DE3920675A1

DE3920675A1 - Kurzbogen-entladungslampe

Info

Publication number: DE3920675A1
Application number: DE3920675A
Authority: DE
Inventors: Yasuki Mori; Yasuhiro Iwafuji; Yoichiro Mitsuyuki; Tadatoshi Higashi
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1990-01-04
Also published as: KR920000942B1; KR900000965A; US4988918A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzbogen-Entladungslampe als Lichtquelle für ein optisches Beleuchtungs- oder Belich tungssystem, z.B. eine Belichtungsvorrichtung und eine UV- Punktaushärteeinheit (spot cure), wobei die Belichtungs vorrichtung zum Drucken von elektronischen Schaltungs mustern auf Halbleiter-Plättchen dient.

Eine Kurzbogen-Entladungslampe, wie eine Superhochdruck- Quecksilberlampe, eine Xenon-Quecksilberlampe und dgl., weist üblicherweise einen aus Quarzglas bestehenden Kolben und zwei an beiden Enden des Kolbens angebrachte, seine Luftdichtheit erhaltende Kappen auf. Der Mittelteil des Kolbens ist dabei eiförmig ausgebildet. Zwei Anoden- und Kathodenelektroden sind einander gegenüberstehend mon tiert. Zwischen Anoden- und Kathodenelektroden ist ein kleiner Abstand für die Entladung eines kurzen Lichtbogens zwischen ihnen vorgesehen.

Die Kurzbogen-Entladungslampe ist eine Ultraviolettlampe, die mit einem Kurzbogen, ähnlich einer Punktlichtquelle, zu entladen vermag. Die Kurzbogen-Entladungslampe wird da her mit optischen Systemen, die mit Reflektoren und dgl. versehen sind, kombiniert und für verschiedene industrielle Präzisionseinrichtungen eingesetzt.

Wie in der JP-OS (Sho) 60-57 930 beschrieben, weist die Be lichtungsvorrichtung zum Drucken von elektronischen (electron) Schaltungsmustern auf Halbleiter-Plättchen eine Kurzbogen-Entladungslampe als Lichtquelle auf. Sie umfaßt ferner einen Reflektor zum Reflektieren und Fokussie ren des von der Entladungslampe emittierten Lichts, einen Planspiegel zum Reflektieren (Umlenken) des durch den Re flektor reflektierten Lichts in einer unterschiedlichen Richtung, eine Linse zum Fokussieren des vom Planspiegel reflektierten Lichts, eine Photomaske, durch die das durch die Fokussierlinse fokussierte Licht hindurchfällt, und ein Halbleiter-Plättchen, auf welches das durch die Photo maske hindurchfallende Licht fokussiert und das damit be lichtet wird. Der Reflektor weist eine Rotationsfläche zweiter Ordnung auf. Die Kurzbogen-Entladungslampe ist praktisch im Brennpunkt dieses Reflektors angeordnet. Das Halbleiter-Plättchen ist mit einem UV-empfindlichen Harz beschichtet.

Auf der Oberfläche des Halbleiter-Plättchens wird mit tels dem von der Kurzbogen-Entladungslampe emittierten Licht ein Muster der Photomaske gedruckt bzw. abgebildet. Die Bestrahlung mit Licht erfolgt mehrmals, um eines der Halbleiter-Plättchen zu belichten, wobei die Entladungs lampe nur zum Zeitpunkt der Bestrahlung mit Licht mit einem großen Gleichstrom gespeist wird.

Gemäß der JP-OS (Sho) 63-34 897 wird die Kurzbogen-Entla dungslampe für einen Projektor eingesetzt. Dabei wird die Kurzbogen-Entladungslampe in Synchronismus mit der Blende des Projektors mit Strom beschickt. Dieser Strom wird nur dann, wenn die Blende (shutter) offen ist, in einen Hochpegelstrom umgewandelt und der Entladungslampe zugespeist. Die Kurzbogen-Entladungslampe emittiert so mit Licht einer großen Helligkeit bzw. Intensität nur dann, wenn der Hochpegelstrom an ihr anliegt.

Derzeitige industrielle Arbeitsmaschinen müssen eine hohe Arbeitsgenauigkeit und zudem eine hohe Leistungsfähigkeit zur Verbesserung der Produktionsleistung aufweisen. Sog. Super-LSIs sind extrem hoch integriert, und die Vorrich tung zum Belichten von Halbleitern muß daher auf dem Gebiet der Halbleiterfertigung ebenfalls eine hohe Lei stungsfähigkeit besitzen.

Zur Verbesserung der Belichtungsleistung der Belichtungs vorrichtung wird die Lichtstärke auf der Oberfläche des Halbleiter-Plättchens erhöht. Dabei werden auch die Lei stungen von Einrichtungen, wie Reflektor und Fokussier linse, erhöht, während die Ausgangsleistung der Kurz bogen-Entladungslampe zur Erhöhung der Lichtstärke er höht wird. Einrichtungen, wie der Reflektor, sind bereits derart verbessert worden, daß ihr(e) Leistungsfähigkeit bzw. Wirkungsgrad über einer bestimmten Größe liegt. Die Kurzbogen-Entladungslampe verlangt allerdings nach noch weiterer Verbesserung. Üblicherweise wird die Lichtstärke erhöht, um die (den) Belichtungsleistung oder -wirkungs grad der Kurzbogen-Entladungslampe zu verbessern. Aus diesem Grund ist eine Entladungslampe einer großen Licht ausgangsleistung entwickelt und als Mittel zur Erhöhung der Beleuchtungsstärkeleistung eingesetzt worden. Zur Verkürzung der Belichtungszeit auf die Hälfte wird daher eine Entladungslampe mit einer Lampeneingangsleistung von 1 kW anstelle einer Lampe mit einer Eingangsleistung von 500 W verwendet. Auf diese Weise wird die Leistungsfähig keit (efficiency) der mit einer solchen Entladungslampe ausgestatteten industriellen Maschinen verbessert.

Bei einer herkömmlichen Kurzbogen-Entladungslampe wird allerdings die eingespeiste Leistung sehr groß, wenn die Ausgangsleistung der Lampe erhöht wird. Die Entladungs lampe erhält daher unvermeidbar große Abmessungen, und sie gibt bei erhöhter Eingangsleistung eine größere Wärme menge ab. Eine Vergrößerung der Entladungslampe bedingt auch einen großen Kolben derselben und auch eine Ver größerung des Entladungs-Lichtbogens.

Bei Verwendung der große Abmessungen besitzenden Kurz bogen-Entladungslampe bei der Belichtungsvorrichtung, für die eine hohe Genauigkeit gefordert wird, kann das Licht nicht (genau) auf dem Brennpunkt fokussiert werden, weil der Lichtbogendurchmesser groß ist. Hierdurch wird die Lichtfokussierfähigkeit der Belichtungsvorrichtung beein trächtigt, und das Licht wird auf der Oberfläche des Halb leiter-Plättchens gestreut. Infolgedessen wird die Licht- oder Beleuchtungsstärke nicht erhöht, sondern vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Kurzbogen-Entladungslampe, bei welcher der Durchmesser des Entladungs-Lichtbogens unter Erhöhung seiner Hellig keit und Verbesserung der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrads der Lampe klein gehalten werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Kurzbogen-Entladungs lampe, umfassend
einen aus einem glasartigen, temperaturbeständigen Werk stoff geformten Kolben,
eine in das eine Ende des Kolbens eingedichtete Anode,
eine in das andere Ende des Kolbens eingedichtete Kathode und
eine den Kolben füllende Charge,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Charge zumindest Quecksilber, Edelgas und Halogen umfaßt und das Halogen in einem Molverhältnis von 3,5×10^-5bis 3,5×10^-3 relativ zum Quecksilber vorliegt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Kurzbogen-Entla dungslampe, umfassend
einen aus einem glasartigen, hochtemperaturbeständigen Werkstoff geformten Kolben,
eine in das eine Ende des Kolbens eingedichtete Anode,
eine in das andere Ende des Kolbens eingedichtete Kathode und
Quecksilber und Edelgas, die in den luftdicht geschlossenen Kolben eingeschlossen sind,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß dann, wenn die Lampen spannung unmittelbar nach dem Einleiten der Lampenentla dung mit V _SL (V), die Lampenspannung bei Stabilisierung der Entladung mit V _L (V), der Abstand zwischen Anoden- und Kathodenelektroden mit l (mm), der größte Innendurch messer des eiförmigen Mittelteils des Kolbens mit D (cm) und die Lampenenergieleistung bei Stabilisierung der Ent ladung mit W _L (kW) bezeichnet werden, die folgenden Be ziehungen gelten:

(V _L-V _SL)/l = 5 ∼ 10 (V/mm) und
D/W _L = 1,8 ∼ 3,5 (cm/kW).

