DE69627936T2

DE69627936T2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines laserstrahles

Info

Publication number: DE69627936T2
Application number: DE69627936T
Authority: DE
Inventors: Albert Frederik VAN GOOR; Johannes Hubertus VAN HEEL
Original assignee: Urenco Nederland BV
Current assignee: Urenco Nederland BV
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2016-02-02
Also published as: JPH10505713A; NO319740B1; CA2186959A1; EP0754360A1; AU692068B2; DE69627936D1; NO964149D0; NO964149L; ATE239989T1; EP0754360B1; JP3038015B2; CA2186959C; WO1996024181A1; US5818864A; NL9500197A; AU4846096A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserstrahls und eine Laservorrichtung zum Umsetzen des Verfahrens in die Praxis.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen gepulsten, transversal erregten Gasentladungslaser. Ein Beispiel eines derartigen Lasers ist ein Exzimerlaser, wie etwa ein XeCl-Laser.
Eine derartig Laservorrichtung weist üblicherweise folgenden Aufbau auf. Eine Gaskammer ist mit zwei gegenüberliegend angeordneten Elektroden versehen, an die eine Spannung angelegt werden kann, um ein elektrisches Feld in der Gaskammer zu er- zeugen, dessen Hauptrichtung als y-Richtung bezeichnet wird. Das zwischen diesen Elektroden zu erzeugende Plasma ruft eine Lichtverstärkung, stimuliert durch Emission, hervor. Ein Laserstrahl kann durch einen Resonator erzeugt werden, der aus Spiegeln besteht, die außerdem die Gaskammer verschließen können. Zumindest einer dieser Spiegel sollte gegenüber dem Laserlicht partiell transparent sein, damit der Laserstrahl aus der Gaskammer austreten kann. Die Austrittsrichtung des Laserstrahls verläuft senkrecht zur y-Richtung und wird als z-Richtung bezeichnet. Die Abmessung des Laserstrahls in der y-Richtung wird mitunter als Höhe bezeichnet. Die Querabmessung des Laserstrahls in der Richtung senkrecht zur y-Richtung wird als x-Richtung und mitunter auch als Breite bezeichnet. Ein Beispiel einer derartigen Laservorrichtung ist in der Veröffentlichung "A New Mode to Excite a Gas-Discharge XeCl Laser" durch J. C. M. Timmermans, F. A. van Goor und W. J. Witteman in Applied Physics B, Band 57 (1993), Seiten 441 –445 beschrieben. Mit einer derartigen Vorrichtung verläuft die Erzeugung des Licht induzierenden Plasmas im Wesentlichen in drei Schritten. In einem ersten Schritt wird das Gas mittels Strahlung, typischerweise Röntgenstrahlung, ionisiert. In einem zweiten Schritt wird die Elektronendichte durch Vorentladung (Zusammenbruch) vergrößert, induziert durch einen relativ kurzen Hochspannungsimpuls. In einem dritten Schritt findet die Hauptentladung statt, wodurch ein relativ großer Strom durch das Plasma für eine relativ lange Zeit fließt.
Für bestimmte Anwendungen des erzeugten Laserstrahls ist es erwünscht, dass der Laserstrahl ein möglichst gleichmäßiges Profil in einem möglichst großen Bereich seines Querschnitts aufweist. D. h., die Intensitäten Int(x,y) in unterschiedlichen Punkten in dem Strahl sind so weitgehend wie möglich gleich zueinander und hängen damit so wenig wie möglich von den Distanzen x und y dieser Punkte relativ zur Hauptachse des Laserstrahls, gemessen senkrecht zu dieser Hauptachse, ab; dies heißt weiterhin, dass der Strahl an seinem Rand so scharf wie möglich definiert ist. Ein Beispiel einer Anwendung, in der ein gleichmäßiges Laserstrahlprofil erwünscht ist, ist das maschinelle Bearbeiten einer Oberfläche über eine Schattenmaske, beispielsweise bei der IC-Technologie. Dabei ist erwünscht, dass in sämtlichen Punkten der maschinell zu bearbeitenden Oberfläche gleichmäßige Belichtungsstärke stattfindet, damit eine gleiche Belichtungszeit zu einem gleichen Maschinenbearbeitungsergebnis führt (wie etwa im Beispiel der Wegbrenntiefe), insbesondere dann, wenn der Strahl dazu benutzt, mehrere Erzeugnisse gleichzeitig über mehrere benachbarte identische Masken maschinell zu bearbeiten.
Das Laserstrahlprofil in der y-Richtung erfüllt den vorstehend genannten Wunsch bezüglich Gleichmäßigkeit in ausreichendem Maße. Dies ist eine Folge der scharfen Grenze, die durch die Elektroden bereit gestellt wird. Im Gegensatz hierzu liegt in der x-Richtung bei herkömmlichen Lasern eine allmähliche Verringerung der Intensität ausgehend vom Strahlzentrum (x = 0) bis zum Rand vor; ein derartiges herkömmliches Profil kann als glockenförmiges Profil bezeichnet werden.
Im Stand der Technik sind Vorschläge gemacht worden, die Laservorrichtung so anzupassen, dass das Laserstrahlprofil verbesserte Gleichmäßigkeit bzw. Gleichförmigkeit in der x-Richtung aufweist. Diese Vorschläge beruhen auf zwei in Bezug aufeinander unterschiedlichen Prinzipien.
Ein erstes Prinzip ist ein mechanisches Prinzip und es sieht die Verwendung speziell konstruierter Elektroden geeigneter Form (Profilierung) vor. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Elektrodenformen, die eine vernünftige Gleichmäßigkeit des Laserstrahlprofils ergeben könnten, zu einer Instabilität der Gasentladung Anlass geben. In Übereinstimmung mit diesem Prinzip kann deshalb bestenfalls ein Kompromiss zwischen guter Gleichmäßigkeit einerseits und stabiler Gasentladung andererseits erzielt werden.
