Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungs- lampe für den Gleichstrombetrieb mit einem Entladungsgefäß, das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse aufweist, in die eine Anode und eine Kathode jeweils aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen sind und das eine Füllung aus Quecksilber und zumindest einem Edelgas enthält.

Derartige Lampen werden insbesondere für die Mikrolithographie in der Halbleiterindustrie zur Belichtung von Wafern eingesetzt.

Stand der Technik Die für den Belichtungsprozess verwendeten Quecksilber-Kurzbogen-Hoch- druckentladungslampen müssen eine hohe Lichtintensität im ultravioletten Wellenlängenbereich-teils eingeschränkt auf wenige Nanometer Wellen- länge-liefern, wobei die Lichterzeugung auf einen kleinen Raumbereich ein- grenzt ist.

Die daraus abzuleitende Anforderung einer hohen Leuchtdichte kann durch eine Gleichstrom-Gasentladung bei kurzem Elektrodenabstand erzielt wer- den. Es entsteht dabei ein Plasma mit hoher Lichtemission vor der Kathode.

Durch die starke elektrische Energieeinkopplung in das Plasma werden E- lektrodentemperaturen erzeugt, die insbesondere bei der Kathode zu einer Schädigung des Materials führen.

Derartige Kathoden enthalten daher bisher bevorzugt eine Dotierung aus Thoriumoxid Th02, das während des Lampenbetriebs zu Thorium Th redu- ziert wird, in dieser metallischen Form an die Kathodenoberfläche tritt und dort zur Absenkung der Austrittsarbeit der Kathode führt.

Mit der Absenkung der Austrittsarbeit geht eine Reduktion der Betriebstem- peratur der Kathode einher, die zu einer längeren Lebensdauer der Kathode führt, da bei erniedrigten Temperaturen weniger Kathodenmaterial ver- dampft.

Der bisher bevorzugte Einsatz von Th02 als Dotierstoff liegt in der Tatsache begründet, dass die Verdampfung des Dotierstoffs relativ gering ist und da- her zu wenig störenden Niederschlägen im Lampenkolben (Schwärzung, Beläge) führt. Die vorzügliche Eignung von Th02 korreliert mit einem hohen Schmelzpunkt des Oxids (3323 K) und Metalls (2028 K).

Ein Elektrodenrückbrand lässt sich aber auch bei thorierten Kathoden nicht vermeiden, so dass im Fall der vorliegenden Gleichstromentladungslampe der Lebensdauer durch den Kathodenrückbrand Grenzen gesetzt sind. Dies ist insbesondere bei Lampen mit kurzen Elektrodenabständen-wie sie hier vorliegen-nachteilig, da hier ein geringer Elektrodenrückbrand bereits zu starken Änderungen der lichttechnischen Eigenschaften der Lampe führt.

Eine weitere Reduktion des Rückbrands bleibt daher wünschenswert.

Der entscheidende Nachteil der Verwendung von Th02 ist aber seine Radio- aktivität, die Schutzvorkehrungen beim Umgang in der Vormaterial-und Lampenherstellung erforderlich macht. Je nach Aktivität des Produkts sind auch Auflagen bei Lagerung, Betrieb und Entsorgung der Lampen zu be- achten.

Die Lösung des Umweltproblems ist bei Lampen mit hohen Betriebsströmen größer 20 A, wie sie in der Mikrolithographie verwendet werden, besonders

dringend, da diese Lampen aufgrund der Elektrodengröße eine besonders hohe Aktivität aufweisen.

Zahlreiche Thoriumersatzstoffe sind deshalb untersucht worden. Beispiele hierfür finden sich in"Metallurgical Transactions A, vol. 21A, Dec 1990, S.

3221-3236. Der kommerzielle Einsatz von Ersatzstoffen bei Lampen für die Mikrolithographie ist bisher nicht gelungen, da alle Ersatzstoffe durch ihre im Vergleich zu Th02 leichtere Verdampfbarkeit zu ausgeprägten Kolben- belägen führten.

In der Mikrolithographie hängt die Produktivität der Belichter entscheidend von der Lichtmenge ab, die die Lampe bereitstellt. Kolbenbeläge oder Elek- trodenrückbrand reduzieren das verfügbare Nutzlicht und führen zu einem Produktivitätsverlust der sehr teuren Anlagen aufgrund ansteigender Be- lichtungszeiten.

