CN1041480A - 短弧放电灯 - Google Patents

Abstract

能使由短弧放电灯(30、70、102)放电产生的弧的直径小到看起来象一个斑点，因此短弧放电灯的照度效率能提高，而它的亮度也可增强。

Description

本发明涉及一种短弧放电灯，这种短弧放电灯供诸如曝光设备和紫外光斑治疗装置那样的照明光学系统作光源用，所述曝光设备用于在半导体晶片上印刷电子电路图形。

包括超高压水银灯、氙汞灯及同类器件在内的短弧放电灯通常具有一个石英玻泡，和置于此玻泡两端以保持玻泡气密的一对端帽。玻泡的中央部分制成蛋形。一个阳极和一个阴极彼此相对安置。为在阳极和阴极间产生短弧放电，在它们之间留一很小间隙。

短弧放电灯是一紫外线灯，它能放射出象一点光源那样的小弧。所以，短弧放电灯是与设置有反射器之类的光学系统组合在一起的，并用作各种精密工业装置。

如同在早先公开的日本专利申请昭和（Sho）60-57930中所披露的那样，在半导体晶片上印刷电子电路图形的曝光设备具有一作为它的光源的短弧放电灯。此曝光设备还包括一个把从放电灯发射出的光反射和聚焦的反射器、一个把反射器反射的光反射至不同方向的平面镜、一个把由平面镜反射的光聚焦的透镜、一个让由聚焦透镜聚焦的光通过的光掩模、以及一块半导体晶片，通过光掩模的光被聚焦和辐照在此晶片上。反射器具有一旋转二次曲面。短弧放电灯基本上位于此反射器的焦点处。半导体晶片涂覆有紫外光敏胶。

从短弧放电灯发射出的紫外线将光掩模的图形印刷在半导体晶片的表面。为了曝光半导体晶片中的一片，光线要辐照几次，而只有在光辐照时才给放电灯提供大的直流电流。

如同另一个早先公开的日本专利申请Sho    63-34897所披露的那样，短弧放电灯用于投影仪。与投影仪的快门同步地把电流提供给投影仪的短弧放电灯。只有在快门打开时，此电流才转成高值并提供给放电灯。短弧放电灯只有在有大电流供给时才发出高亮度的光。

近来，要求工业上用的工作机器要具备工作精度，还要求它们具有高效率，以提高生产率。超大规模集成电路的集成度极高，从而在生产半导体的领域内，要求曝光半导体的设备也具有高效率。

增加照射在半导体晶片表面的光的强度或亮度就提高了曝光设备的曝光效率。在提高短弧放电灯的输出以增加光的强度或亮度的同时，象反射器和聚焦透镜那样一些装置的效率也得到了提高，象反射器这种装置已完全得到了改进，它具有高于某一程度的效率。然而，应继续改进短弧放电灯。通常，通过短弧放电灯来增加光强，以提高曝光效率。由此发展了一种具有高的光输出的放电灯，并把它用作提高光照效率的装置。为了将曝光时间缩短一半，采用1千瓦输入的放电灯，而不是500瓦输入的灯。以这样的方式来提高设置有放电灯的工业机器的效率。

然而，在常用的短弧放电灯场合下，当灯的输出变高时，输入功率要变大。因此，不可避免地要增加放电灯的尺寸，以散去因提高输入功率而增加的热量，当将放电灯的尺寸增大时，它的玻泡尺寸增大，放电电弧的直径也变大。

当在要求具有高精度的曝光设备中使用大尺寸的短弧放电灯时，因为放电电弧的直径太大，所以光不能聚焦在焦点上。从而降低了曝光设备光线聚焦的能力，而光在半导体晶片表面散开。因此，光强不是增加而是降低了。

本发明的目的是提供一种短弧放电灯，它可得到小直径的放电电弧，以增加电弧亮度和提高灯的效率。

一种根据本发明的短弧放电灯包括一个由耐高温的玻璃质材料制成的外壳、一个封接在外壳一端的阳极、一个封接在外壳一端的阴极、以及一种充填在外壳内的充入物;此充入物至少含有汞、稀有气体和卤素，而所述卤素具有3.5×10^-5-3.5×10^-3的相对于汞的偏摩尔数量（partial molor quantity）。

本发明另一种短弧放电灯包括一个由耐高温的玻璃质材料制成的外壳、一个封接在外壳一端的阳极、一个封接在外壳一端的阴极，以及密封在保持气密的外壳内的汞和稀有气体。这种短弧放电灯具有下列关系。