Ein weiterer Nachteil dieses mechanischen Prinzips besteht darin, dass es relativ kompliziert und teuer ist.
Ein Nachteil dieses Prinzips besteht ferner darin, dass es nicht in einer existierenden Laservorrichtung ohne Eingriffe in die Laservorrichtung, d. h. ohne Ersetzen der Elektroden, anwendbar ist.
Ein zweites Prinzip ist ein optisches Prinzip und es betrifft die Verbesserung des Laserstrahls selbst, der durch die Laservorrichtung unter Verwendung einer optischen Einrichtung erzeugt wird, die am Ausgang dieser Laservorrichtung angeordnet wird. Ein Beispiel dieses Prinzips ist in der Veröffentlichung "Improvement of the first Kilowatt XeCl Laser for different specific applications" von S. Godard, P. Murer, M. Stehle, J. Bonnet und D. Pigache in SPIE, Band 2206, Seiten 25–29, erläutert und betrifft ihren Beitrag zu der Konferenz "High-Power Gas and Solid State Lasers", abgehalten in Wien, Österreich, vom 5. bis 8. April 1994. Dieses Prinzip kann aktuell nicht als Möglichkeit angesehen werden, einen Laserstrahl zu erzeugen, der in sich gute Gleichförmigkeit aufweist, sondern lediglich als eine Möglichkeit zur Behandlung (Verbesserung) eines Laserstrahls, der unzureichende Gleichförmigkeit besitzt.
Dieses optische Prinzip kann in der Tat in einer existierenden Laservorrichtung ohne Eingriffe in diese Laservorrichtung angewendet werden; ein Nachteil betrifft jedoch die Verwendung der optischen Korrektureinrichtung, da die Verwendung mit Verlusten der Strahlstärke einhergeht. Dieses optische Prinzip hat außerdem den Nachteil, dass es relativ kompliziert und teuer ist.
In Übereinstimmung mit beiden vorstehend genannten Prinzipien wird ein spezielles Laserstrahlprofil in einer gegebenen Konstruktion der Laservorrichtung und/oder der optischen Korrektureinrichtung erzielt. Da die Konstruktion ein feststehendes Datum darstellt, ist es während des Betriebs der Laservorrichtung nicht möglich, das Strahlprofil auf die geänderten Betriebsbedingungen zu modifizieren und/oder einzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Laserstrahl mit einem gewünschten Laserstrahlprofil über ein drittes Prinzip zu schaffen, das von den vorstehend genannten Prinzi pien fundamental verschieden ist und nicht die genannten Nachteile aufweist.
Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass nach der Entladung zwischen den Laserelektroden ein Plasma mit ziemlich scharfem Elektronendichtemaximalwert zu liegen kommt, und dass mit Ablauf der Zeit die Elektronenverteilung breiter und weniger konzentriert wird, während das Strahlprofil in beträchtlichem Ausmaß durch das Profil der Elektronendichte zum Zeitpunkt des Hauptstroms bestimmt ist. Auf Grundlage dieser Einsicht wird in dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine geeignete Kombination aus einerseits dem Zeitpunkt der Einleitung des Hauptstroms und andererseits der zeitabhängigen Änderung in Form des Elektronendichteprofils gewählt.
In einer ersten Variante stellt die Erfindung eine einstellbare und steuerbare Verzögerung zwischen der Vorentladung und dem Hauptstrom bereit. In einer zweiten Variante stellt die Erfindung eine einstellbare und steuerbare Rate bereit, mit der das Elektronendichteprofil sich im Verlauf der Zeit ändert. Die beiden genannten Varianten können auch kombiniert werden.
Auf Grund der Tatsache, dass die vorstehend genannten Einstellungen bevorzugt bewirkt werden durch Variieren von einem oder mehreren Prozessparametern, wird ein wesentlicher Vorteil erzielt, demnach es mit ein und derselben Laservorrichtung möglich ist, das Strahlprofil in einfacher und flexibler Weise selbst während des Betriebs der Laservorrichtung zu modifizieren.
Diese sowie weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung aller bevorzugten Ausführungsformen einer Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen hervor; die zeigen:
1 schematisch einen Seitenaufriss einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
2 schematisch einen Querschnitt dieser Laservorrichtung,
3 beispielhaft den Verlauf der Spannung über der und den Strom durch die transversal erregte Gasentladung in einer XeCl-Laservorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung,
4 ein Schaltungsdiagramm eines Beispiels einer Erregungsschaltung für den XeCl-Laser in Übereinstimmung mit der Erfindung,
4B eine vereinfachte Version des Schaltungsdiagramms von
4,
5 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen der Ladespannung und der Zeitverzögerung,
6 einen Kurvenverlauf des Breitenprofils des Laserstrahls bei unterschiedlichen Werten der Ladespannung,
7 einen Kurvenverlauf der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Dampfdruck von HCl und Xe, und
8 einen Kurvenverlauf der Profilbreite des Laserstrahls bei unterschiedlichen Werten der Gastemperatur.
In 1 und 2 ist eine Laservorrichtung allgemein mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Die Laservorrichtung 1 umfasst eine allgemein rohrförmige Gaskammer 2 und eine optische Achse 3, die die z-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems festlegt. Senkrecht zu der optischen Achse 3 angeordnet an den Enden der Gaskammer 2 befinden sich erste und zweite Spiegel 6 und 7. Der erste Spiegel 6 ist nicht transparent, während der zweite Spiegel 7 teilweise transparent ist und einen Austritt für einen Laserstrahl 10 aus der Gaskammer 2 festlegt.
