EP2416346B1

EP2416346B1 - Quecksilberdampflampe für eine homogene flächenhafte Bestrahlung

Info

Publication number: EP2416346B1
Application number: EP11005665.2A
Authority: EP
Inventors: Alex Voronov; Burkard Jung; Franz-Josef Schilling
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: US20120032586A1; CA2745283C; DK2416346T3; DE102010033446A1; JP2012038729A; US8400059B2; EP2416346A2; CA2745283A1; DE102010033446B4; PL2416346T3; EP2416346A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Quecksilberdampflampe für eine homogene flächenhafte Bestrahlung, mit einem Lampenkolben aus Quarzglas, der einen geschlossenen Entladungsraum umschließt, in den zwei Elektroden hineinragen, zwischen denen ein nicht linearer Gasentladungskanal verläuft.
UV-Strahler, wie Quecksilberdampflampen, werden beispielsweise zum Reinigen oder Modifizieren der Oberflächen von Substraten, zur Entkeimung oder zur Aktivierung von Oberflächen eingesetzt. Üblicherweise wird dabei mit UV-Licht im Wellenlängenbereich von 160 bis 400 nm gearbeitet.
Für eine hochproduktive Fertigungslinie ist eine hohe UV-Lichtintensität im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche notwendig. Auch die Homogenität der UV-Bestrahlung ist für das Bestrahlungsergebnis häufig von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die zu bestrahlende Oberfläche nicht relativ zum UV-Strahler bewegt wird.
Für eine hohe UV-Lichtintensität ist ein möglichst geringer Abstand zwischen Oberfläche und UV-Strahler vorteilhaft. Andererseits erschwert ein geringer Abstand eine homogene Ausleuchtung, da die UV-Strahlungsintensität im Nahfeld der Strahler inhomogen ist.

Stand der Technik

Zur Erzeugung einer flächigen Bestrahlung sind beispielsweise aus der DE 34 37 212 A1 und der DE 91 08 294 U1 UV-Strahler bekannt, bei denen der Lampenkolben U-förmig oder mäanderförmig gebogen ist oder die aus Rohrteilen zusammensetzt sind, die in ihrer Gesamtheit U-förmig oder mäanderförmig verlaufen.
Ein in Mäanderform gefalteter Lampekolben kann jedoch nicht ohne weiteres lückenlos gefaltet werden, so dass zwischen den Schenkeln des Mäanders Lücken entstehen, die die Homogenität der Lichtverteilung beeinträchtigen.
Bei einer alternativen Ausführungsform, bei der mehrere lang gestreckte UV-Strahler parallel zueinander und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, ist ein zwar ein weitgehend homogenes Strahlungsfeld erreichbar. Jedoch sind derartige Strahleranordnungen mit hohem Montage- und Justageaufwand verbunden und die Vielzahl von Lampen und Vorschaltgeräten erfordern außerdem einen hohen konstruktiven Aufwand. Darüber hinaus muss bei Ausfall nur eines einzigen Strahlers häufig der komplette Strahlersatz ausgetauscht werden, um Inhomogenitäten aufgrund unterschiedlicher Alterungsprozesse der Strahler zu vermeiden.
Weiter sei auf den Artikel "Development of a New Lamp Technology for Backlight LCDs" von R. Hicks et al., SID International Symposium - Digest of technical papers, Bd. 24, PART 01, Seiten 21-24, sowie auf das US-Patent 6 731 058 B1 hingewiesen, die beide eine Quecksilberdampflampe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbaren.

