DE69704219T2 - Laser mit verbesserter Strahlqualität und verringerten Betriebskosten - Google Patents

Description

• Laser werden seit geraumer Zeit für viele Anwendungszwecke verwendet. Hersteller von Lasergeräten versuchen ständig, die Strahlqualität und die Betriebseffizienz ihrer Lasergeräte zu verbessern, um Lasergeräte bereitzustellen, die in der Lage sind präzise Hochenergiestrahlen zu vernünftigen Betriebskosten bereitzustellen.
• Die Computerchipindustrie zeigt, wie Verbesserungen in der Strahlqualität und in der Effizienz der Betriebsweise angewendet werden. In einer Verwendungsmöglichkeit wird ein Fotolack auf ein Substrat, etwa einen Siliciumwafer, aufgeschleudert, und anschließend in einem Reinraum durch Belichten ausgewählter Bereiche des Fotolacks mit Ultraviolett-(UV) Licht strukturiert. Der strukturierte bzw. mit einem Muster versehene Fotolack definiert in dem Siliciumwafer Strukturen, die letztlich zu Halbleiterbauteilen werden. Wenn diese Strukturen genauer definiert werden können, können die Strukturen kleiner und mit weniger Abstand dazwischen hergestellt werden, und folglich können mehr Strukturen oder Halbleiterbauelemente in eine kleine Fläche eingepasst werden. Laser werden verwendet, um das zur Strukturierung von Fotolack verwendete UV-Licht bereitzustellen. Ein Teil des Fotolacks auf dem Wafer wird unter Verwendung eines Laserlichtpulses strukturiert, der Wafer wird rasch repositioniert, und ein weiterer Teil des Fotolacks wird unter Verwendung eines weiteren Laserlichtpulses mit einem Muster versehen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der gesamte Wafer strukturiert, bzw. mit einem Muster versehen ist. Wenn die Strahlparameter wie Divergenz, Leistung, Richtungssteuerung verbessert werden, können kleinere Halbleiterbauelemente schneller hergestellt werden, wodurch Chips mit größerer Leistungsfähigkeit und höherer Geschwindigkeit aber mit vergleichbarer Größe zu vorhergehenden weniger leistungsfähigen Chips, die unter Verwendung älterer Lasergeräte hergestellt wurden, bereit gestellt werden. Eine höhere Produktionsgeschwindigkeit und eine verbesserte Effizienz in der Verwendung von Leistung und Verbrauchsmitteln wie etwa gefilterten Kühlluft und Wasser verringern die Herstellungskosten, helfen, die Preise für Computerchips in vernünftigen Grenzen zu halten, erfordern aber ebenfalls, dass die Laser mehr Lichteimpulse pro Zeiteinheit bereitstellen, wobei ein fokussierter Strahl mit kleiner Divergenz und Richtungsverschiebung beizubehalten ist.
• Auf dem medizinischen Sektor hat es sich ebenfalls erwiesen, dass eine ständige Nachfrage für Lasergeräte mit Strahlen geringer Divergenz, hoher Leistung und präzisier Richtungssteuerung vorhanden ist. Zum Beispiel müssen korneale oder retinale Einschnitte genau und rasch mit minimalem oder ohne jeglichen Schaden des umgebenden Gewebes ausgeführt werden. Strahlen mit verbesserter Steuerung ihrer Leistung erlauben schnelle Einschnitte mit der korrekten Tiefe, wobei die Zeit der Belichtung des Gewebes mit Laserlicht sowie die Wahrscheinlichkeit, dass benachbarte Einschnitte aufgrund von beispielsweise Anlagenschwingungen auftreten, minimiert wird.
• Ein Laser, der besonders in der Fotolithographie und in medizinischen Anwendungen nützlich ist, ist der Gasentladungslaser, insbesondere der Excimerlaser, aufgrund der hochenergetischen Photonen, die im Ultraviolettbereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert werden. Der Strahl eines Excimerlaser besitzt genügend Energie, um die chemischen Bindungen in organischen Materialien ohne Anheben der Temperatur des umgebenden Materials aufzubrechen. Die Fähigkeit des Excimerlaser, diese kalte fotochemische Wirkung auszuführen, erlaubt es dem System, Laserlicht mit der richtigen Frequenz und Leistung für die Verwendung in der Fotolithographie oder medizinischen Anwendungen zu erzeugen.
• Ein kommerzieller Excimerlaser 100 ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Gehäuse 110 beherbergt die gesamte oder nahezu die gesamte mit dem zum Erzeugen des Laserlichts verknüpfte Ausstattung. Ein kommerzieller Excimerlaser verwendet Komponenten wie eine Entladungskammer 120, die den Strahl erzeugt, ein Wärmetauschersystem (wovon ein Teil bei 120 in Fig. 1 oder 250 in Fig. 2 dargestellt ist), um Wärme zu erzeugen oder Wärme aus der Entladungskammer abzuführen, eine Hochspannungsversorgung 120, ein Pulsleistungsmodul 140, eine Steuerschaltung 150, ein Lasergasmanagementsystem, das optional eine Vakuumpumpe 160 enthält, und eine Belüftungsanlage, etwa einen Lüftungsaufsatz 170, der an einem Lüftungsrohr oder einer Vakuumleitung in dem Raum, in dem der Laser angeordnet ist, angebracht ist. Das Gehäuse besitzt typischerweise viele Öffnungen 180, die auf vielen Seiten des Gehäuses angeordnet sind und durch die Luft von außen ins Innere angesaugt wird, wobei jedoch der effizienten Nutzung der in das Gehäuse gesaugten Luft wenig Beachtung geschenkt wird. Oft besitzt das Gas, das zur Erzeugung des Laserstrahles verwendet wird, biologisch unverträgliche bzw. nicht kompatible Gase wie Fluor (F&sub2;), so dass herkömmlicherweise beabsichtigt ist, große Luftmengen in das Gehäuse zu saugen und viele Luftdurchgänge zu schaffen, um zu versuchen, das Gehäuse von jeglichen Gasen freizuhalten, die aus der Laserentladungskammer innerhalb des Gehäuses entweichen könnten. Jedoch ist es durch die anwachsende Komplexität und Präzision bei der Chipherstellung notwendig, die den Siliciumwafer umgebende Luft und damit die zum Bearbeiten dieser Wafer verwendeten Laser umgebende Luft im Wesentlichen frei von jeglichen Verschmutzungen oder kontaminierenden Stoffen zu halten. Diese Luft wird stark gefiltert und den Reinraumspezifikationen entsprechen bearbeitet und ist daher extrem teuer. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen in einem Gehäuse montierten Laser mit einem reduzierten Verbrauch dieser teuren Luft, die die Reinraumstandardvorschriften erfüllt, bereitzustellen.
• Der Laserstrahl in einem kommerziellen Gaslaser wird in einer Entladungskammer, etwa einer Entladungsröhre, einem behälterähnlichen Gehäuse oder einer anderen geeignet geformten Kammer, die für gewöhnlich im Gehäuse angeordnet ist, erzeugt. Es wird ein Wärmetauschersystem verwendet, um die Entladungskammer auf annähernd konstanter Temperatur zu halten.
• Um in einem Gaslaser den Laserstrahl zu erzeugen, wird Gas innerhalb der Entladungskammer mit genügend Energie beaufschlagt, um die Elektronen von Atomen oder Molekülen in einen höheren oder angeregten Energiezustand zu versetzen. Die angeregten Atome oder Moleküle werden dann von externen Photonen stimuliert, ein Photon auszusenden. Dies durch diese stimulierte Emission erzeugte Licht wird dann zwischen zwei Spiegeln reflektiert, wodurch eine weitere stimulierte Emission von Photonen bewirkt wird. In dem Maße wie Photonen emittiert werden, wird die Leistung des Lichtstrahls verstärkt, und wenn der Strahl einen Schwellwertpegel in der Leistung erreicht, tritt ein Teil des Strahles durch einen der Spiegel, der lediglich teilweise reflektierend ist, aus.
