DE102010060661A1

DE102010060661A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von ultraviolettem Licht

Info

Publication number: DE102010060661A1
Application number: DE102010060661A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ulrich Andreas; Thomas Dandl; Dr. Wieser Jochen; Thomas Heindl
Original assignee: OPTIMARE HOLDING GmbH; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: DANDL, THOMAS, DE; EXCITECH GMBH, DE; HEINDL, THOMAS, DE; ULRICH, ANDREAS, DR.RER.NAT., DE
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-24
Also published as: WO2012066128A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von ultraviolettem Licht vorgeschlagen. Die Vorrichtung verfügt über ein Emissionsgebiet (14) für das ultraviolette Licht, in dem sich ein Excimer bildendes Gas befindet. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine Elektronenquelle (2) zum Erzeugen freier Elektronen, die in das Emissionsgebiet (14) emittierbar sind und mit denen das Gas anregbar ist. Das Emissionsgebiet ist mit Hilfe einer Mikrowellenquelle (11, 12) mit einem Mikrowellenfeld (13) beaufschlagbar, wobei die Leistung des Mikrowellenfelds (13) die Leistung eines von der Elektronenquelle (2) erzeugten Elektronenstrahl (8) übersteigt und wobei das ultraviolette Licht wenigstens teilweise im Bereich des ersten Excimerkontinuums entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von ultraviolettem Licht mit:

– einem Emissionsgebiet für das ultraviolette Licht, in dem sich ein Excimere bildendes Gas befindet,
– einer Elektronenquelle zum Erzeugen freier Elektronen, die in das Emissionsgebiet emittierbar sind und mit denen das Gas anregbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erzeugen von ultraviolettem Licht sowie eine Verwendung der Vorrichtung zum Erzeugen von ultraviolettem Licht.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der US 62 82 222 B1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren wird ein von einer Elektronenstrahlquelle erzeugter Elektronenstrahl dazu verwendet, in einer Emissionskammer ein Excimere bildendes Gas anzuregen und dadurch Licht im Vakuum-Ultraviolett(= VUV)-Bereich zu erzeugen. Dieser Wellenlängenbereich umfasst ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge unter 200 nm. Das in der Emissionskammer erzeugte Licht kann dann durch ein optisches Fenster aus der Emissionskammer austreten.
Es sei angemerkt, dass unter einem Excimer im engeren Sinne ein angeregtes zweiatomiges Molekül verstanden wird (excimer = excited dimer). Im weiteren Sinn wird unter einem Excimer ein hetero-dimeres Molekül aus zwei Teilchen verstanden. Die Besonderheit von Excimeren ist, dass sich wenigstens eines der beiden Teilchen in einem angeregten Elektronenzustand befindet.
Das Austrittsfenster ist häufig aus MgF₂, LiF oder Quarz gefertigt. Ein Austrittsfenster aus MgF₂ transmittiert Licht mit einer Wellenlänge ab etwa 110 nm. Als Excimer bildendes Gas, das in dem vorgenannten Wellenlängenbereich emittiert, eignet sich unter anderem Argon, das ein Emissionsmaximum im Bereich des so genannten zweiten Excimerkontinuums bei ungefähr 126 nm aufweist. Demzufolge wird häufig das zweite Excimerkontinuum von Argon zur Lichterzeugung genutzt.
Es besteht jedoch Bedarf an Lichtquellen mit noch kürzeren Wellenlängen, um beispielsweise Sprengstoffmoleküle ionisieren zu können, um diese anschließend in einem Massenspektrometer detektieren zu können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Licht im fernen Vakuum-Ultraviolett-Bereich zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei der Vorrichtung zum Erzeugen von ultraviolettem Licht ist das Emissionsgebiet mit Hilfe einer Mikrowellenquelle mit einem Mikrowellenfeld beaufschlagbar, das die Emission von ultraviolettem Licht bei ausgeschalteter Elektronenquelle aufrecht erhält.
Es hat sich gezeigt, dass die Intensität des emittierten ultravioletten Lichts sprunghaft ansteigt, wenn die Leistung des Mikrowellenfeldes allein ausreicht, um die Emission von ultraviolettem Licht aufrecht zu erhalten. Außerdem verschiebt sich der Schwerpunkt des Spektrums des emittierten Lichts deutlich zu kürzeren Wellenlängen.
Bei ausreichender Leistung des Mikrowellenfeldes wird der Elektronenstrahl daher nur noch zum Zünden der Hochfrequenz-Entladung im Emissionsgebiet benötigt. Nach dem Beginn der Hochfrequenz-Entladung kann die Elektronenquelle abgeschaltet werden. Die Emission von ultraviolettem Licht im Bereich des ersten und zweiten Excimerkontinuums wird bei ausgeschalteter Elektronenquelle dann durch das Mikrowellenfeld aufrecht erhalten.