Technische Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Quecksilberdampflampe bereit zu stellen, die auch bei einem geringen Abstand zur zu behandelnden Oberfläche eine möglichst hohe Homogenität der UV-Bestrahlung gewährleistet.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Quecksilberdampflampe mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Lampenkolben als eine von geraden Wänden begrenzte Quarzglaskammer mit Unterseite, Oberseite und Seitenwandungen ausgebildet ist und mittels mehrer, von der Unterseite bis zur Oberseite ragender Trennstege aus Quarzglas in Subkammern unterteilt ist, die eine vorderste und eine hinterste Subkammer umfassen und die in Aneinanderreihung den nicht linearen Gasentladungskanal bilden, indem sich die Trennstege wechselweise von einer Seitenwand bis nahe an die gegenüberliegende Seitenwand unter Freilassung eines benachbarte Subkammern fluidisch verbindenden Spaltes erstrecken, wobei die eine Elektrode der vordersten Subkammer und die andere Elektrode der hintersten Subkammer zugeordnet ist.
Als konstruktiv einfachster Fall sind erfindungsgemäß die Trennstege als flache Quarzglasplatten ausgebildet und an der Unterseite und an der Oberseite der Quarzglaskammer angepunktet.
Die Trennstege sind nicht durchgängig mit der Oberseite und der Unterseite verschweißt, sondern nur an wenigen Stellen angepunktet. Die vereinfacht die Herstellung der Quecksilberdampflampe und vermeidet Verformungen aufgrund des Schweißprozesses. Die Trennstege trennen dabei benachbarte Subkammern zwar nicht gasdicht voneinander; es hat sich aber gezeigt, dass eine gasdichte Trennung auch nicht erforderlich ist. Denn eine Entladung in einem engen Spalt zwischen dem Trennsteg und der Oberseite beziehungsweise der Unterseite ist energetisch ungünstig, so dass die Entladung dem vorgegebenen Gasentladungskanal folgt.
Die erfindungsgemäße Quecksilberdampflampe besteht im Wesentlichen aus einer Quarzglaskammer mit beliebigem Querschnitt, der einfach an die Geometrie der zu bestrahlenden Oberfläche anpassbar ist, also beispielsweise rund, rechteckig oder dreieckig. Die Querschnittsgeometrie ergibt sich durch die Geometrie der Oberseite und der Unterseite, wobei die Unterseite gleichzeitig die Abstrahlfläche bildet.
Oberseite und Unterseite sind über gerade Seitenwandungen miteinander verbunden, so dass sich eine geschlossene, zylindrische Quarzglaskammer ergibt. Die Höhe der Seitenwandungen entspricht dem Abstand zwischen Oberseite und Unterseite.
Die Quarzglaskammer ist in mindestens drei Subkammern unterteilt, die in Aneinanderreihung einen nicht linearen, labyrinthartigen, gewundenen Gasentladungskanal bilden. Hierzu sind mindestens zwei Trennstege vorgesehen, die sich über die gesamte Höhe der Quarzglaskammer erstrecken und die wechselweise von einer Seitenwand bis nahe zu einer gegenüberliegende Seitenwand verlaufen, und dabei einen Spalt zwischen den benachbarten Subkammern freilassen.
Der Gasentladungskanal verläuft von der vordersten Subkammer zur hintersten Subkammer, wobei in diese jeweils entweder unmittelbar eine der Elektroden hineinragt oder wobei diese mit einem anderen Raum, in den die Elektrode hineinragt, fluidisch verbunden sind.
Die Aneinaderreihung der Subkammern füllt die Quarzglaskammer vollständig aus und bildet den Gasentladungskanal. Daher stellt sich über der Abstrahlfläche - abgesehen von schmalen Bereichen um die Trennstege - eine homogene Strahlungsintensität ein.
Die Quarzglaskammer einschließlich der Trennstege ist aus einfachen Quarzglasteilen zusammengesetzt. Sie ist einfach zu fertigen, erfordert nur einen einzigen elektrischen Anschluss und nur einen geringen Aufwand für Montage und Justierung.
Insbesondere im Hinblick auf eine einfache Konstruktion hat es sich als günstig erwiesen, wenn die vorderste und die hinterste Subkammer jeweils eine Öffnung aufweisen, die mit einem stirnseitigen Ende eines Quarzglasrohres verbunden ist, in welchem eine Elektrode angeordnet ist, deren Stromanschluss über eine gasdichte Quetschung am gegenüberliegenden stirnseitigen Ende aus dem Quarzglasrohr geführt ist.
Die Elektroden werden hierbei nicht unmittelbar mit den jeweiligen Subkammern am Anfang und am Ende des Gasentladungskanals verbunden, sondern mit separaten Quarzglasrohren, von denen ein Ende mit einer Quetschung zur gasdichten Durchführung des Stromanschlusses für die Elektrode versehen ist. Das so mit der Elektrode versehene Quarzglasrohr muss danach nur noch mit der Quarzglaskammer verschweißt werden. Dies erleichtert die Fertigung der erfindungsgemäßen Quecksilberdampflampe.
In dem Zusammenhang hat es sich besonders bewährt, wenn das Quarzglasrohr ein Rundrohr ist.
