專利名稱：短弧放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種短弧放電燈，這種短弧放電燈供諸如曝光設(shè)備和紫外光斑治療裝置那樣的照明光學(xué)系統(tǒng)作光源用，所述曝光設(shè)備用于在半導(dǎo)體晶片上印刷電子電路圖形。
包括超高壓水銀燈、氙汞燈及同類器件在內(nèi)的短弧放電燈通常具有一個(gè)石英玻泡，和置于此玻泡兩端以保持玻泡氣密的一對(duì)端帽。玻泡的中央部分制成蛋形。一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極彼此相對(duì)安置。為在陽(yáng)極和陰極間產(chǎn)生短弧放電，在它們之間留一很小間隙。
短弧放電燈是一紫外線燈，它能放射出象一點(diǎn)光源那樣的小弧。所以，短弧放電燈是與設(shè)置有反射器之類的光學(xué)系統(tǒng)組合在一起的，并用作各種精密工業(yè)裝置。
如同在早先公開(kāi)的日本專利申請(qǐng)昭和(Sho)60-57930中所披露的那樣，在半導(dǎo)體晶片上印刷電子電路圖形的曝光設(shè)備具有一作為它的光源的短弧放電燈。此曝光設(shè)備還包括一個(gè)把從放電燈發(fā)射出的光反射和聚焦的反射器、一個(gè)把反射器反射的光反射至不同方向的平面鏡、一個(gè)把由平面鏡反射的光聚焦的透鏡、一個(gè)讓由聚焦透鏡聚焦的光通過(guò)的光掩模、以及一塊半導(dǎo)體晶片，通過(guò)光掩模的光被聚焦和輻照在此晶片上。反射器具有一旋轉(zhuǎn)二次曲面。短弧放電燈基本上位于此反射器的焦點(diǎn)處。半導(dǎo)體晶片涂覆有紫外光敏膠。
從短弧放電燈發(fā)射出的紫外線將光掩模的圖形印刷在半導(dǎo)體晶片的表面。為了曝光半導(dǎo)體晶片中的一片，光線要輻照幾次，而只有在光輻照時(shí)才給放電燈提供大的直流電流。
如同另一個(gè)早先公開(kāi)的日本專利申請(qǐng)Sho63-34897所披露的那樣，短弧放電燈用于投影儀。與投影儀的快門(mén)同步地把電流提供給投影儀的短弧放電燈。只有在快門(mén)打開(kāi)時(shí)，此電流才轉(zhuǎn)成高值并提供給放電燈。短弧放電燈只有在有大電流供給時(shí)才發(fā)出高亮度的光。
近來(lái)，要求工業(yè)上用的工作機(jī)器要具備工作精度，還要求它們具有高效率，以提高生產(chǎn)率。超大規(guī)模集成電路的集成度極高，從而在生產(chǎn)半導(dǎo)體的領(lǐng)域內(nèi)，要求曝光半導(dǎo)體的設(shè)備也具有高效率。
增加照射在半導(dǎo)體晶片表面的光的強(qiáng)度或亮度就提高了曝光設(shè)備的曝光效率。在提高短弧放電燈的輸出以增加光的強(qiáng)度或亮度的同時(shí)，象反射器和聚焦透鏡那樣一些裝置的效率也得到了提高，象反射器這種裝置已完全得到了改進(jìn)，它具有高于某一程度的效率。然而，應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)短弧放電燈。通常，通過(guò)短弧放電燈來(lái)增加光強(qiáng)，以提高曝光效率。由此發(fā)展了一種具有高的光輸出的放電燈，并把它用作提高光照效率的裝置。為了將曝光時(shí)間縮短一半，采用1千瓦輸入的放電燈，而不是500瓦輸入的燈。以這樣的方式來(lái)提高設(shè)置有放電燈的工業(yè)機(jī)器的效率。
然而，在常用的短弧放電燈場(chǎng)合下，當(dāng)燈的輸出變高時(shí)，輸入功率要變大。因此，不可避免地要增加放電燈的尺寸，以散去因提高輸入功率而增加的熱量，當(dāng)將放電燈的尺寸增大時(shí)，它的玻泡尺寸增大，放電電弧的直徑也變大。
當(dāng)在要求具有高精度的曝光設(shè)備中使用大尺寸的短弧放電燈時(shí)，因?yàn)榉烹婋娀〉闹睆教螅怨獠荒芫劢乖诮裹c(diǎn)上。從而降低了曝光設(shè)備光線聚焦的能力，而光在半導(dǎo)體晶片表面散開(kāi)。因此，光強(qiáng)不是增加而是降低了。
本發(fā)明的目的是提供一種短弧放電燈，它可得到小直徑的放電電弧，以增加電弧亮度和提高燈的效率。
一種根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈包括一個(gè)由耐高溫的玻璃質(zhì)材料制成的外殼、一個(gè)封接在外殼一端的陽(yáng)極、一個(gè)封接在外殼一端的陰極、以及一種充填在外殼內(nèi)的充入物;此充入物至少含有汞、稀有氣體和鹵素，而所述鹵素具有3.5×10-5-3.5×10-3的相對(duì)于汞的偏摩爾數(shù)量(partial molor quantity)。
本發(fā)明另一種短弧放電燈包括一個(gè)由耐高溫的玻璃質(zhì)材料制成的外殼、一個(gè)封接在外殼一端的陽(yáng)極、一個(gè)封接在外殼一端的陰極，以及密封在保持氣密的外殼內(nèi)的汞和稀有氣體。這種短弧放電燈具有下列關(guān)系。
(VL-VSL)/1＝5-10(V/mm)以及D/WL＝1.8～3.5(cm/KW)，這里設(shè)定VSL(V)代表放電剛開(kāi)始后的燈電壓、VL(V)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓，1(mm)代表陽(yáng)極和陰極之間的間距、D(cm)代表蛋形管泡中央部分的最大內(nèi)徑、WL(KW)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈功率。
