RU2035796C1

RU2035796C1 - Metal halogenide lamp

Info

Publication number: RU2035796C1
Application number: RU93025527A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Ашурков; А.М. Будолати; Г.Н. Гаврилкина; Г.С. Сарычев; Е.П. Швецова
Original assignee: Научно-производственный центр "Фототехнология"
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: metal halogenide lamp has burner of quartz glass with hermetically sealed electrodes. Burner is filled with mercury, gallium, lead, aluminium, magnesium and iodine with following molar concentrations of metal ingredients filling volume of burner, μmole/см³: mercury 5.9-29.5; gallium (0.09-0.6), lead (0.03-0.5), aluminium (0.01-0.2), magnesium (0.02-0.3). Ratio of molar concentration of iodine in terms of atomic iodine to sum of molar concentrations of gallium, lead, aluminium and magnesium amounts to 1.1-2.6. EFFECT: increased operational efficiency and stability. 1 tbl

Description

Изобретение относится к светотехнике, в частности к конструкции металлогалогенных ламп для фотохимических технологических процессов, эффективно протекающих под действием излучения в спектральной области 350-450 нм, например фотолитографических процессов с использованием диазотипных материалов. The invention relates to lighting technology, in particular to the design of metal halide lamps for photochemical processes that occur efficiently under the influence of radiation in the spectral region of 350-450 nm, for example photolithographic processes using diazotypic materials.

Известна конструкция металлогалогенной лампы для фотохимических технологических процессов с повышенным энергетическим КПД излучения в фиолетовой области спектра [1] содержащая горелку с электродами, наполненную ртутью, галлием, йодом, а также инертным (стартовым) газом при отношениях молярных концентраций галлия и молекулярного йода (I₂) к произведению внутреннего объема горелки и молярной концентрации ртути (2,7-3,6) ^.10^-4 и (7,6-13,0) ^.10^-4 см-³ соответственно.A known design of a metal halide lamp for photochemical technological processes with increased energy efficiency of radiation in the violet spectral region [1] containing a burner with electrodes filled with mercury, gallium, iodine, as well as an inert (starting) gas at a ratio of molar concentrations of gallium and molecular iodine (I ₂ ) to the product of the internal volume of the burner and the molar concentration of mercury (2.7-3.6) ^. 10 ^-4 and (7.6-13.0) ^. 10 ^-4 cm- ^3, respectively.

Недостатками этой конструкции являются низкий энергетический КПД излучения в области 350-450 нм, порядка не более 16% и низкий процент выхода годных изделий из-за трудности зажигания лампы с помощью традиционных импульсных зажигающих устройств (с амплитудой импульсного напряжения до 4 кВ) и разгорания лампы (часты погасания разряда при разгорании). Причина этих недостатков в чрезмерной дозировке йода и, как следствие, в переизбытке свободного йода в объеме горелки, имеющего большое средство к электронам и высокий интегральный коэффициент поглощения в фиолетовом 380-430 нм участке спектра. The disadvantages of this design are the low energy efficiency of radiation in the region of 350-450 nm, of the order of no more than 16% and the low percentage of suitable products due to the difficulty of igniting the lamp using traditional pulsed ignition devices (with an amplitude of the pulse voltage of up to 4 kV) and lamp burning (Frequent extinction of discharge during flaring up). The reason for these shortcomings is an excessive dosage of iodine and, as a result, an overabundance of free iodine in the volume of the burner, which has a large electron-count and a high integrated absorption coefficient in the violet 380-430 nm region of the spectrum.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является выбранная в качестве прототипа металлогалогенная лампа [2] содержащая горелку с электродами, наполненную ртутью, галогенами, в частности йодом, галлием, свинцом и алюминием при массовой концентрации (в объеме горелки) галогенов (0,005-0,7) мг/см³, причем галлий и алюминий берутся из расчета по 2/3 моля на каждый моль галогена (Х₂), а свинец 1 моль на 1 моль галогена (Х₂).The closest in technical essence to the claimed solution is a metal halide lamp [2] selected as a prototype containing a burner with electrodes filled with mercury, halogens, in particular iodine, gallium, lead and aluminum at a mass concentration (in the volume of the burner) of halogens (0.005-0 , 7) mg / cm ³ , and gallium and aluminum are taken from the calculation of 2/3 mol per each mole of halogen (X ₂ ), and lead 1 mol per 1 mol of halogen (X ₂ ).

