UV-LED光源と水銀ランプの違い

露光装置の光源をUV-LEDに置き換えるべきか迷ったとき、判断材料になるのは「波長帯が自社の用途に合うか」と「ランニングコストで元が取れるか」の2点です。

UV-LEDは水銀ランプの輝線に合わせて波長が設計されており、近紫外域（UV-A領域）の露光であれば置き換えが現実的な選択肢になっています。一方で、深紫外光を必要とする微細加工では、UV-LEDは選択肢に入りません。

本記事では、UV-LED光源と水銀ランプの違いを、波長帯ごとの解像度・用途、ランニングコストの内訳、水銀規制の動向という3つの角度から整理します。なお、g線・i線・KrF・ArF・EUVといった露光波長そのものの体系については露光波長とは？で解説しています。

UV-LEDと水銀ランプは「光の出し方」がまったく違う

水銀ランプは放電で光る広帯域光源

露光用途で長く使われてきたのは、ショートアーク水銀ランプ（高圧・超高圧水銀ランプ）です。石英管の中で水銀蒸気を放電させて発光させます。水銀の発光は特定の波長に強いピーク（輝線）を持ち、露光では主に次の3本が使われます。

• g線（436nm）：可視光に近い青紫色の輝線
• h線（405nm）：g線とi線の中間に位置する輝線
• i線（365nm）：近紫外域の主力輝線で、解像力が最も高い

水銀ランプはこれらを同時に放射するため、実際の露光では光学フィルターや投影レンズの設計で「i線のみ」「ih線」「ihg線」といった使い分けを行います。

UV-LEDは半導体素子から必要な波長だけを取り出す

UV-LEDは、電気エネルギーを直接光に変換する固体光源です。露光や紫外線硬化の分野で流通しているのは主に365nm・385nm・395nm・405nmの4種類で、これは水銀ランプやメタルハライドランプのピーク波長に合わせて素子が開発されてきたためです。

つまりUV-LEDは、水銀ランプのi線（365nm）とh線（405nm）に相当する波長を、単一波長で直接出せる光源だと理解すると分かりやすくなります。放電を使わないため、ジュール熱やアーク放電による損失が少なく、必要な波長だけを取り出せる点が構造上の強みです。

UV-LEDがカバーする近紫外域と、カバーできない領域

紫外線は波長によって区分されます。UV-LEDが実用域として得意とするのは、近紫外（UV-A、およそ315〜400nm）とその隣接領域です。

波長域	代表的な光源	おおまかな解像力	主な用途
可視〜近紫外（436nm／g線）	水銀ランプ	数µm以上	厚膜レジスト、ソルダーレジスト、大面積露光
近紫外（405nm／h線）	水銀ランプ、UV-LED、バイオレットLD	数µm〜十数µm	プリント基板、パッケージ基板、DI露光
近紫外（365nm／i線）	水銀ランプ、UV-LED	サブµm〜数µm	MEMS、化合物半導体、パワー半導体、後工程
深紫外（248nm／KrF）	エキシマレーザー	0.1µm台	半導体前工程
深紫外（193nm／ArF）	エキシマレーザー	数十nm	半導体前工程（液浸含む）
極端紫外（13.5nm／EUV）	EUV光源	数nm〜十数nm	最先端ロジック・メモリ

この表から分かるのは、UV-LEDが競合するのは水銀ランプであって、エキシマレーザーやEUVではないということです。KrFやArFが必要な微細加工では、そもそもUV-LEDは検討対象になりません。詳細はエキシマレーザーについてもあわせてご確認ください。

また、UV-LEDは波長が短くなるほど素子の発光効率が下がるという性質があります。365nmは385nmや405nmと比べて同じ入力電力では照度が低くなる傾向があり、i線相当の高解像度用途では「必要な照度が確保できるか」が導入の関門になります。深紫外（UV-C）のLEDも存在しますが、出力面で露光装置の主力光源になる段階には至っていません。

