DE19734715A1 - Vorrichtung zum Spülen des Strahlenganges eines UV-Laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spülen des Strahlen­ ganges eines UV-Laserstrahles mit einer den Strahlengang von der äußeren Atmosphäre trennenden Umhüllung.

Es ist im Stand der Technik bekannt, den Strahlengang eines UV- Laserstrahls (also eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge im Ultraviolettbereich) mit Stickstoff zu spülen (J.A.R. Samson (Ed.): Techniques of Vacuum Ultraviolet Spectroscopy, New York, 1967). Diesem Stand der Technik liegt die Erkenntnis zugrunde, daß UV-Laserstrahlen, insbesondere mit der Wellenlänge 193 nm, in atmosphärischem Sauerstoff Ozon erzeugen, welches eine Reihe von technischen Problemen aufwirft. Insbesondere ist Ozon zu vermeiden, weil es die Atemwege reizen kann. Zum anderen absor­ biert Ozon aber auch die Laserstrahlung, schwächt also den Laser­ strahl ab. Um dies zu vermeiden, wird im Stand der Technik der Strahlengang insgesamt von der Auskoppeloptik des Lasersystems bis hin zum zu bestrahlenden Objekt derart abgekapselt, daß der abgekapselte Raum gegenüber dem Außenraum gasdicht abgetrennt ist. Die Abkapselung erfolgt durch eine Umhüllung dieses Raumes mit einer geeigneten Wandung. In diesen Raum wird nun gemäß dem Stand der Technik Stickstoff mit geringem Überdruck gegenüber der Atmosphäre eingebracht. Sobald das Gesamtsystem mit Stick­ stoff gefüllt ist, kann die Laserstrahlung ohne Verluste und ohne Erzeugung von störendem Ozon zum Werkstück gelangen. Der oben zitierte Stand der Technik schlägt als weitere Möglichkeit, die Ozonbildung zu vermeiden, eine Evakuierung des Strahlengang- Raumes vor. Diese aufwendige Maßnahme wird aber hauptsächlich bei extrem kurzen UV-Wellenlängen, also Wellenlängen deutlich kürzer als 193 nm, eingesetzt, da in solchen Fällen die Strah­ lung im Gas absorbiert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei UV-Laserstrahlung optische Komponenten im Strahlengang des Lasers, wie zum Beispiel Fenster, Linsen, Spiegel, Prismen etc., bei Spülung des Strahlenganges mit Stickstoff leiden können, insbesondere kann die optische Qualität der Oberflächen der op­ tischen Komponenten beeinträchtigt werden. Dies gilt insbeson­ dere für optische Komponenten aus CaF₂, wo es zu Abplatzungen an der Oberfläche kommen kann. Solche optischen Komponenten im Strahlengang eines Laserstrahls sind insbesondere zur Abbildung und/oder Homogenisierung des Laserstrahls auf das zu bestrahlen­ de Werkstück erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die überraschende Er­ kenntnis zugrunde, daß die bei Verwendung von Stickstoff auftre­ tenden, vorstehend genannten technischen Probleme dann nicht mehr auftreten, wenn der Strahlengang des UV-Laserstrahls mit Edelgas gespült wird. Insbesondere Argon hat sich als für diesen Zweck gut geeignet erwiesen.

Besonders gute Ergebnisse zeigte die erfindungsgemäße Lösung bei Excimer-Laserstrahlung der Wellenlange 193 nm und bei der fünf­ ten Harmonischen des Nd : YAG-Lasers (212,8 nm).

Die Erfindung eignet sich somit insbesondere für Wellenlängen kleiner als 220 nm bis hin zu kürzeren Wellenlängen, soweit die Strahlung nicht vom Edelgas absorbiert wird. Dies führt zu einem bevorzugten Wellenlängenbereich von etwa 220 nm bis etwa 150 nm.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Spülen des Strahlenganges eines Excimerlasers;

Fig. 2 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Spülen des Strahlenganges eines UV-Lasers, hier eines Excimerlasers.

Die Figur zeigt schematisch einen Excimerlaser 10 mit einer Aus­ koppeloptik 12, durch die der Laserstrahl 16 emittiert wird. Der Laserstrahl 16 wird auf ein zu bestrahlendes Objekt 14 gerichtet. Der Strahlengang des Laserstrahls 16 von der Auskoppeloptik 12 des Excimerlasers 10 bis hin zum zu bestrahlenden Objekt 14 ist durch eine Umhüllung 18 von der äußeren Atmosphäre 26 abgekapselt. Im Inneren der Umhüllung 18 kann somit der Raum durch ein aus zu­ wählendes Gas ausgefüllt werden. Beim dargestellten Ausführungs­ beispiel hat die Umhüllung 18 die Form eines langgestreckten Rohres, das den Strahlengang des Lasers aufnimmt. In der Umhül­ lung 18 sind optische Komponenten angeordnet, die der Abbildung des Laserstrahls auf das zu bestrahlende Objekt 14 dienen, zum Beispiel Linsen 24, Prismen 26 oder weitere optische Komponen­ ten, wie Gitter etc. Insbesondere bestehen die genannten opti­ schen Komponenten aus CaF₂.

