DE4441199A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zum Reinigen von Gasen, welche in eine Excimer-Laserkam­ mer eingeleitet werden sollen.
Im Zusammenhang mit dem Betrieb von Gaslasern ist die Reinheit der verwendeten Gase von höchster Bedeutung. Verunreinigungen eines Lasergases mit Sauerstoff, Stickstoff, Wasser und/oder Kohlendioxid können die Leistung eines Gaslasers sowie die Gas­ lebensdauer deutlich herabsetzen. Eine Verunreinigung eines Lasergases mit Wasser kann darüberhinaus zu einer Korrosion von metallischen Bauteilen des Lasers führen, was eine Zerstörung des Lasers mit sich bringen kann.
Verfahren zur Reinigung von Gasen sind seit langem bekannt. Zum Entfernen von Wasser aus Gasen können beispielsweise Molekular­ siebe auf Zeolith-Basis, zum Entfernen von Sauerstoff gegebenen­ falls trägergestütztes Cr₂O₃ eingesetzt werden. Aktivkohle wird zum Entfernen von Kohlenwasserstoffen, Öl, schwefelhaltigen Gasen und Stickoxiden eingesetzt.
Im Betrieb von Gaslasern fanden solche Materialien bislang kei­ ne Verwendung, da man die Reinheit der von der chemischen In­ dustrie zur Verfügung gestellten Reinstgase als ausreichend einschätzte. Zudem sind einige der vorstehend beschriebenen Mittel nicht zum Reinigen von in Gaslasern und insbesondere Excimer-Lasern verwendeten Gasen geeignet. Die hierfür verwen­ deten Gasgemische umfassen neben Edelgasen hochreaktive halogenhaltige Gase, insbesondere HCl oder F₂, welche vom Reinigungsmittel adsorbiert werden oder mit diesem chemisch reagieren.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme, die von Verun­ reinigungen im Lasergas hervorgerufen werden können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die von der Industrie geliefer­ ten Gase vor einem Einleiten in einen Laser nachzureinigen, um ein Einleiten verunreinigter Gase in den Laser sicher zu ver­ meiden. Verunreinigungen der Gase können aufgrund von Qualitäts­ schwankungen beim Hersteller, während einer längeren Lagerzeit der Gasvorratsbehälter oder auch während des Betriebs durch unsachgemäße Handhabung oder Leckagen der Vorratsbehälter und der anschließenden Rohrleitungen auftreten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, durch welche die Lebensdauer von Lasergasen, insbesondere bei einem Excimerlaser, und auch die Lebensdauer der Laserkomponenten verlängert wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebene Vorrichtung bzw. das Verfahren gelöst.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen, umfassend mindes­ tens ein Mittel zum Reinigen der Gase, welches in mindestens einem Behälter angeordnet ist und welches über Rohrleitungen mit einem geschlossenen System in Verbindung steht, welches ein Lasergehäuse, eine darin angeordnete Laserkammer und mindestens einen Vorratsbehälter für mindestens eines der Gase umfaßt, wobei der mindestens eine Vorratsbehälter mit dem Lasergehäuse und der Laserkammer über durch Druckventile freizugebende Rohr­ leitungen in Verbindung steht, welches sich dadurch auszeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase zwischen dem mindestens einen Vorratsbehälter und der Laserkammer ange­ ordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase zwischen dem mindestens einen Vorratsbehälter und dem Laserge­ häuse unmittelbar vor dem Lasergehäuse angeordnet.
In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase innerhalb des Lasergehäuses angeordnet.
In einer anderen abgewandelten Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase direkt in der Laserkammer (Gasentladungskammer) des Lasers angeordnet.
Bei den genannten Varianten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, beispielsweise mittels Flanschen oder anderen lösbaren Verbindungsmitteln, so installiert, daß sie im Rahmen von Wartungs­ arbeiten leicht ausgetauscht werden kann. Darüberhinaus ist das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase in dem Behälter vorzugsweise so angeordnet, daß eine Regenerierung des mindestens einen Mittels im Behälter erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ferner eine Ausfüh­ rungsform, in welcher Vorrichtungen zum Reinigen der Gase in Verbindung stehen mit Vorratsgefäßen von einzelnen Komponenten des Lasergasgemisches, welche erst nach einem Durchströmen der Vorrichtungen zum fertigen Lasergasgemisch vermischt wer­ den. Dadurch können für eine Reinigung der Einzelbestandteile geeignete Mittel verwendet werden, welche für andere Bestand­ teile des Gasgemisches nicht geeignet sind.
