DE4427184A1

DE4427184A1 - Cryogenically cleaning Xenon Fluoride Excimer laser gas mixts.

Info

Publication number: DE4427184A1
Application number: DE19944427184
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr Basting; Frank Dr Vos
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1996-02-08

Abstract

In the process to cryogenically clean XeF Excimer laser gas mixts. in standby operation, the sepn. of contaminants proceeds by condensation in the gas mixt. above a temp. at which a distinct freezing-out of the Xe occurs. Also claimed is a device to carry out the above process having inlet and outlet lines attached to a XeF excimer laser tube. These lines link the laser tube to a cryogenic gas purification device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur cryogenischen Reini gung von XeF-Excimerlaser-Gasmischungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for cryogenic purification XeF excimer laser gas mixtures and a device to carry out such a procedure.

In Excimerlasern wird bekanntermaßen ein laseraktives Medium dadurch erzeugt, daß im Plasma einer Gasentladung unter Betei ligung von Edelgasatomen und Halogenen (sowie weiterer Reaktionsteilnehmer) hoch angeregte Excimere gebildet werden.As is known, excimer lasers are used as a laser-active medium generated in that a plasma gas discharge under Betete noble gas atoms and halogens (as well as other Reactants) highly excited excimers are formed.

Der XeF-Excimerlaser gewinnt in der industriellen Anwendung weiter an Bedeutung. Dies liegt vor allen Dingen daran, daß sich mittels der Emission bei 351 nm Kunststoffe bleibend und ohne Beschädigungen markieren lassen. Andere Excimerlaser- Wellenlängen sind hier weniger gut geeignet.The XeF excimer laser wins in industrial applications continues to gain importance. Above all, this is because remain by means of the emission at 351 nm plastics and have it marked without damage. Other excimer laser Wavelengths are less suitable here.

Im allgemeinem entstehen im Betrieb der Excimerlaser Verunrei nigungen, die aus dem Gasgemisch entfernt werden müssen. Diese Verunreinigungen beeinträchtigen die Laserleistung. Im Stand der Technik werden die Excimerlaser-Gasgemische häufig cryoge nisch gereinigt, um die Standzeit des Gemisches zu erhöhen (sogenannte Online-Reinigung). Eine solche Online-Reinigung ist aber bei XeF-Excimerlasern nicht sinnvoll. In general, the excimer lasers cause impurities cleaning that must be removed from the gas mixture. These Impurities affect laser performance. In the state In technology, the excimer laser gas mixtures are often cryogenic nically cleaned to increase the service life of the mixture (so-called online cleaning). Such is an online cleaning service but not useful with XeF excimer lasers.

Die Excimerlaser-Gasmischungen bestehen typischerweise aus 3 bis 6% des aktiven Edelgases (z. B. Xe), 0,1 bis 0,2% eines Halogendonors (z. B. F₂) und einem leichten Puffergas wie He oder Ne bei einem Gesamtdruck von 1,5 bis 4 bar.The excimer laser gas mixtures typically consist of 3 up to 6% of the active noble gas (e.g. Xe), 0.1 to 0.2% of one Halogen donors (e.g. F₂) and a light buffer gas such as He or Ne at a total pressure of 1.5 to 4 bar.

