TWI608680B - 用於高能雷射系統中之可再回收、再平衡及再循環雷射氣體混合物之系統 - Google Patents

Description

用於高能雷射系統中之可再回收、再平衡及再循環雷射氣體混合物之系統

本發明係關於但不限於一種可再循環準分子雷射系統中氣體環境的系統，其中雷射使用過程中而產生之汙染物可被移除，且在雷射使用過程中所減少之添加氣體，如氙氣(Xe)、氪氣(Kr)或其他添加氣體的氣體濃度可藉由分析以及自一或多個的外部供應進行成分補足，而再平衡至與特定雷射氣體混合物的濃度相同。本發明所提供的系統可防止顯著數量之雷射氣體混合物的喪失，這是極為重要的，因為例如為氖氣(Ne)之氣體其因短缺稀有而昂貴且一旦外洩就會喪失，且氖氣在雷射氣體混合物中佔有接近97%之比例。

準分子雷射為一種脈衝式氣體放電雷射，可於光譜中紫外光波段產生光輸出。以下列示四種常用的準分子波長，該些波長係取決於雷射活性氣體填充，四種波長如下：

準分子雷射現已廣泛地應用於微電子元件製造(例如半導體 積體電路或晶片)、眼科手術以及微加工領域。而為了使雷射的操作更具效率，準分子雷射需要具有三或三個以上的氣體部分組成，例如為氪氣、氙氣或氬氣等稀有高純度的惰性氣體之混合物，並因需使用稀有的惰性氣體而造成準分子雷射的使用成本較高。除了需使用稀有的高純度惰性氣體之外，其還需要如氦氣(He)及/或氖氣(Ne)以作為緩衝氣體，且還須使用如氟(F)、氯(Cl)等高反應性(reactive)的鹵素氣體。由於僅少量的氙氣會被使用，且氬氣的供應量較為充沛，故較無必要考量回收上述氣體(氙氣、氬氣)。除此之外，緩衝氣體屬於雷射氣體混合物中的主要多數氣體，其在雷射氣體混合物中佔有高達99%重量百分比。當鹵素氣體(例如為F₂及Cl₂)在準分子雷射氣體腔室中發生原子化(atomized)時，鹵素氣體將與幾乎任何元素及/或分子產生反應，因此緩衝氣體在準分子雷射氣體腔室中亦應具有耐化學性。緩衝氣體可選擇如氦氣及或氖氣，不過氦氣的供應量並不充足，且一旦釋放至大氣中則無法回收，因此，氖氣於準分子雷射中做為主要的緩衝氣體。隨著準分子雷射更普遍地被使用，氖氣的短缺性更被重視。因而，此惰性氣體的價格也對應大幅度提高，而雷射氣體再回收的需求及重要性亦與日俱增。這些氣體成分或其他可能的氣體可於高壓容器中留存，且高壓容器具有沿縱向延伸之雷射電極於氣體中引入橫向放電。放電造成稀有氣體鹵化物激發態分子的形成，其解離(disassociation)後即產生紫外光光子之放射而形成雷射光。當雷射使用時，鹵素氣體成分與雷射中例如碳、氫的材料發生反應，並因此由氣體混合物中缺乏且需週期性的替換。鹵素氣體的缺乏與雷射腔體中汙染物或雜質的形成同時發生，並會因此削弱雷射之運作而降低雷射輸出功率。

然而，為了使雷射的輸出功率能夠更穩定一致，有一種採用提高施加於電極電壓的方法，可解決因為汙染物或雜質的形成及缺乏鹵素氣體所造成雷射輸出功率降低的問題。不過，採用提高施加於電極電壓的方法將造成雷射中電極材料快速的劣化，並因此提高雷射的維護費用。此外，部分降低的雷射輸出功率，亦可藉由於雷射腔體中簡易地替換所缺乏的鹵素氣體而部分回復，然而此種方法，由於缺乏將汙染物或雜質移除之技術手段，最終仍必定需要替換雷射氣體混合物，以使雷射的輸出功率完 全回復。

因此，準分子雷射的使用成本主要是由於高純度又昂貴的惰性氣體遭受到汙染所造成。且近些年，準分子雷射主要的挑戰為著眼於如何解決抗腐蝕材料、先進的氣體循環及淨化系統、以及高伏固態開關的問題。更多高純度且稀有的惰性氣體由於工程上持續性地改良及更多的應用，而使得其需求量大幅上升。舉例來說，最近已揭示一種具有窄頻脈衝的準分子雷射，其可產生出約500至2000Hz頻率範圍的脈衝，並具有增益能量劑量控制(enhanced energy dose control)技術及可再生性(reproducibility)，可藉由添加少量含有氧氣或重惰性氣體(氟化氪(KrF)雷射使用氙或氧、氟化氬(ArF)雷射使用氪、氙或氡)的雷射增益材料(laser enhancer)進入雷射氣體混合物而完成。實驗證實，藉由額外添加約6至10ppm的氙(Xe)或是40ppm的氪(Kr)即可提升氟化氬(ArF)雷射的輸出效能。

因此，如何提供一種可再回收、再平衡及再循環高純度且稀有的惰性氣體(特別係對於氙氣)之改良系統，能確保這些氣體以令人可接受的價格持續地供應，已成為重要課題之一。本發明之其中的一個目的為提供一種設備及方法，可因此解決習知技術之缺點，並對於準分子雷射的設計概念具有獨特改變，使準分子雷射於操作過程中移除雜質時，亦可將昂貴的惰性氣體再回收、再平衡及再平衡於準分子雷射內。

有鑑於上述課題，本發明之一目的為提供一種可再循環準分子雷射系統中氣體環境的系統。使雷射於使用過程中所產生之汙染物可被移除，且在雷射使用過程中所減少之添加氣體，如氙氣、氪氣或其他添加氣體的氣體濃度可藉由分析後自一或多個的外部供應進行成分補足，而再平衡至與特定雷射氣體混合物的濃度相同。