ランニングコストの差はどこで生まれるのか

UV-LED化の判断で決定的なのは、装置本体の価格差よりも運用中に積み上がるコストです。差が出る項目は4つあります。

1. 消費電力

放電ランプは投入電力の多くが熱として失われますが、固体光源は必要な波長に直接変換します。日亜化学工業が公開しているプリント基板のDI（ダイレクトイメージング）露光での比較例では、同等の露光を行うために必要な投入電力がショートアーク水銀ランプ約1,000Wに対し、405nmバイオレットレーザーダイオードでは約300Wとされています。

24時間×340日稼働の想定では、年間電力消費量が8.2MWhから2.4MWhへと約70%削減、CO₂排出量も4.3tから1.3tへ同じく約70%減という試算が示されています（CO₂排出係数0.527t/MWhで計算）。

なお、この例はUV-LEDではなくレーザーダイオードでの実測ですが、「放電ランプから固体光源へ置き換えると電力が大幅に下がる」という傾向はUV-LEDでも共通です。省エネの考え方は露光装置の電力消費と省エネ対策、CO₂についてはCO₂排出量削減を実現する露光装置の選び方で詳しく扱っています。

2. ランプ交換の手間と装置停止時間

ショートアーク水銀ランプの寿命は1,000時間程度とされ、連続稼働では2〜3か月ごとの交換が必要になります。寿命を超えて使い続けると破損して水銀に曝露するおそれがあるため、交換作業は保護具の着用や有害廃棄物としての処理を含めた管理が求められます。

UV-LEDは光源寿命が桁違いに長く、定期交換を前提とした運用から離れられます。ランプ代そのものより、交換に伴う装置停止と再立ち上げ、校正のやり直しが生産計画に与える影響のほうが大きいケースも少なくありません。校正の考え方は露光機の校正（キャリブレーション）とはを参考にしてください。

3. 付帯設備と待機電力

水銀ランプは点灯までに数分を要するため、装置稼働中は基本的に点灯し続ける必要があります。露光していない時間も電力を消費し、放熱のための冷却と、オゾン対策としての排気設備も欠かせません。一方のUV-LEDは瞬時点灯・消灯が可能で、露光している時間だけ電力を供給すればすみます。排気や冷却ガスといった設備の負担が軽くなる点も、光源単体の価格比較では見えにくいコスト差です。装置の発熱対策については半導体露光装置の発熱と冷却対策で解説しています。

4. 露光条件の安定性が歩留まりに与える影響

水銀ランプは点灯時間の経過とともに照度が低下し、光のゆらぎも生じるため、露光時間の補正や照度測定を定期的に行う運用が必要です。UV-LEDは波長ごとの強度をレシピで設定できるため、条件の再現性を確保しやすくなります。ランニングコストの比較では、照度低下に伴う条件補正の工数と、条件ばらつきによる歩留まり損失まで含めて総保有コストで見ることが重要です。

UV-LEDと水銀ランプの比較まとめ

比較項目	ショートアーク水銀ランプ	UV-LED光源
スペクトル	g・h・i線などを同時放射（フィルターで選択）	単一波長（365／385／395／405nmなど）
対応波長域	可視〜近紫外、深紫外の一部	近紫外域が中心
点灯	点灯まで数分、常時点灯が前提	瞬時オン／オフ
寿命	1,000時間程度、2〜3か月で交換	長寿命で定期交換が不要
照度の安定性	経時劣化とゆらぎがある	強度を設定・制御しやすい
付帯設備	冷却・排気（オゾン対策）が必要	設備負担が小さい
安全・環境	水銀を含み、廃棄・交換に管理が必要	水銀フリー、オゾンフリー
高解像度用途	i線での実績が豊富	短波長ほど照度確保が課題

水銀規制の現状を正しく押さえる

「水俣条約で水銀ランプが使えなくなる」という話は広く知られていますが、露光用途については誤解が生じやすいため、区分を分けて理解する必要があります。

水俣条約の対象は「一般照明用」

水銀に関する水俣条約に基づき、一般照明用の高圧水銀ランプは製造・輸出入が禁止されています。一般照明用の蛍光ランプについても、コンパクト形が2026年末、直管形・環形が2027年末までに製造・輸出入を廃止することが決定しています。