Im Betrieb eines XeF-Excimerlasers entstehen Verunreinigungen und als unerwünschte Nebenprodukte vor allem relativ stabile Xenonfluoride (XeF₂, XeF₄, XeF₆ usw.). Wegen dieser Verunrei nigungen und Nebenprodukte ist es erforderlich, in die Laser röhre beständig "frische", d. h. gereinigte, Lasergasmischungen nachzuliefern. Prinzipiell bietet sich natürlich an, das Laser gas im Betrieb ständig einer cryogenischen Reinigung zu unter werfen. Dabei würden aber nicht nur die Verunreinigungen, son dern eben auch Anteile des Xenons und Fluors - als Xenon fluoride - verloren gehen. Diese Anteile müssen dann der Gasmi schung wieder zugeführt werden, damit ein ordnungsgemäßer Laserbetrieb stattfinden kann. Im Endeffekt bietet sich wegen des kostenintensiven Verlusts an Xenon beim Ausfrieren aus nicht nur wirtschaftlichen Gründen eher ein vollständiger Aus tausch einer Gasmischung an.Contamination occurs when operating a XeF excimer laser and as undesirable by-products, above all, relatively stable Xenon fluorides (XeF₂, XeF₄, XeF₆ etc.). Because of this mess Cleaning and by-products is required in the laser tube constantly "fresh", d. H. cleaned, laser gas mixtures to deliver later. In principle, of course, the laser is a good choice gas during operation constantly undergoes cryogenic cleaning throw. But not only the impurities, son parts of xenon and fluorine - as xenon fluoride - get lost. The Gasmi be fed back again so that a proper Laser operation can take place. In the end, because of the costly loss of xenon when freezing out rather a complete end not only for economic reasons exchange a gas mixture.

Es wurde nun festgestellt, daß unter ganz bestimmten Umständen die im Folgenden näher erläutert werden, eine cryogenische Auf reinigung einer Excimerlaser-Gasmischung so durchgeführt werden kann, daß es nicht zu unerwünschten Verlusten an Xenon oder F₂ (in Folge des Ausfrierens der Xenonfluoride), bzw. daß entspre chende Verluste gering gehalten werden können.It has now been found that under very specific circumstances which are explained in more detail below, a cryogenic on cleaning of an excimer laser gas mixture can be carried out in this way can that there is no undesirable loss of xenon or F₂ (as a result of the freezing out of the xenon fluorides), or that correspond appropriate losses can be kept low.

Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, daß die Xenon fluoride sich durch geeignete Maßnahmen in Xenon und F₂ (Fluor) dissoziieren lassen. Diese Bedingungen umfassen das bloße Stehenlassen einer XeF-Lasergasmischung und/oder den sogenann ten Standby-Betrieb. Durch Wahl geeigneter Bedingungen läßt sich leicht eine Reinigung der Lasergasmischung erreichen, ohne daß die Nachteile des Standes der Technik durchgreifen. The invention is based on the knowledge that the xenon fluoride through suitable measures in xenon and F₂ (fluorine) let dissociate. These conditions include the bare Leaving a XeF laser gas mixture and / or the so-called Standby mode. By choosing suitable conditions the laser gas mixture can easily be cleaned without that the disadvantages of the prior art take hold.

Bei der industriellen Nutzung von Excimerlasern treten regel mäßig Pausen auf, die sich zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens eignen. In diesen Pausen (oder auch Standby) kann man die Lasergasmischung durch cryogenische Reinigung, d. h. beispielsweise Umwälzen unter Passieren einer Kühlfalle, reinigen. Dies geschieht vorzugsweise bei einer Temperatur T₁, bei der zumindest Xenon (entsprechend den im Gemisch vorhande nen Partialdrucken, typischerweise 8 bis 18 mbar) nicht aus friert. Im Anschluß an die cryogenische Standby-Reinigung kann eventuell fehlendes Fluor nach der Reinigung im Standby dem Laser zugesetzt werden.When industrial excimer lasers are used, rules generally apply moderate breaks on the implementation of the fiction appropriate procedure. During these breaks (or standby) the laser gas mixture can be cleaned by cryogenic cleaning, d. H. for example circulation while passing through a cold trap, clean. This is preferably done at a temperature T 1, in the case of at least xenon (corresponding to the mixture present partial pressures, typically 8 to 18 mbar) freezes. Following the cryogenic standby cleaning can possibly missing fluorine after cleaning in standby Lasers can be added.

Aufgrund der Erkenntnisse der Erfinder ist es möglich, eine cryogenische Gasreinigung von XeF-Excimerlaser-Gasgemischen sinnvoll durchzuführen. Anders ausgedrückt: der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine cryogenische Reinigung von XeF-Laser gasgemischen zu ermöglichen, ohne daß es zu nicht-akzeptablen Xenon- und Fluorverlusten kommt.Based on the knowledge of the inventors, it is possible to obtain a cryogenic gas cleaning of XeF excimer laser gas mixtures to make sense. In other words: the invention lies based on the problem of cryogenic cleaning of XeF lasers to allow gas mixtures without becoming unacceptable Xenon and fluorine losses are coming.

