NL9500197A - Werkwijze en inrichting voor het opwekken van een laserbundel. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze en inrichting voor het opwekken van een laserbundel

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het genereren van een laserbundel, en een laserapparaat voor het uitvoeren van de werkwijze.

Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een gepulste, transversaal geëxciteerde gasontladingslaser.

Een voorbeeld van een dergelijke laser is een excimeer-laser, zoals een XeCl-laser.

Een dergelijk laserapparaat heeft in het algemeen de volgende opbouw. Een gaskamer is voorzien van twee tegenover elkaar opgestelde elektroden, waaraan een spanning kan worden toegevoerd voor het opwekken van een elektrisch veld in de gaskamer, waarvan de hoofd-richting wordt aangeduid als y-richting. Een tussen die elektroden op te wekken plasma veroorzaakt versterking van licht door middel van gestimuleerde emissie. Een laserbundel kan worden gegenereerd met behulp van een resonator bestaande uit spiegels die tevens de gaskamer kunnen afsluiten. Ten minste één van deze spiegels dient gedeeltelijk doorlaatbaar te zijn voor het laserlicht opdat de laserbundel de gaskamer kan verlaten. De uittree-richting van de laserbundel staat loodrecht op de y-richting en wordt aangeduid als z-richting. De afmeting van de laserbundel in de y-richting wordt ook aangeduid als de hoogte. De dwarsafmeting van de laserbundel in de richting loodrecht op de y-richting, aan te duiden als x-richting, wordt ook aangeduid als de breedte. Een voorbeeld van een dergelijk laserapparaat is beschreven in de publicatie "A New Mode to Excite a Gas-Discharge XeCl Laser" van J.C.M. Timmermans, F.A. van Goor en W.J. Witteman in Applied Physics B, vol.57 (1993), biz.441-445. Bij een dergelijk apparaat vindt het opwekken van het licht-veroorzakend plasma in hoofdzaak in drie stappen plaats: In een eerste stap wordt het gas geïoniseerd door middel van straling, doorgaans röntgen straling. In een tweede stap wordt de elektronendichtheid verhoogd door middel van een voorontlading (doorslag) veroorzaakt door een relatief korte en hoge spanningspuls. In een derde stap vindt de hoofdontlading plaats, waarbij gedurende een relatief lange tijd een relatief grote stroom door het plasma vloeit.

Voor bepaalde toepassingen van de gegenereerde laserbundel is het gewenst, dat de laserbundel een zo uniform mogelijk profiel heeft in een zo groot mogelijk gebied van zijn dwarsdoorsnede. Daarmee wordt bedoeld, dat de intensiteiten Int(x,y) op verschillende plaatsen in de bundel zo goed mogelijk aan elkaar gelijk zijn, en dus zo min mogelijk afhankelijk van de afstanden x en y van die plaatsen ten opzichte van de hoofdas van de laserbundel, gemeten loodrecht op die hoofdas; en dat de bundel bij zijn rand zo scherp mogelijk begrensd is. Een voorbeeld van een toepassing waar een uniform laserbundelprofiel gewenst is, is het bewerken van een oppervlak via een schaduwmasker, bijvoorbeeld in de IC-technologie. Het is dan gewenst dat in alle punten van het te bewerken oppervlak een gelijke belichtingssterkte optreedt opdat een gelijke belichtingstijd resulteert in een gelijk bewerkingsresultaat (zoals bijvoorbeeld afbrand-diepte), in het bijzonder wanneer de bundel gebruikt wordt om meerdere producten tegelijkertijd te bewerken via een veelvoud van naast elkaar opgestelde, identieke maskers.

In het algemeen voldoet het laserbundelprofiel in de y-richting in voldoende mate aan genoemde uniformiteits-wens. De reden daarvoor is gelegen in de scherpe begrenzing die door de elektroden wordt geboden. Daarentegen is er bij conventionele lasers in de x-richting sprake van een geleidelijke afname van de intensiteit vanuit het bundelcentrum (x=0) naar de rand; een dergelijk conventioneel profiel kan worden aangeduid als een klok-vormig profiel.

Er zijn in de techniek reeds voorstellen gedaan om het laserapparaat zodanig aan te passen, dat het laserbundelprof iel in de x-richting een verbeterde uniformiteit heeft.

Deze voorstellen zijn gebaseerd op twee onderling verschillende principes.

Een eerste principe is een mechanisch principe, en betreft het gebruik van speciaal ontworpen elektroden met een geschikte vorm (profilering). Gebleken is echter, dat bij elektrode-vormen die een redelijke uniformiteit van het laserbundelprofiel zouden kunnen opleveren, de gasontlading instabiel wordt. Bij dit principe kan men dus hooguit een compromis bereiken tussen goede uniformiteit enerzijds en stabiele gasontlading anderzijds.

Een verder nadeel van dit mechanische principe is, dat het betrekkelijk ingewikkeld en duur is.

Voorts is een nadeel van dit eerste principe, dat het niet toepasbaar is bij een bestaand laserapparaat zonder ingrepen in dat laserapparaat, namelijk het vervangen van de elektroden.

Een tweede principe is een optisch principe, en betreft het verbeteren van de eigenlijke, door het laserapparaat zelf gegenereerde laserbundel met behulp van bij de uitgang van dat laserapparaat geplaatste optische middelen. Een voorbeeld van dit principe is beschreven in de publicatie "Improvement of the first Kilowatt XeCl laser for different specific applications" van B. Godard, P. Murer, M. Stehle, J. Bonnet en D. Pigache in SPIE vol.2206, blz.25-29, en betreft hun bijdrage aan de conferentie over "High-Power Gas and Solid State Lasers" die van 5 tot 8 april 1994 in Wenen, Oostenrijk is gehouden. Eigenlijk kan men dit principe niet beschouwen als een manier om een laserbundel met intrinsiek een goede uniformiteit te genereren, maar slechts als een manier voor het behandelen (verbeteren) van een laserbundel met een slechte uniformiteit.

