Brevet FR2582148A1 — publié le 19861121

La présente invention se rapporte à une lampe à décharge en courant continu appropriée pour une utilisation comme source de lumière, par exemple dans l'étape d'exposi- tion aux rayons ultraviolets d'un procédé de fabrication de semiconducteurs. Dans la fabrication de semiconducteurs par exemple, on utilise un rayonnement ultraviolet pour imprimer des motifs de circuit sur des pastilles de silicium. Comme sources de lumière pour émettre un rayonnement ultraviolet, on utilise usuellement des lampes à vapeur de mercure à super haute pression. Dans un exemple de lampes à vapeur de mercure à super haute pression que l'on a conventionnellement utilisées dans la fabrication des semiconducteurs, la lampe à vapeur de mercure à super haute pression se compose, comme cela est illustré à titre d'exemple sur la figure 4, d'une enve- !oppe 1 en verre de quartz, d'une tige d'anode 4 et d'une tige de cathode 5 s'étendant à leurs premières extrémités à l'intérieur de l'enveloppe 1 et disposées fixement à leurs autres extrémités dans une partie 2 de scellement de l'anode et une partie 3 de scellement de la cathode respectivement, un conducteur anodique scellé 6 et un conducteur cathodique scellé 7 noyés hermétiquement dans la partie de scellement d'anode 2 et la partie de scellement de cathode 3 respectivement et formés de feuilles de molybdène qui sont respectivement reliées à leurs pre- mières extrémités à la tige d'anode 4 et à la tige de cathode 5, un conducteur anodique externe 8 et un conducteur cathodique externe 9 fixés dans la partie de scellement d'anode 2 et la partie de scellement de cathode 3 respec- tivement de manière que les conducteurs 8, 9 soient reliés à leurs premières extrémités aux conducteurs scellés 6, 7 respectivement et que les autres extrémités des conducteurs 8, 9 fassent saillie de la partie 2 de scellement d'anode et de la partie 3 de scellement de cathode respectivement, et une base métallique d'anode 10 et une base métallique de cathode il reliées électriquement aux conducteurs 8, 9 82148 respectivement et fixées sur la partie de scellement d'anode 2 et la partie de scellement de cathode 3 respec- tivement. Dans l'enveloppe 1 de la lampe à vapeur de mercure à super haute pression, sont contenus du mercure et un gaz inerte. Lors du fonctionnement, la pression interne de l'enveloppe 1 augmente à une pression, par exemple, pouvant atteindre environ 10-50 bars. Des feuilles de molybdène sont utilisées pour les conducteurs scellés 6, 7, parce que les feuilles de molybdène peuvent subir des déformations plastiques pour faciliter le maintien de l'étanchéité à l'air aux parties de scellement 2, 3, même pour des variations importantes de température devant être induites par un allumage et une extinction répétés de la lampe. De point de vue maintien de l'étanchéité à l'air, plus les feuilles métalliques 6, 7 sont minces d'utant mieux cela est. Cependant, l'épaisseur peut généralement être de plusieurs dizaines de microns ou de préférence d'environ 20 jmm lorsque la capacité électrique, la résistance mécanique ou l'ouvrabilité à la fabrication de telles lampes à vapeur de mercure sont considérées. Cependant, de telles lampes à vapeur de mercure super haute tension conventionnelles se sont révélées poser un problème par le fait que même lorsque leur durée d'utilisation a été étudiée pour atteindre, par exemple, 400 heures, elles font défaut, dans de nombreux cas, en environ 100 à 300 heures; et du fait de cette rupture prématurée, le traitement d'exposition au rayonnement ultraviolet a fréquemment -té interrompu pendant l'étape d'exposition à un rayonnement ultraviolet d'un procédé de fabrication de semiconducteurs et l'accomplissement régulier du procédé de fabrication des semiconducteurs était par conséquent gêné. En tenant compte de ce qui précède, les présents inventeurs ont effectué une recherche sur des lampes à vapeur de mercure super haute pression qui se sont rompues prématurément. La recherche a eu pour résultat la 82148 découverte que, comme cela est montré partiellement à échelle agrandie sur la figure 5, un espace 32 s'était formé entre le conducteur scellé 7 et une partie de verre 31 de la partie 3 de scellement de cathode uniquement dans la partie 3 de scellement de cathode. C'est-à-direqus riême si l'espace 32 est petit au début, il semble se propager peu à peu vers le