TWI288943B - Short-arc high-pressure discharge-lamp - Google Patents

Description

1288943 玫、:發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、內容、實施方式及圖式簡單說明） 技術領域 本發明涉及一種直流操作用之短弧光·高壓放電燈，其 放電管具有二個在直徑上相面對之頸，頸中以氣密方式分 別熔接一由鎢所構成之陽極及陰極。放電管中另含有一由 至少一稀有氣體及水銀所形成之塡料。此種燈可作爲水銀 弧光燈且在半導體工業中特別適用於微影術中使晶圓曝光 ，此種燈另可作爲氙（Xe)弧光燈以用於電影-及視頻投影 中 〇 先前技術 曝光過程中所使用之水銀-短弧光-高壓放電燈必須在紫 外線波長範圍中（一部份須限制在數個奈米之波長中）提供 一種高的光強度，其中光之產生限制在小的空間區中。 在很小之空間中產生強烈之光同樣是電影-及視頻投影 用之氙弧光燈所需之需求。 由此所導出之高亮度需求在短的電極間距中可藉由直流 氣體放電來達成。因此在陰極之前形成發光度較高之電漿 。藉由電能大大地耦合至電漿中而產生電極溫度，其特別 是在陰極中會造成材料之損傷。 此種陰極目前較佳是含有由 Th02所形成之摻雜物質， 其在此燈操作時還原成钍（Th)且以此種金屬形式到達陰極 表面且在該處使陰極之工作函數（working function)下降 1288943 由於工作函數下降，則陰極之操作溫度亦下降，這樣可 使陰極之壽命較長，此乃因溫度較低時陰極材料之蒸發較 少〇 目前較佳是使用 Th〇2作爲摻雜材料，其原因是：此種 摻雜材料之蒸發量較少，因此燈泡中之干擾性沈積物（不 透明度，薄膜）較少。Th02之優異性能是與氧化物（ 3 3 2 3 K) 及金屬（2 02 8 K)之高熔點有關。 但在已钍化之陰極中電極之回火現象不可避免，因此在 目前之直流放電燈中其壽命是由陰極回火極限所設定。這 特別在電極間距較短之燈（例如，此處所提及之燈）中是一 種缺點，此乃因較小之電極回火會使此燈之光特性大大地 改變。回火現象之進一步降低因此値得追求。 但使用Th02時明顯之缺點是其輻射性，在基材-及燈製 備時保護性之預防措施是需要的。依據產品之活性，燈在 貯存、操作及關閉時亦須注意各塗層面。 大於20A之高操作電流之各種燈（例如用在微影術中者） 中，涉及環境問題之解決方式特別迫切，此乃因這些燈由 於電極尺寸而具有特別高之活性。 多種钍代用材料因此正在硏究。這例如可參考’’Metallurgical Transactions. A，V ο 1 . 2 1 A ? Dec 1990，Page 3221-3236 ”。 微影術或電影投射用之燈中商用之代用材料目前未獲得， 此乃因全部之代用材料由於其較 Th02更容易蒸發而會造 成明顯之燈泡薄膜。 在微影術中，製備各燈所用之曝光劑之製成是與光量很 1288943 有關係。燈泡薄膜或電極回火使可用之有效光減少，因此 會由於曝光時間增長使很昂貴之設備之生產性受損。 發明內容 本發明之目的是提供申請專利範圍第1項前言所述之水 銀-短弧光高壓放電燈，其電極材料中不具備輻射性摻雜 材料亦可，可確保一種較小之電極回火，其就電極回火而 言不會或只稍微不如先前技藝者且在燈之壽命期間燈泡中 之薄膜形成可進一步降低。 在短弧光-高壓放電燈中上述目的以申請專利範圍第 1 項之特徵藉由下述方式來達成：至少陰極尖端之材料除了 鎢之外另含有La 2 0 3及至少另一由1^02及Zr02所形成之 氧化物。 對不同之摻雜材料之組合之硏究已顯示：以La2 0 3爲主 之混合氧化物就薄膜之形成及電極回火而言已顯示有利之 結果。陰極尖端或整個陰極之La2 0 3摻雜度應佔陰極材料 之1 . 