JP2014531116A - サイクルを有する、直流動作用の水銀蒸気ショートアークランプ - Google Patents

Abstract

ここに記載されているのは、放電容器の内部空間に配置されたカソード（２４）およびアノード（２２）を有する直流動作用の水銀蒸気ショートアークランプ（１）である。この放電容器（４）の内部空間（６）における雰囲気には、少なくとも１つのハロゲンまたはハロゲン化合物が含まれており、上記の内部空間における水銀密度は１〜６０mg／ｃｍ3である。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された水銀蒸気ショートアークランプに関する。

従来の技術
水銀蒸気ショートアークランプ（例えばOSRAM HBO（登録商標））は、主に半導体産業に使用され、しかも有利には３６５ｎｍ付近の波長領域の有効ビームを放射する（マイクロチップリソグラフィ）いわゆるｉ線ランプとして、または有利には３５０〜４５０ｎｍの波長領域において有効ビームを放射するいわゆるＬＣＤランプ（ＬＣＤリソグラフィ）として使用される。

DE 102 09 426 A1からは、ｉ線（３６５ｎｍ）マイクロリソグラフィにおいて使用するための直流電流動作の水銀蒸気ショートアークランプが公知である。このランプは、楕円体形をした放電容器（ランプ外被部）を有しており、この放電容器は、タングステン製のカソードおよびアノードを取り囲んでおり、またこの放電容器には不活性ガスおよび水銀からなる充填物が含まれている。

水銀蒸気ショートアークランプを動作させる際の問題は、電極材料（例えばタングステン）の蒸着（スパッタ作用）であり、またこれに起因して動作時間の増大と共に強くなるランプ外被部の内壁の黒色化であり、これにより、出力パワーが低下し、また外被部温度の上昇してしまう。

ハロゲンが、いわゆるハロゲンサイクルプロセスによって動作時間中のランプ外被部の黒色化を低減することは公知である。このハロゲンサイクルプロセスの流れはつぎのように説明することができる。外被部における高い動作温度により、タングステン原子は、カソードおよびアノードから蒸発する。これらのタングステン原子のうちのほとんどは、外被壁に沈殿するのではなくハロゲン化合物を形成してハロゲンによって捕捉される。ランプ外被部の黒色はこれによって大きく低減されるのである。

１５０以上から２００ｍｇ／ｃｍ³までの水銀濃度および水銀化学を有する放電ランプにおいてハロゲンサイクルプロセスを使用することは公知であるが、この際にはランプの内部に８００℃を上回る最小温度（コールドスポット温度）を保証しなければならない。なぜならば、そうでなければこのハロゲンサイクルプロセスがもはや機能しないからである。

６０ｍｇ／ｃｍ³までの水銀濃度ならびに５００から７５０℃までの温度領域のランプの内部における温度（コールドスポット温度）および水銀化学を有する放電ランプでは、外皮部の黒色化を最小化するかまたは阻止し得る有効なサイクルプロセス方式は公知ではない。

本発明の説明
本発明の課題は、約６０ｍｇ／ｃｍ³までの水銀濃度を有する水銀蒸気ショートアークランプに対し、直流電流動作において、ランプの内部における温度が比較的低い（コールドスポット温度）場合であっても有効に動作して、ランプ外被の内壁の黒色化を有効に阻止することができるサイクルプロセスを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する放電ランプによって解決される。

本発明は、放電容器の内部空間に配置されたカソードおよびアノードを有する水銀蒸気ショートアークランプに関しており、ここでこのランプは、上記の内部空間における雰囲気が、少なくとも１つのハロゲンまたはハロゲン化合物を含み、かつ、上記の内部空間における水銀密度は、いわゆるｉ線（３６５ｎｍにおける狭帯域紫外線放射）水銀蒸気ショートアークランプ（例えばｉ線リソグラフィ用OSRAM HBOランプ）の場合に１から３ｍｇ／ｃｍ³の間にあるか、または、いわゆる広帯域紫外線水銀ショートアークランプ（例えばＬＣＤリソグラフィ用OSRAM HBOランプ）の場合に２０から６０ｍｇ／ｃｍ³の間にある。

この解決手段は、殊にＨＢＯ ｉ線およびＬＣＤランプにおいて、動作温度（放電容器の内部における温度）が低くても、ハロゲンサイクルプロセスが実現できるという利点を有する。

