KR100375617B1 - 긴 사용 수명을 가지는 고압 방전 램프용 전극 - Google Patents

Abstract

고압 방전 램프에 대한 전극(5)의 경우, 전극 표면의 적어도 일부는 높은 용융점 금속으로 만들어진 수지상 결정층(13)으로 커버된다. 실질적으로 보다 긴 사용 수명이 달성된다.

Description

긴 사용 수명을 가지는 고압 방전 램프용 전극 {LONG-LIFE ELECTRODE FOR HIGH PRESSURE DISCHARGE LAMP}

공개공보 EP-A 791 950로부터 이미 공지된 고압 방전 램프에서 애노드는 미세 입자의 텅스텐으로 만들어진 소결물 층을 가진 애노드의 말단부 외측에 제공된다. 따라서 애노드의 표면은 확장된다. 이에 따라 애노드의 온도는 동작동안 낮아지고, 전구의 흑화 현상이 감소될수있다. 상기 층의 방사도(emissivity)는 대략 0.5이다.

DE-A 11 82 743은 방사도를 상승시키고 소결된 텅스텐 또는 TaC로 만들어진 층의 사용을 개시한다. 상기 층은 셀룰로오스 결합제 및 대응하는 금속 분말을 가진 부틸 아세테이트 현탁액(suspension)을 슬러링(slurrying)함으로써 애노드에 인가된다. 소결 처리는 1800℃ 이상의 온도 및 진공 하에서 수행된다. 부가적인 냉각은 1 내지 3 mm 깊이의 냉각 채널을 사용함으로써 달성될 수 있다.

본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 고압 방전 램프용 전극, 특히 반도체 산업용 수은 단락 아크 램프에 관한 것이다. 상기 램프는 웨이퍼 또는 다른 기판을 노출시키기 위한 포토리소그래피에 주로 사용된다. 본 출원의 다른 바람직한 분야는 불활성 가스 고압 방전 램프, 특히 크세논 고압 방전 램프이다. 또한 금속 할로겐화물 램프에도 응용될 수 있다.

도 1은 수은 고압 방전 램프를 도시한 도.

도 2는 도 1로부터 램프의 코팅된 애노드를 도시한 도.

도 3은 두 램프의 애노드 온도의 비교를 도시한 도.

도 4는 코팅된 캐소드의 다른 실시예를 도시한 도.

도 5는 코팅된 캐소드의 또다른 실시예를 도시한 도.

도 6은 일정한 동작하에서 두 램프의 방사선 감소 사이의 비교를 도시한 도.

도 7은 펄스 동작의 두 램프의 방사선 감소 사이의 비교를 도시한 도.

도 8은 도 7 램프의 동작에 대한 펄스 모양을 도시한 도.

본 발명의 목적은 매우 긴 사용 수명을 가지는 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 고압 방전 램프용 전극을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제 1 항의 특징부에 의해 달성된다. 특히 바람직한 제안 사항은 종속항에 기재된다.

본 발명에 따른 전극 표면의 코팅은 (열 방사선에 의해) 전극을 냉각하기에 극히 효과적인 메커니즘으로서 적당하다. 이것은 방사 계수가 높아질수록, 전극이 보다 잘 냉각된다는 것을 말한다. 결과적으로, 전극으로부터의 텅스텐 증발, 및 전구 흑화 현상이 감소될 수 있다. 전극 온도로 인한 텅스텐 증발 비율의 지수적인 증가로 인해, 비교적 약간의 온도 강하 조차도 전구 흑화 현상의 실질적인 감소를 유도한다.

특히 포토리소그래피에서, 램프 동작중에 광속(luminous flux)의 감소가 가능한한 작은 램프가 요구된다. 대안은 기판이 매우 짧은 시간 노출되도록 하는 것이 가능하도록 가능한한 높은 광속이 요구된다. 결과적으로, 사용 수명이 길어질 수 있다. 선택적으로, 다른 설계는 보다 높은 초기 세기를 일정하게 유지하는 것이다. 전극의 크기는 또한 감소될 수 있다.

광속의 감소 이유는 전극 재료(텅스텐이 일반적으로 사용됨)가 높은 전력의 경우 방전 아크로 인해 용융되고 증발할 수 있기 때문이다. 특히, 애노드는 전자의 충돌에 의해 심하게 가열된다. 애노드로부터 증발하는 텅스텐은 전구에 증착되고 램프의 광속을 감소시키는 전구 흑화 현상을 유발한다. 그러나, 본 발명은 또한 부하가 높은 캐소드의 경우에도 적용될 수 있다.