一種根據(jù)本發(fā)明的更進(jìn)一步的短弧放電燈包括一個(gè)由耐高溫的玻璃質(zhì)材料制成的外殼、一個(gè)封接在外殼一端的陽(yáng)極、一個(gè)封接在外殼一端的陰極、以及一種充填在外殼內(nèi)的充入物，此充入物至少含有汞、稀有氣體和鹵素，而所述鹵素具有3.5×10-5～3.5×10-3相對(duì)于汞的偏摩爾數(shù)量。這種短弧放電燈具有下列關(guān)系(VL-VSL)/1＝5～10(V/mm)以及D/WL＝1.8～3.5(cm/KW)，這里設(shè)定VSL(V)代表放電剛開(kāi)始后的燈電壓，VL(V)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓，1(mm)代表陽(yáng)極和陰極之間的間距，D(cm)代表蛋形管泡形中央部分的最大內(nèi)徑，而WL(KW)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈功率。
本發(fā)明能使由短弧放電燈放電產(chǎn)生的電弧直徑變小，表現(xiàn)得與點(diǎn)光源相類似，甚至當(dāng)放電燈的照度輸出有少許下降時(shí)，它的光聚焦能力也能因此得到加強(qiáng)。


圖1是一平面圖，它示出根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的第一個(gè)例子;
圖2示出的第二個(gè)例子是用于曝光設(shè)備中的第一種放電燈。
圖3是一平面圖，它示出根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的第三個(gè)例子;
圖4示出一種配有根據(jù)本發(fā)明短弧放電燈的第四個(gè)例子的放電電路;
圖5示出供給短弧放電燈的基底電流IB的圖形;
圖6示出供給短弧放電燈的脈沖電流Ip的圖形;
圖7示出基底電流IB和脈沖電流Ip之和的圖形;
圖8示出在一個(gè)周期S內(nèi)及在時(shí)間間隔F處提供的基底電流IB和脈沖電流Ip之和的圖形;以及圖9示出了基底電流和脈沖電流Ip之和的圖形，基底電流被轉(zhuǎn)換成在一個(gè)周期R內(nèi)提供的低值電流I′B以及高值電流IB，脈沖電流Ip在周期S內(nèi)提供。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的第一實(shí)施例。放電燈30具有石英玻璃制成的管泡32以及置于管泡32兩端以保持管泡32內(nèi)部氣密的一對(duì)端帽36和38。管泡32具有分別延續(xù)到它兩端的封接部分31a和31b。管泡32的中央部分34成蛋形。電極支撐桿40和42分別電連接到端帽36和38。陽(yáng)極44和陰極46分別置于支撐桿40和42的前端。陽(yáng)極44的前端類似一個(gè)梯形，而陰極46的前端類似錐形。陽(yáng)極44和陰極46相互之間隔開(kāi)3mm，以便在它們之間放電形成短弧。此放電燈30的燈電壓為50V，它的額定輸入功率為750瓦。1.7×10-4克分子/立方厘米的汞被封入管泡32，還封入常溫下為500乇的氬氣。管泡32內(nèi)封入氬氣的理由在于防止因放電而引起電極材料的散布。還有，具有相對(duì)于汞為3.5×10-5～3.5×10-3偏摩爾數(shù)量的碘作為鹵素被封入管泡32。
當(dāng)短弧放電燈32通電時(shí)，汞蒸汽、氬氣和碘化物在它內(nèi)部混合。當(dāng)電壓加于陽(yáng)極44和陰極46上時(shí)，在它們之間開(kāi)始短弧放電。這種短弧放電具有下列特征。因?yàn)橛米鼷u素的碘有著強(qiáng)的電子親和力，所以它很可能與電子混合。從而，鹵素能減少電弧內(nèi)的電子數(shù)。因而能在電極44和46之間電子密度高的最短的間距內(nèi)形成電弧，而且由此形成的電弧具有小的直徑。
眾所周知，如果鹵素被封入管泡內(nèi)，則當(dāng)放電繼續(xù)時(shí)，電弧會(huì)不穩(wěn)定。但是，在這一實(shí)施方案中，因?yàn)殡姌O44和46之間的間距小到只有3mm而且在管泡32內(nèi)封入了適量的用作鹵素的碘，所以電弧既不閃爍，也沒(méi)有不穩(wěn)定，這阻止了放電燈的滅弧。
下面是一個(gè)運(yùn)用短弧放電燈30的例子。圖2中所示的例子是一個(gè)在半導(dǎo)體晶片上印刷電子電路圖形的曝光設(shè)備。曝光設(shè)備50包括用作光源的短弧放電燈30、反射放電燈30發(fā)射出的光并使其聚焦的反射器52、反射從反射器52送出的光的平面鏡54、把從平面鏡54反射出的光聚焦的透鏡56以及讓由透鏡56聚焦的光穿過(guò)的光掩模58。半導(dǎo)體晶片60處于光穿過(guò)光掩模58后的一個(gè)位置。反射器52制成旋轉(zhuǎn)二次曲面。放電燈30基本上位于反射器52的中央來(lái)放電產(chǎn)生電弧。半導(dǎo)體晶片60，比如在其表面，涂覆有紫外光敏膠。
反射器52反射從放電燈30發(fā)射出的光。從反射器52反射出來(lái)的光被聚焦，然后到達(dá)平面鏡54。由平面鏡54向不同方向反射出的光進(jìn)入聚焦透鏡56。從透鏡56出來(lái)的光在聚焦的同時(shí)穿過(guò)光掩模58。穿過(guò)光掩模58的光輻照在半導(dǎo)體晶片60的表面。從而，光掩模58的圖形被紫外光線印刷在半導(dǎo)體晶片60的表面。
