KR20110030455A - 콤팩트 ｕｖ 조사 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 기판을 자외선으로 조사하기 위한 조사부로서 반사체와 일체화된 방전 램프를 포함하는 기판 조사용 장치, 및 UV 광을 이용하여 기판을 조사하기 위한 기판 조사용 조사 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

콤팩트 ＵＶ 조사 모듈 {COMPACT UV IRRADIATION MODULE}

본 발명은 기판 조사용 UV 광 발생 모듈(module for generating UV light for irradiating a substrate)에 관한 것이다.

복사선을 발생시키는 방전 램프, 특히 표적에 대해 UV 복사선을 발생시키는 방전 램프는 이미 종래기술에 공지되어 있다. 가스 충전 도핑은 방출 스펙트럼의 형상에 따른 표적 지향 효과를 달성함으로써 서로 다른 용도(적용)에 대해 램프를 최적화하기 위한 기술로서 다수의 문헌에 기재되어 있다. 이러한 램프는 저압 방출기, 중압 방출기 또는 고압 방출기로서 구성될 수 있으며, 스펙트럼과 출력은 모두 작동 중에 방전이 일어나는 압력을 통한 방전 용량에 의해 영향을 받는다.

그러나 방전 램프의 스펙트럼은 항상 가시광 또는 적외선 범위의 성분도 포함하고 있고 출력된 복사선의 일부가 기밀관(envelope tube)을 가열시키고 기밀관 자체가 원적외선 영역의 광을 복사하기 때문에 적정 압력 범위에서 작동하는 최적 도핑된 방전 램프로부터 방출된 복사선의 일부만 원하는 공정에 사용될 뿐이다. 유해하거나 공정에 대해 바람직하지 않은 방출 복사선의 스펙트럼 중 일부를 필터에 의해 전체 복사 스펙트럼으로부터 제거하는 경우가 많다.

복사원으로서 사용되는 이러한 방전 램프 또는 방전부는 공간상에서 모든 방향으로 복사하여 적어도 방사방향으로 램프와 기판이 이루는 각에 대한 방출세기의 영향은 무시할 만큼 작게 된다.

방출 복사선을 가능한 한 가장 효율적으로 이용하기 위해서, 무엇보다도 램프로부터 모든 방향으로 균일하게 방출되는 복사선을 예를 들면 기판에 대해 반사체를 이용하여 방향을 바꿔준다. 이때 스펙트럼 광대역 정반사체(specular reflector)는 그 재료인 금속의 흡광율이 높고 세라믹은 투명하거나 금속과 마찬가지로 흡광율이 높기 때문에 UV에 대한 우수한 효율(즉, 높은 반사율)을 제공하지 못한다. 정반사(specular reflection)는 실질적으로 평활한 표면에서 반사하는 것으로 이해되므로 복사선에 관한 각도 정보를 보유하고 있다.

가시광(Ag, Al) 또는 적외선(거의 모든 금속) 영역 이외의 단순한 재료 경계면은 효율적인 반사체로서 이용할 수 없기 때문에 굴절률이 변하는 일련의 층을 가진 투과성 재료로 제조되는 유전체 반사체(dielectric reflector)가 사용되고 있다. 이러한 반사체는 대역폭이 제한되어 있으며 실제로 제한된 범위에서만 반사한다. 따라서 이들 반사체를 필터로서 사용할 수도 있다. 이러한 반사체는 서로 다른 다수 개의 층을 고품질의 연마된 기재 위에 위치시켜야 하므로 제조비용이 높다.

유전체 반사체의 반사영역은 반사체에 입사하는 광의 각도에 따라 달라지므로 반사체가 동작하는 기하학적 상황을 고려하여 반사체를 구성하여야 한다. 사용할 표면을 따라 상당히 균질한 반사율을 얻기 위해서는 복사광원에 대해 일정 각도로 배치하여야 한다. 램프로부터 방출된 복사선은 점 형태(punctiform)로 발생하는 것이 아니라 방전부의 전체 표면 영역으로부터 방출되어 반사체에 서로 다른 각도로 입사하기 때문에 반사체는 광원으로부터 너무 짧지 않은 거리에 설치되어야 하지만, 고효율을 위해서 복사선이 반사체에 입사하는 각의 변화가 커서는 안 된다.

