專利名稱：光學性能恢復設備、恢復方法以及用于該設備的光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于通過防止、抑制或改進存在于輸出光線或沿所述輸出光線的光線路徑的光學系統(tǒng)的光學性能的衰減，改進光學系統(tǒng)的光學性能的可靠性和壽命的設備和方法，其中所述光學系統(tǒng)設置在有機成分可以分解的近真空區(qū)，所述衰減通過沉積或積聚在所述光學系統(tǒng)的光線照射表面、光線反射表面、光線發(fā)射表面(共同稱為"光線表面")上的碳產(chǎn)生，而所述表面面對所述真空區(qū)。更具體地說，其涉及一種光學性能恢復設備和使用其的方法，此光學性能恢復設備通過利用高光子能光線如常規(guī)的紫外線或真空紫外線，用于改進設置在產(chǎn)生光線透射、折射、反射、光譜產(chǎn)生和干涉等綜合效果的各種光學設備的光傳輸窗口外面的各種光學系統(tǒng)的光學性能。
此外，本發(fā)明涉及各種光學設備和使用其的方法中的光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)改進各種產(chǎn)生光線透射、折射、反射、光譜產(chǎn)生和干涉等綜合效果的各種光學設備的光傳輸窗口內(nèi)的光學性能，光學系統(tǒng)設置在高光子能光線如常規(guī)的紫外線或真空紫外線的光線路徑上。更具體地說，本發(fā)明可以施用到配置有透鏡、窗口、標準具、棱鏡、十字線以及反射鏡等的光學系統(tǒng)，以及配置有此光學系統(tǒng)的高光子能燈。此外，本發(fā)明不僅可以施用到光學測量設備，如分光計、熒光計、干涉儀、衍射儀，而且可以施用到組合用于真空紫外線的標準光源，用于激發(fā)化學反應、印刷板和照相場合的光源以及用于實驗場合的各種光源的各種光學設備。
背景技術：
圖14用于說明作為本發(fā)明可以使用的傳統(tǒng)光學輸出設備實施例的
微波激發(fā)氫紫外線燈的組件和操作。此設備在非專利文獻1的JamerA， R. Samson編著、在1967年于Licon， Nebraska由Pied出版的《真空紫外線分光鏡技術》，P159頁中的圖5.56進行了說明。微波振蕩器4具有設置有由同樣電導材料制作的兩端的密封管型部件。管的內(nèi)徑和長度根據(jù)使用微波的頻率和微波振蕩器中激發(fā)的電磁場分布確定。
微波振蕩器調(diào)諧器18為允許微波振蕩器的微波電磁場分布調(diào)節(jié)的微波振蕩器的必要部件的管型件，且其內(nèi)徑為以便其可以遮蓋放電管1。此外，其沿其孔軸線與微波振蕩器4的端表面同心插入，且其結構為以便當其保持其起到微波振蕩器4電導向作用時可以在軸向滑動。與微波振蕩器4 一樣，用于形成調(diào)諧器18的材料為銅或黃銅。通過所述調(diào)諧器18調(diào)節(jié)微波電磁場分布的功能通過調(diào)節(jié)其插入深度進行，同時產(chǎn)生等離子體7，從而使微波濃度6進入所需的發(fā)生位置。
此外，放電管1以此方式安置以便其通過微波振蕩器4的兩端表面。雖然通常其最大的電場沿微波振蕩器4的孔軸線放置的放電管1的孔軸線產(chǎn)生，但也不是總這樣。放電管l的截面形狀為圓形，但其也同樣可以為方形等。
放電管1作為真空邊界、用于作為放電氣體的流動通道以及等離子的產(chǎn)生空間。在圖14所示的實施例中，為了限制放電等離子產(chǎn)生的空間，導體的內(nèi)管沿放電管1從微波振蕩器4的端表面向微波振蕩器內(nèi)一直延伸。因此，放電等離子7在微波振蕩器調(diào)諧器18的端部和上述內(nèi)管端部之間的空間產(chǎn)生。
微波振蕩器4連接有輸送微波的微波供給連接器5。在此，連接器的形狀為同軸的，但其也可以為波導型，無論是同軸電纜還是同軸管都可以作為連接到同軸連接器的傳輸進給路徑。
凸緣17通過0型圈13連接以保持燈在微波振蕩器調(diào)諧器18側面的放電管1端上的原位。在上述凸緣17的中心處有開口，其具有與放電管1相應的內(nèi)徑，因此其允許從放電等離子7發(fā)射的光線在放電管1的軸向排出。
5固定在上述凸緣17開口中的光線透射窗口 8具有兩個作用。其一作為放電管1的內(nèi)部到大氣的真空邊界。其二為使從放電等離子7發(fā)射的
光線排出到真空外部。上述微波振蕩器已經(jīng)在非專利文獻2中的E. L. Ginzton編著、1957年McG-Hill， New York出版的《微波測量》的進行了說明。
具有上述結構的放電燈具有下述問題，但在說明其之前，首先將說明其術語的定義。
真空紫外線的波長范圍為0.2到200nm。此范圍內(nèi)的光稱為紫外線光或真空紫外線光。紫外線光的常規(guī)波長為200到380nm (參見物理學字典，Baifukan出版，以及日本國家天文臺(National Observatory ofJapan)出版的Rika Ne叩yo)。
在圖14中，為了區(qū)別光線透射窗口表面，面對放電等離子7的表面稱為內(nèi)表面10，而另一側的表面稱為外部外表面11。
光線透射窗口外部光學性能衰減的問題
