JP4741190B2 - ショートアーク型高圧放電ランプ - Google Patents

Description

本発明は、放電管を備えた直流駆動用のショートアーク型高圧放電ランプであって、前記放電管は直径方向で反対側に取り付けられた２つのネックを有し、前記のネック中に、それぞれタングステンからなるアノード及びカソードが気密に融着されていて、かつ前記の放電管には少なくとも１種の希ガス並びに場合により水銀からなる封入物を有するショートアーク型高圧放電ランプに関する。この種のランプは、特にウェハの露光のための半導体工業におけるマイクロリソグラフィー用の水銀アークランプとして、及び映画館投影器用及びビデオプロジェクター用のキセノンアークランプとして使用される。

露光プロセス用に使用される水銀−ショートアーク型高圧放電ランプは、紫外波長領域において（部分的には数ナノメートルの波長に制限されて）高い光度を提供しなければならず、その際にこの発光は小さな空間領域に制限される。

最も小さな空間での強力な発光は、同様に映画館投影器及びビデオプロジェクター用のキセノンアークランプに関しても必須な要求である。

このことから導き出される高輝度の要求は、狭い電極間距離での直流−ガス放電により達成することができる。この場合に、カソードの前でより高い発光を有するプラズマが生じる。プラズマ中への強い電気エネルギー結合により、特にカソードでは材料を損なってしまう程の電極温度が生じる。

この種のカソードは、従って今までは有利に酸化トリウムＴｈＯ_２からなるドーパントを含有し、この酸化トリウムはランプ稼働の間にトリウムＴｈに還元され、この金属の形でカソード表面上に移動し、かつこのカソード表面上でカソードの仕事関数の低下を引き起こす。

この仕事関数の低下と共に、カソード駆動温度は低減し、この低減によりカソード寿命は延長される、それというのも低下させた温度ではカソード材料はあまり蒸発しないためである。

ドーパントとしてのＴｈＯ_２の今まで有利な使用は、ドーパントの蒸発が比較的少なく、従ってランプバルブ内での有害な沈着（黒化、被膜）が僅かになるという事実に基づいている。ＴｈＯ_２のこの優れた特性は、その酸化物（３３２３Ｋ）の及び金属（２０２８Ｋ）の高い融点と関連している。

しかしながら電極焼損はトリウム添加されたカソードの場合でも避けられないため、直流型ガス放電ランプの場合にこの寿命はカソード焼損により制限される。これは、特に本願発明の場合のように電極間距離が短いランプの場合には欠点である、それというのもこの場合には僅かな電極間距離がランプの照明技術的特性を著しく変化させてしまうためである。しかしながら、ＴｈＯ_２の使用の決定的な欠点はその放射性にあり、この放射性は予備材料製造においてランプ製造において取り扱い時に保護措置を必要とする。生成物の活性に応じて、このランプの貯蔵、稼働及び廃棄の際の条件も留意しなければならない。

この環境問題の解決策は、２０Ａより大きい高い駆動電流のランプ（例えばマイクロリソグラフィー又はプロジェクター工業において使用される）の場合に、このランプが電極のサイズに基づき特に高い活性を有するために、特に重大である。

従って、多くのトリウム代替物質が調査されていた。この例は、Metallurgical Transactions A, vol.21A, Dec 1990, p. 221-3236に記載されている。マイクロリソグラフィー又は映画館投影器用のランプの場合に代替材料の商業的使用は成功しなかった、それというのも全ての代替材料はＴｈＯ_２と比較して気化しやすいことによりバルブ皮膜が顕著に形成されるためである。

マイクロリソグラフィーの場合では、露光装置の生産性は、このランプが提供する光量に決定的に依存する。バルブ被膜及び電極焼損は、供給可能な有効光を減少させ、かつ露光時間の増加に基づき極めて高価な装置の生産性を損なってしまう。

本発明による課題は、電極材料中に放射性ドーパントなしで、達成された先行技術に電極焼損に関して全く劣らないか又は僅かに劣っているにすぎないほど僅かな電極焼損を保証し、かつランプバルブ中の皮膜形成はランプ寿命にわたり可能な限り低減される、請求項１の上位概念に記載のショートアーク型高圧放電ランプを提供することである。

前記の課題は、請求項１の上位概念に記載されたショートアーク型高圧放電ランプにおいて、少なくともカソード先端部の材料が、タングステンに対して付加的に酸化ランタンＬａ_２Ｏ_３と、ＨｆＯ_２及びＺｒＯ_２のグループからなる少なくとも１種の他の酸化物とを含有することにより解決される。

