DE19951445C1

DE19951445C1 - Quecksilber-Kurzbogenlampe

Info

Publication number: DE19951445C1
Application number: DE19951445A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lochschmidt
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: NL1016483C2; JP2001126659A; KR20010051234A; CA2323324A1; US6369508B1; TW494437B; KR100634643B1; NL1016483A1

Abstract

Die Erfindung schlägt vor, ein Getter (7) aus Niob am Elektrodenstab (14) einer Quecksilber-Kurzbogenlampe anzuordnen, wobei die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sind: DOLLAR A È D > 1,8 È d und DOLLAR A È alpha >= 20 DEG . DOLLAR A Dabei bezeichnen D und d einen Durchmesser des betreffenden Elektrodenkopfes (2) bzw. des zugehörigen Elektrodenstabes (14) und alpha einen Winkel, der aufgespannt wird von der Längsachse der Elektrode und einer gedachten Verbindungslinie zwischen dem vom Elektrodenkopf abgewandten Ende des Getters (7) und einem Punkt auf der durch das elektrodenkopfseitige Ende des Elektrodenstabes verlaufenden Senkrechte zur Elektrodenlängsachse. Der erwähnte Punkt entspricht der Projektion des maximalen Radius der Mantelfläche des Elektrodenkopfes auf diese Senkrechte. Dadurch wird eine verbesserte Maintenance der Lampe erzielt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Quecksilber-Kurzbogenlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Lampen werden beispielsweise als Lichtquelle für Belichtungsge räte zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, Flüssigkristallanzeigen (LCD) oder Leiterbahnplatinen (PCB) benutzt. Die Leistungsaufnahme dieser Lam pen liegt typisch im Bereich von ca. 1 kW und 10 kW oder mehr.

Innerhalb des Entladungsgefäßes der Lampe sind zwei einander in geringem Abstand, typisch im Bereich zwischen ca. 3 mm und 8 mm, gegenüberlie gende Elektroden angeordnet. Im Lampenbetrieb erreichen die Elektroden spitzen Temperaturen von 2500°C und darüber. Das Entladungsgefäß schließt eine ionisierbare Gasfüllung ein. Die Hauptkomponente dieser Gas füllung ist Quecksilber. Außerdem kann die Füllung noch ein oder mehrere Edelgase, z. B. Xenon, Krypton oder Argon umfassen. Gasverunreinigungen innerhalb des Entladungsgefäßes wie Sauerstoff, Wasserdampf und Koh lenmonoxid führen zur Oxidation bzw. Karbidbildung an den heißen Elek troden. Diese Oxide bzw. Karbide verdampfen bei den hohen Elektroden temperaturen und schlagen sich an der wesentlich kälteren Entladungsge fäßwand nieder. Diese Schwärzung der Gefäßwand führt letztendlich zu ei ner inakzeptablen Reduzierung der Beleuchtungsstärke auf den Belichtungs substraten, z. B. Wafern, etc..

Stand der Technik

Um die sich auf den Lichtstrom sowie das Lebensdauerverhalten (Mainte nance) der Lampe negativ auswirkenden Gasreaktionen zu unterdrücken oder zumindest deutlich zu verringern, ist es bekannt, innerhalb des Entla dungsgefäßes an den Elektrodenseitenflächen oder an den Elektrodenstäben ein Getter zu befestigen, der die eben beschriebenen Gasverunreinigungen ab sorbiert, siehe z. B. US 3 621 322. Typische Gettermaterialien in gattungs gemäßen Lampen sind Tantal (Ta) oder Zirkon (Zr), siehe z. B. EP 0 715 339 A2. Der Getter wird als Metallstreifen bzw. Wendel um einen Elektro denstab befestigt. Während des Lampenbetriebs erreicht der Tantalgetter Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C bis 1700°C und mehr.

