DE102011120412A1

DE102011120412A1 - Excimerlampe mit einer Emissionswellenlänge von 172 nm

Info

Publication number: DE102011120412A1
Application number: DE102011120412A
Authority: DE
Inventors: Erich Arnold; Hans-Dieter Witzke; Christian Neumann; Franz-Josef Schilling; Mark Stamminger; Bodo Kühn; Andreas Schreiber
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG; Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG; Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: DE102011120412B4

Abstract

Excimerlampe haben ein Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum einschließt, der ein Xenon-haltiges Füllgas enthält, welches bei dielektrischer Entladung Excimermoleküle mit einer Emissionswellenlänge von 172 nm erzeugt, wobei das Entladungsgefäß mindestens im Bereich eines Emissionsfensters aus synthetisch erzeugtem Quarzglas besteht. Um hiervon ausgehend das Emissionsfenster mit hoher Strahlenbeständigkeit auszustatten, die sich insbesondere darin in einer geringe zeitliche Veränderung der UV-Emission zeigt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Quarzglas des Emissionsfensters durch Flammenhydrolyse eines siliziumhaltigen Einsatzmaterials und Direktverglasen erzeugt ist und einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen von mindestens 900 Gew.-ppm, einen mittleren Wasserstoffgehalt von weniger als 2 × 1018 Molekülen/cm3, einen mittleren Gehalt an Chlor von weniger als 1 Gew.-ppm und eine fiktive Temperatur unterhalb von 1050°C aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Excimerlampe mit einem Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum einschließt, der ein Xenon-haltiges Füllgas enthält, welches bei dielektrischer Entladung Excimermoleküle mit einer Emissionswellenlänge von 172 nm erzeugt, wobei das Entladungsgefäß mindestens im Bereich eines Emissionsfensters aus synthetisch erzeugtem Quarzglas besteht, das Hydroxylgruppen enthält.
Excimerlampen (auch als Excimerstrahler bezeichnet) emittieren nahezu monochromatische und nicht kohärente Strahlung. Typische Emissionswellenlängen sind 172 nm (Xe-Lampen), 222 nm (KrCl-Lampen), 282 nm (XeBr-Lampen) und 308 nm (XeCl-Lampen). Die Lampen werden zum Härten, Modifizieren, Beschichten und Reinigen von Oberflächen, zur Entkeimung von Gasen, Flüssigkeiten, Oberflächen und Verpackungen, für die UV-Messtechnik, die industrielle Photochemie, die Trocknung und Härtung von Druckfarben, Lacken, Klebstoffen und Vergussmassen, die Lacktrocknung und die Analysetechnik eingesetzt.
Stand der Technik
Der Grundtyp einer UV-Excimerlampe ist in der EP 0 254 111 A1 beschrieben. Sie hat einen mit Edelgas oder mit einem Gasgemisch gefüllten Entladungsraum, in dem eine stille elektrische Entladung angeregter Excimermoleküle erzeugt wird. Der Entladungsraum ist als Ringspalt zwischen koaxialen Quarzglasrohren ausgebildet, von denen eines gleichzeitig das Emissionsfenster für die Excimerstrahlung dient.
Um eine hohe Intensität der emittierten Strahlung zu erzielen, ist ein Emissionsfenster mit hoher UV-Durchlässigkeit erforderlich. Grundsätzlich erfüllt Quarzglas diese Anforderung aufgrund seiner guten UV-Durchlässigkeit. Ein besonderes Augenmerk liegt aber auch auf der zeitlichen Konstanz der emittierten Strahlungsleistung – insbesondere bei Anwendungen in der UV-Mess- und Analysetechnik. Infolge der hohen Photonenenergie der UV-Strahlung kann es jedoch bei andauernder UV-Bestrahlung zu einem Anstieg der Absorption kommen (induzierte Absorption), oder es werden strukturelle Defekte in der Glasstruktur erzeugt (sogenannte „Farbzentren”), die Absorptionen bei bestimmten Wellenlängen erzeugen und damit ebenfalls Ursache für zeitliche Transmissionsänderungen sind. Besonders problematisch hinsichtlich dieser Defekterzeugung sind die kurzwelligen und energiereichen Photonen des 172 nm-Xe-Excimerstrahlers.