在一些實施例中，不透過分析，而是在進行成分補足前先移除所有的增益雷射氣體，例如氙氣。這可藉由，但不限制於使用過渡金屬吸附、高表面積沸石、氧化鋁及/或碳吸附、變溫吸附、變壓吸附的手段 進行移除。而雷射氣體自一或多個的外部供應進行成分補足後會再平衡至與特定雷射氣體混合物的濃度相同。

在一實施例中，可藉由，但不限制於使用變溫吸附、變壓吸附、薄膜分離術的手段移除全部的雷射氣體增益材料(all lazing gas enhancers)及移除部分的惰性雷射氣體，並隔離緩衝氣體。惰性雷射氣體增益材料透過分析及自一或多個的外部供應進行成分補足後會再平衡至與特定雷射氣體混合物的濃度相同。

在一實施例中，可藉由，但不限制於使用變溫吸附、變壓吸附、薄膜分離術的手段移除全部的雷射氣體增益材料(all lazing gas enhancers)及全部的惰性雷射氣體，並隔離緩衝氣體。惰性雷射氣體及雷射氣體增益材料自一或多個的外部供應進行成分補足後會再平衡至與特定雷射氣體混合物的濃度相同。

在一實施例中，當雷射的輸出強度減弱時，量測雷射的輸出強度，並將雷射增益氣體摻回至雷射腔體。對於每一個所揭露的方法，氣體成分自一或多個的外部供應補足並混合至特定雷射氣體混合物。

其他實施例及技術特徵將於以下敘述內容中說明，對於本領域具有通常知識者而言，在研究本說明書後可某種程度上了解這些實施例及技術特徵或者能夠通過藉由實施本發明所提供之實施例的內容來獲知。另外，本發明的技術特徵和優點可通過在所附說明書中揭示的手段、組合及方法來實現與取得。

100、200、300、400、500、600、700‧‧‧準分子雷射系統

9、12、14、42、52、54、56、62、67、82、83、209、212、214、242、252、282、283、309、312、314、342、352、354、356、362、367、382、383、409、412、414、442、452、482、483、509、512、514、542、552、582、583、612、614、642、652、656、667、682、683、712、714、742、752‧‧‧閥門

18、22、218、222、318、322、418、422、518、522、618、622、718、722‧‧‧開口部

20、220、320、420、520、620、720‧‧‧雷射腔體

24、224、324、424、524、624、724‧‧‧壓力控制閥

30、230、330、430、530、630、730‧‧‧洗滌器

40、85、240、285、340、385、440、485、540、585、640、685、740、785‧‧‧壓縮機

50、250、251、350、351、450、451、550、551、650、651、750、751‧‧‧氣體淨化器

5、10、60、65、75、80、90、205、210、275、280、290、305、310、360、365、375、380、390、405、410、475、480、490、505、510、580、590、610、665、675、680、690、710、780、790‧‧‧氣瓶

92、292、392、392、492、592、692、792‧‧‧壓力轉換器

A‧‧‧分析器

B‧‧‧混合器

C‧‧‧控制處理器

本發明所揭露各實施例的技術本質與技術優點，可更進一步經由參考說明書中的實施方式及各圖式而了解。

圖1為本發明一實施例中於一氣體淨化系統中分析一雷射增益氣體準位後再回收、再平衡及再循環增益雷射氣體的一準分子雷射系統配置示意圖。

圖2為本發明另一實施例中於一氣體淨化系統中移除全部增益雷射氣 體且再回收、再平衡及再循環增益雷射氣體的一準分子雷射系統配置示意圖。

圖3為本發明另一實施例中於一氣體分析及淨化系統中移除全部增益雷射氣體之及部分移除惰性雷射氣體之一準分子雷射系統配置示意圖。

圖4為本發明另一實施例中於一氣體分析及淨化系統中移除全部增益雷射氣體及惰性雷射氣體之一準分子雷射系統配置示意圖。

圖5為本發明另一實施例中具有將增益氣體引導至三混合氣瓶以提升簡化再循環系統之一準分子雷射系統配置示意圖。

圖6為本發明另一實施例中具有將增益氣體引導至三混合氣瓶以提升簡化再循環系統之一準分子雷射系統配置示意圖。

圖7為本發明另一實施例中具有將增益氣體引導至三混合氣瓶以提升簡化再循環系統之一準分子雷射系統配置示意圖。

在圖式中，類似的元件及/或特徵於圖式中可具有相同的參考符號。此外，相同類型的各個元件可通過在參考符號後跟隨短劃線(dash)以及在類似元件之間進行區分的第二符號來加以區分。如果在說明書中僅使用第一參考符號，則該描述可應用於具有相同的第一參考符號的類似元件中的任何一個元件而不論第二參考符號為何。

請參考圖1，圖1出示可再回收、再平衡及再循環增益雷射氣體的系統100。雷射腔體20為一容置空間並具有一至兩個腔室。腔室可被設計用以放置幾個大氣壓力的腐蝕性氣體，且是以如美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers,ASME)發布之高安全標準所設計。雷射腔體20起始之氣體填充是由控制處理器C所主導，當起始填充雷射氣體至雷射腔體20時，係先由氣體再循環幫浦(圖未顯示)透過進氣開口部18或排氣開口部22其中之一對雷射腔體20進行氣體或排除。雷射腔體20接著分別由一雙混合氣瓶或三混合氣瓶5和10的供應將雷射混合氣體持續充入，直到其抵定最終充氣氣壓(例如3000~5000mBar或是40~72psig)。氣體的供應可為雙混合氣體(bi-mix)可只包含有正確比例的惰性氣 體、增益氣體及其他氣體，其約略為1-5%的氬氣、94-98%的氖氣及1-100ppm的氙氣，或是較佳比例之3.5%的氬氣、95.5%的氖氣及10ppm的氙氣，然後可由三混合氣瓶10補充鹵素。三混合氣瓶10則包含有正確比例的惰性氣體、緩衝氣體及鹵素氣體，其約略為1-5%的氬氣、75-99%的氖氣及0.05-20%的氟氣，或是較佳比例之3.5%的氬氣95.5%的氖氣及1%的氟氣。後續將以具有兩個腔室之雷射腔體20為例詳述關於雷射腔體20具體之運作說明，其中雷射腔體20的每一腔室係充入相同的氣體但充至的不同氣壓(在類似但不同的氣壓下運作)，兩腔室係於同一時間運作，且當其中部分氣體被排出及回補時兩腔室仍進行運作。此外由兩腔室產生之雷射會光性結合而較單一來源更提升雷射輸出增益。

