DE4302555C2

DE4302555C2 - Elektrodenlose Entladungslampe

Info

Publication number: DE4302555C2
Application number: DE4302555A
Authority: DE
Inventors: Brian Turner; James T Dolan
Original assignee: Fusion UV Systems Inc
Current assignee: Heraeus Noblelight America LLC
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: JPH07272697A; US5504391A; JP2960829B2; DE4302555A1; US5686793A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrodenlose Enladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den letzten Jahren sind viele industrielle Verfahren entwickelt worden, bei denen Ultraviolett-Strahlung zur Materialbehandlung verwendet wird. Bei solchen Verfahren weist das Material einen photobehandelbaren Belag auf, und die Ultraviolett-Strahlung "behandelt" den Belag durch eine chemische Reaktion. Solche photobehandelbaren Beläge können z. B. klar oder pigmentiert sein, und sie werden bei verschiedenen Gegenständen einschließlich flacher Substrate und gekrümmter Gegenstände wie Dosen verwendet. Photobehandelbare Beläge werden auch bei der Ausführung der Halbleiter-Photolithographie verwendet, bei der es sich um ein bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendetes Verfahren handelt.

Bei der Ultraviolett-Lampe, die dazu verwendet wird, photobehandelbare Beläge zu bestrahlen, wird typischerweise eine Kolbenfüllung verwendet, die Quecksil ber enthält, wobei manchmal ein Zusatzstoff oder Zusatzstoffe vorgesehen sind, um einen speziellen Bereich oder spezielle Bereiche des Spektrums herauszuhe ben. Damit ist das Spektrum des Lichtes, das von der Lampe ausgestrahlt wird, das Spektrum des Elements Quecksilber oder das von Quecksilber zuzüglich eines speziellen Zusatzstoffes.

Das Spektrum von Quecksilber, wie es bei solchen Lampen erzeugt wird, besitzt eine Strahlung, die über das ganze, relativ breite Spektralband von 200-400 nm vorliegt. Da die Strahlung über das ganze Band verteilt ist, ist der Wirkungs grad der Lampe in irgendeinem speziellen, schmaleren Teil des Gesamtbandes relativ gering.

Für einige Anwendungsfälle ist es wünschenswert, daß der größte Teil der Ausgangsstrahlung der Lampe innerhalb eines schmaleren Bandes liegt. So reagieren z. B. einige photobehandelbare Materialien wesentlich stärker auf Ultraviolett-Strahlung innerhalb des relativ schmalen Bandes von 250-300 nm als auf Strahlung in anderen Teilen des Ultraviolett-Spektrums. Ein solches Material würde durch eine Lampe, bei der der größte Teil ihrer Ausgangslei stung innerhalb des Bandes von 250-300 nm konzentriert ist, schneller behandelt werden.

In den letzten Jahren sind Entladungseinrichtungen bekannt geworden, die eine Excimerstrahlung abgeben. Excimere sind instabile Komplexe aus Molekülen, die unter normalen Bedingungen einen ungebundenen oder schwach gebundenen Grundzu stand besitzen und damit nicht aus der klassischen Physik bekannt sind. Die Excimerkomplexe existieren erst in dem erregten Zustand. Die Excimerkomplexe lösen sich innerhalb weniger als einer Mikrosekunde auf und geben während ihres Zerfalls ihre Bindungsenergie in Form von Strahlung in einem schmalen Band ab.

Eine elektrodenlose Entladungslampe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art ist aus dem Artikel "New High-Efficiency Quasi-Continuous Operation of A KrF (B ⇒ X) Excimer Lamp Excited by Microwave Discharge" von Kumagai und Obara, Applied Physics Letters, Bd. 54, Nr. 26, 26. Juni 1989, Seiten 2619-2621, bekannt. Diese bekannte Lampe gibt Strahlung in einem sehr schmalen Band von einigen Nanometern bei etwa 248 nm ab. Bei der Lampe wird eine Füllung mit kleineren Mengen von Fluor und Krypton in einer Puffergasmischung von Helium und Neon verwendet. Der Artikel lehrt, daß es erforderlich ist, die Lampe bei einem geringen Druck zu betreiben, um einen hinreichenden Wirkungsgrad zu erreichen, wobei ein Wirkungsgrad von 12,1% bei einem gewünschten Gesamtdruck von 0,07 Bar und einem Halogendruck von 1,3 × 10^-3 Bar. Dieser Wirkungsgrad kann für bestimmte Anwendungsfälle zu niedrig sein.

