DE10147655A1

DE10147655A1 - Gasentladungslaser mit niederinduktivem Entladungskreis

Info

Publication number: DE10147655A1
Application number: DE2001147655
Authority: DE
Inventors: Rustem Osmanow; Ulrich Rebhan
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Ein Gasentladungslaser, wie insbesondere ein Exciplexlaser oder ein Molekularfluorlaser, zeichnet sich durch einen Isolator (16) aus, der den Abstand zwischen den Hauptelektroden (10, 12) überbrückt und der eine isolierende Platte (16a) aufweist, welche die Kathode (10) abstützt. Der Isolator (16) umschließt auch weitgehend die Gasentladungskammer (14) des Lasers und ist einstückig z. B. aus Keramik hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft Gasentladungslaser, insbesondere Exciplexlaser oder F₂-Laser, mit zumindest einer Kathode und einer Anode als Hauptelektroden, die unter Abstand in einer Gasentladungskammer angeordnet sind, wobei an die Kathode periodisch eine elektrische Hochspannung angelegt wird, um eine Gasentladung zwischen den Hauptelektroden zu zünden und wobei der Abstand zwischen den Hauptelektroden seitlich durch einen Isolator überbrückt ist.
Derartige Gasentladungslaser, also insbesondere Exciplexlaser, Excimerlaser oder F₂-Laser, sind dem Fachmann bekannt (vgl. z. B. "EXCIMER LASER TECHNOLOGY", Ed.: D. Basting, LAMBDA PHY- SIK AG, Göttingen).
Insbesondere bei Anwendungen derartiger Laser mit hoher Leistung und hoher Repetitionsrate (Wiederholrate) kommt es auf eine stabile Gasentladung an, d. h. die Gasentladung muss von Puls zu Puls möglichst genau reproduzierte physikalische Eigenschaften aufweisen. Hierfür ist u. a. ein niederinduktiver elektrischer Entladungsschaltkreis förderlich, d. h. ein Entladungsschaltkreis mit geringer elektromagnetischer Induktion.

Der Stand der Technik (gemäß einem Produkt der LAMBDA PHYSIK AG) ist in Fig. 1 schematisch skizziert. Zwei Isolatoren 1, 2 aus z. B. Keramik trennen elektrisch die Hauptelektroden 4, 5 des Gasentladungsschaltkreises. Die Hochspannung HF wird an die Kathode 4 angelegt und die Hauptentladung zündet zwischen Kathode 4 und Anode 5. In der Regel wird vor der Gas- Hauptentladung eine Vorionisierung durchgeführt. In Fig. 1 sind die Mittel für die Vorionisierung weggelassen. Die Kathode 4, an die die Hochspannung angelegt wird, wird von einer metallischen Platte 3 getragen, die gleichzeitig als gasdicht abschließender Deckel für den Gasentladungsraum 6 dient. Die wandförmigen Isolatoren 1, 2 begrenzen die Gasentladungskammer 6 zusammen mit der Grundplatte 7, die die Anode abstützt und elektrisch auf Masse-Potential liegt.

Wie gesagt, ist für eine stabile Gasentladung insbesondere bei Hochleistungslasern mit hoher Repetitionsrate eine stabile Gasentladung im obigen Sinne wichtig, wofür ein Entladungsschaltkreis mit möglichst geringer Induktivität förderlich ist. Es wird vermutet, dass bei einer Entladungsschaltkreisanordnung gemäß Fig. 1 die Stabilität der Entladung darunter leidet, dass es zu Oberflächenentladungen an den in Fig. 1 gezeigten inneren Oberflächen der Isolatoren 1, 2 kommt. Will man insbesondere bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 die Bauhöhe der Elektroden 4, 5 verringern, steigt die Wahrscheinlichkeit derartiger Oberflächenentladungen über die inneren Flächen der Isolatoren 1, 2. Vergrößert man die Bauhöhe, um die für die Stabilität der Gasentladungen nachteiligen Oberflächenentladungen zu vermeiden, führt dies zu einer Vergrößerung der Induktivität des Entladungsschaltkreises und auch zu einer Verschlechterung der Gasströmung zwischen den Elektroden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasentladungslaser der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass bei einfachem Aufbau ein Entladungsschaltkreis mit geringer Induktivität erreicht wird und gleichzeitig eine möglichst effektive Gasströmung zwischen den Hauptelektroden ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass an Stelle der oben beschriebenen, die Kathode abstützenden Metallplatte eine isolierende Platte vorgesehen ist, die eine Einheit mit dem Isolator bildet, der den Abstand zwischen den Hauptelektroden überbrückt.

Damit wird die Wahrscheinlichkeit von Oberflächenentladungen stark reduziert und es ist eine geringe Bauhöhe der Anordnung der Hauptelektroden in der Gasentladungskammer möglich, was wiederum den Vorteil hat, dass bei geringer Induktivität des Entladungsschaltkreises die Gasströmung zwischen den Elektroden optimal gestaltet werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Isolator mit der genannten isolierenden Platte ein integrales, d. h. einstückiges Bauteil. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Herstellung des Lasers vereinfacht ist. Die Zahl der Komponenten, insbesondere der Dichtungen zum Abdichten der Gasentladungskammer kann reduziert werden.