Hochwertiges Quarzglas aus natürlichem Rohstoff wird in der Regel durch Einschmelzen von Quarzkristall erzeugt. Es zeigt aber im Allgemeinen gegenüber energiereicher UV-Strahlung eine geringere Strahlenresistenz als synthetisch erzeugtes Quarzglas, das deshalb für besonders anspruchsvolle UV-Anwendungen eingesetzt wird. Die Herstellung von synthetischem Quarzglas ist jedoch aufwändig; es ist eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken bekannt, die jeweils mehrere Verfahrensschritte mit variablen Prozessparametern umfassen. Synthetisch erzeugtes Quarzglas zeigt daher eine vergleichsweise hohe Variabilität in seinen chemischen, optischen und mechanischen Eigenschaften und insbesondere auch in Bezug auf ihr Schädigungsverhalten gegenüber kurzwelliger UV-Strahlung.
Für einen Einsatz als Hüllmaterial eines 172 nm-Xe-Excimerstrahlers wird in der DE 10 2004 018 887 A1 eine Quarzglas-Qualität empfohlen, die durch Erschmelzen von synthetisch erzeugten Quarzkristallen erhalten wird. Die Quarzkristalle, auch als „Zuchtkristalle” bezeichnet, werden in einem sogenannten „Hydrothermalverfahren” hergestellt. Das aus Quarz-Zuchtkristallen erschmolzene Quarzglas ist im Vergleich zu synthetischem Quarzglas kostengünstiger. Es weist einen mittleren Gehalt an SiH-Gruppen von weniger als 5 × 10¹⁷ Molekülen/cm³ und eine Anzahl an Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) auf, die vorzugsweise mindestens 25 Gew.-ppm, besonders bevorzugt mindestens 100 Gew.-ppm beträgt.
Hydroxylgruppen können die Erzeugung von Defekten der Quarzglasstruktur infolge UV-Bestrahlung oder zumindest deren schädliche Auswirkungen vermindern. Andererseits tragen sie bei hoher Konzentration aufgrund eigener Absorption zu einer Verringerung der Transmission bei.
Um den Transmissionsverlust zu verringern, wird in der DE 600 13 239 T2 ein Quarzglas für den Einsatz als Entladungsgefäß einer Excimerlampe vorgeschlagen, bei dem der Anteil an OH-Gruppen, die Wasserstoffbrücken zu benachbarten OH-Gruppen bilden am Gesamt-Hydroxylgruppengehalt möglichst gering ist. Diese Art von OH-Gruppen wird als besonders nachteilig in Bezug auf Transmissionsverluste angesehen. Über den Gesamt-Hydroxylgruppengehalt des Quarzglases werden keine Angaben gemacht.
Technische Aufgabenstellung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Xenon-Excimerlampe anzugeben, bei der das Entladungsgefäß oder zumindest das Emissionsfenster aus synthetischem erzeugtem Quarzglas mit hoher Strahlenbeständigkeit gefertigt ist, welches kostengünstig herstellbar ist und sich insbesondere durch und eine geringe zeitliche Veränderung der UV-Emission auszeichnet.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Excimerlampe der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Quarzglas des Emissionsfensters durch Flammenhydrolyse eines siliziumhaltigen Einsatzmaterials und Direktverglasen erzeugt ist und einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen von mindestens 900 Gew.-ppm, einen mittleren Wasserstoffgehalt von weniger als 2 × 10¹⁸ Molekülen/cm³, einen mittleren Gehalt an Chlor von weniger als 1 Gew.-ppm und eine fiktive Temperatur unterhalb von 1050°C aufweist.
Das synthetisch erzeugte Quarzglas für das Emissionsfenster ist unter anderem charakterisiert durch die Konzentrationen von OH-Gruppen, Wasserstoffmolekülen und Chlor. Für einen Einsatz von Quarzglas-Bauteilen zur Übertragung kohärenter Laserstrahlung ist zwar grundsätzlich bekannt, dass diese Parameter Einfluss auf die UV-Strahlenbeständigkeit haben. Je nach Art und Grad der Beanspruchung durch die kohärente und in der Regel gepulste UV-Laserstrahlung werden jedoch in der Literatur sowohl für die Molekülkonzentration für Wasserstoff als auch für den Hydroxylgruppengehalt weite Bereiche vorgeschlagen, mit sehr hohen als auch geringen Konzentrationen der jeweiligen Spezies.
Im Vergleich dazu geht es bei der Erfindung um die Übertragung kontinuierlicher und nicht kohärenter UV-Strahlung einer 172 nm-Excimerlampe. Das dafür als Lampenmaterial vorgesehene synthetische Quarzglas ist durch folgende Merkmale charakterisiert:

