DE69910477T2

DE69910477T2 - Kurzbogen-Quecksilberdampflampe und UV Emissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE69910477T2
Application number: DE69910477T
Authority: DE
Inventors: Yukio Himeji-shi Yasuda; Motohiro Himjei-shi Sakai; Yoshinori Himeji-shi Aiura
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: JP3065581B2; EP0945895B1; US6373189B1; KR19990078116A; KR100466763B1; TW405145B; EP0945895A1; JPH11273619A; DE69910477D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp mit einer hohen Effizienz der Fokussierung und einer guten Stabilität der Lichtintensität, welche für eine Halbleiterbelichtungsvorrichtung verwendet wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Die EP 0910111 A2 , welche erst nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, beschreibt eine Miniatur-Projektionslampe, die eine mit Quecksilber, Metallhalogeniden und Edelgas gefüllte Leuchtröhre umfasst. Das bevorzugte Edelgas ist Argon, welches bei einem Druck von 50,7 bis 202,7 kPa (0,5 bis 2,0 atm) bei Raumtemperatur enthalten ist. Die Lampe ist als eine Lampe mit geringer Leistungsaufnahme ausgelegt und wird in einem Bereich von 50 Watt betrieben. In der Leuchtröhre, welche eine innere Länge von 8 bis 12 mm in der axialen Richtung hat, sind eine Kathode und eine Anode mit einem gegenseitigen Abstand von 0,8 bis 1,5 mm angeordnet.
Bei dem Belichtungsvorgang bei der Herstellung von Halbleitern wird in letzter Zeit eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp verwendet, welche UV-Strahlung mit einer Hauptwellenlänge von 365 nm (nachfolgend "i-Linie" genannt) ausstrahlt. Da sich der Integrationsgrad einer integrierten Halbleiterschaltung jedes Jahr erhöht, besteht ein immer größerer Bedarf an höherer Bildauflösung bei der Belichtung. Ferner besteht wegen der Vergrößerung der Belichtungsfläche infolge der Vergrößerung der Waferblende oder wegen der modifizierten Beleuchtung, welche für das Erzielen einer hohen Bildauflösung benutzt wird, ein Bedarf an einer Vergrößerung der UV-Strahlungsmenge, welche von der Lichtquelle emittiert wird (welche nachfolgend nur "Strahlungsmenge" genannt wird).
Ferner besteht auch ein Bedarf an einer Erhöhung des Durchsatzes wie durch die Produktionsmenge pro Zeiteinheit angegeben. Bei Verwendung der Lampe als eine Lichtquelle besteht deshalb ein Bedarf an einer hohen Effizienz der Strahlung, während gleichzeitig bei Verwendung der Lampe als eine Emissionsvorrichtung, ein Bedarf an einer hohen Effizienz der Fokussierung besteht.
Um eine intensive i-Linien-Strahlung zu erhalten, wird herkömmlicherweise ein Verfahren verwendet, bei welchem die der Lampe zugeführte Eingangsleistung erhöht wird. Wenn die der Lampe zugeführte Eingangsleistung erhöht wird, erhöht sich jedoch auch die Wärmebelastung der Elektroden, wodurch das Elektrodenmaterial heftiger verdampft und die Schwärzung der Leuchtröhre beschleunigt wird. Ferner erfordert die Leuchtröhre durch die Erhöhung der Eingangsleistung eine größere Außenabmessung, da auch eine größere Luftgebläsevorrichtung zum Abführen der von der Lampe erzeugten Wärme benötigt wird. Deshalb ist ein Verfahren, bei welchem die der Lampe zugeführte Eingangsleistung erhöht wird, um eine intensivere i-Linien-Strahlung zu erhalten, nicht erwünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher eine erste Aufgabe zugrunde, eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp anzugeben, bei welcher eine Leuchtröhre für eine längere Zeit unverschmutzt gehalten und eine intensive i-Linien-Strahlung erhalten werden kann.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine UV-Emissionsvorrichtung anzugeben, welche die oben angeführte Aufgabe wirkungsvoll erfüllt.
In einem ersten Aspekt der Erfindung, werden diese Aufgaben mittels einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp gemäß Ansprüchen 1 bis 7 für NL und gemäß Ansprüchen 1 bis 7 für DE und GB gelöst.