Darstellung der Erfindung Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber-Kurzbogen- Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 be- reitzustellen, die ohne radioaktive Dotierstoffe im Elektrodenmaterial aus- kommt, einen geringen Elektrodenrückbrand gewährleistet, der dem er- reichten Stand der Technik in Bezug auf den Elektrodenrückbrand nicht nachsteht und die Belagsbildung im Lampenkolben über die Lampenlebens- dauer wenn möglich weiter reduziert.

Diese Aufgabe wird bei einer Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentla- dungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest das Material des Kathodenkopfes zusätzlich Lan- thanoxid La203 enthält und der Quecksilbergehalt der Lampenfüllung höchs- tens 6 mg/cm3 beträgt. Der Quecksilbergehalt sollte dabei mindestens 1

mg/cm3 betragen, da sich die Plasmaeigenschaften reiner Edelgaslampen von Quecksilberbogenlampen wesentlich unterscheiden. In Abwesenheit von relativ leicht ionisierbarem Quecksilber brennt ein Edelgasbogen wesentlich konzentrierter.

Untersuchungen an unterschiedlichen Dotierungsstoffen hatten ergeben, dass La203 sehr günstige Ergebnisse hinsichtlich Belagsbildung und Elektro- denrückbrand zeigen können. Der Rückbrand ist sogar geringer als bei tho- rierten Materialien. Dies ist ein Vorteil, der bei kurzen Elektrodenabständen (< 6 mm) besonders wirksam wird und ein gewisses Übermaß an Belagsbil- dung sogar tolerabel machen würde. Die Dotierung des Kopfes oder der ge- samten aus Schaft und Kopf bestehenden Kathode sollte dabei zwischen 1,0 und 3,5 Gew. % des Kathodenmaterials besser zwischen 1,5 und 3,0 Gew. % des Kathodenmaterial liegen.

Die Kathodenbetriebstemperatur bestimmt wesentlich die Abdampfrate des Emitters. Die Richardson-Dushman-Formel I = A T2 exp (-e¢/kT), wobei I die Stromdichte in A/m2, A die Konstante 1,2 x 106 in A/m2K2, k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur in K und die Austrittsarbeit in eV ist, stellt einen Zusammenhang zwischen Lampenstrom, Elektronenaustritts- fläche und Elektrodentemperatur her. Bei gegebenem Lampenstrom ist die Elektrodentemperatur jedoch noch nicht eindeutig bestimmt. Die Größe der Bogenansatzfläche bleibt offen und beeinflusst die Kathodentemperatur.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Bogenansatzfläche und damit die Elektrodentemperatur durch die Füllgasart, den Füllgasdruck und die Quecksilberkonzentration beeinflusst werden.

Ein Einfluss von Elektrodendurchmesser, Spitzenwinkel und Elektrodenspit- zendurchmesser ist zwar grundsätzlich auch vorhanden, jedoch ist der Ein- fluss dieser Parameter bei Verwendung von La203 als Zusatz zum Wolfram des Kathodenmaterials von untergeordneter Bedeutung, da neben dem Strom vorwiegend die Lampenplasma-Eigenschaften die Form des Bogenan- satzes bestimmen. Für die Plasmaeigenschaften sind aber Füllgasart, Füll- gasdruck und Quecksilberkonzentration wesentlich.

Versuche haben gezeigt, dass insbesondere hohe Quecksilberkonzentratio- nen in erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungs- lampen eine besonders starke Erwärmung der Kathodenspitzen bewirken. So liegt bei 4.5 mg/cm3 Hg liegt die Elektrodentemperatur beispielsweise bei 2200°C während bei 40 mg/ccm bei gleichem Strom 2600°C gemessen wer- den.

Die Emitterverdampfung nimmt in einer solchen Situation mit der Quecksil- berkonzentration zu. Die Untersuchungen zeigten, dass sich bei Verwen- dung von La203 als Zusatz zum Wolfram des Kathodenmaterials ähnlich geringe Verdampfungsraten wie bei Verwendung von ThO2 erreichen lassen, solange die Quecksilbermenge 6 mg/cm3 im Entladungsgefäß als Füllung nicht übersteigt.

