專利名稱：帶有含氧化鑭的陰極的短汞弧燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于直流工作的短汞弧高壓放電燈，它包括一放電管，該放電管有兩個彼此完全相反地安置的頸部，一個由鎢制成的陽極和一個陰極被不透氣地焊封到放電管并且該放電管含有水銀填充物和至少一種惰性氣體。這種燈尤其是在半導(dǎo)體業(yè)的微光刻技術(shù)中被用于照射晶片。
背景技術(shù)：
用于照射作業(yè)的短汞弧高壓放電燈必須提供在紫外線波長范圍內(nèi)的高光強度(這被部分限制到幾納米波長)，在這里，發(fā)光被限制在小空間區(qū)域里。
由此產(chǎn)生的對高亮度的要求可通過在電極間隔近時的直流氣體放電來滿足。在這里，在陰極前面出現(xiàn)了具有高發(fā)光率的等離子體。由于巨大的電能耦合輸入等離子體內(nèi)，所以產(chǎn)生了尤其是對陰極造成材料損害的電極溫度。
因此，這樣的陰極目前最好含有氧化釷ThO2摻雜物，該氧化釷摻雜物在燈工作期間內(nèi)被還原成釷Th并以金屬形式轟擊陰極表面并在那里導(dǎo)致陰極逸出功的降低。
隨著逸出功降低，陰極工作溫度也降低，這導(dǎo)致更長的陰極使用壽命，因為陰極材料在降低的溫度下蒸發(fā)得較少。
目前優(yōu)選使用ThO2作為摻雜物是基于以下事實該摻雜物的蒸發(fā)較弱，因而導(dǎo)致了不太麻煩的在該燈泡(變黑、涂覆)內(nèi)的沉積。ThO2的出色的適用性與氧化物的高熔點(3323K)和金屬的高熔點(2028K)有關(guān)。
然而，即使在涂釷陰極的情況下也不能避免電極反燒，因而在目前的直流放電燈的情況下，陰極反燒限制了陰極使用壽命。這尤其對電極間距短(如在此所述的)的燈不利，因為電極略微反燒就已導(dǎo)致燈的光學特性的顯著改變。因此，希望進一步抑制反燒。
然而，使用ThO2的一個嚴重缺陷就是其放射性，這就需要在原材料生產(chǎn)和燈制造時實施安全預(yù)防措施。根據(jù)產(chǎn)品的放射性，在庫存、操作及回收燈時也要注意規(guī)定條件。
對具有大于20A的高工作電流的燈如在微光刻法中使用的燈來說，解決環(huán)保問題尤其是當務(wù)之急，因為這些燈由于電極尺寸而具有特別高的放射性。
因此，人們研究了多種釷的代用品。在1990年12月發(fā)表的“Metallurgical Transactions A”中(卷21A，第3221-3236頁)，找到了一些例子。迄今位置，尚無法做到將替代物工業(yè)應(yīng)用到微光刻法用的燈中，因為所有替代物都因其與ThO2相比而更易蒸發(fā)而導(dǎo)致明顯的燈泡變黑。
在微光刻法中，照射燈的產(chǎn)量關(guān)鍵取決于燈所提供的光量。燈泡變黑或電極反燒減少了可用的光并由于照射時間延長而導(dǎo)致非常昂貴的設(shè)備的生產(chǎn)量降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供如權(quán)利要求1前序所述的短汞弧高壓放電燈，它無需在電極材料中有放射性摻雜物地就能保證少量電極反燒，該電極反燒不次于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)獲得的電極反燒程度，并且在必要時，在整個燈的使用壽命期間內(nèi)進一步抑制涂層在燈泡內(nèi)形成。
在具有如權(quán)利要求1前序所述特征的特性短汞弧高壓放電燈中，如此實現(xiàn)該目的，即至少陰極頭材料還含有氧化鑭La2O3并且燈填充物的水銀含量至多為6mg/cm3。在這里，水銀含量應(yīng)至少為1mg/cm3，因為純惰性氣體燈的等離子體特性與水銀電弧燈有明顯區(qū)別。在沒有較易電離的水銀的情況下，惰性氣體弧更集中燃燒。
對不同摻雜物的研究得到以下結(jié)果La2O3可以在涂層形成及電極反燒方面顯示出很有利的效果。反燒甚至小于涂釷材料時的情況。這個優(yōu)點電極間距短(＜6mm)時變得非常有用并且甚至可以容忍一定程度地過多形成涂層。在這種情況下，頭或包括桿和頭的整個陰極的摻雜物應(yīng)該占陰極材料重量的1.0％-3.5％，最好占陰極材料重量的1.5％-3.0％。
該陰極工作溫度主要決定了發(fā)射極的蒸發(fā)速度。理查森·達斯曼公式
