DE4333448A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung einer Rückströmung in luft- oder gasgekühlten Lampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung einer Verschmutzung von Lampenoberflächen und anderer Oberflächen in der Nähe von Luft- oder Gasströmen, die zur Kühlung der Lampen verwendet werden.

Die Erfindung wird im Zusammenhang mit der Anwendung bei einer mikrowellenge­ speisten elektrodenlosen Lampe dargestellt, und sie ist insbesondere bei elek­ trodenlosen Lampen anwendbar, während sie jedoch auch bei anderen Arten von luft- oder gasgekühlten Lampen verwendbar ist. Besondere Beispiele mikrowel­ lengespeister Lampen sind in der US-A-3 872 349, US-A-4 042 850, US-A4 695 757 und US-A-4 485 332 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hier miteinbe­ zogen wird. Die Lampen sind zum Trocknen von Tinte und zum Aushärten or­ ganischer Harze sowie bei der Photolithographie anwendbar.

Kurzgefaßt, bestehen die in den obigen Patenten beschriebenen elektrodenlosen Lampen aus einem Lampenkolben, in dem ein plasmabildendes Medium enthalten ist, und der in einer Mikrowelleneinfassung angeordnet ist. Während des Be­ triebs der Lampe wird das Medium in dem Kolben einer Mikrowellenstrahlung oder einer anderen elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt, die in die Mikrowel­ leneinfassung eingekoppelt wird, wodurch ein Plasma erzeugt wird, das sicht­ bare Ultraviolett(UV)- und Infrarotstrahlung abgibt. Typischerweise besteht die Mikrowelleneinfassung aus einem Reflektor und einem Gitter. Der Reflektor reflektiert die von dem Kolben abgegebene Strahlung durch das Gitter aus der Einfassung heraus, wobei das Gitter dazu dient, die Mikrowellenenergie einzu­ behalten. Die die Einfassung verlassende Strahlung trifft auf dem Material auf, das durch die UV-Energie behandelt wird.

Die von der Lampe abgegebene Strahlung nimmt in Abhängigkeit von der Eingangs­ mikrowellenenergie zu, wodurch hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Während des Betriebs wird von der Lampe jedoch eine große Menge an Wärme auf den Kolben übertragen, und das Leistungsvermögen ist durch die Wirk­ samkeit von Kolbenkühltechniken begrenzt. Zu den Kühltechniken zählen Luft­ ströme hoher Geschwindigkeit (bei den derzeitigen Ausführungen können ohne weiteres auch andere Gase verwendet werden), die auf dem Lampenkolben auftreffen und über diesen hinweg fließen sowie Wärme als ihre freie Energie abführen.

Es wurde festgestellt, daß die Kühlluftströme, die von hoher Geschwindigkeit sein müssen, um für eine entsprechende Kühlung für den Betrieb der Lampen bei hohen Energiedichten zu sorgen, innerhalb des Reflektorhohlraumes und außer­ halb davon um das behandelte Material komplexe Übergangsströmungsmuster her­ vorrufen. Es wurde auch festgestellt, daß die komplexen Strömungsmuster eine Rückströmung von Luft (oder eines anderen Kühlgases) von außerhalb der Lampen­ einfassung in diese hinein enthalten. Dieses außerhalb vorliegende Gas enthält im allgemeinen selbst in einer staubfreien Umgebung Produkte der Behandlung und der Lithographie. Es wurde festgestellt, daß die Hochgeschwindigkeits­ strahlen diese Schmutzstoffe mitnehmen und auf der Lampenhülle sowie den Reflektoroberflächen ablagern, wodurch die letzteren verschmutzen und wodurch hohe Kosten aufgrund von Ausfallzeiten und einem Ersatz verursacht werden. Nach dem Stand der Technik bestand die Lösung dieses Problems darin, ein Quarzschild vorzusehen, welches das Lichtausgangssignal verringert und die Rückströme nur teilweise verhindert. Eine Beseitigung der Behandlungs- und Photolithographieprodukte durch eine äußere Luftströmung war nur in geringem Umfang erfolgreich.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zur Vermeidung einer Verschmutzung und Verunreinigung von Lampen zu schaffen, die durch komplexe Rückströmungen erzeugt werden, die durch Kühlluft- oder Kühlgasströme hervorgerufen werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Lebensdauer der Lampenkolben zu verlängern, indem eine Verschmutzung ihrer Oberflächen beseitigt wird.