Die Emission von ultraviolettem Licht kann allein durch das Mikrowellenfeld aufrecht erhalten werden, wenn durch das Mikrowellenfeld die Emissionsleistung im Bereich des ersten Kontinuums im Vergleich zu einer ausschließlichen Anregung durch die von der Elektronenquelle erzeugten freien Elektronen um mehr als das Doppelte gesteigert wird. Die Leistung des Mikrowellenfeldes ist dann so hoch, dass die Verluste von freien Elektronen im lichtemittierenden Emissionsgebiet vom Mikrowellenfeld selbst kompensiert werden können. Dies kann durch Wahl der Betriebsparameter der Mikrowellenquelle, insbesondere durch Einstellen der von der Mikrowellenquelle abgegebenen Leistung erreicht werden.
Mit dem Mikrowellenfeld kann auch erreicht werden, dass die Intensität des ultravioletten Lichts bei einer Wellenlänge im Bereich des ersten Excimerkontinuums wenigstens 70% der maximalen Intensität bei einer Wellenlänge im Bereich des zweiten Excimerkontinuums beträgt. Insofern entsteht das ultraviolette Licht zu einem erheblichen Teil im Bereich des ersten Excimerkontinuums, so dass sich der Schwerpunkt des Spektrums des emittierten ultravioletten Lichts zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt.
Für das Excimer bildende Gas kommen insbesondere Gase oder Gasgemische auf der Grundlage von Edelgasen wie He, Ne, Ar, Kr oder Xe in Frage.
Wenn das Excimer bildende Gas hauptsächlich Ar enthält, liegt das erste Excimerkontinuum im Bereich von 110 nm und reicht bis zur Resonanzlinie bei etwa 106 nm heran, so dass das ultraviolette Licht durch ein auf der Basis von LiF hergestelltes optisches Fenster austreten kann, das ab etwa 105 nm transmittiert.
Damit bei einer ausreichenden Anregungsdichte eine ausreichende Zahl von Excimeren entstehen kann, sollte der Gasdruck im Emissionsgebiet im Bereich von 0,1 bar bis 10 bar, insbesondere im Bereich von 0,5 bar bis 2 bar liegen
Bei der Elektronenquelle handelt es sich um eine Elektronenstrahlquelle, die einen Behälter aufweist, dessen Innendruck auf einen Wert unterhalb Atmosphärendruck einstellbar ist und in dem sich ein Elektronenemitter zum Erzeugen freier Elektronen befindet. Außerdem ist die Elektronenquelle mit einer Beschleunigungselektrode versehen, durch die die freien Elektronen in Richtung auf ein Eintrittsfenster der Emissionskammer beschleunigbar sind.
Das Eintrittsfenster kann insbesondere auf der Basis von Siliziumnitrid hergestellt sein. Ein derartiges Fenster transmittiert Elektronen mit einer kinetischen Energie ab etwa 5 keV. Daneben kommen für das Eintrittsfenster allgemein Materialien in Frage, die wenigstens eine Komponente aus der Gruppe der Oxide, Nitride und Karbide enthalten.
Das Emissionsgebiet der Vorrichtung ist in der Regel in einem Behälter angeordnet, der mit einem optischen Fenster und einer Mikrowellenelektrode zum Einkoppeln des Mikrowellenfeldes versehen ist. Die Mikrowellen-Elektrode kann sowohl innerhalb des Behälters als auch außerhalb des Behälters angeordnet sein.
Damit ultraviolettes Licht im fernen VUV-Wellenlängenbereich durch das optische Fenster hindurch treten kann, kann das Fenster auf der Basis von LiF hergestellt sein.
Bei dem Verfahren zur Erzeugung von ultraviolettem Licht wird das Emissionsgebiet mit einem Mikrowellenfeld beaufschlagt, durch das die Emission von ultraviolettem Licht auch nach dem Abschalten der Elektronenquelle aufrecht erhalten wird. Nach dem Beginn der selbstständig brennenden Hochfrequenzentladung kann dann der Elektronenstrahl ausgeschaltet werden.
Schließlich sei noch erwähnt, dass sich die Vorrichtung zum Erzeugen von ultraviolettem Licht insbesondere dazu eignet, Moleküle mit Hilfe von ultraviolettem Licht zu ionisieren.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 den Aufbau einer Vorrichtung zum Erzeugen von ultraviolettem Licht;
2 das Energieschema zur Veranschaulichung der Anregungsvorgänge, das auch die Potentialkurven von Excimeren und die energetische Lage von Vibrationszuständen zeigt;
3 eine Darstellung der ungefähren Elektronenenergieverteilung in Argon unter Elektronenstrahl-Anregung, zusätzlicher Hochfrequenz-Anregung und während einer Hochfrequenz-Entladung;
4 verschiedene Spektren von ultraviolettem Licht, das mit Hilfe der Vorrichtung aus 1 erzeugt worden ist;
5 ein Diagramm, in dem der Anstieg der Intensität des emittierten ultravioletten Lichts in Abhängigkeit von der Leistung eines zum Erzeugen eines Mikrowellenfeldes verwendeten Hochfrequenzgenerators dargestellt ist;
6 ein Diagramm, in dem das Verhältnis der Spektrumsanteile im Bereich des ersten und zweiten Excimerkontinuums in Abhängigkeit von der Leistung eines zum Erzeugen eines Mikrowellenfeldes verwendeten Hochfrequenzgenerators dargestellt ist; und
7 ein Diagramm, das Spektren von ultraviolettem Licht einer selbständig brennenden Hochfrequenz-Entladung und einer Elektronenstrahl-Anregung mit zusätzlicher Hochfrequenz-Anregung unter gleichen Umgebungsbedingungen zeigt.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen von ultraviolettem Licht. Die Vorrichtung 1 weist eine Elektronenstrahlquelle 2 auf, die über ein Gehäuse 3 verfügt. Bei dem Gehäuse 3 handelt es sich vorzugsweise um einen Vakuumbehälter. Der Druck im Inneren des Gehäuses 3 liegt unterhalb von Atmosphärendruck. Im Inneren des Gehäuses 3 befindet sich ein Elektronenemitter 4, der freie Elektronen emittiert. Bei dem Elektronenemitter 4 kann es sich beispielsweise um einen thermischen Elektronenemitter, insbesondere um einen Heizdraht, oder um einen Elektronenemitter mit Feldemission handeln.