Die Aufgaben der Erfindung werden außerdem durch eine UV-Emissionsvorrichtung gelöst, welche umfasst:

– eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, wie vorstehend beschrieben, und
– eine Stromquelle, welche dieser Quecksilberlampe einen vorgegebenen Strom zuführt.

Bei einer UV-Emissionsvorrichtung werden die Aufgaben vorteilhafterweise ferner durch die Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp gelöst, welche vertikal so angeordnet ist, dass sich die Anode oben und die Kathode unten befindet.
Die erfindungsgemäße Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Argon (Ar) oder Krypton (Kr) oder ein Gemisch dieser Gase unter Druck als das Puffergas hinzugefügt wird. Man konnte durch Versuche bestätigen, dass die vorstehend beschriebene Maßnahme verhindert, dass sich die Spektralbreite der i-Linie verbreitert. Deshalb war es möglich festzustellen, dass sich die Bestrahlungsdichte der Belichtungsfläche dementsprechend erhöht. Der Grund dafür ist, dass sich die Effizienz der Strahlung um 10 bis 20% erhöht, verglichen mit einem Hinzufügen von Xenon-Gas (Xe) bei ca. 101,3 kPa (1 atm) (dieses erhöhte Effizienzmaß entspricht einer Zunahme von 20 bis 40%, wenn es in Leistung umgerechnet wird).
Ferner ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass unter der Bedingung, dass wenigstens Argon (Ar) oder Krypton (Kr) oder ein Gasgemisch hiervon unter Druck als das Puffergas mit einem vorgegebenen Druck hinzugefügt wird, das Verhältnis zwischen den verschiedenen Abmessungen der Leuchtröhre (nachfolgend auch "Kolben" genannt) so festgelegt ist, dass jede der Abmessungen des Kolbens von den anderen Abmessungen des Kolbens abhängig ist. Der Begriff "Abmessungen des Kolbens" ist speziell definiert als die Werte der Länge des Kolbens in der axialen Richtung, der Länge der Kathode, welche in der axialen Richtung in den Emissionsraum hineinragt, sowie des maximalen Außendurchmesser des Kolbens in der radialen Richtung, wobei die axiale Richtung als die Richtung zwischen der Anode und der Kathode definiert ist, und wobei die radiale Richtung als die Richtung des Querschnittes definiert ist, welcher senkrecht zur axialen Richtung ist.
Der Grund für die Festlegung des Verhältnisses zwischen den verschiedenen Abmessungen des Kolbens, so dass jede der Abmessungen des Kolbens von den anderen Abmessungen des Kolbens abhängig ist, liegt darin, dass das hinzugefügte Puffergas erheblich das thermische Verhalten innerhalb des Kolbens bestimmt und deshalb starke Einflüsse auf das thermische Verhalten und die Lichtbogen-Charakteristik innerhalb des Kolbens ausübt, wenn das molare Verhältnis des hinzugefügten Puffergases zu dem gleichzeitig hinzugefügten Quecksilber groß ist.
Der Grund für die oben beschriebenen Abhängigkeiten zwischen den Abmessungen des Kolbens ist zwar nicht ganz klar, liegt jedoch vermutlich in folgendem:
Man kann sich vorstellen, dass der Grund für die beschriebenen Abhängigkeiten in den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten des Ar-Gases, des Kr-Gases und des Xe-Gases liegt. Wenn diese Wärmeleitfähigkeit hoch ist, erhöht sich die Übertragungsrate der Wärmeenergie. Die Temperatur in der Lichtbogenmitte wird leicht bis in die Nähe der Innenoberfläche des Kolbens übertragen, während umgekehrt die Temperatur der Umgebung der Innenoberfläche des Kolbens leicht bis zur Lichtbogenmitte übertragen wird. In diesem Fall sind die Wärmeleitfähigkeiten des Ar-Gases, des Kr-Gases und des Xe-Gases (10^–4 W/cm/K) in der Reihenfolge (Ar: 1,63) > (Kr: 0,88) > (Xe: 0,50). Die Quecksilberlampe, in welche Ar-Gas oder Kr-Gas hinzugefügt wird, wird durch eine Luftkühlung der Außenoberfläche des Kolbens und ähnliche Bedingungen leichter beeinflusst als eine mit Xe-Gas gefüllte Quecksilberlampe. Dies führt zu einem Temperaturabfall in der Umgebung der Innenoberfläche des Kolbens sowie zu einem Temperaturabfall in der Lichtbogenmitte.
