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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Stand der Technik
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Eine derartige Hochdruckentladungslampe ist beispielsweise in der
DE 10 2005 030 113 A1 und der
DE 10 2005 017 505 A1 beschrieben und wird von der Fa. Osram beispielsweise unter den Produktbezeichnungen HBO
® oder XBO
® vertrieben. HBO
®-Quecksilberdampf-Kurzbogenlampen werden wegen ihrer besonders intensiven UV-Strahlung beispielsweise in der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleitern und bei der Herstellung von LCD und PCB verwendet. Dabei werden die Lampen üblicherweise in einen Reflektorspiegel eingebaut, welcher die von der Lampe erzeugte UV-Strahlung in Richtung Reflektoröffnung abstrahlt. Diese bekannten Hochdruckentladungslampen haben üblicherweise zwei Elektroden, die diametral zueinander in ein Entladungsgefäß eintauchen, in dem eine ionisierbare Füllung eingeschlossen ist, die beispielsweise aus Quecksilber (HBO) oder Xenon (XBO), Metallhalogeniden und hochreinen Edelgasen besteht. Diese hochwattigen Hochdruckentladungslampen können bei Brennspannungen im Bereich von etwa 20–50 V und Stromstärken von deutlich mehr als 150 A betrieben werden.
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An das Entladungsgefäß sind zwei Kolbenschäfte angesetzt, durch die hindurch zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden Stromzuführungselemente gasdicht geführt sind.
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Die Anode ist dabei üblicherweise mit einem thermisch hochbelasteten Elektrodenkopf ausgeführt, bei dem die Abstrahlleistung durch eine ausreichende Dimensionierung optimiert ist. Die Anode ist über eine Zuleitung an die Stromversorgung angeschlossen. Die kathodenseitige Elektrode ist mit einem demgegenüber vergleichsweise kleinen, kegelförmigen Elektrodenkopf ausgeführt.
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Wie eingangs erläutert, wird die von derartigen Hochdruckentladungslampen abgegebene UV-Strahlung zur Strukturierung von Halbleitern verwendet. Zur Erhöhung der Produktivität werden kundenseitig leistungsstarke Lampen gefordert, deren UV-Strahlung im Bereich der Quecksilber i-Linie bei 365 nm abstrahlt. Derartige Lampen dürfen eine Linienbreite (FWHM) von etwa 2,5 nm nicht deutlich überschreiten, so dass zur Erhöhung der Abstrahlungsintensität nicht einfach die Quecksilberdichte der Füllung (Erhöhung des Dampfdrucks) erhöht werden kann. Dies bedeutet wiederum, dass auch die an die Elektroden angelegte Brennspannung nicht signifikant erhöht werden kann.
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Eine Möglichkeit, die Lampenintensität deutlich zu erhöhen, besteht demzufolge darin, die elektrische Anschlussleistung zu erhöhen, wobei entsprechend bei in etwa gleichbleibender Brennspannung die Lampen von hohen elektrischen Strömen (größer 220 A) durchflossen werden. Dieser hohe Versorgungsstrom führt zu einer starken Erhitzung der Bauteile. Dabei strebt man an, die thermische Belastung der großflächigen Anode dadurch zu verringern, dass ein Teil der Wärme über die Stromzuführung und die anodenseitige Zuleitung abgeleitet wird. Die hier beschriebenen Hochdrucklampen werden üblicherweise in vertikaler Brennstellung betrieben (stehend im Reflektor mit Reflektoröffnung nach oben), wobei die Anodenseite oben positioniert ist. Die litzenförmige Zuleitung (d. h. hin zu derjenigen Elektrode, die sich in Richtung Reflektoröffnung befindet) muss dabei so beschaffen sein, dass die Joulesche Wärme durch Maximierung des Querschnitts minimal ist. Dieser Forderung steht jedoch entgegen, dass in dem Fall, in dem das Versorgungskabel mit einem zu großen Querschnitt gewählt ist, ein Teil der für den Strukturierungsprozess notwendigen UV-Strahlung abgeschattet wird, da das Kabel von der Lampe ausgehend radial nach außen (also über die Reflektoröffnung hinweg) weggeführt werden muss. Diese Verringerung der UV-Strahlung kann einige Prozent betragen.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckentladungslampe zu schaffen, bei der die Abschattung der Strahlung durch eine Zuleitung und die dadurch verursachte Strahlungsaufheizung der Zuleitung minimiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruckentladungslampe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe hat zwei eine Anode und eine Kathode bildende Elektroden, die einander gegenüber liegend in ein Entladungsgefäß eintauchen und über jeweils eine Stromdurchführung elektrisch kontaktiert sind, wobei jede Stromdurchführung gasdicht einen an das Entladungsgefäß angesetzten Kolbenschaft durchsetzt, an dem jeweils ein Sockel befestigt ist, wobei die elektrische Kontaktierung in der Regel anodenseitig über eine Zuleitung erfolgt, die zumindest abschnittsweise im Strahlengang liegt. Erfindungsgemäß sind quer zur Strahlung liegende Flächenabschnitte der Zuleitung gegenüber parallel zur Strahlung verlaufenden Flächenabschnitten minimiert (Reduzierung der effektiven Querschnittsfläche in Abstrahlrichtung des Reflektors).