本発明では、ハロゲンまたはハロゲン化合物の濃度領域が示され、これにより、約６０ｍｇ／ｃｍ³までの水銀濃度を有する水銀蒸気ショートアークランプにおいても有効なハロゲンサイクルプロセスが可能になり、またこのサイクルプロセスの望ましくない過剰な反応が発生しない。

ハロゲンないしはハロゲン化合物の添加物の特徴は殊に、この添加物が、極めて良好に調量できることである。このハロゲン化物において場合によっては不純物として内在的に含まれている酸素は、上記のサイクルプロセスにおける所望の反応を加速させる。

本発明の殊に有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

１つの実施例によるＨＢＯ放電ランプの長手断面図である。 タングステンオキシハライド添加物のない対応する２つのランプと比較した、放電容器にタングステンオキシハライド添加物を有するＨＢＯ ３５００Ｗランプの寿命特性を示す線図である。

以下では、実施例に基づき、本発明を詳しく説明する。

本発明の有利な実施例
以下では、直流動作の水銀蒸気ショートアークランプ（OSRAM HBO 3500W/PI）に基づいて本発明を説明する。この水銀蒸気ショートアークランプにおいて雰囲気には、水銀蒸気と、ハロゲンまたはハロゲン化合物と、始動ガスとしての不活性ガスとが含まれている。

図１には、ショートアーク技術の両側ソケット式高圧放電ランプ１が略示されている。このランプは、放電室６を有する石英ガラス製の放電容器４と、放電容器４の直径上に配置された２つの密閉外皮胴部８，１０とを有しており、これらの外皮胴部の開放された端部部分にはそれぞれソケットスリーブ１１，１２が設けられている。放電室６には外皮胴部８，１０内に延在する２つの電極棒１４，１６が突き出ており、動作時にはこれらの電極棒間にガス放電（アーク）が発生する。放電容器４の放電室６には、水銀蒸気およびタングステンオキシハライドおよび場合によっては不活性ガスが封入されている。

電極棒１４，１６はそれぞれ、２つの外皮胴部８，１０の各外皮胴部内に設けられている詳しく図示していない気密の電流供給システムを介してソケットスリーブ１１，１２に電気的に接続されている。放電部側では電極棒１４，１６がアノード２２ないしはカソード２４に接続されている。この図によれば、下側に配置されたカソード２４は、高温を形成するために円錐形の先頭部によって構成されており、これにより、熱放射および電界放出に起因して所定のアーク付着および十分な電極溶融（Elektrodenfluss）が保証される。この図の上側において熱的に高い負荷がかかる、例えばタングステン製のアノード２２は実質的にドラム缶形に形成されており、電極サイズを十分に大きくすることによって熱的な放射出力（放熱）が改善される。

放電容器４の内部空間６における水銀密度は有利には、１〜３ｍｇ／ｃｍ³（ｉ線ランプ）ないしは２０〜６０ｍｇ／ｃｍ³（ＬＣＤランプ）であり、これは低水銀密度に相応する。本発明による放電ランプにおける水銀蒸気圧力は動作時に１００bar未満である。

放電容器４の内部空間６の雰囲気中に入れられるハロゲンおよび／またはハロゲン化合物は有利には、メタルオキシハライドであるが、希土類のメタルオキシハライドおよび可視領域およびＵＶ領域に輝線を有する金属のメタルオキシハライドは除外される。

本発明の特別な実施形態において上記のメタルオキシハライドは、タングステンオキシクロリド、タングステンオキシブロミド、タングステン酸ヨウ化物およびこれらの混合物からのグループから選択されたタングステンオキシハライドである。タングステンオキシクロリドおよびタングステンオキシブロミドは殊に有利である。メタルオキシハライドは、固体であり、調量が容易である。

上記のハロゲン化合物が酸素を含まない場合、上記の内部空間に酸素を化学量論的量で追加調量することができ、これによって上記のサイクルプロセスが加速される。

上記の内部空間の雰囲気におけるハロゲン化合物の塩素の濃度は、本発明の有利な実施形態において０．１〜２５μｇ／ｃｍ³の範囲内にする。臭素の場合、濃度は有利には０．３〜１００μｇ／ｃｍ³である。

本発明によって判明したのは、ｉ線ランプおよびＬＣＤランプにおいて、水銀密度を基準にしてハロゲン化物に対し、以下の濃度領域を使用すべきであることである。

ｉ線ランプ（１ｋＷ〜１０ｋＷ）
水銀密度：１〜３mg／ｃｍ³
コールドスポット温度：５００℃〜７００℃
塩素濃度：０．１〜１０μｇ／ｃｍ³
および／または 臭素濃度：０．３〜５０μｇ／ｃｍ³

