DE3541211A1

DE3541211A1 - Gleichstromentladungslampe

Info

Publication number: DE3541211A1
Application number: DE19853541211
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Takasago Hyogo Okanuma
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1985-05-16
Filing date: 1985-11-21
Publication date: 1986-11-20
Anticipated expiration: 2005-11-22
Also published as: NL193478B; JPH0440828B2; DE3541211C2; FR2582148A1; NL193478C; GB2175130A; GB8528738D0; FR2582148B1; US4673843A; GB2175130B; NL8503447A; JPS61263040A

Description

Gleichstromentladungslampe

Beschreibun

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstromentladungslampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Eine solche Entladungslampe ist geeignet als Lichtquelle beispielsweise für die Belichtung mit ultraviolettem Licht bei der Halbleiterherstellung.

Bei der Herstellung von Halbleitern wird ultraviolette Strahlung dazu verwendet, Schaltkreismuster auf Siliziumtäfeichen aufzubringen. Als Lichtquellen für die Abgabe ultravioletter Strahlung werden gewöhnlich Superhochdruck-Quecksilberdampflampen verwendet.

Bei einem Ausführungsbeispiel einer Superhochdruck-Quecksilberdampflampe, die üblicherweise bei der Herstellung von Halbleitern eingesetzt worden ist, besteht die Lampe, wie in F-rg; U beispielhaft dargestellt ist, aus einem Quarzglaskolben 1, einem Anodenstab k und einem Kathodenstab 5, die sich mit einem Ende jeweils in das Innere des Kolbens 1 erstrecken und fest mit den anderen Enden in einem Anodendichtungsabschnitt 2 bzw. einem Kathodendichtungsabschnitt 3 befestigt sind. Ein eingeschmolzener anodischer Leiter 6 und ein entsprechender kathodischer Leiter 7 sind hermetisch in die vorgenannten Dichtungsabschnitte 2 und 3 eingebettet und bestehen aus Molybdänfolien, die mit ihren einen Enden an dem Anodenstab 4 bzw. dem Kathodenstab 5 angeschlossen sind. Ein äußerer Anodenleiter 8 und ein äußerer Kathodenleiter 9 sind fest in dem Anodendichtungsabschnitt 2 bzw. dem Kathodendichtungsabschnitt 3 derart angebracht, daß sie mit den anderen Enden der eingegossenen Molybdänleiter 6 bzw. 7 verbunden sind. Die freien Enden der Leiter 8 und 9 stehen aus dem

Anodendichtungsabschnitt 2 bzw. dem Kathodendichtungsabschnitt 3 hervor und ein metallisches Anodenanschlußstück 10 und ein metallisches Kathodenanschlußstück 11 sind elektrisch mit den Leitern 8 und 9 verbunden und auf den Dichtungsabschnitten 2 und 3 fest angebracht. Innerhalb des Kolbens 1 der Superhochdruck-Quecksilberdampflampe befindet sich Quecksilber und ein Inertgas. Im Betrieb steigt der Innendruck im Kolben 1 auf einen Druck von beispielsweise 1 000 bis 5 000 kPa.

Als eingegossene Leiter 6 und 7 werden Molybdänfolien verwendet, weil diese plastischen Verformungen unterworfen werden können, die die Aufrechterhaltung der Luftdichtheit in den Dichtungsabschnitten 2 und 3 selbst bei beachtlichen Temperaturschwankungen erleichtern, die durch wiederholtes Ein- und Ausschalten der Lampe hervorgerufen werden können. Unter dem Gesichtspunkt der Aufrechterhaltung der Luftdichtigkeit ist es um so besser, je dünner die Metallfolien 6 und 7 sind. Die Dicke kann jedoch im allgemeinen einige 10 um oder vorzugsweise etwa 20 um oder dergleichen sein, wenn man die elektrische Kapazität, die mechanische Festigkeit" oder die Handhabbarkeit bei der Herstellung solcher Quecksilberdampflampen in Betracht zieht.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß solche konventionellen Hochspannungsquecksilberlampen das Problem mit sich bringen_; daß selbst, wenn sie für eine Lebensdauer von 400 Stunden vorgesehen sind, sie häufig schon zwischen 100 und 300 Betriebsstunden ausfallen. Aufgrund solcher vorzeitigen Ausfälle wird der Ultraviolett-Belichtungsvorgang während der Ultraviolettbestrahlung im Herstellungsprozeß von Halbleitern häufig unterbrochen, so daß ein gleichförmiger Herstellungsvorgang für die Halbleiter sehr gestört wird.