Weliswaar kan dit optische principe worden toegepast bij een bestaand laserapparaat zonder ingrepen in dat laserapparaat, maar een nadeel is, dat het gebruik van de optische correctiemiddelen gepaard gaat met verliezen in bundelsterkte. Voorts heeft ook dit optische principe het nadeel, dat het betrekkelijk ingewikkeld en duur is.

Volgens beide genoemde principes wordt bij een bepaald ontwerp van het laserapparaat en/of van de optische correctiemiddelen een bepaald laserbundelprofiel bereikt. Aangezien dat ontwerp een vast gegeven is, is het niet mogelijk om tijdens het bedrijf van het laserapparaat het bundelprofiel te wijzigen en/of aan te passen aan veranderde bedrijfsomstandigheden .

De uitvinding beoogt een laserbundel met een gewenst laserbundelprofiel te verschaffen via een derde principe dat principieel verschilt van de reeds genoemde principes en dat geen last heeft van de genoemde nadelen.

De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat na de voorontlading zich tussen de laserelektroden een plasma bevindt met een vrij scherpe piek in de elektronendichtheid, en dat met het verstrijken van de tijd de elektronenverdeling breder en minder geconcentreerd wordt, terwijl het bundel-profiel in belangrijke mate wordt bepaald door het profiel van de elektronendichtheid op het moment van de hoofdstroom. Gebaseerd op dit inzicht wordt derhalve bij een werkwijze en inrichting volgens de onderhavige uitvinding een geschikte combinatie gekozen van enerzijds het moment van initiatie van de hoofdstroom en anderzijds de tijdafhankelijke vormverandering van het elektronendichtheidsprofiel.

In een eerste variant voorziet de uitvinding in het verschaffen van een instelbare en bestuurbare vertraging tussen de voorontlading en de hoofdstroom. In een tweede variant voorziet de uitvinding in het verschaffen van een instelbare en bestuurbare snelheid waarmee het elektronendichtheidsprofiel verandert met de tijd. Ook kunnen beide genoemde varianten gecombineerd worden.

Doordat bij voorkeur genoemde instellingen tot stand worden gebracht door het variëren van één of meerdere procesparameters, wordt als belangrijk voordeel bereikt, dat het bij één en hetzelfde laserapparaat mogelijk is om op een eenvoudige en flexibele wijze zelfs tijdens het bedrijf van het laserapparaat het bundelprofiel te wijzigen.

Deze en andere aspecten, kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen verduidelijkt worden door de hiernavolgende beschrijving van een voorkeursuitvoeringsvorm van een laserapparaat volgens de uitvinding, onder verwijzing naar de tekening, waarin: figuur 1 schematisch een zijaanzicht toont van een laserapparaat volgens de uitvinding; figuur 2 schematisch een dwarsdoorsnede toont van dat laserapparaat; figuur 3 een illustratief voorbeeld toont van het verloop van de spanning over en de stroom door de transversaal geëxciteerde gasontlading in een XeCl-laserapparaat volgens de uitvinding; figuur 4 een schakelschema toont van een voorbeeld van een excitatiecircuit voor de XeCl-laser volgens de uitvinding; figuur 4B een vereenvoudigde versie toont van het schakelschema van figuur 4; figuur 5 een grafiek is die het verband toont tussen oplaadspanning en tijdvertraging; figuur 6 een grafiek is die het breedteprofiel van de laserbundel toont bij verschillende waarden van de oplaadspanning; figuur 7 een grafiek is die de relatie toont tussen de temperatuur en de dampspanning van HC1 en Xe; en figuur 8 een grafiek is die het breedteprofiel van de laserbundel toont bij verschillende waarden van de gastemperatuur.

In de figuren 1 en 2 is een laserapparaat in zijn algemeenheid aangeduid met het verwijzingscijfer 1. Het laserapparaat 1 omvat een in het algemeen buisvormige gaskamer 2 en een optische as 3, die de z-as van een rechthoekig coördinatenstelsel definieert. Loodrecht op de optische as 3 zijn bij uiteinden van de gaskamer 2 eerste en tweede spiegels 6 en 7 opgesteld. De eerste spiegel 6 is niet-doorlatend, terwijl de tweede spiegel 7 gedeeltelijk doorlatend is en een uitgang voor een laserbundel 10 uit de gaskamer 2 definieert.

Evenwijdig aan de optische as 3, en aan weerszijden daarvan, zijn in de gaskamer 2 laserelektroden 11, 12 opgesteld, die via leidingen 13, 14 zijn verbonden met een buiten de gaskamer 2 opgestelde bron 15 voor elektrische energie. Een tussen de laserelektroden 11, 12 aangelegde spanning zal een elektrisch veld E opwekken dat in hoofdzaak spiegelsymmetrisch is en loodrecht staat op de optische as 3. Het symmetrievlak van het elektrisch veld E definieert in genoemd rechthoekig coördinatenstelsel het YZ-vlak. De ruimte tussen de laserelektroden 11, 12 zal worden aangeduid als ontladingsruimte 16.

Doorgaans vormt één van die elektroden 12 een wandge-deelte van de gaskamer 2. Onder die elektrode 12 is een bron 20 opgesteld voor ioniserende straling 21, doorgaans röntgenstraling of UV-straling. De straling 21 uit de bron 20 kan de ontladingsruimte 16 bereiken via een venster 17 in genoemde ene elektrode 12.