Aus der DE 40 22 279 A1 und der EP 4 58 140 A1 sind Excimerlampen bekannt, deren Strahlung aufgrund einer stillen Entladung erzeugt wird. Diese Entladungslampen werden zwar mit Hochfrequenz betrieben, jedoch weisen sie Außenelektroden auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrodenlose Entladungslampe der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die Excimerstrahlung mit einem höheren Wirkungsgrad und in einem breiteren Band erzeugt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die eingangs beschriebene elektrodenlose Entladungslampe die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. Mit dem erfindungsgemäß angewendeten hohen Partialdruck des eingebrachten Halogens kann der gewünschte hohe Wirkungsgrad bei breitem Spektralband erzielt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 das zwischen 200 und 400 nm liegende Spektrum, das sich bei einer Mikro wellenlampe mit einer Quecksilberfüllung ergibt,

Fig. 2 bis 5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Linearkolben ver wendet wird,

Fig. 6 das Ausgangsspektrum einer Lampe gemäß einer Ausführungsform der Erfin dung,

Fig. 7 das Ausgangsspektrum einer Lampe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein kugelförmiger Kolben verwendet wird, und

Fig. 9 und 10 weitere Ausführungsformen der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Ultraviolett-Spektrum dargestellt, das von einer mikrowel lenbetriebenen Lampe mit einer Quecksilberfüllung erzeugt wird. Hierbei ist die Ultraviolett-Ausgangsleistung der Lampe über den Bereich von 200-400 nm verteilt. Zuvor wurde bereits dargelegt, daß es wünschenswert sein kann, daß die Leistung in einem schmaleren Bereich konzentriert ist, da dann, wenn eine spezielle photobehandelbare Substanz nur innerhalb eines solchen schmalen Bereiches reagiert, die restliche Leistung weitgehend verschwendet wird.

In den Fig. 2 bis 5 ist eine Lampe gemäß einer ersten Ausführungsform der elektrodenlosen Entladungslampe gezeigt. Wie zu sehen ist, umfaßt die Lampe eine Hülle oder einen Kolben 4, der die excimerbildende Füllung enthält, ein Magnetron 20 sowie Kopplungsmittel, um die von dem Magnetron 20 erzeugte Mikrowellenenergie in die Kolbenfüllung einzukoppeln.

Die Kopplungsmittel enthalten einen Mikrowellenhohlraum 2, der aus einem Reflektor 6 und einem Gitter 8 besteht. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, weist der Reflektor 6 Schlitze 16 und 18 auf, durch die Mikrowellenenergie hindurchge koppelt wird. Überdies ist das Gitter 8 für die Mikrowellenenergie im wesent lichen undurchlässig, so daß diese in dem Hohlraum gehalten wird, während es für die von der Füllung in dem Kolben 4 abgegebene Strahlung im wesentlichen durchlässig ist.

