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Dokumentenidentifikation DE69802256T2 18.07.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0926701
Titel Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp
Anmelder Ushiodenki K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yasuda, Yukio, Himeji-shi, Hyogo-ken, JP;
Sugihara, Masanori, Himeji-shi, Hyogo-ken, JP
Vertreter Weber & Heim Patentanwälte, 81479 München
DE-Aktenzeichen 69802256
Vertragsstaaten DE, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.12.1998
EP-Aktenzeichen 981239346
EP-Offenlegungsdatum 30.06.1999
EP date of grant 31.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.07.2002
IPC-Hauptklasse H01J 61/12
IPC-Nebenklasse H01J 61/86   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche für eine Halbleiter-Belichtungsvorrichtung verwendet wird.

Stand der Technik

Beim Belichtungsvorgang bei der Herstellung von Halbleitern wird in letzter Zeit eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp verwendet, welche UV-Strahlung mit einer Hauptwellenlänge von 365 nm (nachfolgend "i-Linie" genannt) ausstrahlt. Da sich der Integrationsgrad einer integrierten Festkörperschaltung jedes Jahr erhöht, besteht dementsprechend ein immer größerer Bedarf an der Bildauflösung bei der Belichtung. Ferner besteht wegen der Vergrößerung der Belichtungsfläche infolge der Vergrößerung der Waferapertur oder wegen der modifizierten Beleuchtungstechnik, welche zum Erzielen einer hohen Bildauflösung angewendet wird, Bedarf nach einer Vergrößerung der Strahlungsmenge der UV-Strahlung aus der Lichtquelle (welche nachfolgend nur "Strahlungsmenge" genannt wird).

Ferner besteht auch Bedarf für eine Erhöhung des Durchsatzes als Indikator der Produktionsmenge pro Zeiteinheit. Für die Lampe als Lichtquelle besteht deshalb ein Bedarf nach einem hohen Strahlungs-Wirkungsgrad, und für eine Emissionsvorrichtung, welche diese Lichtquelle umfaßt, besteht ein Bedarf nach einem hohen Fokussier-Wirkungsgrad.

Um eine intensive i-Linien-Strahlung zu erhalten, wurde herkömmlicherweise ein Verfahren verwendet, bei welchem die der Lampe zugeführte Eingangsleistung erhöht wird. Wenn die der Lampe zugeführte Eingangsleistung erhöhtt wird, erhöht sich jedoch die Wärmebelastung an den Elektroden, wodurch das Elektrodenmaterial heftiger verdampft und eine Schwärzung der Leuchtröhre beschleunigt wird. Durch Erhöhen der Eingangsleistung weist ferner die Leuchtröhre zwangsläufig größere Außenabmessungen auf, wodurch eine größere Luftausblasvorrichtung zum Abführen der von der Lampe erzeugten Wärme erforderlich ist. Ein Verfahren, bei welchem die der Lampe zugeführte Eingangsleistung erhöht wird, um eine intensive i-Linien-Strahlung zu erhalten, ist deshalb nicht erwünscht.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die primäre Aufgabe zugrunde, eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp anzugeben, bei welcher man eine Leuchtröhre über lange Zeit unverschmutzt halten und eine intensive i-Linien-Strahlung erhalten kann.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine UV-Emissionsvorrichtung anzugeben.

In einem ersten Aspekt der Erfindung, bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, bei welcher innerhalb einer Leuchtröhre aus Quarz eine Kathode und eine Anode gegenüberliegend angeordnet und Quecksilber sowie ein Edelgas eingefüllt sind, werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass als Edelgas zumindest Argon (Ar) mit einem Druck von 1.0 bis 8 atm bei Raumtemperatur eingefüllt ist, und dass die Bedingung 0,211 ≤ ((Wd)1/2/R) ≤ 0,387 erfüllt ist, wenn die Hälfte des maximalen Durchmessers der Leuchtröhre in Radialrichtung in cm mit R, die Dicke des Kolbens in cm mit d und die der Lampe zugeführte Eingangsleistung in kW mit W bezeichnet werden, wobei die Radialrichtung als Richtung des Querschnittes definiert ist, welcher zur Achsrichtung, das heißt, der Richtung zwischen der Anode und der Kathode, senkrecht ist.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, die der im vorstehenden Absatz beschriebenen Lampe entspricht, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass als Edelgas anstelle von Argon Krypton (Kr) mit einem Druck von 1,0 bis 8 atm bei Raumtemperatur eingefüllt wird, und dass die Bedingung 0,205 ≤ ((Wd)1/2/R) ≤ 0,418 erfüllt ist.

Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, die der vorstehend beschriebenen Lampe entspricht, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass als Edelgas zumindest Argon (Ar) und Krypton (Kr) mit einem Gesamtdruck von 1,0 bis 8 atm bei Raumtemperatur eingefüllt sind, und dass die Bedingung 0,209 ≤ ((Wd)1/2/R) ≤ 0,387 erfüllt ist.

