DE8315211U1

DE8315211U1 - Microwave-powered electrodeless lamp

Info

Publication number: DE8315211U1
Application number: DE19838315211
Authority: DE
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Systems Corp
Priority date: 1982-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1986-11-20
Also published as: JPH0361282B2; JPH0349102A; DE3318795A1

Description

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Patentanwalt* ^,'Busfipean.'Patent Attorneys München StuttgartPatent Attorney* ^,'Busfipean.'Patent Attorneys Munich Stuttgart

24. Mai 198324 May 1983

FUSION SYSTEMS CORPORATIONFUSION SYSTEMS CORPORATION

12140 Parklawn Drive12140 Parklawn Drive

Rockville, Maryland 20852 /V.St.A.

Unser Zeichen: F 949Our reference: F 949

Mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose LampeMicrowave-powered electrodeless lamp

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lichtquelle und insbesondere auf eine Lichtquelle, die bei der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Pbotolithographie eingesetzt werden kann. 5The invention relates to a microwave-fed, electrodeless light source and in particular to a light source that can be used in deep UV photolithography. 5

Der Belichtungsschritt bei der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie erfordert die Verwendung einer extrem hellen Lichtquelle, die im tiefen UV-Bereich des Spektrums (190 bis 260 nm) eine relativ hohe Ausgangsleistung abgibt. Die derzeit am meisten verwendete Lichtquelle ist die Xenon-Quecksilber-Bogenlampe (Xe-Hg-Bogenlampe), bei der die Strahlung durch eine Bogenentladung erzeugt wird, die zwischen zwei Elektroden in dem Lampengehäuse stattfindet.The exposure step in deep UV photolithography requires the use of an extremely bright light source that provides a relatively high output in the deep UV region of the spectrum (190 to 260 nm). The most commonly used light source today is the xenon-mercury arc lamp (Xe-Hg arc lamp), where the radiation is generated by an arc discharge that takes place between two electrodes in the lamp housing.

Das Hauptproblem bei der Xe-Hg-Lampe und auch bei anderen Bogenlampen, deren Einsatz bei der im tiefen UV-BereichThe main problem with the Xe-Hg lamp and also with other arc lamps used in the deep UV range

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arbeitenden Photolithographie versucht worden ist, besteht darin, daß ihre spektrale Ausgangsleistung im tiefen UV-Bereich zu niedrig ist. Beispielsweise setzt die Xe-Hg-Lampe weniger als 2% der elektrischen Eingangs·*photolithography is that its spectral output in the deep UV range is too low. For example, the Xe-Hg lamp emits less than 2% of the electrical input·*

g leistung in eine Ausgangsstrahlung im tiefen UV-Bereich um.g power into an output radiation in the deep UV range.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lichtquelle geschaffen werden,The invention aims to create an electrodeless light source fed with microwaves,

^q deren Ausgangsstrahlung relativ höhere Spektralkomponenten im tiefen UV-Bereich aufweist, wobei die Strahlung iiiit Leuchtdichtewerten erzeugt werden soll, wie sie beim Einsatz bei der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie erforderlich sind. Mit Mikrowellen gespeiste Lichtquellen sind zwar bekannt, doch haben sie typischerweise eine relativ niedrige oder mittlere Leuchtdichte, wobei die Leuchtdichte als Verhältnis vom Ausgangsstrahlungsfluß zur Fläche definiert ist; sie sind daher für die Anwendung in der Photolithographie oder in anderen Anwendungsfällen, in denen eine hohe Leuchtdichte benötigt wird, nicht geeignet. Bisher war keine Lampenkonstruktion bekannt, in der Mikrowellenenergie in ein kleines Lampengehäuse mit hoher Leistungsdichte zur Erzeugung einer hell strahlenden Quelle eingekoppelt wurde.^q whose output radiation has relatively higher spectral components in the deep UV region, the radiation being produced with luminance values as required for use in deep UV photolithography. Although microwave-fed light sources are known, they typically have relatively low or medium luminance, where luminance is defined as the ratio of output radiant flux to area, and are therefore not suitable for use in photolithography or other applications where high luminance is required. To date, no lamp design has been known in which microwave energy has been coupled into a small lamp housing with high power density to produce a brightly emitting source.

Somit soll mit Hilfe der Erfindung eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lampe geschaffen werden, die sich für die Anwendung bei der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie eignet.The invention therefore aims to create an electrodeless lamp fed with microwaves which is suitable for use in photolithography operating in the deep UV range.

Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende elektrodenlose Lampe soll eine relativ hohe spektrale Ausgangsleistung im tiefen UV-Bereich bei relativ hohen Leuchtdichtewerten haben.The electrodeless lamp to be created with the aid of the invention should have a relatively high spectral output power in the deep UV range at relatively high luminance values.

Die zu schaffende Lichtquelle soll ferner so ausgestaltet sein, daß die Ankopplung an das das Plasma erzeugendeThe light source to be created should also be designed in such a way that the coupling to the plasma generating

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Medium relativ wirksam ist und daß das Verhältnis der reflektierten Leistung zur absorbierten Leistung relativ klein ist.medium is relatively effective and that the ratio of reflected power to absorbed power is relatively small.

Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende elektrodenlose Lampe soll ferner bei relativ hohen Leistungsdichten arbeiten können.The electrodeless lamp to be created with the aid of the invention should also be able to operate at relatively high power densities.

Es wird außerdem angestrebt, eine elektrodenlose Lampe zu schaffen, die mit relativ hoher Leuchtdichte strahlt.The aim is also to create an electrodeless lamp that emits a relatively high luminance.

Außerdem soll mit Hilfe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen elektrodenloser Lampen geschaffen werden.
15Furthermore, the invention aims to provide a method and a device for cooling electrodeless lamps.
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Die zu schaffende elektrodenlose Lampe soll eine relativ lange Lebensdauer haben.The electrodeless lamp to be created should have a relatively long service life.

Es wird außerdem angestrebt, eine elektrodenlose Lampe zu kühlen, ohne daß sie in Wasser eingetaucht werden muß.It is also intended to cool an electrodeless lamp without having to immerse it in water.

Nach der Erfindung werden die obengenannten Ziele durch Schaffung einer mit Mikrowellen gespeisten elektrodenlosen Lampe erreicht, die eine Mikrowellenkammer und eine darin angeordnete, ein Plasma bildendes Medium enthaltende Lampenumhüllung aufweist, deren maximale Abmessung wesentlich kleiner als eine Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenenergie ist. Die Kammer weist einen Schlitz zum Koppeln der Mikrowellenenergie zu der Umhüllung auf.According to the invention, the above objects are achieved by providing a microwave powered electrodeless lamp comprising a microwave chamber and a lamp envelope containing a plasma forming medium disposed therein, the maximum dimension of which is substantially smaller than a wavelength of the microwave energy used. The chamber has a slot for coupling the microwave energy to the envelope.

Zur Erzielung der gewünschten Abstrahlung ist das Innere der Kammer mit einem UV-reflektierenden Material beschichtet, und die Kammer ist mit einer Öffnung versehen, die das Austreten der UV-Strahlung zuläßt; die Öffnung ist mit einem metallischen Gitter abgedeckt, das für UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig, für Mikrowellen jedoch im wesentlichen undurchlässig ist.To achieve the desired radiation, the interior of the chamber is coated with a UV-reflecting material, and the chamber is provided with an opening that allows the UV radiation to escape; the opening is covered with a metallic grid that is essentially transparent to UV radiation but essentially impermeable to microwaves.

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Zur Erzielung der gewünschten Kopplung zu der kleinen Lampenumhüllung ist die Kammer so ausgebildet, daß sie bei einer einzigen Wellenlänge der Mikrowellenenergie nahe bei der Resonanz liegt. Das in der Lampenumhüllung befindliche plasmabildende Medium ist Quecksilber, das bei einem relativ niedrigen Druck in der Größenordnung einer Atmosphäre vorhanden ist. Wenn die Kopplung zur Lampenumhüllung mit einer Leistungsdichte von wenigstens 250 bis 300 W/cm³ erfolgt, ergibt sich eine geringe Oberflächenschichttiefe, so daß der größte Teil der Entladung an den radial äußeren Bereichen der Lampenumhüllung statt findet, was zu einer relativ starken Abstrahlung im tiefen UV-Bereich bei einem relativ hohen Leuchtdichtewert führt.To achieve the desired coupling to the small lamp envelope, the chamber is designed to be close to resonance at a single wavelength of microwave energy. The plasma forming medium contained in the lamp envelope is mercury, which is present at a relatively low pressure on the order of one atmosphere. If the coupling to the lamp envelope is made at a power density of at least 250 to 300 W/cm ³ , a shallow surface layer depth results so that most of the discharge takes place at the radially outer regions of the lamp envelope, resulting in relatively strong radiation in the deep UV region at a relatively high luminance value.

Die sich ergebende elektrodenlose Lichtquelle ist für die Verwendung in der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie geeignet, und sie ist den für diesen Anwendungszweck vorhanden Lichtquellen überlegen. Die erfindungsgemäße Lichtquelle setzt in der bevorzugten Ausführungsform etwa 8% der ihr zugeführten elektrischen Energie in eine Abstrahlung im tiefen UV-Bereich des Spektrums bei den erforderlichen Leuchtdichtewerten um, was im Gegensatz zu der bei den meisten bisher bekannten kompakten Bogenlampenquellen vorliegenden 2%igen Umsetzung steht.The resulting electrodeless light source is suitable for use in deep UV photolithography and is superior to existing light sources for this application. The light source according to the invention, in the preferred embodiment, converts about 8% of the electrical energy supplied to it into radiation in the deep UV region of the spectrum at the required luminance levels, which is in contrast to the 2% conversion present in most previously known compact arc lamp sources.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein besonderes Kühlverfahren angewendet, das die Kopplung höherer Leistungsdichten und die Erzielung höherer Leuchtdichtewerte ohne überhitzung ermöglicht und außerdem eine relativ lange Lampenlebensdauer ergibt. Bei diesem Verfahren wird die Lampenumhüllung gedreht, während ein oder mehrere Kühlgasströme auf sie gerichtet werden. Wenn sich die Lampenumhüllung dreht, gelangen benachbarte Oberflächenbereiche nacheinander in den direkten Weg des oder der Kühlgasströme, was zur Folge hat, daß dieAccording to a further aspect of the invention, a special cooling method is used which enables higher power densities to be coupled and higher luminance values to be achieved without overheating and also results in a relatively long lamp life. In this method, the lamp envelope is rotated while one or more cooling gas streams are directed at it. As the lamp envelope rotates, adjacent surface areas are successively placed in the direct path of the cooling gas stream(s), which results in the

