专利名称：长使用寿命的高压气体放电灯电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的高压气体放电灯电极。尤其重要的是汞短弧灯，特别是半导体工业用的汞短弧灯。这类灯经常用于晶片或其它衬底暴光的光刻过程。另一个最佳应用领域是惰性气体高压气体放电灯，特别是高压气体放电氙灯。也可以用于金属卤化物灯。
从公开的欧洲专利EP-A791 950已经知道一种高压气体放电灯的阳极在其尖端外侧配备有一层由细颗粒钨形成的烧结层。因而阳极的表面积增大了。这样能降低工作时的阳极温度，并且能减缓玻壳变黑。这种层的辐射系数大约为0.5。
德国专利DE-A 11 82 743公开了一种能提高辐射系数的层，它由烧结钨或TaC制成。这一层的制法是用丁基醋酸盐与纤维素粘结剂的悬浮液和对应的金属粉末制成浆，涂到阳极上。烧结过程在真空中在高于1800℃的温度下进行。利用1-3mm深的冷却槽可以实现附加的冷却效果。
本发明的一个目的是提供一种根据权利要求1的前序部分的高压气体放电灯电极，这种高压气体放电灯具有非常长的使用寿命。
这目的是通过权利要求1的特征部分来实现的。在从属权利要求中有详细的有益的改进设计。
电极表面上这种根据本发明的涂层适合于作为非常有效的冷却电极的机构(通过热辐射)。这就是辐射系数越高，电极变得越冷。结果，减少了从电极产生的钨蒸发，从而减缓了玻壳的变黑。因为钨蒸发率随电极的温度按指数关系上升，所以，即使温度只有相对微小的下降，也会导致玻壳变黑过程明显减缓。
特别是在光刻中，要求灯在工作过程中的光通量下降尽可能地少。另外，还希望光通量尽可能地高，以便使对衬底暴光时间非常短。结果，一方面，实现了延长使用寿命。另一方面，为设计出能在不变的支持下(in conjunction constant maintenance)产生更高起始光强度的灯提供了可能性。也为减小电极尺寸提供了可能性。
光通量下降的原因是在高功率密度的情况下，在放电弧中，电极材料(通常使用钨)会熔化和蒸发。特别是阳极由于电子轰击而被激烈地加热。从阳极蒸发出的钨淀积在玻壳上，从而导致玻壳变黑，后者使得灯的光通量下降。此外，本发明还可以用于高负荷阴极的情况。
在这情况下，阳极温度本质上取决于阳极本身所辐射出的功率。如果把阳极看成一个普朗克辐射体，则单位面积所辐射的功率(L)可以用斯提芬-玻尔兹曼定律来描述L＝ε+σ+T4其中，σ＝5.67×10-8Wm-2K-4是斯提芬-玻尔兹曼常数；辐射系数ε描述热辐射体(0＜ε＜1)相对于理想黑体辐射体(ε＝1)的偏离程度。T是按照开氏绝对温标计算的温度。
在本发明中，具有树枝状金属或树枝状金属化合物的阳极涂层使辐射系数从大约0.3(纯钨)提高到大于0.6(在起码1000℃温度的情况下)。在初次使用的灯结构中，甚至达到0.8以上的值。在此，树枝状结构可以理解为在另一平滑的表面上的许多针状的反射光的生长物。这些产物彼此紧邻，相距间隔从几纳米到大于一百微米，最好平均间隔起码为300纳米。已经证明，在两个相邻的针状峰之间的谷深起码是这两峰彼此之间间隔的30％时，这样的表面结构是最适当的。树枝状层特别能用高熔点金属产生。铼、钨、钼、和钽或它们的碳化物和/或氮化物特别适用。铪或锆的碳化物或氮化物也适用。此外，可以在钨芯与树枝状层之间涂敷一般的高熔点金属涂层。
铼层特别适用，因为用它能特别有效地产生树枝状结构。它的辐射系数ε大约为0.9。结果，对于规定的辐射功率L，与没有涂层的阳极或只有烧结上钨或TaC的阳极相比，就有可能使涂有树枝状铼的阳极温度下降达200°K。从下面的方面看，铼层的适用性是令人惊奇的铼的蒸汽压比钨高大约75倍。这对工作在真空的旋转阳极不起作用，因为汽相淀积的材料凝结在冷点处。可是，在灯结构中，强的淀积会导致变黑，这样就会降低使用寿命。可是，因为温度大为降低，这不利的影响早已被抵消掉。