在圖14中，當放電等離子7產(chǎn)生光線、特別是紫外線光或真空紫外線光時，其通過傳輸窗口 8的內(nèi)表面10穿過傳輸窗口 8照射，并從光線透射窗口 8的外部外表面11穿過。
在此，當紫外線或真空紫外線光在大氣中發(fā)射時，此光線產(chǎn)生氧氣、二氧化碳、水蒸汽等的顯著吸收，所以如圖14所示，通常在凸緣17的左側(即，光線透射窗口8的外部)具有有助于保持真空的機構。保持此真空的區(qū)域以下稱為"真空區(qū)"。
艮P，可以使用各種真空泵的任何一種作為保持真空的機構。雖然也有適合于使用的各種無油干泵(其幾乎不產(chǎn)生有機氣體)，但最常用的還是旋轉型泵。因此，真空區(qū)14包含來自泵中使用油的蒸氣壓的有機氣體。
此外，不銹鋼或金屬鋁件或橡膠密封件如O型圈也包括在真空區(qū)14內(nèi)，且根據(jù)應用場合，真空區(qū)14也可以包括如樣件、透鏡、衍射件、反射鏡、濾光器、傳輸窗口、鏡臺或其它定位件等。從理論上說，與上述真空區(qū)14接觸的所有材料，即，不銹鋼容器、鋁容器、0型圈和其它
6密封材料、光學件、工作樣件、位置調(diào)節(jié)機構等都應該為無油(其意思為其本身不應該有有機氣體釋放)。
具體地說，在半導體工業(yè)中，加工尺寸(電路導線的寬度)變得越來越細，用于電路的曝光圖形的光線波長已經(jīng)達到真空紫外線的范圍。
例如，用于此應用場合光源的氟化氬激態(tài)原子激光的波長為193mn (其轉化為能量時為6.4eV)，但在最近幾年，已經(jīng)發(fā)展研究出產(chǎn)生157nm波長的激光分檔器設備。
然而，在實際操作中，很難避免由各種因素如用于機械驅動結構的潤滑油、工作樣品的污染、0型密封圈的放氣、塑料件的放氣、零件不充分的脫脂或清潔、或由于人為錯誤產(chǎn)生的污染等各種因素引起的真空區(qū)14內(nèi)有機氣體的放射。因此，在實際應用中，必須考慮在上述真空區(qū)內(nèi)有機氣體的出現(xiàn)。
真空區(qū)14內(nèi)的有機氣體具有一定的吸收到光線透射窗口 8的外部外表面11上的可能性。此吸收可能性根據(jù)包括光線透射窗口 8和有機氣體類型的材料變化，但吸收現(xiàn)象本身的出現(xiàn)是不可避免的。
當有機氣體被吸收到外部外表面11上的同時，通過照射這些有機氣體的等離子產(chǎn)生的紫外線光，特別是真空紫外線可以使有機氣體分子直接激發(fā)為活性狀態(tài)。這就產(chǎn)生吸引氫的反應，即有機氣體組成元素的脫氫反應，最后，吸收的有機氣體轉化為碳(石墨)。當達到此狀態(tài)時，其就不再為氣體，而是固體，其將其本身附著或積聚于光線透射窗口 8的外表面ll上。然后，積聚的碳吸收新的有機氣體，并通過紫外線光，特別是真空紫外線光照射它們并同樣將其轉化為碳，并進一步堆積。隨著此過程的繼續(xù)，光線透射窗口 8的外表面11變得由碳膜覆蓋。由于碳為黑色，因此吸收各種波長的光線，并且隨著外表面11上碳積聚的繼續(xù)，通過光線透射窗口 8的透射率逐漸下降。
在此，為使說明簡化，假設有機氣體為碳氫氣體，且脫氫反應導致其轉化為石墨，但在實際操作中，有機氣體可能包括不只碳氫元素的如氧、氮、碘、氟、氯等的元素，此有機氣體也可以如同碳氫氣體一樣吸收到光線透射窗口 8的外表面11上，然后，通過紫外線光，特別是真空紫外線的作用轉化，非氣態(tài)成分作為殘留物遺留下來。因此，嚴格意義上講，形成的不是石墨，而是以碳為主要成分的一種無定形固體。為 了說明本發(fā)明，將主要包括碳的此固體稱為"碳"。
碳堆積的現(xiàn)象需要有機氣體的吸收并通過紫外線光，特別是真空紫 外線光的照射。隨著碳積聚的進行，從碳積聚的外表面11發(fā)射的紫外 線光，特別是真空紫外線的強度明顯減少。碳堆積將繼續(xù)直到所有的光 線強度逐漸衰弱為止。同時，由于不能發(fā)生新的脫氫反應，所以碳膜的 積聚停止。因此，此過程不是碳膜可以無限增長的過程，而是一旦達到 有限的膜厚度此現(xiàn)象就停止。
通常情況下，碳在上述光線透射窗口 8的外表面11上形成的現(xiàn)象不
會進行得很快。但問題之一在于通過光線透射窗口 8傳輸?shù)臏p小是長期
的。在光譜應用中，當從光源發(fā)出的光線量減少時，其產(chǎn)生影響測量精 度的漂移，而在通過紫外線照射進行表面處理的應用中，由于照射強度 的減少將引起不足處理的問題。
解決此碳堆積現(xiàn)象問題的一種方法在于盡量用于無油真空區(qū)14，然 而， 一旦有機物質污染了真空區(qū)14，清洗處理就非常困難。因此，對于 由于碳積聚在光線透射窗口 8的外表面11上造成透射率的減少，傳統(tǒng) 的應對方案就是用清潔劑或拋光以去除碳，恢復光線透射窗口 8到其最 初狀態(tài)，或整體更換光線透射窗口 8。
在先前技術中，光線透射窗口 8的光透射率下降即其衰減是燈壽命 的決定因素。已經(jīng)達到其壽命的燈需要清潔或更換其光線透射窗口 8， 這就要破壞真空區(qū)14或燈中的真空。此操作需要幾個小時燈不能使用 的時間。
接著，將說明相對應由于碳堆聚造成傳輸窗口透射率衰減的傳統(tǒng)方案。
下面將說明日本專利申請公開號No: 2001-319618 (專利文獻1)中 公開的技術。