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gesamte Oberfläche angemessen gekühlt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung dieses Verfahrens die mittlere Oberflächentemperatur einer zylindrischen Umhüllung von der bei Anwendung einer konventionellen Kühlung vorherrsehenden Temperatur von 850⁰C auf etwa 650⁰C abgesenkt werden konnte.It has been shown that by using this method the mean surface temperature of a cylindrical casing can be reduced from the temperature of 850 ⁰ C that would be expected when using conventional cooling to about 650 ⁰ C.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
10The invention will now be explained by way of example with reference to the drawing.
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Fig. 1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,Fig. 1 is a representation of a first embodiment of the invention,

Fig. 2 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der &Egr;&khgr;-findung undFig. 2 is a representation of a second embodiment of the &Egr;&khgr;-finding and

Fig, 3 eine Darstellung einer Ausführungsform des nach der Erfindung angewendeten Kühlsystems.Fig. 3 is a representation of an embodiment of the cooling system used according to the invention.

in Fig. 1 ist eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lampe 2 dargestellt; sie enthält eine Kammer 4 und eine Lampenumhüllung 6, die in der Kammer angeordnet ist. Die Lampenumhüllung 6 weist eine Maximalabmessung auf, die wesentlich kleiner als eine Wellenlänge der angewendeten Mikrowellenenergie ist. In der Kammer 4 ist ein Schlitz 8 angebracht, durch den die Mikrowellenenergie wirksam zur Lampenumhüllung gekoppelt werden kann. Die Mirkowellenenergie wird von einem Magnetron 10 geliefert, das von einem Stromversorgungsgerät 12 gespeist wird.In Fig. 1, a microwave-fed electrodeless lamp 2 is shown; it comprises a chamber 4 and a lamp envelope 6 disposed within the chamber. The lamp envelope 6 has a maximum dimension substantially smaller than a wavelength of the applied microwave energy. A slot 8 is provided in the chamber 4 through which the microwave energy can be effectively coupled to the lamp envelope. The microwave energy is provided by a magnetron 10, which is fed by a power supply 12.

^O Die vom Magnetron erzeugte Mikrowellenenergie wird über einen Rechteckwellenleiterabschnitt 14, der mittels einer Abstimmblindleitung 16 abstimmbar ist, dem Schlitz 8 in der Mikrowellenkammer zugeführt.^O The microwave energy generated by the magnetron is fed to the slot 8 in the microwave chamber via a rectangular waveguide section 14 which is tunable by means of a tuning dummy line 16.

Es ist beabsichtigt, daß die Lampe eine ÜV-Abstrahlung hat, deren Form nicht von mikrowellenbedingten Konstruktionsüberlegungen bestimmt wird. Die Kammer 4 hat deshalbIt is intended that the lamp has a UV emission whose shape is not determined by microwave-related design considerations. Chamber 4 therefore has

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eine Form, wie sie vom optischen Standpunkt aus erwünscht ist. Das Innere der Kammer ist mit einem UV-reflektierenden Material beschichtet. Die Kammer weist eine öffnung 18 auf, damit die von der Lampenumhüllung abgestrahlte UV-Strahlung die Kammer verlassen kann. Die Öffnung ist mit einem Metallgitter 20 bedeckt, das für die UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig, für die in der Kammer vorhandene Mikrowellenenergie jedoch im wesentlichen undurchlässig ist.a shape as desired from an optical standpoint. The interior of the chamber is coated with a UV-reflective material. The chamber has an opening 18 to allow the UV radiation emitted by the lamp envelope to exit the chamber. The opening is covered with a metal grid 20 which is substantially transparent to the UV radiation but substantially opaque to the microwave energy present in the chamber.