ただし、これらは一般照明用途を対象とした規制であり、露光や紫外線硬化に使うショートアーク水銀ランプは直接の対象ではありません。「条約で即使えなくなる」わけではない点は、設備計画を立てるうえで押さえておきたいところです。

EUのRoHS指令では適用除外の期限が近づいている

一方、EUのRoHS指令では、紫外線を放射する水銀ランプなどが附属書IIIの項目4(f)として適用除外に位置づけられ、その期限が2027年2月24日に設定されています。半導体製造向け露光、プリント基板製造向け露光も、この枠組みで使用が認められてきた用途です。

この日付は「一律に使用禁止になる日」ではなく、適用除外を延長するか失効させるかをEUが再評価する期限です。現在は見直しの手続きが進んでおり、仮に失効した場合でも、規制されるのは新たな水銀含有ランプの上市であり、既存ランプの使用や在庫の販売が直ちに止まるものではありません。

とはいえ、稼働期間が10年を超える露光装置において、光源の供給リスクは中長期の設備計画に直結します。欧州向けに装置や基板を供給している場合はとくに、最新の規制動向を確認しながら移行時期を検討するとよいでしょう。装置の使用期間の考え方は露光装置は寿命の長さで選ぶべき？もあわせてご覧ください。

用途別に見るUV-LED光源の適合性

置き換えが進んでいる領域

• プリント基板・パッケージ基板のDI露光（405nmの固体光源が主流化）
• ソルダーレジストの露光など、厚膜・大面積で高い照度が求められる工程
• MEMS、マイクロ流体、LIGAなど厚膜レジストを使うマスクアライナー用途
• 研究開発・試作用途で、稼働時間が短くオン／オフの多いライン

水銀ランプが残りやすい領域

• 解像力を最優先するステッパー用途（i線での実績と照度の面で優位性が残る）
• 既存レジストの感度特性が広帯域のスペクトルに最適化されている工程
• 装置の光学系がランプ前提で設計され、光源だけの交換が難しいケース

UV-LED化は「光源を差し替えれば終わり」という話ではありません。単一波長になることでレジストの感度や露光時間が変わり、プロセス条件の再構築が必要になる場合があります。フォトレジストについてで解説しているように、光源とレジストは組み合わせで性能が決まります。

導入検討時に確認したいポイント

• 必要な解像力に対して、i線相当（365nm）が必須か、h線相当（405nm）で足りるか
• 使用中のレジストが対象波長に十分な感度を持つか
• 照度が水銀ランプ比でどの程度確保でき、露光時間・スループットがどう変わるか
• 光源交換のみで対応可能か、光学系ごと入れ替える必要があるか
• 電力・ランプ代・停止時間・排気設備を含めた年間コストの差額
• 投資回収年数と、装置の残存使用予定年数の関係
• 欧州向け供給がある場合、規制動向を踏まえた移行時期

とくに見落とされやすいのが、照度低下によるスループット悪化です。電力単価の削減額よりも生産量の減少が影響する場合もあるため、デモ機での実照度と実露光時間の確認を経てから判断することをおすすめします。

まとめ

UV-LED光源と水銀ランプの違いは、単なる新旧の差ではなく、対応できる波長帯とコスト構造の違いです。UV-LEDが実力を発揮するのは近紫外域であり、深紫外を必要とする微細加工では依然としてエキシマレーザーの領域が残ります。

一方、近紫外域の露光であれば、消費電力の削減、ランプ交換と装置停止の解消、排気・冷却設備の軽減、条件再現性の向上といった形でランニングコストに差が出ます。プリント基板のDI露光のように、すでに固体光源が主要光源となった領域もあります。

規制面では、水俣条約が対象とするのは一般照明用ランプであり、露光用のショートアーク水銀ランプは直接の対象外です。ただしEUのRoHS指令における適用除外は再評価の時期を迎えており、光源の供給リスクは中長期の設備計画で意識しておくべき要素といえます。

露光装置の選定では、波長帯が用途に合うかを先に見極め、そのうえで総保有コストで比較するという順序が失敗を防ぎます。自社の解像力要件とレジスト条件を整理したうえで、メーカーや販売会社に実照度とスループットの実測データを求めるとよいでしょう。