Недостатком лампы по прототипу является низкий начальный КПД излучения в спектральной области 350-450 нм, порядка не более 16,5% при низкой временной стабильности этого КПД в процессе эксплуатации лампы вследствие постепенной конденсации галлия, свинца и алюминия в виде малопрозрачной пленки на стенке горелки, обусловленный количественным недостатком галогена (в частности, йода): за 500 ч горения лампы спад указанного КПД достигает 50% от начального значения. The disadvantage of the prototype lamp is a low initial radiation efficiency in the spectral region of 350-450 nm, of the order of not more than 16.5% with a low temporal stability of this efficiency during operation of the lamp due to the gradual condensation of gallium, lead and aluminum in the form of an opaque film on the burner wall, due to a quantitative lack of halogen (in particular, iodine): after 500 hours of lamp burning, the decrease in the specified efficiency reaches 50% of the initial value.

Целью изобретения является повышение начального энергетического КПД излучения металлогалогенной лампы для фотолитографических процессов в спектральной области 350-450 нм при одновременном повышении его временной стабильности. The aim of the invention is to increase the initial energy efficiency of radiation of a metal halide lamp for photolithographic processes in the spectral region of 350-450 nm while increasing its temporal stability.

Цель достигается тем, что лампа, имеющая кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, галлием, свинцом, алюминием и йодом, дополнительно содержит магний при следующих молярных концентрациях металлических ингредиентов наполнения горелки, мкмоль/см³; Ртуть 5,9-29,5 Галлий 0,09-0,6 Свинец 0,03-0,5 Алюминий 0,01-0,2 Магний 0,02-0,3 при этом отношение молярной концентрации йода в расчете на атомарный йод к сумме молярных концентраций галлия, свинца, алюминия и магния составляет 1,1-2,6.The goal is achieved in that the lamp having a quartz burner with hermetically sealed electrodes filled with mercury, gallium, lead, aluminum and iodine, additionally contains magnesium at the following molar concentrations of the metal ingredients of the burner filling, μmol / cm ³ ; Mercury 5.9-29.5 Gallium 0.09-0.6 Lead 0.03-0.5 Aluminum 0.01-0.2 Magnesium 0.02-0.3 the ratio of the molar concentration of iodine per atomic iodine to the sum of molar concentrations of gallium, lead, aluminum and magnesium is 1.1-2.6.

Конструктивно лампа аналогична известным конструкциям трубчатым двухцокольных с электродами с обоих концов горелки металлогалогенных ламп высокой интенсивности без внешней стеклянной колбы. Structurally, the lamp is similar to the well-known tubular double-ended designs with electrodes on both ends of the burner of high intensity metal halide lamps without an external glass bulb.

Лампа работает следующим образом. The lamp operates as follows.