In der Gaskammer 2 parallel zu der optischen Achse 3 und auf gegenüberliegenden Seiten von ihr sind Laserelektroden 11, 12 angeordnet, die über Leitungen 13, 14 mit einer elektrischen Stromquelle 15 verbunden sind, die außerhalb der Gaskammer 2 angeordnet ist. Eine zwischen den Laserelektroden 11, 12 angelegte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld E, das im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ist und senkrecht zu der optischen Achse 3. Die Symmetrieebene des elektrischen Felds E definiert die YZ-Ebene in dem genannten rechteckigen Koordinatensystem. Der Raum zwischen den Laserelektroden 11, 12 wird als Entladungsraum 16 bezeichnet.
Normalerweise bildet eine dieser Elektroden 12 einen Wandabschnitt der Gaskammer 2. Angeordnet unter dieser Elektrode 12 befindet sich eine Quelle 20 für ionisierende Strahlung 21, normalerweise Röntgenstrahlung oder UV-Strahlung. Die Strahlung 21 von der Quelle 20 vermag den Entladungsraum 16 über ein Fenster 17 in einer Elektrode 12 zu erreichen.
Für eine detailliertere Erläutertung eines Beispiels einer derartigen Laservorrichtung wird auf die vorstehend genannte Veröffentlichung ""A New Mode to Excite a Gas-Discharge XeCl Laser" durch J. C. M. Timmermans, F. A. van Goor und W. J. Witteman in Applied Physics B, Band 57 (1993), Seiten 441– 445 verwiesen.
Die Arbeitsweise der Laservorrichtung 1 ist an sich bekannt und wird deshalb vorliegend lediglich kurz zusammengefasst. Die Gaskammer 2 wird mit einem geeigneten Gas oder einem Gas gemisch unter geeignetem Druck gefüllt. Mittels der Quelle 20 wird ein Ionisierungsstrahlungsimpuls 21 dem Gasgemisch derart zugeführt, dass in dem Entladungsraum 16 ein Teil des vorhandenen Gases ionisiert wird. Hierdurch wird typischerweise eine Elektronendichte von etwa 10⁷ cm^–3 erzielt.
Mittels der Quelle 15 wird daraufhin an die Laserelektroden 11, 12 ein erster Spannungsimpuls mit einem Maximalwert angelegt, der ausreicht, einen Zusammenbruch zu bewirken, wodurch in dem Plasma eine Elektronenvervielfachung stattfindet. Die Elektronendichte wird hier durch typischerweise auf etwa 10¹⁵ cm^–3 erhöht.
Daraufhin liefert die Quelle 15 einen zweiten Spannungsimpuls, auch als Hauptimpuls bezeichnet, um eine Gasentladung zu induzieren. Durch die auf das Plasma übertragene Energie werden Gasatome und/oder Gasmoleküle ionisiert oder erregt. Daraufhin findet ein Prozess aus chemischen Reaktionen statt, der zur Bildung erregter Exzimermoleküle führt. Der erregte Zustand wird auch als oberer Laserpegel bzw. unteres Laserniveau bezeichnet. Diese Moleküle verlieren ihre Energie gegebenenfalls als Ergebnis stimulierter Emission, die eine Vergrößerung der Menge an Lichtquanten in dem optischen Resonator hervorruft, der durch die Spiegel 6 und 7 gebildet ist. Das erzeugte Licht verlässt schließlich die Gaskammer über den zweiten Spiegel 7 als Laserstrahl 10, der entlang der optischen Achse 3 gerichtet ist.
Das Gas in der Gaskammer 2 wird durch einen Gasstrom 31 aufgefrischt, der entlang der x-Achse gerichtet ist und beispielsweise durch ein Gebläse 30 erzeugt wird. Das entladene Gas kann in einer Leitung 32 gesammelt und optional nach ei nem Reinigungsvorgang über eine Rückführleitung 33 zum Einlass des Gebläses 30 rückgeführt werden.
Nach dem Quenchen des Hauptstroms kann der vorstehend erläuterte Prozess wiederholt werden. In der Praxis sind Wiederholungsfrequenzen von etwa 1 kHz realisiert worden.
3 zeigt ein Beispiel des Verlaufs der Spannung V über den Laserelektroden 11, 12 und des Stroms I durch die Gasentladung als Funktion der Zeit t. Der Nullpunkt der Zeitachse wird als derjenige Zeitpunkt gewählt, zu dem der Zusammenbruch auftritt. Aus dieser Figur geht deutlich hervor, dass in dem dargestellten Beispiel der Hauptstrom, das Maximum, bei etwa 300 ns auftritt, relativ zu dem Zusammenbruch mit einer Zeitverzögerung Δt von ungefähr 100 ns.
Das Auftreten dieser Verzögerung ist an sich bekannt, wie beispielsweise aus 4 der vorstehend genannten Veröffentlichung in Applied Physics B, Band 57 (1993), Seiten 441– 445 hervorgeht. Der Fachmann auf diesem Gebiet der Technik hat jedoch bisher angenommen, dass die Verzögerung einen Nachteil darstellt, wie insbesondere aus dem Text auf der Seite 40, Zeilen 10–13, der Veröffentlichung "Magneticspiker electrical circuits for gas discharge lasers von R. S. Taylor, K. E. Leopold und M. von Dadelszen in SPIE, Band 2206, Seiten 130–143, hervorgeht, die ihren Beitrag zu der vorstehend genannten Konferenz "High-Power Gas and Solid State Lasers", betrifft, abgehalten in Wien, Österreich, vom 5. bis B. April 1994.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Einsicht, dass es möglich ist, diese Zeitverzögerung Δt zu nutzen, und dass in einer ersten Ausführungsform des Konzepts der Erfindung es sogar möglich ist, die Zeitverzögerung Δt mit relativ einfachen Mitteln zu variieren und dadurch das Breitenprofil des Laserstrahls 10 in nutzbarer Weise zu manipulieren, ohne die Laserwirkung der Laservorrichtung 1 zu beeinträchtigen.