（V_L-V_SL）/1＝5-10（V/mm）以及

D/W_L＝1.8～3.5（cm/KW），

这里设定V_SL（V）代表放电刚开始后的灯电压、V_L（V）代表放电稳定时的灯电压，1（mm）代表阳极和阴极之间的间距、D（cm）代表蛋形管泡中央部分的最大内径、W_L（KW）代表放电稳定时的灯功率。

一种根据本发明的更进一步的短弧放电灯包括一个由耐高温的玻璃质材料制成的外壳、一个封接在外壳一端的阳极、一个封接在外壳一端的阴极、以及一种充填在外壳内的充入物，此充入物至少含有汞、稀有气体和卤素，而所述卤素具有3.5×10^-5～3.5×10^-3相对于汞的偏摩尔数量。这种短弧放电灯具有下列关系：

（V_L-V_SL）/1＝5～10（V/mm）以及

D/W_L＝1.8～3.5（cm/KW），

这里设定V_SL（V）代表放电刚开始后的灯电压，V_L（V）代表放电稳定时的灯电压，1（mm）代表阳极和阴极之间的间距，D（cm）代表蛋形管泡形中央部分的最大内径，而W_L（KW）代表放电稳定时的灯功率。

本发明能使由短弧放电灯放电产生的电弧直径变小，表现得与点光源相类似，甚至当放电灯的照度输出有少许下降时，它的光聚焦能力也能因此得到加强。

图1是一平面图，它示出根据本发明的短弧放电灯的第一个例子;

图2示出的第二个例子是用于曝光设备中的第一种放电灯。

图3是一平面图，它示出根据本发明的短弧放电灯的第三个例子;

图4示出一种配有根据本发明短弧放电灯的第四个例子的放电电路;

图5示出供给短弧放电灯的基底电流I_B的图形;

图6示出供给短弧放电灯的脉冲电流I_p的图形;

图7示出基底电流I_B和脉冲电流I_p之和的图形;

图8示出在一个周期S内及在时间间隔F处提供的基底电流I_B和脉冲电流I_p之和的图形;以及

图9示出了基底电流和脉冲电流I_p之和的图形，基底电流被转换成在一个周期R内提供的低值电流I^′ _B以及高值电流I_B，脉冲电流I_p在周期S内提供。

图1示出根据本发明的短弧放电灯的第一实施例。放电灯30具有石英玻璃制成的管泡32以及置于管泡32两端以保持管泡32内部气密的一对端帽36和38。管泡32具有分别延续到它两端的封接部分31a和31b。管泡32的中央部分34成蛋形。电极支撑杆40和42分别电连接到端帽36和38。阳极44和阴极46分别置于支撑杆40和42的前端。阳极44的前端类似一个梯形，而阴极46的前端类似锥形。阳极44和阴极46相互之间隔开3mm，以便在它们之间放电形成短弧。此放电灯30的灯电压为50V，它的额定输入功率为750瓦。1.7×10^-4克分子/立方厘米的汞被封入管泡32，还封入常温下为500乇的氩气。管泡32内封入氩气的理由在于防止因放电而引起电极材料的散布。还有，具有相对于汞为3.5×10^-5～3.5×10^-3偏摩尔数量的碘作为卤素被封入管泡32。

当短弧放电灯32通电时，汞蒸汽、氩气和碘化物在它内部混合。当电压加于阳极44和阴极46上时，在它们之间开始短弧放电。这种短弧放电具有下列特征。因为用作卤素的碘有着强的电子亲和力，所以它很可能与电子混合。从而，卤素能减少电弧内的电子数。因而能在电极44和46之间电子密度高的最短的间距内形成电弧，而且由此形成的电弧具有小的直径。

众所周知，如果卤素被封入管泡内，则当放电继续时，电弧会不稳定。但是，在这一实施方案中，因为电极44和46之间的间距小到只有3mm而且在管泡32内封入了适量的用作卤素的碘，所以电弧既不闪烁，也没有不稳定，这阻止了放电灯的灭弧。

下面是一个运用短弧放电灯30的例子。图2中所示的例子是一个在半导体晶片上印刷电子电路图形的曝光设备。曝光设备50包括用作光源的短弧放电灯30、反射放电灯30发射出的光并使其聚焦的反射器52、反射从反射器52送出的光的平面镜54、把从平面镜54反射出的光聚焦的透镜56以及让由透镜56聚焦的光穿过的光掩模58。半导体晶片60处于光穿过光掩模58后的一个位置。反射器52制成旋转二次曲面。放电灯30基本上位于反射器52的中央来放电产生电弧。半导体晶片60，比如在其表面，涂覆有紫外光敏胶。