(a) Die chemische Zusammensetzung des Quarzglases Der Hydroxylgruppengehalt ist vergleichsweise hoch und durch eine Untergrenze von C_OH ≥ 900 Gew.-ppm gekennzeichnet; während der Wasserstoffgehalt mit C_H2 < 2 × 10¹⁸ Molekülen/cm³ nach oben begrenzt ist. Der Chlorgehalt ist so gering wie möglich, im Idealfall ist kein Chlor vorhanden, ein mittlerer Chlorgehalt von C_Cl < 1 Gew.-ppm ist akzeptabel.
(b) Die Art und Weise der Herstellung des synthetischen Quarzglases Vorläuferdefekte der Quarzglasstruktur, die mit dieser UV-Strahlung unter Ausbildung von Farbzentren Wechselwirken, können in Abhängigkeit der thermischen und chemischen Behandlung beim Herstellprozesses angelegt werden. Unterschiedlich hergestellte Quarzgläser unterscheiden sich auch in anderen Eigenschaften, so dass es üblich ist, die unterschiedlichen Quarzglasqualitäten nach ihrem Herstellungsverfahren zu klassifizieren. Synthetisches Quarzglas für kommerzielle Anwendungen wird häufig durch Hydrolyse und/oder Oxidation einer siliziumhaltigen Ausgangssubstanz in einem CVD-Verfahren (chemische Gasphasenabscheidung) erzeugt. Dabei werden SiO₂-Partikel gebildet und auf einem Träger niedergeschlagen. Als Beispiele seien das so genannte OVD-Verfahren (outside vapour Phase deposition), das VAD-Verfahren (vapour Phase axial deposition) oder das PECVD-Verfahren (Plasma enhanced chemical vapour deposition) genannt. Bei hinreichend hoher Temperatur im Bereich der Trägeroberfläche kommt es zu einem unmittelbaren Verglasen der SiO₂-Partikel („Direktverglasen”). Im Unterschied dazu ist bei dem so genannten „Sootverfahren” die Temperatur während des Abscheidens der SiO₂-Partikel so niedrig, dass eine poröse Sootschicht erhalten wird, die in einem separaten Verfahrensschritt zu transparentem Quarzglas gesintert wird. Sowohl das Direktverglasen als auch das Sootverfahren führen letztlich zu transparenten synthetischen Quarzgläsern, die sich aber in ihrem Schädigungsverhalten gegenüber UV-Strahlung unterscheiden. Das Quarzglas im Sinne der Erfindung wird durch „Direktverglasen” erhalten.
(c) Die fiktive Temperatur des Quarzglases Bei der fiktiven Temperatur handelt es sich um einen Parameter, der die spezifische Netzwerkstruktur des Quarzglases charakterisiert. Die chemische Zusammensetzung und das Temperaturprofil beim Abkühlen von hoher Temperatur haben Einfluss auf die Einstellung der fiktiven Temperatur. Eine niedrige fiktive Temperatur unterhalb von 1050°C wird durch langsames und sorgfältiges Abkühlen erhalten.

Nur die Kombination der Merkmale (a) bis (c) vermag die oben angegebene technische Aufgabe in akzeptablem Umfang zu lösen. Ein hoher Hydroxylgruppengehalt führt nicht zum gewünschten Erfolg, wenn nicht gleichzeitig die Konzentration an Wasserstoffmolekülen niedrig ist. Ebenso wenig zeigen ein hoher Hydroxylgruppengehalt und eine geringe Wasserstoffmolekül-Konzentration die gewünschte Wirkung, wenn die fiktive Temperatur und/oder der Chlorgehalt höher als oben angegeben sind. Die Einhaltung all dieser Maßnahmen nutzt aber nichts, wenn das synthetische Quarzglas anders als durch Direktverglasen erzeugt ist, wie etwa nach dem Sootverfahren, das darüber hinaus mit vergleichsweise hohen Herstellungskosten einhergeht.
Ein derartiges Quarzglas zeigt eine hohe Strahlenbeständigkeit gegenüber kurzwelliger UV-Laserstrahlung mit einem charakteristischen Schädigungsverhalten, das sich in einer hohen anfänglichen Transmission und einem geringen Transmissionsabfall zeigt, wobei die Transmission bei weiterer UV-Bestrahlung entweder konstant ist oder sogar wieder langsam zunimmt. Das Erreichen einer derartigen, im Wesentlichen konstanten Transmission wird durch die Konzentrationen an Hydroxylgruppen und Wasserstoff im Zusammenspiel mit folgenden Defekten oder Vorläuferdefekten bestimmt:

• Ein Sauerstoffüberschuss-Defekt, bei dem ein nicht brückenbildendes Sauerstoffatom (Si=O; ein sogenanntes NBOH-Zentrum) vorliegt, mit einer relativ breiten Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von etwa 265 nm. Ein Bildungsmechanismus für diesen Defekt läuft nach folgender Reaktionsgleichung: Si-OH ←→ Si=O + ½H₂, (1)
• Ein Sauerstoffunterschussdefekt, bei dem an einem Silizium-Atom nur drei Sauerstoffatome (anstelle von vier) gebunden sind (Si*) und der als E'-Zentrum bezeichnet wird. Ein Bildungsmechanismus für diesen Defekt, der eine Absorptionsbande um 215 nm hat, läuft nach folgender Reaktionsgleichung: Si-H ←→ Si* + ½H₂, (2)

