RU2044364C1

RU2044364C1 - Metal-halogen lamp

Info

Publication number: RU2044364C1
Application number: RU93008859A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Ашурков; А.М. Будолати; Г.Н. Гаврилкина; Г.С. Сарычев
Original assignee: Научно-производственный центр "Фототехнология"
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1995-09-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: invention deals with design of metal-halogen lamps of high intensity used in photochemical processes. It has quartz burner with tightly installed electrodes filled with gallium, lead and iodine. Xenon and magnesium are additionally injected into it under pressure 3-200 kPa. Molar concentrations of gallium, lead and magnesium amounts to (0.3-6.0); (0.02-4.5) and (0.2-4.0) micromole/cu.cm correspondingly. Molar proportion of amount of monatomic iodine to sum of quantities of gallium, lead and magnesium amounts to 1.1-1.8. EFFECT: enhanced operational reliability and efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к светотехнике, в частности к конструкции металлогалогенных ламп высокой интенсивности для фотохимических процессов. The invention relates to lighting engineering, in particular to the design of high intensity metal halide lamps for photochemical processes.

Известна металлогалогенная лампа высокой интенсивности для фотолитографических процессов [1] содержащая горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, свинцом и иодом при следующих, в пересчете на молярные, концентрациях ингредиентов в объеме горелки, мкмоль/см³: Ртуть 13,0-18,44 Свинец 0,0526-0,643 Иод 0,128-1,576
Недостатком этой конструкции ламп является высокая экологическая неполноценность, связанная с содержанием в ней супертоксичного ингредиента ртути, и низкий энергетический КПД излучения в спектральной области 350-420 нм, соответствующей максимуму чувствительности большой группы фотолитографических материалов фоторезисторов на основе диазосоединений: порядка не более 10%
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является выбранная в качестве прототипа конструкция металлогалогенной лампы высокой интенсивности для фотохимических технологических процессов [2] содержащая горелку с герметично установленными электродами, наполненную ртутью, галлием, свинцом и галогенами, в частности иодом, и общей концентрацией галогенидов 0,005-0,7 мг/см³, при этом молярные отношения галлия и свинца к молекулярному галогену, в частности к иоду, составляют 2/3 и 1 соответственно.Known high intensity metal halide lamp for photolithographic processes [1] containing a burner with hermetically sealed electrodes filled with mercury, lead and iodine at the following, in terms of molar, concentrations of ingredients in the volume of the burner, µmol / cm ³ : Mercury 13.0-18, 44 Lead 0.0526-0.643 Iodine 0.128-1.576
The disadvantage of this lamp design is the high environmental inferiority associated with the content of the supertoxic mercury ingredient in it and the low energy efficiency of radiation in the spectral region of 350-420 nm, corresponding to the maximum sensitivity of a large group of photolithographic materials of photoresistors based on diazocompounds: about no more than 10%
The closest in technical essence to the claimed solution is the design of a high intensity metal halide lamp for photochemical processes [2], selected as a prototype, containing a burner with hermetically sealed electrodes, filled with mercury, gallium, lead and halogens, in particular iodine, and a total concentration of halides of 0.005 -0.7 mg / cm ³ , while the molar ratios of gallium and lead to molecular halogen, in particular to iodine, are 2/3 and 1, respectively.

Недостатком решения конструкции лампы по прототипу является высокая экологическая неполноценность из-за наличия в составе наполнения лампы супертоксичной ртути при низкой временной стабильности энергетического КПД излучения лампы в области 350-420 нм в процессе ее эксплуатации вследствие постепенной конденсации галлия и свинца в виде непрозрачной пленки на стенке горелки, обусловленной количественным недостатком галогена, в частности иода: за 500 ч горения спад указанного КПД достигает 70% от начального значения, составляющего порядка 14%
Целью изобретения является повышение экологической полноценности металлогалогенной лампы для фотолитографических процессов при одновременном повышении временной стабильности ее энергетического КПД излучения в спектральной области 350-420 нм.The disadvantage of solving the prototype lamp design is the high environmental inferiority due to the presence of supertoxic mercury in the filling of the lamp at low temporal stability of the energy efficiency of lamp radiation in the region of 350-420 nm during operation due to the gradual condensation of gallium and lead in the form of an opaque film on the wall burners due to a quantitative deficiency of halogen, in particular iodine: after 500 hours of combustion, the decrease in the specified efficiency reaches 70% of the initial value, which is about 14%
The aim of the invention is to increase the ecological usefulness of a metal halide lamp for photolithographic processes while increasing the temporal stability of its energy efficiency of radiation in the spectral region of 350-420 nm.