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Kurzbogen-Entla dungslampe, umfassend
einen aus einem glasartigen, hochtemperaturbeständigen Werkstoff geformten Kolben,
eine in das eine Ende des Kolbens eingedichtete Anode,
eine in das andere Ende des Kolbens eingedichtete Kathode und
eine den Kolben füllende Charge,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Charge zumindest Quecksilber, Edelgas und Halogen umfaßt, das Halogen in einem Molverhältnis von 3,5×10 ^-5 bis 3,5×10 ^-3 relativ zum Quecksilber vorliegt, und daß dann, wenn die Lampenspannung unmittelbar nach dem Einleiten der Lampenentladung mit V _SL (V), die Lampenspannung bei Stabilisierung der Entladung mit V _L (V), der Abstand zwi schen Anoden- und Kathodenelektroden mit l (mm), der größte Innendurchmesser des eiförmigen Mittelteils des Kolbens mit D (cm) und die Lampenenergieleistung bei Stabilisierung der Entladung mit W _L (kW) bezeichnet wer den, die folgenden Beziehungen gelten:

(V _L-V_SL)/l = 5 ∼ 10 (V/mm) und
D/W _L = 1,8 ∼ 3,5 (cm/kW) .

Der Entladungs-Lichtbogen bei der erfindungsgemäßen Kurz bogen-Entladungslampe kann dabei einen so kleinen Durch messer besitzen, daß er wie eine Punktlichtquelle er scheint. Auch wenn die Beleuchtungsstärkenausgangsleistung (illuminance output) der Entladungslampe etwas herabge setzt wird, kann deren Lichtfokussierfähigkeit daher ver bessert sein.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verwendung der Kurzbogen-Entladungslampe nach Fig. 1 in einer Belichtungsvorrichtung,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild einer Entladungsschaltung mit einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines der Kurzbogen- Entladungslampe zugespeisten Basis- oder Fuß punktstroms (base current) I _B,

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines der Kurzbogen- Entladungslampe zugespeisten Impulsstroms I _P,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Summe aus Basis- oder Fußpunktstrom I _B und Impulsstrom I _P,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Summe aus Basis- oder Fuß punktstrom I _B und Impulsstrom I _P, der in einem Zyklus S und mit einem Zeitabstand F zugespeist wird, und

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Summe aus dem Basis- oder Fußpunktstrom, der zu einem während einer Periode R zugespeisten niedrigpegeligen Strom I′ _B und einem Hochpegelstrom I _B umgewandelt wird, und dem im Zyklus S zugespeisten Impulsstrom I _P.

Fig. 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform einer Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der Erfindung. Die Kurz bogen-Entladungslampe 30 weist einen Kolben 32 aus Quarzglas und zwei Kappen 36 und 38 auf, die an den je weiligen Enden des Kolbens 32 angebracht sind und dessen Inneres luftdicht abschließen. Der Kolben 32 weist von seinen beiden Enden abgehende Dichtabschnitte 31 a, 31 b auf. Der Mittelteil 34 des Kolbens 32 ist eiförmig ausge bildet. Mit den Kappen 36 und 38 sind Elektroden-Tragstäbe 40 bzw. 42 elektrisch verbunden, an deren Vorderenden Anoden- und Kathodenelektroden 44 bzw. 46 angebracht sind. Das Vorderende der Anodenelektrode 44 ist trapez förmig ausgebildet, während das Vorderende der Kathoden elektrode 46 eine konische Form besitzt. Anoden- und Kathodenelektrode 44 bzw. 46 sind zur Erzeugung eines kurzen Entladungs-Lichtbogens zwischen ihnen in einem gegenseitigen Abstand von 3 mm angeordnet. Die Lampen spannung dieser Entladungslampe 30 beträgt 50 V, ihre Nenn-Lampeneingangsleistung 750 W. In den Kolben 32 sind Quecksilber in einer Menge von 1,7×10^-4 Mol/cm³ sowie gasförmiges Argon unter einem Druck von 66661 Pa (500 Torr) bei Normaltemperatur eingedichtet. Der Grund für den Ein schluß von Argongas im Kolben 32 besteht in der Verhinde rung eines Verspritzens des Elektrodenmaterials aufgrund der Entladung. Weiterhin ist Jodid in einem Molverhältnis (partial molar quantity) von 3,5×10 ^-5 bis 3,5×10 ^-3 relativ zum Quecksilber im Kolben 32 ein geschlossen.

Quecksilberdampf, Argongas und Jodid werden in der Kurz bogen-Entladungslampe 30 beim Einschalten (bzw. Zünden) derselben miteinander vermischt. Wenn eine Spannung an Anoden- und Kathodenelektrode 44 bzw. 46 angelegt wird, beginnt eine Kurzbogen-Entladung dazwischen. Dieser kurze Lichtbogen besitzt dabei die im folgenden angegebenen Eigenschaften. Das Jodid, als Halogen, kombiniert oder vereinigt sich leicht mit Elektronen, weil es eine hohe Elektronenaffinität besitzt. Durch das Halogen kann somit die Zahl der im Lichtbogen enthaltenen Elektronen herab gesetzt werden. Der Lichtbogen kann daher im kürzesten Abstand entstehen, wo die Elektronendichte hoch ist, näm lich zwischen den Elektroden 44 und 46; der erzeugte Lichtbogen kann aus diesem Grund einen kleinen Durchmesser aufweisen.

Es ist bekannt, daß im Fall des Einschlusses von Halogen im Kolben der Lichtbogen instabil wird, wenn die Entla dung (für eine gewisse Zeit) andauert. Bei der beschrie benen Ausführungsform wird der Lichtbogen jedoch weder verzerrt bzw. gestreut (flared) noch instabil, weil der Abstand zwischen den Elektroden 44 und 46 mit 3 mm sehr kurz ist und weil eine zweckmäßige Menge von Jodid, das als Halogen dient, im Kolben 32 eingeschlossen ist. Hier durch wird ein Ausschwingen bzw. Erlöschen der Entladungs lampe verhindert.

Im folgenden ist anhand von Fig. 2 ein Anwendungsbei spiel für die Kurzbogen-Entladungslampe 30 bei einer Be lichtungsvorrichtung für das Drucken bzw. Erzeugen von elektronischen Schaltungsmustern auf Halbleiter-Plättchen beschrieben. Die Belichtungsvorrichtung 50 umfaßt dabei die Kurzbogen-Entladungslampe 30 als Lichtquelle, einen Reflektor 52 zum Reflektieren und Fokussieren des von der Entladungslampe 30 emittierten Lichts, einen Planspiegel 54 zum Reflektieren bzw. Umlenken des vom Reflektor 52 kommenden Lichts, eine Linse 56 zum Fokussieren des durch den Planspiegel 54 umgelenkten Lichts sowie eine Photo maske 58, durch welche das durch die Linse 56 fokussier te Licht hindurchfällt. Ein Halbleiter-Plättchen 60 ist im Strahlengang der Photomaske 58 nachgeschaltet. Der Re flektor 52 ist mit einer Rotationsfläche zweiter Ordnung ausgebildet. Die Entladungslampe 30 ist so angeordnet, daß die Lichtbogenentladung praktisch im Zentrum des Re flektors 52 stattfindet. Die Oberfläche des Halbleiter- Plättchens 60 ist beispielsweise mit einem UV-empfind lichen Harz beschichtet.

Das von der Entladungslampe 30 emittierte Licht wird durch den Reflektor 52 reflektiert, fokussiert und auf den Planspiegel 54 geworfen. Das durch den Planspiegel 54 umgelenkte Licht tritt in die Fokussierlinse 56 ein, welche das Licht unter Fokussierung desselben durch die Photomaske 58 hindurchwirft. Das durch die Photomaske 58 hindurchfallende Licht beaufschlagt die Oberfläche des Halbleiter-Plättchens 60. Dadurch wird das Muster der Photomaske 58 durch UV-Licht auf der Oberfläche des Halb leiter-Plättchens 60 abgebildet.