Gegenstand der Erfindung ist folglich ein Verfahren zur Reini gung von XeF-Excimerlaser-Gasmischungen im Standby-Betrieb, wobei die Abtrennung der Verunreinigungen in der Gasmischung oberhalb einer Temperatur, bei der ein merkliches Ausfrieren des Xenons stattfindet, durch Kondensieren derselben erfolgt. Vorzugsweise wird die Gasinischung zunächst Maßnahmen unterwor fen, die eine Verringerung des Gehalts an Xenonfluoriden bewir ken. Dies ist aber nicht zwangsläufig erforderlich, da ja im Laufe des Standby-Betriebs, in dem die cryogenische Reinigung durchgeführt wird, kein weiteres Xenonfluorid entsteht bzw. bereits eine Umwandlung in Xenon und Fluor stattfindet. Vor zugsweise wartet man aber im Standby-Betrieb kurz ab, bis durch Stehenlassen und andere Maßnahmen eine Verringerung des Gehalts an Xenonfluoriden eingetreten ist. The invention therefore relates to a method for cleaning generation of XeF excimer laser gas mixtures in standby mode, wherein the separation of the impurities in the gas mixture above a temperature at which a marked freezing out of the xenon takes place by condensing the same. The gas mixture is preferably first subjected to measures which cause a reduction in the xenon fluoride content ken. However, this is not absolutely necessary, since in Course of standby, in which the cryogenic cleaning is carried out, no further xenon fluoride is formed or a conversion to xenon and fluorine is already taking place. Before however, one waits briefly in standby mode until through Leave standing and other measures to reduce salary of xenon fluorides.

Merkliches Ausfrieren bedeutet hier, daß über 10 Vol.-% des Xenons aus der Gasmischung ausgefroren werden. Im erfindungs gemäßen Verfahren sollten die Verluste an Xenongas nicht über 10 Vol.-% liegen, bevorzugt weniger als 5 Vol.-%. Nach einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur so gewählt, daß kein Xenon ausfriert. Nach dem Stand der Technik war es nicht möglich, im Betrieb auf sinnvolle Weise eine cryogenische Reinigung von XeF-Lasergas-Gemischen durchzuführen.Significant freezing here means that over 10 vol .-% of Xenons can be frozen out of the gas mixture. In the invention According to the process, the losses of xenon gas should not exceed 10 vol .-%, preferably less than 5 vol .-%. After a preferred variant of the method according to the invention is the Temperature selected so that no xenon freezes out. According to the state technology was not possible to operate in a meaningful way A cryogenic cleaning of XeF-laser gas mixtures perform.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei diskontinuier licher Betriebsweise im Standby-Betrieb (oder -Zustand) eine cryogenische Reinigung der Gasmischung durchgeführt werden kann, die die Lasereffizienz wiederherstellt bzw. gewähr leistet. Diese Erkenntnis ist insoweit überraschend als hierbei mit den Kenntnissen des Standes der Technik keine prinzipiellen Änderungen der Verhältnisse zu erwarten waren. Andererseits war eine cryogenische Reinigung bei Lasergasmischungen wünschens wert, um einen lang andauernden Betrieb mit einer Gasfüllung zu ermöglichen und gleichzeitig die Fenster des Lasers sauber zu halten. Hier leistet nun die vorliegende Erfindung auf beson ders einfache Weise Abhilfe.Surprisingly, it was found that discontinuous operating mode in standby mode (or status) cryogenic cleaning of the gas mixture can be carried out that restores or guarantees laser efficiency accomplishes. This finding is surprising in so far as it is here with the knowledge of the prior art no principal Changes in the situation were to be expected. On the other hand was a cryogenic cleaning of laser gas mixtures is desirable worth to a long-lasting operation with a gas filling enable and at the same time clean the windows of the laser hold. This is where the present invention particularly applies the simple remedy.

