KR20020069095A - 쇼트-아크형 방전등 - Google Patents

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KR20020069095A
KR20020069095A KR1020010068181A KR20010068181A KR20020069095A KR 20020069095 A KR20020069095 A KR 20020069095A KR 1020010068181 A KR1020010068181 A KR 1020010068181A KR 20010068181 A KR20010068181 A KR 20010068181A KR 20020069095 A KR20020069095 A KR 20020069095A
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세리자와 이즈미
미야자와 마사아키
후지모리 아키요시
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주식회사 오-쿠 제작소
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Abstract

본 발명의 목적은 IC의 노광장치 등에 사용되는 쇼트-아크형 방전등의 긴 수명화를 나타내기 위해서, 고발광효율과 양호한 조도안정성을 실현하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 발광관(1)의 내부(21)에 수은과 희석가스를 봉입하고, 상기 봉입된 희석가스로서 크세논, 크립톤 또는 아르곤 등의 비교적 고분자량의 희석가스에 헬륨 또는 네온 등의 비교적 저분자량의 희석가스를 체적비 5% 내지 40%로 혼합하고, 상온에서의 압력을 2기압 이상으로 한다. 또한, 양극(3)은 원주상의 몸체부(14)와 테이퍼부(13)과, 평평한 선단부(12)로 구성된다.

Description

쇼트-아크형 방전등{SHORT-ART DISCHARGE LAMP}
본 발명은 방전등, 보다 바람직하게는 반도체 집적회로(IC) 등의 노광장치에 사용되는 높은 안정성과 함께 긴 수명을 갖는 쇼트-아크형 방전등에 관한 것이다.
IC 제조공정에는 다양한 기술을 필요로 한다. 그중 하나가 노광기술이다. 자외선 등의 광선 조사에 의해 경화하는 레진(수지)을 사용해서, 반도체 기판(substrate)상에 희망하는 패턴을 형성한다. 이와 같은 전자 다바이스의 제조공정에서 사용하는 노광장치에는 일반적으로 쇼트-아크형 방전등이 사용되고 있다. 이들 중에서도 최근의 IC 디바이스의 고집적화에 따라서, 방사파장이 짧은 약 365㎚의 i선을 효율좋게 발생하는 방전등이 주류를 이루고 있다.
IC 기술의 진보가 매우 빠르기 때문에, IC 제조에는 설비투자가 크고, 동시에 가격경쟁이 매우 치열하다. 따라서, 제조비용의 저하가 IC 메카의 성공에는 불가피하고, IC 제조공정에서 사용되는 소모품의 하나인 쇼트-아크형 방전등에 대해서도 긴 수명화에 의한 비용 절감이 요구되고 있다. 종래의 쇼트-아크형 방전등에서는 긴 수명화의 방법으로서 전극 등의 방전등을 구성하는 부품 또는 부재의 형상 및 다양한 처리에 의한 조도유지율(점등시간에 대한 조도저하율)의 저하억제와, i선의 발광효율을 향상시켜 노광면에서의 조도를 높게 하는 것에 의해 실질적으로 사용가능시간을 연장시키는 것이 가능하게 되었다.
i선을 이용하는 IC 노광장치에 사용되는 쇼트-아크형 방전등은 i선의 발광효율을 높이기 위해서, 액정표시판넬(LCD)과 프린트회로기판(PCB)용 노광장치 등에 통상 사용되고 있는 쇼트-아크형 방전등과 비교해서, 등에 봉입되어 있는 수은량을 1/2 내지 1/10 정도로 하여 일반적으로 사용한다. 이것 때문에, 점등 중의 방전관 내부압력이 낮아지게 되고, 방사휘도가 저하되기 때문에, 버퍼가스로서 봉입되어 있는 희석가스의 압력을 높이는 보조 방법이 이용되고 있다. 이것은 한편으로 전극의 소모를 억제하고, 조도유지율의 저하를 억제하는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 노광장치에 있어서, 방사한 i선의 일부는 노광 뿐만아니라 노광시의 집점조정에도 사용한다. 이 때문에, 높은 조도안정성이 요구되고 있다. 또한, 최근에는 노광파장이 더 짧은 광원인 엑사이머 레이져 등과 병용한다. 이것에 의해 반도체 기판을 주사하면서 노광하는 기술이 유효하게 되고, 보다 높은 조도안정성이 요구되고 있다.
상술한 노광장치용 광원의 긴 수명화의 요구에 충분하게 따르는 것은 불가능하다. 따라서, 본 발명의 목적은 상술의 요구에 대응해서 발광효율이 높고, 조도안정성이 양호한 쇼트-아크형 방전등을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 쇼트-아크형 방전등의 바람직한 실시예의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 쇼트-아크형 방전등에 있어서 사용하는 양극의 확대도이다.
