DE19951445C1 - Quecksilber-Kurzbogenlampe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schlägt vor, ein Getter (7) aus Niob am Elektrodenstab (14) einer Quecksilber-Kurzbogenlampe anzuordnen, wobei die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sind: DOLLAR A È D > 1,8 È d und DOLLAR A È alpha >= 20 DEG . DOLLAR A Dabei bezeichnen D und d einen Durchmesser des betreffenden Elektrodenkopfes (2) bzw. des zugehörigen Elektrodenstabes (14) und alpha einen Winkel, der aufgespannt wird von der Längsachse der Elektrode und einer gedachten Verbindungslinie zwischen dem vom Elektrodenkopf abgewandten Ende des Getters (7) und einem Punkt auf der durch das elektrodenkopfseitige Ende des Elektrodenstabes verlaufenden Senkrechte zur Elektrodenlängsachse. Der erwähnte Punkt entspricht der Projektion des maximalen Radius der Mantelfläche des Elektrodenkopfes auf diese Senkrechte. Dadurch wird eine verbesserte Maintenance der Lampe erzielt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Quecksilber-Kurzbogenlampe gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Lampen werden beispielsweise als Lichtquelle für Belichtungsge
räte zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, Flüssigkristallanzeigen (LCD)
oder Leiterbahnplatinen (PCB) benutzt. Die Leistungsaufnahme dieser Lam
pen liegt typisch im Bereich von ca. 1 kW und 10 kW oder mehr.
Innerhalb des Entladungsgefäßes der Lampe sind zwei einander in geringem
Abstand, typisch im Bereich zwischen ca. 3 mm und 8 mm, gegenüberlie
gende Elektroden angeordnet. Im Lampenbetrieb erreichen die Elektroden
spitzen Temperaturen von 2500°C und darüber. Das Entladungsgefäß
schließt eine ionisierbare Gasfüllung ein. Die Hauptkomponente dieser Gas
füllung ist Quecksilber. Außerdem kann die Füllung noch ein oder mehrere
Edelgase, z. B. Xenon, Krypton oder Argon umfassen. Gasverunreinigungen
innerhalb des Entladungsgefäßes wie Sauerstoff, Wasserdampf und Koh
lenmonoxid führen zur Oxidation bzw. Karbidbildung an den heißen Elek
troden. Diese Oxide bzw. Karbide verdampfen bei den hohen Elektroden
temperaturen und schlagen sich an der wesentlich kälteren Entladungsge
fäßwand nieder. Diese Schwärzung der Gefäßwand führt letztendlich zu ei
ner inakzeptablen Reduzierung der Beleuchtungsstärke auf den Belichtungs
substraten, z. B. Wafern, etc..
Um die sich auf den Lichtstrom sowie das Lebensdauerverhalten (Mainte
nance) der Lampe negativ auswirkenden Gasreaktionen zu unterdrücken
oder zumindest deutlich zu verringern, ist es bekannt, innerhalb des Entla
dungsgefäßes an den Elektrodenseitenflächen oder an den Elektrodenstäben
ein Getter zu befestigen, der die eben beschriebenen Gasverunreinigungen ab
sorbiert, siehe z. B. US 3 621 322. Typische Gettermaterialien in gattungs
gemäßen Lampen sind Tantal (Ta) oder Zirkon (Zr), siehe z. B. EP 0 715 339 A2.
Der Getter wird als Metallstreifen bzw. Wendel um einen Elektro
denstab befestigt. Während des Lampenbetriebs erreicht der Tantalgetter
Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C bis 1700°C und mehr.
Ein Risiko für die Lebensdauer des Getters ist jedoch das Zünden der Lampe.
Dabei kann es gelegentlich vorkommen, daß der Lichtbogen am Getter an
setzt, bevor er an die Elektrodenspitzen einspringt. Der Getter wird dabei
kurzfristig und zumindest lokal so heiß, daß er aufschmilzt und teilweise ver
dampft. Dann kommt es zu einer sofortigen Schwärzung des Lampenkol
bens, da sich das verdampfte Gettermaterial am kalten Lampenkolben nie
derschlägt. Danach ist die Lampe in der Regel unbrauchbar. Aus diesem
Grunde wurde bisher Tantal als Gettermaterial bevorzugt, da es mit 2996°C
einen vergleichsweise sehr hohen Schmelzpunkt hat.
