(57)【要約】本発明は、２個の正反対に対向して取り付けられたくびれ部（４）を有し、このくびれ部中に、それぞれタングステンからなる陽極（２６）および陰極（７）が気密になるように融着されており、かつ水銀および少なくとも１つの希ガスからなる充填物を有する、放電容器（２）を有する直流作動機構のための水銀ショートアーク高圧放電ランプ（１）に関する。本発明によれば、陰極先端部（１１）の材料は、タングステンに加えて酸化ランタンＬａ２Ｏ３を含有し、放電容器内での充填物の水銀含量が少なくとも１ｍｇ／ｃｍ３および最高で６ｍｇ／ｃｍ３である。
2005519436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器（２）を有する直流作動機構のための水銀ショートアーク高圧放電ランプ（１）であって、この場合この放電容器は、２個の正反対に対向して取り付けられたくびれ部（４）を有し、このくびれ部中には、それぞれタングステンからなる陽極（２６）および陰極（７）が気密になるように融着されており、また、この放電容器は、水銀および少なくとも１つの希ガスからなる充填物を含む、上記水銀ショートアーク高圧放電ランプにおいて、少なくとも陰極先端部（１１）の材料がタングステンに加えて酸化ランタンＬａ２Ｏ３を含有し、放電容器内での充填物の水銀含量が少なくとも１ｍｇ／ｃｍ３および最高で６ｍｇ／ｃｍ３であることを特徴とする、水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項２】
全部の陰極（７）の陰極材料が付加的にＬａ２Ｏ３を含有する、請求項１記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項３】
陰極材料のＬａ２Ｏ３含量が１．０〜３．５質量％である、請求項１記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項４】
陰極材料のＬａ２Ｏ３含量が１．５〜３．０質量％である、請求項１記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項５】
充填ガスまたは充填ガス混合物が放電容器体積に対して２．７〜１５．２ｍ／ｃｍ３の放電容器（２）内での密度を有する、請求項１記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項６】
放電容器（２）内での陽極（２６）と陰極（７）との間の電極間の距離が６ｍｍ以下である、請求項１記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【請求項７】
ランプ（１）の動作時のランプ電流が２０Ａを上廻る、請求項１記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電容器を有する直流作動機構のための水銀ショートアーク高圧放電ランプに関し、この場合この放電容器は、２個の正反対に対向して取り付けられたくびれ部を有し、このくびれ部中には、それぞれタングステンからなる陽極および陰極が気密になるように融着されており、また、この放電容器は、水銀および少なくとも１つの希ガスからなる充填物を含む。この種のランプは、殊にウェーハの照明のために、半導体工業におけるマイクロリソグラフィーに使用されている。
【０００２】
背景技術
露光処理に使用される水銀ショートアーク高圧放電ランプは、紫外線の波長領域内で、部分的に数ナノメートルの波長に制限されて、高い光強さを供給しなければならず、この場合光の発生は、小さな空間範囲内に制限されている。
【０００３】
これから導き出される、高い光密度の要件は、電極間の距離が短い場合に直流のガス放電によって達成されることができる。この場合には、陰極の前方で高い発光率を有するプラズマが生じる。プラズマ中への強い電気エネルギーの結合によって、殊に陰極で材料の損傷をまねく電極温度が発生する。
【０００４】
従って、この種の陰極は、これまで有利に酸化トリウムＴｈＯ２からなるドーピング剤を含有し、この場合この酸化トリウムは、ランプの動作の間にトリウムＴｈに還元され、この金属の形で陰極表面に進行し、そこで陰極の仕事関数の減少をまねく。
【０００５】
仕事関数が少なくなるにつれて、陰極の動作温度の減少が付随して現れ、この減少により、陰極のよりいっそう長い寿命が生じる。それというのも、温度が低下した場合には、僅かな陰極材料が蒸発するからである。
【０００６】
ドーピング剤としてのＴｈＯ２のこれまでの好ましい使用は、ドーピング剤の蒸発が比較的僅かであり、したがってランプガラス球内での支障のある沈殿物（黒化、被覆層）は殆んど生じない。ＴｈＯ２の好ましい適合性は、酸化物の高い融点（３３２３Ｋ）および金属の高い融点（２０２８Ｋ）で補正される。