• Der Druck und die Temperatur des Gases unter Laser-Bedingungen sind kritische Parameter, die den Wirkungsgrad des Lasers und die Qualität des Laserstrahls beeinflussen. Ein Verfahren zum Steuern des Druckes des Gases bei gleichzeitiger Kontrolle der Temperatur besteht darin, ein Gasvolumen bereitzustellen, das im Wesentlichen durch das Volumen der Laserkammer festgelegt ist. Der Wirkungsgrad des Lasers ist bei einer Gastemperatur, die für das spezielle Lasergas gewählt wird, für gewöhnlich zwischen 35 und 55ºC am höchsten. Die Laserkammer muss die Gastemperatur innerhalb weniger Grade für eine konstante Ausgangsleistung konstant halten. Die Größe des Laserstrahls, die Divergenz, die Leistung und die Richtung werden ebenfalls durch die Gastemperatur beeinflusst. Wenn die Temperatur des Gases nicht ausreichend konstant gehalten wird, kann der Strahl zu groß werden, und damit die Leistung des Strahles verteilen. Der Strahl kann, anstatt auf dem Ziel zu konvergieren, divergieren und damit weiter seine Leistung verteilen. Ferner kann sich der Strahl in einer unerwünschten Richtung ausbreiten und dadurch entweder das Ziel an einer nichtkorrekten Stelle oder das Ziel gänzlich nicht treffen, wenn die Temperatur nicht gut geregelt ist. Eine sorgfältige Steuerung der Gastemperatur kann daher einen effizienten Betrieb und ein Licht mit hoher Qualität aus einem Laser bereitstellen.
• In einem kommerziellen Laser, besonders wenn dieser bei hohen Leistungen etwa 5 Watt oder darüber arbeitet, ist eine präzise Steuerung der Temperatur des Lasergases sehr schwer erreichbar. Das Lasergas wird sofort mit einer großen Energiemenge beaufschlagt, um angeregte Moleküle und/oder Atome zu erzeugen. Beispielsweise wird in einem Breitband-Kryptonfluorid-Excimerlaser näherungsweise 3% der Energie in Laserlicht umgewandelt, wobei der Hauptanteil der ungenutzten Energie Wärme erzeugt. Folglich wird eine große Wärmemenge in einer sehr kurzen Zeitdauer erzeugt. Das resultierende schnelle Anwachsen der Gastemperatur muss schnell erfasst werden und die Wärme muss rasch abgeführt werden, um die Temperatur des Gases konstant zu halten. Ferner fällt die Gastemperatur rasch ab, wenn die Leistung zur Strahlerzeugung abgeschaltet wird, so dass wieder die Temperaturänderung schnell erfasst werden muss und die Geschwindigkeit, mit der Wärme abgeführt wird, muss rasch eingestellt werden, um die Gastemperatur konstant zu halten. Ferner werden viele industrielle Laser in einem gepulsten Modus betrieben, wobei der Strahl für eine kurze Zeitdauer erzeugt wird, gefolgt von einer kurzen Wartezeit, in der das Ziel des Strahles vor dem nächsten Puls repositioniert wird. Beispielsweise kann ein im gepulsten Modus betriebener Laser einen Strahl für näherungsweise ein bis ein paar Sekunden erzeugen, dann für eine kurze Zeitdauer wie etwa 0,1 bis 3 Sekunden warten, worauf sich dann der Arbeitszyklus wiederholt. Somit ist während eines Großteils der Zeit ein Laser in einen Übergangs- bzw. Nichtgleichgewichtszustand, in dem eine Steuerung der Gastemperatur sehr schwierig ist.
• Es wurden eine Reihe von Systemen vorgeschlagen, um den Druck eines Lasergases zu steuern. US Patent Nr. 5,117,435 offenbart ein Gasregulierungssystem für einen Gaslaser, wobei ein Thermoelement, das am Schaft einer Anode, die zur Energieversorgung zum Pumpen von Elektronen in einen höher energetischen Zustand verwendet wird, montiert ist und die Temperatur der Anode und folglich den Druck im Laser durch Öffnen eines Spulenventils, das ein Eintreten weiteren Gases in die Laserkammer zulässt, steuert. Die Temperatur des Kühlwassers, die die von dem am Schaft montierten Thermoelement ausgelesene Temperatur beeinflusst, wird verwendet, um das Signal des am Schaft montierten Thermoelementes zu normieren, um die Wirkung des Kühlwassers auf das Signal aus dem am Schaft montierten Thermoelement zu kompensieren. Der Wärmeaustauscher bestimmt die Temperatur des Gases innerhalb des Lasers, und der Druck dieses Gases wird durch Hinzufügen neuen Gases in Reaktion auf die Anodentemperatur beibehalten. In dem Patent ist nicht erwähnt, wie oder ob das durch den Wärmetauscher fließende Wasser reguliert wird.
• Ein weiteres System verwendet ein an der Entladungskammerwand befestigtes Thermoelement, um Änderungen in der Wandtemperatur, die durch Erwärmung oder Abkühlung des Gases innerhalb der Kammer bewirkt werden, zu erfassen. Thermoelemente werden traditionellerweise außerhalb des Bereichs von "gepumpten" heißen Lasergases angeordnet, insbesondere, wo reaktive Gase wie etwa Fluor vorhanden sind, um einen Verlust des reaktiven Gases und eine Kontaminierung des Lasergases mit Metallfluoriden zu verhindern. Das Signal des an der Wand befestigten Thermoelementes wird in eine Spannung umgewandelt, die verwendet wird, um ein spulengesteuertes Ein/Aus-Wasserventil für eine bestimmte Zeitdauer zu öffnen. Die Temperatur des Lasergases schwankt aufgrund der großen Verzögerung zwischen der Zeit, in der die Gastemperatur ansteigt und der Zeit, in der das Thermoelement den durch die angestiegene Gastemperatur hervorgerufenen Anstieg der Kammerwandtemperatur erfasst. Ferner schwankt die Temperatur des Lasergases näherungsweise sinusförmig, da das Ein/Aus-Ventil entweder vollen Durchfluss des Kühlwassers oder keinen Durchfluss des Kühlwassers liefert.
• US Patente Nr. 4,760,583, 4,547,885, 4,661,958, 4,707,837 und 4,502,145 offenbaren ein System zum Bewahren eines Gases innerhalb einer Befestigungsröhre, die die Spiegel trägt und die Laserentladungsröhre mit einer konstanten Temperatur umgibt, so dass die Befestigungsröhre eine geeignete Ausrichtung der Laserentladungsröhre und der Spiegel bewahrt. Diese Patente offenbaren ebenfalls ein separates System, um den Gasdruck konstant zu halten, um einen Laserstrahl mit entsprechender Qualität bereitzustellen. Die Temperatur des Gases wird durch ein Thermoelement, das außerhalb der Laserkammer angeordnet ist, gemessen. Das Thermoelement steuert ein Spulen-Ein/Aus-Wasserventil für den Wärmetauscher, und das Kühlen des Gases wird durch Variieren der Zeitdauer, in der das Wasserventil offen ist, gesteuert. Ein Teil des Gases wird ständig aus dem Laser gesaugt, und ein Drucksensor reguliert die Geschwindigkeit, mit der frisches Gas eingeführt wird, so dass der Gasdruck im Wesentlichen konstant bleibt. Temperaturschwankungen innerhalb des Lasers selbst werden nicht erfasst und daher gibt es keine Kompensierung hinsichtlich von Schwankungen, da das Thermoelement außerhalb des Lasers angeordnet ist, und da das von dem Laser herausgeführte Gas durch zwei Wärmetauscher hindurchströmt, bevor es mit dem Wärmetauscher in Berührung kommt.