從下面的試驗(yàn)獲得封入短弧放電燈30內(nèi)鹵素的最合適的量。改變用作鹵素的碘量，同時(shí)其它條件保持和上述短弧放電燈中的相同。在此試驗(yàn)中，改變碘的量并觀察在半導(dǎo)體晶片表面的光的強(qiáng)度或密度，來(lái)檢驗(yàn)G線(G string)(4.36nm)放電狀態(tài)。選擇碘的量，使具有2.0×10-5、3.5×10-5、3.5×10-3和3.5×10-2相對(duì)于汞的偏摩爾數(shù)量。從這一試驗(yàn)獲得的結(jié)果示于表1，表中No.1代表光強(qiáng)、弧的穩(wěn)定性以及相對(duì)于常用放電燈的評(píng)價(jià)，而我們那些例子是以常用的一種放電燈的那些值為基礎(chǔ)來(lái)表示的。從這些結(jié)果可明顯地看出，當(dāng)?shù)獾牧?偏摩爾數(shù)量)少于3.5×10-5，由于被封入的碘的量少，所以不能增加光強(qiáng)。然而，當(dāng)?shù)獾牧?偏摩爾數(shù)量)超過(guò)3.5×10-5時(shí)，光強(qiáng)度大，但因?yàn)殡娀〉闹睆叫?，所以在閃爍時(shí)，有時(shí)會(huì)熄滅。
因此，用相對(duì)于汞的偏摩爾數(shù)量來(lái)表達(dá)時(shí)，碘的合適含量應(yīng)在3.5×10-5～3.5×10-3范圍內(nèi)。碘最合適的含量在3.5×10-4～2.0×10-5范圍內(nèi)。
本發(fā)明的短弧放電燈在放電時(shí)產(chǎn)生的電弧直徑是小的。這使得它發(fā)光的區(qū)域小，而看起來(lái)象一個(gè)點(diǎn)光源。因?yàn)榉烹姛舻陌l(fā)光效率提高了，所以它的亮度能變高。
現(xiàn)將描述根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的第二個(gè)例子。此例和第一例有著完全相同的安排，只是所封入的氣體與第一個(gè)例子不同。除了在第一例短弧放電燈中封入的那些氣體外，還在短弧放電燈中封入釤。此與第一例相似的短弧放電燈也是用于在半導(dǎo)體晶片上印刷半導(dǎo)體電子電路圖形的曝光設(shè)備中的。利用此曝光設(shè)備，進(jìn)行了有關(guān)短弧放電燈第二個(gè)例子的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)了G線弧的光強(qiáng)如何在半導(dǎo)體晶片表面隨釤是否存在于燈內(nèi)而發(fā)生的變化。表2示出了由此獲得的結(jié)果。
與沒(méi)有在放電燈內(nèi)加入釤的No.2和No.3情況相比，有釤加入的No.6和No.7時(shí)的光強(qiáng)增大了。所以，與短弧放電燈的第一個(gè)例子相比，釤能使G線的光譜更強(qiáng)烈地發(fā)射出來(lái)。結(jié)果，能比在放電管泡內(nèi)僅加入碘的第一個(gè)例子中更強(qiáng)烈地發(fā)射出426nm的光譜，從而使光輸出增強(qiáng)。
釓、鐠、鑭、釔、錸、鋱或銪可用來(lái)代替第二個(gè)例子中所用的釤。上述這些元素可以單獨(dú)使用或混合起來(lái)使用。這些金屬，例如釤，與鹵素不起反應(yīng)，在燈的放電期間，它們作為金屬本身留下。然而，當(dāng)切斷放電燈電源時(shí)，它們與鹵素起反應(yīng)，生成鹵化物。這使得鹵素和釤這類金屬有可能以鹵化物的形式從外部封入到管泡內(nèi)。
溴、氟、氯及其同類物可以單獨(dú)或混合起來(lái)使用以代替在第一和第二例中用作鹵素的碘。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的第三個(gè)例子。放電燈70包括石英玻璃制成的管泡72以及置于它兩端以保持管泡72內(nèi)部氣密的一對(duì)端帽76和78。管泡72具有分別延續(xù)到管泡72兩端的封接部分81a和81b。管泡72的中央部分呈蛋形。電極支撐桿80和82分別從外部與端帽76和78電連接。支撐桿80和82的每一根是由鎢制成的。陽(yáng)極84和陰極86分別置于與支撐桿80和82的前端。陽(yáng)極84的前端做成類似梯形，并由純鎢制成，而陰極86的前端做成類似圓錐形并設(shè)置有純鎢制成的螺管線圈88，沿著螺管線圈88的螺線形成以ThO2制成的發(fā)射體。在圖3中所示的放電燈中，陽(yáng)極84和陰極86之間的間距l(xiāng)為2.5毫米，以在它們之間放電產(chǎn)生短弧。管泡72的蛋形中央部分74的最大直徑D為1.4厘米。
放電燈70的額定燈輸入功率為500瓦。管泡72內(nèi)封入氬氣，使管泡72在常溫下保持0.5個(gè)大氣壓。管泡72內(nèi)封入的汞量是這樣決定的，即，要使得燈電壓為36V。管泡72內(nèi)封入氬氣以阻止因管泡72內(nèi)的放電而引起電極材料的散射。
當(dāng)短弧放電燈70接通電時(shí)，汞蒸汽和氬氣在管泡72內(nèi)混合，汞蒸汽壓為30個(gè)大氣壓，而氬氣壓為4個(gè)大氣壓，在放電燈70內(nèi)的總壓力為34個(gè)大氣壓。當(dāng)電壓加到陽(yáng)極84和陰極86上時(shí)，電極84和86間開(kāi)始短弧放電。此短弧放電具有下列特性。剛好在放電后的燈電壓VSL＝12〔V〕?？梢哉J(rèn)為，在這種放電狀態(tài)下，因電極損耗而產(chǎn)生的電壓降Vdrop為12〔V〕，而氬氣對(duì)燈電壓的作用為零。所以在剛放電后，燈電壓VSL＝Vdrop＝12〔V〕。
和第一個(gè)例子類似，短弧放電燈70用于在半導(dǎo)體晶片上印刷電子電路圖形的曝光設(shè)備。因?yàn)榇似毓庠O(shè)備的布局與短弧放電燈第一個(gè)例子中的相同，所以對(duì)它的描述予以省略。