【０００７】
しかし、電極の再燃焼は、トリウム化された陰極の場合であっても避けることができず、したがって当該の直流放電ランプの場合には、寿命は、陰極の再燃焼によって限度が定められている。これは、殊に短い電極間距離を有するランプの場合には、本明細書中で記載されているように、不利である。それというのも、この場合、電極での僅かな再燃焼は、既にランプの光技術的性質の著しい変化を生じるからである。従って、さらに再燃焼の減少は、依然として望まれている。
【０００８】
しかし、ＴｈＯ２を使用することの重大な欠点は、放射能にあり、準備材料およびランプの製造に転用する場合には、保護予防措置が必要とされる。また、製品の活性に応じて、ランプの貯蔵、動作および廃棄の場合の条件にも注意すべきである。
【０００９】
環境問題の解決は、マイクロリソグラフィーにおいて使用されているような２０Ａを上廻る高い動作電流を有するランプの場合には、特に切実なことである。それというのも、このランプは、電極の大きさのために特に高い活性を有するからである。
【００１０】
従って、数多くのトリウム代替物質が試みられた。このための例は、”Metallurgical Transactions A”, vol. 21A, Dec. 1990, 第3221〜3236頁に見出される。マイクロリソグラフィーのためのランプでの代替物質の商業的使用は、これまで成功していない。それというのも、全ての代替物質は、ＴｈＯ２と比較して簡単な蒸発可能性のために、顕著なガラス球被覆層をまねくからである。
【００１１】
マイクロリソグラフィーにおいて、露光装置の生産性は、ランプを提供する光量に著しく依存する。ガラス球の被覆層または電極の再燃焼は、使用可能な有効光を減少させ、露光時間が長くなるために、極めて高価な装置の生産性の損失をまねく。
【００１２】
発明の開示
本発明の課題は、電極材料中に放射性ドーピング剤なしでも構わず、僅かな電極の再燃焼を保証し、電極の再燃焼に関連して達成された公知技術水準にも劣らず、ランプの寿命に関連してランプのガラス球内での被覆層の形成をできるだけさらに減少させる、請求項１の上位概念に記載の水銀ショートアーク高圧放電ランプを提供することである。
【００１３】
この課題は、請求項１の上位概念の特徴を有する水銀ショートアーク高圧放電ランプの場合に、少なくとも陰極頭部の材料が付加的に酸化ランタンＬａ２Ｏ３を含有し、ランプ充填物の水銀含量が最高で６ｍｇ／ｃｍ３であることによって解決される。この場合、水銀含量は、少なくとも１ｍｇ／ｃｍ３である。それというのも、純粋な希ガスランプのプラズマ特性は、水銀ショートアークランプと殆んど区別されないからである。比較的に簡単にイオン化可能な水銀が不在の場合には、希ガスアークは、殆んど集中的に燃焼する。
【００１４】
異なるドーピング剤についての試験により、Ｌａ２Ｏ３が被覆層の形成および電極の再燃焼に関連して極めて好ましい結果を示しうることが明らかになった。再燃焼は、むしろトリウム化された材料の場合よりも僅かである。これは、電極間の距離が短い場合（６ｍｍ未満）に特に有効になるという１つの利点であり、或る程度過剰に被覆層が形成されることはむしと許容されうるであろう。この場合、頭部のドーピング量または胴部および頭部からなる全陰極のドーピング量は、陰極材料に対して１．０〜３．５質量％、好ましくは陰極材料に対して１．５〜３．０質量％の間にある。
【００１５】
陰極の動作温度は、エミッタの蒸発速度とほぼ一致している。リチャードソンダッシュマンの式
Ｉ＝ＡＴ２ｅｘｐ（−ｅΦ／ｋＴ）、
〔式中、Ｉは、Ａ／ｍ２での電流密度であり、Ａは、Ａ／ｍ２Ｋ２での定数１．２×１０６であり、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、Ｋでの温度であり、Φは、ｅＶでの仕事関数である〕は、ランプ電流と電子射出面積と電極温度との関係式を生じる。しかし、所定のランプ電流の場合には、電極温度は、なお明らかには定められていない。アーク開始面積の大きさは、開いたままであり、陰極の温度に影響を及ぼす。
【００１６】
試験は、アーク開始面積、ひいては電極温度が充填ガス種、充填ガス圧および水銀濃度によって影響を及ぼされることを示した。
【００１７】
また、電極の直径、先端の角度および電極の先端の直径の影響は、実際原則的に存在しているが、しかし、このパラメーターの影響は、陰極材料のタングステンへの添加剤としてのＬＡ２Ｏ３を使用した場合には、それほど重要ではない。それというのも、電流と共に主にランププラズマ特性は、アーク開始の形を定めるからである。しかし、プラズマ特性にとって、充填ガス種、充填ガス圧および水銀濃度は本質的なことではない。