反射器52反射从放电灯30发射出的光。从反射器52反射出来的光被聚焦，然后到达平面镜54。由平面镜54向不同方向反射出的光进入聚焦透镜56。从透镜56出来的光在聚焦的同时穿过光掩模58。穿过光掩模58的光辐照在半导体晶片60的表面。从而，光掩模58的图形被紫外光线印刷在半导体晶片60的表面。

从下面的试验获得封入短弧放电灯30内卤素的最合适的量。改变用作卤素的碘量，同时其它条件保持和上述短弧放电灯中的相同。在此试验中，改变碘的量并观察在半导体晶片表面的光的强度或密度，来检验G线（G string）（4.36nm）放电状态。选择碘的量，使具有2.0×10^-5、3.5×10^-5、3.5×10^-3和3.5×10^-2相对于汞的偏摩尔数量。从这一试验获得的结果示于表1，表中No.1代表光强、弧的稳定性以及相对于常用放电灯的评价，而我们那些例子是以常用的一种放电灯的那些值为基础来表示的。从这些结果可明显地看出，当碘的量（偏摩尔数量）少于3.5×10^-5，由于被封入的碘的量少，所以不能增加光强。然而，当碘的量（偏摩尔数量）超过3.5×10^-5时，光强度大，但因为电弧的直径小，所以在闪烁时，有时会熄灭。

因此，用相对于汞的偏摩尔数量来表达时，碘的合适含量应在3.5×10^-5～3.5×10^-3范围内。碘最合适的含量在3.5×10^-4～2.0×10^-5范围内。

本发明的短弧放电灯在放电时产生的电弧直径是小的。这使得它发光的区域小，而看起来象一个点光源。因为放电灯的发光效率提高了，所以它的亮度能变高。

现将描述根据本发明的短弧放电灯的第二个例子。此例和第一例有着完全相同的安排，只是所封入的气体与第一个例子不同。除了在第一例短弧放电灯中封入的那些气体外，还在短弧放电灯中封入钐。此与第一例相似的短弧放电灯也是用于在半导体晶片上印刷半导体电子电路图形的曝光设备中的。利用此曝光设备，进行了有关短弧放电灯第二个例子的试验。实验了G线弧的光强如何在半导体晶片表面随钐是否存在于灯内而发生的变化。表2示出了由此获得的结果。

与没有在放电灯内加入钐的No.2和No.3情况相比，有钐加入的No.6和No.7时的光强增大了。所以，与短弧放电灯的第一个例子相比，钐能使G线的光谱更强烈地发射出来。结果，能比在放电管泡内仅加入碘的第一个例子中更强烈地发射出426nm的光谱，从而使光输出增强。

钆、镨、镧、钇、铼、铽或铕可用来代替第二个例子中所用的钐。上述这些元素可以单独使用或混合起来使用。这些金属，例如钐，与卤素不起反应，在灯的放电期间，它们作为金属本身留下。然而，当切断放电灯电源时，它们与卤素起反应，生成卤化物。这使得卤素和钐这类金属有可能以卤化物的形式从外部封入到管泡内。

溴、氟、氯及其同类物可以单独或混合起来使用以代替在第一和第二例中用作卤素的碘。

图3示出根据本发明的短弧放电灯的第三个例子。放电灯70包括石英玻璃制成的管泡72以及置于它两端以保持管泡72内部气密的一对端帽76和78。管泡72具有分别延续到管泡72两端的封接部分81a和81b。管泡72的中央部分呈蛋形。电极支撑杆80和82分别从外部与端帽76和78电连接。支撑杆80和82的每一根是由钨制成的。阳极84和阴极86分别置于与支撑杆80和82的前端。阳极84的前端做成类似梯形，并由纯钨制成，而阴极86的前端做成类似圆锥形并设置有纯钨制成的螺管线圈88，沿着螺管线圈88的螺线形成以ThO₂制成的发射体。在图3中所示的放电灯中，阳极84和阴极86之间的间距l为2.5毫米，以在它们之间放电产生短弧。管泡72的蛋形中央部分74的最大直径D为1.4厘米。

放电灯70的额定灯输入功率为500瓦。管泡72内封入氩气，使管泡72在常温下保持0.5个大气压。管泡72内封入的汞量是这样决定的，即，要使得灯电压为36V。管泡72内封入氩气以阻止因管泡72内的放电而引起电极材料的散射。

当短弧放电灯70接通电时，汞蒸汽和氩气在管泡72内混合，汞蒸汽压为30个大气压，而氩气压为4个大气压，在放电灯70内的总压力为34个大气压。当电压加到阳极84和阴极86上时，电极84和86间开始短弧放电。此短弧放电具有下列特性。刚好在放电后的灯电压V_SL＝12〔V〕。可以认为，在这种放电状态下，因电极损耗而产生的电压降V_drop为12〔V〕，而氩气对灯电压的作用为零。所以在刚放电后，灯电压V_SL＝V_drop＝12〔V〕。