於雷射腔體20運作開始前，一但雷射腔體20由原始來源氣瓶5及10的供應，而充滿有富含鹵素的雷射氣體混合物，則將原始來源氣瓶5與10關閉，例如可分別透過閥門9、14將其關閉。上述關閉動作除了可由手動操作外，較佳地亦可透過控制處理器C的控制來自動完成上述操作。且控制處理器C係電性連接於本實施例之系統中的各閥門以及各個電子元件。

在雷射腔體20正常的運作下，鹵素氣體及增益氣體很有可能會被消耗，因此在一設定之時間內，正常來說在雷射最大使用的情況下為介於1至5分鐘內，較佳地則介於2至3分鐘，或更佳地介於1分半鐘至2分鐘之間，當使用時，控制處理器C可在腔室間進行切換，且控制處理器C可先將一腔室的氣體部分排出及回補，然後在另一腔室進行相同的運作。將已排出的雷射氣體引導通過排氣開口部22，並經由壓力控制閥24而通過洗滌器30以移除或減少包含鹵素氣體在內雷射腔體20運作所需之反應性氣體。洗滌器30為由適當材料，例如不鏽鋼或鎳金屬所製成之一容置空間，且通常容納了活性氧化鋁或活性炭，以用來洗滌被排出的氣體。

雷射腔體20中運作過的腔室排出氣體後，壓力控制閥24將被關閉，並因此將本發明之可再回收、再平衡及再循環的系統與雷射腔體20隔離，接著便使用原始來源氣瓶5及10的氣體供應，將運作過之腔室進行氣體回補。隨著所排出的雷射氣體通過洗滌器30後，反應性氣體或 鹵素氣體相較於原先存在於所排出的雷射氣體中，其濃度將會降至低於1ppm的準位。已洗滌氣體現已不再存有反應性鹵素氣體，並由壓縮機40加壓，經由閥門42而流動至氣體淨化器50。氣體淨化器50可根據已洗滌氣體中所存在的汙染物不同，而分為單一氣體淨化器或者是串聯氣體淨化器50。已洗滌氣體接著可流過第二個氣體淨化器以吸收氣體中的水分(氣體淨化器的設置順序也可以不同)，再由另外的氣體淨化器將其中的超微末微粒移除。另外，一或多個的氣體淨化器於使用後可再生使用(regenerable)。

氣體經由閥門52而離開串聯氣體淨化器50後，汙染物或雜質的濃度已由約100至500ppm降低至約1至500ppb的準位，並且鹵素氣體已被移除，而惰性氣體及增益氣體將流動進入兩個氣瓶60或65中的其中之一，並於氣瓶內進行氣體分析。以下將舉一例說明，已淨化氣體經由閥門54流動進入氣瓶60，一旦氣瓶60被充滿後閥門54即關閉，同時閥門56將開啟使得已淨化氣體可被引導至氣瓶65中。氣瓶60中的已淨化氣體將由分析器A進行分析，且將可決定已淨化氣體中惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體的濃度資訊。接著分析器A經由控制處理器C進行通訊使閥門62、82開啟，而使得已分析氣體及參雜氣體分別由氣瓶60及氣瓶75中抽離。此時混合器B將調整兩股氣體的流動速率，以混合形成與原始來源氣瓶5所具有之相同氣體，即僅包含正確比例之惰性氣體、增益氣體及緩衝氣體的一再平衡雙混合氣體，於混合後閥門62、82即關閉。接著此再平衡雙混合氣體將流動至用來儲存該氣體之氣瓶80。一旦已分析氣體由氣瓶60抽離後閥門62、56將關閉，而閥門67將開啟且氣瓶65中存放之已淨化氣體將被分析，同時氣瓶60由於閥門54的開啟而充入氣體。此對氣瓶60、65中之已淨化氣體的連續分析，將於雷射系統操作時週期性持續地進行。

再平衡雙混合氣體將持續地累積於氣瓶80中直到抵定一預定氣壓，當抵定預定氣壓時，閥門83將開啟且壓縮機85將對此再回收之雙混合氣體進行加壓，並儲存此雙混合氣體於一氣瓶90中，其中的氣體具有與原始來源氣瓶5所儲存的雙混合氣體相同的濃度。當雷射腔體20需要供應新的氣體時，儲存三混合氣體(tri-mix)之原始來源氣瓶10中的三混 合氣體將持續地作為鹵素氣體的供應，不過，當氣瓶90中所儲存之再回收之雙混合氣體於壓力轉換器92抵定一預定氣壓時，則可將氣體充入於雷射腔體20的腔室中，其中閥門9(與原始來源氣瓶5連接)將被關閉且閥門12則開啟，使得雷射腔體20的腔室可由氣瓶90中供應再回收之雙混合氣體。如此一來，本實施例之準分子雷射系統提供一種方法，可回收準分子雷射中使用的惰性氣體，並可製備出能夠代替原先雙混合氣體的一再回收雙混合氣體，因此可保留住其中的惰性氣體並可因此而控制使用成本。本實施例所提供之準分子雷射系統亦提供再回收或再導入惰性增益氣體的技術。

請參考圖2之本發明另一實施例，可用於移除增益氣體之一氣體淨化器251設置於一串聯氣體淨化器250之後，氣體淨化器251可藉由，但不限制於使用過渡金屬吸附、高表面積沸石、氧化鋁及/或碳吸附、變溫吸附、變壓吸附的手段淨化增益氣體。在本實施例中，由於增益氣體已被移除，故不需再如圖1的前一實施例中一樣分析已淨化氣體以決定其中的氣體濃度。由於雷射氣體及緩衝氣體並未損耗，控制處理器C將兩個閥門252及282皆開啟。已淨化氣體由閥門252通過且氣瓶275釋出參雜氣體，並由混合器B對兩氣體進行混合。混合器B調整兩股氣體的流動速率，以混合形成原始來源氣瓶205中所具有的相同氣體，即僅包含正確比例之惰性氣體、增益氣體及緩衝氣體的一再平衡雙混合氣體，接著此再平衡雙混合氣體將流動至用來儲存該氣體之氣瓶280。