In Übereinstimmung mit der aktuellen Ansicht der Erfinder ist folgende Erklärung für den Einfluss einer Variation der Zeitverzögerung Δt bezüglich des Profils des Laserstrahls möglich. Zum Zeitpunkt des Zusammenbruchs entsteht ein Plasma mit einer Elektronendichteverteilung, die relativ zu der YZ-Ebene symmetrisch ist und ziemlich scharf mit einem ziemlich hohen Maximum. Halogenverbindungen in erregten Vibrationszuständen sind jedoch gleichzeitig gebildet worden. Bei Ablauf der Zeit können die gebildeten Elektronen durch diese Halogenverbindungen eingefangen werden, wodurch Dissoziation stattfindet. Wenn die Konzentration der Moleküle größer ist, beispielsweise um eine Größenordnung größer ist als die Elektronendichte, tritt außerdem eine räumliche Verteilung der Elektronendichte auf Grund der Tatsache auf, dass die anfängliche räumliche Verteilung der Halogenverbindungen in erregten Vibrationszuständen ungefähr gleich derjenigen der Elektronen ist. Die Rate, mit der diese räumliche Verteilung der Elektronenstrahldichte fortschreitet, ist nachfolgend als Elektronenwiederverteilungsrate bezeichnet.
Durch Wählen eines geeigneten Wertes für die Zeitverzögerung Δt derart, dass der Hauptstrom mit einem gewünschten räumlichen Verteilungsprofil der Elektronendichte auftritt, kann ein Laserstrahl mit geeignetem Strahlprofil erzeugt werden.
Durch Wählen eines geeigneten Wertes für die Elektronenwiederverteilungsrate kann andererseits bewirkt werden, dass selbst bei einem feststehenden Wert der Zeitverzögerung Δt ein geeignetes räumliches Verteilungsprofil der Elektronendichte zu dem Zeitpunkt vorliegt, zu dem der Hauptstrom auftritt, so dass ein Laserstrahl mit geeignetem Strahlprofil wiederum erzeugt werden kann.
Im Umfang des Konzeptes der Erfindung ist es auch möglich, geeignete Werte für beide Parameter zu wählen und einzustellen, d. h., sowohl für die Zeitverzögerung Δt wie für die Elektronenwiederverteilungsrate.
Nunmehr folgt eine Diskussion der Möglichkeiten, mit denen die Zeitverzögerung realisiert werden kann.
4 zeigt schematisch ein Beispiel einer Spannungsquelle 15 zum Liefern von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen an ihrem Ausgang, d. h. an den Laserelektroden 11, 12 zum Induzieren von zwei aufeinander folgenden Entladungsvorgängen in dem Laser. Diese Ausführungsform ist ausführlich in der vorstehend genannten Veröffentlichung in Applied Physics B, Band 57 (1993), Seiten 441–445 diskutiert. 4B zeigt ein vereinfachtes Diagramm der Erregungsschaltung unter Weglassung weniger wichtiger Einzelheiten. Das Prinzip der Arbeitsweise, das in der genannten Veröffentlichung näher erläutert ist, wird nunmehr kurz zusammengefasst.
Von einer Quelle für eine Primärspannung HV_sus wird durch Schließen eines ersten Schalters T_sus ein Hauptkondensatorsystem C_PFN auf eine Ladespannung V_PEN mit einem Ladestrom geladen, der über einen ersten magnetisch sättigbaren Induktor L_C und einen zweiten sättigbaren Induktor L_P fließt. Ferner wird ein Spitzenwertkondensator C_P auf eine Spannung V_P geladen.
Nach einer bestimmten Zeit wird ein zweiter Schalter Tspi geschlossen, wobei durch einen resonanten Ladetransfermechanismus der Spitzenwertkondensator C_P auf eine Hochspannung geladen wird, die eine Vorentladung (einen Zusammenbruch) induziert. Daraufhin wird die Hauptentladung aus dem Hauptkondensatorsystem C_PFN mit einer Zeitverzögerung Δt induziert, die zwischen dem Zusammenbruch und der Hauptentladung auftritt, in der der zweite sättigbare Induktor L_P zunächst in Sättigung gebracht werden muss.
Die hierfür erforderliche Zeit hängt inter alia von der Menge des magnetisch sättigbaren Materials in dem Induktor ab, und sie ist bestimmt durch das Faraday'sche Gesetz, das formelhaft folgende Form aufweist ∫Vdt = A·ΔB, wobeiV die Spannung über dem zweiten sättigbaren Induktor L_P ist,
A die magnetische Oberfläche ist, und
ΔB die Änderung der magnetischen Induktion ist.
In Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform dieser Variante der vorliegenden Erfindung ist die Menge des magnetisch sättigbaren Materials in dem zweiten sättigbaren Induktor L_P ausgewählt zur Erzielung einer gewünschten Zeitverzögerung Δt, die in Bezug auf die Elektronenwiederverteilungsrate gewählt ist, um ein gewünschtes Breitenprofil der Laserintensitäit zu erzielen.
Alternativ ist es prinzipiell möglich, die Werte der Kapazitäten und Induktivitäten in der Erregungsschaltung einzustellen; dies ist jedoch nicht bevorzugt, weil diese Werte für eine Optimierung der Gasentladung gewählt worden sind und ei ne Modifikation dieser Werte typischerweise mit einer Beeinträchtigung der Qualität der Gasentladung einhergeht.