Voor een uitgebreidere beschrijving van een voorbeeld van ene dergelijk laserapparaat wordt verwezen naar de reeds genoemde publicatie "A New Mode to Excite a Gas-Discharge XeCl Laser" van J.C.M. Timmermans, F. A. van Goor en W.J. Witteman in Applied Physics B, vol.57 (1993), biz.441-445.

De werking van het laserapparaat 1 is op zich bekend, en zal derhalve hier slechts kort worden samengevat. De gaskamer 2 wordt gevuld met een geschikt gas of gasmengsel bij een geschikte druk. Met behulp van de bron 20 wordt een puls van ioniserende straling 21 naar het gasmengsel toegevoerd, waardoor in de ontladingsruimte 16 een deel van het daar aanwezige gas geïoniseerd zal worden. Typisch zal daarbij een elektronendichtheid van ca. 107 cm'^ worden bereikt.

Dan wordt aan de laserelektroden 11, 12 met behulp van de bron 15 een eerste spanningspuls aangelegd met een piekwaarde die voldoende is voor het bereiken van een doorslag, ten gevolge waarvan er elektronen-vermenigvuldiging in het plasma plaatsvindt. Typisch zal daarbij de elektronendichtheid toenemen tot ca. 1015 cm"^ .

Vervolgens levert de bron 15 een tweede spanningspuls, ook aangeduid als hoofd-puls, voor het veroorzaken van een gasontlading. Door de aan het plasma overgedragen energie zullen gasatomen en/of -moleculen geïoniseerd danwel geëxciteerd worden. Vervolgens zal er een proces van chemische reacties plaatsvinden, dat leidt tot de vorming van aangeslagen excimeermoleculen. De aangeslagen toestand is tevens het laser-bovenniveau. Ten slotte zullen deze moleculen hun energie verliezen ten gevolge van gestimuleerde emissie, hetgeen de hoeveelheid lichtquanten in de door de spiegels 6 en 7 gevormde optische resonator doet toenemen. Het opgewekte licht verlaat de gaskamer uiteindelijk via de tweede spiegel 7 als langs de optische as 3 gerichte laserbundel 10.

Het gas in de gaskamer 2 wordt ververst middels een volgens de x-as gerichte gasstroming 31, opgewekt door bijvoorbeeld een ventilator 30. Het afgevoerde gas kan worden opgevangen in een leiding 32 en, eventueel na reiniging, via een terugvoerleiding 33 worden teruggevoerd naar de ingang van de ventilator 30.

Na het doven van de hoofdstroom kan het bovenbeschreven proces worden herhaald. In de praktijk zijn herhalings-frequenties van ca. 1 kHz gerealiseerd.

Figuur 3 toont een illustratief voorbeeld van het verloop van de spanning V over de laserelektroden 11, 12 en de stroom I door de gasontlading als functie van de tijd t. Hierbij is het nulpunt van de tijdas gekozen op het tijdstip waarop genoemde doorslag optreedt. Duidelijk blijkt uit deze figuur dat in het geïllustreerde voorbeeld de hoofdstroom, waarvan het maximum optreedt bij ca. 300 ns, ten opzichte van die doorslag is vertraagd met een tijdvertraging At van ongeveer 100 ns .

Het optreden van een dergelijke vertraging is op zich bekend, zoals bijvoorbeeld blijkt uit figuur 4 van genoemde publicatie in Applied Physics B, vol.57 (1993), blz.441-445.

Tot dusverre beschouwen deskundigen die vertraging echter als een nadeel, getuige in het bijzonder de tekst op blz.140, regels 10-13 van de publicatie "Magnetic-spiker electrical circuits for gas discharge lasers" van R.S. Taylor, K.E. Leopold en M. von Dadelszen in SPIE vol.2206, blz.130-143, welke publicatie hun bijdrage betreft aan de reeds genoemde conferentie over "High-Power Gas and Solid State Lasers" die van 5 tot 8 april 1994 in Wenen, Oostenrijk is gehouden.

De onderhavige uitvinding is gebaseerd op het inzicht, dat het mogelijk is om nuttig gebruik te maken van genoemde tijdvertraging At, en dat het, in een eerste realiserings-variant van de uitvindingsgedachte, zelfs mogelijk is om met betrekkelijk eenvoudige middelen genoemde tijdvertraging At te variëren en daardoor het breedte-profiel van de laserbundel 10 op een nuttige manier te manipuleren, zonder afbreuk te doen aan de laserwerking van het laserapparaat 1.

Naar het huidige inzicht van de uitvinders is een mogelijke verklaring voor de invloed van een variatie in de tijdvertraging At op het breedte-profiel van de laserbundel 10 als volgt. Op het moment van doorslag ontstaat een plasma met een ten opzichte van het YZ-vlak symmetrische verdeling van de elektronendichtheid, welke verdeling vrij scherp is met een vrij hoog maximum. Tegelijkertijd zijn echter halogeen-verbindingen in aangeslagen vibratie-toestanden gevormd. Met het verstrijken van de tijd kunnen de gevormde elektronen worden ingevangen door die halogeenverbindingen, waarbij dissociatie optreedt. Indien de concentratie van de moleculen groter is, bijvoorbeeld een orde van grootte, dan de elektronendichtheid, zal er ook een ruimtelijke herverdeling plaatsvinden van de elektronendichtheid vanwege het feit dat de initiële ruimtelijke verdeling van de halogeenverbindingen in aangeslagen vibratie-toestanden ongeveer gelijk is aan die van de elektronen. In het hiernavolgende zal de snelheid waarmee die ruimtelijke herverdeling van de elektronendichtheid plaatsvindt, worden aangeduid als elektronen-herverdelingssnelheid.

