МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА Российский патент 1995 года по МПК H01J61/18 

Изобретение относится к светотехнике, в частности к конструкции металлогалогенных ламп для фотохимических технологических процессов, эффективно протекающих под действием излучения в спектральной области 350-450 нм, например фотолитографических процессов с использованием диазотипных материалов.

Известна конструкция металлогалогенной лампы для фотохимических технологических процессов с повышенным энергетическим КПД излучения в фиолетовой области спектра [1] содержащая горелку с электродами, наполненную ртутью, галлием, йодом, а также инертным (стартовым) газом при отношениях молярных концентраций галлия и молекулярного йода (I₂) к произведению внутреннего объема горелки и молярной концентрации ртути (2,7-3,6) ^.10^-4 и (7,6-13,0) ^.10^-4 см-³ соответственно.

Недостатками этой конструкции являются низкий энергетический КПД излучения в области 350-450 нм, порядка не более 16% и низкий процент выхода годных изделий из-за трудности зажигания лампы с помощью традиционных импульсных зажигающих устройств (с амплитудой импульсного напряжения до 4 кВ) и разгорания лампы (часты погасания разряда при разгорании). Причина этих недостатков в чрезмерной дозировке йода и, как следствие, в переизбытке свободного йода в объеме горелки, имеющего большое средство к электронам и высокий интегральный коэффициент поглощения в фиолетовом 380-430 нм участке спектра.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является выбранная в качестве прототипа металлогалогенная лампа [2] содержащая горелку с электродами, наполненную ртутью, галогенами, в частности йодом, галлием, свинцом и алюминием при массовой концентрации (в объеме горелки) галогенов (0,005-0,7) мг/см³, причем галлий и алюминий берутся из расчета по 2/3 моля на каждый моль галогена (Х₂), а свинец 1 моль на 1 моль галогена (Х₂).

Недостатком лампы по прототипу является низкий начальный КПД излучения в спектральной области 350-450 нм, порядка не более 16,5% при низкой временной стабильности этого КПД в процессе эксплуатации лампы вследствие постепенной конденсации галлия, свинца и алюминия в виде малопрозрачной пленки на стенке горелки, обусловленный количественным недостатком галогена (в частности, йода): за 500 ч горения лампы спад указанного КПД достигает 50% от начального значения.

Целью изобретения является повышение начального энергетического КПД излучения металлогалогенной лампы для фотолитографических процессов в спектральной области 350-450 нм при одновременном повышении его временной стабильности.

Цель достигается тем, что лампа, имеющая кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, галлием, свинцом, алюминием и йодом, дополнительно содержит магний при следующих молярных концентрациях металлических ингредиентов наполнения горелки, мкмоль/см³; Ртуть 5,9-29,5 Галлий 0,09-0,6 Свинец 0,03-0,5 Алюминий 0,01-0,2 Магний 0,02-0,3 при этом отношение молярной концентрации йода в расчете на атомарный йод к сумме молярных концентраций галлия, свинца, алюминия и магния составляет 1,1-2,6.

Конструктивно лампа аналогична известным конструкциям трубчатым двухцокольных с электродами с обоих концов горелки металлогалогенных ламп высокой интенсивности без внешней стеклянной колбы.

Лампа работает следующим образом.

После установки лампы цоколями в электрические патроны, включения в цепь питания лампы и последующего замыкания этой цепи на горелку подаются напряжение питающей сети и высокочастотные высоковольтные импульсы напряжения, создаваемые импульсным зажигающим устройством в цепи питания лампы, в результате чего между электродами возникает разряд в инертном (стартовом) газе, например аргоне, который, разогревая стенку горелки, приводит к испарению с нее ртути, увеличивающей мощность разряда и температуру стенки, которая приводит к испарению в рабочий объем йодидных соединений галлия, свинца, алюминия и магния, предварительно образовавшихся в результате парофазных реакций этих металлов с йодом после первого технологического включения лампы, лампа разгорается, после чего она переходит в режим дугового горения с установившимися параметрами (рабочий), эффективно излучая в интересующем интервале длин волн (350-450 нм). При этом в дополнение к линиям излучения ртутного буферного газа в этом спектральном интервале, 365,0/5,5/6,3, 404,7, 407,8 и 435,8 нм, спектр излучения лампы содержит уширенные этим буферным газом сильные линии галлия 403,3 и 417,2 нм, свинца 357,3, 364, 368,3, 374,0 и 405,8 нм, алюминия 394,4 и 396,1 нм и магния 382,9/3,2/3,8 нм. В результате этого имеет место повышенный энергетический КПД излучения лампы в интервале длин волн 350-450 нм.

