ИСТОЧНИК СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01J61/80 

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании эффективных источников излучения в ультрафиолетовой (УФ) и вакуумно-ультрафиолетовой (ВУФ) областях спектра. Изобретение может найти применение, в частности, в микроэлектронике при обработке и чистке поверхности посредством ее облучения (ultraviolet cleaning and ultraviolet surface reformation) и других областях.

Известны источники спонтанного излучения в ВУФ-области спектра, в которых в качестве рабочей среды используются водород (дейтерий) [1], инертные газы и их смесь с водородом при низком давлении, что позволяет получать излучение на резонансных переходах данных газов [2]. При этом плотность мощности излучения относительно низка - не превышает ˜10 мВт/см². Известны также источники излучения на В-Х переходах димеров инертных газов при высоком давлении [3, 4]. Недостатком данных устройств является сложность конструкции и относительно малая площадь излучающей поверхности.

Наиболее близким по техническому решению, выбранным в качестве прототипа, является источник излучения, описанный в [5]. Источник излучения состоит из отпаянной газоразрядной колбы, заполненной рабочей средой, которая при протекании электрического тока через газ излучает свет. Стенками данной колбы являются внутренняя поверхность внешней диэлектрической трубки и внешняя поверхность диэлектрического прутка, вставленного внутрь первой трубки. Металлические электроды установлены на внешней поверхности внешней трубки и внутри диэлектрического прутка. При этом внешний диаметр диэлектрического прутка в 5-10 раз меньше внутреннего диаметра внешней трубки. Для формирования электрического разряда в колбе, заполненной рабочей средой, на электроды подается напряжение от источника питания переменного тока. В качестве рабочей среды источника излучения используются инертные газы, смеси инертных газов или паров ртути с галогенами и другие газы. Источник излучения позволяет получать в зависимости от рабочей среды излучение от ВУФ до видимой области спектра.

Недостатком данного источника излучения является, во-первых, малая величина емкости внутреннего электрода из-за малого размера внешней поверхности диэлектрического прутка, вставленного в диэлектрическую трубку. Это приводит к тому, что величина емкости источника излучения, формируемая двумя последовательно включенными диэлектрическими барьерами, оказывается малой. При этом известно, что мощность возбуждения в данных условиях пропорциональна емкости источника излучения [6]. Это означает, что погонная мощность возбуждения будет при прочих равных условиях малой. Из-за малого диаметра диэлектрического прутка возникает также ограничение на максимальный диаметр внешней диэлектрической трубки, поскольку для эффективного формирования эксимерных молекул предпочтительно использовать большее давление рабочей среды. В то же время повышенное давление рабочей среды и большой зазор между внешней и внутренней диэлектрической трубкой затрудняют электрический пробой и формирование электрического разряда в источнике излучения. Во-вторых, при использовании ксенона в качестве рабочей среды спектр излучения ограничен областью ˜160-190 нм. Кроме того, ксенон обладает наименьшей среди инертных газов теплопроводностью [7], что приводит к большему нагреву рабочей среды и уменьшению эффективности работы источника излучения.

Задачей изобретения является увеличение плотности мощности излучения на облучаемом объекте при неизменной величине погонной емкости источника излучения. Кроме того, решается задача увеличения мощности излучения в коротковолновой части спектра излучения, а также увеличения теплопроводности рабочей среды источника излучения.

Технический эффект достигается тем, что в источнике излучения, состоящем из двух цилиндрических коаксиально расположенных диэлектрических трубок, образующих между собой изолированную от внешней среды газоразрядную колбу, заполненную рабочей газовой средой, и электродов, размещенных на внешней поверхности внешней трубки и на внутренней поверхности внутренней трубки, согласно изобретению внешний электрод состоит из сплошного отражающего металлического полуцилиндра, плотно прижатого к трубке витками проволоки малого диаметра, намотанной на трубку поверх полуцилиндра, а соотношение диаметров внутренней трубки D₂ к диаметру внешней трубки D₁ составляет

0,4≤D₂/D₁≤0,7.

