DE2734130A1 - GAS DISCHARGE LAMP - Google Patents
GAS DISCHARGE LAMPInfo
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Description
THE PEEKIN-ELMER CORPORATION
Norwalk, Connecticut 06856, USATHE PEEKIN-ELMER CORPORATION
Norwalk, Connecticut 06856, USA
D0V-1NGD0V-1NG
DRINGURGENT
DK ING AeF (CALTfcCH)DK ING AeF (CALTfcCH)
K. SCHUMANNK. SCHUMANN
DRHEHNAT «PL PHVSDRHEHNAT «PL PHVS
P. H. JAKOBP. H. JAKOB
DIPL-INGDIPL-ING
G. BEZOLDG. BEZOLD
8 MÜNCHEN 228 MUNICH 22
MAXIMILIANSTRASSE 43MAXIMILIANSTRASSE 43
28. Juli 1977 P 11 823July 28, 1977 P 11 823
Die Erfindung betrifft eine Grasentladungslampe. Sie findet bevorzugt Anwendung für Gasentladungslampen von im wesentlichen bogenförmiger Gestalt zum Erzeugen einer hochintensiven Strahlung·The invention relates to a grass discharge lamp. It is preferably used for gas discharge lamps from essentially arched shape to generate high-intensity radiation
Bisher sind bereits Gasentladungslampen in verschiedenen Typen und Konfigurationen für vielfältige Anwendungszwecke im Gebrauch. Im allgemeinen verwenden solche Lampen einen dichtend verschlossenen transparenten Kolben, der ein Gas oder einen Dampf enthält und mit Vorrichtungsteilen versehen ist, um dieSo far, gas discharge lamps in various types and configurations for a wide variety of applications are already in use. Generally such lamps use a sealing sealed transparent flask which contains a gas or a vapor and is provided with device parts to the
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gasförmige Substanz zu erregen, so daß ein strahlendes Plasma entsteht. Dies geschieht normalerweise durch Anlegen einer Spannung an zwei beabstandete Elektroden oder durch induktives Ankuppeln einer Hochfrequenzquelle an die Lampe.to excite gaseous substance, so that a radiant plasma is created. This is usually done by creating a Voltage to two electrodes at a distance or by inductively coupling a high-frequency source to the lamp.
Genauer ist die Erfindung auf Gasentladungslampen von im wesentlichen bogenförmiger Gestalt und kapillaren Abmessungen gerichtet, die einen Metalldampf, beispielsweise Quecksilberdampf, enthalten. Erfindungsgemäß konstruierte Lampen eignen sich u.a. besonders zur Verwendung mit einem Gerät zum Belichten von mit einem Photoresist bedeckten Wafern in der Herstellung von Halbleitereinrichtungen, wie dies in der US-Patentanmeldung Serial Nr, 671 653, eingereicht am 29.3.1976, beschrieben ist, die eine Weiterführung der US-Patentanmeldung Serial Nr. 339 860, eingereicht am 9·3·1973 ist. Dieses Gerät benötigt eine Quecksilberdampflampe von kapillaren Abmessungen und Bogenform, die eine Strahlung hoher Intensität über eine genau definierte Fläche aussendet.More particularly, the invention is essentially directed to gas discharge lamps of arcuate shape and capillary dimensions directed that a metal vapor, such as mercury vapor, contain. Lamps constructed in accordance with the invention are particularly suitable, among other things, for use with a device for illuminating photoresist covered wafers in the manufacture of semiconductor devices as described in the US patent application Serial No. 671 653, filed March 29, 1976, is described, which is a continuation of U.S. Patent Application Serial No. 339,860, filed 9 x 3 x 1973. This device requires a Mercury vapor lamp of capillary dimensions and arc shape, which emits radiation of high intensity over a precisely defined area.
