DE10350114B4

DE10350114B4 - Optisches Element sowie Excimerlaser mit optischem Element

Info

Publication number: DE10350114B4
Application number: DE10350114A
Authority: DE
Inventors: Claus Strowitzki
Original assignee: TuiLaser AG
Current assignee: TuiLaser AG
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: DE10350114A1

Abstract

Entladungskammer für einen Excimerlaser mit einer ein Volumen umschließenden Kammerwand, in das eine Resonatoranordnung mit einer für eine Excimergasentladung erforderliche Hochspannungselektrodenanordnung zur Ausbildung eines Laserstrahls(L) einbringbar ist, sowie mit wenigstens einem optischen Auskoppelelement (1) das gasdicht in die Kammerwand eingefügt ist und von dem Laserstrahl(L) durchsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Auskoppelelement (1) eine dem Volumen abgewandte technische Oberfläche (2) laufweist, die zumindest im Bereich des Lichtdurchtritts mit einer Schutzschicht (3) versehen ist, die gegenüber Luftbestandteilen gasdicht ist und unmittelbar von Luft umgeben wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Entladungskammer eines Excimerlasers mit einem optischen Element aus transparentem Material, das zumindest für Lichtwellenlängen im Spektralbereich zwischen 150 nm und 250 nm weitgehend verlustfrei durchlässig ist, mit wenigstens einer technischen Oberfläche, durch die ein Lichtstrahl hindurchtritt oder an der ein Lichtstrahl reflektierbar ist.

Optische Elemente, die für Lichtwellenlängen zwischen 150 nm und 250 nm transparent sind, werden vornehmlich im Bereich der Excimerlasertechnik eingesetzt, so bspw. in Form von Lichtaustrittsfenstern in Excimerlasergehäusen oder zur Strahlumlenkung oder-umformung innerhalb wie außerhalb des Resonatorehäuses.

Die zumeist aus fluoridischen Kristallen, wie bspw. CaF₂ oder MgF₂, bestehenden optischen Elemente erleiden in an sich bekannter Weise unter normalen Umgebungsbedingungen in Wechselwirkung mit derart kurzen Lichtwellenlängen irreversible Oberflächendegradationen, die ganz offensichtlich auf photochemischen Reaktionen beruhen, die in Gegenwart von Luft, Wasser, Kohlenwasserstoffen und/oder Stickstoff an Oberflächenbereichen, die mit der hochenergetischen UV-Laserstrahlung in Wechselwirkung tritt, hervorgerufen werden.

Die Materialdegradationen äußern sich zumeist in einer Aufrauung der Oberfläche, wodurch letztlich das Laserlicht, das das optische Element in Transmission durchsetzt oder im Wege der Reflexion am optischen Element umgelenkt wird, zunehmend gestreut wird und dadurch einen beträchtlichen Lichtverlust im Strahlengang erleidet. Es ist somit evident, dass die vorstehend beschriebenen Materialbeeinträchtigungen die optische Funktionalität und damit die Lebensdauer des optischen Elementes stark beeinträchtigt, was letztlich zum vollständigen Verlust und zum notwendigen Ersatz des Elements führt. Insbesondere bei optischen Elementen, die in hochkomplexen optischen Systemen integriert sind, sind derartige Austauscharbeiten zumeist mit hohen Kosten und darüber hinaus mit beträchtlichen Systemausfallzeiten verbunden.

Die weiteren Ausführungen beziehen sich auf einen Excimerlaser und im speziellen auf das Auskoppelfenster. Das Auskoppelfenster dient hierbei als optisches Trennelement zwischen dem innerhalb des Resonatorgehäuses, zumeist unter Überdruckbedingungen eingeschlossenen Excimergas und der Umwelt. An der Außenseite des Auskoppelfensters treten die vorstehend beschriebenen, auf photochemischen Effekte beruhenden Materialdegradation, die insbesondere bei Lichtwellenlängen der Größenordnung von 200 nm, insbesondere unter Verwendung von ArF als Lasergas bei einer Wellenlänge von 193 nm von besonderer Ausprägung sind. Es bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Erwähnung, dass die auf photochemischer Basis beruhende Materialdegradation an der Außenseite des Auskoppelfensters nachhaltige Auswirkungen auf die Strahlqualität sowie Strahlleistung des Lasers hat.