Намотка проволоки поверх полуцилиндра обеспечивает одновременно, во-первых, уменьшение индуктивности внешнего электрода относительно индуктивности электрода, выполненного из проволоки, намотанной на трубку в виде спирали. Во-вторых, прозрачность витков проволоки выше относительно сетки, изготавливаемой из проволоки того же диаметра. Соответственно, это приводит к уменьшению падения напряжения на индуктивности внешнего электрода по сравнению со случаем использования в качестве внешнего электрода лишь спирали и не уменьшает погонной емкости источника излучения. Все это обеспечивает эффективное формирование и вывод излучения из источника излучения. Внутренний электрод изготовлен также из отражающей фольги, плотно прилегающей к внутренней стенке внутренней трубки. Диаметр трубки внутреннего электрода выбирается равным ˜1/2 от диаметра внешней трубки. Это позволяет, во-первых, увеличить емкость диэлектрического барьера внутреннего электрода, что приводит к увеличению погонной мощности возбуждения, во-вторых, эффективно выводить излучение из рабочего объема и формировать направленный в одну полуплоскость поток излучения.

Кроме того, для увеличения мощности излучения в коротковолновой части спектра излучения, а также увеличения теплопроводности и, соответственно, уменьшения температуры рабочей среды при работе источника излучения в качестве рабочей среды используется смесь ксенона с более легким инертным газом криптоном в соотношении криптон ˜70%, ксенон ˜30%.

Принцип работы описываемого источника излучения основан на протекании электрического тока в газе с последующим формированием в газоразрядной плазме эксимерных молекул, излучающих при переходе из устойчивого возбужденного состояния в неустойчивое основное состояние. В качестве рабочей среды могут использоваться инертные газы или их смесь с галогенами. Основным требованием при этом являются возможность электрического пробоя, протекание электрического тока и пропускание излучения газоразрядной плазмы через стенки диэлектрических трубок. В случае кварцевых трубок высокого качества коротковолновая граница пропускания лежит в области от 150 до 155 нм. Это означает, что в этом случае возможно пропускание длинноволнового крыла полосы В-Х перехода эксимерной молекулы Kr^* ₂, излучающей в области 140-160 нм.

На чертеже приведена конструкция источника излучения, включающая: внешнюю 1 и внутреннюю 2 диэлектрические трубки; внешний электрод, состоящий из отражающей фольги в форме полуцилиндра 3 и тонкой проволоки, намотанной в форме спирали на трубку 1 и прижимающей фольгу к трубке 1, а также внутренний отражающий электрод 5, установленный на внутренней поверхности внутренней трубки 2. Пространство между трубками 6 заполняется рабочей средой. Наличие диэлектрических барьеров 1 и 2 между электродами вызывает необходимость использования импульсного напряжения и приводит к равномерному распределению тока разряда. Использование в качестве внешнего электрода полуцилиндра-отражателя 3 и спирали из тонкой проволоки 4 обеспечивает увеличение плотности мощности излучения, направленного в одну полуплоскость. Коэффициент прозрачности проволочной спирали 4 при шаге спирали ˜ 1 мм и диаметре проволоки ≤0,1 мм достигает ≥90%. Контакт проволочной спирали с металлическим полуцилиндром обеспечивает уменьшение индуктивности спирали и, соответственно, уменьшение падения напряжения на индуктивности спирали. Внутренний электрод 5 за счет отражения света от его внешней поверхности также обеспечивает увеличение доли излучения, выводимого из пространства 6 в требуемом направлении. Кроме того, в случае, если внешний электрод заземлен, отражатель 3 и проволочная спираль 4 уменьшают уровень электромагнитной наводки источника излучения.

Выбор величины диаметра внутренней диэлектрической трубы обусловлен следующим. Во-первых, чем он меньше, тем согласно [5] большая доля излучения выводится из источника излучения. При этом, однако, уменьшается емкость внутреннего электрода и, соответственно, емкость источника излучения в целом. Это приводит согласно [6] к уменьшению мощности возбуждения. Во-вторых, при увеличении диаметра внутренней трубки происходит увеличение доли излучения, экранируемой внутренней трубой. Кроме того, по мере увеличения D₂ уменьшается объем пространства между трубками 6, что может привести к уменьшению ресурса рабочей среды. Согласно изобретению соотношение диаметров D₂/D₁ оптимально с точки зрения вывода излучения и достаточной величины емкости источника излучения и составляет 0,4≤D₂/D₁≤0,7. При проведении эксперимента соотношение D₂/D₁ составляло ˜0,5 при D₁=4,4 см.

Известно, что эффективность формирования эксимерных молекул уменьшается с ростом температуры среды. Поэтому с целью, во-первых, охлаждения рабочей среды, во-вторых, для увеличения мощности излучения в коротковолновой области спектра в тяжелый инертный газ ксенон был добавлен более легкий инертный газ криптон. Лучший результат при этом был получен при содержании криптона в смеси на уровне ˜70%. Это позволило увеличить мощность излучения в коротковолновой части спектра на ˜10%. Кроме того, теплопроводность смеси газов больше теплопроводности чистого ксенона, что уменьшает температуру рабочей среды источника излучения.