Die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten üben nicht nur auf den Temperaturabfall in der Lichtbogenmitte, sondern auch auf die Gaskonvektion innerhalb des Emissionsraums große Einflüsse aus. Die Stabilität des Lichtbogens hängt dadurch von dieser Gaskonvektion ab. Wenn eine unerwünschte Gaskonvektion entsteht, wird die Stabilität des Lichtbogens nachteilig beeinträchtigt, was auch zur Entstehung von Schwankungen führen kann.
Die durch den Temperaturabfall in der Lichtbogenmitte oder die unerwünschte Gaskonvektion entstehenden Schwankungen des Lichtbogens, verursachen bei einer Haltleiterbelichtungsvorrichtung Schwankungen sowie eine Ungleichmäßigkeit der Bestrahlungsdichte der Belichtungsfläche und auch eine Ungleichmäßigkeit der Belichtung sowie eine Verringerung der Bildschärfe.
Die Anmelder haben daher bei einer mit Ar-Gas oder Kr-Gas gefüllten Quecksilberlampe herausgefunden, dass eine stabile Gaskonvektion dadurch erhalten wird, dass man unter Beachtung der Lampenform das Verhältnis zwischen der Länge des Kolbens in axialer Richtung und der Länge der Kathode, welche in den Emissionsraum hineinragt, in einen vorgegebenen Bereich bringt. Die Anmelder haben ferner herausgefunden, dass mit dieser Gaskonvektion Schwankungen des Lichtbogens vorteilhaft verhindert werden und zugleich die Schwankungen des Lichtbogens infolge des Temperaturabfalls in der Lichtbogenmitte auch vorteilhaft verhindert werden.
Ferner wurde auch herausgefunden, dass Schwankungen des Lichtbogens auch dadurch vorteilhaft verhindern werden können, dass das Verhältnis zwischen der Länge des Kolbens in axialer Richtung, der Länge der Kathode, welche in den Emissionsraum hineinragt, und dem maximalen Außendurchmesser des Kolbens in radialer Richtung in einem vorgegebenen Bereich festgelegt wird.
Nachfolgend wird ein Kolben für eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp beschrieben, welcher die vorstehend beschriebene stabile Gaskonvektion erreicht.
Die Gaskonvektion in einem Kolben einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp entsteht dadurch, dass das Innengas durch die Wärmestrahlung von den Elektroden sowie durch Zusammenstöße des Innengases mit den Elektroden von den Elektroden Energie empfängt und infolgedessen ein aufsteigender Luftstrom gebildet wird. Dieser aufsteigende Luftstrom steigt entlang den Elektroden nach oben. Da die Temperatur der Innenoberfläche des Kolbens relativ geringer ist im Vergleich zu der in der Lichtbogenmitte, fällt der aufgestiegene Luftstrom entlang der Innenoberfläche des Kolbens nach unten.
Es wurde herausgefunden, dass ein stabiler Betrieb erreicht wird, bei welchem Schwankungen des Lichtbogens verhindert werden, wenn die Bedingung 0,3 ≤ X/L ≤ 0,6 erfüllt ist, wenn L die Länge des Kolbens in axialer Richtung in Millimetern und X die Länge der Kathode in Millimetern ist, welche in axialer Richtung in den Emissionsraum hineinragt, wobei die Richtung zwischen der Anode und der Kathode als die axiale Richtung definiert ist.
Wenn X/L zu groß ist, wird die relative Länge der Anode kürzer. Dies verringert die Wärmestrahlung von der Anode und deshalb steigt die Anodentemperatur an. Als Folge davon wird ein Verdampfen des Anodenmaterials beschleunigt, und eine Schwärzung des Kolbens tritt auf.
Wenn X/L zu klein ist, ist die Länge der Kathode, welche in axialer Richtung in den Emissionsraum hineinragt, zu gering. In solch einem Fall wird der Luftstrom, welcher entlang der Kathode aufsteigt, nicht angemessen erreicht. Als eine Folge davon wird der Luftstrom, welcher entlang der Innenseite des Kolbens nach unten fällt, stärker und überwiegt. Infolgedessen wird der Lichtbogen instabil aufgrund eines instabilen Luftstromes, welcher nach oben steigt.