進(jìn)行了試驗(yàn)以使短弧放電燈70能在高效率下發(fā)射出來(lái)。改變條件，在半導(dǎo)體晶片表面觀察G線(436nm)的放電狀態(tài)。從這一試驗(yàn)獲得的結(jié)果示于表3。VSL代表燈剛通電后的燈電壓，VL代表穩(wěn)定放電時(shí)的燈電壓，代表電極之間的間距，WL代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈功率，而D代表蛋形管泡中央部分的最大內(nèi)徑。表3中的No.15代表一通常的例子，同時(shí)示出了它的燈照度、它的總效率，我們對(duì)它的評(píng)價(jià)等。
標(biāo)號(hào)為No.15的常用短弧放電燈所處條件為燈開(kāi)始放電時(shí)的燈電壓VSL＝12V，放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓VL＝50V，電極間的間距l(xiāng)＝3.6mm，放電穩(wěn)定時(shí)的燈功率WL＝0.5千瓦，而管泡最大內(nèi)徑D＝2.4cm。在No.15放電燈的試驗(yàn)中，燈照度為100%，聚焦效率為16.7%，總效率為100%，而管泡內(nèi)壓力為36個(gè)大氣壓。與No.15的放電燈相比，No.11的短弧放電燈在穩(wěn)定放電時(shí)燈電壓VL較低(為27V)，電極間的間距1較短(為3.1mm)，以及最大內(nèi)徑D較小(為1.0cm)在使用No.11的放電燈時(shí)，燈照度為68%，聚焦效率為24%總效率為98%，而管泡內(nèi)的壓力為25個(gè)大氣壓。因此，No.11放電燈的效率比No.15放電燈的要低，而這已超出了本發(fā)明的范圍No.12的放電燈與No.11的燈的不同之處在于電極間的間距1設(shè)置成3.0mm。結(jié)果，燈光效率成為71%，而聚焦效率成為23.8%。No.12燈的總效率從而改進(jìn)到101%，從而使No.12燈的效率高于No.15常用燈的效率。No.13短弧燈與No.12燈不同之處在于前者在放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓VL做得較高，為41V，并且管泡的最大內(nèi)徑D做得較大，為1.6cm。結(jié)果，因?yàn)镹o.13燈的燈光效率為85%，聚焦效率為23.3%，從而它的總效率為118%，所以，No.13燈的效率高于No.15燈的效率。No.14短弧放電燈與No.13燈的不同在于當(dāng)燈放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓VL設(shè)置成為36V，且管泡最大內(nèi)徑D設(shè)置成為1.4cm。結(jié)果，No.14燈的燈照度成為76%，它的聚焦效率成為25%，而它的總效率成為114%。因此，No.14燈的效率做得比No.15燈為高。No.16短弧放電燈與No.14燈的不同之處在于當(dāng)放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓VL設(shè)置成為50V，以及管泡最大內(nèi)徑D設(shè)置成為2.4cm。結(jié)果，No.16燈的燈光效率成為100%，聚焦效率變成19%，以及總效率變成114%。No.16燈的問(wèn)題在于當(dāng)No.16燈通電時(shí)管泡內(nèi)的壓力變成42個(gè)大氣壓。明言之，管泡內(nèi)的壓力比常用燈的壓力高出8個(gè)大氣壓(或24%)。這要求管泡本身有較高的強(qiáng)度。所以，No.16燈不適用。No.17短弧放電燈不同于No.16燈之處在于前者在放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓VL設(shè)置成36V。結(jié)果，No.17燈的燈光效率變成76%，聚焦效率變成19%，而總效率變成86%。因此，No.17燈比No.15燈的效率要低。根據(jù)本發(fā)明的NO.12-NO.14放電燈與通常的燈No.15相比，被設(shè)計(jì)成具有較短的電極間間隙，成為類似于一個(gè)斑點(diǎn)的光源。NO.12-NO.14放電燈在放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓是低的。換言之，封入的汞量少，且電位斜率(VL-VSL)/l變小。因此，燈接通電時(shí)的燈壓力基本上與常用燈的相同。還有，NO.12-NO.14放電燈的燈照度比常用燈的低15-29%。然而，D/WL值設(shè)置得小于在常用燈場(chǎng)合下的值使得弧的直徑能變得較小。結(jié)果，電極間的間隙做得較短，而弧的散開(kāi)變得較小，從而讓弧看起來(lái)象一點(diǎn)光源。放電燈因而能以較高的精度設(shè)置在曝光裝置反射器的焦點(diǎn)上，從而使聚焦效率增強(qiáng)。與常用燈相比，本發(fā)明的短弧放電燈能將它們的總效率的提高超過(guò)1-18%。
在常用放電燈的場(chǎng)合下，當(dāng)放電燈的輸入功率較大時(shí)，管泡直徑變成較大。D/WL(cm/KW)通常為4-6，但當(dāng)輸出變大時(shí)，D/WL有時(shí)大于4-6。這是因?yàn)楣芘輧?nèi)的壓力設(shè)置得如此之大，以致接近管泡最大抗壓強(qiáng)度，以及因?yàn)闉榱嗽黾庸芘菘箟簭?qiáng)度和使泡壁負(fù)載(WL/管泡內(nèi)表面面積)高于一足夠大的值，要將它制成類球形。
