DE10239327A1

DE10239327A1 - Verfahren zum Herstellen eines optischen Fluoridkristalls mit einer Wellenlänge <250 NM und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE10239327A1
Application number: DE10239327A
Authority: DE
Inventors: Alain Kerdoncuff; Alexandre Michel Mayolet
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2003-05-15
Also published as: US6773501B2; US20030044651A1; JP2003160397A

Abstract

Die Vorrichtung der Erfindung zur Behandlung eines optischen Fluoridkristalls beinhaltet ein Gehäuse (12), welches die Vorrichtung von seiner Umgebung trennt, eine Heizvorrichtung, um das interne Volumen (16) des Gehäuses (12) bei einer vorbestimmten Temperatur zu heizen und zu bewahren, wenigstens eine hohle Plattform (20), welche eine interne Kammer (22) abgrenzt, deren obere Wand (24) wenigstens zwei unabhängige Diffusoren (30) trägt, wobei jeder einen Hohlraum (32) abgrenzt, welcher in der Lage ist, eine Einheitsmenge (100) der optischen Fluoridkristall-Substanz aufzunehmen, wobei jeder der Hohlräume (32) mit der internen Kammer (22) der zugehörigen Plattform (20) in Verbindung steht, eine Gasversorgungsquelle, welche das reaktive Gas beinhaltet und eine Vorrichtung (50, 52, 54) zum Verteilen des Gases, welches das reaktive Gas beinhaltet, von der Versorgungsquelle zum Inneren der internen Kammer jeder Plattform und welche eine Vorrichtung (44) hat zum Regulieren des Druckes des verteilten Gases. Diese Vorrichtung zur Behandlung eines optischen Fluoridkristalls wird bevorzugt benutzt, um anionische Reinigung mit einem reaktiven Gas, welches aus einem Fluoriergas besteht, einem Fluoridpuder eines alkalischen Metalls oder einem alkalischen Erd-Metall für das Herstellen eines optischen Fluoridkristalls durchzuführen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf optische Fluoridkristalle für die Übertragung von UV-Licht <250 nm und auf gereinigte Fluoridsubstanzen hierfür und speziell auf das Herstellen von optischen Fluoridkristallen mit Kalziumfluorid hoher Qualität für Lithographie/Laser-Bauelemente mit ausgezeichneten optischen Qualitäten für Wellenlängen unter 250 nm, welche in Halbleiterschaltungen moderner optischer Mikrolithographiesysteme genutzt werden.
Die Last der Anforderungen für eine verbesserte bzw. größere Leistungsfähigkeit von Computern fällt auf den Lithographie-Herstellungsprozess, welcher benutzt wird, um die integrierten Schaltkreischips herzustellen. Lithographie beinhaltet das Bestrahlen einer Maske und das Fokussieren des Musters dieser Maske über ein optisches Mikrolithographiesystem auf einen Wafer, welcher mit einem Fotoresist beschichtet ist. Das Muster auf der Maske wird dabei auf den Wafer übertragen. Ein Herabsetzen der Linienbreite der Merkmale auf einem gegebenen Wafer führt zu einer Erhöhung seiner Leistungsfähigkeit. Die erhöhte Auflösung, welche erforderlich ist um feinere Linienbreiten zu erreichen, wird durch Herabsetzen der Wellenlänge der Beleuchtungsquelle ermöglicht. Die Energien, welche bei der lithographischen Bemusterung benutzt werden, bewegen sich immer tiefer in den UV-Bereich. Optische Komponenten, welche in der Lage sind, bei diesen kurzen optischen mikrolithographischen Wellenlängen zuverlässige Funktionsfähigkeit zu erbringen, sind gefordert. Wenige Materialien sind bekannt, welche eine hohe Transmission bei 193 nm und 157 nm haben und sich nicht bei intensiver Laserbestrahlung verschlechtern. Fluoridkristalle wie z. B. Kalziumfluorid und Bariumfluorid sind mögliche Materialien mit hoher Transmission bei Wellenlängen <250 nm. Das Entwerfen optischer Fotolithographiesysteme, welche vakuum-ultraviolette Lichtwellenlängen bei und unter 193 nm nutzen, liefert wünschenswerte Vorteile in Bezug auf das Erreichen kleiner Merkmalsabmessungen.
Mikrolithographiesysteme, welche vakuum-ultraviolette Wellenlängen im 157 nm-Wellenlängenbereich nutzen, haben das Potential, integrierte Schaltkreise und ihre Herstellung zu verbessern. Der kommerzielle Nutzen und die Annahme von 193 nm und darunter liegender vakuum-ultravioletter Wellenlängen wie z. B. 157 nm wurde aufgrund der Transmissionseigenschaft der optische Materialien bei solchen tiefen ultravioletten Wellenlängen im 157 nm-Bereich verhindert. Ein derart langsamer Fortschritt in der Halbleiterindustrie für das Gebrauchen von VUV- Licht unter 175 nm, wie z. B. Licht im Bereich bei 157 nm ist auch auf das Fehlen von wirtschaftlich herstellbaren Rohlingen aus optisch durchlässigen Materialien und auf die Schwierigkeiten des Herstellens von Rohlingen zurückzuführen, welche als solche hoher Qualität und für ihren beabsichtigten Gebrauch als optisches Mikrolithographieelement und für die Laseranwendung qualifiziert ausgewiesen werden können. Zu Gunsten einer tiefen ultravioletten Fotolithographie im VUV- Bereich von 157 nm wie z. B. dem Emissionsspektrum des Fluorid- Excimer-Lasers, welcher bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen benutzt wird, besteht eine Bedarf an optischen Fluoridkristallen, welche Wellenlängen von unter 250 nm durchlassen, welche eine förderliche bzw. nützliche hohe Reinheit und optische und hochqualitative Eigenschaften aufweisen, welche gute Transmission, vorzugsweise unterhalb von 200 nm und bei 193 nm und 157 nm aufweisen und welche zuverlässig und wirtschaftlich in hoher Reinheit hergestellt werden können. Die vorliegende Erfindung bewältigt die Probleme entsprechend dem Stand der Technik und liefert eine Vorrichtung zum ökonomischen Liefern von optischen Fluoridkristallen mit hoher Qualität, sehr niedrigem Verunreinigungsgrad mit einer Wellenlänge, welche unterhalb 250 nm durchlässig ist, welche benutzt werden können, um das Herstellen integrierter Schaltungen mit vakuum-ultravioletten Wellenlängen zu verbessern. Die Erfindung liefert für Lithographie- und Ecimer-Laser-Bauelemente optische Fluoridkristalle mit hoher Reinheit, hoher Qualität, mit sehr niedrigem Verunreinigungsgrad.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft die Behandlung einer Fluoridkristallsubstanz in Form eines Puders mittels Schwebens auf einem Gasfilms. Speziell betrifft sie:
Eine Originalvorrichtung zum Behandeln einer Substanz in Form eines Fluoridpuders durch Schweben auf einem Gasfilm, und
Ein Verfahren zum Behandeln einer Fluoridsubstanz in Form eines Puders durch Schweben auf einem Gasfilm, welches diese eine Einrichtung nutzt, wenn diese implementiert ist.
Speziell aber nicht exklusiv beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Behandlung eines Fluoridpuders und spezieller der anionischen Reinigung dieses Puders durch das Zugeben eines reaktiven Gases, welches ein fluorierendes Gas beinhaltet.
In einer bevorzugten aber nicht exklusiven Anwendung betrifft die vorliegende Erfindung das Behandeln eines Fluoridpuders eines alkalischen Metalls oder eines alkalischen Erd-Metalls oder ein Puder aus gemischten Zusammensetzungen der letzteren oder eine Mischung dieser Puder.
Fluorid-Monokristalle alkalischer Metalle, (wie z. B. NaF, KF oder LiF) oder Fluoride von alkalischen Erd-Metallen (wie z. B. CaF₂, BaF₂, MgF₂ oder SrF₂) oder gemischte Zusammensetzungen dieser (wie z. B. Formelkombinationen (M1)_xK(M2)_1-xF₂ bei welcher M₁ aus Ca, Ba oder Sr gewählt werden kann, und M₂ aus Ba, Ca oder Sr gewählt werden kann und x derart ist, dass 0 ≤ x ≤ 1 oder sogar Formelkombinationen Cal X_1-x-yBa_xSr_yF₂, bei welchen x und y derart sind, dass 0 ≤ x ≤ 1 und 0 = y = 1 oder sogar Formelkombinationen MRF₃, bei welchen M aus Li, Na, oder K gewählt werden kann und R aus Ca, Sr, Ba oder Mg gewählt werden kann) werden in immer mehr reineren Formen für Anwendungen verschiedener Typen gefordert.
Deshalb wird nach Kalziumfluorid-Monokristallen (CaF₂) mit optimalen Transmissionscharakteristika zum Produzieren von Linsen gesucht, welche bei der Lithographie mit Betriebswellenlängen von 193 nm und 157 nm benutzt werden. In ähnlicher Weise wurde empfohlen bei 157 nm extrem reines Bariumfluorid für die chromatische Korrektion von lithographischen Mikrosystemen zu nutzen. MgF₂ wird zum Schaffen sichtbarer ultravioletter Fenster benutzt und LiF zum Schaffen kleiner Laserfenster.
In jedem Fall ist eine Untersuchung im Gange, um extrem reine optische Elemente aus Fluoridkristall zu erhalten, um optimale Transmission zu erreichen.
Die Rohmaterialien (Fluoride aus alkalischem Metall oder alkalischem Erd-Metall oder Kombinationen der beiden) sind am Markt mit kationischer Verunreinigungsrate in der Größenordnung von ppm erhältlich. Bezügliche der anionischen Verunreinigung sind die Raten im Allgemeinen höher: ungefähr oder >100 ppm. Die anionische Verunreinigung dieses Typs von Materialien (Fluoride von alkalischen Metallen oder Alkali-Erd-Metallen) ist basisch aufgrund der sauerstoffhaltigen Spezies. Es ist höchst schädlich. CaF₂ und BaF₂ haben eine extrem niedrige Transmission im sichtbaren und ultravioletten Spektrum, wenn sie Sauerstoff enthalten.
Bei herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von Monokristallen (entsprechend der Technik nach Stockbarger) werden feste Stoffe beigefügt, wie z. B. PbF₂, CdF₂ oder ZnF₂, um die vorliegende sauerstoffhaltige Spezies zu neutralisieren, welche ihren Ursprung aus dem eingeführten Rohstoffmaterial und/oder der reagierenden Umgebung hat (innerhalb eines Kristallisationsofens, dessen Graphitwände so sind, als hätten sie Luft absorbiert). PbF₂ ist die Komponente, welche als fluorierendes Mittel sehr häufig in großem Ausmaß bis heute benutzt wird, so dass sein Anwenden nicht irgendwelche speziellen Schwierigkeiten hervorbringt, wenn es fest bei Umgebungstemperatur ist und wenn es und sein entsprechendes Oxyd (PbO) hohen Dampfdruck bei Arbeitstemperaturen der Kristallisationsöfen aufweist. Das PbF₂ arbeitet während der Aufbereitung von CaF₂-Kristallen im Einzelnen nach folgender Reaktion: CaO + PbF₂ → 4 CaF₂ + PbO.
Jedoch ist die Einführung von PbF₂ und seiner Homologe trotzdem sehr schädlich, auch wenn es mit Bezug auf die Störung der Sauerstoffspezies nützlich ist. In der Tat gibt es noch Spuren dieser festen Bestandteile im Kristall, welche folglich die Transmission des Kristalls und die Homogenität seines Brechungskoeffizienten beeinträchtigt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindungen ist es, die Nachteile dieser Techniken des Standes der Technik zu mildern, indem eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln einer Substanz in Form eines Puders angeboten wird, wobei Gas als Reaktionsmittel anstatt von festen Bestandteilen benutzt wird.
Die Erfindung wird besser verstanden werden und andere Vorteile und Merkmale werden klarer beim Lesen der erklärenden Beschreibung, welche nachfolgt und welche mit Bezug auf die angehängten Figuren gegeben wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die optische Qualität eines einzelnen Kristalls wird sehr stark durch das Vorhandensein von Verunreinigungen in seiner kristallinen Struktur beeinflusst.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln einer Substanz in Form eines Puders durch Schweben auf einem Gasfilm, welcher ein reaktives Gas beinhaltet.