Davon ausgehend hat der Erfinder solche Superhochdruck-Quecksilberdampflampen, die vorzeitig ausgefallen sind,

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untersucht. Diese Untersuchungen führten zu einem Ergebnis, das teilweise und in vergrößertem Maßstab in Fig. 5 dargestellt ist. Es hatte sich nämlich ein Spalt 32 zwischen dem eingeschmolzenen Leiter 7 und dem Glasabschnitt 31 des Kathodendichtungsbereiches 3 nur in dem Kathodendichtungsabschnitt 3 ausgebildet. Auch wenn der Spalt 32 anfangs nur klein ist, so erscheint es doch, daß er sich allmählich gegen den äußeren Kathodenleiter 9 mit zunehmender Betriebsdauer der Lampe ausdehnt. Dementsprechend wird der luftdichte Abschluß zwischen dem eingeschmolzenen Leiter 7 und dem Glasabschnitt 31 des Kathodendichtungsabschnitts 3 ggf. aufgebrochen und die Superhochdruck-Quecksilberdampflampe wird daher funktionsuntüchtig. Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage dieser Erkenntnisse zu Ende gebracht worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstromentladungslampe anzugeben, die eine verlängerte Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aufweist, die die Aufrechterhaltung des luftdichten Abschlusses an ihrem Kathodendichtungsabschnitt ohne Ausfall über eine lange Zeitdauer" erzielt, selbst wenn der Innendruck des Kolbens im Betrieb als Lichtquelle hoch wird, beispielsweise bei der Ultraviolett-Belichtung im Halbleiterherstellungsprozeß, und die es somit möglich macht, die Ultraviolettstrahlungsbelichtung ohne unerwartete Unterbrechung auszuführen und daher den gleichmäßigen Halbleiterherstellungsvorgang nicht durch Ausfälle stört.

Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird daher eine Gleichstromentladungslampe vorgeschlagen, bestehend aus einem Quarzglaskolben, versiegelten anodischen und kathodischen Leitern, die in Anoden- bzw. Kathodendichtungsabschnitten des Kolbens eingeschlossen sind, äußeren Anoden- und Kathodenleitern, die mit ihren einen Enden an die abgedichteten anodischen bzw. kathodischen Leiter angeschlossen sind und die aus dem Kolben mit ihren anderen Enden

herausragen, und Anoden- und Kathodenstäben, die fest in den Anoden- und Kathodendichtungsabschnitten derart angebracht sind, daß die Anoden- und Kathodenstäbe elektrisch mit ihren einen Enden mit den abgedichteten anodischen bzw. kathodischen Leitern verbunden sind und ihre anderen Enden in das Innere des Kolbens vorstehen. Ein elektrisch leitfähiges Element ist an der Außenwand des Kathodendichtungsabschnittes angebracht und dieses elektrisch leitfähige Element ist elektrisch mit dem abgedichteten kathodischen Leiter verbunden.

