DE10339823A1

DE10339823A1 - Verwendung eines Fensters in einer Ultrahochvakuum-Kammer

Info

Publication number: DE10339823A1
Application number: DE2003139823
Authority: DE
Inventors: Ralph Dipl.-Phys. Ernstorfer
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: DE10339823B4

Abstract

Laserpulse mit breiten Spektren (Supercontinuum) lassen sich mit optischen Standardaufbauten nicht geeignet vorkompensieren. Um die Dauer von Supercontinuum-Pulsen möglichst kurz zu halten und damit eine hohe Zeitauflösung bei einer Pump-Probe-Spektroskopie zu erreichen, muss die Dispersion des optischen Weges zwischen Erzeugung und Probe reduziert werden. Bei zeitaufgelösten Pump-Supercontinuum-Probe-Messungen beschränkt unter UHV-Bedingungen vor allem die Dispersion eines herkömmlichen UHV-Fensters (Dicke ca. 3 mm) die Zeitauflösung. Das Fenster für eine UHV-Kammer soll einfach und kostengünstig herstellbar, transparent im sichtbaren Bereich (VIS) und homogen sein sowie eine wesentliche Reduzierung der Dispersion ermöglichen und damit auch zur Pump-Supercontinuum-Probe-Spektroskopie eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß enthält der Trägerrahmen des UHV-Fensters im Fensterbereich zentrisch mehrere kleine Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 2 mm und einem Abstand von etwa 2,5 mm. Mit dem Trägerrahmen ist ein dünnes Glasplättchen mit einer Dicke bis etwa 0,5 mm für das zu messende optische Spektrum verlust- und verzerrungsarm verbunden. Das Glasplättchen kann auf der dem Messobjekt zugewandten Seite eine hochreflektive Beschichtung zur Ausblendung unerwünschter Wellenlängen aus dem Spektrum aufweisen. Der Trägerrahmen kann ein Metall-Flansch oder Schauglas mit in den Auflageflächen für das Glasplättchen verringerter Dicke sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fenster für eine Ultrahochvakuum-Kammer mit einem starren Trägerrahmen mit Befestigungsbohrungen außerhalb des Fensterbereiches, das insbesondere zur Pump-Supercontinuum-Probe-Spektroskopie eingesetzt werden kann.

Fenster für eine Ultrahochvakuum-Kammer sind in den verschiedensten Ausführungen für unterschiedliche Anwendungen bekannt.

Angeboten werden KF- und CF-Schaugläser, wobei CF-Schaugläser insbesondere in Zusammenhang mit vakuumgeglühten Kupferdichtungen verwendet werden. Das Schauglas kann Antireflexschichten, eine Bleiglas-Abschirmung oder eine vakuumseitige InSnO₂-Schicht aufweisen.

Bekannt sind auch Quarz-, Saphir- und MgF₂-Schauglas. Die Dicke des Glases ist im Allgemeinen 3 bis 5 mm, in wenigen Ausführungen ab 1 mm. Die bekannten Fenster für UHV-Kammern haben erheblichen negativen Einfluss auf die Zeitauflösung bei Pump-Supercontinuum-Probe (SCP)-Messungen mit hoher Zeitauflösung.

Aus der DE 697 11 049 T2 ist ein starres Fenster für Vakuumanwendungen bekannt. Die Fenster werden aus einem Einkristall aus Silicium mit zwei oder mehreren dünnen Schichten hergestellt und mit Hilfe eines Silicium-Trägerrahmens weiter gestützt. Die eine Schicht ist eine Ätz-Stoppschicht und die andere dient als eine schützende und verfestigende Sperrschicht. Die Fenster werden durch anisotropes Präzisions-Nassätzen von einkristallinem Silicium gefertigt und werden bei Elektronen- und Ionenstrahl- sowie Röntgensystemen und bei anderen elektromagnetischen Strahlen angewendet. Für den sichtbaren Bereich des Spektrums (VIS) ist das Fenster nicht transparent und durch das Einätzen des Fensters in die Struktur des Wafers nicht homogen über den Bereich eines typischen Strahldurchmessers.

Bekannt ist auch aus der DE 43 01 146 C2 ein Strahlungsdurchlass-Vakuumtrennfenster zur Trennung von verschiedenen Vakuumbereichen mit geringen Druckunterschieden und zum Durchlassen der Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereiches. Das Vakuumfenster weist ein die Strahlung durchlassende Fensterschicht tragendes Trägerelement sowie ein Metall oder eine Legierung zwischen der Fensterschicht und dem Trägerelement auf. Das Metall/die Legierung ist vorzugsweise Gallium bzw. eine Galliumlegierung, das/die in einem Temperaturbereich einer Betriebsumgebung eine flüssige Phase aufweist. Die Fensterschicht ist ein Film, eine Folie oder eine Dünnschicht. Das Vakuumtrennfenster kann für Röntgen-, Infrarot- oder Ultraviolettstrahlen geeignet. Diese Lösung ist nur bei geringen Druckunterschieden und daher nicht für Außenfenster verwertbar.