애노드 온도는 이 경우 반드시 애노드에 의해 방사된 전력에 좌우된다. 만약 애노드가 플랑크 방사기(radiator)로서 고려되면, 영역(L)당 방사 전력은 스테판-볼쯔만 법칙에 의해 기술된다:

L = ε×σ×T⁴

여기서, σ = 5.67 × 10^-8W m^-2K^-4는 스테판-볼쯔만 상수이다; 방사 계수(ε)는 이상적인 흑체 방사기(ε=1)로부터 열 방사기(0< ε<1)의 편차를 기술한다. T는 절대온도(K)이다.

본 발명에서, 수지상 결정 금속(dendritic metal) 또는 금속 화합물을 사용하여 애노드를 코팅하는 것은 (적어도 1000℃의 온도의 경우) 약 0.3(순수 텅스텐)에서 0.6 이상의 값으로 방사 계수를 증가시킨다. 0.8 이상의 값은 램프 구성시 제 1 시간 동안 도달된다. 수지상 결정 구조(dendritic structure)는 부드러운 표면상에 다수의 바늘 모양의 방사-반사(radiation-reflecting) 나뭇가지(outgrowth) 형상을 가지는 구조이다. 이들 나뭇가지 형상은 수 나노미터에서 백 마이크로미터 이상의 간격으로, 바람직하게 적어도 300 nm의 평균 간격으로 연이어 배치된다. 두 개의 이웃하는 바늘 모양 피크 사이 계곡의 깊이가 서로로부터 이들 피크 간격의 적어도 30%인 구조가 특히 적당하다. 수지상 결정층은 일반적으로 높은 용융점 금속으로 형성될 수 있다. 특히 레늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 또는 상기 금속들의 카바이드 및/또는 니트라이드가 적당하다. 하프늄 또는 지르코늄의 카바이드 또는 니트라이드도 또한 적당하다. 게다가, 높은 용융점 금속으로부터 만들어진 일반적인 코팅은 텅스텐 코어 및 수지상 결정층 사이에 제공될 수 있다.

레늄 층은 수지상 결정이 특히 효과적으로 생산될 수 있기 때문에 특히 적당하다. 방사 계수(ε)는 대략 0.9이다. 결과적으로, 상기된 방사 전력(L)에 대하여, 코팅되지 않은 애노드 또는 소결된 텅스텐이나 TaC로 코팅된 애노드와 비교하여, 수지상 결정 레늄으로 코팅된 애노드의 경우 애노드를 동작할 때 온도를 200 K까지 감소시키는 것이 가능하다. 램프 구조에 대한 레늄 층은 레늄의 증기압이 텅스텐과 비교하여 대략 75의 인자 만큼 높은 범위에 특히 적합하다. 증기 증착 재료가 냉점에서 응축하기 때문에, 상기 관점은 진공에서 동작되는 회전형 애노드(rotary anode)의 경우에 역할을 하지 못한다. 그러나, 램프 구조에서 강한 증착은 흑화 현상을 유발하여, 사용 수명을 감소시킨다. 실제적인 온도 강하로 인하여, 이런 바람직하지 않은 효과는 보다 감소된다.

더욱이 이런 크게 개선된 애노드 냉각은 방전부와 면하는 애노드의 증착 표면으로부터 일반적인 전극 재료(텅스텐)의 증발을 크게 감소시킨다. 결과적으로, 램프는 동일한 광 데이터의 경우 전체적으로 사용 수명 기간중 방사가 크게 감소되는 특징을 가진다.

애노드의 전면 영역(front region)은 바람직하게 반구 또는 원뿔형으로 테이퍼링된다. 특히, 방전을 위한 평면 증착 표면(하기에서 애노드 편평부라 칭함)을 가진 원뿔형 절두체(frustum)가 적당하다.이러한 전극 표면의 적어도 일부에는 높은 용융점 금속으로 형성된 수지상 결정층이 커버링된다. 여기서, 전극 표면의 적어도 일부란 전극의 전면부를 제외한 실린더 표면(도 2, 도 5 참조) 또는 전극의 전체 표면(도 4 참조)을 모두 포함하는 의미이며, 이는 애노드 전극 및 캐소드 전극 모두에 적용된다.

선택적으로, 본 발명은 동일한 사용 수명 응답 및 동일한 동작 온도에 대하여 보다 작은 크기를 가지는 애노드를 제공할 수 있다. 보다 작은 크기는 전극에 의한 방전 아크의 쉐이딩(shading)을 감소시키고, 그 결과 램프의 광속은 동일한 사용 수명 응답과 관련하여 증가된다.