Ein Risiko für die Lebensdauer des Getters ist jedoch das Zünden der Lampe. Dabei kann es gelegentlich vorkommen, daß der Lichtbogen am Getter an setzt, bevor er an die Elektrodenspitzen einspringt. Der Getter wird dabei kurzfristig und zumindest lokal so heiß, daß er aufschmilzt und teilweise ver dampft. Dann kommt es zu einer sofortigen Schwärzung des Lampenkol bens, da sich das verdampfte Gettermaterial am kalten Lampenkolben nie derschlägt. Danach ist die Lampe in der Regel unbrauchbar. Aus diesem Grunde wurde bisher Tantal als Gettermaterial bevorzugt, da es mit 2996°C einen vergleichsweise sehr hohen Schmelzpunkt hat.

Längere Lebensdauern sowie bessere Maintenance, d. h. eine möglichst ge ringe Verschlechterung der Lampenspezifikationen wie Lichtstrom, Farb wiedergabe etc. während der Lebensdauer von Quecksilber- Kurzbogenlampen sind von großer Bedeutung, insbesondere beim Einsatz in Belichtungsmaschinen für die IC-Fertigung, da ein Lampenwechsel einen Produktionsausfall bedeutet und dadurch zusätzliche Kosten verursacht.

EP 0 251 436 A2 offenbart eine Natrium-Hochdruckentladungslampe mit Außenkolben. Innerhalb des Außenkolbens ist ein längliches Entladungsge fäß mit Elektrode und Getter angeordnet. Die Elektrode weist einen Elektro denstab auf, auf den eine Elektrodenwendel und eine Getterwendel gewi ckelt sind. Die Getterwendel ist aus einem Draht aus einer Titan-Niob- Legierung gefertigt. Optional ist der Getterdraht zusätzlich mit einer Niob schicht umhüllt.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber- Kurzbogenlampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer ver besserten Maintenance bereitzustellen.

Ein Teilaspekt ist es, eine gattungsgemäße Lampe bereitzustellen, die eine hinsichtlich Gasverunreinigungen innerhalb des Entladungsgefäßes verbes serte Getterwirkung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Lampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des An spruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Es hat sich gezeigt, daß unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Entla dungsgefäßes gattungsgemäßer Lampen Niob als Gettermaterial besonders gut geeignet ist. Bei Begasungen mit Sauerstoff sowie Kohlendioxid wurde für Niob etwa die doppelte Reaktivität gegenüber Tantal gefunden. Dies wurde durch Messung der Massenzunahme der jeweiligen Getter vor und nach der Begasung ermittelt. Die Reaktivität nimmt analog zu Tantal mit steigender Temperatur zu. Ab etwa 1700°C setzt jedoch die Verdampfung der entstehenden Nioboxide ein, weshalb Niob als Getter nur unter 1700°C sinnvoll benutzt werden kann.

Problematisch ist auch der gegenüber Tantal niedrigere Schmelzpunkt des Niob von 2468°C. Falls nämlich während der Zündphase der Bogen am Ni ob-Getter ansetzt, besteht ein erhöhtes Risiko des lokalen Aufschmelzens des Niob verbunden mit einer Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes.

Der Grundgedanke der Erfindung ist nun, trotz dieser Problematik als Get termaterial Niob zu verwenden, das Niob aber derart anzuordnen, daß ein sicherer Schutz vor zufälligem Bogenansatz gewährt ist. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck der Durchmesser D des Elektrodenkopfes mindestens 1,8 mal, insbesondere 2,5 mal, besser 3 mal so groß wie der Durchmesser d des Elektrodenstabes gewählt, d. h. die erfindungsgemäße Lampe erfüllt die Bedingung D < 1,8 . d, insbesondere D < 2,5 . d, besser D < 3 . d. Außerdem ist der Niob-Getter derart am Elektrodenstab plaziert, daß die weitere Bedin gung α ≧ 20°, besser α ≧ 25° ebenfalls erfüllt ist. Dabei bezeichnet α den Winkel, der - in einer die Elektrodenlängsachse enthaltenden Ebene be trachtet - aufgespannt ist von der Längsachse der Elektrode und einer ge dachten Verbindungslinie; diese gedachte Verbindungslinie verbindet das vom Elektrodenkopf abgewandte Ende des Getters mit einem Punkt auf der durch das elektrodenkopfseitige Ende des Elektrodenstabes verlaufenden gedachten Senkrechten zur Elektrodenlängsachse. Der erwähnte Punkt ent spricht der Projektion des maximalen Radius der Mantelfläche des Elektro denkopfes auf diese Senkrechte.