In den meisten Anwendungsfällen von Excimeriaser wird die zeitlich schleichend zunehmende Beeinträchtigung billigend in Kauf genommen bis ein Zustand erreicht ist, der den Lasereinsatz unmöglich macht. In einem derartigen Fall wird das entsprechende Auskoppelfenster durch ein neues ersetzt. Auf die damit verbundenen Kosten sowie die hierfür erforderlichen Ausfallzeiten sind an einer vorderen Stelle bereits hingewiesen worden.

Eine alternative Maßnahme zur weitgehenden Vermeidung der in Rede stehenden photochemisch induzierten Oberflächenreaktionen stellen sog. Spülgasströme dar, die in Form reinster Stickstoff- oder Edelgasströme an der Außenseite des Auskoppelfensters während des Laserbetriebe angelegt werden. Hierdurch wird die äußere Auskoppelfensteroberfläche mit einem entsprechenden Schutzgasfilm belegt, durch den die für die photochemische Reaktion beteiligten Luftbestandteile von der Auskoppelfensteroberseite ferngehalten werden. Diese Maßnahme setzt jedoch weitere, technisch komplizierte Gerätekomponenten voraus, die überdies hohe Verbrauchskosten durch die Bereitstellung eines Schutzgasstromes verursachen. Auch sind Applikationen bekannt, in denen die Bereitstellung derartiger Spül- bzw. Schutzgasströme nicht vertügbar bzw. nicht einsetzbar sind. Insbesondere in den letztgenannten Fällen werden, wie eingangs erwähnt die photochemisch induzierten Materialdegradationen billigend in Kauf genommen.

Die DE 101 37 015 A1 beschreibt ein Entladungsgefäß mit Excimerfüllung und zugehöriger Entladungslampe, bei der das Entladungsgefäß aus Quarzglas besteht, das es innwandig vor hochaggressiven Füllstoffen des Excimerlasers zu schützen gilt. Bis anhin wurden derartige aus Quarzglas bestehende Glasgefäße durch chemisch hochaggressive Füllkomponenten wie Fluor, Chlor, Brom oder Jod erheblich in Mitleidenschaft gezogen, wodurch Materialdegradationen auftreten, die letztlich die Excimerleistung sowie dessen Lebensdauer entscheidend herabsetzen. Die in der vorstehenden Druckschrift dargelegte technische Lehre gibt an, die Innenwand des Entladungsgefäßes vollständig mit einer Passivierungsschicht eines Oxids zu überziehen.

Der DE 199 15 741 ist ein Laserresonator für UV-Licht emittierende Laser zu entnehmen. Die in der Druckschrift offenbarte Schutzschicht 7 gemäß 1 dient als totalreflektierende Fläche eines Prismas, die unter dem Brewsterwinkel relativ zum Laserstrahl angeordnet ist und die darüber hinaus mit einem zusätzlichen Prisma 3 gedeckelt ist. Mit Luftsauerstoff kann die Schutzschicht bereits aus diesem Grunde nicht in Kontakt treten.

Die US 2002/0001672 A1 beschreibt die Oberflächenvergütung eines Brechungsgitters, das jedoch nicht als Auskoppelelement eines Excimerlasers Verwendung findet.