这大为改善的阳极冷却进一步大大地降低常规的电极材料(钨)从面对放电空间的阳极淀积面的蒸发。结果，在相同的光数据的情况下，这种灯以在使用寿命期间发光下降明显减缓为特征而区别于所有其它的灯。
阳极的前部区域最好是半球形或圆锥状地逐渐缩小。带有用于放电的平面淀积面(在下文称为阳极平台)的圆锥平截头体特别适用。
另外，本发明能在不改变使用寿命响应和相同的工作温度的情况下提供较小尺寸的阳极。较小尺寸可以减小电极对放电弧的遮挡作用，结果，在相同的使用寿命响应的情况下提高了灯的光通量。
例如，有可能利用化学气相外延(其术语也称之为CVD(化学气相淀积))把金属层以树枝状表面形态涂敷到阳极表面，达大约10到40μm厚。这种树枝状表面形态的特征在于针状晶粒，其相互间距典型地为大约10到30μm。针状晶粒大致处于垂直于表面的取向，结果是，入射的辐射实际上完全被相邻的晶粒的侧面之间的多次反射所吸收。结果，这一层有高的吸收率，并且是黑色的。与高的吸收率一致，它有达0.9的高的辐射系数。在美国专利US-A 3 982 148中，结合X射线管的旋转阳极的应用，描述了这种涂层的制备方法。本发明特意参考了所述公开。CVD技术特别适合作为制备这种涂层的方法。可是，也可以考虑采用其它产生薄的高熔点金属层的技术，例如溅射(在术语上经常称为PVD(物理气相淀积))或者激光烧蚀。
与没有涂层的阳极相比，原则上，在高压气体放电灯中，辐射系数ε提高到0.9能使阳极平台温度下降达200°K。
本发明主要适用于有1到60mg/cm3汞含量的汞高压气体放电灯。惰性气体的典型冷充气压强为0.2到5巴。通常使用氙，但氩(250毫巴)也很合适。
本发明也能应用到其它类型的灯中，特别是应用到有冷充气压强为20巴的氙高压气体放电灯中。一个非常重要的应用领域是以脉冲方式工作或利用直流电流工作的高压气体放电灯。问题在于这类灯的电极负荷特别高。至今，阳极平台的中部都熔化并呈现出结构的扩展变化。现在可以消除这问题。原则上，在此描述的技术不止适用于这类高负荷灯的阳极，也可用于其阴极。将阴极的前部削尖是有利的。
下面将借助多个示范的实施例更详细地解释本发明。附图中
图1表示汞高压气体放电灯，图2表示图1中的灯的有涂层的阳极，图3表示两种灯的阳极温度的比较，图4表示有涂层的阴极的另一个示范的实施例，图5表示有涂层的阴极的再另一个示范的实施例，图6表示在恒定工作条件下两种灯的发光下降程度的比较，图7表示在脉冲工作条件下两种灯的发光下降程度的比较，和图8表示在图7所示的灯的工作中脉冲的形状。
图1表示汞高压气体放电灯1的结构，它有一个放电容器2，两个通筒3和分别固定在通筒3上的灯头4。灯利用直流(但交流也可以)以1000W的功率工作。阳极5和阴极6相距4.5mm。放电容器2用石英玻璃制成，壁厚大约为2.8mm。玻壳充以4.5mg/cm3汞并以冷充气压强1.4巴充入氙。玻壳外表面的工作温度达750℃。
图2表示阳极5的细节。阳极5的实心圆柱形主体固定在支持杆10上。在面对放电空间的一侧，圆柱体呈圆锥形逐渐缩小。圆锥区11以平台12为端面，平台的直径是圆柱直径的大约30％。圆锥区的高为大约6mm。除了由圆锥区和平台组成的前部外，圆柱体敷以树枝状铼(13)。其特征是针状铼晶粒，这些晶粒彼此之间间隔大约10到30μm。该层的厚度大约为25μm。针状晶粒实际上垂直地定位在所述表面上，结果，入射的辐射线实际上通过在相邻的晶粒的侧面之间的多次反射而完全被吸收。结果，这一层有高的吸收率，并且是黑色的。根据克希霍夫辐射定律，高的吸收率与高的辐射率相联系。黑色的铼的辐射系数ε＝0.9。对于这一功能，重要的是，一方面晶粒分布要足够密，另一方面晶粒之间的谷要足够深。单个树枝状结构之间的间隔与高度之比最好应起码为0.3。
