DE4428210C2 - Verfahren zur cryogenischen Reinigung von XeF-Excimerlaser-Gasgemischen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur cryogenischen Reini­ gung von XeF-Excimerlaser-Gasmischungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

In Excimerlasern wird bekanntermaßen ein laseraktives Medium dadurch erzeugt, daß im Plasma einer Gasentladung unter Betei­ ligung von Edelgasatomen und Halogenen (sowie weiterer Reak­ tionsteilnehmer) hoch angeregte Excimere gebildet werden.

Im Betrieb eines Excimerlasers entstehen Verunreinigungen, die die Laseraktivität beeinträchtigen. Deshalb müssen diese Verun­ reinigungen aus dem Lasergas regelmäßig entfernt werden. Im allgemeinen ist es üblich (und möglich), die Excimerlaser-Gas­ gemische im Online-Betrieb, d. h. in den aktiven Laserphasen, kontinuierlich oder diskontinuierlich cryogenisch zu reinigen. Bei der cryogenischen Reinigung werden die Verunreinigungen ausgefroren.

Es hat sich aber gezeigt, daß bei XeF-Excimerlasern eine Rei­ nigung auf cryogenischem Wege im Online-Betrieb, d. h. während der aktiven Laserphasen, nicht möglich ist. Dies liegt daran, daß sich bei einer Gasentladung im Laser Xenonfluoride bilden (XeF_n, wobei n = 2, 4, 6). Die Xenonfluoride stören den Laser­ prozeß selber nicht.

Reinigt man nun cryogenisch, während die Gasentladung läuft, so entzieht man dem Reaktionsgleichgewicht

Xe + F₂ ⇆ XeF₂

das Xenondifluorid aus der Gasphase. Es wird nun aber nicht nur das Gasgemisch durch Ausfrieren an Xenondifluorid verarmt son­ dern aufgrund der Gleichgewichtslage bildet sich weiteres Xenondifluorid, das dann wiederum ausgefroren wird, so daß im Endergebnis aus dem Gasgemisch sowohl Xenon als auch Fluor entnommen werden. Entsprechendes gilt für Xenontetrafluorid und Xenonhexafluorid.

Wegen dieses gravierenden Nachteils einer cryogenischen Reini­ gung hat man im Stand der Technik wohl auch von einer cryoge­ nischen Reinigung im Online-Betrieb abgesehen, da man hierbei ja ständig Xenon und Fluor zur Gewährleistung des Laserbetriebs in die Gasmischung nachschieben müßte.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur cryogenischen Reinigung von Gasmischungen aus einem XeF-Exci­ merlaser bereitzustellen, bei dem die Verluste an Xenon und Fluor gering gehalten oder ausgeschlossen werden.

Die Erfinder haben sich zunächst einmal bei der Suche nach einer geeigneten Problemlösung damit beschäftigt, ob und auf welchem Wege eine Verringerung des Gehalts an Xenonfluoriden in der Lasergasmischung erreicht werden kann, bevor eine cryoge­ nische Reinigung stattfindet. Zugleich sollte aber eine solche Maßnahme nicht dazu führen, daß die Gasmischung an Xenon und Fluor insgesamt verarmt.

Die gefundene Lösung besteht nun darin, daß die Gasmischung, bevor sie der eigentlichen cryogenischen Reinigung zugeführt wird, kurzzeitig einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird. Es wurde nun festgestellt, daß bei Temperaturen um 600°C beispielsweise Xenondifluorid in Xenon und Fluor zerfällt. Mittels katalytisch aktiver Oberflächen kann allerdings eine weitere Absenkung dieser Zersetzungstemperatur erreicht werden. Erfin­ dungsgemäß liegt die Temperatur in Abhängigkeit von der Ausge­ staltung der Zone, in der die Erwärmung stattfindet, und einem gegebenenfalls vorhandenen Katalysator zwischen 100 und 600°C. Bei der anschließenden cryogenischen Reinigung können dann die Verunreinigungen in der Gasmischung in an sich bekannter Weise ausgefroren werden. Hierbei haben sich Temperaturen zwischen 125 und 145 K bewährt. Eine erfindungsgemäße Online-Reinigung kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich durch­ geführt werden. In der Regel reicht es aber aus, die cryogeni­ sche Reinigung nur in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise alle 2 h, durchzuführen.

Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei an einer XeF-Excimer-Laserröhre Zu- und Ableitungen vorgesehen sind, die die Laserröhre mit einer Zone erhöhter Temperatur und einer an sich bekannten cryogenischen Anordnung zur Reinigung von Gasen verbinden. Die Zone, die auf eine höhere Temperatur gebracht wird, besteht aus einem Material, das gegenüber F₂ inert sein sollte. Geeignete Materialien sind beispielsweise Korund, Nickel oder Teflon. Die Zone kann als mäanderförmige oder schlangenförmige Rohrleitung vorliegen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung lassen sich den Ansprüchen entnehmen.