Maßgebend bei diesen Betrachtungen ist die gesamte Ausdehnung des Get ters, insbesondere das dem Elektrodenkopf abgewandte Ende. Dieses Ende des Getters ist naturgemäß am stärksten gefährdet hinsichtlich eines Bogen ansatzes. Mit anderen Worten ist auf die oben erläuterte erfindungsgemäße Weise also auch während der Zündphase sichergestellt, daß der gesamte, hinter dem Elektrodenkopf angeordnete Getter außerhalb der Gefahrenzone hinsichtlich eines Bogenansatzes ist. Die konkrete Form des Elektrodenkop fes spielt hier hingegen allenfalls eine untergeordnete Rolle. So kann der Elektrodenkopf beispielsweise eine im wesentlichen kreiszylindrische Form aufweisen, wobei die getterseitige Kante des Elektrodenkopfes auch gefast oder gerundet sein kann. Schließlich kann der Elektrodenkopf auch eine nichtzylindrische Form aufweisen.

Der Niob-Getter kann körperlich in vielfältiger Form, beispielsweise in Form einer Folie oder einer Drahtwendel, an dem Elektrodenstab angebracht sein. Für die Definition der oben erwähnten gedachten Verbindungslinie muß der Getter nicht notwendig mit Kanten, bzw. im Längsschnitt betrachtet mit Ec ken, oder dergleichen ausgebildet sein. Die Verbindungslinie ist in dieser Hinsicht soweit verallgemeinert zu verstehen, daß sie - ausgehend von dem durch Projektion des maximalen Radius des Elektrodenkopfes auf die er wähnte Senkrechte erhaltenen Punkt - die bezüglich der Längsachse am weitesten radial und/oder axial entfernte Stelle des Getters gerade eben ein schließt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß beim Zünden der Lampe der Bogen nicht am Getter ansetzt. Außerdem lassen sich auf diese Weise auch relativ ausgedehnte Getter verwenden. Der erfindungsgemäß geforderte Mindestwinkel läßt sich in diesen Fällen nämlich dadurch realisieren, daß das Verhältnis der Durchmesser des entsprechenden Elektrodenkopfes bzw. Elektrodenstabes geeignet groß gewählt wird. Für weitere Details hierzu sei auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.

Bevorzugt ist der Niob-Getter hinter der Anode angeordnet, da diese bei für den Gleichstrombetrieb konzipierten Lampen in der Regel massiver ausge führt ist als die Kathode und sich somit die oben genannten Bedingungen für einen sicheren Schutz vor zufälligem Bogenansatz leichter erfüllen lassen.

Gleichwohl ist die Erfindung nicht auf Lampen für den Gleichstrombetrieb beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch auf Lampen mit symmetrischen Elektroden verallgemeinert zu verstehen. Insofern ist der Gebrauch der Be griffe Kathode und Anode gegebenenfalls als auf die temporäre Funktion der beiden Elektroden bezogen zu verstehen.

Die Befestigung des Niob-Getters kann durch Anschweißen, Löten oder durch mechanisches Verbinden, beispielsweise Einrasten erfolgt sein.

Anfänglich wurde auch Zirkon (Zr) als Gettermaterial in Erwägung gezogen. Allerdings zeigte sich sehr rasch, daß alle erfindungsgemäß in Frage kom menden Montageorte einen inakzeptabel hohen Zirkon-Dampfdruck zur Folge haben. Aufgrund des relativ niedrigen Schmelzpunkts von Zirkon läßt sich für den Getter offensichtlich kein Montageort mit ausreichend niedriger Betriebstemperatur finden.

Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lampe mit Ni ob-Getter in schematischer Darstellung,

Fig. 2 die Anode der Lampe aus Fig. 1 mit einem folienförmigen Niob- Getter,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anode mit einem wendel förmigen Niob-Getter für eine erfindungsgemäße Lampe,

Fig. 4 ein grafischer Vergleich der gemessenen Änderung des Lichtstroms mit der Brenndauer für drei verschiedene Lampen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Quecksilber-Kurzbogenlampe, die bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen, Flüssigkristallanzeigen oder Leiter bahnplatinen verwendet wird.