Femtosekunden-Laserpulse erfahren aufgrund ihrer spektralen Breite bei der Ausbreitung in dispersiven Medien eine Veränderung der Phasenfunktion, d.h. die Pulsdauer verändert sich. Die Phasenfunktion von Laserpulsen mit begrenzter spektraler Ausdehnung lässt sich mit optischen Aufbauten, z.B. Prismen- oder Gitterkompressor beeinflussen. Damit kann eine Vorkompensation der durch ein bekanntes UHV-Fenster eingeführten Dispersion realisiert werden.

Laserpulse mit breiten Spektren (Supercontinuum) lassen sich jedoch mit optischen Standardaufbauten nicht geeignet vorkompensieren. Um die Dauer von Supercontinuum-Pulsen möglichst kurz zu halten und um damit eine hohe Zeitauflösung zu erreichen, muss die Dispersion des optischen Weges zwischen Erzeugung und Probe reduziert werden.

Bei zeitaufgelösten Pump-Supercontinuum-Probe-Messungen nach S. A. Kovalenko, A. L. Dobryakov, J. Ruthmann, N. P. Ernsting, Phys. Rev. A 59, 2369 (1999) beschränkt unter UHV-Bedingungen vor allem die Dispersion eines herkömmlichen UHV-Fensters (Dicke ca. 3 mm) die Zeitauflösung.

Aufgabe der Erfindung ist ein einfach und kostengünstig herstellbares Fenster für eine Ultrahochvakuum-Kammer, das einen starren Trägerrahmen aufweist, transparent im sichtbaren Bereich des Spektrums (VIS) und homogen ist, eine wesentliche Reduzierung der Dispersion ermöglicht und damit auch zur Pump-Supercontinuum-Probe-Spektroskopie eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Trägerrahmen im Fensterbereich zentrisch mehrere kleine Bohrungen enthält und mit dem Trägerrahmen ein dünnes Glasplättchen für das zu messende optische Spektrum verlust- und verzerrungsarm verbunden ist.

Nach der Erfindung ist die Dicke des Glasplättchens bis etwa 0,5 mm.

In Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser der Bohrungen etwa 1 bis 3 mm.

Es ist besonders zweckmäßig, dass das Glasplättchen auf der dem Messobjekt zugewandten Seite eine hochreflektive Beschichtung zur Ausblendung unerwünschter Wellenlängen aus dem Spektrum aufweist.

Erfindungsgemäß kann der Trägerrahmen ein Metall-Flansch oder Schauglas mit einer geringen Dicke der Auflagefläche für das Glasplättchen sein.

In der erfindungsgemäßen Ausführung wird ein Standard-CF-Flansch mit in der Auflagefläche des Glasplättchens verringerter Dicke verwendet.

In Ausgestaltung ist außerhalb des Fensterbereiches eine umlaufende Nut geringer Tiefe vorhanden.

Erfindungsgemäß sind der Trägerrahmen und das Glasplättchen verklebt.

Es ist vorteilhaft, dass der Klebstoff ein hochvakuumtauglicher 2-Komponenten-Kleber ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Trägerrahmen ein Standardglas-UHV-Fenster, das im Fensterbereich kleine Bohrungen geringen Abstandes aufweist.