Die von dem Elektronenemitter 4 freigesetzten Elektronen werden mit einer Hilfe einer Beschleunigungselektrode 5 und einer mit der Beschleunigungselektrode 5 und dem Elektronenemitter 4 verbundenen Spannungsquelle 6 in Richtung auf ein Eintrittsfenster 7 beschleunigt. Dadurch entsteht ein Elektronenstrahl 8, der auf das Eintrittsfenster 7 trifft. Die Spannungsquelle 6 erzeugt typischerweise eine Spannung zwischen 5 kV und 15 kV, so dass die beschleunigten Elektronen mit einer kinetischen Energie von 5 bis 15 keV auf das Eintrittsfenster 7 treffen. Das Eintrittsfenster 7 weist eine Membran 9 auf, die die einfallenden Elektronen des Elektronenstrahls 8 transmittiert. Diese Membran kann beispielsweise auf der Basis von SiN hergestellt sein. Die durch das Eintrittsfenster 7 hindurch getretenen Elektronen gelangen in eine Emissionskammer 10, in der das ultraviolette Licht erzeugt wird. Die Emissionskammer 10 grenzt unmittelbar an das Eintrittsfenster 7 an und enthält ein Excimere bildendes Gas oder Gasgemisch, insbesondere ein Edelgas wie Ne, Ar, Kr oder Xe. Der gesamte Gasdruck innerhalb der Emissionskammer 10 liegt im Bereich von 0,1 bar bis 10 bar, insbesondere im Bereich von 0,5 bar bis 2 bar.
In der Emissionskammer 10 ist ferner eine Mikrowellenelektrode 11 angeordnet, die dem Eintrittsfenster 7 gegenüberliegt. Falls die Emissionskammer 10 eine Wand aus einem nichtleitenden Material aufweist, kann die Mikrowellenelektrode 11 auch außerhalb der Emissionskammer 10 angeordnet sein. Die Mikrowellenelektrode 11 kann dann außerhalb der Emissionskammer 10 gegenüber der nicht-leitendenden Wand angeordnet sein. Weiterhin kann die Mikrowellenelektrode 11 auch einen Teil der Wand der Emissionskammer 10 bilden.
Die Mikrowellenelektrode 11 ist an einen Hochfrequenzgenerator 12 angeschlossen, der auch mit dem auf Masse liegenden Gehäuse 3 der Elektronenstrahlquelle 2 verbunden ist. Zwischen der Mikrowellenelektrode 11 und der gegenüberliegenden Wand der Elektronenstrahlquelle 2 bildet sich beim Betrieb des Hochfrequenzgenerators 12 ein Mikrowellenfeld 13 aus, das sich auch in ein Emissionsgebiet 14 erstreckt, das zwischen dem Eintrittsfenster 7 und der Mikrowellenelektrode 11 liegt. In diesem Emissionsgebiet 14 bilden sich aufgrund der einfallenden Elektronen angeregte Zustände der Edelgas-Atome aus, die zur Emission von ultraviolettem Licht führen. Das ultraviolette Licht kann die Emissionskammer 10 über ein optisches Fenster 15 verlassen.
In 2 ist ein Energieschema zur Veranschaulichung der Anregungsvorgänge dargestellt. Durch die Stöße mit freien Elektronen gelangen Edelgas-Atome von Grundzuständen 16 in höher energetische, angeregte Zustände 17. Von den angeregten Zuständen 17 gehen die Edelgas-Atome unter Emission von Photonen oder durch Stoßabregung in metastabile Zustände 18 über, die energetisch unterhalb der angeregten Zustände 17 liegen.
Das in 2 dargestellte Energieschema sei im Folgenden am Beispiel von Argon näher erläutert: Der Grundzustand 16 ist bei Argon gleich dem 3s-Niveau des ungebundenen Argon-Atoms. Die metastabilen Zustände 18 entsprechen den 4s-Niveaus und die angeregten Zustände den 4p-Niveaus.
