专利名称：带有含氧化镧的阴极的短汞弧灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于直流工作的短汞弧高压放电灯，它包括一放电管，该放电管有两个彼此完全相反地安置的颈部，一个由钨制成的阳极和一个阴极被不透气地焊封到放电管并且该放电管含有水银填充物和至少一种惰性气体。这种灯尤其是在半导体业的微光刻技术中被用于照射晶片。
背景技术：
用于照射作业的短汞弧高压放电灯必须提供在紫外线波长范围内的高光强度(这被部分限制到几纳米波长)，在这里，发光被限制在小空间区域里。
由此产生的对高亮度的要求可通过在电极间隔近时的直流气体放电来满足。在这里，在阴极前面出现了具有高发光率的等离子体。由于巨大的电能耦合输入等离子体内，所以产生了尤其是对阴极造成材料损害的电极温度。
因此，这样的阴极目前最好含有氧化钍ThO2掺杂物，该氧化钍掺杂物在灯工作期间内被还原成钍Th并以金属形式轰击阴极表面并在那里导致阴极逸出功的降低。
随着逸出功降低，阴极工作温度也降低，这导致更长的阴极使用寿命，因为阴极材料在降低的温度下蒸发得较少。
目前优选使用ThO2作为掺杂物是基于以下事实该掺杂物的蒸发较弱，因而导致了不太麻烦的在该灯泡(变黑、涂覆)内的沉积。ThO2的出色的适用性与氧化物的高熔点(3323K)和金属的高熔点(2028K)有关。
然而，即使在涂钍阴极的情况下也不能避免电极反烧，因而在目前的直流放电灯的情况下，阴极反烧限制了阴极使用寿命。这尤其对电极间距短(如在此所述的)的灯不利，因为电极略微反烧就已导致灯的光学特性的显著改变。因此，希望进一步抑制反烧。
然而，使用ThO2的一个严重缺陷就是其放射性，这就需要在原材料生产和灯制造时实施安全预防措施。根据产品的放射性，在库存、操作及回收灯时也要注意规定条件。
对具有大于20A的高工作电流的灯如在微光刻法中使用的灯来说，解决环保问题尤其是当务之急，因为这些灯由于电极尺寸而具有特别高的放射性。
因此，人们研究了多种钍的代用品。在1990年12月发表的“Metallurgical Transactions A”中(卷21A，第3221-3236页)，找到了一些例子。迄今位置，尚无法做到将替代物工业应用到微光刻法用的灯中，因为所有替代物都因其与ThO2相比而更易蒸发而导致明显的灯泡变黑。
在微光刻法中，照射灯的产量关键取决于灯所提供的光量。灯泡变黑或电极反烧减少了可用的光并由于照射时间延长而导致非常昂贵的设备的生产量降低。
发明内容
本发明的目的是提供如权利要求1前序所述的短汞弧高压放电灯，它无需在电极材料中有放射性掺杂物地就能保证少量电极反烧，该电极反烧不次于根据现有技术获得的电极反烧程度，并且在必要时，在整个灯的使用寿命期间内进一步抑制涂层在灯泡内形成。
在具有如权利要求1前序所述特征的特性短汞弧高压放电灯中，如此实现该目的，即至少阴极头材料还含有氧化镧La2O3并且灯填充物的水银含量至多为6mg/cm3。在这里，水银含量应至少为1mg/cm3，因为纯惰性气体灯的等离子体特性与水银电弧灯有明显区别。在没有较易电离的水银的情况下，惰性气体弧更集中燃烧。
对不同掺杂物的研究得到以下结果La2O3可以在涂层形成及电极反烧方面显示出很有利的效果。反烧甚至小于涂钍材料时的情况。这个优点电极间距短(＜6mm)时变得非常有用并且甚至可以容忍一定程度地过多形成涂层。在这种情况下，头或包括杆和头的整个阴极的掺杂物应该占阴极材料重量的1.0％-3.5％，最好占阴极材料重量的1.5％-3.0％。
该阴极工作温度主要决定了发射极的蒸发速度。理查森·达斯曼公式