Door nu een geschikte waarde te kiezen voor de tijdvertraging At, en wel zodanig dat de hoofdstroom optreedt bij een geschikt ruimtelijk verdelingsprofiel van de elektronendichtheid, kan een laserbundel met een geschikt bundelprofiel worden opgewekt.

Omgekeerd kan, door een geschikte waarde te kiezen voor de elektronen-herverdelingssnelheid, worden bewerkstelligd dat zelfs bij een vaste waarde van de tijdvertraging At een geschikt ruimtelijk verdelingsprofiel van de elektronendichtheid aanwezig is op het moment dat de hoofdstroom optreedt, waardoor eveneens een laserbundel met een geschikt bundelprofiel kan worden opgewekt.

Binnen het kader van de uitvindingsgedachte is het ook mogelijk, om voor beide grootheden, dat wil zeggen zowel voor de tijdvertraging At als voor de elektronen-herverdelings-snelheid, geschikte waarden te kiezen en in te stellen.

Thans zullen voorbeelden worden besproken van manieren waarop het instellen van de tijdvertraging gerealiseerd kan worden.

Figuur 4 toont een principeschema van een voorbeeld van een spanningsbron 15 die in staat is om bij zijn uitgang, dat wil zeggen aan de laserelektroden 11, 12, twee opeenvolgende pulsen te leveren teneinde in de laser twee opeenvolgende ontladingen te genereren. Deze uitvoeringsvorm is uitgebreid besproken in genoemde publicatie in Applied Physics B, vol.57 (1993), blz.441-445. Figuur 4B toont een vereenvoudigd schema van dat excitatiecircuit onder weglating van enkele niet-essentiële details. Het werkingsprincipe hiervan, dat in genoemde publicatie uitgebreider wordt beschreven, zal thans kort worden samengevat.

Uit een bron voor primaire spanning HVSUS wordt, door het sluiten van een eerste schakelaar Tsus, een hoofdcondensator-stelsel Cpfn opgeladen tot een oplaadspanning Vpfn, waarbij een oplaadstroom vloeit via een eerste magnetisch verzadigbare inductor Lc en een tweede verzadigbare inductor Lp. Tevens wordt een peaking condensator Cp opgeladen tot een spanning VP.

Na een zekere tijd wordt een tweede schakelaar Ispi gesloten, waardoor door een resonant ladingoverdracht-mechanisme de peaking condensator CP wordt opgeladen tot een hoge spanning die de voorontlading (doorslag) veroorzaakt. Daarna wordt de hoofdontlading veroorzaakt vanuit het hoofdcondensatorstelsel Cpfn? waarbij tussen de doorslag en de hoofdontlading een tijdvertraging At optreedt doordat eerst de tweede verzadigbare inductor Lp in verzadiging gebracht moet worden.

De tijd die daarvoor nodig is, is onder meer afhankelijk van de hoeveelheid magnetisch verzadigbaar materiaal in deze inductor, en voldoet aan de wet van Faraday, in formulevorm uitgedrukt als Jvdt = Α-ΔΒ, waarbij V de spanning over de tweede verzadigbare inductor Lp is, A het magnetische oppervlak is, en ΔΒ de verandering van de magnetische inductie is.

Volgens een eerste uitvoeringsvorm van deze variant van de onderhavige uitvinding wordt de hoeveelheid magnetisch verzadigbaar materiaal in de tweede verzadigbare inductor LP gekozen voor het bereiken van een gewenste tijdvertraging At die is gekozen in relatie tot de elektronen-herverdelings-snelheid voor het bereiken van een gewenst breedteprofiel van de laserintensiteit.

Als alternatief is het in principe mogelijk om de waarden van de capaciteiten en inducties in het excitatiecircuit aan te passen, maar dit verdient niet de voorkeur, aangezien deze waarden zijn gekozen voor optimalisatie van de gasontlading en wijziging van deze waarden doorgaans gepaard gaat met een verslechtering van de kwaliteit van de gasontlading.

Het instellen van een gewenste tijdvertraging At betekent in deze uitvoeringsvorm dus het aanbrengen van wijzigingen in de stroombron 15, waarbij het laserapparaat 1 zelf ongewijzigd blijft. Hoewel het op deze manier mogelijk is om het gewenste resultaat, dat wil zeggen een voorafbepaalde tijdvertraging, te bereiken zonder ingreep in het laserapparaat 1 zelf, zodat de genoemde maatregel kan worden toegepast bij bestaande laserapparaten om bij die laserapparaten een gewenst bundel-profiel te verschaffen, wordt hierdoor slechts een star geheel bereikt met een gefixeerde tijdvertraging. Immers, voor het wijzigen van de tijdvertraging moeten componenten van de excitatieketen worden vervangen, hetgeen een ingewikkelde en tijdrovende handeling is.

In een voorkeursuitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding is genoemde tijdvertraging At op eenvoudige wijze instelbaar en bestuurbaar door de oplaadspanning Vpfn van het hoofdcondensatorstelsel Cpfn te variëren. Dit kan op eenvoudige wijze worden bereikt door de primaire spanning HVSUS te variëren. In het voorbeeld van figuur 3 was de oplaadspanning Vpfn gelijk gekozen aan 12 kV.

VOORBEELD 1

In een experiment is het verband gemeten tussen de oplaad-spanning VppN en de resulterende tijdvertraging At.