0〜3 . 5 w t · %，較佳是在1 · 5〜3 · 0 w t · %之間。藉由添加 其它之氧化物或碳化物可達成進一步之改良。已顯示之情 況是：藉由添加少量之Zr02及/或Hf02，則射極蒸發性可 獲得進一步改良。Zr02及 Hf02之克分子（mole)量應至少 是La203之克分子量之2%，但同時不超過 La203之克分 子量，此乃因光電流隨著陰極回火之增高而持續地受到有 利之影響。當Hf02之重量成份不大於La2 0 3之0.65倍或 Z;r02之重量成份不大於La2 0 3之G.38倍時，則可確保La203 有剩餘。 1288943 在此燈操作時添加第二氧化物對光電流及電極回火有重 大之影響。硏究結果已顯示：在操作1 5 0 0小時之後該水 銀弧光燈（其功率是 1 .75kW，陰極尖端之 La 2 0 3含量是 2. Owt. %以及另有一種氧化物）顯示以下之特性： 第二氧化物Hf02 之含量（w t · % ) 以0h=100°/〇爲準之 光電流 陰極回火 0.0% 8 5% 0.22mm 0.1% 8 9% 0.21mm 0.5% 92% 0.31mm 1.0% 92% 0.43mm 2.0% 8 4% 0.55mm 第二氧化物Zr02 之含量（w t · % ) 以0 h = 1 0 0 °/〇爲準之 光電流 陰極回火 0 . 1 % 8 7% 0.25mm 0.5 % 94% 0.29mm 1 . 0 % 8 6% 0.52mm 2.0 % 74% 0.83mm

在使用已钍（Th)化之陰極（2wt.%之 Th02)時須注意以下 之値： 以0 h = 1 0 0 %爲準之 光電流 陰極回火 94% 0.27mm 在使用 L a 2 Ο 3摻雜之陰極時，純氙（X e )弧光燈藉由添加 1288943 第二氧化物 Zr02及/或Hf02使光電流特性獲得改良，這 亦可同樣方式來說明。氧化物添加劑可減少該摻雜材料大 量地發出，否則會造成燈泡薄膜快速地形成。 由無钍（Th)材料所形成之陰極由於其特性（特別是在使 用混合氧化物時）而具有較大之弧光延伸區。在陰極之高 台大小相對應地受到調整時，此種陰極之最佳回火即可確 保。在高台大小未調整時，則高台邊緣上之弧光即被設定 。（此爲高台太大時之情況）或廣泛地經由高台邊緣而向外 抓出（高台太小時）。在此二種情況下在高台大小未最佳化 時可確定電極已受損且與較大之回火有關。由於該高台可 以平坦或彎曲之形式構成，則最佳之高台大小在技術上最 佳是由陰極尖端後方相距 〇.5mm之陰極中所示之電流密 度來決定。在以La2 0 3及以Zr02及/或Hf02來摻雜之陰 極中硏究結果已顯示：若陰極具有一種外形，使陰極中之 電流密度J(即，燈電流J(以 A表示）對有效面積S之商） 在陰極尖端至陰極後端之距離是〇.5mm時不小於5A/mm2 且不大於 1 5 0 A / m m 2 (塡料是水銀/稀有氣體時）或不小於 25 A/mm2且不大於 2 0 0 A / m m 2 (塡料是純稀有氣體時）時， 則在此種陰極材料中陰極回火可保持盡量小。 實施方式 本發明以下將依據實施例來描述。 第1圖是本發明之水銀-短弧光高壓放電燈1之切面圖 ，其功率是1 . 7 5 k W，其燈泡 2由橢圓形之石英玻璃所構 成。二個末端3連接至二個相面對之側面，此二個末端3 -10- 1288943 構成燈泡頸4且分別具有支撐構件8。各頸具有：一種位 於前方之圓錐構件 4 a，其含有由石英玻璃所構成之支撐 小滾筒5以作爲支撐構件之主要組件；一種位於後方之圓 柱構件4 b，其形成該密封用之熔合件。前述構件4 a具有 5 mm長之縮格6，其上連接一種具有中央鑽孔之支撐小滾 筒5 (其以圓錐形構成），其內徑是 7mm，前末端上之外直 徑是 1 1mm，後末端上之外直徑是 15mm。