在此實例中，討論的光源為氫燈。當氫進入到放電管時，作為增加 燈壽命的手段，鹵素密封在其中。密封在其中的鹵素為有機鹵素化合物 的形式。這就意味著有機鹵素物質已經(jīng)進入放電區(qū)。然后，當燈在工作 時，有機物質分解并產(chǎn)生主要為碳的有機物質膜粘附到放電管的內(nèi)壁上。此內(nèi)壁是作為光線透射窗口，而粘附在其壁上的材料引起光線量的 下降。作為一種方案，以上引用的專利公開文獻l提出了燈的預填加處 理的方法，其可以強迫使碳膜粘附到假象在燈工作期間碳堆積的作為光 線透射窗口的區(qū)域，然后，當燈正常工作時，就不會再出現(xiàn)其它的碳堆 積?？梢哉J為此技術有限地限制了有機材料的產(chǎn)生，且其應對方案可以 有效地產(chǎn)生燈工作期間根本不形成新碳的環(huán)境。
然而，在上述用于真空區(qū)14的說明中，如果使用的設備為需要頻繁 對大氣開啟或解除真空的設備(如在必須更換樣品的光譜應用中，在必 須調(diào)節(jié)光學元件的應用中，或在表面處理期間需要更換工件的情況等)， 即使在裝配和調(diào)節(jié)過程中說明書中要求根本沒有有機污染進入，但在實 際操作中不產(chǎn)生此污染也是很難的，因此，將不可避免使光線透射窗口 8衰減。
另外的日本專利申請公開號No: 2001-293442 (專利文獻2)涉及一 種通過以下方法去除吸附在光學元件表面有機物質的清洗方法，其方法 最少包括步驟(1)用有機溶劑清潔光學元件的過程，(2)在氧氣存在 的條件下用紫外線照射光學元件的過程，以及(3)加熱和清潔所述光 學元件的過程。此公開專利不僅確實具有不同于從表面去除積聚的碳膜 的目的，但其仍沒有解決當需要破壞真空時清潔光學元件如光線透射窗 口的問題。
此外，日本專利申請公開號No: 2002-219429 (專利文獻3)公開了 類似于本發(fā)明的技術。其目的在于提高清潔等的處理精度和處理效率， 且其特征在于包括玻璃基底、人造樹脂基底、陶瓷基底、金屬基底以及 包括上述基底一個或多個基底的組合基底在含有水蒸汽的加熱大氣的 內(nèi)表面上沾濕，接著，基底在加熱的惰性氣體和水蒸汽的混合氣體中用 紫外線照射，其為比濕空氣中存在的濃度低，從而用于溶解粘附到所述 基底表面的有機物質，此外，產(chǎn)生還原活性基(seeds) [H-]和氧化活 性基[-0H]，這些活性基[H-]和活性基[-0H]與有機物質的分解產(chǎn)物反 應。
所述先前技術的目的不是從表面消除碳膜，其目的是通過將其還原 為更小的分子以溶解粘附到基底表面的有機粘附物，特別是用紫外線照射基底表面，并利用紫外光線照射作為基底處理的手段進行清潔和蝕刻 處理。不僅其目的不同于本發(fā)明，而且由于基底表面必須處于飽和條件， 所以其前提是在反應條件下為液體水。結果，本方法僅可以用在近正常 大氣壓力的環(huán)境-其不能進行光線透射窗口的光學元件清潔，同樣在真 空條件下，其只能解決當需要破壞真空時研究的問題。
雖然達到此點的說明一直局限于在光線透射窗口 8的外表面11上發(fā) 生的現(xiàn)象，但此碳堆積形式的現(xiàn)象不只限于光線透射窗口8的外表面11。
通常情況下，碳堆積的現(xiàn)象發(fā)生在位于真空區(qū)14中通過從光線透射窗 口 8發(fā)射的紫外線特別是真空紫外線照射的紫外線物體的表面。只要有
機氣體和紫外線，特別是真空紫外線共同存在的條件存在，此現(xiàn)象就不 可避免。在上述說明中提到的"物體"包括在光譜應用中轉換光線路徑 的反射鏡、濾光器、用于聚焦光線的透鏡以及用在光譜應用中的衍射元 件、用于聚焦光線的透鏡、以及用于表面處理應用中的各種濾光器，換 言之，為各種光學元件的任何一個。在下文中，任何此物體都整體上稱 為"光學元件"。當碳積聚在這些光學元件上時，其由于降低了其光線
透射和光線反射產(chǎn)生嚴重的問題。在實際操作中，其降低或使真空區(qū)14 中使用設備的作用整個喪失。
以前，為了解決此光線透射和反射的減弱，此必光學元件須用新的 光學元件更換，但此方法導致高的維修成本，并使處于需要維修時期的 設備不能工作。
由于光線透射窗口 8的衰減造成燈壽命的問題不局限于上述實例中 說明的微波激發(fā)氫紫外線燈，同樣的問題也存在于如那些使用He、 Ne、 Ar、 Kr、 Xe、 02、 N2、 D2 (氖分子)、Hg等各種燈中；使用高頻放電、電 弧放電、輝光放電、感應柵放電、或在其放電模式中的閃光放電的燈中； 或在鹵素燈或用電流作為光線產(chǎn)生手段的加熱燈絲的碳燈的燈中。
在光學系統(tǒng)內(nèi)的光學性能衰減問題
降低來自短波長紫外線光線透射性能的問題不局限于光線透射窗口 外的光學性能衰減，而且也是光線透射窗口內(nèi)的光學性能衰減。
最近幾年，為了從短波長紫外線光線獲得更好的光線透射性質，已
10經(jīng)研究將Si02用于上述光線透射窗口。
此外，汞蒸氣燈的問題在于與先前用的情況相比更為嚴重，在其中 的石英玻璃失去其透明。汞蒸氣燈中石英玻璃作為燈內(nèi)部到外部的真空 邊界，其也用于傳輸由汞發(fā)光產(chǎn)生的紫外線，但喪失透明的現(xiàn)象降低了 其光線透射的性能，并且為決定燈壽命的決定因素。