Durch die Zugabe von weiteren Oxyden oder Karbiden wurde versucht wei- tere Verbesserungen zu erzielen. Dabei zeigte sich, dass durch die Zugabe von Zr02 und/oder Hf02 in geringen Mengen eine weitere Verbesserung der Eigenschaften hinsichtlich der Emitterverdampfung erzielt werden kann. Die Menge Zur02 und/oder Hf02 sollte dabei jedoch 1,0 Gew. % bei Zr02 bzw. 1,5 Gew. % bei Hf02 im Kathodenmateriäl nicht überschreiten, da die günstige Beeinflussung des Lichtstroms stets mit einem erhöhten Rückbrand der Ka- thode einhergeht.

Einen ähnlichen Einfluss wie der Quecksilbergehalt hat der Füllgasdruck in der Lampe. Mit steigendem Füllgasdruck wird die Bogenansatzstelle an der Kathode eingeschnürt und führt zu einer erhöhten Kathodenspitzentempe- ratur. Hier haben Versuche gezeigt, dass bei Verwendung von Xenon Xe als Füllgas ein Kaltfülldruck ab 3 bar bzw. 16,3 mg/cm3 Xe bei dem erfindungs- gemäßen Lampentyp bereits zu einer merklichen Emitterverdampfung führt.

Die Variation des Xenonfülldrucks zeigt einen deutlichen Einfluss auf den Lichtstrom. Nach 1500 h ergeben sich bei einer erfindungsgemäßen Queck- silber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe mit einem mit 2 Gew. % La203 dotierten Kathodenmaterial des Kathodenkopfes und einem Quecksilberge- halt der Füllung von 4.5 mg/cm3 in Abhängigkeit vom Xe-Füllgasdruck die folgenden Lichtstromwerte : Xe-Fülldruck Lichtstrom 500 mbar 81 % 800 mbar 88 % 1500 mbar 82 % 3000 mbar 76 % 5000 mbar 53 % Die beschriebenen Ergebnisse lassen zunächst vermuten, dass eine möglichst geringe Füllung an Quecksilber und Füllgas wünschenswert sind. Weitere Untersuchungen zeigten allerdings, dass bei sehr geringen Betriebsdrücken der oben beschriebene Zusammenhang von Fülldruck und Emitterverdamp- fung nicht mehr gilt. Vielmehr tritt ein umgekehrter Zusammenhang in Er- scheinung : die Abdampfung des Emitters nimmt mit sinkendem Gasfüll- druck wieder zu.

Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass der Edelgasdruck in der Lampe sich den abdampfenden Teilchen als Diffusionsbarriere entgegen stellt. Je dichter ein Gas ist, desto stärker hemmt es die Emitterverdamp- fungsprozesse.

Ein Mindestkaltfülldruck von 500 mbar bzw. 2,7 mg/cm3 ist bei der Ver- wendung von Xenon deshalb notwendig, um eine übermäßige Emitterver- dampfung zu vermeiden.

Der Dichtebereich 2,7 mg/ccm-15,2 mg/ccm (500 mbar-2800 mbar für Xe) liefert die günstigsten Ergebnisse und korrespondiert zu einem Druckbereich von 786-4425 mbar bei Kr bzw. 1648-9276 mbar bei Ar.

Der bevorzugte Dichtebereich für den Gasdruck liegt aufgrund der Untersu- chungen somit zwischen 2,7 und 15,2 mg/cm3 und weder ein zu geringer Gegendruck noch eine zu hohe Elektrodentemperatur führen zu übermäßi- ger Emitterverdampfung.

Durch die Angabe eines Dichtebereichs ergeben sich je nach Gas unter- schiedliche Druckbereiche, was dazu genutzt wird die verschiedenen Füll- gase oder deren Gemische in einfacher Weise zu erfassen.