Die zweckmäßigste Menge an in der Kurzbogen-Entladungs lampe 30 einzuschließendem Halogen wurde anhand des im folgenden beschriebenen Tests ermittelt. Die Menge an Jodid, das als Halogen verwendet wurde, wurde je weils variiert, während die anderen Bedingungen der Kurz bogen-Entladungslampe jeweils konstantgehalten wurden. In diesem Test wurde der Entladungszustand der G-Linie (G string) (436 nm) unter jeweiliger Änderung der Jodidmenge und Beobachtung der Lichtstärken oder -dichten auf der Oberfläche des Halbleiter-Plättchens untersucht. Die Jodid menge wurde auf Molverhältnisse von 2,0×10^-5, 3,5×10^-5, 3,5×10^-3 und 3,5×10^-2 relativ zum Queck silber eingestellt. Die bei diesen Versuchen erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt, in welcher unter Nr. 1 die Licht- oder Beleuchtungsstärke, die Lichtbogen stabilität und die Bewertung bei einer herkömmlichen Ent ladungslampe angegeben sind, während die entsprechenden Faktoren für erfindungsgemäße Beispiele unter Bezugnahme auf die entsprechenden Werte der herkömmlichen Entladungs lampe angegeben sind. Wie aus diesen Ergebnissen hervor geht, kann die Beleuchtungs- oder Lichtstärke (im folgen den einfach als Lichtstärke bezeichnet) aufgrund der kleinen Einschlußmenge an Jodid nicht verbessert werden, wenn die Menge (Molverhältnis) an Jodid weniger als 3,5×10^-5 beträgt. Wenn diese Jodidmenge jedoch 3,5×10^-5 übersteigt, wird zwar die Lichtstärke groß, doch schwingt der Lichtbogen zeitweilig unter Streuung aus, weil sein Durchmesser klein ist.

Die zweckmäßige Jodidmenge, als Molverhältnis von Jodid relativ zur Quecksilbermenge, liegt daher im Be reich von 3,5×10^-5 bis 3,5×10^-3. Die günstige Jodid menge liegt im Bereich von 3,5×10^-4 bis 2,0×10^-3.

Bei dieser Kurzbogen-Entladungslampe besitzt der erzeugte Lichtbogen (arc discharged) somit einen kleinen Durchmesser. Infolgedessen wird die Beleuchtungsfläche klein, ähnlich wie bei einer Punktlichtquelle. Die Brillianz bzw. Helligkeit ist groß, weil die Leuchtleistung der Entladungslampe erhöht ist.

Im folgenden ist ein zweites Ausführungsbeispiel der er findungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe beschrieben, welche im wesentlichen denselben Aufbau wie die zuerst beschriebene Ausführungsform aufweist, sich von dieser jedoch bezüglich der eingeschlossenen Gase unterscheidet. Zusätzlich zu den in der Entladungslampe gemäß der ersten Ausführungsform eingeschlossenen Gasen ist weiterhin auch Samarium eingeschlossen. Diese Kurzbogen-Entladungslampe wird ebenfalls bei einer Belichtungsvorrichtung einge setzt, mit welcher Muster elektronischer Halbleiterschal tungen auf Halbleiter-Plättchen gedruckt bzw. erzeugt werden. Die zweite Ausführungsform der Erfindung wurde im Einsatz bei dieser Belichtungsvorrichtung untersucht. Dabei wurde die Änderung der Lichtstärke des Lichtbogens in der G-Linie (G string) auf der Oberfläche des Halbleiter- Plättchens in Abhängigkeit davon, ob in der Lampe Samarium enthalten war oder nicht, untersucht. Die betreffenden Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt.

Im Vergleich mit Beispielen Nr. 2 und 3, bei denen die Entladungslampe kein Samarium enthält, zeigen die Bei spiele Nr. 6 und 7, bei denen Samarium vorhanden ist, je weils eine höhere Lichtstärke. Samarium ermöglicht somit eine stärkere Emission des Spektrums der G-Linie im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel. Hierdurch wird belegt, daß das Spektrum von 426 nm stärker emittiert wird als beim ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Entladungslampe bzw. ihr Kolben lediglich Jodid enthält, so daß im ersteren Fall auch die Lichtausgangsleistung oder -ausbeute erhöht ist. Anstelle des beim zweiten Aus führungsbeispiel verwendeten Samariums können auch Gadolinium, Praseodym, Lanthan Yttrium, Rhenium Terbium oder Europium verwendet werden. Diese Elemente können je weils einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden. Diese Metalle, wie Samarium, reagieren nicht mit Halogen, sondern bleiben während der Entladung der Lampe als Metall erhalten. Beim Abschalten der Entladungslampe reagieren sie jedoch mit Halogen unter Erzeugung von Halogeniden. Infolgedessen können Halogen und das Metall, wie Samarium, in Form eines Halogenids von außen her in den Kolben eingebracht werden.

Anstelle von Jodid, das bei erstem und zweitem Ausführungs beispiel als Halogen verwendet wird, können auch Brom, Fluor, Chlor und dgl. jeweils einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.

Fig. 3 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe. Die Ent ladungslampe 70 umfaßt einen Kolben 72 aus Quarzglas so wie zwei Kappen 76 und 78, die an den beiden Enden des Kolbens 72 angebracht sind und das Innere des Kolbens 72 luftdicht abschließen. Der Kolben 72 weist von seinen beiden Enden ausgehende Dichtabschnitte 81 a, 81 b auf. Der Mittelteil des Kolbens 72 ist eiförmig ausgebildet. Elek troden-Tragstäbe 80 und 82 sind von der Außenseite her elektrisch mit den Kappen 76 bzw. 78 verbunden. Die Trag stäbe 80 und 82 bestehen beispielsweise aus Wolfram. An den Vorderenden der Tragstäbe 80 und 82 sind Anoden- und Kathodenelektroden 84 bzw. 86 befestigt. Das aus reinem Wolfram bestehende Vorderende der Anodenelektrode 84 ist trapezförmig ausgebildet, während das Vorderende der Kathodenelektrode 86 konisch geformt und mit einer Wendel 88 aus reinem Wolfram versehen ist. Längs der Erstreckungs linie der Wendel 88 ist ein Emitter aus ThO₂ geformt. Bei der Entladungslampe gemäß Fig. 3 beträgt der Abstand l zwischen Anoden- und Kathodenelektrode 84 bzw. 86 2,5 mm, um eine kurze Lichtbogenentladung zwischen den beiden Elektroden herbeizuführen. Der größte Durchmesser D des eiförmigen Mittelteils 74 des Kolbens 72 beträgt 1,4 cm.

Die Nenn-Lampeneingangsleistung dieser Entladungslampe 70 beträgt 500 W. Im Kolben 72 ist gasförmiges Argon bzw. Argongas eingeschlossen, um den Kolben 72 bei Normal temperatur auf einem Druck von 0,5 bar zu halten. Der Kolben 72 enthält außerdem Quecksilber in einer Menge, daß die Lampenspannung 36 V beträgt. Weiterhin ist in den Kolben 72 auch Argongas eingeschlossen, um ein Verstreuen bzw. Verspritzen des Elektrodenmaterials durch die Ent ladung im Kolben 72 zu verhindern.

Beim Einschalten der Kurzbogen-Entladungslampe 70 werden Quecksilberdampf und Argongas im Kolben 72 miteinander vermischt. Der Quecksilberdampfdruck beträgt 30 bar, wäh rend der Argongasdruck 4 bar beträgt; der Gesamtdruck in der Entladungslampe 70 beträgt 34 bar. Wenn eine Spannung an Anoden- und Kathodenelektrode 84 bzw. 86 angelegt wird, wird die Entladung eines kurzen Lichtbogens zwischen diesen Elektroden 84 und 86 eingeleitet. Diese Kurzbogen- Entladung zeigt die im folgenden angegebenen Charakteristika. Die Lampenspannung unmittelbar nach der Entladung ent spricht V _SL = 12 [V]. In diesem Entladungszustand kann angenommen werden, daß der Spannungsabfall Vdrop aufgrund des Elektrodenverlusts 12 [V] beträgt, während der Einfluß des Argongases auf die Lampenspannung gleich Null ist. Unmittelbar nach der Entladung (nach Entladungsbeginn) entspricht daher die Lampenspannung V _SL = Vdrop = 12 [V].