【００１８】
試験は、本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプ中での高い水銀濃度が陰極先端での特に強い加熱を生じさせることを示した。即ち、Ｈｇ４．５ｍｇ／ｃｍ３である場合には、電極温度は、例えば２２００℃であり、一方、４０ｍｇ／ｃｍ３の場合には、直流で２６００℃が測定される。
【００１９】
エミッタの蒸発は、このような立場において水銀濃度と共に増大する。試験は、水銀量が放電容器内で充填物として６ｍｇ／ｃｍ３を上廻らない限り、陰極材料のタングステンへの添加剤としてのＬａ２Ｏ３を使用する場合には、ＴｈＯ２の使用の場合と同様に僅かな蒸発速度を達成させることができることを示した。
【００２０】
更に、酸化物またはカーバイドを添加することによって、さらに改善を達成させることが試みられた。この場合には、ＺｒＯ２および／またはＨｆＯ２を微少量で添加することによって、エミッタの蒸発に関連する性質がさらに改善されることを達成しうることを示した。しかし、この場合、ＺｒＯ２および／またはＨｆＯ２の量は、陰極材料中でＺｒＯ２の場合に１．０質量％またはＨｆＯ２の場合に１．５質量％を上廻ってはならない。それというのも、光電流の好ましい影響は、常に陰極の高められた再燃焼に付随して現れるからである。
【００２１】
ランプ内での充填ガス圧は、水銀含量と類似の影響を有する。充填ガス圧が上昇するにつれて、陰極でのアーク開始位置は、制約され、高められた陰極先端温度を生じる。この場合、試験は、キセノンＸｅを充填ガスとして使用する場合に冷却充填圧力が３バールまたはＸｅ１６．３ｍｇ／ｃｍ３から本発明によるランプ型で既に著しいエミッタの蒸発を生じることを示した。
【００２２】
キセノン重点圧力の変化は、光電流に対して明らかな影響を示す。Ｌａ２Ｏ３２質量％がドープされた、陰極頭部の陰極材料および４．５ｍｇ／ｃｍ３の充填物の水銀含量を有する本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプの場合には、Ｘｅ充填ガス圧力に依存して次の光電流値がもたらされる：
Ｘｅ充填圧力              光電流
５００ミリバール          ８１％
８００ミリバール          ８８％
１５００ミリバール        ８２％
３０００ミリバール        ７６％
５０００ミリバール        ５３％
記載された結果は、最初に水銀および充填ガスのできるだけ僅かな充填物が望ましいものと推測することができる。しかし、さらに試験は、極めて僅かな動作圧力の場合には、充填圧力とエミッタの蒸発との上記の関係は、もはや当てはまらないことを示した。むしろ、反対の関係が現れる：エミッタの蒸発は、ガス充填圧力が減少するにつれて再び増大する。
【００２３】
この現象は、ランプ中での貴ガス圧力が蒸発する粒子を拡散バリヤーとして対置させることによって説明することができる。ガスが濃密になればなるほど、エミッタの蒸発プロセスは、ますます強力に抑制する。
【００２４】
従って、過度のエミッタの蒸発速度を阻止するために、キセノンを使用する場合には、５００ミリバールまたは２．７ｍｇ／ｃｍ３の最少冷却充填圧力が必要とされる。
【００２５】
２．７ｍｇ／ｃｍ３〜１５．２ｍｇ／ｃｍ３の密度範囲（Ｘｅについては５００ミリバール〜２８００ミリバール）は、最も好ましい結果を生じ、Ｋｒの場合には、７８６〜４４２５ミリバールの圧力範囲に相当し、Ａｒの場合には、１６４８〜９２７６ミリバールの圧力範囲に相当する。
【００２６】
従って、ガス圧力について好ましい密度範囲は、試験に基づき２．７〜１５．２ｍｇ／ｃｍ３の間にあり、僅かすぎる逆圧も高すぎる電極温度も過度のエミッタの蒸発を生じない。
【００２７】
密度範囲の記載により、ガスに応じて異なる圧力範囲が生じ、このことは、異なる充填ガスまたはその混合物を簡単な方法で捕捉するために利用される。
【００２８】
Ｌａ２Ｏ３によりドープされた陰極の僅かな再燃焼の利点は、電極間の距離が短い場合にのみ、当該のランプの場合と同様に重要である。従って、本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプの場合には、電極間の距離は、６ｍｍ以下であるのが特に好ましい。
【００２９】
次に、本発明を複数の実施例につき詳説する。
【００３０】
本発明の好ましい実施形式