In dieser Ausführungsform bedeutet deshalb das Wählen einer gewünschten Zeitverzögerung Δt das Ausführen von Modifikationen in der Stromquelle 15, während die Laservorrichtung 1 selbst unmodifiziert bleibt. Obwohl es auf diese Weise möglich ist, das gewünschte Ergebnis zu erzielen, d. h., eine vorbestimmte Zeitverzögerung ohne Eingriff in die Laservorrichtung 1 selbst, so dass die genannte Maßnahme in existenten Laservorrichtungen angewendet werden kann, um ein gewünschtes Strahlprofil in diesen Laservorrichtungen bereit zu stellen, ist das erzielte Ergebnis lediglich ein starres Ganzes mit festliegender Zeitverzögerung, weil zur Änderung der Zeitverzögerung Bestandteile der Erregungsschaltung ersetzt werden müssen, was einen komplizierten und zeitaufwendigen Vorgang darstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die genannte Zeitverzögerung Δt einfach einstellbar und steuerbar durch Variieren der Ladespannung V_PFN des Hauptkondensatorsystems C_PFN. Erzielt werden kann dies in einfacher Weise durch Variieren der Primärspannung HV_sus. In dem Beispiel von 3 wurde die Ladespannung V_PFN mit 12 kV gewählt.
BEISPIEL 1
In einem Experiment wurde die Beziehung zwischen der Ladespannung V_PFN und der resultierenden Zeitverzögerung Δt gemessen. Die in diesem Experiment verwendete Laservorrichtung 1' ist mit der Vorrichtung vergleichbar, die bereits in der vorstehend genannten Veröffentlichung von J. C. M. Timmermans et al. in Applied Physics B beschrieben ist. Das Fenster 17 hatte eine Breite von etwa 2 cm, die Distanz zwischen den Elektroden 11 und 12 betrug etwa 3 cm und die Gasentladung hatte eine z-Abmessung von etwa 80 cm.
In der Quelle 15 sind C_C = 5 nF, C_P = 3 nF, C_PFN = 600 nF. Die Gaskammer 1 wurde mit einer Mischung aus HCl, Xe und Ne mit einem Gesamtdruck von etwa 4,5 bar (4,5 × 10⁵ Pa) gefüllt und die Partialdrücke von HCl und Xe wurden jeweils auf 0,8 mbar (80 Pa) bzw. 8,4 mbar (840 Pa) gehalten.
Die Messergebnisse sind in der Kurve von 5 aufgetragen. In 5 ist V_PFN ausgedrückt als Mehrfaches von V_ss, welche Spannung in diesem Fall etwa 3,9 kV betrug. Mit V_ss ist vorliegend Folgendes gemeint: Die Spannung quer über der Entladung während des sogenannten stationären Zustands, der auftritt, wenn bei der Hauptentladung der Verlust an Elektronen, resultierend aus dissoziativer Einfügung an HCl, gleich der Erzeugung von Elektronen ist, die aus Ionisation resultieren. Der Wert von V_ss hängt ausschließlich von der Zusammensetzung und dem Druck des Gases und vom Elektrodenspalt ab.
In Übereinstimmung mit der aktuellen Ansicht der Erfinder ist eine mögliche Erklärung des Einflusses der Ladespannung V_PFN des Hauptkondensatorsystems C_PFN auf die Verzögerungszeit Δt wie folgt.
Wie bereits angeführt, ist der Induktor L_P nur dann in der Lage, mit dem Leiten zu starten, wenn er in der korrekten Richtung in Sättigung gebracht worden ist, was dann der Fall ist, wenn das Zeitintegral der Spannung über dem Induktor gleich oder größer als das Produkt der magnetischen Oberfläche mit der maximal erzielten magnetischen Induktionsänderung ist (siehe das Faraday'sche Gesetz supra). Je höher die Ladespannung V_PFN ist, um so früher erreicht dieses Zeitintegral das vorstehend genannte Produkt, mit anderen Worten ist die unter Bezug genommene Verzögerungszeit um so kürzer.
BEISPIEL 2
In einem Experiment wurde die Beziehung zwischen der Profilbreite der Laserenergie und der Ladespannung V_PFN des Hauptkondensators gemessen, wobei sämtlichen weiteren Parameter konstant gehalten wurden. Die Messergebnisse sind in der Kurve von 6 aufgetragen, wo jede Kurve den Verlauf der Strahlenergie als, Funktion der Position x auf einer Höhe y = 1,5 cm (halbe Strecke zwischen den Elektroden 11, 12) entspricht, wobei der Nullpunkt der x-Achse auf der optischen Achse gewählt ist. Die Figur zeigt eine derartige Kurve für vier unterschiedliche V_PFN-Werte. In diesem Experiment wurde der HCl-Partialdruck konstant auf 80 Pa gehalten und der Xe-Partialdruck wurde konstant auf 840 Pa gehalten. Das Trägergas bestand aus Ne unter einem Druck von 4,5 bar.
Offensichtlich kann ein spezielles gewünschtes Profil des Strahls in der x-Richtung durch Wählen eines geeigneten Werts der Ladespannung und der Verzögerungszeit erzielt werden. Mit einer Ladespannung von 15 kV (Verzögerungszeit etwa 50 ns) ist das erzielte Profil ein glockenförmiges Profil. Bei Verringerung der Ladespannung tritt ein Abflachen dieses Profils auf, was einer Verbesserung der Gleichmäßigkeit bzw. Gleichförmigkeit der Strahlenergie entspricht. In dem gegebenen Beispiel scheint eine optimale Abflachung bei etwa 13,5 kV, entsprechend einer Verzögerung von etwa 75 ns, aufzutreten. Ein derartiges Profil wird als "Hutprofil" bezeichnet. Eine weitere Verringerung (auf 12 kV und weniger, Verzögerung etwa 100 ns) ist sogar Anlass für ein Profil mit einem lokalen Minimum im Zentrum und zwei außerachsigen Maxima, die in bestimmten Fällen erwünscht sein können.