I＝AT2exp(-eΦ/kT)，其中I是電流密度A/m2，A是常數(shù)1.2×106A/m2K2，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是溫度K，而Φ是逸出功eV，該公式表示燈的電流、電子逸出面與電極溫度之間的關(guān)系。但在給出燈電流時，電極溫度還不能明確確定。電弧根面的大小仍未確定并影響著電極溫度。
研究表明，該電弧根部和進而電極溫度不受填充氣體類型、填充氣體壓力及水銀濃度的影響。
盡管原則上也存在電極直徑、尖頭角度及電極尖頭直徑的影響，但這些參數(shù)的影響在把La2O3用作陰極材料鎢的添加物時就變得次要了，因為除電流以外，主要是燈的等離子體特性決定了電弧根部形狀。然而，對等離子體特性而言，填充氣體類型、填充氣體壓力及水銀濃度是重要的。
試驗表明，在本發(fā)明的短汞弧高壓放電燈中，尤其是較高的水銀濃度造成陰極尖頭的強烈加熱。因此，例如在4.5mg/cm3的Hg的情況下，電極溫度為2200℃，而在同樣電流的40mg/cm3的情況下，測得該電極溫度為2600℃。
在這種情況下，發(fā)射極蒸發(fā)隨著水銀濃度而增大。研究表明，當La2O3用作陰極材料鎢的添加物時，可以獲得與使用ThO2時幾乎一樣低的蒸發(fā)速度，只要水銀量作為填充物地在放電管內(nèi)不超過6mg/cm3。
通過添加其它氧化物或碳化物，人們嘗試著實現(xiàn)進一步的改善。在此事實表明，通過添加少量的ZrO2及/或HfO2，可以實現(xiàn)發(fā)射極蒸發(fā)特性的進一步改善。但在這種情況下，ZrO2及/或HfO2的量應(yīng)該是陰極材料中的ZrO2不超過1.0wt％而HfO2不超過1.5wt％，因為對光通量產(chǎn)生有益影響總是伴隨著陰極反燒的加重。
燈內(nèi)的填充氣體壓力有著與水銀含量類似的影響。隨著填充氣體壓力增大，在陰極上的電弧根部收縮并導(dǎo)致陰極尖頭溫度升高。在此試驗表明，當把氙Xe用作填充氣體時，3巴以上的填充壓力或16.3mg/cm3的Xe已經(jīng)在本發(fā)明類型的燈中導(dǎo)致顯著的發(fā)射極蒸發(fā)。
氙填充壓力的變化表明對光通量有顯著影響。在1500h之后，在本發(fā)明的短汞弧高壓放電燈中，其中該放電燈具有摻雜有2wt％的La2O3的陰極頭陰極材料以及4.5mg/cm3的水銀填充物，與Xe填充氣體壓力有關(guān)地得到以下光通量值

所述結(jié)果首先可以推測出，希望有盡可能少的水銀填充物及填充氣體。但進一步的研究表明，如果工作壓力很低，則填充壓力與發(fā)射極蒸發(fā)之間的上述關(guān)系將不再適用。反而出現(xiàn)了相反的關(guān)系，即發(fā)射極蒸發(fā)因氣體填充壓力下降而再次增大。
此現(xiàn)象可以解釋為，燈內(nèi)的惰性氣體壓力作為擴散勢壘區(qū)地抵制蒸發(fā)顆粒。氣體越密集，抑制發(fā)射極蒸發(fā)的過程越激烈。
因此在使用氙時，需要最小壓力為500mbar或2.7mg/cm3填充物，以避免過度的發(fā)射極蒸發(fā)。
2.7mg/cm3-15.2mg/cm3(對于Xe為500mbar-2800mbar)的密度范圍產(chǎn)生了最有益的結(jié)果，對Kr來說，這相當于786mbar-4425mbar壓力，對Ar來說，這相當于1648mbar-9276mbar。
因此，根據(jù)研究結(jié)果，氣體壓力的優(yōu)選密度范圍為2.7mg/cm3-15.2mg/cm3，并且，過低的反壓及過高的電極溫度都未導(dǎo)致過度的發(fā)射極蒸發(fā)。
由于指定了密度范圍，所以產(chǎn)生了根據(jù)氣體而不同的壓力區(qū)，這被用于簡單地掌握各種填充氣體或其混合物的情況。
只有在電極間距短的情況下(如在此提到的燈的情況下)，La2O3摻雜電極的較低反燒優(yōu)勢才明顯。因此，本發(fā)明的短汞弧高壓放電燈的電極間距小于或等于6mm是非常有利的。


以下，結(jié)合多個實施例來詳細說明本發(fā)明。附圖所示為圖1以截面圖表示一個根據(jù)本發(fā)明的短汞弧高壓放電燈，圖2表示該陰極的細節(jié)。
具體實施例方式