Das Einbringen von Elektroden in Rundrohe über gasdichte Durchführung ist eine Standardtechnologie.
Die Quarzglasrohre können mit einer Seitenwand der Quarzglaskammer verbunden sein. Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich jedoch, wenn die Quarzglasrohre mit der Oberseite der Quarzglaskammer verbunden sind.
Es wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberdampflampe bevorzugt, bei der das Quarzglasrohr aus Quarzglas besteht, das einen Dotierstoff enthält, der für VUV-Strahlung der Wellenlänge um 185 nm eine Absorption bewirkt.
Das Quarzglasrohr (beziehungsweise die Quarzglasrohre) erstreckt sich in der Regel in die der Abstrahlrichtung entgegengesetzte Richtung und trägt zur UV-Behandlung nicht bei. Im Gegenteil, das Quarzglasrohr kann sich in Bereiche und Räume erstrecken, in denen die Abstrahlung von energiereichem UV-Licht unerwünscht ist, sei es wegen Ozonbildung oder wegen UV-Alterung benachbarter Bauteile, wie etwa Dichtungen aus Kunststoff.
Geeignete Dotierstoffe für die Absorption von VUV-Strahlung sind beispielsweise Titanoxid oder Galliumoxid.
Bei einer besonders einfache Bauform der erfindungsgemäßen Quecksilberdampflampe zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberseite und die Unterseite der Quarzglaskammer polygonal und die Subkammern quaderförmig ausgebildet sind.
Im Bereich der Trennstege ergibt sich ein gewisser Abfall der UV-Intensität über der Abstrahlfläche. Daher sind die Trennstege so dünn wie möglich und nur so dick wie nötig, wie es die mechanische Stabilität erfordert. Dabei hat es sich bewährt, wenn die Trennstege eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm aufweisen.
Es wird eine Bauform der erfindungsgemäßen Quecksilberdampflampe bevorzugt, bei der sich die Subkammern entlang einer Längsachse erstrecken, wobei deren Breitenabmessung senkrecht zur Längsachse im Bereich von 5 bis 20 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm beträgt.
Die Subkammern sind dabei länglich ausgebildet und verlaufen im einfachsten Fall von einer Seitenwand zur gegenüberliegenden Seitenwand. Die Höhe der Subkammern ergibt sich aus dem Abstand von Oberseite und Unterseite und ihre Breite - die Abmessung senkrecht zu Höhenabmessung und Längsachse - liegt in einem Bereich, bei dem sich eine optimale Ausfüllung durch die Gasentladung ergibt. Bei Breiten von mehr als 20 mm füllt die Gasentladung die Subkammern nicht vollständig aus, und bei Breiten von weniger als 5 mm sind bei vorgegebener Abmessung der Abstrahlfläche viele Trennwände mit dementsprechend hohem konstruktivem Aufwand erforderlich.
Im Hinblick auf eine möglichst eine optimale Ausfüllung der Subkammern durch die Gasentladung hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand zwischen Oberseite und Unterseite im Bereich von 5 bis 20 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm liegt.
Die Subkammern verlaufen im einfachsten Fall entlang ihrer Aneinanderreihung mäanderförmig.
Zur Erhöhung der im Bereich der Abstrahlfläche zur Verfügung stehenden Strahlungsintensität ist es vorteilhaft, wenn die Oberseite der Quarzglaskammer mit einem Reflektor versehen ist.
Dadurch geht der in Richtung der Oberseite abgestrahlte Strahlungsanteil nicht oder nur zu einem kleineren Teil verloren. Aus dem gleichen Grund ist es auch günstig, die Seitenwände mit einem Reflektor zu versehen.
Bei dem Reflektor kann es sich um ein separates Reflektorbauteil handeln. Besonders bevorzugt ist der Reflektor jedoch in Form einer Beschichtung der Oberseite ausgeführt, wie zum Beispiel in Form einer Schicht aus opakem Quarzglas, die als diffuser Reflektor wirkt.
Die Quarzglas-Kammer kann aus synthetisch erzeugtem Quarzglas bestehen und/oder aus Quarzglas, das aus natürlich vorkommendem Rohstoff erschmolzen ist. Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform, bei der die Unterseite aus synthetisch erzeugtem Quarzglas besteht.
Synthetisch erzeugtes Quarzglas zeichnet sich durch eine hohe Reinheit und eine besonders hohe Transmission für UV-Strahlung aus, insbesondere im Wellenlängenbereich um 185 nm.
Für Anwendungen mit empfindlicher Oberfläche wird vorzugsweise als Quecksilberdampflampe eine Quecksilberniederdrucklampe mit einer Nominalleistung von weniger als 100 Watt eingesetzt.
Quecksilberniederdrucklampen bieten einen ausgezeichneten Wirkungsgrad. Etwa 40 % der elektrischen Leistung wird in UVC-Strahlung bei 254 nm und etwa 10 % in VUV-Strahlung bei 185 nm umgewandelt. Allerdings können empfindliche Oberflächen bei geringem Abstand zur Abstrahlfläche des UV-Strahlers beeinträchtigt werden, was durch eine geringe Lampenleistung minimiert werden kann.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:

