長使用壽命的高壓氣體放電燈電極的製作方法

2023-11-05 04:42:27

專利名稱：長使用壽命的高壓氣體放電燈電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及根據權利要求1的前序部分的高壓氣體放電燈電極。尤其重要的是汞短弧燈，特別是半導體工業用的汞短弧燈。這類燈經常用於晶片或其它襯底暴光的光刻過程。另一個最佳應用領域是惰性氣體高壓氣體放電燈，特別是高壓氣體放電氙燈。也可以用於金屬滷化物燈。
從公開的歐洲專利EP-A791 950已經知道一種高壓氣體放電燈的陽極在其尖端外側配備有一層由細顆粒鎢形成的燒結層。因而陽極的表面積增大了。這樣能降低工作時的陽極溫度，並且能減緩玻殼變黑。這種層的輻射係數大約為0.5。
德國專利DE-A 11 82 743公開了一種能提高輻射係數的層，它由燒結鎢或TaC製成。這一層的製法是用丁基醋酸鹽與纖維素粘結劑的懸浮液和對應的金屬粉末製成漿，塗到陽極上。燒結過程在真空中在高於1800℃的溫度下進行。利用1-3mm深的冷卻槽可以實現附加的冷卻效果。
本發明的一個目的是提供一種根據權利要求1的前序部分的高壓氣體放電燈電極，這種高壓氣體放電燈具有非常長的使用壽命。
這目的是通過權利要求1的特徵部分來實現的。在從屬權利要求中有詳細的有益的改進設計。
電極表面上這種根據本發明的塗層適合於作為非常有效的冷卻電極的機構(通過熱輻射)。這就是輻射係數越高，電極變得越冷。結果，減少了從電極產生的鎢蒸發，從而減緩了玻殼的變黑。因為鎢蒸發率隨電極的溫度按指數關係上升，所以，即使溫度只有相對微小的下降，也會導致玻殼變黑過程明顯減緩。
特別是在光刻中，要求燈在工作過程中的光通量下降儘可能地少。另外，還希望光通量儘可能地高，以便使對襯底暴光時間非常短。結果，一方面，實現了延長使用壽命。另一方面，為設計出能在不變的支持下(in conjunction constant maintenance)產生更高起始光強度的燈提供了可能性。也為減小電極尺寸提供了可能性。
光通量下降的原因是在高功率密度的情況下，在放電弧中，電極材料(通常使用鎢)會熔化和蒸發。特別是陽極由於電子轟擊而被激烈地加熱。從陽極蒸發出的鎢澱積在玻殼上，從而導致玻殼變黑，後者使得燈的光通量下降。此外，本發明還可以用於高負荷陰極的情況。
在這情況下，陽極溫度本質上取決於陽極本身所輻射出的功率。如果把陽極看成一個普朗克輻射體，則單位面積所輻射的功率(L)可以用斯提芬-玻爾茲曼定律來描述L＝ε+σ+T4其中，σ＝5.67×10-8Wm-2K-4是斯提芬-玻爾茲曼常數；輻射係數ε描述熱輻射體(0＜ε＜1)相對於理想黑體輻射體(ε＝1)的偏離程度。T是按照開氏絕對溫標計算的溫度。
在本發明中，具有樹枝狀金屬或樹枝狀金屬化合物的陽極塗層使輻射係數從大約0.3(純鎢)提高到大於0.6(在起碼1000℃溫度的情況下)。在初次使用的燈結構中，甚至達到0.8以上的值。在此，樹枝狀結構可以理解為在另一平滑的表面上的許多針狀的反射光的生長物。這些產物彼此緊鄰，相距間隔從幾納米到大於一百微米，最好平均間隔起碼為300納米。已經證明，在兩個相鄰的針狀峰之間的谷深起碼是這兩峰彼此之間間隔的30％時，這樣的表面結構是最適當的。樹枝狀層特別能用高熔點金屬產生。錸、鎢、鉬、和鉭或它們的碳化物和/或氮化物特別適用。鉿或鋯的碳化物或氮化物也適用。此外，可以在鎢芯與樹枝狀層之間塗敷一般的高熔點金屬塗層。
錸層特別適用，因為用它能特別有效地產生樹枝狀結構。它的輻射係數ε大約為0.9。結果，對於規定的輻射功率L，與沒有塗層的陽極或只有燒結上鎢或TaC的陽極相比，就有可能使塗有樹枝狀錸的陽極溫度下降達200°K。從下面的方面看，錸層的適用性是令人驚奇的錸的蒸汽壓比鎢高大約75倍。這對工作在真空的旋轉陽極不起作用，因為汽相澱積的材料凝結在冷點處。可是，在燈結構中，強的澱積會導致變黑，這樣就會降低使用壽命。可是，因為溫度大為降低，這不利的影響早已被抵消掉。