然而，根據(jù)本發(fā)明，即使在燈通電時(shí)管泡內(nèi)的壓力不是設(shè)置得如此之高，放電燈的總效率也能得到提高。所以，管泡不必要做成象一個(gè)球形。簡(jiǎn)言之，甚至當(dāng)管泡制成有點(diǎn)象較長(zhǎng)的紡錘形而使它的抗壓強(qiáng)度下降一些時(shí)，仍然存在著阻止弧散開(kāi)和使弧直徑變小的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果，包括曝光設(shè)備在內(nèi)所有一切的效率都能變得較高。
現(xiàn)將敘述短弧放電燈的特性。
當(dāng)燈通電時(shí)，管泡內(nèi)的壓力P通常取決于電極間的間隙1、封入的汞量、封入稀有氣體的壓力以及在燈放電期間氣體的溫度。當(dāng)封入的汞量和氣體量增加時(shí)，燈電壓VL上升。燈電壓可以由電極損耗Vdrop和加在電極間以產(chǎn)生電弧的弧電壓Uarc之和來(lái)表達(dá)。
VL＝Vdrop+Varc……(1)放電燈產(chǎn)生的光量φ正比于弧電壓Varc。所以，φ∝Varca……(2)為了增加放電燈的光量，因此要增加弧電壓。
弧電壓Varc正比于封入的汞量和稀有氣體的壓力。在短弧放電燈中，用氬或氙作為稀有氣體。因潘寧效應(yīng)(Penning′S effect)，此稀有氣體主要起降低啟動(dòng)電壓的作用并限制電極制作材料在燈啟動(dòng)時(shí)發(fā)生散射。封入的稀有氣體的壓力Pgas保持在1個(gè)大氣壓以下。
然而，在用氙氣和汞的短弧放電燈中，氙氣的作用是阻止電極制作材料發(fā)生散射，并且在燈通電時(shí)，氙氣的發(fā)光也作了貢獻(xiàn)。所以，封入氙氣的壓力Pgas保持在高于1個(gè)大氣壓，最好在5-6個(gè)大氣壓范圍內(nèi)。當(dāng)放電燈通電時(shí)，壓力增大4或5倍。
與封入的汞相比，稀有氣體對(duì)燈電壓的影響較小，而在放電剛開(kāi)始后，VSL＝Vdrop+Vgas……(3)甚至當(dāng)放電燈內(nèi)稀有氣體的壓力在常溫下至少為1個(gè)大氣壓時(shí)，例如在5-6個(gè)大氣壓的范圍內(nèi)時(shí)，Vgas約為幾伏。在燈放電期間，稀有氣體的壓力增加4-5倍。
弧電壓Varc能用隨封入氣體的壓力而變的Vgas和隨封入的汞量而變的VHg之和來(lái)表達(dá)。即Vare＝Vgas+VHg……(4)所以，對(duì)短弧放電燈來(lái)說(shuō)，Varc≈VHg……(5)假定封入的汞量以M(mg)來(lái)代表，電極間的間隙用1(mm)來(lái)代表，以及管泡體積用A(CC)來(lái)代表，則如眾所周知，VHg的關(guān)系為M∝VHgb·Ad/lc……(6)公式(6)可重寫(xiě)為VHg∝Me·lf/Ag……(7)當(dāng)燈通電時(shí)管泡內(nèi)的壓力P依賴于管泡內(nèi)氣體的平均溫度而變化，假定溫度是一定的P∝Pgas……(8)P∝M……(9)當(dāng)稀有氣體的壓力Pgas較高和汞量較大時(shí)，管泡內(nèi)的壓力P變得較高。當(dāng)燈電壓VL一定和電極間的間隙1小時(shí)，從公式(6)可看出需要增加汞量。并且，當(dāng)為了增加光量φ而增高弧電壓Varc時(shí)，從公式(2)和(6)可看出也需要增加汞量。
可以增加管電壓VL，以使得在同一燈功率WL下提高弧電壓Varc。然而，從公式(7)可看出，增加汞量會(huì)使燈通電時(shí)的管泡內(nèi)壓力P增高。當(dāng)壓力P隨著燈通電而增加時(shí)，能抵抗壓力的管泡強(qiáng)度變得愈來(lái)愈低，從而使燈在電弧放電時(shí)破裂的可能性增大。
當(dāng)把電極間的間隙或間距l(xiāng)做得大時(shí)，有可能通過(guò)增加在燈放電期間的弧電壓Varc來(lái)增加光輸出而不提高壓力P，但燈的那種放電電弧象點(diǎn)光源的特性會(huì)變壞。因此，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)組合而得的聚焦效率和總效率一起下降。
此外，一種增加汞壓的裝置可產(chǎn)生下列缺點(diǎn)，當(dāng)汞壓增加時(shí)，光輸出上升。這引起弧散開(kāi)的缺點(diǎn)，并且盡管光譜連續(xù)頻帶內(nèi)的輸出增加，但紫外頻帶內(nèi)的輸出卻不是按比率作必要的增加，但這一輸出當(dāng)然是主要的。換言之，光輸出的增加是由不必要頻帶的輸出的增加而引起的。所以，這不意味著效率有真正的提高。
因此，根據(jù)本發(fā)明，限制弧的散開(kāi)以使弧的直徑變小，結(jié)果包括燈的光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)所有的效率都能得到提高。
如前所述，(VL-VSL)/l代表電位斜率。取電極間的間距l(xiāng)作為分母以獲得此值。所以，此值決定電弧是否能形成類似點(diǎn)的光源。從公式(6)、(7)和(8)可明瞭，通過(guò)汞蒸汽壓力可改變此值，并且，從試驗(yàn)結(jié)果判斷，此值在5-10(V/mm)范圍內(nèi)是十分恰當(dāng)?shù)摹?br> 例如，對(duì)NO.11燈來(lái)說(shuō)，(VL-VSL)/l小于5，電極間間距1太長(zhǎng)或放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓VL太低。因此，短弧放電燈中的弧不是象斑點(diǎn)狀光源那樣放電，或者說(shuō)，燈的照度極低。從而總效率是如此低下，以致不能達(dá)到本發(fā)明的目的。
