫外線（光）によって、レジストの構造が化学変化を起こし、その溶融性が変化する。周辺露光によるレジストの除去もこの作用を利用している。この化学変化は、光強度だけでなく光子の持つエネルギーの影響を強く受ける。このことから効率的なレジスト除去を実現する手段として、それぞれの波長域の光が有する光子のエネルギー（ｅＶ）を重視して超高圧水銀ランプから放射される紫外線（光）のバランスを制御し、前記した各波長域でのｅＶ積算値を評価、特定することは、技術的な意義が極めて大きい。

[光強度維持率]
本発明に係る超高圧水銀ランプにおける光強度維持率とは、周辺露光装置に搭載される光源に設けられ超高圧水銀ランプの輝点を第一焦点とする集光楕円ミラーにおいて、その光を受光し外部の被照射物に光を伝導する導光体の入射面が設けられる第二焦点における、所定時間使用後、具体的には、設計寿命時間使用時点での３６５ｎｍ付近の波長域および／または２４８ｎｍ付近の波長域の紫外線強度とそれぞれの波長域における初期強度を比したものであり、高い光強度の維持率とは、一例として、３０００時間経過後の３６５ｎｍ付近の波長域の場合、約７２％（比較例１；約５０％）であり、２４８ｎｍ付近の波長域の場合、約５９％（比較例１：約３２％）であることを意味する。

本発明にかかる超高圧水銀ランプ１０の概略構成図である。本発明に係る紫外線照射装置１００の概略構成図である。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一の実施形態および比較例における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一の実施形態および比較例における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一の実施形態および比較例における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一の実施形態および比較例における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一〜第三の実施形態における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一〜第三の実施形態における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一〜第三の実施形態における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一〜第三の実施形態における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第四、第五の実施形態における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第四、第五の実施形態における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第四、第五の実施形態における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプのおよび第四、第五の実施形態における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第六の実施形態における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第六の実施形態における使用時間ごとの２４８ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第六の実施形態における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度推移グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの第一および第六の実施形態における使用時間ごとの３６５ｎｍ付近の強度維持率グラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの実施形態および比較例における点灯時電流値と３０００時間後の２４８ｎｍ付近の光強度維持率との関係を示したグラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの実施形態および比較例における点灯時電流値と３０００時間後の３６５ｎｍ付近の光強度維持率との関係を示したグラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの水銀封入量と２４８nm付近および３６５nm付近の光強度の関係を示したグラフである。本発明に係る超高圧水銀ランプの分光分布を示したグラフである。

以下、図面に基づき、本発明に係る超高圧水銀ランプおよびこれを搭載した紫外線照射装置について説明する。なお、本実施の形態においては、以下の順序で項分けして説明を行う。

１．超高圧水銀ランプの構成（各実施形態に共通）
２．紫外線照射装置の構成（各実施形態に共通）
３．第一の実施形態
４．比較例１
５．比較例２
６．考察
７．第二の実施形態
８．第三の実施形態
９．第四の実施形態
１０．第五の実施形態
１１．ランプのまとめ
１２．第六の実施形態（紫外線照射装置）
＜１．超高圧水銀ランプの構成＞
本発明に係る超高圧水銀ランプの全体構成を、その概略構成図である図１を用いて説明する。

図１に示すとおり、本実施形態において、例に挙げる超高圧水銀ランプ１０は、バルブ部１１と、バルブ部１１内に同軸上に対向するよう電極間距離Ｇとして配置される陽極１２ａおよび陰極１２ｂとを備える。陽極１２ａを構成する材料はタングステンであり、陰極１２ｂを構成する材料は、例えば、トリエーテッドタングステンを用いることができる。

また、バルブ部１１の内部には、容積１ｃｃあたり所定量の水銀（不図示）と、所定の封入圧のキセノンガス(不図示)が封入されて構成される。

さらに、バルブ部１１より連続して同軸上に延伸するガラス棒状部の封止部13の内部には、モリブデンの電気伝導箔14が配置されており、電気伝導箔14のバルブ部側端には電極（陽極１２a、陰極１２b）が溶接して接続されている。電気伝導箔14のもう一方の端には外部リード１５が溶接して接続されており、外部リード15は封止部13から一部が露出するよう設置されている。

この超高圧水銀ランプ１０は、端部に固定や通電の為の口金やリード線などを付属するなどして、図２に示す、後述する定電力の電源・制御部２４を備える紫外線照射装置１００・１０１に取り付けられ、点灯時には所定の電流値を示すものである。