예를 들어, 화학적 가스 위상 에피텍시(CVD(화학적 기상 증착)로서 기술적 언어로 공지됨)에 의해 대략 10 내지 40 ㎛ 두께이며 수지상 결정 표면 구조를 가지는 금속층을 애노드 표면에 제공하는 것이 가능하다. 상기 금속층은 상호 간격이 통상적으로 대략 10 내지 30 ㎛인 바늘 모양 결정을 특징으로 한다. 바늘 모양 결정은 표면상에 대략 수직으로 배치되고, 그 결과 입사 방사선은 이웃하는 결정의 측면 표면 사이 다수의 반사에 의해 실질적으로 완전히 흡수된다. 결과적으로, 상기 층은 높은 흡수력을 가지며 검다. 높은 흡수력에 따라, ε=0.9 까지의 높은 방사 계수를 가진다. 상기 층의 생산은 X-선 튜브에 대한 회전형 애노드의 제공과 관련하여 US-A 3 982 148에 기술된다. 상기 참고 문헌이 특히 본 공개 공보에 대해 참조된다. CVD 기술은 특히 이런 층에 대한 생산 방법에 적당하다. 그러나, 스퍼터링(종종 PVD(물리 기상 증착) 같은 기술 언어로서 설계된) 또는 레이저 제거 같은 얇고, 높은 용융점의 금속 층을 제조하는 다른 기술이 고려된다.

대략 0.9까지 값으로 방사 계수의 증가는 코팅되지 않은 애노드와 비교하여, 특히 높은 압력의 단락 아크 램프에서, 애노드 편평부의 온도를 200 K 까지 낮출 수 있다.

본 발명은 1 내지 60 mg/cm³Hg의 함량을 가지는 수은 고압 방전 램프에 대해 적당하다. 부가된 불활성 가스의 일반적인 냉 충전 압력은 0.2 내지 5 bar이다. 상기 불활성 가스는 크세논이 주로 사용되지만, 아르곤(250 mbar)도 또한 매우 적당하다.

본 발명은 다른 형태의 램프, 특히 20 bar 까지의 냉 충전 압력을 가지는 크세논 고압 방전 램프에 응용될 수 있다. 상기 응용의 가장 중요한 분야는 펄스 방식으로 또는 직류 전류로 동작되는 고압 방전 램프이다. 포인트는 전극의 부하가 특히 높다는 것이다. 지금까지, 애노드 편평부는 중간이 녹아서 구조의 교체에 비용이 많이 들었다. 이러한 문제점은 이제 제거될 수 있다. 일반적으로, 여기에 기술된 기술은 부하가 큰 램프의 애노드뿐 아니라, 캐소드에도 적당하다. 캐소드의 전면 영역은 바람직하게 지시된다.

본 발명은 다수의 실시예의 도움으로 상세히 설명된다.

도 1은 방전관(2), 두 개의 샤프트 섹션(3) 및 각각 고착된 캡(4)을 가지는 수은 고압 방전 램프(1)의 다이어그램을 도시한 도이다. 상기 램프는 직류 전류(그러나 교류 전류도 또한 가능하다)를 사용하여 1000 W의 전력으로 동작된다. 애노드(5) 및 캐소드(6)는 4.5 mm 떨어져 간격진다. 방전관(2)은 대략 2.8 mm의 벽 두께를 가지는 석영 유리로 만들어진다. 전구는 1.4 bar의 냉 충전 압력으로 4.5 mg/cm³수은 및 크세논으로 충전된다. 전구의 동작 온도는 750℃ 이상의 값이다.

도 2는 애노드(5)를 상세히 도시한다. 애노드(5)의 몸체는 홀딩 로드(10)상에 고형 실린더(solid cylinder) 모양으로 배치된다. 상기 실린더는 방전부와 대면하는 측면상에서 원뿔형으로 진행함으로써 테이퍼링(tapering)된다. 원뿔 영역(11)은 직경이 대략 실린더의 30%인 편평한 편평부(12)에서 끝난다. 원뿔 영역은 대략 6 mm의 높이 이상 연장한다. 원뿔 영역 및 편평부를 포함하는 전면부를 제외하고, 실린더는 수지상 결정 레늄(13)이 코팅된다. 이런 특성은 상호 간격이 대략 10 내지 30 ㎛인 바늘 모양 레늄 결정이다. 층 두께는 대략 25 ㎛이다. 바늘 모양 결정은 표면상에 수직으로 배치되고, 그 결과 입사 방사선은 이웃하는 결정의 측면 표면 사이 다중 반사에 의해 실질적으로 완전히 흡수된다. 결과적으로, 상기 층은 높은 흡수력을 가지며 검다. 키르니호프 방사 법칙에 따라, 높은 흡수력은 높은 방사도와 관련된다. 검은 레늄의 방사 계수는 대략 ε=0.9이다. 한편으로는 결정이 충분히 밀집되게 배치되고, 다른 한편으로는 결정 사이의 계곡이 충분히 깊은 기능이 중요하다. 각각의 수지상 결정의 간격 및 높이 사이의 비율은 바람직하게 적어도 0.3이다.

보다 낮은 전력(1000 W 이하)의 다른 예시적인 실시예에서, 전체 애노드는 레늄으로 코팅된다.