Längere Lebensdauern sowie bessere Maintenance, d. h. eine möglichst ge
ringe Verschlechterung der Lampenspezifikationen wie Lichtstrom, Farb
wiedergabe etc. während der Lebensdauer von Quecksilber-
Kurzbogenlampen sind von großer Bedeutung, insbesondere beim Einsatz in
Belichtungsmaschinen für die IC-Fertigung, da ein Lampenwechsel einen
Produktionsausfall bedeutet und dadurch zusätzliche Kosten verursacht.
EP 0 251 436 A2 offenbart eine Natrium-Hochdruckentladungslampe mit
Außenkolben. Innerhalb des Außenkolbens ist ein längliches Entladungsge
fäß mit Elektrode und Getter angeordnet. Die Elektrode weist einen Elektro
denstab auf, auf den eine Elektrodenwendel und eine Getterwendel gewi
ckelt sind. Die Getterwendel ist aus einem Draht aus einer Titan-Niob-
Legierung gefertigt. Optional ist der Getterdraht zusätzlich mit einer Niob
schicht umhüllt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber-
Kurzbogenlampen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer ver
besserten Maintenance bereitzustellen.
Ein Teilaspekt ist es, eine gattungsgemäße Lampe bereitzustellen, die eine
hinsichtlich Gasverunreinigungen innerhalb des Entladungsgefäßes verbes
serte Getterwirkung aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Lampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des An
spruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den
abhängigen Ansprüchen.
Es hat sich gezeigt, daß unter den Betriebsbedingungen innerhalb des Entla
dungsgefäßes gattungsgemäßer Lampen Niob als Gettermaterial besonders
gut geeignet ist. Bei Begasungen mit Sauerstoff sowie Kohlendioxid wurde
für Niob etwa die doppelte Reaktivität gegenüber Tantal gefunden. Dies
wurde durch Messung der Massenzunahme der jeweiligen Getter vor und
nach der Begasung ermittelt. Die Reaktivität nimmt analog zu Tantal mit
steigender Temperatur zu. Ab etwa 1700°C setzt jedoch die Verdampfung
der entstehenden Nioboxide ein, weshalb Niob als Getter nur unter 1700°C
sinnvoll benutzt werden kann.
Problematisch ist auch der gegenüber Tantal niedrigere Schmelzpunkt des
Niob von 2468°C. Falls nämlich während der Zündphase der Bogen am Ni
ob-Getter ansetzt, besteht ein erhöhtes Risiko des lokalen Aufschmelzens des
Niob verbunden mit einer Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes.
Der Grundgedanke der Erfindung ist nun, trotz dieser Problematik als Get
termaterial Niob zu verwenden, das Niob aber derart anzuordnen, daß ein
sicherer Schutz vor zufälligem Bogenansatz gewährt ist. Erfindungsgemäß
ist zu diesem Zweck der Durchmesser D des Elektrodenkopfes mindestens
1,8 mal, insbesondere 2,5 mal, besser 3 mal so groß wie der Durchmesser d
des Elektrodenstabes gewählt, d. h. die erfindungsgemäße Lampe erfüllt die
Bedingung D < 1,8 . d, insbesondere D < 2,5 . d, besser D < 3 . d. Außerdem
ist der Niob-Getter derart am Elektrodenstab plaziert, daß die weitere Bedin
gung α ≧ 20°, besser α ≧ 25° ebenfalls erfüllt ist. Dabei bezeichnet α den
Winkel, der - in einer die Elektrodenlängsachse enthaltenden Ebene be
trachtet - aufgespannt ist von der Längsachse der Elektrode und einer ge
dachten Verbindungslinie; diese gedachte Verbindungslinie verbindet das
vom Elektrodenkopf abgewandte Ende des Getters mit einem Punkt auf der
durch das elektrodenkopfseitige Ende des Elektrodenstabes verlaufenden
gedachten Senkrechten zur Elektrodenlängsachse. Der erwähnte Punkt ent
spricht der Projektion des maximalen Radius der Mantelfläche des Elektro
denkopfes auf diese Senkrechte.