Hierbei handelt es sich um Gleichgewichtsreaktionen. Die jeweiligen Hin-Reaktionen werden von UV-Photonen oder durch hohe Temperaturen induziert oder katalysiert, die Rückreaktionen sind zeitabhängig.
NBOH- und E'-Zentrum können wiederum unter Bildung der defektfreien SiO₂-Netzwerkstruktur nach folgender Gleichung rekombinieren: Si=O + Si* → Si-O-Si, (3)
Diese Rekombination wirkt dem kontinuierlichen, fortlaufenden Abfall der Transmission unter UV-Bestrahlung entgegen. Sie kann jedoch nicht stattfinden, wenn die jeweiligen Defekte (NBOH, E') mit Wasserstoff abgesättigt sind. In diese Richtung – auf die linke Seite der Reaktionsgleichungen (1) und (2) – wird aber das Reaktionsgleichgewicht durch einen Überschuss an Wasserstoff verschoben.
Bei der erfindungsgemäßen Excimerlampe besteht der gesamte Entladungsraum oder zumindest das Emissionsfenster aus dieser Quarzglas-Qualität. Das Emissionsfenster liegt beispielsweise als Platte, Rohr oder als Kolben vor.
Der Wasserstoffgehalt wird anhand einer Raman-Messung ermittelt, wie beschreiben von Khotimchenko et al. „Determining the Content of Hydrogen Dissolved in Quartz Glass Using the Methods of Raman Scattering and Mass Spectrometry" Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 46, No. 6 (Juni 1987), S. 987–991).
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit dieser Methode ist eine Kalibrierung sinnvoll. Als Kalibrierungsnormal dient eine Probe aus synthetischem Quarzglas, die bei 400°C unter reinem Wasserstoff und einem Druck von 1 bar hinreichend lange (also so lange, bis keine nennenswerte Konzentrationsänderung mehr erfolgt) mit Wasserstoff beladen wird. Der so hergestellten Eichprobe ist eine Beladung mit Wasserstoffmolekülen von 3,3 × 10¹⁷ Molekülen/cm³ zuzurechnen.
Der Hydroxylgruppengehalt (OH-Gehalt) ergibt sich durch Messung der IR-Absorption nach der Methode von D. M. Dodd et al. („Optical Determinations of OH in Fused Silica", (1966), S. 3911).
Die Chlor-Konzentration wird durch Neutronenaktivierungsanalyse ermittelt.
Die fiktive Temperatur wird anhand einer Messung der Raman-Streuintensität bei einer Wellenzahl von etwa 606 cm^–1 ermittelt, wie beschrieben in „Ch. Pfleiderer et. al; „The UV-induced 210 nm absorption band in fused Silica with different thermal history and stoichiometry"; J. Non-Cryst. Solids 159 (1993) 143–145”.
Das Quarzglas für das Emissionsfenster weist vorzugsweise einen mittleren Gehalt an Chlor von weniger als 0,1 Gew.-ppm auf; idealerweise enthält es Chlor unterhalb der Nachweisgrenze. Um dies zu möglichst einfach und sicher zu erreichen, ist das siliziumhaltige Einsatzmaterial vorzugsweise frei von Chlor.
Nominell chlorfreie Einsatzmaterialien für die Quarzglasherstellung sind beispielsweise Alkoxysilane, insbesondere Polyalkylsiloxane und dabei die Stoffgruppe der geschlossenkettigen Polyalkylsiloxane, die sich durch einen besonders hohen Anteil an Silizium pro Gewichtsanteil auszeichnen und großtechnisch in hoher Reinheit verfügbar sind.
Optimale Ergebnisse in Bezug auf das Schädigungsverhalten gegenüber 172 nm-Excimerstrahlung und insbesondere ein hohes Sättigungsniveau der Transmission werden erreicht, wenn das Quarzglas einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen von mindestens 1100 Gew.-ppm aufweist.
Die vorteilhafte Wirkung von Hydroxylgruppen auf die Strahlenbeständigkeit von Quarzglas kann auf deren Reaktivität mit Si-H-Bindungen zurückgeführt werden.
Die Si-H-Bindung ist relativ schwach und kann bei Bestrahlung mit UV-Licht leicht unter Bildung von Netzwerkdefekten in Form sogenannter E'-Zentren aufbrechen. E'-Zentren bewirken eine erhöhte Absorption bei einer Wellenlänge von 215 nm und machen sich auch im angrenzenden UV-Wellenlängenbereich auf die Strahlenbeständigkeit des Quarzglases ungünstig bemerkbar.
