DE29713755U1

DE29713755U1 - Gasentladungslaser mit Metalldichtungen

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Publication number: DE29713755U1
Application number: DE29713755U
Authority: DE
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2007-08-02

Description

LAMBDA PHYSIK GESELLSCHAFT
ZUR HERSTELLUNG VON LASERN MBH
1G-78 038
1. August 1997

Gasentladungslaser mit Metalldichtungen

Die Erfindung betrifft einen Gasentladungslaser, insbesondere Excimerlaser, mit Halogenen in der Gasentladungskammer.

Aus der DE 295 20 820.1 U ist ein Gasentladungslaser dieser Art bekannt mit Dichtungen zum gasdichten Befestigen von Bauteilen, wie Flanschen, Durchführungen oder Fenstern, wobei die Dichtungen aus Metall bestehen.

Laserröhren von Gasentladungslasern, insbesondere von Excimerlasern, werden üblicherweise mit chemisch sehr agressiven Gasen gefüllt, insbesondere Halogenen, wie Fluor oder HCl. Auch Chlorwasserstoff ist eine bei Excimerlasern häufig verwendete Gaskomponente. Das bei der Gasentladung erzeugte, hochangeregte Plasma enthält eine Vielzahl von chemischen Radikalen, die mit denjenigen Oberflächen in Kontakt kommen, welche den Innenraum der Laserröhre (der Gasentladungskammer) abgrenzen.

Im Stand der Technik werden Laserröhren, insbesondere für Excimerlaser, überwiegend aus Metall hergestellt. Dabei werden die Metallegierungen so ausgewählt, daß sie mit den halogenhaltigen Gasen im Inneren der Röhre keine den Laserbetrieb störenden Reaktionsprodukte bilden. Solche chemischen Reaktionen beeinträchtigen die Lebensdauer des Lasers. Auch können bei chemischen Reaktionen entstehende Produkte sich auf optischen Komponenten des Lasers (zum Beispiel den Fenstern der Laserröhre) ablagern und so den Laserbetrieb beeinträchtigen.

Die in der Laserröhre (Gasentladungskainmer) angeordneten Elektroden und andere, elektrische Spannung führende Bauteile müssen gegen metallische Wandteile der Laserröhre elektrisch isoliert werden. Hierzu hat sich Keramik bewährt. Verwendet wird bevorzugt eine Oxidkeramik, wie Al 0 , in hochreiner Form.

Der obengenannte Stand der Technik gemäß dem Gebrauchsmuster 295 20 820.1 hat bereits erkannt, daß die zuvor im Stand der Technik hauptsächlich verwendeten Kunststoffdichtungen zum Abdichten der Flansche, Fenster, Durchführungen etc. den Nachteil haben, daß Sauerstoff oder andere Luftbestandteile durch das Dichtungsmaterial diffundieren und das Lasergas verunreinigen können. Auch wurde dort erkannt, daß Elastomer-Dichtungen, die mit halogenhaltigen Gasen der Laserröhre in Kontakt kommen, Reaktionsprodukte bilden können, insbesondere organische Verunreinigungen, die ebenfalls den Laserbetrieb nachteilig beeinflussen können, insbesondere die Lebensdauer des Lasergases. Auch die Desorption von Substanzen aus den Elastomer-Dichtungen, die dem halogenhaltigen Gas ausgesetzt sind, hat sich als eine in Betracht zu ziehende Quelle für Verunreinigungen des Lasergases herausgestellt. Solche Desorptionen können zu Halogenverlust im Lasergas durch chemische Reaktionen führen.

Das genannte Gebrauchsmuster überwindet diese Probleme des Standes der Technik durch Dichtungen aus Metall.

Gasentladungslaser der hier in Rede stehenden Art weisen aber Bauteile auf, bei denen die Verwendung von Metalldichtungen gemäß dem erläuterten Stand der Technik problematisch ist. So kann zum Beispiel ein Fenster aus optischem Glas oder MgF oder CaF_ bei Verwendung in einem Excimerlaser nicht ohne weiteres mit derartigen Metalldichtungen abgedichtet werden, da die Andruckkräfte das Fenster zerstören könnten.