例如，對(duì)No.16燈來(lái)說(shuō)(VL-VSL)/l大于10，當(dāng)放放電燈通電時(shí)，管泡內(nèi)壓力上升。從而相對(duì)于壓力來(lái)說(shuō)，放電管泡的可靠性降低了。這使得NO.16燈不適合于用來(lái)達(dá)到本發(fā)明的目的。
例如，對(duì)NO.14-NO.16燈來(lái)說(shuō)(VL-VSL)/l在5-10的范圍內(nèi)，當(dāng)D/WL(cm/KW)設(shè)置在1.8～3.5時(shí)，就能提供出可達(dá)到本發(fā)明目的的短弧放電燈。在此情況下，當(dāng)D/WL小于1.8時(shí)，管泡的表面溫度變得太高，管泡抵抗壓力的強(qiáng)度因而降低。當(dāng)D/WL大于3.5時(shí)，此放電燈的總效率下降。
設(shè)定每單位長(zhǎng)度的燈功率WL以滿足上述涉及(VL-VSL)/l和D/WL的條件。此時(shí)，最好設(shè)定WL/l大于0.17，以提高放電燈的總效率。
在短弧放電燈的第三個(gè)例子的情況下，放電燈通電時(shí)管泡內(nèi)的壓力不上升，但總效率提高。放電燈的照度下降了，但它作為點(diǎn)光源的能力增強(qiáng)了。因而，用這個(gè)例子可達(dá)到本發(fā)明的目的。
雖然第三個(gè)例子已在具有500瓦額定輸入功率的情況下加以描述，但它的額定輸入功率有可能大于500瓦。當(dāng)額定輸入功率較高時(shí)，管泡的抗壓能力更可能下降。因此，根據(jù)本發(fā)明，制造極間距離短的放電燈的優(yōu)點(diǎn)在最大程度上能得到利用。
現(xiàn)將描述根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的第四個(gè)例子。圖4示出了一個(gè)照明電路，其中，使用了短弧放電燈。照明電路100具有短弧放電燈102和兩個(gè)連接到放電燈102的電流供給電路104和106。短弧放電燈102和上面實(shí)施方案中所述的相同。它有陰極108和陽(yáng)極110。電流供給電路104具有提供電流的直流電路112以及提供某一直流電流的基底電流供給電路，此直流電流是從由直流電路112提供的電流中獲得的。定時(shí)器116連接到基底電流供給電路114，以周期地改變基底電流IB。電流供給電路106具有供給直流電流的直流電路118以及產(chǎn)生脈沖電流的脈沖電流供電電路120。脈沖電流是從電路118供給的電流來(lái)的。定時(shí)器122連接到電路120，以控制產(chǎn)生脈沖電流Ip的計(jì)時(shí)。
電流電路104用來(lái)給放電燈102提供某一如圖5中所示的基底電流IB。電流電路106用來(lái)在周期T處提供脈寬為tp的脈沖電流Ip，在周期T期間不產(chǎn)生脈沖，如圖6中所示。將由104和106兩個(gè)電路供給的電流的總和(如圖7中所示)供給放電燈102。
供給放電燈102的電流設(shè)定如下0.03≤tp≤3(ms)0.1≤T≤10(ms)1.4≤Ip/IB≤6基底電流是提供來(lái)保持放電燈的弧光放電的。封入的金屬，例如汞，以來(lái)凝聚的狀態(tài)留在管內(nèi)。放電燈自始至終都產(chǎn)生電弧，而只有當(dāng)要求強(qiáng)放電時(shí)，才將脈沖電流供給燈，以產(chǎn)生較強(qiáng)的電弧。
所得與該電路有關(guān)的測(cè)試結(jié)果示于表4和表5中。所得有關(guān)直流放電燈的測(cè)試結(jié)果以及有意的比較也示于表中。在表4中用一個(gè)約1千瓦的氙燈作為短弧放電燈。在表5中用一個(gè)超高壓汞燈作為放電燈。在直流放電燈上每單位功率的照度效率表示為100，而其它例子中的效率以相對(duì)于表4中這個(gè)100值的值來(lái)表示。此外，直流放電燈的相對(duì)照度表示為100，而其它例子中的以相對(duì)于這個(gè)100值的值來(lái)表示。從表4可明瞭，保持脈寬tp在0.03～3(ms)范圍內(nèi)進(jìn)行放電的放電燈的效率比直流放電燈的效率要高。當(dāng)T-tp變短時(shí)，弧光放電繼續(xù)，而當(dāng)T-tp變長(zhǎng)時(shí)，脈沖電流間隔變大。所以，當(dāng)T-tp值在0.1～10(ms)范圍內(nèi)時(shí)，可獲得最高的效率，其理由如下。在沒(méi)有脈沖電流而只有基底電流供給燈的期間，不再存在由提供的峰值電流所產(chǎn)生的殘余離子，隨后供給燈下一個(gè)峰值電流。因此，在弧的寬度方向(或在垂直于電極的方向)，不能形成比只供給基底電流時(shí)形成的放電通路為寬的放電通路。結(jié)果，能有效地利用輻射光。當(dāng)Ip/IB值大于6時(shí)，加到氙燈上的電流呈現(xiàn)出大的波動(dòng)。陽(yáng)極108和陰極110更有可能被熱所破壞，從而使氙燈的壽命變得極短。當(dāng)Ip/IB值小于1.4時(shí)，效率沒(méi)有提高。所以Ip/IB值在1.4～6的范圍內(nèi)為最佳。從超高壓汞燈作為放電燈獲得了表5中所示結(jié)果，而這些結(jié)果包括汞燈硬化光致抗蝕劑所需時(shí)間。與直流放電燈相比，根據(jù)本發(fā)明的超高壓汞燈最多能將時(shí)間縮短13%以上。在表4和表5中，最合適于本發(fā)明的那些值對(duì)氙燈和超高壓汞燈是通用的。
在上述短弧放電燈的場(chǎng)合下，所有時(shí)間內(nèi)都把基底電流供給燈，而在每一時(shí)間T處供給燈以脈沖電流。所以，弧的寬度沒(méi)有變大。換言之，這些短弧放電燈能使它們的發(fā)光區(qū)域小到使它們的弧看起來(lái)象點(diǎn)光源。從而能提高它們的光聚焦效率。
