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DE20110048U1 - Gasentladungslaser mit Mitteln zur Entfernung von Gasverunreinigungen - Google Patents

Gasentladungslaser mit Mitteln zur Entfernung von Gasverunreinigungen

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DE20110048U1 DE20110048U DE20110048U DE20110048U1 DE 20110048 U1 DE20110048 U1 DE 20110048U1 DE 20110048 U DE20110048 U DE 20110048U DE 20110048 U DE20110048 U DE 20110048U DE 20110048 U1 DE20110048 U1 DE 20110048U1
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Description

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GASENTLADUNGSLASER MIT MITTELN ZUR ENTFERNUNG VON GASVERUNREINIGUNGEN
Die Erfindung betrifft Gasentladungslaser, insbesondere Excimerlaser oder Molekularfluorlaser, die Laserstrahlung im UV-Bereich bzw. im VUV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren.
Solche Laser enthalten geeignete Gasgemische im Gasentladungsraum. Das Problem der Verunreinigung des Gasgemisches ist seit langem bekannt. Verunreinigungen im Lasergas haben negative Auswirkungen auf die Gaslebensdauer, die Laserpulsenergie, die Stabilität und andere Eigenschaften des Lasers. Die Verunreinigungen können sowohl den Laserprozess selbst beeinflussen als auch insbesondere durch Ablagerungen auf Komponenten des Lasers negative Auswirkungen haben, z. B. in Form von Ablagerungen auf optischen Flächen oder auch auf den Fenstern der Gasentladungskammer.
Es ist im Stand der Technik z. B. bekannt, durch sog. Kältefallen Verunreinigungen aus dem Lasergas zu entfernen.
Die DE 198 26 701 Al beschäftigt sich mit dem Problem von Wasser (H2O) im Lasergas, das ebenfalls als schädliche Verunreinigung bekannt ist. Die Gasgemische in Excimerlasern werden üblicherweise durch kommerziell erhältliche Gase und Gasmischungen zusammengestellt. Dabei haben kommerziell erhältliche Gase in der Regel Verunreinigungen mit H2O in der Größenordnung von 1-2 ppm. Dies bedeutet, dass bei jedem Gaswechsel erneut H2O in den Gasentladungsraum eingebracht wird. Bereits in dieser Konzentration hat Wasser einen negativen Einfluss auf die Eigenschaften des Lasers, insbesondere die Betriebsdauer. Wasser kann auch von außen in den Gasentladungsraum eindringen oder auch von den Oberflächen der Wände der Kammer bzw. von optischen Komponenten desorbieren. Die vorstehenden Ausführungen zu H2O gelten analog auch für andere Substanzen, wie
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&zgr;. B. N2 und O2, die ebenfalls als schädliche Verunreinigungen in Betracht kommen.
Die DE 198 26 701 schlägt vor, zur Entfernung von H2O aus dem Lasergas ein hygroskopisch wirkendes Mittel einzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes wirksames Mittel zur Entfernung von Verunreinigungen aus Lasergas bereitzustellen, das nicht nur H2O entfernt, sondern auch weitere Verunreinigungen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntis, dass ein Heizelement bei Erhitzung über 6 00C eine Wirkung im Sinne der vorstehend genannten Aufgabe hat und Verunreinigungen wie H2O, N2 und O2 entfernt. Insbesondere haben sich Heizelemente als wirksam erwiesen, die aus einem Metall bestehen oder eine zumindest teilweise metallische Oberfläche aufweisen. Als besonders geeignet haben sich Metalle wie Zr, Hf, Ti und W bzw. Legierungen erwiesen, die zumindest eines dieser Metalle enthalten.
Die theoretische Erklärung der Wirkung derartiger Heizelemente geht davon aus, dass bei den genannten Temperaturen auf der Metalloberfläche Reaktionen mit H2O und auch mit N2 und O2 eingeleitet werden, die zu einer Reduzierung der genannten Verunreinigungen aus dem Lasergas führen. Das Heizelement kann sowohl während des Laserbetriebs als auch speziell bei einem Gaswechsel betrieben werden. Es kann auch in regelmäßigen Abständen (intermittierend) in Betrieb gesetzt werden, d. h. auf gewünschte Solltemperaturen aufgeheizt werden.
Das erfindungsgemäße Heizelement ist nicht zu verwechseln mit einer Einrichtung zum Regeln der Temperatur von Lasergas in einem Excimerlaser, wie sie z. B. aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 94 01 808 und ähnlich auch aus der EP 0 783 193 Bl bekannt ist. Beim letztgenannten Stand der Technik wird das Lasergas auf Temperaturen im Bereich von 35°C bis 400C erwärmt, um die Laserleistung zu verbessern und zu stabilisieren. Darum geht es bei der vorliegenden Erfindung nicht. Viel-
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mehr bewirkt das erfindungsgemäße Heizelement nur eine lokale, d. h. örtlich begrenzte Erhitzung des Lasergases auf Temperaturen, die hinreichend sind, um den Effekt der Reinigung des Lasergases zu erreichen. Die hierfür eingesetzten Temperaturen des Heizelementes sind deutlich höher als diejenigen Temperaturen, auf die beim genannten Stand der Technik das Lasergas erwärmt wird, um den Effekt der Leistungssteigerung und -Stabilisierung zu erreichen. Der erfindungsgemäße Effekt der Entfernung von Gasverunreinigungen aus dem Lasergas wird mit zunehmender Temperatur des Heizelementes über 600C hinaus noch erhöht. Bevorzugt werden Temperaturen oberhalb von 700C, besonders bevorzugt oberhalb von 800C und weiter bevorzugt oberhalb von 1000C eingesetzt. Temperaturen bis zu 20000C und höher haben gute Ergebnisse gezeigt.
Es konnte eine Verlängerung der Gaslebensdauer und auch eine Verbesserung der Gasqualität gezeigt werden, wobei sich letztere insbesondere daran zeigte, dass nach Benutzung des erfindungsgemäßen Heizelementes die Hochspannung für die Gasentladung des Lasers niedriger eingestellt werden konnte als ohne Aufheizung des Heizelementes.
