МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА Российский патент 1995 года по МПК H01J61/18 

Изобретение относится к светотехнике, в частности к конструкции металлогалогенных ламп высокой интенсивности для фотохимических процессов.

Известна металлогалогенная лампа высокой интенсивности для фотолитографических процессов [1] содержащая горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, свинцом и иодом при следующих, в пересчете на молярные, концентрациях ингредиентов в объеме горелки, мкмоль/см³: Ртуть 13,0-18,44 Свинец 0,0526-0,643 Иод 0,128-1,576
Недостатком этой конструкции ламп является высокая экологическая неполноценность, связанная с содержанием в ней супертоксичного ингредиента ртути, и низкий энергетический КПД излучения в спектральной области 350-420 нм, соответствующей максимуму чувствительности большой группы фотолитографических материалов фоторезисторов на основе диазосоединений: порядка не более 10%
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является выбранная в качестве прототипа конструкция металлогалогенной лампы высокой интенсивности для фотохимических технологических процессов [2] содержащая горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, галлием, свинцом и галогенами, в частности иодом, и общей концентрацией галогенидов 0,005-0,7 мг/см³, при этом молярные отношения галлия и свинца к молекулярному галогену, в частности к иоду, составляют 2/3 и 1 соответственно.

Недостатком решения конструкции лампы по прототипу является высокая экологическая неполноценность из-за наличия в составе наполнения лампы супертоксичной ртути при низкой временной стабильности энергетического КПД излучения лампы в области 350-420 нм в процессе ее эксплуатации вследствие постепенной конденсации галлия и свинца в виде непрозрачной пленки на стенке горелки, обусловленной количественным недостатком галогена, в частности иода: за 500 ч горения спад указанного КПД достигает 70% от начального значения, составляющего порядка 14%
Целью изобретения является повышение экологической полноценности металлогалогенной лампы для фотолитографических процессов при одновременном повышении временной стабильности ее энергетического КПД излучения в спектральной области 350-420 нм.

Цель достигается тем, что в лампу, содержащую кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную галлием, свинцом и иодом, дополнительно вводится ксенон и магний, при давлении ксенона 3-200 кПа и при молярных концентрациях галлия, свинца и магния, мкмоль/см³: 0,3-6,0; 0,02-4,5; 0,2-4,0 соответственно, а отношение молярной концентрации атомарного иода к сумме полярных концентраций галлия, свинца и магния составляет 1,1-1,8.

Конструктивно лампа аналогична известным конструкциям трубчатых двухцокольных металлогалогенных ламп высокой интенсивности.

Лампа работает следующим образом. После установки лампы цоколями в электрические патроны, включенные в цепь питания лампы, и последующего замыкания этой цепи на горелку подаются напряжение питающей сети и высокочастотные высоковольтные импульсы, создаваемые импульсным зажигающим устройством в цепи питания лампы, в результате чего между электродами возникает разряд в ксеноне, который, разогревая стенку горелки, приводит к испарению с нее иодистых соединений галлия, свинца и магния лампа разгорается, после чего она переходит в режим дугового горения с установившимися параметрами (рабочий), эффективно излучая в интервале длин волн от 350 до 420 нм. При этом на относительно слабый фон излучения ксенонового буфера наложены уширенные этим буфером сильные линии галлия (403,3 и 417,2 нм), свинца (357,3; 364; 368,3; 374 и 405,8 нм) и магния (382,9; 383,2 и 383,8 нм). В результате этого и имеет место повышенный энергетический КПД излучения в интервале длин волн 350-420 нм.

При давлении буферного газа ксенона менее 3 кПа недостаточно проявляются его уширяющие свойства на линии металлов наполнения, в результате чего их выход из разряда затруднен, а возникающий при этом низкий продольный градиент электрического столба разряда затрудняет создание компактных ламп. При давлении буферного газа более 200 кПа температура разряда оказывается недостаточной для эффективного высвечивания указанных линий металлов, а также возникает нестабильность дуги. При молярных концентрациях галлия менее 0,3 мкмоль/см³, свинца менее 0,02 мкмоль/см³ и магния менее 0,2 мкмоль/см³ КПД излучения лампы в области длин волн 350-420 нм невысок из-за недостатка излучающих атомов в разряде. При молярной концентрации галлия более 6 мкмоль/cм³ температура разряда оказывается недостаточной для эффективного высвечивания линий добавок металлов в УФ-области, при молярной концентрации свинца более 4,5 мкмоль/см³ усиливается УФ-составляющая спектра, но общее охлаждение разряда не позволяет поддерживать высокий уровень КПД во всем спектральном диапазоне 350-420 нм за счет подавления линий галлия в области 400-420 нм, при молярных концентрациях магния более 4 мкмоль/см³ вынос излучения паразитными зелеными линиями магния достигает значительных величин, что также не позволяет иметь высокий уровень КПД в эффективной области. При отношении молярной концентрации атомарного иода к сумме молярных концентраций галлия, свинца и магния менее 1,1 количества иода оказывается недостаточно для образования иодистых соединений этих металлов, в результате чего они конденсируются на стенке горелки, образуя непрозрачную пленку, что снижает КПД и сокращает срок службы. При указанном соотношении более 1,8 избыток иода приводит к нестабильности дуги и затрудняет зажигание разряда.

В таблице приведены примеры конкретного выполнения лампы по заявляемому решению, три из которых показали оптимальные результаты. При этом во всех примерах лампа имела одинаковые двухэлектродные трубчатые стеклокварцевые горелки с диаметром колбы 18 мм и межэлектродным расстоянием 110 мм, горевшие в горизонтальном положении при мощности 1000 Вт. Обозначения и размерности в таблице следующие: Ga, Pb и Mg молярные концентрации галлия, свинца и магния соответственно, мкмоль/м³; I молярная концентрация иода, мкмоль/см³, деленная на сумму молярных концентраций галлия, свинца и магния; Хе начальное (холодное) давление ксенонового буфера, кПа; η_o начальное значение КПД лампы в диапазоне длин волн 350-420 нм, η/η_o отношение текущего значение КПД к начальному, отражающее спад потока после 500 ч работы лампы,
Из таблицы следует, что лампа по предлагаемому изобретению обеспечивает повышенный энергетический КПД излучения в интервале длин волн 350-420 нм.

Использование изобретения позволит наряду с экономическим эффектом получить эффект социальный за счет применения менее токсичных ингредиентов.

Изобретение может быть использовано также в других фототехнологических процессах с рабочей спектральной областью 350-420 нм.

Использование: в конструкциях металлогалогенных ламп высокой интенсивности для фотохимических процессов. Сущность изобретения: металлогалогенная лампа содержит кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную галлием, свинцом и йодом. В нее дополнительно вводятся ксенон при давлении 3 200 кПа и магний. Молярные концентрации галлия, свинца и магния составляют, мкмоль/см³ 0,3 6,0; 0,02 4,5 и 0,2 4,0 соответственно. Молярное отношение количества атомарного йода к сумме галлия, свинца и магния составляет 1,1 1,8. 1 табл.

МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА, содержащая кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную галлием, свинцом и йодом, отличающаяся тем, что горелка дополнительно содержит ксенон при давлении от 3 до 200 кПА и магний, при этом молярные концентрации галлия, свинца и магния /в мкмоль/см³ составляют соответственно 0,3 6,0, 0,02 4,5 и 0,2 4,0, а отношение молярной концентрации атомарного йода к сумме молярных концентраций галлия, свинца и магния составляет 1,1 1,8.