상술한 과제를 극복하고, 동시에 상술의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 쇼트-아크형 방전등은 내부에 양극 및 음극을 마주보게 배치하는 발광관의 내부에 수은과 희석가스를 봉입시키고, 이 봉입된 희석가스로서 크세논(Xe), 크립톤(Kr) 또는 아르곤(Ar) 등의 고분자량의 희석가스와, 체적비로 5% 내지 40%의 헬륨(He) 또는 네온(Ne) 등의 저분자량의 희석가스를 혼합한 가스를 사용하고, 이들을 혼합시킨 희석가스의 상온에서의 압력을 2기압 이상으로 한다.
또한, 양극은 원주상의 몸체부, 테이퍼(끝이 뾰족한)부, 및 평평한 선단부를 포함하여 구성되어 있다. 양극의 전류밀도가 1㎟당 0.3A로 되는 지점의 양극선단으로부터의 거리 L(㎜)은, 방전전류를 I(A)로 하는 경우, 0.05I＜L＜0.08I로 한다. 이 양극의 평평한 선단부는 음극과 양극의 간격의 2배 이하의 직경으로 한다. 또한, 양극의 전류 밀도는 1㎟당 3.5A 이하로 한다.
이하, 본 발명에 의한 쇼트-아크형 방전등의 바람직한 실시형태의 구성 및 동작을 첨부하는 도면을 참조해서 상세히 설명한다.
우선, 도 1은 본 발명에 의한 쇼트-아크형 방전등의 바람직한 실시형태의 단면도를 나타낸다. 도 1에 나타낸 쇼트-아크형 방전등(20)은 발광관(1), 음극(2), 양극(3), 이들 전극(2,3)의 내부 납 막대(4, 5), 발광관(1)의 밀봉부(6, 7), 외부납 막대(10, 11), 및 내부 납 막대(4, 5)를 각각의 외부 납 막대(10, 11)에 연결하는 금속박(8, 9)를 포함하여 구성된다. 그리고, 발광관(1)의 내부공간(21)에는 수은과 희석가스가 봉입되어 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 쇼트-아크형 방전등(20)의 양극(3)의 확대도이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 이 양극(3)은 음극(2)과 마주보는 평평한 선단부(12), 모서리를 깍은 원추부, 즉 테이퍼부(13) 및 원주상의 몸체부(14)를 포함하여 구성된다.
이어서, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 쇼트-아크형 방전등의 상세한 사양을 설명한다. 발광관(1)은 예를 들면 외경 70㎜의 석영 유리 등의 광투과성 유리로 만들어진다. 음극(2)은 예를 들면 중량비 약 2%의 트리아를 함유한 텅스텐으로 만들어지고, 그의 직경은 약 10㎜이다. 양극(3)과 마주보는 음극(2)의 선단은 뾰족하게 형성되고, 양극(3)의 평평한 선단부(12)와 약 4.5㎜의 간격으로 마주본다. 한편, 양극(3)은 직경이 약 7㎜이고, 1㎟ 당 약 0.3A의 전류밀도인 평평한 선단부(12) 및 직경이 약 25㎜인 원주상의 몸체부(14)를 갖는다. 양극(3)의 전류밀도가 1㎟ 마다 0.3A로 되는 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터의 거리 L(㎜)는 약 3.5㎜이다. 또한, 발광관(1)의 내부(21)에는 1cc 당 약 4.5㎎의 수은이 봉입되어 있다.
우선, 발광관(1)의 내부(21)에 봉입되어 있는 고압의 희석가스에 의한 조도향상을 확인하기 위한 예비실험의 결과를 설명한다. 내부(21)에 수은을 4.5㎎/cc 봉입하고, 희석가스로서, 크세논(Xe), 크립톤(Kr) 또는 아르곤(Ar) 등의 비교적 고분자량의 희석가스를 봉입하였다. 각각 상온에서의 봉입압력을 변화시킨 방전등을전부 18종류 제조하였다. 그리고, IC 노광장치의 노광면에서의 조도와 조도안정성을 비교하였다. 이들 방전등은 전부 2500W로 점등하였다. 이 경우의 방전등의 방전전류는 100A였다. 이 실험결과를 표 1에 나타낸다.