Bei einer erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp wurde herausgefunden, dass der Lichtbogen dadurch stabilisiert werden kann, dass das Verhältnis zwischen der Länge L (mm) des Kolbens in axialer Richtung, der Länge X (mm) der Kathode, welche in axialer Richtung in den Emissionsraum hineinragt, und dem maximalen Außendurchmesser D (mm) des Kolbens in radialer Richtung in einem vorgegebenen Bereich festgelegt wird.
Der Grund hierfür liegt in folgendem:
Durch die Festlegung des Verhältnisses zwischen D, L und X in einem vorgegebenen Bereich, befindet sich die Kathodenspitze bezüglich des Durchmessers des Kolbens in einer geeigneten Position, und stellt so sicher, dass der entlang der Innenoberfläche des Kolbens nach unten fallende Luftstrom und der entlang den zwei Elektroden aufsteigende Luftstrom stabil ist. Deshalb kann gesehen werden, wie durch den stabilisierten aufsteigenden Luftstrom der Lichtbogen stabilisiert wird und die Schwankungen des Lichtbogens verringert werden.
Wenn der Durchmesser des Kolbens unterhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt, nähern sich die Elektroden der Innenoberfläche des Kolbens in relativer Hinsicht. Der entlang den zwei Elektroden aufsteigende Luftstrom und der entlang der Innenoberfläche des Kolbens fallende Luftstrom stoßen teilweise aufeinander; dies verursacht eine Wirbelströmung und resultiert in Schwankungen des Lichtbogens.
Wie diskutiert werden wird, zeigt 7 konkret die Parameter für die vorliegende Erfindung. Es werden die Länge des Kolbens in axialer Richtung mit L, die Länge der Kathode, welche in axialer Richtung in den Emissionsraum hineinragt, mit X und der maximale Außendurchmesser des Kolbens in radialer Richtung mit D bezeichnet, wobei die radiale Richtung als die Richtung des Querschnittes definiert ist, welcher zur der axialen Richtung senkrecht ist. Diese Bezugszeichen kennzeichnen jeweils die in der Zeichnung dargestellten Teile. Hierbei entspricht die Länge L des Kolbens in axialer Richtung dem Emissionsraum, von welchem die hermetisch versiegelten Abschnitte ausgeschlossen sind. Wenn die Stirnseiten des Emissionsraums nahtlos ineinander übergehen und sich nicht einfach von den Enden der hermetisch versiegelten Abschnitte unterscheiden lassen, werden die Fußpunkte der Elektroden als die Enden definiert.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Verwendung mehrerer verschiedener in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen im Detail erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp;
2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen UV-Emissionsvorrichtung;
3 ist eine Tabelle mit Versuchsergebnissen im Hinblick auf die Strahlungsintensität der i-Linie, welche die Wirkung der Erfindung zeigt;
4 ist eine weitere Tabelle mit Versuchsergebnissen im Hinblick auf die Strahlungsintensität der i-Linie, welche die Wirkung der Erfindung zeigt;
5 ist eine Tabelle mit Versuchsergebnissen im Hinblick auf die Stabilität des Lichtbogens, welche die Wirkung der Erfindung zeigt;
6 ist eine weitere Tabelle mit Versuchsergebnissen im Hinblick auf die Stabilität des Lichtbogens, welche die Wirkung der Erfindung zeigt; und
7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche die erfindungsgemäßen Schlüsselparameter zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Leuchtröhre 1 aus Quarz umfasst, in der eine Kathode 2 und eine Anode 3 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektroden sind jeweils über Innenanschlüsse 12 und 13 in hermetisch versiegelten Abschnitten 6 und 7 an Metallfolien 8 und 9 angeschlossen. An die Metallfolien 8 und 9 sind jeweils Außenanschlüsse 10 und 11 angeschlossen.
2 zeigt schematisch eine UV-Emissionsvorrichtung, bei welcher das aus der Lampe 14 ausgestrahlte Licht durch einen sphärischen Spiegel 15 sowie einen ersten Flachreflektor 16 hindurchgeht, zu einer Kollimatorlinse 17 und einem Bandpassfilter 18 mit einer Hauptwellenlänge von 365 nm und einer Bandbreite von 10 nm gelangt, durch eine Integratorlinse 19 hindurchgeht, von einem Flachreflektor 21 reflektiert wird, durch eine Kondensorlinse 22 hindurchgeht und zu einer Maskenoberfläche 23 gelangt. Auf der Maskenoberfläche 23 ist ein Siliciumphotodioden-Detektor 24 angeordnet. An die Lampe 14 ist eine Stromquelle 26 angeschlossen, und der gewünschte Strom wird zugeführt.