Die Aufgabe wird ferner durch eine UV-Emissionsvorrichtung gelöst, welche umfaßt:

- eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp wie vorstehend beschrieben sowie

- eine Stromquelle, welche die Quecksilberlampe mit einer vorgegebenen Leistung versorgt.

Die Aufgabe wird bei einer UV-Emissionsvorrichtung ferner dadurch vorteilhaft gelöst, dass die Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp in der Weise senkrecht angeordnet ist, dass die Anode oben und die Kathode unten liegt.

Die erfindungsgemäße Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Argon (Ar) oder Krypton (Kr) oder ein Gemisch dieser Gase unter Druck als Puffergas eingefüllt wird. Man konnte durch Versuche bestätigen, dass durch die vorstehend beschriebene Maßnahme verhindert wird, dass sich die Spektralbreite der i-Linie verbreitert. Man konnte feststellen, dass sich deshalb die Bestrahlungsdichte der Belichtungsfläche erhöht. Der Grund hierfür liegt darin, dass sich der Strahlungs-Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Einfüllen von Xenon-Gas (Xe) bei ca. 1 atm um 10 bis 20% erhöht (diese Erhöhung des Wirkungsgrades entspricht einer Zunahme von 20 bis 40%, wenn er in Leistung umgerechnet wird).

Ferner ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass unter der Bedingung, dass unter Druck zumindest Argon (Ar) oder Krypton (Kr) oder ein Gemisch dieser Gase als Puffergas mit einem vorgegebenen Druck eingefüllt wird, Zahlenwerte unter Berücksichtigung der Dicke der Leuchtröhre (nachfolgend auch "Kolben" genannt) und dergleichen festgelegt sind. Der Grund hierfür liegt darin, dass das eingefüllte Puffergas auf das thermische Verhalten und die Lichtbogen- Charakteristik innerhalb der Leuchtröhre starke Einflüsse ausübt, wenn das molare Verhältnis des eingefüllten Puffergases zum gleichzeitig eingefüllten Quecksilber groß ist.

In dieser Hinsicht haben die Erfinder bestätigt, dass eine Quecksilberlampe, in welcher als Puffergas Ar-Gas eingefüllt ist, auf Luftkühlung der Leuchtröhre empfindlicher reagiert als eine Quecksilberlampe, in der Xe-Gas eingefüllt ist. Es wurden speziell folgende Versuche durchgeführt:

Es wurden zwei Lampen mit vollständig identischen Formen hergestellt und Quecksilber in derselbe Menge (5 mg/cm³) in sie eingefüllt. In einer Lampe wurde 2 atm Xe-Gas und in der anderen Lampe 2 atm Ar-Gas hinzugefügt. Diese zwei Lampen wurden mit demselben Heizapparat, welcher die Stärke der Druckluftkühlung (Luftausblas-Geschwindigkeit) beliebig verändern kann, in abwechselnder Weise betrieben.

Es wurde also die Relation zwischen der Luftausblas-Geschwindigkeit und dem nicht verdampften Quecksilber untersucht. Bei der Quecksilberlampe, in welche Xe eingefüllt ist, begann bei einer Luftausblas-Geschwindigkeit von ca. 10 m/sec das Quecksilbers der Lampe zu kondensieren, und bei der Quecksilberlampe, in der Ar eingefüllt wurde, begann bei einer Luftausblas-Geschwindigkeit von ca. 6 m/sec das Quecksilbers zu kondensieren.

Die Tatsache, dass bei einer Quecksilberlampe, in welcher Ar eingefüllt ist, Quecksilber bei einer niedrigeren Luftausblas-Geschwindigkeit zu kondensieren beginnt als bei der Quecksilberlampe, in der Xe eingefüllt ist, weist darauf hin, dass die Lampe von Kühlbedingungen wie Luftausblasen und dergleichen leicht zu beeinflussen ist. In diesem Fall trat bei einer Quecksilberlampe, in welcher Xe eingefüllt ist, keine Schwankung des Lichtbogens auf, während bei der Quecksilberlampe, in der Ar eingefüllt ist, eine Schwankung des Lichtbogens auftrat.

Der Grund des vorstehend beschriebenen Einsetzens der Kondensation von Quecksilber sowie der vorstehend beschriebenen Schwankung des Strahlungslichtes durch die Einflüsse der Kühlbedingungen ist zwar nicht ganz klar, liegt jedoch vermutlich in folgendem:

Es ist vorstellbar, dass der Grund hierfür in den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten des Ar-Gases und des Xe-Gases liegt. Wenn diese Wärmeleitfähigkeit groß ist, erhöht sich die Übertragungsgeschwindigkeit der Wärmeenergie. Die Temperatur in der Lichtbogen-Mitte wird leicht bis nahe an die Innenoberfläche des Kolbens übertragen, während umgekehrt auch die Temperatur in der Nähe der Innenoberfläche des Kolbens leicht bis zur Lichtbogen-Mitte übertragen wird. Hierbei sind die Wärmeleitfähigkeiten des Ar-Gases, des Kr-Gases und des Xe- Gases κ (10&supmin;&sup4; W/cm/K) in der Reihenfolge (Ar: 1,63) > (Kr: 0,88) > (Xe: 0,50). Die Quecksilberlampen, in welche Ar-Gas oder Kr-Gas eingefüllt ist, werden durch eine Luftausblas- Kühlung der Außenoberfläche des Kolbens und ähnliche Bedingungen leichter beeinflußt als die Quecksilberlampe, in der Xe-Gas eingefüllt ist. Dies führt zu einer Temperatursenkung in der Nähe der Innenoberfläche des Kolbens sowie zu einer Temperatursenkung in der Lichtbogenmitte.