• US Patent Nr. 5,084,885 verwendet die Temperatur des aus einem Gaslaser entnommenen Gases, die am Einlass eines Lüfters erfasst wird, um zu verhindern, dass der Lüfter durch Überhitzung beschädigt wird. Das herausgeführte Gas wird durch einen Wärmetauscher geführt, bevor es das Thermoelement berührt, so dass vor dem Kontakt mit dem Lüfter Wärme abgeführt wird. Andere Patente verwenden in ähnlicherweise eine am oder in der Laserkammer genommene Messung für andere Zwecke. US Patent Nr. 4,573,159 verwendet mehrere Thermoelemente, die an Laserröhrenbefestigungselementen oder Befestigungsplatten montiert sind, um eine gleiche Anzahl an Lüftern zu steuern, um jede Befestigung auf einer konstanten Temperatur zur Bewahrung einer geeigneten Entladungsröhre- und Spiegelausrichtung zu halten. In US Patent Nr. 5,091,914 wird ein Thermoelement verwendet, um die Umgebungslufttemperatur einer Laserentladungsröhre zu steuern, wenn der Laser sich in Wartestellung befindet, um eine geeignete Justierung und Ausrichtung der Spiegel um die Entladungsröhre herum beizubehalten. US Patent Nr. 5,005,929 offenbart eine Art und Weise, um sicherzustellen, dass ein Laserstrahl genau positioniert ist, indem die Temperatur in der Nähe eines Scannerpositionssensors mit der Umgebungstemperatur verglichen und positionierbarer Spiegel eingestellt wird.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
• Die Erfindung wird durch die Ansprüche 1 und 8 definiert. Diverse Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
• In einer Ausführungsform wird ein Laser bereitgestellt, der eine Entladungskammer mit einem Lasergas und Elektronik, die die Funktion des Lasers (beispielsweise leistungserzeugende Elektronik, die das Gas in ausreichender Weise so anregt, dass ein Laserstrahl erzeugt wird) und die innerhalb eines abgeschirmten bzw. mit Prallflächen versehenen Gehäuses untergebracht ist, umfasst. Das abgeschirmte bzw. mit Prallflächen versehene Gehäuse liefert vorzugsweise zumindest teilweise der Reihe nach einen Durchfluss von Reinraumluft, der die effiziente Verwendung der in das Gehäuse eingesaugten Luft fördert und die Menge der benötigten Luft zur Kühlung der elektronischen Anlage und zum Ausspülen biologisch unverträglichen Gases, das ins Innere des Gehäuses eindringen kann, verringert.
• Die Erfindung stellt ebenfalls einen Laser bereit, der ein schnellreagierendes Echtzeittemperaturkontrollsystem für das zur Erzeugung des Laserstrahls verwendeten Gases benutzt. Ein derartig ausgestatteter Laser besitzt eine verbesserte Puls-zu-Puls-Stabilität, eine verbesserte Spannungsstabilität und eine verbesserte Strahlqualität und Laserwirkungsgrad.
• In einer Ausführungsform umfasst ein Laser mit einem schnellreagierenden, Echtzeittemperaturkontrollsystem eine umschlossene Kammer, die ein Lasergas und einen Wärmeaustauscher beinhaltet; eine Leistungsquelle, die das Lasergas ausreichend anregt, um einen Laserstrahl zu erzeugen; und ein schnellreagierendes Temperaturkontrollsystem, das einen Temperatursensor umfasst, der so aufgebaut ist, um einen effizienten Wärmeübertragungsweg bereitzustellen, und der in einem Gasstrom zusammen mit einem Durchflusskontroller angeordnet ist, der kontinuierlich die Menge eines Wärmetauscherfluids, das durch den Wärmetauscher fließt, regelt.
• Die Erfindung gründet sich unter anderem auf die technische Erkenntnis, dass ein Gaslaser mit einem schnellreagierenden Echtzeittemperaturkontrollsystem, wie es durch einen derartig aufgebauten Sensor bereitgestellt wird, und das im Gasstrom angeordnet ist, und mit einem kontinuierlich regelnden Wärmetauschersystem, eine verbesserte Puls-zu-Puls- Energiestabilität, eine verbesserte Spannungsstabilität, eine höhere Wiederholungsrate, eine verbesserte Puls-zu-Puls-Strahlqualität, und/oder einen verbesserten Arbeitswirkungsgrad aufweisen kann. Diese und andere Vorteile werden aus der Erläuterung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 zeigt einen Laser und ein Gehäuse gemäß dem Stand der Technik.
• Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Lasers gemäß dieser Erfindung mit einem abgeschirmten Gehäuse.
• Fig. 3 zeigt eine Laserentladungskammer mit einem Gastemperatursensor.
• Fig. 4 zeigt die Kammerwandtemperatur, die durch einen Wandtemperatursensor gemessen wird, wenn der Wandsensor und der Gassensor individuell verwendet werden, um die Temperatur des Lasergases zu steuern. Die Ordinate zeigt die Zeit in Sekunden und die Abszisse zeigt die Temperatur in Grad Celsius.
• Fig. 5 zeigt die Gastemperatur, die durch einen Gastemperatursensor gemessen wird, wenn der Wandsensor und der Gassensor individuell verwendet werden, um die Temperatur des Lasergases zu steuern. Die Ordinate zeigt die Zeit in Sekunden und die Abszisse die Temperatur in Grad Celsius.
• Fig. 6 zeigt ein Lasergerät mit einem Wandtemperatursensor und einem Gastemperatursensor, so dass beide Temperaturen gleichzeitig gemessen werden könnten, um die in den Fig. 4 und 5 verwendeten Daten zu erzeugen.
• Fig. 7 zeigt die Schwankung der Laserelektrodenspannung während des Laserbetriebs, wenn der Wandtemperatursensor und der Gastemperatursensor individuell zur Steuerung der Lasergastemperatur verwendet werden.
• Fig. 8 zeigt die Änderung der Laserstrahlenergie während des Laserbetriebs, wenn der Wandtemperatursensor und der Gastemperatursensor individuell zur Steuerung der Lasergastemperatur verwendet werden.
• Fig. 9 zeigt ein bevorzugtes System zum Bereitstellen eines schnellreagierenden Gastemperaturkontrollsystems, das den Wasserdurchfluss in Reaktion auf ein Signal von einem Thermoelement oder einem anderen Lasergastemperatursensor unter Verwendung eines Proportionalventils für Wasserdurchfluss durch einen Wärmetauscher zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Ein kommerzieller Laser ist für gewöhnlich in einem Gehäuse enthalten, das viele oder alle mit der Erzeugung des Laserlichts verknüpften Teile beherbergt. Beispielsweise verwendet ein kommerzieller Excimerlaser Ausstattungsgegenstände wie etwa eine Entladungskammer, die den Strahl erzeugt, ein Wärmetauschersystem um aus bzw. in die Entladungskammer Wärme abzuführen bzw. zuzuführen, ein AC-Leistungsteil, eine Hochspannungs- Versorgung, eine getaktete Leistungsschaltung, eine Kontrollschaltung, ein optionales Gaskontrollmodul und eine damit verbundene Vakuumpumpe zum Hinzufügen von Gasen wie etwa F&sub2;, die während des normalen Betriebes verbraucht werden, und eine Belüftungsanlage, etwa eine Vakuumpumpe und/oder einen Lüftungsaufsatz und damit verbundenem Zubehör, wie etwa eine Vakuumanzeige oder einen Sicherheitsschalter.
• Luft, die in das Gehäuse gesaugt wird, kühlt Komponenten und unterstützt ebenfalls das Entfernen von Lasergasen, die in das Gehäuse eindringen können. Abschirmen des Gehäuses bzw. das Vorsehen von Prallflächen verringert die Menge der Luft, die zum Kühlen der Einheiten innerhalb des Gehäuses und/oder zum Ausspülen des Volumens von Gasen, die durch innerhalb des Gehäuse ansammeln können, verwendet werden müssen, wodurch ein sicherer Laser mit ökonomischerer Betriebsweise bereitgestellt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Laser bereitgestellt, der ein Gehäuse mit einem abgeschirmten bzw. mit Prallflächen versehenen Inneren bereitstellt, so dass zumindest ein Teil der in das Gehäuse eingesaugten Luft durch im Wesentlichen das gesamte umschlossene Volumen wandert.
• Fig. 1 zeigt ein Lasergerät nach dem Stand der Technik. Das Gehäuse hat mehrere Lufteinlässe 180, einschließlich von Verbindungsnähten in dem Gehäuse und besitzt im Wesentlichen keine Kanalbildung oder Richtungssteuerung der Luft innerhalb des Gehäuses. Ferner sind Laserkomponenten etwa wie eine Hochspannungsversorgung 130 und Steuerelektronik 150 im Gehäuse zum bequemeren Aufbau der Anlage, aber nicht zur maximalen Nutzung der in die Anlage eingesaugten Kühlluft angeordnet. Folglich werden 8,5 bis 11,3 Kubikmeter pro Minute (300-400 Kubikfuß pro Minute (cfm)) Luft benötigt, um effizient die Wärme abzuführen und ein ausreichendes Ausspülen des umschlossenen Volumens bereitzustellen, um sicherzustellen, dass jegliches entweichendes Gas entfernt wird.
• Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Lasers mit einem abgeschirmten Gehäuse. Diese bevorzugte Ausführungsform hat einen Lufteinlass 200, und in die Anlage eintretende Luft wird gezwungen, nacheinander durch im Wesentlichen das gesamte umschlossene Volumen zu wandern, bevor sie durch den Luftschacht 170 austritt. Die Abschirmung wird in diesem Falle durch feste Platten 210 bereitgestellt, die das umschlossene Volumen in drei Bereiche unterteilen. Die Platten besitzen ein darin eingearbeitetes Loch oder einen Schlitz 220, wodurch es der Luft möglich ist von einem Bereich des Volumens zu dem nächsten Bereich des Volumens zu wandern. Löcher oder Schlitze oder andere Arten von Abschirmungen bzw. Prallflächen sind so von der Größe her aufgebaut und angeordnet, um einen seriellen Durchfluss zumindest eines Teils der Luft durch den Hauptteil des umschlossenen Volumens zu unterstützen, und vorzugsweise strömt die Luft der Reihe nach durch im Wesentlichen das gesamte Volumen. Der bevorzugte Laser aus Fig. 2 benötigt lediglich 2,8 Kubikmeter Luft pro Minute (100 cfm) anstelle von 8,5-11,3 Kubikmeter pro Minute (300-400 cfm), die der Laser nach dem Stand der Technik aus Fig. 1 benötigt. Diese Verringerung ist besonders vorteilhaft, wenn der Laser in einem Reinraum zur Verwendung in der Fotolithographie angeordnet ist, da die stark gefilterte und konditionierte Luft in derartigen Reinräumen sehr teuer ist und aufgrund der Möglichkeit des Gasentweichens innerhalb des Gehäuses nicht rezirkuliert werden kann.
• Der Laser mit einem abgeschirmten Gehäuse ist vorzugsweise ein Gaslaser und noch vorzugsweise ist der Laser ein Excimerlaser unter Verwendung eines Edelgashalogenid, wie in US Patenten Nr. 5,377,215 und 4,959,840 offenbart. Kommerziell erhältliche Excimerlaser verwenden eine große Bandbreite von Halogeniden von Edelgasen etwa XeCl, KrCl, ArF, KrF, XeF und dergleichen. Jede Gaszusammensetzung erzeugt ein Laserlicht mit einer charakteristischen Wellenlänge.
• Der Laser muss jedoch nicht der bevorzugte Gas- oder Excimerlaser sein. Jeder beliebige Laser etwa ein Festkörperlaser, ein Flüssigkeitslaser oder ein freier Elektronenlaser können innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Das Gehäuse muss ebenfalls nicht die gesamte mit dem Laser verknüpfte Ausstattung beherbergen, sondern das Gehäuse enthält vorzugsweise wenigstens die Entladungskammer 120, ein Gasherstellungsmodul 230 (sofern verwendet) und Komponenten, die die meiste Wärme erzeugen, wie etwa das AC- Leistungssystem 240 und die Hochspannungsversorgung 130. Vorzugsweise werden die Ausstattungsgegenstände, die am empfindlichsten auf Wärme reagieren oder einen wesentlichen Teil der Wärme erzeugen, an der kühlsten Luft, die anfänglich in das umschließende Gehäuse gezogen wird, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, angeordnet, und Komponenten, die Wärme ertragen können, werden stromabwärts angeordnet. Es können viele Lufteinlässe verwendet werden, um Luftmengen an kritischen Positionen einzulassen, und es können viele Abschirmungen bzw. Prallflächen verwendet werden, um entweder die Luft auf gewisse Komponenten zu richten oder einen Teil der Luft in einen zweiten Bereich des umschlossenen Volumens zu bewegen ohne im Wesentlichen das gesamte umschlossene Volumen auszuspülen. Luft sollte durch Abschirmungen bzw. Prallflächen zur Strömung innerhalb des Gehäuses in ausreichendem Maße kanalisiert und gerichtet werden, so dass die zum Etablieren eines Kühlstrompfades zur Ableitung von Wärme aus den wärmeerzeugenden Komponenten und zum Ausspülen des umschlossenen Volumens notwendigen Luft verringert ist im Vergleich zu dem Betrag an Luft, der bei fehlenden Abschirmungen bzw. Prallflächen benötigt wird. Das umschlossene Volumen wird vorzugsweise bei Unterdruck betrieben, um das Ausströmen von Gasen wie etwa F&sub2; zu verhindern, obwohl das Innere des Gehäuses ebenfalls bei Atmosphärendruck oder darüber liegen kann. Vorzugsweise ist das Gehäuse entlang den Verbindungsstellen gut abgedichtet, um das Eindringen von Luft an ungewollten Stellen zu kontrollieren, und die Zugänge zu der Anlage können unter Verwendung von Silicongummidichtungen abgedichtet werden. Die Platten, die das umschlossene Volumen in Bereiche unterteilen, können zur Befestigung von Ausstattungskomponenten sowie dazu dienen, um als Abschirmungen bzw. Prallflächen zu wirken, und die Platten sind vorzugsweise entlang ihrer Rändern mit Silicondichtungen abgedichtet.
• Oft muss ein Laser während des Betriebs eingestellt werden. Dies erfordert ein Öffnen der Verschlusstore, was wiederum den Verlust der Luftzirkulation bewirken könnte. Um ein Weiterlaufen der Luftzirkulation während der Lasereinstellung zu ermöglichen, können der Laser und damit verwandte Komponenten im Gehäuse unter Verwendung von Silicondichtungen unter klaren Plastikplatten angeordnet sein, die an den Platten und an dem Gehäuse an der Zugangsseite des Gehäuses befestigt sind (zur besseren Übersichtlichkeit der Figuren ist dies nicht in den Figuren gezeigt). Es können Gummikappen über den Zugangsöffnungen in den Plastikplatten verwendet werden, die, wenn sie hochgehoben werden, einer Person den Zugriff in das umschlossene Volumen ohne wesentlichen Verlust an Zirkulation von Luft durch das umschlossene Volumen gestatten. Andere Servicezugangs- Verschlüsse sind ebenfalls möglich, wie etwa Türen mit Scharnieren und Schiebe- oder Drehabdeckungen. Die Belüftungsverbindung 170 kann einen druckempfindlichen Schalter und eine Anzeige aufweisen, um den Druck und den Abschaltzustand des Laser zu überwachen, wenn der Druck innerhalb des Gehäuses zu hoch wird.
• Bei einem Gaslaser, etwa einem Excimerlaser, beherbergt ein Gehäuse typischerweise Ausstattungsgegenstände wie etwa eine Gaslaserentladungskammer und ein Wärmetauschersystem. Die Entladungskammer enthält ein Gas, das zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet wird, und umfasst für gewöhnlich zumindest einige der Komponenten, die Elektronen in höhere energetische Zustände pumpen, etwa Elektroden, die eine Koronaentladung erzeugen, oder Führungsröhren zur Einführung eines Elektronenstrahls oder eines Mikrowellenstrahls in die Kammer.