Zum wirksamen Koppeln der Mikrowellenenergie zur Lampenumhüllung ist gemäß einem Merkmal der Erfindung die Kammer so ausgebildet, daß sie nahe bei der Resonanz, jedoch nicht direkt bei der Resonanz arbeitet, die für eine ideale Kammer ohne Anwesenheit einer Lampe berechnet wird. Es hat sich gezeigt, daß die Bedingung der nahen Resonanz eine maximale Ankopplung an die kleine Lampenumhüllung 6.und somit eine maximale Lichtabstrahlung ergibt. Um die Kopplung möglichst groß zu machen, wird die Kammer bei einer einzigen Wellenlänge und nicht bei mehreren Wellenlängen nahe der Resonanz betrieben, was gewährleistet, daß die Mikrowellenenergie wirksam absorbiert wird.In order to effectively couple the microwave energy to the lamp envelope, according to a feature of the invention, the chamber is designed to operate close to resonance, but not directly at the resonance calculated for an ideal chamber without a lamp present. It has been found that the near resonance condition gives maximum coupling to the small lamp envelope 6 and thus maximum light emission. To maximize coupling, the chamber is operated at a single wavelength rather than at multiple wavelengths close to resonance, which ensures that the microwave energy is effectively absorbed.

in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Lampenumhüllung 6 ebenso wie die Mikrowellenkammer 4 kugelförmig ausgebildet, und die Lampenumhüllung befindet sich in der Mitte der Kammer. Die relative Lage des Schlitzes 8 und der öffnung von Fig. 4 ergeben eine relativ gleichmäßige UV-Abstrahlung durch das Gitter 20. Dies ist sehr wichtig, da die UV-Photolithographie und auch andere Anwendungsfälle eine gleichmäßige Bestrahlung erfordern.In the preferred embodiment of the invention shown in Fig. 1, the lamp envelope 6 is spherical, as is the microwave chamber 4, and the lamp envelope is located in the center of the chamber. The relative position of the slot 8 and the opening of Fig. 4 results in relatively uniform UV radiation through the grid 20. This is very important since UV photolithography and other applications require uniform radiation.

Zur Erzielung der Leuchtdichtewerte, die in der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie erforderlich sind, muß eine wesentlich höhere Kopplung anTo achieve the luminance values required in photolithography working in the deep UV range, a significantly higher coupling to

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die Lampenumhüllung 6 als mit herkömmlichen Leistungsdichtewerten erreicht werden. Gleichzeitig ist es erwünscht? eine relativ höhe Ausgangsstrahlung im tiefen ÜV-Bereich des Spektrums zu erzielen; es hat sich gezeigt, daß es zur Erreichung dieses Ziels wünschenswert ist, daß die Strahlung von den radial äußeren Bereichen der Lampenümhüllung 6 und nicht von deren innerem abgegeben wird. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß eine vom Inneren der Lampenumhüllung ausgehende Abstrahlung die Tendenz hat, vom Plasma wieder absorbiert zu werden, bevor sie die Wand der Umhüllung erreicht; außerdem wird angenommen, daß Wellenlängen im tiefen UV-Bereich bevorzugt absorbiert werden.the lamp envelope 6 than with conventional power density values. At the same time, it is desirable to achieve a relatively high output radiation in the deep UV region of the spectrum; it has been found that in order to achieve this goal it is desirable for the radiation to be emitted from the radially outer regions of the lamp envelope 6 and not from the interior thereof. The reason for this is that radiation emanating from the interior of the lamp envelope tends to be reabsorbed by the plasma before it reaches the wall of the envelope; furthermore, it is believed that wavelengths in the deep UV region are preferentially absorbed.

Um eine UV-Strahlungsabgabe an den radial äußeren Bereichen zu erzielen, muß die Oberflächenschichttiefe des Plasmas relativ dünn gemacht werden. Wenn die Oberflächenschichttief e jedoch dünner wird, wird es imitier schwieriger, Energie in das Plasma zu koppeln. Wie sich gezeigt hat, wird eine verbesserte Abstrahlung im tiefen UV-Bereich mit dem erforderlichen Leuchtdichtewert erhalten, wenn der Druck des das Plasma bildenden Mediums, das im Falle der bevorzugten Ausführungsform Quecksilber ist, auf einem relativ niedrigen Wert gehalten wird, der im Betriebsbereich von 1 bis 2 Atmoshären liegt, und wenn die Mikrowellenankopplung mit einer Leistungsdichte von mehr als 300 W/cm³ erfolgt.In order to achieve UV radiation output at the radially outer regions, the surface layer depth of the plasma must be made relatively thin. However, as the surface layer depth becomes thinner, it becomes more difficult to couple energy into the plasma. It has been found that improved deep UV radiation at the required luminance level is obtained when the pressure of the plasma forming medium, which in the preferred embodiment is mercury, is maintained at a relatively low value, in the operating range of 1 to 2 atmospheres, and when microwave coupling is carried out at a power density of more than 300 W/cm ³ .

Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die aus Metall bestehende Kammer eine Kugel mit einem Durchmesser von 9,9 cm, die eine kreisförmige öffnung 18 aufweist, deren Durchmesser 7,1 cm beträgt und die mit dem Gitter 20 bedeckt ist. Das Gitter 20 besteht aus Drähten mit einem Durchmesser von 0,043 mm, die in einem Mittenabstand von 0,83 mm angeordnet sind. Die kugelförmige Lampenumhüllung 6 hat einen Innendurchmeser von 1,9 cm, und sie ist mit Hg, einemIn the preferred embodiment of the invention shown in Fig. 1, the metal chamber is a 9.9 cm diameter sphere having a circular opening 18 having a diameter of 7.1 cm and covered with the grid 20. The grid 20 is made of wires having a diameter of 0.043 mm arranged on a center-to-center spacing of 0.83 mm. The spherical lamp envelope 6 has an inside diameter of 1.9 cm and is filled with Hg, a

-&dgr;-Edelgas Wie Argon und HgCl gefüllt. Die Quecksilberfüllung steht unter einem relativ niedrigen Druck; während des Betriebs beträgt der Druck etwa 1 bis 2 Atmosphären * während der Druck des Argons etwa 133 bis 266 mbar beträgt. Zur Erzielung des geeigneten Betriebsdrucks für das Quecksilber wird in die Lampe während der Herstellung 2 &khgr; 10 ml flüssiges Quecksilber eingefüllt.-δ-Noble gas Like argon and HgCl. The mercury filling is under a relatively low pressure; during operation the pressure is about 1 to 2 atmospheres * while the pressure of the argon is about 133 to 266 mbar. To achieve the appropriate operating pressure for the mercury, 2 x 10 ml of liquid mercury is filled into the lamp during manufacture.

Das Magnetron 10 gibt eine Mikrowellenleistüng von etwa 1500 W bei einer Frequenz von 2450 MHz ab. Der größte - Teil dieser Leistung wird zu dem Plasma gekoppelt, was eine Leistungsdichte von etwa 500 W/cm³ ergibt. Die sich ergebende Lichtquelle hat einen Umsetzungswirkungsgrad im tiefen UV-Teil des Spektrums von etwa 8%; sie ist eine hell strahlende Quelle/ die etwa mit 190 W/cm³ abstrahlt. Die Quelle ist außerdem äußerst wirksam/ da der größte Teil der in den Kopplungsschlitz eintretenden Leistung absorbiert wird, während nur ein kleiner Teil reflektiert wird, was zu einer langen Lebensdauer des Magnetrons führt.The magnetron 10 delivers a microwave power of about 1500 W at a frequency of 2450 MHz. Most of this power is coupled to the plasma, giving a power density of about 500 W/cm ³ . The resulting light source has a conversion efficiency in the deep UV part of the spectrum of about 8%; it is a bright source radiating at about 190 W/cm ³ . The source is also extremely efficient because most of the power entering the coupling slot is absorbed while only a small portion is reflected, resulting in a long lifetime of the magnetron.

Die bevorzugte Ausführungsform ist zwar mit einer kugelförmigen Lampenumhüllung und einer kugelförmigen Kammer beschrieben worden, doch können auch andere Formen für die Umhüllung und die Kammer angewendet werden. Beispielsweise zeigt Fig. 2 eine Ausführungsform, bei der eine kugelförmige Lampenumhüllung und eine zylindrische Kammer angewendet werden. Die Kammer 30 von Fig. 2 weist einen Mikrowellenkopplungsschlitz 32 und eine von einem Gitter bedeckte Öffnung 34 auf, durch die an einer dem Schlitz 32 an der zylindrischen Oberfläche gegenüberliegenden Stelle Ultraviolettstrahlung austreten kann. Die Lampenumhüllung 38 ist in der geometrischen Mitte des Zylinders angebracht, der so dimensioniert ist, daß er sich bei einer einzigen Wellenlänge nahe der Resonanz befindet. Es sind auch zahlreiche andere Umhüllungsformen möglich; Beispiele für andere Kammerformen sind Ellipsoide,Although the preferred embodiment has been described with a spherical lamp envelope and a spherical chamber, other shapes for the envelope and chamber may be used. For example, Fig. 2 shows an embodiment using a spherical lamp envelope and a cylindrical chamber. The chamber 30 of Fig. 2 has a microwave coupling slot 32 and a grid-covered opening 34 through which ultraviolet radiation can exit at a location opposite the slot 32 on the cylindrical surface. The lamp envelope 38 is mounted at the geometric center of the cylinder, which is dimensioned to be near resonance at a single wavelength. Numerous other envelope shapes are also possible; examples of other chamber shapes are ellipsoids,

-&Ogr;&Igr; Hyperboloide, Paraboloide und einspringende Kugeln. Die Mikrowellenkammer könnte auch mit mehr als einem Kopplungsschlitz versehen sein.-Ω hyperboloids, paraboloids and re-entrant spheres. The microwave chamber could also be provided with more than one coupling slot.