Charakteristischerweise beinhaltet die Vorrichtung der Erfindung eine Einfassung bzw. ein Gehäuse, welches die Vorrichtung von seiner externen Umgebung trennt, eine Heizeinrichtung, um das innere Volumen dieses Gehäuses zu erwärmen und bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten, wenigstens eine hohle Plattform, welche eine innere Kammer abgrenzt, deren obere Wand wenigstens zwei unabhängige Diffusor trägt, welche jeweils einen Hohlraum begrenzen, um eine Menge der Substanz aufzunehmen, wobei die Diffusor aus einem Material hergestellt sind, welches für die Gase permeabel ist, so dass jeder der Hohlräume mit der inneren Kammer der korrespondierenden Plattform in Verbindung steht, eine Gaslieferzelle, welche das reaktive Gas beinhaltet und eine Vorrichtung zum Verteilen des Gases besitzt, welche das reaktive Gas beinhaltet, von der Versorgungsquelle zur Innenseite der internen Kammer jeder Plattform und welche eine Vorrichtung zum Regulieren des Druckes des verteilten Gases besitzt.
Damit ist es möglich, zur gleichen Zeit eine Menge an Puder zu behandeln, welche beträchtlich sein kann und welche aus einer Charge von mehreren Einheitsmengen des Puders gebildet wird, wobei jede Einheit Pudermenge durch Schweben mit der Zugabe eines Gasfilms "gestützt" wird, so dass sie in der Lage ist, optimal mit dieser Einheitsmenge, welche die maximale Kontaktoberfläche hat, zu reagieren. Zusätzlich macht es diese Anordnung möglich, gleichmäßige Arbeitsbedingungen zu schaffen, speziell bezüglich der Temperatur innerhalb des Gehäuses der Stromrate des Druckes und der reaktiven Gaskonzentration des Gases, welches die interne Kammer jeder Plattform füllt.
Das Puder aufgrund seines aufgeteilten Zustandes, bietet eine große Reaktionsoberfläche (1 m³ an Partikeln mit einem äquivalenten Durchschnittsdurchmesser von 100 µm bedeckt eine Oberfläche von ungefähr 30 000 m²). Entsprechend dieser Erfindung ist durch das gleichzeitige Behandeln von Einheitsmengen des Gases, welches das gesamte Puder darstellt, die große Reaktionsfläche perfekt und wird voll mit dem reaktiven Gas in Kontakt gebracht.
Das Gas des Films "stützt" jede Einheitsmenge des Puders.
Es sollte erwähnt werden, dass das Puder in einem aufgeteilten Puderzustand verbleiben muss. Damit ist es wichtig, wie früher aufgezeigt, bei einer Temperatur niedriger als der Schmelztemperatur der behandelten Substanz zu arbeiten.
Die folgenden Anordnungen werden vorzugsweise gewählt, entweder unabhängig voneinander oder kombiniert:
Jede Plattform besteht wenigstens aus vier Diffusoren und vorzugsweise wenigstens aus sechs oder noch bevorzugter zwischen acht und fünfzig.
Jeder Hohlraum ist in der Lage zwischen 100 und 200 g der Substanz aufzunehmen.
Jeder Diffusor ist aus porösem Material hergestellt, welches eine Permeabilität zwischen 0,1 und 15 cm²/s hat, wobei das poröse Material vorzugsweise zur Gruppe gehört, welche durch Graphit, Aluminium, Keramik und poröses Metall dargestellt wird.
Entsprechend einer Ausführungsformvariante, weist die Vorrichtung wenigstens zwei Plattformen auf, mit einer auf der oberen Fläche der anderen, wobei jede Plattform mit einer unabhängigen Verteilungseinrichtung verbunden ist. Damit wird die Behandlung in einer Einhüllung durchgeführt, welche ein begrenztes inneres Volumen und eine gesteuerte Atmosphäre parallel mit einer großen Anzahl von Einheitspudermengen und damit ein großes Pudervolumen aufweist. Die Kapazität der Vorrichtung kann dadurch über einen weiten Bereich variieren.
Entsprechend einer anderen Charakteristik betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Behandeln einer Substanz in Form eines Puders, wobei die Vorrichtung dieses Typs benutzt wird.
Allgemein gesprochen macht es das Behandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung möglich, einen optischen Fluoridkristall durch Implementieren der folgenden Stufen zu bereiten:
Behandeln der Fluoridsubstanz in Form eines Puders, wobei die Vorrichtung dieses Typs so benutzt wird, um ein behandeltes Fluoridpuder zu erhalten;
Schmelzen des behandelnden Fluoridpuders in einem Tiegel zum Züchten für einen optischen Fluoridkristall und
Züchten des optischen Fluoridkristalls durch Kühlen des behandelten Puders, welches in dem Wachstumstiegel für den optischen Fluoridkristall geschmolzen ist.
Im Einzelnen wird das Behandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung an einer Substanz angewendet, welche aus einem Fluoridpuder eines alkalischen Metalls (wie z. B. Sodiumfluorid NaF, Potassiumfluorid KF oder Lithiumfluorid LiF) oder einem Fluoridpuder eines alkalischen Erd-Metalls (wie z. B. Kalziumfluorid CaF₂, Bariumfluorid BaF₂, Magnesiumfluorid MgF₂ oder Strontiumfluorid SrF₂), oder einem Fluoridpuder, welches aus gemischten Zusammensetzungen dieser Materialien (wie z. B. Formelkombinationen (M1)_x(M2)_1-xF₂, in welcher M1 aus Ca, Ba oder Sr gewählt werden kann und M2 aus Ba, Ca oder Sr gewählt werden kann, und x so ist, dass 0 = x = 1 und 0 = y = 1 oder sogar Formelkombinationen MRF₃, bei welchen M aus Li, Na oder K gewählt werden kann und R aus Ca, Sr, Ba oder Mg gewählt werden kann) oder ein Puder oder eine Mischung dieser Substanzen bestehen kann.
Die Puder, welche entsprechend der Erfindung behandelt werden, weisen natürlich eine Größe auf, welche ihrem Schweben angemessen ist. Dies sind im Allgemeinen Körner deren äquivalenter Durchschnittsdurchmesser zwischen 10 und 500 µm liegt. Nützlicherweise sind es Körner mit hundert oder mehreren hundert Mikrometer.