SiH-Gruppen sind durch Diffusionsvorgänge nicht oder kaum zu entfernen. Hydroxylgruppen reagieren jedoch – katalysiert durch UV-Licht oder hohe Temperaturen – mit SiH-Gruppen unter Bildung von Wasserstoff. Si-H + Si-OH ←→ Si-O-Si + H₂ (4)
Wasserstoff kann aus dem Quarzglas ausdiffundieren oder er kann darin zur Ausheilung von UV-Bestrahlungsdefekten verbleiben. Eine Obergrenze für den Hydroxylgruppengehalt konnte bisher nicht ermittelt werden. Es wird aber angenommen, dass sich bei Hydroxylgruppengehalten von mehr als 1400 Gew.-ppm keine weitere Verbesserung des Schädigungsverhaltens mehr ergibt.
Wegen ihrer oben erläuterten Wirkung als „Precursor-Defekte” liegt der Gehalt an SiH-Gruppen vorzugsweise im Mittel bei weniger als 5 × 10¹⁷ Molekülen/cm³, besonders bevorzugt bei weniger als 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³.
Der Gehalt an SiH-Gruppen wird mittels Raman-Spektroskopie ermittelt, wobei eine Kalibrierung anhand der folgenden chemischen Reaktion erfolgt: Si-O-Si + H₂ → Si-H + Si-OH, wie in Shelby „Reaction of hydrogen with hydroxyl-free vitreous silica" (J. Appl. Phys., Vol 51, No. 5 (Mai 1980), S. 2589–2593) beschrieben.
Je höher der Wasserstoffgehalt ist, umso mehr wirkt sich seine defektausheilende Wirkung bei UV-Bestrahlung aus. Die mit einem hohen Wasserstoffgehalt einhergehende rasche Absättigung der Defekte gemäß obigen Reaktionsgleichungen (1) und (2) reduziert jedoch deren Lebensdauer und wirkt einer Rekombination nach Gleichung (3) entgegen. Außerdem treten SiH-Gruppen in Quarzglas vermehrt auf, wenn dieses einen hohen Wasserstoffgehalt hat. Daher wird der mittlere Wasserstoffgehalt des Quarzglases bevorzugt auf einen Bereich von 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ bis 4 × 10¹⁷ Molekülen/cm³ eingestellt. Die Obergrenze ergibt sich daraus, dass bei hohem Wasserstoffgehalt die Gefahr einer SiH-Bildung über die Reaktion H₂ + Si-O-Si ←→ SiH + SiOH (5) zunimmt und die Wahrscheinlichkeit der Rekombination nach Gleichung (3) abnimmt. Die Einstellung des Wasserstoffgehaltes kann bei der Quarzglas-Herstellung erfolgen oder nachträglich durch Erhitzen des Quarzglases in einer wasserstoffhaltigen und in einer wasserstofffreien Atmosphäre.
Das Quarzglas der erfindungsgemäßen Excimerlampe weist vorzugsweise eine fiktive Temperatur unterhalb von 950°C auf.
Im Allgemeinen wirkt sich eine niedrigere fiktive Temperatur vorteilhaft auf die UV-Strahlenbeständigkeit von synthetischem Quarzglas aus. Eine niedrige fiktive Temperatur wird durch Tempern des Quarzglasrohlings eingestellt, aus dem das Emissionsfenster gefertigt ist.
Das Emissionsfenster hat typischerweise eine Wandstärke im Bereich zwischen 1 mm und 4 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm. Bei Bestrahlung mit inkohärenter und kontinuierlicher Excimerstrahlung einer Wellenlänge von 172 nm zeigt es eine anfängliche Transmission T₀, die zunächst rasch abnimmt, sich bei andauernder Bestrahlung langsam wieder erholt und bei andauernder Bestrahlung schließlich auf einem Transmissionswert mündet, der sich auch bei weiterer Bestrahlung nicht mehr wesentlich in Richtung höherer oder niedrigerer Transmission verändert. Eine weitgehend konstante Transmission ist erwünscht und erleichtert das Erzielen gleichmäßiger und reproduzierbare Mess- oder Prozessergebnisse und ist für viele Anwendungen erwünscht.
Im Hinblick darauf wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Excimerlampe besonders bevorzugt, bei der das Emissionsfenster bei Bestrahlung mit inkohärenter und kontinuierlicher Excimerstrahlung einer Wellenlänge von 172 nm eine anfängliche Transmission T₀ zeigt und bei andauernder Bestrahlung einen maximalen Transmissionsabfall ΔT aufweist, für den gilt: ΔT > 0,9 × T₀, vorzugsweise ΔT > 0,95 × T₀
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Excimerlampe im Querschnitt,
2 bis 4 UV-Transmissionsspektren verschiedener Quarzglasqualitäten im Vergleich.
