DE102004021336B4

DE102004021336B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Verbesserung optischer Eigenschaften und in der Vorrichtung verwendetes optisches System

Info

Publication number: DE102004021336B4
Application number: DE200410021336
Authority: DE
Inventors: Satoshi Yokohama Sakai; Shigenori Yokohama Tsuruga; Hideo Yokohama Yamakoshi; Shizuma Yokohama Kuribayashi; Minoru Yokuhama Danno; Hiroshi Yokohama Futami; Noriko Yokohama Yamazaki
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: DE102004021336A1

Abstract

Vorrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer optischer Eigenschaften eines optischen Systems, das im Strahlengang eines Ausgangslichtstrahls liegt, wobei das optische System in einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone vorgesehen ist, in der organische Bestandteile zersetzt werden können, und eine Beeinträchtigung durch auf Beleuchtungsflächen des optischen Systems, welche Oberflächen der Vakuumzone zugewandt sind, abgelagerten Kohlenstoff verursacht wird, und die Vorrichtung umfasst:
ein Mittel zum Erzeugen der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisende Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist,
ein Mittel zum Erzeugen von negativen Ionen oder Radikalen in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, und
ein Mittel zum Erleichtern einer Oxidationsreaktion zwischen den negativen Ionen oder Radikalen und dem Kohlenstoff in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone,
wobei die Vorrichtung den angesammelten Kohlenstoff, der sich auf der Beleuchtungsfläche ablagert, durch die Oxidationsreaktion entfernt oder reduziert und dadurch eine...

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit optischer Eigenschaften eines optischen Systems, das im Strahlengang eines Ausgangslichtstrahls liegt, wobei das optische System in einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone vorgesehen ist, in der organische Bestandteile zersetzt werden können, und die Verschlechterung durch Kohlenstoff verursacht wird, der sich auf Lichtbestrahlungsflächen, Lichtreflexionsflächen, Lichtemissionsflächen (kollektiv "Beleuchtungsflächen" genannt) des optischen Systems ablagert oder ansammelt, wobei die Oberflächen der Vakuumzone zugewandt sind, indem eine Verschlechterung optischer Eigenschaften des optischen Systems verhindert oder vermindert oder die optischen Eigenschaften verbessert werden. Genauer gesagt bezieht sie sich auf eine Vorrichtung zur Wiederherstellung optischer Eigenschaften und ein Verfahren zu deren Einsatz, wobei eine solche Vorrichtung zur Wiederherstellung optischer Eigenschaften dazu verwendet wird, die optische Eigenschaft verschiedenartiger optischer Systeme zu verbessern, die außerhalb eines Lichtübertragungsfensters von verschiedenartigen optischen Vorrichtungen vorgesehen sind, die kombinierte Effekte von Lichtübertragung, Brechung, Reflexion, Spektrumserzeugung und Interferenz etc. durch Verwendung von Licht mit hoher Photonenenergie, beispielsweise herkömmliches ultraviolettes Licht oder Vakuum-UV-Licht erzeugen.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf optische Systeme in verschiedenartigen optischen Vorrichtungen und auf ein Verfahren zu deren Einsatz. Die optischen Systeme verbessern die optischen Eigenschaften innerhalb eines Lichtübertra gungsfensters verschiedenartiger optischer Vorrichtungen, welche Kombinationseffekte von Lichtübertragung, Brechung, Reflexion, Spektrumserzeugung und Interferenz etc. erzeugen, wobei die optischen Systeme im Strahlengang von Licht mit hoher Photonenenergie, beispielsweise herkömmlichem ultravioletten Licht oder Vakuum-UV-Licht vorgesehen sind. Genauer gesagt kann die Erfindung auf optische Systeme angewandt werden, die mit Linsen, Fenstern, Etalons, Prismen, Retikeln bzw. Strichplatten und Reflexionsspiegeln ausgestattet sind, und auf mit solchen optischen Systemen versehene Lampen mit hoher Photonenenergie. Ferner kann die Erfindung nicht nur auf optische Messeinrichtungen wie Spektrometer, Messgeräte für fluoreszierendes Licht, Interferenzmesser und Beugungsmesser, sondern auch auf verschiedenartige optische Einrichtungen angewandt werden, welche Standard-Lichtquellen für Vakuum-UV-Licht, Lichtquellen zum Anregen chemischer Reaktionen, Druckplatten- und photographische Anwendungen und verschiedenartige Lichtquellen für experimentelle Anwendungen umfassen.
14 wird zur Erläuterung der Bestandteile und der Arbeitsweise einer mit Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe als Beispiel einer herkömmlichen optischen Ausgabevorrichtung verwendet, auf die diese Erfindung anwendbar ist. Diese Vorrichtung ist in einer Nicht-Patentveröffentlichung 1, verfasst von James A., R. Samson "Techniques of Vacuum Ultraviolet Spectroscopy", Pied Publications, Lincoln, Nebraska 1967, S. 159, 5.56, beschrieben. Der Mikrowellenoszillator 4 hat eine abgedichtete rohrförmige Komponente, die an beiden Enden mit einem identischen elektrisch leitenden Material versehen ist. Der Innendurchmesser und die Länge des Rohrs werden durch die Frequenz der verwendeten Mikrowelle sowie die in dem Mikrowellen-Oszillator anzuregende elektromagnetische Feldverteilung bestimmt.
Ein Mikrowellen-Oszillator-Tuner 18 ist eine rohrförmige Komponente, die eine wesentliche Komponente des Mikrowellen-Oszillators ist, welche die Einstellung der elektromagnetischen Feldverteilung der Mikrowelle des Mikrowellen-Oszilla tors ermöglicht, und ihr Innendurchmesser ist so, dass sie die Entladeröhre 1 umgibt. Ferner ist sie konzentrisch mit einer Endfläche des Mikrowellen-Oszillators 4 entlang ihrer Bohrungsachsen eingesetzt, und ihr Aufbau ist derart, dass sie in der Axialrichtung gleiten kann, während sie ihre Rolle als elektrischer Leiter für den Mikrowellen-Oszillator 4 beibehält. Wie beim Mikrowellen-Oszillator 4 ist das zur Bildung des Tuners 18 eingesetzte Material Kupfer oder Messing. Die Funktion des Einstellens bzw. Anpassens der elektromagnetischen Mikrowellen-Feldverteilung durch den Tuner 18 wird durch Einstellen seiner Einsetztiefe durchgeführt, während Entladeplasma 7 erzeugt wird, um dadurch die Mikrowellen-Konzentration 6 in die gewünschte Erzeugungsposition einzustellen.
Ferner ist die Entladeröhre 1 derart installiert, dass sie beide Endflächen des Mikrowellen-Oszillators 4 durchsetzt. Obwohl im allgemeinen richtig ist, dass das stärkste elektrische Feld entlang der Bohrungsachse der Entladeröhre 1 erzeugt wird, die entlang der Bohrungsachse des Mikrowellen-Oszillators 4 liegt, ist dies nicht immer der Fall. Die Querschnittsform der Entladeröhre 1 ist rund, sie kann aber ebenso quadratisch etc. sein.
Die Entladeröhre 1 fungiert als Vakuumgrenze, als Strömungsweg für das Entladungsgas und als Raum, in dem das Entladeplasma erzeugt wird. In dem in 14 dargestellten Beispiel ist zur Umgrenzung des Raums, in dem das Entladeplasma erzeugt wird, das innere Rohr des Leiters entlang der Entladeröhre 1 von der Endfläche des Mikrowellen-Oszillators 4 zur Innenseite des Mikrowellen-Oszillators verlängert worden. Demgemäß wird Entladeplasma 7 in dem Raum zwischen dem Ende des Mikrowellen-Oszillator-Tuners 18 und dem Ende des vorstehenden inneren Rohrs erzeugt.
Der Mikrowellen-Oszillator 4 ist mit einem Mikrowellenzuführverbinder 5 verbunden, der die Mikrowellen liefert. Hier ist die Form des Verbinders koaxial, sie könnte aber auch vom Wellenleitertyp sein. Entweder ein koaxiales Kabel oder ein koaxiales Rohr können als Übertragungsweg zu dem Koaxialverbinder dienen.
Ein Flansch ist über einem O-Ring 13 angebracht, um die Lampe fest an dem Ende der Entladeröhre 1 auf der Seite des Mikrowellen-Oszillator-Tuners 18 festzuhalten. Es befindet sich eine Öffnung im Zentrum des vorgenannten Flansches 17, die einen der Entladeröhre 1 entsprechenden Innendurchmesser aufweist, wodurch das Herausführen des von dem Entladeplasma 7 emittierten Lichts in der Axialrichtung der Entladeröhre 1 ermöglicht wird.
Ein Lichtübertragungsfenster 8, das in der Öffnung des vorgenannten Flansches 17 angebracht ist, erfüllt zwei Funktionen. Eine besteht in der Vakuumgrenze innerhalb der Entladeröhre 1 zur Atmosphäre. Die zweite besteht darin, das Herausführen des vom Entladeplasma 7 emittierten Lichts vom Vakuum nach außen zu ermöglichen. Der vorgenannte Mikrowellen-Oszillator ist im Detail in der Nicht-Patentveröffentlichung 2 beschrieben, die von E. L. Ginzton mit dem Titel "Microwave Measurements", McGraw-Rill, New York, 1957, verfasst wurde.
Entladelampen mit dem oben beschriebenen Aufbau weisen die nachstehend erläuterten Probleme auf; bevor diese aber beschrieben werden, werden Definitionen der verwendeten Begriffe gegeben.
Der Vakuum-Ultraviolettbereich ist der Wellenlängenbereich von 0,2 bis 200 nm. Licht innerhalb dieses Bereichs wird als ultraviolettes Licht oder als Vakuum-UV-Licht bezeichnet. Die herkömmliche Wellenlänge für ultraviolettes Licht beträgt 200 bis 380 nm (siehe „Dictionary of Physics", veröffentlicht von Baifukan, und das „Rika Nenpyo", veröffentlicht vom National Observatory of Japan).
In 14 wird zur Unterscheidung der Oberflächen des Lichtübertragungsfensters die der Plasmaentladung 7 zugewandte Oberfläche als Innenfläche 10 bezeichnet, während die Oberfläche auf der anderen Seite als Außenfläche 11 bezeichnet wird.
Probleme bei der Verschlechterung der optischen Eigenschaften außerhalb des Lichtübertragungsfensters
In 14 strahlt Licht, das vom Entladeplasma 7 erzeugt wird, insbesondere ultraviolettes Licht und Vakuum-UV-Licht, durch die Innenfläche 10 des Übertragungsfensters 8, passiert das Übertragungsfenster 8 und strahlt von der äußeren Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 ab.
Wenn dabei ultraviolettes Licht oder Vakuum-UV-Licht in die Atmosphäre abgegeben wird, so bewirkt solches Licht die dramatische Absorption von Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und dergleichen, so dass normalerweise, wie in 14 gezeigt ist, ein Mechanismus auf der linken Seite des Flansches 17 vorhanden ist (das heißt außerhalb des Lichtübertragungsfensters 8), der hilft, das Vakuum aufrechtzuerhalten. Die Zone, in der dieses Vakuum aufrechterhalten wird, wird nachstehend als "Vakuumzone" bezeichnet.
Normalerweise kann irgendeine verschiedener Vakuumpumpen als Mechanismus zur Aufrechterhaltung des Vakuums eingesetzt werden. Es gibt zwar verschiedene Trockenpumpen, die ölfrei sind (die fast keine organischen Gase abgeben) und die zum Einsatz geeignet sind, wobei Rotationspumpen aber am üblichsten sind. Daher enthält die Vakuumzone 14 organisches Gas von dem Dampfdruck des in der Pumpe verwendeten Öls.
Ferner sind auch Metallteile aus rostfreiem Stahl oder Aluminium oder Gummi-Dichtungsteile wie O-Ringe in der Vakuumzone 14 enthalten, und je nach der Anwendung kann die Vakuumzone 14 optische Elemente enthalten, beispielsweise Proben, Linsen, Beugungselemente, Spiegel, Filter, Übertragungsfenster, Objekttische (stages) oder andere Positionierungselemente etc.. Idealerweise sollten alle Materialien, die sich in Kontakt mit der oben beschriebenen Vakuumzone 14 befinden, nämlich die Behälter aus rostfreiem Stahl, Aluminiumbehälter, O-Ringe und andere Dichtungsmaterialien, optische Elemente, Arbeitsproben, Positionseinstellmechanismen und dergleichen ölfrei sein. (was bedeutet, dass sie selbst fast keine organischen Gase abgeben sollten).
Speziell im Fall der Halbleiterindustrie verhält es sich so, dass bei immer feinerer Bearbeitungsgröße (die Breite der Schaltkreisleitungen) die Wellenlänge des Lichts, das zur Herstellung des Belichtungsmusters für die Schaltung verwendet wird, der Bereich von Vakuum-UV-Licht erreicht wurde. Beispielsweise ist die Wellenlänge des Fluor-Argon-Excimer-Lasers, der als Lichtquelle für solche Anwendungen verwendet wird, 193 nm (was in Energie verwandelt 6,4 eV entspricht); in den letzten Jahren ist die Entwicklung aber zu Laser-Stepper-Vorrichtungen fortgeschritten, die Wellenlängen von 157 nm erzeugen.
In der eigentlichen Praxis ist es aber schwierig, die Emission von organischen Gasen innerhalb der Vakuumzone 14 zu vermeiden, die sich aus verschiedenen Faktoren ergeben kann, beispielsweise Schmieröl, das für die mechanische Antriebsstruktur verwendet wird, Verunreinigung der Arbeitsprobe, Ausgasen von den O-Ringen, Ausgasen von Kunststoffteilen, unzureichende Entfettung oder Reinigung der Teile oder durch menschliche Fehler entstehende Verunreinigung. Somit muss bei tatsächlichen Anwendungen das Vorhandensein organischer Gase innerhalb der vorgenannten Vakuumzone in Betracht gezogen werden.
Es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass organische Gase innerhalb der Vakuumzone 14 an die äußere Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 adsorbiert werden. Diese Adsorptionswahrscheinlichkeit variiert entsprechend dem Material, welche das Lichtübertragungsfenster 8 umfasst, und der Art organischer Gase, wobei das Auftreten des Adsorptionsphänomens selbst jedoch unvermeidlich ist.
Wenn organische Gase an der Außenfläche 11 adsorbiert werden, bestrahlt gleichzeitig ultraviolettes Licht, insbesondere von dem Plasma erzeugtes Vakuum-UV-Licht diese organischen Gase, was die direkte Anregung der Moleküle des organischen Gases bewirkt, um sie in einen aktiven Zustand zu versetzen. Dies produziert Reaktionen, welche den Wasserstoff, einen Bestandteil der organischen Gase, zu einer Dehydrierungsreaktion versetzen, wobei schließlich das adsor bierte organische Gas in Kohlenstoff (Graphit) umgewandelt wird. Wenn dieser Zustand erreicht ist, handelt es sich nicht mehr um ein Gas, sondern um einen Feststoff, der an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 anhaftet und sich an dort sammelt. Die Kohlenstoffansammlung adsorbiert dann neue organische Gase, und ihre Bestrahlung durch ultraviolettes Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht, wandelt sie ebenfalls in Kohlenstoff um, was ein Fortschreiten des Aufbaus bewirkt. Wenn sich dieser Prozess fortsetzt, wird die Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 mit einer Kohlenstoffschicht bedeckt. Da Kohlenstoff schwarz ist, absorbiert er Licht verschiedener Wellenlängen, und mit fortgesetzter Ansammlung des Kohlenstoffs an der Außenfläche 11 verringert sich die Übertragungsrate durch das Lichtübertragungsfenster 8 allmählich.
Hier wurde der Einfachheit der Erklärung halber davon ausgegangen, dass die organischen Gase Kohlenwasserstoffgase sind und dass eine Dehydrierungsreaktion in ihrer Umwandlung in Graphit resultierte. In der tatsächlichen Praxis können die organischen Gase aber auch andere als Kohlenwasserstoffelemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Jod, Fluor, Chlor etc. aufweisen, und solche organischen Gase können an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 ebenso wie Kohlenwasserstoffgase adsorbiert werden, und dann werden sie durch die Wirkung von ultraviolettem Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht, umgewandelt und es bleiben nicht-gasförmige Komponenten als Rückstände zurück. Somit ist genaugenommen die Ansammlung nicht Graphit, sondern ein amorpher Feststoff mit Kohlenstoff als Hauptkomponente. Für die Zwecke der Beschreibung dieser Erfindung wird dieser hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehende Feststoff als "Kohlenstoff" bezeichnet.
Die Erscheinung des Kohlenstoffaufbaus bzw. der Kohlenstoffansammlung erfordert die Adsorption organischer Gase und ihre Bestrahlung durch ultraviolettes Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht. Wenn die Ansammlung von Kohlenstoff fortschreitet, wird die Intensität des ultravioletten Lichts, insbesondere des Vakuum-UV-Lichts, das von der Außenfläche 11, an der sich Kohlenstoff angesammelt hat, emittiert wird, erheblich verringert. Der Kohlenstoffaufbau setzt sich fort, bis die gesamte Lichtintensität erschöpft ist. Zu diesem Zeitpunkt können keine neuen Dehydrierungsreaktionen mehr stattfinden, und die Ansammlung bzw. der Aufbau der Kohlenstoffschicht stoppt. Demgemäß ist dieser Prozess keiner, bei dem eine Kohlenstoffschicht grenzenlos wachsen kann, sondern die Erscheinung hört auf, sobald eine Grenz-Schichtdicke erreicht ist.
Normalerweise schreitet die Erscheinung des Kohlenstoffaufbaus an der Außenfläche 11 des vorgenannten Lichtübertragungsfensters 8 nicht schnell voran. Das Problem besteht in der Schwächung der Übertragung durch das Lichtübertragungsfenster 8 über einen langen Zeitraum. Bei spektrographischen Anwendungen, wenn die Lichtmenge von der Lichtquelle abnimmt, erzeugt dies eine Verschiebung bzw. einen Drift, der die Genauigkeit der Messungen beeinflusst, und bei Anwendungen im Zusammenhang mit Oberflächenbehandlungen durch ultraviolette Lichtbestrahlung kommt es zu Problemen infolge der unzureichenden Bearbeitung, die durch verringerte Strahlungsintensität verursacht wird.
Ein Mittel zum Angehen dieses Problems des Kohlenstoffaufbau-Phänomens besteht in der Schaffung einer ölfreien Vakuumzone 14; wenn aber ein organischer Stoff die Vakuumzone 14 verunreinigt hat, ist der Reinigungsprozess extrem schwierig. Demgemäß umfassen die herkömmlichen Gegenmaßnahmen gegen verringerte Übertragungsraten infolge von Kohlenstoffansammlungen an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 den Einsatz von Reinigungsmitteln oder das Polieren zum Entfernen des Kohlenstoffs, um das Lichtübertragungsfenster 8 in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen, oder aber den Austausch des ganzen Lichtübertragungsfensters 8.
Im Stand der Technik war die Abnahme der Lichtübertragungsrate des Lichtübertragungsfensters 8, d. h. deren Schwächung der bestimmende Faktor hinsichtlich der Lebensdauer der Lampe. Bei Lampen, die ihre Lebensdauer erreicht hatten, wurden die Lichtübertragungsfenster 8 gereinigt oder ausgetauscht, was ein Auflösen des Vakuums in der Vakuumzone 14 oder in der Lampe erforderte. Dieser Vorgang erforderte mehrere Stunden Zeit, während der die Lampe nicht eingesetzt werden konnte.
Als nächstes werden herkömmliche Gegenmaßnahmen in Reaktion auf die Beeinträchtigung bzw. Verschlechterung des Übertragungsfensters infolge eines Kohlenstoffaufbaus beschrieben.