圖1以截面圖表示根據(jù)本發(fā)明的具有1.75kW功率的短汞弧高壓放電燈。它有一個呈橢圓形的石英玻璃燈泡2。在其相對的兩側(cè)，連接有兩個末端3，這兩個末端3被設(shè)計成燈泡頸4的形狀并且分別有固定部分8。該燈泡頸有一個錐形前部分4a，它作為固定部分的主要部分地具有一個由石英玻璃構(gòu)成的支承小輪5，所述燈泡頸還有一個形成密封焊封部的圓柱形后部分4b。該前部分4a具有5mm長的拉入?yún)^(qū)6。一個有錐形中心孔的支承小輪5與該拉入?yún)^(qū)6相接。所述中心孔的內(nèi)徑為7mm，其前端處的外徑為15mm。燈泡2在此區(qū)域內(nèi)的壁厚約為4mm。支承小輪的軸向長度為17mm。
在第一支承小輪的孔內(nèi)，軸向穿過一個外徑為6毫米的陰極7的桿10，該陰極一直伸入該放電腔中并在那里承載著一個整體的頭部25。桿10向后延長超過了該支承小輪5并且終止于一圓盤12處，一個呈圓柱形石英塊13形狀的密封焊封部與該圓盤12相接。隨后接著一個第二圓盤14，它在中心具一個呈鉬棒15形式的外部電流饋電體。通過本身已知的方式，四片鉬箔16沿著石英塊13的外表面被引入并且被不漏氣地焊封在該燈泡頸的壁上。
通過同樣的方式，包括一獨立的頭部18及桿19的陽極26被固定在第二支承小輪15中的孔內(nèi)。
圖2詳細示出了陽極7及固定部分8。陽極7由36mm長的圓柱形桿10及20mm長的整體的頭部25裝配而成，頭部25和桿一樣有6mm外徑。頭部25的面向陽極的端部成尖角β為60°的尖頭11形狀并且具有一個直徑為0.5mm的高臺形端部27。該固定部分包括支承小輪5及在其孔內(nèi)的許多箔片。
為了機械分隔開支承小輪與桿，使一片箔24多圈纏繞該桿(2-4層)。在纏繞箔24上彼此對置的一對窄箔2 3被用來固定該支承小輪。為此，它們在放電側(cè)突出超過該支承小輪并且向外彎曲。除鎢以外，陽極7尖頭11的材料含有2.0wt％的La2O3摻雜物。
本發(fā)明的短汞弧高壓放電燈具有一個容積為134cm3的放電管，該放電管內(nèi)充滿了603mg的水銀及數(shù)量為720mg的、氙和氬的惰性混合氣體。
電極間距為4.5mm的燈的工作電流約為I＝60A(在燈工作期間內(nèi)，在離高臺端0.5mm的陰極內(nèi)的電流密度J為66A/mm2)。
權(quán)利要求
1.一種用于直流工作的短汞弧高壓放電燈(1)，它有一放電管(2)，該放電管(2)有兩個彼此完全相反地安置的頸部(4)，分別由鎢制成的一個陽極(26)及一個陰極(7)被不透氣地焊封在該放電管(2)內(nèi)并且該放電管裝有水銀填充物及至少一種惰性氣體，其特征在于，至少陰極尖頭(11)的材料除鎢以外還含有氧化鑭La2O3并且該放電管(2)內(nèi)的填充物的水銀含量至少為1mg/cm3且至多為6mg/cm3。
2.如權(quán)利要求1所述的短汞弧高壓放電燈，其特征在于，整個所述陰極(7)的陰極材料還含有La2O3。
3.如權(quán)利要求1或2所述的短汞弧高壓放電燈，其特征在于，該陰極材料的La2O3含量為1.0wt％-3.5wt％。
4.如權(quán)利要求1或2所述的短汞弧高壓放電燈，其特征在于，該陰極材料的La2O3含量為1.5wt％-3.0wt％。
5.如權(quán)利要求1所述的短汞弧高壓放電燈，其特征在于，該填充氣體或填充氣體混合物在該放電管(2)內(nèi)的密度為該放電管容積的2.7mg/cm3至15.2mg/cm3。
6.如權(quán)利要求1所述的短汞弧高壓放電燈，其特征在于，在該放電管(2)內(nèi)的陽極(26)與陰極(7)之間的電極間距小于或等于6mm。
7.如權(quán)利要求1所述的短汞弧高壓放電燈，其特征在于，該燈(1)的電流在工作期間內(nèi)大于20A。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于直流工作的短汞弧高壓放電燈(1)，它有一放電管(2)，該放電管(2)有兩個彼此完全相反地安置的頸部(4)，分別由鎢制成的一陽極(26)及一陰極(7)被不透氣地焊封在放電管(2)內(nèi)，并且放電管(2)裝有水銀及至少一種惰性氣體。根據(jù)本發(fā)明，陰極尖頭(11)的材料除鎢以外還含有氧化鑭La
文檔編號H01J61/06GK1524284SQ03800611
公開日2004年8月25日 申請日期2003年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月5日
發(fā)明者L·門策爾, D·埃爾利希曼, B, L 門策爾 申請人:電燈專利信托有限公司