DE10209424A1

DE10209424A1 - Quecksilber-Kurzbogenlampe

Info

Publication number: DE10209424A1
Application number: DE10209424A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ehrlichmann; Lars Menzel
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Plansee SE; Osram GmbH
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-18
Also published as: TW200304164A; EP1481417A1; US20040169476A1; KR20040086728A; CN1524284A; JP2005519436A; TWI275119B; WO2003075311A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe (1) für den Gleichstrombetrieb mit einem Entladungsgefäß (2), das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse (4) aufweist, in die eine Anode (26) und eine Kathode (7) jeweils aus Wolfram gasdicht geschmolzen sind und das eine Füllung aus Quecksilber und zumindest einem Edelgas besitzt. Erfindungsgemäß enthält das Material der Kathodenspitze (11) zusätzlich zum Wolfram Lanthanoxid La¶2¶O¶3¶ und der Quecksilbergehalt der Füllung im Entladungsgefäßvolumen beträgt mindestens 1 mg/cm·3· und höchstens 6 mg/cm·3·.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe für den Gleichstrombetrieb mit einem Entladungsgefäß, das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse aufweist, in die eine Anode und eine Kathode jeweils aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen sind und das eine Füllung aus Quecksilber und zumindest einem Edelgas enthält. Derartige Lampen werden insbesondere für die Mikrolithographie in der Halbleiterindustrie zur Belichtung von Wafern eingesetzt.

Stand der Technik

Die für den Belichtungsprozess verwendeten Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampen müssen eine hohe Lichtintensität im ultravioletten Wellenlängenbereich - teils eingeschränkt auf wenige Nanometer Wellenlänge - liefern, wobei die Lichterzeugung auf einen kleinen Raumbereich eingrenzt ist.
Die daraus abzuleitende Anforderung einer hohen Leuchtdichte kann durch eine Gleichstrom-Gasentladung bei kurzem Elektrodenabstand erzielt werden. Es entsteht dabei ein Plasma mit hoher Lichtemission vor der Kathode. Durch die starke elektrische Energieeinkopplung in das Plasma werden Elektrodentemperaturen erzeugt, die insbesondere bei der Kathode zu einer Schädigung des Materials führen.
Derartige Kathoden enthalten daher bisher bevorzugt eine Dotierung aus Thoriumoxid ThO₂, das während des Lampenbetriebs zu Thorium Th reduziert wird, in dieser metallischen Form an die Kathodenoberfläche tritt und dort zur Absenkung der Austrittsarbeit der Kathode führt.
Mit der Absenkung der Austrittsarbeit geht eine Reduktion der Betriebstemperatur der Kathode einher, die zu einer längeren Lebensdauer der Kathode führt, da bei erniedrigten Temperaturen weniger Kathodenmaterial verdampft.
Der bisher bevorzugte Einsatz von ThO₂ als Dotierstoff liegt in der Tatsache begründet, dass die Verdampfung des Dotierstoffs relativ gering ist und daher zu wenig störenden Niederschlägen im Lampenkolben (Schwärzung, Beläge) führt. Die vorzügliche Eignung von ThO₂ korreliert mit einem hohen Schmelzpunkt des Oxids (3323 K) und Metalls (2028 K).
Ein Elektrodenrückbrand lässt sich aber auch bei thorierten Kathoden nicht vermeiden, so dass der Lampenlebensdauer durch den Kathodenrückbrand Grenzen gesetzt sind. Dies ist insbesondere bei Lampen mit kurzen Elektrodenabständen - wie sie hier vorliegen - nachteilig, da hier ein geringer Elektrodenrückbrand bereits zu starken Änderungen der lichttechnischen Eigenschaften der Lampe führt. Eine weitere Reduktion des Rückbrands bleibt daher wünschenswert.
Der entscheidende Nachteil der Verwendung von ThO₂ ist aber seine Radioaktivität, die Schutzvorkehrungen beim Umgang in der Vormaterial- und Lampenherstellung erforderlich macht. Je nach Aktivität des Produkts sind auch Auflagen bei Lagerung, Betrieb und Entsorgung der Lampen zu beachten.
Die Lösung des Umweltproblems ist bei Lampen mit hohen Betriebsströmen größer 20 A, wie sie in der Mikrolithographie verwendet werden, besonders dringend, da diese Lampen aufgrund der Elektrodengröße eine besonders hohe Aktivität aufweisen.
Zahlreiche Thoriumersatzstoffe sind deshalb untersucht worden. Beispiele hierfür finden sich in "Metallurgical Transactions A, vol. 21A, Dec 1990, S. 3221-3236. Der kommerzielle Einsatz von Ersatzstoffen bei Lampen für die Mikrolithographie ist bisher nicht gelungen, da alle Ersatzstoffe durch ihre im Vergleich zu ThO₂ leichtere Verdampfbarkeit zu ausgeprägten Kolbenbelägen führten.
In der Mikrolithographie hängt die Produktivität der Belichter entscheidend von der Lichtmenge ab, die die Lampe bereitstellt. Kolbenbeläge oder Elektrodenrückbrand reduzieren das verfügbare Nutzlicht und führen zu einem Produktivitätsverlust der sehr teuren Anlagen aufgrund ansteigender Belichtungszeiten.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber-Kurzbogen- Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die ohne radioaktive Dotierstoffe im Elektrodenmaterial auskommt, einen geringen Elektrodenrückbrand gewährleistet, der dem erreichten Stand der Technik in Bezug auf den Elektrodenrückbrand nicht nachsteht und die Belagsbildung im Lampenkolben über die Lampenlebensdauer wenn möglich weiter reduziert.
Diese Aufgabe wird bei einer Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest das Material des Kathodenkopfes zusätzlich Lanthanoxid La₂O₃ enthält und der Quecksilbergehalt der Lampenfüllung höchstens 6 mg/cm³ beträgt. Der Quecksilbergehalt sollte dabei mindestens 1 mg/cm³betragen, da sich die Plasmaeigenschaften reiner Edelgaslampen von Quecksilberbogenlampen wesentlich unterscheiden. In Abwesenheit von relativ leicht ionisierbarem Quecksilber brennt ein Edelgasbogen wesentlich konzentrierter.
Untersuchungen an unterschiedlichen Dotierungsstoffen hatten ergeben, dass La₂O₃ sehr günstige Ergebnisse hinsichtlich Belagsbildung und Elektrodenrückbrand zeigen können. Der Rückbrand ist sogar geringer als bei thorierten Materialien. Dies ist ein Vorteil, der bei kurzen Elektrodenabständen (< 6 mm) besonders wirksam wird und ein gewisses Übermaß an Belagsbildung sogar tolerabel machen würde. Die Dotierung des Kopfes oder der gesamten aus Schaft und Kopf bestehenden Kathode sollte dabei zwischen 1,0 und 3,5 Gew.% des Kathodenmaterials besser zwischen 1,5 und 3,0 Gew.% des Kathodenmaterial liegen.
Die Kathodenbetriebstemperatur bestimmt wesentlich die Abdampfrate des Emitters. Die Richardson-Dushman-Formel