Ebenso wie die zuerst beschriebene Ausführungsform wird die Kurzbogen-Entladungslampe 70 gemäß Fig. 3 bei einer Belichtungsvorrichtung für den vorher angegebenen Zweck eingesetzt.

Es wurde ein Test bzw. Versuch durchgeführt, um die Licht emission der Kurzbogen-Entladungslampe 70 mit hoher Lei stung bzw. hohem Wirkungsgrad zu bestimmen. Unter Ände rung bestimmter Bedingungen wurde der Entladungszustand der G-Linie bzw. des G-Bands (436 nm) auf der Oberfläche des Halbleiter-Plättchens beobachtet. Die bei diesem Ver such gewonnenen Ergebnisse sind in Tabelle III angegeben. Dabei bezeichnen V _SL die Lampenspannung unmittelbar nach dem Einschalten der Lampe, V _L die Lampenspannung zu dem Zeitpunkt, zu dem die Entladung stabil wird, l den Ab stand zwischen den Elektroden, W _L die Lampenleistung oder -energie zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Entladung stabilisiert hat, und D den größten Innendurchmesser des eiförmigen Mittelteils des Kolbens. Beispiel Nr. 15 nach Tabelle III steht für eine herkömmliche Konstruktion und deren Lampen-Beleuchtungsstärke; die Gesamtleistung bzw. der Gesamtwirkungsgrad, die entsprechende Bewertung und dgl. sind ebenfalls in Tabelle III angegeben.

Für das dem Stand der Technik entsprechende Beispiel Nr. 15 gelten folgende Bedingungen: Lampenspannung V _SL 12 V zum Zeitpunkt des Entladungsbeginns der Lampe, Lam penspannung V _L = 50 V zu dem Zeitpunkt, zu dem die Entla dung stabil wird, Abstand l zwischen den Elektroden 3,6 mm, Lampenleistung W _L = 0,5 kW zu dem Zeitpunkt, zu dem die Entladung stabil wird, und größter Innendurchmesser D des Kolbens = 2,4 cm. Bei diesem Vergleichsbeispiel Nr. 15 betragen die Lampen-Beleuchtungsstärke (lamp illuminance) 100%, die Fokussierleistung 16,7%, die Ge samtleistung (oder Gesamtwirkungsgrad) 100% und der Druck im Kolben 36 bar. Im Vergleich zur Entladungslampe ent sprechend dem Vergleichsbeispiel Nr. 15 besitzt die Kurz bogen-Entladungslampe Nr. 11 eine niedrigere Lampenspan nung V _L von 27 V zum Zeitpunkt der Stabilisierung der Entladung, einen kürzeren Abstand l zwischen den Elek troden von 3,1 mm und einen kleineren maximalen Innen durchmesser D von 1,0 cm. Bei der Entladungslampe Nr. 11 betragen die Lampen-Beleuchtungsstärke 68%, die Fokussier leistung 24%, die Gesamtleistung (Gesamtwirkungsgrad) 98% und der Druck im Kolben 25 bar. Die Entladungslampe Nr. 11 besitzt somit eine niedrigere Leistung (niedrigeren Wirkungs grad ) als die Entladungslampe Nr. 15, und sie liegt da mit außerhalb des Erfindungsrahmens. Die Kurzbogen-Ent ladungslampe Nr. 12 unterscheidet sich von der Lampe Nr. 11 dadurch, daß der Abstand l zwischen den Elektroden auf 3,0 mm eingestellt ist. Infolgedessen erreichen die Lampenleistung 71% und die Fokussierleistung 23,8%. Die Gesamtleistung (Gesamtwirkungsgrad der Lampe Nr. 12 ver bessert sich damit auf 101%. Die Lampe Nr. 12 besitzt mithin eine höhere Leistung ( Wirkungsgrad ) als die her kömmliche Lampe Nr. 15. Die Kurzbogen-Entladungslampe Nr. 13 unterscheidet sich von der Lampe Nr. 12 dadurch, daß die Lampenspannung V _L zum Zeitpunkt der Entladung stabilisierung höher ist bzw. 41 V beträgt und der größte Innendurchmesser D des Kolbens auf 1,6 cm vergrößert ist. Infolgedessen zeigt die Lampe Nr. 13 eine höhere Leistung als die Lampe Nr. 15, d.h. die Lampenleistung der Lampe Nr. 13 beträgt 85%, während ihre Fokussierleistung 23,3% und ihre Gesamtleistung 118% betragen. Die Kurzbogen-Ent ladungslampe Nr. 14 unterscheidet sich von der Lampe Nr. 13 dadurch, daß die Lampenspannung V _L zum Zeitpunkt der Entladungstabilisierung auf 36 V eingestellt ist und der größte Innendurchmesser D des Kolbens 1,4 cm beträgt. Für die Lampe Nr. 14 gelten: Lampen-Beleuchtungsstärke 76%, Fokussierleistung 25% und Gesamtleistung 114%. Die Lampe Nr. 14 besitzt somit eine höhere Leistung als die Lampe Nr. 15. Die Kurzbogen-Entladungslampe Nr. 16 unter scheidet sich von der Lampe Nr. 14 dadurch, daß die Lampen spannung V _L zum Zeitpunkt der Entladungstabilisierung auf 50 Veingestellt ist und der maximale Innendurchmesser D des Kolbens 2,4 cm beträgt. Für die Lampe Nr. 16 gelten daher: Lampenleistung 100%, Fokussierleistung 19% und Ge samtleistung 114%. Das Problem bei dieser Lampe Nr. 16 besteht darin, daß der Druck im Kolben beim Einschalten dieser Lampe auf 42 bar ansteigt. Dies bedeutet, daß der Druck im Kolben um 8 bar (oder 24%) höher ist als bei der herkömmlichen Lampe. Infolgedessen muß der Kolben selbst eine höhere Festigkeit aufweisen. Die Lampe Nr. 16 ist daher für den praktischen Einsatz nicht geeignet. Die Kurzbogen-Entladungslampe Nr. 17 unterscheidet sich von der Lampe Nr. 16 dadurch, daß ihre Lampenspannung V _L zum Zeitpunkt der Entladungstabilisierung auf 36V gesetzt ist. Für die Lampe Nr. 17 gelten daher: Lampenleistung 76%, Fokussierleistung 19% und Gesamtleistung 86%. Die Lampe Nr. 17 zeigt damit eine geringere Leistung als die Lampe Nr. 15.

Die erfindungsgemäßen Entladungslampen Nr. 12 bis 14 sind mit einem kürzeren Abstand zwischen den Elektroden ausge bildet, so daß sie im Vergleich zur herkömmlichen Lampe Nr. 15 wie Punktlichtquellen wirken. Die Lampenspannungen der Entladungslampen Nr. 12 bis 14 sind zum Zeitpunkt der Entladungstabilisierung niedrig. Mit anderen Worten: die Einschlußmenge an Quecksilber ist klein, und das Potential kippen bzw. -absenken (V _L-V_SL)l ist klein. Der Lampendruck beim Einschalten der Lampe entspricht daher im wesentlichen dem Druck bei der herkömmlichen Lampe. Außerdem sind die Lampen-Beleuchtungsstärken der Entla dungslampen 12 bis 14 um 15 - 29% niedriger als bei der herkömmlichen Lampe. Andererseits ist aber der Wert D/W _L kleiner (eingestellt) als bei der herkömmlichen Lampe, so daß der Lichtbogendurchmesser kleiner sein kann. Als Ergebnis ist der Abstand zwischen den Elektroden kleiner, und die Ausbreitung des Lichtbogens ist ebenfalls kleiner, so daß der Lichtbogen wie eine Punktlichtquelle erscheinen kann. Diese Entladungslampen können daher mit höherer Genauigkeit im Brennpunkt des Reflektors der Belichtungs vorrichtung angeordnet werden, so daß hierdurch ihre Fokussierleistung verbessert werden kann. Im Vergleich zur herkömmlichen Lampe ist bei den erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampen die Gesamtleistung (der Gesamt wirkungsgrad) in der Größenordnung von 1-18% verbessert.