例如，在日本專利申請公開號No:平5-325893 (專利文獻4)中， 對于喪失透明采取的方案為提出了使用光線發(fā)射管作為金屬蒸發(fā)電弧 管，其采用具有l(wèi)微米以下表面晶粒尺寸的玻璃燈泡的粗糙內(nèi)表面。這 樣作法將阻止電弧管的結晶化(喪失透明)，即使在長期操作情況下也 如此，從而阻止光通量(照明維持速度)的下降，以便盡可能保持投射 型顯示器長期的明亮畫面和高質量的顯示質量。
此技術施用到石英玻璃或在電弧管中使用的高硅酸鹽玻璃，雖然其 可能施用到常規(guī)的250-360nm波長范圍的紫外線應用中，但將充分地降 低用于波長190mn的真空紫外線的石英玻璃的透射率。
此外，在日本專利申請公開號No:平3-77258 (專利文獻6)中， 公開了用于恒壓汞蒸氣燈的254mn紫外線的技術，其中人造石英玻璃的 內(nèi)表面覆蓋有1到3%具有平均粒子直徑在lOOixm以下的金屬氧化物溶 液，在實施例中由具有平均粒子直徑為20um的金屬氧化物組成。
此外，在日本專利申請公開號No:平8-212976 (專利文獻7)中， 公開了使用由有汞密封其內(nèi)的石英玻璃管和在每端密封的電極組成的 電弧管的放電燈的技術，其使用Al203等薄膜覆蓋在管的內(nèi)表面上，其中 在上述靠近管中心的電弧管內(nèi)表面上薄膜的厚度比其它區(qū)域薄膜的厚 度厚；具體地說，在上述電弧管內(nèi)表面厚薄膜區(qū)域為有效光線透射長度 的l/3到l/2長度，其為在電弧管任一端部電極之間的距離，以便在上 述厚薄膜區(qū)域的薄膜厚度范圍從0.2um到0.3nm，而在其它區(qū)域范圍 的薄膜厚度范圍從0. 1 " m到0. 15 u m。
然而，此先前技術涉及石英玻璃技術，特別是在低壓汞放電管中使 用的技術，其調(diào)節(jié)作為解決汞沉積在電弧管內(nèi)壁上問題手段的汞原子存 在的保護膜的厚度，從而降低光線通過石英玻璃的透射率并使放電管變 黑，進一步降低其照射效率。
ii此外，Si02傳輸良好光線透射率的下限大約為200nm級；光線透射 用具有低于200nm波長的短波真空紫外線急劇下降。此外，如用150nm 附近的很短真空紫外線波長用作高能量的氟激光，不僅上述光透射率下 降，而且材料也不能經(jīng)受使用并喪失透明。
另外，考慮到采用人造硅玻璃的情況，在紫外線范圍內(nèi)穿過照射燈 光線透射的窗口材料的透射率將顯著下降，在日本專利申請公開號No: 平8-315771 (專利文獻5)中，公開了用于目的在于提高操作壽命的人 造硅玻璃氟慘雜技術。
然而，使用氟化合物摻雜硅玻璃基本組份只允許160-190nm波長范 圍的大約50%的傳輸范圍，且其不能用于較低的真空紫外線波長。
因此，如CaF2、 LiF、 MgF2等堿鹵化物材料通常一直用于當真空紫外 線范圍的紫外線必須傳輸時的光線透射窗口組分。
先前技術的適合實施例為上述微波激發(fā)氫紫外線燈，其產(chǎn)生122nm 波長的真空紫外線。唯一可以用于光線透射窗口的已知材料為CaF2、 LiF 和MgF2，由于LiF和MgF2具有從其色彩中心急劇降低的光線透射，所以 MgF2最經(jīng)常使用。然而，沒有公幵任何涉及對用于MgF2喪失清晰的應對 方案的報告。
艮P，當使用氟化鎂作為光線透射窗口的材料時，此窗口具有比其它 窗口材料更低的壽命，與使用其它材料的燈相比，燈本身的壽命只為大 約一半或更少。
當使用比在光線透射窗口 8使用材料的吸收波長更高光子能量的光 線時，特別是真空紫外范圍的光線時，當來自放電等離子的光線照射到 光線透射窗口8時，所述窗口8顯現(xiàn)出缺陷，所謂的色彩中心產(chǎn)生，從 而降低其光線透射率。此現(xiàn)象對于CaF2、 LiF和MgF2和其它堿鹵化物材 料是共同的，并由于氟原子從其晶格內(nèi)的正確位置輕微漂移產(chǎn)生。
此外，上述所有出現(xiàn)問題的傳統(tǒng)技術都與人造石英相關，特別是與 用常規(guī)波長的紫外線作為光源的人造石英光學系統(tǒng)有關。 一直沒有提出 防止通過為用在通過微波激發(fā)氫紫外線燈產(chǎn)生的122nm波長真空紫外線 的光線透射窗口的MgF2的光線透射率下降的有效實用技術。
鑒于此情況，當透射率下降時，解決的唯一方法是更換光線透射窗口。在此先前技術中，上述光線透射窗口 8的衰減是燈壽命的決定因素。 在先前技術中， 一旦達到燈光線透射窗口的壽命期限，就必須要用新的 光線透射窗口更換以恢復燈的光線發(fā)射強度。光線透射窗口 8的更換需 要破壞燈的真空并需要幾小時的工時，在此期間，不能使用燈。此外， 在更換周期期間，從光源的輸出強度保持恒定。每次更換傳輸窗口時， 需要迸行校準光線強度的操作。因此，很難將此燈用于需要長期監(jiān)測如 使用在環(huán)境測量的場合。

發(fā)明內(nèi)容