<２．紫外線照射装置の構成>
次に、本発明に係る紫外線照射装置の全体構成を、その概略構成図である図２を用いて説明する。

紫外線照射装置１００は、超高圧水銀ランプ１０を固定するランプホルダ２１と、ランプ１０より放射される光を集光する楕円ミラー２２と、ランプホルダ２１と楕円ミラー２２とを共に所定の位置関係となるよう支持する支持台２３と、ランプ１０に所定の電力を投入する電源・制御部２４とにより構成される。

さらに、これらを収容する外筐体２９は、ランプホルダ２１の背面側の外側面に開口を有し、強制冷却を行う排風ファン２５が設けられ、楕円ミラー２２の開口側の外側面に開口を有し、ランプ１０より放射された光を受光する導光体２６およびその受光面２６ａを保持固定する導光体ホルダ２６が設けられる。

また、導光体ホルダ２７の近傍には、不図示のメカニカル絞りやメカニカルシャッタを設けて、ランプ１０から放射される光を選択的に透過・遮断して、導光体２６の受光面２６ａに到達する光強度を制御することも可能である。

放電ランプ１０は、外筐体２９に設けられる不図示の交換扉から外筐体２９内に持ち込まれ、楕円ミラー２２の上面に設けられる開口２２ａを貫通して、その上方に設けられるランプホルダ２１と嵌合して保持固定される。

この照射装置１００は、放電ランプ１０がランプホルダ２１により所定の位置に保持固定されることにより、楕円ミラー２２が有する第一焦点Ｆ１に、放電ランプ１０の輝点が位置するよう、第二焦点Ｆ２に、導光体２６の受光面２６ａが位置するよう予め精密に調整される。

なお、導光体２６は、多数の光ファイバを束ねたファイバライトガイド、単一のガラスロッドや所定の集光・配光性能を備える筐筒に収容されたレンズ群などを採用することができる。ここで、紫外線照射装置１００に電力を投入して作動させる。なお、電源・制御部２４よりランプ定格に応じた一定の定電力を供給するよう電源出力は予め調整されている。

上記した共通する超高圧水銀ランプ１０及び紫外線照射装置１００の構成に基づき、以下に本発明の超高圧水銀ランプの実施形態について説明する。

＜３．第一の実施形態＞
本発明による超高圧水銀ランプとして、本実施形態に係るランプ３０の構成は、以下のとおりである。

ランプ定格：２５０Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：３６ｍｇ／ｃｃ
封入キセノンガス圧：０．２ａｔｍ
電極間距離：２．３ｍｍ
上記により構成されるランプ３０を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ３０に所定電力：約２４９Ｗを掛けて点灯させた。この点灯させたランプ３０の点灯時電流値をクランプテスタ（ＣＬ２２０：横河メータ＆インスルメンツ株式会社製）を用いて計測したこところ、その値は、６．３Ａであった。

また、このランプ３０の使用開始時点の紫外線強度を、紫外線強度計：ＵＩＴ−２５０、受光器：UVD−S３６５、UVD−S２５４（いずれも、ウシオ電機株式会社製）を用いて、照射装置には導光体として、石英ファイバを用いたライトガイド（結束径：φ５ｍｍ、長さ：１０００ｍｍ、照射面から受光器までの距離１０ｍｍ）を装着して計測したところ、２４８ｎｍ付近においては２４６０ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、５４５５ｍＷ／cm²であった。

さらに、ランプ３０から放射された光の分光分布を分光放射照度計ＵＳＲ−４０（ウシオ電機株式会社製）を用いて、１ｎｍピッチで測定した。この測定結果を、図２２に示す。測定された２３０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長域（２４８ｎｍ付近）と３３０ｎｍ〜４００ｎｍの波長域（３６５ｎｍ付近）で、各波長の測定値に対して、その波長のｅＶ単位でのエネルギーを乗じ、それらの値を積算し波長域ごとにｅＶ積算値を求めた。２４８ｎｍ付近の光のｅＶ積算値は、３６５ｎｍ付近の光のｅＶ積算値に対し、約５０％であることが確認された。

そして、このランプ３０を連続して３０００時間点灯させ、使用開始後５００・１０００・１５００・２０００・２５００・３０００時間経過後の２４８ｎｍ付近と３６５ｎｍ付近、それぞれの波長域における紫外線強度を計測し、この結果をまとめて、図３および図５に示す。また、それぞれの時間経過後の紫外線強度と使用開始時点での紫外線強度とを比較し、強度維持率を算定し、この結果をまとめて、図４および図６に示す。