和第一个例子类似，短弧放电灯70用于在半导体晶片上印刷电子电路图形的曝光设备。因为此曝光设备的布局与短弧放电灯第一个例子中的相同，所以对它的描述予以省略。

进行了试验以使短弧放电灯70能在高效率下发射出来。改变条件，在半导体晶片表面观察G线（436nm）的放电状态。从这一试验获得的结果示于表3。V_SL代表灯刚通电后的灯电压，V_L代表稳定放电时的灯电压，代表电极之间的间距，W_L代表放电稳定时的灯功率，而D代表蛋形管泡中央部分的最大内径。表3中的No.15代表一通常的例子，同时示出了它的灯照度、它的总效率，我们对它的评价等。

标号为No.15的常用短弧放电灯所处条件为：灯开始放电时的灯电压V_SL＝12V，放电稳定时的灯电压V_L＝50V，电极间的间距l＝3.6mm，放电稳定时的灯功率W_L＝0.5千瓦，而管泡最大内径D＝2.4cm。在No.15放电灯的试验中，灯照度为100%，聚焦效率为16.7%，总效率为100%，而管泡内压力为36个大气压。与No.15的放电灯相比，No.11的短弧放电灯在稳定放电时灯电压V_L较低（为27V），电极间的间距1较短（为3.1mm），以及最大内径D较小（为1.0cm）在使用No.11的放电灯时，灯照度为68%，聚焦效率为24%总效率为98%，而管泡内的压力为25个大气压。因此，No.11放电灯的效率比No.15放电灯的要低，而这已超出了本发明的范围No.12的放电灯与No.11的灯的不同之处在于电极间的间距1设置成3.0mm。结果，灯光效率成为71%，而聚焦效率成为23.8%。No.12灯的总效率从而改进到101%，从而使No.12灯的效率高于No.15常用灯的效率。No.13短弧灯与No.12灯不同之处在于前者在放电稳定时的灯电压V_L做得较高，为41V，并且管泡的最大内径D做得较大，为1.6cm。结果，因为No.13灯的灯光效率为85%，聚焦效率为23.3%，从而它的总效率为118%，所以，No.13灯的效率高于No.15灯的效率。No.14短弧放电灯与No.13灯的不同在于当灯放电稳定时的灯电压V_L设置成为36V，且管泡最大内径D设置成为1.4cm。结果，No.14灯的灯照度成为76%，它的聚焦效率成为25%，而它的总效率成为114%。因此，No.14灯的效率做得比No.15灯为高。No.16短弧放电灯与No.14灯的不同之处在于当放电稳定时的灯电压V_L设置成为50V，以及管泡最大内径D设置成为2.4cm。结果，No.16灯的灯光效率成为100%，聚焦效率变成19%，以及总效率变成114%。No.16灯的问题在于当No.16灯通电时管泡内的压力变成42个大气压。明言之，管泡内的压力比常用灯的压力高出8个大气压（或24%）。这要求管泡本身有较高的强度。所以，No.16灯不适用。No.17短弧放电灯不同于No.16灯之处在于前者在放电稳定时的灯电压V_L设置成36V。结果，No.17灯的灯光效率变成76%，聚焦效率变成19%，而总效率变成86%。因此，No.17灯比No.15灯的效率要低。根据本发明的NO.12-NO.14放电灯与通常的灯No.15相比，被设计成具有较短的电极间间隙，成为类似于一个斑点的光源。NO.12-NO.14放电灯在放电稳定时的灯电压是低的。换言之，封入的汞量少，且电位斜率（V_L-V_SL）/l变小。因此，灯接通电时的灯压力基本上与常用灯的相同。还有，NO.12-NO.14放电灯的灯照度比常用灯的低15-29%。然而，D/W_L值设置得小于在常用灯场合下的值使得弧的直径能变得较小。结果，电极间的间隙做得较短，而弧的散开变得较小，从而让弧看起来象一点光源。放电灯因而能以较高的精度设置在曝光装置反射器的焦点上，从而使聚焦效率增强。与常用灯相比，本发明的短弧放电灯能将它们的总效率的提高超过1-18%。

在常用放电灯的场合下，当放电灯的输入功率较大时，管泡直径变成较大。D/W_L（cm/KW）通常为4-6，但当输出变大时，D/W_L有时大于4-6。这是因为管泡内的压力设置得如此之大，以致接近管泡最大抗压强度，以及因为为了增加管泡抗压强度和使泡壁负载（W_L/管泡内表面面积）高于一足够大的值，要将它制成类球形。