Es hat sich herausgestellt, daß die Rückströmungen durch Vakuumbereiche in die Lampe gezogen werden, die dadurch hervorgerufen werden, daß Luft oder Gas durch die Kühlströme hoher Geschwindigkeit mitgenommen wird. Erfindungsgemäß wird eine Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases geschaffen, die das Mit­ nahmeerfordernis der Ströme hoher Geschwindigkeit erfüllt, was zur Beseitigung der Rückströmungen von Schmutzstoffen führt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Endansicht einer mikrowellengespeisten elektrodenlosen Lampe, wie sie in der US-A-4 042 850 (Ury und andere) beschrieben ist,

Fig. 2 und 3 perspektivische Ansichten der Lampe der Fig. 1,

Fig. 4 eine ebene Ansicht des Reflektors, der bei der Lampe der Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 5 Strömungsmuster, die durch das bei der Lampe der Fig. 1 verwendete Kühlgas hervorgerufen werden,

Fig. 6 eine Ausführungsform mit den verbesserten Strömungsmustern, die durch ihre Verwendung erzeugt werden, und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Nach Fig. 1 besteht die dargestellte Lichtquelle aus einem sich in Längsrich­ tung erstreckenden Lampenkolben 16, der in einem sich in Längsrichtung er­ streckenden Mikrowellengehäuse angeordnet ist, das aus einem elliptisch ge­ formten Reflektor 1, metallischen Endplatten 50, 51 und einem Gitterschirm 52 besteht. Die Längsabmessung des Kolbens, des Reflektors und des Gitterschirmes ist senkrecht zu der Ebene des Zeichnungsblattes, und die Endplatten liegen in Ebenen, die parallel zu der Ebene des Zeichnungsblattes sind. Dies ist deut­ licher in den Fig. 2 und 3 zu sehen, die perspektivische Ansichten der Lampe darstellen.

Der Lampenkolben ist im oder nahe beim Brennpunkt der Ellipse angeordnet, und Mikrowellenenergie wird von zwei Magnetrons erzeugt, die an den jeweiligen Enden der Kammer angebracht sind. In Fig. 2 ist nur das Magnetron 4 am rechten Ende gezeigt. Die Magnetrons sind auf Wellenleitern 2 und 3 angebracht und er­ zeugen eine Mikrowellenenergie, die durch Schlitze an jedem Ende des ellip­ tischen Reflektors hindurchtritt und von dem Material in dem Kolben absorbiert wird, wodurch dann das gewünschte Lichtausgangssignal erzeugt wird. Das durch den Kolben erzeugte Licht verläßt die Lichtquelle durch das Drahtgitter 52 mit oder ohne eine einzelne oder mehrfache Reflexionen am elliptischen Reflektor. Die Mikrowellen werden durch das Drahtgitter daran gehindert, aus der Kammer auszutreten. Bei der bevorzugten Ausführungsform der in der US-A-4 042 850 be­ schriebenen Erfindung sind die Magnetrons 1500 MBit-Quellen, und die Plasma­ ladung führt pro linearen 25,4 mm (Linearinch) etwa 300 Watt an Wärme und Licht ab, wobei ein großer Anteil Wärme ist. Um eine Überhitzung des Kolbens und der verschiedenen Teile zu vermeiden, versorgt eine Druckluftquelle An­ schlüsse 41 und 42. Die Luft wird dazu verwendet, die Magnetrons durch eine Vielzahl von Öffnungen 4, die Wellenleiter durch eine Vielzahl von Öffnungen 40 und schließlich den Lampenkolben 1 durch eine Vielzahl von Öffnungen 22 in dem Reflektor zu kühlen. Fig. 4 zeigt die Muster von Öffnungen in dem Reflek­ tor, durch die die Druckluft hindurchfließt.

