專利名稱：短弧光－高壓放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流工作用的、具有一個放電管的短弧光-高壓放電燈，所述放電管具有兩個在直徑上相面對的頸，頸中以氣密方式熔接分別由鎢所制成的一個陽極及一個陰極，該放電管中另具有一種由至少一種稀有氣體及可能的水銀所制成的填料。這種燈可作為水銀弧光燈且在半導體工業(yè)中特別適用于微刻術(shù)中使晶片曝光，這種燈另外可作為氙弧光燈以用于電影-及視頻投影中。
背景技術(shù)：
曝光過程中所使用的水銀-短弧光-高壓放電燈必須在紫外線波長范圍中(一部分須限制在數(shù)個納米的波長中)提供一種高的光強度，其中光的產(chǎn)生限制在一個小的空間區(qū)中。
在最小的空間中產(chǎn)生強烈的光同樣是對于電影-及視頻投影用的氙弧光燈所必需的要求。
由此所導出的高亮度需求可以在短的電極間距中通過直流氣體放電來實現(xiàn)。因此在陰極之前形成發(fā)光度較高的等離子體。通過使電能大大地耦合到等離子體中而產(chǎn)生電極溫度，該電極溫度特別是在陰極中會造成對材料的損傷。
這種陰極目前最好是含有由氧化釷ThO2所制成的摻雜物質(zhì)，該氧化物在該燈工作時還原成釷(Th)，且以這種金屬形式到達陰極表面，并且在這里使陰極的逸出功(Austrittsarbeit)下降。
隨著逸出功的下降陰極的工作溫度也下降，這樣可使陰極的壽命較長，這是因為在溫度較低時陰極材料的蒸發(fā)較少。
目前較優(yōu)的是使用ThO2作為摻雜材料，其原因是這種摻雜材料的蒸發(fā)量較少，因此燈泡中的干擾性的沉積物(灰度，涂層)較少。ThO2的優(yōu)異性能與氧化物(3323K)及金屬(2028K)的高熔點有關(guān)。
但即使在已釷化的陰極中電極的燒損(Elektrodenrückbrand)現(xiàn)象也不可避免，因此在目前的直流放電燈中其壽命是由陰極燒損極限所設定。這特別在電陰間距較短的燈(例如此處所提及的燈)中是一種缺點，這是因為較小的電極燒損就會使該燈的照明特性大大地改變。但使用ThO2時明顯的缺點是其輻射性，該輻射性使得在預制材料-及燈制備時保護性的預防措施是需要的。依據(jù)產(chǎn)品的放射性，燈在貯存、工作及關(guān)閉時也須注意各涂層面。
大于20A的高工作電流的各種燈(例如用在微刻或者投影術(shù)中的)中，涉及環(huán)境問題的解決方案特別迫切，這是因為這些燈由于電極尺寸而具有特別高的放射性。
多種釷代用材料因此正在研究。這例如可參考“MetallurgicalTransactions(冶金學學報)，A，21A卷，12月刊1990，第221-323頁”。在微刻或電影投射用的燈中商用的代用材料目前并未獲得，這是因為全部的代用材料由于其與ThO2相比更容易蒸發(fā)而會造成明顯的燈泡涂層。
在微刻中，制備各燈所用的曝光劑的生產(chǎn)率很大程度上取決于光量。燈泡涂層或電極燒損使得可供使用的光減少，因此會由于曝光時間增長使得昂貴的設備的生產(chǎn)率受損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種按權(quán)利要求1的前序部分所述的短弧光-高壓放電燈，該放電燈在電極材料中不具備輻射性的摻雜材料就可確保一種較小的電極燒損，所述電極燒接就電極燒損而言不會或只是稍微不如現(xiàn)有技術(shù)，并且在燈的壽命期間燈泡中的涂層形成可進一步降低。
在一種短弧光-高壓放電燈中，上述目的以權(quán)利要求1的特征部分的特征通過下述方式來實現(xiàn)至少陰極尖端的材料除了鎢之外另外還含有氧化鑭La2O3及至少另一種選自HfO2及ZrO2族的氧化物。