這大為改善的陽極冷卻進一步大大地降低常規的電極材料(鎢)從面對放電空間的陽極澱積面的蒸發。結果，在相同的光數據的情況下，這種燈以在使用壽命期間發光下降明顯減緩為特徵而區別於所有其它的燈。
陽極的前部區域最好是半球形或圓錐狀地逐漸縮小。帶有用於放電的平面澱積面(在下文稱為陽極平臺)的圓錐平截頭體特別適用。
另外，本發明能在不改變使用壽命響應和相同的工作溫度的情況下提供較小尺寸的陽極。較小尺寸可以減小電極對放電弧的遮擋作用，結果，在相同的使用壽命響應的情況下提高了燈的光通量。
例如，有可能利用化學氣相外延(其術語也稱之為CVD(化學氣相澱積))把金屬層以樹枝狀表面形態塗敷到陽極表面，達大約10到40μm厚。這種樹枝狀表面形態的特徵在於針狀晶粒，其相互間距典型地為大約10到30μm。針狀晶粒大致處於垂直於表面的取向，結果是，入射的輻射實際上完全被相鄰的晶粒的側面之間的多次反射所吸收。結果，這一層有高的吸收率，並且是黑色的。與高的吸收率一致，它有達0.9的高的輻射係數。在美國專利US-A 3 982 148中，結合X射線管的旋轉陽極的應用，描述了這種塗層的製備方法。本發明特意參考了所述公開。CVD技術特別適合作為製備這種塗層的方法。可是，也可以考慮採用其它產生薄的高熔點金屬層的技術，例如濺射(在術語上經常稱為PVD(物理氣相澱積))或者雷射燒蝕。
與沒有塗層的陽極相比，原則上，在高壓氣體放電燈中，輻射係數ε提高到0.9能使陽極平臺溫度下降達200°K。
本發明主要適用於有1到60mg/cm3汞含量的汞高壓氣體放電燈。惰性氣體的典型冷充氣壓強為0.2到5巴。通常使用氙，但氬(250毫巴)也很合適。
本發明也能應用到其它類型的燈中，特別是應用到有冷充氣壓強為20巴的氙高壓氣體放電燈中。一個非常重要的應用領域是以脈衝方式工作或利用直流電流工作的高壓氣體放電燈。問題在於這類燈的電極負荷特別高。至今，陽極平臺的中部都熔化並呈現出結構的擴展變化。現在可以消除這問題。原則上，在此描述的技術不止適用於這類高負荷燈的陽極，也可用於其陰極。將陰極的前部削尖是有利的。
下面將藉助多個示範的實施例更詳細地解釋本發明。附圖中

圖1表示汞高壓氣體放電燈，圖2表示圖1中的燈的有塗層的陽極，圖3表示兩種燈的陽極溫度的比較，圖4表示有塗層的陰極的另一個示範的實施例，圖5表示有塗層的陰極的再另一個示範的實施例，圖6表示在恆定工作條件下兩種燈的發光下降程度的比較，圖7表示在脈衝工作條件下兩種燈的發光下降程度的比較，和圖8表示在圖7所示的燈的工作中脈衝的形狀。
圖1表示汞高壓氣體放電燈1的結構，它有一個放電容器2，兩個通筒3和分別固定在通筒3上的燈頭4。燈利用直流(但交流也可以)以1000W的功率工作。陽極5和陰極6相距4.5mm。放電容器2用石英玻璃製成，壁厚大約為2.8mm。玻殼充以4.5mg/cm3汞並以冷充氣壓強1.4巴充入氙。玻殼外表面的工作溫度達750℃。
圖2表示陽極5的細節。陽極5的實心圓柱形主體固定在支持杆10上。在面對放電空間的一側，圓柱體呈圓錐形逐漸縮小。圓錐區11以平臺12為端面，平臺的直徑是圓柱直徑的大約30％。圓錐區的高為大約6mm。除了由圓錐區和平臺組成的前部外，圓柱體敷以樹枝狀錸(13)。其特徵是針狀錸晶粒，這些晶粒彼此之間間隔大約10到30μm。該層的厚度大約為25μm。針狀晶粒實際上垂直地定位在所述表面上，結果，入射的輻射線實際上通過在相鄰的晶粒的側面之間的多次反射而完全被吸收。結果，這一層有高的吸收率，並且是黑色的。根據克希霍夫輻射定律，高的吸收率與高的輻射率相聯繫。黑色的錸的輻射係數ε＝0.9。對於這一功能，重要的是，一方面晶粒分布要足夠密，另一方面晶粒之間的谷要足夠深。單個樹枝狀結構之間的間隔與高度之比最好應起碼為0.3。
