长使用寿命的高压气体放电灯电极

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地冷却 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)。