Die vorliegende Erfindung umfaßt gleichfalls ein Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen, welches sich dadurch auszeichnet, daß mindestens ein Gas vor Einströmen in die Laserkammer durch mindestens ein Mittel zum Reinigen des Gases geleitet wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine Gas innerhalb des Lasergehäuses vor dem Einströmen in die Laserkammer durch das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase geleitet.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können so auch Verunreinigungen, welche erst nach dem Austreten des Gases aus den Vorratsbehältern beispielsweise aufgrund von Handhabungsfehlern an den Behältern, Druckventilen oder Rohrleitungen oder auch im Zuge eines Auswechselns der Vorratsbehälter in das Lasergas eindiffundiert sind, noch vor dem Einströmen des Gases in das Lasergehäuse bzw. vor dem Ein­ strömen des Gases in die Laserkammer aus diesem entfernt wer­ den.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei oder mehrere Mittel zum Reinigen der Gase so angeordnet, daß sie von dem bzw. den Gasen nacheinander durchströmt werden. Hierzu können die Mittel zum Reinigen der Gase beispielsweise innerhalb eines Behälters in Schichten angeordnet sein; es ist jedoch gleichfalls möglich zwei oder mehrere, jeweils ein Mit­ tel umfassende erfindungsgemäße Vorrichtungen hintereinander anzuordnen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ferner vorge­ sehen, aus einer Mehrzahl in eine Laserkammer einzuleitender Gase einzelne Gase oder Gasgemische getrennt voneinander durch jeweils mindestens ein Mittel zum Reinigen der Gase zu leiten. Die Gase werden in diesem Falle erst nach einem getrennten Durch­ strömen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum vollständigen Lasergasgemisch vereinigt. Auf diese Weise ist es möglich, opti­ male Mittel zum Reinigen einzelner Lasergaskomponenten einzusetzen, ohne auf die Verträglichkeit dieser Mittel mit weiteren Bestand­ teilen des Lasergasgemisches Rücksicht nehmen zu müssen.
Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, nur einen Teil der in die Laserkammer einzuleitenden Gase mittels der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung bzw. mittels des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zu reinigen und weitere Gase ohne zusätzliche Reinigung bzw. nach einer andersartigen Reinigung zu verwenden.
Ferner wird das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase bevorzugt mit einem chemisch und physikalisch inerten Füllstoff vermischt verwendet. Dadurch kann ein Zusammenklumpen oder eine Verdichtung des Mittels verhindert werden, so daß sicherge­ stellt wird, daß das Mittel mit einer großen aktiven Oberfläche für einen Kontakt mit den zu reinigenden Gasen zur Verfügung steht. Aufgrund der verlängerten Wegstrecke, die das Gas über dem Mittel zurückzulegen hat, wird ferner eine lange Kontakt­ zeit mit dem Mittel gewährleistet.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfaßt das Mittel zum Reinigen der Gase ein Trockenmittel, ein Adsorp­ tionsmittel und/oder eine mit Verunreinigungen in den Gasen reagierende Verbindung bzw. eine Mischung oder Kombination solcher Materialien.
Im Rahmen der Erfindung bevorzugt als Mittel zum Reinigen der Gase verwendete Trockenmittel umfassen insbesondere P₂O₅, CuCl₂, AlCl₃, CaCl₂, amorphe Kieselsäure, ein oder mehrere Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder Mischungen dieser Stoffe.
Als Mittel zum Reinigen der Gase bevorzugt eingesetzte Adsorp­ tionsmittel umfassen insbesondere Aktivkohle und NaF, und eine bevorzugte, mit Sauerstoffin den Gasen reagierende Verbindung ist Cr₂O₃.
Die vorstehend genannten Mittel zum Reinigen der Gase sind nicht in gleicher Weise für sämtliche Bestandteile des Laser­ gasgemisches geeignet. Für eine Reinigung von Edelgasen oder -gasgemischen können sämtliche vorstehend aufgeführte Mittel verwendet werden. Für eine Entfernung von Wasser aus dem hoch­ reaktiven Lasergasbestandteil HCl sind beispielsweise amorphe Kieselsäure sowie Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen, aber auch Verbindungen, wie CuCl₂, AlCl₃ und CaCl₂ geeignet.
Die vorstehend näher bezeichneten Mittel zum Reinigen von in eine Laserkammer einzuleitenden Gasen können hierbei in kommer­ ziell erhältlichen Qualitäten oder, falls erforderlich, auch durch eine zusätzliche, an sich bekannte Vorbehandlung akti­ viert bzw. modifiziert verwendet werden. Hierzu zählt beispiels­ weise eine vor Verwendung erfolgende Erwärmung von Molekular­ sieben im Vakuum, um möglicherweise darin enthaltene Wasserspu­ ren zu entfernen. Soll Aktivkohle zur Beseitigung organischer oder schwefelhaltiger Verunreinigungen in HCl umfassenden Gasen verwendet werden, wird diese üblicherweise vorab mit HCl behan­ delt, um die Oberfläche hinsichtlich HCl abzusättigen und eine weitere Adsorption von HCl aus dem Lasergas während des Be­ triebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verhindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden ferner auch bereits erfindungsgemäß eingesetzte und anschließend durch geeignete, dem Fachmann bekannte Maßnahmen regenerierte Mittel in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungs­ form im Folgenden anhand einer Figur näher erläutert.