(Ausführungsbeispiel 1)
Im folgenden wird ein Versuch beschrieben, bei welchem die Effizienz der Strahlung der i-Linie durch Hinzufügen von Argon oder Krypton im Vergleich zu einer mit Xenon gefüllten Quecksilberlampe erhöht wurde. Bei dem Versuch wurden Quecksilberlampen mit denselben Bedingungen mit Ausnahme der Einfüllmenge von Argon, Krypton und Xenon verwendet. Die Beleuchtungsintensität der i-Linie wurde mittels des Detektors 24 gemäß 2 gemessen. Konkret weisen die Quecksilberlampen folgende Spezifikation auf:
In einer ungefähr kugelförmigen Leuchtröhre aus Quarz mit einem Außendurchmesser von ca. 55 mm sind eine Anode 3 aus Wolfram mit einem Durchmesser von 20 mm sowie eine Kathode 2 aus Wolfram, welche ca. 2 Gew.-% Thoriumoxid enthält, mit einem wirksamen Durchmesser der Spitze von 1,0 mm mit einem Abstand von 4,0 mm gegenüberliegend angeordnet. Quecksilber ist in einer Menge von 4,5 mg/cm³ (mg/cc) des Leuchtröhren-Innenvolumens hinzugefügt.
Es wurden eine Lampe (Lampe A), in welche 202,7 kPa (2 atm) Xenon bei Raumtemperatur hinzugefügt wurde, fünf verschiedene Lampen (Lampen B1 bis F1), in welche Ar zusätzlich zu Xe hinzugefügt wurde, sowie fünf verschiedene Lampen (Lampen B2 bis F2), in welche Kr zusätzlich zu Xe hinzugefügt wurde, verwendet. Es wurden fünf Typen von Lampen, in welche Ar hinzugefügt wurde, und von Lampen, in welche Kr hinzugefügt wurde, bei 30,4 kPa, 101,3 kPa, 304,0 kPa, 810,6 kPa und 1215,9 kPa (0,3 atm, 1 atm, 3 atm, 8 atm und 12 atm) und durch Verändern der Mengen des hinzugefügten Gases hergestellt. Diese Lampen wurden dann mit einer konstanten Stromquelle mit einer Eingangsleistung von ca. 2100 W und mit einer Lampenposition betrieben, bei welcher die Kathode nach oben gerichtet ist.
3 zeigt die Versuchsergebnisse. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Bestrahlungsdichte der i-Linie von der Lampe A die Vergleichsbasis ist und die relative Bestrahlungsdichte der i-Linie jeder jeweiligen Lampe gezeigt wird.
Es wird angenommen, dass die Messfehler der Bestrahlungsdichte bei 1 bis 2% liegen. Üblicherweise wird angenommen, dass auch unter Berücksichtigung dieser Messfehler der Durchsatz beim Belichtungsvorgang bei der Herstellung von Halbleitern bei einer Zunahme von zumindest 4% deutlich verbessert wird. Aus der Figur wird ersichtlich, dass sowohl bei Argon als auch bei Krypton die relative Bestrahlungsdichte um mindestens 4% vergrößert wird, wenn die Gase in einer Menge von zumindest 101,3 kPa (1 atm) hinzugefügt werden.
Bei den mit 1215,9 kPa (12 atm) Argon oder Krypton bei Raumtemperatur gefüllten Lampen (Lampen F1 und F2), nahm die Bestrahlungsdichte um 20% zu. Die Spektralbreite der i-Linie verbreiterte sich jedoch, was eine Verringerung der Bildauflösung bei der Belichtung verursachte. Als Folge davon wurde herausgefunden, dass man bei einer mit Argon oder Krypton gefüllten Quecksilberlampe, durch Hinzufügen des Argons oder des Kryptons in einer Menge von 101,3 bis 810,6 kPa (1,0 atm bis 8,0 atm) die Bestrahlungsdichte effektiv erhöhen kann, ohne dass sich die Spektralbreite der i-Linie verbreitert.
Bei den vorstehend beschriebenen Versuchsbeispielen wurden Lampen angegeben, in welche Argon (Ar) oder Krypton (Kr) zusammen mit Xenon (Xe) hinzugefügt wurde. Es wurde jedoch bestätigt, dass man dieselbe Wirkung erhalten kann, wenn Argon (Ar) oder Krypton (Kr) als ein Element hinzugefügt wird, ohne Xenon (Xe) hinzuzufügen.
