DE4206803C2 - Verfahren zum Nachfüllen von Halogengas in das Gasreservoir eines Excimer-Lasers - Google Patents

Verfahren zum Nachfüllen von Halogengas in das Gasreservoir eines Excimer-Lasers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachfüllen von Halo­ gengas in das Gasreservoir eines Excimer-Lasers.
Bei Excimer-Lasern wird bekanntlich ein laseraktives Medium dadurch erzeugt, daß im Plasma einer Gasentladung unter Beteiligung von Edelgasatomen und z. B. Halogenen oder Halogen­ wasserstoffen (sowie weiterer Reaktionsteilnehmer) hoch ange­ regte Excimer-Moleküle gebildet werden.
Die Lebensdauer von Excimer-Laser-Gasen ist hauptsächlich durch zwei Prozesse begrenzt. Zum einen finden auch in gut passivierten Systemen chemische Dunkelreaktionen zwischen Halogen und Behälter statt, die zum Verbrauch des Halogens und zur Erhöhung des Verunreinigungspegels führen. Zum ande­ ren führt der leichte Elektrodenabbrand, der während einer Hochspannungsentladung auftritt, ebenfalls zu chemischen Re­ aktionen. Das zeitliche Abfallen der Laserleistung wird - meist durch benutzerfreundliche und leistungsfähige Computer­ kontrollsysteme - kompensiert, indem die Ladespannung des Lasers erhöht und/oder das Lasergas aufgefrischt bzw. ganz oder teilweise ausgetauscht wird.
Die EP 430 411 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Nachfüllen von unter anderem Halogengas in das Gasreservoir eines Excimer- Lasers mit einem Auffangbehältnis, in welches zeitweise Halo­ gengas oder auch ein anderes Gas zwischengespeichert werden kann.
Die Druckschrift DE 91 06 909 U1 beschreibt einen Excimer-La­ ser, dessen Gasreservoir an einen Gaskreislauf für das Lasergas angeschlossen ist, wobei in dem Gaskreislauf ein Verdichter zum Umwälzen des Lasergases vorgesehen ist. In einer Parallellei­ tung zum Verdichter sind Mittel zum Reinigen des Lasergases vorgesehen.
Die Druckschrift EP 263 994 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gasgemisches für Eximerlaser mit sehr unterschiedlichen Partialdrücken seiner Gemischanteile.
Der Betriebsdruck eines Excimer-Lasers liegt bei typisch 2,8 bis 3,8 Bar absolut. Während die Halogenversorgung mit Hilfe von Druckzylindern (üblicherweise mit Helium verdünnte F2- und HCl-Gase) es ermöglicht, mit hohen Drucken bei der Befül­ lung oder Nachfüllung des Laser-Gasreservoirs zu arbeiten, liefert eine neuerdings vorgeschlagene Gasversorgung durch Herstellen des erwünschten Halogens in situ Gas bei etwa Zimmertemperatur unter Drücken von einigen mbar bis zu einigen 100 mbar in handhabbaren-Volumina von ca. 100 bis 500 cm3.
Für die vom Absolutdruck von etwa 20 mbar ausgehende Befül­ lung eines Laserreservoirs (typischerweise etwa 30 bis 60 Liter Inhalt) sind diese Drucke ausreichend, wenn zunächst der Halogenanteil (z. B. F2 oder HCl) und anschließend der Edelgas- und Puffergasanteil bis zum Betriebsenddruck einge­ füllt wird. Ist dieser erreicht, so wird der Laser gewöhnlich gestartet und läuft über einige Millionen Pulse mit oder ohne Gasreinigung, bis die Halogenkonzentration so weit abgenommen hat, daß die Ausregelung des Laserausgangsleistungsniveaus nur noch über eine Halogeninjektion möglich ist. Es muß also Halogen (z. B. F2 oder HCl) ins Gasreservoir des Lasers nach­ gefüllt werden, um die Leistung weiter halten zu können.
Diese Halogeninjektion, die je nach Betriebsgas z. B. entweder nur F2 oder nur HCl sein kann, ist meist ein Bruchteil (ca. 1/10) bis 1/4) des für den totalen Gasaustausch notwendigen Halogenpartialdrucks von typisch 5 mbar im Gasreservoir des Lasers.