Schließlich beschreibt die DE 202 18 513 U1 ein optisches Bauelement für einen Excimerlaser oder F₂-Laser, das aus Saphir, d. h. Al₂O₃ besteht. Zwar weisen derartige Fenster selbst keine Materialdegradationen im vorstehend ausgeführten Sinne auf, doch hat sich ihre Verwendung aufgrund hoher Kosten und ihres hohen Brechungsindex sowie Doppelbrechung nicht durchgesetzt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entladungskammer für einen Excimerlaser mit einer ein Volumen umschließenden Kammerwand, in das eine Resonatoranordnung mit einer für eine Excimergasentladung erforderliche Hochspannungselektrodenanordnung zur Ausbildung eines Laserstrahls einbringbar ist, sowie mit wenigstens einem optischen Auskoppelelement, das gasdicht in die Kammerwand eingefügt ist und von dem Laserstrahl durchsetzbar ist, derart anzugeben, dass die vorstehend genannten Materialdegradationen, die im Wege einer lichtinduzierten photochemischen Reaktion auftreten, verhindert werden sollen. Die zu treffenden Maßnahmen sollen kostengünstig und möglichst den Einsatzzweck des optischen Elementes weder behindern noch beeinträchtigen. Die zu treffenden Maßnahmen sollen vor allem auch dazu dienen, zeitintensive und kostspielige Reparaturmaßnahmen an den bestehenden Excimerlasersystemen einzusparen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 8 ist eine Excimerlaser, der eine Entladungskammer gemäß Anspruch 1 aufweist. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie im Weiteren der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Entladungskammer für einen Excimerlaser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass das optische Auskoppelelement eine dem Volumen abgewandte technische Oberfläche aufweist, die zumindest im Bereich des Lichtdurchtritts mit einer Schutzschicht versehen ist, die gegenüber Luftbestandteilen gasdicht ist und unmittelbar von Luft umgeben wird. Das Vorsehen einer vornehmlich Luftsauerstoff undurchlässigen Schutzschicht unmittelbar auf der technischen Oberfläche des Auskoppelelement basiert auf der Erkenntnis, dass die Materialdegradation auf einer photochemischen Reaktion beruht, die in Gegenwart hochenergetischem UV-Licht sowie den Luftbestandteilen, insbesondere Luftsauerstoff, -stickstoff, in Erscheinung tritt. In Abkehr von der bekannten Maßnahme der Überspülung der in Rede stehenden technischen Oberfläche mit einem Schutzgas und den damit verbundenen Nachteilen, sieht die Erfindung eine für UV-Licht transparente Festkörperschicht vor, die einerseits den unmittelbaren Kontakt von Luftbestandteilen mit der zu schützenden technischen Oberfläche des Auskoppelelementes unterbindet, andererseits jedoch chemisch innert ist bezüglich der in der Luft enthaltenen chemischen Bestandteilen, die ihre chemische Wirksamkeit insbesondere in Gegenwart hochenergetischen UV-Lichtes entwickeln.

Diese, an die Schutzschicht gestellten Forderungen werden vorzugsweise durch eine aus einem oxydischen Materialgefüge bestehende Materialschicht erfüllt, besonders eignet sich hierzu eine Schutzschicht bestehend aus SiO₂ oder Al₂O₃.

Um sicherzustellen, dass derartige Materialschichten über die geforderte Luftundurchlässigkeit verfügen, ist die Schutzschicht derart auf die Oberfläche des Auskoppelelementes aufzubringen, dass das oxydische Materialgefüge auf der technischen Oberfläche eine Gefügedichte aufweist, die wenigstens 50 % der Festkörperdichte des jeweiligen oxydischen Materialgefüges entspricht. Zur Herstellung einer derartigen Schutzschicht eignet sich vorzugsweise die Sputtertechnik, mit der die gewünschte Gefügedichte während des Sputterabscheideprozesses über die den Sputterprozess bestimmenden Prozessparameter, wie bspw. Sputtertemperatur und innerhalb der Prozesskammer vorherrschenden Sputterdruck, eingestellt werden kann.

Insbesondere im Hinblick auf den Einsatz des Auskoppelelementes als Auskoppelfenster eines Excimerlasers wird häufig als transparentes Material ein fluoridischer Kristall eingesetzt, vorzugsweise CaF₂ oder MgF₂. Selbstverständlich eignen sich auch alternative transparente Materialien, die für den gattungsgemäßen Einsatz im Wellenlängenbereich von 150 nm bis 250 nm geeignet sind als Trägersubstrate für das Abscheiden der erfindungsgemäßen Schutzschicht zu dienen, wie bspw. die Verwendung von aus Quarzglas gefertigte optische Elemente.

Um eine optische Wirksamkeit der Schutzschicht auf den, das Auskoppelfenster mit der Schutzschicht durchsetzenden Laserstrahl weitgehend zu unterdrücken, beträgt die Schutzschichtdicke vorzugsweise λ/2 der Emissionswellenlänge.