Die niedrigste Anregungsenergie ΔE₁ für Argon beträgt ungefähr 10 eV für den Übergang vom Grundzustand 16 (3s-Niveau in Argon) in die metastabilen Zustände 18 (4s-Niveaus in Argon). Elektronen, die eine größere Energie als ΔE₁ besitzen, können Argon-Atome aus dem Grundzustand 16 in den metastabilen Zustand 18 bringen. Sonst kann bei einem Stoß nur kinetische Energie auf das Argon-Atom übertragen werden.
Weiterhin ist es möglich, dass Elektronen mit bereits angeregten Argon-Atomen zusammenstoßen und die bereits angeregten Argon-Atome weiter anregen. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Prozess ist allerdings sehr klein, denn die Konzentration höher angeregter Atome ist gering im Vergleich zur Konzentration von Atomen in metastabilen Zuständen 18, da die Lebensdauer angeregter Zustände sehr kurz (t ≈ 10 ns) ist. Höher angeregte Argon-Atome werden daher unter Aussendung von Photonen oder Stoßabregung zu den metastabilen Zuständen 18 kaskadieren.
Daneben kommt noch die Anregung aus dem metastabilen Zustand 18 in Betracht. Die Dichte der Argon-Atome im Grundzustand 16 ist einige Größenordnungen größer als die der Argon-Atome in metastabilen Zuständen 18. Bei Atmosphärendruck ist die Dichte der Argon-Atome im Grundzustand 16 etwa 3·10¹⁹ cm^–3, während die Dichte der Argon-Atome im metastabilen Zustand 18 typischerweise bei 10¹¹ cm^–3 liegt. Folglich trifft ein Elektron mit einer 10⁸ größeren Wahrscheinlichkeit auf ein Argon-Atom im Grundzustand 16 als auf ein Argon-Atom im metastabilen Zustand 18.
Wenn das Elektron auf ein Argon-Atom im Grundzustand 16 trifft, kann das Atom nur angeregt werden, wenn das Elektron eine Energie größer als ΔE₁ besitzt. Stößt ein Elektron mit einem Argon-Atom im metastabilen Zustand 18 zusammen, so kann dieses schon ab einer Elektronenenergie von mindestens ΔE₂ weiter angeregt werden.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass ein Argon-Ion Ar⁺ gebildet werden kann, wenn das Elektron eine Energie größer als ΔE₃ besitzt.
In 3 ist die ungefähre Energieverteilung von Elektronen in einem Gas bei Beschuss mit einem Elektronenstrahl 8 dargestellt. Eine Verteilungskurve 19 gibt die ungefähre Energieverteilung der Elektronen im Gas wieder, nachdem die Elektronen des Elektronenstrahls 8 mehrfache Stöße durchgeführt haben. Die primären Elektronen des Elektronenstrahls 8 werden dabei durch inelastische Stöße mit den Gasteilchen allmählich abgebremst. Bei den Stoßvorgängen werden auch sekundäre Elektronen freigesetzt. Die Verzweigung der kinetischen Energie auf viele Sekundärelektronen bewirkt, dass davon auszugehen ist, dass niederenergetische Elektronen zahlreicher vorhanden sind.
Durch das eingekoppelte Mikrowellenfeld 13 wird nun die Energieverteilung der freien Elektronen zu höheren Energien verschoben. In 3 ist die ungefähre Elektronenenergieverteilung bei Einkoppelung des Mikrowellenfeldes 13 durch die Verteilungskurven 20 und 21 dargestellt. Durch die Einkoppelung des Mikrowellenfeldes 13 nimmt die Anzahl der freien Elektronen mit einer kinetischen Energie größer ΔE₁ und ΔE₂ zu, so dass mehr Edelgas-Atome in die angeregten Zustände 17 und die metastabilen Zustände 18 gelangen. Die Verteilungskurve 20 gibt dabei die Elektronenverteilung für den Fall einer Hochfrequenz-Anregung wieder, während die Verteilungskurve 21 die Elektronenverteilung bei einer selbständig brennenden Hochfrequenz-Entlandung beschreibt.
Die Edelgas-Atome in den metastabilen Zuständen 18 können nun mit Edelgas-Atomen in den Grundzuständen 16 Excimere bilden. In 2 sind typische Potentialkurven für derartige Excimere am Beispiel von Potentialkurven 22 bis 26 für Argon dargestellt. Die Potentialkurven 22 bis 26 geben jeweils die Bindungsenergie in Abhängigkeit vom internuklearen Abstand wieder.
Die Potentialkurve 22 gibt das repulsive Potential bei Annäherung zweier Edelgas-Atome im Grundzustand 16 wieder. Die Potentialkurven 23 und 24, beschreiben die Bindungsenergie bei Annäherung eines Edelgas-Atoms im metastabilen Zustand 18 an ein Edelgas im Grundzustand 16 und entsprechen jeweils einem Singulett- und einem Triplett-Zustand.