봉입압력(기압) 봉입희석가스 Xe 봉입희석가스 Kr 봉입희석가스 Ar
조도 안정성 조도 안정성 조도 안정성
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 1.08 1.11 1.64 1.15 1.31
상기 표 1로부터 명백해지는 바와 같이, 봉입 희석가스 Xe, Kr 및 Ar에 대해 각각 봉입압력을 1.0, 2.0, 4.0, 7.0, 10.0 및 13.0 기압으로 하여 실험하였다. 각각의 봉입압력에 대해서 각각 5회의 조도측정을 행하고, 이들 측정값의 평균값을 방전등의 조도로 하였다. 이들 5회의 조도측정의 조도차는 0.02이여서, 적어도 0.02 이상의 조도향상이 얻어진 봉입압력은 2.0기압 이상이라고 할 수 있다. 또한, 조도안정성은 25초간의 연속으로 행한 조도측정중의 조도의 최고치와 최저치의 차이를 25초간의 평균조도로 나눈 값으로 한다. 추가로, 이 측정을 5회 행한 평균값으로 하고, 봉입압력을 증가시키는 경우 조도안정성이 저하하는 것도 확인하였다.
이어서, 본 발명에 관한 쇼트-아크형 방전등의 발광관(1)의 내부공간(21)에 봉입하는 희석가스의 혼합실험에 대해서 설명한다. 수은을 4.5㎎/cc 봉입하고, 희석가스로서 Xe, Kr 및 Ar을 각각 2기압과 7기압 봉입하고, 비교적 저분자량의 희석가스인 네온(Ne), 헬륨(He)을 체적비 5% 내지 40% 혼합시킨 방전등을 전부 28 종류 제조하고, IC 노광장치의 노광면에서의 조도와 조도안정성을 비교하였다. 이 실험결과를 표 2에 나타냈다. 조도안성정은 5회의 측정값의 평균이고, 그 폭이 0.2 정도이기 때문에, 이것 이상의 저하에서 우위성이 명확하게 된다. 여기서는 Ne 또는 He을 봉입한 전체 방전등에 있어서 우위성이 나타났다. 또한, 조도의 저하도 볼 수 없었다.
전체 희석가스의 봉입압력(기압) Ne 또는 He의 체적비 봉입희석가스 Xe 봉입희석가스 Kr 봉입희석가스 Ar
조도 안정성 조도 안정성 조도 안정성
2.0 Ne 40% 1.04 0.68 1.05 0.66 1.08 0.67
2.0 Ne 20% 1.04 0.82 1.04 0.76 1.07 0.74
2.0 Ne 10% 1.04 0.97 1.03 0.96 1.06 0.76
2.0 Ne 5% 1.03 1.09 1.03 0.97 1.06 0.77
2.0 없음 1.02 1.29 1.03 1.05 1.05 0.98
7.0 Ne 10% 1.07 1.36 1.07 1.14 1.12 0.79
7.0 Ne 5% 1.06 1.43 1.07 1.15 1.12 0.86
7.0 없음 1.06 1.70 1.06 1.38 1.12 1.13
2.0 He 40% 1.05 0.66 - - - -
2.0 He 5% 1.03 1.08 - - - -
7.0 He 10% 1.07 1.34 - - - -
7.0 He 5% 1.07 1.44 - - - -
또한, 복수의 희석가스의 상온에서의 봉입압력이 2기압 이상인 경우, Ne 또는 He을 그 외의 희석가스에 대해서 체적비 40% 이상으로 하는 것은 봉입방법의 문제로부터, 안정한 비율로 봉입하는 것을 가능하게 하지 않는다. 따라서, Ne 또는 He을 Xe, Kr 또는 Ar에 혼합시켜서 봉입하여 조도를 향상시키고, 동시에 조도안정성을 향상시키기 위해서는 복수의 희석가스의 상온에서의 봉입압력이 2기압 이상이며 Ne 또는 He의 Xe, Kr 또는 Ar에 대한 체적비가 5% 내지 40%인 경우 유효한다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 비교적 저분자량의 Ne 또는 He의 열전도율이 혼합되어지는 희석가스인 Xe, Kr 또는 Ar 보다도 높다는 것 때문이다. 이것으로부터, Ne 및 He 모두의 희석가스를 혼합한 가스를 봉입한 경우에서도 동일한 효과가 얻어진다는 것은 명확할 것이다. 또한, 혼합되는 희석가스인 Xe, Kr 및 Ar을 혼합한 경우에도 동일한 효과가 얻어질 것이다..
이어서, 양극(3)의 전류밀도와 방전등의 수명에 관한 실험에 대해서 설명한다. 전류밀도는 방전전류를 양극(3)의 단면적으로 나눈 값이다. 수명은 초기의 조도를 100%로 하고, 1500시간 연속점등 후의 조도를 조도유지율로서 비교하였다. 여기서 양극(3)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같지만, 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 원주상의 몸체부(14)로의 거리 L(㎜)을 매개변수로 해서 3㎜ 내지 10㎜로, 1㎜ 단위로 변화시켜서 실험을 했다.