Die Umhüllung 18 weist einen Einlaß 20 und einen Auslaß 22 auf. Einlaß 20 und Auslaß 22 können mit Ventilen, insbesondere Ein­ weg-Ventilen, versehen sein, so daß im Inneren der Umhüllung 18 zu jeder Zeit das eingelassene Gas einen bestimmten Druck auf­ weist.

Über eine Gasversorgung 28 wird das Gas dem Einlaß 20 zugeführt, und zwar bevorzugt unter einem geringen Überdruck gegenüber der äußeren Atmosphäre 26. Das Einweg-Ventil im Auslaß 22 öffnet bei einem bestimmten geringen Überdruck und hält somit den Gasdruck im Inneren der Umhüllung 18 konstant.

Als Gas im Inneren der Umhüllung 18 wird ein Edelgas, insbeson­ dere Argon, ausgewählt. Hierdurch wird eine maximale Intensität der auf das Objekt 14 abgebildeten UV-Laserstrahlung 16' und eine maximale Stabilität der optischen Komponenten 24, 26 er­ reicht.

Das vorstehend anhand der Fig. 1 beschriebene Ausführungsbei­ spiel läßt sich gemäß Fig. 2 weiter ausgestalten. In den Figuren sind einander entsprechende oder funktionsähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß auf die wiederholte Be­ schreibung dieser Bauteile verzichtet werden kann. Beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 verläuft der Strahl des Excimerlasers in der Umhüllung 18 ebenfalls in einem Edelgas, insbesondere Argon. Zusätzlich ist ein Drucksensor 30 vorgesehen, der den Gasdruck in der Umhüllung 18 mißt und ein dem Meßergebnis ent­ sprechendes Signal an einen Rechner 34 weiterleitet. Am Einlaß 20 in die Umhüllung 18 ist ein steuerbares Ventil 32 angeordnet und entsprechend ist am Auslaß 22 ein weiteres steuerbares Ven­ til 32a angeordnet. Die beiden Ventile 32, 32a werden vom Rech­ ner 34 gesteuert, und zwar entsprechend dem Meßergebnis des Drucksensors 30 derart, daß der Gasdruck im Inneren der Umhül­ lung 18 auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten wird. Die­ se Konstanthaltung des Drucks in der Umhüllung 18 hat den Vor­ teil, daß ein im Strahlengang angeordnetes optisches System sta­ bil gehalten wird.

Die Möglichkeit der Steuerung des Druckes in der Umhüllung 18 gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eröffnet weiterhin auch die Möglichkeit, mittels einer Änderung der optischen Dichte in der Umhüllung 18 auch eine Wel­ lenlängenänderung durchzuführen, wenn entsprechende optische Bauteile, die als solche dem Fachmann bekannt sind, in der Um­ hüllung 18 angeordnet sind. Eine solche Einstellung und Regelung der Wellenlänge hat insbesondere für schmalbandige Microlitho­ graphielaser Bedeutung.

Fig. 3 zeigt eine weitere Vorrichtung zum Spülen des Strahlen­ ganges eines UV-Laserstrahles, hier eines Excimerlasers. Bei diesem Ausführungsbeispiel beschränkt sich die Verwendung des Edelgases im Strahlengang nicht allein auf den Strahlengang zwi­ schen dem Laser und dem zu bestrahlenden Objekt, vielmehr ist auch eine Kapselung und Edelgasspülung von optischen Komponenten des Laserresonators selbst vorgesehen. Eine solche Spülung des Strahlenganges im Laserresonator selbst ist insbesondere für Microlithographielaser mit einer geringen Linienbreite bei 193 nm von Bedeutung.

Fig. 3 zeigt schematisch einen derartigen Excimerlaser. In einer Laserröhre 46 wird die Gasentladung durchgeführt. Direkt an den Fenstern 44, 44a der Laserröhre 46 sind Optik-Module 40 und 42 angeordnet. Die Optik-Module 40 und 42 sind jeweils in Umhüllun­ gen 18a bzw. 18b angeordnet. Die Umhüllungen 18a, 18b haben eine der oben beschriebenen Umhüllung 18 entsprechende Funktion. Das Optik-Modul 40 enthält zum Beispiel ein Prisma 48 und ein Gitter 50. Das Optik-Modul 42 enthält zum Beispiel Etalons 52. Diese Systeme dienen zur Erzeugung extrem schmalbandiger UV-Strahlung. Eine Beschickung der Umhüllungen 18a, 18b mit Edelgas, insbeson­ dere Argon, entsprechend der oben beschriebenen Beschickung der Umhüllung 18, hat ebenfalls die oben bereits abgehandelten tech­ nischen Vorteile. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 kann, wie oben anhand der Fig. 2 beschrieben ist, auch mittels einer Druckänderung in der Umhüllung eine Wellenlängenänderung durch­ geführt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Spülen des Strahlenganges eines UV-Laser­ strahles mit einer den Strahlengang von der äußeren Atmosphäre (26) trennenden Umhüllung (18), dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (18) im wesentlichen ein Edelgas enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Edelgas Argon vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (18) zumindest einen Einlaß (20) und zumindest einen Auslaß (22) für das Edelgas aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelsystem (30, 32, 32a, 34) vorgesehen ist, um den Edelgasdruck in der Umhüllung einzustellen, insbesondere um die­ sen Druck auf einem vorgegebenen Wert konstant zu halten.