-
Mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lampe
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose
Lichtquelle und insbesondere auf eine Lichtquelle, die bei der im tiefen W-Bereich
arbeitenden Photolithographie eingesetzt werden kann.
-
Der Belichtungsschritt bei der im tiefen W-Bereich arbeitenden Photolithographie
erfordert die Verwendung einer extrem hellen Lichtquelle, die im tiefen UV-Bereich
des Spektrums (190 bis 260 nm) eine relativ hohe Ausgangsleistung abgibt. Die derzeit
am meisten verwendete Lichtquelle ist die Xenon-Quecksilber-Bogenlampe (Xe-Hg-Bogenlampe),
bei der die Strahlung durch eine Bogenentladung erzeugt wird, die zwischen zwei
Elektroden in dem Lampengehäuse stattfindet.
-
Das Hauptproblem bei der Xe-Hg-Lampe und auch bei anderen Bogenlampen,
deren Einsatz bei der im tiefen UV-Bereich
arbeitenden Photolithographie
versucht worden ist, besteht darin, daß ihre spektrale Ausgangsleistung im tiefen
UV-Bereich zu niedrig ist. Beispielsweise setzt die Xe-Hg-Lampe weniger als 2% der
elektrischen Eingangsleistung in eine Ausgangsstrahlung im tiefen UV-Bereich um.
-
Mit Hilfe der Erfindung soll eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose
Lichtquelle geschaffen werden, deren Ausgangs strahlung relativ höhere Spektralkomponenten
im tiefen Bereich aufweist, wobei die Strahlung mit Leuchtdichtewerten erzeugt werden
soll, wie sie beim Einsatz bei der im tiefen Bereich arbeitenden Photolithographie
erforderlich sind. Mit Mikrowellen gespeiste Lichtquellen sind zwar bekannt, doch
haben sie typischerweise eine relativ niedrige oder mittlere Leuchtdichte, wobei
die Leuchtdichte als Verhältnis vom Ausgangsstrahlungsfluß zur Fläche definiert
ist; sie sind daher für die Anwendung in der Photolithographie oder in anderen Anwendungsfällen,
in denen eine hohe Leuchtdichte benötigt wird, nicht geeignet. Bisher war keine
Lampenkonstruktion bekannt, in der Mikrowellenenergie in ein kleines Lampengehäuse
mit hoher Leistungsdichte zur Erzeugung einer hell strahlenden Quelle eingekoppelt
wurde.
-
Somit soll mit Hilfe der Erfindung eine mit Mikrowellen gespeiste
elektrodenlose Lampe geschaffen werden, die sich für die Anwendung bei der im tiefen
UV-Bereich arbeitenden Photolithographie eignet.
-
Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende elektrodenlose Lampe soll
eine relativ hohe spektrale Ausgangsleistung im tiefen UV-Bereich bei relativ hohen
Leuchtdichtewerten haben.
-
Die zu schaffende Lichtquelle soll ferner so ausgestaltet sein, daß
die Ankopplung an das das Plasma erzeugende
Medium relativ wirksam
ist und daß das Verhältnis der reflektierten Leistung zur absorbierten Leistung
rlri;-klein ist.
-
Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende elektrodenlose Lampe soll
ferner bei relativ hohen Leistungsdicten arbeiten können.
-
Es wird außerdem angestrebt, eine elektrodenlose Lampe zu schaffen,
die mit relativ hoher Leuchtdichte strahlt.
-
Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Kühlen elektrodenloser Lampen geschaffen werden.
-
Die zu schaffende elektrodenlose Lampe soll eine relativ lange Lebensdauer
haben.
-
Es wird außerdem angestrebt, eine elektrodenlose Lampe zu kühlen,
ohne daß sie in Wasser eingetaucht werdenmuß.
-
Nach der Erfindung werden die obengenannten"Ziele durch Schaffung
einer mit Mikrowellen gespeisten elektrodenlosen Lampe erreicht, die eine Mikrowellenkammer
und eine darin angeordnete, ein Plasma bildendes Medium enthaltende Lampenumhüllung
aufweist, deren maximale Abmessung wesentlich kleiner als eine Wellenlänge der verwendeten
Mikrowellenenergie ist. Die Kammer weist einen Schlitz zum Koppeln der Mikrowellenenergie
zu der Umhüllung auf.
-
Zur Erzielung der gewünschten Abstrahlung ist das Innere der Kammer
mit einem W-reflektierenden Material beschichtet, und die Kammer ist mit einer Öffnung
versehen, die das Austreten der UV-Strahlung zuläßt; die Öffnung ist mit einem metallischen
Gitter abgedeckt, das für UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig, für Mikrowellen
jedoch im wesentlichen undurchlässig ist.