우선, 수은을 4.5㎎/cc 봉입하고, 희석 가스로서 체적비 10%의 Ne을 함유한 Ar을 상온에서 7기압 봉입하고, 양극(3)의 평평한 선단부(12)의 직경을 7㎜로 한 방전등에 대해서, 상술한 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 원주상의 몸체부(14)로의 거리 L(㎜)을 매개변수로해서 8종류의 방전등을 만들고, 조도 및 조도유지율을 실험에 의해 구했다. 방전등(20)의 그외 다른 사양은 상술한 것과 같다. 이들의 실험결과를 표 3에 표시하였다.
봉입희석가스 Ne체적비 전봉입압력(기압) 양극선단 L 조도 유지율
직경(㎜) 전류밀도(A/㎟) 전류밀도 (㎜)
Ar 10% 7 7 2.6 0.031 3 0.76 89%
Ar 10% 7 7 2.6 0.041 4 0.83 86%
Ar 10% 7 7 2.6 0.051 5 1.00 87%
Ar 10% 7 7 2.6 0.061 6 1.01 86%
Ar 10% 7 7 2.6 0.071 7 1.01 84%
Ar 10% 7 7 2.6 0.081 8 1.01 85%
Ar 10% 7 7 2.6 0.091 9 1.00 79%
Ar 10% 7 7 2.6 0.101 10 1.00 72%
양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 몸체부(14)까지의 거리 L이 4㎜이하로 되면, 조도의 저하가 나타난다. 이것은 양극(3) 자신이 발광을 차폐해서, 결과적으로 조도를 낮추기 때문인 것으로 여겨진다. 또한, 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 원주상의 몸체부(14)까지의 거리 L이 9㎜ 이상인 경우에는 조도유지율의 저하가 나타난다. 이것은 양극(3)의 평평한 선단부(12)에서의 전류밀도가 높고, 양극(3)의 선단부의 온도가 높기 때문이고, 방전에 의한 전자 및 이온의 충돌발열에 의한 양극선단의 소모가 촉진되기 때문인 것으로 여겨진다. 조도유지율의 실험 후에 방전등을 관찰한 결과, 양극 선단에 크레이터와 같은 깊은 구멍이 관찰되었다.
이어서, 수은을 4.5㎎/cc 봉입하고, 희석가스로서 체적비 10%의 Ne을 함유한 Ar을 상온에서 7기압 봉입하고, 양극(3)의 전류밀도가 1㎟ 당 0.3A로 되는 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 원주상의 몸체부(14)까지의 거리 L(㎜)을 5㎜ 및 8㎜로 하고, 양극(3)의 평평한 선단부(12)의 직경을 매개변수로 하여 16종류의 방전등을 제조해서 조도와 조도유지율을 비교하였다. 방전등의 다른 사양은 상술한 것과동일하다. 이 실험결과를 표 4에 나타낸다.
봉입희석가스 Ne체적비 전봉입압력(기압) 양극선단 L 조도 유지율
직경(㎜) 전류밀도(A/㎟) 전류밀도 (㎜)
Ar 10% 7 5.0 5.1 0.051 5 1.00 68%
Ar 10% 7 5.5 4.2 0.051 5 1.00 76%
Ar 10% 7 6.0 3.5 0.051 5 1.01 84%
Ar 10% 7 6.5 3. 0.051 5 1.00 86%
Ar 10% 7 7.0 2.6 0.051 5 1.00 87%
Ar 10% 7 8.0 2.0 0.051 5 0.98 88%
Ar 10% 7 9.0 1.6 0.051 5 0.98 92%
Ar 10% 7 10.0 1.3 0.051 5 0.75 90%
Ar 10% 7 5.0 5.1 0.081 8 1.02 63%
Ar 10% 7 5.5 4.2 0.081 8 1.01 72%
Ar 10% 7 6.0 3.5 0.081 8 1.00 81%
Ar 10% 7 6.5 3.0 0.081 8 1.01 82%
Ar 10% 7 7.0 2.6 0.081 8 1.01 85%
Ar 10% 7 8.0 2.0 0.081 8 0.98 83%
Ar 10% 7 9.0 1.6 0.081 8 0.99 85%
Ar 10% 7 10.0 1.3 0.081 8 0.76 87%
상술한 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 전류밀도가 1㎟ 당 0.3A로 되는 지점의 거리 L(㎜)이 5㎜ 또는 8㎜의 어느 경우에도 양극(3)의 평평한 선단부(12)의 직경이 10㎜ 이상에서는 조도가 명백하게 낮아졌다. 이것은 상술의 경우와 마찬가지로, 양극(3) 자신이 발광을 차폐하기 때문에 결과적으로 조도가 낮아진다고 여겨진다. 이 방전등에서는 음극(2)과 양극(3)과의 거리(간격)가 4.5㎜이기 때문에 이 거리의 2배 이상의 직경에서는 이 문제가 발생한다는 것을 알 수 있다. 또한, 양극(3)의 평평한 선단부(12)의 직경이 5.5㎜이하에서는 조도유지율의 저하가 나타났다. 이것도 상술한 바와 같이, 양극(3)의 선단부의 온도가 높기 때문에, 방전에 의한 전자 및 이온의 충돌발열로 양극(3)의 소모가 촉진되기 때문이라고 여겨진다. 조도유지율의 실험을 종료한 각각의 방전등의 샘플을 관찰한 바, 이 방전등도 양극선단에 깊은 크레이터가 형성되었다.