ＬＣＤランプ
水銀密度：２０〜６０mg／ｃｍ³
コールドスポット温度：６００℃〜７５０℃
塩素濃度：０．２〜２５μｇ／ｃｍ³
および／または臭素濃度：１〜１００μｇ／ｃｍ³

内部空間６の水銀雰囲気中に少なくとも１つのハロゲンまたはハロゲン化合物を添加することにより、上記のサイクルプロセスを低温においても維持することができる。例えば、放電容器４の内部における上記の温度は有利には、７５０℃以下であり、有利には７００℃と６００℃との間（ＬＣＤランプ）ないしは７００℃と５００℃（ｉ線ランプ）の間である。

本発明による放電ランプの別の実施形態において放電容器４にはさらに１つの不活性ガスないしは複数の不活性ガスからなる混合物が含まれている。別の特別な実施形態においてこの不活性ガスはアルゴンである。

放電容器４内の１つまたは複数の不活性ガスの蒸気圧は有利には１mbarと約５barとの間である。この高い圧力により、タングステン気化を遅くすることができる。

図２には、ＨＢＯ ３５００Ｗ／ＰＩランプ（約3500W/160A電流強度）のｉ線（３６５ｎｍ）のビームパワーの時間経過１００が示されている。ここでこのランプは、本発明にしたがい、約１．２ｍｇのタングステンオキシクロリド（ＷＯ₂Ｃｌ₂）が充填されており、これは、０．３ｍｇの塩素有効量に相当する。タングステンオキシハライドを含まない基準ランプ１１０，１１１と比較して、時間についてのｉ線ビーム放射の減少が、格段に少ないことがわかる。ここではゲッタは使用しなかった。水銀充填量は５４０ｍｇであり，アルゴン充填圧力は８５０mbarであった。ここではアノードのペースト被着（Anodenbepastung）は行わなかった。

ＬＣＤランプの例として、直流で動作されるＨＢＯ ８０００Ｗ／Ｃランプに、６ｍｇのＷＯ₂Ｃｌ₂（１．５ｍｇの塩素の有効量に相当する）と、６００mbarのアルゴンと、４０ｇの水銀とを充填した。このランプを９６０時間、動作状態に維持した。このランプでは、識別できる黒色化はなく、殊に下側の外皮領域においても黒色化はなかった。

Claims (10)

1. 放電容器（４）の内部空間（６）に配置されたカソード（２４）およびアノード（２２）を有する、直流動作用水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記内部空間（６）における雰囲気には、少なくとも１つのハロゲンまたはハロゲン化合物が含まれており、
   前記内部空間（６）における水銀密度は、１から６０ｍｇ／ｃｍ³の間である、
   ことを特徴とする直流動作用水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
2. 請求項１に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記ハロゲン化合物は、メタルハライドであり、
   ただし、希土類のメタルハライドおよび可視領域およびＵＶ領域に輝線を有する金属のメタルハライドは前記放電容器には存在しない、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
3. 請求項２に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記メタルオキシハライドは、タングステンオキシクロリド、タングステンオキシブロリド、タングステンオキシヨウ化物のグループからのものであるかまたはこれらの混合物である、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
4. 請求項３に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記雰囲気における塩素の濃度は、０．１から２５μｇ／ｃｍ³である、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
5. 請求項３に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記雰囲気における臭素の濃度は、０．３から１００μｇ／ｃｍ³である、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記水銀蒸気ショートアークランプ（１）は、動作中における前記放電容器（４）の内部における温度が７５０℃以下なるように設計されている、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
7. 請求項６に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記水銀蒸気ショートアークランプ（１）は、動作中における前記放電容器（４）の内部における温度が７００℃から６００℃の間の領域（ＬＣＤランプ）ないしは７００℃から５００℃（ｉ線ランプ）の領域になるように設計されている、
   ことを特徴とする動作中に水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記放電容器（４）にはさらに、１つの不活性ガスないしは複数の不活性ガスからなる混合物が含まれている、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
9. 請求項８に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
   前記不活性ガスはアルゴンである、
   ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。
10. 請求項８または９に記載の水銀蒸気ショートアークランプ（１）において、
    前記１つまたは複数の不活性ガスの蒸気圧は、１mbarと5barとの間にある、
    ことを特徴とする水銀蒸気ショートアークランプ（１）。

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