DE19840035C2 - Excimerlaser - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.

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.