I = A T² exp(-eΦ/kT),

wobei I die Stromdichte in A/m², A die Konstante 1,2 × 10⁶ in A/m²K², k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur in K und Φ die Austrittsarbeit in eV ist, stellt einen Zusammenhang zwischen Lampenstrom, Elektronenaustrittsfläche und Elektrodentemperatur her. Bei gegebenem Lampenstrom ist die Elektrodentemperatur jedoch noch nicht eindeutig bestimmt. Die Größe der Bogenansatzfläche bleibt offen und beeinflusst die Kathodentemperatur.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Bogenansatzfläche und damit die Elektrodentemperatur durch die Füllgasart, den Füllgasdruck und die Quecksilberkonzentration beeinflusst werden.
Ein Einfluss von Elektrodendurchmesser, Spitzenwinkel und Elektrodenspitzendurchmesser ist zwar grundsätzlich auch vorhanden, jedoch ist der Einfluss dieser Parameter von untergeordneter Bedeutung, da neben dem Strom vorwiegend die Lampenplasma-Eigenschaften die Form des Bogenansatzes bestimmen. Für die Plasmaeigenschaften sind aber Füllgasart, Füllgasdruck und Quecksilberkonzentration wesentlich.
Versuche haben gezeigt, dass insbesondere hohe Quecksilberkonzentrationen in erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampen eine besonders starke Erwärmung der Kathodenspitzen bewirken. So liegt bei 4.5 mg/cm³ Hg liegt die Elektrodentemperatur beispielsweise bei 2200°C während bei 40 mg/ccm bei gleichem Strom 2600°C gemessen werden.
Die Emitterverdampfung nimmt in einer solchen Situation mit der Quecksilberkonzentration zu. Die Untersuchungen zeigten, dass sich bei Verwendung von La₂O₃ als Zusatz zum Wolfram des Kathodenmaterials ähnlich geringe Verdampfungsraten wie bei Verwendung von ThO₂ erreichen lassen, solange die Quecksilbermenge 6 mg/cm³ im Entladungsgefäß als Füllung nicht übersteigt.
Durch die Zugabe von weiteren Oxyden oder Karbiden wurde versucht weitere Verbesserungen zu erzielen. Dabei zeigte sich, dass durch die Zugabe von ZrO₂ und/oder HfO₂ in geringen Mengen eine weitere Verbesserung der Eigenschaften hinsichtlich der Emitterverdampfung erzielt werden kann. Die Menge ZrO₂ und/oder sollte dabei vorteilhaft jedoch bei ZrO₂ 1,0 Gew.% bzw. bei HfO₂ 1,5 Gew.% am Kathodenmaterial nicht überschreiten, da die günstige Beeinflussung des Lichtstroms stets mit einem erhöhten Rückbrand der Kathode einhergeht.
Einen ähnlichen Einfluss wie der Quecksilbergehalt hat der Füllgasdruck in der Lampe. Mit steigendem Füllgasdruck wird die Bogenansatzstelle an der Kathode eingeschnürt und führt zu einer erhöhten Kathodenspitzentemperatur. Hier haben Versuche gezeigt, dass bei Verwendung von Xenon Xe als Füllgas ein Kaltfülldruck ab 3 bar bzw. 17.7 mg/cm³ Xe bei dem erfindungsgemäßen Lampentyp bereits zu einer merklichen Emitterverdampfung führt.
Die Variation des Xenonfülldrucks zeigt einen deutlichen Einfluss auf den Lichtstrom. Nach 1500 h ergeben sich bei einer erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe mit einem mit 2 Gew.% La₂O₃ dotierten Kathodenmaterial des Kathodenkopfes und einem Quecksilbergehalt der Füllung von 4.5 mg/cm³ in Abhängigkeit vom Xe-Füllgasdruck die folgenden Lichtstromwerte:

Xe-Fülldruck Lichtstrom

500 mbar 81%

800 mbar 88%

1500 mbar 82%

3000 mbar 76%

5000 mbar 53%
Die beschriebenen Ergebnisse lassen zunächst vermuten, dass eine möglichst geringe Füllung an Quecksilber und Füllgas wünschenswert sind. Weitere Untersuchungen zeigten allerdings, dass bei sehr geringen Betriebsdrücken der oben beschriebene Zusammenhang von Fülldruck und Emitterverdampfung nicht mehr gilt. Vielmehr tritt ein umgekehrter Zusammenhang in Erscheinung: die Abdampfung des Emitters nimmt mit sinkendem Gasfülldruck wieder zu.
Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass der Edelgasdruck in der Lampe sich den abdampfenden Teilchen als Diffusionsbarriere entgegen stellt. Je dichter ein Gas ist, desto stärker hemmt es die Emitterverdampfungsprozesse.
Ein Mindestkaltfülldruck von 500 mbar bzw. 2,9 mg/cm³ ist bei der Verwendung von Xenon deshalb notwendig, um eine übermäßige Emitterverdampfung zu vermeiden.
Der Dichtebereich 2,9 mg/ccm-16,5 mg/ccm (500 mbar-2800 mbar für Xe) liefert die günstigsten Ergebnisse und korrespondiert zu einem Druckbereich von 780-4370 mbar bei Kr bzw. 1640-9170 mbar bei Ar.
Der bevorzugte Dichtebereich für den Gasdruck liegt aufgrund der Untersuchungen somit zwischen 2,9 und 16,5 mg/cm³ und weder ein zu geringer Gegendruck noch eine zu hohe Elektrodentemperatur führen zu übermäßiger Emitterverdampfung.
Durch die Angabe eines Dichtebereichs ergeben sich je nach Gas unterschiedliche Druckbereiche, was dazu genutzt wird die verschiedenen Füllgase oder deren Gemische in einfacher Weise zu erfassen.
Der Vorteil des geringen Rückbrands von La₂O₃-dotierten Kathoden wird nur bei kurzen Elektrodenabständen - wie bei den hier vorliegenden Lampen - signifikant. Besonders vorteilhaft sind deshalb die Elektrodenabstände bei den erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampen kleiner gleich 6 mm.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe, im Schnitt
Fig. 2 einen Detailausschnitt der Kathode