Einen weiteren Teil der Mikrowellen-Kopplungsmittel der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten speziellen Lampe bildet eine metallische, umgekehrte Kastenan ordnung 22. Anhand der Fig. 2, 4 und 5 ist zu sehen, daß die Anordnung aus einem Seitenwandteil 48 und winklig angeordneten Teilen 50 und 52 besteht. Die Anordnung 22 ist über den Reflektor 6 gesetzt, wie dies in den Fig. 2 und 5 gezeigt ist, und die Anordnung bildet in Verbindung mit dem Reflektor ein Mikrowelleneinschluß- oder Wellenführungsmittel für eine Übertragung von Mikrowellenenergie zu den Kopplungsschlitzen. Der Magnetron-Ankopplungsteil ist in einer Öffnung 24 angeordnet, die von den Kammerenden gleich weit entfernt ist, und der Ankopplungsteil ist damit in dem Wellenführungsmittel von den Kopplungsschlitzen gleich weit entfernt angeordnet. Der Boden der die Form eines umgekehrten Kastens aufweisenden Anordnung 22 besitzt Flansche 24 und 26, die an damit zusammenwirkenden, sich von dem Reflektor weg erstreckenden Flanschen 28 und 30 z. B. durch Verschrauben befestigt werden können.

Die Anordnung 22 kann zusätzlich Teile 32 und 34 aufweisen, die in Fig. 5 gezeigt sind und über die Länge der Innenseite von Seitenwänden 40 und 42 verlaufen sowie diese Seitenwände mit dem Reflektor verbinden. Die Teile 32 und 34 führen zu einer Verringerung der Höhe des Wellenführungsmittels und sorgen für eine effizientere Kopplung der Mikrowellenenergie an die Schlitze 16 und 18. Überdies besitzen die Seitenwände des Wellenführungsmittels Kühl öffnungen 54, und der Reflektor 6 weist entlang der Oberseite Kühlöffnungen 56 auf, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Lampe wird gekühlt, indem Luft oder ein anderes Kühlgas durch das Wellenführungsmittel und die Mikrowellenkammer an der Lampenhülle vorbei hindurchgepreßt oder hindurchgezogen wird.

Die Frequenz der von dem Magnetron 20 erzeugten Mikrowellenenergie und die Längsabmessung der Kammer 2 sind so gewählt, daß während des Betriebs in der Mikrowellenkammer eine symmetrische, stehende Welle vorliegt, die in der Mitte der Kammer in Längsrichtung betrachtet ein Minimum oder eine Nullstelle aufweist. Bei einer solchen Erregung wird durch die in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Mikrowellen-Kopplungsanordnung Mikrowellenenergie derart mit der Hülle 4 gekoppelt, daß die Hülle eine über ihre Länge ausgeglichene Ausgangsleistung erzeugt.

Die Füllung in dem Kolben 4 enthält ein Halogen oder die Verbindung aus einem Halogen und einem Edelgas, wobei das Halogen bei einem Druck vorliegt, der bei Betriebstemperatur größer als etwa 0,47 Bar ist. Wie oben bereits erwähnt, werden bessere Ergebnisse erhalten, wenn der Halogendruck größer als etwa 1 Bar ist, und noch bessere Ergebnisse werden erhalten, wenn der Halogendruck während des Betriebs größer als etwa 6 Bar ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist in einem Kolben mit einer Füllung, die die Verbindung aus einem Edelgas und einem Halogen enthält, der Gesamtfüllungsdruck so gewählt, daß er bei Betriebstemperatur größer als etwa 2,5 Bar ist und vorzugsweise über 10 Bar liegt, während der Halogendruck größer oder geringer als 0,47 Bar sein kann.

Zehn Edelgas/Halogen-Verbindungen liefern eine Excimerstrahlung, und zwar die Verbindungen XeBr, KrBr, XeI, XeCl, KrCl, ArCl, XeF, KrF, ArF und NeF. Überdies kann die Füllung mehrere Halogene und ein Edelgas, mehrere Edelgase und ein Halogen oder mehrere Halogene und mehrere Edelgase enthalten. Überdies kann es wünschenswert sein, der Füllung Substanzen hinzuzufügen, um für eine spektrale Anhebung in verschiedenen Bereichen des Spektrums zu sorgen. So können als Zusatzmittel für diesen Zweck z. B. Quecksilber, Zink, Kadmium oder irgendeine Verbindung dieser Elemente verwendet werden.