Het in dit experiment gebruikte laserapparaat 1 is vergelijkbaar met het apparaat dat reeds in genoemde publicatie van J.C.M. Timmermans et al in Applied Physics B is beschreven. Hierbij had het venster 17 een breedte van ca. 2 cm, bedroeg de afstand tussen de elektroden 11 en 12 ca. 3 cm, en had de gasontlading een z-afmeting van ca. 80 cm.

In de bron 15 was: Cc = 5 nF, Cp = 3 nF, Cpfn ~ 600 nF De gaskamer 2 was gevuld met een mengsel van HC1, Xe en Ne met een totaaldruk van ca. 4,5 bara (4,5-105 Pa), waarbij de partiële drukken van HC1 en Xe gelijk werden gehouden aan respectievelijk 0,8 mbar (80 Pa) en 8,4 mbar (840 Pa).

De meetresultaten zijn weergegeven in de grafiek van figuur 5. In figuur 5 is Vppu uitgedrukt in veelvouden van Vss, die in dit geval ca. 3,9 kV bedroeg. Hierbij wordt met Vss bedoeld: de spanning over de ontlading gedurende de zgn. stationaire toestand die optreedt als bij de hoofdontlading het elektronenverlies ten gevolge van dissociatieve attachment aan HC1 gelijk is aan de productie van elektronen ten gevolge van ionisaties; de waarde van Vss is alleen afhankelijk van de samenstelling en de druk van het gas en van de elektrode-afstand.

Naar het huidige inzicht van de uitvinders is een mogelijke verklaring van de invloed van de oplaadspanning VPFN van het hoofdcondensatorstelsel CPPn °P de optredende vertragingstijd At als volgt.

Zoals reeds vermeld, kan de inductor Lp pas gaan geleiden als deze in de juiste richting in verzadiging is gebracht, hetgeen gebeurt wanneer de tijdintegraal van de spanning over de inductor gelijk wordt aan of groter wordt dan het product van het magnetisch oppervlak en de maximaal bereikte magnetische inductieverandering (zie de reeds genoemde wet van Faraday). Hoe hoger nu de oplaadspanning VPFn is, des te eerder bereikt die tijdintegraal genoemd grensproduct, oftewel des te korter is genoemde vertragingstijd.

VOORBEELD 2

In een experiment is het verband gemeten tussen het breedte-profiel van de laserenergie en de oplaadspanning VPFn van de hoofdcondensator, waarbij alle overige parameters constant werden gehouden. De meetresultaten zijn weergegeven in de grafiek van figuur 6. Hierin correspondeert elke curve met het verloop van de bundelenergie als functie van de plaats x bij een hoogte y = 1,5 cm (midden tussen de elektroden 11, 12), waarbij het nulpunt van de x-as is gekozen bij de optische as. In de figuur is voor vier verschillende waarden van VPFN een dergelijke curve weergegeven. Bij dit experiment werd de partiële HCl-druk constant gehouden op 80 Pa en werd de partiële Xe-druk constant gehouden op 840 Pa. Het dragergas werd gevormd door Ne bij een druk van 4,5 bar.

Duidelijk blijkt dat het mogelijk is om een bepaald gewenst profiel van de bundel in de x-richting te verkrijgen door een geschikte waarde van de oplaadspanning respectievelijk vertragingstijd te kiezen. Bij een laad-spanning van 15 kV (vertraging ca. 50 ns) is het bereikte profiel een klokvormig profiel. Bij verlaging van de laad-spanning treedt een afplatting op van dit profiel, hetgeen correspondeert met een verbetering van de uniformiteit van de bundelenergie. In het weergegeven voorbeeld lijkt een optimale afplatting op te treden bij ca. 13,5 kV, corresponderend met een vertraging van ca. 75 ns. Een dergelijk profiel wordt aangeduid met de term "tophat-profiel". Bij verdere verlaging (12 kV en minder, vertraging ca. 100 ns) treedt zelfs een profiel op met een lokaal minimum in het centrum en twee off-axis maxima, hetgeen in bepaalde gevallen gewenst kan zijn.

Aangezien de oplaadspanning VPfn van het hoofd-condensatorstelsel CPfn een binnen bepaalde grenzen vrij instelbare parameter is, zonder dat aanpassingen aan het laserapparaat nodig zijn, en zonder dat de werking van het laserapparaat op nadelige wijze wordt beïnvloed, biedt de onderhavige uitvinding het belangrijke voordeel dat, zelfs tijdens het bedrijf van het laserapparaat, het breedteprofiel van de laserbundel op eenvoudige wijze kan worden gevarieerd en ingesteld door een corresponderende variatie en instelling van die oplaadspanning, bijvoorbeeld door variatie en instelling van de primaire spanning HVSUS.

Volgens een tweede variant van de uitvinding is het ook mogelijk om op een andere manier een geschikte combinatie te verkrijgen van de tijdvertraging At en de elektronen-herverdelingssnelheid, en wel door variatie van de elektronen-herverdelingssnelheid. Deze variant is gebaseerd op het inzicht van de uitvinders, dat de bij de doorslag gevormde elektronen worden ingevangen door de daarbij tevens gevormde halogeenverbindingen, en dat het per tijdseenheid ingevangen aantal elektronen afhankelijk is van de concentratie van die halogeenverbindingen. Volgens de uitvindingsgedachte is het op relatief eenvoudige wijze mogelijk om de concentratie van die halogeenverbindingen te variëren en in te stellen, zoals in het hiernavolgende zal worden beschreven.