Die hohe Leistungsdichte, mit der die Lampenumhüllung betrieben wird, hat zur Folge, daß die Oberfläche der aus Quarz bestehenden Umhüllung extrem heiß wird; wenn keine ausreichende Kühlung vorgesehen wird, führt dies zum Schmelzen und Brechen der Umhüllung. Das herkömmliche Verfahren zum Kühlen elektrodenloser Lampen besteht darin, Luft über die ortsfeste Lampenumhüllung zu blasen oder zu saugen; im herkömmlichen Zwangsluftsystem, das in der US-PS 4 042 850 beschrieben ist, wird Luft aus einem Kompressor in die Lampenkammer und über die Lampenumhüllung geblasen, während in einem Unterdrucksystem Luft aus der Kammer über die Lampenumhüllung gesaugt wird. Die Grenzen des herkömmlichen Kühlsystems sind in der JA-OS 55-154097 von Yoshio Yasaki beschrieben, wo angegeben ist, daß eine Leistungsdichte von 100 W/cm³ eine Grenze bei Anwendung der Zwangsluftkühlung darstellt, da höhere Leistungsdichten zu einem Brechen der Lampenumhüllung führen; zur Erzielung einer mit höherer Leuchtdichte strahlenden Quelle wird ein System vorgeschlagen, bei dem Sie Lampenumhüllung während des Betriebs in Wasser eingetaucht ist.The high power density at which the lamp envelope is operated causes the surface of the quartz envelope to become extremely hot; if adequate cooling is not provided, this will result in melting and cracking of the envelope. The conventional method of cooling electrodeless lamps is to blow or suck air over the stationary lamp envelope; in the conventional forced air system described in U.S. Pat. No. 4,042,850, air from a compressor is blown into the lamp chamber and over the lamp envelope, while in a vacuum system air is sucked from the chamber over the lamp envelope. The limitations of the conventional cooling system are described in JA-OS 55-154097 by Yoshio Yasaki, which states that a power density of 100 W/cm ³ is a limit when using forced air cooling since higher power densities will cause cracking of the lamp envelope; To obtain a source with higher luminance, a system is proposed in which the lamp envelope is immersed in water during operation.

Nach der Erfindung wird die Lampenumhüllung um eine durch sie hindurchgehende Achse gedreht, während einer oder mehrere Kühlgasströme gegen sie gerichtet werden. Da dieAccording to the invention, the lamp envelope is rotated about an axis passing through it, while one or more cooling gas streams are directed against it. Since the

so Lampenumhüllung gedreht wird, treten benachbarte Ober-When the lamp cover is rotated, adjacent surfaces

flächenbereiche nacheinander direkt in die Bahn des odersurface areas one after the other directly into the path of the or

j der Kühlgasströme ein, so daß sie eine maximale Kühlwir-j of the cooling gas flows so that they achieve a maximum cooling effect

' kung durch die Ströme erfahren, was dazu führt, daß die' effect of the currents, which leads to the

j gesamte Oberfläche angemessen gekühlt wird. Dadurch er-j entire surface is adequately cooled. This results in

gibt sich eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem bekannten System,bei dem ein Kühlgasstrom gegen eine stationäre Lampe gerichtet wird.There is a considerable improvement over the known system in which a cooling gas stream is directed against a stationary lamp.

Nach Fig* 1 ist ein Motor 23 vorgesehen, der den Stab der Lampenumhüllung dreht» Die Motorwelle oder eine Verlängerung der Motorwelle verläuft durch eine Öffnung in der Kammer, die wirksam abgedichtet ist, damit keine 6 Mikrowellenenergie entweichen kann.According to Fig. 1, a motor 23 is provided which rotates the rod of the lamp envelope. The motor shaft or an extension of the motor shaft passes through an opening in the chamber which is effectively sealed so that no microwave energy can escape.

Das Gitter 20 ist unter Verwendung von dem Fachmann bekannten mechanischen Mitteln an der Kamineröffnung befestigt; in Fig. 1 ist das Gitter mit einer Gitterbefestigungsplatte 37 verschweißt, die an der Kammer befestigt ist.The grate 20 is attached to the chimney opening using mechanical means known to those skilled in the art; in Fig. 1, the grate is welded to a grate mounting plate 37 which is attached to the chamber.

Zum Verbinden des Motors mit dem £>tab 29 sind dem Fachmann zahlreiche mechanische Mittel bekannt. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist an der Kammeröffnung ein mit einem Dichtungsring 26 versehener Flansch 21 angebracht, der beispielsweise dadurch festgehalten ist, daß er an einem Ende an der Gitterhalteplatte 37 befestigt ist, wobei er einen öder mehrere Stäbe 60 am anderen Ende trägt, die längs der Kammer verlaufen. Der Stab 29 weist an einem Ende einen Klemmring 61 auf. der in einem zylindrischen Kopplungsstück 27 iurch Verkleben befestigt ist, während die Motorwelle 28 beispielsweise mittels eines Gewindestifts am anderen Ende des Kopplungsstücks befestigt ist. Der Stab 29 wirkt daher wiv» eine Verlängerung der Motorwelle 23. Der Motor ist an einem Flansch 24 befestigt, der seinerseits mit Hilfe von Haltepfosten 22 am Flansch 21 befestigt ist. Es ist eine Feder 25 vorgesehen, die durch Verschrauben einstellbar ist, damit die Lampenumhüllung 6 an der gewünschten Stelle positioniert werden kann.Numerous mechanical means are known to those skilled in the art for connecting the motor to the rod 29. In the embodiment shown in Fig. 1, a flange 21 provided with a sealing ring 26 is attached to the chamber opening and is held in place, for example, by being attached to the grid support plate 37 at one end and carrying one or more rods 60 at the other end which run along the chamber. The rod 29 has a clamping ring 61 at one end which is secured in a cylindrical coupling piece 27 by adhesive, while the motor shaft 28 is secured to the other end of the coupling piece, for example by means of a threaded pin. The rod 29 therefore acts as an extension of the motor shaft 23. The motor is attached to a flange 24 which in turn is attached to the flange 21 by means of support posts 22. A spring 25 is provided which can be adjusted by screwing so that the lamp cover 6 can be positioned at the desired location.