Ferner zeichnet sich ein Eximerlaser mit einer vorstehend genannten Entladungskammer dadurch aus, dass die Entladungskammer mit einem fluoridischen Eximergas gefüllt ist, vorzugsweise mit einer ArF-Gasfüllung zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm. So treten insbesondere bei ArF-Excimerlaser, deren Auskoppelfenster eben nicht über die erfindungsgemäß ausgebildete Schutzschicht verfügen, eine besonders stark ausgeprägte photochemisch initiierten Materialdegradation auf, was vermutlich auf die photochemische Reaktivität der speziellen Emissionswellenlänge von 193 nm zurückzuführen ist. Die erfindungsgemäße Maßnahme trägt daher dazu bei, dass eben jene Gattung von Excimerlaser eine höhere Lebensdauer im Hinblick auf gleich bleibende Strahlqualität sowie Strahlleistung besitzen. Die Wartungsarbeiten, die bis anhin mit einem Austausch des Auskoppelfensters verbunden waren, entfallen mit der erfindungsgemäßen Maßnahme vollständig. Dies trägt einerseits zur Kostenersparnis in Bezug auf die Betriebskosten bei, darüber hinaus entfallen zeitintensive, wartungsbedingte Ausfallzeiten.

In der nachstehenden, einzigen 1 ist ein stark schematisiertes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Auskoppelelement 1 dargestellt, das für den Einsatz als Auskoppelfenster innerhalb eines Eximerlasers konzipiert ist. Das Auskoppelfenster wird im dargestellten Beispiel von links nach rechts von einem Laserstrahl L durchsetzt, der aus dem Inneren einer Entladungskammer (EL), das Auskoppelfenster nach außen durchsetzt. Es sei angenommen, dass die der Entladungskammer abgewandte Auskoppelfensterseite 2 unmittelbar von der Umgebungsluft umgeben ist. Zur Vermeidung lichtinduzierter Oberflächenschädigungen des Auskoppelfensters 1 ist die Auskoppelfensterseite 2 mit einer Schutzschicht 3 versehen, die gasdicht gegenüber den in der Umgebungsluft enthaltenen Luftbestandteilen ist, so insbesondere Luftsauerstoff, Luftstickstoff, Wasser sowie auch Kohlenwasserstoffe ist. Mit Hilfe der Schutzschicht 3, können auf jegliche, zum Stand der Technik zählende Schutzgasströmungen, die über die Oberfläche 2 des Auskoppelfensters 1 gerichtet sind, verzichtet werden.

1: Auskoppelfenster
2: Technische Oberseite des Auskoppelfensters
3: Schutzschicht
EL: Entladungskammer
L: Laserstrahl

Claims

Entladungskammer für einen Excimerlaser mit einer ein Volumen umschließenden Kammerwand, in das eine Resonatoranordnung mit einer für eine Excimergasentladung erforderliche Hochspannungselektrodenanordnung zur Ausbildung eines Laserstrahls(L) einbringbar ist, sowie mit wenigstens einem optischen Auskoppelelement (1) das gasdicht in die Kammerwand eingefügt ist und von dem Laserstrahl(L) durchsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Auskoppelelement (1) eine dem Volumen abgewandte technische Oberfläche (2) laufweist, die zumindest im Bereich des Lichtdurchtritts mit einer Schutzschicht (3) versehen ist, die gegenüber Luftbestandteilen gasdicht ist und unmittelbar von Luft umgeben wird.
Entladungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht(3)aus einem oxydischen Materialgefüge besteht.
Entladungskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (3) aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht.
Entladungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (3) eine Dichte aufweist, die wenigstens 50% der Festkörperdichte des oxydischen Materialgefüges aufweist.
Entladungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (3) eine Schichtdicke von λ/2 der mit dem optischen Auskoppelelement (1) in Wechselwirkung tretenden Lichtwellenlänge aufweist.
Entladungskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement (1) fluoridisches Kristall aufweist.
Entladungskammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fluoridische Kristall CaF₂ oder MgF₂ ist.
Excimerlaser mit einer Entladungskammer (EL) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungskammer (EL) mit einem fluoridischen Excimergas gefüllt ist.
Excimerlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Excimergas ArF zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 193 nm ist.