Nachfolgend wird die Wärmeübertragung im Hinblick auf die Temperatur innerhalb und außerhalb des Kolbens anhand eines einfachen Modells beschrieben. Die Erfinder stellen dieses Modell folgendermaßen dar:

Als erstes wird die Temperatur der Außenoberfläche des Kolbens berücksichtigt. Als Lampe wird eine symmetrische, runde Birne mit einem Außenradius von Ro und einem Innenradius von Ri verwendet. Die Dicke d des Kolbens wird nach der folgenden Gleichung (1) berechnet:

(1) d = Ro - Ri

Die der Lampe zugeführte Eingangsleistung wird mit W bezeichnet. Die Lichtbogen- Entladung erfolgt im wesentlichen in der Mitte der runden Birne, und ihre Größe ist relativ klein im Vergleich zum Innenradius des Kolbens.

Die zugeführte Energie, welche im Lichtbogen verbraucht wird, wird teilweise in Lichtenergie umgewandelt, während der restliche Teil in innere Energie des eingefüllten Gases sowie Heizenergie für die Elektroden umgewandelt wird. Ein Teil der Lichtenergie geht durch den Kolben hindurch und wird nach außen abgestrahlt, während der Rest von dem Kolben absorbiert und somit zu einer Heizquelle des Kolbens wird. Das eingefüllte Gas wird von der Konvektion innerhalb der Lampe getragen, nähert sich dem Kolben, stößt mit dem Kolben zusammen und gibt Energie ab. Somit wird es auch zu einer Heizquelle des Kolbens.

Die der Lampe zugeführte Energie geht also teilweise als Lichtenergie durch den Kolben hindurch und wird nach außen abgestrahlt, während ein anderer Teil von dem erwärmten Kolben als Wärmeenergie abgestrahlt und der Rest von dem erwärmten Kolben durch Konvektions- Wärmeübertragung als Wärmeenergie abgestrahlt wird. Wenn hierbei das Verhältnis der Lichtenergie, welche durch den Kolben hindurchgeht und nach außen abgestrahlt wird, zur zugeführten Energie mit α bezeichnet wird, wird die Gleichung der Energieerhaltung bezüglich der zugeführten Energie W (der der Lampe zugeführten Energie), makroskopisch gesehen, nach der folgenden Gleichung berechnet:

(2) W = αW + SεσTo&sup4; + Sh(To - Te)

Dies bedeutet, dass die zugeführte Energie (W), welche im Lichtbogen verbraucht wird, aus der Lichtenergie (αW), die durch den Kolben hindurchgeht und nach außen abgestrahlt wird, der Wärmeenergie (SεσTo&sup4;), die von dem erwärmten Kolben abgestrahlt wird, und der Wärmeenergie (Sh(To - Te)), die von dem erwärmten Kolben durch Konvektions-Wärmeübertragung emittiert wird, besteht.

Die vorstehend beschriebene Gleichung (2) kann ferner folgendermaßen umgewandelt werden:

(2) (1 - α)W/S = εσTo&sup4; + h(To - Te)

Hierbei bezeichnet:

S: den Außenflächeninhalt der Kolbensphäre und ist gleich 4 πRo²

ε: das Ausstrahlungsvermögen des Quarzkolbens und beträgt im IR-Bereich ca. 1.

σ: die Stefan-Boltzmann-Konstante und beträgt 5,67 · 10,219 W/cm²/K&sup4;.

h: die Wärmeübergangszahl und beträgt 0,003 bis 0,015 W/cm²/K.

To: die Temperatur der Außenoberfläche des Kolbens.

Te: die Gleichgewichtstemperatur (ca. 300 K) der Kühlluft an einer Position, welche von der Lampe ausreichend entfernt ist.

α: das Verhältnis der Lichtenergie, welche durch den Kolben hindurchgeht und nach außen abgestrahlt wird, zu der zugeführten Energie.

Es ist allgemein bekannt, dass bei Xe-Gas der Strahlungs-Wirkungsgrad der ununterbrochenen Strahlung größer ist als bei Ar-Gas oder Kr-Gas. Der α-Wert des Ar-Gases oder des Kr-Gases ist deshalb kleiner als der des Xe-Gases. Das heißt, bei einer Quecksilberlampe, in welcher Ar-Gas oder Kr-Gas eingefüllt ist, ist der Anteil an Energie, welche zum Erwärmen des Kolbens benutzt wird, höher als bei einer Quecksilberlampe, in der Xe-Cas eingefüllt ist, wenn dieselbe Energie W der Lampe zu geführt wird.