當認識到與先前技術相關的問題后，本發(fā)明進行了研究，其涉及一 種用于恢復設備的光學性能的設備和方法，所述設備使用光學系統(tǒng)以實 現(xiàn)如光線透射、衍射、反射、光譜產(chǎn)生、以及干涉等效果，并使用高光 子能量光線例如常規(guī)紫外線或真空紫外線。具體地說，本發(fā)明的目的在 于防止或抑制決定上述裝置壽命的光學系統(tǒng)的衰減，通過采用上述方 案，降低維修操作如窗口更換的頻率，并降低此操作的成本。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的目的在于 提供一種用于其使用的設備和方法，其通過防止或抑制碳在光學系統(tǒng)如
設置在光線透射窗口 8外面的光學系統(tǒng)的表面聚集(例如，在圖14所 示的光線透射窗口 8的外表面11上)，防止或抑制所述光學系統(tǒng)的衰減，
從而降低維修操作如光學系統(tǒng)更換的頻率，也降低此操作的成本。
本發(fā)明的另一目的在于通過防止或抑制碳在真空區(qū)內(nèi)光線路徑上 的光學元件的照射表面和發(fā)射表面上的積聚，盡可能延長光學設備的壽 命，并提高這些設備的可靠性。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方式，當認識先前技術中的上述 問題后，本發(fā)明的目的在于提供一種用于其使用的設備和方法，在利用 光線透射、衍射、反射、光譜和千涉的綜合作用的各種設備中，其設置 在高光子能量光源如等離子光和真空紫外線的光線路徑中。光學系統(tǒng)將 抑制如上述透鏡、窗口、標準具、棱鏡、十字線和反射鏡等所有設置在
光學傳輸窗口8內(nèi)(例如，在圖14所示的光線透射窗口 8的內(nèi)表面10 上)的光學設備的衰減，從而在整個時期保持光線輸出的穩(wěn)定和高強度，以延長使用各種形式光學系統(tǒng)設備的壽命。
第一優(yōu)選實施方式
為了解決上述問題，本發(fā)明沿下面思路繼續(xù)研究。
首先，在第一優(yōu)選實施方式中，對發(fā)生在面對真空區(qū)14的光線透
射窗口8外面(如外表面ll)的衰減進行具體分析。在實驗中使用的設 備如圖14所示，其中光線透射窗口8通過0型圈連接到凸緣17的等離 子外露側。在光線透射窗口 8的外表面11即面對為發(fā)射紫外線的表面 的真空區(qū)14的表面上進行分析。由于在相反側面的內(nèi)表面10上沒有發(fā) 現(xiàn)沉積，因此，在此表面不進行具體分析。
氟化鎂(MgF2)單晶體作為用于光線透射窗口 8的材料使用，而晶 體軸線(c-軸)校準為與傳輸窗口的表面垂直。晶體尺寸為O0.5英寸x lmm厚。晶體為0hyo Koken Kogyo有限公司制作的UV級產(chǎn)品。幾個這 樣的晶體可以同一批獲得，使用的晶體根據(jù)晶體的質量和其表面條件匹 配。分析所有在燈中使用后的晶體并盡所有努力以消除由于同一批內(nèi)的 任何變化誘發(fā)的任何誤差。
在實驗中，工作的第一步是用光學顯微鏡觀測通過08mm中心區(qū)紫 外線傳輸?shù)墓饩€透射窗口 8的外表面11，以觀測可能粘附的任何膜形的 材料。然后，用塑料鑷子刮掉任何粘附的材料，此時可以發(fā)現(xiàn)，粘附到 外表面11的為較弱材料的粘附膜。
然后，對粘附材料進行元素分析。利用EPMA (電子探針X射線微分 析器)對光線透射窗口 8的外表面11進行元素分析(分析條件加速 電壓15kV，照射電流5E-8A，測量方法數(shù)量分析、精細分析、映像分 析)。
從EPMA分析的結果可以發(fā)現(xiàn)，紫外線傳輸?shù)?8mm中心區(qū)上檢測到 大量的碳。紫外線傳輸?shù)?8誦圓環(huán)中心區(qū)外面的圓環(huán)型區(qū)域在凸緣17 的遮蔽處，并且為沒有紫外線通過的區(qū)域，但在此圓環(huán)型區(qū)域也檢測到 污染級的碳。"污染級"的意思是在此EPMA分析中當分析整個清潔表 面時產(chǎn)生的碳檢測的弱信號。因此，產(chǎn)生此信號將不可避免地有碳粘附。 因此，用于對碳的EPMA分析的測量限通過分析設備的碳污染級確定。當來自①8mra中心區(qū)的碳信號級與污染信號級比較時，發(fā)現(xiàn)前者明顯高， 確定光線透射窗口的外表面11上已經(jīng)發(fā)生碳的膜狀積聚的事實。
如前所述，參照圖14所述的設備，碳堆積的機理為真空區(qū)14中存 在有機氣體，當這些有機氣體被吸收在光線透射窗口 8的外表面11上 時，當真空紫外線通過光線透射窗口 8傳輸時，有機氣體經(jīng)過脫氫反應 轉化成為碳，并積聚在外表面ll上。
隨著在上述環(huán)境中繼續(xù)使用光線透射窗口 8，隨著碳積聚的繼續(xù)， 經(jīng)過一段時間將降低光線透射率。因此，與其初始狀態(tài)相比，需要一些 機構從外表面11消除此積聚的碳。由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳在外表面ll上的 膜狀積聚是光線透射窗口衰減的主要原因，因此，本發(fā)明繼續(xù)研究應對 措施，其將導致下述本發(fā)明的完成。