In der Regel reicht eine cryogenische Standby-Reinigung von etwa 1 bis 8 h aus, um die Lasergasmischung ausreichend zu rei nigen. Standby bedeutet hier, daß der Laser sich nicht im aktiven, Licht emittierenden Zustand befindet. Zur Beschleuni gung des erfindungsgemäßen Verfahrens insgesamt bietet sich an, die Gasmischung durch eine Zone erhöhter Temperatur zu leiten. Auch hierbei kommt es zu einer Dissoziierung der entstandenen Xenonfluoride. Die erforderliche Temperatur kann bereits leicht oberhalb der Raum- oder Umgebungstemperatur liegen. Es hat sich aber gezeigt, daß Temperaturen zwischen 100 und 600°C besonders geeignet sind. Ergänzend oder alternativ kann in der Zone ein die Zersetzung in Xenon und Fluor fördernder Katalysator vorge sehen sein. As a rule, a cryogenic standby cleaning is sufficient about 1 to 8 hours to sufficiently rip the laser gas mixture nigen. Standby here means that the laser is not in the active, light-emitting state. For acceleration supply of the method according to the invention is possible direct the gas mixture through a zone of elevated temperature. This also leads to a dissociation of the resulting ones Xenon fluoride. The required temperature can be easy are above room or ambient temperature. It has but shown that temperatures between 100 and 600 ° C particularly are suitable. Additionally or alternatively, one can be in the zone the decomposition into xenon and fluorine-promoting catalyst featured to be seen.

Das Ausfrieren der Verunreinigungen geschieht im erfindungs gemäßen Verfahren bei Temperaturen, bei denen nicht das Xenon- oder Fluorgas vollständig ausfriert. Ein gewisser Verlust an Xenon und Fluor ist aber tolerierbar, da der Gewinn bei der Reinigungsleistung kontrollierbar kleine Verluste an Xenon und Fluor rechtfertigt. Üblicherweise liegt diese Temperatur zwi schen 125 und 145 K. Selbst bei 125 K ist noch kein deutliches Ausfrieren von Xenon festzustellen. In Abhängigkeit von Para metern wie Strömungsgeschwindigkeit, Verweilzeit in einer bei spielsweise Kühlfalle und Strömungsquerschnitt sowie der Tem peratur etc. läßt sich die Menge des ausfrierenden Xenons leicht steuern.The impurities freeze out in the invention method at temperatures at which the xenon or fluorine gas completely freezes out. A certain loss Xenon and fluorine is tolerable, however, since the profit in Cleaning performance controllable small losses of xenon and Fluorine justifies. This temperature is usually between between 125 and 145 K. Even at 125 K there is still no clear indication Detect xenon freeze. Depending on para meters like flow velocity, dwell time in one for example cold trap and flow cross-section as well as the tem temperature, etc., the amount of xenon freezing out control easily.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich den Ansprüchen entnehmen.Leave further details of the method according to the invention refer to the claims.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung der cryogenischen Reinigung von XeF-Excimerlaser- Gasgemischen. Eine solche Vorrichtung benötigt nur entsprechen de Ab- und Zuleitungen in der Laserröhre, die dann mit einer an sich bekannten cryogenischen Reinigungsanordnung über Leitungen in Verbindung stehen. Die Zu- und Ableitung der Gase wird dann über Ventile und gegebenenfalls eine Pumpe gesteuert. Eine cryo genische Reinigungsapparatur erfordert im wesentlichen Kühlvor richtungen, die nach den bekannten Kryostatenprinzipien arbei ten bzw. Apparaturen mit flüssigem Stickstoff, die mit besonde ren Maßnahmen auf andere Temperaturen als 77 K gehalten werden. Hierzu bieten sich an sich bekannte Kühlfallen oder dergleichen an. Als Kühlmedium bietet sich beispielsweise flüssiger Stick stoff an. Zum Umpumpen der Gasmischung bedient man sich einer geeigneten Pumpe oder eines Kompressors.The invention further relates to a device for Carrying out the cryogenic cleaning of XeF excimer laser Gas mixtures. Such a device only needs to correspond de Leads and leads in the laser tube, which then with an known cryogenic cleaning arrangement via lines keep in touch. The supply and discharge of the gases is then controlled by valves and possibly a pump. A cryo Genetic cleaning equipment essentially requires cooling directions that work according to the known cryostat principles or equipment with liquid nitrogen, which with special measures to be kept at temperatures other than 77 K. Known cold traps or the like are available for this purpose at. Liquid stick, for example, is a suitable cooling medium fabric. One uses one to pump the gas mixture suitable pump or a compressor.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Fig. 1 näher erläu tert. Bei Fig. 1 handelt es sich um eine Prinzipskizze, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt. The present invention will be explained in more detail with reference to FIG. 1. In Fig. 1 is a schematic diagram showing an apparatus according to the invention.