Цель достигается тем, что в лампу, содержащую кварцевую горелку с герметично установленными электродами, наполненную галлием, свинцом и иодом, дополнительно вводится ксенон и магний, при давлении ксенона 3-200 кПа и при молярных концентрациях галлия, свинца и магния, мкмоль/см³: 0,3-6,0; 0,02-4,5; 0,2-4,0 соответственно, а отношение молярной концентрации атомарного иода к сумме полярных концентраций галлия, свинца и магния составляет 1,1-1,8.The goal is achieved by the fact that in a lamp containing a quartz burner with hermetically sealed electrodes filled with gallium, lead and iodine, xenon and magnesium are additionally introduced at a xenon pressure of 3-200 kPa and at molar concentrations of gallium, lead and magnesium, mmol / cm ³ : 0.3-6.0; 0.02-4.5; 0.2-4.0, respectively, and the ratio of the molar concentration of atomic iodine to the sum of the polar concentrations of gallium, lead and magnesium is 1.1-1.8.

Конструктивно лампа аналогична известным конструкциям трубчатых двухцокольных металлогалогенных ламп высокой интенсивности. Structurally, the lamp is similar to the known designs of high intensity tubular double-ended metal halide lamps.

Лампа работает следующим образом. После установки лампы цоколями в электрические патроны, включенные в цепь питания лампы, и последующего замыкания этой цепи на горелку подаются напряжение питающей сети и высокочастотные высоковольтные импульсы, создаваемые импульсным зажигающим устройством в цепи питания лампы, в результате чего между электродами возникает разряд в ксеноне, который, разогревая стенку горелки, приводит к испарению с нее иодистых соединений галлия, свинца и магния лампа разгорается, после чего она переходит в режим дугового горения с установившимися параметрами (рабочий), эффективно излучая в интервале длин волн от 350 до 420 нм. При этом на относительно слабый фон излучения ксенонового буфера наложены уширенные этим буфером сильные линии галлия (403,3 и 417,2 нм), свинца (357,3; 364; 368,3; 374 и 405,8 нм) и магния (382,9; 383,2 и 383,8 нм). В результате этого и имеет место повышенный энергетический КПД излучения в интервале длин волн 350-420 нм. The lamp operates as follows. After installing the lamp with the caps in the electric cartridges included in the lamp power supply circuit, and then closing this circuit, the supply voltage and high-frequency high-voltage pulses generated by the pulsed igniter in the lamp power supply circuit are supplied to the burner, resulting in a xenon discharge between the electrodes, which heating the burner wall leads to the evaporation of iodide compounds of gallium, lead and magnesium from it, the lamp flares up, after which it switches to the arc burning mode with steady state measurements (working), effectively emitting in the wavelength range from 350 to 420 nm. At the same time, the strong lines of gallium (403.3 and 417.2 nm), lead (357.3; 364; 368.3; 374 and 405.8 nm) and magnesium (382) are superimposed on the relatively weak background of xenon buffer radiation 9; 383.2 and 383.8 nm). As a result of this, there is an increased energy efficiency of radiation in the wavelength range of 350-420 nm.