Als nächstes wird die Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens berücksichtigt. Wenn diese Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens zu hoch ist, tritt eine Entglasung des Kolbens auf. Wenn sie zu niedrig ist, verdampft das Quecksilber nicht.

Die Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens wird mit Ti bezeichnet. Die Energie, welche der Kolben empfängt und welche in Wärme umgewandelt wird, wird mit SεσTo&sup4; + Sh(To - Te) bezeichnet. Wenn dies mit Pin bezeichnet wird, wird die Energie, welche in den Kolben einfällt, folgendermaßen bezeichnet:

(3) Pin = (1 - α)W

Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Quarzkolbens mit % bezeichnet wird, erhält man basierend auf der Gleichung der Wärmeleitung die folgende Formel, welche die Temperatur der Innenseite und der Außenseite des Kolbens festlegt, weil eine runde Birne angenommen wird:

(4) Ti - To = (Pin/4πλ)(1/Ri - 1/Ro)

Hierbei bezeichnet Ti die Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens, To die Temperatur der Außenoberfläche des Kolbens, Ri den Innenradius des Kolbens und Ro den Außenradius des Kolbens. Der typische Wert der Wärmeleitfähigkeit λ liegt bei 1 bis 2 (W/m/K). Die Dicke d des Kolbens ist relativ geringer als der Außenradius Ro des Kolbens. Deshalb wird d « Ro erhalten. Der zweite Term (1/Ri - 1/Ro) der rechten Seite der Gleichung (4) wird deshalb mit ((Ro - Ri)/ Ri - Ro) bezeichnet. Da die Dicke d des Kolbens relativ kleiner ist als der Außenradius Ro des Kolbens, ist Ri = Ro. Wenn dies mit R bezeichnet wird, wird (d/R²) erhalten. Ferner wird der Temperaturunterschied Ti - To mit δT bezeichnet. Die Gleichung (4) wird deshalb folgendermaßen dargestellt:

(5) δT = (Pin/4πλ)d/R²

oder

(6) δT = ((Wd)1/2/R)(1 - α)/(4πλ)

Aufgrund der Gleichung (6) wird die Temperatur Ti der Kolbeninnenseite mittels der folgenden Gleichung berechnet:

(7) Ti = To + ((Wd)1/2/R)(1 - α)/(4πλ)

Aus dieser Gleichung wird ersichtlich, dass die Temperatur Ti der Innenoberfläche des Kolbens in grundsätzlichem Zusammenhang mit ((Wd)1/2/R) steht, welches durch die der Lampe zugeführte Eingangsleistung W, die Dicke d des Kolbens und den Radius R des Kolbens festgelegt wird.

Eine Lampe, in welcher Ar-Gas oder Kr-Gas eingefüllt ist, weist durch dieses Edelgas eine größere Wärmeleitfähigkeit auf als eine Lampe, in der Xe-Gas eingefüllt ist. Die Wärmeübertragung zwischen der Temperatur in der Lichtbogenmitte und der Temperatur in der Nähe der Innenoberfläche des Kolbens erfolgt deshalb leicht. Ferner ist das Verhältnis der Energieausnutzung zum Erhöhen der Kolbentemperatur hoch, wenn der Lampe dieselbe Energie zugeführt wird. Man hat deshalb beachtet, dass man bei dieser Lampe den thermischen Einfluß innerhalb des Kolbens ausreichend berücksichtigen muß. Es wurde herausgefunden, dass es zweckmäßig ist, die Variable ((Wd)1/2/R) innerhalb eines vorgegebenen Bereiches festzulegen, um die Nachteile des beginnenden Kondensierens des Quecksilbers bei einer allzu niedrigen Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens sowie der Entglasung des Kolbens bei einer allzu hohen Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens zu beseitigen.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Verwendung einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen UV-Emissionsvorrichtung;

Fig. 3 ist eine tabellarische Darstellung von Versuchsergebnissen, welche die Wirkung der Erfindung zeigen;

Fig. 4 ist eine tabellarische Darstellung zusätzlicher Versuchsergebnisse, welche die Wirkung der Erfindung zeigen;

Fig. 5 zeigt eine weitere tabellarische Darstellung von Versuchsergebnissen, welche die Wirkung der Erfindung zeigen;

Fig. 6 zeigt eine tabellarische Darstellung weiterer Versuchsergebnisse, welche die Wirkung der Erfindung zeigen, und

Fig. 7 zeigt noch eine weitere tabellarische Darstellung von Versuchsergebnissen, welche die Wirkung der Erfindung zeigen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Leuchtröhre 1 aus Quarz aufweist, in welcher eine Kathode 2 sowie ein Anode 3 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektroden sind jeweils über Innenanschlüsse 12 und 13 in hermetisch abgeschlossenen Abschnitten 6 und 7 an Metallfolien 8 und 9 angeschlossen. An den Metallfolien 8 und 9 sind jeweils Außenanschlüsse 10 und 11 angeschlossen.