對不同的摻雜材料組合的研究已顯示以La2O3為基的混合氧化物就涂層的形成以及電極燒損而言已顯示出有利的結(jié)果。具有La2O3的陰極尖端或整個陰極的摻雜度應占陰極材料重量百分比的1.0～3.5％，該重量百分比較好是在1.5～3.0％之間。通過添加其它的氧化物或碳經(jīng)物可實現(xiàn)進一步的改進。在這種情況下已顯示出通過添加少量的ZrO2及/或HfO2可以使發(fā)射極蒸發(fā)性獲得進一步改善。ZrO2及HfO2的克分子量(molare Menge)應至少是La2O3的克分子量的2％，但同時不超過La2O3的克分子量，這是因為光通量隨著陰極燒損的增高而持續(xù)地受到有利的影響。當HfO2的重量成份不大于La2O3的0.65倍、或ZrO2的重量成份不大于La2O3的0.38倍時，則可確保La2O3有剩余。
在此燈工作時，添加第二氧化物對光通量及電極燒損有明顯的影響。研究結(jié)果已顯示在工作1500小時之后該水銀弧光燈(其功率是1.75kW，陰極尖端的La2O3含量的重量百分比是2.0％以及具有另一種氧化物)顯示以下的特性


在使用已釷化的陰極(重量百分比為2％ThO2)時須注意以下值

同樣可以顯示在使用La2O3摻雜的陰極時，純氙弧光燈通過添加一種ZrO2及/或HFO2形式的第二氧化物使光通量特性獲得改善。氧化物添加劑在這里也可減少該摻雜材料大量地逸出，該逸出造成燈泡涂層快速地形成。
由無釷材料所制成的陰極由于其特性(特別是在使用混合氧化物時)而具有較大的弧光延伸區(qū)。在陰極的平臺大小相對應地受到調(diào)整時，這種陰極的最佳燒損即可確保。在未匹配的平臺大小中，則平臺邊緣上的弧光即被設定(此為平臺太大時的情況)或廣泛地經(jīng)由平臺邊緣而向外抓出(平臺太小時)。在這兩種情況下，在平臺大小未優(yōu)化時可確定電極已受損，并且與此相關(guān)地確定較大的燒損。由于該平臺可以設計為平坦的或彎曲的，則最佳的平臺大小在技術(shù)上最好由陰極尖端后方相距0.5mm的陰極中的電流密度的數(shù)據(jù)來決定。在以La2O3及以ZrO2和/或HfO2來摻雜的陰極中研究結(jié)果已顯示若陰極具有一種外形，使陰極中的電流密度J(也就是燈電流J(以A表示)與有效面積S的商)在陰極尖端至陰極后端的距離是0.5mm時不小于5A/mm2且不大于150A/mm2(填料是水銀/稀有氣體時)或不小于25A/mm2且不大于200A/mm2(填料是純稀有氣體時)時，則在這種陰極材料中陰極燒損可盡量小地保持。


本發(fā)明以下將依據(jù)一個實施例來詳細描述。附圖示出圖1根據(jù)本發(fā)明的水銀-短弧光高壓放電燈的剖面圖。
圖2根據(jù)圖1的水銀-短弧光高壓放電燈的陰極的局部細節(jié)圖。
圖3根據(jù)本發(fā)明的氙短弧光高壓放電燈的部分剖面圖。
圖4根據(jù)圖3的氙短弧光高壓放電燈的電極布置的放大圖。
具體實施例方式
圖1示出本發(fā)明的水銀-短弧光高壓放電燈1的剖面圖，其功率是1.75kW。該放電燈具有一個由橢圓形的石英玻璃制成的燈泡2。在該燈泡上兩個末端3連接到兩個相面對的側(cè)面上，這兩個末端3構(gòu)成燈泡頸4，且分別具有固定件8。每個頸分別具有一個位于前方的圓錐部分4a以及一個位于后方的圓柱部分4b，該圓錐部分包括由石英玻璃所制成的支撐小滾筒5，用作固定件的主要組件；該圓柱部分形成密封用的熔合件。前部部分4a具有5mm長的收縮部分6，其上連接一個具有中央鉆孔的支撐小滾筒5(它圓錐形地構(gòu)成)，其內(nèi)徑是7mm，前部末端上的外直徑是11mm，后部末端上的外直徑是15mm。在該部位中燈泡2的壁厚是4mm。該支撐小滾筒的軸長是17mm。