Die in der japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. 2001-319618 (Patentveröffentlichung 1) offenbarte Technologie wird nachstehend beschrieben.
In diesem Beispiel war die betreffende Lichtquelle eine Wasserstofflampe. Wenn der Wasserstoff in die Entladeröhre eingeleitet wird, wird darin auch Halogen als Mittel zur Verlängerung der Lebensdauer der Lampe eingeschlossen. Das darin eingeschlossene Halogen weist die Form einer organischen Halogenverbindung auf. Dies bedeutet, dass eine organische Halogensubstanz in den Entladebereich eingebracht wurde. Wenn dann die Lampe in Betrieb ist, zersetzt sich das organische Material und bewirkt, dass eine Schicht organischen Materials, hauptsächlich Kohlenstoff, an der Innenwand der Entladeröhre anhaftet. Diese Innenwand fungiert als Lichtübertragungsfenster, und das Anhaften von Material an ihrer Wand führt zu einer Minderung der erzeugten Lichtmenge. Als Gegenmaßnahme schlug die oben zitierte Patentveröffentlichung 1 eine Behandlung der Lampen vor der Auslieferung vor, bei der erzwungenermaßen eine Kohlenstoffschicht in dem Bereich zum Anhaften gebracht wurde, der als Lichtübertragungsfenster fungierte, und an dem ein Aufbau von Kohlenstoff während des Betriebs der Lampe zu erwarten war, wobei dann während des normalen Betriebs der Lampe kein zusätzlicher Kohlenstoffaufbau auftrat. Diese Technologie berücksichtigte, dass es finite Grenzen bei der Erzeugung organischen Materials gab, und dass diese Gegenmaßnahme tatsächlich eine Umgebung erzeugen würde, in der es nicht zu einem neuen Aufbau während des Betriebs der Lampe kommen würde.
Wenn jedoch, wie oben für die Vakuumzone 14 beschrieben wurde, die beteiligte Vorrichtung eine solche war, die eine wiederholte Öffnung gegenüber der Atmosphäre oder eine Aufhebung des Vakuums erforderte (beispielsweise in einer spektrographischen Anwendung, bei der Proben ausgetauscht werden müssen, in Anwendungen, bei denen optische Elemente eingestellt werden müssen oder bei denen Werkstücke während Oberflächenbehandlungen ausgetauscht werden müssen etc.), ist es selbst dann, wenn die Spezifikation vorgibt, dass es zu keiner organischen Verschmutzung während der Montage- und Einstellvorgänge kommen darf, in der tatsächlichen Praxis selten, dass keine Verunreinigung stattfindet, und somit wäre es unmöglich, eine Beeinträchtigung des Lichtübertragungsfensters 8 zu vermeiden.
Eine weitere japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2001-293442 (Patentveröffentlichung 2) bezieht sich auf ein Reinigungsverfahren zum Entfernen adsorbierter organischer Materialien von den Oberflächen optischer Elemente mittels eines Verfahrens, das mindestens umfasst:
(1) einen Vorgang der Reinigung der optischen Elemente mit einem organischen Lösemittel, (2) einen Vorgang der Bestrahlung der optischen Elemente mit ultraviolettem Licht in Gegenwart von Sauerstoff und (3) einen Prozess der Erwärmung und der Reinigung der optischen Elemente. Diese Offenbarung hat nicht nur eine Zielsetzung, die sich von der Entfernung angesammelter Kohlenstoffschichten von Oberflächen unterscheidet, sondern löst auch nicht das Problem der Reinigung optischer Elemente wie des Lichtübertragungsfensters, wenn das Vakuum unterbrochen werden muss.
Eine weitere japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2002-219429 (Patentveröffentlichung 3) offenbart eine Technologie, die ähnlich der der vorliegenden Erfindung ist. Ihre Aufgabe besteht darin, die Behandlungspräzision und die Behandlungseffizienz der Reinigung etc. zu verbessern, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen von Substraten wie Glassubstraten, Kunstharzsubstraten, keramischen Substraten, metallischen Substraten und Verbundsubstraten, die aus einem oder mehreren der vorstehenden Substrate bestehen, auf der Oberfläche innerhalb einer erhitzten, Wasserdampf enthaltenden Gasatmosphäre benetzt werden, und danach das Substrat mit ultraviolettem Licht in einer Mischatmosphäre von erhitztem inaktivem Gas und Wasserdampf bestrahlt wird, der eine geringere Konzentration aufweist, als sie bei der Benetzungsatmosphäre vorhanden war, was dazu dient, organische Substanzen, die an der Oberfläche des Substrats haften, aufzulösen, wobei außerdem reduktionsaktive Keime [H-] und oxidationsaktive Keime [-OH] erzeugt werden, und diese aktiven Keime [H-] und aktiven Sorten [OH-] mit den Zersetzungsprodukten des organischen Materials reagieren.
Die Aufgabe der vorbekannten Technologie besteht nicht darin, die Kohlenstoffschicht von Oberflächen zu entfernen, sondern sie zielt vielmehr darauf ab, die an Substratoberflächen anhaftenden organischen Stoffe aufzulösen, indem sie zu kleineren Molekülen reduziert werden, insbesondere hinsichtlich der Bestrahlung der Substratoberfläche mit ultraviolettem Licht, und auf Reinigungs- und Ätzvorgänge, welche die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht als Mittel der Substratbehandlung einsetzen. Diese Aufgabe unterscheidet sich nicht nur von der vorliegenden Erfindung, sondern, da an der Substratoberfläche ein gesättigter Zustand vorliegen muss, geht sie von Wasser als Flüssigkeit unter den Reaktionsbedingungen aus. Infolgedessen kann das Verfahren nur in einer Umgebung von annähernd normalem atmosphärischem Druck eingesetzt werden – es kann keine Reinigung optischer Elemente von Lichtübertragungsfenstern und dergleichen unter Vakuumbedingungen ausführen, und es trägt nichts zur Lösung der Probleme bei, die entstehen, wenn es notwendig ist, das Vakuum zu unterbrechen.
Obwohl sich die Erläuterung bis zu diesem Punkt auf die Erscheinung beschränkt hat, die an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 auftritt, ist diese Art von Kohlenstoffaufbau nicht nur auf die Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 beschränkt. Es ist allgemein der Fall, dass die Erscheinung des Kohlenstoffaufbaus auf den Oberflächen von in der Vakuumzone 14 befindlichen Objekten auftritt, die durch ultraviolettes Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht bestrahlt werden, das von dem Lichtübertragungsfenster 8 emittiert wird. Diese Erscheinung ist solange unvermeidlich, als die Bedingungen des Vorhandenseins organischer Gase und ultravioletten Lichts, insbesondere Vakuum-UV-Lichts, koexistieren. Die in der vorangehenden Erläuterung bezeichneten "Objekte" umfassen die Spiegel, welche den Lichtweg bzw. Strahlengang bei spektroskopischen Anwendungen umschalten, Filter, Linsen zum Fokussieren von Licht und bei spektroskopischen Anwendungen verwendete Beugungselemente, zum Fokussieren von Licht verwendete Linsen und verschiedene bei Oberflächenbehandlungs-Anwendungen verwendete Filter, mit anderen Worten, irgendeines von verschiedenartigen optischen Elementen. Nachstehend werden alle solchen Objekte kollektiv als "optische Elemente" bezeichnet. Wenn sich Kohlenstoff an diesen optischen Elemente ansammelt, verursacht er schwerwiegende Probleme durch Verringern ihrer Lichtübertragungs- und Lichtreflexionsfähigkeit. In der tatsächlichen Praxis mindert dies die Funktion der in der Vakuumzone 14 eingesetzten Vorrichtung oder verursacht deren Totalausfall.
Früher mussten solche optischen Elemente gegen neue ausgetauscht werden, um einer solchen Minderung der Lichtübertragung und -reflexion entgegenzuwirken. Dieser Ansatz führt jedoch zu hohen Wartungskosten und hält die Vorrichtung für die für die Wartung erforderliche Zeit außer Betrieb.
Das Problem mit der Lebensdauer der Lampe infolge der Beeinträchtigung des Lichtübertragungsfensters 8 ist nicht auf die durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampen beschränkt, die im vorstehenden Beispiel beschrieben wurden, sondern es bestehen ähnliche Probleme bei einer breiten Vielfalt von Lampen, beispielsweise bei He, Ne, Ar, Kr, Xe, O₂, N₂, D₂ (Deuterium-Moleküle), Hg etc. verwendenden Lampen; bei Lampen, die eine Hochfrequenzentladung, Bogenentladung, Glühentladung, induktive Sperrenentladung oder Blitzentladung in ihrem Entladungsmodus einsetzen, oder bei Halogenlampen oder Kohlenstofflampen, die einen Glühdraht mittels elektrischem Strom als ihr Mittel der Lichterzeugung einsetzen.
Probleme bei der Verschlechterung optischer Eigenschaften innerhalb der optischen Systeme
Das Problem der Minderung der Lichtübertragungseigenschaft von kurzwelligem ultravioletten Licht ist nicht auf die Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung optischer Eigenschaften außerhalb des Lichtübertragungsfensters beschränkt, sondern auch auf die Beeinträchtigung optischer Eigenschaften innerhalb des Lichtübertragungsfensters.
In den vergangenen Jahren wurde SiO₂ zur Verwendung als das vorgenannte Lichtübertragungsfenster entwickelt, um bessere Lichtübertragungseigenschaften von kurzwelligem ultravioletten Licht zu erhalten.
Ferner ist ein Problem bei Quecksilberdampflampen schwerwiegender im Vergleich zu früheren Zeiten, da das in ihnen verwendete Quarzglas seine Klarheit verliert. Das Quarzglas in einer Quecksilberdampflampe wirkt als die Vakuumgrenze nach außen für das Innere der Lampe, und dient auch zur Übertragung des ultravioletten Lichts, das von der Lumineszenz des Quecksilbers erzeugt wird. Die Erscheinung des Verlusts der Klarheit verschlechtert aber seine Lichtübertragungseigenschaften und ist ein Faktor bei der Bestimmung der Lampen-Lebensdauer.
In der japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. HEI 5-325893 (Patentveröffentlichung 4) wurde beispielsweise eine Gegenmaßnahme gegen den Verlust der Klarheit vorgeschlagen, wie die Verwendung eines lichtemittierenden Rohrs als elektrische Metalldampf-Entlade-Bogenröhre, die eine aufgerauhte innere Oberfläche des Glaskolbens einsetzte, die eine Oberflächenkörnungsgröße von unter ein Mikron aufwies. Dadurch wurde die Kristallisierung (Verlust der Klarheit) der Bogenröhre auch dann verhindert, wenn sie über lange Zeiträume in Betrieb war, und dadurch wurde die Abnahme des Lichtflusses (Beleuchtungserhaltungsrate) verhindert, um es zu ermöglichen, leuchtkräftige Bilder und Wiedergaben hoher Qualität über lange Zeiträume bei Projektionswiedergaben aufrechtzuerhalten.
Diese Technologie wurde auf in Bogenröhren verwendetes Quarzglas oder Hochsilikatglas angewandt, und obwohl es möglich war, sie auf herkömmliche UV-Lichtanwendungen im 250–360 nm Wellenlängenbereich anzuwenden, verringerte sich die Übertragungsrate von Quarzglas für Vakuum-UV-Licht einer Wellenlänge von 190 nm erheblich.
Ferner offenbart die japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. HEI 3-77258 (Patentveröffentlichung 6) eine Technologie für Quecksilberdampflampen mit konstantem Druck und 254 nm ultraviolettem Licht, bei denen die Innenfläche von Kunst-Quarzglas mit einer 1–3% Lösung von Metalloxidpartikeln mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser unter 100 μm beschichtet ist, die in den Beispielen aus Metalloxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 20 μm bestand.
Ferner offenbart die japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. HEI 8-212976 (Patentveröffentlichung 7) eine Technologie für eine Entladelampe mittels einer Bogenröhre, die aus einem Quarzglasrohr mit darin eingeschlossenem Quecksilber und an jedem Ende eingesiegelten Elektroden bestand, welche eine Dünnfilmbeschichtung von Al₂O₃ etc. auf der Innenseite des Rohrs anwandte, wobei die Dünnschicht auf der Innenfläche der vorgenannten Bogenröhre nahe dem Zentrum der Röhre dicker ist als in den anderen Bereichen; im einzelnen beträgt der Dickschichtbereich an der Innenfläche der vorgenannten Bogenröhre 1/3 bis 1/2 der Länge der effektiven Lichtemissionslänge, was der Abstand zwischen den Elektroden an beiden Enden der Bogenröhre ist, und er ist derart, dass die Schichtdicke in den vorgenannten Dickschichtbereiche von 0,2 μm bis 0,3 μm reicht, während die Schichtdicke in den anderen Bereichen von 0,1 μm bis 0,15 μm reicht.
Diese vorbekannte Technologie bezog sich jedoch auf Quarzglas, insbesondere auf das in Niederdruck-Quecksilber-Entladungslampen verwendete, und regelte die Dicke der Schutzschicht, wo die Quecksilberatome als Mittel zur Behand lung des Problems des auf der innenseitigen Wand der Bogenröhre abgelagerten Quecksilbers dienten, was die Übertragungsrate von Licht durch das Quarzglas senkt und die Schwärzung der Entladelampe bewirkt, was deren Strahlungseffizienz weiter verringerte.
Ferner liegt die untere Grenze für SiO₂, die gute Lichtübertragungsraten liefert, etwa um den 200 nm-Pegel; die Lichtübertragung fällt bei dem Vakuum-UV-Licht kürzerer Wellenlänge, das Wellenlängen von unter 200 nm aufweist, dramatisch ab. Ferner nimmt bei sehr kurzen Wellenlängen von Vakuum-UV-Licht in der Umgebung von 150 nm, wie es bei Hochenergie-Fluor-Lasern verwendet wird, nicht nur die vorgenannte Lichtübertragungsrate ab, sondern das Material kann auch der Anwendung nicht widerstehen und es kommt zu einem Verlust der Klarheit.
Ferner offenbart unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bei synthetischem Kiesel bzw. Quarzglas eine erhebliche Abnahme in der Übertragungsrate im ultravioletten Lichtbereich durch Fenstermaterialien, durch welche ausgestrahltes Lampenlicht übertragen wird, besteht, die japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer HEI 8-315771 (Patentveröffentlichung 5) eine Fluor-Dotierungs-Technologie für synthetisches Kiesel bzw. Quazglas, die auf eine Verbesserung bzw. Verlängerung der Betriebsdauer abzielt.
Eine Verwendung von Fluorverbindungen zum Dotieren des Quarzglas-Ausgangsmaterials ermöglicht aber nur einen etwa 50%igen Übertragungsbereich in den Wellenlängenbereichen von 160–190 nm und kann bei den niedrigeren Wellenlängen von Vakuum-UV-Licht nicht verwendet werden.
Dementsprechend sind alkalische Halogenidmaterialien wie CaF₂, LiF, MgF₂ etc. allgemein als Lichtübertragungsfenster-Basismaterial verwendet worden, wenn ultraviolettes Licht im Vakuum-Ultraviolett-Bereich zu übertragen war.
Ein geeignetes Beispiel aus dem Stand der Technik ist die vorgenannte, durch Mikrowellen erregte Wasserstoff-Ultraviolettlampe, die ein Vakuum-UV-Licht mit einer Wellenlänge von 122 nm erzeugte. Die einzigen bekannten Materialien, die für Lichtübertragungsfenster eingesetzt werden konnten, waren CaF₂, LiF und MgF₂, da aber LiF und CaF₂ eine erhebliche geringere Lichtübertragung aus ihrem Farbzentrum zeigten, wurde MgF₂ am häufigsten verwendet. Es gab jedoch keine Offenbarung irgendeines Berichts, der Gegenmaßnahmen gegen den Verlust der Klarheit bei MgF₂ behandelte.
Wenn nämlich Magnesiumfluorid als Material für Lichtübertragungsfenster verwendet wird, zeigen solche Fenster eine geringere Lebensdauer als andere Fenstermaterialien, und im Vergleich mit Lampen, die andere Fenstermaterialien einsetzen, beträgt die Lebensdauer der Lampe selbst nur etwa die Hälfte oder weniger.
Bei Verwendung von Licht mit einer höheren Photonenenergie als die Absorptionswellenlänge bei dem für das Lichtübertragungsfenster 8 verwendeten Material, insbesondere von Licht im Vakuum-UV-Bereich, wenn das Licht von dem Entladeplasma auf das Lichtübertragungsfenster 8 abgestrahlt wird, entwickelt das Fenster 8 einen Defekt, bei dem ein sogenanntes Farbzentrum erzeugt wird, welches seine Lichtübertragungsrate mindert. Diese Erscheinung ist auch bei CaF₂, LiF, MgF₂ und anderen alkalischen Halogenidmaterialien üblich und wird durch die geringfügige Verschiebung von Fluoratomen aus ihrer korrekten Position innerhalb des Atomgitters verursacht.
Ferner behandelte die vorgenannte herkömmliche Technologie durchweg Probleme im Zusammenhang mit synthetischem Quarz, insbesondere optischen Systemen mit synthetischem Quarz, die ultraviolettes Licht herkömmlicher Wellenlänge als Lichtquelle benutzten. Es gab keine Vorschläge für praktische Technologie, die zur Verhinderung der Abnahme der Lichtübertragungsrate durch MgF₂ wirksam war, was das bei Lichtübertragungsfenstern verwendete Material für das Vakuum-UV-Licht von 122 nm Wellenlänge ist, das von durch Mikrowellen erregte Wasserstoff-UV-Lampen erzeugt wird.
Aufgrund dieser Situation ist bei abnehmender Übertragungsrate die einzige Art und Weise, damit fertig zu werden, das Lichtübertragungsfenster auszutauschen. Bei diesem Stand der Technik war die Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung des Lichtübertragungsfensters 8 nach obiger Beschreibung der bestimmende Faktor bei der Lampen-Lebensdauer. Im Stand der Technik musste das Lichtübertragungsfenster 8 der Lampe, wenn die Lebensdauer erreicht war, durch ein neues Lichtübertragungsfenster ersetzt werden, um die Lichtemissionsintensität der Lampe wiederherzustellen. Der Austausch des Lichtübertragungsfensters 8 erfordert das Aufheben des Vakuums der Lampe und mehrere Stunden Arbeit, während der die Lampe nicht verwendet werden kann. Ferner ändert sich während des Austauschzyklus immer die Ausgabeintensität von der Lichtquelle. Jedes Mal, wenn das Übertragungsfenster ausgetauscht wird, erfordert dies Kalibrierungsarbeiten für die Lichtintensität. Somit ist es schwierig, solche Lampen bei Anwendungen einzusetzen, die eine langfristige Überwachung erfordern, so wie sie bei Umweltmessungen angewendet werden. Die Erfindung wurde nach Erwägung der Probleme in Zusammenhang mit dem Stand der Technik entwickelt und bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wiederherstellung der optischen Eigenschaften in verschiedenartigen Vorrichtungen, welche optische Systeme anwenden, um Effekte wie Lichtübertragung, Brechung, Reflexion, Spektrumserzeugung und Interferenz zu erzeugen und welche Licht mit hoher Photonenenergie verwenden, beispielsweise herkömmliches ultraviolettes Licht oder Vakuum-UV-Licht. Insbesondere bestehen die Aufgaben der Erfindung darin, die Beeinträchtigung optischer Systeme zu verhindern oder zu stoppen, welche die Lebensdauer der vorgenannten Vorrichtungen bestimmen, und dadurch die Häufigkeit von Wartungsvorgängen wie Fensteraustausch zu verringern und die Kosten für solche Arbeiten zu reduzieren.
Gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung besteht die Aufgabe im einzelnen darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren für deren Einsatz bereitzustellen, welche die Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung der optischen Systeme verhindert oder abstellt und dadurch die Häufigkeit von Wartungsvorgängen wie zum Beispiel den Austausch der optischen Systeme sowie die Kosten für solche Arbeiten verringert, indem die Ansammlung von Kohlenstoff auf der Oberfläche von optischen Systemen wie dem außerhalb des Lichtübertragungsfensters 8 vorgesehenen optischen System (beispielsweise einer Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 gemäß 14) verhindert oder vermindert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verlängerung der Lebensdauer optischer Einrichtungen zu ermöglichen und die Zuverlässigkeit dieser Vorrichtungen zu verbessern, indem die Ansammlung von Kohlenstoff auf den bestrahlten Oberflächen und Emissionsflächen optischer Elemente, die in dem Strahlengang in einer Vakuumzone liegen, verhindert oder vermindert wird.
Ferner besteht gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung die Aufgabe nach Erwägung der oben beschriebenen Probleme im Stand der Technik darin, ein optisches System und ein Verfahren für dessen Einsatz in verschiedenartigen Vorrichtungen bereitzustellen, welche kombinierte Effekte von Lichtübertragung, Brechung, Reflexion, Spektrumserzeugung und Interferenz verwenden, wobei das optische System im Lichtweg von Lichtquellen mit hoher Photonenenergie, wie Plasmalicht und Vakuum-UV-Licht, vorgesehen ist. Das optische System mindert die Beeinträchtigung der optischen Vorrichtungen wie der vorgenannten Linsen, Fenster, Etalons, Prismen, Retikel, Reflexionsspiegel und dergleichen, die alle innerhalb des Lichtübertragungsfensters 8 vorgesehen sind (beispielsweise an einer Innenfläche 10 des Lichtübertragungsfensters 8 gemäß 14), um dadurch eine stabile und hohe Intensität der Lichtausgabe im Verlauf der Zeit beizubehalten und um die Lebensdauer der Vorrichtung bei Verwendung verschiedener Typen optischer Systeme zu verlängern.
[Erste bevorzugte Ausführungsform]
Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme setzte der Erfinder seine Forschung gemäß den folgenden Leitlinien fort.
Zunächst wurde bei der ersten bevorzugten Ausführungsform eine detaillierte Analyse der Beeinträchtigung vorgenommen, die außerhalb des einer Vakuumzone 14 (beispielsweise an einer Außenfläche 11) zugewandten Lichtübertragungsfensters 8 vorkommt. Die bei den Experimenten eingesetzte Vorrichtung war die in 14 dargestellte, bei der das Lichtübertragungsfenster 8 über einen O-Ring an der dem Plasma ausgesetzten Seite des Flansches 17 angebracht war. Die Analyse wurde an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 vorgenommen, das heißt an der Oberfläche, die der Vakuumzone 14 zugewandt ist, welche diejenige Oberfläche ist, die das ultraviolette Licht emittiert. Da an der Innenfläche 10 auf der gegenüberliegenden Seite keine Ablagerungen gefunden wurden, wurde auf dieser Oberfläche keine detaillierte Analyse durchgeführt.
Magnesiumfluorid(MgF₂)-Monokristalle wurden als Material für das Übertragungsfenster verwendet, und die Kristallachse (c-Achse) wurde senkrecht zur Oberfläche des Übertragungsfensters ausgerichtet. Die Kristallgröße betrug 0,5 Inch ∅ × 1 mm Dicke. Der Kristall war ein von Ohyo Koken Kogyo Co., Ltd. hergestelltes UV-Qualitätserzeugnis. Mehrere solcher Kristalle aus demselben Los wurden beschafft und die verwendeten Kristalle wurden nach der Qualität des Kristalls und dem Zustand ihrer Oberflächen zusammengestellt. Die Kristalle wurden nach ihrer Verwendung in der Lampe analysiert, und es wurden alle Anstrengungen unternommen, um irgendwelche fehlerinduzierende Faktoren infolge irgendeiner Abweichung innerhalb des Loses zu eliminieren.
In dem Experiment war die wichtigste Aufgabe der Einsatz eines optischen Mikroskops zur Betrachtung der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 in dem ∅8mm-Zentralbereich, durch welchen das ultraviolette Licht übertragen wurde, um zu beobachten, ob irgendein schichtartiges Material daran haftet. Kunststoffpinzetten bzw. -zangen wurden dann verwendet, um etwaiges anhaftendes Material abzuschaben, wobei entdeckt wurde, dass eine schwach haftende Materialschicht an der Außenfläche 11 haftete.
Als nächstes wurde eine Elementenanalyse an dem anhaftenden Material durchgeführt. Es wurde EPMA (Electron Probe X-ray Micro Analyzer) verwendet, um eine Elementenanalyse der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 durchzuführen (Analysebedingungen: Beschleunigungsspannung 15 kV, Bestrahlungsstrom 5E–8A, Messverfahren: qualitative Analyse, Feinanalyse, Abbildungsanalyse).
Als Ergebnis der EPMA-Analyse stellte sich heraus, dass erhebliche Kohlenstoffmengen in dem ∅-8mm-Zentralbereich, durch den das ultraviolette Licht übertragen wurde, erfasst wurden. Der napfförmige Bereich außerhalb des kreisförmigen ∅-8mm-Zentralbereichs, den das ultraviolette Licht übertragen wurde, befand sich im Schatten des Flansches 17 und war ein Bereich, den kein ultraviolettes Licht passiert hat, aber es wurden Verunreinigungspegel von Kohlenstoff in diesem napfförmigen Bereich erfasst. Was unter "Verunreinigungspegel" bei dieser EPMA-Analyse zuverstehen ist, wäre das schwache Signal bei einer Kohlenstofferfassung, das erzeugt wird, wenn eine gründlich gereinigte Oberfläche analysiert wird. Somit ist dies ein unvermeidliches Anhaften von Kohlenstoff, das solche Signale erzeugt. Demgemäß werden die Messgrenzen für eine EPMA-Analyse hinsichtlich Kohlenstoff durch den Kohlenstoff-Verunreinigungspegel der Analysevorrichtung bestimmt. Wenn der Kohlenstoff-Signalpegel aus dem ∅-8mm-Zentralbereich mit dem Verunreinigungs-Signalpegel verglichen wurde, stellte sich heraus, dass ersterer wesentlich höher war, was die Tatsache bestätigte, dass eine schichtartige Ansammlung von Kohlenstoff an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters stattgefunden hatte.
Wie vorher festgestellt wurde, ist der Mechanismus für den Kohlenstoffaufbau bezüglich der in 14 dargestellten Vorrichtung mit dem Vorhandensein organischer Gase in der Vakuumzone 14 verbunden, und wenn diese organischen Gase an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 absorbiert werden und dann Vakuum-UV-Licht durch das Lichtübertragungsfenster 8 übertragen wird, erfahren die organischen Gase eine Dehydrierreaktion, die sie in Kohlenstoff verwandelt, der sich an der Außenfläche 11 ansammelt.
Wenn die Verwendung des Lichtübertragungsfensters 8 in der oben beschriebenen Umgebung fortgesetzt wird, tut dies auch die Ausgangszustand von Kohlenstoff, die im Lauf der Zeit die Lichtübertragungsrate reduziert. Da im Vergleich zu ihrem Anfangsstadium die Übertragungsrate für das Lichtübertragungsfenster 8 dementsprechend reduziert wird, ist irgendein Mechanismus zur Beseitigung dieses angesammelten Kohlenstoffs von der Außenfläche 11 unerlässlich. Da es sich herausstellte, dass die schichtartige Ansammlung von Kohlenstoff auf der Außenfläche 11 die Hauptursache für die Beeinträchtigung des Lichtübertragungsfensters 8 war, setzte der Erfinder seine Forschung hinsichtlich Gegenmaßnahmen fort, was zu der unten beschriebenen Fertigstellung der Erfindung führte.
Der Erfinder bestätigte experimentell den unten beschriebenen Lösungsansatz für das Problem. Das Rohmaterial für den Kohlenstoff sind die organischen Gase, aber es ist praktisch unmöglich, sie vollständig zu eliminieren. Falls sie nicht durch Vakuum-UV-Licht bestrahlt werden, kommt es ferner zu keiner Dehydrierungsreaktion. Die Vorrichtung wäre aber dann nicht in der Lage, ihre Funktionen als Lichtemittiervorrichtung zu erfüllen. Die Stelle der Kohlenstoffablagerungen stimmt genau mit der Position überein, durch die das Vakuum-UV-Licht gestrahlt wird. Das Vakuum-UV-Licht regt die organischen Gase direkt dazu an, die Dehydrierungsreaktion zu erzwingen, wobei eine so hohe Photonenenergie aber nicht nur organische Gase anregt, sondern viele Arten von Molekülen auf diese Weise angeregt und in einen aktiven Zustand versetzt werden können.
Gemäß 1 als Beispiel ist die Lichtausgabevorrichtung in diesem Beispiel eine Wasserstoff-Lichtemission nutzende Lichtausgabe von Vakuum-UV-Licht mit 122 nm Wellenlänge, und die Photonenenergie für dieses Vakuum-UV-Licht beträgt 10,2 eV. Dieses Niveau der Photonenenergie regt Sauerstoffgas, H₂O-Gas (Dampf) an und kann Radikale mit starker Oxidationskraft erzeugen. Der Grund für die Erhaltung der Vakuumzone 14 liegt darin, dass der Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Komponenten der Atmosphäre das Vakuum-UV-Licht absorbieren und seine Intensität schwächen würden.
Demgemäß wird das Absorptionsmedium, das heißt die atmosphärischen Bestandteile, mittels einer Vakuumpumpe etc. eliminiert, um die Vakuumzone 14 zu schaffen.
Obwohl dies atmosphärische Komponenten waren, stellte sich aber heraus, da sie O₂, Wasserdampf und dergleichen enthielten, dass es durch angemessenes Senken ihrer Konzentration (Verringern ihres Drucks) möglich war, Radikale mit einer Oxidationskraft zu erzeugen, ohne das Vakuum-UV-Licht stark zu dämpfen. Wenn die Lichtausgabevorrichtung unter Bedingungen betrieben wurde, bei denen in der Konzentration angepasste atmosphärische Komponenten koexistierten, und wenn die Vakuumzone 14 der späteren Stufe implementiert wurde, war es möglich den anhaftenden Kohlenstoff an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 zu entfernen. Ferner war es möglich, den an der Oberfläche aller in der Vakuumzone 14 befindlichen optischen Elemente anhaftenden Kohlenstoff zu beseitigen. Der Grund, warum es möglich war, den Kohlenstoff auf diese Weise zu entfernen, besteht darin, dass das Anhaften von Kohlenstoff an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 zur gleichen Zeit erfolgte wie die Kohlenstoffzersetzung und Entfernung durch die Radikale, und dass die Rate, mit der die Radikale den Kohlenstoff zersetzten und beseitigten, dessen Bildungsrate übertrafen.
Da die Zersetzungsreaktion des Kohlenstoffs mittels Radikale den Kohlenstoff in flüchtige Moleküle wie Kohlendioxid und Wasserdampf umwandelte, konnten diese rasch mittels der Vakuumpumpe aus dem System entfernt werden. Die Radikale, die in diesem Fall erzeugt werden, sind elementarer Sauerstoff und Ozon, welche durch die Erregung von Sauerstoffmolekülen erzeugt werden, sowie OH-Radikale, die durch die Erregung von Wasserdampf etc. erzeugt werden.
Wenn die Lichtausgabevorrichtung bei Vorhandensein dieser in der Konzentration angepassten atmosphärischen Komponenten betrieben wird, und wenn vorher existierende Kohlenstoffablagerungen an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 vorhanden waren, kam es ferner zu einer allmählichen Zersetzung und Entfernung dieses Kohlenstoffs, so dass es schließlich möglich war, den gesamten Kohlenstoff vollständig zu entfernen, und die ursprüngliche Lichtübertragungsrate des Lichtübertragungsfensters 8 wiederherstellen. Dann wurde die Lichtausgabevorrichtung ohne Betätigen der Vakuumzonenfunktion der späteren Stufe unter Verwendung optischer Elemente, die bereits eine Kohlenstoffansammlung aufwiesen, betrieben und es war möglich, den Kohlenstoff von der Oberfläche dieser optischen Elemente, die in der Vakuumzone 14 angeordnet wurden, zu entfernen.
Demgemäß ist es unter Anwendung der Erkenntnisse dieser Erfindung möglich, die Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung des Übertragungsfensters einer Lichtausgabevorrichtung zu verhindern, damit sich die von der Lichtausgabevorrichtung erzeugte Lichtintensität nicht verringert, so dass es damit möglich wird, nicht nur die mit dem Austausch des Lichtübertragungsfensters und der Wartungs-Abschaltzeit für die Ausrüstung zusammenhängenden Wartungskosten zu eliminieren, sondern es ist auch möglich, durch Betätigung der Lichtausgabevorrichtung bereits am Lichtübertragungsfenster 8 oder optischen Elementen ausgebildete Kohlenstoffablagerungen zu entfernen und deren ursprünglichen Zustand wiederherzustellen, wodurch eine volle Leistung in der Vakuumzone wiederhergestellt wird, und die Vakuumzone 14 bei reduzierten Wartungskosten und geringerer Wartungshäufigkeit zu unterhalten.
Als nächstes wird das zur Anpassung der Konzentration der atmosphärischen Komponenten in der Vakuumzonenumgebung 14 eingesetzte Verfahren erläutert. Die Gaszufuhr kann von einem Sauerstoffzylinder zugeführtes reines Sauerstoffgas anwenden. Alternativ kann es aus der Luft entzogen werden oder eine in der Fabrik bereits installierte Luftleitung kann verwendet werden. Ein mit Trockenluft gefüllter Gaszylinder kann ebenso verwendet werden. Ferner ist es möglich, Gemische von Sauerstoff und einem inaktiven Gas wie Argon, Helium oder dergleichen zu verwenden, die von Gaszylindern gespendet werden können. Der Druck der Gaszufuhr kann, wie später in den Konfigurationsbeispielen erklärt wird, durch das Öffnen des Ven tils gesteuert werden, und die Fähigkeit des Gaszylinders, die Vakuumzone 14 zu reinigen und den Partialdruck der Gase zu steuern.
Ferner ist es möglich, Wasserdampf zu den oben beschriebenen Gasen hinzuzufügen, oder nur Wasserdampf zu verwenden. Wasserdampf kann durch die Vorbereitung eines Behälters mit darin eingeschlossenem Wasser hinzugefügt werden, von dem ein Bereich bis zur Sättigung mit Wasserdampf gefüllt wird, und dann durch Vermischen dieses Wasserdampfes mit irgendeinem der oben beschriebenen Gase. Wenn er für sich allein verwendet wird, muss er nur in die Vakuumzone 14 eingeleitet werden. Die Temperatur des Wassers kann Raumtemperatur sein oder es kann abgekühlt oder erwärmt sein. Der Druck des Wasserdampfes am Sättigungspegel variiert gemäß der Wassertemperatur, so dass es möglich ist, wie später in den Konfigurationsbeispielen beschrieben wird, die Ventilöffnungs- und Pumpenreinigungsenergie so einzustellen, dass der Partialdruck des Wasserdampfs in der Vakuumzone 14 gesteuert wird.
Die Partialdrücke der vorgenannten Gase in der Vakuumzone 14 werden durch die unten beschriebenen Bedingungen bestimmt. Die Obergrenze für den Gas-Partialdruck sollte auf der Basis der Erfüllung der Absorptionsfunktion für das Vakuum-UV-Licht durch die Gase und durch den Partialdruck, der die Vorgänge nicht behindert, bestimmt sein. Genauer gesagt, sollte beispielsweise, wenn es sich um Sauerstoffgas handelt, die Obergrenze im wesentlichen in der Größenordnung von 1,3 Pa (10 mtorr) (unter 2,7 Pa (20 mtorr)) liegen. Sollte dieser Partialdruckpegel überstiegen werden, würde die Absorption des Vakuum-UV-Lichts durch den Sauerstoff den Punkt erreichen, an dem nicht mehr ignoriert werden kann, dass er die funktionalen Zielsetzungen für die Vakuumzone 14 zu behindern beginnt. Sollte aber die Länge des Strahlengangs durch die Vakuumzone 14 genügend kurz sein, wäre es möglich, die Auswirkungen der Sauerstoffkonzentration bei höheren oberen Limits zu ignorieren. Die genaue Einstellung des oberen Grenzwerts kann durch Füllen der Vakuumzone 14 mit einem spezifizierten Gas-Partialdruck und Überprüfen, ob die funktionalen Zielsetzungen beeinträchtigt worden sind, bestimmt werden. Insbesondere kann die Menge an Vakuum-UV-Licht als Mittel zur Untersuchung des Ausmaßes seiner Dämpfung gemessen werden.
Das untere Limit für den Gas-Partialdruck sollte über der Prozessfähigkeit für die vorhandene Last eingestellt werden. Hier ist das, was unter „Last" zu verstehen ist, die Rate, mit der sich Kohlenstoff an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 ansammelt, bestimmt durch die Art und die Konzentration der vorhandenen organischen Gase und die Wellenlänge und Intensität des Vakuum-UV-Lichts 9, das durch das Lichtübertragungsfenster 8 übertragen wird. Was unter „Prozessfähigkeit" zu verstehen ist, ist die Rate, mit der der Kohlenstoff die durch die Erregung des Gases durch das Vakuum-UV-Licht erzeugten Radikale zersetzt und entfernt werden kann.
Es wurden Experimente durch den Erfinder durchgeführt, welche verschiedene Fälle für die Vakuumzone 14 vorsahen, in der sich einige unbekannte Größen befanden, aber beispielsweise im Fall der von einer herkömmlichen molekularen Turbo-Pumpe unter Verwendung eines Trockenpumpen-Ausstoßsystems erzeugten Vakuumzone 14 wäre das untere Limit für Sauerstoffgas beispielsweise etwa 1,3–13,3 mPa (0,01–0,1 mtorr). Wenn dieser Sauerstoffgaspegel vorliegt, zeigt er für die Last eine angemessene Prozessfähigkeit. Wasserdampf liefert ein relativ höheres Niveau der Prozessfähigkeit als Sauerstoff, und sein tatsächliches unteres Limit wäre in der Größenordnung von 0,7–1,3 mPa (0,005–0,01 mtorr).
Um dieses untere Limit genau einzustellen, kann Sauerstoff zum Füllen der tatsächlich eingesetzten Vakuumzone 14 bis zu einem bestimmten Partialdruck verwendet werden, und dann kann die Lichtausgabevorrichtung betätigt werden, gefolgt von einer Analyse etwaiger anhaftender Materialien an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8. Geeignete Analyseverfahren umfassen eine Beobachtung unter einem optischen Mikroskop oder eine Kohlenstoffanalyse mittels EPMA.
Solange die Analyse nicht das Vorhandensein signifikanter Kohlenstoffablagerungen ergibt, kann der Partialdruck, der zu diesem Zeitpunkt angewandt wurde, als einer bestätigt werden, der die angemessene Zersetzung und Entfernung des Kohlenstoffs ermöglicht.
Aus der EP 0726099 B1 ist ein Verfahren zur Entfernung von Oberflächenverunreinigungen von einer Substratoberfläche bekannt, bei dem die Oberfläche in Kontakt mit einem Gas in dichter Phase gebracht und die Phase des Gases an der Oberfläche durch Ändern der Temperatur des Gases an der Oberfläche durch Strahlung sichtbaren Lichts, das von dem Gas nicht in erheblichem Maße absorbiert wird, verschoben wird. Das Gas enthält Dotierungsstoffe, die durch die Lichtstrahlung angeregt werden, um das Entfernen der Verunreinigungen verbessern.