이러한 반사체가 UV 또는 VIS 영역에서 높은 반사율을 얻기 위해서 최적화시키면 반사 스펙트럼 범위 밖의 광도 강하게 흡수하므로 통상적으로 냉각시켜야 하기 때문에 연속적으로 작동시키기 위해서는 많은 비용이 소요된다. 따라서 고비용과 고가의 구조와 관련하여 콤팩트 장치는 전형적으로 수냉식으로 제조된다.

UV 또는 VIS 복사선을 발생시키기 위한 모듈, 즉 복사원, 반사체 및 경우에 따라 개폐기가 수납되어 있는 하우징은 항상 다수의 부품으로 이루어져 있고 반사체와 개폐기를 냉각시키기 위해서 전형적으로 물을 필요로 한다. 매우 낮은 출력의 장치만 공냉식 구조를 가질 수 있다. 이러한 모듈은 예를 들면 종래기술로서 WO 2005/105448에 기재되어 있다. DE 20 2004 006 274 U1은 손전등 형태의 모듈을 어떻게 극소형으로 용이하게 제작할 수 있는지 그 어려운 점들을 예시적으로 보여주고 있다. 이러한 목적을 위해 외부 반사체를 선택하여야 한다. 램프의 출력은 매우 낮아 공기에 의해 냉각되는 상당히 큰 치수의 냉각부를 이용함으로써 복사체와 반사체가 과열되지 않도록 한다. 이로 인해 실제 광원의 치수에 비해 시스템이 지나치게 큰 치수를 갖게 되고 다수의 개별적인 부품들로 이루어진다.

더욱이, 램프와 램프관의 핀치(pinch) 온도는 UV 복사체의 사용수명을 길게 하여 사용자가 유용하게 사용할 수 있도록 하는데 중요한 요소이다. 핀치 온도는 300℃를 초과해서는 안 되지만 램프관은 상당히 높은 온도를 나타낼 수 있으므로 출력밀도가 높은 램프에서는 핀치영역을 별도로 냉각시키기 위한 추가 조치가 필요하다.

DE 33 05 173은 복잡한 유로와 출력밀도가 낮은 램프를 이용하여 전적으로 공기에 의해서만 냉각되는 장치를 구성할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 상기 출력밀도는 방전출력/방전길이의 비율로서 정의한다.

위에서 언급한 모듈들은 모두 구성이 다소 복잡하고 제작비용이 높거나 장치 체적에 비해 낮은 출력을 방출할 뿐이다.

따라서 본 발명의 목적은 방전 램프에 의해 UV 또는 VIS 복사선을 발생시키기 위한 단순하면서 콤팩트한(compact)(소형인) 모듈을 제공하는데 있다. 본 발명의 모듈은 많은 부품을 필요로 하지 않아 구조적인 크기 및 생산조립 비용과 유지비 등이 현저하게 감소된다.

상기 목적은 독립항의 특징에 의해서 확실히 달성된다.

본 발명의 유리한 실시형태들은 대응하는 종속항으로부터 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 기판 조사용 UV 복사선 발생 모듈은 조사장치(irradiation device)를 포함하며, 조사장치는 석영유리로 제조된 일체화된 반사체를 갖는 방전 램프를 가지며, 상기 반사체는 방전 램프의 일부인 것을 제공한다.

이에 따라 상기 방전 램프의 일부로서 위치된 반사체는 램프 자체부터 방출되는 복사선을 지시된 방향으로 출력할 수 있다. 이때 상기 반사체의 위치와 배향은 복사선이 원하는 방향으로만 실질적으로 방출되도록 조정될 수 있다.

이러한 장치는 램프관 둘레의 180˚에 걸쳐 일체화된 반사체를 가짐으로써 길이가 연장된 램프의 경우 상기 방전 램프의 전방으로 복사량의 거의 2배를 방출한다. 후방으로는 미코팅 복사체 또는 미코팅 방전 램프 대비 복사량의 25% 미만을 방출한다. 이때, 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 합산한 복사력을 고려한다.

이렇게 상기 방전 램프의 일부로서 반사체를 배치하면 이러한 조사장치 내에 통상적으로 배치되는 후방 반사체가 삭제될 수 있거나 여기에 통상적으로 배치되는 수냉부의 단순화가 실행될 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 바람직하게는 대류에 의해서 더욱 단순한 방법으로 냉각할 수 있게 되고 최종적으로는 설치공간을 절감하고 최소 및 콤팩트한 모듈로의 감소가 실현된다. 또 다른 외부 반사체가 부착되는 경우에도 마찬가지로 그곳에 현저히 적은 복사력이 방출된다.