In Fig. 5 sind die Luftströmungsmuster in der Lampe unter Hervorhebung der Muster in dem durch den elliptischen Reflektor und das Gitter gebildeten Ge­ häuse schematisch gezeigt. Diese Muster wurden unter Verwendung von Techniken zur Sichtbarmachung eines Blattflusses durch Laserlicht aufgedeckt. Es wurde festgestellt, daß die die Kühlöffnungen 22 verlassende Luft durch eine Hälfte des Drahtgitters ausfließt, was als Strom 14 dargestellt ist. Ein kleiner An­ teil der Luft tritt durch den gezeigten Spalt 15 in den Montagenplatten aus. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dies der Spalt zwischen dem äußeren Gehäuse und dem Reflektor. Luft von außerhalb, die Schmutzstoffe wie Staub­ parikel und Produkte der durch die Lichtquelle ausgeführten Verfahren ent­ hält, tritt von der anderen Hälfte in die Lampeneinfassung ein, wie dies durch den Strom 32 gezeigt ist. Aufgrund der Prinzipien der Strömungsmechanik sind solche Muster unvermeidbar, wobei sie auf Scherkräfte zurückzuführen sind, die durch Luftströme hoher Geschwindigkeit erzeugt werden, die durch relativ klei­ ne, in einem Bereich konzentrierte Öffnungen in einen großen Hohlraum ein­ treten. Da die Luftströme sich von den Öffnungen in dem Reflektor weiterbewe­ gen, breiten sie sich aus, wobei sie durch Scherkräfte oder Reibung mehr Luft in der Einfassung mitnehmen, wodurch Luft aus der Einfassung entfernt wird und Bereiche geringen Drucks hervorgerufen werden. Luft, die auf das behandelte Substrat auftritt, wird zurückreflektiert, und sie kann in diese Bereiche geringen Drucks innerhalb der Lampeneinfassung gezogen werden. Diese "Rückströmung" ist mit 32 bezeichnet, und sie führt zu einer Verunreinigung der Oberflächen der Lampeneinfassung. Die Lokalisierung und das Ausmaß der Rückströmung sind in starkem Maße von der besonderen Begrenzung und den Anfangsbedingungen der Strömungen abhängig, und leichte Störungen verändern die Lokalisierung der Rückströmung während des Betriebs.

Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung ist eine Quelle sauberer Luft vorgesehen, um die durch die oben erwähnten Scherkräfte mitgenommene Luft zu ersetzen und damit die für die Schmutzstoffe vorhandenen Bereiche geringen Drucks zu beseitigen, um so die Rückströmungen daran zu hindern, in diese hineingezogen zu werden.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wie sie auf die elektroden­ lose Lampe angewandt wird, die in der oben genannten US-A-4 042 850 beschrie­ ben ist. In Fig. 6 sind Teile, die jenen der vorhergehenden Figuren gleich sind, mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Nach Fig. 6 ist eine Führung oder ein Luftdeflektor 17 auf dem Gehäuse angebracht. Bei der ge­ zeigten Ausführungsform ist der Luftdeflektor ein U-förmiges Teil, das an einem Montageteil 21 aufgehängt ist, das an dem Gehäuse durch Blechfestigungs­ mittel 18 befestigt ist. Zusätzlich ist ein flexibles Teil 19 wie eine Dich­ tung vorgesehen, um die Schnittstelle zwischen dem Deflektor und dem Montage­ teil abzudichten. Erfindungsgemäß wird die durch den Spalt 15 fließende Luft durch den Luftdeflektor 17 umgelenkt, um einen Ersatzluftstrom 20 zu erzeugen, der die durch die Kühlströme mitgenommene Luft ersetzt und damit die Rückströmungen von Schmutzstoffen verhindert.

