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Die Erfindung betrifft eine Blitzlampenanordnung zur Belichtung eines Substrats und ein Verfahren zum Zünden der Blitzlampenanordnung, umfassend mehrere langgestreckte Blitzlampen, die auf gleicher Höhe relativ zu dem Substrat in einer Reihe parallel nebeneinander mit einem Abstand zueinander in einem Lampengehäuse angeordnet sind.
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Zum Zünden einer axialen Blitzlampe, insbesondere einer solchen, deren Länge wesentlich, d.h. um mindestens eine Größenordnung, größer als deren Durchmesser ist, bestehend aus einem Entladungsrohr mit zwei Elektroden, werden in der Praxis drei prinzipielle Betriebsarten verwendet, nämlich Simmerbetrieb sowie serielle und externe Kaltzündung.
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Es ist bekannt, dass im Simmerbetrieb die Blitzlampe in der Phase zwischen zwei Blitzen mit einem relativ zum Blitzstrom kleinen Strom (Simmerstrom) zur Aufrechterhaltung der Entladung betrieben wird.
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Im Simmerbetrieb wird über eine spezielle Stromversorgung zuerst ein Plasmaschlauch mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter zwischen den Elektroden der Blitzlampe erzeugt und dann bei einem geringen Simmerstrom am Brennen gehalten. Dies entspricht dem Stand-By-Modus. Der Durchmesser des Plasmaschlauchs wird dann i.a. durch Zuschaltung von geladenen Kondensatoren bis hin zum vollen Innendurchmesser der Blitzlampe vergrößert. Dies entspricht dann dem Blitz-Modus. Nach der Entladung der Kondensatoren ist der Plasmaschlauch wieder auf seinen Ausgangsdurchmesser geschrumpft.
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Die Kondensatoren können über Transistoren zugeschaltet werden. Da es keinen kommerziellen Transistor gibt, der einen Kondensator mit einer Kondensatorspannung höher als ungefähr 6kV schalten kann, ist der übliche Simmerbetrieb auf kurze, axiale Blitzlampen mit einer Lampenlänge bis ca. 400mm beschränkt. Eine Kaskadierung von Transistoren für höhere Kondensatorspannungen wird aus Kostengründen nicht verwendet.
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Im Gegensatz zum Simmerbetrieb sind bei der Kaltzündung die Kondensatoren direkt mit der Blitzlampe verbunden und aufgeladen. Bei der seriellen Kaltzündung wird ein Hochspannungsimpuls an die Enden der Blitzlampe bzw. die Elektroden angelegt. So entsteht durch die Feldstärke bedingt eine lawinenartige Vervielfachung der freien Ladungsträger in der Blitzlampe, sodass die Kondensatoren entladen werden. In diesem und anschließend beschriebenen Fall dient die Blitzlampe selbst als Schalter.
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Alternativ wird bei der externen Kaltzündung die Blitzlampe einem externen elektrischen Feld ausgesetzt, das sich zeitlich schnell verändert, sodass die im Innenraum der Blitzlampe generierten Verschiebungsströme eine Ladungsträgerlawine analog zur seriellen Zündung verursachen.
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Die erforderliche Zündspannung der externen Kaltzündung ist unabhängig von der Lampenlänge im Vergleich zur seriellen Kaltzündung. Diese externe Zündung ist besonders attraktiv für Lampen, die eine Lampenlänge von über einem Meter aufweisen. Weiterhin ist der Stromkreis von Ladekondensator und Blitzlampe nicht mit dem der Zündschaltung verbunden, was technisch einfacher zu realisieren ist.
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Eine externe Zündung kann beispielsweise durch einen direkt auf das Entladungsrohr gewickelten Draht erfolgen, welcher mit einer zeitlich kurzen Impulsspannung belegt wird. Diese relativ einfache Methode zur Zündung ist allerdings nicht für Lampen mit hohen Lichtintensitäten, hohen Lampenströmen oder hohen Ladespannungen geeignet. Außerdem wird die Homogenität der Lichtemission durch den Draht nicht nur gestört, sondern eine Trübung des Glaskörpers im Bereich des Drahtes hervorgerufen, die zu einer beschleunigten Alterung bzw. kürzeren Lebensdauer der Blitzlampe führt.
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Alternativ beschreibt die
EP 0 822 577 A2 eine Entladungslampe mit einem Lampenkolben mit zwei im Lampenkolben angeordneten Innenelektroden und mit einer Zündhilfselektrode, die außerhalb des Lampenkolbens und sich an diesem längs erstreckend eng an dessen Oberfläche angeordnet ist. Dabei ist der Lampenkolben in einem Lampengehäuse angeordnet, an dem die Zündhilfselektrode gehaltert ist. Weiterhin weist das Lampengehäuse einen sich längs des Lampenkolbens erstreckenden Reflektor auf, der eine metallische Zone ausweist, die als Zündhilfselektrode ausgebildet ist. Insbesondere kann der Reflektor auch aus einem Metallblech gebildet sein. Somit hat die Zündhilfselektrode bzw. die Entladungslampe eine hohe Nutzungsdauer im Vergleich zum gewickelten Draht.