Eine besonders zweckmäßige Gasentladungslampe des erwähnten Typs ist in der US-PS 3 878 419 beschrieben. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung der Eigenschaften dieser Lampe dar·A particularly useful gas discharge lamp of the type mentioned is described in US Pat. No. 3,878,419. The present Invention represents an improvement in the properties of this lamp
Um die angestrebte Verbesserung zu erzielen, sieht die Erfindung in einer Ausführungsform eine Gasentladungslampe vor, die in Kombination einen strahlungsdurchlässigen rohrförmigen Lampenkolben, der einen Plasmaraum bildet, in dem eine ionisierbare gasförmigeSubstanz, beispielsweise Quecksilberdampf, enthalten ist, ferner einen reflektierenden Belag auf der Rückseite des rohrförmigen Lampenkolbens und VorrichtungsteiIe zum Verbinden der Lampe mit einer Energiequelle, um an den Plasmaraum eine Betriebsspannung anzulegen, aufweist.In order to achieve the improvement sought, the invention provides, in one embodiment, a gas discharge lamp which is shown in FIG Combination of a radiation-permeable tubular lamp bulb, which forms a plasma space in which an ionizable gaseous substance such as mercury vapor is, further a reflective coating on the back of the tubular lamp envelope and device parts for connecting the lamp with an energy source in order to apply an operating voltage to the plasma space.
In einer Ausführung der Erfindung hat der Plasmaraum bogenförmige Gestalt und kapillare Abmessungen·In one embodiment of the invention, the plasma space has an arcuate shape and capillary dimensions
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Ferner kann der reflektierende Belag die Form mehrerer miteinander abwechselnder Schichten eines dielektrischen Materials mit hohem Brechungsindex und eines dielektrischen Materials mit niedrigem Brechungsindex, beide mit sehr hohem Schmelzpunkt, haben. Zirkoniumdioxid hat sich als zweckmäßig für das dielektrische Material mit hohem Brechungsindex erwiesen und Siliziumoxid für das dielektrische Material mit niedrigem Brechungsindex. Vorzugsweise hat jede Schicht von Dicke von etwa 1/4 der projektierten Wellenlänge der Lampe und insgesamt sind etwa zwanzig_Schichten in dem Belag vorgesehen. Further, the reflective coating may take the form of a plurality of alternating layers of a dielectric material with a high refractive index and a dielectric material with a low refractive index, both of which have a very high melting point. Zirconia has been found useful for the high refractive index dielectric material and silicon oxide for the low refractive index dielectric material. Preferably each layer has a thickness of about 1/4 of the projected wavelength of the lamp and a total of about twenty layers are provided in the covering.
Ein bevorzugter Erfindungagedanke liegt in einer Gasentladungslampe, die durch einen atrahlungadurchläeaigen rohrförmigen Kolben, der einen Plasmaraum von bogenförmiger Gestalt und kapillarem Querschnitt einschließt, in dem eine ionisierbare gasförmige Substanz, beispielsweise Quecksilberdampf enthalten ist, kombiniert mit einem reflektierenden Belag auf der Rückseite des rohrförmigen Kolbens, der aus einem Material derart geformt ist, daß sich mehrere Schichten eines dielektrischen Materials mit hohem Index jeweils mit Schichten aus einem dielektrischen Material mit niedrigem Index abwechseln und jede solche Schicht eine Dicke von etwa 1/4 der projektierten Wellenlänge der Lampe hat, und mit einem Anschluß syst em zum Ankuppeln der Lampe an eine Energiequelle zum Anlegen einer Betriebsspannung an den Plasmaraum, gekennzeichnet ist·A preferred idea of the invention lies in a gas discharge lamp, which is formed by a tube-shaped tube that is permeable to radiation Flask which encloses a plasma space of arcuate shape and capillary cross-section in which an ionizable gaseous substance, for example mercury vapor, is contained is combined with a reflective coating on the back of the tubular envelope formed of a material such that multiple layers of high index dielectric material alternate with layers of low index dielectric material and each Layer has a thickness of about 1/4 of the projected wavelength of the lamp, and with a connection system for coupling the Lamp to an energy source for applying an operating voltage to the plasma space, is characterized
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung, Darin zeigen:Further details, features and advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing, in which:
Pig.1 eine vergrößerte Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt, einer nach der Lehre der Erfindung konstruierten Gasentladungslampe;Pig.1 is an enlarged side view, partly in longitudinal section, of a gas discharge lamp constructed according to the teaching of the invention;
Pig·2 eine vergrößerte Schnittansicht nach der Linie 2-2 der Pig.1.Pig 2 is an enlarged sectional view taken along line 2-2 of FIG Pig. 1.