多様なドーパントの組み合わせに関する調査により、Ｌａ_２Ｏ_３をベースとするこの混合酸化物が皮膜形成及び電極焼損に関して良好な結果を示すことが判明した。カソード先端部又は全カソードのＬａ_２Ｏ_３のドープ量は、カソード材料の１．０〜３．５質量％、有利にカソード材料の１．５〜３．０質量％である。他の酸化物又は炭化物の添加により、更なる改善が達成されることを調査した。少量のＺｒＯ_２及び／又はＨｆＯ_２の添加により、エミッター蒸発に関する特性の更なる改善を達成できることが示された。ＺｒＯ_２及びＨｆＯ_２のモル量は、この場合、有利にＬａ_２Ｏ_３のモル量の少なくとも２％であるのが好ましいが、同時にＬａ_２Ｏ_３のモル量を上回らないのが好ましい、それというのも光束に対して有利な影響は常にカソードの焼損を高めることを伴うためである。ＨｆＯ_２の重量割合がＬａ_２Ｏ_３の０．６５倍以下であり、ＺｒＯ_２の重量割合がＬａ_２Ｏ_３の０．３８倍以下である場合に、Ｌａ_２Ｏ_３の過剰量が保証される。

この第２の酸化物の添加は、ランプ駆動の間の光束及び電極焼損に関して重大な影響を及ぼす。１．７５ｋＷの出力、カソード先端部のＬａ_２Ｏ_３含有量２．０質量％並びに他の酸化物を有する水銀アークランプは、稼働時間１５００ｈの後の試験で次の結果を示した：

トリウム添加されたカソード（ＴｈＯ_２ ２質量％）の使用の場合には次の値が観察された：

Ｌａ_２Ｏ_３ドープされたカソードの使用の際に、ＺｒＯ_２及び／又はＨｆＯ_２の形の第２の酸化物を添加することにより、純粋なキセノンアークランプの光束特性を改善することを同様に証明することができた。この酸化物の添加は、急速なバルブ皮膜形成を生じさせるドーパント物質の著しい漏出も抑制する。

トリウム不含の材料からなるカソードは、その特性に関して、特に混合酸化物を使用した場合に、より大きなアーク形成を示す。このようなカソードの最適な焼損は、カソードのプラトー部サイズを相応して適合される場合に保証される。プラトー部サイズが適合されていない場合に、このアークはプラトー部（Plateau）の縁部に接して形成されるか（プラトー部が大きすぎる場合）もしくはプラトー部の縁部をさらに越える（プラトー部が小さすぎる場合）。両方の場合では、最適でないプラトー部サイズにおいて、電極損傷及びそれに関連してより高い焼損が確認可能となる。このプラトー部は平坦でも湾曲状にも構成されていてもよいため、最適なプラトー部サイズは、技術的には、カソード先端部の後方の０．５ｍｍの距離でのカソード中の電流密度のデータにより規定することが最良である。Ｌａ_２Ｏ_３並びにＺｒＯ_２及び／又はＨｆＯ_２でドープされたカソードの場合の試験は、このカソード焼損が、カソード中の電流密度Ｊ、つまりＡで示すランプ電流Ｊと、カソードの後方の端部に向かってカソード先端部から０．５ｍｍの距離での有効面積Ｓとの商が、水銀／希ガス−封入物の場合では５よりも小さくなく、１５０Ａ／ｍｍ^２よりも大きくなく、及び純粋な希ガス−封入物の場合には２５よりも小さくなく２００Ａ／ｍｍ^２よりも大きくないカソード材料において、できる限り僅かに維持できることを示した。

図面の簡単な説明
次に、本発明を、実施例を用いて詳説する。

図１は、本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプの断面図を表す
図２は、図１による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプのカソードの詳細な断面図を表す
図３は、本発明によるキセノン−ショートアーク型高圧放電ランプの部分断面図を表す
図４は、図３によるキセノン−ショートアーク型高圧放電ランプの電極装置の拡大図を表す。