• Fig. 3 zeigt eine Entladungskammer, wobei ein schnellreagierendes Gastemperaturkontrpllsystem verwendet wird. Ein Lüfter 300 führt in zirkulierenderweise Gas in der Entladungskammer in ein elektrisches oder Glimmentladungsvolumen 310, das von Elektroden 315 erzeugt wird, und entlang einem Wärmetauscher 320, der Wärme abführt, die durch das Pumpen von Elektronen in den höheren energetischen Zustand in der Kammer erzeugt wurde. Die Temperatur des Gases wird durch einen Temperatursensor gemessen und mittels einem Mikroprozessor-basierten Kontroller überwacht, wie dies im US Patent Nr. 5,377,215 offenbart ist, der ein Temperatursignal von einem in der oben diskutierten Weise modifizierten Temperatursensor 330 empfängt, der sich in einer ausreichenden Länge in den bewegten Gasstrom in der Entladungskammer hinein erstreckt, um die Temperatur des Hauptteils oder des Großteils des Gases auszulesen. Obwohl der in Fig. 3 gezeigte Temperatursensor in der Nähe des Ausgangs des Lüfters angeordnet ist, kann der Temperatursensor in jedem Bereich des Gasstroms angeordnet sein, der nicht stagnierend ist, oder wo die Temperatur für den Großteil des sich bewegenden Gases, der mit der Pumpenergie beaufschlagt wird, repräsentativ ist, vorausgesetzt, dieser ist genügend weit von der Wand entfernt vorgesehen, um Grenzschichteneffekte zu vermeiden, von denen der Fachmann weiß, dass sie von den Betriebsbedingungen abhängig sind. Auf diese Weise werden Temperaturschwankungen des Gases in der nächsten Umgebung der angeregten Gasmoleküle direkt gemessen. Die Entladungskammer kann Abschirmungen bzw. Prallflächen 340 enthalten, die dazu helfen, ein im Allgemeinen zirkulierendes Gasdurchflussmuster in der Entladungskammer zu gewährleisten. Der Temperatursensor kann ein Thermoelement oder vorzugsweise ein Halbleitertemperatursensor sein, der ein für die erfühlte Temperatur repräsentatives Signal liefert, etwa ein Modell AD590 Halbleiterbauelement, hergestellt von Analog Devices, und kann innerhalb einer Halogenid-resistenten Thermofassung 350, etwa ein 304 oder 316 Typ einer Edelstahlthermofassung angeordnet sein. Die Dicke der Thermofassung sollte minimal sein, um einen effizienten und schnellen Wärmeübergang zu ermöglichen, um gleichzeitig ausreichend dick entsprechend den Betriebszwangsbedingungen, um den Sensor in der harten Kammerumgebung zu schützen. Zur Anwendung in einem Excimerlasersystem ist das Thermoelement oder das Halbleiterbauelement vorzugsweise in der Thermofassung unter Verwendung eines thermisch leitfähigen Epoxyklebers angebracht. Ein Temperatursensor, der zur Erleichterung eines raschen Wärmeaustausches und zur Etablierung eines effizienten Wärmeflusspfades, im Gasstrom angeordnet und, wie zuvor diskutiert, modifiziert ist, liefert ein Echtzeittemperaturanzeigesignal, das schnell reagiert, wenn sich die Temperatur in dem eingeschlossenen Gas verändert. Anzumerken ist, dass zur Bereitstellung einer schnellen Antwortzeit, vorzugsweise weniger als fünf (5) Sekunden, und einer direkten Temperaturmessung ohne der Notwendigkeit, die Zeitverzögerung aufgrund der thermischen Ausbreitung durch ein relativ dickes Sensorgehäusematerial, wie es im Stand der Technik verwendet wird, zu kompensieren, die vorliegenden Erfindung die herkömmliche Sensorgestaltung modifiziert, indem eine Kombination des Thermofassungsmaterials mit einer kleiner thermischen Zeitkonstante in Verbindung mit wärmeleitfähigen Epoxykleber bereitgestellt wird. Die Verwendung eines in einem Gasstrom angeordneten herkömmlichen Sensors liefert eine bessere Temperaturmessung als Sensoren, die in der Kammerwand angeordnet sind, ist aber dennoch nicht ausreichend, um die schnelle Temperaturmessung des Gases in Echtzeit zu ermöglichen, wie dies durch die vorliegende Kombination bereitgestellt wird. Es muss in Betracht gezogen werden, einen effizienten Wärmepfad bereitzustellen, um die Echtzeitmessung der Gastemperatur ohne die inhärente thermische Verzögerung herkömmlicher Ausgestaltungen zu ermöglichen. Ein Beispiel für die Wirksamkeit der Temperatursensorkombination der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren, die nicht die Notwendigkeit eines wirksamen Wärmepfades vorsehen, ist die Geschwindigkeit, mit der verschiedene Temperatursensoren antworten und deren Fähigkeit, die Temperatur innerhalb des Gehäuses konstant zu halten/wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
• Die Fig. 4 und 5 wurden mit der Ausstattung, die in Fig. 6 gezeigt ist, erzeugt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wurden zwei Temperatursensoren an einer Entladungskammer befestigt. Ein Temperatur 600 (der "Wandsensor") wurde vertieft in der Kammerwand aber nicht durchstehend angeordnet, um eine thermische Zeitverzögerung bereitzustellen, wie sie in Laseraufbauten nach dem Stand der Technik zu finden ist, wobei die Kammerwandtemperatur als ein bezeichnendes Maß für die Kammergastemperatur verwendet wird. Wie zuvor diskutiert wurde, wird die gemessene Temperatur in dieser Fühleranordnung hinter der wahren Kammergastemperatur als Folge der Übertragungszeit für die Wärme, um durch die Kammerwand fortzuschreiten, wie dies hierin gezeigt wird, hinterherhinken. Der andere Temperatursensor 300 (der "Gassensor"), in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gestaltet, erstreckt sich durch die Kammerwand in das bewegende Gas innerhalb der Laserentladungskammer. Der Ausgang von dem ausgewählten Temperatursensor wurde zu einem Mikroprozessor-gestütztem Kontroller geführt, der ein spulengesteuertes Wasserventil, das Kühlwasser zum Wärmetauscher in der Laserkammer liefert, durch öffnen und Schließen steuerte.
• Fig. 4 zeigt die Kammerwandtemperatur, die mit einem Wandsensor gemessen wurde. Die Linie A zeigt die Wandtemperatur, wenn der Wandsensor zur Steuerung der Gastemperatur verwendet wurde. Die Linie B zeigt die Wandtemperatur, wenn der Gassensor die Gastemperatur steuerte. Die Linie A zeigt, dass die Wandtemperatur allmählich auf die gewünschte Temperatur anstieg, wenn der Laser betrieben wurde, und an der gewünschten Temperatur für eine kurze Zeitdauer gehalten wurde, und anschließend allmählich zu einer gewünschten Wartetemperatur abfiel, wenn der Wandsensor zur Steuerung der Gastemperatur verwendet wurde. Die Linie B zeigt, dass die Wandtemperatur langsam anstieg, aber im Wesentlichen für eine lange Zeitdauer konstant blieb, wenn der Laser betrieben wurde, und anschließend langsam nach dem Abschalten des Lasers abfiel.
• Fig. 5 zeigt die Gastemperatur, die von dem Gassensor gemessen wurde. Die Linie A zeigt die Gastemperatur, wenn der Wandsensor zur Steuerung der Gastemperatur verwendet wurde. Die Gastemperatur stiegt schnell und im Wesentlichen unkontrolliert an, bis die Wandtemperatur (in Fig. 4 durch Linie A dargestellt) ausreichend stark angestiegen war, so dass der Wandsensor ein Ansteigen der Temperatur erfasste, wobei zu dieser Zeit der schnelle Temperaturanstieg umgekehrt wurde und ein rascher Temperaturabfall folgte. Im Wesentlichen erreichte das Gas keine Gleichgewichtstemperatur bevor der Laser abgeschaltet wurde. Die Linie B zeigt die Echtzeitgastemperatur, wenn der Gassensor der vorliegenden Ausgestaltung zur Steuerung der Gastemperatur verwendet wurde. Die Gastemperatur stieg rasch an und erreichte einen Gleichgewichtswert. Die Gastemperatur während des Laserbetriebs war gut geregelt.
• Die Auswirkungen dieser Betriebsweisen der Gastemperatursteuerung auf kritischen Laserbetriebsparametern sind in den Fig. 7 und 8 gezeigt. In Fig. 7 zeigt eine Linie A die Elektrodenspannung, wenn das Ausgangssignal von dem Wandsensor zur Steuerung der Gastemperatur verwendet wird. Während der wesentlichen Zeitdauer des Laserbetriebes erreichte die Spannung keinen Ruhepunkt. Die Linie B zeigt die Elektrodenspannung, wenn das Ausgangssignal des Gassensors zur Steuerung der Gastemperatur verwendet wurde. Die Elektrodenspannung war im Wesentlichen während des Laserbetriebs konstant. Eine konstante Spannung während des Laserbetriebs zeigt an, dass das Gas innerhalb des Lasers im Wesentlichen gleichförmig während der Laserbetriebszeit angeregt wird. Eine gleichförmige Anregung liefert einen konsistenteren Laserstrahl, der für eine präzise Fotolithographie wesentlich ist.