此區中燈泡 2 之壁厚是4mm。支撐小滾筒之軸長是17mm。 支撐小滾筒之鑽孔中以軸向方式導入該陰極 7之軸1〇 ，其外直徑是 6mm且直到放電體積中以及在該處形成一 整合之頭件2 5。軸1 0經由支撐小滾筒5而向後延伸且終 止於盤12，其上連接一圓柱形石英塊13形式之密封用之 熔合件，其後跟隨第二盤1 4，其停留在鉬條1 5形式之外 電流引線之中央。沿著石英塊1 3之外表面以習知之方式 延伸4個由鉬所構成之箔1 6且以氣密方式熔合在燈泡頸之 壁上。 以類似之方式使陽極2 6 (由各別之頭件1 8及軸1 9所構 成）支撐在第二支撐小滾筒5之鑽孔5中。 第2圖是陰極7及支撐構件8之細部圖。陰極7由3 6 m m 長之圓柱形之軸10及20mm長之頭件25所組成，其中頭 件2 5就像軸一樣具有6 m m之外直徑。頭件2 5之面向陽 極之末端構成尖端11(其銳角β是60°)且具有高台形式之 末端27(其直徑是0.5mm)。該支撐構件由支撐小滾筒5及 多個位於其鑽孔中之箔所構成。 -11- 1288943 爲了使支撐小滾筒及軸在機械上相隔開，則箔 2 4須纏 繞該軸很多次（2至4層）。一對狹窄之箔23 (其在纏繞之 箔24上互相面對）用來使支撐小滾筒固定。爲了此一目的 ，則各箔在放電側突出於支撐小滾筒上且向外彎曲。陰極 7之尖端 11之材料除了鎢之外另有由2wt.%之 La203及 0.5 w t. %之Z r 0 2所構成之摻雜材料。 本發明之水銀-短弧光高壓放電燈之放電管之體積是 134cm3，其中塡入 603mg之水銀及冷塡料壓力是 800毫 巴之Xe(氣）。 Φ 就微影術中或電影-及視頻投影中之短弧光高壓放電燈 的應用而言，陽極及陰極之間的電極間距小於 1 5 mm，較 佳爲小於8mm。此外，該燈操作時的燈電流大於20 A。 電極間距是 4.5mm之此種燈之操作電流是 60A。陰極（ 由高台尖端之距離是 〇 . 5 mm)中之電流密度 J在此燈操作 時是 66A/mm2。 第3圖中所示之本發明之短弧光高壓放電燈2 8具有純 X e塡料。功率3 k W之燈2 8由旋轉對稱之石英玻璃燈泡2 9 所構成。燈泡 2 9之二端分別設有同樣由石英玻璃所構成 之燈頸3 0，3 1。頸3 0中以氣密方式熔接陰極3 3之一電 極條3 2，其內端承載一陰極頭3 4。另一燈頸3 1中同樣以 氣密方式熔接陽極3 6之電極條3 5，其內端上固定一陽極 頭 3 7。在燈頭 3 0，3 1之外端上安裝一種支撐-及電性接 觸用之基座系統3 8，3 9。 如第4圖所示，陰極頭3 4由面向陽極頭3 7之錐形末端 •12- 1288943 區段3 4 a及面向電極條3 2之末端區段3 4 b (其具有圓柱形 之截錐體形式之部份區段）所組成。此二個區段 34a，34b 之間存在一種直徑較小之同樣是圓柱形之區段 3 4 c (其稱 爲蓄熱器）。陰極頭3 4之面向陽極頭3 7之錐形之末端區 段34a之尖端（其錐體角（X是40°)以半徑R是0.6mm之半 球所構成。燈電流是1 0 0 A且由此所達成之電流密度在陰 極尖端後方〇.5mm之參考表面上是88A /mm2。 陽極頭37由圓柱形之中間區段37a(其直徑D是2.2mm) 及二個截錐形之末端區段 37b，3 7c(其面向陰極頭 34或 電極條3 5 )所構成。面向陰極頭3 4之截錐形之末端區段3 7 c 具有直徑6mm之高台 AP。此二個電極33，36之全部之 區段都由鎢所構成。陰極頭 34之錐體形之末端區段 34a 另有一由2wt·% La2 0 3及0.5wt·% Hf02所形成之劑量區。 此二個電極3 3，3 6在燈泡3 9之軸中須互相面對，使燈 在加熱狀態時形成電極間距或3 . 5 mm之弧光長度。 圖式簡單說明 第1圖 本發明之水銀-短弧光高壓放電燈之切面圖。 