In Fig. 3 ist ein Schnitt dargestellt, der senkrecht zur Längsachse des Stabs 29 durch die Mitte der Kammer 4 von ^ Fig. 1 verläuft; der Schnitt zeigt die Anordnung der Kühldüsen in der speziell dargestellten Ausführungsform. Die Düsen 40, 42, 44 und 46, die die Enden von Leitungen 50, 52 und 54 darstellen, sind hinter öffnungen in derIn Fig. 3 is shown a section which runs perpendicular to the longitudinal axis of the rod 29 through the center of the chamber 4 of Fig . 1; the section shows the arrangement of the cooling nozzles in the specific embodiment shown. The nozzles 40, 42, 44 and 46, which represent the ends of lines 50, 52 and 54, are behind openings in the

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Kammer 4 angeordnet, so daß ein Entweichen von Mikrowellenei?ergie verhindert wird; sie sind ungefähr gegen die Mitte der Kammer gerichtet. Es ist eine Druckluftquelle 38 vorgesehen; unter Druck stehende Luft wird durch die Leitungen gefördert und durch die jeweiligen Düsen gegen die sich drehende Lampenumhüllung 6 ausgestoßen. Zur Erläuterung ist zwar von Druckluft gesprochen worden, doch können auch andere Kühlgase wie Stickstoff oder Helium angewendet werden.Chamber 4 so that escape of microwave energy is prevented; they are directed approximately towards the center of the chamber. A compressed air source 38 is provided; pressurized air is conveyed through the lines and ejected through the respective nozzles against the rotating lamp envelope 6. Although compressed air has been mentioned for the purpose of explanation, other cooling gases such as nitrogen or helium can also be used.

Wenn sich die Lampenumhüllung dreht, werden benachbarte Oberflächenbereiche direkt von den Kühlgasströmen getroffen, so daß die gesamte Oberfläche angemessen gekühlt wird. Falls es zweckmäßig erscheint, können auch weniger oder mehr als vier Düsen benutzt werden. In der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform, bei der eine kugelförmige Lampenumhüllung mit einem Durchmesser von 1,9 cm verwendet wird, sind alle Düsen in einer durch die Mitte der Kugel laufenden Ebene angeordnet, da festgestellt wurde,As the lamp envelope rotates, adjacent surface areas are directly impacted by the cooling gas streams, so that the entire surface is adequately cooled. Fewer or more than four nozzles may be used if it is deemed appropriate. In the embodiment shown in Fig.3, which uses a spherical lamp envelope with a diameter of 1.9 cm, all nozzles are arranged in a plane passing through the center of the sphere, since it has been found that

2G daß sich bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung in dieser Ebene heiße Stellen bilden. Bei Verwendung einer kugelförmigen Umhüllung mit einem Durchmesser von 2,5 cm erwies es sich als notwendig, den Oberflächenbereich 70 und den in der Darstellung von Fig. 3 diesem Bereich diametral gegenüberliegenden Bereich stärker zu kühlen. Die Düse 40 wurde daher geringfügig zu einer Seite der Kammermittelebene hin versetzt, während die Düse 42 zur anderen Seite hin versetzt wurde; die gleiche Versetzung2G that hot spots form in this plane in the arrangement shown in Fig. 1. When using a spherical envelope with a diameter of 2.5 cm it was found necessary to cool the surface area 70 and the area diametrically opposite this area in the illustration of Fig. 3 more strongly. The nozzle 40 was therefore slightly offset to one side of the chamber center plane, while the nozzle 42 was offset to the other side; the same offset

wurde auch an den Düsen 44 und 46 vorgenommen. 30was also carried out on nozzles 44 and 46. 30

Es sind somit verschiedene Strukturen für mikrowellengespeiste elektrodenlose Lampen beschrieben worden, die wirkungsvoll hell abstrahlende Lichtquellen bilden, deren Strahlung einen großen Anteil im tiefen UV-Bereich hat. Die Erfindung ist zwar im Zusammenhang mit der Anwendung in der im tiefen UV-Bereich arbeitenden Photolithographie beschrieben worden, doch ist erkennbar, daßVarious structures for microwave-fed electrodeless lamps have thus been described which form effective bright light sources whose radiation has a large proportion in the deep UV range. Although the invention has been described in connection with the application in photolithography working in the deep UV range, it is clear that

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sie auch überall dort angewendet werden kann, wo eine hell strahlende Quelle benötigt wird, da die Füllung so verändert werden kann, daß der tiefe UV-Bereich abgeschwächt und der UV-Bereich oder der sichtbare Bereich gestärkt wird. Das Kühlsystem kann auch zum Kühlen von Lampen verwendet werden, die eine von der kugelförmigen Gestalt abweichende Form haben.it can also be used wherever a bright source is needed, as the filling can be modified to weaken the deep UV range and strengthen the UV or visible range. The cooling system can also be used to cool lamps that have a shape other than spherical.