-
Zur Erzielung der gewünschten Kopplung zu der kleinen Lampenumhüllung
ist die Kammer so ausgebildet, daß sie bei einer einzigen Wellenlänge der Mikrowellenenergie
nahe bei der Resonanz liegt. Das in der Lampenumhüllung befindliche plasmabildende
Medium ist Quecksilber, das bei einem relativ niedrigen Druck in der Größenordnung
einer Atmosphäre vorhanden ist. Wenn'die'Kopplung zur Lampenumhüllung mit einer
Leistungsdichte von wenigstens 250 bis 300 W/cm3 erfolgt, ergibt sich' eine geringe
Oberflächenschichttiefe, so daß der größter Teil der Entladung an den radial äuBeren
Bereichen der Lampenumhüllung stattfindet, was zu einer relativ stãrken Abstrahlung
im tiefen UV-Bereich bei einem relativ hohen Leuchtdichtewert führt.
-
Die sich ergebende eleEtrödenlose Lichtquelle ist für die Verwendung
in der im tiefen W-Bereich arbeitenden Photolithogråphie geeignet, und sie ist den
für diesen Anwendungszweck vorhanden Lichtquellen überlegen. Die erfindungsgemäße
Lichtquelle setzt in der bevorzugten Ausführungsform etwä 8% der ihr zugeführten
elektrischen Energie in eine Abstrählung im-tiefen UV-Bereich des Spektrums bei
den erforderlichen Leuchtdichtewerten um, was im Gegensatz zu der bei den meisten
bisher bekannten kompakten Bogenlampenquellen vorliegenden 2%igen Umsetzung steht.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein besonderes Kühlverfahren
angewendet, das die Kopplung höherer Leistungsdichten und die Erzielung hoherer
Leuchtdichtewerte ohne Uberhitzung ermöglicht und außerdem eine relativ lange Lampenlebensdauer
ergibt. Bei diesem Verfahren wird die Lampenumhüllung gedrehet, während ein oder
mehrere Kühlgasströme auf sie gerichtet werden. Wenn sich die Lampenumhüllung dreht,
gelangen benachbarte Oberflächenbereiche nacheinander in den direkten Weg des oder
der Kühlgasströme, was zur Folge hat, daß die
gesamte Oberfläche
angemessen gekühlt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung dieses Verfahrens
die mittlere Oberflächentemperatur einer zylindrischen Umhüllung von der bei Anwendung
einer konventionellen Kühlung vorherrschenden Temperatur von 8500C auf etwa 6500C
abgesenkt werden konnte.
-
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig.
2 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 3 eine Darstellung
einer Ausführungsform des nach der Erfindung angewendeten Kühlsystems.
-
In Fig. 1 ist eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lampe
2 dargestellt; sie enthält eine Kammer 4 und eine Lampenumhüllung 6, die in der
Kammer angeordnet ist.
-
Die Lampenumhüllung 6 weist eine Maximalabmessung auf, die wesentlich
kleiner als eine Wellenlänge der angewendeten Mikrowellenenergie ist. In der Kammer
4 ist ein Schlitz 8 angebracht, durch den die Mikrowellenenergie wirksam zur Lampenumhüllung
gekoppelt werden kann. Die Mirkowellenenergie wird von einem Magnetron 10 geliefert,
das von einem Stromversorgungsgerät 12 gespeist wird.
-
Die vom Magnetron erzeugte Mikrowellenenergie wird über einen Rechteckwellenleiterabschnitt
14, der mittels einer Abstimmblindleitung 16 abstimmbar ist, dem Schlitz 8 in der
Mikrowellenkammer zugeführt.
-
Es ist beabsichtigt, daß die Lampe eine UV-Abstrahlung hat, deren
Form nicht von mikrowellenbedingten Konstruktionsüberlegungen bestimmt wird. Die
Kammer 4 hat deshalb
eine Form, wie sie vom optischen Standpunkt
aus erwünscht ist. Das Innere der Kammer ist mit einem UV-reflektierenden Material
beschichtet. Die Kammer weist eine Öffnung 18 auf, damit die von der Lampenumhüllung
abgestrahlte UV-Strahlung die Kammer verlassen kann. Die Öffnung ist mit einem Metallgitter
20 bedeckt, das für die.UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig, für die in der
Kammer vorhandene Mikrowellenenergie jedoch im'wesentlichen undurchlässig ist.