При давлении буферного газа ксенона менее 3 кПа недостаточно проявляются его уширяющие свойства на линии металлов наполнения, в результате чего их выход из разряда затруднен, а возникающий при этом низкий продольный градиент электрического столба разряда затрудняет создание компактных ламп. При давлении буферного газа более 200 кПа температура разряда оказывается недостаточной для эффективного высвечивания указанных линий металлов, а также возникает нестабильность дуги. При молярных концентрациях галлия менее 0,3 мкмоль/см³, свинца менее 0,02 мкмоль/см³ и магния менее 0,2 мкмоль/см³ КПД излучения лампы в области длин волн 350-420 нм невысок из-за недостатка излучающих атомов в разряде. При молярной концентрации галлия более 6 мкмоль/cм³ температура разряда оказывается недостаточной для эффективного высвечивания линий добавок металлов в УФ-области, при молярной концентрации свинца более 4,5 мкмоль/см³ усиливается УФ-составляющая спектра, но общее охлаждение разряда не позволяет поддерживать высокий уровень КПД во всем спектральном диапазоне 350-420 нм за счет подавления линий галлия в области 400-420 нм, при молярных концентрациях магния более 4 мкмоль/см³ вынос излучения паразитными зелеными линиями магния достигает значительных величин, что также не позволяет иметь высокий уровень КПД в эффективной области. При отношении молярной концентрации атомарного иода к сумме молярных концентраций галлия, свинца и магния менее 1,1 количества иода оказывается недостаточно для образования иодистых соединений этих металлов, в результате чего они конденсируются на стенке горелки, образуя непрозрачную пленку, что снижает КПД и сокращает срок службы. При указанном соотношении более 1,8 избыток иода приводит к нестабильности дуги и затрудняет зажигание разряда.At a xenon buffer gas pressure of less than 3 kPa, its broadening properties on the line of filling metals are not sufficiently manifested, as a result of which their exit from the discharge is difficult, and the resulting low longitudinal gradient of the electric discharge column makes it difficult to create compact lamps. At a buffer gas pressure of more than 200 kPa, the discharge temperature is insufficient for the effective illumination of these metal lines, and arc instability also occurs. At molar concentrations of gallium less than 0.3 μmol / cm ³ , lead less than 0.02 μmol / cm ³ and magnesium less than 0.2 μmol / cm ^{3, the} radiation efficiency of the lamp in the wavelength range of 350-420 nm is low due to the lack of emitting atoms in discharge. When the molar concentration of gallium is more than 6 μmol / cm ^3, the discharge temperature is insufficient for the effective highlighting of metal additive lines in the UV region; when the molar concentration of lead is more than 4.5 μmol / cm ³ , the UV component of the spectrum is enhanced, but the general cooling of the discharge does not allow a high level of efficiency in the entire spectral range of 350-420 nm due to the suppression of gallium lines in the region of 400-420 nm, when the molar concentration of magnesium is more than 4 μmol / cm ³ emission of radiation by parasitic green lines of magnesium reaches significant values, which also does not allow to have a high level of efficiency in the effective area. When the molar concentration of atomic iodine to the total molar concentration of gallium, lead and magnesium is less than 1.1, the amount of iodine is insufficient for the formation of iodide compounds of these metals, as a result of which they condense on the burner wall, forming an opaque film, which reduces the efficiency and shortens the service life . With the indicated ratio of more than 1.8, an excess of iodine leads to instability of the arc and complicates the ignition of the discharge.

В таблице приведены примеры конкретного выполнения лампы по заявляемому решению, три из которых показали оптимальные результаты. При этом во всех примерах лампа имела одинаковые двухэлектродные трубчатые стеклокварцевые горелки с диаметром колбы 18 мм и межэлектродным расстоянием 110 мм, горевшие в горизонтальном положении при мощности 1000 Вт. Обозначения и размерности в таблице следующие: Ga, Pb и Mg молярные концентрации галлия, свинца и магния соответственно, мкмоль/м³; I молярная концентрация иода, мкмоль/см³, деленная на сумму молярных концентраций галлия, свинца и магния; Хе начальное (холодное) давление ксенонового буфера, кПа; η_o начальное значение КПД лампы в диапазоне длин волн 350-420 нм, η/η_o отношение текущего значение КПД к начальному, отражающее спад потока после 500 ч работы лампы,
Из таблицы следует, что лампа по предлагаемому изобретению обеспечивает повышенный энергетический КПД излучения в интервале длин волн 350-420 нм.The table shows examples of specific lamp designs for the claimed solution, three of which showed optimal results. Moreover, in all examples, the lamp had the same two-electrode tubular glass-quartz burner with a bulb diameter of 18 mm and an interelectrode distance of 110 mm, burning in a horizontal position at a power of 1000 watts. The designations and dimensions in the table are as follows: Ga, Pb and Mg molar concentrations of gallium, lead and magnesium, respectively, µmol / m ³ ; I molar concentration of iodine, µmol / cm ³ divided by the sum of the molar concentrations of gallium, lead and magnesium; Xe initial (cold) pressure of xenon buffer, kPa; η _{o the} initial value of the efficiency of the lamp in the wavelength range of 350-420 nm, η / η _{o the} ratio of the current value of the efficiency to the initial, reflecting the decline in flux after 500 hours of lamp operation,
From the table it follows that the lamp according to the invention provides increased energy efficiency of radiation in the wavelength range of 350-420 nm.

Использование изобретения позволит наряду с экономическим эффектом получить эффект социальный за счет применения менее токсичных ингредиентов. Using the invention will allow, along with the economic effect, to obtain a social effect due to the use of less toxic ingredients.

Изобретение может быть использовано также в других фототехнологических процессах с рабочей спектральной областью 350-420 нм. The invention can also be used in other phototechnological processes with a working spectral region of 350-420 nm.

Claims

METAL HALOGEN LAMP containing a quartz burner with hermetically sealed electrodes filled with gallium, lead and iodine, characterized in that the burner additionally contains xenon at a pressure of 3 to 200 kPA and magnesium, while the molar concentration of gallium, lead and magnesium / in μmol / cm ³ are respectively 0.3 6.0, 0.02 4.5 and 0.2 4.0, and the ratio of the molar concentration of atomic iodine to the sum of the molar concentrations of gallium, lead and magnesium is 1.1 1.8.