Die Potentialkurve 25 gibt beispielhaft das repulsive Potential bei Annäherung eines Edelgas-Atoms in einem der angeregten Zustände 17 an ein Edelgas-Atom im Grundzustand 16 wieder und die Potentialkurve 26 beschreibt die Bindungsenergie bei Annäherung eines ionisierten Edelgas-Atoms an ein Edelgas-Atom im Grundzustand.
Von besonderem Interesse sind die Potentialkurven 23 und 24, die zur Ausbildung von Excimeren führen. Die Potentialkurven 23 und 24 weisen jeweils bei kleinen Abständen einen repulsiven Abschnitt 27 auf. Zu größeren Abständen hin durchlaufen die Potentialkurven 23 und 24 ein lokales Minimum 28, um schließlich auf ein Energieniveau 29 anzusteigen, das dem ungebundenen Zustand entspricht. Die Differenz zwischen dem Energieniveau 29 und dem lokalen Minimum 28 entspricht der Dissoziationsenergie der Excimere.
Die Excimere können auch Schwingungen ausführen. In 2 sind beispielhaft zwei Energieniveaus 30 und 31 von zwei Vibrationszuständen eingezeichnet.
Wie bereits erläutert, werden durch die Elektronen des Elektronenstrahls 8 höher energetische angeregte Zustände 17 oder sogar ionische Zustände der Edelgas-Atome erzeugt. Die Edelgas-Atome in den höher angeregten Zuständen 17 kaskadieren dann, teilweise unter Aussendung von elektromagnetischer Strahlung, teils durch Stoßabregung, in energetisch tiefer gelegene Zustände. Die vier niedrigsten angeregten Zustände sind zwei metastabile Zustände 18 und zwei resonante Zustände. Die resonanten Zustände können unter Aussendung eines Photons in den Grundzustand 16 übergehen. Die Photonen, die beim Übergang vom resonanten Zustand in den Grundzustand ausgesendet werden, werden reabsorbiert und bilden somit einen quasi-metastabilen Zustand.
Ein Edelgas-Atom, das sich in einem metastabilen Zustand 18 befindet, kann sich mit einem Edelgas-Atom im Grundzustand 16 zu einem Excimer verbinden.
Das Excimer kann unter Aussendung eines Photons wieder in zwei Edelgas-Atome zerfallen. Wenn das Excimer aus dem höher angeregten Vibrationszustand zerfällt, dessen Energieniveau 30 im Bereich der Dissoziationsenergie der Excimere liegt, dann wird das Photon vor allem im Bereich des so genannten linken Umkehrpunkts (= Left Turning Point = LTP) oder im Bereich des rechten Umkehrpunkts emittiert, je nachdem, wie groß der internukleare Abstand zum Zeitpunkt des Zerfalls ist. Der Grund hierfür ist die Wellenfunktion des Excimers im Vibrationszustand. Denn die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des schwingenden Excimers ist im Bereich des linken Umkehrpunkts im Vergleich zur Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Bereich des Minimums 28 besonders groß und im Bereich des rechten Umkehrpunkts aufgrund des flachen Verlaufs der Potentialkurven 23 und 24 noch größer. Der rechte Umkehrpunkt entspricht aber dem ersten Kontinuum. In 2 sind ein Übergang 32 im Bereich des linken Umkehrpunkts und ein weiterer Übergang 33 im Bereich des ersten Kontinuums eingezeichnet. Bei den Übergängen 32 und 33 geht das Excimer von einem energetisch hoch gelegenen Vibrationszustand in den ungebundenen Zustand der Edelgas-Atome über.
Wenn das Excimer dagegen mit einem Übergang 34 von dem Vibrationszustand mit dem niederenergetischen Energieniveau 31 aus zerfällt, wird ein Photon im Bereich des so genannten zweiten Kontinuums emittiert. Das zweite Kontinuum entsteht somit durch Emission von Photonen aus niederenergetischen Vibrationszuständen, die energetisch in der Nähe der lokalen Minima 28 der Potentialkurven 23 und 24 liegen.
Aufgrund der zusätzlichen Anregung der freien Elektronen durch das Mikrowellenfeld 13, werden zunächst kaum mehr Excimere gebildet. Denn die Anzahl der Elektronen mit einer Energie von ΔE₁ wird durch die zusätzliche HF-Anregung kaum gesteigert. Durch das Mikrowellenfeld 13 werden jedoch Excimere, die sich in niedrigen Vibrationszuständen befinden, durch Elektronenstoß in höher gelegene Vibrationszustände gebracht. Dies führt zu einer Abschwächung des zweiten Kontinuums und zu einer Verstärkung des ersten Kontinuums.
Falls die Leistung des Mikrowellenfeldes 13 so weit gesteigert wird, dass die Lichtleistung des emittierten Lichts im Bereich des ersten Kontinuums das Zweifache bis Dreifache der Lichtleistung erreicht hat, die sich durch die Anregung mit dem Elektronenstrahl 8 ergibt, tritt anstelle der Hochfrequenz-Anregung eine selbständig brennende Hochfrequenz-Entladung, die nachfolgend näher beschrieben wird. Bei dieser Entladung ist das Mikrowellenfeld 13 in der Lage, die Rekombinationsverluste der freien Elektronen selbst zu kompensieren.