このランプ３０の３０００時間点灯後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１４５１ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で３９２８ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が５９．０％であり、後者が７２．０％であった。

＜４．比較例１＞
次に従来の技術に基づく超高圧水銀ランプの比較検証のため、ランプ５０として以下の構成を用いた。このランプ５０は、２４８ｎｍ付近の波長域の初期強度を重視して、水銀封入量を比較的少なくし、封入ガスとしてアルゴンガスを採用したものである。

ランプ定格：２５０Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：３０ｍｇ／ｃｃ
封入アルゴンガス圧：０．２６ａｔｍ
電極間距離：２．０ｍｍ
上記により構成されるランプ５０を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ５０に所定電力：２５０Ｗを掛けて点灯させた。

このランプ５０を、第一の実施形態と同じ条件にて測定したところ、点灯時電流値は、８．１Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては３４６０ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、５７１８ｍＷ／cm²であった。

また、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１１１８ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で２８７６ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が３２．３％であり、後者が５０．３％であった。

＜５．比較例２＞
本発明の実証実施の過程において確認された比較例２をランプ５１として以下の構成とした。

ランプ定格：２５０Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：２０ｍｇ／ｃｃ
封入アルゴンガス圧：０．２６ａｔｍ
電極間距離：２．３ｍｍ
上記により構成されるランプ５１を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ５１に所定電力：２５０Ｗを掛けて点灯させた。

このランプ５１を、第一の実施形態と同じ条件にて測定したところ、点灯時電流値は、８．６Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては２８０７ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、４４９２ｍＷ／cm²であった。

また、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において５８７ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で１９１４ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が２０．９％であり、後者が４２．６％であった。

＜６．考察＞
ここで、第一の実施形態、比較例１、および比較例２の測定結果を対比すると、それぞれの波長域における３０００時間経過後の紫外線強度の実測値に大きな差が観測された。第一の実施形態は、点灯開始時点の紫外線強度が２４８ｎｍ付近では比較例1および比較例2よりも、３６５ｎｍ付近では比較例1よりも低いにも拘わらず、３０００時間後の紫外線強度は波長域の双方において比較例1および比較例2よりも高いことが観測された。

周辺露光装置に搭載される紫外線照射装置用超高圧水銀ランプは、例えば、ある特定の周辺露光装置に求められる３０００時間使用後に必要とされる紫外線強度が、２４８ｎｍ付近において、１３００ｍＷ／cm²、３６５ｎｍ付近において、３５００ｍＷ／cm²である。

周辺露光装置の安定した稼働を実現するために、仮に使用開始時点でより多くの光が供給できる場合でも、設定寿命末期の光強度に合せて装置を設計する思想を採用している。このため、使用開始時点で、余ることになる必要強度以上の光は、紫外線照射装置内部に設けられたメカニカル絞りにより減光されることになり利用されない。

この性能必要条件を、上述した３例に当てはめると、第一の実施形態のランプ３０は、寿命４０００時間に達するのに対し、使用時間ごとの強度測定結果を示す図３および図５のグラフから読み取ると、３６５ｎｍ付近の波長域の光強度の劣化が大きいことから、比較例１におけるランプ５０は、その寿命は、わずかに約１０００時間程度に止まり、比較例２におけるランプ５１では、約５００時間程度である。

したがって、寿命時間を比率で表すと、本発明に係る超高圧水銀ランプは、従来の技術に基づく超高圧水銀ランプよりもそれぞれ４．０倍、８．０倍の長寿命化という格別の作用効果を実現している。

＜７．第二の実施形態＞
本発明による超高圧水銀ランプとして、この第二の実施形態に係るランプ３１の構成は、以下のとおりである。このランプ３１は、第一の実施形態におけるランプ３０と比較して、キセノンガスの封入ガス圧を高くしている。

ランプ定格：２５０Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：３６ｍｇ／ｃｃ
封入キセノンガス圧：５．０ａｔｍ
電極間距離：２．３ｍｍ
上記により構成されるランプ３１を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ３１に所定電力：２５０Ｗを掛けて点灯させた。

このランプ３１を、第一の実施形態と同じ条件にて測定したところ、点灯時電流値は、６．０Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては２１６４ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、５８９１ｍＷ／cm²であった。

また、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１３３５ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で４３４８ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が６１．７％であり、後者が７３．８％であった。

