DE19840035C2 - Excimerlaser - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Excimerlaser mit einem Resonatorgehäuse, in
dem zur Gasentladung eine Elektrodenanordnung angeordnet ist und das in
Strahlrichtung beidseitig je ein Austrittsfenster aufweist.
Das Laserprinzip von Excimerlasern basiert auf der kurzzeitigen Bildung sogenannter
Excimere, d. h. Moleküle, die nur in elektronisch angeregten Zuständen existieren
können. Derartige Excimere bestehen vorwiegend aus zweiatomigen Systemen, wie
beispielsweise Verbindungen aus reinen Edelgasen, beispielsweise Ar2, oder aus
Edelgas-Halogenverbindungen, wie beispielsweise ArF oder auch aus dreiatomigen
Edelgas-Halogen-Verbindungen, beispielsweise Xe2Cl.
Da derartige Excimere nur in elektronisch angeregten Zuständen existieren, ist der
elektronische Grundzustand unbesetzt, so daß sie für den Einsatz als laseraktive
Medien geeignet sind.
Die Anregung der Excimere erfolgt entweder durch einen intensiven
Elektronenstrahl, durch eine elektrische Hochspannungsentladung oder einer
Kombination aus beiden Anregungsmöglichkeiten.
Durch diese Anregungsprozesse und den damit erforderlichen Hochspannungen, die
im Kilovolt-Bereich liegen, treten zwischen den Elektrodenanordnungen
Materialabbrand auf, der als "Staub" das gesamte Innere des Excimerlasers
kontaminiert und seinerseits die Leistungsdaten sowie auch die Lebensdauer des
Lasers entscheidend herabsetzt. Der durch den Materialabbrand an den Oberflächen
der jeweiligen Elektroden entstehende Staub ist daher aus dem Laserinneren zu
entfernen, indem beispielsweise das mit Staub kontaminierte Lasergas in geeigneter
Weise filtriert wird.
Hierzu sind eine Reihe bekannter Lösungen bekannt, die im folgenden kurz
dargestellt werden:
Aus den japanischen Druckschriften JP 6-334240, JP 6-188482 sowie JP 8-335734
gehen Vorrichtungen hervor, mit denen Excimerlaser von dem im Inneren des Lasers
durch Materialabbrand entstehenden Staub befreit werden. Hierzu wird das Füllgas
des Lasers mit geeigneter Strömungsantrieben innerhalb des Lasers durch ein
Kanalsystem geführt, in dem geeignete Staubfilter vorgesehen sind. Derartige
Staubfilter können zum einen metallische oder keramische Filtervorrichtungen sein,
die in aller Regel nach einer entsprechenden Sättigung an Staub ausgewechselt
werden müssen. Überdies erfolgt alternativ die Staubfiltrierung mittels geeigneter
elektrostatisch aufgeladener Elektroden, an denen sich die Staubpartikel ablagern.
Ein besonderer Aspekt der Beeinträchtigung der Laserleistung durch die innere
Verschmutzung ist durch das Niederschlagen von Staubpartikel an optischen
intrakavitären Oberflächen bedingt, wie beispielsweise die Innenseiten der
Strahlaustrittsfenster des Resonators. Gelangen Staubpartikel an die Innenseite der
Austrittsfenster, so wird deren Transmissionsvermögen erheblich beeinträchtigt.
Aus der deutschen Patentschrift DE 32 12 928 C2 ist ein Excimerlaser-System zu
entnehmen, das eine in einer extra vorgesehenen Kanalführung eine
Elektrofilteranordnung zur Extraktion von Staubpartikeln aus dem aktiven
Lasermedium vorsieht, die über eine Umwälzpumpe mit dem zu filtrierenden Gas
gespeist wird. Das jeweils von Staubpartikeln gereinigte Gas wird im Bereich der
Strahlaustrittsfenster in das Innere des Laserresonators zurückgeleitet. Auf diese
Weise werden die Innenseiten der Strahlaustrittsfenster regelrecht durch das
gereinigte Gas "saubergeblasen". In ähnlicher Weise gehen entsprechende
Reinigungstechniken für Excimer-Laser-Austrittsfenster aus folgenden Druckschriften
hervor: DE 32 12 928 C2, DE 91 06 909 U1 US 5 319 663, US 5 018 161, WO 94/11931.
Nachteilhaft bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch, daß zur Aufrechterhaltung
eines gerichteten Gasstromes eine Umwälzpumpe vorgesehen ist, die aufgrund ihrer
rotierenden Komponenten selbst einem gewissen Verschleiß und einer
Verschmutzung unterliegt.