-
Zum wirksamen Koppeln der Mikrowellenenergie zur Lampenumhüllung ist
gemäß einem Merkmal der Erfindung die Kammer so ausgebildet, daß sie nahe bei der
Resonanz, jedoch nicht direkt bei der Resonanz arbeitet, die für eine ideale Kammer
ohne Anwesenheit einer Lampe berechnet wird. Es hat sich gezeigt, daß die Bedingung
der nahen Resonanz eine maximale Ankopplung an die kleine Lampenumhüllung 6 und
somit eine maximale Lichtabstrahlung ergibt. Um die Kopplung möglichst groß zu machen,
wird die Kammer bei einer einzigen Wellenlänge und nicht bei mehreren Wellenlängen
nahe der Resonanz betrieben, was gewährleistet, daß die Mikrowellenenergie wirksam
absorbiert wird.
-
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt
ist, ist die Lampenumhüllung 6 ebenso wie die Mikrowellenkammer 4 kugelförmig ausgebildet,
und die Lampenumhüllung befindet sich in der Mitte der Kammer. Die relative Lage
des Schlitzes 8 und der Öffnung 18 von Fig. 4 ergeben eine relativ gleichmäßige
UV-Abstrahlung durch das Gitter 20. Dies ist sehr wichtig, da die W-Photoli thographie
und auch andere Anwendungsfälle eine gleichmäßige Bestrahlung erfordern.
-
Zur Erzielung der Leuchtdichtewerte, die in der im tiefen Bereich
arbeitenden Photolithographie erforderlich sind, muß eine wesentlich höhere Kopplung
an
die Lampenumhüllung 6 als mit herkömmlichen Leistungsdichtewerten
erreicht werden. Gleichzeitig ist es erwünscht, eine relativ hohe Ausgangsstrahlung
im tiefen W-Bereich des Spektrums zu erzielen; es hat sich gezeigt, daß es zur Erreichung
dieses Ziels wünschenswert ist, daß die Strahlung von den radial äußeren Bereichen
der Lampenumhüllung 6 und nicht von deren Innerem abgegeben wird.
-
Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß eine vom Inneren der Lampenumhüllung
ausgehende Abstrahlung die Tendenz hat, vom Plasma wieder absorbiert zu werden,
bevor sie die Wand der Umhüllung erreicht; außerdem wird angenommen, daß Wellenlängen
im tiefen Bereich bevorzugt absorbiert werden.
-
Um eine W-Strahlungsabgabe an den radial äußeren Bereichen zu erzielen,
muß die Oberflächenschichttiefe des Plasmas relativ dünn gemacht werden. Wenn die
Oberflächenschichttiefe jedoch dünner wird, wird es immer schwieriger, Energie in
das Plasma zu koppeln. Wie sicjh gezeigt hat, wird eine verbesserte Abstrahlung
im tiefen W-Bereich mit dem erforderlichen Leuchtdichtewert erhalten, wenn der Druck
des das Plasma bildenden Mediums, das im Falle der bevorzugten Ausführungsform Quecksilber
ist, auf einem relativ niedrigen Wert gehalten wird, der im Betriebsbereich von
1 bis 2 Atmoshären liegt, und wenn die Mikrowellenankopplung mit einer Leistungsdichte
von mehr als 300 W/cm3 erfolgt.
-
Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die aus Metall bestehende Kammer 4 eine Kugel mit einem Durchmesser von 9,9
cm, die eine kreisförmige Öffnung 18 aufweist, deren Durchmesser 7,1 cm beträgt
und die mit dem Gitter 20 bedeckt ist. Das Gitter 20 besteht aus Drähten mit einem
Durchmesser von 0,043 mm, die in einem Mittenabstand von 0,83 mm angeordnet sind.
Die kugelförmige Lampenumhüllung 6 hat einen Innendurchmeser von 1,9 cm, und sie
ist mit Hg, einem
Edelgas wie Argon und HgClefüllt. Die Quecksilberfüllung
steht unter einem relativ niedrigen Druck; während des Betriebs beträgt der Druck
etwa 1 bis 2 Atmosphären, während der Druck des Argons etwa 133 bis 266 mbar beträgt.
Zur Erzielung des geeigneten Betriebsdrucks für das Quecksilber wird in die Lampe
während der Herstellung 2 x 10 6 ml flüssiges Quecksilber eingefüllt.