При молярных концентрациях ртути меньше 5,9 мкмоль/см³ рабочее давление ее паров слишком слабо уширяет линии излучения металлов добавок и самой ртути, а при концентрациях ртути больше 29,5 мкмоль/см³ пары ртути радиационно слишком охлаждают разряд, что снижает эффективность высвечивания указанных линий металлов добавок и самой ртути из разряда, так что в обоих случаях положительный эффект от заявляемого решения по энергетическому КПД излучения в области 350-450 нм отсутствует. При молярных концентрациях металлов добавок (т. е. галлия, свинца, алюминия и магния) меньше их заявленных нижних пределов высвечивание вышеуказанных линий этих металлов из разряда вследствие слишком низких их парциальных давлений в разряде чрезмерно мало, а при больших заявленных величин верхних пределов пары указанных металлов слишком охлаждают (радиационно) разряд, снижая выход указанных линий, в том числе и ртутных, из разряда, так что и в этом случае положительный эффект от заявляемого технического решения отсутствует. При отношениях молярной концентрации атомарного йода к сумме молярных концентраций металлов добавок меньше 1,1 количества йода оказывается недостаточно для полного связывания металлов добавок в летучие металлогалогениды GaI_3, PbI₂, AlI_3, MgI₂, в результате чего часть металлов постепенно конденсируется на стенке горелки, образуя малопрозрачную пленку, сильно снижающую временную стабильность указанного энергетического КПД излучения, а при указанных отношениях больше 2,6 в объеме горелки присутствует чрезмерный избыток свободного йода, затрудняющий процессы зажигания и разгорания лампы, что выражается в пониженном выходе годных ламп.

В таблице приведен 21 пример конкретного выполнения лампы по заявляемому техническому решению, два из которых показали оптимальные результаты. При этом лампа имела одинаковые горелки из кварцевого стекла одного сорта с внутренним диаметром колбы (трубки) 29 мм и межэлектродным расстоянием 110 мм. Лампы испытывались в горизонтальном положении в непрерывном режиме горения при циклическом режиме по мощности, соответствующем реальным условиям эксплуатации; 3000 Вт в течение 10 мин, 1500 Вт в течение 5 мин и т.д. Обозначения и размерности в таблице следующие: Ga, Pb, Al, Mg, Hg молярные концентрации в объеме горелки металлов добавки: галлия, свинца, алюминия, магния и ртути, мкмоль/см^3, соответственно, 1/(Ga + Pb + Al + Mg) отношение молярной концентрации атомного йода к сумме молярных концентраций галлия, свинца, алюминия и магния, η_o начальное значение энергетического КПД излучения лампы в спектральном диапазоне 350/450 нм, η ₅₀₀/ η_o отношение значения указанного КПД после 500 ч горения лампы в указанном режиме к его начальному значению.

Из таблицы следует, что лампа по заявляемому техническому решению обладает повышенным энергетическим КПД излучения в спектральной области 350-450 нм и повышенной временной стабильностью этого КПД.

Использование: в металлогалогенных лампах для фотолитографических процессов. Сущность изобретения: металлогалогенная лампа содержит горелку из кварцевого стекла с герметично установленными электродами. Горелка наполнена ртутью, галлием, свинцом, алюминием, магнием и йодом при следующих молярных концентрациях металлических ингредиентов наполнения в объеме горелки, мкмоль/см³ : ртуть 5,9 - 29,5, галий 0,09 - 0,6, свинец 0,03 - 0,5, алюминий 0,01 - 0,2, магний 0,02 - 0,3. Отношение молярной концентрации йода в расчете на атомный йод к сумме молярных концентраций галлия, свинца, алюминия и магния составляет 1,1 - 2,6. 1 табл.

МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА, содержащая кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, галлием, свинцом, алюминием и йодом, отличающаяся тем, что горелка дополнительно содержит магний при следующих молярных концентрациях металлических ингредиентов наполнения, мкмоль/см³:
Ртуть 5,9 29,5
Галлий 0,09 0,6
Свинец 0,03 0,5
Алюминий 0,01 0,2
Магний 0,02 0,3
при этом отношение молярной концентрации йода в расчете на атомарный йод к сумме молярных концентраций галлия, свинца, алюминия и магния составляет 1,1 2,6.