Die in 1 schematisch dargestellte Excimerlampe umfasst ein Außenrohr 1 aus synthetisch hergestelltem Quarzglas mit einem Außendurchmesser von 40 mm und einer Wandstärke von 2 mm sowie ein darin koaxial angeordnetes Innenrohr 2 mit einem Außendurchmesser von 16 mm und einer Wandstärke von 1 mm, das ebenfalls synthetisch hergestelltem Quarzglas besteht. Außenrohr 1 und Innenrohr 2 sind an ihren stirnseitigen Enden miteinander verschmolzen und definieren einen geschlossenen, ringspaltförmigen Entladungsraum 3, der mit einem Füllgas gefüllt ist, das unter Entladungsbedingungen Excimerstrahlung mit einer Wellenlänge von 172 nm emittiert. Als Entladungsgas wird Xenon eingesetzt. Das Innenrohr 2 dient gleichzeitig als Strömungskanal zur Durchleitung eines Kühlgases. Die Länge des Entladungsraums beträgt etwa 1 m.
Die der Innenwandung des Innenrohres 2 anliegende Innenelektrode ist als rohrförmig aufgewickelte Edelstahlfolie 5 mit einer Dicke von 0,025 mm ausgeführt. Infolge ihrer Wicklung erzeugt die Edelstahlfolie 5 einen nach außen, gegen die Innenwandung des Innenrohres 2 gerichtete Anpresskraft, die zu einer Fixierung am Innenrohr 2 beiträgt. An der Außenwandung des Außenrohres 1 liegt eine transparente Außenelektrode aus einem Edelstahlnetz 4 fest an. Das sich entlang der Mittelachse 6 erstreckende Außenrohr 1 stellt das „Emissionsfenster” der Excimerlampe im Sinne der Erfindung dar.
Die Herstellung des synthetischen Quarzglases für das Außenrohr 1 erfolgt in bekannter Weise durch Flammenhydrolyse von Octamethylcyclotetrasiloxan anhand des VAD-Abscheideverfahrens unter Direktverglasung der erzeugten SiO₂-Partikel. Das nach diesem Verfahren erzeugte Quarzglas hat Barrenform. Es ist frei von Chlor und weist einen vergleichsweise hohen Hydroxylgruppengehalt auf. Dieser ist durch den Wasserstoffanteil beim Verglasungsprozess in gewissem Rahmen einstellbar. Konkrete Werte sind in Tabelle 1 angegeben.
Durch thermisches Umformen wird aus dem Barren ein Quarzglasrohrstrang mit den radialen Abmessungen des Außenrohres gezogen. Beim Ziehprozess kann es zu einem raschen und ungleichmäßigen Abkühlen des Rohrstrangs von außen nach innen kommen. Dadurch stellt sich über die Rohrwandung eine ungleichmäßige und relativ hohe fiktive Temperatur ein. Der Wasserstoffgehalt wird beim Ziehprozess reduziert, und es stellt sich ein wenig definierter Konzentrationsverlauf über den Rohrstrang ein, der von der lokalen Temperaturbelastung und Diffusionslänge abhängt
Um eine Verringerung und Vergleichmäßigung der fiktiven Temperatur zu erreichen, werden Teilstücke des Rohrstrangs einer Temperbehandlung unterzogen, wobei der sie unter Luft und Atmosphärendruck auf 1130°C 1 h lang erhitzt und anschließend mit einer Abkühlrate von 8°C/h auf eine Temperatur von 900°C abgekühlt werden. Nach dem Abschalten des Ofens erfolgt das frei Abkühlen im geschlossenen Ofen auf Raumtemperatur. Dadurch wird der Wasserstoffgehalt weiter verringert.
Der letztlich resultierende Wasserstoffgehalt wird gemessen und je nach Ergebnis werden Behandlungsdauern und Wasserstoffpartialdrücke für eine Wasserstoffbehandlung berechnet, die zu dem jeweils vorgegebenen mittleren Wasserstoffgehalt führt. Die Proben werden der Wasserstoffbehandlung unterzogen und dabei auf eine Temperatur von 450°C in einer Stickstoff-Wasserstoffatmosphäre gehalten. Der Absolutdruck der Temperatmosphäre beträgt jeweils mindestens 1 bar.
Aus den hinsichtlich des mittleren Hydroxylgruppengehalts, des mittleren Wasserstoffgehalts und der fiktiven Temperatur charakterisierten Quarzglasrohren werden Probenstücke geschnitten, um daran das Schädigungsverhalten bei Bestrahlung mit einer Excimerlampe mit kontinuierlicher, nicht-kohärenter Strahlung einer Wellenlänge von 172 nm zu ermitteln. Der Effekt dieser Bestrahlung würde als zeitlicher Verlauf der Transmission bei den Mess-Wellenlängen 215 nm und 265 nm ermittelt.