본 발명의 유리한 일 실시형태에서는, 본 발명은 상기 반사체는 불투명한 석영유리로 형성된 코팅을 포함하는 것을 제공한다. 이러한 코팅에 의해 UV-C에서 FIR 범위, 나아가 200 nm 내지 3000 nm 파장범위의 광역대 반사체를 일체화할 수 있고 조사관을 통해 방전부로부터 방출되는 전체 복사선을 정해진 방향으로 효과적으로 출력할 수가 있다.

유리하게는, 코팅은 합성 석영유리를 포함시켜 UV 흡수를 감소시킴으로써 특히 효과적인 UV 반사를 달성한다.

UV-발생 시스템에서 복사체 관과 불투명한 반사체 모두에 대해 내과다감광성(solarization-resistant) 석영유리를 사용하는 것도 생각할 수 있다.

불투명한 석영유리로 형성된 코팅의 층 두께가 충분하면 UV와 VIS 영역의 복사선과 또한 IR 영역의 복사선을 포함한 거의 전체 복사선을 반사한다. 그러나 이 재료로 제조된 반사체는 램프의 작동 중에 고온화되어 자체적으로 약 3000 nm 이상의 열복사선, 특히 약 4500 nm 이상의 열복사선을 강하게 방출하기 때문에 후방에서 출력되는 복사선은 약 2500 nm에서 시작하는 거의 순수한 적외선이다. 이에 따라 상기 불투명한 반사체가 추가적으로 유용한 필터로서 작용한다는 것은 놀랄만한 것이다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 의하면, 수은 중압 방출기는 램프로서 사용되며 그리고 수은 중압 방출기가 쇼트-아크 실시형태에서 사용한다. 그러나 본 발명은 저압 방출기 또는 고압 방출기 뿐 아니라 모든 범용 UV 램프에 대해서도 적절히 적용될 수 있다.

본 발명은 방전 램프에 의해 UV 또는 VIS 복사선을 발생시키기 위한 단순하면서 콤팩트한(compact)(소형인) 모듈을 제공하는 효과가 있으며, 본 발명의 모듈은 많은 부품을 필요로 하지 않아 구조적인 크기 및 생산조립 비용과 유지비 등이 현저하게 감소되는 효과가 있다.

이하, 바람직한 실시형태와 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 필터가 없는 콤팩트 모듈의 개략도이다.
도 2는 필터가 추가된 방전 램프의 개략도이다.
도 3은 광도파로에 직접 결합되는 복사체의 개략도이다.

도 1은 램프 본체의 수동 대류식 냉각부를 가진 본 발명에 따른 모듈의 종단면을 도시하고 있다. 상기 모듈 내에는 핀치영역(11)과 전류공급부(12)와 함께 UV 램프(10)가 배치되어 있다. 상기 램프 본체 상에는 불투명한 석영으로 제조된 반사체(13)가 직접 위치되어 있다. 상기 램프는 전적으로 대류 기류에 의해 냉각되는 하우징(14) 내 장착된다. 이때 하우징(14)은 서로 상이한 영역들로 구획된다. 도면에서 중간 영역(16)은 떠돌이(stray) UV 복사선을 제한하기 위해 판(15)으로 덮혀진 통로로 구성되며 상기 판(15)에는 상승하는 고온의 공기가 빠져나가도록 유출구가 천공되어 있다. 고온 공기의 방향을 전환시키기 위한 개구(15)는 매우 단순한 구조로서 도시되어 있다. 통상적인 본 발명의 실시범위에서, (유해한) UV 복사선을 더욱 차광하는 동시에 대류가 잘 되도록 공기를 유도하기 위한 기술적 해결방법을 모색할 수 있다.

따라서 본 발명은 판(15)을 가진 단순한 변형예에 한정되는 것이 아니라, 통로(16)와 예를 들면 평면형 또는 주름형 커버와 같이 떠돌이 복사선의 차폐판(15)의 구조를 더욱 복잡하게 하는 것도 본 발명의 통상적인 실시범위에 포함되는 것이다. 이때, 이러한 기하학적 구조는 특히 구조적으로 필요한 긴 통로에서 떠돌이 복사선이 방출되는 것을 중지시키기 위해 대류 기류를 가능한 한 가장 연속적으로 빠르게 하면서 동시에 구조적 크기를 가능한 한 작게 유지하는 요건들을 고려한 것이 것이다. 구획영역(17)은 핀치영역과 전류공급부 뿐 아니라 복사체의 도시되지 않은 기계적 고정부를 봉쇄하는 역할을 하며; 별도로 능동 냉각시킬 수 있다.