I＝AT2exp(-eΦ/kT)，其中I是电流密度A/m2，A是常数1.2×106A/m2K2，k是玻尔兹曼常数，T是温度K，而Φ是逸出功eV，该公式表示灯的电流、电子逸出面与电极温度之间的关系。但在给出灯电流时，电极温度还不能明确确定。电弧根面的大小仍未确定并影响着电极温度。
研究表明，该电弧根部和进而电极温度不受填充气体类型、填充气体压力及水银浓度的影响。
尽管原则上也存在电极直径、尖头角度及电极尖头直径的影响，但这些参数的影响在把La2O3用作阴极材料钨的添加物时就变得次要了，因为除电流以外，主要是灯的等离子体特性决定了电弧根部形状。然而，对等离子体特性而言，填充气体类型、填充气体压力及水银浓度是重要的。
试验表明，在本发明的短汞弧高压放电灯中，尤其是较高的水银浓度造成阴极尖头的强烈加热。因此，例如在4.5mg/cm3的Hg的情况下，电极温度为2200℃，而在同样电流的40mg/cm3的情况下，测得该电极温度为2600℃。
在这种情况下，发射极蒸发随着水银浓度而增大。研究表明，当La2O3用作阴极材料钨的添加物时，可以获得与使用ThO2时几乎一样低的蒸发速度，只要水银量作为填充物地在放电管内不超过6mg/cm3。
通过添加其它氧化物或碳化物，人们尝试着实现进一步的改善。在此事实表明，通过添加少量的ZrO2及/或HfO2，可以实现发射极蒸发特性的进一步改善。但在这种情况下，ZrO2及/或HfO2的量应该是阴极材料中的ZrO2不超过1.0wt％而HfO2不超过1.5wt％，因为对光通量产生有益影响总是伴随着阴极反烧的加重。
灯内的填充气体压力有着与水银含量类似的影响。随着填充气体压力增大，在阴极上的电弧根部收缩并导致阴极尖头温度升高。在此试验表明，当把氙Xe用作填充气体时，3巴以上的填充压力或16.3mg/cm3的Xe已经在本发明类型的灯中导致显著的发射极蒸发。
氙填充压力的变化表明对光通量有显著影响。在1500h之后，在本发明的短汞弧高压放电灯中，其中该放电灯具有掺杂有2wt％的La2O3的阴极头阴极材料以及4.5mg/cm3的水银填充物，与Xe填充气体压力有关地得到以下光通量值
所述结果首先可以推测出，希望有尽可能少的水银填充物及填充气体。但进一步的研究表明，如果工作压力很低，则填充压力与发射极蒸发之间的上述关系将不再适用。反而出现了相反的关系，即发射极蒸发因气体填充压力下降而再次增大。
此现象可以解释为，灯内的惰性气体压力作为扩散势垒区地抵制蒸发颗粒。气体越密集，抑制发射极蒸发的过程越激烈。
因此在使用氙时，需要最小压力为500mbar或2.7mg/cm3填充物，以避免过度的发射极蒸发。
2.7mg/cm3-15.2mg/cm3(对于Xe为500mbar-2800mbar)的密度范围产生了最有益的结果，对Kr来说，这相当于786mbar-4425mbar压力，对Ar来说，这相当于1648mbar-9276mbar。
因此，根据研究结果，气体压力的优选密度范围为2.7mg/cm3-15.2mg/cm3，并且，过低的反压及过高的电极温度都未导致过度的发射极蒸发。
由于指定了密度范围，所以产生了根据气体而不同的压力区，这被用于简单地掌握各种填充气体或其混合物的情况。
只有在电极间距短的情况下(如在此提到的灯的情况下)，La2O3掺杂电极的较低反烧优势才明显。因此，本发明的短汞弧高压放电灯的电极间距小于或等于6mm是非常有利的。
以下，结合多个实施例来详细说明本发明。附图所示为图1以截面图表示一个根据本发明的短汞弧高压放电灯，图2表示该阴极的细节。
具体实施例方式
图1以截面图表示根据本发明的具有1.75kW功率的短汞弧高压放电灯。它有一个呈椭圆形的石英玻璃灯泡2。在其相对的两侧，连接有两个末端3，这两个末端3被设计成灯泡颈4的形状并且分别有固定部分8。该灯泡颈有一个锥形前部分4a，它作为固定部分的主要部分地具有一个由石英玻璃构成的支承小轮5，所述灯泡颈还有一个形成密封焊封部的圆柱形后部分4b。该前部分4a具有5mm长的拉入区6。一个有锥形中心孔的支承小轮5与该拉入区6相接。所述中心孔的内径为7mm，其前端处的外径为15mm。灯泡2在此区域内的壁厚约为4mm。支承小轮的轴向长度为17mm。