Maßgebend bei diesen Betrachtungen ist die gesamte Ausdehnung des Get
ters, insbesondere das dem Elektrodenkopf abgewandte Ende. Dieses Ende
des Getters ist naturgemäß am stärksten gefährdet hinsichtlich eines Bogen
ansatzes. Mit anderen Worten ist auf die oben erläuterte erfindungsgemäße
Weise also auch während der Zündphase sichergestellt, daß der gesamte,
hinter dem Elektrodenkopf angeordnete Getter außerhalb der Gefahrenzone
hinsichtlich eines Bogenansatzes ist. Die konkrete Form des Elektrodenkop
fes spielt hier hingegen allenfalls eine untergeordnete Rolle. So kann der
Elektrodenkopf beispielsweise eine im wesentlichen kreiszylindrische Form
aufweisen, wobei die getterseitige Kante des Elektrodenkopfes auch gefast
oder gerundet sein kann. Schließlich kann der Elektrodenkopf auch eine
nichtzylindrische Form aufweisen.
Der Niob-Getter kann körperlich in vielfältiger Form, beispielsweise in Form
einer Folie oder einer Drahtwendel, an dem Elektrodenstab angebracht sein.
Für die Definition der oben erwähnten gedachten Verbindungslinie muß der
Getter nicht notwendig mit Kanten, bzw. im Längsschnitt betrachtet mit Ec
ken, oder dergleichen ausgebildet sein. Die Verbindungslinie ist in dieser
Hinsicht soweit verallgemeinert zu verstehen, daß sie - ausgehend von dem
durch Projektion des maximalen Radius des Elektrodenkopfes auf die er
wähnte Senkrechte erhaltenen Punkt - die bezüglich der Längsachse am
weitesten radial und/oder axial entfernte Stelle des Getters gerade eben ein
schließt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß beim Zünden der Lampe der
Bogen nicht am Getter ansetzt. Außerdem lassen sich auf diese Weise auch
relativ ausgedehnte Getter verwenden. Der erfindungsgemäß geforderte
Mindestwinkel läßt sich in diesen Fällen nämlich dadurch realisieren, daß
das Verhältnis der Durchmesser des entsprechenden Elektrodenkopfes bzw.
Elektrodenstabes geeignet groß gewählt wird. Für weitere Details hierzu sei
auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
Bevorzugt ist der Niob-Getter hinter der Anode angeordnet, da diese bei für
den Gleichstrombetrieb konzipierten Lampen in der Regel massiver ausge
führt ist als die Kathode und sich somit die oben genannten Bedingungen für
einen sicheren Schutz vor zufälligem Bogenansatz leichter erfüllen lassen.
Gleichwohl ist die Erfindung nicht auf Lampen für den Gleichstrombetrieb
beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch auf Lampen mit symmetrischen
Elektroden verallgemeinert zu verstehen. Insofern ist der Gebrauch der Be
griffe Kathode und Anode gegebenenfalls als auf die temporäre Funktion der
beiden Elektroden bezogen zu verstehen.
Die Befestigung des Niob-Getters kann durch Anschweißen, Löten oder
durch mechanisches Verbinden, beispielsweise Einrasten erfolgt sein.
Anfänglich wurde auch Zirkon (Zr) als Gettermaterial in Erwägung gezogen.