-
Das Magnetron 10 gibt eine Mikrowellenleistung von etwa 1500 W bei
einer Frequenz von 2450 MHz ab. Der größte Teil dieser Leistung wird zu dem Plasma
gekoppelt, was eine Leistungsdichte von etwa 500 W/cm3 ergibt. Die sich ergebende
Lichtquelle hat einen Umsetzungswirkungsgrad im tiefen UV-Teil des Spektrums von
etwa 8%; sie ist eine hell strahlende Quelle, die etwa mit 190 W/cm3 abstrahlt.
Die Quelle ist außerdem äußerst wirksam, da der größte Teil der in den Kopplungsschlitz
eintretenden Leistung absorbiert wird, während nur ein kleiner Teil reflektiert
wird, was zu einer langen Lebensdauer des Magnetrons führt.
-
Die bevorzugte Ausführungsform ist zwar mit einer kügelförmigen Lampenumhüllung
und einer kugelförmigen Kammer beschrieben worden, doch können auch andere Formen
für die Umhüllung und die Kammer angewendet werden. Beispielsweise zeigt Fig. 2
eine Ausführungsform, bei der eine kugelförmige Lampenumhüllung und eine zylindrische
Kammer angewendet werden. Die Kammer 30 von Fig. 2 weist einen Mikrowellenkopplungsschlitz
32 und eine von einem Gitter bedeckte Öffnung 34 auf, durch die an einer dem Schlitz
32 an der zylindrischen Oberfläche gegenüberliegenden Stelle Ultraviolettstrahlung
austreten kann. Die Lampenumhüllung 38 ist in der geometrischen Mitte des Zylinders
angebracht, der so dimensioniert ist, daß er sich bei einer einzigen Wellenlänge
nahe der Resonanz befindet. Es sind auch zahlreiche andere Umhüllungsformen möglich;
Beispiele für andere Kammerformen sind Ellipsoide,
Hyperboloide,
Paraboloide und einspringende Xugeln. Die Mikrowellenkammer könnte auch mit mehr
als einem R°prlungsschlitz versehen sein.
-
Die hohe Leistungsdichte, mit der die Lampenumhüllung betrieben wird,
hat zur Folge, daß die Oberfläche der aus Quarz bestehenden Umhüllung extrem heiß
wird; wenn keine ausreichende Kühlung vorgesehen wird, führt dies zum Schmelzen
und Brechen der Umhüllung. Das herkömmliche Verfahren zum Kühlen elektrodenloser
Lampen besteht darin, Luft über die -ortsfeste Lampenumhüllung zu blasen oder zu
saugen; im herkömmlichen Zwangsluftsystem, das in der US-PS 4 042 850 beschrieben
ist, wird Luft aus einem Kompressor in die Lampenkammer und über die Lampenumhüllung
geblasen, während in einem Unterdrucksystem Luft aus der Kammer über die Lampenumhüllung
gesaugt wird.
-
Die Grenzen des herkömmlichen Kühlsystems sind in der JA-OS 55-154097
von Yoshio Yasaki beschrieben, wo angegeben ist, daß eine Leistungsdichte von 100
W/cm3 eine Grenze bei Anwendung der Zwangsluftkühlung darstellt, da höhere Leistungsdichten
zu einem Brechen der Lampenumhüllung führen; zur Erzielung einer mit höherer Leuchtdichte
strahlenden Quelle wird ein System vorgeschlagen, bei dem die Lampenumhüllung während
des Betriebs in Wasser eingetaucht ist.
-
Nach der Erfindung wird die Lampenumhüllung um eine durch sie hindurchgehende
Achse gedreht, während einer oder mehrere Kühlgasströme gegen sie gerichtet werden.
Da die Lampenumhüllung gedreht wird, treten benachbarte Oberflächenbereiche nacheinander
direkt in die Bahn des oder der Kühlgasströme ein, so daß sie eine maximale Kühlwirkung
durch die Ströme erfahren, was dazu führt, daß die gesamte Oberfläche angemesscii
gekühlt wird. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Verbesserlmg gegenüber dem
bekannten System, bei dem ein Kühlgasstrom gegen eine stationäre Lampe gerichtet
wird.
-
Nach Fig. 1 ist ein Motor 23 vorgesehen, der den Stab 29 der Lampenumhüllung
dreht. Die Motorwelle oder eine Verlängerung der Motorwelle verläuft durch eine
Öffnung in der Kammer, die wirksam abgedichtet ist, damit keine Mikrowellenenergie
entweichen kann.