Fig. 2 zeigt schematisch eine UV-Emissionsvorrichtung, bei welcher das aus der Lampe 14 austretende Licht durch einen spheroidalen Spiegel 15 sowie einen Flachreflektor 16 hindurchgeht, zu einer Kollimationslinse 17 und einem Bandpassfilter 18 mit einer Hauptwellenlänge von 365 nm und einer Bandbreite von 10 nm gelangt, durch eine Integratorlinse 19 hindurchgeht, von einem Flachreflektor 21 reflektiert wird, durch eine Kondensatorlinse 22 hindurchgeht und zu einer Leuchtkreis-Fläche 23 gelangt. Auf der Leuchtkreisfläche 23 ist ein Siliziumphotodioden-Detektor 24 angeordnet. An die Lampe 14 ist eine Stromquelle 26 angeschlossen, und die gewünschte Leistung wird zugeführt.

Nachfolgend wird ein Versuchsbeispiel beschrieben, bei welchem die Beleuchtungsintensität der i-Linie einer Quecksilberlampe, in welcher Argon bzw. Krypton oder ein Gemisch derselben eingefüllt ist, mit einer Quecksilberlampe, in der Xenon eingefüllt ist, verglichen wurde. Es wurden Quecksilberlampen mit denselben Bedingungen außer der Einfüllmenge von Argon, Krypton und Xenon verwendet. Die Beleuchtungsintensität der i-Linie wurde unter Verwendung des Detektors 24, wie in Fig. 2 gezeigt, gemessen. Konkret weisen die Quecksilberlampen folgende Spezifikation auf:

In einer ungefähr kugelförmigen Leuchtröhre aus Quarz mit einem Außendurchmesser von ca. 55 mm sind eine Anode 3 aus Wolfram mit einem Durchmesser von 20 mm sowie eine Kathode 2 aus Wolfram, welche 2 Gewichts% Thoriumoxid enthält, mit einem wirksamen Durchmesser der Spitze von 1,0 mm gegenüberliegend angeordnet. Quecksilber ist in einer Menge von 4,5 mg/cm³ pro Innenvolumen in der Lampe eingefüllt.

Es wurden eine Lampe (Lampe A), in welche 2 atm Xenon bei Raumtemperatur eingefüllt wurde, fünf verschiedene Lampen (Lampen B1 bis F1), in welchen zusätzlich zu Xe Ar eingefüllt wurde, sowie fünf verschiedene Lampen (Lampen B2 bis F2), in denen zusätzlich zu Xe Kr eingefüllt wurde, verwendet. Es wurden jeweils fünf Sorten der Lampen, in welche Ar eingefüllt wurde, und der Lampen, in die Kr eingefüllt wurde, bei 0,3 atm, 1 atm, 3 atm, 8 atm und 12 atm sowie durch Verändern der Einfüllungsmenge hergestellt. Diese Lampen wurden durch eine Konstant-Stromquelle 26, mit einer Eigangsleistung von ca. 2100 W und in einer Lampenstellung, in welcher die Kathode nach oben gerichtet ist, betrieben.

Fig. 3 zeigt die Versuchsergebnisse. Hierbei wird von der Bestrahlungsdichte der i-Linie der Lampe A ausgegangen und eine relative Bestrahlungsdichte der i-Linie der jeweiligen Lampe gezeigt.

Es wird angenommen, dass die Messfehler bei der Bestrahlungsdichte bei 1 bis 2% liegen. Üblicherweise wird angenommen, dass selbst unter Berücksichtigung dieser Messfehler der Durchsatz beim Belichtungsvorgang bei der Herstellung von Halbleitern bei einer Zunahme von mindestens 4% deutlich verbessert wird. Aus der Figur wird ersichtlich, dass sowohl bei Argon als auch bei Krypton die relative Bestrahlungsdichte um größer/gleich 4% erhöht wird, wenn die Gase in einer Menge von größer/gleich 1 atm eingefüllt werden.

Bei den Lampen (Lampen F1 und F2), in welche 12 atm Argon oder Krypton bei Raumtemperatur eingefüllt wurde, nahm die Bestrahlungsdichte zwar um 20% zu. Die Spektralbreite der i-Linie verbreiterte sich jedoch, was eine Verringerung der Bildauflösung bei der Belichtung verursacht. Als Folge davon wurde herausgefunden, dass man bei einer Quecksilberlampe, in welcher Argon bzw. Krypton eingefüllt ist, durch Einfüllen des Argons bzw. des Kryptons in einer Menge von 1,0 atm bis 8,0 atm die Bestrahlungsdichte effektiv erhöhen kann, ohnedass sich die Spekralbreite der i-Linie verbreitert.

Bei den vorstehend beschriebenen Versuchen wurden zwar Lampen angegeben, in welchen Argon (Ar) bzw. Krypton (Kr) zusammen mit Xenon (Xe) eingefüllt ist. Es wurde jedoch bestätigt, dass man dieselbe Wirkung erhalten kann, wenn man Argon (Ar) oder Krypton (Kr) als Element einfüllt, ohne Xenon (Xe) einzufüllen.