conducteur cathodique externe 9 tandis que la durée de fonctionnement devient plus importante. En conséquence, la structure étanche à l'air entre le conduc- teur scellé 7 et la partie de verre 31 de la partie 3 de scellement de cathode peut éventuellement être rompue et la lampe à vapeur de mercure à super haute pression devient par conséquent inutilisable. La présente invention a été accomplie sur la base d'une telle découverte. En tenant compte de ce qui précède, la présente invention a pour objet de prévoir une lampe à décharge en courant continu assurant une durée prolongée d'utilisation et une haute fiabilité, permettant d'atteindre le maintien de l'étanchéité à l'air à sa partie de scellement de cathode sans faute sur une longue période de temps même si la pression interne de son enveloppe devient élevée pendant son fonctionnement lorsqu'elle est utilisée comme source de lumière, par exemple, dans l'étape d'exposition à un rayonnement ultraviolet d'un procédé de fabrication de semiconducteurs, qui permette de passer à l'exposition au rayonnement ultraviolet sans aucune interruption inattendue et par conséquent d'effectuer régulièrement le procédé de fabrication des semiconducteurs. Selon un aspect de l'invention, on prévoit ainsi une lampe à décharge en courant continu équipée d'une enveloppe en verre au quartz,de conducteurs anodique et cathodique scellés enfermés respectivement dans des parties de scellement d'anode et de cathode de l'enveloppe, de conducteurs anodique et cathodique externes reliés à une extrémité aux conducteurs anodique et cathodique scellés respectivement et faisant saillie 'hors de l'enveloppe à leurs autres extrémités, et des tiges d'anode et de cathode 82148 disposées fixement dans les parties de scellement d'anode et de cathode respectivement de manière que les tiges d'anode et de cathode soient électriquement reliées à une extrémité aux conducteurs anodique et cathodique scellés respectivement et que les autres extrémités des tiges d'anode et de cathode dépassent à l'intérieur de l'enveloppe. Un organe électriquement conducteur est prévu sur la paroi externe de la partie de scellement de cathode et l'organe électriquement conducteur est électriquement relié au conducteur cathodique scellé. Grâce au fait de prévoir l'organe électriquement conducteur sur la paroi externe de la partie de scellement de cathode de manière que l'organe électriquement conduc- teur soit électriquement relié au conducteur cathodique scellé, le potentiel électrique de l'organe électriquement conducteur est maintenu égal à celui du conducteur cathodique scellé tandis que la lampe à décharge en courant continu est en fonctionnement. Par suite, comme on le comprendra par une description d'un exemple d'une expé- rience décrite ici, la connexion étanche à l'air entre le conducteur cathodique scellé et le verre au quartz est maintenue de manière stable pendant une longue période de temps et en fait, une lampe à décharge en courant continu ayant une longue durée d'utilisation et une haute fiabilité peut ainsi être obtenue. En utilisant une telle lampe à décharge en courant continu en tant que source de lumière dans l'étape d'exposition à un rayonnement ultraviolet d'un procédé de fabrication d'un semiconducteur, il est possible d'éviter une interruption inattendue de l'exposi- tion au rayonnement ultraviolet et ainsi d'effectuer le procédé de fabrication de semiconducteurs de manière régulière pendant longtemps. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - les figures l(a) et l(b) sont respectivement des vues en coupe transversale longitudinale schématique d'une lampe à décharge en courant continu selon un mode de réalisation de la présente invention; - les figures 2(a) et 2(b) sont respectivement des vues en coupe transversale longitudinale schématique d'une lampe à décharge en courant continu selon un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe transversale schématique montrant une modification; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un exemple de lampes conventionnelles à vapeur de mercure super haute tension; et - la figure 5 est une vue en coupe transversale schématique montrant une partie de la lampe conventionnelle à vapeur de mercure super haute tension de la figure 4, à échelle agrandie. En se référant aux figures 1(a) et 1(b), le premier mode de réalisation de cette invention sera décrit