• Fig. 8 zeigt die Schwankung der Laserstrahlenergie während des Laserbetriebs. Große Spitzenwerte sind zu vermeiden, da große Spitzenwerte größere Schwankung in der Laserstrahlleistung andeuten. Die Linie A zeigt, dass die Steuerung der Gastemperatur unter Verwendung des Wandsensors beträchtliche Spitzenschwankungen in der Strahlleistung bewirkte, wohingegen die Linie B zeigt, dass die Steuerung der Gastemperatur unter Verwendung des Gassensors Spitzenschwankungen in der Strahlleistung reduzierte, wodurch ein konsistenterer Laserstrahl bereitgestellt wird.
• Das Anordnen eines Temperatursensors, der so aufgebaut ist, um einen effizienten Wärmeübergangspfad bereitzustellen und eine Echtzeitmessung der Temperatur des Gasstromes bereitzustellen, verbessert die Fähigkeit des Mikroprozessorkontrollsystems, die Temperatur des Gases und folglich die Strahlqualität zu steuern. Dies erlaubt ebenso eine verbesserte Kontrolle über das Hinzufügen von Gasen, die während des Laserbetriebs verbraucht werden. Ein System zur Erneuerung von Gasen, die während des Betriebs verbraucht werden, ist in US Patent Nr. 5,450,207 vom gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung offenbart.
• Ein Ansteigen/Abfallen der Elektrodenspannung kann zeitlich überwacht werden, um zu bestimmen, wann zusätzliches reaktives Gas in der Laserkammer benötigt wird. Wenn das Signal aus einem Wandsensor von einem Gastemperaturkontrollsystem verwendet wird, um die Gastemperatur zu steuern, ist es schwierig, Elektrodenspannungsänderung als eine Basis zu verwenden, um zu bestimmen, wann mehr Gas hinzuzufügen ist. Verbrauchsgase wie etwa F&sub2; reagieren mit Materialien mit höherer Geschwindigkeit, wenn die Temperatur ansteigt. Wenn ein Wandsensor zur Gastemperaturmessung und damit zur Gastemperatursteuerung verwendet wird, steigt die Gastemperatur sehr viel höher an als die gewünschte Betriebstemperatur und reaktives Gas wird mit einer höheren als der gewünschten Rate konsumiert. Wenn der Laser den Gleichgewichtszustand erreicht, wurde mehr reaktives Gas verbraucht als gewünscht, gegenläufig zu einem stabilen Betrieb des Lasers, und, wie aus der Fig. 7 in der Linie A zu erkennen ist, ist die Elektrodenspannung über einen weiten Bereich des Laserbetriebs aufgrund der Temperaturschwankungen unstabil. Komplizierte Kontrollstrategien und Algorithmen sind notwendig, um es dem Kontrollsystem zu ermöglichen, die Elektrodenspannungsänderung über der Zeit zu verwenden, um zu bestimmen, wenn reaktives Gas hinzuzufügen ist, insbesondere, wenn ein Laser niemals den wahren Gleichgewichtszustand während des Betriebes in einer kommerziellen Anordnung erreicht.
• Wenn ein Gassensor zum Messen der Gastemperatur verwendet wird, kann das Kontrollsystem die Gastemperatur während des Laserbetriebs sehr nahe an der gewünschten Temperatur halten. Gas wird mit einer gleichmäßigen Rate verbraucht, und wie aus der Fig. 7, Linie B zu ersehen ist, die Elektrodenspannung ist während des Laserbetriebs im Wesentlichen konstant. Änderungen in der Elektrodenspannung über lange Zeitdauern können verwendet werden, um anzuzeigen, wann reaktives Gas zu dem in der Laserkammer enthaltenen Gas hinzuzufügen ist. Die Anwendung eines Gassensors kann daher zu einem gleichmäßigen Laserstrahl während der Lebensdauer des Gases innerhalb der Laserkammer führen.
• Selbst dort, wo ein Gassensor verwendet wird, kann die Steuerung der Gastemperatur weiterhin verbessert werden, indem das Wärmetauschersystem neu gestaltet wird, um es dem Kontrollsystem zu ermöglichen, den Kühlwasserstrom kontinuierlich in Reaktion auf das Signal des Temperatursensors zu variieren, anstelle den Kühlwasserstrom in einer gepulsten Art und Weise zu variieren, indem ein Ein/Aus-Ventil geöffnet und geschlossen wird. Fig. 9 zeigt ein bevorzugtes System für das Kontrollsystem zur Variierung des Wasserdurchflusses in Reaktion auf ein Signal aus einem Temperatursensor.
• In Fig. 9 gelangt das Signal aus einem Temperatursensor zu einem Mikroprozessor gestützten Kontroller, der kontinuierlich die Änderung in der Gastemperatur ab einer gewünschten Setzpunkttemperatur aus überwacht und ein Signal zu einem Proportionalventil 900 sendet, das den Fluss von Wasser in den Wärmetauscher variiert und die Gastemperatur an dem gewünschten Setzpunkt hält. Das in Fig. 9 gezeigte Proportionalventil ist ein Dreiwegeproportionalventil, das das hereinströmende Wasser in zwei Ströme aufteilt: einer, der durch den Wärmetauscher 320 fließt, und einer, der durch einen Bypass 910 fließt. Das Wasser kehrt zu einem Wasservorratstank zurück oder wird anderweitig zum Rezirkulieren entnommen. Der Wasserdurchfluss durch das Proportionalventil kann zu einer beliebigen gewünschten Wasserdurchflussrate entsprechend den Systembetriebsanforderungen verändert werden.
• Ein Proportionalventil gestattet eine kontinuierliche Einstellung des Wasserdurchflusses in den Wärmetauscher. Wechselnde Bedingungen wie etwa das Ein- und Ausschalten des Laserstrahls können durch große Änderungen in der Wasserdurchflussrate zur Erhaltung der konstanten Gastemperatur, und durch kleine Änderungen in der Wasserdurchflussrate zur Erhaltung der Temperaturkonstanz unter Gleichgewichtsbedingungen gehandhabt werden. Das Ein/Aus-Ventil gemäß dem Stand der Technik gestattete lediglich einen vollen Durchfluss von Kühlwasser oder keinen Durchfluss von Kühlwasser, wodurch sinusförmige Änderungen in der Gastemperatur bewirkt werden und wodurch das Betriebsverhalten weniger wirkungsvoll und weniger effizient wird, wie dies zuvor diskutiert wurde. Die Verwendung eines Proportionalventils im Wärmetauschsystem verhindert ein Aufschaukeln der Gastemperatur, das aus dem gepulsten Wasserdurchfluss resultiert. Die Anwendung eines Proportionalventils liefert ebenfalls einen zuverlässigeren Betrieb, insbesondere, wenn ein Gassensor verwendet wird. Die sofortigen Änderungen in der Temperatur, die von einem Gassensor ausgelesen werden, können das Kontrollsystem dazu veranlassen, entweder das Ein/Aus-Wasserventil häufig zu pulsen, so dass das Ventil vorzeitig schadhaft wird, oder weitere Temperaturschwankungen aufgrund der Zeitverzögerung in der Einschaltdauer des Ventils, die aus der Natur des Ein/Aus-Verhaltens des Ventils notwendig ist, einzuführen.