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Durch diese Maßnahme kann einerseits ein hinreichend großer Querschnitt zur Verfügung gestellt werden, so dass auch bei hochwattigem Betrieb und entsprechend großen Strömen die Joulesche Wärme im Bereich der Zuleitung minimiert ist, während durch die Flächenminimierung (effektive Oberfläche in Bezug auf die vom Reflektor abgegebene Strahlung) quer zur abgegebenen Strahlung die Abschattung gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verringert ist, so dass die nutzbare Leistung der Hochdruckentladungslampe gegenüber herkömmlichen Lösungen verbessert ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel weist diese Zuleitung ein biegesteifes Profilstück mit abgeflachtem Querschnitt auf, wobei die Bereiche mit geringem Querschnitt quer zur Strahlung angeordnet sind, um die Abschattung zu minimieren. Der Gesamtquerschnitt ist im Hinblick auf die Stromstärke (mehr als 220 A) ausgelegt.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn der Querschnitt rechteckförmig ausgeführt ist, wobei die schmaleren Seitenkanten quer zur Strahlung verlaufen, während die breiteren Seitenkanten in Strahlungsrichtung angeordnet sind (Minimierung der effektiven Oberfläche in Strahlungsrichtung).
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Hochdruckentladungslampen, die mit Strömen von mehr als 220 A betrieben werden, werden üblicherweise ohne Reflektor zum Kunden verschickt, so dass dieser die Lampe vor Ort im Reflektor des Lampenhauses befestigen muss. Dabei könnte es vorkommen, dass durch eine falsche Handhabung die gewünschte Relativpositionierung der Zuleitung zur Minimierung der Abschattung nicht berücksichtigt wird. Um einen derartigen Montagefehler zuverlässig zu verhindern, wird das biegesteife, vorzugsweise metallische Profilstück über eine vergleichsweise kurze, biegeelastische Litze mit dem Sockel der Hochdruckentladungslampe verbunden, so dass die Zuleitung zum Transport entlang der Lampe angelegt werden kann und dann vor Ort wieder in die Montageposition gebracht wird, in der diese Zuleitung in etwa rechtwinklig zur Lampenachse verläuft. Die kurze biegeelastische Litze wirkt dabei als eine Art Gelenk, das die Relativpositionierung des Profilstücks mit Bezug zur Strahlung fixiert, so dass ein Montagefehler nahezu ausgeschlossen ist.
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Bei einer Variante der Erfindung kann auch ein vom Sockel entfernter Endabschnitt der Zuleitung durch eine biegeelastische Litze oder dergleichen ausgeführt werden.
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Die Verbindung des Profilstücks mit der oder den Litzen kann durch Schweißen, Klemmen, Verschrauben, Pressen oder dergleichen erfolgen.
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Die biegeelastischen Litzen sind vorzugsweise außerhalb oder nur abschnittsweise im Strahlengang angeordnet.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, wird es bevorzugt, wenn die Zuleitung in der Betriebsposition senkrecht (quer) zur Lampenachse verläuft.
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Dabei kann die Zuleitung durch einen Reflektor hindurchgefuhrt sein.
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Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich besonders vorteilhaft bei einer Quecksilber-Hochdruckentladungslampe anwenden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe und
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2 eine Draufsicht auf die Hochdruckentladungslampe aus 1.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer HBO®-Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe erläutert, die beispielsweise in der Mikrolithographie zur Strukturierung von Halbleitern verwendet wird. Wie eingangs erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf derartige Lampentypen beschränkt.
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Die stark schematisierte Darstellung gemäß 1 zeigt eine Quecksilber-Kurzbogen-Entladungslampe 2, die in der optischen Achse eines Reflektors 4 eines Lampenhauses angeordnet ist. Die in Kurzbogentechnik ausgeführte Hochdruckentladungslampe 2 hat ein Entladungsgefäß 6, das einen Entladungsraum 8 umgreift. An das Entladungsgefäß 6 sind zwei diametral zueinander angeordnete, abgedichtete Kolbenschäfte 9, 10 angesetzt, die jeweils mit einer Sockelhülse 12, 14 versehen sind. Der Entladungsraum 8 enthält eine ionisierbare Füllung, die im Wesentlichen aus Quecksilber und einem Edelgasgemisch besteht.