Bevorzugt bildet der Isolator, von dem die genannte isolierende Platte ein Teil ist, insgesamt in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Lasers eine U-Form. Diese U-Form im Querschnitt ist in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen gegeben, d. h. auch in einem Querschnitt in Richtung der Längsachse des Lasers hat der Isolator U-Form, so dass er insgesamt wie ein Trog die Gasentladungskammer bildet, wobei die eine offene Seite des Troges durch eine Grundplatte, die üblicherweise an elektrischer Masse anliegt, geschlossen wird.

Der elektrische Isolator mit der genannten, in Bezug auf die Gasentladung außenseitig der Kathode angeordneten isolierenden Platte überragt zweckmäßigerweise die sich in Längsrichtung des Lasers erstreckende langgestreckte Kathode über deren gesamten Umfang, so dass der Isolator quasi einen "Deckel" mit Seitenwänden für die Gasentladungskammer bildet. Dies ermöglicht einen einfachen Zusammenbau und entsprechend ein einfaches Auseinandernehmen des Lasers für Austausch- und Wartungszwecke.

Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Gasentladungslasers eine Druckplatte auf der von der Kathode abgekehrten Seite des elektrischen Isolators vorgesehen. Diese Druckplatte dient der Montage verschiedener Komponenten wie z. B. der elektrischen Kathodendurchführung (Zuleitung) und/oder z. B. Bauteilen für die Vorionisierung, wie Vorionisierungsstifte oder Koronastäbe.

Eine gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Zwischenplatte zwischen der Kathode und der isolierenden Platte ermöglicht eine besonders einfache Konstruktion für sog. Vorionisierungskanten, d. h. langgestreckte Elektroden, die zusammen mit den genannten Vorionisierungsstiften Funken für die Vorionisierung vor der Gas-Hauptentladung erzeugen. Dies gilt insbesondere dann, wenn diese Vorionisierungskanten an den Längsseiten (d. h. den sich in Längsrichtung des Lasers, also in Richtung der Achse des Lasers erstreckenden Seiten) der Zwischenplatte vorstehen. Eine bevorzugte Ausführung der Vorionisation ist die sog. Gleitfunkenvorionisation, bei der zwischen den beiden Elektroden ein Dielektrikum angeordnet ist.