在另一個低功率(低於1000W)的示範的實施例中，整個陽極都敷以錸。
圖3表示工作在3500W功率下的汞短弧燈中，敷以錸的陽極與敷以TaC的陽極之間的陽極平臺和圓柱體的溫度的比較。陽極平臺是陽極中熱負荷最重的部分，從這部分會蒸發出使玻殼變黑的鎢。在陽極平臺上，這兩種類型陽極的溫度差大約為170℃。在整個陽極前部(一直到離陽極平臺起碼3mm的間隔)都保持這種溫度差。
圖4和5表示高功率(3500W)燈的高負荷陰極15和功率為2500W的燈的不太重負荷的陰極20的進一步的示範實施例，其中，在整個陰極15上塗敷樹枝狀錸層16，而在陰極20隻有在圓柱體21上塗敷樹枝狀錸層22。
圖6表示兩種結構相同的汞短弧燈的發光下降程度的比較，其中一種燈的陽極塗敷樹枝狀錸層(曲線a)，而與其相比的另一種燈的陽極塗敷TaC(曲線b)。在每種情況下，燈都工作在恆定功率3400W。利用Ulbicht球測量了在波長範圍從363到367nm(對應於對晶片分步器(stepper)特別重要的i線)的總發光強度。可以清楚地看出，與具有TaC陽極塗層的燈相比，具有樹枝狀陽極塗層的燈由於使用壽命期間變黑而造成的輻射的下降顯著地比較慢。
圖7表示兩種結構相同的在脈衝工作狀態下的汞短弧燈的輻射下降程度的比較(再一次在i線範圍內)，其中一種燈的陽極塗敷樹枝狀錸層(曲線a)，而與其相比的另一種燈的陽極塗敷TaC(曲線b)。這可以理解為這樣的一種工作狀態功率在起碼兩個值之間周期地改變，電極負荷非常重。在所示的示範實施例中，汞蒸汽燈分別在2720W工作300ms和在2400W工作500ms。圖8中以圖形表示該脈衝序列。在每一種情況下，功率以1600W/s線性地變化。形成一種梯形脈衝功率信號。在這種功率下工作，燈的變黑比工作在恆定功率時嚴重。在此，也清楚地看出，具有樹枝狀陽極塗層的燈比具有TaC陽極塗層的燈有更好的使用壽命響應(較少變黑)。
權利要求
1.一種用於高壓氣體放電燈的電極(5)，其特徵在於所述電極(5)的起碼一部分表面復蓋著由高熔點金屬製成的樹枝狀層(13)。
2.根據權利要求1的電極，其特徵在於所述高熔點金屬是錸、鎢、鉬、和鉭、或這些金屬的混合物或化合物、或金屬鉿或鋯的混合物或化合物、特別是氮化物或碳化物。
3.根據權利要求1的電極，其特徵在於所述樹枝狀層的厚度在10到40μm之間。
4.根據權利要求1的電極，其特徵在於所述電極特別是起碼部分復蓋著樹枝狀層(16；21)的削尖的陰極(15；20)。
5.根據權利要求1的電極，其特徵在於所述電極是陽極(5)，其全部或起碼部分，特別是在避開放電的區域復蓋著樹枝狀層。
6.根據權利要求5的電極，其特徵在於所述陽極(5)具有其前部(11)逐漸縮小的圓柱體。
7.根據權利要求6的電極，其特徵在於所述前部區域成圓錐形地逐漸縮小，並有一個與所述圓柱體的軸垂直的平臺(12)。
8.根據權利要求1的電極，其特徵在於所述表面的輻射係數大於0.6。
9.具有根據上述權利要求中的一個權利要求的電極的高壓氣體放電燈(1)，所述填充物包含汞和/或惰性氣體。
10.用於生產根據權利要求(1)的電極的方法，其特徵在於所述層的澱積是或者通過化學汽相澱積(CVD)或者通過物理汽相澱積(PVD)進行的。
全文摘要
本發明涉及用於高壓氣體放電燈的電極(5),該電極表面的一部分復蓋有高熔點金屬的樹枝狀層(13)。本發明的電極呈現顯著延長的使用壽命。
文檔編號H01J9/02GK1274473SQ99801276
公開日2000年11月22日 申請日期1999年2月10日 優先權日1998年8月6日
發明者C·塞策爾 申請人:電燈專利信託有限公司