如上所述，產(chǎn)生脈沖電流的間隔沒(méi)必要自始自終都是一定的，而可按排成在一個(gè)周期S處產(chǎn)生電流脈沖，周期S包括休止時(shí)間間隔F，如圖8中所示。通過(guò)定時(shí)器122來(lái)調(diào)整脈沖電流之間的間隔。包括在紫外線干燥機(jī)或類似的設(shè)備內(nèi)的受光輻照的材料在間隔F內(nèi)是在移動(dòng)的，在間隔F期間不產(chǎn)生脈沖電流。
參照?qǐng)D9，現(xiàn)將描述上述用于照明電路那些例子的一個(gè)變型。此使用短弧放電燈的照明電路與圖4中所示的那個(gè)完全相同。與圖4中不同的只是改變了由基底電流供給電路114提供給放電燈102的基底電流?；纂娏靼ǜ咧惦娏鱅B和低值電流IB′。高值電流IB在一個(gè)時(shí)期內(nèi)提供給放電燈102，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，按某一時(shí)間間隔給燈提供脈沖電流，低值電流IB′在時(shí)期R內(nèi)提供給燈，時(shí)期R插在時(shí)間間隔F內(nèi)，在時(shí)間間隔F期間，沒(méi)有脈沖電流提供給燈。低值電流IB′是保持放電燈弧光放電最低值的電流。高值電流IB與圖4中所示例子的基底電流相同。脈寬為tp的脈沖電流Ip按時(shí)間間隔T數(shù)次提供給放電燈?；缀兔}沖電流在周期S內(nèi)提供給放電燈102。高值電流IB與低值電流IB′的關(guān)系為IB′/IB≥0.2給燈提供基底電流的時(shí)間間隔是通過(guò)定時(shí)器116來(lái)調(diào)節(jié)的，而脈沖電流是通過(guò)它的供電間隔定時(shí)器122來(lái)調(diào)節(jié)的?；缀兔}沖電流是在下列條件下供給燈的0.03≤tp≤30.1≤T≤101.4≤Ip/IB≤6
使用了照明電路的這一變型，當(dāng)被放電燈放電產(chǎn)生的光所輻照的物體正在輸送或移動(dòng)時(shí)，可給燈提供低值的基底電流。因此，與圖4中所示的本發(fā)明的第四個(gè)例子相比，能節(jié)省更多的功率。此外，能使每單位時(shí)間長(zhǎng)度供給短弧放電燈的電流降低，從而保持放電燈有較長(zhǎng)的壽命。供給短弧放電燈的基底與脈沖電流是與受光輻照物體輸送或移動(dòng)的周期相同步的。
上述根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈的四個(gè)例子可以相互組合。例如，當(dāng)?shù)谝缓偷谌嗷ソM合時(shí)，由此提供的短弧放電燈有著封入管泡內(nèi)的鹵素，并能滿足下列關(guān)系(VL-VSL)/1＝5～10(V/mm)D/WL＝1.8～3.5(Cm/KW)因此，短弧放電燈能使它的弧變細(xì)。那就是說(shuō)，它能以較高的效率發(fā)射出光。其它的一些例子可以類似地彼此組合，且三個(gè)或更多個(gè)例子亦可相互組合。
根據(jù)本發(fā)明的短弧放電燈不受上面提到的輸出的限制。而且，不需要在將稀有氣體封入短弧放電燈內(nèi)時(shí)把燈內(nèi)的壓力設(shè)置成低于1個(gè)大氣壓。稀有氣體可以封入燈內(nèi)直至燈內(nèi)的壓力被設(shè)置得高于1大氣壓為止。本發(fā)明的短弧放電燈除用于半導(dǎo)體曝光設(shè)備外，還可應(yīng)用于紫外線光斑治療或類似的情況。
根據(jù)本發(fā)明，由短弧放電燈放電可形成細(xì)的電弧，且可使電弧的發(fā)光區(qū)域象一個(gè)斑點(diǎn)。這能使燈的照度效率和聚焦效率變高。因此，當(dāng)本發(fā)明的短弧放電燈用于在半導(dǎo)體晶片上印刷電子電路圖形的曝光設(shè)備中時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)本身的聚焦效率與所產(chǎn)生的光強(qiáng)一起能得到提高。結(jié)果，能夠縮短在半導(dǎo)體晶片上曝光圖形所需時(shí)間，從而提高了曝光效率。
權(quán)利要求
1.一種短弧放電燈，它包括一個(gè)由耐高溫度玻璃質(zhì)材料制成的管泡(32)；一個(gè)封接在所述管泡一端的陽(yáng)極(44)；一個(gè)封接在所述管泡一端的陰極(46)；一種充入所述管泡內(nèi)的充入物；其特征在于所述充入物至少具有汞、稀有氣體和鹵素，而所述鹵素具有3.5×10-7～3.5×10-3相對(duì)于汞的偏摩爾數(shù)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的短弧放電燈，其特征在于在釤、釓、鐠、鑭、釔、錸、鋱和銪金屬中至少有一種金屬封入所述管泡內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的短弧放電燈，其特征在于所述鹵素是碘。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的短弧放電燈，其特征在于所述鹵素和金屬(例如，釤)是成鹵化物封入所述管泡內(nèi)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的短弧放電燈，其特征在于將基底電流IB和脈沖電流Ip供給陽(yáng)極和陰極，所述基底電流用來(lái)使所述燈保持它的放電狀態(tài)，而把具有脈寬tp的脈沖電流Ip按時(shí)間間隔T重復(fù)地供給所述燈，使其進(jìn)行高亮度放電，并建立下列關(guān)系0.03≤tp≤3(ms)0.1≤T≤10(ms)1.4≤Ip/IB≤6