Eine solche Menge kann aber bei laufendem Laser nicht ohne starke Kompression des Halogens nachgefüllt werden, wenn das Gas z. B. aus einer Erzeugeranlage stammt, die das Halogen in situ bereitstellt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe dem Laserreservoir eine ausrei­ chende Menge an Halogen zugeführt werden kann, wenn das Lasergas aufgefrischt bzw. ganz oder teilweise ausgetauscht werden soll, und zwar auch dann, wenn das Halogengas nur in relativ kleinen Volumina (z. B. ca. 50 bis ca. 1000 ml) und/oder bei relativ niedrigen Drucken (z. B. etwa 1 mbar bis 1000 mbar) zur Verfügung steht.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Nachfül­ len von Halogengas in das Gasreservoir eines Excimer-Lasers bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) Halogengas wird mit einem Druck, der kleiner als der Betriebsdruck im Gasreservoir des Excimer-Lasers ist, aus einer Halogengas-Quelle in ein evakuiertes Auffangbehältnis eingebracht,
  • b) eine Leitung zwischen dem Auffangbehältnis und der Halo­ gengas-Quelle wird durch Schließen eines Ventils gesperrt, (c) das Auffangbehältnis wird durch Öffnen eines oder mehre­ rer Ventile mit dem Gasreservoir des Excimer-Lasers verbun­ den,
  • d) die Gasleitung(en) zwischen dem Auffangbehältnis und dem Gasreservoir wird/werden durch Schließen des oder der Ventile abgesperrt,
  • e) das Auffangvolumen wird evakuiert.
In den Ansprüchen 2-6 sind besondere Ausgestaltungen dieses Verfahrens beschrieben.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachfül­ len von Halogengas in das Reservoir eines Excimer-Lasers mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt.
Unter "Halogengas-Quelle" sind sowohl Druckbehälter mit reinen oder verdünnten Halogengasen als auch Vorrichtungen zu verstehen, in denen bei Bedarf oder ständig in situ, z. B. durch Überleiten eines hydrolysierbaren, Halogenatome enthal­ tenden Materials über ein wasserhaltiges Material oder durch Erhitzen eines Metallhalogenids (siehe z. B. DE 41 36 272) Halogengase erzeugt werden. Unter "Halogengasen" sind alle für Excimer- Laser geeigneten, Halogene enthaltenden Gase oder Gasmischun­ gen zu verstehen, z. B. F2 oder HCl.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachfüllen von Halogengas sollen im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die hier interessierenden Teile eines Excimer- Lasers, der mit einem Auffangbehältnis 11 versehen ist, das über eine mit einem Ventil V1 absperrbare Gasleitung mit einer nicht dargestellten Halogengas-Quelle 13 in Verbindung steht. Das Auffangbehältnis 11 ist vorzugsweise mit einem Anschluß für eine Druckmessung versehen. Es kann eine Heizung 12 vorgesehen sein. Über ein Ventil V2 steht das Auffangbe­ hältnis mit dem Gasreservoir 10 des Excimer-Lasers in Verbin­ dung.
Bevor das Auffangbehältnis befüllt wird, wird es evakuiert.
Dies geschieht durch eine an die Halogengas-Quelle 13 ange­ schlossene Vakuumvorrichtung (in der Fig. nicht dargestellt). Ist eine Halogeninjektion erforderlich, so wird zunächst bei geschlossenem Ventil V2 der einer gewünschten Halogeninjek­ tionsmenge ins Reservoir entsprechende Druck p im Auffangbe­ hältnis 11 mittels des Ventils V1 eingestellt. Dieser ist wesentlich kleiner als der Betriebsdruck im Gasreservoir des laufenden Excimer-Lasers. Nach Schließen des Ventils V1 wird das Ventil V2 geöffnet. Gasgemisch aus dem Reservoir 10 dringt in das Auffangbehältnis 11 ein und vermischt sich mit dem dort befindlichen Halogen unter Druckausgleich. Durch Verwirbelung während der Ausgleichsphase gelangt ein Teil des Halogens aus dem Auffangbehältnis 11 durch die Verbin­ dungsleitung ins Reservoir 10.