-
Das Gitter 20 ist unter Verwendung von dem Fachmann bekannten mechanischen
Mitteln an der Kammeröffnung befestigt; in Fig. 1 ist das Gitter mit einer Gitterbefestigungsplatte
37 verschweißt, die an der Kammer befestigt ist.
-
Zum Verbinden des Motors mit dem Stab 29 sind dem Fachmann zahlreiche
mechanische Mittel bekannt. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist an
der Kammeröffnung ein mit einem Dichtungsring 26 versehener Flansch 21 angebracht,
der beispielsweise dadurch festgehalten ist, daß er an einem Ende an der Gitterhalteplatte
37 befestigt ist, wobei er einen oder mehrere Stäbe 60 am anderen Ende trägt, die
längs der Kammer verlaufen. Der Stab 29 weist an einem Ende einen Klemmring 61 auf,
der in einem zylindrischen Kopplungsstück 27 durch Verkleben befestigt ist, während
die Motorwelle 28 beispielsweise mittels eines Gewindestifts am anderen Ende des
Kopplungsstücks befestigt ist. Der Stab 29 wirkt daher wie eine Verlängerung der
Motorwelle 28. Der Motor ist an einem Flansch 24 befestigt, der seinerseits mit
Hilfe von Haltepfosten 22 am Flansch 21 befestigt ist. Es ist eine Feder 25 vorgesehen,
die durch Verschrauben einstellbar ist, damit die Lampenumhüllung 6 an der gewünschten
Stelle positioniert werden kann.
-
In Fig. 3 ist ein Schnitt dargestellt, der senkrecht zur Längsachse
des Stabs 29 durch die Mitte der Kammer 4 vrßn Fig. 1 verläuft; der Schnitt zeigt
e r(vrdnts ti Kühldüsen in der speziell dargestellten Ausführungsform.
-
Die Düsen 40, 42, 44 und 46, die die Enden von Leistungen 50, 52 und
54 darstellen, sind hinter Öffnungen in der
Kammer 4 angeordnet,
so daß ein Entweichen von Mikros,-cllenenergie verhindert wird; sie sind ungefähr
gegen dis Mitte der Kammer gerichtet. Es ist eine Druckluftquelle 38 vorgesehen;
unter Druck stehende Luft wird durch die Leitungen gefördert und durch die jeweiligen
Düsen gegen die sich drehende Lampenumhüllung 6 ausgestoßen. Zur Erläuterung ist
zwar von Druckluft gesprochen worden, doch können auch andere Kühlgase wie Stickstoff
oder Helium angewendet werden.
-
Wenn sich die Lampenumhüllung dreht, werden benachbarte Oberflächenbereiche
direkt von den Kühlgasströmen getroffen, so daß die gesamte Oberfläche angemessen
gekühlt wird. Falls es zweckmäßig erscheint, können auch weniger oder mehr als vier
Düsen benutzt werden. In der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform, bei der eine
kugelförmige Lampenumhüllung mit einem Durchmesser von 1,9 cm verwendet wird, sind
alle Düsen in einer durch die Mitte der Kugel laufenden Ebene angeordnet, da festgestellt
wurde, daß sich bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung in dieser Ebene heiße
Stellen bilden. Bei Verwendung einer kugelförmigen Umhüllung mit einem Durchmesser
von 2,5 cm erwies es sich als notwendig, den Oberflächenbereich 70 und den in der
Darstellung von Fig. 3 diesem Bereich diametral gegenüberliegenden Bereich stärker
zu kühlen.
-
Die Düse 40 wurde daher geringfügig zu einer Seite der Kammermittelebene
hin versetzt, während die Düse 42 zur anderen Seite hin versetzt wurde; die gleiche
Versetzung wurde auch an den Düsen 44 und 46 vorgenommen.
-
Es sind somit verschiedene Strukturen für mikrowellengespeiste elektrodenlose
Lampen beschrieben worden, die wirkungsvoll hell abstrahlende Lichtquellen bilden,
deren Strahlung einen großen Anteil im tiefen W-Bereich hat. Die Erfindung ist zwar
im Zusammenhang mit der Anwendung in der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie
beschrieben worden, doch ist erkennbar, daß
sie auch überall dort
angewendet werden kann, wo eine hell strahlende Quelle benötigt wird, da die Füllung
so verändert werden kann, daß der tiefe UV-Bereich abgeschwächt und der UV-Bereich
oder der sichtbare Bereich gestärkt wira. Das Kühlsystem kann auch zum Kühlen von
Lampen verwendet werden, die eine von der kugelförmigen Gestalt abweichende Form
haben.