ci- apres Dans ce mode de réalisation, une lampe à vapeur de mercure super haute pression est construite en tant que lampe à décharge en courant continu. Le chiffre 1 indique une enveloppe faite d'un verre au quartz, tandis que les chiffres 2 et 3 désignent une partie de scellement d'anode et une partie de scellement de cathode respectivement. Dans la partie de scellement de cathode 3, un conducteur cathodique scellé 7 qui est formé d'une feuille de molybdène est noyé hermétiquement dans le verre de la partie 3 de scellement de cathode. Une tige de cathode 5 est disposée de manière fixe dans la partie 3 de scellement de cathode de manière qu'une extrémité de la tige de cathode 5 soit reliée à une extrémité du conducteur cathodique scellé 7 et que l'autre extrémité de la tige de cathode 5 s'étende à l'intérieur de l'enveloppe 1. Un 82148 conducteur cathodique externe 9 est disposé fixement dans le verre de la partie de scellement de cathode 3 de manière qu'une extrémité du conducteur cathodique externe 9 soit reliée à l'autre extrémité du conducteur cathodique scellé 7 et que l'autre extrémité du conducteur cathodique externe 9 fasse saillie hors de l'enveloppe 1. Dans la partie de scellement d'anode 2, sont prévus un conducteur anodique scellé 6 fait d'une feuille de molybdène, une tige d'anode 4 et un conducteur anodique externe 8 de la même façon que dans la partie de scellement de cathode 3 ci-dessus décrite. Les chiffres de référence 10, 11 désignent une base d'anode en métal et une base de cathode en métal, chacune de configuration cylindrique, qui sont prévues respective- ment sur la partie 2 de scellement d'anode et la partie 3 de scellement de cathode. Ces bases en métal 10, 11 sont respectivement fixées sur la partie 2 de scellement d'anode et la partie 3 de scellement de cathode par des ciments 12, 13. Par ailleurs, les conducteurs anodique et cathodique externes 8, 9 sont respectivement brasés et connectés aux bases métalliques 10, 11 aux extrémités 16, 17. Les chiffres 14, 15 indiquent des fils externes pour monter la lampe à vapeur de mercure super haute pression. Le chiffre 20 indique un organe électriquement conducteur. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'organe électriquement conducteur 20 est formé en prévoyant un film 21 de dépôt de métal qui est fait d'un métal tel que Pt (platine), Au (or), Pd (palladium), Ag (argent) , Ni (nickel) ou Re (rhénium), sensiblement sur toute la circonférence de la paroi externe de la partie de verre qui entoure le conducteur cathodique scellé 7 dans la partie 3 de scellement de cathode. L'organe électri- quement conducteur 20 peut être formé en prévoyant un film de dépôt de métal ou des films sur une ou plusieurs sections de la paroi de la partie de verre opposée à la surface du conducteur cathodique scellé 7. Le film de dépôt de métal peut être formé par un procédé d'évaporation sous vide, 82148 un procédé de pulvérisation, un procédé de dépôt de vapeur chimique ou analogue. Le film de dépôt de métal 21 est relié à la base de cathode en métal 11 par un fil de connexion 22 par exemple fait en acier inoxydable, et le film en métal 21 est maintenu à état électriquement connecté au conducteur cathodique scellé 7. L'épaisseur du film de dépôt de métal 21 peut par exemple être d'environ 0,5 - 5 Dom. L'enveloppe 1 est remplie de mercure, un gaz inerte et analogues en quantités telles que la pression interne de l'enveloppe 1 atteigne environ 30-40 bars lorsque la lampe à vapeur de mercure à super haute pression est en fonctionnement. Grâce à la construction ci-dessus décrite, le potentiel électrique de l'organe électriquement conducteur est maintenu égal à celui du conducteur cathodique scellé 7 tandis que la lampe à vapeur de mercure à super haute pression est en fonctionnement. Par suite, comme on le comprendra par la description de l'expérience décrite ci-dessous, la connexion étanche à l'air entre le conduc- teur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé est maintenue de manière stable pendant longtemps. En conséquence, la construction cidessus décrite peut offrir une lampe à vapeur de mercure à super haute pression ayant une longue durée d'utilisation et une haute fiabilité. Le maintien stable ci-dessus décrit de la connexion étanche à l'air entre le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé sur une longue période de temps peut être attribué