Eine weitere Möglichkeit magnetisierbare Schmutzpartikel aus dem Gasstrom bzw.
von der Austrittsfensteroberfläche zu entfernen wird in der DE 44 00 345 A1
beschrieben. Hier wird ein Elektromagnet vorgesehen, um Schmutzpartikel aus dem
Gasstrom zu entfernen. Diese Technik ist jedoch lediglich auf magnetisierbare
Schmutzpartikel begrenzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Excimerlaser mit einem
Resonatorgehäuse, in dem zur Gasentladung eine Elektrodenanordnung angeordnet
ist und das in Strahlrichtung beidseitig je mit einem Austrittsfenster versehen ist,
derart weiterzubilden, daß die Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften der
Innenseiten der Austrittsfenster durch Staubablagerungen ausgeschlossen werden
soll, wobei auf jegliche Umwälzpumpensysteme mit bewegten Teilen, wie sie aus der
DE 32 12 928 C2 bekannt sind, verzichtet werden soll. Die Säuberung der
Austrittsfenster soll mit Mitteln erfolgen, die weitgehend keinem Verschleiß
unterliegen und die insbesondere aus möglichst kostengünstigen Komponenten
zusammengestellt werden können.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Excimerlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
derart ausgebildet, daß zur Vermeidung von Staubablagerungen an der Innenseite
der Austrittsfenster, die durch Materialabbrand während der Entladung auftreten, ein
Gasstrom auf das Austrittsfenster gerichtet ist, der durch einen elektrostatischen
Gasantrieb ohne Verwendung beweglicher Teile erfolgt.
Die Erfindung geht von der Idee aus, einen gezielt auf die Innenseite der
Austrittsfenster gerichteten Gasstrom zu generieren, wobei der Antrieb zur
Erzeugung des Gasstromes nicht wie im herkömmlichen Sinne durch eine
mechanische Pumpe oder einen Lüfter erfolgt, die ihrerseits bewegliche Teile und
eine geringe Verschleißfestigkeit gegenüber dem Excimergas aufweisen, sondern
lediglich aus einer Elektrodenanordnung besteht, die bei geeigneter Konfiguration
der Elektroden und entsprechender Beaufschlagung der Elektroden mit
Hochspannung zu einem sogenannten Ionen- oder Plasmawind führen.
Grundsätzlich sind aus der Physik Elektrodenanordnungen bekannt, bei denen eine
Elektrode spitz ausgebildet und eine andere Elektrode flächig ausgeformt ist und
über mindestens eine Durchgangsöffnung verfügt. Die spitz ausgebildete Elektrode
ist dabei gegenüber der Durchgangsöffnung der anderen Elektrode angeordnet. Legt
man nun zwischen beiden Elektroden eine Hochspannung an, kann eine sogenannte
"Büschelentladung" erzeugt werden (siehe hierzu auch Bergmann/Schäfer, Band
11, 6. Auflage, Seite 473). Durch das starke elektrische Feld werden Gas- und
Staubteilchen ionisiert und auf die flächige Elektrode, die negativ aufgeladen ist,
beschleunigt. Durch die Durchgangsöffnung der flächig ausgebildeten Elektrode
gelangen die Teilchen durch die Elektrodenanordnung hindurch und erzeugen auf
diese Weise einen gerichteten Gasstrom, der auch als Plasmawind bezeichnet wird.
Das Phänomen der Erzeugung eines derartigen Plasmawindes mit der vorstehend
bekannten Elektrodenanordnung bildet die Grundlage für einen elektrostatischen
Gasantrieb, der in erfindungsgemäßer Weise in einem Excimerlaser eingesetzt wird,
um dort die Innenseiten der Austrittsfenster mit einem Gasstrom zur Säuberung zu
beaufschlagt.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines derartigen elektrostatischen Gasantriebes
auch deshalb, zumal die für den Betrieb eines Excimerlasers erforderliche
Hochspannung auch für die Hochspannungsbeaufschlagung der Elektroden des
elektrostatischen Gasantriebes mitverwendet werden kann. Überdies lagern sich an
der vorzugsweise negativ geladenen, flächig ausgebildeten Elektrode Staubpartikel
an, so daß auf diese Weise eine Art Vorreinigung des mit Staubpartikeln
kontaminierten Gasstromes erfolgen kann.