Wenn der Einfülldruck des Xenons im Vergleich zu dem Einfülldruck des Argons in den mit Ar und Xe als das Edelgas gefüllten Lampen, ungefähr verdreifacht wird, stieg die Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Maskenoberfläche entsprechend der Erhöhung. Jedoch wurde herausgefunden, dass die Bestrahlungsdichte der i-Linie sich kaum erhöht, wenn der Druck, bei welchem Xenon hinzugefügt wird, noch mehr erhöht wird. Es ist deshalb bevorzugt, dass bei Lampen, in welche Ar und Xe als das Edelgas hinzugefügt sind, der Druck, bei welchem das Xenon hinzugefügt wird, etwa verdreifacht wird, verglichen mit dem Druck, bei welchem das Ar hinzugefügt wird, um die Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Maskenoberfläche zu erhöhen.
Es wurde weiterhin auch bestätigt, dass es zu bevorzugen ist, dass der Druck, bei welchem Xe hinzugefügt wird, etwa das Dreifache des Kr-Druckes beträgt, wenn Kr statt Ar hinzugefügt wird (d. h. es wird ein Gemisch aus Kr und Xe verwendet).
(Ausführungsbeispiel 2)
Als nächstes wurde ein Versuch für Lampen, in welche sowohl Ar als auch Kr als das Gasgemisch hinzugefügt werden, durchgeführt. Neben der Menge des hinzugefügten Gasgemisches weist die jeweilige Lampe dieselben Spezifikationen wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 auf. Es wurden fünf Lampen (G bis N) hergestellt.
4 zeigt das in die jeweilige Lampe (A, G bis N) hinzugefügte Gas und den Druck, bei welchem es hinzugefügt wurde. Die Lampe A ist dieselbe Lampe A wie beim Ausführungsbeispiel 1. Die Lampe A ist mit 202,7 kPa (2,0 atm) Xe gefüllt. Die Lampen G bis L enthalten kein Xenon, sondern Ar und Kr, jeweils in einer Menge von 30,4 kPa, 50,7 kPa, 152,0 kPa, 405,3 kPa und 506,6 kPa (0,3 atm, 0,5 atm, 1,5 atm, 4,0 atm und 5,0 atm). In den Lampen M und N ist Xe jeweils in einer Menge von 30,4 kPa (0,3 atm) und 304,0 kPa (3,0 atm) hinzugefügt und zusätzlich Ar und Kr jeweils in einer Menge von 50,7 kPa (0,5 atm).
4 zeigt die Ergebnisse. Wenn die Lampe N, gefüllt mit 50,7 kPa (0,5 atm) Ar und 50,7 kPa (0,5 atm) Kr bei Raumtemperatur, mit der Lampe A verglichen wird, in welche nur Xe in einer Menge von 202,7 kPa (2 atm) hinzugefügt wird, wird ersichtlich, dass die UV-Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Maskenoberfläche bei der Lampe H im Vergleich zu der bei der Lampe A um ca. 5% zugenommen hat, wenn sie in einer Belichtungsvorrichtung verwendet wurden.
Aber bei der Lampe L, bei welcher die Leuchtröhre bei Raumtemperatur mit einem Gasgemisch von 506,6 kPa (5,0 atm) Ar und 506,6 kPa (5,0 atm) Kr mit einem Einfülldruck von 1013,3 kPa (10,0 atm) gefüllt wurde, stieg die Bestrahlungsdichte der i-Linie um 18%. Hierbei verbreiterte sich jedoch die Spektralbreite der i-Linie, und die Bildauflösung verringerte sich bei der Belichtung.
Es wurde bei dem Versuch, bei welchem Lampen als Heizapparate verwendet wurden, herausgefunden, dass die relative Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Maskenoberfläche effektiv erhöht wird, wenn ein Gasgemisch von Ar und Kr bei Raumtemperatur mit einem Gesamtdruck von 101,3 kPa bis 810,6 kPa (1,0 atm bis 8,0 atm) hinzugefügt wird.