4 zeigt unter verschiedenen Bedingungen aufgenommene Spektren 35 bis 37. Die Intensität ist dabei mit einer logarithmischen Skala aufgetragen und gibt die VUV-Emission von Argon wieder. Die in 4 dargestellten Spektren 35 bis 37 wurden jeweils bei einem in der Emissionskammer 10 herrschenden Druck von 1,3 bar aufgenommen. Der Elektronenstrahl wurde mit einer Beschleunigungsspannung von 12 kV erzeugt und erreichte eine Stromstärke von 5 μA. Zum Erzeugen des Mikrowellenfelds 13 wurde der Hochfrequenzgenerator 12 bei einer Frequenz von 2,45 GHz betrieben.
Das Spektrum 35 entsteht, wenn das Emissionsgebiet 14 ausschließlich mit Hilfe des Elektronenstrahls 8 angeregt wird. Ein lokales Maximum 38 des Spektrums 35 liegt im Bereich des zweiten Kontinuums, während eine Schulter 39, die bezüglich des Maximums 38 bei kürzeren Wellenlängen erscheint, im Bereich des ersten Kontinuums liegt.
Solange die selbständig brennende Hochfrequenz-Entladung noch nicht gezündet hat, kann die im Bereich des ersten und zweiten Kontinuums emittierte Leistung im Vergleich zur reinen Elektronenstrahlanregung nicht gesteigert werden. Insbesondere kommt es hier nur zu einer Umverteilung vom zweiten auf das erste Kontinuum. Insofern ist die maximal erreichbare Lichtleistung durch die Leistung des Elektronenstrahls begrenzt. Die Leistung des Elektronenstrahls kann aber bei 0,5 mm² Folienfläche des Eintrittsfensters 7 nicht über 100 mW hinaus gesteigert werden, da ansonsten das Eintrittsfenster 7 überhitzt und zerstört werden kann. Erst mit dem Zünden der selbständig brennenden Hochfrequenz-Entladung kann die Lichtleistung im Bereich des ersten und zweiten Kontinuums erheblich gesteigert werden.
Es sei angemerkt, dass sich bei einer Absenkung des Druckes im Emissionsgebiet 14 in den Spektren zwischen erstem und zweitem Kontinuum ein deutliches Minimum ausbildet, das zur Abgrenzung von erstem und zweitem Kontinuum verwendet werden kann. Der Grund für die Ausbildung des Minimums liegt in der längeren Lebensdauer der höher angeregten Vibrationszustände, da diese Vibrationszustände weniger oft durch Stöße abgeregt werden, so dass die Vibrationszustände im Bereich der Dissoziationsenergie nur langsam relaxieren, was zu einer dichten Besetzung dieser Vibrationszustände führt.
Da sich allerdings bei den hier verwendeten Versuchsparametern das erste und zweite Kontinuum in den Spektren häufig nicht anhand eines lokalen Minimums unterscheiden lassen, kann vom Maximum 38 des zweiten Kontinuums ausgehend die Halbwertsbreite des zweiten Kontinuums bestimmt werden. Die Grenzwellenlänge zwischen ersten Kontinuum und zweiten Kontinuum soll dann diejenige Wellenlänge sein, die man erhält, wenn man von der Wellenlänge des Maximums 38 die halbe Halbwertsbreite des zweiten Kontinuums subtrahiert. Die Grenzwellenlänge soll insbesondere bei einem Druck von 1,3 bar im Emissionsgebiet 14 und bei reiner Elektronenstrahlanregung bestimmt werden. Das Licht, das mit einer Wellenlänge kleiner als die Grenzwellenlänge emittiert wird, soll dann dem ersten Kontinuum zugerechnet werden. Für Argon liegt die Grenzwellenlänge nach dieser Definition bei 121 nm.
Das Spektrum 36 gibt die Verteilung der Emission für den Fall wieder, dass das Emissionsgebiet 14 zusätzlich mit dem Mikrowellenfeld 13 beaufschlagt wird. Durch diese Hochfrequenz-Anregung wird das Maximum 38 kleiner und die Intensität im Bereich des zweiten Kontinuums nimmt ab. Die Intensität im Bereich des ersten Kontinuums steigt dagegen an, da die Schulter 39 zu größeren Intensitätswerten verschoben wird.
Das Spektrum 37 entsteht schließlich, wenn die Leistung des Mikrowellenfeldes 13 so groß geworden ist, dass der Elektronenstrahl 8 abgeschaltet werden kann. Bei den Versuchen war dies ab einer Leistung des Hochfrequenzgenerators von 4 W der Fall. In diesem Fall findet in dem Emissionsgebiet 14 eine selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung statt. Diese Hochfrequenz-Entladung zeichnet sich unter anderem durch im optischen sichtbaren Wellenlängenbereich emittierende, zusätzliche Emissionsgebiete zwischen dem Emissionsgebiet 14 und der Membran 9 sowie zwischen dem Emissionsgebiet 14 und der Mikrowellenelektrode 11 aus. Vermutlich handelt es sich dabei um stark ionisierte Bereiche ähnlich einem Kathodenfall oder Anodenfall einer Leuchtstoffröhre.