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Die eine Kathode ausbildende Elektrode 18 ist mit einem kegelförmigen Elektrodenkopf ausgeführt, während die eine Anode ausbildende Elektrode 16 in etwa tonnenförmig mit wesentlich größeren Abmessungen ausgebildet ist. Die beiden Elekroden 16, 18 werden jeweils von Elektrodenstäben 20, 22 gehalten, die den jeweils zugeordneten Kolbenschaft 9, 10 durchsetzen und an ihrem Endabschnitt einen Molybdänteller 24 (nur anodenseitig gezeichnet) tragen, der mit in die Kolbenschäfte 9, 10 gasdicht eingeschmolzenen Molybdänfolien 26 verbunden ist. Deren Endabschnitte sind ihrerseits mit einem Kontaktteller 28 verbunden, der jeweils mit einer stirnseitig aus dem Kolbenschaft auskragenden Stromdurchführung 30 verbunden ist, die anodenseitig elektrisch und thermisch mit einer Zuleitung 32 verbunden ist. Kathodenseitig erfolgt die Kontaktierung über einen Sockelstift, der in der Darstellung gemäß 1 nicht sichtbar ist. Zum Erreichen einer hohen Produktivität bei der Strukturierung der Halbleiter wird die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe 1 im hochwattigen Bereich betrieben, wobei Stromstärken im Bereich von mehr als 220 A auftreten können.
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Der Reflektor 4 besteht beispielsweise aus einem Quarzglas mit einer reflektierenden Beschichtung. Über den Reflektor 4 wird die von der Hochdruckentladungslampe emittierte UV-Strahlung 36, wie in 1 prinzipmäßig dargestellt, reflektiert und auf das zu bearbeitende Bauelement fokussiert.
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2 zeigt eine Ansicht von oben auf die Hochdruckentladungslampe 2 gemäß 1. Man erkennt den Reflektor 4, in dessen optischer Achse die Hochdruckentladungslampe 2 angeordnet ist, wobei in der Darstellung gemäß 2 das sich in Radialrichtung ausbauchende Entladungsgefäß 6 und die auf den in 1 oben liegenden Kolbenschaft 9 aufgesetzte Sockelhülse 12 sichtbar sind. Wie insbesondere der Darstellung gemäß 2 entnehmbar ist, ist die Zuleitung 32 mehrteilig ausgeführt. Bei der dargestellten Lösung hat die Zuleitung 32 im mittleren Bereich ein als Metallprofil ausgeführtes Profilstück 34, das einen abgeflachten Querschnitt aufweist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Profilstück 34 mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgeführt, wobei die sich parallel zur Lampenachse oder zur Strahlung 36 erstreckende Höhe H (siehe 1) des Profilstücks 34 größer als die quer zur Lampenachse oder Strahlung 36 verlaufende Breite B (siehe 2) ist. Das Profilstück 34 ist vergleichsweise starr aus einem geeigneten elektrischen Leiter ausgeführt, wobei die Erstreckung in Radialrichtung (2) so gewählt ist, dass der in Abstrahlrichtung minimierte Flächenabschnitt mit der Breite B innerhalb des Strahlengangs angeordnet ist. Durch diese geringe Breite B ist somit die von der Zuleitung 32 bewirkte Abschattung minimiert.
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Die Endabschnitte des Profilstücks 34 sind sockelseitig mit einem Litzenstück 38 und reflektorseitig mit einer Litze 40 verbunden, die beispielsweise den Reflektor 4 durchsetzt und mit einem Kabelschuh oder dergleichen an die Stromversorgung angeschlossen ist. Das vergleichsweise kurze Litzenstück 38 verbindet das Profilstück 34 mit der aus dem Kolbenschaft 9 herausragenden Stromdurchführung 30. Prinzipiell könnte das Profilstück 32 jedoch auch direkt mit der Stromzuführung 30 verbunden sein.
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Bei großen Hochdruckentladungslampen mit entsprechend hoher Leistung wird – wie eingangs genannt – die Hochdruckentladungslampe 2 ohne Reflektor 4 angeliefert, so dass der Kunde dann die Hochdruckentladungslampe 2 in den Reflektor 4 einsetzen muss. Um die erforderliche Verpackungsgröße zu minimieren, wird beim Transport das Profilstück 34 in Pfeilrichtung (1) aus der radial auskragenden Position in Axialrichtung verschwenkt, wobei das elastische Litzenstück 38 als Gelenk wirkt und diese Verschwenkung ermöglicht, wobei die Lagepositionierung des Profilstücks 32 zum Strahlengang 36 jedoch aufgrund der hinreichenden Torsionssteifigkeit des Litzenstücks 38 aufrecht erhalten bleibt, so dass der Kunde beim Montieren die vorbeschriebene minimale Abschattung nicht durch eine falsche Handhabung vergrößern kann.
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Die Verbindung zwischen dem Profilstück 34 und den biegeelastisch ausgeführten Litzen-Abschnitten 38, 40 kann durch Schweißen, Klemmen, Verschrauben oder auf sonstige Weise erfolgen. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, die Zuleitung 32 einstückig als Profilstück auszubilden. Dieses Profilstück 34 muss nicht notwendigerweise als massives Bauteil ausgeführt sein, sondern kann mit einer gewissen Elastizität ausgeführt werden, die die vorbeschriebene Verschwenkung ermöglicht und trotzdem eine sichere Relativpositionierung zur Strahlung ermöglicht. Anstelle des rechteckförmigen Querschnitts können auch andere Querschnitte mit hinreichender Gesamt-Querschnittsfläche und in Abstrahlrichtung minimierter Stirnfläche (Seitenfläche), beispielsweise elliptische Querschnitte verwendet werden.