Wird bei einer Lampe, wie sie in den Fig. 2 bis 5 beschrieben ist, eine Hochdruckfüllung verwendet, wie sie oben beschrieben wurde, so wird Excimerstrahlung mit einem geeigneten Wirkungsgrad abgegeben. Die Strahlung wird durch den Reflektor 6 durch das Gitter 8 in den Bereich außerhalb der Lampe reflektiert, wo die Strahlung ausgenutzt wird. Darüber hinaus wurde bei Ausführungen, die aufgebaut wurden, herausgefunden, daß innerhalb bestimmter Grenzen der Wirkungsgrad mit dem Füllungsdruck und wiederum innerhalb bestimmter Grenzen mit der Leistungsdichte ansteigt. Die Leistungsdichte ist so gewählt, daß sie über etwa 225 Watt/cm³ liegt und vorzugsweise größer als etwa 1000 Watt/cm³ ist, womit sich bei geeigneter Kühlung eine Betriebstemperatur (Wandtemperatur) zwischen etwa 750°C und 950°C ergibt.

Bei einer speziellen, zu der in den Fig. 2 bis 5 gezeigten gleichartigen Lampe wurde eine Füllung verwendet, die eine Mischung aus Xenon und Brom ent hielt. Das Brom lag bei Betriebstemperatur bei einem Druck von etwa 7,2 Atmo sphären vor, während das Xenon bei etwa 2,5 Bar vorlag. Die Eingangsleistung für die Lampe betrug 1482 Watt. Das Spektrum, das diese Lampe lieferte, ist in Fig. 6 gezeigt. Es ist zu sehen, daß der größte Teil der Strahlung über einem Bereich von etwa 50 nm (250-300 nm) konzentriert ist, im Unterschied zu dem Spektrum der in Fig. 1 gezeigten Quecksilberlampe. Das Spektrum enthält eine XeBr-Linie, auf die eine Br₂-Linie folgt, und es ist festzustellen, daß das sichtbare Spektrum (über 400 nm) flach und strukturlos ist. Es wurde festge stellt, daß die Effizienz der Lampe tendenziell mit dem Füllungsdruck ansteigt.

In einem anderen Fall wurde der Kolben wieder mit Xenon und Brom gefüllt, wobei während des Betriebs der Bromdruck bei etwa 7,2 Bar und der Xenondruck bei etwa 5 Bar lagen. Der Lampe wurde eine Leistung von 1168 Watt zugeführt, wobei sich das in Fig. 7 gezeigte Spektrum ergab. Der Wirkungsgrad der Lampe lag bei 14,6% in dem Bereich von 250-300 nm und war damit höher als der in der oben erörterten Kumagai- und Obara-Druckschrift zum Stand der Technik.

Es ist festzustellen, daß bei den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Spek tren der größte Teil der Strahlung in einem Band von etwa 50 nm konzentriert ist, das somit wesentlich breiter als bei den von Kumagai und Obara offenbarten Ausführungen ist. Dies ist für bestimmte Anwendungen ein entscheidender Vorteil. Es ist auch festzustellen, daß verschiedene spezielle Füllungen zu Spektren führen können, bei denen die Strahlung in Bändern unterschiedlicher Breite konzentriert ist.

Das Verfahren, das zum Füllen der oben erwähnten Kolben angewandt wurde, bestand darin, eine Sammelleitung mit flüssigem Brom und Xenon unter festem Druck zu füllen und dann unter Verwendung flüssigen Stickstoffs den größten Teil des Inhalts der Mehrfachleitung in einem einzigen Kolben einzufrieren. Der Verschlußteil wurde dem Ende des Kolbens hinzugefügt, während sein Inhalt gefroren wurde. Natürlich kann das Halogen dem Kolben hinzugefügt werden, indem eine Hologenidverbindung verwendet wird. Das zum Starten der Lampen angewandte Verfahren bestand darin, flüssigen Stickstoff auf die Kolben zu sprühen, um das Brom zum Gefrieren zu bringen, worauf eine Teslaspule nahe des Kolbens angeordnet wurde, während dieser einer Mikrowellenerregung ausgesetzt war, um die Lampe zu starten.