Die Lampe weist ein ovales Entladungsgefäß 1 aus Quarzglas auf. Es um schließt ein Volumen von 75 cm³. Das Innere des Entladungsgefäßes 1 ent hält 3,8 mg Quecksilber pro cm³ Entladungsgefäßvolumen sowie Xenon mit einem Kaltfülldruck von 80 kPa.

Innerhalb des Entladungsgefäßes 1 sind eine Anode 2 und eine Kathode 3 angeordnet. Die Kathode besteht aus karburiertem Wolfram. Der Abstand der Elektroden 2, 3 beträgt 4,5 mm. Jede Elektrode 2, 3 ist an einem Elektro denstab 4 montiert. Die Elektrodenstäbe 4 enden in Molydäntellern 5, an de nen stromleitfähige Dichtungsfolien 6 fixiert sind.

Hinter der Anode 2 ist ein Getter 7 befestigt. Für weitere Details hierzu wird auf die Beschreibung zur Fig. 2 weiter unten verwiesen.

Die Lampe ist für eine Betriebsleistung von 2000 W ausgelegt. Im Betrieb betragen die Brennspannung 24 V und der Lampenstrom 84 A.

Fig. 2 zeigt die Anode der Fig. 1 nochmals im Detail. Der Anodenkopf 2 ist am Elektrodenstab 4 montiert. Beide Teile bestehen aus Wolfram. Der Durchmesser D der Anode beträgt 20 mm, der Durchmesser d des Elektro denstabs 4 beträgt 6 mm. Daraus resultiert der Quotient D/d ≈ 3,3. Der Get ter 7 besteht aus einer Niobfolie. Dargestellt ist in der Zeichenebene auch der Winkel α, den eine gedachte Hilfslinie 8 mit der Längsachse L der Anode einschließt. Die Hilfslinie 8 verbindet (in der Zeichenebene betrachtet) den Eckpunkt P₁ der dem Elektrodenkopf 2 abgewandte Kante 9 der Niobfolie 7 mit dem Punkt P₂. Der Punkt P₂ resultiert aus der Projektion des Radius r der kreiszylindrischen Mantelfläche 10 des Elektrodenkopfes 2 auf die entlang der Trennlinie zwischen dem Elektrodenstab 4 und dem Elektrodenkopf 2 verlaufende Senkrechte 11 zur Längsachse L. Mit anderen Worten ist der Punkt P₂ als derjenige Punkt auf der Senkrechten 11 definiert, der in der Zei chenebene betrachtet den Abstand r von der Längsachse L hat. Der Winkel α beträgt ca. 25°. Dadurch ist der Niob-Getter vor zufälligem Bogenansatz während der Zündphase sicher geschützt, wie umfangreiche Untersuchun gen des Zündverhaltens dieser Lampe gezeigt haben.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anode. Gleiche Merkmale wie in Fig. 2 sind mit gleichen Bezugszei chen versehen. Im Unterschied zu Fig. 2 ist hier der Niob-Getter 12 wendel förmig um den Elektrodenstab gewickelt. Die gedachte Hilfslinie 8 verbin det die vom Elektrodenkopf 2 sowohl radial als auch axial entfernteste Stel le 13 der Getterwendel 12 mit dem Punkt P₂. Der Punkt P₂ ergibt sich auch hier wie in Fig. 2 aus der Projektion des Radius r der kreiszylindrischen Mantelfläche 10 des Elektrodenkopfes 2 auf die entlang der Trennlinie zwi schen dem Elektrodenstab 4 und dem Elektrodenkopf 2 verlaufenden Senk rechten 11 zur Längsachse L. Der Winkel α beträgt hier ebenfalls ca. 25°. Deshalb ist auch in diesem Ausführungsbeispiel die Niob-Getterwendel vor zufälligem Bogenansatz während der Zündphase sicher geschützt.