au moins partiellement aux raisons suivantes. Tandis que la lampe à vapeur de mercure à super haute pression est en fonctionnement, l'intensité du champ électrique est maintenue sensiblement à 0 dans la partie de verre entre le conducteur cathodique scéllé 7 et l'organe électriquement conducteur 20. En conséquence, il est pratiquement possible d'éviter un mouvement des cations d'impuretés métalliques, qui sont usuellement contenues inévitablement dans le verre au quartz, sous 82148 un champ électrique. Le mouvement de tels cations est considéré comme étant une cause nuisant à la connexion étanche à l'air entre le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé. Par suite, il est possible d'éviter une concentration des cations de telles impuretés métalliques à la partie o le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé sont connectés. En conséquence, on pense que la connexion étanche à l'air entre le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé n'est pas endommagée et que la connexion étanche à l'air est maintenue de manière stable pendant une longue période de temps. On obtient ainsi un grand mérite de l'utilisation d'une telle lampe à vapeur de mercure à super haute pression en tant que source de lumière dans une étape d'exposition à un rayonnement ultraviolet d'un procédé de fabrication de semiconducteurs, parce que l'utilisation de la lampe à vapeur de mercure super haute pression permet de réduire le prix initial et également d'accomplir une exposition à un rayonnement ultraviolet sans ennui, sur une longue période de temps. Contrairement à la lampe à vapeur de mercure super haute pression cidessus décrite de l'invention, une lampe à vapeur de mercure super haute pression convention- nelle devient très chaude à la partie de scellement de cathode 3 tandis que la lampe est en fonctionnement. Par conséquent, des cations d'impuretés métalliques usuellement contenues dans le verre au quartz sont thermiquement excités dans la partie de scellement de cathode 3. Par ailleurs, une tension négative est appliquée au conducteur cathodique scellé 7. Dans le verre au quartz de la partie de scellement de cathode 3, un fort champ électrique est par conséquent produit dans une direction avançant du verre au quartz jusqu'au conducteur cathodique scellé 7. Du fait de ce champ électrique, on pense que des cations des impuretés métalliques dans le verre de silice se concentrent à proximité de l'interface entre le verre au 82148 quartz et le conducteur cathodique scellé 7. On pense que cette concentration des cations conduit à une dégradation de la connexion entre le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé, donc un espace se produit entre eux. De plus, on pense que cet espace devient peu à peu de plus en plus grand du fait de la haute pression développée dans l'enveloppe 1 alors que la lampe à mercure à super haute pression est en fonctionnement, tandis que la durée du fonctionnement se prolonge. Par suite, l'espace entre le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé communique éventuellement avec l'atmosphère environnante de l'enveloppe 1 donc la durée d'utilisation de la lampe à vapeur de mercure super haute pression est écourtée. En se basant sur le mode de réalisation ci-dessus, dix lampes à vapeur de mercure super haute pression de la spécification suivante ont été fabriquées. Consommation nominale de courant: 450 W (50 V, 9A) Distance entre électrodes: 2,2 mm Pression dans l'enveloppe 1: 40 bars (pendant le fonctionnement) Matériaux de remplissage: mercure, argon Epaisseur du conducteur cathodique scellé 7: 0,02 mm Longueur du conducteur cathodique scellé 7: 19 mm Matériau du film de dépôt de métal 21: or Longueur du film de dépôt de métal 21: 11 mm Epaisseur du film de dépôt de métal 21: 0,001 mm Un essai d'éclairement continu a été entrepris pendant 400 heures sur chacune des dix lampes à vapeur de mercure super haute pression. Les dix lampes à vapeur de mercure super haute pression ont pu fonctionner de manière stable jusqu'à la fin de l'essai. A titre de comparaison, dix lampes à vapeur de mercure super haute pression ont été fabriquées de la même 82148 manière qu'on l'a décrit ci-dessus à l'exception que les films de dépôt de métal 21 n'ont pas été prévus. Un essai d'éclairement réel a été entrepris sur Les dix lampes à vapeur de mercure super haute pression de la même manière qu'on l'a