Zoals reeds is vermeld, wordt het gas na "gebruik" uit de gaskamer 2 weggevoerd, en bij voorkeur via een terugvoerlei-ding 33 weer teruggevoerd naar de gaskamer 2. Om te verzekeren dat het gas daarbij een voorafbepaalde samenstelling heeft en behoudt, wordt het gas, alvorens het wordt toegevoerd naar de gaskamer 2, in warmte-uitwisselend contact gebracht met een condensatie-orgaan, ook wel aangeduid als "purifier", hetgeen tot gevolg heeft dat de partiële druk van de halogeendonor, in het besproken voorbeeld HC1, overeenkomt met de dampspanning daarvan bij de temperatuur van dat condensatie-orgaan. De relatie tussen de temperatuur (Tpur) en de dampspanning (P) van HC1 en Xe in het gebied van 110 tot 140 K is in grafiekvorm getoond in figuur 7. Aangezien die temperatuur van dat condensatie-orgaan nauwkeurig kan worden ingesteld en constant gehouden, kan ook de partiële druk van de halogeendonor nauwkeurig constant worden gehouden.

Aangezien de aard en constructie van een dergelijk condensatie-orgaan geen onderwerp vormt van de onderhavige uitvinding, en kennis daarvan voor een goed begrip van de onderhavige uitvinding niet nodig is voor een deskundige, terwijl bovendien gebruik gemaakt kan worden van op zich bekende condensatie-organen, zal dit niet nader worden beschreven.

VOORBEELD 3

In een experiment is het verband gemeten tussen het breedte-profiel van de laserenergie en de temperatuur Tpur van het condensatie-orgaan, waarbij alle overige parameters constant werden gehouden. De meetresultaten zijn weergegeven in de grafiek van figuur 8. Hierin correspondeert elke curve met het verloop van de laserenergie als functie van de plaats x bij een hoogte y = 1,5 cm (midden tussen de elektroden 11, 12), waarbij het nulpunt van de x-as is gekozen bij de optische as. In de figuur is voor drie verschillende waarden van Tpur een dergelijke curve weergegeven. Bij dit experiment werd de oplaadspanning VppN constant gehouden op 15 kV, en werd het gasmengsel vrijwel volledig gevormd door neon met een partiële neondruk van P(Ne) = 4,5 bar.

Duidelijk blijkt dat het mogelijk is om een bepaald gewenst profiel van de laserbundel in de x-richting te verkrijgen door een geschikte waarde van de temperatuur respectievelijk dampspanning te kiezen. Bij een temperatuur van 114 K (corresponderend met P(HC1) =0,5 mbar en P(Xe) = 5,5 mbar) is het bereikte profiel een klokvormig profiel. Bij verhoging van de temperatuur treedt een afplatting op van dit profiel, hetgeen correspondeert met een verbetering van de uniformiteit van de bundelintensiteit. In het weergegeven voorbeeld lijkt een optimale afplatting op te treden bij ca. 116 K. Bij verdere verhoging (120 K, corresponderend met P(HC1) =1,3 mbar en P(Xe) = 13,0 mbar) treedt een profiel op met een lokaal minimum in het centrum en twee uitgesproken off-axis maxima.

Volgens de uitvinding wordt derhalve de temperatuur Tpur van het condensatie-orgaan zodanig gekozen en ingesteld, dat de bij de ingestelde temperatuur behorende dampspanning van de halogeendonor correspondeert met de gewenste partiële druk daarvan, behorend bij een bepaalde vertragingstijd At om een gewenst laserbundelprofiel te leveren.

De onderhavige uitvinding kan van bijzonder veel nut zijn voor het ontwikkelen van een laserapparaat met een hogere herhalingsfrequentie dan tot op heden mogelijk is. Hierdoor zal een herhalingsfrequentie van 2 kHz bereikbaar kunnen zijn. Dit kan als volgt worden ingezien.

Zoals reeds vermeld, wordt na elke gasontlading het gas in de ontladingsruimte 16 ververst door een gasstroom 31 in de x-richting. Een van de redenen daarvoor is, dat als gevolg van de gasontlading in de ontladingsruimte 16 ongewenste reactie-producten gevormd worden. Dit betekent, dat een volgende ontlading pas getriggerd kan worden als de ontladingsruimte 16 in voldoende mate geschoond is, of, met andere woorden, als het gas in de ontladingsruimte 16 over een voldoend grote afstand in de x-richting is verplaatst. "Voldoend groot" wil hier zeggen, dat die afstand groter is dan de breedte van de gevormde gasontlading. Deze hangt grotendeels af van de breedte van de voor-ionisatie, die op zijn beurt weer afhangt van de breedte van de bundel van ioniserende straling 21, oftewel de breedte van het venster 17.

Indien een grotere herhalingsfrequentie gewenst is, zal het gas in de ontladingsruimte 16 sneller ververst moeten worden. Dit zou in principe kunnen door de verplaatsings-snelheid van het gas te vergroten, maar bo^en bepaalde gassnelheden stuit een verdere verhoging op praktische bezwaren. Een belangrijk probleem daarbij is bijvoorbeeld het optreden van turbulenties in de gasstroom.

Volgens de uitvinding kan, zelfs bij gelijkblijvende gassnelheid, de herhalingsfrequentie toch aanzienlijk worden vergroot door verkleining van de breedte van het venster 17, bijvoorbeeld tot 0,5 cm, waardoor de voor-ionisatie wordt versmald. Weliswaar is een consequentie daarvan, dat het profiel van de laserbundel 10 wordt veranderd, en meer in het bijzonder zal een smaller venster 17 de uniformiteit van de bundel 10 verminderen doordat de bundel in zijn centrum een vrij grote intensiteit zal krijgen en van daaruit naar de randen toe snel zwakker zal worden, maar met behulp van de door de uitvinding voorgestelde maatregelen kunnen dergelijke veranderingen worden gecompenseerd en is het in het bijzonder mogelijk om de uniformiteit van het bundelprofiel te herstellen.