In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Entladungslampe gezeigt, bei der eine Mikrowellenlampe mit einem kugelförmigen Kolben eingesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Kolben 70 in einem Mikrowellenhohlraum angeordnet, der aus einem Reflektor 72 und einem Gitter 74 besteht. Ein Magnetron 76 liefert die Mikrowellenenergie, die über eine Wellenführung 78 durch den Schlitz 80 in dem Reflektor 72 geliefert wird. Die von dem Kolben 70 abgegebene Ultraviolett-Strahlung wird von dem Reflektor 72 durch das Gitter 74 hindurch reflektiert, um so die Lampe zu erregen. Der Kolben wird gekühlt, indem er durch einen Motor 82 gedreht wird, während unter inneren Überdruck gesetzte Luft auf den Kolben gerichtet wird. Bei der in Fig. 8 gezeigten Lampe kann eine Kolbenfüllung verwendet werden, wie sie zuvor beschrieben wurde, um eine Excimerstrahlung zu erzeugen.

Obwohl die bevorzugte Ausführung der Füllung in Verbindung mit einer mikrowellenbetriebenen Lampe steht, kann die Füllung auch dazu verwendet werden, Excimerstrahlung in irgendeiner Art elektrisch angeregter Lampe ein schließlich HF-betriebener Lampen und Bogenlampen zu erzeugen.

Hierzu zeigt Fig. 9 eine elektrodenlose Lampe 100 mit einer Füllung wie oben beschrieben, die mit HF-Energie betrieben wird. Gemäß dieser Figur liefert ein HF-Oszillator 102 elektromagnetische Energie in dem HF-Bereich, die der Wicklung 104 zugeführt wird, die dazu ausgelegt und angeordnet ist, die Energie bei einer geeignet hohen Leistungsdichte induktiv mit der Lampe 100 zu koppeln. Bekanntlich kann anstatt einer induktiven Kopplung auch eine kapazi tive Kopplung vorgesehen sein.

Fig. 10 zeigt eine Bogenlampe 110 mit Elektroden 112 und 114, die mit der Füllung der hier beschriebenen Art versehen ist. Eine Bogenlampenstromversor gung 112 führt der Lampe elektrische Energie zu, um eine Excimerstrahlung zu erzeugen.

Claims

1. Elektrodenlose Entladungslampe mit einem Lampenkolben zum Aussenden von Excimer-Strahlung mit einer gewünschten Spek tralverteilung, wobei der Lampenkolben gegenüber Ultraviolett-Strahlung durch lässig ist und eine Excimere bildende Füllung aufweist, die ein Halogen enthält, und mit einer Energieversorgungseinrichtung zur Erzeugung und zum Koppeln elektro magnetischer Energie mit dem Lampenkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck des Halogens bei Betriebstemperatur größer als etwa 0,47 Bar ist.

2. Enladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der die Excimere bildenden Füllung, der die Excimer-Strahlung mit der gewünschten Spektralverteilung aussendet, im wesentlichen aus dem Halogen besteht.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der die Excimere bildenden Füllung, der die Excimer-Strahlung mit der gewünschten Spektralverteilung aussendet, im wesentlichen aus dem Halogen und Edelgas be steht.

4. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Halogen derart gewählt ist, daß sich ein Partialdruck ergibt, der bei Be triebstemperatur größer als etwa 1 Bar ist.

5. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Halogen derart gewählt ist, daß sich ein Partialdruck ergibt, der bei Be triebstemperatur größer als etwa 6 Bar ist.

6. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro magnetische Energie Mikrowellenenergie ist.

7. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro magnetische Energie HF-Energie ist.

8. Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowel lenenergie eine Leistungsdichte aufweist, die größer als 225 Watt/cm³ ist.

9. Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowel lenenergie eine Leistungsdichte aufweist, die größer als etwa 1000 Watt/cm³ ist.

10. Entladungslampe nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen Brom ist.

11. Entladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen Brom und das Edelgas Xenon ist.