再平衡雙混合氣體將持續地累積於氣瓶280中直到抵定一預定氣壓，當抵定預定氣壓時，閥門283將開啟且壓縮機285將對此再回收之雙混合氣體進行加壓，並儲存此雙混合氣體於氣瓶290中，其中的氣體具有與原始來源氣瓶205所儲存的雙混合氣體相同的濃度。當氣瓶290中所儲存之再回收之雙混合氣體於壓力轉換器292抵定一預定氣壓時則可將氣體充入於雷射腔體220的腔室中，其中閥門209(與原始來源氣瓶205連接)將被關閉，使得雷射腔體220可充入氣瓶290中所供應之再回收雙混合氣體。最終，氣體淨化器251可再生使用且釋放之增益氣體將可被移除。

在另一實施例中如圖2所示的氣體淨化器251將移除增益氣體及可部分移除惰性雷射氣體，如圖1中存在分析已淨化氣體以決定雙混合氣體之成分氣體濃度的一過程，因此可將正確數量的氣體參雜回以形成再回收之雙混合氣體。如圖3所示，可用於移除增益氣體及部分移除雷射氣體之一氣體淨化器351設置於一串聯氣體淨化器350之後。氣體淨化器351可為但不限制於為藉由過渡金屬吸附、高表面積沸石、氧化鋁及/或碳吸附、變溫吸附、變壓吸附的方式以移除增益氣體及部分移除雷射氣體之手段(means)。

氣體經由閥門352而離開氣體串聯氣體淨化器350後，汙染物或雜質的濃度已由約100至500ppm降低至約1至500ppb的準位，並且鹵素氣體已被移除，而惰性雷射氣體及增益氣體的氣體濃度皆也降低。重要的是，串聯氣體淨化器350及氣體淨化器351對於緩衝氣體的影響非常有限，因此緩衝氣體將大量地回收。已淨化氣體將流動進入兩個氣瓶360或365中的其中之一，並於其內進行氣體分析。以下同樣舉一例說明，已淨化氣體將經由閥門354流動進入氣瓶360，一旦氣瓶360被充滿後閥門354即關閉，同時閥門356將開啟使得已淨化氣體可引導至氣瓶365中。氣瓶360中的已淨化氣體將由分析器A進行分析，且分析將可決定已淨化氣體中一或多個的惰性氣體、惰性緩衝氣體及惰性增益氣體的濃度資訊。接著分析器A經由控制處理器C進行通訊使閥門362、382開啟，而使得已分析氣體及參雜氣體分別由氣瓶360及氣瓶375中抽離。此時混合器B將調整兩股氣體的流動速率，以混合形成與原始來源氣瓶305所具有之相同氣體，即僅包含正確比例之惰性氣體、增益氣體及緩衝氣體的一再平衡雙混合氣體。接著此再平衡雙混合氣體將流動至用來儲存該氣體之氣瓶380。一旦已分析氣體由氣瓶360抽離後閥門362、356將關閉，而閥門354將開啟且氣瓶365中存放之已淨化氣體將被分析，同時氣瓶360正在充入氣體。此對氣瓶360、365中之已淨化氣體的連續分析，將於準分子雷射系統操作時週期性持續地進行。

再平衡雙混合氣體將持續地累積於氣瓶380中直到抵定一預定氣壓，當抵定預定氣壓時，閥門383將開啟且壓縮機385將對此再回 收之雙混合氣體進行加壓，並儲存此雙混合氣體於一氣瓶390中，其中的氣體具有與原始來源氣瓶305所儲存的雙混合氣體相同的濃度。當氣瓶390中所儲存之再回收之雙混合氣體於壓力轉換器392抵定一預定氣壓時，則可將氣體充入於雷射腔體320的腔室中，其中閥門309(與原始來源氣瓶305連接)將被關閉且閥門312則開啟，使得雷射腔體320的腔室可由氣瓶390中供應再回收之雙混合氣體。最終，氣體淨化器351可再生使用以持續地移除雜質。

請參考圖4之本發明另一實施例，全部雷射氣體以及全部增益氣體皆由已淨化氣體中移除，因此不需要再分析通過氣體淨化器451後的氣體之其中成分。緩衝氣體相較於雷射氣體及增益氣體而言更輕因此其大部分將不會被氣體淨化器移除，故此稀有材料將可被回收。如先前所說明的，氣體淨化器451同樣可藉由，但不限制於使用過渡金屬吸附、高表面積沸石、氧化鋁吸附及/或碳吸附、變溫吸附、變壓吸附來實現。在本實施例中，由於雷射氣體及增益氣體皆已移除，故不需再如圖3的前一實施例中一樣分析已淨化氣體以決定其中的氣體濃度。由於緩衝氣體並未損耗，控制處理器C將兩個閥門452及482皆開啟。本質上只具有緩衝氣體的已淨化氣體將由閥門452通過，且氣瓶475釋放參雜氣體，並由混合器B對兩氣體進行混合。混合器B調整兩股氣體的流動速率，以混合形成與原始來源氣瓶405所具有之相同氣體，即僅包含正確濃度比例之惰性氣體、增益氣體及緩衝氣體的一再平衡雙混合氣體。接著此再平衡雙混合氣體將流動至用來儲存該氣體之氣瓶480。