Einzelheiten zur chemischen Zusammensetzung der jeweiligen Proben sowie der fiktiven Temperatur ergeben sich aus Tabelle 1. Tabelle 1

Probe Nr	Herstellprozess	OH-Gehalt [ppm]	H₂-Gehalt [Moleküle/cm³]	Chlor-Gehalt [ppm]	Tf [°C]	ΔT (215 nm) [%]
1	Soot	< 1	< 2 × 10¹⁵	1235	1020	45
2	Soot	250	< 2 × 10¹⁵	n. d.	1050	15
3	Soot	250	< 2 × 10¹⁵	n. d.	1100	19
4	Soot	250	3 × 10¹⁷	n. d.	1050	13
5	Soot	250	4 × 10¹⁸	n. d.	1050	> 50
6	DQ	700	< 2 × 10¹⁵	50	980	10
7	DQ	700	1 × 10¹⁸	50	980	20
8	DQ	1100	< 2 × 10¹⁵	n. d.	950	< 5
9	DQ	1100	3 × 10¹⁷	n. d.	950	< 3
10	DQ	1100	4 × 10¹⁸	n. d.	950	> 15

• Die Bezeichnung „Soot” in der Spalte „Herstellprozess” bezeichnet Proben, die durch Flammenhydrolyse von OMCTS und OVD-Außenabscheidung nach dem „Sootverfahren” erhalten wurden. Die Bezeichnung „DQ” bezeichnet den oben beschriebenen Herstellungsprozess der Flammenhydrolyse von OMCTS und VAD-Abscheidung bei direkter Verglasung der SiO₂-Partikel auf dem Substrat umfasst.
• T_f beschreibt die mittlere fiktive Temperatur des Quarzglases nach der Temperbehandlung.
• Die Spalte ΔT bezeichnet den Transmissionsverlust bei der Messwellenlänge 215 nm. ΔT ist die maximale Differenz der anfänglichen Transmission und der Transmission nach einer Bestrahlungsdauer von 5000 h (in % der anfänglichen Transmission)
• Proben im Sinne der Erfindung zeigen einen Transmissionsverlust von maximal 5%. Das sind die Proben 8 und 9. Die Proben mit den Nummern 1 bis 7 und 10 sind Vergleichsbeispiele.