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Zur Belichtung großflächiger Substrate werden oft mehrere Blitzlampen verwendet. Die
WO 2009 111340 A2 offenbart eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von großflächigen Dünnschichten. Diese Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von parallel angeordneten Blitzlampen mit einem über den Blitzlampen angeordneten elliptischen Reflektor, mit dem das Licht auf die Substrate gelangen kann.
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Weiterhin offenbart die
JP 2005 332656 A eine Blitzlampenvorrichtung, in der mehrere parallel angeordnete Blitzlampen in einem Reflektor angeordnet sind. Dabei weist jede Blitzlampe einen eigenen Zünddraht zur externen Zündung auf.
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Alternativ kann ein optischer Reflektor, bestehend aus Metall, mit einer Zündspannung belegt werden. 1 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Blitzlampenanordnung mit mehreren parallel angeordneten Blitzlampen 1 und einem Reflektor 2. Fünf Blitzlampen 11–15 sind beispielsweise zur Belichtung eines Substrats 3 in dem Reflektor 2 angeordnet.
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2 zeigt Signalverläufe der Entladungsströme zweier Blitzlampen 11, 13. Dabei wird ein Zündimpuls an den Reflektor 2 angelegt. Der Signalverlauf 20 entspricht dem Zündimpuls und 110 dem Entladungsstrom der Blitzlampe 11 und 130 dem Entladungsstrom der Blitzlampe 13. Dabei hat sich gezeigt, dass die Blitzlampe 11 zeitlich früher gezündet wird im Vergleich zur Blitzlampe 13. Außerdem ist die zeitliche Differenz zwischen Zündung der Lampen 11 und 13 nicht konstant. Die Folge sind Schwankungen der Lichtdosis von Blitz zu Blitz und entsprechende Variationen der erzielten Eigenschaften auf dem Substrat sowie eine geringere maximale Lichtintensität des Lampenfeldes bei einer längeren Belichtungsdauer im Vergleich zu einer einzelnen Blitzlampe.
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Die Blitzlampe 15 wird fast zum gleichen Zeitpunkt gezündet wie Blitzlampe 11, die Lampen 12 und 14 hingegen zeitlich gesehen zwischen 11 und 13. Ursache der zeitlichen Verzögerung ist die Geometrie des Reflektors 2, welche höhere, durch den Zündimpuls hervorgerufenen Verschiebungsströme in den äußeren Lampen 11 und 15 verursacht im Vergleich zu den Lampen 12, 13 oder 14.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Blitzlampenanordnung zur Belichtung eines Substrats und ein Verfahren zum Zünden der Blitzlampenanordnung bereitzustellen, mit denen die vorgenannten Nachteile vermieden werden und damit eine hohe Lichtintensität mit einer hohen Nutzungsdauer der Blitzlampen sowie einer verbesserten Homogenität der Lichtemission auf einfache Weise erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Blitzlampenanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Blitzlampenanordnung ist besonders für Blitzlampen mit kurzen Blitzdauern und großen Lampenlängen und zur Belichtung großflächiger Substrate geeignet.
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Die erfindungsgemäße Blitzlampenanordnung zur Belichtung eines Substrats umfasst mehrere Blitzlampen, die jeweils aus einem langgestreckten gasgefüllten Entladungsrohr mit zwei in dem Entladungsrohr angeordneten Hauptelektroden bestehen. Der Abstand zwischen den zwei Hauptelektroden beträgt vorzugsweise von 400mm bis zu 4000mm. Die Blitzlampen sind dabei auf gleicher Höhe relativ zu dem Substrat in einer Reihe parallel nebeneinander mit einem Abstand zueinander in einem Lampengehäuse angeordnet. Das Lampengehäuse ist eine feste Hülle, die die Blitzlampen umgibt. Das Lampengehäuse kann alternativ eine Behandlungskammer sein, in der das Substrat belichtet wird. Gegenüber herkömmlichen externen Zündungen mehrerer Blitzlampen, bei denen jede Blitzlampe eine eigene Zündelektrode besitzt, ist erfindungsgemäß eine einzige Zündelektrode zum externen Zünden der gesamten Blitzlampen in dem Lampengehäuse angeordnet und derart gebildet, dass sie alle Blitzlampen gleichzeitig zündet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist unmittelbar über den Blitzlampen ein metallischer Reflektor mit einer Form eines umgekehrten U vorgesehen. Der Reflektor weist grundsätzlich drei Wandungen auf, von denen die eine parallel zu der Oberfläche des Substrats und die anderen zwei senkrecht zu der Oberfläche des Substrats liegen. Die erste Wandung wird als Oberwandung bezeichnet und die anderen zwei als Seitenwandungen. Der Reflektor kann mit flachen und/oder kurvenförmigen Wandungen ausgestaltet sein. In dem Reflektor sind die Blitzlampen mit einem kleinen Abstand zu den Wandungen des Reflektors angeordnet. Der Reflektor, der typischerweise zur homogenen Belichtung von Substraten verwendet wird, ist erfindungsgemäß als Zündelektrode ausgebildet.