再平衡雙混合氣體將持續地累積於氣瓶480中直到抵定一預定氣壓，當抵定預定氣壓時，閥門483將開啟且壓縮機485將對此再回收之雙混合氣體進行加壓，並儲存此雙混合氣體於一氣瓶490中，其中的氣體具有與原始來源氣瓶405所儲存的雙混合氣體相同的濃度。當氣瓶490中所儲存之再回收之雙混合氣體於壓力轉換器492抵定一預定氣壓時，將氣體充入於雷射腔體420的腔室中，其中閥門409(與原始來源氣瓶405連接)將被關閉，使得雷射腔體420可充入氣瓶490中所供應之再回收雙混合氣體。最終，氣體淨化器451可再生使用以持續地移除淨化雜質。

如先前圖1中本發明之一實施例所述，當起始填充雷射氣體至雷射腔體20時，係先由氣體再循環幫浦(圖未顯示)透過進氣開口部18或排氣開口部22其中之一對雷射腔體20進行氣體排除。雷射腔體20接著分別由雙混合氣瓶5或三混合氣瓶10的供應將雷射混合氣體持續充入直到雷射腔體20幾乎抵定最終充氣氣壓(例如3000~5000mBar或是40~72psig)。一般來說，常使用的供應可為只包含有正確比例的惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體的雙混合氣體，約略為1-5%的氬氣、94-98%的氖氣及1-100ppm的氙氣，或是較佳濃度比例之3.5%的氬氣、95.5%的氖氣及10ppm的氙氣，並可由三混合氣瓶10補充鹵素氣體。三混合氣瓶10則包含有適當比例的惰性氣體、緩衝氣體及鹵素氣體，其約略為1-5%的氬氣、75-99%的氖氣及0.05-20%的氟氣，或是較佳比例之3.5%的氬氣95.5%的氖氣及1%的氟氣。然而，於圖5所示的本發明另一實施例中，增益氣體之氙氣被加入於三混合氣體中而成為一四混合氣體(quad-mix)，並與雙混合氣體中含有的量相同。例如，若雙混合氣體中具有10ppm的氙氣，則四混合氣體中同樣會具有10ppm的氙氣，如此將可解決當標準之雙混合氣體及三混合氣體結合時氙氣被稀釋的情況。而於四混合氣體的成分組成上，還確保了將雙混合氣體與四混合氣體於雷射腔體的混合使用上不會有稀釋的情況發生，此外，四混合氣體的成分組成，如前些實施例所述，其亦可省略任何再循環中所必須進行的混合步驟。

如圖5中所示，氣瓶505內儲存之雙混合氣體其組成約略為1-5%的氬氣、94-98%的氖氣及1-100ppm的氙氣，或是較佳為3.5%的氬氣、95.5%的氖氣及10ppm的氙氣，並由四混合氣瓶510補充鹵素氣體。四混合氣瓶510則包含有適當比例的惰性氣體、緩衝氣體、鹵素氣體及增益氣體，其約略為1-5%的氬氣、75-99%的氖氣、0.05-20%的氟氣及1-100ppm的氙氣，或是較佳為3.5%的氬氣、95.5%的氖氣、1%的氟氣及10ppm的氙氣。於雷射腔體520運作開始前，一但雷射腔體520由原始來源氣瓶505及510的供應而充滿有富含鹵素的混合雷射氣體混合物，則將原始來源氣瓶505與510關閉，例如可分別透過閥門509、514將其關閉。上述關閉動作除了可由手動操作外，較佳地亦可透過控制處理器C的控制來自動完成 上述操作與控制。且控制處理器C係電性連接於本實施例之系統中的各閥門以及各個電子元件。

在雷射腔體520正常的運作下，鹵素氣體很有可能會被消耗，因此在一設定之時間內，正常來說在雷射最大使用的情況下為介於1至5分鐘內，較佳則介於2至3分鐘，或更佳地介於1分半鐘至2分鐘之間，當使用時，控制處理器C可在腔室間進行切換，且控制處理器C可先將一腔室的氣體部分排出及回補，然後在另一腔室進行相同的運作。將已排出的雷射氣體引導通過排氣開口部522，並經由壓力控制閥524的控制通過洗滌器530以移除或減少包含鹵素氣體在內雷射腔體520運作所需之反應性氣體。洗滌器530為由適當材料，例如不鏽鋼或鎳金屬所製成之一容置空間，且通常容納了活性氧化鋁或活性炭，以用來洗滌被排出的氣體。

雷射腔體520中運作過的腔室排出氣體後，壓力控制閥524將被關閉，並因此將本文之可再回收、再平衡及再循環的系統與雷射腔體520隔離，接著便使用原始來源氣瓶505及510的氣體供應，將運作過之腔室進行氣體回補。隨著所排出的雷射氣體通過洗滌器530後，原先存在於所排出的雷射氣體中的鹵素氣體將會降至低於1ppm的準位。已洗滌氣體現已不再存有反應性氣體，接著將由壓縮機540加壓已洗滌氣體，並經由閥門542的而流動至氣體淨化器550。氣體淨化器550根據已洗滌氣體中存在的汙染物不同，而可為單一氣體淨化器或者是串聯氣體淨化器551。已洗滌氣體接著將流過第二個氣體淨化器以吸收氣體中的水分(氣體淨化器的順序也可以不同)，再由另外的氣體淨化器將其中的超微末微粒移除。另外，一或多個的氣體淨化器於使用後可再生使用。

如前所述，氣體淨化器550同樣可藉由，但不限制於使用過渡金屬吸附、高表面積沸石、氧化鋁吸附及/或碳吸附、變溫吸附、變壓吸附來實現。在本實施例中，由於雷射氣體已被移除，故不需再如圖3的前一實施例一樣再分析已淨化氣體以決定其中增益氣體的濃度。並由於惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體皆並未損耗，控制處理器C將兩個閥門552及582皆開啟。而本質上只具有惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體的已淨化氣體將由閥門552通過，接著流動至用來儲存再平衡四混合氣體之氣瓶580。