Weiteres Halogen gelangt bei weiterhin geöffnetem Ventil V2 durch Diffusion aufgrund des Halogenkonzentrationsgradienten in das Reservoir 10. Dieser Prozeß hat einen Zeitbedarf von, je nach Temperaturdifferenz, einigen Sekunden bis zu mehreren Stunden. Es kann deshalb vorteilhaft sein, zur Beschleunigung dieses Vorgangs das Auffangbehältnis 11 zu beheizen (z. B. mit der Heizung 12). Nach Schließen des Ventils V2 kann das Auffangbehältnis 11 wieder evakuiert und neu befüllt werden.
Die folgenden Figuren zeigen Ausführungsformen der Vorrich­ tung, mit deren Hilfe sich die Überführung des Halogengases in das Laserreservoir im Vergleich zum voranstehend beschrie­ benen Verfahren beschleunigen und vervollständigen läßt. In den Figuren haben einander entsprechende Bauteile gleiche Bezugszeichen.
Fig. 1a zeigt einen Excimer-Laser, wie er in Fig. 1 darge­ stellt ist, wobei das Auffangbehältnis 11 zusätzlich über eine mit einem Ventil V4 absperrbare Leitung mit einer Puf­ fergasflasche (Druckzylinder) oder Edelgasflasche 14 verbun­ den ist.
Der Hinterdruck des Druckzylinders 14 wird dabei auf einen deutlich höheren Druck eingestellt als im Laserreservoir 10 herrscht, um einen Gasfluß durch das Auffangbehältnis 11 in Richtung des Reservoirs 10 zu gewährleisten.
Die Ventile V2 und V4 sind zunächst geschlossen. Wenn über V1 der notwendige Halogengasdruck p im Auffangbehältnis 11 ein­ gestellt ist, wird V1 geschlossen, und V2 und V4 werden geöffnet. Das vom Druckzylinder 14 her in das Auffangbehält­ nis 11 einströmende Gas nimmt das Halogen mit ins Reservoir 10. Die Strömung dauert so lange an, bis der Druckanstieg im Reservoir (wird vom Laser aus kontrolliert) einen je nach Gasmischung bestimmten Wert erreicht hat. (z. B. 1% des herr­ schenden Momentandrucks). Jetzt wird V4 geschlossen, ebenso V2. Über V1 wird dann das Puffer- oder Edelgas aus dem Auf­ fangbehältnis 11 abgepumpt. Danach steht es für neue Halogen­ injektionen bereit.
Die Ausgestaltung der Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 darge­ stellt ist, bedient sich einer im Lasergehäuse oder in der Halogengas-Quelle oder in den Zuleitungen eingebauten Gas­ umwälzvorrichtung 15. Diese kann z. B. ein Gasumwälzkompressor oder ein Gebläse sein. Die Umwälzvorrichtung 15 wie auch das Auffangbehältnis 11 sind über einen mit den Ventilen V2 und V3 absperrbaren Gaskreislauf mit dem Reservoir 10 verbunden.
Wahlweise schützt ein Partikelfilter 16 den Kompressor bzw. das Gebläse sowie das Auffangbehältnis 11 vor Staubpartikeln aus dem Gasreservoir 10.
Zur Halogeninjektion wird zunächst bei geschlossenen Ventilen V2 und V3 mit dem Ventil V1 das zuvor evakuierte Auffangbe­ hältnis 11 mit der gewünschten Menge Halogen gefüllt. Danach wird V1 geschlossen. Die Umwälzvorrichtung 15 wird in Betrieb gesetzt, und V2 und V3 werden geöffnet. Mittels der Umwälzvorrichtung 15 wird eine Druckdifferenz erzeugt, die für eine Strömung vom Auffangbehältnis 11 ins Reservoir 10 sorgt und somit das Halogen schnell dorthin befördert. In der Regel können somit bereits nach einigen Sekunden die Ventile V2 und V3 wieder geschlossen und die Umwälzvorrichtung 15 abgeschaltet werden.