Die Hochfrequenz-Entladung zeichnet sich daneben durch eine Reihe weiterer Eigenschaften aus.
In 5 ist die Intensität des ersten Kontinuums bis zur Grenzwellenlänge von 121 nm in relativen Einheiten gegen die Leistung des Hochfrequenzgenerators 12 aufgetragen. Ein Datenpunkt 40 gibt die Intensität wieder, die sich erzielen lässt, wenn die Edelgas-Atome nur durch den Elektronenstrahl 8 angeregt werden. Weitere Datenpunkte 41 geben den Fall wieder, dass das Emissionsgebiet 14 zusätzlich mit dem Mikrowellenfeld 13 beaufschlagt wird, wobei die Leistung des Mikrowellenfeldes 13 noch nicht ausreicht, um eine selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung aufrecht zu erhalten. Die selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung wird von den Datenpunkten 42 beschrieben. Es ist erkennbar, dass die Intensität der Emission im VUV-Wellenlängenbereich nach dem Einsetzen der selbstständig brennenden Hochfrequenz-Entladung sprunghaft ansteigt, um dann wieder mit der Leistung des Mikrowellenfeldes 13 linear zuzunehmen.
In 6 ist weiterhin das Verhältnis der Intensität von ersten und zweiten Kontinuum gegen die Leistung des Hochfrequenzgenerators 12 aufgetragen. Die Intensitäten des ersten und zweiten Kontinuums wurden dabei bei charakteristischen Wellenlängen bestimmt. Als Intensität des zweiten Kontinuums wurde die Intensität in der Nähe des Maximums 38 bei 125,1 nm bestimmt, während als Intensität des ersten Kontinuums die Intensität in der Mitte der Schulter 39 des ersten Kontinuums bei 113,1 nm bestimmt wurde.
Ein Datenpunkt 43 gibt das Verhältnis wieder, wenn die Edelgas-Atome nur durch den Elektronenstrahl 8 angeregt werden. Weitere Datenpunkte 44 geben den Fall wieder, dass das Emissionsgebiet 14 zusätzlich mit dem Mikrowellenfeld 13 beaufschlagt wird, wobei die Leistung des Mikrowellenfeldes 13 noch nicht ausreicht, um eine selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung aufrecht zu erhalten. Die selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung wird von den Datenpunkten 45 beschrieben. Anhand von 6 ist erkennbar, dass die Emission im Bereich des ersten Kontinuums im Vergleich zum zweiten Kontinuum sprunghaft ansteigt, wenn die selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung einsetzt. Nach dem Einsetzen der Hochfrequenz-Entladung steigt die Intensität im Bereich des ersten Kontinuums auf Werte oberhalb von 70% der Intensität im Bereich des zweiten Kontinuums. Dieses Verhältnis gilt für eine spektrale Auflösung, mit der das erste und zweite Kontinuum deutlich getrennt werden, also für eine spektrale Auflösung unterhalb von 1 nm.
7 zeigt ein Spektrum 46 einer Hochfrequenz-Anregung und ein weiteres Spektrum 47 einer Hochfrequenz-Entladung unter gleichen Umgebungsbedingungen, insbesondere gleicher Leistung des Hochfrequenzgenerators 12 und gleichem Druck im Emissionsgebiet 14. Dies ist möglich, da nach dem Beginn der Hochfrequenz-Entladung, die Leistung des Hochfrequenzgenerators 12 wieder verringert werden kann, ohne dass die Hochfrequenz-Entladung erlischt. Anhand von 7 ist erkennbar, dass die Hochfrequenz-Entladung die Intensität des emittierten Lichts im VUV-Wellenlängenbereich etwa um das Dreifache gegenüber der Hochfrequenz-Anregung steigert.
Aufgrund der starken Emission im Bereich des ersten Kontinuums stellt die hier beschriebene Vorrichtung 1 nicht nur eine Strahlungsquelle für ultraviolettes Licht im Bereich des zweiten Kontinuums dar, sondern auch eine Strahlungsquelle, die ultraviolettes Licht im Bereich des ersten Kontinuums intensiv emittiert.
Beim Betrieb der Vorrichtung 1 braucht der Elektronenstrahl 8 nur zum Zünden der Hochfrequenz-Entladung verwendet zu werden. Nach dem Zünden der Hochfrequenz-Entladung kann der Elektronenstrahl 8 abgeschaltet werden. In der Praxis kann der Elektronenstrahl 8 auch kontinuierlich oder gepulst weiter betrieben werden, um ein Erlöschen der Hochfrequenz-Entladung zu verhindern.
Die hier beschriebene Vorrichtung und das hier beschriebene Verfahren bietet eine Reihe von Vorteilen:
Ein erster Vorteil ist der geringe Platzbedarf der kompakten Elektronenstrahlquelle 2, die durch die dünne Keramikmembran 9 von der Emissionskammer 10 getrennt ist. Aufgrund der dünnen Keramikmembran kann die kinetische Energie der einfallenden Elektronen deutlich unterhalb von 100 keV liegen. Durch die niedrige kinetische Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 8 wird die Emission von harter Röntgenstrahlung vermieden.