После установки лампы цоколями в электрические патроны, включения в цепь питания лампы и последующего замыкания этой цепи на горелку подаются напряжение питающей сети и высокочастотные высоковольтные импульсы напряжения, создаваемые импульсным зажигающим устройством в цепи питания лампы, в результате чего между электродами возникает разряд в инертном (стартовом) газе, например аргоне, который, разогревая стенку горелки, приводит к испарению с нее ртути, увеличивающей мощность разряда и температуру стенки, которая приводит к испарению в рабочий объем йодидных соединений галлия, свинца, алюминия и магния, предварительно образовавшихся в результате парофазных реакций этих металлов с йодом после первого технологического включения лампы, лампа разгорается, после чего она переходит в режим дугового горения с установившимися параметрами (рабочий), эффективно излучая в интересующем интервале длин волн (350-450 нм). При этом в дополнение к линиям излучения ртутного буферного газа в этом спектральном интервале, 365,0/5,5/6,3, 404,7, 407,8 и 435,8 нм, спектр излучения лампы содержит уширенные этим буферным газом сильные линии галлия 403,3 и 417,2 нм, свинца 357,3, 364, 368,3, 374,0 и 405,8 нм, алюминия 394,4 и 396,1 нм и магния 382,9/3,2/3,8 нм. В результате этого имеет место повышенный энергетический КПД излучения лампы в интервале длин волн 350-450 нм. After installing the lamp with the caps in the electrical cartridges, turning on the lamp power supply circuit and then closing this circuit, the mains voltage and high-frequency high-voltage voltage pulses generated by the pulsed ignition device in the lamp power circuit are applied to the burner, as a result of which an inert discharge occurs between the electrodes ) gas, for example argon, which, by heating the burner wall, leads to the evaporation of mercury from it, increasing the discharge power and the wall temperature, which leads to evaporation into the working volume of the iodide compounds of gallium, lead, aluminum and magnesium, previously formed as a result of the vapor-phase reactions of these metals with iodine after the first technological inclusion of the lamp, the lamp flares up, after which it switches to the arc burning mode with steady-state parameters (working), effectively emitting wavelength range of interest (350-450 nm). In addition to the emission lines of the mercury buffer gas in this spectral range, 365.0 / 5.5 / 6.3, 404.7, 407.8 and 435.8 nm, the emission spectrum of the lamp contains strong lines broadened by this buffer gas gallium 403.3 and 417.2 nm, lead 357.3, 364, 368.3, 374.0 and 405.8 nm, aluminum 394.4 and 396.1 nm and magnesium 382.9 / 3.2 / 3 , 8 nm. As a result of this, there is an increased energy efficiency of lamp radiation in the wavelength range of 350-450 nm.

При молярных концентрациях ртути меньше 5,9 мкмоль/см³ рабочее давление ее паров слишком слабо уширяет линии излучения металлов добавок и самой ртути, а при концентрациях ртути больше 29,5 мкмоль/см³ пары ртути радиационно слишком охлаждают разряд, что снижает эффективность высвечивания указанных линий металлов добавок и самой ртути из разряда, так что в обоих случаях положительный эффект от заявляемого решения по энергетическому КПД излучения в области 350-450 нм отсутствует. При молярных концентрациях металлов добавок (т. е. галлия, свинца, алюминия и магния) меньше их заявленных нижних пределов высвечивание вышеуказанных линий этих металлов из разряда вследствие слишком низких их парциальных давлений в разряде чрезмерно мало, а при больших заявленных величин верхних пределов пары указанных металлов слишком охлаждают (радиационно) разряд, снижая выход указанных линий, в том числе и ртутных, из разряда, так что и в этом случае положительный эффект от заявляемого технического решения отсутствует. При отношениях молярной концентрации атомарного йода к сумме молярных концентраций металлов добавок меньше 1,1 количества йода оказывается недостаточно для полного связывания металлов добавок в летучие металлогалогениды GaI_3, PbI₂, AlI_3, MgI₂, в результате чего часть металлов постепенно конденсируется на стенке горелки, образуя малопрозрачную пленку, сильно снижающую временную стабильность указанного энергетического КПД излучения, а при указанных отношениях больше 2,6 в объеме горелки присутствует чрезмерный избыток свободного йода, затрудняющий процессы зажигания и разгорания лампы, что выражается в пониженном выходе годных ламп.At molar concentrations of mercury less than 5.9 μmol / cm ^{3, the} working vapor pressure too weakly broadens the emission lines of the metals of the additives and mercury itself, and at mercury concentrations greater than 29.5 μmol / cm ^{3 the} mercury vapor radiates too much cooling discharge, which reduces the efficiency of emission these metal lines of additives and mercury itself from the discharge, so that in both cases there is no positive effect of the proposed solution on the energy efficiency of radiation in the region of 350-450 nm. At molar concentrations of additive metals (i.e., gallium, lead, aluminum and magnesium) less than their stated lower limits, the highlighting of the above lines of these metals from the discharge is excessively small due to their low partial pressures in the discharge, and for large declared values of the upper limits, the pairs of the indicated metals too cool (radiation) discharge, reducing the output of these lines, including mercury, from the discharge, so that in this case there is no positive effect from the claimed technical solution. When the ratio of the molar concentration of atomic iodine to the sum of the molar concentrations of the metal additives is less than 1.1, the amount of iodine is not enough to completely bind the metal additives to the volatile metal halides GaI _3, PbI ₂ , AlI _3, MgI ₂ , as a result of which part of the metals gradually condenses on the burner wall , forming a translucent film, greatly reducing the temporal stability of the specified energy efficiency of radiation, and with these ratios greater than 2.6 in the burner volume there is an excessive excess of free iodine, sculpt the processes of ignition and lamp buildup, resulting in a reduced yield of lamps.