Das Gas, welches das reaktive Gas beinhaltet und welches durch Schweben eine mechanische Stützung des Puders liefert, besteht entweder aus dem "reinen" reaktiven Gas oder dem gelösten reaktiven Gas (bei einer gegebenen Konzentration) in einem anderen Gas, vorzugsweise in einem inerten. Es ist klar, dass das Lösungsgas nicht die Substanz verunreinigt (oxidiert), während sie gerade behandelt wird. Es wird empfohlen, ohne damit restriktiv zu sein, Argon, Helium, Neon, Xenon, Stickstoff oder tatsächlich eine Mischung dieser inerten Gase einzuleiten.
Wenn das behandelte Puder ein Fluoridpuder eines alkalischen Metalls oder eines alkalischen Erd-Metalls oder eines aus deren Mischungen ist und wenn die Behandlung eine anionische Reinigung (in Bezug auf die sauerstoffhaltige Spezies) ist, ist das reaktive Gas, welches allein oder gemischt mit wenigstens einem anderen Gas, vorzugsweise einem inerten, gemischt wird, im Allgemeinen ein fluorierendes Gas. Es wird vorteilhafterweise aus BF₃, F₂, NF₃, SF₆, CF₄ und deren Mischungen ausgewählt. Das Einführen von anderen fluorierenden Gasen wie z. B. CHF₃ und CH₂F₂ ist jedoch nicht ausgeschlossen. Wie auch immer ist es vorzuziehen, die fluorierenden Gase, welche oben aufgeführt sind, einzuleiten und speziell ein Einleiten von F₂, NF₃, SF₆, und CF₄ und sehr viel an Einleiten von CF₄, einem nicht-toxischen Gas, welches in der Lage ist bei 100°C und bei Temperaturen von mehr als 100°C benutzt zu werden.
In diesem Fall ist es vorzuziehen, indem das Verfahrens der Erfindung implementiert wird, welches eine anionische Reinigung als Behandlung der Substanz beinhaltet, um aufzuhören, eine behandelte optische Fluorid-Kristallsubstanz zu besitzen, welche vorzugsweise weniger als 50 ppm Gewichtsprozent an Sauerstoff vorzugsweise weniger als 40 ppm, weniger als 30 ppm, weniger als 20 ppm oder sogar weniger als 10 ppm Gewichtsprozent an Sauerstoff aufweist und weniger als 10 ppm Gewichtsprozent an Metallverunreinigungen, speziell Zn, Cd, Pb, Na, K, Mn und Fe (vorzugsweise weniger als 1 ppm Gewichtsprozent an Metallverunreinigungen).
In diesem Fall vermeidet die anionische Reinigung, welche ohne Kontakt mit dem Diffusor (welcher einen Tiegel formt) ausgeführt wird, welcher eine Einheitsmenge an Puder beinhaltet, jegliche kationische Verunreinigung der Substanz.
Das Implementieren des Verfahrens der Erfindung macht es möglich, einen optischen Fluorid-(Mono-)Kristall für das Verwenden bei Anwendungen in optischen Systemen zu bereiten, welche bei einer Wellenlänge kleiner als 250 nm arbeiten, wobei dieses Präparationsverfahren sukzessiv beinhaltet:
Das sukzessive Implementieren einer Stufe für das anionische Reinigen der Substanz in Form eines Fluoridpuders entsprechend dem Verfahren der Erfindung, sodass damit ein gereinigtes optisches Fluoridkristallpuder erhalten wird;
das Schmelzen des gereinigten optischen Fluoridkristallpuders in einem optischen Fluoridkristall-Züchttiegel, und
das Züchten des optischen Fluoridkristalls durch Fühlen des gereinigten Fluoridpuders, welches in dem Kristall-Züchttiegel geschmolzen ist.
Entsprechend einer Ausführungsform-Variante des Verfahrens weist das letztere sukzessive eine Behandlungsstufe und eine Schmelzstufe zum Behandeln und Schmelzen einer optischen Fluoridkristallsubstanz in Form eines Puders auf, wobei die Behandlungsstufe auf diesem Verfahren beruht und die Schmelzstufe gestartet wird, nachdem die Verteilungsvorrichtung, welche weiterhin gefüllt wird, vorzugsweise allmählich von der Gasversorgungsquelle, welche das reaktive Gas zum Implementieren der Behandlung enthält, zu einer Versorgungsquelle eines anderen Gases, möglicherweise eines nicht-reaktiven, bewegt wird, und nach dem Aktivieren eine Heizvorrichtung, um das interne Volumen des Gehäuses zu erwärmen und bei einer Temperatur zu halten, welche größer oder gleich der Schmelztemperatur der Substanz ist.
Im Falle dieser Ausführungsformvariante des Verfahrens der Erfindung, ist es möglich, dieses Verfahren entweder für die Aufbereitung eines Fluorid-(Mono-)Kristalls zu nutzen, welcher für Anwendungen in optischen Systemen vorgesehen ist, welche bei einer Wellenlänge kleiner als 250 nm funktionieren, welches aufeinanderfolgend beinhaltet:
Das sukzessive Implementieren einer Stufe der anionischen Reinigung der optischen Fluoridkristallsubstanz in Form eines Puders, auf welche eine Schmelzstufe entsprechend der vorerwähnten Ausführungsformvariante des Verfahrens der Erfindung folgt, um somit ein kompakt gereinigtes Fluoridpuder zu erhalten;
das Schmelzen des kompakten gereinigten Fluoridpuders in einem optischen Fluoridkristall-Züchttiegel, und
das Züchten des optischen Fluoridkristalls durch Kühlen des kompakten gereinigten Fluoridpuders, welches in dem Kristall-Züchttiegel geschmolzen ist.
Auch im Falle dieser Ausführungsformvariante des Verfahrens der Erfindung ist es möglich, dieses Verfahren zu nutzen, entweder um optische Fluorid-(Mono-)Kristalle für Anwendungen in optischen Systemen herzustellen, welche bei einer Wellenlänge von weniger als 250 nm funktionieren oder für die Rohmaterial- oder Stangenmaterialherstellung, welche für die Herstellung von optischen Fluorid-(Mono-)Kristallen für Anwendungen in optischen Systemen vorgesehen sind, welche bei einer Wellenlänge von weniger als 250 nm funktionieren, bei welchen die Schmelzstufe zum Erhalt eines Rohmaterials oder Stangenmaterials führt, welches aus kompaktem Puder gebildet ist, welches eine Dicke von mehr als 60% der theoretischen Dichte des optischen Fluorid-(Mono-)Kristalls aufweist.