Bei der herkömmlichen Entladungslampe muß bei einer größeren Eingangsleistung der Kolbendurchmesser vergrößert sein. Beispielsweise beträgt D/W _L (cm/kW) üblicherweise 4-6; im Fall einer hohen Ausgangsleistung wird jedoch D/W _L in manchen Fällen größer als 4-6. Dies ist deshalb der Fall, weil der Druck im Kolben so groß eingestellt ist, daß er sich der maximalen Druckfestigkeit des Kolbens annähert, wobei der Kolben zur Erhöhung seiner Druckfestig keit, und um die Kolbenwandbelastung (W _L/Innenoberfläche des Kolbens) über einen ausreichend großen Wert hinaus zu vergrößern, im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist.

Erfindungsgemäß kann dagegen die Gesamtleistung der Entla dungslampe auch dann erhöht oder verbessert sein, wenn der Innendruck des Kolbens beim Einschalten der Lampe nicht so hoch ist. Der Kolben braucht daher nicht kugel förmig bzw. sphärisch geformt zu sein. Genauer gesagt: auch wenn der Kolben als etwas längere Spindel ausgebil det und damit seine Druckfestigkeit etwas herabgesetzt ist, wird dennoch der Vorteil der Verhinderung einer Lichtbogenausbreitung (spread of arc ) und der Ausbildung eines kleinen Lichtbogendurchmessers erreicht. Demzufolge können alle Leistungsfähigkeiten, auch die der Belichtungs vorrichtung, höher sein.

Im folgenden sind die Charakteristika der Kurzbogen-Ent ladungslampe näher erläutert.

Der Innendruck P des Kolbens beim Einschalten der Lampe hängt gewöhnlich vom Spalt oder Abstand l zwischen den Elektroden, der Einschlußmenge an Quecksilber, dem Druck des eingeschlossenen Edelgases und der Temperatur des Gases während der Entladung der Lampe ab. Wenn die Ein schlußmenge an Quecksilber und Gas vergrößert ist, erhöht sich die Lampenspannung V _L. Die Lampenspannung läßt sich durch die Summe aus dem Elektrodenverlust Vdrop und der zwischen den Elektroden zur Lichtbogenerzeugung anliegen den Spannung Varc ausdrücken:

V _L = Vdrop + Varc (1)

Die durch die Entladungslampe erzeugte Lichtmenge Φ ist der Lichtbogenspannung Varc proportional. Daher gilt:

Φ∝ Varc ^a (2)

Zur Vergrößerung der Lichtmenge der Entladungslampe wird daher die Lichtbogenspannung erhöht.

Die Lichtbogenspannung Varc ist der Einschlußmenge an Quecksilber und dem Druck des eingeschlossenen Edelgases proportional. Bei der Kurzbogen-Entladungslampe wird Argon- oder Xenongas als Edelgas verwendet. Dieses Edel gas dient hauptsächlich zur Verringerung der Startspan nung aufgrund des Penning′schen Effekts und zur Begrenzung einer Verstreuung oder eines Verspritzens des Elektroden materials beim Starten der Lampe. Der Druck Pgas des ein geschlossenen Edelgases ist auf weniger als 1 bar einge stellt.

Bei der Xenongas und Quecksilber verwendeten Kurzbogen- Entladungslampe dient das Xenongas zur Verhinderung eines Verspritzens (scattered) des Elektrodenmaterials; beim Einschalten der Lampe wird auch die Beleuchtungsstärke von Xenon genutzt. Der Druck Pgas des eingeschlossenen Xenongases wird daher über 1 bar, vorzugsweise im Bereich von 5-6 bar gehalten. Beim Einschalten der Entladungs lampe steigt der Druck um das 4- oder 5-fache an.

Im Vergleich zum eingeschlossenen Quecksilber hat das Edelgas einen geringeren Einfluß auf die Lampenspannung, und unmittelbar nach Entladungsbeginn gilt:

V _SL = Vdrop + Vgas (3)

Auch wenn der Druck des Edelgases in der Entladungslampe bei Normaltemperatur mindestens 1 bar beträgt, liegt der Druck Vgas bei mehreren oder verschiedenen Spannungs werten z.B. im Bereich von 5-6 bar. Während der Entla dung der Lampe steigt der Druck des Edelgases um das 4- bis 5fache an.

Die Lichtbogenspannung Varc läßt sich durch die Summe aus Vgas, welche Größe sich in Abhängigkeit vom Druck des ein geschlossenen Gases ändert, und VHg, welche Größe sich in Abhängigkeit von der Einschlußmenge an Quecksilber ändert, ausdrücken, nämlich:

Varc = Vgas + VHg (4)

Im Fall der Kurzbogen-Entladungslampe gilt daher:

Varc = VHg (5)

Für den Fall der Bezeichnung der Quecksilber-Einschluß menge mit M (mg), des Abstands zwischen den Elektroden mit l (mm) und des Volumens des Kolbens mit A (cm³) liegt bekanntlich VHg in folgender Beziehung vor:

M ∝ · A ^d/l ^c (6)

Die obige Formel (6) läßt sich daher umschreiben zu:

VHg ∝ · l⁵/A ^g (7)

Der Druck P im Kolben ändert sich in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Temperatur des im Kolben ent haltenen Gases beim Einschalten der Lampe, und unter der Voraussetzung, daß die Temperatur bestimmt oder bekannt ist, gilt:

P ∝ Pgas (8)
P ∝ M (9)

Der im Kolben herrschende Druck P erhöht sich mit höherem Druck Pgas des Edelgases und einer größeren Quecksilbermenge. Wenn die Lampenspannung V _L bestimmt oder sicher und der Abstand l zwischen den Elektroden klein ist, ist es - wie aus Formel (6) und auch Formeln (2) und (6) hervorgeht - nötig, die Quecksilbermenge zu vergrößern, und zwar zum Zwecke der Erhöhung der Lichtbogenspannung Varc zur Vergrößerung der Licht menge Φ.

Zur Erhöhung der Lichtbogenspannung Varc bei gleicher Lampenleistung W _L kann die Lampenspannung V _L hoch eingestellt werden. Wie jedoch aus Formel (7) hervor geht, ist dabei die Menge M an Quecksilber vergrößert, so daß der im Kolben herrschende Druck P beim Ein schalten der Lampe hoch wird. Wenn der Druck P beim Einschalten der Lampe ansteigt, verringert sich die Druckfestigkeit des Kolbens immer mehr, so daß sich die Wahrscheinlichkeit dafür erhöht, daß die Lampe bei der Lichtbogenentladung bricht.

Bei einem großen Abstand oder Zwischenraum l zwischen den Elektroden kann vorausgesetzt werden, daß die Lichtausgangsleistung oder -ausbeute ohne Erhöhung des Drucks P vergrößert werden kann, indem die Licht bogenspannung Varc während der Entladung der Lampe erhöht wird; dabei wird aber die Eigenschaft der Lampe für die Lichtbogenentladung in Form einer Punkt lichtquelle mangelhaft. Infolgedessen verringert sich die bei einem Einsatz im optischen System erreichte Fokussierleistung zusammen mit der Gesamtleistung der Lampe.

Weiterhin kann eine Erhöhung des Quecksilberdrucks den folgenden Nachteil einführen: Mit einer Erhöhung des Quecksilberdrucks erhöht sich die Lichtausgangs leistung bzw. -ausbeute. Dies führt zu dem Nachteil einer Ausbreitung des Lichtbogens, und die Ausgangs leistung am kontinuierlichen Band des Spektrums wird vergrößert, während die an sich wesentliche Ausgangs leistung im UV-Band oder -Bereich nicht nowendiger weise proportional erhöht wird. Mit anderen Worten: die Erhöhung der Lichtausbeute wird durch eine Ver größerung der Ausgangsleistung oder Ausbeute im un nötigen Band bzw. Bereich erreicht, und dies bedeutet daher, daß die Leistungsfähigkeiten nicht tatsächlich verbessert sind.

Erfindungsgemäß wird daher die Ausbreitung (spreading) des Lichtbogens begrenzt, indem der Durchmesser des Lichtbogens klein gehalten wird, so daß alle Lei stungsparameter, auch die des optischen Systems der Lampe, verbessert werden können.