Auch hier kann nach Schließen von V2 und V3 das Auffangbe­ hältnis 11, in dem jetzt Reservoirdruck herrscht, durch eine bevorzugt an die Halogengas-Quelle angeschlossene Vakuumvor­ richtung (nicht gezeigt) wieder evakuiert werden. Dann steht es für eine neue Halogeninjektion bereit.
Fig. 3 zeigt einen Excimer-Laser, der mit zumindest einer Gas-Reinigungsvorrichtung 17 arbeitet.
Während des normalen Betriebs des Lasers wird das Gas des Reservoirs 10 mit Hilfe einer Gasumwälzvorrichtung 15 über einen Gaskreislauf über ein Ventil V5 durch die Reinigungs­ vorrichtung 17 geführt. Hierbei kann es sich z. B. um eine Kühlfalle für eine kryogenische Reinigung handeln. Alternativ kann beispielsweise eine adsorptive chemische Reinigung mittels einer Adsorptionssäule oder dgl. erfolgen, wobei aber auch Halogengas dem Kreislauf entzogen wird, das dann über die Halogeninjektion nachgeliefert werden muß. Eine weitere mögliche Reinigungsvorrichtung ist ein z. B. mechanisch oder elektrostatisch arbeitender Partikel- oder Staubfilter. Es können auch mehrere verschiedene Reinigungsvorrichtungen hintereinander in den Gaskreislauf eingebaut sein. Nach Passieren der Reinigungsvorrichtung 17 wird das Gas im Normalbetrieb, d. h. ohne Nachfüllen von Halogen, bei ge­ schlossenen Ventilen V2 und V3 über eine mit dem Ventil V5 versperrbare Leitung zum Gasreservoir 10 zurückgeführt.
Für eine Halogeninjektion wird zuerst V1 bei geschlossenen Ventilen V2 und V3 geöffnet, bis im zuvor evakuierten Auffangbehältnis 11 der für die Halogengasinjektion geeignete Druck P erreicht ist. Nach dem Schließen von V1 werden V2 und V3 geöffnet und V5 geschlossen. Gereinigtes Lasergas aus der Reinigungsvorrichtung 17 nimmt nun Halogen mit ins Reservoir 10. Nach Beendigung der Injektion werden V2 und V3 wieder geschlossen und V5 geöffnet. Über V1 wird das Auffangbehältnis 11 wieder evakuiert.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung zeigt
Fig. 4. Hier befindet sich innerhalb des Reservoirs 10 eine Gasumwälzvorrichtung 18, die bei laufendem Laser in Betrieb ist (mit Hilfe des Antriebs 19) und für eine Gasströmung zwischen den Elektroden sorgt. Diese Vorrichtung, die in Form eines Gebläses vorgesehen sein kann, erzeugt außerdem einen statischen Druckunterschied. Die Gasumwälzvorrichtung 18 wird mittels einer Rohrleitung R angezapft, z. B. wie dargestellt im Punkt A in der Seitenwange. Die Anzapfstelle A liegt an einem Ort erhöhten statischen Druckes im Reservoir 10. Die Rohrleitung R bildet einen Kreislauf derart, daß sie die Gasumwälzvorrichtung 18 mit einem innerhalb oder außerhalb des Gasreservoirs liegenden, elektrostatischen oder mechanischen Partikel- oder Staubfilter 16 (in Fig. 4 innerhalb des Reservoirs liegend abgebildet) sowie dem stromabwärts dazu gelegenen Auffangbehältnis 11 verbindet. Sie mündet über das Ventil V3 wieder im Gasreservoir 10. Absperrbar ist sie durch zwei vor bzw. hinter dem Auffangbehältnis 11 gelegene Ventile V2 und V3.
Während des normalen Laserbetriebs werden der Partikelfilter 16 und das Auffangbehältnis 11 bei geöffneten Ventilen V2 und V3 durchströmt.
Ist eine Halogeninjektion notwendig, werden V2 und V3 ge­ schlossen. Das Auffangbehältnis 11 wird über V1 evakuiert (mittels einer Vakuumvorrichtung, die an die Halogengas- Quelle angeschlossen sein kann; nicht gezeigt) und sodann mit Halogengas aus der Quelle 13 auf den erforderlichen Druck gebracht. Nach Schließen von V1 werden V2 und V3 wieder geöffnet, wobei das Halogengas aus dem Auffangbehältnis 11 in das Reservoir 10 überführt wird.