도 2에는 상기 램프 본체의 능동 대류식 냉각부를 가진 본 발명에 따른 모듈의 단면도가 도시되어 있다. 램프관(21) 위에는 가능한 한 적은 복사량이 모듈 하우징(24)에 타격되도록 180˚가 넘는 각도로 램프관(21)을 둘러싸는 불투명한 석영(22)으로 제조된 반사체가 위치되어 있다. 능동 냉각부로 제공되는 통풍기(23)가 배치되어 있다. 음압과 양압을 모두 발생하기 위해 사용될 수 있는 축방향 통풍기가 도시되어 있다. 또 다른 해결방법으로 방사방향 통풍기 또는 공기 등을 압축하여 기류를 능동적으로 발생시키는 장치로서 압축기를 사용하는 것을 생각할 수 있다. 이들 통풍기는 통로(24)를 통해 복사체 관(21)을 지나 윈도우(25)로 안내된 다음 배출구(27)를 통해 모듈로부터 배출되는 냉기를 공급하거나 배출구(27)를 통해 공기를 빨아들일 수 있다. 복사선의 소정 부분만을 투과하는 추가적인 반사층으로서 기능층(26)이 추가로 윈도우(25)에 적용된다. 그러나 기능층(26)은 생략할 수도 있다. 윈도우(25)는 바람직하게는 예를 들면 석영유리와 같은 UV-투과성 재료로 제조되며; 상기 반사체는 몇몇 유전체 또는 금속성 층으로 구성할 수도 있다.

도시된 구조는 본 발명의 원리를 명확히 한다. 그러나 유로와 통풍기의 또 다른 배치도 유용하며 이 또한 본 발명에 포함된다.

또한 상기 윈도우 전방에는 복사선을 신속하게 차광하는 개폐기를 장착할 수 있다. 원칙적으로 상기 디스크는 IR 필터로서 작용하는 동시에 매우 차가운 표면을 가진 UV-투명 유리로 제조되며 그 안에 물이 흐르는 중공체가 대신 사용될 수 있다.

도 3은 방전 램프로부터 방출되는 UV 복사선이 광섬유에 직접 결합되는 본 발명에 따른 또 다른 장치를 도시하고 있다. 석영유리로 제조되는 램프 본체(41)는 불투명한 석영유리(42)로 형성되는 반사 코팅에 의해 거의 완전하게 둘러싸여 있다. 핀치영역(43)은 유리전구(41)를 밀폐시키고, 몰리브덴 호일(45)은 외부의 전류를 공급하는 전도성 핀(46)에 의해 핀치영역(43)에 기밀 밀봉되어 있으며, 내부 전극(44)은 상기 호일에 용접되어 있다. 상기 유리전구에는 석영유리로 형성된 테이퍼링(tapering) 부재(47)가 제공되어 상기 램프전구로부터 방출되는 복사선의 대부분을 배출시키되 상기 복사선이 표면에서 전반사에 의해 탈출할 수 없도록 한다. 이 부재는 적절한 결합부재에 의해 실제 광섬유에 연결되지만, 도면에는 도시되어 있지 않다.

10 UV 램프
11 핀치영역
12 전류공급부
13 반사체
14 하우징
15 판
16 중간 영역
17 구획영역
21 램프관
22 석영
23 통풍기
24 통로
25 윈도우
26 기능층
27 배출구
41 램프 본체
42 석영유리
43 핀치영역
44 내부 전극
45 몰리브덴 호일
46 전도성 핀
47 테이퍼링 부재

Claims (9)

1. 석영유리로 제조된 반사체가 일체화된 방전 램프를 갖는 조사장치를 포함하는 기판 조사용 UV 복사선 발생 모듈로서, 상기 반사체가 방전 램프의 일부인 것을 특징으로 하는 UV 복사선 발생 모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사체가 불투명한 석영유리로 형성된 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 조사용 장치.
3. 제1항 내지 제2항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 코팅이 합성 석영유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 반사체가 광대역 반사체인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 방전 램프가 UV 램프인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 방전 램프가 수은 중압 램프인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 방전 램프가 저압 램프인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 방전 램프가 고압 램프인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1항 내지 제8항에 따른 조사 모듈의 제조방법으로서, 상기 조사 모듈의 방전 램프 위에 반사체가 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.

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