In der Ultrahochvakuumtechnik (UHV) werden Fenster mittels eines Übergangsmetalls aus einer speziellen, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Legierung in Flansche aus

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Edelstahl eingelötet. Dieses Verfahren ist aber nur bei Gläsern möglich, die sich metallisieren lassen, d.h. mit einer Metallschicht verbunden werden können. Bei den in Excimerlasern verwendeten Fluoriden als Materialien für die optischen Komponenten ist aber eine derartige Lötverbindung nur mit sehr hohen Ausschußraten, wenn überhaupt, möglich. Auch ist bei einem derart gelöteten Fenster keine Nachbearbeitung der Oberfläche des optischen Materials mehr möglich, oder allenfalls mit sehr hohem Aufwand. Auch kann der Lötvorgang eine Beeinträchtigung der optischen Qualität des Bauteils, zum Beispiel des Fensters, bewirken.

Bei Gasentladungslasern, insbesondere Excimerlasern, stellt sich weiterhin das Problem der Abdichtung des sogenannten Hauptisolators. Der Hauptisolator trennt die beiden Elektroden für die Haupt-Gasentladung voneinander. Im Stand der Technik werden hierfür üblicherweise O-Ringe aus einem halogenbeständigen Material eingesetzt, wie spezielle Kunststoffe, zum Beispiel Viton (Marke). Derartige O-Ringe zur Abdichtung weisen zum einen eine nicht vernachlässigbare Leckrate auf. Dies führt dazu, daß Gas aus der äußeren Atmosphäre in die Laserkammer eindringt und dort die Effizienz und die Gaslebensdauern verringert. Zum anderen wird das genannte Dichtungsmaterial sowohl durch das Halogen als auch durch UV-Bestrahlung geschädigt und das Lasergas mit Stoffen aus der Dichtung bzw. Reaktionsprodukten verunreinigt.

Aus konstruktiven Gründen muß bei Excimerlaserröhren ein rechteckiges Keramikteil mit zwei Metallflanschen verbunden werden. Die Metallflansche sind in der Regel metallische Trägerplatten für die Hauptentladungselektroden. Der Stand der Technik hat bei Bauteilen mit radialsymmetrischer Struktur (also keinen rechteckigen Bauteilen) dieses Problem derart gelöst, daß ein Metall mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten z.B. Kupfer auf das keramische Bauteil aufgelötet wurde und dieses Metall dann mit dem Gegenflansch verschweißt oder ebenfalls verlötet wurde. Bei rohrförmigen Bauteilen führte diese Technik nicht zu grundsätzlichen Schwierigkeiten. Bei rechteckigen Keramikteilen können

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aber Probleme auftreten, insbesondere durch nicht kompensierbare Spannungen, vor allem beim Abkühlen nach dem Löten. Derartige
Spannungen können das Keramikbauteil zerstören.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, bei den vorstehend erläuterten technischen Problemen für Abhilfe zu sorgen.

Nach der Erfindung wird dies dadurch ereicht, daß bei einem Gasentladungslaser, insbesondere einem Excimerlaser, zur Abdichtung Dichtungen vorgesehen sind aus einer metallischen Hülle mit einem
elastischen Kern.

Derartige Dichtungen aus einer metallischen Hülle mit einem elastischen Kern sind als solche für andere Zwecke bekannt, vgl.
insbesondere die elastischen Metalldichtungen des Typs
"Helicoflex" (Marke) der Firma Carbone Lorraine. Derartige
Metalldichtungen mit elastischem Kern weisen eine sehr hohe
Dichtfähigkeit und elastische Rückstellung auf. Die äußere Hülle kann aus unterschiedlichen Metallen bestehen, wie zum Beispiel
Indium, Zinn, Aluminium, Kupfer etc., aber auch aus nichtrostendem Stahl. Es gibt für solche Dichtungen sowohl runde als auch
nicht runde Formen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Dichtungen zwischen einem Keramikfahmen und Elektroden-Trägerplatten angeordnet sind.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Dichtungen ein für die Laserstrahlung durchlässiges Fenster abdichten.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, daß zur Abdichtung der
Kammer eine keramische Wand der Kammer mit einer Metallschicht
versehen ist, in die eine Schneidkante abdichtend eindringt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

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Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Entladungskammer eines Gasentladungslasers;

Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 eine Abwandlung der Abdichtungstechnik bei einer Gasentladungskammer gemäß Fig. 1,

Fig. 4 schematisch die Abdichtung eines Fensters eines Gasentladungslasers ,

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Entladungskammer schematisch im Schnitt und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Entladungskammer in schematischem Schnitt.