도 3은 수지상 결정 레늄으로 코팅된 애노드 및 TaC로 코팅된 애노드 사이에 3500 W의 전력을 가지는 수은 단락 아크 램프에 대해서 애노드 편평부 영역 및 실린더 영역의 온도 비교를 도시한다. 애노드 편평부는 열적으로 가장 심하게 부하가 걸리는 애노드 부분이고, 상기 부분에서 전구를 흑화시키는 텅스텐이 증발한다. 두 개의 실험예 사이의 온도 차는 편평부상에서 대략 170℃이다. 이러한 차이는 (편평부로부터 적어도 3 mm의 간격까지) 애노드의 전체 전면 영역상에서 유지된다.

도 4는 수지상 결정 레늄 층(16)으로 완전히 커버된 높은 전력(3500 W)의 램프에 대해 부하가 큰 캐소드(15)의 실시예를, 도 5는 단지 실린더 몸체(21)만 레늄(22)으로 코팅된 2500 W의 전력을 가진 램프에 대해 부하가 작은 캐소드(20)의 실시예를 추가로 도시한다.

도 6은 애노드가 수지상 결정 레늄(곡선 a)으로 코팅된 수은 단락 아크 램프와 애노드가 TaC(곡선 b)로 코팅된 동일 설계의 램프의 방사선 감소 비교를 도시한다. 램프는 3400 W의 일정한 전력에서 동작된다. 총 방사선 세기는 울브리트(Ulbricht) 구를 사용하여 363 내지 367 nm(웨이퍼 스텝퍼에 매우 중요한 i-라인에 대응)의 파장 영역에서 측정된다. 수지상 결정 애노드 코팅을 가지는 램프가 애노드상 TaC 코팅을 가지는 램프보다 사용 수명동안 흑화 현상으로 인해 방사선의 보다 작은 감소를 가진다는 것이 명확하게 도시된다.

도 7은 애노드가 TaC로 코팅되고 펄스 동작되는 동일 설계(곡선 b)의 램프와 애노드가 수지상 결정 레늄(곡선 a)으로 코팅된 수은 단락 아크 램프의 방사선(i-라인의 영역에서)의 감소 비교를 도시한다. 이것은 전력이 적어도 두 개의 값 사이에서 주기적으로 변화되는 동작으로서 이해되고, 전극은 매우 심하게 로딩된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 수은 증기 램프는 2720 W에서 300 ms 동안 및 2400 W에서 500 ms 동안 각각 동작된다. 펄스의 시퀀스는 도 8에서 개략적으로 표현된다. 전력은 각각의 경우 1600 W/s에서 변화된다. 사다리꼴로 펄스되는 전력 신호가 발생한다. 이런 전력 동작으로 인해, 램프의 흑화 현상은 일정한 전력에서의 동작보다 강하다. 여기서, 애노드의 수지상 결정 코팅을 가지는 램프는 애노드상 TaC 코팅을 가지는 램프보다 보다 우수한 사용 수명 응답(보다 약한 흑화 현상)을 나타낸다.

Claims (10)

1. 고압 방전 램프용 전극으로서,

   상기 전극 표면의 적어도 일부는 높은 용융점 금속으로 형성된 수지상 결정층(dendritic layer)으로 커버되고,

   상기 높은 용융점 금속은 레늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨 또는 이들의 혼합물 또는 화합물이거나, 하프늄 또는 지르코늄의 혼합물 또는 화합물인 것을 특징으로 하는 전극.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 혼합물 또는 화합물은 상기 금속들의 니트라이드 또는 카바이드인 것을 특징으로 하는 전극.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지상 결정층은 10 내지 40 ㎛의 두께인 것을 특징으로 하는 전극.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극은 수지상 결정층(16; 21)으로 적어도 부분적으로 커버되는 끝이 뾰족한 캐소드(15; 20)인 것을 특징으로 하는 전극.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극은 방전으로부터 회피되는 영역에서 수지상 결정층으로 완전히 또는 적어도 부분적으로 커버되는 애노드(5)인 것을 특징으로 하는 전극.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 애노드(5)는 전면 영역이 테이퍼링(11)된 실린더 몸체를 가지는 것을 특징으로 하는 전극.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전면 영역은 원뿔 모양으로 테이퍼링되고 실린더의 축을 가로지르는 편평한 편평부(12)를 가지는 것을 특징으로 하는 전극.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 표면의 방사 계수는 0.6 이상인 것을 특징으로 하는 전극.
9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 따른 전극을 구비하는 고압 방전 램프(1)로서,

   충전물이 수은 또는 불활성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
10. 제 1 항에 따른 전극을 제조하기 위한 방법으로서,

    상기 층의 증착은 CVD 또는 PVD에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전극.