Wenn bei den Lampen, in welchen als Edelgas Ar und Xe eingefüllt sind, der Einfüllungsdruck des Xenons gegenüber dem Einfüllungsdruck des Argons ca. auf das Dreifache erhöht wird, nimmt die Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Leuchtkreisfläche entsprechend der Erhöhung zu. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Bestrahlungsdichte der i-Linie sich kaum erhöht, wenn der Einfüllungsdruck des Xenons noch mehr erhöht wird. Es ist deshalb bevorzugt, dass bei den Lampen, in welchen als Edelgas Ar und Xe eingefüllt sind, der Xe-Einfüllungsdruck ca. auf das Dreifache des Ar-Einfüllungsdrucks erhöht wird, um die Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Leuchtkreisfläche zu erhöhen.

Ferner wurde bestätigt, dass es bevorzugt ist, den Xe-Einfüllungsdruck ca. auf das Dreifache des Kr-Einfüllungsdrucks zu erhöhen, wenn Kr statt Ar eingefüllt und somit ein Gemisch von Kr und Xe verwendet wird.

(Ausführungsbeispiel 2)

Als nächstes wurde ein Versuch bei den Lampen durchgeführt, in welchen sowohl Ar als auch Kr als Gasgemisch eingefüllt sind. Abgesehen von der Einfüllmenge weist die jeweilige Lampe dieselbe Formenspezifikation wie bei Ausführungsbeispiel 1 auf. Es wurden fünf Lampen (G bis N) hergestellt.

Fig. 4 zeigt das in die jeweilige Lampe (A, G bis N) eingefüllte Gas und den Einfüllungsdruck hiervon. Die Lampe A ist dieselbe Lampe A wie bei Ausführungsbeispiel 1. In der Lampe A ist 2,0 atm Xe eingefüllt. In den Lampen 6 bis L ist kein Xenon eingefüllt, sondern Ar und Kr jeweils in einer Menge von 0,3 atm, 0,5 atm, 1,5 atm, 4,0 atm sowie 5,0 atm. In den Lampen M und N ist Xe jeweils in einer Menge von 0,3 atm sowie 3,0 atm eingefüllt und zusätzlich Ar und Kr jeweils in einer Menge von 0,5 atm.

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse. Wenn man die Lampe H, in welcher 0,5 atm Ar und 0,5 atm Kr bei Raumtemperatur eingefüllt sind, mit der Lampe A, in der nur Xe in einer Menge von 2 atm eingefüllt ist, vergleicht, ist ersichtlich, dass die UV-Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Leuchtkreisfläche bei der Lampe H im Vergleich zu der bei der Lampe A um ca. 5% zunahm, wenn sie in einer Belichtungsvorrichtung verwendet wurden.

Bei der Lampe L jedoch, in welcher bei Raumtemperatur ein Gemisch von 5,0 atm Ar und 5,0 atm Kr mit einem Einfüllungsdruck von 1,0 atm in die Leuchtröhre eingefüllt wurde, nahm zwar die Bestrahlungsdichte der i-Linie um 17% zu. Hierbei verbreiterte sich jedoch die Spektralbreite der i-Linie, und die Bildauflösung bei der Belichtung verringerte sich.

Bei dem Versuch, bei welchem Lampen als Heizapparate verwendet wurden, wurde herausgefunden, dass die relative Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Leuchtkreisfläche effektiv erhöht wird, wenn ein Gasgemisch von Ar und Kr bei Raumtemperatur mit einem Gesamtdruck von 1,0 atm bis 8,0 atm eingefüllt wird.

Ferner wurde herausgefunden, dass auch bei den Lampen M und N, in welchen zusätzlich zum Gasgemisch von Ar und Kr auch Xe zugesetzt wurde, die Bestrahlungsdichte der i-Linie effektiv erhöht werden kann, wenn der Gesamt-Einfüllungsdruck von Ar und Kr bei Raumtemperatur bei 1,0 atm bis 8,0 atm liegt. Aus einem Vergleich der Lampe M mit der Lampe N wird ersichtlich, dass bei einer Erhöhung des Einfüllungsdrucks von Xe sich die Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Leuchtkreisfläche auch dementsprechend erhöht.

Andererseits haben die Erfinder durch ihre Versuche bestätigt, dass sich die Bestrahlungsdichte der i-Linie kaum erhöht, wenn der Einfüllungsdruck von Xe mehr als ca. dreimal so hoch ist wie der Gesamt-Einfüllungsdruck von Ar und Kr. Im Hinblick auf die Erhöhung der Bestrahlungsdichte der i-Linie ist es deshalb bevorzugt, dass der Einfüllungsdruck von Xe nur ca. auf das Dreifache des Gesamt-Einfüllungsdrucks von Ar und Kr erhöht wird.

Im Hinblick auf den Wert (Wd)1/2/R soll folgendes beschrieben werden.