6.根據(jù)權(quán)利要求1的短弧放電燈，其特征在于把基底和脈沖電流供給陽(yáng)極和陰極，所述基底電流被轉(zhuǎn)換成保持放電所需的最低值電流I′B和高于最低值電流I′B、并在供給脈沖電流Ip時(shí)提供出的電流IB，按時(shí)間間隔T、以tp的脈寬反復(fù)提供所述脈沖電流IpIp，使所述燈能進(jìn)行高亮度放電，并建立下列關(guān)系0.03≤tp≤3 (ms)0.1≤T≤10 (ms)1.4≤Ip/IB≤6I′B/IB≥0.2
7.一種短弧放電燈，它包括一個(gè)由耐高溫玻璃質(zhì)材料制成的管泡(72);一個(gè)封接在所述管泡一端的陽(yáng)極(84);一個(gè)封接在所述管泡一端的陰極(86);封入保持氣密的所述管泡內(nèi)的汞和稀有氣體;其特征在于，假定VSL(V)代表燈放電剛開(kāi)始后的燈電壓，VL(V)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓，l(mm)代表陽(yáng)極和陰極之間的間距，D(mm)代表所述蛋形管泡中央部分處的最大內(nèi)徑，以及WL(KW)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈功率，則(VL-VSL)/l＝5～10(V/mm)以及 D/WL＝1.8～3.5(cm/KW)
8.根據(jù)權(quán)利要求7的短弧放電燈，其特征在于將基底電流IB和脈沖電流Ip提供給所述陽(yáng)極和陰極，所述基底電流IB用來(lái)使所述燈保持其放電狀態(tài)，而以時(shí)間間隔T向所述燈重復(fù)提供具有脈寬tp的所述脈沖電流Ip，并建立下列關(guān)系0.03≤tp≤3 (ms)0.1≤T≤10 (ms)1.4≤Ip/IB≤6
9.根據(jù)權(quán)利要求7的短弧放電燈，其特征在于將所述基底和脈沖電流供給所述陽(yáng)極和陰極，所述基底電流轉(zhuǎn)換成保持放電所需的最低值電流I′B和高于低值電流I′B、并在把所述脈沖電流Ip供給所述電極時(shí)提供的電流IB，按時(shí)間間隔T重復(fù)地向所述燈提供具有脈寬tp的所述脈沖電流Ip，使所述燈能以高亮度放電，并建立下列關(guān)系0.03≤tp≤3 (ms)0.1≤T≤10 (ms)1.4≤Ip/IB≤6I′B/IB≥0.2
10.一種短弧放電燈，它包括一個(gè)由耐高溫玻璃質(zhì)材料制成的管泡(32，72);一個(gè)封接在所述管泡一端的陽(yáng)極(44，84);一個(gè)封接在所述管泡一端的陰極(46，86);以及一種充入所述管泡內(nèi)的充入物;其特征在于所述充入物至少具有汞、稀有氣體和鹵素，而所述鹵素具有3.5×10-5～3.5×10-3相對(duì)于所述汞的偏摩爾數(shù)量，假定VSL(V)代表燈剛開(kāi)始放電后的燈電壓，VL(V)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈電壓，l(mm)代表陽(yáng)極和陰極間的間距，D(cm)代表所述蛋形管泡中心部分處的最大內(nèi)徑，以及WL(KW)代表放電穩(wěn)定時(shí)的燈功率，則(VL-VSL)/l＝5～10(V/mm)以及 D/WL＝1.8～3.5(cm/KW)
11.根據(jù)權(quán)利要求10的短弧放電燈，其特征在于把釤、釓釓、鐠、鑭、釔、錸、鋱和銪金屬中的至少一種金屬封入所述管泡內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的短弧放電燈，其特征在于所述鹵素是溴、氟、氯和碘中的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的短弧放電燈，其特征在于把基底電流IB和脈沖電流Ip提供給所述陽(yáng)極和陰極，所述基底電流IB用來(lái)使所述燈保持它的放電狀態(tài)，而把具有脈寬tp的所述脈沖電流Ip按時(shí)間間隔T重復(fù)地供給所述燈，并建立下列關(guān)系0.03≤tp≤3 (ms)0.1≤T≤10 (ms)1.4≤Ip/IB≤6
14.根據(jù)權(quán)利要求10的短弧放電燈，其特征在于把基底和脈沖電流加于所述陽(yáng)極和陰極，所述基底電流轉(zhuǎn)換成保持放電所需的最低值電流IB′和高于低值電流I′B、并在把所述脈沖電流Ip提供給所述陽(yáng)極和陰極時(shí)所提供的電流IB，按時(shí)間間隔T、以脈寬tp向所述放電燈重復(fù)提供所述脈沖電流Ip，使所述放電燈以高亮度放電，并建立下列關(guān)系0.03≤tp≤3 (ms)0.1≤T≤10 (ms)1.4≤Ip/IB≤6I′B/IB≥0.2
15.根據(jù)權(quán)利要求11的短弧放電燈，其特征在于金屬(例如釤)和鹵素以鹵化物的形式封入管泡內(nèi)。
全文摘要
能使由短弧放電燈(30、70、102)放電產(chǎn)生的弧的直徑小到看起來(lái)象一個(gè)斑點(diǎn)，因此短弧放電燈的照度效率能提高，而它的亮度也可增強(qiáng)。
文檔編號(hào)H01J61/00GK1041480SQ8910425
公開(kāi)日1990年4月18日 申請(qǐng)日期1989年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月23日
發(fā)明者森泰樹(shù) 申請(qǐng)人:東芝照明技術(shù)株式會(huì)社