Da die Ladespannung V_PFN des Hauptkondensatorsystems C_PFN ein Parameter ist, der innerhalb bestimmten Grenzen frei einstellbar ist, ohne dass Anpassungen der Laservorrichtung erforderlich sind und ohne ungünstige Auswirkung auf die Wirkung der Laservorrichtung, stellt die vorliegende Erfindung den wesentlichen Vorteil bereit, dass selbst während des Betriebs der Laservorrichtung das Breitenprofil des Laserstrahls variiert und in einfacher Weise durch entsprechende Variation und Einstellung der Ladespannung, beispielsweise durch Variation und Wählen der Primärspannung HV_sus eingestellt werden kann.
In Übereinstimmung mit einer zweiten Variante der Erfindung ist es auch möglich, in unterschiedlicher Weise eine geeignete Kombination aus Zeitverzögerung Δt und Elektronenwiederverteilungsrate zu erzielen, d. h., durch Variation der Elektronenwiederverteilungsrate. Diese Variante beruht auf der Einsicht der Erfinder, dass die Elektronen, die beim Zusammenbruch gebildet werden, durch die Halogenverbindungen eingefangen werden, die in dem Prozess ebenfalls gebildet werden, und dass die Anzahl der eingefangenen Elektronen pro Zeiteinheit von der Konzentration dieser Halogenverbindungen abhängt.
In Übereinstimmung mit dem Konzept der Erfindung ist es in relativ einfacher Weise möglich, die Konzentration dieser Halogenverbindungen zu variieren und zu wählen, wie nachfolgend erläutert.
Wie vorstehend angesprochen, wird das Gas nach seiner "Nutzung" aus der Gaskammer 2 entfernt und bevorzugt zur Gaskammer 2 über die Rückführleitung 33 rückgeführt. Um sicherzustellen, dass das Gas daraufhin die vorbestimmte Zusammensetzung aufweist und beibehält, wird das Gas, bevor es in die Gaskammer 2 zugeführt wird, in Wärmetauschkontakt mit einem Kondensationselement gebracht, das auch als "Reiniger" bezeichnet wird, mit der Konsequenz, dass der Partialdruck des Halogendonors, im diskutierten Beispiel HCl, dem Dampfdruck bei der Temperatur dieses Kondensationselements entspricht. Die Beziehung zwischen der Temperatur (T_pur) und dem Dampfdruck (P) von HCl und Xe im Bereich von 110 bis 140 K ist in 7 in grafischer Form gezeigt. Da die Temperatur dieses Kondensationselements exakt gewählt und konstant gehalten werden kann, kann der Partialdruck des Halogendonors ebenfalls exakt konstant gehalten werden.
Da die Natur und Konstruktion eines derartigen Kondensationselements nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet und ein Fachmann für das richtige Verständnis dieser Erfindung hierüber kein Wissen besitzen muss, während darüber hinaus von Kondensationselementen, die an sich bekannt sind, Gebrauch gemacht werden kann, werden sie vorliegend nicht näher erläutert.
BEISPIEL 3
In einem Experiment wurde die Beziehung zwischen dem Breitenprofil der Laserenergie und der Temperatur T_pur des Kondensationselements gemessen, wobei sämtlichen weiteren Parameter konstant gehalten wurden. Die Messergebnisse sind in der Kurve von 8 aufgetragen, in der jede Kurve dem Verlauf der Laserenergie als Funktion der Position x auf eine Höhe y = 1,5 cm (halbwegs zwischen den Elektroden 11, 12) entspricht, wobei der Nullpunkt der x-Achse auf der optischen Achse gewählt ist. Die Figur zeigt eine derartige Kurve für drei unterschiedliche T_pur-Werte. In diesem Experiment wurde die Ladespannung V_PFN auf 15 kV konstant gehalten und das Gasgemisch war praktisch vollständig aus Neon mit einem Neonpartialdruck von P(Ne) ≅ 4,5 bar gebildet.
Offensichtlich ist es möglich, ein spezielles gewünschtes Profil des Laserstrahls in der x-Richtung durch Wählen eines geeigneten Werts der Temperatur und dem Dampfdrucks zu halten. Bei einer Temperatur von 114 K (entsprechend K(HCl) 0,5 mbar und P(Xe) ≅ 5,5 mbar), ist das erzielte Profil ein glockenförmiges Profil. Bei Erhöhung der Temperatur findet ein Abflachen dieses Profils statt, was einer Verbesserung der Gleichmäßigkeit bzw. Gleichförmigkeit der Strahlintensität entspricht. In dem gezeigten Beispiel scheint eine optimale Abflachung bei etwa 116 K aufzutreten. Eine weitere Erhöhung (120K, entsprechend P(HCl) ≅ 1,3 mbar und P(Xe) 13,0 mbar) gibt Anlass für ein Profil mit einem lokalen Minimum im Zentrum und zwei ausgeprägten außerachsigen Maxima.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wird deshalb die Temperatur T_pur des Kondensationselements derart gewählt und eingestellt, dass der Halogendonordampfdruck, der mit der gewählten Temperatur verbunden ist, dem gewünschten Halogendonorpartialdruck entspricht, der mit der speziellen Verzögerungszeit Δt verbunden ist, um ein gewünschtes Laserstrahlprofil zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung kann von speziellem großen Nutzen sein zur Entwicklung einer Laservorrichtung mit höherer Wie derholungsfrequenz als sie bislang möglich war. Eine Wiederholungsfrequenz von 2 kHz ist erzielbar. Dies geht aus Folgendem hervor.