Aus der US 6452199 B1 ist eine Plasma-Photonenquelle bekannt, mit der hochenergetische UV- und Röntgenstrahlen in einem Plasma erzeugt werden. Eine Sammeleinrichtung ist vorgesehen, die Wolfram- und Lithiumteilchen sammelt und so eine Kontaminierung anderer Teile verhindert.
Nun werden die nachstehend beschriebenen technischen Mittel für diese Erfindung auf der Basis der vorstehenden Erkenntnisse vorgeschlagen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, welche die Wirkungen der Erfindung erzielen kann.
Im einzelnen umfasst sie: ein Mittel zum Erzeugen einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisenden Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist, ein Mittel zum Erzeugen eines Stroms eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases wie Wassergas oder Oxidgas in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, ein Mittel zum Zuführen von (aktiver) Energie in die annähernd Vakuum aufweisende Zone, um eine Kohlenstoff-Oxidationsreaktion zwischen dem Sauerstoffatome enthaltenden Gas und dem Kohlenstoff zu bewirken, wobei die Vorrichtung zur Wiederherstellung optischer Eigenschaften den angesammelten Kohlenstoff, der sich auf der Beleuchtungsfläche ablagert, durch die Oxidationsreaktion entfernt oder reduziert.
Die oben erwähnte "annähernd Vakuum aufweisende Zone" kann als Vakuumraum definiert werden, in dem eine hochaktive Energieanregung eine Kohlenstoffoxidationsreaktion anregt, um den Kohlenstoff durch Eliminieren von Wasserstoff aus der organischen Verbindung von Kohlenwasserstoff zu zersetzen. Der Druck des annähernd Vakuum aufweisenden Raums fluktuiert durch die Stärke der (aktiven) Energie und die Oxidationskraft des oben genannten, Sauerstoffatome enthaltenden Gases, er muss jedoch unter mehreren -zehntel Pa (zig mtorr) liegen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4 und den nachfolgenden Ansprüchen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer optischer Eigenschaften eines optischen Systems.
Im einzelnen ist das Verfahren zur Wiederherstellung optischer Eigenschaften gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Erzeugen einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisenden Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist, Erzeugen von negativen Ionen oder Radikalen in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, und Entfernen oder Reduzieren des angesammelten Kohlenstoffs, der sich an der Beleuchtungsfläche ablagert, durch Reagierenlassen des abgelagerten Kohlenstoffs mit den negativen Ionen oder Radikalen.
Ferner umfasst das vorstehende optische System nicht nur aus Lichtübertragungs- oder Reflexionselementen bestehende optische Elemente, die sich an den Grenzen der annähernd Vakuum aufweisenden Zone befinden, sondern auch optische Komponenten, die optische Elemente zur Beugung, Brechung, Spektrumserzeugung, Übertragung und Beugungsanpassung umfassen, die sich entlang des Strahlengangs innerhalb der Vakuumzone befinden, und die durch das abgestrahlte Licht einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden optischen Gegenstände, und ferner umfasst das optische System auch die Positionseinstell- und Befestigungsmechanismen, Behälter und Dichtungen der optischen Elemente oder der optischen Gegenstände.
Die Erfindung kann auch wirksam in Fällen angewandt werden, bei denen der Strahl, der den Strahlengang bildet, normales ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 380 nm oder darunter ist, oder Vakuum-UV-Licht mit einer Wellenlänge von 200 nm oder darunter, und das ultraviolette Licht ausgebende oder entlang einem Strahlengang des ausgegebenen Lichts liegende optische System optisches Material ist, das eine Fluorid-Verbindung wie Magnesiumfluorid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Aluminiumfluorid, Cryolit, Thyolit oder andere Fluoridverbindungen, Metallfluoride wie Lantanumfluorid, Cadmiumfluorid, Neodymiumfluorid, Ytriumfluorid oder hochreine Oxide wie KunstQuarzglas oder Saphir oder Kombination hiervon umfasst.
Außerdem wird ein unterer Grenzwert für einen Partialdruck der Sauerstoffatome enthaltenden Gase, die der annähernd Vakuum aufweisenden Zone zugeführt werden, auf einen Wert über einer Geschwindigkeit des Kohlenstoffaufbaus in Fällen eingestellt, bei denen der Kohlenstoff aus der Zersetzung organischer Bestandteile in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone bereits an den Oberflächen des optischen Systems und gegenüberliegenden Oberflächen angewachsen ist. Ferner wird ein oberer Grenzwert für einen Partialdruck der Sauerstoffatome enthaltenden Gase, die der annähernd Vakuum aufweisenden Zone zugeführt werden, vorzugsweise unter dem Pegel eingestellt, an dem die Absorption von Vakuum-UV-Licht durch das Sauerstoffatome enthaltende Gas hinsichtlich der Erfüllung seiner Funktion innerhalb der annähernd Vakuum aufweisenden Zone in Fällen, bei denen die optischen Eigenschaften des optischen Systems wiederhergestellt werden, wenn das Vakuum-UV-Licht auf das optische System abgestrahlt oder von dem optischen System ausgestrahlt wird, nicht ignoriert werden kann.
Der obere Grenzwert für den Partialdruck des Sauerstoffatome enthaltenden Gases wird vorzugsweise auf ein Niveau durch tatsächliches Füllen der annähernd Vakuum aufweisenden Zone mit einem bestimmten Partialdruck des Sauerstoffatome enthaltenden Gases und anschließendes Messen der Menge von Vakuum-UV-Licht in dem Strahlengang eingestellt, um dessen Dämpfungspegel zu überprüfen.
Ferner beträgt, wenn das vorgenannte Sauerstoffatome enthaltende Gas Sauerstoffgas ist, der Bereich zwischen dem unteren Limit – oberen Limit für den Gas-Partialdruck 2,7 mPa–2,7 Pa (0,02 mtorr–20 mtorr), vorzugsweise 2,7 mPa–1,3 Pa (0,02 mtorr–10 mtorr), und wenn das Gas Wasserdampf ist, 1,3 mPa–1,3 Pa (0,01 mtorr–10 mtorr), vorzugsweise 1,3 mPa–133 mPa (0,01 mtorr–1 mtorr).
Ferner ist diese Erfindung wirksam, wenn der in dem vorgenannten Strahlengang gebildete Strahl eine hohe Photonenenergie aufweist und ein Strahl einer spezifischen Wellenlänge in dem Vakuum-UV-Licht-Wellenlängenbereich ist.
Das heißt, solange die vorgenannte aktive Energie Vakuum-UV-Licht mit einer hohen Photonenenergie ist, können die negativen Ionen oder Radikale aus dem Sauerstoffatome enthaltenden Gas ohne Verwendung einer separaten Energiequelle (zum Beispiel Wärmeenergie, Plasmaenergie, elektrische Energie etc.) erzeugt werden. Obwohl aktive Saaten wie OH- und O-, die in der Patentveröffentlichung 3 zitiert wurden, angewandt werden, unterscheiden sich die Bedingungen für ihren Druck in Bezug auf das Reinigungsobjekt von den in dem Bezugsdokument spezifizierten.
[Zweite bevorzugte Ausführungsform]
Ferner wurde bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform eine detaillierte Analyse der Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung vorgenommen, die innerhalb des Lichtübertragungsfensters 8 (zum Beispiel an einer Innenfläche 10) auftritt.
Um die vorgenannten Probleme zu lösen, führten die Erfinder detaillierte Analysen der Beeinträchtigung des aus Fluoridmaterialien hergestellten Lichtübertragungsfensters 8 durch. Die benutzte Vorrichtung ist in 14 dargestellt, wobei das Lichtübertragungsfenster 8 an der plasmaausgesetzten Seite des Flansches 17 über einen O-Ring angebracht ist. MgF₂(Magnesiumfluorid)-Monokristall wurde zur Herstellung des Lichtübertragungsfensters 8 verwendet.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass nach Bestrahlung durch Vakuum-UV-Strahlen die Verschlechterung der Übertragungsrate des Lichtübertragungsfensters 8 aus der Bestrahlung mit Vakuum-UV-Licht durch die Bildung eines Oxids auf der Oberfläche der MgF₂-Kristalle (mehrere -zig nm-Dicke) verursacht wurde. Es stellte sich auch heraus, dass es eine reduzierte Präsenz von Fluorid in diesem Bereich gab, die mehrere -zig nm dick auf der Oberfläche des Kristalls war.
Ferner wurde durch Messungen der Spektral-Übertragungs rate zur Untersuchung einer etwaigen entsprechenden Beziehung, die zwischen der Erzeugung eines Farbzentrums am Lichtübertragungsfenster 8 und der Verschlechterung der Lichtübertragungsrate bestehen könnte, herausgefunden, dass die Hauptursache der Beeinträchtigung des Lichtübertragungsfensters 8 nicht eine Absorption durch das Farbzentrum war, sondern durch die Defekte des in der Oberfläche des Kristalls erzeugten Fluorids und die Präsenz von Sauerstoff.
An diesem Punkt wurden die nachstehend beschriebenen technischen Mittel für diese Erfindung vorgeschlagen, die sich auf die vorgenannten Erkenntnisse konzentrierten.
Der erste Vorschlag für diese Erfindung bezog sich auf aus Fluoridmaterialien bestehende optische Systeme, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzschicht mit einer Schichtdicke von 2–20 nm mindestens auf der Lichtbestrahlungsseite (Innenseite) des optischen Systems gebildet wird, um das Herauslösen von Fluoratomen aus der Oberfläche des optischen Systems zu verhindern.
Die Unterschiede zwischen der Erfindung und Patentveröffentlichung 4 werden im folgenden erklärt. Die Patentveröffentlichung 4 bezog sich auf Quecksilber-Entladelampen, die innerhalb ihrer Bogenröhre versiegelt sind. Die Technologie verhinderte das Anhaften des Quecksilbers an der Innenwand der Bogenröhre mittels einer Schutzschicht von 0,1 μm bis 15 μm aus Tonerde, etc.
Andererseits bezieht sich die Erfindung auf den Vakuum-UV-Bereich, wobei eine sehr dünne Schicht von 2 nm–20 nm auf die von Vakuum-UV-Licht bestrahlten Oberflächen aufgebracht wird, um ein Herauslösen von Fluorid zu verhindern, und zwar im Tausch gegen die anfängliche, von der Beschichtung verursachte Verschlechterung der optischen Eigenschaften.
Der Grund für die Begrenzung der Schichtdicke auf 20 nm oder darunter besteht darin, daß dann, wenn sie etwas dicker wäre, sie das Vakuum-UV-Licht bis zu dem Punkt absorbieren würde, an dem sie nicht mehr in der Lage wäre, ihre Funktion als optisches Element zu erfüllen.
Das untere Limit von 2 nm oder darüber ist das zur Ge währleistung einer gleichmäßigen Beschichtung der Schutzschicht über der Kristalloberfläche erforderliche. Da der Molekulardurchmesser von SiO₂ oder Al₂O₃, MgO, TiO₂ oder ZrO₂ etwa 1 nm beträgt, falls die Beschichtung nicht mindestens zwei Moleküle dick ist, ist es nicht möglich, eine gleichmäßige Schutzschicht über der Oberfläche des Kristalls zu liefern, um die erfindungsgemäße Funktion zu erfüllen.
Wenn die Schichtdicke angemessen ist, ermöglicht die Existenz solcher Schutzschichten, obwohl die Zielsetzung ist, die Oberfläche des optischen Systems zu schützen, da Metalloxide wie SiO₂ oder Al₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂ keine Materialien sind, die inhärent ein Passieren von Vakuum-UV-Licht gestatten, die Absorption des Vakuum-UV-Lichts in der Schicht, und, wie 13 zeigt, verringert die Menge an durch das Basismaterial passierendem ultraviolettem Licht. Bei dem 20 nm-dicken Niveau beträgt die Übertragungsrate nur zehn Prozent von der ohne Schicht. Es würden nicht nur anfängliche Übertragungsraten von unter zehn Prozent eine massive Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Basismaterials verursachen, sondern bei diesem Ausmaß an Verschlechterung könnte es auch nicht als optisches System funktionieren und es bestünde das Problem, dass die Absorption des ultravioletten Lichts die Schutzschicht selbst beeinträchtigen würde und dass Hitze ein Ablösen derselben von der Oberfläche des optischen Systems oder einen anderen Schaden verursachen würde. Demgemäß erhält eine Dicke von 12 nm oder weniger, vorzugsweise von 10 nm oder weniger, 30 bis 40 Prozent der optischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials bei, und selbst in Szenarien des schlimmsten Falls würden die optischen Eigenschaften mit 10 Prozent oder mehr beibehalten. Demgemäß wäre infolge der Absorption von ultraviolettem Licht bei Schichtdicken von über 20 nm nicht zu erwarten, dass die vom optischen System gewünschten Funktionen erfüllt würden.
Ferner kommt es zu einer Oxidation von Mg zusammen mit dem Herauslösen (stripping) der Fluoratome, so dass eine Schutzschicht von SiO₂ oder von Metalloxiden mit einer Schichtdicke von 2–20 nm, vorzugsweise 2–12 nm, am besten 2–10 nm, vorzugsweise mindestens auf der Lichtbestrahlungsseite (Innenseite) des optischen Systems gebildet wird, um das Herauslösen der Fluoratome aus der Oberfläche des optischen Systems zu verhindern.
Mit dem vorliegenden Vorschlag ist es möglich, sowohl das Herauslösen von Fluoratomen als auch die Oxidation der Oberfläche der vorgenannten optischen Systeme zu unterdrücken, wodurch die Verschlechterung der Lichtübertragungsrate der optischen Systeme gestoppt wird.
Es gibt Züchtungsverfahren in der Gasphase, wie Dampfabscheidung bzw. Aufdampfen, Ionenplattieren, CVD und dergleichen, die zur Bildung der Dünnfilmschutzschicht verwendet werden können. Die im einzelnen bevorzugten Verfahren zur Schichtbildung sind jedoch das Ionenstrahl-Sputterverfahren und Plasma-CVD, da diese Verfahren eine sehr gleichmäßige Schichtdicke erzeugen können, welche allen durch den Polierprozess für die optischen Systeme erzeugten Vertiefungen und Vorsprüngen folgt.
Der zweite Vorschlag der Erfindung bezieht sich auf ein optisches System, das eine Fluoridverbindung mit Oberflächen aufweist, die in eine optische Einrichtung eingebrachtem Plasma gegenüberliegen und ausgesetzt sind, welche eine Innenzone aufweist, in der das Plasma existiert, wobei eine 2nm-20nm-Schutzschicht von hoch plasmaresistentem Material auf der Oberfläche der Fluoridverbindung, die dem Plasma ausgesetzt ist, ausgebildet ist.
Dieser Vorschlag ermöglicht es, die Verschlechterung der Lichtübertragungsrate des optischen Systems mittels der Verhinderung des Herauslösens von Fluoratomen oder der Oxidation der Oberfläche des vorgenannten optischen Systems, die ansonsten von der Plasma-Umgebung verursacht würde, zu verhindern.
In diesem Fall kann die vorgenannte Schutzschicht irgendeine aus Metalloxiden, wie zum Beispiel SiO₂ oder Al₂O₃, MgO, TiO₂ ZrO₂ sein, die oben als Schutzschichten angeführt wurden. Durch Ausbilden der vorgenannten Schutzschicht auf dem optischen System, wobei das optische System aus Monokristall fluoridmaterial mit der Kristallachse (der c-Achse) entlang der Richtung der Lichtstrahlung besteht und die senkrechte Oberfläche der Schutzschicht durch SiO₂ oder Metalloxide beschichtet ist, ist es möglich, die Verschlechterung des Ausgangsmaterials wegen der Vakuum-UV-Lichtstrahlung im Lauf der Zeit zu verhindern, wobei die anfängliche Verschlechterung des vorgenannten Fluorid-Optiksystems aufgrund der Beschichtung der Nachteil bzw. Kompromiss ist.
Da das SiO₂ oder ein anderes der oben zitierten Metalloxide einen höheren Widerstand gegenüber Plasma als die Fluoridverbindungen aufweist, ist es auch möglich, das Herauslösen von Fluor oder die Oxidation von Metallatomen zu stoppen, und da sie selbst Oxide sind, ist es infolgedessen bei Verwendung als Schutzschicht für aus Fluoridmaterialien hergestellte optische Systeme nach ihrer anfänglichen Verschlechterung möglich, die weitere Verschlechterung des Ausgangsmaterials im Lauf der Zeit zu verhindern, die ansonsten durch deren Bestrahlung durch Vakuum-UV-Licht verursacht würde.
Der dritte Vorschlag der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung bzw. Geräte, welche die optischen Einrichtungen der vorgenannten optischen Systeme verwenden, und die dadurch gekennzeichnet sind, dass vorab eine Schutzschicht von 2 nm–20 nm eines Metalloxids, das aus SiO₂ oder Al₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂ ausgewählt ist, auf ein optisches System aufgebracht wird, wobei die Schicht das Herauslösen (stripping off) eines strukturellen Elements aus der Oberfläche des Ausgangsmaterials oder die Oxidation der Oberfläche des Ausgangsmaterials durch die Bestrahlung mit Vakuum-UV-Licht im Verlauf der Zeit oder durh das Ausgesetztsein des Ausgangsmaterials gegenüber Plasma verhindert, und auf die Aufnahme des optischen Systems in eine gewünschte Vorrichtung, die Vakuum-UV-Lichtquellen oder Plasma-Lichtquellen aufweist, welche eine höheren Photonenenergie als eine Absorptionswellenlänge eines Ausgangsmaterials des optischen Systems aufweisen.
Gemäß dieser Erfindung ist es nach der anfänglichen Ver schlechterung der Eigenschaften infolge der vorgenannten Metalloxid-Schutzschicht möglich, mittels dieser Schicht die Verschlechterung des Ausgangsmaterials optischer Systeme im Lauf der Zeit infolge des Herauslösens von Elementen aus dem Ausgangsmaterial oder infolge einer Oxidation der Oberfläche des Ausgangsmaterial, die durch Bestrahlung mit Vakuum-UV-Licht oder durch Ausgesetztsein gegenüber Plasma verursacht werden, zu verhindern, was bedeutet, dass die optische Ausgabe von dem Ausgangsmaterial nicht weiter gemindert wird, nachdem Betrieb initiiert wurde, was es beispielsweise ermöglicht, die Lebensdauer von Lichtübertragungsfenstern oder Reflexionsspiegeln der vorgenannten Lichtausgabevorrichtungen zu verlängern. Dies verlängert auch das Intervall zwischen einer Austauschwartung für die Lichtübertragungsfenster oder Reflexionsspiegel, wodurch die Betriebsleistung der Lichtausgabevorrichtungen verbessert und ihre Betriebskosten zu verringert werden.
In diesem Fall ist es nur notwendig, eine Lichtquelle zu verwenden, die eine angemessene Lichtausgabe liefert, um die anfängliche Verschlechterung des optischen Systems infolge der vorgenannten Schutzschicht auszugleichen, als Mittel, eine Verlängerung der Lebensdauer der Vorrichtung zu ermöglichen, wodurch keine reduzierte Lichtübertragung des Gesamtsystems (Übertragungsrate, Reflexionsrate) entsteht.