Aangezien het aldus volgens de uitvindingsgedachte mogelijk is om van buitenaf, dat wil zeggen zonder ingrepen in de eigenlijke laser zelf, de breedte, kwaliteit en herhalings-frequentie van de laserbundel te beïnvloeden, wordt volgens de uitvinding een aanzienlijke verruiming bereikt van het werkgebied van de laser. Hierdoor levert de uitvinding een belangrijke bijdrage aan het vakgebied van de lasertechnologie door de inzetbaarheid van een laser te vergroten.

Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat het mogelijk is de weergegeven uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding te veranderen of te modificeren, zonder de uitvindingsgedachte of de beschermingsomvang te verlaten. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat het laserapparaat een excimeer-laser is met een ander gasmengsel, of een transversaal geëxciteerde gaslaser van een ander type. Bij wijze van voorbeeld kan hier de KrF excimeerlaser genoemd worden

Ook is het mogelijk om een ander buffergas te gebruiken, bijvoorbeeld He.

Voorts is het mogelijk om het instellen van een gewenst bundelprofiel te automatiseren, namelijk door eerst in een testfase het bundelprofiel te meten met behulp van een computer, die het gemeten profiel vergelijkt met een vooraf ingegeven profiel (tophat), en die vervolgens enkele parameters varieert totdat het geleverde profiel overeenkomt met het gevraagde profiel, om vervolgens tijdens het bedrijf van het apparaat er voor te zorgen dat die parameters de ingestelde waarde blijven houden.

Claims (29)

1. Werkwijze voor het genereren van een laserbundel, waarbij aan een althans gedeeltelijk geïoniseerd gas op een eerste tijdstip een eerste spanningspuls wordt aangelegd voor het tot stand brengen van een elektronenvermenigvuldiging, en daarna op een tweede tijdstip een tweede spanningspuls wordt aangelegd voor het tot stand brengen van een gasontlading; met het kenmerk: dat een geschikte combinatie wordt gekozen en ingesteld van enerzijds het tijdverschil (At) tussen het eerste tijdstip en het tweede tijdstip en anderzijds een tussen die tijdstippen optredende elektronen-herverdelingssnelheid, zodanig dat een gewenst profiel van de laserbundel in een richting loodrecht op de bundelas en loodrecht op het door de spanningspulsen opgewekte elektrische veld wordt bereikt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het genoemde tijdverschil (At) wordt gekozen in het gebied van 30-400 ns, met voorkeur in het gebied van 50-100 ns, met de meeste voorkeur bij ca. 75 ns.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij het genoemde tijdverschil (At) wordt ingesteld door bij het opwekken van genoemde twee spanningspulsen gebruik te maken van een pulsbron (15) die is ingericht voor het leveren van twee spanningspulsen met instelbare tijdvertraging.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij de eerste spanningspuls wordt opgewekt door middel van een eerste pulsvormend netwerk en de tweede spanningspuls wordt opgewekt door middel van een tweede pulsvormend netwerk, welke twee pulsvormende netwerken van elkaar gescheiden zijn door middel van een magnetisch verzadigbare inductor (LP); waarbij die twee pulsvormende netwerken voor het opwekken van de twee spanningspulsen worden opgeladen tot voorafbepaalde spanningswaarden (Vp, Vpfn) ; en waarbij het genoemde tijdverschil (At) wordt gekozen en ingesteld door variatie van de spanningswaarde (Vpfn) van het tweede pulsvormend netwerk (Cpfn)·

5. Werkwijze volgens conclusie 4, waarbij genoemde spanningswaarde (Vpfn) van het tweede pulsvormend netwerk wordt gekozen in het gebied van 7-18 kV, met voorkeur in het gebied van 12-15 kV, met de meeste voorkeur bij ca. 13,5 kV.

6. Werkwijze volgens conclusie 3, 4 of 5, waarbij genoemde spanningswaarde (Vpfn) van het tweede pulsvormend netwerk wordt ingesteld door variatie van de primaire spanningswaarde (HVSUS) van een voedingsbron voor de beide pulsvormende netwerken.

7. Werkwijze volgens conclusie 3, waarbij de eerste spanningspuls wordt opgewekt door middel van een eerste pulsvormend netwerk en de tweede spanningspuls wordt opgewekt door middel van een tweede pulsvormend netwerk, welke twee pulsvormende netwerken van elkaar gescheiden zijn door middel van een magnetisch verzadigbare inductor (Lp); waarbij die twee pulsvormende netwerken voor het opwekken van de twee spanningspulsen worden opgeladen tot voorafbepaalde spanningswaarden; en waarbij het genoemde tijdverschil (At) wordt gekozen en ingesteld door het kiezen van een geschikte hoeveelheid van het magnetisch verzadigbare materiaal in de magnetisch verzadigbare inductor (Lp).

8. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het genoemde gas een mengsel omvat van een eerste actieve component zoals Xe, een halogeendonor zoals HC1, en een dragergas zoals Ne, en waarbij genoemde elektronen-herverdelingssnelheid wordt ingesteld door variatie van de partiële druk van althans de halogeendonor.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij de partiële druk van de halogeendonor wordt gekozen in het gebied van 0,1 tot 20 mbar, met voorkeur in het gebied van 0,5 tot 1,3 mbar, met de meeste voorkeur bij ca. 0,8 mbar.