décrit ci-dessus. Trois lampes à vapeur de mercure super haute pression sur les lampes à vapeur de mercure super haute pression testées ci-dessus ont fait défaut en 100-300 heures. Leur durée d'utilisation était ainsi courte. Un autre mode de réalisation de l'invention est schématiquement représenté sur les figures 2(a) et 2(b), o l'organe électriquement conducteur 20 est formé en enroulant un fil en métal 23 sur la paroi externe de la partie de scellement de cathode 3. Le fil en métal 23 est fait d'un fil d'acier au nickel-chrome dont le diamètre peut par exemple être compris entre 0,15 mm et 0,3 mm. Le chiffre 24 désigne un fil de connexion qui a établi une connexion électrique entre le fil en métal 23 et la base de cathode métallique 11. Comme pour le premier mode de réalisation mentionné, la construction de ce mode de réalisation permet également de maintenir une connexion étanche à l'air entre le conducteur cathodique scellé 7 et son verre au quartz associé, de manière stable sur une longue période de temps et peut ainsi offrir une lampe à vapeur de mercure super haute pression ayant une longue durée d'utilisation et une haute fiabilité. L'organe électriquement conducteur 20 peut être formé en enveloppant une feuille en métal ou en enroulant une bande en métal à la place d'enrouler un fil en métal 23. Il peut être possible de concevoir chacune des lampes à vapeur de mercure super haute pression ci-dessus de cette invention en une structure telle que deux conduc- teurs cathodiques scellés ou plus, chacun formé d'une feuille de molybdène, soient utilisés dans la partie de scellement de cathode. Comme cela est illustré à titre 82148 ii d'exemple sur la figure 3, un organe en verre auxiliaire 51 ayant une configuration semblable à un bloc carré, et fait d'un verre au quartz, est prévu dans la partie de scellement de cathode 41. Plusieurs feuilles de conducteurs cathodiques 52 sont alors agencées sur les parois externes de l'organe en verre auxiliaire 51 de manière que les conducteurs cathodiques 52 s'étendent sur la longueur de l'organe en verre auxiliaire 51. Ces conducteurs cathodiques 52 sont alors hermétiquement interposés et scellés entre l'organe en verre auxiliaire 51 et un tube externe 42. Cette structure modifiée est appropriée pour permettre le passage d'un courant important. 82148 R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Lampe à décharge à courant continu du type ayant une enveloppe en verre au quartz, des conducteurs anodique et cathodique scellés enfermés respectivement dans des parties de scellement d'anode et de cathode de l'enveloppe, des conducteurs externes anodique et cathodique reliés à leurs premières extrémités, aux conducteurs anodique et cathodique scellés respectivement et faisant saillie hors de l'enveloppe à leurs autres extrémités, et des tiges d'anode et de cathode disposées fixement dans les parties de scellement d'anode et de cathode respecti- vement de manière que les tiges d'anode et de cathode soient électriquement reliées à leurs premières extrémités, aux conducteurs anodique et cathodique scellés respectivement et que les autres extrémités des tiges d'anode et de cathode fassent saillie à l'intérieur de l'enveloppe, caractérisée en ce qu'un organe électriquement conducteur (20) est prévu sur la paroi externe de la partie de scellement de cathode (3) et l'organe électriquement conducteur est électriquement connecté au conducteur cathodique scellé (7). 2.- Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une base de cathode en métal (11) est fixée sur la partie de scellement de cathode (3), le conducteur catho- dique externe (9) est connecté à la base de cathode en métal et l'organe électriquement conducteur (20) est connecté à la base de cathode en métal par un fil de connexion, ainsi l'organe électriquement conducteur et le conducteur cathodique scellé sont électriquement reliés l'un à l'autre. 3.- Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe électriquement conducteur précité est un film déposé de métal. 4.- Lampe selon la revendication 1, caractérisée 82148 en ce que l'organe électriquement conducteur précité se compose d'un fil de métal ou d'une feuille prévu sur la partie de scellement de cathode. 5.- Lampe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pression interne de l'enveloppe atteint -40 bars lorsque la lampe à décharge à courant continu est allumés.