Wie bereits angesprochen, wird nach jeder Gasentladung das Gas in dem Entladungsraum 16 durch eine Gasstrom 31 in der x-Richtung aufgefrischt. Einer der Gründe hierfür ist, dass als Ergebnis der Gasentladung unerwünschte Reaktionsprodukte in dem Entladungsraum 16 gebildet werden. Dies bedeutet, dass eine nachfolgende Entladung nicht ausgelöst werden kann, bis der Entladungsraum 16 um ein ausreichendes Ausmaß geleert worden ist, oder mit anderen Worten nicht, bis das Gas in dem Entladungsraum 16 über eine ausreichend große Distanz in der x-Richtung verschoben worden ist. "Ausreichend groß" bedeutet hierbei, dass die Distanz größer ist als die Breite der gebildeten Gasentladung. Dies ist stark abhängig von der Breite der Vorionisierung, die wiederum von der Breite des Strahls der Ionsierungsstrahlung 21 abhängt, d. h., der Breite des Fensters 17.
Wenn eine höhere Wiederholungsfrequenz erwünscht ist, muss das Gas in dem Entladungsraum 16 schneller aufgefrischt werden. Bewirkt werden kann dies im Prinzip durch Erhöhen der Verschiebungsrate des Gases; über bestimmten Gasgeschwindigkeiten hinaus stößt dies jedoch an praktische Grenzen. Ein wesentliches Problem hierbei ist beispielsweise das Auftreten von Turbulenzen in dem Gasstrom.
Selbst bei gleicher Gasgeschwindigkeit kann in Übereinstimmung mit der Erfindung die Wiederholungsfrequenz noch beträchtlich erhöht werden durch Verringern der Breite des Fensters 17, beispielsweise auf 0,5 cm, so dass die Vorionisierung kleiner bzw. schmaler gemacht ist. Eine Konsequenz ist, dass das Profil des Laserstrahls 10 geändert wird, und insbesondere verringert ein schmaleres Fenster 17 die Gleichmäßigkeit bzw. Gleichförmigkeit des Strahls 10, weil der Strahl eine ziemlich hohe Intensität in seinem Zentrum aufweist und ausgehend von dort in Richtung auf die Ränder rasch schwächer wird; mit Hilfe der durch die Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen können diese Änderungen jedoch kompensiert werden und es ist insbesondere möglich, die Gleichförmigkeit des Strahlprofils wiederherzustellen.
Da es demnach in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Konzept möglich ist, die Breite, Qualität und Wiederholungsfrequenz des Laserstrahls von außen zu beeinflussen, d. h., ohne Eingriffe in den Laser an sich, wird ein beträchtliche Erweiterung des Arbeitsbereichs des Lasers in Übereinstimmung mit der Erfindung erzielt. Die Erfindung liefert dadurch einen wesentlichen Beitrag auf dem technischen Gebiet der Lasertechnologie durch Erweitern der Nutzbarkeit eines Lasers.
Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt sich, dass die Ausführungsform der dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung modifiziert bzw. abgewandelt werden kann, ohne vom Konzept der Erfindung oder dem Schutzumfang abzuweichen. Beispielsweise ist des demnach möglich, dass die Laservorrichtung ein Exzimerlaser mit einem anderen Gasgemisch ist oder ein transversal erregter Gaslaser eines anderen Typs. Beispielsweise ist hier der KrF-Exzimerlaser zu nennen.
Es kann auch ein anderes Puffergas, beispielsweise He, verwendet werden.
Ferner kann das Einstellen eines gewünschten Strahlprofils automatisiert werden, beispielsweise indem zunächst die Pro filbreite in einer Testphase mit Hilfe eines Computers gemessen wird, der das gemessene Profil mit einem vorab eingegebenem Profil (Hut) vergleicht und daraufhin einige Parameter variiert, bis das erzeugte Profil dem gesuchten Profil entspricht, um daraufhin während des Betriebs der Vorrichtung sicherzustellen, dass diese Parameter auf dem gewählten Wert gehalten werden.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Laserstahls (10), bei dem an ein zumindest teilweise ionisiertes Gas durch einen vorläufigen UV- oder Röntgenstrahlimpuls zu einem ersten Zeitpunkt ein erster Spannungsimpuls angelegt wird, um Elektronenvervielfachung zu bewirken, woraufhin zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweiter Impuls angelegt wird, um eine Gasentladung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass: Eine geeignete Kombination aus einerseits der Zeitdifferenz (Δt) zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt und andererseits einer Elektronenwiederverteilungsrate, die zwischen diesen Zeitpunkten auftritt, gewählt und eingestellt wird, so dass ein vorbestimmtes Intensitätsprofil, bevorzugt ein "Hutprofil" des Laserstrahls in einer Richtung senkrecht zur Strahlachse und senkrecht zum elektrischen Feld, erzeugt durch die Spannungsimpulse, erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zeitdifferenz (Δt) im Bereich von 30–400 ns, bevorzugt im Bereich von 50– 100 ns, am stärksten bevorzugt mit 75 ns gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitdifferenz (Δt) gewählt wird, indem beim Erzeugen der beiden Spannungsimpulse von einer Impulsquelle (15) Gebrauch gemacht wird, die dazu dient, zwei Spannungsimpulse mit einstellbarer Zeitverzögerung zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Spannungsimpuls mittels eines ersten Impulsformungsnetzwerks erzeugt wird und der zweite Spannungsimpuls mittels eines zweiten Impulsformungsnetzwerks erzeugt wird, wobei beide Impulsformungsnetzwerke voneinander mittels eines magnetisch sättigbaren Induktors (L_P) getrennt sind, wobei diese beiden Impulsformungsnetzwerke zum Erzeugen der beiden Spannungsimpulse auf vorbestimmte Spannungswerte (V_P, V_PFN) geladen werden, und der Spannungswert (V_PFN) des zweiten Impulsformungsnetzwerks (C_PFN) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 wobei der Spannungswert (V_PFN) des