在另一个低功率(低于1000W)的示范的实施例中，整个阳极都敷以铼。
图3表示工作在3500W功率下的汞短弧灯中，敷以铼的阳极与敷以TaC的阳极之间的阳极平台和圆柱体的温度的比较。阳极平台是阳极中热负荷最重的部分，从这部分会蒸发出使玻壳变黑的钨。在阳极平台上，这两种类型阳极的温度差大约为170℃。在整个阳极前部(一直到离阳极平台起码3mm的间隔)都保持这种温度差。
图4和5表示高功率(3500W)灯的高负荷阴极15和功率为2500W的灯的不太重负荷的阴极20的进一步的示范实施例，其中，在整个阴极15上涂敷树枝状铼层16，而在阴极20只有在圆柱体21上涂敷树枝状铼层22。
图6表示两种结构相同的汞短弧灯的发光下降程度的比较，其中一种灯的阳极涂敷树枝状铼层(曲线a)，而与其相比的另一种灯的阳极涂敷TaC(曲线b)。在每种情况下，灯都工作在恒定功率3400W。利用Ulbicht球测量了在波长范围从363到367nm(对应于对晶片分步器(stepper)特别重要的i线)的总发光强度。可以清楚地看出，与具有TaC阳极涂层的灯相比，具有树枝状阳极涂层的灯由于使用寿命期间变黑而造成的辐射的下降显著地比较慢。
图7表示两种结构相同的在脉冲工作状态下的汞短弧灯的辐射下降程度的比较(再一次在i线范围内)，其中一种灯的阳极涂敷树枝状铼层(曲线a)，而与其相比的另一种灯的阳极涂敷TaC(曲线b)。这可以理解为这样的一种工作状态功率在起码两个值之间周期地改变，电极负荷非常重。在所示的示范实施例中，汞蒸汽灯分别在2720W工作300ms和在2400W工作500ms。图8中以图形表示该脉冲序列。在每一种情况下，功率以1600W/s线性地变化。形成一种梯形脉冲功率信号。在这种功率下工作，灯的变黑比工作在恒定功率时严重。在此，也清楚地看出，具有树枝状阳极涂层的灯比具有TaC阳极涂层的灯有更好的使用寿命响应(较少变黑)。
权利要求
1.一种用于高压气体放电灯的电极(5)，其特征在于所述电极(5)的起码一部分表面复盖着由高熔点金属制成的树枝状层(13)。
2.根据权利要求1的电极，其特征在于所述高熔点金属是铼、钨、钼、和钽、或这些金属的混合物或化合物、或金属铪或锆的混合物或化合物、特别是氮化物或碳化物。
3.根据权利要求1的电极，其特征在于所述树枝状层的厚度在10到40μm之间。
4.根据权利要求1的电极，其特征在于所述电极特别是起码部分复盖着树枝状层(16；21)的削尖的阴极(15；20)。
5.根据权利要求1的电极，其特征在于所述电极是阳极(5)，其全部或起码部分，特别是在避开放电的区域复盖着树枝状层。
6.根据权利要求5的电极，其特征在于所述阳极(5)具有其前部(11)逐渐缩小的圆柱体。
7.根据权利要求6的电极，其特征在于所述前部区域成圆锥形地逐渐缩小，并有一个与所述圆柱体的轴垂直的平台(12)。
8.根据权利要求1的电极，其特征在于所述表面的辐射系数大于0.6。
9.具有根据上述权利要求中的一个权利要求的电极的高压气体放电灯(1)，所述填充物包含汞和/或惰性气体。
10.用于生产根据权利要求(1)的电极的方法，其特征在于所述层的淀积是或者通过化学汽相淀积(CVD)或者通过物理汽相淀积(PVD)进行的。
全文摘要
本发明涉及用于高压气体放电灯的电极(5),该电极表面的一部分复盖有高熔点金属的树枝状层(13)。本发明的电极呈现显著延长的使用寿命。
文档编号H01J9/02GK1274473SQ99801276
公开日2000年11月22日 申请日期1999年2月10日 优先权日1998年8月6日
发明者C·塞策尔 申请人:电灯专利信托有限公司