然而，根据本发明，即使在灯通电时管泡内的压力不是设置得如此之高，放电灯的总效率也能得到提高。所以，管泡不必要做成象一个球形。简言之，甚至当管泡制成有点象较长的纺锤形而使它的抗压强度下降一些时，仍然存在着阻止弧散开和使弧直径变小的优点。结果，包括曝光设备在内所有一切的效率都能变得较高。

现将叙述短弧放电灯的特性。

当灯通电时，管泡内的压力P通常取决于电极间的间隙1、封入的汞量、封入稀有气体的压力以及在灯放电期间气体的温度。当封入的汞量和气体量增加时，灯电压V_L上升。灯电压可以由电极损耗V_drop和加在电极间以产生电弧的弧电压U_arc之和来表达。

V_L＝V_drop+V_arc……（1）

放电灯产生的光量 φ 正比于弧电压V_arc。所以，

φ ∝V_arc ^a……（2）

为了增加放电灯的光量，因此要增加弧电压。

弧电压V_arc正比于封入的汞量和稀有气体的压力。在短弧放电灯中，用氩或氙作为稀有气体。因潘宁效应（Penning′S effect），此稀有气体主要起降低启动电压的作用并限制电极制作材料在灯启动时发生散射。封入的稀有气体的压力Pg_as保持在1个大气压以下。

然而，在用氙气和汞的短弧放电灯中，氙气的作用是阻止电极制作材料发生散射，并且在灯通电时，氙气的发光也作了贡献。所以，封入氙气的压力Pg_as保持在高于1个大气压，最好在5-6个大气压范围内。当放电灯通电时，压力增大4或5倍。

与封入的汞相比，稀有气体对灯电压的影响较小，而在放电刚开始后，

V_SL＝V_drop+Vg_as……（3）

甚至当放电灯内稀有气体的压力在常温下至少为1个大气压时，例如在5-6个大气压的范围内时，Vg_as约为几伏。在灯放电期间，稀有气体的压力增加4-5倍。

弧电压V_arc能用随封入气体的压力而变的Vg_as和随封入的汞量而变的V_Hg之和来表达。即

V_are＝Vg_as+V_Hg……（4）

所以，对短弧放电灯来说，

V_arc≈V_Hg……（5）

假定封入的汞量以M（mg）来代表，电极间的间隙用1（mm）来代表，以及管泡体积用A（CC）来代表，则如众所周知，V_Hg的关系为：

M∝V_Hg ^b·A^d/l^c……（6）

公式（6）可重写为：

V_Hg∝M^e·l^f/A^g……（7）

当灯通电时管泡内的压力P依赖于管泡内气体的平均温度而变化，假定温度是一定的

P∝Pg_as……（8）

P∝M    ……（9）

当稀有气体的压力Pg_as较高和汞量较大时，管泡内的压力P变得较高。当灯电压V_L一定和电极间的间隙1小时，从公式（6）可看出需要增加汞量。并且，当为了增加光量 φ 而增高弧电压V_arc时，从公式（2）和（6）可看出也需要增加汞量。

可以增加管电压V_L，以使得在同一灯功率W_L下提高弧电压V_arc。然而，从公式（7）可看出，增加汞量会使灯通电时的管泡内压力P增高。当压力P随着灯通电而增加时，能抵抗压力的管泡强度变得愈来愈低，从而使灯在电弧放电时破裂的可能性增大。

当把电极间的间隙或间距l做得大时，有可能通过增加在灯放电期间的弧电压V_arc来增加光输出而不提高压力P，但灯的那种放电电弧象点光源的特性会变坏。因此，通过光学系统组合而得的聚焦效率和总效率一起下降。

此外，一种增加汞压的装置可产生下列缺点，当汞压增加时，光输出上升。这引起弧散开的缺点，并且尽管光谱连续频带内的输出增加，但紫外频带内的输出却不是按比率作必要的增加，但这一输出当然是主要的。换言之，光输出的增加是由不必要频带的输出的增加而引起的。所以，这不意味着效率有真正的提高。

因此，根据本发明，限制弧的散开以使弧的直径变小，结果包括灯的光学系统在内所有的效率都能得到提高。

如前所述，（V_L-V_SL）/l代表电位斜率。取电极间的间距l作为分母以获得此值。所以，此值决定电弧是否能形成类似点的光源。从公式（6）、（7）和（8）可明瞭，通过汞蒸汽压力可改变此值，并且，从试验结果判断，此值在5-10（V/mm）范围内是十分恰当的。

例如，对NO.11灯来说，（V_L-V_SL）/l小于5，电极间间距1太长或放电稳定时的灯电压V_L太低。因此，短弧放电灯中的弧不是象斑点状光源那样放电，或者说，灯的照度极低。从而总效率是如此低下，以致不能达到本发明的目的。