本發(fā)明者通過下述實驗證明解決了此問題。碳的原材料為有機氣 體，但實際上要消除它們是不可能的。此外，如果其不通過紫外線照射， 不會發(fā)生脫氫反應，但這樣的設備將起不到作為光線發(fā)射設備的作用。 碳沉積的位置精確地與真空紫外線照射的位置相匹配。真空紫外線直接 激發(fā)有機氣體以促使脫氫反應，但此高光子能量不只激發(fā)有機氣體，而 且許多分子也受到激發(fā)并成為活性狀態(tài)。
參考作為實施例的圖1，在此實施例中的光線輸出設備為利用氫光 線發(fā)射的122nm波長的真空紫外線輸出，此真空紫外線的光子能量為 10.2eV。此光子能量等級將激發(fā)氧氣、仏0氣體(蒸汽)，并可以產(chǎn)生具 有強氧化能力的基團。保持真空區(qū)14的原因為氧氣、二氧化碳、水蒸 汽和大氣中的其它成分將吸收真空紫外線并削弱其強度。因此，通過真 空泵等裝置消除吸收介質即大氣成分以產(chǎn)生真空區(qū)14。
然而，即使這些為氣態(tài)成分，由于其包括02、水蒸汽等，可以發(fā)現(xiàn)， 通過適當?shù)亟档推錆舛?減少其壓力)，可以產(chǎn)生具有氧化能力的基團 而不會急劇削弱真空紫外線。當光線輸出設備在濃度可調(diào)的氣體成分共 存的條件下工作、而且當后續(xù)階段的真空區(qū)14實現(xiàn)時，可以消除粘附 在光線透射窗口 8的外表面11上的碳。此外，也可以消除粘附到位于 真空區(qū)14中所有光學元件表面的碳。可以以此方式消除碳的原因在于， 在光線透射窗口 8外表面11上的碳粘附與通過基團使碳分解和消除同時發(fā)生，基團分解和消除碳的速度超過其形成的速度。
由于利用基團分解碳的反應使碳轉化為揮發(fā)分子如二氧化碳和水 蒸汽，這些都可以用真空泵從系統(tǒng)中快速移出。在此情況下產(chǎn)生的基團 基本為氧氣和通過氧分子的激發(fā)產(chǎn)生的臭氧，以及通過激發(fā)水蒸汽等產(chǎn) 生的0H基。
此外，當光線輸出設備在這些濃度可調(diào)的氣體成分存在的條件下工 作、而且當有預先存在的碳沉積于光線透射窗口 8的外表面11時，將 逐漸分解和消除此碳，以便最后可以完全消除所有的碳，恢復光線透射
窗口 8到其初始的光線透射率。然后，操作光線輸出設備，而不需要利
用已經(jīng)具有碳積聚的光學元件操作后續(xù)階段真空區(qū)，就可以從已經(jīng)位于
真空區(qū)14的這些光學元件表面消除碳。
因此，利用本發(fā)明的結論，可以防止光線輸出設備傳輸窗口的衰減， 以便不減少通過所述光線輸出設備產(chǎn)生的光線強度，從而使其不僅可以 消除與光線透射窗口的更換相關的維修費用和設備停機的維修，而且還 可以通過操作光線輸出設備以消除已經(jīng)形成在光線透射窗口 8或光學元
件上沉積的碳，以使其恢復到初始狀態(tài)，從而恢復真空區(qū)所有的性能， 以便用較少的維修費用和維修頻率維持真空區(qū)14。
下面，將說明用于調(diào)節(jié)真空區(qū)14環(huán)境中大氣成分的濃度的方法。 氣體供給可以使用從氧氣罐供給的純氧氣。另外，其可以從空氣中吸取， 或可以使用在工廠中安裝的空氣管。也可以使用填充有干空氣的氣體 罐。另外還可以使用氧氣和如從氣體罐調(diào)配的氬、氦等惰性氣體的混合 物。將在后面結構實施例中說明的氣體供給壓力可以通過閥孔和氣體罐 的凈化真空區(qū)14并控制氣體的分壓力的能力進行控制。
還可以將水蒸汽增加到上述氣體中，或只使用水蒸汽。水蒸汽根據(jù) 預備的密封容器內(nèi)的水增加并具有填充飽和水蒸汽的區(qū)域，然后，通過 將此水蒸汽與上述氣體的任何一種混合。當單獨使用時，只需要迸入真 空區(qū)14中。水的溫度可以為室溫，或可以變冷或加熱。水蒸汽的壓力 在飽和狀態(tài)下根據(jù)水的溫度產(chǎn)生變化，所以可以設定閥孔和泵的清洗能 力，以控制真空區(qū)14中水蒸汽的分壓力，此將在后面結構實施例中說 明。
16在真空區(qū)14中的上述氣體的分壓力通過下述條件確定。氣體分壓 力的下限將根據(jù)通過氣體和不阻止操作的分壓力吸收真空紫外線的作 用的目標進行確定。例如，在具體條件下，如果為氧氣，上限基本為IO
mtoir (毫托)的等級(在20mtorr以下)。假如超過分壓力等級，則通 過氧氣的真空紫外線吸收將達到不可忽視的點-其將開始阻礙真空區(qū)14 的作用目標。然而，假如通過真空區(qū)14的光線路徑的長度充分短，其 將可以忽視氧氣濃度在較高上限的作用。上限值的精確設定可以通過用 氣體規(guī)定的分壓力填充真空區(qū)14并檢查作用目標是否已經(jīng)被阻礙來予 以確定。具體地說，真空紫外線的量可以作為研究其衰減程度的手段進 行測量。
氣體分壓力的下限應該設定在用于即將施加的載荷的處理能力以 上。在此，所謂"載荷"的意思是當通過有機氣體存在的類型和濃度、 以及通過光線透射窗口 8傳輸?shù)恼婵兆贤饩€9的波長和強度確定時，碳 在光線透射窗口 8的外表面11上的積聚速度。所謂"處理能力"的意 思是碳通過真空紫外線氣體的激發(fā)產(chǎn)生的基團分解和消除的速度。