Im oben erwähnten letzten Fall führt dies bei Nutzen des Verfahrens der Erfindung vorzugsweise zum Erhalt eines optischen Fluoridkristall-Rohmaterials oder optischen Fluoridkristall-Stangenmaterials, welches weniger als 50 ppm Gewichtsprozent Sauerstoff (vorzugsweise weniger als 40 ppm, weniger als 30 ppm, weniger als 20 ppm oder sogar weniger als 10 ppm Gewichtsprozent Sauerstoff) aufweist und weniger als 10 ppm an Metallverunreinigungen in Gewichtsprozent, speziell Zn, Cd, Pb, Na, K, Mn und Fe (vorzugsweise weniger als 1 ppm an Metallverunreinigung in Gewichtsprozent).
Entsprechend einer anderen Charakteristik betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereiten eines optischen Fluorid-(Mono-)Kristalls aus einem Puder eines alkalischen Metallfluorids oder aus einem Puder eines Alkali-Erd- Metallfluorids, welches sukzessive beinhaltet:
Anionisches Reinigen des Fluoridpuders entsprechend dem Behandlungsverfahren, bei welchem das reaktive Gas BF₂, F₂, NF₃, SF₆, CF₄ und deren Mischungen ausgewählt wird;
Schmelzen des gereinigten Fluoridpuders und
Züchten des optischen Fluoridkristalls durch Kühlen des geschmolzenen gereinigten Fluoridpuders.
Entsprechend einer anderen Charakteristik des Verfahrens der Erfindung führt dies bevorzugterweise durch Implementieren dieses Verfahrens zum Erhalt eines (Mono-)Kristalls, dessen ppm weniger als 30 ppm, weniger als 20 ppm oder sogar weniger als 10 ppm Gewichtsprozent an Sauerstoff ist und weniger als 10 ppm Gewichtsprozent an Metallverunreinigungen (vorzugsweise weniger als 1 ppm Gewichtsprozent an Metallverunreinigung), im Einzelnen aus Zn, Cd, Pb, Na, K, Mn und Fe. Dieser (Mono-)Kristall hat vorzugsweise eine optische Transmission von mehr als 85% pro Zentimeter und vorzugsweise mehr als 95% pro Zentimeter für Wellenlängen kleiner als 164 nm und im speziellen für die Wellenlänge 157 nm.
Die Erfindung und deren sekundäre Charakteristika und ihre Vorteile werden besser verstanden durch das Lesen der folgenden nicht-einschränkenden Beschreibung einer Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung, welche nachfolgend mit Hilfe eines nicht-einschränkenden Beispieles mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in welchen
Fig. 1 gibt die Vorrichtung der Erfindung schematisch in der Seitenansicht wieder, und
Fig. 2 ist eine Teilansicht entlang der Richtung II-II der Fig. 1, welche eine Plattform von der Oberseite aus gesehen wiedergibt.
Ein Beispiel der Vorrichtung zur Anwendung des Behandlungsverfahrens der Erfindung wird in Fig. 1 mit dem Referenzzeichen 10 gezeigt. Diese Vorrichtung 10 besteht aus einem Gehäuse 12, welches mit einer Heizvorrichtung 14 ausgestattet ist, um das innere Volumen 16 des Gehäuses aufzuwärmen und bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Dieses Gehäuse 12 besteht traditionell aus einem Ofen.
In diesem Gehäuse ist ein Stapel von hohlen Plattformen 20 platziert. Jede hohle Plattform 20 hat eine interne Kammer 22, welche durch eine obere Wand 24, eine untere Wand 26 und eine Seitenwand 28 abgegrenzt ist. Wie in Fig. 1 gezeigt wird sind die untere Wand 26 und die obere Wand 28 vorzugsweise horizontal und parallel zueinander. Die Seitenwand 28 ist vertikal und bildet einen Zylinder, dessen horizontaler Bereich unterschiedliche Formen haben kann, z. B. kreisförmig, wie dies in diesem Fall gezeigt wird.
Fig. 1 zeigt fünf übereinander liegende Plattformen 20, aber es ist möglich eine unterschiedliche Zahl an Plattformen 20 zu haben, nämlich weniger oder mehr, es kann auch eine einzelne Plattform genutzt werden.
Die obere Wand 24 jeder Plattform 20 trägt mindestens zwei unabhängige Diffusoren 30, welche jeweils einen Hohlraum 32 abgrenzen, um in der Lage zu sein, eine Einheitsmenge 100 einer Substanz in Form eines Puders (zwischen ungefähr 100 und 200 Gramm) aufzunehmen. Um dies zu bewirken, weist die obere Wand 24 jeder Plattform 20 Öffnungen 25 auf, um jeweils einen Diffusor 30 aufzunehmen.
Jeder Diffusor 30 wird deshalb auf einer konkaven Wand 34 gebildet, welche aus einem Material besteht, welches für Gase durchlässig ist, so dass jeder der Hohlräume 32 mit der inneren Kammer 22 der korrespondierenden Plattform 20 in Verbindung steht. Im einzelnen ist ein poröses Material vorgesehen, welches eine Permeabilität von 0,1 bis 15 cm²/s besitzt. Speziell ist es möglich, ein dichtes Graphit oder poröses Aluminium zu benutzen. Die Dicke dieser Wand 34 beträgt mehrere Millimeter.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird weisen jede Plattform eine Reihe von elf kreisförmigen Diffusoren 30 auf, welche auf der oberen Wand 24 verteilt sind. Eine unterschiedliche Anzahl von Diffusoren 30, nämlich mehr oder weniger, können ohne Modifizieren der Funktion der Vorrichtung 10 benutzt werden.
Fig. 1 zeigt eine Gas-Versorgungsquelle 40, welche durch drei Gastanks 40a, 40b, 40c gebildet ist, an deren Auslass ein Ventil 42 vorgesehen ist, wobei dieses Ventil mit einem Kreis verbunden ist, welcher bei der Pumpe 44 endet, wodurch eine Vorrichtung zum Einstellen des Druckes des Gases gebildet ist.
Damit kann jeder Tank 40a, 40b, 40c ein unterschiedliches Gas beinhalten, welches möglicherweise ein reaktives Gas bildet und es ist dann möglich ein Mischung zwischen dieses Gasen durch Einstellen der Strömungsrate 40a, 40b, 40c zu erstellen, mit Unterstützung der Ventile 42. Es ist möglich, eine unterschiedliche Anzahl von Tanks zu nutzen, nämlich mehr oder weniger als drei und wenigstens einen.
Die Pumpe 44 ermöglicht es, den Druck des Gases oder der Gasmischung, welche in das Gehäuse 12 eintritt, einzustellen:
In Ablaufrichtung der Pumpe 44 ist ein Kreis 50 zum Versorgen jeder Plattform 20 mit Gas, wodurch eine Vorrichtung zum Verteilen des Gases gebildet ist, welche das reaktive Gas von der Versorgungsquelle 40 zum Inneren der internen Kammer 22 jeder Plattform 20 enthält.
Um dies zu bewirken erstreckt sich ein Hauptrohr 52 von der Pumpe 44, durchdringt das Gehäuse 12 und erstreckt sich entlang der Plattformen 20. Die Hauptpumpe ist mit jeder Plattform 20 am Niveau eines Abzweigpunktes zu einem zweiten Rohr 54 verbunden, welches sich zur inneren Kammer 22 der zugehörigen Plattform 20 öffnet.
Damit kommt das Gas, welches das reaktive Gas beinhaltet mit einem Druck (z. B. mit einem Druck von 1 bis einigen bar mit einer Strömungsrate von ungefähr 5 l/min pro Diffusor für einen Diffusor, welcher einen Durchmesser von 50 bis 100 mm hat) in der internen Kammer 22 jeder Plattform 20 an und muss damit die Wand 34 des Diffusors 30 durchdringen. Dies führt dazu, dass sich ein Gasschwebefilm unter der Einheitsmenge 100 des Puders, welches in jedem Hohlraum 32 enthalten ist, ausbildet. Auf diese Weise sichert der Gasstrom eine mechanische Unterstützung, ohne dass er mit dem Puder in Kontakt ist und sichert auch das Implementieren der chemischen Reaktion zwischen dem Puder und dem Gas und damit die Behandlung des Puders.
Als Ergebnis bilden die Diffusoren 30 eine Zahl von Reaktoren für das einzelne Behandeln jeder Einheitsmenge 100 an Puder.
Betrachtet man den extrem hohen Hauptverlust in dem porösen Material, welches aus der Wand 34 jedes Diffusors gebildet ist, erhalten alle Diffusoren 30 einer gegebenen Plattform 20 und aller Plattformen 20 einen identischen Gasdruck.
Nach dem Eintreten innerhalb der Diffusoren verteilt sich das Gas im gesamten internen Volumen 16 des Gehäuses 12 (siehe die Pfeile auf den Seiten der Plattform 20 in Fig. 1) wobei dieses Gehäuse 12 einen Ofen mit einer gesteuerten Atmosphäre bildet.
Das Material, welches die Wand des Diffusors bildet ist klar kompatibel mit dem involvierten Puder und dem reaktiven Gas. Es muss auch den Temperaturen widerstehen, welche bei der Reinigungsreaktion auftreten, wobei diese Temperaturen im Allgemeinen zwischen 100 und 1400°C liegen. Die Reaktionstemperatur wird von Fall zu Fall festgelegt, indem klar die Natur des reaktiven Gases, welches eingeführt wird, und dessen Reaktivität berücksichtigt wird. Es sollte hier erwähnt werden, dass diese Reaktionstemperatur strikt niedriger als die Schmelztemperatur des Materials (z. B. des Fluorids) bleiben muss, welches das involvierte Pulver bildet.
Durch diese Anordnung der Plattformen kann die Kapazität der Vorrichtung über einen weiten Bereich hinweg variieren.
Das Behandlungsverfahren und im Speziellen das anionische Reinigungsverfahren der Verbindung ist in der Tat speziell von Vorteil indem seine Anwendung in verschiedener Hinsicht (im Labor, in der Pilotphase, in der industriellen Anwendung) keinerlei besondere Schwierigkeit aufkommen lässt. Das Behandlungsverfahren und speziell das anionische Reinigungsverfahren der Erfindung kann tatsächlich auch genutzt werden, um sowohl auf einige Kilogramm an Puder als auch eine Tonne des Puders angewendet zu werden.
Daher kann man verstehen, dass die Vorrichtung, welche vorher beschrieben wurde, es ermöglicht, das Verfahren der Erfindung anzuwenden, indem jegliche Kontamination des behandelten Puders vermieden wird und seine Effektivität zuverlässig ist, wenn der reaktive Kontakt Gas/Puder optimiert wird und es kann leicht im großen und kleinen Maßstab verwertet werden.
Das Behandlungsverfahren der Erfindung erzeugt gereinigte Substanzchargen, welche so durch Schmelzen und Kühlen behandelt werden können, um optische Fluorid-(Mono-)Kristalle zu erhalten.
Um dies zu erreichen können die Chargen, nach dem Beenden der Zufuhr des reaktiven Gases, direkt in den Diffusoren geschmolzen werden, während ein nicht-reaktiver Gasfilm beibehalten wird oder sie können in einen anderen Reaktor übertragen werden, um geschmolzen zu werden.
Die vorliegende Erfindung ist voll zum Bereiten eines optischen Fluorid-(Mono-)Kristalls aus einer Substanz geeignet, welche durch ein Fluoridpuder oder ein alkalisches Metall (wie z. B. Sodiumfluorid NaF, Potassiumfluorid KF oder Lithiumfluorid LiF) oder aus einem Fluoridpuder eines alkalischen Erd-Metalls (wie z. B. Kalziumfluorid CaF₂, Bariumfluorid BaK₂, Magnesiumfluorid MgF₂ oder Strontiumfluorid SrF₂) oder aus einem Puder aus gemischten Verbindungen dieser Materialien (wie z. B. die Formelkombinationen (M1)_x(M2)_1-xF₂, wobei M1 aus Ca, Ba oder Sr gewählt werden kann, und M2 aus Ba, Ca oder Sr gewählt werden kann und x so ist, dass 0 = x = 1 oder sogar die Formelkombinationen Ca_1-x-yBa_xSr_yF₂, wobei x und y so sind, dass 0 = x = 1 und 0 = y = 1 oder sogar die Formelkombination MRF₃, wobei M aus Li, Na oder K gewählt werden kann und R aus Ca, Sr, Ba oder Mg ausgewählt werden kann) oder aus einem Puder aus deren Mischungen bestehen kann, in dem eine anionische Reinigungsstufe mit der Zugabe eines fluoridierenden Gases ausgeführt wird.
Diese Kristalle werden mit einer kleinen Rate an Kontamination bzw. Verunreinigung (speziell Sauerstoff, Blei und kationische und anionische Verunreinigungen) erhalten und damit besitzen sie ausgezeichnete Transmission im sichtbaren und ultravioletten Spektrum unterhalb von 200 nm. Es wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Damit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Veränderungen dieser Erfindung abdeckt, vorausgesetzt sie fallen in den Umfang der angehängten Ansprüche und deren Äquivalente.