Figur 1: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quecksilberdampflampe in einer Vorderansicht,
Figur 2: die Quecksilberdampflampe gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht, und
Figur 3: die Quecksilberdampflampe gemäß Figur 1 in einer Draufsicht.

Die Quecksilberdampflampe gemäß Figur 1 dient zur Reinigung von statischen, nicht beweglichen Substraten in einer Mikroskopiereinheit. Die VUV-Strahlung bewirkt dabei eine Zersetzung organischer Verunreinigungen im molekularen Maßstab. Der Abstand zwischen der SubstratOberfläche und der Quecksilberdampflampe liegt im Bereich weniger Millimeter, so dass sich hohe Anforderungen an die Homogenität der UV-Bestrahlung ergeben.
Die hierfür eingesetzte Vorrichtung besteht aus einer Quecksilberniederdrucklampe 1, die für eine Nominalleistung von 50 Watt ausgelegt ist. Die Quecksilberniederdrucklampe 1 umfasst eine quaderförmige Quarzglaskammer 2, die durch gasdichtes Verschweißen einer quadratischen Deckenplatte 3, einer quadratischen Bodenplatte 4 und vier gleichen Seitenwänden 5 hergestellt ist. Ihre seitliche Abmessung beträgt 60 mm und ihre Höhe 15 mm.
Die Bodenplatte 4, die die Abstrahlfläche bildet, über die die Arbeitsstrahlung auf das Substrat austritt, besteht aus synthetisch erzeugtem Quarzglas. Die Deckenplatte 3 und die Seitenwände 5 bestehen aus Quarzglas, das aus natürlich vorkommendem Rohstoff erschmolzen ist.
Der Innenraum der Quarzglaskammer 2 ist mittels dreier Trennstege 6, die dieselbe Höhe wie die Seitenwände 5 haben, in vier längliche, parallel zueinander verlaufende quaderförmige Subkammern 7a, 7b, 7c, 7d unterteilt. Die Dicke der Trennstege 6 beträgt 2 mm und sie bestehen ebenfalls aus Quarzglas, das aus natürlich vorkommendem Rohstoff erschmolzen ist.
Aus der Draufsicht von Figur 3 ist ersichtlich, dass sich die Trennstege 6 dabei wechselweise von einer Seitenwand 5a bis nahe an die gegenüberliegende Seitenwand 5b erstrecken (und umgekehrt, von der Seitenwand 5b bis nahe an die gegenüberliegende Seitenwand 5a), so dass sich der Innenraum insgesamt als mäanderförmiger Gasentladungskanal darstellt, der aus der Aneinanderreihung der Subkammern 7a, 7b, 7c, 7d gebildet ist. Der Gasentladungskanal ist in Figur 3 durch den Richtungspfeil 8 symbolisiert. Die einzelnen Subkammern 7a, 7b, 7c, 7d erstrecken sich entlang einer Längsachse und haben eine Länge von etwa 56 mm und eine Breite von etwa 12,5 mm.
Die Trennstege 6 sind an jeweils drei Stellen an die Deckenplatte 3 und an die jeweils anliegende Seitenwand (5a beziehungsweise 5b) angepunktet. Ihre Länge ist so ausgelegt, dass sie zur gegenüberliegenden Seitenwand eine Spalt 13 mit einer Spaltweite von etwa 7 mm offenlassen, der eine fluidische Verbindung zwischen jeweils benachbarten Subkammern 7a, 7b, 7c, 7d darstellt.
Die Subkammer 7a bildet den Anfang des Gasentladungskanals 8 und die Subklammer 7d dessen Ende. Anfang und Ende liegen an ein und derselben Seitenwand 5a. Im Bereich dieser Subkammern 7a, 7d ist jeweils die Deckenplatte 3 mit einer Öffnung versehen, die mit einem angeschweißten Rundrohr 9 aus einem mit TiO₂ dotierten Quarzglas mit einem Außendurchmesser von 15 mm verschlossen ist. In den Rundrohen 9 sind Elektroden 10 montiert, deren Stromversorgung 11 über Quetschenden 12 aus den Rundrohren 9 herausgeführt ist.
Aus der Seitenansicht von Figur 2 ist ersichtlich, dass die Rundrohre 9 mitsamt den darin eingesetzten Elektroden 10 jeweils auf der Deckenplatte 3 im Bereich der Seitenwand 5a angeschlossen sind. Die Gasentladung erfolgt über die gesamte Strecke zwischen den Elektroden 9, also auch noch innerhalb der Rundrohe 9, wobei dieser Teil der Gasentladung jedoch zu der Bestrahlung des Substrats nicht beiträgt und nicht zum Gasentladungskanal 8 gerechnet wird.
Die Deckenplatte 3 und die Seitenteile 5 sind an ihrer Außenseite jeweils mit einer Schicht 13 aus opakem Quarzglas versehen, die als diffuser Reflektor wirkt.
Die erfindungsgemäße Quecksilberniederdrucklampe 1 ist aus einfachen Bauteilen gefertigt und sie ermöglicht eine besonders homogene UV-Bestrahlung auch im Nahfeld. Denn bei gleicher seitlicher Abmessung ermöglicht diese Konstruktion vier Subkammern 7a, 7b, 7c, 7d im Gegensatz zu nur drei Schenkeln bei einer mäanderförmigen Faltung des Lampenkolbens.