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Gasentladungslampe 10 vom Quecksilberdampftyp eine besondere bogenförmige Gestalt, die sie zur Verwendung als Lichtquelle in einem Gerät geeignet macht, wie es in der oben erwähnten US-Patentanmeldung Serial Nr. 671 653 zur Belichtung eines Photoresist bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen verwendet wird· Die Lampe 10 weist einen rohrförmigen Lampenkolben 12 aus Glas oder einem anderen strahlungsdurchlässigen Material auf und der Mittelteil des Kolbens, der den Hauptteil der nutzbaren Strahlung emittiert, ist bogenförmig gekrümmt. In dem dargestellten Beispiel erstreckt sich der bogenförmige Mittelteil des Lampenkolbens beispielsweise über einen Bogen von etwa 85° mit einem Radius von etwa 14 mm; selbstverständlich ist jedoch weder die Länge noch die Stärke der Krümmung von Bedeutung, ausgenommen im Hinblick auf das spezielle Gerät, in dem die Lampe verwendet wird.Gas discharge lamp 10 of the mercury vapor type has a special one arcuate shape which makes it suitable for use as a light source in a device such as that in that mentioned above U.S. Patent Application Serial No. 671,653 to expose a photoresist used in the manufacture of semiconductor devices. The lamp 10 comprises a tubular lamp envelope 12 made of glass or another radiation-permeable material and the central part of the bulb, which emits the main part of the usable radiation, is curved in an arc shape. In the example shown, the arcuate central part extends of the lamp bulb, for example, over an arc of about 85 ° with a radius of about 14 mm; however, of course, neither the length nor the magnitude of the curvature is important, except with regard to the particular device in which the lamp is installed is used.
Der Innenraum des Kolbens 12 hat die Form einer Bohrung oder eines Plasmaraums 14 von kapillaren Abmessungen, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 2 mm. Der Kolben endigt an jedem Ende in massiven zylindrischen Stummeln 16, 18, die einen etwas kleineren Durchmesser haben als der Hauptkörper des Lampenkolbens. Der Plasmaraum endigt ein kurzes Stück einwärts von den Stummeln und an jedem Ende ist eine Elektrode 20 bzw· 22 vorgesehen. Die Elektrode 20 ist mittels eines nicht gezeigten Leiters mit einer hochflexiblen Verbindungsleitung 24 verbunden, die mit ihrem einen Ende an dem Stummel 16 mechanisch befestigt ist und an ihrem anderen, freien Ende ein Verbindungsstück, etwa einen Bananenstecker 26, trägt. Die Leitung 24 kann aus einem beliebigen geeigneten Material sein, beispielsweise eine schlauohförmige Silberlitze.The interior of the piston 12 is in the form of a bore or a plasma space 14 of capillary dimensions, for example with a diameter of about 2 mm. The piston ends at each end in massive cylindrical stubs 16, 18, which have a somewhat have a smaller diameter than the main body of the lamp envelope. The plasma space ends a short distance inward from the Stubs and at each end an electrode 20 and 22 respectively. The electrode 20 is connected to a highly flexible connecting line 24 by means of a conductor (not shown), which is mechanically fastened at one end to the stub 16 and at its other, free end a connecting piece, such as a banana plug 26, carries. The line 24 can from any suitable material, for example a loop-shaped silver braid.