Das heißt, wenn das optische System mit der vorgenannten Schutzschicht vorab beschichtet wird, um seine Schwächung bzw. Beeinträchtigung im Lauf der Zeit infolge der Bestrahlung durch Vakuum-UV-Licht oder dem Ausgesetztsein gegenüber Plasma zu verhindern, was andernfalls im Lauf der Zeit ein Herauslösen oder Oxidieren von Elementen aus ihrem Ausgangsmaterial verursachen würde, ist es nur notwendig, die Lichtausgabe für die Vorrichtung zu erhöhen, um die anfängliche Schwächung auszugleichen, die durch die vorgenannte Schutzschicht bewirkt wird. Beispielsweise ist es bei einer Lichtausgabevorrichtung, die als Lichtquelle für Messungen verwendet wird, durch Anwendung der oben beschriebenen optischen Systeme, die mindestens auf einer Seite beschichtet sind, beispielsweise beschichtete Lichtübertragungsfenster oder Reflexionsspiegel, möglich, eine stabile Lichtausgabe über längere Zeit hinweg zu erhalten und die Lichtausgabevorrichtung für Messanwendungen einzusetzen und stabile Lichtübertragungsraten aufrechtzuerhalten, welche sich nicht verschlechtern, um so die Steuervorgänge und Messempfindlichkeit der Vorrichtung zu stabilisieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampe, die zur Erläuterung des ersten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
2 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampe, die zur Erläuterung des zweiten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
3 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampe, die zur Erläuterung des dritten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
4 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampe, die zur Erläuterung des vierten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
5 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampe, die zur Erläuterung des fünften Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
6 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-UV-Lampe, die zur Erläuterung des sechsten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
7 Analyseergebnisse einer EPMA für ein Anhaften von Kohlenstoff an dem Lichtübertragungsfenster gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
8 ein Diagramm zur Darstellung des Aufbaus einer mit Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe, die zur Erläuterung der zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird,
9 eine graphische Darstellung der XPS-Tiefenverteilungsmessungen für ein Lichtübertragungsfenster, das keine Schutzschichtbeschichtung aufweist, vor seiner Verwendung,
10 eine graphische Darstellung der XPS-Tiefenverteilungsmessungen für ein Lichtübertragungsfenster, das keine Schutzschichtbeschichtung aufweist, nach seiner Verwendung,
11 eine graphische Darstellung der XPS-Tiefenverteilungsmessungen für ein Lichtübertragungsfenster, das eine Schutzschichtbeschichtung aufweist, vor seiner Verwendung,
12 eine graphische Darstellung der XPS-Tiefenverteilungsmessungen für ein Lichtübertragungsfenster, das eine Schutzschichtbeschichtung aufweist, nach seiner Verwendung,
13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Lichtübertragungsrate eines optischen Systems in ihrem Anfangszustand mit derjenigen, der verschiedene Dicken einer Schutzschicht aufweist,
14 ein Diagramm zur Darstellung einer herkömmlichen durch Mikrowellen angeregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe gemäß dem Stand der Technik.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Erste bevorzugte Ausführungsform
Die Implementierungen der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Verhindern oder Entfernen anhaftenden Kohlenstoffs von der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 werden in den nachstehenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Außerdem werden bevorzugte Ausführungsformen zum Verhindern oder Entfernen von anhaftendem Kohlenstoff von in der Vakuumzone 14 befindlichen optischen Systemen ebenfalls unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch wirksam auf Lampen oder Laser vorrichtungen angewandt werden, die Licht durch elektrische Entladung oder durch Erwärmung erzeugen.
Beispiel 1
1 ist ein Diagramm, das zur Erläuterung des Aufbaus der in dem ersten Beispiel der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendeten, durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe verwendet wird.
Das Rückhalteelement (Flansch) 17, an dem das Lichtübertragungsfenster 8 angebracht ist, ist scheibenförmig, und sein Zentrum ist mit der Bohrung der Entladeröhre 1 ausgerichtet und enthält eine Öffnung, die einen größeren Durchmesser aufweist als der Innendurchmesser der Entladeröhre. Der Fensterflansch 17 weist eine O-Ringnut auf, um eine Dichtung über der Öffnung für das Lichtübertragungsfenster 8 zu erzeugen, und es gibt auch eine hohle, deckelförmige Aufspannvorrichtung 20, Bolzenlöcher zu deren Befestigung, sowie eine O-Ringnut, welche mit der Entladeröhre 1 verbunden ist, um ein Vakuum mit dem Fensterflansch 17 aufrechtzuerhalten.
Der innere Aufbau der Aufspannvorrichtung 20 verwendet zweistufige konzentrische Kreise und umgrenzt den Raum zur Unterbringung des Lichtübertragungsfensters 8 und den von der Entladeröhre 1 umgebenen Raum. An dem Ende, das die Entladeröhre 1 umgibt, ist die Fläche zu einem Winkel geschnitten worden, an dem der O-Ring 13 durch Druck festgehalten wird. Ferner sind in der Figur nicht dargestellte Gewinde in die Außenumfangsfläche dieses Endes eingeschnitten und die Vakuumgrenze für die Entladeröhre 1 wird durch Festziehen einer Kappe 21 über der zylindrischen Öffnung mit einer Dichtung durch den O-Ring 13 gebildet. Der Fensterbefestigungsflansch 17, die Aufspannvorrichtung 20 und die Kappe 21 sind alle aus Metall hergestellt, im allgemeinen werden rostfreier Stahl oder Aluminium mit geringer Verunreinigung verwendet, das Material ist jedoch nicht auf diese Metalle beschränkt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert. Zunächst wird aus der Entladegas-Zu führöffnung 2 in der Entladeröhre 1 mit Helium im Verhältnis 1/100 verdünntes Wasserstoff-Entladegas mit 20 sccm zugeführt. Das Entladegas wird durch die Austragsöffnung 3 durch eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) ausgestoßen. Durch Einstellen der Öffnung eines zwischen der Entladegas-Ausstoßöffnung 3 und der Vakuumpumpe installierten Ventils (nicht dargestellt) ist es möglich, das Ausstoßverhalten so einzustellen, dass die Innenseite der Entladeröhre 1 auf etwa 5 torr (665 Pa) gehalten wird. Der Grund für die Erzeugung der Entladegasströmung in der Richtung von der Seite des Lichtübertragungsfensters zur Entladeröhre 1 besteht darin, alles mögliche zu unternehmen, um Verunreinigungsquellen am Fenster 8 infolge von Materialien, die innerhalb der Entladeröhre 1 durch das Entladeplasma erzeugt werden, zu reduzieren.
Als nächstes werden 2,45 GHz, 50 W-Mikrowellen von einem Mikrowellenzufuhrverbinder einem Mikrowellenoszillator 4 zugeführt. Die Mikrowellen können entweder kontinuierlich oder intermittierend zugeführt werden. Ein Regler (nicht dargestellt), der in der mit der Mikrowellen-Energiequelle und dem Mikrowellen-Oszillator verbundenen elektrischen Versorgungsleitung installiert ist, kann verwendet werden, um die Mikrowellen-Leistungsabgabe zwischen der Energiequelle und Last (Entladeplasma) bei der Erzeugung von Entladeplasma 7 in der Entladeröhre 1 einzustellen. Die vom Entladeplasma 7 angeregten Wasserstoffatome strahlen Licht in den 103 nm- und 122 nm-Vakuum-UV-Licht-Wellenlängen aus. Da MgF₂ als das Material für das Lichtübertragungsfenster 8 verwendet wurde, wie unten erläutert wird, werden die 103 nm-Lichtstrahlen durch das MgF₂ absorbiert, und nur das Vakuum-UV-Licht mit 122 nm Wellenlänge passiert in die Vakuumzone 14 als Ausgangslampenlicht (Vakuum-UV-Licht) 9.
In diesem Fall ist die Öffnung im Montageflansch 17 für das Lichtübertragungsfenster 8 im Durchmesser 8 mm, so dass der Ausgang in die Vakuumzone 14 ein Lichtstrom von 8 mm Durchmesser ist.
MgF₂ (Magnesiumfluorid)-Monokristall wurde als Lichtübertragungsfenster 8 verwendet, wobei die Kristallachse (c-Achse) so ausgerichtet ist, dass sie senkrecht zur Oberfläche des Lichtübertragungsfensters lag. Die Kristallgröße betrug 0,5 Inch ∅ (12,7 mm ∅) × 1 mm Dicke. Der verwendete Kristall war UV-Qualität von Ohyo Koken Kogyo Co., Ltd.. Mehrere Kristalle aus demselben Los wurden erhalten, und sie wurden sortiert, um in ihrer Kristallqualität und Oberflächenzustand übereinzustimmen, um irgendeine Abweichung innerhalb des dem Loses so weit wie möglich zu eliminieren, um die Wirkungen der Schutzschicht genau überprüfen zu können.
Ferner wurde eine Photodiode 12 zum Empfang von Lampenausgangslicht 9 als Mittel zur Überwachung der Lichtausgabemenge von der Lampe positioniert.
Sauerstoffgas wurde der Vakuumzone 14 unter Verwendung der unten beschriebenen Methode zugeführt, während das Gas auf den vorgeschriebenen Partialdruck eingestellt wurde.
Ein Sauerstoffgaszylinder (von Nippon Sanso Corp. hergestellt) wurde mit reinem Sauerstoff (Reinheit 4N) gefüllt und mit dem Regler 22 verbunden. Nach Einstellen des Gasdrucks auf 0,1 kg/cm² und Einstellen der Öffnung eines über eine Leitung 16c verbundenen Ventils 19 mit variablem Leck passierte das Gas durch eine Leitung 16b auf der Atmosphärenseite und passierte dann einen Dichtungsmechanismus (nicht dargestellt) und wurde in die Vakuumzone 14 aus einer Leitung 16a innerhalb der Vakuumzone 14 eingeleitet. Die zugeführte Menge betrug etwa 1 sccm. Die Vakuumzone 14 wurde mittels einer Turbo-Molekularpumpe (Entleerungsrate von 50 L/min, Modell TP-50, hergestellt von Mitsubishi Heavy Industries Ltd.) entleert und wurde stromab mit einer Trockenpumpe (nicht dargestellt) verbunden. In diesem Fall wurde der Sauerstoffgas-Partialdruck innerhalb der Vakuumzone bei 133 mPa (1 mtorr) stabilisiert. Somit waren die Bedingungen derart, dass der Partialdruck des Sauerstoffgases innerhalb der Vakuumzone 14 in der Größenordnung von mindestens 133 mPa (1 mtorr) und unter 1,3 Pa (10 mtorr) lag.
Es wurden auch Experimente mit der zum Liefern von 0,7 Pa (5 mtorr), 2,7 Pa (2 mtorr) und 13,3 mPa (0,1 mtorr) ange passten Ventilöffnung durchgeführt, wie später erläutert wird, ergab sich aber eine ähnliche Wirksamkeit für das Entfernen von Kohlenstoff. Das in der Erklärung erwähnte Ventil mit variablem Leck ist nicht ein Gegenstand mit speziellen Spezifikationen; es ist lediglich ein Mechanismus, um feine Öffnungseinstellungen vorzunehmen, und es kann irgendein solcher Mechanismus mit beliebiger Bezeichnung angewandt werden.
Als nächstes wurde eine Photodiode 12 verwendet, um die Änderungen der Lichtausgabemenge von der durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe mit der vorgenannten Struktur im Lauf der Zeit zu messen.
Zunächst wurde ein Entladeplasma 7 verwendet, um die Wasserstoffatome anzuregen, um 90 Stunden lang (etwa 4 Tage) das Vakuum-UV-Licht zu erzeugen. Als nächstes wurde zur Kontrolle der Test wiederholt, aber ohne die Sauerstoffgaszufuhr, das heißt, die vorgenannte Turbo-Molekularpumpe wurde betrieben, um eine ähnliche Umgebung 0,13 mPa (0,001 mtorr) zu erhalten, und dann wurden die Ergebnisse verglichen.
Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass bei Zufuhr des Sauerstoffgases während des Betriebs der Lampe keine beobachtbare Verschlechterung der Übertragung durch das Lichtübertragungsfenster 8 infolge von Kohlenstoffansammlung bestand. Andererseits fiel bei dem Kontrollversuch auf, dass, wenn die ursprüngliche Lichtübertragungsrate mit 100 Prozent angenommen wird, die Übertragungsrate im Verlauf des Tests auf 35 Prozent infolge der Ansammlung von Kohlenstoff am Lichtübertragungsfenster 8 fiel.
1 zeigt den Kohlenstoff 15, dessen Ansammlung und Haftung in schichtartiger Weise in dem Kontrollversuch beobachtet wurde. Wenn die Lampe mit einer Sauerstoffgasströmung betrieben wurde, haftete der in 1 gezeigte Kohlenstoff 15 nicht am Lichtübertragungsfenster 8 an.
Wenn das Lichtübertragungsfenster 8 mit einem optischen Mikroskop nach seiner Verwendung beobachtet wurde, wurden keine Anhaftungen an dem mit der Sauerstoffgaszufuhr verwendeten festgestellt, aber an der Kontrollprobe haftete Material in einer schichtartigen Weise über dem zentralen ∅-8 mm-Bereich, durch den das Vakuum-UV-Licht übertragen wurde. Es war möglich, das anhaftende Material durch Kratzen von Kunststoff-Pinzetten über die Außenfläche 11 abzulösen, wobei sich herausstellte, dass das Material ein schichtartiges Material mit geringer Bindekraft war, das an der Außenfläche 11 anhaftete.
Als nächstes wurde eine Elementenanalyse an dem anhaftenden Material durchgeführt. Die Elementenanalyse wurde an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 für die Kontrollprobe mittels EPMA durchgeführt (Elektrodensonden-Röntgenstrahlen-Mikroanalysiergerät (das JXA-8200, hergestellt von Nippon Denshi)) unter Verwendung von Analysebedingungen einer Beschleunigungsspannung von 15 kV, eines Bestrahlungsstroms von 5E–8A und folgender Messverfahren: qualitative Analyse, Strichanalyse und Abbildungsanalyse. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass ziemlich viel Kohlenstoff in dem zentralen ∅-8 mm-Bereich der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters, in dem das ultraviolette Licht übertragen wurde, erfasst wurde. Der ringförmige Bereich außerhalb des zentralen ∅-8 mm-Bereichs war im Schatten des Flansches 17 und war demgemäß ein Bereich, durch den kein ultraviolettes Licht übertragen wurde. Obwohl die EPMA-Analyse einen Kohlenstoff-Verunreinigungspegel in diesem Bereich ergab, war kein signifikantes Anhaften von Kohlenstoff vorhanden. Was hier unter "Verunreinigungspegel" in der EPMA-Analyse gemeint ist, ist ein nur schwacher Signalpegel für Kohlenstoff, wie er auch erhalten wird, wenn eine gründlich gereinigte Oberfläche analysiert wird. Der Vorgang einer Bestrahlung einer sauberen Oberfläche mit einem Elektronenstrahl verursacht unweigerlich ein Anhaften von Kohlenstoff, und dieser Signalpegel basiert auf diesem anhaftenden Kohlenstoff. Dementsprechend bestimmt der Verunreinigungspegel des Analysegeräts selbst die unterste Messgrenze für die EPMA-Analyse. Der Signalpegel aus dem zentralen ∅-8 mm-Bereich, durch den das ultraviolette Licht übertragen wurde, war im Vergleich zu dem Signalpegel für Verunreinigung wesentlich höher, und diese Erkenntnis bestätigte, dass sich Kohlenstoff an der Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 in schichtartiger Weise angesammelt hatte.
7 zeigt die Ergebnisse der Strichanalyse des Kontrollversuchs mittels EPMA. Die Einheiten auf der Horizontalachse in 7 sind Millimeter, welche die analytische Position auf dem Durchmesser des MgF₂-Kristalls ausdrücken; die Strichanalyse an dem Kristall wurde von Kante zu Kante durchgeführt.
Die Vertikalachse drückt die Kohlenstoffsignalstärke aus, die an dem spektrumserzeugenden Kristall-LDE2 erfasst wird. Die Hauptanalysebedingungen sind außerhalb des Graphen der 7 aufgelistet.
Aus 7 geht hervor, dass eine merkliche hohe Signalstärke von dem Kohlenstoff in dem ∅-8 mm-Bereich auftrat, durch den das ultraviolette Licht übertragen wurde, was klar auf das schichtartige Anhaften in dem zentralen ∅-8mm-Bereich hindeutete.
Andererseits wurden keine signifikanten Kohlenstoffsignale über dem Verunreinigungspegel von der Oberfläche des Lichtübertragungsfensters erfasst, nachdem die Lampe unter einem Sauerstoffstrom betrieben wurde.
Wie oben beschrieben ist, war es durch Betreiben der Lampe mit einer Sauerstoffgaszufuhr möglich, einen Kohlenstoffaufbau am Lichtübertragungsfenster zu verhindern oder zu mindern.
Das Implementieren dieser Gegenmaßnahme ermöglicht es, die Abnahme der Übertragungsrate durch das Lichtübertragungsfenster aufzuhalten, um dadurch die Kosten von Wartungsvorgängen zum Austausch des Fensters sowie die Betriebsausfallzeit für die Lampe zu reduzieren.
Diese Ausführungsform griff das Lichtübertragungsfenster als Beispiel auf, die vorliegende Ausführungsform kann aber ebenso auf eine Vorrichtung angewandt werden, die Lichtreflexionsspiegel (Fenster) einsetzt. Beispiele solcher Lichtreflexionsspiegel sind bei Laser-Oszillatoren und Lampen-Fokussierspiegeln verwendete Reflexionsspiegel. Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen sind ebenso auch auf den Fall von Lichtreflexionsspiegeln anwendbar.
Beispiel 2
2 ist ein Diagramm zur Darstellung einer mit Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe, die zur Beschreibung des zweiten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird. Eine weitere Ausarbeitung struktureller und operationeller Elemente, die ähnlich denen von Beispiel 1 sind, wird ausgelassen. Die Spezifikationen des Lichtübertragungsfensters 8 waren die gleichen wie die für Beispiel 1 erklärten. Ferner wurde eine Photodiode 12 zum Empfang der Lichtausgabe des von der Lampe emittierten Lichts 9 als Mittel zu Überwachung der Lichtausgabemenge von der Lampe positioniert.
Der Vakuumzone 14 wurde mittels folgendem Verfahren Wasserdampf zugeführt, und er wurde auf einen spezifischen Gas-Partialdruck eingestellt. Ein Glasrohr 24 (Rohrdurchmesser ∅ 6 mm), das mit 1 mL Wasser 25 (reines Wasser, das destilliert, einem Ionenaustausch unterzogen und gefiltert war) gefüllt war, wurde mit dem Rohr 16d über einen Flansch 17 verbunden. Der Aufbau des Flansches 17 umfasste einen O-Ring zur Abdichtung des Glasrohrs gegenüber der Atmosphäre, und die gesamten atmosphärischen Bestandteile wurden aus dem Rohr vorab ausgetragen. Das Wasser 25 wurde auf Raumtemperatur (25°C) gehalten, und der innere Dampfdruck betrug 3,20 kPa (24 torr) (berechneter Wert). Dieser Dampfdruck wurde mit seinem Primär-Dampfdruck über das Rohr 16d zugeführt, und nach Einstellen der Öffnung des Ventils 19 mit variablem Leck bzw. variabler Öffnung passierte er durch das Rohr 16d auf der Atmosphärenseite, über einen Dichtungsmechanismus (nicht dargestellt), und in die Vakuumzone 16 über das Rohr 16a. Die zugeführte Menge betrug etwa 0,1 sccm. Die Vakuumzone 14 wurde mittels einer Turbo-Molukularpumpe (Entleerungsrate 50 L/min, Modell TP-50, hergestellt von Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., nicht in der Figur dargestellt) und eine stromabwärtige Trockenpumpe (nicht dargestellt) entleert. In diesem Fall wurde der Wasser-Partialdruck innerhalb der Vakuumzone auf 13,33 mPa (0,1 mtorr) ausgeglichen. Demgemäß waren die Bedingungen in der Vakuumzone 14 derart, dass der Wasserdampf-Partialdruck mindestens in der Größenordnung von 13,33 mPa (0,1 mtorr), aber weniger als 0,13 Pa (1 mtorr) lag. Es wurden auch Experimente mit Wasserdampf-Teildrücken von 0,13 Pa (1 mtorr) und 1,33 mPa (0,01 mtorr) durchgeführt, die durch Anpassen der Ventilöffnung erreicht wurden, dabei wurden aber, wie später beschrieben wird, ähnliche Wirkungen bei der Kohlenstoffentfernung erhalten.