在第一支承小轮的孔内，轴向穿过一个外径为6毫米的阴极7的杆10，该阴极一直伸入该放电腔中并在那里承载着一个整体的头部25。杆10向后延长超过了该支承小轮5并且终止于一圆盘12处，一个呈圆柱形石英块13形状的密封焊封部与该圆盘12相接。随后接着一个第二圆盘14，它在中心具一个呈钼棒15形式的外部电流馈电体。通过本身已知的方式，四片钼箔16沿着石英块13的外表面被引入并且被不漏气地焊封在该灯泡颈的壁上。
通过同样的方式，包括一独立的头部18及杆19的阳极26被固定在第二支承小轮15中的孔内。
图2详细示出了阳极7及固定部分8。阳极7由36mm长的圆柱形杆10及20mm长的整体的头部25装配而成，头部25和杆一样有6mm外径。头部25的面向阳极的端部成尖角β为60°的尖头11形状并且具有一个直径为0.5mm的高台形端部27。该固定部分包括支承小轮5及在其孔内的许多箔片。
为了机械分隔开支承小轮与杆，使一片箔24多圈缠绕该杆(2-4层)。在缠绕箔24上彼此对置的一对窄箔2 3被用来固定该支承小轮。为此，它们在放电侧突出超过该支承小轮并且向外弯曲。除钨以外，阳极7尖头11的材料含有2.0wt％的La2O3掺杂物。
本发明的短汞弧高压放电灯具有一个容积为134cm3的放电管，该放电管内充满了603mg的水银及数量为720mg的、氙和氩的惰性混合气体。
电极间距为4.5mm的灯的工作电流约为I＝60A(在灯工作期间内，在离高台端0.5mm的阴极内的电流密度J为66A/mm2)。
权利要求
1.一种用于直流工作的短汞弧高压放电灯(1)，它有一放电管(2)，该放电管(2)有两个彼此完全相反地安置的颈部(4)，分别由钨制成的一个阳极(26)及一个阴极(7)被不透气地焊封在该放电管(2)内并且该放电管装有水银填充物及至少一种惰性气体，其特征在于，至少阴极尖头(11)的材料除钨以外还含有氧化镧La2O3并且该放电管(2)内的填充物的水银含量至少为1mg/cm3且至多为6mg/cm3。
2.如权利要求1所述的短汞弧高压放电灯，其特征在于，整个所述阴极(7)的阴极材料还含有La2O3。
3.如权利要求1或2所述的短汞弧高压放电灯，其特征在于，该阴极材料的La2O3含量为1.0wt％-3.5wt％。
4.如权利要求1或2所述的短汞弧高压放电灯，其特征在于，该阴极材料的La2O3含量为1.5wt％-3.0wt％。
5.如权利要求1所述的短汞弧高压放电灯，其特征在于，该填充气体或填充气体混合物在该放电管(2)内的密度为该放电管容积的2.7mg/cm3至15.2mg/cm3。
6.如权利要求1所述的短汞弧高压放电灯，其特征在于，在该放电管(2)内的阳极(26)与阴极(7)之间的电极间距小于或等于6mm。
7.如权利要求1所述的短汞弧高压放电灯，其特征在于，该灯(1)的电流在工作期间内大于20A。
全文摘要
本发明涉及用于直流工作的短汞弧高压放电灯(1)，它有一放电管(2)，该放电管(2)有两个彼此完全相反地安置的颈部(4)，分别由钨制成的一阳极(26)及一阴极(7)被不透气地焊封在放电管(2)内，并且放电管(2)装有水银及至少一种惰性气体。根据本发明，阴极尖头(11)的材料除钨以外还含有氧化镧La
文档编号H01J61/06GK1524284SQ03800611
公开日2004年8月25日 申请日期2003年3月5日 优先权日2002年3月5日
发明者L·门策尔, D·埃尔利希曼, B, L 门策尔 申请人:电灯专利信托有限公司