Примеры исследования функциональной способности предлагаемого источника изучения

Возбуждение ксенона или смеси ксенона с криптоном осуществлялось в коаксиальной двухбарьерной конструкции с диаметрами внешней и внутренней трубок, соответственно, 4,4 см и 2,3 см. Толщина стенок трубок была равна 2 мм. Длина газоразрядной зоны источника излучения составляла 30 см. Толщина проволоки, использованной для намотки спирали 4, составила 0,12 мм. При шаге спирали ˜0,8 мм прозрачность внешнего электрода в полуплоскость составляет ˜85%. Состав рабочей среды, включавшей ксенон и криптон, варьировался по парциальному давлению каждого из газов от 0 до 210 Top при полном давлении 210 Top. Спектр излучения регистрировался на вакуумном монохроматоре VM-502. Кроме того, теплопроводность рабочей среды при содержании в ней ˜70% криптона определяется, главным образом, теплопроводностью криптона, которая приблизительно вдвое выше теплопроводности ксенона [7].

Возбуждение разряда осуществлялось генератором с регулируемыми по частоте - от 10 до 100 кГц и напряжению - до 5 кВ импульсами напряжения. Высокое напряжение при этом подавалось на внутренний электрод, а внешний электрод заземлялся. Это обеспечивало снижение электромагнитных наводок при работе источника излучения.

Источники информации

1. А.Н.Зайдель, Е.Я.Шрейдер Спектроскопия вакуумного ультрафиолета/ Изд-во "Наука", Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, Москва, 1967.

2. Л.П.Шишацкая, С.А.Яковлев, Г.А.Волкова/ ВУФ-лампы с большой излучающей поверхностью/ Оптический журнал, т.65, №12, с.93-95, 1998.

3. Y.Tanaka Continuous emission spectra of rare gases in the vacuum ultraviolet region/ J. Opt. Soc. Amer. Vol.45, N 9, pp.710-713, 1955.

4. Волкова Г.А., Кириллова Н.Н., Павловская Е.Н., Подмошенский И.В., Яковлева А.В. Лампа для облучения в вакуумной ультрафиолетовой области спектра/ Бюл. изобр. - 1982. - №41. - С.179.

5. High-Power Radiator. U.Kogelschatz, United States Patent No.5013959, date of patent: may 7, 1991.

6. E.Arnold, R.Dreiskemper, and S.Reber High-Power Excimer Sources// Proceedings of the 8th Int. Symp. on Science and Technology of Light Sources (Greifswald, Germany) IL 12., pp.90-98. 1998.

7. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. Москва, Энергоатомиздат, 1991, с.340.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении эффективных источников излучения в ультрафиолетовой (УФ) и вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) областях спектра. Техническим результатом является увеличение плотности мощности излучения на облучаемом объекте в коротковолновой области спектра и увеличение коэффициента теплопроводности. Источник содержит две цилиндрические коаксиальные диэлектрические трубки, образующие герметичную газоразрядную колбу, наполненную рабочей средой. На внешней поверхности внешней трубки и на внутренней поверхности внутренней трубки размещены электроды. Внешний электрод выполнен из сплошного отражающего излучения полуцилиндра, плотно прижатого к трубке витками проволоки. Соотношение диаметров внутренней трубки D₂ к диаметру внешней трубки D₁ составляет 0,4<D₂/D₁<0,7. В качестве рабочей среды может быть использована смесь ксенона и криптона. 3 п. ф-лы, 1 ил.

1. Источник спонтанного излучения, содержащий две цилиндрические коаксиально расположенные диэлектрические трубки, образующие герметичную газоразрядную колбу, наполненную рабочей газовой средой, электроды, размещенные на внешней поверхности внешней трубки и на внутренней поверхности внутренней трубки, отличающийся тем, что внешний электрод выполнен из сплошного отражающего излучение полуцилиндра, плотно прижатого к колбе витками проволоки, а отношение диаметра внутренней трубки D₂ к диаметру внешней трубки D₁ составляет 0,4<D₂/D₁<0,7.2. Источник спонтанного излучения по п.1, отличающийся тем, в качестве рабочей среды в колбе используются ксенон и криптон в соотношении: криптон ˜70%, ксенон ˜30%.