Als nächstes wurden die zeitlichen Änderungen der Lichtausgabemenge von der oben beschriebenen, mit Mikrowellen erregten Wasserdampf-Ultraviolettlampe mittels der Photodiode 12 gemessen.
Zunächst wurden Wasserstoffatome durch Entladeplasma 7 erregt, um 90 Stunden lang (etwa 4 Tage lang) Vakuum-UV-Licht zu erzeugen. Als nächstes wurde die Lampe ohne Zufuhr des Wasserdampfes betrieben, das heißt, das Experiment wurde mittels der vorgenannten Turbo-Molekularpumpe implementiert, um eine Druckumgebung von 0,13 mPa (0,001 mtorr) aufrecht zu erhalten, und dann wurden die Ergebnisse der beiden Tests verglichen. Die Ergebnisse zeigten an, dass bei Betrieb der Lampe mit einer Zufuhr von Wasserdampf keine Verschlechterung in der Übertragung durch das Lichtübertragungsfenster 8 infolge eines Kohlenstoffaufbaus beobachtet werden konnte. Andererseits verursacht in dem Kontrollversuch, falls der anfängliche Lichtübertragungspegel auf 100% festgelegt wurde, das Anhaften von Kohlenstoff einen Abfall der Übertragungsrate auf 35% während des gemessenen Zeitraums.
Der in 2 gezeigte Kohlenstoff 15 zeigt das schichtartige Anhaften von Kohlenstoff, das bei der Kontrolle beobachtet wurde, wenn aber Wasserdampf während des Lampenbetriebs zugeführt wurde; kam es zu keinem Anhaften von Kohlenstoff 15 am Lichtübertragungsfenster 8, wie in 2 gezeigt ist.
Wenn die Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 mittels eines optischen Mikroskops nach seiner Verwendung beobachtet wurde, wurden keine anhaftenden Materialien am verwendeten Fenster beobachtet, wenn der Lampe Wasserdampf zugeführt wurde. Am Kontrollfenster zeigte aber der zentrale ∅-8 mm-Bereich, durch den das Vakuum-UV-Licht übertragen wurde, eine in schichtartiger Weise anhaftende Substanz. Wenn eine Kunststoffpinzette zum Abschaben der Außenfläche 11 eingesetzt wurde, war es möglich, das anhaftende Material abzuschaben, das sich als schwach gebundene, schichtartige, an der Außenfläche 11 anhaftende Substanz herausstellte.
Zu diesem Zeitpunkt wurde die Elementenanalyse an dem anhaftenden Material durchgeführt. Die Ergebnisse der Elementenanalyse durch EPMA waren ähnlich den für Beispiel 1 erläuterten.
Wie oben im einzelnen ausgeführt wurde, bestätigte sich, dass bei Betrieb der Lampe mit einer Zufuhr von Wasserdampf das Anhaften von Kohlenstoff am Lichtübertragungsfenster 8 verhindert oder gemindert wurde.
Diese Gegenmaßnahme ermöglicht es, die Abnahme der Lichtübertragungsrate des Lichtübertragungsfensters zu stoppen, und dadurch Wartungskosten in Zusammenhang mit einem Fensteraustausch zu reduzieren und die Betriebsausfallzeit der Lampe infolge der Wartung zu verringern.
Beispiel 3
3 zeigt ein Diagramm einer mit Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe, das zur Erläuterung des dritten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird. Eine weitere Ausarbeitung struktureller und operationeller Elemente, die ähnlich denjenigen von Beispiel 1 sind, wird ausgelassen. Die Spezifikationen des Lichtübertragungsfensters 8 waren die gleichen wie die für Beispiel 1 erklärten. Es wurde wieder eine Photodiode 12 zum Empfang der Lichtausgabe des von der Lampe emittierten Lichts 9 als Mittel zur Überwachung der Lichtausgabemenge von der Lampe positioniert.
Der Vakuumzone 14 wurden atmosphärische Bestandteile mittels des nachstehend spezifizierten Verfahrens zugeführt, und diese wurden auf einen spezifischen Gas-Partialdruck eingestellt.
Die atmosphärischen Bestandteile wurden der Vakuumzone 14 mittels eines gegenüber der Atmosphäre offenen Rohrs zugeführt, das nach Einstellen der Öffnung mit einem Ventil 19 mit variablem Leck bzw. variabler Öffnung gestattete, dass die atmosphärischen Komponenten über ein Rohr 16b und durch einen Dichtungsmechanismus (nicht dargestellt) wanderten, um in die Vakuumzone 14 über das Rohr 16a eingeleitet zu werden. Die zugeführte Menge betrug etwa 1 sccm. Die Vakuumzone 14 wurde mittels einer Turbo-Molekularpumpe (Entleerungsrate 50 L/min, Modell TP-50, hergestellt von Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., in der Figur nicht gezeigt) und einer stromabwärtigen Trockenpumpe (nicht dargestellt) entleert. In diesem Fall wurden die atmosphärischen Komponenten innerhalb der Vakuumzone auf 1 mtorr (1 millitorr) ausgeglichen. Demgemäß waren die Bedingungen in der Vakuumzone 14 derart, dass der Partialdruck der atmosphärischen Komponenten mindestens in der Größenordnung von 1 mtorr (mit 0,2 mtorr Sauerstoff allein) lag.
Eine Ventilöffnungseinstellung wurde ebenfalls vorgenommen, um einen Partialdruck von 0,1 mtorr (mit 0,02 mtorr Sauerstoff allein) zu erzeugen, der Wirkungsgrad bei der Kohlenstoffentfernung war jedoch, wie später beschrieben wird, ähnlich.
Als nächstes wurde eine Photodiode 12 eingesetzt, um die zeitlichen Veränderungen der Lichtausgabe während des Betriebs einer mit Mikrowellen erregten Wasserstofflampe mit dem oben beschriebenen Aufbau zu messen.
Zunächst wurden Wasserstoffatome durch das Entladeplasma 7 erregt, und Vakuum-UV-Licht 90 Stunden (etwa 4 Tage) lang erzeugt. Als nächstes wurden zur Kontrolle die atmosphärischen Komponenten während der Betriebsabläufe nicht zugeführt, und die vorgenannte Turbo-Molekularpumpe wurde eingesetzt, um eine Umgebung von 0,001 mtorr zu schaffen, und anschließend wurden die Ergebnisse der beiden Test verglichen.
Wenn die Lampe mit der Zufuhr atmosphärischer Komponen ten betrieben wurde, konnte keine Minderung der Lichtübertragung durch das Lichtübertragungsfenster 8 infolge von Kohlenstoffaufbau beobachtet werden. In dem Vergleichstest verursachte jedoch der Kohlenstoffaufbau eine Abnahme der Lichtübertragung durch das Lichtübertragungsfenster 8 von einem anfänglichen Wert von 100 Prozent auf eine Übertragungsrate von 35 Prozent.
Der in 3 gezeigte Kohlenstoff 15 zeigt das schichtartige Anhaften von Kohlenstoff, das bei der Kontrolle beobachtet wurde. Wenn aber atmosphärische Komponenten während des Lampenbetriebs zugeführt wurden, trat kein Anhaften von Kohlenstoff 15 am Lichtübertragungsfenster 8 auf, wie in 3 gezeigt ist.
Wenn die Außenfläche 11 des Lichtübertragungsfensters 8 mittels eines optischen Mikroskops kurz nach ihrem Einsatz beobachtet wurde, wurden keine anhaftenden Stoffe am Fenster beobachtet, während der Lampe atmosphärische Komponenten zugeführt wurden. Am Kontrollfenster aber zeigte der zentrale ∅-8 mm-Bereich, durch den das Vakuum-UV-Licht übertragen wurde, in einer schichtartigen Weise anhaftende Substanz. Wenn Kunststoffpinzetten zum Abschaben der Außenfläche 11 benutzt wurden, war es möglich, das anhaftende Material wegzuschaben, das sich als schwach gebundene, schichtartige Substanz herausstellte, die an der Außenfläche 11 anhaftete.
Dann wurde eine Elementenanalyse an dem anhaftenden Material durchgeführt. Die Ergebnisse der Elementenanalyse durch EPMA waren ähnlich den für Beispiel 1 erläuterten.
Wie oben detailliert ausgeführt wurde, stellte sich bei Betrieb der Lampe mit einer Zufuhr atmosphärischer Komponenten heraus, dass das Anhaften von Kohlenstoff am Lichtübertragungsfenster verhindert oder gemindert wurde.
Diese Gegenmaßnahme ermöglicht es, die Abnahme in der Lichtübertragungsrate des Lichtübertragungsfensters zu stoppen, wodurch Wartungskosten in Zusammenhang mit dem Fensteraustausch sowie eine Betriebsausfallzeit der Lampe infolge der Wartung verringert werden können.
Beispiel 4
4 zeigt den Aufbau einer durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe, die zur Erläuterung des vierten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird, wobei das Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff, das an in der Vakuumzone 14 befindlichen optischen Systemen anhaftet, mittels Ausgangslicht bzw. Ausgabelicht beschrieben wird. Eine weitere Ausarbeitung struktureller und operationeller Elemente, die ähnlich denjenigen von Beispiel 1 sind, fällt weg. Die Spezifikationen des Lichtübertragungsfensters 8 waren die gleichen wie die für Beispiel 1 erläuterten.
Das optische Element 27 in 4 ist so positioniert, dass es von von einer Lampe emittiertem Licht 9 bestrahlt wird. Kohlenstoff 15 haftete bereits an beiden Seiten des optischen Elements 27 an, und wurde durch das Bestrahlen des optischen Elements 27 mit Vakuum-UV-Licht 9 erzeugt, während organische Gase in der Vakuumzone 14 vorhanden waren. Da der Kohlenstoff 15 anhaftete, hatte sich die Übertragungsrate des optischen Elements 27 gemindert und es war eine Wartung erforderlich. Der Grund, warum die Optik 27 diesen Zustand erreicht hatte, war der, dass die Lampe in einem Vakuumzustand betrieben wurde.
Ein Interferenzfilter für Vakuum-UV-Licht wird hier als Beispiel eines optischen Elements 27 verwendet, das zur Beschreibung der Entfernung von Kohlenstoff benutzt wird. Das Interferenzfilter für Vakuum-UV-Licht bestand aus einem MgF₂-Substrat mit einer Beschichtung einer optischen Mehrfachschicht auf seiner Oberfläche. Dies ist ein herkömmlicher Aufbau bzw. optischen Teilen wie diesem Interferenzfilter. Dieses Interferenzfilter funktioniert als Bandpassfilter, da es nur das Passieren von Licht eines spezifischen Wellenlängenbandes erlaubt. Wenn aber Kohlenstoff 15 an seiner Oberfläche anhaftet, nimmt seine Übertragungsrate als Interferenzfilter ab, und seine Funktion als optisches Element wird dadurch beeinträchtigt. Demgemäß ist es auf einer bestimmten Stufe verminderter Übertragungsrate notwendig, entweder den Kohlenstoff zu entfernen oder das Interferenzfilter zu ersetzen. Im allgemeinen ist wegen der empfindlichen Natur optischer Filter wie Interferenzfilter mit optischen Beschichtungen eine Reinigung derselben sehr schwierig. Die Reinigung könnte die Eigenschaften der optischen Schicht ändern, und es ist leicht, Defekte wie Kratzer während des Reinigungvorgangs einzubringen. Somit ist im wesentlichen keine wirksame Reinigungsmethode verfügbar und man muss sich für den Austausch des Teils entscheiden. Im allgemeinen aber sind Interferenzfilter teure Teile, und die Kosten werden zu einem Problem. Im Beispiel 4 wurde zum Nachweis der Wirksamkeit der Erfindung die Lampe ohne Gaszufuhr betrieben, bis die Übertragungsrate des Interferenzpegels um 50 Prozent (von einem ursprünglichen Wert von 100 Prozent) gefallen war, um die Übertragungsrate vorsätzlich um die Hälfte zu senken, und dann wurde das optische Element 27 in der Vakuumzone 14 positioniert.
Das Verfahren von Beispiel 1 wurde verwendet, um Sauerstoffgas der Vakuumzone 14 unter Bedingungen zuzuführen, bei denen der Partialdruck des Sauerstoffgases in der Vakuumzone 14 auf 1 mtorr gehalten wurde. Es wurden auch Experimente durch Einstellen der Ventilöffnung durchgeführt, um 1,3 Pa (10 mtorr), 0,7 Pa (5 mtorr), 2,7 Pa (2 mtorr), 13,3 mPa (0,1 mtorr) und 6,67 mPa (0,05 mtorr) zu liefern, es ergaben sich aber, wie später erläutert wird, ähnliche Wirkungen bei der Entfernung von Kohlenstoff.
Als nächstes wurde Entladeplasma benutzt, um die Wasserstoffatome zu erregen, um eine Emission von Vakuum-UV-Licht über 90 Stunden (etwa 4 Tage) zu bewirken. Wenn Sauerstoffgas während des Lampenbetriebs zugeführt wurde, wurde anhaftender Kohlenstoff 15 von der Oberfläche des optischen Elements 27 entfernt und die Übertragungsrate des optischen Elements 27 wurde praktisch in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Wenn die Oberfläche des optischen Elements unter einem optischen Mikroskop beobachtet wurde, wurden keine Anhaftungen bemerkt.
Wie oben erläutert wurde, war es möglich, den am opti schen Element 27 anhaftenden Kohlenstoff durch Betrieb unter einem zugeführten Sauerstoffgas zu reinigen.
Dieses Verfahren ermöglicht es, die Abnahme der Lichtübertragungsrate des optischen Elements zu stoppen, um dadurch Wartungskosten im Zusammenhang mit dem Austausch des optischen Elements sowie eine Betriebsausfallzeit der Lampe infolge der Wartung zu reduzieren.
Beispiel 5
5 zeigt den Aufbau der durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe, die zur Erläuterung des fünften Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird, wobei das Entfernen von an dem in der Vakuumzone 14 befindlichen optischen Element anhaftendem Kohlenstoff durch Nutzung von Lampenlichtemissionen beschrieben wird. Eine weitere Erörterung struktureller und operationeller Elemente, die ähnlich denjenigen von Beispiel 1 sind, wird ausgelassen. Die Spezifikationen des Lichtübertragungsfensters 8 waren die gleichen wie die für Beispiel 1 erklärten.
In 5 ist das optische Element 27 so positioniert, dass es das von der Lampe emittierte Licht 9 empfängt. Eine weitere Erläuterung des optischen Elements entfällt, da sie ähnlich der im Beispiel 4 gegebenen ist.
Im Beispiel 5 wurde zur Überprüfung der Effekte der Wirksamkeit der Erfindung die Lampe ohne Gaszufuhr betrieben, bis die Übertragungsrate des Interferenzpegels um 50 Prozent (von einem Ursprungswert von 100 %) gefallen war, um vorsätzlich die Übertragungsrate um die Hälfte zu mindern und dann wurde das optische Element 27 in der Vakuumzone 14 positioniert.
Das Verfahren von Beispiel 2 wurde benutzt, um Wasserdampf der Vakuumzone 14 unter Bedingungen zuzuführen, bei denen der Partialdruck des Wasserdampfs in der Vakuumzone 14 auf 0,13 Pa (1 mtorr) gehalten wurde. Es wurden auch Experimente durch Einstellen der Ventilöffnung durchgeführt, damit diese 0,7 Pa (5 mtorr), 2,7 Pa (2 mtorr), 1,33 mPa (0,01 mtorr) und 0,67 mPa (0,005 mtorr) Wasserdampf-Partialdruck lieferte, es ergaben sich aber, wie später er klärt wird, ähnliche Wirkungen bei der Entfernung von Kohlenstoff.
Als nächstes wurde Entladeplasma benutzt, um die Wasserstoffatome zu erregen, um eine Emission von Vakuum-UV-Licht über 90 Stunden (etwa 4 Tage) zu bewirken. Wenn Wasserdampf während des Lampenbetriebs zugeführt wurde, wurde anhaftender Kohlenstoff 15 von der Oberfläche des optischen Elements 27 entfernt und die Übertragungsrate des optischen Elements 27 wurde praktisch auf ihren ursprünglichen Zustand zurückgeführt. Wenn die Oberfläche des optischen Elements unter einem optischen Mikroskop beobachtet wurde, wurden keine Anhaftungen festgestellt.
Wie oben erläutert wurde, war es durch einen Betrieb unter Zufuhr von Wasserdampf möglich, den am optischen Element 27 anhaftenden Kohlenstoff zu entfernen.
Dieses Verfahren ermöglichte die Wiederherstellung des beeinträchtigten optischen Elements, um dadurch Wartungskosten in Zusammenhang mit dem Austausch des optischen Elements sowie eine Lampenausfallzeit infolge der Wartung zu reduzieren.
Beispiel 6
6 zeigt den Aufbau der von Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe, die zur Erläuterung des sechsten Beispiels der ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird, wobei das Entfernen von Kohlenstoff 15, der an einem in der Vakuumzone 14 befindlichen optischen Element 27 anhaftet, unter Verwendung von Lampenlichtemissionen beschrieben wird. Eine weitere Ausarbeitung struktureller und operationeller Elemente, die ähnlich denjenigen von Beispiel 1 sind, entfällt. Die Spezifikationen des Lichtübertragungsfensters 8 waren die gleichen wie die für Beispiel 1 erläuterten.
In 6 ist das optische Element 27 so positioniert, dass es von der Lampe 9 emittiertes Licht empfängt. Weitere Erläuterungen des optischen Elements entfallen, da es ähnlich dem im Beispiel 4 verwendeten ist.
Im Beispiel 6 wurde zur Überprüfung der Effekte der Wirksamkeit der Erfindung die Lampe ohne Gaszufuhr betrieben, bis die Übertragungsrate des Interferenzpegels um 50 Prozent (von einem Ursprungswert von 100 Prozent) gesunken war, um die Übertragungsrate vorsätzlich um die Hälfte zu mindern, und dann wurde das optische Element 27 in der Vakuumzone 14 positioniert. Das Verfahren von Beispiel 3 wurde verwendet, um atmosphärische Komponenten der Vakuumzone 14 unter Bedingungen zuzuführen, bei denen der Partialdruck der atmosphärischen Komponenten in der Vakuumzone 14 auf 0,13 Pa (1 mtorr) gehalten wurde.
Es wurden auch Experimente durch Einstellen der Ventilöffnung durchgeführt, um 0,27 Pa (2 mtorr) und 13,33 mPa (0,1 mtorr) Partialdruck der atmosphärischen Komponenten zu liefern, es wurden jedoch, wie später erläutert wird, ähnliche Wirkungen bei der Entfernung von Kohlenstoff erhalten.
Als nächstes wurde Entladeplasma benutzt, um die Wasserstoffatome anzuregen, Vakuum-UV-Licht 90 Stunden lang (etwa 4 Tage) zu emittieren. Wenn die atmosphärischen Komponenten während des Lampenbetriebs zugeführt wurden, wurde anhaftender Kohlenstoff 15 von der Oberfläche des optischen Elements 27 entfernt, und die Übertragungsrate des optischen Elements 27 wurde praktisch auf ihren Ursprungszustand zurückgeführt. Wenn die Oberfläche des optischen Elements unter einem optischen Mikroskop beobachtet wurde, wurden keine Anhaftungen bemerkt.