Die Elektrodenanordnung des elektrostatischen Gasantriebes wird vorzugsweise in
einem Bereich innerhalb des Excimerlasers angeordnet, in dem eine möglichst
beruhigte Gasatmosphäre, d. h. ohne größere Strömungsturbulenzen, vorherrscht.
Der Gasstrom wird vorzugsweise unter einem Winkel zwischen 0° und 90° relativ zur
Normalen der Austrittsfenster auf diese gerichtet. Auf diese Weise können sich keine
Staubpartikel an der Oberfläche der Innenseite des Austrittsfensters festsetzen und
die Transmissionseigenschaften des Fensters nachhaltig beeinträchtigen.
Der an der Oberfläche regelrecht reflektierte Gasstrom gelangt vorzugsweise in
Strahlrichtung in das Innere des Gasentladungsraumes des Excimerlaser-
Resonators, in dem sich das Gas mit dem für die Entladung vorgesehene
Gasgemisch des Excimerlasers vermischt.
Unmittelbar in Strahlrichtung den Austrittsfensters vorgeschaltet, sind vorzugsweise
Schlitz- bzw. Lochelektroden angeordnet, durch die zum einen der Laserstrahl
verläuft und durch das Austrittsfenster den Laser verläßt, zum anderen gelangt der
an der Innenseite der Austrittsfenster reflektierte Gasstrom durch die Lochöffnungen
der Blendenanordnung in das Innere der Resonatoranordnung. Die in Reihe
hintereinander angeordneten Lochblenden können zudem ebenso elektrostatisch
aufgeladen werden, so daß sich in dem Gasstrom befindliche Staubpartikel an den
Lochblenden bzw. in den Zwischenspalten benachbarter Lochblenden absetzen bzw.
anlagern können.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen exemplarisch. Es zeigen:
Fig. 1 schematisierte Darstellung eines vorteilhaft ausgebildeten elektro
statischen Gasantriebs sowie
Fig. 2 schematisierte Querschnittsdarstellung durch einen Excimerlaser-
Aufbau mit elektrostatischem Gasantrieb.
In Fig. 1 ist eine flächig ausgebildete Elektrode 1 mit einer Öffnung 2 dargestellt, zu
deren Öffnung 2 eine spitz zulaufende Elektrode 3 in der dargestellten Weise
angeordnet ist. Wird zwischen den Elektroden 1 und 3 eine geeignete
Hochspannung, beispielsweise in Höhe von 3 kV angelegt, so bildet sich zwischen
den Elektroden eine sogenannte Büschelentladung aus, die dazu führt, daß sich ein
nach der gelochten Elektrode 1 auftretender, gerichteter Gasstrom 4 in der in
Pfeilrichtung orientierten Richtung einstellt. Dieser auch als Plasmawind bzw.
Ionenwind bekannte Gasstrom dient als Grundlage für eine Einrichtung zur
Säuberung der Innenseiten von Austrittsfenstern bei Excimerlasern.
In Fig. 2 ist ein schematisierter Teil-Querschnitt durch einen Excimerlaser dargestellt,
der innerhalb eines Resonatorgehäuses 5 eine Hauptelektrodenanordnung 6 zur
Gasentladung des Excimergases vorsieht, sowie eine Gasreinigungsanlage 7, die
aus dem vorstehend zitierten Stand der Technik als bekannt anzusehen ist.
Seitlich im Bereich des Austrittsfensters 8 (eine identische Anordnung ist ebenfalls
an dem nicht dargestellten zweiten Austrittsfenster vorgesehen), ist die schematisch
in Fig. 1 dargestellte Elektrodenanordnung 6 angebracht. Die Elektrodenanordnung 8
erzeugt einen gerichteten Gasstrom 4 seitlich auf die Austrittsfensteroberfläche, so
daß der Gasstrom 4 an dieser regelrecht reflektiert wird und in das Innere des
Lasergehäuses zurückläuft. Eine Loch- bzw. Schlitzelektrodenanordnung 10 ist
zusätzlich elektrostatisch aufgeladen, so daß die in dem Gasstrom 4 enthaltenen
Staubpartikel an den Elektrodenflächen bzw. Zwischenräumen zwischen zwei
benachbarten Lochblenden wenigstens zum Teil haften bleiben.
Damit der Bereich um den elektrostatischen Gasantrieb (9) relativ frei von
Strömungsturbulenzen ist, können Abschirmelemente 11 geeignet vorgesehen
werden.