In Einrichtungen, bei denen eine R.P.-Erregung verwendet wird, sind die Elektroden 20, 22 weggelassen und stattdessen andere Elemente sum Ankuppeln der Spannung vorgesehen. Hierzu wird auf die US-Patentanmeldung Serial Nr. 441 600, eingereicht am 11,2.1974, verwiesen, die eine Weiterführung einer zurüokgewie-In facilities where R.P. excitation is used, the electrodes 20, 22 are omitted and instead other elements are provided for coupling the voltage. This is done on U.S. Patent Application Serial No. 441,600, filed February 11, 1974, which is a continuation of a backward-looking
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eeuen US-Patentanmeldung Serial Nr. 337 060, eingereicht am 1»3.1973 ist. Ferner wird noch auf die Veröffentlichung "Lamps and Wavelengths of Mercury 198" (Research Paper RP 2091) von Meggers und Oliver in "Journal of the National Bureau of Standards", Bd.44, Mai 1950, und auf "High Intensity Low Noise Rubidium Light Source" von R.G. Brewer in "The Review of Scientific Instruments", Bd.32, Nr.J2 (Dez. 1961), S.1356-1358 aufmerksam gemacht.New U.S. Patent Application Serial No. 337,060, filed on 1 »3.1973 is. The publication "Lamps and Wavelengths of Mercury 198 "(Research Paper RP 2091) by Meggers and Oliver in" Journal of the National Bureau of Standards ", Vol. 44, May 1950, and on" High Intensity Low Noise Rubidium Light Source "by R.G. Brewer in" The Review of Scientific Instruments ", Vol. 32, No. J2 (Dec. 1961), pp. 1356-1358 made aware.
Der Stummel 18 am anderen Ende des Lampenkolbens 12 ist mit einem starren Befestigungssockel 28 versehen, der besondere Eigenschaften hat, wie dies in der oben erwähnten US-PS 3 878 419 im Detail beschrieben ist. Der Sockel und seine funktioneile Verbindung mit dem Kolben sind solcher Art, daß eine Gasentladungslampe geschaffen ist, die derart an ihrer Verwendungsstelle erstmals oder im Austausch installiert wird, daß das Plasma mit einem hohen Maß an Präzision in die richtige Lage kommt. Wie in der erwähnten PS erläutert, hat der Sockel 28 die Form eines rechtwinkeligen hexagonalen Prismas, das eine konzentrische axiale Bohrung 30 enthält, die an ihrem einen Ende mit einer ebenen Fläche 32 geschlossen ist, die senkrecht zu den gemeinsamen Achsen des hexagonalen Prismas und dessen innerer Bohrung liegt. Durchmesser und Länge der Bohrung 30 sind so gewählt, daß der Stummel 18 darin mit ausreichendem Spielraum aufgenommen ist, um ihn relativ zum Sockel in Längsrichtung, in seitlicher Richtung und bezüglich der Winkellage einstellen zu können. Auf diese Weise können beim Zusammenbau des Kolbens und des Sockels die räumliche Lagebeziehung und Orientierung dieser beiden Elemente genau justiert werden, beispieleweise mittels einer passenden Lehre oder Einspannvorrichtung; wenn die richtige Lage erreicht ist, kann sie durch Befestigen des Sockels am Stummel mit einem Lötmittel 34 oder einem sonstigen geeigneten Mittel fixiert werden.The stub 18 at the other end of the lamp bulb 12 is provided with a rigid mounting base 28, the special Has properties as described in detail in the aforementioned US Pat. No. 3,878,419. The base and its functional connection with the bulb are such that a gas discharge lamp is created that is installed at its point of use for the first time or as a replacement that the Plasma comes into the right position with a high degree of precision. As explained in the aforementioned PS, the base 28 has the Shape of a right-angled hexagonal prism containing a concentric axial bore 30, which at one end with a flat surface 32 is closed, which is perpendicular to the common axes of the hexagonal prism and its inner bore. The diameter and length of the bore 30 are selected so that the stub 18 is received therein with sufficient clearance to move it relative to the base in the longitudinal direction, in to be able to adjust the lateral direction and with respect to the angular position. In this way, when assembling the piston and of the base, the spatial relationship and orientation of these two elements can be precisely adjusted, for example by means of a suitable jig or jig; when the correct position is achieved, it can be fixed by fastening the base may be fixed to the stub with solder 34 or other suitable means.