Fig. 5 zeigt eine Gasumwälzvorrichtung 18 im Laser-Reservoir 10. Diese ist über eine eigene Staubfilterleitung mit einem z. B. elektrostatisch oder mechanisch arbeitenden Staub- oder Partikelfilter verbunden, beispielsweise über den Punkt A, was in der Fig. 5 nicht gezeigt ist. Parallel zum Punkt A befindet sich an der Leitung selbst oder in der Nachbarschaft dazu eine Ableitung für einen Gaskreislauf durch das Auffangbehältnis 11 mit den Absperrventilen V2 und V3. Während des normalen Laserbetriebs sind die Ventile V2 und V3 geschlossen. Für eine Halogeninjektion wird das Auffangbe­ hältnis 11 nach Evakuieren (Evakuierungsvorrichtung nicht gezeigt) über das geöffnete Ventil V1 mit Halogengas aus der Quelle 13 bis auf einen vorgegebenen Druck P gebracht.
Bei der Halogengasinjektion wird V1 geschlossen, V2 und V3 werden geöffnet. Die nach dem Druckausgleich zum Reservoir 10 über den Punkt A einsetzende Gasströmung nimmt das Halogengas aus dem Auffangbehältnis 11 mit ins Reservoir 10, wo es sich durch die Umlaufströmung schnell verteilt. Dabei kann die Einströmung in das Reservoir 10 oben erfolgen oder unterhalb der Gasumwälzvorrichtung.
Die Halogeninjektionsströmung durch das Auffangbehältnis 11 läuft somit nach Bedarf parallel zur und unabhängig von der Gasströmung durch den Partikelfilter.

Claims (6)

1. Verfahren zum Nachfüllen von Halogengas in das Gasreser­ voir eines Excimer-Lasers, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • a) Halogengas wird mit einem Druck, der kleiner ist als der Betriebsdruck im Gasreservoir (10), aus einer Halogengas- Quelle in ein evakuiertes Auffangbehältnis (11) eingebracht,
  • b) eine Leitung zwischen dem Auffangbehältnis (11) und der Halogengas-Quelle (13) wird durch Schließen eines Ventils (V1) gesperrt,
  • c) das Auffangbehältnis (11) wird durch Öffnen eines oder mehrerer Ventile (V2, V3) mit dem Gasreservoir (10) des Excimer-Lasers verbunden,
  • d) eine Gasleitung zwischen dem Auffangbehältnis (11) und dem Gasreservoir (10) wird durch Schließen des oder der Ventile (V2, V3) abgesperrt,
  • e) das Auffangbehältnis (11) wird evakuiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes (c) ein Puffer- oder Edelgas mit einem höheren Druck als dem, der im Gasreservoir (10) des Excimer-Lasers herrscht, in das Auffangbehältnis (11) eingelassen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (c) das Gas des Auffangbehältnisses (11) über eine Gasumwälzvor­ richtung (15, 18) und einen Gaskreislauf in das Gasreservoir (10) gepumpt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus dem Gasreservoir (10) des Excimer-Lasers gereinigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schritts (c) Gas aus dem Gasreservoir (10) des Excimer-Lasers eine Reinigungs­ vorrichtung (17) passiert, bevor es in das Auffangbehältnis (11) eintritt, worauf nach Schließen der Ventile gemäß Schritt (d) ein Ventil (V5) einer Bypass-Leitung geöffnet wird, die die Reinigungsvorrichtung (17) unter Umgehung des Auffangbehältnisses (11) direkt mit dem Gasreservoir (10) verbindet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gasreservoirs (10) des Excimer-Lasers mit Hilfe einer Gasumwälzvorrichtung (18) eine Gasströmung und ein statischer Druckunterschied erzeugt werden, wobei in Stufe (c) das Gas mittels des Druckunterschiedes über einen Kreislauf durch ein Filter (16) und das Auffangbehältnis (11) in das Gasreservoir geführt wird.
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