再平衡四混合氣體將持續地累積於氣瓶580中直到抵定一預定氣壓，當抵定預定氣壓時，閥門583將開啟且壓縮機585將對再回收之雙混合氣體進行加壓，並儲存雙混合氣體於氣瓶590中，其中的氣體具有與氣瓶505所儲存的雙混合氣體相同的濃度。當氣瓶590中所儲存之再回收之雙混合氣體於壓力轉換器592抵定一預定氣壓時則可將氣體充入於雷射腔體520的腔室中，其中閥門509(與原始來源氣瓶505連接)將被關閉，使得雷射腔體520可分別充入氣瓶590中所供應之再回收雙混合氣體再結合氣瓶510中所供應之四混合氣體。最終，氣體淨化器551可再生使用以持續地移除雜質。

請參考圖6之本發明另一實施例，本實施例中已不再具有雙混合氣瓶，且四混合氣瓶610則原先即包含有正確濃度比例的惰性氣體、緩衝氣體、鹵素氣體及增益氣體，其約略為1-5%的氬氣、75-99%的氖氣、0.05-20%的氟氣及1-100ppm的氙氣，或是較佳濃度比例之3.5%的氬氣94.5%的氖氣、1%的氟氣及10ppm的氙氣。於雷射腔體620運作開始前，一但雷射腔體620由原始來源氣瓶610的供應而充滿有富含鹵素的混合雷射氣體混合物，則將原始來源氣瓶610關閉，例如可透過閥門614將其關閉。上述關閉動作除了可由手動操作外，較佳地亦可透過控制處理器C的控制來自動完成上述操作。且控制處理器C係電性連接於本實施例之系統中的各閥門以及各個電子元件。如前所述，隨著雷射腔體620中運作過的腔室排出氣體後，壓力控制閥624將被關閉，並因此將本文之可再回收、再平衡及再循環的系統與雷射腔體620隔離，接著便使用原始來源氣瓶610的氣體供應，將運作過之腔室進行氣體回補。隨著所排出的雷射氣體通過洗滌器630後，原先存在於所排出的雷射氣體中的鹵素氣體將會降至低於1ppm的準位。已洗滌氣體現已不再存有反應性的鹵素氣體，接著將由壓縮機640加壓已洗滌氣體，並經由閥門642的而流動至氣體淨化器650。氣體淨化器650根據已洗滌氣體中存在的汙染物不同，而可為單一氣體淨化器或者是串聯氣體淨化器651。已洗滌氣體接著將流過第二個氣體淨化器以吸收氣體中的水分(氣體淨化器的順序也可以不同)，再由另外的氣體淨化器將其中的超微末微粒移除。另外，一或多個的氣體淨化器於使用後可再生。

如前所述，氣體淨化器651同樣可藉由，但不限制於使用過渡金屬吸附、高表面積沸石、氧化鋁吸附及/或碳吸附、變溫吸附、變壓吸附來實現。在本實施例中，由於雷射氣體已被移除，故不需再如圖3的前一實施例一樣再分析已淨化氣體以決定其中增益氣體的濃度。並由於惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體皆並未損耗，控制處理器C將兩個閥門652及656皆開啟並將氣體引導至緩衝氣瓶665。緩衝氣瓶665中包含有正確量的惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體，僅需要1%的氟氣、95.5%的氖氣、3.5%的氬氣及10ppm的氙氣以產生0.1%的氟氣、96.4%的氖氣、3.5%的氬氣及10ppm的氙氣，這正是雷射中所需要的氣體比例且不需在雷射中進行混合，即如同本實施例係在回收系統中進行混合。此外，在這種情況下氣瓶610中的四混合氣體同樣具有0.1%的氟氣、96.4%的氖氣、3.5%的氬氣及10ppm的氙氣。

接著控制處理器C將閥門667、682打開，讓本質上為具有惰性氣體、緩衝氣體及增益氣體的已淨化氣體由閥門667通過，且具有0.5-20%之氟氣或較佳為1%氟氣的參雜氣體經由閥門682而由氣瓶675中流出，並由混合器B對兩氣體進行混合。混合器B調整兩股氣體的流動速率，以混合形成正確比例的再平衡四混合氣體，其反映了原始來源氣瓶610中四混合氣體之比例。接著此再平衡四混合氣體將流動至用來儲存該氣體之氣瓶680。

再平衡雙混合氣體將持續地累積於氣瓶680中直到抵定一預定氣壓，當抵定預定氣壓時，閥門683將開啟且壓縮機685將對此再回收之雙混合氣體進行加壓，並儲存此雙混合氣體於氣瓶690中，其中的氣體具有與氣瓶610所儲存的來源四混合氣體相同的濃度。當氣瓶690中所儲存之再回收之雙混合氣體於壓力轉換器692抵定一預定氣壓時則可將氣體充入於雷射腔體620的腔室中，其中閥門614(與氣瓶610連接)將被關閉，使得雷射腔體620可充入氣瓶690中所供應之再回收雙混合氣體。最終，氣體淨化器651可再生使用以持續地移除雜質。

請參考圖7之本發明另一實施例，本實施例之可再回收、再平衡及再循環增益雷射氣體系統700，使用如圖6前一實施例所述的四混合 氣體及三混合氣體。然而，本實施例之系統700並不會將氟氣混合或參雜回再回收的三混合氣體，而是將累積於氣瓶790中之三混合氣體與來自來源氣瓶710之四混合氣體一起引導至雷射腔體。

以下將說明在雷射腔體的正常操作期間中量測增益氣體濃度之一實施例。能源監測器及控制處理器可監測一或多個操作條件，例如輸出功率、輸出能量或雷射之增益氣體含量等，並可根據具體情況調整增益氣體(即增益氣體混合物)來自氣瓶內的輸入，如此可確保監測中的每一個操作條件皆保持在預先設定之範圍內或是高於預設之操作標準。熱電堆(Thermopile)感測器或光二極體感測器可用於量測雷射的光功率及/或能量。增益氣體的濃度可由特別針對特定增益氣體之常見測量儀器所量測。當雷射之操作狀態回歸於正常操作條件時，例如高於臨界準位或是在預期之設定範圍內，控制處理器即停止增益氣體的輸入。流量控制器可藉由監測充氣時雷射腔體中壓力的上升率而進行校正。校正的操作可由技術員手動操作校正，或是由準分子雷射系統週期性自動的透過校正程式來實施校正功能。許多的技術手段可以達到監測增益氣體的濃度，例如先前技術所使用之電壓靜電除塵設備的工作電流，其為增益氣體濃度的函數，其他用來檢測雷射氣體電阻抗性而設置的檢測器也具有能夠監測增益氣體的濃度的效果。雷射氣體的熱傳導係數同樣具有可監測增益氣體的濃度的效果。此外，增益氣體的濃度也可以藉由光學吸收測量技術(optical absorption techniques)、光學發射測量技術(optical emission techniques)以及光聲測量技術(photo acoustic techniques)等測量技術取得。而電化電池同樣亦可用於監測增益氣體的濃度，且電化電池如今已商用於測定微量的增益氣體濃度。