Wie erwähnt, gibt der Ausdruck (V _L-V _SL)/l das Po tentialkippen (potential tilt) an. Diese Größe wird durch Heranziehung des Abstands l zwischen den Elektroden als Nenner erhalten. Diese Größe bestimmt daher, ob der Lichtbogen punktlichtquellenartig er zeugt werden kann oder nicht. Wie sich aus den Formeln bzw. Gleichungen (6), (7) und (8) ergibt, ändert sich diese Größe in Abhängigkeit vom Druck des Quecksilber dampfes; anhand der Versuchsergebnisse kann folglich angenommen werden, daß diese Größe bzw. dieser Wert in einem Bereich von 5-10 (V/mm) liegt bzw. liegen sollte.

Wenn beispielsweise im Fall der Lampe Nr. 11 (V _L-V _SL)/l kleiner ist als 5, ist der Abstand l zwischen den Elektroden zu groß, oder die Lampenspan nung V _L ist zum Zeitpunkt der Entladungstabilisierung zu niedrig. Die Lichtbogenentladung in der Kurzbogen- Entladungslampe findet daher nicht nach Art einer Punktlichtquelle statt, oder aber die Beleuchtungs stärke der Lampe wird außerordentlich niedrig. In diesem Fall ist die Gesamtleistungsfähigkeit so herab gesetzt, daß das Ziel der Erfindung nicht erreicht wird.

Beispielsweise im Fall der Lampe Nr. 16, bei welcher (V _L-V _SL)/l größer ist als 10, steigt der im Kolben herrschende Druck beim Einschalten der Entladungs lampe an. Die Zuverlässigkeit des Entladungskolbens bzw. der Entladungslampe bezüglich des Drucks ist da mit herabgesetzt. Infolgedessen eignet sich die Lampe Nr. 16 nicht für die Realisierung des Erfindungsziels.

Im Fall der Lampen Nr. 12 bis 14, bei denen (V _L-V _SL)/l im Bereich von 5 - 10 liegt, kann beispielsweise eine Kurzbogen-Entladungslampe, welche das Erfindungsziel zu gewährleisten vermag, erhalten werden, wenn D/W _L (cm/kW) auf 1,8-3,5 gesetzt ist. Wenn hierbei D/W _L kleiner ist als 1,8, wird die Oberflächentemperatur des Kolbens zu hoch, so daß sich die Druckfestigkeit bzw. Druckbeständigkeit des Kolbens verringert. Wenn D/W _L größer ist als 3,5, ist die Gesamtleistungs fähigkeit der Entladungslampe herabgesetzt.

Die Lampenleistung oder -energie W _L pro Längeneinheit wird bzw. ist so eingestellt, daß die oben angegebenen Bedingungen für (V _L-V _SL)/l und D/W _L erfüllt sind. In diesem Fall wird oder ist W _L/l vorzugsweise auf mehr als 0,17 eingestellt, um die Gesamtleistungs fähigkeit der Entladungslampe zu verbessern.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Kurzbogen-Entla dungslampe (Fig. 3) steigt der im Kolben herrschende Druck beim Einschalten der Entladungslampe nicht an, während die Gesamtleistungsfähigkeit oder -leistung verbessert ist. Die Beleuchtungsstärke (illuminance) der Entladungslampe ist herabgesetzt, doch ist dabei ihre Eigenschaft als Punktlichtquelle verbessert. Mit diesem Ausführungsbeispiel wird somit das Erfin dungsziel erreicht.

Obgleich für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 eine Nenn-Eingangsleistung von 500 W angegeben wurde, kann die Nenn-Eingangsleistung auch höher sein als 500 W. Mit zunehmender Nenn-Eingangsleistung verringert sich aber zunehmend die Druckbeständigkeit des Kolbens. Der Vorteil der Bereitstellung einer Entladungslampe mit einem kurzen Abstand zwischen den Elektroden kann damit erfindungsgemäß im größtmöglichen Ausmaß ge nutzt werden.

Im folgenden ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe beschrie ben. Fig. 4 veranschaulicht eine Beleuchtungsschal tung unter Verwendung der Kurzbogen-Entladungslampe. Die Beleuchtungsschaltung 100 umfaßt eine Kurzbogen- Entladungslampe 102 und zwei an diese angeschlossene Stromversorgungskreise 104 und 106. Die Kurzbogen- Entladungslampe 102 entspricht der Lampe gemäß den vorher beschriebenen Ausführungsformen. Sie enthält Kathoden- und Anodenelektroden 108 bzw. 110. Der Strom versorgungskreis 104 umfaßt einen Gleichstromkreis 112 für die Zuspeisung von Strom und einen Fußpunkt- oder Basisstromversorgungskreis 114 für die Zuspeisung eines bestimmten Gleichstroms, der aus dem vom Gleich stromkreis 112 gelieferten Strom abgenommen oder herausgegriffen wird. Mit dem Basisstromversorgungs kreis 114 ist ein Zeitgeber 116 zum periodischen Ändern des Fußpunkt- oder Basisstroms I _B verbunden. Der Stromversorgungskreis 106 umfaßt einen Gleichstrom kreis 118 zum Zuspeisen eines Gleichstroms und einen Impulsstromversorgungskreis 120 zum Erzeugen eines Impulsstroms bzw. pulsierenden Stroms aus dem vom Kreis 118 gelieferten Strom. Mit dem Kreis 120 ist ein Zeitgeber 122 zur Steuerung des Zeittakts der Er zeugung des Impulsstroms I _P verbunden.

Der Stromversorgungskreis 104 dient zur Zuspeisung eines bestimmten Fußpunkt- oder Basisstroms I _P zur Entladungslampe 102 (vgl. Fig. 5). Der Stromversor gungskreis 106 dient zur Lieferung des Impulsstroms I _P, der eine Impulsbreite tp einer Periode T, in welcher kein Impuls erzeugt wird, aufweist (vgl. Fig. 6). Die Summe aus den von den beiden Kreisen 104 und 106 gelieferten Strömen wird somit der Ent ladungslampe 102 zugespeist (vgl. Fig. 7).

Der der Entladungslampe 102 zugespeiste Strom ist oder wird wie folgt vorgegeben:

0,03 ≦ tp ≦ 3 (ms)
0,1 ≦ T ≦ 10 (ms)
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6 .

Der im folgenden einfach als Basisstrom bezeichnete Fußpunkt- oder Basisstrom (base current) wird zuge speist, um die Lichtbogenentladung der Entladungs lampe aufrechtzuerhalten. Metalle, wie das einge schlossene Quecksilber, bleiben dabei unkondensiert. Die Lichtbogenerzeugung erfolgt ständig, wobei nur dann, wenn eine starke Entladung gefordert ist, die Lampe mit dem Impulsstrom gespeist wird, um einen stärkeren Lichtbogen zu erzeugen.