In einem XeF-Excimerlaser 1 befindet sich eine Laserröhre (nicht abgebildet), die über Ventile 2 und 3 und Vorratsfla schen 4 und 5 mit Xenon bzw. F₂-Gas beaufschlagt wird. Alter nativ kann auch bereits eine betriebsfertige Gasmischung be reitgehalten werden. Die Laserröhre ist weiterhin mit einer cryogenischen Anordnung 6 über Leitungen 7 und 8 und Ventile 9 und 10 verbunden. Diese cryogenische Anordnung kann ein an sich bekannter Kryostat (z. B. nach Gifford McMahon) mit Wärmetau scher und Temperaturstabilisierung sein. Im Standby-Betrieb (typischerweise 1 bis 8 h) werden die Ventile 9 und 10 geöffnet und die Gasmischung gelangt über die Ableitung 7 und durch das Partikelfilter 11 in die cryogenische Reinigungsanordnung 6. In dieser Anordnung 6 frieren dann im wesentlichen die Verunreini gungen aus. Daneben kann es zu geringen Verlusten an Xenon oder auch Xenonfluoriden kommen, die hier im Rahmen des erfindungs gemäßen Verfahrens noch tolerierbar sind. Die gereinigte Gas mischung gelangt dann aus der cryogenischen Reinigungsanordnung über die Leitung 8 und das Ventil 10 zurück in die Laserröhre. Nach Abschluß der Gasreinigung können dann die Verunreinigungen konzentriert aus der Anordnung 6 bei geschlossenen Ventilen 9 und 10 entfernt werden. Hierzu läßt man die Verunreinigungen langsam auftauen und legt gegebenenfalls ein Vakuum über eine zusätzliche (nicht abgebildete) Pumpe an.In a XeF excimer laser 1 there is a laser tube (not shown) which is acted upon by valves 2 and 3 and storage bottles 4 and 5 with xenon or F₂ gas. Alternatively, a ready-to-use gas mixture can also be kept ready. The laser tube is also connected to a cryogenic arrangement 6 via lines 7 and 8 and valves 9 and 10 . This cryogenic arrangement can be a known cryostat (e.g. according to Gifford McMahon) with heat exchanger and temperature stabilization. In standby mode (typically 1 to 8 h), the valves 9 and 10 are opened and the gas mixture reaches the cryogenic cleaning arrangement 6 via the discharge line 7 and through the particle filter 11 . In this arrangement 6 then essentially freeze out the impurities. In addition, there may be low losses of xenon or xenon fluorides, which are still tolerable here in the context of the method according to the invention. The cleaned gas mixture then passes from the cryogenic cleaning arrangement via line 8 and valve 10 back into the laser tube. After completion of the gas cleaning, the contaminants can then be removed from the arrangement 6 with the valves 9 and 10 closed. For this purpose, the impurities are slowly thawed and, if necessary, a vacuum is applied via an additional pump (not shown).