• Das Proportionalventil ist vorzugsweise ein schnellwirkendes Ventil, etwa ein pneumatisch betätigtes Ventil, in der Art, wie sie von Johnson Control hergestellt werden, obwohl ein elektrisch betätigtes oder magnetisch betätigtes Ventil verwendet werden kann, vorausgesetzt, das Ventil liefert eine glatte proportionale Steuerantwort über den gesamten Hub des Ventils und kann eine Anschlags-zu-Anschlags-Aktivierungszeit von 0,5 Sekunden oder weniger liefern. Das in Fig. 9 dargestellte Ventil ist ein Dreiwegeventil, das eine konstante Flussrate des Wassers zu dem Laser aufweist, wodurch sich der Aufbau der Komponenten vereinfacht, die den Laser beherbergen, etwa die Gestaltung des Fotolithographiereinraumes, in dem der Laser untergebracht ist, und damit verknüpftes Zubehör, wie etwa die Spitzenwasserdurchflussrate, die bereitgestellt werden muss. Wie dargestellt, ist das Ventil vorzugsweise stromabwärts angeordnet, um zu ermöglichen, dass das gesamte System unter einem konstanten Druck abgehalten wird, um damit das Austreten von Gasen etc. aus den Leitungen zu ermöglichen. Um diesen Druck aufzunehmen sind die Leitungen vorzugsweise aus Teflon mit einer rostfreien Stahlumflechtung, um hohe Temperaturen von ungefähr 204ºC (ungefähr 400ºF) und moderate Drucke (ungefähr 300 psi) aufzunehmen. Das Proportionalventil kann z. B. ein Zweiwegequetschventil, oder ein Kugelventil, ein Nadelventil oder ein anderes Drosselventil sein. Es kann ebenfalls ein variabler Wasserdurchfluss vorgesehen werden mittels einer Pumpe mit variabler Geschwindigkeit, deren Pumpgeschwindigkeit durch das Ausgangssignal aus dem Temperatursensor oder einem Kontroller gesteuert wird. Das für den Wärmetauscher verwendete Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, das gewünschte Eigenschaften hinsichtlich Wärmekapazität und Siedepunkt aufweist, um es als ein Wärmetauschermedium verwenden zu können/Andere verwendbare Fluide sind Flüssigkeiten wie beispielsweise Öle und synthetische Wärmetauscherfluide und gasförmige Fluide wie etwa Luft und Stickstoff. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Flüssig-zu-Gas-Wärmetauscher, und das Wärmetauscherfluid ist aufgrund seiner Verfügbarkeit und seiner guten Wärmetauschereigenschaften vorzugsweise Wasser. Der Temperatursensor ist vorzugsweise ein Halbleitertemperatursensor (oder ein Gasthermoelement), wie dies zuvor erläutert wurde, der innerhalb des strömenden Lasergässtromes angeordnet ist, obwohl der Temperatursensor in anderen Position angeordnet sein kann, die zur Temperaturbestimmung des zu "pumpenden" Gases zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet werden können. Die Temperatur kann jedoch auch durch Auslesung unter Verwendung anderer entfernter Temperatursensor etwa einem Infrarotdetektor, der ein für die von dem Element ausgelesene Temperatur bezeichnendes Signal produziert, bestimmt werden.
• In anderen bevorzugten Ausführungsformen enthält das Wärmetauschersystem zusätzliche Komponenten, die die Flussrate 920 und/oder Temperatur 930 des Wassers, das durch den für die Kühlung des Lasergases verwendeten Wärmetauscher strömt, überwachen. Die Flussrate und/oder Temperatur des Wassers kann in Verbindung mit dem Gastemperatursignal angewendet werden, um die Position des Dreiwegeventils oder eines anderen Kühlwasserflusses regulierenden Bauteiles einzustellen, um eine schnellere und genauere Steuerung zu liefern. Beispielsweise kann die Temperatur des Kühlwassers und die Temperatur des Lasergases zur Aktivierung eines Kontrollers, etwa einem E/P-Transducer, beispielsweise von der Firma Fairchild hergestellt, verwendet werden, um den Prozentsatz des am Sensor 920 gemessenen Durchflusses durch das System einzustellen, wobei beide verwendet werden können, um das Dreiwegeventil so einzustellen, um die zur Konstanterhaltung der Temperatur nötige Durchflussrate des Kühlwassers bereitzustellen, während der restliche Fluss in einer geschlossen Schleife innerhalb des Systems geführt wird. Auf diese Weise ist die Flussregulierung durch lineares Anwachsen anstatt von Schwankungsspitzen, wie dies zuvor beschrieben wurde, genauer gesteuert, wodurch Temperaturänderungen des Systems eliminiert werden. Die Verwendung von Kontrollsignalen, die von geeigneten Sensoren erzeugt werden, etwa der Kühlwassertemperatur und/oder Flussrate erlaubt eine schnellere und genauere Reaktion auf die Gastemperaturschwankungen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Komponenten des Kühlwasserstroms, die außerhalb der Entladungskammer sind, in einer Unteranordnung (in Fig. 9 als Behälter 940 gezeigt) angeordnet, die innerhalb oder außerhalb des Gehäuses, das den Laser beherbergt, angeordnet sein kann. Derartige Komponenten wie der Kühlwassertemperatursensor, der Durchflusssensor und das Dreiwegeventil können zusammen in der Unteranordnung angeordnet sein, um den Aufbau des Lasers zu vereinfachen, um die Komponenten von den elektrischen Komponenten entfernt an zuordnen und einen schnellen Weg bereitzustellen, um die Lage von fehlerhaften Komponenten beispielsweise einen undichten Durchflusssensor oder ein Dreiwegeventil zu bestimmen, wodurch eine verbesserte Zuverlässigkeit und Sicherheit und eine geringe Wartungszeit gewährleistet ist. Die Unteranordnung kann umschlossen sein oder kann als eine offene Unteranordnung mit einer einzelnen oder mehreren Befestigungen für die Komponenten der Unteranordnung sein. Rohrleitungen können Teile oder die gesamte Ausstattung der Unteranordnung halten.
• In den oben erläuterten bevorzugten Ausführungsformen verwendet der Gaswärmetauscher Wasser, um das Lasergas zu kühlen, und das Gas wird mittels dem Fachmann wohl bekannter Heizelemente, die an der Außenseite der Entladungskammer angeordnet sind, anfänglich erwärmt oder auf näherungsweise Laserbetriebstemperaturen gehalten. Falls gewünscht können die Heizelement des Wärmetauschersystems unnötig sein, indem Heiz- und Kühlwasser dem Wärmetauscher bereitgestellt wird und indem dessen Durchfluss mittels Steuerventilen gesteuert wird. Die Gastemperatur während Wartephasen kann etwas geringer als die bei der Erzeugung des Laserstrahls gewünschte Gastemperatur sein, da das "Pumpen" des Gases zur Erzeugung des Laserstrahls ausreichend Wärme erzeugt, um das Gas fast schlagartig auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen.
• In einer alternativen Ausführungsform kann, wenn der Laser nicht in Betrieb ist, der anfängliche Temperaturabfall, der durch C in Fig. 7 angedeutet ist, und aus dem Kühleffekt des restlichen Wassers, das auf das Gas eine schnellere Wirkung ausübt als die thermischen Wirkungen von externen Heizelementen, durch ein Heizelement, das direkt in der Entladungskammer integriert ist, verschoben bzw. ausgeglichen werden. Dieses Heizelement, beispielsweise ein Stabelement, sollte vorzugsweise die gleiche Leistungskapazität als die zur Initiierung der Laserentladung verwendete anwenden, um eine rasche Erwärmung des Gases während inaktiver Phasen zu erlauben. Das Heizelement sollte gleicher Maßen aus einem Material hergestellt sein, das mit den in dem speziellen Lasersystem verwendeten Kammergasen verträglich ist, etwa mit Fluor, im Falle eines Excimerlasersystems.
• Obwohl die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsformen beschrieben wurde, die momentan als die bevorzugten Ausführungsformen betrachtet werden, ist es dennoch selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil diverse Modifikationen und äquivalente Änderungen, die im Grundgedanken im Schutzbereich der folgenden Ansprüche enthalten sind, abdecken soll. Daher ist es für den Fachmann auf diesem Gebiet klar, dass all diese äquivalenten Änderungen im Schutzbereich der Ansprüche mitenthalten sind.