Mit dieser Schaltung erzielte Versuchsergebnisse sind in den Tabellen IV und V zusammengefaßt. Diese Tabellen zeigen außerdem die Versuchsergebnisse, die mit einer Gleichspannungs-Entladungslampe erzielt wurden und für Vergleichszwecke herangezogen werden. Als Kurzbogen-Entladungslampe nach Tabelle IV wird eine Xenonlampe von etwa 1 kW benutzt. Die Entladungs lampe gemäß Tabelle V ist eine Superhochdruck-Queck silberlampe. Die Beleuchtungsstärkenleistung pro Energieeinheit bei der Gleichspannungs-Entladungs lampe ist mit der Größe von 100 vorausgesetzt; die Leistungen der anderen Ausführungsbeispiele sind als auf diese Größe von 100 bezogene Werte in Tabelle IV angegeben. Weiterhin ist die relative Beleuchtungs stärke der Gleichspannungs-Entladungslampe mit 100 angegeben, während die Beleuchtungsstärkenwerte der anderen Ausführungsbeispiele jeweils auf diese Größe von 100 bezogen sind. Wie aus Tabelle IV hervorgeht, besitzt die Entladungslampe, bei welcher die Entla dung unter Einhaltung einer Impulsbreite tp im Be reich von 0,03-3 (ms) stattfindet, eine größere Leistungsfähigkeit als die Gleichspannungs-Entladungs lampe. Wenn T-tp kurz bzw. klein wird, findet die Lichtbogenentladung kontinuierlich statt; wenn diese Größe lang oder groß wird, wird das Intervall zwischen den Impulsströmen groß. Die beste Leistung wird daher mit einer Größe von T-tp in einem Bereich von 0,1-10 ms erzielt. Der Grund hierfür ist folgender: Durch die Zuspeisung eines Spitzenstroms erzeugte Restionen hören während einer solchen Periode zu be stehen auf, in welcher kein Impulsstrom, sondern nur der Basisstrom der Lampe zugespeist wird, worauf die Lampe mit einem nächsten Spitzenstrom gespeist wird. Infolgedessen kann sich keine Entladungsstrecke bil den, die in Breitenrichtung des Lichtbogens (bzw. in einer Richtung senkrecht zu den Elektroden) breiter oder weiter ist als die bei der Zuspeisung nur des Basisstroms erzeugte Entladungsstrecke. Infolgedessen kann das abgestrahlte Licht wirksam genutzt werden. Wenn die Größe von I _P/I _B größer ist als 6, zeigt der an die Xenonlampe angelegte Strom große Schwankung. Dabei können Anoden- und Kathodenelektrode 108 bzw. 110 eher durch Wärmeeinwirkung beschädigt werden, so daß die Xenonlampe eine extrem kurze Betriebslebens dauer besitzt. Wenn die Größe von I _P/I _B kleiner ist als 1,4, wird die Leistung oder Leistungsfähigkeit nicht verbessert. Die Größe I _P/I _B liegt daher am gün stigsten im Bereich von 1,4-6. Die in Tabelle V aufgeführten Ergebnisse wurden mit einer Superhoch druck-Quecksilberlampe als Entladungslampe gewonnen; diese Ergebnisse enthalten die Zeitspannen, welche die Quecksilberlampe zum Aushärten von Photoresists benötigt. Im Vergleich zur Gleichspannungs-Entladungs lampe kann mit der Superhochdruck-Quecksilberlampe gemäß der Erfindung diese Zeit um maximal 13% verkürzt werden. Für die Erfindung günstigste Werte gemäß den Tabellen IV und V gelten sowohl für Xenon- als auch für Superhochdruck-Quecksilberlampen.

Bei den beschriebenen Kurzbogen-Entladungslampen wer den diese ständig mit dem Basisstrom gespeist, während der pulsierende Strom oder Impulsstrom jeweils in Zeitabständen T (every time T) an die Lampen angelegt wird. Die Breite des Lichtbogens vergrößert sich da her nicht. Mit anderen Worten: die Beleuchtungsfläche der Kurzbogen-Entladungslampen kann so klein sein, daß ihre Lichtbogen als Punktlichtquelle erscheinen. Auf diese Weise kann die Lichtfokussierleistung dieser Lampen verbessert sein.

Es ist nicht nötig, daß das Intervall, in welchem der Impulsstrom erzeugt wird, - wie erwähnt - jeder zeit bestimmt oder sicher (certain) ist, vielmehr kann die Anordnung so getroffen sein, daß gemäß Fig. 8 die Impulsströme in einem Zyklus S erzeugt werden, welcher das Ruheintervall F enthält. Das Intervall bzw. der Abstand zwischen den Impulsströmen (d.h. Stromimpulsen) wird durch den Zeitgeber 122 eingestellt. In der UV- Trocknungsmaschine o.dgl. enthaltene Werkstücke, auf welche Licht aufgestrahlt wird, befinden sich im In tervall F, in welchem kein Impulsstrom bzw. kein Stromimpuls erzeugt wird, in Bewegung.

Eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen, in der Beleuchtungsschaltung verwendeten Ausführungsbei spiele ist nachstehend anhand von Fig. 9 beschrieben. Die die Kurzbogen-Entladungslampe verwendende Be leuchtungsschaltung entspricht im wesentlichen der jenigen nach Fig. 4. Sie unterscheidet sich von letzterer lediglich dadurch, daß der vom Basisstrom versorgungskreis 114 der Entladungslampe 102 zuge speiste Basisstrom geändert ist. Dieser Basisstrom umfaßt einen Hochpegelstrom I _B und einen Niedrigpegel strom I′ _B. Der Hochpegelstrom I _B wird an die Entla dungslampe 102 während einer Periode angelegt, wäh rend welcher die Impulsströme bzw. Stromimpulse der Lampe in einem gewissen Intervall oder Abstand zuge speist werden. Der Niedrigpegelstrom I′ _B wird der Lampe während einer Periode R zugespeist, die im In tervall F liegt, in welchem kein Stromimpuls der Lampe zugespeist wird. Der Niedrigpegelstrom I _B besitzt den niedrigsten Pegel oder Wert, der nötig ist, um die Lichtbogenentladung in der Entladungslampe aufrecht zuerhalten. Der Hochpegelstrom I _B entspricht dem Basisstrom beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4. Der Stromimpuls I _P einer Impulsbreite tp wird der Entla dungslampe während des Intervalls T mehrmals zuge speist. Basisstrom und Stromimpulse werden der Entla dungslampe 102 im Zyklus S zugeführt. Die Beziehung des Hochpegelstroms I _B zum Niedrigpegelstrom I′ _B ist folgende:

I′ _B/I_B ≦ 0,2 .

Das Intervall, während welchem der Basisstrom der Lampe zugespeist wird, wird durch den Zeitgeber 116 eingestellt bzw. bestimmt, während der Zeitgeber 122 das Zuspeiseintervall des Stromimpulses einstellt. Basisstrom und Stromimpulse werden der Lampe unter den im folgenden angegebenen Bedingungen zugespeist:

0,03 ≦ tp ≦ 3
0,1 ≦ T ≦ 10
1,4 ≦ I _P/I_B ≦ 6 .

Bei dieser Abwandlung der Beleuchtungsschaltung (oder auch Belichtungsschaltung) wird der Lampe ein niedrig pegeliger Basisstrom zugespeist, während die mit dem Licht von der Entladungslampe bestrahlten Werkstücke transportiert und verschoben bzw. bewegt werden. Die se Abwandlung gewährleistet damit eine größere Strom einsparung im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Außerdem kann damit der der Kurzbogen-Entla dungslampe pro Zeiteinheit zugespeiste Strom verrin gert werden, wodurch die Betriebslebensdauer der Ent ladungslampe verlängert wird. Die Zuspeisung von Basis strom und Stromimpulsen zur Kurzbogen-Entladungslampe ist mit der Periode synchronisiert, während welcher mit dem Licht bestrahlte Werkstücke transportiert und verschoben werden.

Die vorstehend beschriebenen vier Ausführungsbei spiele der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß der Er findung können (auch) miteinander kombiniert werden. Wenn beispielsweise die Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 3 miteinander kombiniert werden, enthält die so geschaffene Kurzbogen-Entladungslampe in ihrem Kolben eingeschlossenes Halogen, wobei die folgende Beziehung erzielt werden kann:

(V _L-V _SL)/l = 5 ∼ 10 (V/mm)
D/W _L = 1,8 ∼ 3,5 (cm/kW) .

Die Kurzbogen-Entladungslampe kann daher einen schlanken Lichtbogen aufweisen oder erzeugen. Dies bedeutet, daß sie Licht mit höherer Leistung bzw. höherem Wirkungsgrad emittieren kann. Die anderen Ausführungsbeispiele können auf ähnliche Weise mit einander kombiniert werden, wobei auch drei oder mehr Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.

Die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe ist nicht auf die oben angegebenen Ausgangsleistungen (outputs) beschränkt. Außerdem ist es dabei nicht nötig, das Edelgas in der Entladungslampe unter Ein stellung eines Lampeninnendrucks von unter 1 bar ein zuschließen. Vielmehr kann die Lampe mit dem Edelgas bis zum Erreichen eines Drucks von mehr als 1 bar ge füllt werden. Neben der Belichtungsvorrichtung für Halbleiter kann die erfindungsgemäße Kurzbogen-Ent ladungslampe auch für eine UV-Punktaushärteeinheit (UV spot cure) und dgl. eingesetzt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe kann der in ihr erzeugte Lichtbogen schlank bzw. schmal geformt sein und eine punktartige Beleuchtungs fläche gewährleisten. Infolgedessen können die Be leuchtungsstärkenleistung der Lampe und ihre Fokussier leistung verbessert sein. Wenn die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe bei einer Belichtungsvor richtung eingesetzt wird, die für das Drucken von elektronischen Schaltungsmustern auf Halbleiter- Plättchen vorgesehen ist, kann daher die Fokussier leistung des optischen Systems selbst in Verbindung mit der erzeugten Lichtstärke verbessert sein. Demzu folge kann die für die Belichtung der Muster auf den Halbleiter-Plättchen erforderliche Zeitspanne unter Verbesserung der Belichtungsleistung verkürzt sein.