例如，对No.16灯来说（V_L-V_SL）/l大于10，当放放电灯通电时，管泡内压力上升。从而相对于压力来说，放电管泡的可靠性降低了。这使得NO.16灯不适合于用来达到本发明的目的。

例如，对NO.14-NO.16灯来说（V_L-V_SL）/l在5-10的范围内，当D/W_L（cm/KW）设置在1.8～3.5时，就能提供出可达到本发明目的的短弧放电灯。在此情况下，当D/W_L小于1.8时，管泡的表面温度变得太高，管泡抵抗压力的强度因而降低。当D/W_L大于3.5时，此放电灯的总效率下降。

设定每单位长度的灯功率W_L以满足上述涉及（V_L-V_SL）/l和D/W_L的条件。此时，最好设定W_L/l大于0.17，以提高放电灯的总效率。

在短弧放电灯的第三个例子的情况下，放电灯通电时管泡内的压力不上升，但总效率提高。放电灯的照度下降了，但它作为点光源的能力增强了。因而，用这个例子可达到本发明的目的。

虽然第三个例子已在具有500瓦额定输入功率的情况下加以描述，但它的额定输入功率有可能大于500瓦。当额定输入功率较高时，管泡的抗压能力更可能下降。因此，根据本发明，制造极间距离短的放电灯的优点在最大程度上能得到利用。

现将描述根据本发明的短弧放电灯的第四个例子。图4示出了一个照明电路，其中，使用了短弧放电灯。照明电路100具有短弧放电灯102和两个连接到放电灯102的电流供给电路104和106。短弧放电灯102和上面实施方案中所述的相同。它有阴极108和阳极110。电流供给电路104具有提供电流的直流电路112以及提供某一直流电流的基底电流供给电路，此直流电流是从由直流电路112提供的电流中获得的。定时器116连接到基底电流供给电路114，以周期地改变基底电流I_B。电流供给电路106具有供给直流电流的直流电路118以及产生脉冲电流的脉冲电流供电电路120。脉冲电流是从电路118供给的电流来的。定时器122连接到电路120，以控制产生脉冲电流I_p的计时。

电流电路104用来给放电灯102提供某一如图5中所示的基底电流I_B。电流电路106用来在周期T处提供脉宽为t_p的脉冲电流I_p，在周期T期间不产生脉冲，如图6中所示。将由104和106两个电路供给的电流的总和（如图7中所示）供给放电灯102。

供给放电灯102的电流设定如下：

0.03≤t_p≤3（ms）

0.1≤T≤10（ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

基底电流是提供来保持放电灯的弧光放电的。封入的金属，例如汞，以来凝聚的状态留在管内。放电灯自始至终都产生电弧，而只有当要求强放电时，才将脉冲电流供给灯，以产生较强的电弧。

所得与该电路有关的测试结果示于表4和表5中。所得有关直流放电灯的测试结果以及有意的比较也示于表中。在表4中用一个约1千瓦的氙灯作为短弧放电灯。在表5中用一个超高压汞灯作为放电灯。在直流放电灯上每单位功率的照度效率表示为100，而其它例子中的效率以相对于表4中这个100值的值来表示。此外，直流放电灯的相对照度表示为100，而其它例子中的以相对于这个100值的值来表示。从表4可明瞭，保持脉宽t_p在0.03～3（ms）范围内进行放电的放电灯的效率比直流放电灯的效率要高。当T-t_p变短时，弧光放电继续，而当T-t_p变长时，脉冲电流间隔变大。所以，当T-t_p值在0.1～10（ms）范围内时，可获得最高的效率，其理由如下。在没有脉冲电流而只有基底电流供给灯的期间，不再存在由提供的峰值电流所产生的残余离子，随后供给灯下一个峰值电流。因此，在弧的宽度方向（或在垂直于电极的方向），不能形成比只供给基底电流时形成的放电通路为宽的放电通路。结果，能有效地利用辐射光。当I_p/I_B值大于6时，加到氙灯上的电流呈现出大的波动。阳极108和阴极110更有可能被热所破坏，从而使氙灯的寿命变得极短。当I_p/I_B值小于1.4时，效率没有提高。所以I_p/I_B值在1.4～6的范围内为最佳。从超高压汞灯作为放电灯获得了表5中所示结果，而这些结果包括汞灯硬化光致抗蚀剂所需时间。与直流放电灯相比，根据本发明的超高压汞灯最多能将时间缩短13%以上。在表4和表5中，最合适于本发明的那些值对氙灯和超高压汞灯是通用的。