在第一支撐小滾筒的鉆孔中以軸向方式導入該陰極7的一個桿10，其外直徑是6mm且直到放電體積中，并且在該處支承一個集成的頭部件25。桿10經(jīng)過支撐小滾筒5而向后增長且終止于盤12，在該盤上連接一個圓柱形石英塊13形式的密封用的熔合件，其后跟隨一個第二盤14，該第二盤中央地固定鉬條15形式的外電流引線。在石英塊13的外表面上以已知的方式延伸4個由鉬所制成的箔片16，且氣密地熔合在燈泡頸的壁上。
以類似的方式使陰極26(由分開的頭部件18及桿19所構(gòu)成)支撐在第二支撐小滾筒5的鉆孔5中。
圖2是陰極7及固定件8的細節(jié)圖。陰極7由36mm長的圓柱形的桿10及20mm長的頭部件25所組成，其中頭部件25就像軸一樣具有6mm的外直徑。頭部件25的面向陰極的末端構(gòu)成具有一個銳角β為60的尖端11且具有一個平臺形式的末端27(其直徑是0.5mm)。所述固定件由支撐小滾筒5及多個位于其鉆孔中的箔所構(gòu)成。
為了使支撐小滾筒與軸機械地相隔開，箔24須纏繞該軸很多次(2至4層)。一對狹窄的箔23(它們在纏繞的箔24上互相面對)用來使支撐小滾筒進行固定。為了該目的，所述箔在放電側(cè)突出于支撐小滾筒且向外彎曲。陰極7的尖端11的材料除了鎢之外還有重量百分比為2％的La2O3的摻雜材料以及重量百分比為0.5％的ZrO2的摻雜材料。
根據(jù)本發(fā)明的水銀-短弧光高壓放電燈的放電管的體積是134cm3，其中填入603mg的水銀及冷填充壓力(Kattfülldruck)是800毫巴的氙。
電極間距為4.5mm的這種燈的工作電流是60A。陰極(由平臺尖端的距離是0.5mm)中的電流密度J在此燈工作時是66A/mm2。
圖3中示出根據(jù)本發(fā)明的具有一種純Xe填料的短弧光高壓放電燈28。功率輸入為3kW的燈28由一種旋轉(zhuǎn)對稱的石英玻璃燈泡29所構(gòu)成，在該燈泡29的兩端處分別設有同樣也由石英玻璃所制成的燈頸30、31。在一個頸30中以氣密方式熔接陰極33之一的電極條32，其內(nèi)端承載一個陰極頭34。在其它的燈頸31中同樣以氣密方式熔接一個陰極36的電極條35，其內(nèi)端上固定一個陰極頭37。在燈頸30、31的外端上安裝一種用于支撐-及電接觸的基座系統(tǒng)38、39。
如圖4所示，陰極頭34由一個面向陰極頭37的錐形末端區(qū)段34a以及一個面向電極條32的末端區(qū)段34b(該區(qū)段具有一個圓柱形的截錐體形式的部分區(qū)段)所組成，其中在這兩個區(qū)段34a、34b之間存在一個直徑較小的同樣是圓柱形的區(qū)段34c(其稱為蓄熱槽(Wrmestaunut))。陰極頭34的面向陰極頭37的錐形的末端區(qū)段34a的尖端(其錐體角α是40°)設計為半徑R為0.6mm的半球。燈電流在這里是100A，且由此所得到的電流密度在陰極尖端后方0.5mm處的參考表面上是88A/mm2。
陽極頭37由一個圓柱形的中間區(qū)段37a(其直徑D是22mm)及兩個截錐形的末端區(qū)段37b、37c(其面向陰極頭34或電極條35)所構(gòu)成。面向陰極頭34的截錐形的末端區(qū)段37c具有直徑為6mm的平臺AP。這兩個電極33、36的全部的區(qū)段都由鎢所制成。陰極頭34的錐體形的末端區(qū)段34a另外具有一種重量百分比為2％的La2O3的填加物及重量百分比為0.5％的HfO2的填加物。
這兩個電極33、36在燈泡29的軸線中如此互相面對地安裝，使得燈在加熱狀態(tài)時形成3.5mm的電極間距或弧光長度。
權(quán)利要求