Fig. 4 zeigt einen grafischen Vergleich der Maintenance dreier verschiede ner Lampen, dargestellt in einem kartesischen Koordinatensystem. Die X- Achse gibt die Brenndauer der jeweiligen Lampe in Stunden und die Y- Achse gibt den zugehörigen Lichtstrom der Lampen an, jeweils normiert auf den Wert eins. Die Bezugszeichen A, B, C kennzeichnen die Meßwerte der erfindungsgemäßen Lampe aus Fig. 1, d. h. mit Niob-Getter, bzw. die glei che Lampe wie bei A, aber mit Tantal als Gettermaterial bzw. die Lampe aus A ohne Getter. Die Lampe mit Niob-Getter (Kurve A) zeigt einen geringeren Abfall des Lichtstromes während der gesamten Lebensdauer als die Lampe mit der gleichen Menge Tantal-Getter (Kurve B). Folglich kann die prinzipiell bessere Getterwirkung des Niob in der erfindungsgemäßen Lampe auch tat sächlich umgesetzt werden, ohne daß ein Aufschmelzen des Niob-Getters durch ungewollte Bogenansätze am Getter während der Zündphase diesen Vorteil wieder zunichte machen würden. Dieses Ergebnis konnte auch durch optische Untersuchungen während der Zündphasen bestätigt werden. Die Lampe ohne Getter zeigt erwartungsgemäß die schlechteste Maintenance (Kurve C).

Obwohl die Erfindung in den Ausführungsbeispielen anhand eines zylindri schen Elektrodenkopfes erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Form des Elektrodenkopfes beschränkt zu verstehen.

Claims

1. Quecksilber-Kurzbogenlampe mit

- einem Entladungsgefäß (1), das eine ionisierbare Füllung um schließt,
- zwei Elektroden, die einander gegenüberstehend innerhalb des Entladungsgefäßes (1) angeordnet sind, wobei jede Elektrode einen Elektrodenkopf (2, 3) und einen eine Längsachse (L) definierenden Elektrodenstab (4) umfaßt, der den Elektro denkopf (2, 3) stützt,
- einem Getter (7; 12), der an einem Elektrodenstab (14) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß
der Getter (7; 13) aus Niob besteht und die beiden folgenden Bedingun gen erfüllt sind:

- D < 1,8 . d und
- α ≧ 20°,

wobei D und d den Durchmesser des betreffenden Elektrodenkop fes (2) bzw. des zugehörigen Elektrodenstabes (14) bezeichnen und α den Winkel bezeichnet, der - in einer die Elektrodenlängsachse (L) enthaltenden Ebene betrachtet - aufgespannt ist von der Elektroden längsachse (L) einerseits und einer gedachten Verbindungslinie (8) an dererseits, wobei die Verbindungslinie (8) einen Punkt (P₂) auf einer durch das elektrodenkopfseitige Ende des Elektrodenstabes verlaufen den gedachten Senkrechten (11) mit dem vom Elektrodenkopf abge wandten Ende (P₁) des Getters (7; 12) verbindet, und wobei der Punkt (P₂) einer Projektion des maximalen Radius (r) der Mantelflä che (11) des Elektrodenkopfes (2) auf diese Senkrechte (11) entspricht.

2. Lampe nach Anspruch 1, wobei für den Winkel α die Bedingung α ≧ 25° erfüllt ist.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Durchmesser D und d die Bedingung D ≧ 2,5 . d erfüllt ist.

4. Lampe nach Anspruch 3, wobei für die Durchmesser D und d die Be dingung D ≧ 3,0 . d erfüllt ist.

5. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Niob- Getter in Form einer Folie (7) an dem Elektrodenstab (4) angebracht ist.

6. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Niob-Getter in Form einer Drahtwendel (12) an dem Elektrodenstab (4) angebracht ist.

7. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der gegenseiti ge Abstand der beiden Elektroden im Bereich von ca. 3 mm und 8 mm liegt.

8. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die beiden Elektroden ungleich sind.

9. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Füllung aus Quecksilber und einem oder mehreren Edelgasen besteht.