在上述短弧放电灯的场合下，所有时间内都把基底电流供给灯，而在每一时间T处供给灯以脉冲电流。所以，弧的宽度没有变大。换言之，这些短弧放电灯能使它们的发光区域小到使它们的弧看起来象点光源。从而能提高它们的光聚焦效率。

如上所述，产生脉冲电流的间隔没必要自始自终都是一定的，而可按排成在一个周期S处产生电流脉冲，周期S包括休止时间间隔F，如图8中所示。通过定时器122来调整脉冲电流之间的间隔。包括在紫外线干燥机或类似的设备内的受光辐照的材料在间隔F内是在移动的，在间隔F期间不产生脉冲电流。

参照图9，现将描述上述用于照明电路那些例子的一个变型。此使用短弧放电灯的照明电路与图4中所示的那个完全相同。与图4中不同的只是改变了由基底电流供给电路114提供给放电灯102的基底电流。基底电流包括高值电流I_B和低值电流I_B′。高值电流I_B在一个时期内提供给放电灯102，在这个时期内，按某一时间间隔给灯提供脉冲电流，低值电流I_B′在时期R内提供给灯，时期R插在时间间隔F内，在时间间隔F期间，没有脉冲电流提供给灯。低值电流I_B′是保持放电灯弧光放电最低值的电流。高值电流I_B与图4中所示例子的基底电流相同。脉宽为t_p的脉冲电流I_p按时间间隔T数次提供给放电灯。基底和脉冲电流在周期S内提供给放电灯102。高值电流I_B与低值电流I_B′的关系为：

I_B′/I_B≥0.2

给灯提供基底电流的时间间隔是通过定时器116来调节的，而脉冲电流是通过它的供电间隔定时器122来调节的。基底和脉冲电流是在下列条件下供给灯的：

0.03≤t_p≤3

0.1≤T≤10

1.4≤I_p/I_B≤6

使用了照明电路的这一变型，当被放电灯放电产生的光所辐照的物体正在输送或移动时，可给灯提供低值的基底电流。因此，与图4中所示的本发明的第四个例子相比，能节省更多的功率。此外，能使每单位时间长度供给短弧放电灯的电流降低，从而保持放电灯有较长的寿命。供给短弧放电灯的基底与脉冲电流是与受光辐照物体输送或移动的周期相同步的。

上述根据本发明的短弧放电灯的四个例子可以相互组合。例如，当第一和第三例相互组合时，由此提供的短弧放电灯有着封入管泡内的卤素，并能满足下列关系：

（V_L-V_SL）/1＝5～10（V/mm）

D/W_L＝1.8～3.5（Cm/KW）

因此，短弧放电灯能使它的弧变细。那就是说，它能以较高的效率发射出光。其它的一些例子可以类似地彼此组合，且三个或更多个例子亦可相互组合。

根据本发明的短弧放电灯不受上面提到的输出的限制。而且，不需要在将稀有气体封入短弧放电灯内时把灯内的压力设置成低于1个大气压。稀有气体可以封入灯内直至灯内的压力被设置得高于1大气压为止。本发明的短弧放电灯除用于半导体曝光设备外，还可应用于紫外线光斑治疗或类似的情况。

根据本发明，由短弧放电灯放电可形成细的电弧，且可使电弧的发光区域象一个斑点。这能使灯的照度效率和聚焦效率变高。因此，当本发明的短弧放电灯用于在半导体晶片上印刷电子电路图形的曝光设备中时，光学系统本身的聚焦效率与所产生的光强一起能得到提高。结果，能够缩短在半导体晶片上曝光图形所需时间，从而提高了曝光效率。

Claims (15)

1、一种短弧放电灯，它包括：

一个由耐高温度玻璃质材料制成的管泡(32)；

一个封接在所述管泡一端的阳极(44)；

一个封接在所述管泡一端的阴极(46)；

一种充入所述管泡内的充入物；

其特征在于：所述充入物至少具有汞、稀有气体和卤素，而所述卤素具有3.5×10^-7～3.5×10^-3相对于汞的偏摩尔数量。

2、根据权利要求1的短弧放电灯，其特征在于：在钐、钆、镨、镧、钇、铼、铽和铕金属中至少有一种金属封入所述管泡内。

3、根据权利要求1的短弧放电灯，其特征在于所述卤素是碘。

4、根据权利要求2的短弧放电灯，其特征在于：所述卤素和金属（例如，钐）是成卤化物封入所述管泡内的。

5、根据权利要求1的短弧放电灯，其特征在于：将基底电流I_B和脉冲电流I_p供给阳极和阴极，所述基底电流用来使所述灯保持它的放电状态，而把具有脉宽t_p的脉冲电流I_p按时间间隔T重复地供给所述灯，使其进行高亮度放电，并建立下列关系：