1.用于直流工作的、具有一個放電管(2，29)的短弧光-高壓放電燈(1，28)，該放電管(2，29)具有兩個在直徑上相面對的頸(4；30，31)，在該頸中以氣密方式熔接分別由鎢制成的一個陽極(26，36)及一個陰極(7，33)，且所述放電管具有一種由至少一種稀有氣體及可能的水銀制成的填料，其特征在于至少該陰極尖端(11，34a)的材料除了鎢之外還含有氧化鑭La2O3及至少另一種選自二氧化鉿HfO2和氧化鋯ZrO2族的氧化物。
2.如權(quán)利要求1所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，整個陰極(7，34)的陰極材料還含有La2O3及至少另一種選自HfO2和ZrO2族的氧化物。
3.如權(quán)利要求1或2所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，陰極材料的La2O3的含量占重量百分比的1.0～3.5％。
4.如權(quán)利要求1或2所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，陰極材料的La2O3的含量占重量百分比的1.5～3.0％。
5.如權(quán)利要求1或2所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，氧化鋯ZrO2及二氧化鉿HfO2額外的克分子量未超過陰極材料中La2O3的克分子量。
6.如權(quán)利要求1或2所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，氧化鋯ZrO2及二氧化鉿HfO2額外的克分子量至少是La2O3的克分子量的2％。
7.如權(quán)利要求1所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，放電管(2)中陽極(26)和陰極(7)之間的電極間距小于等于8mm。
8.如權(quán)利要求1所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，放電管(29)中陰極(36)和陰極(33)之間的間距小于等于15mm。
9.如權(quán)利要求1所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，燈(1，28)工作時的燈電流大于20A。
10.如權(quán)利要求1所述的短弧光-高壓放電燈，其特征在于，陰極(7)的形狀使得燈在工作時電流密度J滿足以下的方程式5≤J≥150 在水銀/稀有氣體填料時，25≤J≥200在純稀有氣體填料時，其中電流密度J是以A表示的燈電流與以mm2表示的一個面的陰極有效面積之比，而所述面由與陰極尖端相距0.5mm處垂直于燈軸線的陰極切面而得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直流工作用的、具有一個放電管(2)的短弧光－高壓放電燈(1)，所述放電管(2)具有兩個在直徑上相面對的頸(4)，頸中以氣密方式熔接分別由鎢所制成的一個陽極(26)及一個陰極(7)，且所述放電管具有一種由至少一種稀有氣體及可能的水銀所制成的填料。根據(jù)本發(fā)明，至少該陰極尖端(11)的材料除了鎢之外還含有La
文檔編號H01J61/86GK1639833SQ03805225
公開日2005年7月13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, T·梅爾, S·博恩丹納, W·斯拜爾曼, G·萊徹弗萊德 申請人:電燈專利信托有限公司, 普蘭西股份公司