第 2圖係第 1圖之水銀-短弧光高壓放電燈之陰極之 細部圖。 第 3圖本發明之氙（Xe)短弧光高壓放電燈之部份切面 圖。 第4圖係第3圖之氙（Xe)短弧光高壓放電燈之電極配 置之放大圖。 牛要部分之代表符號說明 -1 3- 1288943 1，28 2,29 3，27 4.3 0,3 1 5 6 7.3 3 8 I 0? 1 9 II 12,14 13 15 16,23,24 18,25 32,35 3 4 3 6 3 7 3 8,39 高壓放電燈 燈泡 末端 燈泡頸 支撐小滾筒 縮格 陰極 支撐構件 軸 尖端 盤 石英塊 鉬條 箔 頭件 電極條 陰極頭件 陽極 陽極頭件 基座系統

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Claims (1)

1288943 第9 2 1 Ο 4 4 2 3號「短弧光-高壓放電燈」專利案 (2 0 0 7年3修正） 拾、申請專利範圍二 … 、 . - 1 . 一種直流操作用之短弧光-高壓放電燈（1，2 8 )，其放電管 (2,29)具有二個在直徑上相面對之頸（4;30,31)，頸中分 別以氣密方式熔接由鎢所構成之陽極（ 2 6,3 6 )及陰極 I (7，3 3 )，且放電管含有一由至少一稀有氣體及水銀所構 成之塡料，其特徵爲：至少該陰極尖端（11，34a)之材料 除了鎢之外另含有 La2 0 3及至少另一由組（group)Hf〇2 φ 及Zr02所構成之氧化物。 2 .如申請專利範圍第 1項之短弧光-高壓放電燈，其中整 個陰極（7,3 4)之陰極材料另含有 La2 0 3及至少另一由組 (group)Hf02及Zr02所構成之氧化物。 3 .如申請專利範圍第1或2項之短弧光-高壓放電燈，其 中陰極材料之La 2 0 3含量佔有1.0〜3.5wt·%。 4.如申請專利範圍第1或 2項之短弧光-高壓放電燈，其 中陰極材料之La 2 0 3含量佔有1 ·5〜3 .Owt.%。 φ 5 .如申請專利範圍第1或2項之短弧光-高壓放電燈，其 中Zr02& Hf02額外之克分子量未超過陰極材料中La203 之克分子量。 6 .如申請專利範圍第1或2項之短弧光-高壓放電燈，其 中Zr02及Hf02額外之克分子量至少是La2 0 3之克分子 量之2 %。 7 .如申請專利範圍第 1項之短弧光-高壓放電燈，其中放 1288943 電管（29)中陽極（36)及陰極（33)之間的電極間距小於1 5mm 〇 8 .如申請專利範圍第 1項之短弧光·高壓放電燈，其中放 電管（2)中陽極（26)及陰極（7)之間的電極間距小於 8mm 9 ·如申請專利範圍第 1項之短弧光-高壓放電燈，其中燈 (1，2 8 )操作時燈電流大於2 Ο A。 1 〇 ·如申請專利範圍第1項之短弧光-高壓放電燈，其中陰極 (7)之形狀使燈在操作時電流密度J滿足以下之方程式 5 < J< 1 5 0 在水銀/稀有氣體塡料時 25<J<2 0 0 在純稀有氣體塡料時 其中電流密度J係一區域中燈電流（以 A表示）及有效 陰極面積（mm2)(其是在與陰極尖端相距〇.5mm時垂直於 燈軸之陰極切面）之商數（quotient)。 1288943 陸、（一）、本案指定代表圖爲：第1圖 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 柒、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發南特徵的化學式: 1 高壓放電燈 2 燈泡 3 末端 4 燈泡頸 5 支撐小滾筒 6 縮格 7 陰極 8 支撐構件 10,19 軸 11 尖端 12,14 盤 JjQCL 13 石英塊 15 鉬條 16 箔 1 8?25 頭件 26 陽極