Als erstes wird ein Versuch beschrieben, welcher die Entglasung des Kolbens sowie den Beginn der Kondensation des Quecksilbers im Zusammenhang mit der Hälfte des Wertes des maximalen Durchmessers der Leuchtröhre (des Kolbens) R (cm), der Dicke d (cm) des Kolbens sowie der der Lampe zugeführten Eingangsleistung W (kW) bei einer Quecksilberlampe, in welcher Argon eingefüllt ist, zeigt.

Hierbei ist unter dem Begriff "maximaler Durchmesser des Kolbens" die Richtung des Querschnittes zu verstehen, welcher zur Richtung der Längsachse, das heißt, der Richtung zwischen der Anode und der Kathode, senkrecht ist. Bei dem Versuch wurden fünf verschiedene Quecksilberlampen, in welche 3 atm Argon bei Raumtemperatur eingefüllt wurde, bereitgestellt, die vorstehend beschriebenen Parameter jeweils verändert und die jeweilige Lampe anhand des Wertes von ((Wd)1/2/R) untersucht.

Konkret weisen die Quecksilberlampen folgende Spezifikationen auf:

In einer ungefähr kugelförmigen Leuchtröhre aus Quarz sind eine Anode aus Wolfram mit einem Durchmesser von 20 mm sowie eine Kathode aus Wolfram, welche ca. 2 Gewichts% Thoriumoxid enthält, gegenüberliegend angeordnet. Quecksilber ist in einer Menge von 4,5 mg/cm³ pro Innenvolumen in der Lampe eingefüllt.

Fig. 5 zeigt die Ergebnisse. Bei der Lampe X1 ist 20 Stunden nach dem Starten des Betriebs auf der Innenseite des Kolbens die Entglasung rasch fortgeschritten und die Strahlung rasch abgesunken. Der Grund hierfür liegt vermutlich darin, dass die Temperatur des Lampeninneren zu hoch war und deshalb die Entglasung fortgeschritten ist. Bei der Lampe X5 schwankte die Lampenspannung unmittelbar nach dem Starten des Betriebs, und die Strahlung wurde nicht stabilisiert. Bei einer Beobachtung der Lampe beim Betrieb wurde ferner der Beginn der Kondensation des Quecksilbers auf der Innenseite des Kolbens bestätigt.

Nachfolgend wird ein entsprechender Versuch für eine Quecksilberlampe beschrieben, in welche Krypton eingefüllt wurde.

Bei dem Versuch wurden fünf verschiedene Quecksilberlampen bereitgestellt, in welche 3 atm Krypton bei Raumtemperatur eingefüllt wurde, die vorstehend beschriebenen Parameter jeweils verändert und die jeweilige Lampe anhand des Wertes von (Wd/R²)1/2 untersucht. Die konkrete Spezifikation der Quecksilberlampen ist identisch mit der im vorstehend beschriebenen Fall, bei dem Argons hinzugefügt wurde.

Bei der Lampe Y1 wurde bestätigt, dass 20 Stunden nach dem Starten des Betriebs auf der Kolben-Innenseite eine Entglasung rasch fortgeschritten und eine rasche Abnahme der Strahlung erfolgt ist. Der Grund hierfür liegt vermutlich darin, dass die Temperatur der Innenseite des Kolbens zu hoch war und deshalb die Entglasung fortgeschritten ist. Bei der Lampe Y5 schwankte die Lampenspannung unmittelbar nach dem Starten des Betriebs, und die Strahlung wurde nicht stabilisiert. Bei einer Beobachtung der Lampe beim Betrieb wurde der Beginn der Kondensation des Quecksilbers auf der Innenseite des Kolbens bestätigt.

Nachfolgend wird ein entsprechender Versuch für eine Quecksilberlampe beschrieben, in welche Argon und Krypton eingefüllt wurden.

Bei dem Versuch wurden fünf verschiedene Quecksilberlampen, in welche 1,5 atm Argon, 1,5 atm Krypton sowie 0,5 atm Xenon jeweils bei Raumtemperatur eingefüllt wurden, bereitgestellt, die vorstehend beschriebenen Parameter jeweils verändert und die jeweilige Lampe anhand des Wertes von (Wd1/2/R) untersucht. Die konkrete Spezifikation der Quecksilberlampen ist mit dem vorstehend beschriebenen Fall, bei welchem Argons und Kryptons hinzugefügt wurden, identisch.

Bei der Lampe Z1 wurde bestätigt, dass 20 Stunden nach dem Starten des Betriebs auf der Kolben-Innenseite die Entglasung rasch fortgeschritten und eine rasche Abnahme der Strahlung erfolgt war. Der Grund hierfür liegt vermutlich darin, dass die Temperatur der Innenseite des Kolbens zu hoch war und deshalb die Entglasung fortgeschritten ist. Bei der Lampe Z5 schwankte die Lampenspannung unmittelbar nach dem Starten des Betriebs, und die Strahlung wurde nicht stabilisiert. Bei einer Beobachtung der Lampe beim Betrieb wurde das Einsetzen der Kondensation des Quecksilbers auf der Innenseite des Kolbens bestätigt.