雖然本發明已於各實施例中詳細的說明，但本領域技術人員可對技術內容進行許多修改或改變。本領域具有通常知識者可了解到上述所提及之氟化氬準分子雷射的技術原理可同樣地適用於氟化氪準分子雷射。而準分子雷射設計領域之通常知識者，也同樣能夠了解到回饋控制系統可於實質上即時(real time)的基礎上，有目的地改變增益氣體的濃度。其中之目的不僅是產生具有時間差異之雷射光，也可以是維持雷射光參數 固定，在這種情況下可選擇增益氣體之變化以補償會對雷射光造成時間差異之某些效應。因此，所要求之申請專利範圍特意將上述技術內容的改良或改變都涵蓋完全，以期能夠完全保護本發明創作之技術思想。

藉由上述各實施例的詳細說明，本領域具有通常知識者應已可清楚了解並能利用本發明所揭露之全部技術內涵，故於此不再贅述。

本領域具有通常知識者將可清楚了解到，上述所揭露之各實施例的內容並未脫離本發明的技術思想，包含當中各式的改良、不同的設計結構及其均等物均同樣屬於本發明的技術思想範疇內，任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。此外，其他已為本領域所周知的過程步驟以及元件並未於實施例中詳述，以避免不必要地模糊化本發明的技術內容。同時以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。

並且應理解，除非上下文中有明確的另外指示，否則在所提供值的範圍時，在所述範圍的上限與下限之間的每個以下限單位的十分之一為基準的中間值和任何其它所陳述的或在所陳述範圍內的中間值也包含在本發明內。在任何明訂之數值或在明訂範圍中的中間值與其他任何明訂之數值或在該明訂範圍中其他任何中間值之間的較小數值範圍，均包含在本發明中。這些較小數值範圍的上限與下限可獨立地被包含於該範圍中或排除於該範圍外，且包含任一極限值之較小數值範圍、包含兩個極限值之較小數值範圍或皆不包含極限值之較小數值範圍的每一數值範圍亦包含於本發明中，並受到該明訂範圍中之任何特定排除之限制。當該明訂範圍包含一或兩個極限值時，排除所含極限值之任一或兩者之範圍亦包含在內。

如本文中及所附申請專利範圍所使用的，除非有明文排除，單數形式「一」、「一種」及「該」包含複數所指對象。因此，例如，提及「一方法」時包含複數個該種類之方法，而提及「該介電材料」時包含指稱一種或多種介電材料以及本發明所屬技術領域具有通常知識之人所知之其等效物等等。

此外，當「包含」及「包括」等語詞用於本說明書與後附之申請專利範圍中時，係意在用以明確說明所述的特徵、整數、元件或步驟 的存在，但其並不排除有一個或多個其它特徵、整數、元件、步驟、動作或群組的存在或附加。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100‧‧‧準分子雷射系統

9、12、14、42、52、54、56、62、67、82、83‧‧‧閥門

18、22‧‧‧開口部

20‧‧‧雷射腔體

24‧‧‧壓力控制閥

30‧‧‧洗滌器

40、85‧‧‧壓縮機

50‧‧‧氣體淨化器

5、10、60、65、75、80、90‧‧‧氣瓶

92‧‧‧壓力轉換器

A‧‧‧分析器

B‧‧‧混合器

C‧‧‧控制處理器

Claims (23)