図１は、１．７５ｋＷの出力を有する、本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプ１を断面で示す。この本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプは、楕円形に形成されている、石英ガラスからなる球部２を有する。それに続いて、対向する２つの側に２つの端部３が接続されており、この端部は、球部くびれ部４として形成されておりかつそれぞれ保持部８を含む。このくびれ部は、石英ガラスからなる支持小ローラ５を保持部の本質的な成分として含む前方の円錐部４ａおよび密閉する融着部を形成する後方の円筒形部を有する。前方の円錐部４ａは、５ｍｍの長さの先細部６を有する。それに続いて、それぞれ中央細孔を有する支持小ローラ５が接続されており、この場合この支持小ローラ５は、円錐形に形成されている。この支持小ローラ５の内径は、７ｍｍであり、前方の円錐部の外径は、１１ｍｍであり、後方の円筒形部の外径は、１５ｍｍである。この範囲内での球部２の肉厚は、約４ｍｍである。支持小ローラの軸線方向の長さは、１７ｍｍである。
【００３１】
第１の支持小ローラの細孔内には、６ｍｍの外径を有する陰極７の軸部１０が軸線方向に案内されており、この軸部は、放電体積内にまで到達し、そこで内在頭部２５を支持している。軸部１０は、支持小ローラ５から後方に向かって延在し、皿部１２で開口し、この皿部には、密閉する融着部が円筒形の石英ブロック１３の形で接続している。その後方には、第２の皿部１４が続き、この第２の皿部は、中央部でモリブデン棒の形の外部リード線１５を保持している。石英ブロック１３の外側表面上には、モリブデンからなる４枚の箔１６が自体公知の方法で外側表面に沿うように案内されており、球部くびれ部の壁面上に気密に融着されている。
【００３２】
同様に、別々の頭部１８および軸部１９からなる陽極２６は、第２の支持小ローラの細孔内に保持されている。
【００３３】
図２には、陰極７および保持部８が詳細に示されている。陰極７は、３６ｍｍの長さの環状円筒形の軸部１０および２０ｍｍの長さの内在頭部２５から構成されており、この場合頭部２５は、軸部と同様に６ｍｍの外径を有する。頭部２５の陽極に対向する端部は、６０゜の先端角度βを有する先端部１１として形成されており、０．５ｍｍの直径を有する台地形の端部２７を有する。保持部は、支持小ローラ５およびこの支持小ローラの細孔内の多数の箔からなる。
【００３４】
支持小ローラと軸部とを機械的に分離するために、箔２４が数回（２〜４つの層）軸部を中心に巻き付けられている。巻き付けられた箔２４上に相互に対向する一対の薄い箔２３は、支持小ローラの固定に使用されている。この目的のために、この薄い箔は、放電側で支持小ローラの上方に突き出ており、外向きに湾曲している。陰極７の先端部１１の材料は、タングステンと共にＬａ２Ｏ３２．０質量％のドーピング剤を有する。
【００３５】
本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプは、１３４ｃｍ３の体積を有する放電容器を有し、この放電容器は、水銀６０３ｍｇおよびキセノンとアルゴンからなる７２０ｍｇの量の貴ガス混合物で充填されている。
【００３６】
４．５ｍｍの電極間の距離を有するランプの動作電流は、Ｉ＝６０Ａである。（台地先端部から０．５ｍｍの距離をもった陰極での電流密度Ｊは、ランプの動作の際に６６Ａ／ｍｍ２である。）
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による水銀ショートアーク高圧放電ランプを示す断面図。
【００３８】
【図２】陰極部分を示す詳細図。
【符号の説明】
【００３９】
１  水銀ショートアーク高圧放電ランプ
２  球部
３  ２つの端部
４  球部くびれ部
５  支持小ローラ
６  先細部
７  陰極
８  保持部
１０  軸部
１１  先端部
１２  皿部
１３  石英ブロック
１４  第２の皿部
１５  外部リード線
１６  箔
１８  頭部
１９  軸部
２３  一対の薄い箔
２４  巻き付けられた箔
２５  内在頭部
２６  陽極
２７  台地形の端部
β  先端角度
【図１】
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【図２】
2005519436.tif 000004
【国際調査報告】
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2005519436.tif 000006
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2005519436.tif 000008
2005519436.tif 000009
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