0.03≤t_p≤3（ms）

0.1≤T≤10（ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

6、根据权利要求1的短弧放电灯，其特征在于：把基底和脉冲电流供给阳极和阴极，所述基底电流被转换成保持放电所需的最低值电流I^′ _B和高于最低值电流I^′ _B、并在供给脉冲电流I_p时提供出的电流I_B，按时间间隔T、以t_p的脉宽反复提供所述脉冲电流I_pI_p，使所述灯能进行高亮度放电，并建立下列关系：

0.03≤t_p≤3 （ms）

0.1≤T≤10  （ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

I^′ _B/I_B≥0.2

7、一种短弧放电灯，它包括：

一个由耐高温玻璃质材料制成的管泡（72）;

一个封接在所述管泡一端的阳极（84）;

一个封接在所述管泡一端的阴极（86）;

封入保持气密的所述管泡内的汞和稀有气体;

其特征在于，假定V_SL（V）代表灯放电刚开始后的灯电压，V_L（V）代表放电稳定时的灯电压，l（mm）代表阳极和阴极之间的间距，D（mm）代表所述蛋形管泡中央部分处的最大内径，以及W_L（KW）代表放电稳定时的灯功率，则

（V_L-V_SL）/l＝5～10（V/mm）

以及 D/W_L＝1.8～3.5（cm/KW）

8、根据权利要求7的短弧放电灯，其特征在于：将基底电流I_B和脉冲电流I_p提供给所述阳极和阴极，所述基底电流I_B用来使所述灯保持其放电状态，而以时间间隔T向所述灯重复提供具有脉宽t_p的所述脉冲电流I_p，并建立下列关系：

0.03≤tp≤3  （ms）

0.1≤T≤10  （ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

9、根据权利要求7的短弧放电灯，其特征在于：将所述基底和脉冲电流供给所述阳极和阴极，所述基底电流转换成保持放电所需的最低值电流I^′ _B和高于低值电流I^′ _B、并在把所述脉冲电流I_p供给所述电极时提供的电流I_B，按时间间隔T重复地向所述灯提供具有脉宽t_p的所述脉冲电流I_p，使所述灯能以高亮度放电，并建立下列关系：

0.03≤t_p≤3 （ms）

0.1≤T≤10  （ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

I^′ _B/I_B≥0.2

10、一种短弧放电灯，它包括：

一个由耐高温玻璃质材料制成的管泡（32，72）;

一个封接在所述管泡一端的阳极（44，84）;

一个封接在所述管泡一端的阴极（46，86）;以及

一种充入所述管泡内的充入物;

其特征在于：所述充入物至少具有汞、稀有气体和卤素，而所述卤素具有3.5×10^-5～3.5×10^-3相对于所述汞的偏摩尔数量，假定V_SL（V）代表灯刚开始放电后的灯电压，V_L（V）代表放电稳定时的灯电压，l（mm）代表阳极和阴极间的间距，D（cm）代表所述蛋形管泡中心部分处的最大内径，以及W_L（KW）代表放电稳定时的灯功率，则

（V_L-V_SL）/l＝5～10（V/mm）

以及 D/W_L＝1.8～3.5（cm/KW）

11、根据权利要求10的短弧放电灯，其特征在于：把钐、钆钆、镨、镧、钇、铼、铽和铕金属中的至少一种金属封入所述管泡内。

12、根据权利要求10的短弧放电灯，其特征在于：所述卤素是溴、氟、氯和碘中的至少一种。

13、根据权利要求10的短弧放电灯，其特征在于：把基底电流I_B和脉冲电流I_p提供给所述阳极和阴极，所述基底电流I_B用来使所述灯保持它的放电状态，而把具有脉宽t_p的所述脉冲电流I_p按时间间隔T重复地供给所述灯，并建立下列关系：

0.03≤t_p≤3 （ms）

0.1≤T≤10  （ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

14、根据权利要求10的短弧放电灯，其特征在于：把基底和脉冲电流加于所述阳极和阴极，所述基底电流转换成保持放电所需的最低值电流I_B′和高于低值电流I^′ _B、并在把所述脉冲电流I_p提供给所述阳极和阴极时所提供的电流I_B，按时间间隔T、以脉宽t_p向所述放电灯重复提供所述脉冲电流I_p，使所述放电灯以高亮度放电，并建立下列关系：

0.03≤t_p≤3 （ms）

0.1≤T≤10  （ms）

1.4≤I_p/I_B≤6

I^′ _B/I_B≥0.2

15、根据权利要求11的短弧放电灯，其特征在于：金属（例如钐）和卤素以卤化物的形式封入管泡内。

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