Neben dem Energieeintrag durch den Elektronenstrahl 8 kann über die Mikrowellenelektrode 11 noch zusätzliche Leistung durch den Hochfrequenzgenerator 12 eingekoppelt werden und eine nach Abschalten des Elektronenstrahls 8 selbstständig brennende Hochfrequenz-Entladung gezündet werden. Durch die Zündung mit Hilfe des Elektronenstrahls 8 ist es möglich die Entladung auch bei hohem Druck (> 1 bar) und bei niedrigen Spannungen (< 100 V) zu zünden.
Der hohe Druck zwingt die Entladung in ein sehr kleines Volumen, was sich bei einem Betrieb als Lichtquelle positiv auf deren Brillanz auswirkt.
Da die Entladung beim gewünschten Betriebsdruck gezündet werden kann, ist es möglich auf ein Gaszu- und ableitungssystem zu verzichten und somit ein kleines, abgeschlossenes Gasvolumen zu nutzen.
Die hier beschrieben Vorrichtung eignet sich sehr gut als Excimer-Lichtquelle, die aufgrund der Abregung von angeregten. Edelgasmolekülen Licht im fernen VUV-Bereich emittiert.
Die hier beschriebene Vorrichtung wurde insbesondere anhand von Argon beschrieben. Grundsätzlich kann die hier beschriebene Vorrichtung und das hier beschriebene Verfahren auch mit anderen Edelgasen wie He, Ne, Ar, Kr und Xe realisiert werden.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist. Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6282222 B1 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von ultraviolettem Licht mit: – einem Emissionsgebiet (14) für das ultraviolette Licht, in dem sich ein Excimer bildendes Gas befindet, – einer Elektronenquelle (2) zum Erzeugen freier Elektronen, die in das Emissionsgebiet (14) emittierbar sind und mit denen das Gas anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsgebiet (14) mit Hilfe einer Mikrowellenquelle (11, 12) mit einem Mikrowellenfeld (13) beaufschlagbar ist, das die Emission von ultraviolettem Licht bei ausgeschalteter Elektronenquelle (2) aufrechterhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mikrowellenquelle dazu eingerichtet ist, durch das Mikrowellenfeld (13) die Emissionsleistung im Bereich eines ersten Kontinuums im Vergleich zu einer ausschließlichen Anregung durch die von der Elektronenquelle (2) erzeugten freien Elektronen um mehr als das Doppelte zu steigern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Intensität des ultravioletten Lichts bei einer Wellenlänge im Bereich des ersten Excimerkontinuums wenigstens 70% der Intensität einer Wellenlänge im Bereich eines zweiten Excimerkontinuums beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Excimer bildende Gas wenigstens ein Edelgas aus der Gruppe He, Ne, Ar, Kr und Xe enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Excimer bildende Gas Ar enthält und das erste Excimerkontinuum im Bereich von 110 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Gasdruck im Bereich des Emissionsgebiets (14) im Bereich von 0,1 bar bis 10 bar liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Gasdruck im Bereich des Emissionsgebiets (14) im Bereich von 0,5 bar bis 2 bar liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Elektronenquelle (2) einen Behälter (3) aufweist, dessen Innendruck auf einen Wert unterhalb Atmosphärendruck einstellbar ist und in dem sich ein Elektronenemitter (4) zum Erzeugen freier Elektronen befindet, und bei der die Elektronenquelle (2) mit einer Beschleunigungselektrode (5) versehen ist, durch die die freien Elektronen in Richtung auf ein Eintrittsfenster (7) beschleunigbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Eintrittsfenster (7) aus einem Material hergestellt ist, das wenigstens eine Komponente aus der Gruppe der Oxide, Nitride und Karbide enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Emissionsgebiet (14) in einem Behälter (10) angeordnet ist, der mit einem optischen Fenster (15) und einer Elektrode (11) zum Einkoppeln des Mikrowellenfeldes (13) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das optische Fenster (15) auf der Basis von Lithiumfluorid hergestellt ist.
Verfahren zum Erzeugen von ultraviolettem Licht, bei dem: – mit Hilfe einer Elektronenquelle (2) freie Elektronen erzeugt werden, – in einem Emissionsgebiet (14) ein Excimer bildendes Gas mit Hilfe der freien Elektronen angeregt wird und – mit Hilfe angeregter Zustände des Edelgases ultraviolettes Licht erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Emissionsgebiet (14) mit einem Mikrowellenfeld (13) beaufschlagt wird, durch das die Emission von ultraviolettem Licht auch nach dem Abschalten der Elektronenquelle (2) aufrecht erhalten wird, und dass die Elektronenstrahlquelle (2) nach Beginn der Emission von ultraviolettem Licht ausgeschaltet wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Ionisieren von Molekülen mit Hilfe von ultraviolettem Licht.