Der Vorteil des geringen Rückbrands von La203-dotierten Kathoden wird nur bei kurzen Elektrodenabständen-wie bei den hier vorliegenden Lam- pen-signifikant. Besonders vorteilhaft sind deshalb die Elektrodenabstände bei den erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentla- dungslampen kleiner gleich 6 mm.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nä- her erläutert werden. Es zeigen : Figur 1 eine erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentla- dungslampe, im Schnitt Figur 2 einen Detailausschnitt der Kathode Bevorzugte Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen- Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Leistung von 1,75 kW. Sie hat einen Kolben 2 aus Quarzglas, der elliptisch geformt ist. Daran schließen sich an zwei gegenüberliegenden Seiten zwei Enden 3 an, die als Kolbenhälse 4 aus- geführt sind und die jeweils Halteteile 8 beinhalten. Die Hälse besitzen einen vorderen konischen Teil 4a, der ein Stützröllchen 5 aus Quarzglas als we- sentliche Komponente des Halteteils enthält, und einen hinteren zylindri- schen Teil 4b, der die abdichtende Einschmelzung bildet. Der vordere Teil 4a weist einen Einzug 6 von 5 mm Länge auf. Daran schließt sich jeweils ein Stützröllchen 5 mit zentraler Bohrung an, das konisch geformt ist. Sein In- nendurchmesser ist 7 mm, sein Außendurchmesser am vorderen Ende ist 11 mm, der Außendurchmesser am hinteren Ende ist 15 mm. Die Wand- stärke des Kolbens 2 in diesem Bereich ist etwa 4 mm. Die axiale Länge des Stützröllchens ist 17 mm.

In der Bohrung des ersten Stützröllchens ist ein Schaft 10 einer Kathode 7 mit einem Außendurchmesser von 6 mm axial geführt, der bis in das Entla- dungsvolumen reicht, und dort ein integrales Kopfteil 25 trägt. Der Schaft 10 ist über das Stützröllchen 5 hinaus nach hinten verlängert und endet an ei- nem Teller 12, an den sich die abdichtende Einschmelzung in Form eines

zylindrischen Quarzblocks 13 anschließt. Dahinter folgt ein zweiter Teller 14, der mittig eine Außenstromzuführung in Form eines Molybdänstabs 15 hält.

An der Außenfläche des Quarzblocks 13 sind vier Folien 16 aus Molybdän in an sich bekannter Weise entlanggeführt und an der Wand des Kolbenhalses gasdicht eingeschmolzen.

In ähnlicher Weise ist die Anode 26, bestehend aus separatem Kopfteil 18 und Schaft 19, in der Bohrung des zweiten Stützröllchens 5 gehaltert.

In Figur 2 ist die Kathode 7 und das Halteteil 8 im Detail gezeigt. Die Ka- thode 7 setzt sich aus einem kreiszylindrischen Schaft 10 von 36 mm Länge und einem integralen Kopf 25 von 20 mm Länge zusammen, wobei der Kopf 25 wie der Schaft einen Außendurchmesser von 6 mm aufweist. Das der A- node zugewandte Ende des Kopfes 25 ist als Spitze 11 mit einem Spitzen- winkel ß von 60° ausgebildet und besitzt ein plateauförmiges Ende 27 mit ei- nem Durchmesser von 0,5 mm. Das Halteteil besteht aus Stützröllchen 5 und mehreren Folien in dessen Bohrung.

Zur mechanischen Trennung von Stützröllchen und Schaft ist eine Folie 24 mehrmals (zwei bis vier Lagen) um den Schaft herumgewickelt. Ein Paar schmaler Folien 23, die einander auf der gewickelten Folie 24 gegenüberlie- gen, dient der Fixierung des Stützröllchens. Zu diesem Zwecke stehen sie entladungsseitig über das Stützröllchen über und sind nach außen umgebo- gen. Das Material der Spitze 11 der Kathode 7 weist neben Wolfram eine Do- tierung von 2,0 Gew. % La203 auf.

Die erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe besitzt ein Entladungsgefäß mit einem Volumen von 134 cm3, das mit 603 mg Quecksilber sowie einem Edelgasgemisch aus Xenon und Argon in einer Menge von 720 mg gefüllt ist. Der Betriebsstrom der Lampe mit einem Elektrodenabstand von 4,5 mm liegt bei I = 60 A. (Die Stromdichte J in der Kathode in einem Abstand von 0,5 mm von der Plateauspitze beträgt bei Betrieb der Lampe 66 A/mm2.)