Gemäß der Erfindung ist auf der Rückseite des Kolbens 12 ein mehrschichtiger Belag 36 angebracht. Dieser Belag ist aus ab-According to the invention, a multilayer covering 36 is attached to the back of the piston 12. This covering is made of
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wechselnden Schichten eines dielektrischen Materials mit hohem Index und eines dielektrischen Materials mit niedrigem Index, die sehr hohe Schmelzpunkte haben, zusammengesetzt. Geeignete dielektrische Materialien sind beispielsweise Zirkoniumdioxid als Material mit hohem Index, und Siliziumoxid als Material mit niedrigem Index· Es sei erwähnt, daß die Betriebstemperatur der Lampe eigentlich rotglühend ist, so daß übliche metallische Beläge nicht geeignet sind. Zudem macht es die gekrümmte räumliche Gestalt der Lampe sehr schwer, wenn nicht unmöglich, entfernt aufgestellte sphärische Reflektoren zu verwenden. Sie Vielzahl von Schichten, beispielsweise in der Größenordnung von etwa zwanzig, werden auf geeignete Weise, etwa durch Aufdampfen im Vakuum mit Erhitzung durch einen Elektronenstrahl, aufgebracht. Jede Schicht hat eine Sicke von etwa 1/4 der projektierten Wellenlänge des Systems. Sieser vielschichtige Belag bildet einen Reflektor, der das normalerweise an der Lampenrückseite verlorengehende Licht reflektiert und damit die nutzbare Lichtausbeute an der unbelegten Seite der Lampe steigert, wie in Pig.2 bei 38 angedeutet. Sieser Bogenwinkel des nutzbaren Lichts liegt in der Größenordnung von beispielsweise 60°· Sie Lichtauebeute der Lampe wird vorzugsweise im spektralen Kontinuum erhöht, wo das Plasma im Vergleich zu den Emissionslinien relativ transparent ist. Dadurch reduziert sich der Grad der spektralen Kohärenz, wodurch lästige Interferenzerscheinungen in den zagehörigen Abbildungs- und Photokopiersystemen herabgesetzt werden.alternating layers of a high index dielectric material and a low index dielectric material, which have very high melting points. Suitable dielectric materials are, for example, zirconium dioxide as the high index material, and silicon oxide as the low index material · It should be noted that the operating temperature the lamp is actually glowing red, so that conventional metallic coatings are not suitable. It also makes the curved spatial Shape of the lamp very difficult, if not impossible, to use remotely positioned spherical reflectors. she Multiple layers, for example on the order of about twenty, are formed in a suitable manner, such as by vapor deposition applied in a vacuum with heating by an electron beam. Each layer has a bead about 1/4 of the projected wavelength of the system. This forms a multi-layered surface a reflector that reflects the light normally lost on the back of the lamp and thus the usable light output increases on the unoccupied side of the lamp, as indicated in Pig. 2 at 38. This arc angle of usable light is in the order of magnitude of, for example, 60 ° · The luminous efficiency of the lamp is preferably in the spectral continuum where the plasma is relatively transparent compared to the emission lines. This reduces the degree of spectral coherence, which causes annoying interference phenomena in the associated imaging and photocopying systems will.
Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß die Erfindung eine neue, fortschrittliche Gasentladungslampe vorsieht, die eine gesteigerte Nutzlichtausbeute und ein höheres relatives Kontinuum hat. Gegenüber dem beschriebenen und dargestellten Aueführungsbeisplel sind im Rahmen der Erfindung, der durch die Ansprüche gegeben ist, Abänderungen möglich.From the foregoing it can be seen that the invention provides a new, advanced gas discharge lamp which has increased useful light output and a higher relative continuum. With respect to the described and illustrated example, modifications are possible within the scope of the invention, which is given by the claims.
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