図１は、１．７５ｋＷの出力の、本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプの断面図を示す。この放電ランプは、楕円形に成形されている石英ガラスからなるバルブ２を有する。このバルブ２の対峙する側に２つの端部３が続いていて、この端部３はネック部４として構成されかつそれぞれ保持部８を内部に有している。このネック部は前方の円錐部４ａと後方の円柱部４ｂとを有し、前記の円錐部４ａは石英ガラスからなる支持管５を保持部の主要な構成要素として有し、前記の円柱部４ｂは封止用の溶融部を形成する。この前方の円錐部４ａは５ｍｍの長さの引き込み部６を有する。この引き込み部に続いてそれぞれ、中心に穿孔を備えた支持管５が設けられていて、この支持管５は円錐状に形成されている。この支持部５の内径は７ｍｍであり、前方の端部の外径は１１ｍｍであり、最も後方の端部の外径は１５ｍｍである。この範囲内のバルブ２の壁厚は約４ｍｍである。この支持管の軸方向の長さは１７ｍｍである。

第１の支持管の穿孔中には、６ｍｍの外径を有するカソード７のシャフト１０が軸方向に案内されていて、このシャフト１０は放電空間内にまで達し、かつその箇所に一体式のヘッド部２５を有している。このシャフト１０は支持管５を経由して後方にまで延びていて、皿部１２で終端となり、この皿部１２に続いて封止用溶融部が円柱状の石英ブロック１３の形で設けられている。その後方に第２の皿部１４が続き、この第２の皿部１４は中心にモリブデン棒１５の形の外部電流リード部を保持する。石英ブロック１３の外面にはモリブデンからなる４枚の箔１６が公知のようにその面に沿って案内されていて、かつバルブネックの壁部と気密に融着している。

同様にして、別個のヘッド部１８とシャフト１９とからなるアノード２６は、第２の支持管５の穿孔中に保持されている。

図２中には、カソード７と保持部８とが詳細に示されている。カソード７は、３６ｍｍの長さの円筒状のシャフト１０と、２０ｍｍの長さのヘッド２５とから構成されていて、その際にヘッド２５はシャフトと同じく６ｍｍの外径を有する。アノードに向かう側の、ヘッド２５の端部は、６０゜の先端角βを有する先端部１１として構成されていて、０．５ｍｍの直径を有するプラトー状の端部２７を有する。この保持部８は、支持管５と、その支持管５の穿孔中の複数の箔とからなる。

支持管５とシャフト１０とを機械的に分離するために、箔２４が複数回（２〜４層）シャフトの周囲に巻き付けられている。巻き付けられた箔２４の上で相互に向かい合う一対の狭いシート２３は支持管の固定のために用いられる。このために、この狭いシートは支持管を越えて放電側に張り出し、かつ外側に曲がっている。カソード７の先端部１１の材料は、タングステンの他に、Ｌａ_２Ｏ_３ ２．０質量％並びにＺｒＯ_２ ０．５質量％のドーパントを有する。

本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプは、１３４ｃｍ^３の容量を有する放電管を有し、前記の放電管は常温封入圧力８００ｍｂａｒで水銀並びにキセノン６０３ｍｇが封入されている。

電極間距離４．５ｍｍを有するランプの駆動電流は６０Ａである。プラトー先端部から距離０．５ｍｍでのカソード中での電流密度Ｊは、ランプの駆動時に６６Ａ／ｍｍ^２である。

図３には、純粋にＸｅが封入されている本発明によるショートアーク型高圧放電ランプ２８が図示されている。３ｋＷの入力のランプ２８は、石英ガラスからなる回転対称のランプバルブ２９を有し、このランプバルブ２９の両端に、同様に石英ガラスからなる、それぞれ１つのランプネック３０，３１が取り付けられている。一方のネック３０では、カソード３３の電極棒３２が気密に融着されていて、この電極棒３２の内側の端部にカソードヘッド３４を有する。他方のランプネック３１では、同様にアノード３６の電極棒３５が気密に融着されていて、この電極棒３５の内側の端部にアノードヘッド３７が固定されている。ランプネック３０，３１の外側の端部には、保持のため及び電気的コンタクトのためにソケットシステム３８，３９が取り付けられている。

図４から明らかなように、カソードヘッド３４は、アノードヘッド３７に向かう側の円錐形の端部３４ａと、電極棒３２に向かう側の、円筒形及び円錐台形の部分を有する端部３４ｂとから構成されていて、その際、この両者の端部３４ａ，３４ｂの間に、熱障壁溝として表される、同様に円筒形の、より小さな直径を有する部分３４ｃが存在する。アノードヘッド３７に向かう側の、カソードヘッド３４の円錐形の端部３４ａの、４０゜の円錐角αを有する先端は、０．６ｍｍの半径Ｒを有する半球として構成されている。このランプ電流はこの場合１００Ａであり、かつこのランプ電流から得られる、カソード先端部の後方の０．５ｍｍの基準面での電流密度は８８Ａ／ｍｍ^２である。