Die anliegende Figur ist nur eine schematische Ansicht eines Excimerlasers mit einer Gasversorgung, in welchem erfindungs­ gemäße Vorrichtungen zum Reinigen von in den Laser einzuleiten­ den Gasen vorgesehen sind.
In der Figur ist eine Laseranordnung gezeigt, umfassend eine Laserkammer 10, ein die Laserkammer 10 umgebendes Lasergehäuse 12 und zwei Vorratsbehälter 20a, 20b, welche in den Laser ein­ zuleitende Gase enthalten. Die Vorratsbehälter 20a, 20b sind mit der Laserkammer 10 über durch Druckventile 22a, 22b frei­ zugebende Rohrleitungen eines Rohrleitungssystems 24 verbunden.
Einer der Vorratsbehälter 20a enthält in der vorliegenden Aus­ führungsform ein Edelgasgemisch, welches hier Helium, Neon und Xenon umfaßt, der andere Vorratsbehälter 20b umfaßt ein Halogen oder ein halogenhaltiges Gas, welches beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel Helium und Chlorwasserstoff in einem Volumenverhältnis von 95 : 5 umfaßt. Die aus den Vorrats­ behältern 20a, 20b mit einem Druck von 200 atm angelieferten Gasgemische werden mittels der Druckventile 22a, 22b mit einem Druck von beispielsweise jeweils 0,5 bis 5 bar zu der Laserkammer 10 weitergeleitet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei erfindungsgemäße Vorrichtungen 30a-c zum Reinigen der in die Laserkammer 10 ein­ zuleitenden Gase zwischen dem Druckventil 22a und der Laserkam­ mer 10 innerhalb des Lasergehäuses 12 so angeordnet, daß diese nacheinander vom Edelgasgemisch aus dem Vorratsbehälter 20a durchströmt werden; zwischen dem Druckventil 22b und der Laser­ kammer 10 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30d vorgesehen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30a-d sind hierbei bevor­ zugt möglichst nahe an der Laserkammer 10, d. h. mit einer mög­ lichst kurzen Rohrverbindung zwischen den Vorrichtungen 30 und der Laserkammer 10 vorgesehen.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30a-d sind mittels Flan­ schen 32a-d oder anderen leicht lösbaren Verbindungen, wie Dicht­ ringverschraubungen oder O-Ring-Dichtungen, in die Rohrleitungs­ verbindungen zwischen den Druckventilen 22a, 22b und der La­ serkammer 10 eingebaut, so daß erfindungsgemäße Vorrichtungen 30 beispielsweise bei einem erforderlichen Austausch leicht aus- und wieder eingebaut werden können.
Nach einem Durchströmen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30a-c sowie 30d, welches eine Reinigung der Gase bewirkt, wer­ den die beiden gereinigten Gasgemische mittels Druckventilen 22c, 22d in eine gemeinsame Rohrleitung zusammengeführt und über ein weiteres Druckventil 22e der Laserkammer 10 zuge­ leitet.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30 zum Reinigen der in die Laserkammer 10 einzuleitenden Gase umfassen mindestens ein Mit­ tel 34, welches durch chemische oder physikalische Wirkung dem zu reinigenden Gas Verunreinigungen entziehen soll, in einem druckdichten Behälter 36.
Als Mittel zum Reinigen der Gase 34a-c sind im Behälter 36a der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30a Aktivkohle, im Behälter 36b der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30b P₂O₅ und im Behälter 36c der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30c Cr₂O₃ vorgesehen, welche in dieser Reihenfolge vom Gasgemisch durchströmt werden. Auf diese Weise werden dem Edelgasgemisch nacheinander organische Verbindungen, schwefelhaltige Gase und Stickoxide mittels Aktiv­ kohle, Wasser mittels P₂O₅ sowie Sauerstoff mittels Cr₂O₃ ent­ zogen.
Im Behälter 36d der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30d ist als Mittel 34d zum Reinigen des HCl enthaltenden Gasgemischs amor­ phe Kieselsäure vorgesehen, welche dem Gasgemisch Verunreini­ gungen in Form von Wasser entziehen soll.