Weitere bevorzugte Eigenschaften und Einzelheiten des Gasentladungslasers sind der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 schematisch einen am Markt erhältlichen Gasentladungslaser, wie oben beschrieben;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gasentladungslaser; und
Fig. 3 eine Elektrode für eine Vorionisierung zum Einsatz bei einem Gasentladungslaser gemäß Fig. 2.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Längsachse, d. h. der optischen Achse, eines Exciplexlasers. Das dargestellte Prinzip des Gasentladungsschaltkreises und Aufbaus des Lasers ist auch bei insbesondere Excimerlasern und Molekularfluorlasern einsetzbar.
Die Längsachse, also die optische Achse A des Lasers steht senkrecht zur Zeichnungsebene. Entsprechend stehen auch die langgestreckten Hauptelektroden, also die Kathode 10 und die Anode 12 senkrecht zur Zeichnungsebene und der Schnitt gemäß Fig. 2 zeigt somit die Elektroden in der Mitte schematisch im Querschnitt. In der Gasentladungskammer 14 wird zwischen den Hauptelektroden 10, 12 periodisch die Haupt-Gasentladung gezündet. Hierzu wird an die Kathode 10 die Hochspannung HV angelegt, weshalb die Kathode 10 elektrisch isoliert ist. Die Anode 12 ist elektrisch mit einer Grundplatte 18 verbunden, die auf Masse-Potential liegt.
Ein Isolator 16 besorgt einerseits die elektrische Isolation der Kathode 10 und bildet andererseits Begrenzungswände für die Gasentladungskammer 14.
Der einstückige Isolator 16 besteht z. B. aus einer Keramik. Der Isolator 16 ist im Schnitt gemäß Fig. 2 U-förmig. Die Grundplatte 16a des Isolators 16 liegt in Bezug auf die Gasentladung hinter der Kathode 10 und trägt diese. Die beiden Schenkel des "U" bilden die Seitenwände 16b und 16c für den Gasentladungsraum 14 und besorgen weiterhin die Isolation zwischen den Hauptelektroden 10, 12 sowie die Abtrennung des unter Gas-Überdruck stehenden Gasentladungsraumes 14 gegenüber der äußeren Atmosphäre. Hierzu bedarf es nur einer umlaufenden Dichtung 20 zwischen dem Isolator 16 und der Grundplatte 18, die auf Masse liegt und die Anode 12 abstützt.
Auf der Außenseite der isolierenden Platte 16a des Isolators 16 befindet sich eine Druckplatte 22, z. B. aus einem geeigneten Metall (z. B. Al). Weitere Gehäuseteile des Gasentladungslasers sind in Fig. 2 weggelassen, um die Darstellung auf das Wesentliche zu konzentrieren.
Elektrisch isolierte Stifte 24 sind mit der Kathode 10 verbunden und über sie wird die Hochspannung HV einer geeigneten Hochspannungsquelle (nicht gezeigt) an die Kathode 10 periodisch angelegt. Mittels einer Schraubenmutter 26 ist der elektrisch isolierte Stift 24 abdichtend montiert. Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik geeignete gasdichte Hochspannungsdurchführungen bekannt, so dass insoweit keine weitere Darstellung erforderlich ist.
Zwischen dem Isolator 16 und der Kathode 10 ist eine Zwischenplatte 28 angeordnet, die z. B. aus einem Metall, (wie Aluminium, ggf. vernickelt oder Edelstahl) bestehen kann. Die Zwischenplatte 28 hat gemäß Fig. 2 eine Breite, die dem Abstand zweier Vorionisierungskanten 30, 32 entspricht. Die Vorionisierungskanten 30, 32 sind in Fig. 3 für sich dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die metallischen Vorionisierungskanten 30, 32 Teile eines im Schnitt senkrecht zur Achse A des Lasers U-förmigen Gebildes mit einer die beiden Kanten 30, 32 verbindenden Grundplatte 33, die in Fig. 2 zwischen der Zwischenplatte 28 und der isolierenden Platte 16a des Isolators 16 liegt. Fig. 2 zeigt weiterhin an sich bekannte Vorionisierungsstifte 24, die mittels Isolationsröhrchen 36 durch die Bauteile 22, 16a und 28 elektrisch isoliert in die Nähe der Vorionisierungskanten 30, 32 geführt sind, um die an sich bekannten Vorionisierungsfunken vor der Gas- Hauptentladung zu zünden. Die gasdichte Montage und elektrische Isolierung der Vorionisierungsstifte 34 (in Fig. 2 nur einer gezeigt, in Richtung zur Papierebene sind aber eine Vielzahl von Vorionisierungsstiften angeordnet), kann in bekannter Weise erfolgen, z. B. mit der sog. Wilson-Methode. Als Dichtungsmaterial stehen z. B. Viton oder auch eine Metalldichtung (z. B. Pb, Cu oder In) zur Verfügung.
Die Druckplatte 22 kann z. B. aus einem Metall oder einem Dielektrikum hergestellt sein.
Der Aufbau des Gasentladungslasers gemäß Fig. 2 ermöglicht eine relativ geringe Bauhöhe der Hauptelektrodenanordnung 10, 12 und damit eine geringe Höhe der. Kammer 16 bei relativ großem Abstand der Elektroden 10, 12. Trotzdem ist die Wahrscheinlichkeit von Oberflächenentladungen aufgrund der Konstruktion sehr gering. Dies ermöglicht eine geringe Bauhöhe des Gasentladungsraumes zwischen den Elektroden und damit eine geringe Induktivität und eine günstige Gasströmung für die Gasentladung, was insbesondere vorteilhaft ist für Laser mit relativ hoher Repetitionsrate (z. B. für Anwendungen in der Lithographie) und bei Leistungen oberhalb von 300 W.

Claims

1. Gasentladungslaser, insbesondere ein Exciplexlaser oder F₂-Laser, mit zumindest einer Kathode (10) und einer Anode (12) als Hauptelektroden, die unter Abstand in einer Gasentladungskammer (14) angeordnet sind, wobei an die Kathode (10) periodisch eine elektrische Hochspannung angelegt wird, um eine Gasentladung zwischen den Hauptelektroden (10, 12) zu zünden und wobei der Abstand zwischen den Hauptelektroden (10, 12) seitlich durch einen Isolator (16) überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (16) eine Einheit mit einer isolierenden Platte (16a) bildet, die in Bezug auf die Gasentladung hinter der Kathode (10) angeordnet ist.

2. Gasentladungslaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (16) mit der Platte (16a) im Querschnitt ein integrales Bauteil hat.

3. Gasentladungslaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (16) im Querschnitt mit der Platte (16a) eine U-Form oder Trapez-Form hat.

4. Gasentladungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (16a) die Kathode (10) trägt.

5. Gasentladungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (16a) die Kathode (10) über deren Umfang überragt.

6. Gasentladungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckplatte (22) auf der von der Kathode (10) abgekehrten Seite der Platte (16a) angeordnet ist.

7. Gasentladungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (16, 16a, 16b, 16c) die Gasentladungskammer (14) großteils umschließt.

8. Gasentladungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (16, 16a, 16b, 16c) gasdicht an einer Grundplatte (18) anliegt, die das elektrische Potential der Anode (12) hat und diese abstützt.

9. Gasentladungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenplatte (28) zwischen der Kathode (10) und der Platte (16a) des Isolators (16) angeordnet ist.

10. Gasentladungslaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Vorionisierungskanten (30, 32) oder Koronastäbe an den Längsseiten der Zwischenplatte (28) vorstehen.