アノードヘッド３７は、直径Ｄ２２ｍｍの円筒形の中央部３７ａと、２つの円錐台形の端部３７ｂ，３７ｃとからなり、これらの端部はカソードヘッド３４の側もしくは電極棒３５の側に配置されている。カソードヘッド３４に向かう側の円錐台形の端部３７ｃは、直径６ｍｍのプラトー部ＡＰを有する。両方の電極３３，３６の全ての部分はタングステンからなる。付加的に、カソードヘッド３４の円錐形の端部３４ａはＬａ_２Ｏ_３ ２．０質量％並びにＨｆＯ_２ ０．５質量％のドーパントを有する。

この両方の電極３３，３６は、ランプバルブ２９の軸方向に、ランプの加熱状態で３．５ｍｍの電極間距離もしくはアーク間距離となるように対峙するように取り付けられている。

本発明による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプの断面図 図１による水銀−ショートアーク型高圧放電ランプのカソードの詳細な断面図 本発明によるキセノン−ショートアーク型高圧放電ランプの部分断面図 図３によるキセノン−ショートアーク型高圧放電ランプの電極装置の拡大図

Claims (8)

1. 放電管（２，２９）を備えた直流駆動用のショートアーク型高圧放電ランプ（１，２８）であって、前記のショートアーク型高圧放電ランプ（１，２８）は、前記の放電管（２，２９）は直径方向で反対側に取り付けられた２つのネック（４；３０，３１）を有し、前記のネック（４；３０，３１）中に、それぞれタングステンからなるアノード（２６，３６）及びカソード（７，３３）が気密に融着されていて、前記の放電管（２，２９）には少なくとも１種の希ガス及び場合により水銀からなる封入物を有する形式のものにおいて、カソード先端部（１１，３４ａ）の材料が少なくともタングステンと、酸化ランタンＬａ₂Ｏ₃と、酸化ハフニウムＨｆＯ₂及び酸化ジルコニウムＺｒＯ₂のグループからなる少なくとも１種の他の酸化物とからなり、カソード材料のＬａ₂Ｏ₃含有量が１．０〜３．５質量％であり、かつカソード材料に関して酸化ジルコニウムＺｒＯ₂及び酸化ハフニウムＨｆＯ₂のグループからなる少なくとも１種の他の酸化物の付加的なモル量はＬａ₂Ｏ₃の付加的なモル量よりも小さいことを特徴とする、ショートアーク型高圧放電ランプ。
2. 全カソード（７，３４）のカソード材料がＬａ₂Ｏ₃と、ＨｆＯ₂及びＺｒＯ₂のグループからなる少なくとも１種の他の酸化物とを含有することを特徴とする、請求項１記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
3. カソード材料のＬａ₂Ｏ₃含有量が１．５〜３．０質量％であることを特徴とする、請求項１又は２記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
4. 酸化ジルコニウムＺｒＯ₂及び酸化ハフニウムＨｆＯ₂のグループからなる少なくとも１種の他の酸化物の付加的なモル量が、Ｌａ₂Ｏ₃のモル量の少なくとも２％であることを特徴とする、請求項１又は２記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
5. 放電管（２）中のアノード（２６）とカソード（７）との間の電極間距離は８ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
6. 放電管（２９）中のアノード（３６）とカソード（３３）との間の電極間距離は１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
7. ランプ（１，２８）の稼働時のランプ電流は２０Ａよりも大きいことを特徴とする、請求項１記載のショートアーク型高圧放電ランプ。
8. カソード（７）は、ランプの稼働時に電流密度Ｊ、つまりランプ電流Ａと、カソードの先端部から０．５ｍｍの距離のランプ軸に対して垂直方向のカソードの断面から生じる面についての有効カソード面積ｍｍ²との商が、次の式：
   水銀／希ガス−封入物の場合には５≦Ｊ≦１５０
   純粋な希ガス−封入物の場合には２５≦Ｊ≦２００
   を満たす形状を有することを特徴とする、請求項１記載のショートアーク型高圧放電ランプ。

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