Wie oben erläutert wurde, war es durch einen Betrieb unter Zufuhr atmosphärischer Komponenten möglich, an dem optischen Element 27 anhaftenden Kohlenstoff 15 zu entfernen.
Dieses Verfahren ermöglichte die Wiederherstellung des beeinträchtigten optischen Elements, um dadurch mit dem Austausch des optischen Elements verbundene Wartungskosten sowie eine Lampenausfallzeit infolge der Wartung zu reduzieren.
[Zweite bevorzugte Ausführungsform]
Die zweite bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung wird nachstehend ebenso mit einer Referenz erläutert, bei der eine Schutzschicht auf das Lichtübertragungsfenster für den Zweck der Verhinderung oder Minderung der Beeinträchtigung des Fensters aufgebracht ist.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt, sondern kann natürlich auch auf Lampen angewandt werden, die mit elektrischer Entladung oder Heizung erzeugte Luminanz emittieren, und gegebenenfalls auch auf Laservorrichtungen.
8 zeigt ein Diagramm einer von Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe; sie wird zur Erläuterung der Ausführungsformen 1 bis 3 dieser Erfindung benutzt. Der Flansch 17 für das Lichtübertragungsfenster 8 ist scheibenförmig und sein Zentrum ist mit der Bohrungslinie der Entladeröhre 1 ausgerichtet und enthält eine Öffnung mit einem Durchmesser, der größer ist als der der Entladeröhre. Der Fensterflansch 17 enthält eine O-Ringnut 13b als Mittel zum Abdichten des Lichtübertragungsfensters 8 über der vorgenannten Öffnung sowie ein hohles, deckelförmiges Gestell 20, das Bolzenlöcher zur Befestigung aufweist, wobei eine O-Ringnut 13a angewandt wird, um die Entladeröhre 1 anzubringen, und diese es dem Flansch 17 ferner ermöglicht, ein Vakuum weiter aufrechtzuerhalten.
Die Innenflächenstruktur des Gestells 20 besteht aus zweistufigen konzentrischen Hohlzylindern, welche den Raum umgeben, in dem das Lichtübertragungsfenster 8 und die Entladeröhre 1 untergebracht sind. An der Endfläche der Seite, welche die Entladeröhre 1 umgibt, befindet sich ein O-Ring 13c, der in einer diagonal geschnittenen Oberfläche installiert ist, welche dem Ringdurchmesser entspricht. Ferner sind Gewinde (nicht dargestellt) an die Außenumfangsfläche dieses Endes eingeschnitten, um eine Installation einer zylindrischen, offenendigen Kappe 21 zu gestatten, welche den O-Ring 13c festhält und die Vakuumgrenzen für die Entladeröhre 1 festlegt. Der Fensterflansch 17, das Gestell 20 und die Kappe 21 sind alle aus Metall, im allgemeinen rostfreiem Stahl oder Aluminium, gefertigt, die keine guten Verunreinigungsquellen darstellen, aber das Mate rial ist nicht auf diese Metalle beschränkt.
Nun wird die Arbeitsweise der durch Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert. Zunächst wird eine 1/100-Lösung von Wasserstoff in Heliumgas durch die Entladegas-Zuführöffnung 2 zu der Entladeröhre 1 mit der Rate von 20 sccm zugeführt. Das Entladegas wird mittels einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) durch die Entladegas-Ausstoßöffnung 3 ausgestoßen, und die Einstellung der Öffnung eines Ventils (nicht dargestellt), das zwischen der Entladegas-Ausstoßöffnung 3 und der Vakuumpumpe liegt, steuert den Ausstoßvorgang so, dass das Innere der Entladeröhre 1 auf etwa 667 Pa (5 torr) gehalten wird. Der Grund für das Strömenlassen des Entladegases von der Seite des Lichtübertragungsfensters 8 zur Entladeröhre 1 besteht darin, jede Anstrengung zu unternehmen, etwaiges innerhalb der Entladeröhre 1 durch das Entladeplasma 7 erzeugtes Material in der Richtung vom Lichtübertragungsfenster 8 weg auszustoßen, um so Verunreinigungsquellen des Fensters 8 zu reduzieren.
Ein Mikrowellen-Oszillator-Tuner 18 ist von zylindrischer Form und ist ein strukturelles Element des Mikrowellen-Oszillators, welcher die Einstellung bzw. Anpassung der elektromagnetischen Feldverteilung der Mikrowelle innerhalb des Mikrowellen-Oszillators gestattet; sein Innendurchmesser ist die Umhüllung der Entladeröhre 1. Ferner ist sein Aufbau so, dass er eingesetzt werden kann, während er in der Axialrichtung von der Endfläche des Mikrowellen-Oszillators 4 ausgerichtet ist und in der Axialrichtung gleiten kann, während er die elektrische Leitfähigkeit mit dem Mikrowellen-Oszillator 4 beibehält. Der Tuner 18 ist aus Kupfer oder Messing hergestellt, dem gleichen Material, das für den Mikrowellen-Oszillator 4 benutzt wird. Die Funktion des Tuners 18 besteht in der Einstellung bzw. Anpassung der elektromagnetischen Feldverteilung der Mikrowelle, die Plasma 7 basierend auf der Tiefe, bis zu der sie eingeführt ist, erzeugt, um die Erzeugung von Mikrowellen im Zentrum 6 zu konzentrieren.
Als nächstes werden 2,45 GHz, 50 W-Mikrowellen von dem Mikrowellen-Zuführverbinder 5 zum Mikrowellen-Oszillator 4 geliefert. Die Zufuhr der Mikrowellen kann entweder kontinuierlich oder intermittierend sein. Ein Regler (nicht dargestellt) ist auf halbem Weg in der elektrischen Stromversorgungsleitung, welche die Mikrowellen-Energiequelle mit dem Mikrowellen-Oszillator verbindet, aufgenommen. Er kann so eingestellt werden, dass er die Mikrowellen-Energie zwischen der Energiequelle und der Last (Entladeplasma) steuert, um Entladeplasma 7 in der Entladeröhre 1 zu erzeugen. Von dem Entladeplasma 7 erregte Wasserstoffatome erzeugen Vakuum-UV-Lichtstrahlen mit den 103 nm- und 122 nm-Wellenlängen; sie passieren das Lichtübertragungsfenster 8 und gestatten eine Übertragung von abgestrahltem Lampenlicht 9 nach außen.
Zur Herstellung des Lichtübertragungsfensters 8 wurde MgF₂(Magnesiumfluorid)-Monokristall verwendet, und seine Kristallachse (c-Achse) wurde so ausgerichtet, dass sie senkrecht zur Oberfläche des Lichtübertragungsfensters war.
Eine Dünnfilmbeschichtung von Al₂O₃ (Tonerde) war vorher als Schutzschicht 10A auf die Oberfläche 10 des Lichtübertragungsfensters 8 aufgebracht worden, bevor es in der in 8 gezeigten Position installiert wurde. Die Beschichtung wurde mittels eines Ionenstrahl-Sputter-Schichtbildungsverfahrens aufgebracht.
Das Ionenstrahl-Schichtbildungsverfahren wird nun erläutert. Eine auf einen Druck von 0,1 Pa gehaltene Ar-Gasumgebung wurde als Schichtbildungsgas benutzt, und ein 3-Inch-∅-gesintertes Al₂O₃-Target (Reinheit 4N) wurde mittels einer Ar-Ionenbeschleunigungsspannung von 20 kV bombardiert, um das Al₂O₃ von dem Target auf die Oberfläche 10 des Lichtübertragungsfensters 8 zu sputtern, um die Schicht zu bilden. Die Schichtdickensteuerung wurde mittels eines Quarzoszillators durchgeführt, indem eine Kalibrierungskurve vorab erzeugt wurde, welche die Beziehung zwischen der Variationsgröße in der Anzahl von Quarzkristallschwingungen und der Dicke der Schicht detailliert darstellte. Dadurch wurde die Schicht auf die gewünschte Dicke durch entsprechendes Variieren der Schwingungszeit ausgebildet.
Das verwendete Beschichtungsverfahren zur Erzeugung der Schutzschicht 10A ist nicht auf das oben beschriebene Ionenstrahl-Sputter-Schichtbildungsverfahren beschränkt. Es ist möglich, Schichten der gewünschten Zusammensetzung durch geeignete Auswahl des Verfahrens und der Vorrichtung zu erzeugen. Andere mögliche Verfahren umfassen Gasphasenverfahren, wie Dampfabscheidung bzw. Aufdampfen, Ionenplattieren, CVD etc..
Der geeignete Schichtdickenbereich für die Schutzschicht 10A wird basierend auf der Situation der Oberflächenabdeckung für die optischen Systeme und die erforderliche Übertragung für das 122 nm-Vakuum-UV-Licht bestimmt.
13 zeigt die Änderungen in der Lichtübertragung gegenüber der Dicke der Schutzschicht, wenn eine Al₂O₃-Schicht als Lichtübertragungsfensterschicht aufgebracht wurde, im Vergleich zu dem Anfangsstadium, in dem keine Beschichtung vorhanden war. Wie in 13 gezeigt ist, ist der Grad, bis zu dem die Übertragungsrate des optischen Systems gegenüber derjenigen seines Anfangsstadiums gesenkt wurde, eine Funktion der Dicke der Schutzschicht. Am besten wird eine Schicht verwendet, die so dünn wie möglich ist, um diese anfängliche Verschlechterung niedrig zu halten. Andererseits muss die Schutzschicht, um wirksam zu sein, alle Oberflächen des optischen Systems abdecken. Allgemein hat der Dünnfilm keine gleichmäßige Schichtstruktur im Anfangsstadium seiner Aufbringung. Sie bildet inselartige Strukturen auf den optischen Oberflächen, um einen Teil der optischen Oberflächen freiliegen zu lassen, und es wurde bisher noch keine wirksame Schutzschicht erzielt.
Beobachtungen der Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM: Atomic Force Microscope) nach der Bildung der Schutzschicht ließen erkennen, dass es notwendig war, das Substrat bis zu einer Schichtdicke von 2 nm oder mehr zu bedecken, um eine flache, glatte dünne Schicht zu bilden.
Ferner stellte sich bei einer ziemlich dicken Schichtdicke von 20 nm oder mehr, die mit der Zielsetzung erzeugt wurde, die Oberfläche der optischen Systeme wirksam zu schützen, heraus, dass mit Schutzschichten von SiO₂ oder Al₂O₃, MgO, TiO₂ oder ZrO₂ infolge ihrer starken Absorption von Vakuum-UV-Licht die Eigenschaften des optischen Systems, auf dem sie eingesetzt wurden, wesentlich beeinträchtigt wurden, und dass die Beeinträchtigung und die von der Absorption durch die Schutzschicht selbst verursachte Hitze bewirken konnten, dass sie sich ablöste oder sich ein anderes Problem bei der Oberfläche des optischen Systems ergab. Da diese Absorption von Vakuum-UV-Licht in der Unfähigkeit optischer Systeme resultiert, wie vorgesehen zu funktionieren, ist bzw. wird die Obergrenze für die Schichtdicke auf 20 nm oder mehr, vorzugsweise 12 nm oder mehr, oder am besten 10 nm oder mehr festgesetzt.
In den vorliegenden Beispielen wurde eine Schutzschichtdicke von 6 nm angewandt. Bei dieser Dicke für die Schutzschicht betrug die Übertragungsrate für Licht mit 122 nm-Wellenlänge 50 Prozent der im Anfangsstadium angesetzten Übertragungsrate von 100 Prozent, in der keine Schutzschicht eingesetzt wurde.
Ferner wurde eine Photodiode 12, um die Lampenlichtemissionen 9 zu empfangen, als Mittel zur Überwachung der Lichtausgabe der Lampe positioniert.
Als nächstes wurde die Photodiode 12 zur Messung etwaiger Änderungen in der Größe bzw. Menge der Lichtausgabe von der mit Mikrowellen erregten Wasserstoff-Ultraviolettlampe mit dem oben beschriebenen Aufbau benutzt.
Zunächst wurden die Wasserstoffatome durch Plasma 7 erregt und Licht wurde in dem Vakuum-UV-Licht-Wellenlängenbereich etwa 90 Stunden lang (etwa 4 Tage) erzeugt. Als nächstes wurde zur Kontrolle das Lichtübertragungsfenster 8 gegen eines ohne Schutzschicht ausgetauscht und der Test wurde wiederholt und die Ergebnisse verglichen.
Die folgende Bewertungsmethode wurde angewandt. Die anfängliche Übertragungsrate des Lichtübertragungsfensters war T₁ (im Fall des Kontrollversuchs, T₀ = T₁), und dann nach der Verwendung, das heißt 90 Stunden später, war die reduzierte Übertragungsrate T₂, und dann wurde die Änderung in der Über tragungsrate ΔT [%] berechnet als: ΔT = (T1 – T2)/90 Gleichung (1)
Ferner wurde das Änderungsverhältnis als Verschlechterungsrate K [%/Std] ausgedrückt, wie es in der folgenden Gleichung definiert ist. K = 100·ΔT/T0 Gleichung (2)
Es war möglich, die Verschlechterung bzw. Beeinträchtigung des Lichtübertragungsfensters 8 schnell zu quantifizieren und zu bewerten, indem die Größe der Verschlechterungsrate K verglichen wurde. Natürlich war, je niedriger der Wert von K war, die Verschlechterung des Lichtübertragungsfensters umso geringer, seine Lebensdauer umso länger und sein erforderlicher Austausch umso weniger häufig.
Die Ergebnisse zeigten an, dass wenn eine Schutzschicht (Al₂O₃) auf dem Lichtübertragungsfenster 8 verwendet wurde, die Verschlechterungsrate K 0,04%/Std betrug. Andererseits betrug die Verschlechterungsrate K bei der Kontrollvorrichtung 0,46%/Std, also etwa das 11fache des beschichteten Fensters. Basierend auf dieser Auswertung fanden wir, dass die Schutzschicht 10A auf dem Lichtübertragungsfenster 8 einen Verbesserungsfaktor von etwa 10 in der Lebensdauer im Vergleich zu fehlender Beschichtung lieferte.
Um die Wirkungen der Schutzschicht 10A klarzustellen, werden die Ergebnisse einer XPS-Oberflächenanalyse für das mit Al₂O₃ als Schutzschicht 10A beschichtete Lichtübertragungsfenster 8 sowohl vor als auch nach seinem Einsatz in einer Lampe erklärt, und zur Kontrolle auch für die Oberfläche eines Lichtübertragungsfensters ohne Schutzschicht vor und nach seinem Einsatz in einer Lampe.
9 zeigt die Analyseergebnisse für die Kontrolle vor dem Einsatz. Die Horizontalachse ist die Argonzeit, deren Größe proportional zu der Sputtertiefe ist. Sputterzeit Null min gibt das Anfangsstadium vor dem Sputtern an und entspricht der Analyse der Kristalloberfläche. Im allgemeinen reflektiert bei einer XPS-Analyse, die für das Anfangsstadium erhaltene Information die natürliche Verunreinigung der Substanzen, erfasst als die Adsorptionskomponente für Kohlen stoff, Sauerstoff oder dergleichen. Da jedoch praktisch keine bestand, wurde sie aus den Analysedaten weggelassen. Die Vertikalachse drückt das Verhältnis aus, mit dem die verschiedenen Elemente durch XPS ermittelt wurden.
9 zeigt, dass vor dem Einsatz kein Fluorverlust am Kontrollfenster bestand. Obwohl Spurenmengen an Sauerstoff an der Oberfläche gefunden wurden, wurde dessen Existenz innerhalb des Kristalls nicht festgestellt. Der Sauerstoff in dem Verunreinigungsmaterial, das natürlich an der Oberfläche adsorbiert wird, ergab sich aus dem Argon-Sputtern, das ihn in den Kristall hineintrieb. Demgemäß sollte hinsichtlich des Vorhandenseins oder des Fehlens von Sauerstoff in dem Kristall die in 9 gezeigte Sauerstoffmenge als die geringe Menge interpretiert werden, die als Basis für die Kalibrierung anderer Analyseergebnisse benutzt werden sollte.
10 zeigt die Analyseergebnisse für die Kontrolle nach dem Einsatz. 10 gibt deutlich einen Fluorverlust aus der Oberfläche der Kontrollprobe an. Ein signifikantes Vorhandensein von Sauerstoff wurde ebenfalls auf der gleichen Tiefe im Kristall wie die Fluormangelschicht festgestellt. Somit zeigte in dem Kontrollbeispiel nach dem Einsatz die Oberflächenschicht sowohl einen F-Mangel als auch Oxidation. Dieser Oberflächenzustand war der Hauptgrund für die Reduktion der Übertragungsrate für das 122 nm-Wellenlängen-Vakuum-UV-Licht.
Als nächstes wurde eine Schutzschicht 10A aus Al₂O₃ bis auf eine Dicke von annähernd 5 nm auf das Lichtübertragungsfenster 8 aufgebracht, und 11 zeigt die Analyseergebnisse vor dessen Einsatz. Die Erklärung der Graphenachsen und der Interpretationen sind die gleichen wie für 9 und werden nicht näher erläutert. Al (Aluminium), eine der Schutzschichtkomponenten, wurde dem Schema neu hinzugefügt. 11 zeigt, dass sich synchrone Fluor- und Magnesiumprofile von der Oberfläche nach innen erstrecken, und dass die synchronen Profile von Sauerstoff und Aluminium sich von der Oberflächenschicht nach innen erstrecken. Somit besteht der Grund, warum die XPS-Analyse Signale von Fluor und aus Magnesium von der Oberflächenschicht trotz der Schutzschichtbeschichtung entdeckte, darin, dass die Auflösung der XPS-Analyse in der Tiefenrichtung mehrere nm beträgt. Auch wenn versucht wird, die ideale Grenzverteilung zu messen, ist diese in dem Profil nicht als Schritt bzw. Stufe zu erkennen, da die Breite der Auflösung unvermeidlich breit in der Form ist. Ferner bleiben hinsichtlich der Schutzschichtdicke von 5 nm, falls ein Sputtervorgang nicht etwa zwanzig Minuten lang durchgeführt wird, die MgF₂-Kristalle des Substrats freiliegend. Dies liegt an den Unterschieden im Wirkungsgrad des Sputtern zwischen Al₂O₃ und MgF₂. Bei näherer Betrachtung dieses Punktes war es möglich, die Bereiche zu erkennen, in denen die F- und Mg- sowie die O- und Al-Profile synchron waren.
Schließlich zeigt 12 die Analyseergebnisse nach dem Einsatz des Lichtübertragungsfensters 8, das mit einer etwa 6 nm-Dicke von Al₂O₃ als Schutzschicht beschichtet war. Die Erklärung der Graphenachsen und Interpretationen sind die gleichen wie bei 9 und eine weitere Erläuterung fällt weg. 12 zeigt, dass die Profile des Sauerstoffs und Aluminiums von der Oberfläche nach innen synchron waren. Ferner bestätigte sich das Vorhandensein von Sauerstoff innerhalb des Kristalls nicht. Dies stellt klar, dass das Eindringen von Sauerstoff ins Innere des Kristalls durch die Schutzschicht verhindert wurde.
Andererseits waren die Profile des Fluors und Magnesiums von der Oberfläche ins Zentrum nicht synchron. Es war klar, dass Fluor in das Al₂O₃ der Schutzschicht 10A eingedrungen war. Infolge des Vorhandenseins der Schutzschicht 10A wurde das Fluor, obwohl es innerhalb der Schutzschicht vorhanden war, nicht gänzlich verdrängt, um einen Fluormangel zu verursachen, wie es im Kontrollbeispiel der Fall war, was es leicht macht, sich den Mechanismus vorzustellen, mittels dem Sauerstoff im Austausch eindringt. Tatsächlich erklärt sich die Bildung einer Fluor-Mangelschicht und einer Oxidschicht, wie sie anhand von 10 beschrieben ist, einfach, wenn der Fall ohne Schutzschicht in 12 in Betracht gezogen wird.