Tabelle I

Tabelle II

Tabelle IV

Tabelle V

Claims

1. Kurzbogen-Entladungslampe, umfassend
einen aus einem glasartigen, temperaturbeständigen Werkstoff geformten Kolben (32),
eine in das eine Ende des Kolbens eingedichtete Anode (44) ,
eine in das andere Ende des Kolbens eingedichtete Kathode (46) und
eine den Kolben füllende Charge, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge zumindest Queck silber, Edelgas und Halogen umfaßt und das Halogen in einem Molverhältnis von 3,5×10^-5 bis 3,5×10^-3 relativ zum Quecksilber vorliegt.

2. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß in den Kolben mindestens ein Metall, wie Samarium, Gadolinium, Praseodym, Lanthan, Yttrium, Rhenium, Terbium und Europium, eingeschlossen ist.

3. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Halogen Jod ist.

4. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß Halogen und Metall, wie Samarium, als Halogenide in den Kolben eingeschlossen sind.

5. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß an Anoden- und Kathodenelektroden Fußpunkt- bzw. Basisströme sowie Impulsströme (Strom impulse) I _B und I _P angelegt werden, wobei der Basis strom die Entladung der Lampe aufrechterhalten soll, während der Impulsstrom einer Impulsbreite tp der Lampe wiederholt in einem Zeitabstand T zugespeist wird, um die Lampe ihre Entladung mit hoher Helligkeit ausführen zu lassen, und wobei die folgende Beziehung gilt: 0,03 ≦ tp ≦ 3 (ms)
0,1 ≦ T ≦ 10 (ms)
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6 .

6. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß Basis- und Impulsströme den Anoden- und Kathodenelektroden zugespeist werden, der Basis strom zu einem Strom I′ _B des niedrigsten, für die Auf rechterhaltung der Entladung nötigen Pegels und einen Strom I _B eines höheren Pegels als der niedrigpegelige Strom I′ _B umgewandelt werden und der letztere Strom zugespeist wird, während der Impulsstrom I _P zugespeist wird, der Impulsstrom I _P wiederholt mit der Impulsbreite tp und im Zeitabstand T zugespeist wird, um die Lampe zur Entladung mit hoher Helligkeit zu befähigen, und dabei die folgende Beziehung gilt: 0,03 ≦ tp ≦ 3 (ms)
0,1 ≦ T ≦ 10 (ms)
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6
I′ _B/I _B ≧ 0,2 .

7. Kurzbogen-Entladungslampe, umfassend
einen aus einem glasartigen, hochtemperaturbeständigen Werkstoff geformten Kolben (72),
eine in das eine Ende des Kolbens eingedichtete Anode (84),
eine in das andere Ende des Kolbens eingedichtete Kathode (86) und
Quecksilber und Edelgas, die in den luftdicht ge schlossenen Kolben eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Lampen spannung unmittelbar nach dem Einleiten der Lampen entladung mit V _SL(V), die Lampenspannung bei Stabili sierung der Entladung mit V _L(V), der Abstand zwischen Anoden- und Kathodenelektroden mit l (mm), der größte Innendurchmesser des eiförmigen Mittelteils des Kol bens mit D (cm) und die Lampenenergieleistung bei Stabilisierung der Entladung mit W _L (kW) bezeichnet werden, die folgenden Beziehungen gelten: (V _L-V _SL)/l = 5 ∼ 10 (V/mm) und
D/W _L = 1,8 ∼ 3,5 (cm/kW) .

8. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Basis- und Impulsströme I _B und I _P den Anoden- und Kathodenelektroden zugespeist wer den, wobei der Basisstrom I _B die Entladung der Lampe aufrechterhalten soll, während der Impulsstrom I _P der Lampe wiederholt mit einer Impulsbreite tp und in einem Zeitabstand T zugespeist wird, und dabei die folgende Beziehung gilt: 0,03 ≦ tp ≦ 3
0,1 ≦ T ≦ 10
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6 .

9. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Basis- und Impulsströme den Anoden- und Kathodenelektroden zugespeist werden, der Basisstrom zu einem Strom I′ _B des niedrigsten, für die Aufrechterhaltung der Entladung nötigen Pegels und einen Strom I _B eines höheren Pegels als der niedrigpegelige Strom I′ _B umgewandelt werden und der letztere Strom zugespeist wird, während der Impuls strom I _P den Elektroden zugespeist wird, der Impuls strom I _P wiederholt mit der Impulsbreite tp und im Zeitabstand T zugespeist wird, um die Lampe für die Entladung mit hoher Helligkeit zu befähigen, und da bei die folgende Beziehung gilt: 0,03 ≦ tp ≦ 3 (ms)
0,1 ≦ T ≦ 10
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6
I′ _B/I _B ≧ 0,2 .

10. Kurzbogen-Entladungslampe, umfassend
einen aus einem glasartigen, hochtemperaturbestän digen Werkstoff geformten Kolben (32, 72),
eine in das eine Ende des Kolbens eingedichtete Anode (44, 84),
eine in das andere Ende des Kolbens eingedichtete Kathode (46, 86) und
eine den Kolben füllende Charge, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge zumindest Quecksilber, Edelgas und Halogen umfaßt, das Halogen in einem Molverhältnis von 3,5×10^-5 bis 3,5×10^-3 relativ zum Quecksilber vorliegt, und daß dann, wenn die Lampenspannung unmittelbar nach dem Einleiten der Lampenentladung mit V _SL (V), die Lampen spannung bei Stabilisierung der Entladung mit V _L (V), der Abstand zwischen Anoden- und Kathodenelektroden mit l (mm), der größte Innendurchmesser des eiförmigen Mittelteils des Kolbens mit D (cm) und die Lampen energieleistung bei Stabilisierung der Entladung mit W _L (kW) bezeichnet werden, die folgenden Beziehungen gelten: (V _L-V _SL)/l = 5-10 (V/mm) und
D/W _L = 1,8 ∼ 3,5 (cm/kW).

11. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kolben mindestens ein Me tall, wie Samarium, Gadolinium, Praseodym, Lanthan, Yttrium, Rhenium, Terbium und Europium, eingeschlossen ist.

12. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen aus mindestens Brom, Fluor, Chlor oder Jod besteht.

13. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Basis- und Impulsströme I _B und I _P den Anoden- und Kathodenelektroden zugespeist wer den, wobei der Basisstrom I _B die Lampe zur Aufrecht erhaltung ihrer Entladung veranlassen soll, während der Impulsstrom I _P wiederholt mit einer Impulsbreite tp und einem Zeitabstand T an die Lampe angelegt wird, und die folgende Beziehung gilt: 0,03 ≦ tp ≦ 3 (ms)
0,1 ≦ T ≦ 10 (ms)
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6 .

14. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Basis- und Impulsströme den Anoden- und Kathodenelektroden zugespeist werden, der Basisstrom zu einem Strom I′ _B des niedrigsten, für die Aufrechterhaltung der Entladung nötigen Pegels und einen Strom I _B eines höheren Pegels als der niedrigpegelige Strom I′ _B umgewandelt werden und der letztere Strom zugespeist wird, während der Impuls strom I _P zugespeist wird, der Impulsstrom I _P wieder holt mit der Impulsbreite tp und dem Zeitabstand T zugespeist wird, um die Lampe zur Entladung mit hoher Helligkeit zu befähigen, und dabei die folgende Be ziehung gilt: 0,03 ≦ tp ≦ 3 (ms)
0,1 ≦ T ≦ 10 (ms)
1,4 ≦ I _P/I _B ≦ 6
I′ _B/I _B ≧ 0,2 .

15. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Metalle, wie Halogen und Samarium, als Halogenide in den Kolben eingeschlossen sind.