zweiten Impulsformungsnetzwerks im Bereich von 7–18 kV, bevorzugt im Bereich von 12–15 kV, am stärksten bevorzugt mit etwa 13,5 kV gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei der Spannungswert (V_PFN) des zweiten Impulsformungsnetzwerks durch Variation des Primärspannungswerts (HV_SUS) einer Versorgungsquelle für die beiden Impulsformungsnetzwerke gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Spannungsimpuls mittels eines ersten Impulsformungsnetzwerks erzeugt wird und der zweite Spannungsimpuls mittels eines zweiten Impulsformungsnetzwerks erzeugt wird, wobei die beiden Impulsformungsnetzwerke voneinander mittels eines magnetisch sättigbaren Induktors (L_P) getrennt werden, wobei diese beiden Impulsformungsnetzwerke zum Erzeugen der beiden Spannungsimpulse auf vorbestimmte Spannungswerte geladen werden, und wobei die Zeitdifferenz (Δt) durch Wählen einer geeigneten Menge des magnetisch sättigbaren Materials in dem magnetisch sättigbaren Induktor (L_P) gewählt und eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas ein Gemisch aus einer ersten aktiven Komponente, wie etwa Xe, einem Halogendonor, wie etwa HCl, und einem Trägergas, wie etwa Ne, ist, und wobei die Elektronenwiederverteilungsrate durch Variation des Partialdrucks von zumindest dem Halogendonor eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Partialdruck des Halogendonors im Bereich von 0,1 bis 20 mbar, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,3 mbar, am stärksten bevorzugt mit etwa 0,8 mbar gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Partialdruck des Halogendonors eingestellt wird, indem das Gasgemisch in Wärmetauschkontakt mit einem Kondensationselement gebracht wird, dessen Temperatur so gewählt und eingestellt ist, dass der Dampfdruck des Halogendonors bei der gewählten Temperatur dem gewünschten Partialdruck des Donors entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Temperatur des Kondensationselements im Bereich von 110–140 K, bevorzugt im Bereich von 110–125 K, und am stärksten bevorzugt mit etwa 116–117 K gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Parameter zum Erzielen eines Laserstrahls (10) mit gleichförmigem "Hut"-Intentsitätsprofil gewählt und eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl mit einer Wiederholungsfrequenz erzeugt wird, die beträchtlich höher als 1 kHz ist, und wobei die Kombination aus Zeitdifferenz (Δt) und Elektronenwiederverteilungsrate in Bezug au die Breite der Vorionisation gewählt und eingestellt wird.
Gaslaservorrichtung (1) zum Erzeugen eines Gaslaserstrahls (10), aufweisend eine Einrichtung (11, 12, 15) zum Anlegen eines ersten Spannungsimpulses zu einem ersten Zeitpunkt an ein zumindest teilweise ionisiertes Gas durch einen vorläufigen UV- oder Röntgenstrahlimpuls, um eine Elektronenvervielfachung zu bewirken, und eine Einrichtung (11, 12, 15), um daraufhin einen zweiten Spannungsimpuls zu einem zweiten Zeitpunkt anzulegen, um eine Gasentladung zu bewirken, wobei in der Laservorrichtung die Kombination aus einerseits der Zeitdifferenz (Δt) zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt und andererseits der Elektronenwiederverteilungsrate, die zwischen diesen Zeitpunkten auftritt, derart ist, dass der Laserstrahl (10) ein vorbestimmtes Intensitätsprofil, bevorzugt ein "Hutprofil" in einer Richtung (X) senkrecht zur Strahlachse und senkrecht zum elektrischen Feld aufweist, das durch die Spannungsimpulse erzeugt ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Zeitdifferenz (Δt) im Bereich von 30–400 ns, bevorzugt im Bereich von 50–100 ns, am stärksten bevorzugt mit 75 ns gewählt wird.
Laservorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, aufweisend eine Impulsquelle (15), die dazu ausgelegt ist, zwei Spannungsimpulse mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung in bezug aufeinander zu liefern.
Laservorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Impulsquelle (15) ein erstes Impulsformungsnetzwerk zum Erzeugen des Primärspannungsimpulses und ein zweites Impulsformungsnetzwerk zum Erzeugen der Hauptentladung aufweist, wobei die beiden Impulsformungsnetzwerke voneinander mittels eines magnetisch sättigbaren Induktors (L_P) getrennt sind, und wobei der Spannungswert (V_PFN) des zweiten Impulsformungsnetzwerts (C_PFN) im Bereich von 7–18 kV, bevorzugt im Bereich von 12–15 kV, besonders bevorzugt mit etwa 13,5 kV gewählt wird.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 14–17, wobei das Gas ein Gemisch aus einer ersten aktiven Komponente, wie etwa Xe, einem Halogendonor, wie etwa HCl, und einem Trägergas, wie etwa Ne, ist, und wobei der Partialdrucks des Halogendonors im Bereich von 0,1 bis 20 mbar, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,3 mbar, am stärksten bevorzugt vom etwa 0,8 mbar aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 18, aufweisend einen Reiniger, dessen Temperatur im Bereich von 110–140 K, bevorzugt im Bereich von 110–125 K, am stärksten bevorzugt bei etwa 116–117 K liegt.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 14–19, wobei der Laserstrahls (10) ein gleichförmiges "Hut"-Intentsitätsprofil aufweist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 14–20, aufweisend eine Quelle (20) für Ionisationsstrahlung (21) sowie ein strahlungstransparentes Fenster (17), dessen Breite variabel ist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 14–20, aufweisend einen Quelle (20) für Ionisationsstrahlung (21) sowie ein strahlungstransparentes Fenster (17), dessen Breite weniger als 2 cm, und bevorzugt etwa 0,5 cm beträgt.