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Der Reflektor erstreckt sich in Längsrichtung der Blitzlampen. Um die Zündung aller Blitzlampen zum gleichen Zeitpunkt zu ermöglichen, weist der Reflektor mehrere hervorstehende metallische Bestandteile an der Oberwandung auf. Dadurch werden nahezu gleiche Verschiebungsströme in den Blitzlampen generiert, die somit gleichzeitig zünden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die hervorstehenden Bestandteile sich in Längsrichtung der Blitzlampen erstrecken und jeweils auf Höhe der Zwischenräume zwischen den benachbarten Blitzlampen angeordnet sind.
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In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung sind die hervorstehenden Bestandteile als metallische Stegbleche ausgebildet.
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Es ist vorteilhaft, dass die Stegbleche mit verschiedenen Höhen versehen sind. Durch kürzere, äußere Stegbleche, die nahe an den Seitenwandungen des Reflektors angeordnet sind im Vergleich zu den inneren Stegblechen werden die Verschiebungsströme der jeweiligen Blitzlampe noch besser angeglichen im Verhältnis zu gleich hohen Stegblechen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Reflektor mit Öffnungen versehen, die jeweils auf Höhe der Blitzlampen in der linken und der rechten Seitenwandung des Reflektors angeordnet sind. Die Öffnungen sollen so groß sein, dass sie einen Durchgriff eines externen Potentials auf die Blitzlampen ermöglichen. Damit lassen sich die Verschiebungsströme in den äußeren Blitzlampen reduzieren bzw. an die Verschiebungsströme der inneren Blitzlampen anpassen.
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Weiterhin ist außerhalb des Reflektors unmittelbar seitlich an den Öffnungen ein auf Erdpotential liegender Leiter angeordnet. Damit kann das Erdpotential auf die Blitzlampen wirken, die unmittelbar an der linken und der rechten Seitenwandung des Reflektors angeordnet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der eingangs genannten Art ist vorgesehen, dass eine einzige Zündelektrode zum externen Zünden der gesamten Blitzlampen in das Lampengehäuse eingesetzt und derart verwendet wird, dass alle Blitzlampen mittels der Zündelektrode gleichzeitig gezündet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird unmittelbar über den Blitzlampen ein metallischer Reflektor mit einer Form eines umgekehrten U eingesetzt und so verwendet, dass an den Reflektor eine Zündspannung oder ein Zündimpuls angelegt wird. Um alle Blitzlampen gleichzeitig extern zünden zu können, sollen alle Blitzlampen gleich große Verschiebungsströme zum gleichen Zeitpunkt erfahren. Dazu werden mehrere hervorstehende metallische Bestandteile in die Oberwandung des Reflektors eingeführt, sodass durch die Zündspannung oder den Zündimpuls ein für alle Blitzlampen möglichst gleiches elektrisches Feld erzeugt wird und gleiche Verschiebungsströme resultieren.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden Öffnungen in die Seitenwandungen des Reflektors eingebracht.
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Dabei wird ein Leiter verwendet, der außerhalb des Reflektors unmittelbar seitlich an den Öffnungen des Reflektors liegt. An den Leiter wird ein Erdpotential angelegt, das auf die äußeren Blitzlampen wirkt, die unmittelbar an der linken und der rechten Seitenwandung des Reflektors angeordnet sind.
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Die verfahrensseitige Lösung der Aufgabenstellung besteht darin, dass zum Zünden einer Blitzlampenanordnung der eingangs genannten Art eine einzige Zündelektrode zum externen Zünden der gesamten Blitzlampen in das Lampengehäuse eingesetzt und derart verwendet wird, dass alle Blitzlampen mittels der Zündelektrode gleichzeitig gezündet werden. Damit wird das in 2 dargestellte unterschiedliche Zündverhalten der einzelnen Blitzlampen vermieden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass unmittelbar über den Blitzlampen ein metallischer Reflektor mit einer Form eines umgekehrten U eingesetzt und so verwendet wird, dass an den Reflektor eine Zündspannung angelegt wird. Somit kann das gleichzeitige Zünden aller Blitzlampen unter gleichzeitiger Nutzung des Reflektors erfolgen.