Es kann ein einziges Heizelement oder es können mehrere Heizelemente an unterschiedlichen Stellen der Gasentladungskammer des Lasers eingesetzt werden. Dabei sind die Gesamtabmessungen der Heizelemente und deren zeitliche Steuerung so bemessen, dass zwar aufgrund einer lokalen Aufheizung Verunreinigungen entfernt werden, es jedoch nicht zu einer Aufheizung des Lasergases insgesamt auf Temperaturen kommt, die für die Laserleistung abträglich sind. Diese letztgenannten Temperaturen ergeben sich aus dem oben erläuterten Stand der Technik (also z.B. Temperaturen um 400C bei einem Excimerlaser gemäß DE-GM G 94 01 808) .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement (bzw. sind mehrere Heizelemente-) in einem gesonderten Gasraum angeordnet, der über Leitungen mit der eigentlichen Gasentladungskammer des Lasers verbindbar ist. Bei die-
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ser Variante der Erfindung kann also eine gesonderte modulare Baugruppe bereitgestellt werden, die in einfacher Weise über die genannten Leitungen an die Gasentladungskammer anschließbar ist, um in der beschriebenen Weise Gasverunreinigungen zu entfernen. Bevorzugt können dabei in den genannten Leitungen Ventile angeordnet werden, um den Gasaustausch zwischen der Gasentladungskammer des Lasers und dem Gasraum mit dem Heizelement zu steuern. Auch eine Pumpe kann eingesetzt werden, gegebenenfalls mit Filtern, in denen Verunreinigungen bzw. unerwünschte Reaktionsprodukte mit dem Heizelement entfernt werden. Damit die Pumpe selbst keine unerwünschten Verunreinigungen in das Lasergas abgibt, wird bevorzugt eine trocken laufende Pumpe oder eine Membranpumpe eingesetzt. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass unerwünschte Kohlenwasserstoffe in das Lasergas gelangen.
Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus dem Lasergas eines Gasentladungslasers, insbesondere eines Excimerlasers oder eines Molekularfluorlasers, bei dem ein Teil des Lasergases auf Temperaturen von mehr als 60° aufgeheizt wird.
Bei diesem Verfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Teil des Lasergase.s auf Temperaturen von mehr als 1000C aufgeheizt wird.
Weiter bevorzugt ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass an einem Heizelement (12) vorbeiströmendes Lasergas lokal aufgeheizt wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 schematisch einen Excimerlaser mit einem Heizelement im Inneren der Gasentladungskammer; und
Figur 2 einen Excimerlaser mit einer gesonderten Baugruppe, die ein Heizelement enthält.
Figur 1 zeigt schematisch eine Gasentladungskammer 10 („Laserröhre") eines Excimerlasers. Einzelheiten sind dem Fachmann bekannt. Ein Heizelement 12 "aus einem der oben genannten Metalle (Zr, Hf, Ti, W bzw. einer Legierung, die zumindest ein derartiges Metall enthält) ist im Inneren der Gasentladungskammer 10 des Lasers angeordnet. Es können auch mehrere Heizelemente an geeigneten Stellen des Lasers angeordnet werden, also an Stellen, an denen sie den eigentlichen Laserbetrieb, wie die Gasentladung oder eventuelle optische Komponenten und Funktionen nicht stören. Ansonsten gibt es keine Einschränkungen für die Anordnung des Heizelementes bzw. der mehreren Heizelemente. Das Heizelement kann z. B. wendelförmig, wie ein Glühfaden, gestaltet sein. Es soll, im Verhältnis zu seiner Masse, eine möglichst große Oberfläche haben, um mit geringer Heizleistung einen großen Effekt zu erzielen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wurde ein wendeiförmiger Glühfaden als Heizelement aus einem der oben genannten Metalle mit einem Durchmesser von etwa 2 bis 3 mm auf Temperaturen von 6O0C bis 20000C erwärmt und es wurden die oben angesprochenen vorteilhaften Effekte erzielt. Die Aufheizung des Heizelementes 12 erfolgt mit einer Steuerung 14, die das Heizelement mit Strom versorgt und den Stromfluß regelt. Z.B. kann mittels der Steuerung 14 die momentane Temperatur des Heizelementes 12 ermittelt werden (z. B. aufgrund einer Messung des momentanen Widerstandes) und der Stromfluß wird entsprechend geregelt, um eine vorgegebene Soll-Temperatur des Heizelementes 12 einzustellen. Es versteht sich, dass hierfür entsprechende elektrische Durchführungen durch die Wandung der Gasentladungskammer 10 von der Steuerung 14 zum Heizelement 12 erforderlich sind.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Heizelement 12 nicht direkt in der Gasentladungskammer 10 des Lasers angeordnet ist, sondern in einem gesonderten Gasraum 22, der über Leitungen 16, 24 mit der Gasentladungskammer wahlweise verbindbar ist. Hierzu dienen Ventile 18, 30 in den Leitungen 16 bzw. 24. Die Gasströmung in den Leitungen ist durch Pfeile markiert. Das Ventil 18 wird über eine Steuerung 20 be-
tätigt, die z.B. über den Steuercomputer des Lasers gesteuert werden kann. Eine Pumpe 2 6 in der Rückführleitung 24 wird
durch eine Steuerung 28 betätigt und entsprechend wird das
Ventil 30 durch eine Steuerung 32 betätigt.
Das Heizelement 12 im Gasraum 22 wird entsprechend dem Heizelement
12 gemäß Figur 1 über die Steuerung 14 erhitzt. Die
Erhitzung kann z.B. bei einem Gaswechsel und/oder permanent
oder auch intermittierend während des Laserbetriebes in vorgegebenen zeitlichen Abständen erfolgen, jeweils mit entsprechender
Ventil- und Pumpensteuerung. Hierzu wird über die
Steuerung 20 das Ventil 18 geöffnet und ebenfalls das Ventil 30 in der Rückführleitung 24. Die Pumpe 26 wird in Betrieb gesetzt, so das Gas aus der Gasentladungskammer 10 über die Leitung 16 in den Gasraum 22 eintritt und dabei mit der Oberfläche des Heizelementes 12 in Kontakt kommt. Das Heizelement 12 (in Figur 2 nur schematisch dargestellt) wird dabei so im Gasraum 22 positioniert, dass Verunreinigungen mit möglichst großem Umsatz mit der Oberfläche des Heizelementes in Kontakt
kommen.