Es ist festzustellen, daß das Luftschild so ausgelegt sein kann, daß es die gesamte Länge des Schirmes erfaßt, da die Lokalisierung der Rückströmung in hohen Maße instabil ist. Mit einer entsprechenden Einstellung können die schädlichen Rückströmungen vollständig beseitigt und die Schmutzstoffe davon abgehalten werden, in die Lampeneinfassung einzutreten.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt, in der ein neuartiges Öffnungsmuster im Reflektor 70 dargestellt ist. Bei dieser Aus­ führungsform würde man den Reflektor 70 anstelle des Reflektors 1 verwenden, der in den Fig. 1 bis 4 gezeigt ist. Wie zu sehen ist, sind Reihen von Öffnungen 72 nahe der Mitte des Reflektors angeordnet, die dieselbe Funktion wie die Öffnungen 22 in Fig. 4 erfüllen, was bedeutet, daß das Kühlfluid durch diese Öffnungen hindurch abgegeben wird, um den Kolben zu kühlen. Die Reihen von Öffnungen 74, die in der Nähe der Enden des Reflektors angeordnet sind, sind jedoch eine Besonderheit dieser Ausführungsform.

Die saubere Ersatzluft oder das saubere Ersatzgas zum Ersetzen der Luft, die durch die durch die Öffnungen 72 fließenden Ströme mitgenommen wird, wird durch Öffnungen 74 geliefert. Nach Fig. 6 würde die beschriebene Ausführungs­ form daher nicht den Deflektor 17 enthalten, ebensowenig einen wesentlichen Spalt 15, da die Ersatzluft über die Öffnungen 74 geliefert wird. Die durch die Öffnungen 74 in dem Reflektor abgegebene Ersatzluft wird auf die gleiche Weise wie die Strömung 20 in Fig. 6 nach oben gezogen, um die mitgenommene Luft zu ersetzen. Bei der dargestellten speziellen Ausführungsform beträgt die Menge an Ersatzluft etwa 1/3 der Luftmasse, die Kühlluft und Ersatzluft ent­ hält.

Bei der in Fig. 7 gezeigten speziellen Ausführungsform sind die schattierten Öffnungen 72 etwas größer als die unschattierten Öffnungen 72.

Wie zuvor erwähnt, reagieren die Strömungen auf Anfangs- und Grenzbedingungen. Zum Beispiel können die Strömungen spontan von dem in Fig. 6 gezeigten Modus, bei dem die Strömung in die Lampe auf der linken Seite (oder oben, wenn die Lampe an ihrer Seite montiert ist) und die austretende Strömung auf der rech­ ten Seite vorliegt, in einen Modus übergehen, bei dem die einwärts gerichtete Strömung auf beiden Seiten und die auswärts gerichtete Strömung in der Mitte vorliegen.

Zusätzlich kann die Vorrichtung so ausgelegt sein, daß die Lokalisierung der Ersatzluftströmung in Abhängigkeit von der Lokalisierung der Rückströmung um­ geschaltet werden kann. Geht bspw. der Rückfluß von der linken Seite der Ein­ fassung auf die rechte Seite über, so können in Fig. 6 Schließmittel vorge­ sehen sein, um den Spalt 15 auf der linken Seite vollständig abzusperren, wäh­ rend der Spalt 15 auf der rechten Seite geöffnet wird.

Es ist festzustellen, daß die verschiedensten Luft- oder Gasquellen und Wege, denen die Ersatzluft oder das Ersatzgas folgt, möglich sind, um das Ergebnis der Erfindung zu erreichen, wobei ebensoviele verschiedene mechanische Ausführungen der Luftführungs- und Luftablenkmittel möglich sind.

Während die Erfindung im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, bei der eine elektrodenlose Lampe von linearem Aufbau ver­ wendet wird, ist es genauso gut möglich, die Erfindung auf elektrodenlose Lam­ pen unterschiedlichen Aufbaus, wie z. B. von kugelförmigem und ringförmigem Aufbau usw., anzuwenden. Ebenso ist sie auf hochfrequenzerregte Lampen sowie auf irgendeine Lampe anderen Typs anwendbar, die durch einen Strom von Kühl­ luft oder Kühlgas gekühlt wird.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Vermeidung von Luft- oder Gasrückströmungen, die Schmutz­ stoffe enthalten können und auf einen Kolben gerichtet sind, der durch we­ nigstens einen Druckluft- oder Druckgasstrom gekühlt wird, der die Rückströmungen hervorruft, bei dem eine Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases bereitgestellt wird und die saubere Luft bzw. das saubere Gas dazu gebracht wird, die mit Schmutzstoffen versetzten Rückströmungen zu ersetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das saubere Gas durch ein Vakuum einge­ zogen wird, um die verschmutzte Luft oder das verschmutzte Gas zu ersetzen, wobei das Vakuum durch den Kühlstrom erzeugt wird.