1. 一種準分子雷射系統，包含：一雷射腔體，具有一或多個腔室，各該腔室含有一雷射氣體混合物且該雷射氣體混合物包含一惰性氣體、一緩衝氣體、一鹵素氣體及一增益氣體，該些氣體的濃度皆在工作濃度以用於使雷射運作，該雷射腔體還包括自該雷射腔體引入及排除該雷射氣體混合物之至少一開口部；一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始來源氣體，該原始來源氣體含有一惰性雷射氣體、一緩衝氣體與一增益氣體；一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始來源氣體，該原始來源氣體含有一惰性雷射氣體、一緩衝氣體與一鹵素氣體；一洗滌器，與排氣開口部耦接以自該雷射氣體混合物之中移除該鹵素氣體；至少一氣體淨化器，與該洗滌器及一混合器流體連通且淨化該不具有鹵素的雷射氣體而形成一已淨化雷射混合物；一氣瓶，含有一參雜氣體，該參雜氣體含有一惰性雷射氣體、一緩衝氣體及/或一惰性增益氣體；一分析器及至少之一用於保留前述已淨化雷射氣體之氣瓶，介於該氣體淨化器及該混合器之間，其中該分析器於混合該參雜氣體與該已淨化雷射混合物以形成一已混合氣體前測量該已淨化雷射混合物之中該增益氣體的濃度；以及一氣瓶，用於容納該已混合氣體並流體連通於該混合器及該雷射腔體的該進氣開口部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該增益氣體為氙。
3. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該些氣體淨化器的至少其中一個解離該已淨化氣體之穩定汙染物。
4. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該些氣體淨化器的至少其中一個吸收水分。
5. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該些氣體淨化器的至少其中一個移除超微末微粒。
6. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該些氣體淨化器的至少其中一個為可再生使用。
7. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該些氣體淨化器的至少其中一個移除該增益氣體。
8. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該分析器與含有已淨化雷射氣體的兩氣瓶連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之準分子雷射系統，其中該雷射氣體含有氬作為該惰性氣體、氟作為該鹵素氣體、氖作為該緩衝氣體以及氙作為該增益氣體。
10. 一種自準分子雷射中再回收緩衝氣體的方法，該再回收方法包括以下步驟：由一雷射腔體排除一已使用雷射氣體混合物，其中該雷射氣體混合物含有一惰性氣體、一緩衝氣體、一鹵素氣體及一增益氣體；由該已使用雷射氣體移除鹵素；淨化該不具鹵素的雷射氣體；測定該已淨化氣體中該增益氣體的濃度；以及混合一參雜混合物至該已淨化氣體，達到於該雷射腔體中先前使用之相同濃度比例之該惰性氣體、該緩衝氣體、該鹵素氣體及該增益氣體所構成的雷射氣體混合物。
11. 如申請專利範圍第10項所述之再回收方法，其中該增益氣體於該雷射氣體混合物之中的濃度為10ppm。
12. 一種準分子雷射系統，包含：一雷射腔體，具有一或多個腔室，各該腔室含有一雷射氣體混合物且該雷射氣體混合物含有一惰性氣體、一緩衝氣體、一鹵素氣體及一增益氣體，該些氣體的濃度皆在工作濃度以用於使雷射運作，該雷射腔體還包括自該雷射腔體引入及排除該雷射氣體混合物之至少一開口部；一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始來源氣體，該原始來源氣體含有一惰性雷射氣體、一惰性緩衝氣體及/或一增益氣體； 一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始來源氣體，該原始來源氣體含有一惰性雷射氣體、一惰性緩衝氣體及/或一鹵素氣體；一洗滌器，與氣體開口部耦接以自該雷射氣體混合物之中移除該鹵素氣體；至少一氣體淨化器，與該洗滌器及一混合器流體連通且淨化該不具有鹵素的雷射氣體；一氣瓶，含有一參雜氣體，該參雜氣體含有一惰性雷射氣體、一惰性緩衝氣體及/或一增益氣體，其中該參雜氣體與該已淨化氣體混合而形成一已混合氣體；以及一氣瓶，用於容納該已混合氣體並流體連通於該混合器及該雷射腔體的該開口部。
13. 如申請專利範圍第12項所述之準分子雷射系統，其中該至少一氣體淨化器移除該惰性氣體及該增益氣體。
14. 如申請專利範圍第12項所述之準分子雷射系統，其中該至少一氣體淨化器移除該增益氣體。
15. 一種量測準分子雷射操作中雷射腔體內增益雷射氣體濃度的方法，該量測方法包括以下步驟：於一正常操作狀態下操作該準分子雷射；量測該準分子雷射的雷射強度；以及添加該增益雷射氣體於該雷射腔體。
16. 如申請專利範圍第15項所述之量測方法，其中該量測該準分子雷射的雷射強度的步驟，係透過監測一或多個操作狀態而達成，包括輸出功率、輸出能量、輸出波長或頻率。
17. 一種準分子雷射系統，包含：一雷射腔體，具有一或多個腔室，各該腔室含有一雷射氣體混合物且該雷射氣體混合物含有一惰性氣體、一緩衝氣體、一鹵素氣體及一增益氣體，該些氣體的濃度皆在工作濃度以用於使雷射運作，該雷射腔體還包括自該雷射腔體引入及排除該雷射氣體混合物之至少一開口部； 一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始雙混合來源氣體，該原始雙混合來源氣體含有一惰性雷射氣體、一緩衝氣體及一增益氣體；一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始四混合來源氣體，該原始四混合來源氣體含有一惰性雷射氣體、一緩衝氣體一鹵素氣體及一增益氣體；一洗滌器，與排氣開口部耦接以自該雷射氣體混合物之中移除該鹵素氣體；至少一氣體淨化器，與該洗滌器流體連通且淨化該不具有鹵素的雷射氣體後，形成一雙混合回收氣體；以及一氣瓶，用於容納該雙混合回收氣體並流體連通於該混合器及該雷射腔體的該進氣開口部。
18. 如申請專利範圍第17項所述之準分子雷射系統，其中該原始四混合來源氣體含有1-5%的氬氣、75-99%的氖氣、0.05-20%的氟氣及1-100ppm的氙氣。
19. 如申請專利範圍第18項所述之準分子雷射系統，其中該原始四混合來源氣體含有3.5%的氬氣、94.5%的氖氣、1%的氟氣及10ppm的氙氣。
20. 如申請專利範圍第18項所述之準分子雷射系統，其中該原始四混合來源氣體含有濃度比例3.5%的氬氣、95.4%的氖氣、0.1%的氟氣及10ppm的氙氣。
21. 一種準分子雷射系統，包含：一雷射腔體，具有一或多個腔室，各該腔室含有一雷射氣體混合物且該雷射氣體混合物含有一惰性氣體、一緩衝氣體、一鹵素氣體及一增益氣體，該些氣體的濃度皆在工作濃度以用於使雷射運作，該雷射腔體還包括自該雷射腔體引入及排除該雷射氣體混合物之至少一開口部；一氣瓶，與該開口部耦接並含有一原始來源氣體，該原始來源氣體含有一惰性雷射氣體、一惰性緩衝氣體、一鹵素氣體及一增益氣體；一洗滌器，與氣體開口部耦接以自該雷射氣體混合物之中移除該鹵素氣體； 至少一氣體淨化器，與該洗滌器及一混合器流體連通且淨化該不具有鹵素的雷射氣體；一氣瓶，含有一鹵素參雜氣體，其中該鹵素參雜氣體與該已淨化氣體混合；以及一氣瓶，用於容納該已混合氣體並流體連通於該混合器及該雷射腔體的該開口部。
22. 如申請專利範圍第21項所述之準分子雷射系統，其中該至少一氣體淨化器移除該鹵素氣體及其他雜質。
23. 一種用於準分子雷射的四混合氣體之成分組成，儲存於單一氣瓶內，含有1-5%的氬氣、75-99%的氖氣、0.05-20%的氟氣及1-100ppm的氙氣。