Claims (12)

1. Laser mit Laserausstattungskomponenten mit einer Entladungskammer (120), einem Wärmetauschersystem zum Zu- und Abführen von Wärme aus der Entladungskammer, einem AC-Leistungssystem (240), und einer Hochspannungsversorgung (130), wobei der Laser ein Gehäuse mit Prallflächen umfasst, das zumindest einen Teil der Laserausstattung beherbergt, und wobei Lage und Anzahl der Prallflächen (210) im Gehäuse ausreichend ist, um die Menge der zur Kühlung der umschlossenen Laserausstattungskomponenten erforderlichen Luft im Vergleich zu der Menge, die von einem Referenzlaser benötigt wird, zu reduzieren, wobei der Referenzlaser die gleichen umschlossenen Laserausstattungskomponenten und das gleiche Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse keine Prallflächen aufweist.

2. Der Laser nach Anspruch 1, wobei die Lage und Anzahl der Prallflächen in dem Gehäuse ausreichend ist, um zu bewirken, dass zumindest ein Teil der Luft der Reihe nach durch im Wesentlichen das gesamte umschlossene Volumen wandert.

3. Der Laser nach Anspruch 1, wobei der Laser ein Excimerlaser ist.

4. Der Laser nach Anspruch 1, wobei eine Prallfläche in dem Gehäuse einen Teiler umfasst mit mindestens einer Öffnung (220) in dem Teiler, die es ermöglicht, dass Luft von einer Seite des Teilers auf die andere Seite des Teilers strömt.

5. Der Laser nach Anspruch 1, wobei das umschlossene Volumen mindestens in drei Bereiche unterteilt ist, und die in einen Teil eintretende Luft den Bereich an dessen entgegengesetztem Ende verlässt.

6. Der Laser nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse nicht mehr als eine Lufteinlassleitung (200) aufweist.

7. Der Laser nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse nicht mehr als eine Luftauslassleitung (170) aufweist.

8. Verfahren zur Verringerung der Menge von konditionierter Luft, die zur Kühlung von Komponenten eines Lasers in einem Gehäuse mit einem umschlossenen Volumen verwendet wird, mit: Bereitstellen einer Kühllufteinlassleitung (200) und einer Warmluftauslassleitung (170) in dem Gehäuse; Bereitstellen einer genügenden Antriebskraft zum Bewegen von Luft in die Kühllufteinlassleitung (200), durch das Gehäuse und aus der Warmluftauslassleitung heraus (170); und Anordnen einer Anzahl von Prallflächen (210) an Stellen innerhalb des Gehäuses in ausreichenderweise, um die Menge der zur Kühlung des umschlossenen Volumens notwendigen Luft im Vergleich zur Menge der zur Kühlung des umschlossenen Volumens eines identischen Lasers mit einem Gehäuse ohne Prallflächen notwendigen Luft zu verringern.

9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Anzahl und die Platzierung von Prallflächen (210) in dem Gehäuse ausreichend ist, um zu bewirken, dass zumindest ein Teil der sich durch das Gehäuse bewegenden Luft der Reihe nach im Wesentlichen durch das gesamte umschlossene Volumen des Gehäuses wandert.

10. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druck des umschlossenen Volumens geringer als der Druck außerhalb des Gehäuses ist.

11. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Wesentlichen die gesamte, sich innerhalb des Gehäuses bewegende Luft durch eine einzelne Lufteinlassleitung (200) zugeführt wird.

12. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Wesentlichen die gesamte, sich innerhalb des Gehäuses bewegende Luft durch eine einzelne Luftaustrittsleitung (170) austritt.