Fig.l zeigt eine Gasentladungskammer 10, die gasdicht von der äußeren Atmosphäre 12 getrennt ist. Die Gasentladungskammer 10 wird durch einen plattenförmigen Kathodenträger 14 und einen ebenfalls plattenförmigen Anodenträger 16 unten bzw. oben abgegrenzt. Der Kathodenträger 14 und der Anodenträger 16 sind aus Metall.

Zwischen den beiden Elektrodenträgern 14, 16 ist ein Bauteil, insbesondere ein Rahmen aus Keramik, insbesondere Al₀O angeordnet, der die Wandung der Kammer 10 vervollständigt. In Fig. 1 ist die rechte Keramikwand mit 18 und die linke Keramikwand mit 2 0 bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der aus den Wänden 18, 20 gebildete Rahmen insgesamt rechteckförmig, d.h. in einer Draufsicht gemäß Fig. 1 von oben hat der Rahmen etwa die Form eines Rechtecks. Abwandlungen dieses Ausführungsbeispieles sind weiter unten erläutert.

Fig. 1 zeigt die beiden Elektroden für die Haupt-Gasentladung, die Kathode 22 und die Anode 24. Daneben sind auch zwei Vorionisierungselektroden 26, 28 schematisch angedeutet.

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Zur gasdichten Abdichtung des Innenraums 10 der Gasentladungskammer von der äußeren Atmosphäre 12 sind beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zwei umlaufende Dichtungen 32 und 32a vorgesehen. Die umlaufende Dichtung 32 verläuft in Fig. 1 oben in einer ebenfalls rechteckförmig umlaufenden Ausnehmung 30 in der Kathodentragerplatte 14. Die untere Dichtung 32a verläuft umlaufend in einer Ausnehmung 3 0a in der Anodenträgerplatte 16.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Dichtung 3 2 in einer Ausnehmung 3 0 in vergrößertem Maßstab. Die metallische Kathodentragerplatte 14 weist eine Ausnehmung 3 0 auf, deren Tiefe etwas geringer ist als der Durchmesser der ungequetschten Dichtung 32. Die Stirnfläche 18a der Rahmenwand 18 stößt gegen die Unterseite der Kathodentragerplatte 14 und dabei wird die Dichtung 32 so gequetscht, daß die Abdichtung gasdicht ist. Die Stirnfläche 18a des Keramikbauteils 18 ist poliert. Die Dichtung 3 2 weist einen Mantel 3 5 aus elastischem Metall auf und einen elastischen Kern 34. Diese Dichtung ist als solche bekannt (s.o.). Die Dichtung 32a in der Ausnehmung 3 0a wirkt entsprechend.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 kann vorteilhafterweise zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit der Keramik dieselbe im Bereich der Stirnfläche 18a mit einer Metallschicht versehen werden. Eine solche Metallisierung der Keramik gewährleistet hohe Gasdichtigkeit auch bei hohen Betriebstemperaturen.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des vorstehend beschriebenen Dichtungsprinzips, wobei Fig. 3 beispielhaft nur eine Dichtung (zum Beispiel in Fig. 1, oben rechts) darstellt. Die anderen Dichtungen sind analog.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird die abzudichtende Keramikoberfläche 18a' mit einer Metallschicht 3 8 versehen. Zum Beispiel kann 0,5 bis 2 mm sauerstofffreies Kupfer mittels Aktivlot oder auch mit normalem Lot auf die zuvor metallisierte Keramik vakuumdicht aufgelötet werden. Es sind auch andere Verfahren zum Aufbringen der Metallschicht möglich, zum Beispiel

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Aufdampfen, Aufsputtern etc., um die Metallschicht vakuumdicht mit der Keramik zu verbinden. Zum Abdichten ist am metallischen Gegenstück, hier dem Kathodenträger 14, in an sich bekannter Weise eine Schneidkante 3 6 ausgebildet, die unter Druck in die Metallschicht 3 8 eindringt und so die Abdichtung bewirkt. Die Schneidkante 3 6 ist aus härterem Metall wie die Metallschicht 38, zum Beispiel aus Edelstahl.

Fig. 4 zeigt schematisch eine metallgedichtete Fensterfassung für insbesondere einen Excimerlaser. Das Fenster aus zum Beispiel MgF oder CaF ist nicht in einen metallischen Flansch irreversibel eingelötet. Vielmehr sind beidseits des Fensters jeweils umlaufende Dichtungen 54, 56 abdichtend mittels Flanschen eingequetscht, wobei die metallischen Dichtungen aus einer Hülle und einem elastischen Kern bestehen, wie oben anhand der Fig. 2 beschrieben ist (zum Beispiel Typ Helicoflex (Marke).