Allerdings zeigte sich sehr rasch, daß alle erfindungsgemäß in Frage kom
menden Montageorte einen inakzeptabel hohen Zirkon-Dampfdruck zur
Folge haben. Aufgrund des relativ niedrigen Schmelzpunkts von Zirkon läßt
sich für den Getter offensichtlich kein Montageort mit ausreichend niedriger
Betriebstemperatur finden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lampe mit Ni
ob-Getter in schematischer Darstellung,
Fig. 2 die Anode der Lampe aus Fig. 1 mit einem folienförmigen Niob-
Getter,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anode mit einem wendel
förmigen Niob-Getter für eine erfindungsgemäße Lampe,
Fig. 4 ein grafischer Vergleich der gemessenen Änderung des Lichtstroms
mit der Brenndauer für drei verschiedene Lampen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Quecksilber-Kurzbogenlampe, die bei der
Herstellung von Halbleiterbauteilen, Flüssigkristallanzeigen oder Leiter
bahnplatinen verwendet wird.
Die Lampe weist ein ovales Entladungsgefäß 1 aus Quarzglas auf. Es um
schließt ein Volumen von 75 cm3. Das Innere des Entladungsgefäßes 1 ent
hält 3,8 mg Quecksilber pro cm3 Entladungsgefäßvolumen sowie Xenon mit
einem Kaltfülldruck von 80 kPa.
Innerhalb des Entladungsgefäßes 1 sind eine Anode 2 und eine Kathode 3
angeordnet. Die Kathode besteht aus karburiertem Wolfram. Der Abstand
der Elektroden 2, 3 beträgt 4,5 mm. Jede Elektrode 2, 3 ist an einem Elektro
denstab 4 montiert. Die Elektrodenstäbe 4 enden in Molydäntellern 5, an de
nen stromleitfähige Dichtungsfolien 6 fixiert sind.
Hinter der Anode 2 ist ein Getter 7 befestigt. Für weitere Details hierzu wird
auf die Beschreibung zur Fig. 2 weiter unten verwiesen.
Die Lampe ist für eine Betriebsleistung von 2000 W ausgelegt. Im Betrieb
betragen die Brennspannung 24 V und der Lampenstrom 84 A.
Fig. 2 zeigt die Anode der Fig. 1 nochmals im Detail. Der Anodenkopf 2
ist am Elektrodenstab 4 montiert. Beide Teile bestehen aus Wolfram. Der
Durchmesser D der Anode beträgt 20 mm, der Durchmesser d des Elektro
denstabs 4 beträgt 6 mm. Daraus resultiert der Quotient D/d ≈ 3,3. Der Get
ter 7 besteht aus einer Niobfolie. Dargestellt ist in der Zeichenebene auch der
Winkel α, den eine gedachte Hilfslinie 8 mit der Längsachse L der Anode
einschließt. Die Hilfslinie 8 verbindet (in der Zeichenebene betrachtet) den
Eckpunkt P1 der dem Elektrodenkopf 2 abgewandte Kante 9 der Niobfolie 7
mit dem Punkt P2. Der Punkt P2 resultiert aus der Projektion des Radius r der
kreiszylindrischen Mantelfläche 10 des Elektrodenkopfes 2 auf die entlang
der Trennlinie zwischen dem Elektrodenstab 4 und dem Elektrodenkopf 2
verlaufende Senkrechte 11 zur Längsachse L. Mit anderen Worten ist der
Punkt P2 als derjenige Punkt auf der Senkrechten 11 definiert, der in der Zei
chenebene betrachtet den Abstand r von der Längsachse L hat. Der Winkel α
beträgt ca. 25°. Dadurch ist der Niob-Getter vor zufälligem Bogenansatz
während der Zündphase sicher geschützt, wie umfangreiche Untersuchun
gen des Zündverhaltens dieser Lampe gezeigt haben.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Anode. Gleiche Merkmale wie in Fig. 2 sind mit gleichen Bezugszei
chen versehen. Im Unterschied zu Fig. 2 ist hier der Niob-Getter 12 wendel
förmig um den Elektrodenstab gewickelt. Die gedachte Hilfslinie 8 verbin
det die vom Elektrodenkopf 2 sowohl radial als auch axial entfernteste Stel
le 13 der Getterwendel 12 mit dem Punkt P2. Der Punkt P2 ergibt sich auch
hier wie in Fig. 2 aus der Projektion des Radius r der kreiszylindrischen
Mantelfläche 10 des Elektrodenkopfes 2 auf die entlang der Trennlinie zwi
schen dem Elektrodenstab 4 und dem Elektrodenkopf 2 verlaufenden Senk
rechten 11 zur Längsachse L. Der Winkel α beträgt hier ebenfalls ca. 25°.