Aufgrund dieses elektrisch leitfähigen Elements an der Außenwand des Kathodendichtungsabschnitts, das elektrisch mit dem abgedichteten kathodischen Leiter verbunden ist, wird das elektrische Potential des elektrisch leitfähigen Elementes auf jenem des abgedichteten kathodischen Leiters gehalten, wenn die Gleichstromentladungslampe in Betrieb ist. Als Folge davon wird, wie aus der Beschreibung eines nachfolgend beschriebenen Versuchsbeispiels hervorgeht, der luftdichte Abschluß zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter und dem Quarzglas für eine lange Zeitdauer stabil a-u-f-rechterhalten und es ergibt sich daraus eine hohe Lebensdauer der Gleichstromentladungslampe und eine hohe Zuverlässigkeit derselben. Durch Verwendung einer Gleichstromentladungslampe als Lichtquelle bei der Ultraviolettbestrahlungsbelichtung im Halbleiterherstellungsprozeß ist es möglich, unerwartete Unterbrechungen im Betriebsablauf zu vermeiden und so den Halbleiterherstellungsprozeß gleichförmig für eine lange Zeitdauer auszuführen.

Die obigen Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor.

Es zeigt: «

Fig. 1(a) und 1(b) einen schematischen Längsschnitt und

einen schematischen Querschnitt durch eine Gleichstromentladungslampe ge

mäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2(a) und 2(b) entsprechende Schnitte einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine modifi

zierte Ausführungsform;

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt

durch ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen Hochspannungsquecksilberdampflampe, und

Flg. 5 einen schematischen Längsschnitt

durch einen Teil einer üblichen Hoch-— Spannungsquecksilberdampflampe der

in Fig. 4 gezeigten Art in vergrößertem Maßstab.

Bezugnehmend zunächst auf die Figuren 1(a) und 1(b) wird die erste Ausführungsform der Erfindung nachfolgend erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist eine Superhochdruck-Quecksilberdampflampe als Gleichstromentladungslampe aufgebaut.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein Kolben aus Quarzglas bezeichnet, mit einem Anodendichtungsabschnitt 2 und einem Kathodendichtungsabschnitt 3.

In dem Kathodendichtungsabschnitt 3 ist ein versiegelter oder abgedichteter kathodischer Leiter 7 angeordnet, be-

stehend aus einer Molybdänfolie, die hermetisch in das Glas des Kathodendichtungsabschnitts 3 eingebettet ist. Ein Kathodenstab 5 ist fest in dem Kathodendichtungsabschnitt 3 derart angeordnet, daß das eine Ende des Kathodenstabes 5 mit dem einen Ende des eingegossenen kathodischen Leiters 7 verbunden ist und das andere Ende frei in den Innenraum des Kolbens 1 ragt. Ein äußerer kathodischer Leiter 9 ist fest in dem Glas des Kathodendichtungsabschnitts 3 derart angebracht, daß ein Ende dieses Leiters 9 mit dem anderen Ende des abgedichteten kathodischen Leiters 7 verbunden ist, und das andere Ende des Leiters 9 aus dem Kolben 1 herausragt. In dem Anodendichtungsabschnitt 2 ist ein abgedichteter anodischer Leiter 6 aus einer Molybdänfolie angeordnet, sowie ein Anodenstab 4 und ein äußerer anodischer Leiter 8, die in im wesentlichen gleicher Weise wie die entsprechenden Leiter auf der Kathodenseite in den Anodendichtungsabschnitt 2 eingebettet sind.

Mit den Bezugszeichen 10 und 11 sind ein metallischer Anodenanschluß und ein metallischer Kathodenanschluß, jeweils von zyli-mirischer Gestalt bezeichnet, die auf dem Anodendichtungsabschnitt 2 und dem Kathodendichtungsabschnitt angeordnet sind. Diese metallischen Anschlüsse 10 und 11 sind auf den Dichtungsabschnitten 2 und 3 mit Zementschichten 12 und 13 befestigt. Darüber hinaus sind die äußeren anodischen und kathodischen Leiter 8 und 9 an Spitzen 16 und 17 mit den metallischen Anschlüssen 10 und 11 durch Hartlöten elektrisch verbunden. Mit 14 und 15 sind Außengewinde bezeichnet, die der Montage der Superhochdruck-Quecksilberdampflampe dienen.

Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein elektrisch leitfähiges Element. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das elektrisch leitfähige Element 20 durch einen Metallniederschlagsfilm 21 gebildet, der aus einem Metall wie Platin, Gold, Palladium, Silber, Nickel oder Rhenium

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besteht. Er umgibt im wesentlichen den gesamten Umfang der Außenwand des Glasabschnitts, der den abgedichteten kathodischen Leiter 7 in dem Kathodendichtungsabschnitt 3 umgibt. Das elektrisch leitfähige Element 20 kann durch einen Metallniederschlagsfilm oder -filmen auf einen oder mehreren Sektionen der Wand des Glasabschnitts gegenüber der Oberfläche des abgedichteten kathodischen Leiters 7 bestehen. Der Metallniederschlagsfilm kann mit Hilfe von Metallaufdampfung, Zerstäubung, chemischen Dampfniederschlags oder dergleichen ausgebildet werden.

Der Metallniederschlagsfilm 21 ist mit dem metallischen Kathodenanschluß 11 mittels eines Verbindungsdrahtes 22 beispielsweise aus Edelstahl verbunden, wodurch der Metallfilm 21 in einem ständigen elektrischen Kontakt mit dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 gehalten wird. Die Dicke des Metallniederschlagsfilms 21 kann beispielsweise 0,5 bis 5 um betragen.

Der Kolben 1 ist mit Quecksilber, einem Inertgas und dergleichen solcher Mengen gefüllt, daß der Innendruck des Kolbens 4—etwa 3 000 bis 4 000 kPa erreicht, wenn sich die Superhochdruck-Quecksilberdampflampe in Betrieb befindet.

Aufgrund des oben beschriebenen Aufbaus wird das elektrische Potential des elektrisch leitfähigen Elements 20 auf dem des abgedichteten kathodischen Leiters 7 gehalten, wenn sich die Superhochdruck-Quecksilberdampflampe in Betrieb befindet. Wie man aus der nachfolgenden Beschreibung eines Versuchs entnehmen kann, wird als Folge davon die luftdichte Verbindung zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 und dem dieses umgebenden Quarzglas für eine lange Zeitdauer stabil aufrechterhalten. Daher schafft die beschriebene Konstruktion eine Superhochdruck-Quecksilberdampflampe mit größerer Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit.

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Die oben beschriebene stabile Aufrechterhaltung der luftdichten Verbindung zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 und dem angrenzenden Quarzglas über eine lange Zeitdauer beruht wenigstens teilweise auf den folgenden Gründen. Wenn sich die Superhochdruck-Quecksilberdampflampe in Betrieb befindet, dann wird die elektrische Feldstärke im Glasabschnitt zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 und dem elektrisch leitfähigen Element 20 im wesentlichen auf Null gehalten. Dementsprechend ist es praktisch möglich, eine von einem elektrischen F.eld hervorgerufene Bewegung von Kationen metallischer Verunreinigungen, die gewöhnlich unvermeidbar im Quarzglas enthalten sind, zu vermeiden. Die Bewegung solcher Kationen wird als Ursache für die Beeinträchtigung der luftdichten Verbindung zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 und dem umgebenden Quarzglas angesehen. Als Folge davon ist es möglich, eine Konzentration von Kationen solcher metallischen Verunreinigungen in dem Bereich, wo der abgedichtete kathodische Leiter 7 und das zugehörige Quarzglas miteinander verbunden sind, zu vermeiden. Als Folge darf man annehmen, daß die luftdichte Verbindung zwischen dem abgedichteterr-kathodischen Leiter 7 und dem umgebenden Quarzglas nicht beschädigt wird und für eine lange Zeitdauer stabil aufrechterhalten bleibt.