Claims

Quecksilberdampflampe für eine homogene flächenhafte Bestrahlung, mit einem Lampenkolben aus Quarzglas, der einen geschlossenen Entladungsraum umschließt, in den zwei Elektroden (10) hineinragen, zwischen denen ein nicht linearer Gasentladungskanal (8) verläuft, wobei der Lampenkolben als eine von geraden Wänden begrenzte Quarzglaskammer (2) mit Unterseite (4), Oberseite (3) und Seitenwandungen (5, 5a; 5b) ausgebildet und mittels mehrer, von der Unterseite (4) bis zur Oberseite (3) ragender Trennstege (6) aus Quarzglas in Subkammern (7a; 7b; 7c; 7d) unterteilt ist, die eine vorderste (7a) und eine hinterste Subkammer (7d) umfassen und die in Aneinanderreihung den nicht linearen Gasentladungskanal (8) bilden, indem sich die Trennstege (6) wechselweise von einer Seitenwand (5a) bis nahe an die gegenüberliegende Seitenwand (5b) unter Freilassung eines benachbarte Subkammern fluidisch verbindenden Spaltes (13) erstrecken, wobei die eine Elektrode (10) der vordersten Subkammer (7a) und die andere Elektrode (10) der hintersten Subkammer (7d) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstege (6) als Quarzglasplatten ausgebildet und an der Unterseite (4) und an der Oberseite (3) der Quarzglaskammer angepunktet sind.
Quecksilberdampflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderste (7a) und die hinterste Subkammer (7d) jeweils eine Öffnung aufweisen, die mit einem stirnseitigen Ende eines Quarzglasrohres (9) verbunden ist, in welchem eine Elektrode (10) angeordnet ist, deren Stromanschluss (11) über eine gasdichte Quetschung (12) am gegenüberliegenden stirnseitigen Ende aus dem Quarzglasrohr (9) geführt ist.
Quecksilberdampflampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglasrohr (9) ein Rundrohr ist.
Quecksilberdampflampe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasrohre (9) mit der Oberseite (3) der Quarzglaskammer (2) verbunden sind.
Quecksilberdampflampe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzglasrohr (9) aus Quarzglas besteht, das einen Dotierstoff enthält, der für VUV-Strahlung der Wellenlänge um 185 nm eine Absorption bewirkt.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (3) und die Unterseite (4) der Quarzglaskammer (2) polygonal und die Subkammern (7a; 7b; 7c; 7d) quaderförmig ausgebildet sind.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstege (6) eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm aufweisen.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Subkammern (7a; 7b; 7c; 7d) entlang einer Längsachse erstrecken, wobei deren Breitenabmessung senkrecht zur Längsachse im Bereich von 5 bis 20 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm beträgt.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Oberseite (3) und Unterseite (4) im Bereich von 5 bis 20 mm, vorzugsweise weniger als 15 mm beträgt.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Subkammern (7a; 7b; 7c; 7d) entlang ihrer Aneinanderreihung mäanderförmig verlaufen.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die (3) Oberseite der Quarzglaskammer mit einem Reflektor versehen ist.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite aus synthetisch erzeugtem Quarzglas besteht.
Quecksilberdampflampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quecksilberdampflampe eine Quecksilberniederdrucklampe mit einer Nominalleistung von weniger als 100 Watt ist.