따라서, 이들 방전등에 있어서, 충분한 수명을 얻기 위해서는 방전전류를 I(A)로 하는 경우, 양극(3)의 전류밀도가 1㎟ 당 0.3A로 되는 양극의 평평한 선단부(12)로부터 원주상의 몸체부(14)로의 거리 L(㎜)이 0.05I로부터 0.08I이고, 양극(3)의 평평한 선단부(12)의 평균 전류밀도가 1㎟ 당 3.5A이하로 되는 면적에서, 음극(2)과 양극(3) 사이의 간격의 2배 이하의 직경을 갖는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명에 의한 쇼트-아크형 방전등의 바람직한 실시형태를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 상기 특정의 실시형태로만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 이탈함없이 다양한 변형변경이 가능한 바, 당업자에는 용이하게 이해될 수 있다.
상술의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 본 발명의 쇼트-아크형 방전등에 의하면, 방전관내에 희석가스와 수은이 봉입되어 있고, 봉입한 희석가스로서 Xe, Kr 또는 Ar과 같은 비교적 고분자량의 희석가스에 Ne 또는 He과 같은 비교적 저분자량의 희석가스를 체적비 5% 내지 40%로 혼합한다. 그리고 이들 혼합가스의 상온에서 압력을 2기압 이상으로 한다. 이 결과, 조도 및 조도유지율을 개선할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 이 쇼트-아크형 방전등의 방전전류을 I(A)로 하고, 양극(3)의 평평한 선단부(12)로부터 원주상의 몸체부(14)로 향하여 전류밀도가 1㎟ 당 0.3A로 되는거리 L(㎜)은 다음과 같은 범위내에 있다.
0.05I＜L＜0.08I
양극의 평평한 선단부가 음극과 양극간의 거리의 2배 이하의 직경, 동시에 전류밀도가 1㎟ 당 3.5A 이하로 되는 면적으로 하는 경우에서, 광원의 긴수명의 요구에 부응하는 고발광효율과 동시에 조도안정성이 양호한 쇼트-아크형 방전등을 얻는 것이 가능하다.

Claims (7)

  1. 발광관내에 음극 및 양극을 마주보게 배치시키고, 상기 발광관내의 공간에 수은과 희석가스를 봉입한 쇼트-아크형 방전등에 있어서,
    상기 희석가스로서 고분자량의 희석가스에 체적비로 5% 내지 40%의 저분자량의 희석가스를 혼합하고, 이들 혼합가스의 상온에서의 압력을 2기압 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고분자량의 희석가스로서는 크세논, 크립톤 또는 아르곤 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 저분자량의 희석가스로서 헬륨 또는 네온 또는 이들의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 양극은 원주상의 몸체부와, 상기 몸체부의 상기 음극측의 테이퍼부와, 상기 테이퍼부의 전단의 평평한 부를 갖는 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 양극의 평평한 선단부의 전류밀도가 1㎟ 당 0.3A로 되는 상기 양극 선단으로부터의 거리 L(㎜)은, 전류밀도를 I(A)로 하는 경우, 하기와 같은 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
    0.05I＜L＜0.08I
  6. 제 5항에 있어서, 상기 양극의 평평한 선단부의 직경이 상기 음극과 양극사이의 거리의 2배 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
  7. 제 4항 내지 제 6항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 양극의 평평한 선단부의 면적은 전류밀도가 1㎟ 당 3.5A이하인 것을 특징으로 하는 쇼트-아크형 방전등.
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