Ferner wurde auch herausgefunden, dass bei den Lampen M und N, in welche Xe zusätzlich zum Gasgemisch aus Ar und Kr hinzugefügt wurde, die Bestrahlungsdichte der i-Linie effektiv erhöht werden kann, wenn der Gesamteinfülldruck von Ar und Kr bei Raumtemperatur 101,3 kPa bis 810,6 kPa (1,0 atm bis 8,0 atm) beträgt. Der Vergleich der Lampe M mit der Lampe N zeigt, dass wenn der Einfülldruck von Xe erhöht wird, sich auch dementsprechend die Bestrahlungsdichte der i-Linie auf der Maskenoberfläche erhöht.
Andererseits haben die Erfinder durch ihre Versuche bestätigt, dass sich die Bestrahlungsdichte der i-Linie kaum erhöht, wenn der Einfülldruck von Xe mehr als ca. das Dreifache wie der Gesamteinfülldruck von Ar und Kr beträgt. Im Hinblick auf die Erhöhung der Bestrahlungsdichte der i-Linie ist es deshalb bevorzugt, dass der Einfülldruck von Xe nur auf ca. das Dreifache des Gesamteinfülldrucks von Ar und Kr erhöht wird.
(Ausführungsbeispiel 3)
Nachfolgend wird ein Versuch für den oben beschriebenen Kolben, welcher mit einem Edelgas gefüllt ist und die Abmessungen L, X und D gemäß 7 aufweist, beschrieben, welcher zeigt, wie sich die Stabilität des Lichtbogens im Hinblick auf die Kolbenform verhält.
Als erstes wird das Verhältnis zwischen der Länge des Kolbens in axialer Richtung und der Länge der Kathode, welche in den Emissionsraum hineinragt, beschrieben.
Es wurden Lampen mit derselben Form wie diejenigen, die bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 verwendet wurden, verwendet. Die Menge des hinzugefügten Quecksilbers betrug 4,5 mg/cm³ (mg/cc), während die Menge des hinzugefügten Edelgases im Fall von Ar 152,0 kPa (1,5 atm) betrug, im Fall von Kr 152,0 kPa (1,5 atm) und im Fall von Xe 50,7 kPa (0,5 atm) betrug. Es wurde kein anderes Edelgas in irgendeiner dieser Lampen hinzugefügt. Bei diesen Versuchen wurden die Länge L (mm) des Kolbens in axialer Richtung und die Länge X (mm) der Kathode, welche in den Emissionsraum hineinragt, verändert. Für den Lampenbetrieb wurde eine konstante Stromquelle verwendet. Bei diesem Versuch war der Außendurchmesser des Kolbens in radialer Richtung nicht kritisch. Da sich die Größe des Außendurchmessers jedoch auch verändert, wenn die vorgenannten Parameter verändert werden, wird auch der Durchmesser in der radialen Richtung zur Information angegeben.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Messung der Schwankungen des Lichtbogens der jeweiligen Lampe beschrieben. Der maximale Wert „MA" und der minimale Wert „MI" der Ausgangssignale von dem Siliciumphotodioden-Detektor 24 (in 2 gezeigt), welche ein Beispiel für das Licht auf der Maskenoberfläche 23 sind, wurden verwendet, um den Stabilitätsgrad des Lichtbogens unter Verwendung der Formel 2 (MA – MI)/(MA + MI) × 100% zu berechnen. Üblicherweise wird behauptet, dass während der Belichtung keine Einbrenn-Ungleichmäßigkeit der Belichtung auftritt, wenn der Stabilitätsgrad des Lichtbogens nicht größer als 5% ist. 5 zeigt eine Tabelle mit Versuchsergebnissen im Hinblick auf den Stabilitätsgrad des Lichtbogens, wobei der zulässige Stabilitätsgrad, welcher nicht größer als 5% ist, mit „o" angezeigt wird und wobei der unzulässige Stabilitätsgrad größer als 5% ist und mit „x" angezeigt wird. Die Ergebnisse des Versuchs zeigen, dass der Lichtbogen stabil ist, wenn der Wert von X/L bei 0,3 bis 0,6 liegt.
(Ausführungsbeispiel 4)
Nachfolgend wird ein Versuch beschrieben, bei welchem der Außendurchmesser des Kolbens in der radialen Richtung zusätzlich zur Länge des Kolbens in der axialen Richtung und der Länge der Kathode, welche in den Emissionsraum hineinragt, berücksichtigt wird.