In dem folgenden Beispiel wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail in the following example.

example

Es wurde ein kommerziell erhältlicher Excimerlaser (LPX 325i von LAMBDA PHYSIK) mit einer typischen Anfangsleistung von 45 W (18 KV/100 Hz) eingesetzt. Die Gasmischung war auf maximale Leistung und bestes Strahlprofil optimiert (8 mbar F₂; 15 mbar Xe; 3600 mbar Ne). Die dynamische Gaslebensdauer (Abfall auf die Hälfte der maximalen Anfangsleistung) betrug bei diesem Laser typischerweise 2,7 Mio Pulse ohne jede Reinigungsaktion. A commercially available excimer laser (LPX 325i from LAMBDA PHYSIK) with a typical initial power of 45 W. (18 KV / 100 Hz). The gas mixture was at maximum Performance and best beam profile optimized (8 mbar F₂; 15 mbar Xe; 3600 mbar Ne). The dynamic gas life (drop on half of the maximum initial power) was this Lasers typically 2.7 million pulses without any cleaning action.

Es wurde zunächst untersucht, ob sich das Lasergasgemisch im Online-Betrieb cryogenisch reinigen läßt. Hierzu wurde eine Kühlfalle verwendet, die auf eine Temperatur zwischen 125 K und 145 K gehalten wurde. Das Gasgemisch wurde über diese Kühlfalle (Kryostat-Durchsatz 90% = 43 Normliter/min Ne über 5 h) gelei tet. Es wurde festgestellt, daß bei einer cryogenischen Reini gung während des Laufens des Lasers bei 145 K, also on line, die dynamische Gaslebensdauer auf weniger als 0,5 Mio Pulse ab nimmt. Das bedeutet aber, daß mit diesem Reinigungsverfahren eine cryogenische Reinigung von XeF-Lasergasgemischen während des Laserbetriebes nicht möglich ist.It was first examined whether the laser gas mixture in the Online operation can be cryogenically cleaned. For this, a Cold trap used, which is at a temperature between 125 K and 145 K was held. The gas mixture was over this cold trap (Cryostat throughput 90% = 43 standard liters / min Ne over 5 h) tet. It was found that in a cryogenic Reini during the running of the laser at 145 K, i.e. on line, the dynamic gas life falls to less than 0.5 million pulses takes. But that means that with this cleaning process a cryogenic cleaning of XeF laser gas mixtures during laser operation is not possible.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigte sich jedoch, daß das Leistungsniveau des Lasers wieder zu regenerie ren ist und zwar im vorliegenden Beispiel, nach dem man zu nächst die dynamische Gaslebensdauer abgewartet hatte, auf 84% des Levels einer neuen Gasfüllung. Wartet man wiederum die dynamische Gaslebensdauer ab und reinigt dann im Standby-Be trieb bei 145 K oder 125 K, so erreicht man bei anschließendem Auffüllen des im Laserbetrieb verloren gegangenen F₂-Verlustes, sogar 100% der Ausgangsleistung einer frischen Füllung. Auch hier war eine Xenonzugabe nicht erforderlich.When the method according to the invention was carried out, it was shown however, that the performance level of the laser is regenerating again ren is in the present example, according to which one can next the dynamic gas life had waited to 84% the level of a new gas filling. If you wait again dynamic gas life and then cleans in standby mode driven at 145 K or 125 K, so you can achieve with subsequent Replenishment of the F₂ loss lost in laser operation, even 100% of the output of a fresh filling. Also Xenon addition was not necessary here.

Claims

1. Method for cryogenic purification of XeF excimer laser gas mixtures in standby mode, the separation of Impurities in the gas mixture above a temperature, where the xenon freezes noticeably The same is condensed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the gas mixture first measures is subjected to a reduction in the xenon content cause fluorides.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the measures are maintenance a standby operation over a period in which min at least some of the xenon fluorides break down into xenon and fluorine.

4. The method according to claim 3, characterized in that the period is 1 h to 8 h.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that it is in discontinuous Laserbe driven between the active laser phases.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation of impurities the gas mixture at a temperature between 125 K and 145 K. is made.

7. Device for performing the method according to one of the preceding claims, characterized in that on a XeF excimer laser tube Zu Leads and leads are provided to the laser tube with a known cryogenic arrangement for Reini connection of gases.