Claims

1. Vorrichtung (10) zum Behandeln einer Substanz in Form eines Puders durch Schweben auf einem Gasfilm, wobei das Gas ein reaktives Gas beinhaltet, wobei die Vorrichtung aufweist:
ein Gehäuse (12), welches die Vorrichtung von seiner äußeren Umgebung trennt,
eine Heizvorrichtung (14), um das interne Volumen (16) des Gehäuses (12) auf eine vorbestimmte Temperatur zu bringen und dieses beizubehalten,
wenigstens eine hohle Plattform (20), welche eine interne Kammer (22) abgrenzt, wobei die obere Wand (24) dieser wenigstens zwei unabhängige Diffusoren (30) trägt, wobei jeder Diffusor einen Hohlraum (32) abgrenzt, welcher in der Lage ist, eine Einheitsmenge (100) der Substanz aufzunehmen, wobei die Diffusoren (30) aus einem für Gas durchlässigen Material hergestellt werden, so dass jeder der Hohlräume (32) mit der internen Kammer (22) der korrespondierenden Plattform (20) in Verbindung steht,
eine Versorgungsquelle (40) für ein Gas, welches das reaktive Gas beinhaltet, und
eine Verteilungsvorrichtung (50, 52, 54)des Gases, welches das reaktive Gas von der Versorgungsquelle (40) zum Inneren der internen Kammer (22) jeder Plattform beinhaltet, und welche eine Reguliervorrichtung (44) für den Druck des verteilten Gases aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Plattform (20) wenigstens vier Diffusoren (30) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Plattformen (20), welche übereinander gestapelt sind, aufweist, wobei jede Plattform (20) mit der unabhängigen Verteilungsvorrichtung (52) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hohlraum (32) in der Lage ist, ungefähr 100 bis 200 g der Substanz aufzunehmen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (30) aus einem porösen Material hergestellt ist, welches eine Permeabilität aufweist, welche zwischen 0,1 und 15 cm²/s liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material zur Gruppe gehört, welche aus Graphit, Aluminium, Keramik und porösen Metallen gebildet ist.

7. Behandlungsverfahren einer Substanz in Form eines Puders durch Schweben auf einem Gasfilm, wobei das Gas ein reaktives Gas beinhaltet, gekennzeichnet dadurch, dass es eine Vorrichtung (10) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 nutzt.