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 kann dahingehend abgewandelt werden, daß der Einbau des Fensters mit nur einer Metalldichtung 56 erfolgt. Statt der Metalldichtung 54 kann dann ein einfaches Kunststoffelement verwendet werden, da das Lasergas nur auf der einen Seite des Fensters vorhanden ist und somit die Kunststoffdichtung (statt der Dichtung 54) nicht von Lasergas angegriffen wird.

Durch den in Fig. 4 gezeigten "schwebenden" Einbau des Fensters 40 zwischen die beiden Metallflansche 42, 44 wird verhindert, daß Spannungen beim Anpressen der Flansche auftreten. Die Abmessungen des Fensters 40 und der Flansche 42, 44 sind so gewählt, daß die Dichtungen 54, 56 in genau der gewünschten Weise zusammengepreßt werden. Nach Erreichen der erforderlichen Kompression der Dichtungen schlagen die Flansche 42, 44 aneinander an und ein weiteres Andrücken ist nicht möglich. Der untere Flansch 44 wird unabhängig von der Abdichtung des Fensters 40 mittels einer als solches bekannten Metalldichtung 48 an der Wand 46 der Gasentladungskammer befestigt, und zwar in an sich bekannter Weise mittels Schneidkanten 50, 52, die in die aus weicherem Metall

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bestehende Dichtung 48 eindringen. In Fig. 4 sind die Schraubenbolzen zum Verpressen der Dichtungen 54, 56 und 48 nicht näher dargestellt. Die Anpreßkräfte können grundsätzlich in beliebiger Weise erzeugt werden, zum Beispiel mittels Schraubenbolzen, Klammern oder dergleichen. Dies gilt auch für die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1, 2, 3, 5 und 6. In den Figuren 5 und 6 ist die Vorionisierungseinrichtung nicht dargestellt. Das Prinzip der Vorionisierung ist in Fig. 1 angedeutet.

Die Fig. 5 und 6 zeigen gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 abgewandelte Gasentladungskammern eines Excimerlasers. In den Fig. sind einander entsprechende oder funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie Fig. 5 zeigt, ist es nicht erforderlich, beide Elektroden 22, 24 auf metallische Platten zu montieren. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist die Elektrode 22 an einem Keramikbauteil 18, das im Schnitt etwa U-förmig ist, montiert. Eine elektrische Durchführung 22a führt zur Elektrode 22. Das Keramikbauteil 18 ist auf einer metallischen Platte 16 gasdicht montiert und die weitere Elektrode 24 wird auf dieser Platte abgestützt. Die Gasströmung ist mit den Pfeilen G angedeutet. Das metallische Bauteil 16 kann auch Teil einer größeren Metallröhre sein.

Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung des hier interessierenden Bereichs einer Gasentladungsröhre eines Excimerläsers schematisch im Schnitt. Auf der metallischen Röhre 14 ist ein Keramikbauteil 18 gasdicht mittels der Dichtung 32 befestigt. Das Keramikbauteil 18 trägt die Elektrode 2 2 und deren elektrische Zuführung 22a. Die zweite Elektrode 24 ist auf einer Metallplatte 16 abgestützt. Die Gasströmung ist wieder mit dem Pfeil G angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Keramikplatte auch "schwimmend" gemäß dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 montiert sein.

Claims

LAMBDA PHYSIK GESELLSCHAFT ZUR HERSTELLUNG VON LASERN MBH 1G-78 038 1. August 1997 Schutzansprüche

1. Gasentladungslaser, insbesondere Excimerlaser, mit Halogen in seiner Gasentladungskammer (10) , dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der Kammer zumindest eine Dichtung (32, 32a; 54, 56) aus einer metallischen Hülle (35) mit einem elastischen Kern (34) vorgesehen ist.

2. Gasentladungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (32, 32a) zwischen einem Keramikbauteil (18, 20) und mindestens einer Elektroden-Trägerplatte (14, 16) angeordnet ist.

3. Gasentladungslaser nach Anspruch 1 oder 2, · dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (54, 56) ein für die Laserstrahlung durchlässiges Fenster (40) abdichtet.

4. Gasentladungslaser, insbesondere Excimerlaser, mit Halogen in seiner Gasentladungskammer (10) , dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der Kammer (10) eine keramische Wand (18) der Kammer mit einer Metallschicht (38) versehen ist, in die eine Schneidkante (36) abdichtend eindringt.