Der Versuch wurde bei Lampen mit derselben Form wie die beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 3 verwendeten Lampen durch Veränderung der Länge L des Kolbens in der axialen Richtung, der Länge X der Kathode, welche in der axialen Richtung in den Emissionsraum hineinragt, und des Durchmessers des Kolbens in radialer Richtung durchgeführt. Das Messverfahren und dergleichen waren auch mit denen beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 3 identisch.
6 zeigt eine Tabelle mit Versuchsergebnissen in Hinblick auf die Stabilität des Lichtbogens, woraus ersichtlich wird, dass der Lichtbogen vorteilhaft stabilisiert werden kann, wenn die Bedingungen (X + 5 mm)/D ≤ 0,85 und (L – (X + 5 mm))/D ≤ 0,85 erfüllt sind.
Wirkung der Erfindung
Wie oben beschrieben wurde, kann die Bestrahlungsdichte der Belichtungsfläche bei einer Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp erhöht werden, ohne die Spektralbreite der i-Linie zu verbreitern, wenn Argon (Ar) und/oder Krypton (Kr) bei einem Druck von 101,3 kPa bis 810,6 kPa (1,0 bis 8,0 atm) bei Raumtemperatur als das Edelgas hinzugefügt wird.
Ferner können Schwankungen des Lichtbogens durch eine Festlegung des Verhältnisses zwischen der Länge des Kolbens in axialer Richtung, der Länge der Kathode, welche in den Emissionsraum hineinragt, und des maximalen Außendurchmessers des Kolbens in der radialen Richtung, in einem vorbestimmten Bereich vorteilhaft verhindert werden.
Während verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist anzumerken, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und für zahlreiche Veränderungen und Modifikationen zugänglich ist, welche den Fachleuten bekannt sind. Deshalb ist diese Erfindung nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen Details beschränkt und schließt all solche Veränderungen und Modifikationen ein, welche durch den Umfang der beigefügten Ansprüche umfasst werden.

Claims

Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp, welche eine Leuchtröhre aus Quarz umfasst, in der eine Kathode und eine Anode gegenüberliegend angeordnet sind und die mit einer Lampenfüllung gefüllt ist, welche Quecksilber und ein Edelgas enthält, aber kein Metallhalogenid; wobei das Edelgas zumindest eines der Gase Argon (Ar) und Krypton (Kr) mit einem Druck von 101,3 kPa bis 810,6 kPa (1,0 bis 8,0 atm) bei Raumtemperatur enthält, und wobei die Bedingung 0,3 ≤ X/L ≤ 0,6 erfüllt ist, wobei L eine Länge der Leuchtröhre in mm in axialer Richtung bezeichnet, welche dem Emissionsraum entspricht, in welchem die hermetisch versiegelten Abschnitte nicht eingeschlossen sind, und X die Länge der Kathode in mm bezeichnet, welche in axialer Richtung in den Emissionsraum hineinragt, wobei die Richtung zwischen der Anode und der Kathode als die axiale Richtung festgelegt ist.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach Anspruch 1, bei welcher die Bedingungen 0,85 D ≥ (X + 5 mm) und 0,85 D ≥ L – (X + 5 mm) erfüllt sind, wobei D den maximalen Außendurchmesser der Leuchtröhre in radialer Richtung in mm bezeichnet, wobei die radiale Richtung als Richtung eines Querschnitts festgelegt ist, welcher senkrecht zur axialen Richtung der Leuchtröhre ist.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Edelgas ferner Xenon (Xe) umfasst, welches bei Raumtemperatur bei einem Druck hinzugefügt wird, welcher höchstens dreimal so hoch ist wie der Druck des zumindest einen Edelgases Argon oder Krypton.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Edelgas eine Mischung aus Argon (Ar) und Krypton (Kr) ist mit einem Gesamtdruck von 101,3 kPa bis 810,6 kPa (1,0 bis 8,0 atm) bei Raumtemperatur.
Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach Anspruch 4, bei welcher das Edelgas ferner Xenon (Xe) umfasst, welches bei Raumtemperatur mit einem Druck hinzugefügt wird, welcher höchstens das Dreifache des Gesamtdrucks der Mischung aus Argon und Krypton beträgt.
UV-Emissionsvorrichtung, welche umfasst: – eine Quecksilberlampe vom Kurzbogentyp nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie – eine Stromquelle, welche der Quecksilberlampe eine vorgegebene Leistung zuführt.
UV-Emissionsvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Quecksilberlampe vertikal so angeordnet ist, dass die Anode sich oben und die Kathode sich unten befindet.