Wie oben erklärt wurde, ist es durch Verwendung der Schutzschicht 10A als Beschichtung auf dem Lichtübertragungsfenster 8 möglich, die Bildung einer Fluormangelschicht zu unterdrücken und das Vorhandensein von Sauerstoff (einer Oxidschicht) innerhalb des Kristalls zu verhindern oder zu auszuschalten, und ferner lieferte im Vergleich zum Kontrollbeispiel das Lichtübertragungsfenster mit der Schutzschichtbeschichtung eine Verschlechterungsrate K, die um einen Faktor von etwa 10 niedriger war.
Ferner beträgt bei Verwendung einer SiO₂-Beschichtung (Schichtdicke 6 nm) als Schutzschicht bei dem Lichtübertragungsfenster 8 die Verschlechterungsrate K 0,06%/Std. Andererseits betrug die Verschlechterungsrate K des Kontrollbeispiels 0,46%/Std. Dies bestätigt, dass ein ähnliches Niveau des Schutzes auch bei einem Einsatz von SiO₂ in der Schutzschicht erzielt wurde, und zwar eine etwa 8-fache Verbesserung in der Verschlechterungsrate K.
Ferner können wie bei Al₂O₃ Metalloxide wie MgO, TiO₂, ZrO₂, die unter einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht eine geringere Entfärbung zeigen als Fluorverbindungen, ebenfalls als Materialien für die Schutzschichten benutzt werden.
Wie oben beschrieben wurde, haben optische Systeme gemäß der Erfindung mit darauf ausgebildeten Schutzschichten selbst optische Eigenschaften (zum Beispiel, falls es sich um ein Lichtübertragungsfenster handelt, wäre es die Lichtübertragungsrate), die schlechter sind als die im Zustand vor der Beschichtung, also ohne die Schutzschicht. Es ist jedoch nicht angemessen, diese optischen Systeme allein zu bewerten, sondern es ist wichtig, sie als Teile zu bewerten, die in eine Lichtausgabevorrichtung insgesamt als Teil eines eine Lichtausgabevorrichtung anwendenden Systems aufgenommen sind. Das heißt, es ist möglich, die vorher erwähnte anfängliche Nachteiligkeit der optischen Systeme in der optischen Ausgabevorrichtung auszugleichen, und die Lichtausgabe an die für das System erforderlichen Spezifikationen anzupassen, was es ermöglicht, die Ausgabe der Lichtausgabevorrichtung beizu behalten und ihre Lebensdauer zu verlängern, um dadurch die Zielsetzung zu erfüllen, Lichtausgabevorrichtungen bereitzustellen, bei denen die Wartungshäufigkeit und die Wartungskosten für ihre Lichtübertragungsfenster etc. wesentlich geringer sind.
Ferner ist der Einsatz dieser Erfindung bei in Messanwendungen verwendeten Lichtquellen besonders günstig. Ein Beispiel ist die Durchführung einer Langzeitüberwachung o. dgl. der Entstehung von Umweltverschmutzungen. Wenn diese Art von Messung vorgenommen wird, ist allgemein der Pegel des Signals und die Empfindlichkeit der Messung proportional zum Quadrat der Lichtausgabe. Wie oben beschrieben wurde, wurde im Stand der Technik die Messempfindlichkeit der Lichtquelle durch Verbessern der Ausgabe der Lichtquelle verbessert, die resultierende Verschlechterung der optischen Systeme machte es jedoch notwendig, die Verschlechterung des optischen Systems zu stoppen, welche die Lichtausgabe reduzierte und die Empfindlichkeit der Messung minderte. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete optische System verlängert die Lebensdauer der Lichtausgabevorrichtung und hält Ausgabeeigenschaften aufrecht, die über längere Zeit stabiler sind, um das vorgenannte Problem zu lösen, und um eine Lichtausgabevorrichtung bereitzustellen, die zum Einsatz bei einer Langzeit-Umweltüberwachung geeignet ist.
Die obigen Implementierungsbeispiele verwendeten das Beispiel des Lichtübertragungsfensters, es kann aber auch genauso gut auf Vorrichtungen angewandt werden, die Lichtreflexionsspiegel (Fenster) benutzen. Beispiele solcher Lichtreflexionsspiegel sind die in Laser-Oszillatoren eingesetzten Reflexionsspiegel und in Lampen eingesetzten Fokussierspiegel. Somit könnten die Lichtreflexionsspiegel in ähnlichen Implementierungsbeispielen verwendet werden.
Wirkungen der Erfindung
Wie oben festgestellt wurde, ermöglicht die Erfindung, die Verschlechterung optischer Systeme, insbesondere infolge eines Kohlenstoffaufbaus, welcher die Über tragungsrate reduziert und die Lebensdauer der vorgenannten Systeme und optischen Elemente bestimmt, zu verhindern oder abzustellen, um dadurch die Häufigkeit von Wartungsarbeiten zum Austausch optischer Systeme sowie Betriebskosten bei verschiedenartigen optischen Vorrichtungen zu reduzieren, welche Licht mit hoher Photonenenergie, beispielsweise herkömmliches ultraviolettes Licht oder Vakuum-UV-Licht verwenden, wenn sie in Systemen eingesetzt werden, die optische Elemente mit einem oder mit einer Kombination von optischen Effekten verwenden, wie Übertragung, Brechung, Reflexion, Spektrumserzeugung, Interferenz, beispielsweise wenn die übertragenden oder reflektierenden optischen Elemente innerhalb der Grenzen einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone positioniert sind, in der zersetzbare organische Bestandteile eine Verschlechterung optischer Elemente verursachen können, und zwar entlang des Lichtwegs in der Vakuumzone für eine Brechung, Reflexion, Spektrumserzeugung, Übertragung, oder eine Analyseposition zur Einstellung optischer Elemente oder anderer einer Bestrahlung ausgesetzter Oberflächen, beispielsweise Behälter, Dichtungsmaterialien und Positionseinstellvorrichtungen für optische Elemente vorhanden sind, beispielsweise Belichtungsvorrichtungen (Schrittschaltvorrichtungen) und Farbplatten, die in der Halbleiterindustrie bei Vakuum-UV-Licht eingesetzt werden.
Im einzelnen ist es durch Verhindern oder Vermindern der Verschlechterung der Lichtübertragungsrate bei optischen Systemen, die durch den Aufbau von Kohlenstoff auf ihren Oberflächen verursacht wird, möglich, die Verschlechterung der optischen Systeme zu verhindern oder zu vermindern und dadurch die Häufigkeit von Wartungsarbeiten zum Austausch etc. von optischen Systemen zu reduzieren und die Betriebskosten zu senken.
Ferner ist es durch Verhindern oder Vermindern des Aufbaus von Kohlenstoff auf bestrahlten Oberflächen und Emissionsflächen in optischen Systemen entlang des Strahlengangs in einer Vakuumzone möglich, die Lebensdauer stromabwärtiger Vorrichtungen zu verlängern und die Zuverlässigkeit der Vorrichtungen zu verlängern.
Da es die Erfindung ermöglicht, die Minderung der optischen Übertragungsrate infolge von Kohlenstoffaufbau am Lichtübertragungsfenster und anderen optischen Elementen zu verhindern oder zu vermindern, kann das erforderliche Wartungsintervall für die Reinigung oder den Austausch des Lichtübertragungsfensters etc. verlängert werden, um dadurch zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Vorrichtung beizutragen und Wartungskosten zu verringern.
Indem der Aufbau von Kohlenstoff auf bestrahlten Oberflächen und Emissionsflächen von optischen Elementen sowie von in Vakuumzonen eingesetzten optischen Elementen, in denen eine Lichtausgabevorrichtung Licht ausstrahlt, verhindert oder gemindert wird, ist es ferner möglich, die Lebensdauer stromabwärtiger Vorrichtungen zu verlängern und die Zuverlässigkeit der Vorrichtungen zu verbessern. Ferner kann das Verfahren der Erfindung dazu verwendet werden, optische Elemente zu bestrahlen, die vorher durch Kohlenstoffaufbau beeinträchtigt wurden, und diese beeinträchtigten optischen Elemente zu bestrahlen und sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückzuversetzen.
Somit wird durch den Einsatz dieser Erfindung der Wartungszyklus für die Reinigung oder den Austausch optischer Elemente, die in den vorgenannten Vakuumzonen eingesetzt werden, verlängert, um dadurch zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Vorrichtungen beizutragen und die Wartungskosten zu reduzieren.
Da die Erfindung nach obiger Beschreibung es ermöglicht, die Beeinträchtigung optischer Elemente zu verhindern oder zu vermindern und den Wartungszyklus, mit dem sie ausgetauscht werden müssen, zu verlängern, trägt sie zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Vorrichtungen und zur Verringerung der Wartungskosten bei.
Ferner ist es durch Aufnahme optischer Systeme gemäß der Erfindung in Anlagen, die Licht verwenden, möglich, die Lebensdauer solcher Anlagen zu verlängern und stabile Ausgabeeigenschaften der Anlage über lange Zeit sicherzustellen.

Claims

Vorrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer optischer Eigenschaften eines optischen Systems, das im Strahlengang eines Ausgangslichtstrahls liegt, wobei das optische System in einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone vorgesehen ist, in der organische Bestandteile zersetzt werden können, und eine Beeinträchtigung durch auf Beleuchtungsflächen des optischen Systems, welche Oberflächen der Vakuumzone zugewandt sind, abgelagerten Kohlenstoff verursacht wird, und die Vorrichtung umfasst: ein Mittel zum Erzeugen der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisende Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist, ein Mittel zum Erzeugen von negativen Ionen oder Radikalen in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, und ein Mittel zum Erleichtern einer Oxidationsreaktion zwischen den negativen Ionen oder Radikalen und dem Kohlenstoff in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, wobei die Vorrichtung den angesammelten Kohlenstoff, der sich auf der Beleuchtungsfläche ablagert, durch die Oxidationsreaktion entfernt oder reduziert und dadurch eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des optischen Systems verhindert oder vermindert oder die optischen Eigenschaften verbessert.
Vorrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer optischer Eigenschaften eines optischen Systems das im Strahlengang eines Ausgangslichtstrahls liegt, wobei das optische System in einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone vorgesehen ist, in der organische Bestandteile zersetzt werden können, und eine Beeinträchtigung durch auf Beleuchtungsflächen des optischen Systems, welche Oberflächen der Vakuumzone zugewandt sind, abgelagerten Kohlenstoff verursacht wird, und die Vorrichtung umfasst: ein Mittel zum Erzeugen der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisende Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist, ein Mittel zum Erzeugen eines Stroms eines Sauerstoffatome enthaltenden Gases wie Wassergas oder Oxidgas in der annähernd Vakuum aufweisenden Zone, und ein Mittel zum Zuführen von Energie in die annähernd Vakuum aufweisende Zone, um eine Kohlenstoff-Oxidationsreaktion zwischen dem Sauerstoffatome enthaltenden Gas und dem Kohlenstoff zu bewirken, wobei die Vorrichtung den angesammelten Kohlenstoff, der sich auf der Beleuchtungsfläche ablagert, durch die Oxidationsreaktion entfernt oder reduziert und dadurch eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des optischen Systems verhindert oder vermindert oder die optischen Eigenschaften verbessert.
Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer optischer Eigenschaften eines optischen Systems, das im Strahlengang eines Ausgangslichtstrahls liegt, wobei das optische System in einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone vorgesehen ist, in der organische Bestandteile zersetzt werden können, und eine Beeinträchtigung durch auf Beleuchtungsflächen des optischen Systems, welche Oberflächen der Vakuumzone zugewandt sind, abgelagerten Kohlenstoff verursacht wird, und das Verfahren umfasst: Erzeugen einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisende Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist, Erzeugen von negativen Ionen oder Radikalen in der annähernd Vakuum aufweisenden, Zone, und Entfernen oder Reduzieren des angesammelten Kohlenstoffs, der sich an der Beleuchtungsfläche ablagert, durch Reagierenlassen des abgelagerten Kohlenstoffs mit den negativen Ionen oder Radikalen, und dadurch Verhindern oder Vermindern einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften oder Verbessern der optischen Eigenschaften des optischen Systems.
Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer optischer Eigenschaften eines optischen Systems, das im Strahlengang eines Ausgangslichtstrahls liegt, wobei das optische System in einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone vorgesehen ist, in der organische Bestandteile zersetzt werden können, und eine Beeinträchtigung durch auf Beleuchtungsflächen des optischen Systems, welche Oberflächen der Vakuumzone zugewandt sind, abgelagerten Kohlenstoff verursacht wird, und das Verfahren umfasst: Erzeugen einer annähernd Vakuum aufweisenden Zone, um eine Oxidationsreaktion von Kohlenstoff anzuregen, wobei die annähernd Vakuum aufweisende Zone den Beleuchtungsflächen des optischen Systems zugewandt ist, und Zuführen von Energie während eines Zuführens eines Sauerstoffatome enthaltenden Gasstroms, wie Wassergas oder Oxidationsgas, in die annähernd Vakuum aufweisende Zone, wodurch der angesammelte Kohlenstoff, der sich auf der Beleuchtungsfläche ablagert, durch Anregen der Oxidationsreaktion des angesammelten Kohlenstoffs mit der zugeführten Energie entfernt oder reduziert wird und dadurch eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des optischen Systems verhindert oder vermindert wird oder die optischen Eigenschaften verbessert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die negativen Ionen oder Radikale instabile chemische Keime ("seeds") sind, die Sauerstoffatome enthalten, beispielsweise OH-Radikale, OH-Ionen, Ozon, O₂-Ionen, O-Radikale.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Sauerstoffatome enthaltenden Gase Wasserdampf, Sauerstoff, Wasserstoffper oxid, Ozon oder Gemische dieser Gase mit inaktiven Gasen einschließlich Luft sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das optische System nicht nur aus Lichtübertragungs- oder Reflexionselementen bestehende optische Elemente umfasst, die sich an den Grenzen der annähernd Vakuum aufweisenden Zone befinden, sondern auch optische Komponenten, die optische Elemente zur Beugung, Brechung, Spektrumserzeugung, und Übertragung umfassen, die im Strahlengang innerhalb der Vakuumzone liegen, sowie die durch das abgestrahlte Licht einer Oberflächenbehandlung zu unterziehenden optischen Gegenstände und Positionseinstell- und Befestigungsmechanismen, Behälter und Dichtungen der optischen Elemente oder der optischen Gegenstände.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Lichtstrahl, der den Strahlengang bildet, normales ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 380 nm oder darunter ist, oder Vakuum-UV-Licht mit einer Wellenlänge von 200 nm oder darunter, und dass das das ultraviolette Licht ausgebende oder im Strahlengang des ausgegebenen Lichts liegende optische System ein optisches Material ist, das eine Fluorid-Verbindung wie Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Bariumfluorid, Aluminiumfluorid, Cryolit, Thyolit oder andere Fluoridverbindungen, Metallfluoride wie Lanthanumfluorid, Cadmiumfluorid, Neodymiumfluorid, Yttriumfluorid oder hochreine Oxide wie Kunst-Quarzglas oder Saphir oder Kombinationen hiervon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Lichtstrahl, der den Strahlengang bildet, eine spezifische Wellenlänge im Vakuum-UV-Licht-Wellenlängenbereich besitzt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Lichtstrahl, der den Strahlengang bildet, Vakuum-UV-Licht mit einer hohen Photonenenergie ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn das Sauerstoffatome enthaltende Gas Sauerstoffgas ist, der Bereich zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert für den Gas-Partialdruck auf einen Wert von 0,27 mPa bis 2,7 Pa eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn das Sauerstoffatome enthaltende Gas Wasserdampf ist, der Bereich zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert für den Wasserdampf-Partialdruck auf einen Wert von 0,67 mPa bis 2,7 Pa eingestellt wird.
Optisches System mit Fluoridverbindungen, das in einer Umgebung vorgesehen ist, welche Vakuum-UV-Licht oder Plasmalicht ausgesetzt ist, das eine höhere Photonenenergie als eine Absorptionswellenlänge eines Grundmaterials des optischen Systems aufweist, wobei eine Schutzschicht aus SiO₂ oder Metalloxiden mit einer Schichtdicke von 2–20 nm mindestens an der Lichtbestrahlungsseite (Innenseite) des optischen Systems ausgebildet ist, um das Herauslösen der Fluoratome aus der Oberfläche des optischen Systems zu verhindern.
Optisches System mit Fluoridverbindungen, das in einer Umgebung vorgesehen ist, welche Vakuum-UV-Licht oder Plasmalicht ausgesetzt ist, das eine höhere Photonenenergie als eine Absorptionswellenlänge eines Grundmaterials des optischen Systems aufweist, wobei eine Schutzschicht aus SiO₂ oder Metalloxiden mit einer Schichtdicke von 2–20 nm mindestens an der Lichtbestrahlungsseite (Innenseite) des optischen Systems ausgebildet ist, um die Oxidation an der Oberfläche des optischen Systems zu verhindern.
Optisches System mit Fluoridverbindungen mit Oberflächen, die Plasma gegenüberliegen und ausgesetzt sind, wobei das optische System in einer optischen Anlage installiert ist, welche eine Innenzone aufweist, in der das Plasma existiert, wobei eine 2 nm–20 nm Schutzschicht eines hochplasmaresistenten Materials auf der Oberfläche der Fluoridverbindung, die dem Plasma ausgesetzt ist, ausgebildet ist.
Optisches System nach Anspruch 13, 14 oder 15, wobei das optische System ein Monokristall-Fluoridmaterial umfasst, dessen Kristallachse (c-Achse) in der Richtung der Lichtstrahlung orientiert ist, und die senkrechte Oberfläche der Schutzschicht mit SiO₂ oder Metalloxiden beschichtet ist.
Optisches System nach Anspruch 13, 14, 15 oder 16, wobei die Schutzschicht aus Metalloxiden aus Al₂O₃, MgO, TiO₂ oder ZrO₂ ausgewählt ist.
Optisches System nach Anspruch 13, 14, 15, 16 oder 17, wobei die Schutzschicht durch ein Ionenstrahl-Sputterverfahren oder Plasma-CVD gebildet ist.
Verfahren zur Verwendung einer optischen Vorrichtung mit folgenden Schritten: vorheriges Aufbringen einer Schutzschicht von 2 nm–20 nm eines Metalloxids, das aus SiO₂ oder Al₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂ ausgewählt ist, auf ein optisches System, wobei die Schicht das Herauslösen eines strukturellen Elements aus der Oberfläche des Grundmaterials oder die Oxidation der Oberfläche des Grundmaterials durch die Bestrahlung von Vakuum-UV-Licht im Verlauf der Zeit oder durch das Ausgesetzsein des Grundmaterials gegenüber Plasma verhindert, und Aufnehmen des optischen Systems in eine gewünschte Vorrichtung, die Vakuum-UV-Lichtquellen oder Plasmalichtquellen hat, die eine höhere Photonenenergie als eine Absorptionswellenlänge eines Grundmaterials des optischen Systems aufweisen.
Verfahren zur Verwendung einer optischen Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Lichtquellen eine Lichtausgabe liefern, um die anfängliche Verschlechterung des optischen Systems infolge der Schutzschicht auszugleichen, und das optische System im Strahlengang der Lichtquelle vorgesehen ist, um die Verschlechterung optischer Eigenschaften nach der anfänglichen Verschlechterung der Vorrichtung zu verhindern.