Claims (11)

1. Gasentladungslaser, insbesondere Excimerlaser oder Molekularfluorlaser, mit zumindest einem Heizelement (12), das auf Temperaturen von mehr als 60°C aufheizbar ist und mit dem das Lasergas in Kontakt bringbar ist, um Verunreinigungen aus dem Lasergas zu entfernen.
2. Gasentladungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) aus einem Metall besteht oder eine Oberfläche aus einem Metall aufweist.
3. Gasentladungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Zr, Hf, Ti, oder W, oder eine zumindest eines dieser Metalle enthaltende Legierung ist.
4. Gasentladungslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) in einem Gasraum (22) angeordnet ist, der über Leitungen (16, 24) mit der Gasentladungskammer (10) des Lasers verbindbar ist.
5. Gasentladungslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Leitungen (16, 24) zumindest ein Ventil (18, 30) angeordnet ist, um Gasaustausch zwischen der Gasentladungskammer (10) und dem Gasraum (22) zu steuern.
6. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Pumpe (26) zur Förderung von Gas in einer der Leitungen (16, 24).
7. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Filter in den Leitungen (16, 24) oder einer Pumpe (26).
8. Gasentladungslaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (26) trocken laufend oder eine Membranpumpe ist.
9. Baugruppe zur Entfernung von Gasverunreinigungen aus dem Lasergas eines Gasentladungslasers, insbesondere eines Excimerlasers oder eines Molekularfluorlasers, mit zumindest einem Heizelement (12), das auf Temperaturen von mehr als 60°C aufheizbar ist und mit dem das Lasergas in Kontakt bringbar ist, um Verunreinigungen aus dem Lasergas zu entfernen.
10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie über Leitungen (16, 24) an die Gasentladungskammer (10) des Lasers modulartig anschließbar und von ihr entfernbar ist.
11. Baugruppe nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement aus einem Metall, insbesondere Zr, Hf, Ti, W, oder einer ein solches Metall enthaltenden Legierung besteht oder zumindest eine Oberfläche aus Metall, insbesondere einem der vorstehend genannten Metalle, hat.
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