本發(fā)明的發(fā)明者作出了各種試驗，發(fā)明者正視到用于的真空區(qū)14 的各種情況，其中一些情況是未知的，但是，例如，在通過傳統(tǒng)渦輪分 子泵并利用千泵抽空系統(tǒng)產(chǎn)生真空區(qū)14的情況，例如，用于氧氣的下 限將大約為0.01到0. lmtorr。如果此種級的氧氣存在，則將對載荷具 有足夠的處理能力。水蒸汽提供了比氧氣相對高的處理能力等級，且其 實際下限.將在0. 005到0. Olmtorr的量級。
為了精確設定此下限，可以用氧氣填充真空區(qū)14，實際用于一定的 分壓力，然后光線輸出設備可以通過對在光線透射窗口 8的外表面11 上任何粘附物的分析隨后進行操作。合適的分析方法包括在光學顯微鏡 下的觀測或使用EPMA的碳分析。只要分析沒有顯示明顯的碳沉積存在， 此時使用的分壓力可以確定可以充分地實現(xiàn)碳的分解和消除處理。
現(xiàn)在，將具體說明根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)的本發(fā)明提出的技術手段。
根據(jù)權利要求1和2的本發(fā)明涉及一種可以達到本發(fā)明效果的設 備。本發(fā)明提供一種用于通過位于輸出光線或沿所述輸出光線的光線路 徑防止、抑制、或改善光學系統(tǒng)的光學性能的衰減，改進光學系統(tǒng)光學性能的可靠性和壽命的光學性能恢復裝置，其中所述光學系統(tǒng)設置在有 機成分可以分解的近真空區(qū)內(nèi)，所述衰減由于沉積或積聚在所述光學系 統(tǒng)的光線照射表面、光線反射表面、光線發(fā)射表面(統(tǒng)一稱為'照明表 面')的碳而產(chǎn)生，所述表面面對所述真空區(qū)，所述光學性能恢復設備 包括產(chǎn)生有活性能量存在的近真空區(qū)以激發(fā)碳的氧化反應的裝置，所 述近真空區(qū)面對所述光學系統(tǒng)的所述光線照明表面；在所述近真空區(qū)產(chǎn) 生負離子或基團的裝置；促進所述負離子或基團和在所述近真空區(qū)的所 述碳之間氧化反應的裝置；以及其中所述光學性能恢復設備通過氧化反 應消除或減少沉積在所述照明表面的積聚的碳。
更具體地說，其包括產(chǎn)生近真空區(qū)以激發(fā)碳的氧化反應的裝置， 所述近真空區(qū)面對所述光學系統(tǒng)的所述光線照射表面；在所述近真空區(qū) 產(chǎn)生含氧原子氣體如水氣體或氧化物氣體流的裝置；在所述近真空區(qū)提 供活性能量以便在所述含氧原子氣體和碳之間產(chǎn)生碳氧化反應的裝置； 以及其中所述光學性能恢復設備通過氧化反應消除或減少沉積在所述 照明表面的積聚的碳。
上述"近真空區(qū)"可以通過其中高活性能量激發(fā)碳氧化反應的真空 空間進行限定，以通過從碳氫等有機混合物中去除氫以分解碳。近真空 空間的壓力通過活性能量的強度和上述含氧原子氣體氧化能力進行波 動，然而其必須在幾十mtorr以下。
根據(jù)權利要求3的本發(fā)明涉及用于通過位于輸出光線或沿所述輸出 光線的光線路徑，用于防止、抑制或提高光學系統(tǒng)光學性能的衰減，改 進光學系統(tǒng)的光學性能的可靠性和壽命的光學性能恢復方法，其中所述 光學系統(tǒng)設置在有機成分可以分解的近真空區(qū)，所述衰減由于沉積或積 聚在所述光學系統(tǒng)的光線照射表面、光線反射表面、光線發(fā)射表面(統(tǒng) 一稱為、照明表面')的碳而產(chǎn)生，所述表面面對所述真空區(qū)，所述光 學性能恢復方法包括步驟產(chǎn)生具有活性能量存在的近真空區(qū)以激發(fā)碳 的氧化反應；所述近真空區(qū)面對所述光學系統(tǒng)的所述光線照明表面；在 所述近真空區(qū)產(chǎn)生負離子或基團；通過使負離子或基團與沉積的碳反 應，消除或減少積聚在所述照明表面上的積聚的碳。
更具體地說，本方法的特征通過以下步驟體現(xiàn)產(chǎn)生近真空區(qū)以激
18發(fā)高活性能量激發(fā)存在下的碳的氧化反應，其中所述近真空區(qū)面對所述 光學系統(tǒng)的所述光線表面；并在提供含氧原子的氣體如水蒸汽或氧化氣 體(例如，水蒸汽、氧氣、過氧化氫、臭氧或其混合物與惰性氣體(包 括空氣))流進入到所述近真空區(qū)的同時提供活性能量，從而通過激發(fā) 積聚的碳與所述提供的活性能量的氧化反應，消除或減少積聚在所述照 明表面的積聚的碳。
此外，上述光學系統(tǒng)不僅包括由位于近真空區(qū)邊界的光線透射或反 射件組成的光學元件，而且包括由位于沿真空區(qū)內(nèi)光線路徑的衍射、折 射、光譜產(chǎn)生、以及傳輸和衍射的調(diào)節(jié)光學元件，以及通過照射光線表 面處理的光學物件組成的光學組成部分。而另外所述的光學系統(tǒng)包括所 述光學元件或所述光學物件的位置調(diào)節(jié)和保持機構、容器、以及密封件。
另外，本發(fā)明還有效地施用到形成所述光線路徑的光束為具有
380nm波長或以下的通常紫外線，或具有200nm波長或以下的真空紫外 線的情況，輸出所述紫外線或位于沿所述輸出光線的光線路徑的所述光 學系統(tǒng)為包括氟化合物的一種或混合物的光學物質，如氟化鎂、氟化鈣、 氟化鋇、氟化鋁、冰晶石、硫醇鹽或其它氟化合物、金屬氟化物如氟化 鑭、氟化鎘、氟化釹、氟化釔、或如人造石英玻璃或蘭寶石的高純度氧 化物。