＜８．第三の実施形態＞
本発明による超高圧水銀ランプとしてこの第三の実施形態に係るランプ３２の構成は、以下のとおりである。このランプ３２は、第一の実施形態におけるランプ３０と比較して、電極間距離を拡げている。

ランプ定格：２５０Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：３６ｍｇ／ｃｃ
封入キセノンガス圧：０．２ａｔｍ
電極間距離：２．４ｍｍ
上記により構成されるランプ３２を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ３２に所定電力：２５０Ｗを掛けて点灯させた。

このランプ３２を、第一の実施形態と同じ条件にて測定したところ。点灯時電流値は、６．１Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては２２６３ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、５２９１ｍＷ／cm²であった。

また、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１３８５ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で３９２１ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が６１．２％であり、後者が７４．１％であった。

＜９．第四の実施形態＞
本発明による超高圧水銀ランプとしてこの第四の実施形態に係るランプ３３の構成は、以下のとおりである。このランプ３３は、第一の実施形態におけるランプ３０と比較して、ランプ定格を増大して３００Ｗとし、水銀封入量を増している。

ランプ定格：３００Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：４０ｍｇ／ｃｃ
封入キセノンガス圧：０．２ａｔｍ
電極間距離：２．３ｍｍ
上記により構成されるランプ３３を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ３３に所定電力：３００Ｗを掛けて点灯させた。

このランプ３３を、第一の実施形態と同じ条件にて測定したところ、点灯時電流値は、７．０Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては２７７８ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、６７７６ｍＷ／cm²であった。また、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１４４７ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で４４７２ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が５２．１％であり、後者が６６．０％であった。

＜１０．第五の実施形態＞
本発明による超高圧水銀ランプとしてこの第五の実施形態に係るランプ３４の構成は、以下のとおりである。このランプ３４は、第一の実施形態におけるランプ３０と比較して、ランプ定格を下げて２００Ｗとしている。

ランプ定格：２００Ｗ
バルブ部容積あたりの水銀封入量：３６ｍｇ／ｃｃ
封入キセノンガス圧：０．２ａｔｍ
電極間距離：２．３ｍｍ
上記により構成されるランプ３４を、紫外線照射装置１００に取付け、電源制御部２３よりランプ３４に所定電力：２００Ｗを掛けて点灯させた。

このランプ３６を、第一の実施形態と同じ条件にて測定したところ、点灯時電流値は、５．２Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては１９６８ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、４３６４ｍＷ／cm²であった。

また、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１３３４ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で３５４４ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が６７．８％であり、後者が８１．２％であった。

＜１１．超高圧水銀ランプのまとめ＞
従来は２４８ｎｍ付近および３６５ｎｍ付近の光強度を所定強度以上に長時間維持するための方法として、一般的に初期光強度を高める手法が取られてきたが光強度維持率の低下により十分な寿命延長の効果は得られなかった。今回、第一〜第五の実施形態および比較例１、２の結果から光強度維持率と電流値に相関があることが確認された（図１９、図２０）。この結果より電流値を７．０Ａ以下とすることで３０００時間経過後の光強度維持率を２４８ｎｍ付近においては約５０％以上、３６５ｎｍ付近においては約６０％以上で維持できることが可能であり、電流値７．０Ａ以下を満たす範囲内で水銀封入量やキセノンガス封入圧、電極間距離の設定を行なうことで３０００時間以上の長寿命化を実現できることが確認された。

＜１２．第六の実施形態＞
本発明に係る紫外線照射装置を、第六の実施形態として以下説明する。この紫外線照射装置は、＜２．紫外線照射装置の構成＞による紫外線照射装置１００のうち、定電力を供給するとした電源・制御部２３を、供給電力を電圧又は電流により変動可能なものと置き換え、さらに点灯時間に応じて、適宜、供給電力を増減できるプログラム制御機能を加えて紫外線照射装置１０１とし、本発明による超高圧水銀ランプとして、第一の実施形態によるランプ３０を取り付けて構成した。

この紫外線照射装置１０１を作動させ、ランプ３０にランプ定格２５０Ｗよりもやや低い約２２５Ｗの電力を供給し、ランプを点灯させた。

このランプ３０を、第一の実施形態と同じ測定条件にて測定したところ、点灯時電流値は、５．８Ａであり、使用開始時点の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近においては２２１４ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近においては、４９０９ｍＷ／cm²であった。