3. Lampe, bei der Luft- oder Gasrückströmungen, die mit Schmutzstoffen ver­ sehen sein können, beseitigt sind, mit einem eine Strahlung liefernden Kolben, Mitteln zur Erzeugung wenigstens eines Druckluft- oder Druckgaskühlstromes, der auf den Kolben gerichtet ist, wobei dieser Strom den Effekt mit sich bringt, daß Luft mitgenommen wird, einer Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases, und Mitteln, die bewirken, daß die saubere Luft oder das saubere Gas das Mitnahme­ erfordernis des Kühlstromes erfüllen und damit eine Beseitigung oder Ver­ ringerung der Rückströmungen bewirken.

4. Lampe nach Anspruch 3, die eine Einfassung enthält, in der der Kolben ange­ ordnet ist, und bei der die Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases in der Einfassung enthalten ist.

5. Lampe nach Anspruch 4, bei der die Einfassung zumindest eine Öffnung be­ sitzt, um die saubere Luft oder das saubere Gas zu liefern.

6. Lampe nach Anspruch 5, bei der die Mittel zur Erzeugung wenigstens eines Druckgaskühlstromes wenigstens eine Öffnung in der Einfassung enthalten.

7. Lampe nach Anspruch 6, bei der die Einfassung einen Reflektor enthält, der eine Mehrzahl von Öffnungen zur Erzeugung von Druckgaskühlströmen und eine Mehrzahl von Öffnungen zur Erzeugung des sauberen Gases aufweist.

8. Lampe nach Anspruch 5, mit Luft- oder Gasablenkmittel zum Umlenken der sau­ beren Luft oder des sauberen Gases, die bzw. das von der Öffnung abgegeben wird.

9. Lampe nach Anspruch 7, bei der die Einfassung einen Reflektor und ein Git­ ter enthält und bei der die Lampe durch Mikrowellenenergie gespeist ist.

10. Mikrowellengespeiste Lampe mit,
einem Kolben, der ein plasmabildendes Medium enthält,
einem Mikrowellenhohlraum, der einen Reflektor und ein Gitter enthält, in dem der Kolben angeordnet ist,
wobei der Reflektor einen Satz von Öffnungen in der Nähe der Reflektormitte aufweist,
Mitteln zur Lieferung eines Druckkühlgases, das zumindest teilweise durch die Reflektoröffnungen geliefert wird, wobei die Luft oder das Gas, die bzw. das durch die Öffnungen abgegeben wird, jeweils einen Strom enthält, der Luft oder Gas mitnimmt,
Mitteln zur Bereitstellung einer Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases, und
Mitteln, die bewirken, daß die saubere Luft oder das saubere Gas die Luft oder das Gas ersetzen, die von den Strömen mitgenommen wird.

11. Lampe nach Anspruch 10, bei der die Mittel zur Bereitstellung einer Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases die Mittel zur Lieferung von Druckkühlluft oder Druckkühlgas sowie einen zweiten Satz von Öffnungen in der Nähe der Enden des Reflektors enthalten.

12. Lampe nach Anspruch 10, bei der der Mikrowellenhohlraum in einem Gehäuse angeordnet ist, und bei der Mittel zur Bereitstellung einer Quelle sauberer Luft oder sauberen Gases die Mittel zur Lieferung von Druckkühlluft oder Druckkühlgas sowie eine Öffnung zwischen dem Gehäuse und dem Mikrowellenhohl­ raum enthalten.

13. Lampe nach Anspruch 11, bei der der Kolben einen linearen Aufbau besitzt.

14. Lampe nach Anspruch 12, bei der der Kolben einen linearen Aufbau besitzt.