8. Behandlungsverfahren entsprechend Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz ein Puder aus einem alkalischen Metallfluorid (z. B. Sodiumfluorid NaF, Potassiumfluorid KF oder Lithiumfluorid LiF) oder ein Puder aus Alkali- Erd-Metallfluorid (wie z. B. Kalziumfluorid CaF₂, Bariumfluorid BaF₂, Magnesiumfluorid MgF₂ oder Strontiumfluorid SrF₂) oder aus einem Puder aus gemischten Verbindungen dieser genannten Materialien (wie z. B. die Formelkombinationen (M1)_x(M2)_1-xF₂, wobei M1 aus Ca, Ba oder Sr gewählt werden kann, und M2 aus Ba, Ca oder Sr gewählt werden kann und x so ist, dass 0 = x = 1 oder die Formelkombinationen Ca_1-x-yBa_xSr_yF₂, wobei x und y so sind, dass 0 = x = 1 und 0 = y = 1 oder die Formelkombination MRF₃, wobei M aus Li, Na oder K gewählt werden kann und R aus Ca, Sr, Ba oder Mg ausgewählt werden kann) oder aus einem Puder aus deren Mischungen bestehen kann.

9. Behandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Puder aus Kügelchen besteht, deren äquivalenter Hauptdurchmesser zwischen 10 und 500 µm liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung eine anionische Reinigung ist und dass das reaktive Gas ein fluorierendes Gas ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Gas aus BF₃, F₂, NF₃, SF₆, CF₄ und deren Mischungen gewählt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die anionische Reinigung zu einer Substanz führt, wobei der Sauerstoffgehalt unterhalb von 50 ppm Gewichtsprozent liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die anionische Reinigung zu einer Substanz führt, wobei der metallische Verunreinigungsgrad unterhalb von 10 ppm Gewichtsprozent liegt, speziell für Zn, Cd, Pb, Na, K, Mn und Fe.

14. Verfahren, welcher sukzessiv einen Behandlungsschritt und einen Schmelzschritt für eine Substanz in Form eines Puders aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsschritt aus einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 7 bis 13 besteht und dass der Schmelzschritt beginnt, nachdem die Verteilervorrichtung (50), welche noch gespeist wird, progressiv von der Versorgungsquelle (40a, 40b, 40c) für ein Gases getrennt wird, welches das reaktive Gas für das Implementieren der Behandlung beinhaltet und welche zur gleichen Zeit progressiv mit einer anderen Versorgungsquelle (40a, 40b, 40c) für ein anderes Gas verbunden wird und nach der Aktivierung der Heizvorrichtung (14), um das interne Volumen (16) des Gehäuses (12) auf eine Temperatur, welche höher oder gleich der Schmelztemperatur der Substanz ist, zu bringen und diese beizubehalten.

15. Verfahren zur Bereitung eines Kristalls ((Mono-)Kristall) aus einem Puder eines Fluorids oder eines alkalischen Metalls oder eines Alkali-Erd-Metalls, welcher sukzessive aufweist:
eine anionische Reinigung des Puders entsprechend dem Verfahren eines der Ansprüche 10 und 11;
Schmelzen des gereinigten Puders;
Kristallzüchten durch Kühlen des geschmolzenen gereinigten Puders.

16. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 14 für die Herstellung von optischen Fluoridkristallen ((Mono-)Kristallen) mit <250 nm.

17. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 14 für die Herstellung eines Stangenmaterials zur Bildung von optischen Fluoridkristallen ((Mono-)Kristallen) mit <250 nm, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Schmelzens zu einem Stangenmaterial führt, welches durch kompakte Pudersubstanz gebildet wird, welches eine Dichte größer als 60% der theoretischen Dichte eines einzelnen Kristalls besitzt.

18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Sauerstoff in dem Stangenmaterial unter 50 ppm Gewichtsprozent liegt.

19. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Verunreinigungsgehalt in dem Stangenmaterial unterhalb von 10 ppm Gewichtsprozent speziell für Zn, Cd, Pb, N, K, Mn und Fe liegt.

20. Verfahren zum Herstellen eines Kristalls ((Mono-)Kristalls) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall ((Mono-)Kristall) der Sauerstoffgehalt unterhalb von 50 ppm Gewichtsprozent ist, und der metallische Verunreinigungsgehalt unterhalb von 10 ppm speziell für Zn, Cd, Pb, Na, K, Mn und Fe liegt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall ((Mono-)Kristall) eine optische Transmission größer als 95%/cm bei 157 nm hat.

22. Verfahren zur Bereitung eines Fluoridkristalls ((Mono-)Kristall) zur Verwendung in optischen Systemen bei <250 nm, welches sukzessive aufweist:
das aufeinanderfolgende Implementieren einer anionischen Reinigung der Pudersubstanz, nach welcher ein Schritt des Schmelzens folgt, entsprechend dem Verfahren des Anspruchs 14, um ein gereinigtes kompaktes Fluoridpuder zu liefern.
Schmelzen des gereinigten kompakten Fluoridpuders in einem Kristall-Züchttiegel; und
Kristallzüchten durch Kühlen des geschmolzenen gereinigten kompakten Fluoridpuders in diesem Kristall-Züchttiegel.

23. Verfahren zum Bereiten eines Fluoridkristalls ((Mono-)Kristalls), welches sukzessive aufweist:
Behandeln der Substanz in Form eines Puders entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 7, um ein behandeltes Puder zu liefern;
Schmelzen des behandelten Puders in einem Kristall-Züchttiegel; und
Kristallzüchten durch Kühlen des behandelten Puders in dem Kristall-Züchttiegel.

24. Verfahren zur Bereitung eines Fluoridkristalls ((Mono-)Kristall)zur Verwendung in optischen Systemen bei <250 nm, welcher sukzessive aufweist:
aufeinanderfolgendes Implementieren einer anionischen Reinigung der Substanz in Form eines Puders, gefolgt durch einen Schritt des Schmelzens entsprechend dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, um ein gereinigtes Fluoridpuder zu liefern;
Schmelzen des gereinigten Fluoridpuders in einem Kristall-Züchttiegel; und
Kristallzüchten durch Kühlen des geschmolzenen gereinigten Fluoridpuders in dem Kristall-Züchttiegel.