Wird für einen Laserbetrieb mit F₂ als Halogenkomponente ein F₂ enthaltendes Gasgemisch verwendet, bestehen aufgrund dessen Reaktivität nur begrenzte Möglichkeiten zum Reinigen desselben. Als Mittel 34d zum Reinigen eines F₂ umfassenden Gasgemischs können beispielsweise NaF oder Aktivkohle zum Entfernen organi­ scher und schwefelhaltiger Verunreinigungen verwendet werden; Aktivkohle muß jedoch durch zusätzliche Maßnahmen auf der Tempe­ ratur flüssigen Stickstoffs gehalten werden, um eine Zersetzung derselben durch das aggressive F₂-Gas zu vermeiden. Es besteht ferner die Möglichkeit, Verunreinigungen mittels auf die Tempe­ ratur von flüssigem Stickstoff gekühlten Kühlfingern auszufrie­ ren, durch welche die zu reinigenden Gase geleitet werden, wie beispielsweise in den deutschen Gebrauchsmustern G 90 07 389.4 und G 90 07 390.8 beschrieben.

Claims (19)

1. Vorrichtung zum Reinigen von in eine Laserkammer (10) ein­ zuleitenden Gasen, umfassend mindestens ein Mittel (34) zum Reinigen der Gase, welches in mindestens einem Behälter (36) angeordnet ist und welches über Rohrleitungen (24) mit einem geschlossenen System in Verbindung steht, welches ein Lasergehäuse (12), eine darin angeordnete Laserkammer (10) und mindestens einen Vorratsbehäl­ ter (20) für mindestens eines der Gase umfaßt, wobei der mindes­ tens eine Vorratsbehälter (20) mit der Laserkammer (10) über durch Druckventile (22) freizugebende Rohrleitungen (24) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (34) zwi­ schen dem mindestens einen Vorratsbehälter (20) und der Laser­ kammer (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (34) zwischen dem mindestens einen Vorratsbehälter (20) und dem Lasergehäuse (12) unmittelbar vor dem Lasergehäuse (12) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (34) inner­ halb des Lasergehäuses (12) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Mittel zum Reinigen der Gase (32) so angeordnet sind, daß sie von den Gasen nacheinander durchströmt werden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase (32) mit einem chemisch und physikalisch inerten Füllstoff vermischt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Reinigen der Gase (32) ein Trockenmittel und/oder ein Adsorptionsmittel und/oder eine mit Verunreini­ gungen in den Gasen reagierende Verbindung ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das als Mittel zum Reinigen der Gase (32) eingesetzte Trok­ kenmittel P₂O₅, CuCl₂, AlCl₃, CaCl₂, amorphe Kieselsäure, ein oder mehrere Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder eine Mischung derselben ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das als Mittel zum Reinigen der Gase (32) eingesetzte Ad­ sorptionsmittel Aktivkohle und/oder NaF ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Verunreinigungen in den Gasen reagierende Verbin­ dung Cr₂O₃ ist.
10. Vorrichtung zum Reinigen von in eine Laserkammer einzulei­ tenden Gasen, umfassend mindestens ein Mittel zum Reinigen der Gase, welches in mindestens einem Behälter angeordnet ist und welches über Rohrleitungen mit einem geschlossenen System in Verbindung steht, welches ein Lasergehäuse, eine darin angeordnete Laserkammer und mindestens einen Vorratsbehälter für mindestens eines der Gase umfaßt, wobei der mindestens eine Vorratsbehälter mit der Laserkammer über durch Druckventile freizugebende Rohrleitungen in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase in der Laserkammer (10) angeordnet ist.
11. Verfahren zum Reinigen von in eine Laserkammer einzulei­ tenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gas vor Einströmen in die Laserkammer durch mindestens ein Mittel zum Reinigen des Gases geleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Mehrzahl in eine Laserkammer einzuleitender Gase einzelne Gase oder Gasgemische getrennt voneinander durch je­ weils mindestens ein Mittel zum Reinigen der Gase geleitet wer­ den.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Gas vor Einströmen in die Laserkammer innerhalb eines die Laserkammer umgebenden Lasergehäuses durch das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase geleitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Gas durch zwei oder mehr so angeordnete Mittel zum Reinigen der Gase geleitet wird, daß diese von dem oder den Gasen nacheinander durchströmt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Mittel zum Reinigen der Gase mit einem chemisch und physikalisch inerten Füllstoff vermischt verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Reinigen der Gase ein Trockenmittel und/oder ein Adsorptionsmittel und/oder eine mit Verunreinigungen in den Gasen reagierende Verbindung verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als das als Mittel zum Reinigen der Gase eingesetzte Troc­ kenmittel P₂O₅, CuCl₂, AlCl₃, CaCl₂, amorphe Kieselsäure, ein oder mehrere Molekularsiebe auf Basis von Zeolithen oder Mischungen dieser Stoffe verwendet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß als das als Mittel zum Reinigen der Gase eingesetzte Adsorptionsmittel Aktivkohle und/oder NaF verwendet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als mit Verunreinigungen in den Gasen reagierende Verbin­ dung Cr₂O₃ verwendet wird.
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