Die Diagramme der 2 bis 4 zeigen die Transmissionsverläufe für die Proben 8 bis 10 von Tabelle 1. Diese haben jeweils eine Probendicke von 1 mm. Die Transmission T ist gegen die Bestrahlungsdauer t (in h) aufgetragen. Die Bestrahlung erfolgte mit UV-Strahlung einer Wellenlänge von 172 nm mit einer Energiedichte von 30 mW/cm².
Die jeweils obere Kurve A zeigt den Transmissionsverlauf bei einer Mess-Wellenlänge von 265 nm und die untere Kurve B den Transmissionsverlauf bei einer Mess-Wellenlänge von 215 nm. Typische Transmisionsverläufe für Quarzglas-Qualitäten im Sinne der Erfindung zeigen die Probe Nr. 8 (2) und die Probe Nr. 9 (3). Dabei nimmt die Transmission ausgehend von einem anfänglichen Transmissionswert zunächst innerhalb kurzer Zeit ab und steigt danach etwas langsam wieder an. Bei weiterer Bestrahlung wird typischerweise eine Sättigung erreicht, wie bei allen Kurven A und B in den 2 und 3. Es ist aber auch akzeptabel, wenn die Transmission nach dem Abfall sehr langsam weiter ansteigt.
Diese Verläufe deuten auf eine anfängliche Bildung von E'-Zentren und NBOH-Zentren bei der Bestrahlung und eine anschließende Rekombination dieser Defekte zu defektfreiem Quarzglas bei weiterer Bestrahlung hin.
Bei Probe 8 (2) nimmt die Transmission ausgehend von einem anfänglichen Wert T₀ von etwa 94% bei Bestrahlung zunächst rasch ab und nimmt dann innerhalb weniger Stunden wieder zu und geht dabei in einen nahezu konstanten Endwert um 92% über. Dieser Wert ändert sich auch bei weiterer Bestrahlung von 5000 Stunden kaum. Der maximale Transmissionsverlust beträgt daher um 3%. Der Verlauf der Kurven A und B ist dabei weitgehend gleich. Einen grundsätzlich ähnlichen Verlauf zeigen auch die Kurven A und B bei Probe 9 (3). Bei Kurve A nimmt die Transmission ausgehend von einem anfänglichen Wert T₀ von etwa 94% bei Bestrahlung sehr rasch ab und nimmt nach kurzer Zeit wieder zu. Die Transmission geht dann in einen nahezu konstanten Endwert über der sich von T₀ kaum unterschiedet, und der um 93% liegt. Dieser Endwert ändert sich auch bei weiterer Bestrahlung von 5000 Stunden kaum. Der maximale Transmissionsverlust beträgt daher um 1%. Die Kurve B verläuft bei etwas geringeren Transmissionswerten weitgehend parallel zu Kurve A. Der maximale Transmissionsverlust liegt um 2%.
4 zeigt den Transmissionsverlauf der Vergleichsprobe 10. Die Transmission nimmt hier während der Gesamt-Bestrahlungsdauer von 2000 h stetig ab. Dies deutet auf eine kontinuierliche Neubildung von E'-Zentren und NBOH-Zentren hin. Besonders deutlich ist der Transmissionsabfall bei Kurve B, also der Mess-Wellenlänge von 215 nm, dem Absorptionsmaximum von E'-Zentren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0254111 A1 [0003]
DE 102004018887 A1 [0006]
DE 60013239 T2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Khotimchenko et al. „Determining the Content of Hydrogen Dissolved in Quartz Glass Using the Methods of Raman Scattering and Mass Spectrometry” Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 46, No. 6 (Juni 1987), S. 987–991 [0019]
D. M. Dodd et al. („Optical Determinations of OH in Fused Silica”, (1966), S. 3911) [0021]
Ch. Pfleiderer et. al; „The UV-induced 210 nm absorption band in fused Silica with different thermal history and stoichiometry”; J. Non-Cryst. Solids 159 (1993) 143–145 [0023]
Shelby „Reaction of hydrogen with hydroxyl-free vitreous silica” (J. Appl. Phys., Vol 51, No. 5 (Mai 1980), S. 2589–2593) [0032]

Claims

Excimerlampe mit einem Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum (3) einschließt, der ein Xenon-haltiges Füllgas enthält, welches bei dielektrischer Entladung Excimermoleküle mit einer Emissionswellenlänge von 172 nm erzeugt, wobei das Entladungsgefäß mindestens im Bereich eines Emissionsfensters (1) aus synthetisch erzeugtem Quarzglas besteht, das Hydroxylgruppen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas des Emissionsfensters (1) durch Flammenhydrolyse eines siliziumhaltigen Einsatzmaterials und Direktverglasen erzeugt ist und einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen von mindestens 900 Gew.-ppm, einen mittleren Wasserstoffgehalt von weniger als 2 × 10¹⁸ Molekülen/cm³, einen mittleren Gehalt an Chlor von weniger als 1 Gew.-ppm und eine fiktive Temperatur unterhalb von 1050°C aufweist.
Excimerlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das siliziumhaltige Einsatzmaterial frei von Chlor ist.
Excimerlampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas einen mittleren Gehalt an Hydroxylgruppen von mindestens 1100 Gew.-ppm aufweist.
Excimerlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas einen mittleren Wasserstoffgehalt im Bereich von 2 × 10¹⁶ Molekülen/cm³ bis 4 × 10¹⁷ Molekülen/cm³ aufweist.
Excimerlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas einen mittleren Gehalt an Chlor von weniger als 0,1 Gew.-ppm aufweist.
Excimerlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas eine fiktive Temperatur unterhalb von 950°C aufweist.
Excimerlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglas einen mittleren Gehalt an SiH-Gruppen von weniger als 5 × 10¹⁷ Molekülen/cm³, vorzugsweise einen Gehalt an SiH-Gruppen von weniger als 5 × 10¹⁶ Molekülen/cm³, aufweist.
Excimerlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Emissionsfenster (1) bei Bestrahlung mit inkohärenter und kontinuierlicher Excimerstrahlung einer Wellenlänge von 172 nm eine anfängliche Transmission T₀ und bei andauernder Bestrahlung einen Transmissionsabfall auf einen maximalen Transmissionsverlust T_v aufweist, für den gilt: ΔT > 0,9 × T₀, vorzugsweise ΔT > 0,95 × T₀.