Erfindungsgemäß sind das Standardglas-UHV-Fenster und das Glasplättchen miteinander verschmolzen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: die Draufsicht des erfindungsgemäßen Fensters mit CF-Flansch;
2: die Seitenansicht im Schnitt A-A.
Im Ausführungsbeispiel wird nach den 1 und 2 in nicht maßstabgerechter Darstellung als Trägerrahmen 1 für das erfindungsgemäße Fenster ein Standard-CF-Flansch mit Befestigungsbohrungen 6 verwendet, dessen Dicke zentrisch mit einem Radius von 14,5 mm auf 2 mm reduziert wurde. In der damit entstandenen Auflagefläche 7 befinden sich im Fensterbereich 2 zentrisch mehrere, mindestens zwei, Bohrungen mit einem Durchmesser von 2 mm in einem Abstand von 2,5 mm. Für das Glasplättchen 4 als Fenstermaterial wurde ein Mikroskop-Deckgläschen von 20 mm × 20 mm mit einer Dicke von 0,14 mm verwendet, das mit 2-Komponenten-Silberleitkleber zentrisch auf die Auflageflächen 2, 7 geklebt wurde. Um ein ebenes Aufliegen des in 1 nicht dargestellten Glasplättchens 4 auf den metallischen Auflageflächen 2, 7 zu gewährleisten, wurde um die Bohrungen 3 im Fensterbereich 2 eine Nut 5 von 5 mm Breite und 0,25 mm Tiefe zur Aufnahme des Klebers gefräst. In 2 sind auch die CF-Schneidkanten 8 eingezeichnet.
Nach einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung wird als Trägerrahmen 1 ein Standardglas-UHV-Fenster verwendet, das im Fensterbereich 2 ebenfalls mehrere Bohrungen 3 erhält. Das dünne Glasplättchen 4 (Dicke etwa 0,5 mm) als Fenstermaterial wird mit dem Trägerrahmen 1 verschmolzen. Dadurch wird eine höhere Temperaturstabilität erreicht, was bei sog. Ausheizen von UHV-Kammern von Bedeutung ist. Ferner enthält eine Glas-Glas-Verbindung weniger Tot-Räume als eine Glas-Metall-Klebeverbindung, die als virtuelle Lecks das Abpumpverhalten der UHV-Kammer verschlechtern können.
Das erfindungsgemäße Fenster für eine Ultrahochvakuum-Kammer kann insbesondere bei der Pump-Supercontinuum-Probe-Spektroskopie eingesetzt werden. Es ist transparent im sichtbaren sowie Nahinfrarot-Bereich und homogen. Seine Herstellung ist sehr einfach und kostengünstig. Mit der Erfindung wird eine wesentliche Reduzierung der Dispersion ermöglicht.
Die Erzeugung eines spektral breiten Supercontinuum-Pulses erfolgt mit einem kurzen Laser-Puls im Fermosekundenbereich, jedoch mit wesentlich schmalerem Spektrum, z.B. 30 nm Bandbreite um 800 nm Zentralwellenlänge. Von diesem Erzeugerimpuls kann nur ein kleiner Teil der Energie in den Supercontinuum-Puls anderer Wellenlänge transferiert werden. Der größte Teil der Energie verbleibt im Bereich um 800 nm. Dieser Teil des Spektrums muss stark gefiltert werden, was wieder Dispersion für den Strahl mit seinen Nachteilen bedeutet.
Wird das dünne Glasplättchen 4 auf der der Strahlenquelle zugewandten Seite mit einer hochreflektiven (HR) Beschichtung für den Bereich um 800 nm versehen, kann der Erzeugungsimpuls gleichzeitig ohne zusätzliche Dispersion im Strahlengang ausgespiegelt/ausgefiltert werden.
Somit ist mit der erfindungsgemäßen Lösung eine weitere Reduzierung der im Strahlengang erforderlichen Dispersion mit einer in der Laserspektroskopie gebräuchlichen Spiegel-Beschichtung des dünnen Glasplättchens 4 möglich.

1: Trägerrahmen
2: Fensterbereich
3: Bohrungen in 2
4: Glasplättchen
5: Nut
6: Befestigungsbohrungen
7: Auflagefläche
8: CF-Schneidkanten

Claims

Fenster für eine Ultrahochvakuum-Kammer, das einen starren Trägerrahmen mit Befestigungsbohrungen außerhalb des Fensterbereiches enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (1) im Fensterbereich (2) zentrisch mehrere kleine Bohrungen (3) enthält und mit dem Trägerrahmen (1) ein dünnes Glasplättchen (4) für das zu messende optische Spektrum verlust- und verzerrungsarm verbunden ist.
Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Glasplättchens (4) bis etwa 0,5 mm ist.
Fenster nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrungen (3) etwa 1 bis 3 mm beträgt.
Fenster nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasplättchen (4) auf der dem Messobjekt zugewandten Seite eine hochreflektive Beschichtung zur Ausblendung unerwünschter Wellenlängen aus dem Spektrum aufweist.
Fenster nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (1) ein Metall-Flansch oder ein Schauglas mit geringer Dicke der Auflagefläche (7) für das Glasplättchen (4) ist.
Fenster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (1) ein Standard-CF-Flansch mit in den Auflageflächen (2; 7) des Glasplättchens (4) verringerter Dicke ist.
Fenster nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Fensterbereiches (2) eine umlaufende Nut (5) geringer Tiefe vorhanden ist.
Fenster nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Trägerrahmen (1) und Glasplättchen (4) verklebt sind.
Fenster nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff ein hochvakuumtauglicher 2-Komponenten-Kleber ist.
Fenster nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerrahmen (1) ein Standardglas-UHV-Fenster ist.
Fenster nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Standardglas-UHV-Fenster im Fensterbereich (2) Bohrungen (3) aufweist.
Fenster nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Standardglas-UHV-Fenster und das Glasplättchen (4) miteinander verschmolzen sind.