連続的に点灯する過程で、使用時間３０００時間までは、点灯時間５００時間ごとに供給する電力をランプ定格の約５Ｗずつ増加させるプログラム制御（３０００時間以降は、ランプ定格の２５０Ｗを維持）を行い、点灯させ、３０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１５５２ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で４０３５ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が７０．１％であり、後者が８２．２％であった。

さらに点灯を続け、５０００時間経過後の紫外線強度は、２４８ｎｍ付近において１３７９ｍＷ／cm²であり、３６５ｎｍ付近で３６７２ｍＷ／cm²であった。それぞれの強度維持率は、前者が６２．３％であり、後者が７４．８％であった。

前述したとおり、ある特定の周辺露光装置に搭載される寿命末期の紫外線強度の要求仕様値、２４８ｎｍ付近において、１３００ｍＷ／cm²、３６５ｎｍ付近において、３５００ｍＷ／cm²であることから、ランプ寿命を５０００時間に延命化することができる。

ここで、この第六の実施形態に基づく使用時間ごとの紫外線強度の推移を示す図１１および図１３のグラフを用いて説明を行う。図１１および図１３は、第一の実施形態および第六の実施形態のそれぞれの使用時間５００時間ごとの２４８ｎｍ付近および３６５ｎｍ付近の紫外線強度の測定値をプロットして作表したものである。

ここで、２４８ｎｍ付近の波長域の光に求められる１３００ｍＷ／cm²の値、および３６５ｎｍ付近の波長域の光に求められる３５００ｍＷ／cm²の値に水平線を付すと、この線よりも上に存在する光強度は、照射装置内部に設けられるメカニカル絞りにより減光（熱などに変換）されるため利用されない。第六の実施形態は、第一の実施形態と比較すると、寿命にして約１．２５倍（５０００時間：４０００時間）と極めて大きな相違を生じ、消費電力の点においても平均で１０％以上低く低減でき、長寿命化により電極に使用されるレアメタルである：タングステンの使用量を抑えことができ、長寿命化により廃棄物サイクルをも長期化できることから、極めて耐環境性にも優れた作用効果を奏するものである。

１０・３０~３４・５０・５１・・・・・・超高圧水銀ランプ
１１・・・・・・バルブ部
１２ａ・・・・・陽極
１２ｂ・・・・・陰極
１３・・・・・・封止部
１４・・・・・・電気伝導箔
１５・・・・・・外部リード
１００・１０１・・・・紫外線照射装置

Claims

定電力制御電源に接続されて使用され、
密閉され所定の容積を備えるバルブ部を有し
前記バルブ部内に同軸上に対向するよう所定の電極間距離をもって配置される陽極および陰極を備え、
さらに所定のランプ定格を有する主に紫外線を放射する超高圧水銀ランプであって、
前記バルブ部内に、少なくとも水銀およびキセノンガスが封入され、
前記水銀の封入量が、前記容積１ｃｃあたり３０〜４０ｍｇの範囲であり、
前記キセノンガスの封入圧が、０．１〜５．０ａｔｍの範囲であり、
前記電極間距離は、２．２〜２．４ｍｍの範囲であり、
点灯時のランプ電流値が５．０A〜７．０Aの範囲であることを特徴とする超高圧水銀ランプ。
前記ランプ定格が２００W〜３３０Wであることを特徴とする請求項１に記載の超高圧水銀ランプ。
前記ランプ定格に応じた定電力電源により制御されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超高圧水銀ランプ。
前記紫外線は、その放射強度において、２３０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長域の光が、３３０ｎｍ〜４００ｎｍの波長域の光に対し、それぞれの波長域でのｅＶ積算値の比において、４０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の超高圧水銀ランプ。
前記２３０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長域の光および前記３３０ｎｍ〜４００ｎｍの波長域の光の３０００時間使用後の強度維持率が、前記２３０ｎｍ〜２９０ｎｍの光において５０％以上、前記３３０ｎｍ〜４００ｎｍの波長域の光において６０％以上であることを特徴とする請求項４に記載の超高圧水銀ランプ。
２３０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長域の光および３３０ｎｍ〜４００ｎｍの波長域の光の３０００時間使用後の強度維持率が、前記２３０ｎｍ〜２９０ｎｍの光において５０％以上、前記３３０ｎｍ〜４００ｎｍの波長域の光において６０％以上であることを特徴とする請求項３に記載の超高圧水銀ランプ。
請求項１〜６のいずれかの超高圧水銀ランプを備えた紫外線照射装置。