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In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass mehrere hervorstehende metallische Bestandteile in die Wandung des Reflektors so eingeführt werden, dass ein für alle Blitzlampen gleiches elektrisches Feld erzeugt wird.
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Das Verfahren kann auch derart ausgestaltet werden, dass Öffnungen in die Seitenwandungen des Reflektors eingebracht werden und ein elektrischer Leiter außerhalb des Reflektors unmittelbar seitlich an den Öffnungen angeordnet wird und an den elektrischen Leiter ein Erdpotential angelegt wird, das auf die äußeren Blitzlampen wirkt, die unmittelbar an der linken und der rechten Seitenwandung des Reflektors angeordneten sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine im Querschnitt dargestellte Blitzlampenanordnung zur Belichtung eines Substrats nach dem Stand der Technik,
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2 Signalverläufe der Entladungsströme zweier Blitzlampen nach dem Stand der Technik gemäß 1,
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3 eine im Querschnitt dargestellte Blitzlampenanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 Signalverläufe der Entladungsströme zweier Blitzlampen gemäß 3, und
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5 eine im Querschnitt dargestellte Blitzlampenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt eine Blitzlampenanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zur Belichtung eines Substrats 3 werden beispielsweise fünf parallel angeordnete Blitzlampen 11–15 mit einem Reflektor 2 verwendet. Der Reflektor 2 kann beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden und liegt über den Blitzlampen 1, d.h. auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Blitzlampen. Der Reflektor 2 weist einen Abstand von einem bis wenigen Zentimetern zu den Blitzlampen 2 auf. Der Reflektor 2 erstreckt sich in Längsrichtung der Blitzlampen 1 und besitzt an der Oberwandung 21 vier Stegbleche 5, die eine Verbesserung des Zündzeitpunkts bewirken. Die Stegbleche 5 erstrecken sich in Längsrichtung der Blitzlampen 1 und liegen jeweils auf Höhe der Zwischenräume zwischen den benachbarten Blitzlampen 1. Alle Stegbleche 5 haben eine gleiche Höhe von einigen Millimetern und bestehen auch aus Aluminium.
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4 zeigt Signalverläufe der Entladungsströme der Blitzlampen 11 und 13 gemäß 3. Ein Zündimpuls 20 wird an den Reflektor 2 angelegt. Durch Einführen von Stegblechen 5 wird das vom Zündimpuls 20 erzeugte elektrische Feld in den Blitzlampen 1 verändert bzw. aneinander angepaßt. Das veränderte elektrische Feld ist für gleiche Verschiebungsströme in den Blitzlampen 1 erforderlich, sodass die Zündung der Blitzlampen 1 zum gleichen Zeitpunkt erfolgt. Im Vergleich zu 2, ist hier die zeitliche Verzögerung der Entladungsströme 110, 130 durch die verbesserte elektrische Feldverteilung deutlich verkleinert.
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5 zeigt eine Blitzlampenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Stegbleche 5 sind an der Oberwandung 21 angebracht und haben verschiedene Höhen. Außerdem werden auf Höhe der Blitzlampen 1 in die linke 22 und die rechte 23 Seitenwandung des Reflektors 2 zwei Öffnungen 6 eingebracht. Außerhalb des Reflektors 2 seitlich an den Öffnungen 6 liegt jeweils ein elektrischer Leiter 7, der auf Erdpotential liegt. Die Blitzlampen 11, 15, die seitlich direkt an den Öffnungen 6 liegen, werden von dem Leiter 7 bzw. dem Erdpotential beeinflusst. Das gesamte elektrische Feld wird sowohl durch die Stegbleche 5 als auch durch die Leiter 7 verändert, sodass die Blitzlampen 11–15 möglichst gleiche elektrische Felder und damit gleiche Verschiebungsströme erfahren können. Prinzipiell kann die Geometrie des Reflektors 2 so verändert werden ohne gleichzeitig die optischen Eigenschaften erheblich zu beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blitzlampen
- 11–15
- Blitzlampe
- 110
- Entladungsstrom
- 130
- Entladungsstrom
- 2
- Reflektor
- 20
- Zündimpuls
- 21
- Oberwandung
- 22, 23
- Seitenwandung
- 3
- Substrat
- 4
- Lampengehäuse
- 5
- Stegbleche
- 6
- Öffnung
- 7
- Elektrischer Leiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0822577 A2 [0010]
- WO 2009111340 A2 [0011]
- JP 2005332656 A [0012]