Ein großer Vorteil ergibt sich daraus für die Verwendung einer solchen Superhochdruck-Quecksilberdampflampe als Lichtquelle bei der Ultraviolett-Belichtung im Halbleiterherstellungsprozeß, weil die Verwendung einer solchen Superhochdruck-Quecksilberlampe es möglich macht, die Herstellungskosten zu vermindern und eine störungsfreie Belichtung über lange Zeit sicherzustellen.

Im Gegensatz zu der beschriebenen Superhochdruck-Quecksilberdampflampe nach der Erfindung wird eine konventionelle Superhochdruck-Quecksilberdampflampe im Kathodendichtungsabschnitt 3 im Betrieb der Lampe sehr heiß. Daher werden

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Kationen metallischer Verunreinigungen, die gewöhnlich im Quarzglas enthalten sind, thermisch im Kathodendichtungsabschnitt 3 erregt. Darüber hinaus wird dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 eine negative Spannung zugeführt. Im Quarzglas des Kathodendichtungsabschnittes 3 wird daher ein starkes elektrisches Feld in einer Richtung erzeugt, die vom Quarzglas zum abgedichteten kathodischen Leiter 7 verläuft. Aufgrund dieses elektrischen Feldes wird vermutet, daß Kationen der metallischen Verunreinigungen im Quarzglas sich in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Quarzglas und dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 konzentrieren. Diese Konzentration von Kationen führt vermutlich zur Beschädigung der Verbindung zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 und dem umgebenden Quarzglas, so daß sich dazwischen ein Spalt ausbildet. Außerdem wird dieser Spalt vermutlich allmählich mit zunehmender Betriebszeit der Hochdruck-Quecksilberdampflampe wegen des hohen Innendrucks im Betrieb immer größer. Als Folge davon kann der Spalt zwischen dem abgedichteten kathodisehen Leiter 7 und dem umgebenden Glas mit der umgebenden Atmosphäre, des Kolbens 1 in Berührung gelangen, so daß die Lebensdauer der Lampe verkürzt wird.

Basierend auf der obigen Ausführungsform sind zehn Superhochdruck-Quecksilberdampflampen mit den folgenden Daten hergestellt worden:

Nennleistung: 450 W (50 V, 9 A)

Elektrodenabstand: 2,2 mm Kolbeninnendruck (im Betrieb): 4 000 kPa

Füllmaterial: Quecksilber, Argon

Dicke des abgedichteten

kathodischen Leiters 7: 0,02 mm

Länge des abgedichteten

kathodischen Leiters 7: 19 mm

Material des Metallniederschlagsfilms 21: Gold

Länge des Metallniederschlagsfilms 21: 11 mm Dicke des Metallniederschlagsfilms 21 : 0,001 mm. 5

Ein kontinuierlicher Beleuchtungstest wurde über 400 Stunden mit jeder der zehn Superhochdruck-Quecksilberdampflampen ausgeführt. Alle zehn Lampen waren in der Lage, bis zum Ende des Versuches stabil zu arbeiten. 10

Zu Vergleichszwecken wurden zehn Superhochdruck-Quecksilberdampflampen auf die gleiche Weise, wie beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß der Metallniederschlagsfilm 21 nicht angebracht wurde. Ein Beleuchtungstest wurde mit den zehn Superhochdruck-Quecksilberdampflampen in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, ausgeführt. Drei der Superhochdruck-Quecksilberdampflampen aus der Meßreihe fielen zwischen 100 und 300 Stunden aus. Ihre Lebensdauer war daher zu kurz.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in den Figuren 2(a) und 2(b) dargestellt, bei der das elektrisch leitfähige Element 20 durch eine Wicklung aus einem Metalldraht 23 auf der Außenwand des Kathodendichtungsabschnitts 3 realisiert ist. Die Metallwicklung 23 besteht aus einem Nickelchromstahldraht, dessen Durchmesser beispielsweise im Bereich zwischen 0,15 mm und 0,3 mm liegen kann. Mit 24 ist ein Verbindungsdraht bezeichnet, der eine elektrische Verbindung zwischen dem Metalldraht 23 und dem metallischen Kathodenanschluß 11 herstellt.