Die Abschirmelemente können in Art von Blenden ausgestaltet sein; auch ist es
möglich eine in Gasströmrichtung des elektrostatischen Gasantriebes
nachgeschaltete Zwischenkammer vorzusehen, die einen weitgehend
abgeschlossenen Raum bildet, in dem sich der Gasstrom ungestört von äußeren
Turbulenzen ausbreiten und/oder beruhigen kann. Die Zwischenkammer sieht ferner
eine Auslaßdüse vor, durch die der Gasstrom direkt auf das zu reinigende
Austrittsfenster gerichtet ist. Hierdurch kann die Strömungseigenschaft positiv
beeinflußt werden, so daß eine weitgehend laminare Strömung erhalten wird.
1
flächige Elektrode
2
Öffnung
3
spitze Elektrode
4
Ionenwind, gerichteter Gasstrom
5
Excimerlaser-Gehäuse, Resonatorgehäuse
6
Hauptelektroden, Entladungselektroden
7
Reinigungseinrichtung
8
Austrittsfenster
9
elektrostatischer Gasantrieb
10
Elektrodenanordnung als Schlitz- oder Lochblenden ausgebildet
11
Abschirmelement
Claims (9)
1. Excimerlaser mit einem Resonatorgehäuse (5), in dem zur Gasentladung eine
Elektrodenanordnung (6) angeordnet ist und das in Strahlrichtung beidseitig je mit
einem Austrittsfenster (8) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Staubablagerungen an der
Innenseite der Austrittsfenster (8), die durch Materialabbrand während der Entladung
auftreten, ein Gasstrom (4) auf das Austrittsfenster (8) gerichtet ist, der durch einen
elektrostatischen Gasantrieb (9) ohne Verwendung beweglicher Teile erfolgt.
2. Excimerlaser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (4) unter einem Winkel zwischen 0°
und 90° relativ zur Normalen des Austrittsfenster (8) auf das Austrittsfenster gerichtet
ist.
3. Excimerlaser nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Gasantrieb (9) zwei Elektroden aufweist, von denen eine (3) wenigstens eine Spitze aufweist und die andere (1) flächig ausgebildet ist und eine Öffnung (2) vorsieht, wobei die Elektrodenspitze der Öffnung gegenüberliegend angeordnet ist, und
daß an den Elektroden (1, 3) eine derart starke elektrische Spannung angelegt ist,
daß zwischen den Elektroden eine Entladung entsteht, durch die ein gerichteter Gasstrom (4), ein sogenannter Plasmawind, durch die Öffnung (2) hindurch erzeugbar ist.
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Gasantrieb (9) zwei Elektroden aufweist, von denen eine (3) wenigstens eine Spitze aufweist und die andere (1) flächig ausgebildet ist und eine Öffnung (2) vorsieht, wobei die Elektrodenspitze der Öffnung gegenüberliegend angeordnet ist, und
daß an den Elektroden (1, 3) eine derart starke elektrische Spannung angelegt ist,
daß zwischen den Elektroden eine Entladung entsteht, durch die ein gerichteter Gasstrom (4), ein sogenannter Plasmawind, durch die Öffnung (2) hindurch erzeugbar ist.
4. Excimerlaser nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung des elektrostatischen
Gasantriebs (9) innerhalb des Resonatorgehäuses (5) in einer weitgehend
ungestörten Stelle, hinsichtlich der Gasströmungen, angebracht ist.
5. Excimerlaser nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß Abschirmelemente (11) zur Sicherstellung einer
weitgehend strömungsfreien Umgebung vorgesehen sind.
6. Excimerlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß Loch- oder Schlitzblenden (10) in Strahlrichtung vor
den Austrittsfenstern (8) angeordnet sind, durch die der vom Austrittsfenster (8)
weggerichtete Gasstrom (4) abgeführt wird.
7. Excimerlaser nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Loch- oder Schlitzblenden (10) derart
elektrostatisch aufgeladen sind, daß sich der im Gasstrom (4) befindliche Staub an
und/oder zwischen den Blenden niederschlägt.
8. Excimerlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrostatischen Aufladung Hochspannungen
von ca. 3 kV verwendet werden.
9. Excimerlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenkammer vorgesehen ist, in die der vom
elektrostatischen Gasantrieb (9) herrührende Gasstrom (4) eingeleitet wird und die
eine Düsenöffnung aufweist, durch die der Gasstrom auf das Austrittsfenster
gerichtet ist.
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