Ferner kann man bei den vorstehend beschriebenen Quecksilberlampen vom Kurzbogentyp durch einen Betrieb in einer Lampenstellung, in welcher die Anode nach oben gerichtet ist, Schwankungen des Kathodenflecks unterdrücken.

Bei der erfindungsgemäßen UV-Emissionsvorrichtung wird das in Fig. 2 gezeigte optische System verwendet. Dadurch wird eine Bestrahlung mit einem hohen Fokussier-Wirkungsgrad ermöglicht.

Wirkung der Erfindung

Wie vorstehend beschrieben wurde, kann man bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, in welcher als Edelgas Argon (Ar) und/oder Krypton (Kr) eingefüllt ist, durch einen Einfüllungsdruck dieses Edelgases von 1,0 bis 8 atm die Lichtausbeute und die Strahldichte erhöhen, ohne die Eingangsleistung zu erhöhen.

Ferner kann man bei einer Quecksilberlampe, in welcher Argon (Ar) und/oder Krypton (Kr) in einer vorgegebenen Menge eingefüllt ist, eine Entglasung des Kolbens sowie das Einsetzen der Kondensation des Quecksilbers dadurch vorteilhaft verhindern, dass der Wert von (Wd1/2/R) auf einen vorgegebenen Wert festgelegt wird, wobei (Wd1/2/R) durch die Hälfte des Wertes des maximalen Durchmessers des Kolbens R (cm), die Dicke d (cm) des Kolbens sowie die der Lampe zugeführte Eingangsleistung W (kW) festgelegt wird.


Anspruch[de]

1. Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Quarz-Leuchtröhre umfasst, worin eine Kathode und eine Anode einander gegenüberliegend angeordnet sind und welche mit Quecksilber und einem Edelgas gefüllt ist; wobei das Edelgas zumindest Argon (Ar) mit einem Druck von 1,0 bis 8 atm bei Raumtemperatur umfasst, und wobei die Beziehung 0,211 ≤ ((Wd)1/2/R) ≤ 0,387 erfüllt ist, wobei R die Hälfte eines maximalen Durchmessers der Leuchtröhre in cm ist in einer radialen Richtung, welche senkrecht ist zu einer Richtung zwischen der Anode und der Kathode, d die Dicke der Röhre in cm ist und W die Eingangsleistung in kW ist.

2. Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher das Edelgas ferner Xenon (Xe) umfasst, welches mit einem Druck bei Raumtemperatur hinzugefügt ist, welcher höchstens das Dreifache des Argon-Drucks beträgt.

3. Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Quarz-Leuchtröhre umfasst, worin eine Kathode und eine Anode einander gegenüberliegend angeordnet sind und welche mit Quecksilber und einem Edelgas gefüllt ist; wobei das Edelgas zumindest Krypton (Kr) mit einem Druck von 1,0 bis 8 atm bei Raumtemperatur umfasst, und wobei die Beziehung 0,205 ≤ ((Wd)1/2/R) ≤ 0,418 erfüllt ist, wobei R die Hälfte eines maximalen Durchmessers der Leuchtröhre in cm ist in einer radialen Richtung, welche senkrecht ist zu einer Richtung zwischen der Anode und der Kathode, d eine Dicke der Röhre in cm ist und W die Eingangsleistung in kW ist.

4. Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, wie in Anspruch 3 beansprucht, bei welcher das Edelgas ferner Xenon (Xe) umfasst, welches mit einem Druck bei Raumtemperatur hinzugefügt ist, welcher höchstens das Dreifache des Krypton-Drucks beträgt.

5. Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Quarz-Leuchtröhre umfasst, worin eine Kathode und eine Anode einander gegenüberliegend angeordnet sind und welche mit Quecksilber und einem Edelgas gefüllt ist, wobei das Edelgas zumindest Krypton und Argon als Edelgas umfasst mit einem Gesamtdruck von 1,0 bis 8 atm bei Raumtemperatur, und wobei die Beziehung 0,209 ≤ ((Wd)1/2/R) ≤ 0,387 erfüllt ist, wobei R die Hälfte eines maximalen Durchmessers der Leuchtröhre in cm ist in einer radialen Richtung, welche senkrecht ist zu einer Richtung zwischen der Anode und der Kathode, d eine Dicke der Röhre in cm ist und W die Eingangsleistung in kW ist.

6. Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, wie in Anspruch 5 beansprucht, bei welcher das Edelgas ferner Xenon umfasst mit einem Druck bei Raumtemperatur, welcher höchstens das Dreifache des Gesamtdrucks des Argons und Kryptons beträgt.

7. UV-Bestrahlungsvorrichtung, welche umfasst:

- eine Quecksilberlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, sowie

- eine Energiequelle, welche die Quecksilberlampe mit einem festgelegten Wert der Eingangsleistung W versorgt.

8. UV-Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Quecksilberlampe vertikal angeordnet ist, so dass sich die Anode oben und die Kathode unten befindet.







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