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen- Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Leistung von 1,75 kW. Sie hat einen Kolben 2 aus Quarzglas, der elliptisch geformt ist. Daran schließen sich an zwei gegenüberliegenden Seiten zwei Enden 3 an, die als Kolbenhälse 4 ausgeführt sind und die jeweils Halteteile 8 beinhalten. Die Hälse besitzen einen vorderen konischen Teil 4a, der ein Stützröllchen 5 aus Quarzglas als wesentliche Komponente des Halteteils enthält, und einen hinteren zylindrischen Teil 4b, der die abdichtende Einschmelzung bildet. Der vordere Teil 4a weist einen Einzug 6 von 5 mm Länge auf. Daran schließt sich jeweils ein Stützröllchen 5 mit zentraler Bohrung an, das konisch geformt ist. Sein Innendurchmesser ist 7 mm, sein Außendurchmesser am vorderen Ende ist 11 mm, der Außendurchmesser am hinteren Ende ist 15 mm. Die Wandstärke des Kolbens 2 in diesem Bereich ist etwa 4 mm. Die axiale Länge des Stützröllchens ist 17 mm.
In der Bohrung des ersten Stützröllchens ist ein Schaft 10 einer Kathode 7 mit einem Außendurchmesser von 6 mm axial geführt, der bis in das Entladungsvolumen reicht, und dort ein integrales Kopfteil 25 trägt. Der Schaft 10 ist über das Stützröllchen 5 hinaus nach hinten verlängert und endet an einem Teller 12, an den sich die abdichtende Einschmelzung in Form eines zylindrischen Quarzblocks 13 anschließt. Dahinter folgt ein zweiter Teller 14, der mittig eine Außenstromzuführung in Form eines Molybdänstabs 15 hält. An der Außenfläche des Quarzblocks 13 sind vier Folien 16 aus Molybdän in an sich bekannter Weise entlanggeführt und an der Wand des Kolbenhalses gasdicht eingeschmolzen.
In ähnlicher Weise ist die Anode 26, bestehend aus separatem Kopfteil 18 und Schaft 19, in der Bohrung des zweiten Stützröllchens 5 gehaltert.
In Fig. 2 ist die Kathode 7 und das Halteteil 8 im Detail gezeigt. Die Kathode 7 setzt sich aus einem kreiszylindrischen Schaft 10 von 36 mm Länge und einem integralen Kopf 25 von 20 mm Länge zusammen, wobei der Kopf 25 wie der Schaft einen Außendurchmesser von 6 mm aufweist. Das der Anode zugewandte Ende des Kopfes 25 ist als Spitze 11 mit einem Spitzenwinkel β von 60° ausgebildet und besitzt ein plateauförmiges Ende 27 mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Das Halteteil besteht aus Stützröllchen 5 und mehreren Folien in dessen Bohrung.
Zur mechanischen Trennung von Stützröllchen und Schaft ist eine Folie 24 mehrmals (zwei bis vier Lagen) um den Schaft herumgewickelt. Ein Paar schmaler Folien 23, die einander auf der gewickelten Folie 24 gegenüberliegen, dient der Fixierung des Stützröllchens. Zu diesem Zwecke stehen sie entladungsseitig über das Stützröllchen über und sind nach außen umgebogen. Das Material der Spitze 11 der Kathode 7 weist neben Wolfram eine Dotierung von 2,0 Gew.% La₂O₃ auf.
Die erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe besitzt ein Entladungsgefäß mit einem Volumen von 134 cm³, das mit 603 mg Quecksilber sowie einem Edelgasgemisch aus Xenon und Argon in einer Menge von 720 mg gefüllt ist.
Der Betriebsstrom der Lampe mit einem Elektrodenabstand von 4,5 mm liegt bei I = 60 A.

Claims

1. Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe (1) für den Gleichstrombetrieb mit einem Entladungsgefäß (2), das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse (4) aufweist, in die eine Anode (26) und eine Kathode (7) jeweils aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen ist und das eine Füllung aus Quecksilber und zumindest einem Edelgas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Material der Kathodenspitze (11) zusätzlich zum Wolfram Lanthanoxid La₂O₃ enthält und der Quecksilbergehalt der Füllung im Entladungsgefäß mindestens 1 mg/cm³ und höchstens 6 mg/cm³ beträgt.

2. Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenmaterial der gesamten Kathode (7) zusätzlich La₂O₃ enthält.

3. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der La₂O₃-Gehalt des Kathodenmaterials 1,0 bis 3,5 Gew.% beträgt.

4. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der La₂O₃-Gehalt des Kathodenmaterials 1,5 bis 3,0 Gew.% beträgt.

5. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas oder Füllgasgemisch eine Dichte im Entladungsgefäß (2) zwischen 2,9 und 16,5 mg/cm³ des Entladungsgefäßvolumens aufweist.

6. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenabstand zwischen Anode (26) und Kathode (7) im Entladungsgefäß (2) kleiner gleich 6 mm ist.

7. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenstrom bei Betrieb der Lampe (1) größer als 20 A ist.