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.

In einem XeF-Excimerlaser 1 befindet sich eine Laserröhre (nicht abgebildet), aus der über die Ableitung 6 und das Parti­ kelfilter 2 (in dem gröbere Verunreinigungen in der Gasmischung ausgefiltert werden können) die im Online-Betrieb zu reinigende Gasmischung einer Heizstrecke 3 zugeleitet wird. In dieser Heizstrecke 3 kommt es zum Zerfall der Xenonfluoride. Das Ma­ terial der Heizstrecke (im einfachsten Fall eine gewöhnliche Rohrleitung) ist gegenüber F₂ inert bzw. F₂-kompatibel passi­ vierbar. Darüber hinaus kann in der Heizstrecke ein Katalysator vorgesehen sein oder das Material der Heizstrecke insgesamt so gewählt werden, daß eine katalytische Unterstützung des Zer­ fallsprozesses möglich wird. Hierdurch kann die Zerfallstempe­ ratur unter üblicherweise 600°C gesenkt werden. Die erwärmte Gasmischung gelangt dann weiter gegebenenfalls in einen Kühler 4 (quasi ein Vorkühler), bevor die Gasmischung dem Kryostaten 5 zugeleitet wird, in dem die eigentliche cryogenische Reinigung stattfindet. Dieser Kryostat 5 besteht im einfachsten Falle aus einer Kühlfalle, in der die Verunreinigungen ausgefroren wer­ den. Das gereinigte Gas gelangt dann über die Leitung 7 wieder zurück in den Laser. Häufig bietet sich an, in diese Leitung einen Durchflußmesser 8 einzubinden, damit ein ordnungsgemäßer Ablauf der cryogenischen Reinigung beobachtet werden kann. Nach Abschluß der cryogenischen Reinigung und Auftauen der Verunrei­ nigungen können diese über die Leitung 9 gegebenenfalls mit Hilfe einer Vakuumpumpe aus dem Kryostaten entfernt werden.

In dem folgenden Beispiel wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel

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 (F₂/Xe/Ne, 155/15/3600 mbar). Die dynamische Gaslebensdauer (Abfall auf die Hälfte der maximalen Anfangsleistung) betrug bei diesem Laser typischerweise 2,7 Mio Pulse ohne jede Reinigungsaktion.

Es wurde zunächst untersucht, ob sich das Lasergasgemisch überhaupt im Online-Betrieb cryogenisch reinigen läßt. Hierzu wurde eine Anordnung mit einer Kühlfalle ähnlich Fig. 1 ver­ wendet. Die Kühlfalle wurde auf 125 K temperiert. Das Gasge­ misch wurde über diese Kühlfalle (Kryostat-Durchsatz 90% = 43 Normliter/min Ne über 5 h) geleitet. Es wurde festgestellt, daß bei einer cryogenischen Reinigung während des Laufens des Lasers, also im Online-Betrieb, die dynamische Gaslebensdauer auf weniger als 0,5 Mio Pulse abnahm. Das zeigt ganz deutlich, daß eine cryogenische Reinigung von XeF-Lasergasgemischen im Online-Betrieb nicht ohne weiteres möglich ist.

Es wurde nun erfindungsgemäß die Heizstrecke 3 gemäß der Fig. 1 in Betrieb genommen und auf etwa 600°C erwärmt. Die Kryostat­ temperatur wurde nicht verändert. Nach etwa 2,7 Mio Pulsen wurde der Laserbetrieb weiter fortgesetzt und die cryogenische Reinigung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingeleitet. Bereits nach kurzer Zeit (etwa 15 min) regenerierte die Laser­ leistung auf 70% der Ausgangsleistung. Nachdem im Online-Be­ trieb die cryogenische Reinigung weiter fortgesetzt wurde (unter gleichzeitigem weiteren Aufheizen bei 600°C in der Heiz­ strecke) wurde nach etwa 2 h bereits 98% der ursprünglichen Ausgangsleistung einer frischen Füllung erreicht.

Claims (5)

1. Verfahren zur cryogenischen Reinigung von XeF-Excimerlaser- Gasgemischen im Online-Betrieb, wobei die Gasmischung zunächst durch eine Zone erhöhter Temperatur geleitet und dann bei vermin­ derter Temperatur die Verunreinigungen ausgefroren werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Temperatur zwischen 100 und 600°C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zone erhöhter Temperatur ein Katalysator vorge­ sehen ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfrieren der Verunreinigungen in der Gasmischung bei einer Temperatur zwischen 125 K und 145 K erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an einer XeF-Excimerlaserröhre Zu- und Ableitungen vorgesehen sind, die die Laserröhre im On­ line-Betrieb mit einer Zone, die auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden kann (3), und einer an sich bekannten cryogeni­ schen Anordnung (5) zur Reinigung von Gasen verbinden.