10. Werkwijze volgens conclusie 8 of 9, waarbij de partiële druk van de halogeendonor wordt ingesteld door het gasmengsel in warmte-uitwisselend contact te brengen met een condensatie-orgaan waarvan de temperatuur wordt gekozen en ingesteld opdat de dampspanning van de halogeendonor bij de ingestelde temperatuur overeenkomt met de gewenste partiële druk van de halogeendonor.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij de temperatuur van het condensatie-orgaan wordt gekozen in het gebied van 110-140 K, met voorkeur in het gebied van 110-125 K, met de meeste voorkeur bij ca. 116-117 K.

12. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de parameters worden gekozen en ingesteld voor het bereiken van een uniform laserbundelprofiel (tophat-profiel).

13. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de genoemde laserbundel wordt opgewekt met een herhalings-frequentie die aanzienlijk groter is dan 1 kHz, en waarbij genoemde combinatie van tijdverschil (At) en elektronen-herverdelingssnelheid wordt gekozen en ingesteld in relatie tot de breedte van de voorionisatie.

14. Laserapparaat voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, voorzien van middelen voor het instellen van de tijdvertraging At tussen de primaire spanningspuls en de hoofdontlading.

15. Laserapparaat volgens conclusie 14, voorzien van een pulsbron (15) die is ingericht voor het leveren van twee spanningspulsen met instelbare tijdvertraging.

16. Laserapparaat volgens conclusie 15, waarbij de pulsbron (15) een eerste pulsvormend netwerk omvat voor het opwekken van de primaire spanningspuls en een tweede pulsvormend netwerk omvat voor het opwekken van de hoofdontlading, welke twee pulsvormende netwerken van elkaar gescheiden zijn door middel van een magnetisch verzadigbare inductor (Lp); en waarbij is voorzien in middelen voor het variëren van de spanningswaarde (Vpfn) van het tweede pulsvormend netwerk (Cpfn) ·

17. Laserapparaat volgens conclusie 16, waarbij is voorzien in middelen voor het variëren van de primaire spanningswaarde (HVSUS) van een voedingsbron voor de beide pulsvormende netwerken.

18. Laserapparaat voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één der conclusies 1-13, voorzien van middelen voor het instellen van de elektronen-herverdelingssnelheid.

19. Laserapparaat volgens conclusie 18, waarbij het genoemde gas een mengsel omvat van een eerste actieve component zoals Xe, een halogeendonor zoals HC1, en een dragergas zoals Ne, en waarbij is voorzien in organen voor het instellen van de partiële druk van althans de halogeendonor.

20. Laserapparaat volgens conclusie 19, voorzien van een purifier en van middelen voor het instellen van de temperatuur van de purifier.

21. Laserapparaat voor het genereren van een laserbundel, voorzien van middelen om aan een althans gedeeltelijk geïoniseerd gas op een eerste tijdstip een eerste spanningspuls aan te leggen voor het tot stand brengen van een elektronenvermenigvuldiging, en van middelen om daarna op een tweede tijdstip een tweede spanningspuls aan te leggen voor het tot stand brengen van een gasontlading; bij welk laserapparaat de combinatie van enerzijds het tijdverschil (At) tussen het eerste tijdstip en het tweede tijdstip en anderzijds een tussen die tijdstippen optredende elektronen-herverdelingssnelheid zodanig is, dat de laserbundel een gewenst profiel heeft in een richting loodrecht op de bundelas en loodrecht op het door de spanningspulsen opgewekte elektrische veld.

22. Laserapparaat volgens conclusie 21, waarbij het genoemde tijdverschil (At) zich bevindt in het gebied van 30-400 ns, met voorkeur in het gebied van 50-100 ns, met de meeste voorkeur bij ca. 75 ns.

23. Laserapparaat volgens conclusie 21 of 22, voorzien van een pulsbron (15) die is ingericht voor het leveren van twee spanningspulsen met een voorafbepaalde tijdvertraging daartussen.

24. Laserapparaat volgens conclusie 23, waarbij de pulsbron (15) een eerste pulsvormend netwerk omvat voor het opwekken van de primaire spanningspuls en een tweede pulsvormend netwerk omvat voor het opwekken van de hoofdontlading, welke twee pulsvormende netwerken van elkaar gescheiden zijn door middel van een magnetisch verzadigbare inductor (Lp); en waarbij de spanningswaarde (Vp^) van het tweede pulsvormend netwerk (Cpfn) is gelegen in het gebied van 7-18 kV, met voorkeur in het gebied van 12-15 kV, met de meeste voorkeur bij ca. 13,5 kV.

25. Laserapparaat volgens één der conclusies 21-24, waarbij het genoemde gas een mengsel omvat van een eerste actieve component zoals Xe, een halogeendonor zoals HC1, en een dragergas zoals Ne, en waarbij de partiële druk van de halogeendonor is gelegen in het gebied van 0,1 tot 20 mbar, met voorkeur in het gebied van 0,5 tot 1,3 mbar, met de meeste voorkeur bij ca. 0,8 mbar.

26. Laserapparaat volgens conclusie 25, voorzien van een purifier waarvan de temperatuur is gelegen in het gebied van 110-140 K, met voorkeur in het gebied van 110-125 K, met de meeste voorkeur bij ca. 116-117 K.

27. Laserapparaat volgens één der conclusies 21-26, waarbij de laserbundel een uniform profiel (tophat-profiel) heeft.

28. Laserapparaat volgens één der conclusies 14-27, voorzien van een bron (20) voor ioniserende straling (21), alsmede een stralingsdoorlaatvenster (17) waarvan de breedte variabel is.

29. Laserapparaat volgens één der conclusies 14-27, voorzien van een bron (20) voor ioniserende straling (21), alsmede een stralingsdoorlaatvenster (17) waarvan de breedte minder is dan 2 cm en bij voorkeur ongeveer 0,5 cm is.