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Claims

PRINZ, LEISER, BUKKß &PRINCE, QUIET, BUKKß &

Patent Attorneys · European !Pa'teYif JVttftonefs' J

Emsbergerstrasse 19 · 8000 Munich 60

March 3, 1986

FUSION SYSTEMS CORPORATION

Our reference: F 949x

Protection claims

1. A microwave-fed electrodeless lamp radiating with significant luminance, characterized by a microwave chamber having a slot for introducing microwave energy at a specific frequency into the chamber, an envelope mounted in the chamber containing a mercury-containing gas medium, the envelope having a maximum dimension substantially smaller than a wavelength of the microwave energy, that the chamber has an opening for the passage of the radiation emitted by the envelope, and that the opening is covered by a grid.

2. Lamp according to claim 1, characterized in that the microwave chamber without the enclosure is a cavity operated close to resonance.

3. Lamp according to claim 2, characterized in that the microwave chamber is close to resonance at a single wavelength of microwave energy.

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4. Lamp according to claim 3, characterized by a microwave generator and a microwave coupling device arranged between the microwave generator and the slot .

5. Lamp according to claim 4, characterized in that the envelope containing the medium is spherical.

6. Lamp according to claim 1, characterized in that the microwave chamber is substantially spherical.

7. Lamp according to claim 5, characterized in that the microwave chamber is substantially spherical.

8. Lamp according to claim 7, characterized in that the envelope is arranged in the middle of the spherical chamber.

9. Lamp according to claim 8, characterized in that the slot and the opening which allows the radiation to emerge are arranged on the spherical chamber offset by 90° from one another.

10. Lamp according to claim 4, characterized in that the chamber is cylindrically shaped, the radius of the cylinder being dimensioned to enable operation close to resonance.

11. Lamp according to claim 10, characterized in that the envelope is arranged at the geometric center of the cylindrical chamber.

12. Lamp according to claim 11, characterized in that the slot and the opening allowing the radiation to emerge are arranged diametrically opposite one another on the curved wall of the cylindrical chamber, with the envelope lying therebetween.

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13. Lamp according to claim 1, which emits a large proportion in the deep UV range*, characterized _in that the envelope contains mercury/ which has a pressure of about 1 to 2 atmospheres during operation/ and that the microwave coupling to the envelope takes place with a power density of more than 250 W/cm ³ / whereby a surface layer depth occurs which is less than half the radius of the envelope, so that the radiation in the deep UV range is emitted from radially outer sections of the envelope.

14. Lamp according to one of the preceding claims, which has cooling nozzles connected to a pressurized gas source, characterized in that the lamp envelope is rotatable about its own axis and that the cooling nozzles are directed towards the rotating lamp envelope.

15. Lamp according to claim 14, characterized in that the axis runs through the center of the envelope.

16. Lamp according to claim 15, characterized in that the cooling nozzles are directed approximately towards the center of the envelope.

17. Lamp according to claim 16, characterized in that the electrodeless lamp is a lamp operating with a plasma generated by microwaves.

18. Lamp according to claim 17, characterized in that the lamp envelope is arranged in a conductive chamber and that outlet nozzles for the cooling gas are arranged at openings of the chamber.

19. A lamp according to claim 18, wherein the presence of the plasma in the envelope during operation leads to the formation of one or more hot spots on the

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Envelope, characterized in that at least one of the nozzles is directed towards an area where the hot spot or spots arise during the rotation of the envelope.

20. Lamp according to claim 18, characterized in that the envelope is rotatable about an axis leading through the slot of the spherical microwave chamber and that at least one of the nozzles is arranged in a plane perpendicular to the axis and leading through the center of the envelope.

21. Lamp according to claim 20/ characterized in

that four nozzles are arranged in the plane and at a distance from each other on the spherical microwave chamber.

22. Lamp according to claim 21, characterized in that the chamber has an opening through which UV radiation emitted by the envelope can escape, and that the plane runs through the center of the opening.

23. Lamp according to claim 14, characterized in

that an electric motor is provided to rotate the casing.

24. Lamp according to claim 23, characterized in that a rod is attached at one end to the shaft of the electric motor and at the other end to the lamp envelope.

25. Lamp according to claim 24, characterized in that the shaft extends from the coupling slot directly across the spherical microwave chamber.