Ähnlich dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel kann auch diese Ausführungsform eine luftdichte Verbindung zwischen dem abgedichteten kathodischen Leiter 7 und dem umgebenden Quarzglas stabil über eine lange Zeitdauer aufrechterhalten, so daß sich eine Superhochdruck-Quecksilberdampflampe ergibt, die eine hohe Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Das elektrisch leitfähige Element 20 kann auch durch Aufwickeln einer Metallfolie oder eines Metallstreifens anstelle der Metalldrahtwicklung 23 realisiert sein.

δ Es ist möglich, die oben beschriebenen Superhochdruck-Quecksilberdampflampen nach der Erfindung so aufzubauen, daß zwei oder mehr abgedichtete kathodische Leiter, die jeweils aus einer Molybdänfolie bestehen, in dem Kathodendichtungsabschnitt angeordnet sind. Wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, kann ein zusätzliches Glasteil 51 mit einer Gestalt ähnlich einem Rechteckblock und bestehend aus Quarzglas innerhalb des Kathodendichtungsabschnitts 41 vorgesehen sein. Mehrere Lagen kathodischer Leiter 52 sind dann auf den Außenwänden des zusätzlichen Glasteils 51 derart angeordnet, daß sie sich der Länge nach über das Glasteil 51 erstrecken. Diese kathodischen Leiter 52 sind dann hermetisch abgedichtet zwischen das zusätzliche Glasteil 51 und ein Außenrohr 52 eingegossen. Diese modifizierte Ausführungsform ist besonders für große Ströme geeignet.

Claims

M_/ Gleichstromentladungslampe, bestehend aus einem Quarzglaskolben, abgedichteten anodischen und kathodiscnen Leitern, die in Anoden- bzw. Kathodendichtungsabschnitten des Kolbens eingeschlossen sind, äußeren anodischen und kathodischen Leitern, die mit einem Ende mit dem abgedichteten anodischen bzw. kathodischen Leiter verbunden sind und aus dem Kolben mit ihrem anderen Ende vorstehen, und Anoden- und Kathodenstäben, die fest in den Anodenbzw. Kathodendichtungsabschnitten derart angebracht sind, daß die Anoden- und Kathodenstäbe elektrisch jeweils mit dem abgedichteten anodischen bzw. kathodischen Leiter verbunden sind und mit dem anderen Ende in den Innenraum des Kolbens vorstehen, dadurch gekennzeichnet , daß ein elektrisch leitfähiges Element (20) auf der Außen-

wand des Kathodendichtungsabschnittes (3) angebracht ist und daß das elektrisch leitfähige Element (20) elektrisch mit dem abgedichteten kathodischen Leiter (7) verbunden ist.
2. Gleichstromentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein metallischer Kathodenanschluß (11) auf dem Kathodendichtungsabschnitt (3) befestigt ist, der äußere kathodische Leiter (9) mit dem metallischen Kathodenanschluß (11) verbunden ist und das elektrisch leitfähige Element (20) mit dem metallischen Kathodenanschluß (11) über einen Verbindungsdraht (24) verbunden ist, wodurch das elektrisch leitfähige Element (20) und der abgedichtete Kathodenleiter (7) elektrisch miteinander verbunden sind.
3. Gleichstromentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das elektrisch leitfähige Element (20) ein Metallniederschlagsfilm (21) ist.
U. Gleichstromentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch g e k e -η-· η zeichnet , daß das elektrisch leitfähige Element (20) aus einem Metalldraht (23) oder einer Folie besteht, der bzw. die auf dem Kathodendichtungsabschnitt (3) angebracht ist.
5. Gleichstromentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Innendruck des Kolbens (1) 3 000 bis H 000 kPa erreicht, wenn die Entladungslampe eingeschaltet ist.