В таблице приведен 21 пример конкретного выполнения лампы по заявляемому техническому решению, два из которых показали оптимальные результаты. При этом лампа имела одинаковые горелки из кварцевого стекла одного сорта с внутренним диаметром колбы (трубки) 29 мм и межэлектродным расстоянием 110 мм. Лампы испытывались в горизонтальном положении в непрерывном режиме горения при циклическом режиме по мощности, соответствующем реальным условиям эксплуатации; 3000 Вт в течение 10 мин, 1500 Вт в течение 5 мин и т.д. Обозначения и размерности в таблице следующие: Ga, Pb, Al, Mg, Hg молярные концентрации в объеме горелки металлов добавки: галлия, свинца, алюминия, магния и ртути, мкмоль/см^3, соответственно, 1/(Ga + Pb + Al + Mg) отношение молярной концентрации атомного йода к сумме молярных концентраций галлия, свинца, алюминия и магния, η_o начальное значение энергетического КПД излучения лампы в спектральном диапазоне 350/450 нм, η ₅₀₀/ η_o отношение значения указанного КПД после 500 ч горения лампы в указанном режиме к его начальному значению.The table shows 21 examples of specific lamp designs according to the claimed technical solution, two of which showed optimal results. In this case, the lamp had the same quartz glass burner of the same grade with an inner diameter of the bulb (tube) of 29 mm and an interelectrode distance of 110 mm. The lamps were tested in a horizontal position in a continuous mode of combustion with a cyclic mode in power, corresponding to the actual operating conditions; 3000 watts for 10 min, 1500 watts for 5 min, etc. The notation and dimensions in the table are as follows: Ga, Pb, Al, Mg, Hg molar concentrations in the volume of the metal burner additives: gallium, lead, aluminum, magnesium and mercury, mmol / cm ^3, respectively, 1 / (Ga + Pb + Al + Mg) the ratio of the molar concentration of atomic iodine to the sum of the molar concentrations of gallium, lead, aluminum and magnesium, η _{o the} initial value of the energy efficiency of lamp radiation in the spectral range 350/450 nm, η ₅₀₀ / η _{o the} ratio of the value of the specified efficiency after 500 hours of lamp burning in specified mode to its initial value.

Из таблицы следует, что лампа по заявляемому техническому решению обладает повышенным энергетическим КПД излучения в спектральной области 350-450 нм и повышенной временной стабильностью этого КПД. From the table it follows that the lamp according to the claimed technical solution has an increased energy efficiency of radiation in the spectral region of 350-450 nm and increased temporal stability of this efficiency.

Claims

METAL HALOGEN LAMP containing a quartz burner with hermetically sealed electrodes filled with mercury, gallium, lead, aluminum and iodine, characterized in that the burner additionally contains magnesium at the following molar concentrations of the metal filling ingredients, μmol / cm ³ :
Mercury 5.9 29.5
Gallium 0.09 0.6
Lead 0.03 0.5
Aluminum 0.01 0.2
Magnesium 0.02 0.3
the ratio of the molar concentration of iodine per atomic iodine to the sum of the molar concentrations of gallium, lead, aluminum and magnesium is 1.1 2.6.