Deshalb ist auch in diesem Ausführungsbeispiel die Niob-Getterwendel vor
zufälligem Bogenansatz während der Zündphase sicher geschützt.
Fig. 4 zeigt einen grafischen Vergleich der Maintenance dreier verschiede
ner Lampen, dargestellt in einem kartesischen Koordinatensystem. Die X-
Achse gibt die Brenndauer der jeweiligen Lampe in Stunden und die Y-
Achse gibt den zugehörigen Lichtstrom der Lampen an, jeweils normiert auf
den Wert eins. Die Bezugszeichen A, B, C kennzeichnen die Meßwerte der
erfindungsgemäßen Lampe aus Fig. 1, d. h. mit Niob-Getter, bzw. die glei
che Lampe wie bei A, aber mit Tantal als Gettermaterial bzw. die Lampe aus
A ohne Getter. Die Lampe mit Niob-Getter (Kurve A) zeigt einen geringeren
Abfall des Lichtstromes während der gesamten Lebensdauer als die Lampe
mit der gleichen Menge Tantal-Getter (Kurve B). Folglich kann die prinzipiell
bessere Getterwirkung des Niob in der erfindungsgemäßen Lampe auch tat
sächlich umgesetzt werden, ohne daß ein Aufschmelzen des Niob-Getters
durch ungewollte Bogenansätze am Getter während der Zündphase diesen
Vorteil wieder zunichte machen würden. Dieses Ergebnis konnte auch durch
optische Untersuchungen während der Zündphasen bestätigt werden. Die
Lampe ohne Getter zeigt erwartungsgemäß die schlechteste Maintenance
(Kurve C).
Obwohl die Erfindung in den Ausführungsbeispielen anhand eines zylindri
schen Elektrodenkopfes erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf diese
Form des Elektrodenkopfes beschränkt zu verstehen.
Claims (9)
1. Quecksilber-Kurzbogenlampe mit
der Getter (7; 13) aus Niob besteht und die beiden folgenden Bedingun gen erfüllt sind:
- - einem Entladungsgefäß (1), das eine ionisierbare Füllung um schließt,
- - zwei Elektroden, die einander gegenüberstehend innerhalb des Entladungsgefäßes (1) angeordnet sind, wobei jede Elektrode einen Elektrodenkopf (2, 3) und einen eine Längsachse (L) definierenden Elektrodenstab (4) umfaßt, der den Elektro denkopf (2, 3) stützt,
- - einem Getter (7; 12), der an einem Elektrodenstab (14) angeordnet ist,
der Getter (7; 13) aus Niob besteht und die beiden folgenden Bedingun gen erfüllt sind:
- - D < 1,8 . d und
- - α ≧ 20°,
2. Lampe nach Anspruch 1, wobei für den Winkel α die Bedingung
α ≧ 25° erfüllt ist.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Durchmesser D und d die
Bedingung D ≧ 2,5 . d erfüllt ist.
4. Lampe nach Anspruch 3, wobei für die Durchmesser D und d die Be
dingung D ≧ 3,0 . d erfüllt ist.
5. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Niob-
Getter in Form einer Folie (7) an dem Elektrodenstab (4) angebracht ist.
6. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Niob-Getter in
Form einer Drahtwendel (12) an dem Elektrodenstab (4) angebracht ist.
7. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der gegenseiti
ge Abstand der beiden Elektroden im Bereich von ca. 3 mm und 8 mm
liegt.
8. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die beiden
Elektroden ungleich sind.
9. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Füllung
aus Quecksilber und einem oder mehreren Edelgasen besteht.
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