另外，在由所述近真空區(qū)的有機成分分解的碳已經(jīng)生長在所述光學 系統(tǒng)和相對表面上的情況下，用于供給到所述近真空區(qū)的含氧原子的所 述氣體的分壓力的下限值優(yōu)選設定為超過整個碳堆積速度的水平。此 外，當所述真空紫外線照射到所述光學系統(tǒng)或從所述光學系統(tǒng)照射時， 在所述光學系統(tǒng)的所述光學性能恢復的情況下，用于供給到所述近真空 區(qū)的含氧原子的所述氣體的分壓力的上限值優(yōu)選設定為低于從其在所 述近真空區(qū)內(nèi)起到作用的角度來看，由所述含氧原子的氣體的吸收真空 紫外線的作用不能被忽視的水平。
用于含氧原子的氣體的分壓力的上限值優(yōu)選設定為通過實際填充 所述近真空區(qū)具有一定含氧原子氣體分壓力，然后測量在所述光線路徑 上真空紫外線的數(shù)量以檢測其衰減程度的水平。
此外，當上述含氧原子氣體為氧氣時，氣體分壓力的下限-上限之間范圍為0. 02mtorr到20mtorr (優(yōu)選0. 02mtorr至lj 10mtorr)，而當氣 體為水蒸汽時為0. Olmtorr至lj 10mtorr (優(yōu)選0. Olmtorr至lj lmtorr)。
另外，當形成于上述光線路徑的光束具有高光子能量且為一束在真 空紫外線波長范圍內(nèi)的規(guī)定波長的光束時，本發(fā)明也是有效的。
艮P，只要上述活性能量為具有高光子能量的真空紫外線，就可以由 含氧原子的氣體產(chǎn)生負離子或基團，而根本不用單獨的能量源(例如， 熱能、等離子能、電能等)。雖然使用專利文獻3引用的活性離子基如 0H—和0—，但考慮到清潔的目標，其壓力條件不同于參考文獻中規(guī)定的條 件。
第二優(yōu)選實施方式
此外，在第二優(yōu)選實施方式中，將對光線透射窗口8內(nèi)部(如內(nèi)表 面IO)發(fā)生的衰減進行具體分析。
為了解決上述問題，本發(fā)明對由氟化物材料制作的光線透射窗口 8 的衰減進行具體分析。使用的裝置如圖14所示，其中光線透射窗口 8 通過0型圈連接到凸緣17的等離子外露側。MgF2 (氟化鎂)單晶體用于 制作光線透射窗口 8。
結果，發(fā)現(xiàn)當通過真空紫外線照射后，由真空紫外線照射的光線透 射窗口 8透射率的衰減是由MgF2晶體(幾十nrn厚)表面上氧化物的形 成引起的?？梢源_定在晶體表面上幾十nm厚的區(qū)域中氟的存在減少。
此外，通過光譜透射率的測量以觀測任何可能存在于光線透射窗口 8上色彩中心的產(chǎn)生和光線透射率衰減之間的關系，可以發(fā)現(xiàn)，光線透 射窗口 8衰減的主要原因不是色彩中心的吸收，而是在于產(chǎn)生在晶體表 面上氟和氧存在的缺陷。
對于此點，本發(fā)明建議了針對上述發(fā)現(xiàn)的下面說明的技術方案。
本發(fā)明的第一建議涉及由氟化物質組成的光學系統(tǒng)，其特征在于至 少在所述光學系統(tǒng)的光線照射側面(內(nèi)側)上形成具有2-20nm膜厚度 的保護膜，以防止氟原子從所述光學系統(tǒng)的表面剝離。
現(xiàn)在將說明本發(fā)明和專利文獻4之間的差別。專利文獻4涉及具有 汞密封在其弧形管內(nèi)的放電燈。本技術通過使用鋁等0. 1 y m到0, 15 y m保護膜以防止汞附著到弧形管內(nèi)壁。
另一方面，本發(fā)明涉及真空紫外線范圍，其中將2nm到20nra的非 常薄膜施加到真空紫外線照射的表面，以防止氟的剝離，這樣通過覆層 替代光學性能的初始衰減的產(chǎn)生。
限制20nm或以下膜厚度的原因在于，如果為任意更厚，其將吸收 真空紫外線到其不能保持其作為光學元件的作用的點。
2mn或更之上的下限為需要保證在晶體表面上均勻覆蓋保護膜。由 于Si02或Al203、 MgO、 Ti02、 Zr02的分子直徑接近為lnm，如果覆層不是 至少2個分子的厚度，其不可能在晶體的整個表面制造均勻的保護膜以 達到本發(fā)明的目的。
當膜的厚度足夠時，雖然目的為保護光學系統(tǒng)的表面，但由于金屬 氧化物如Si02或A1203、 Mg0、 Ti02、 Zr02不是天然允許真空紫外線穿過 的材料，所以，此保護膜的存在可以使在膜內(nèi)吸收真空紫外線，如圖13 所示，從而減少了穿出到基本材料的紫外線的量。在20nm厚的等級時， 透射率只是不用膜的10%。不僅在10%下的初始透射率產(chǎn)生基本材料的 光學性能的大量下降，而且在其不能起到光學系統(tǒng)的作用的衰減等級 時，將擔心紫外線的吸收將使保護膜本身下降，并且熱將使其從光學系 統(tǒng)表面剝落或產(chǎn)生其它危害。因此，12nm或更少的厚度、優(yōu)選10mn或 更少的厚度將保持基本材料具有光學性能的40%，即使在最壞的 假想情 況下，也將保持光學性能的10%或更高。因此，由于紫外線的吸收，將 不期望超過20nm的膜厚度起到理想光學系統(tǒng)的作用。
另外，Mg的氧化隨著氟原子的剝離發(fā)生，所以，在優(yōu)選方式中，至 少在所述光學系統(tǒng)的照射側(內(nèi)側)形成具有2-20nm膜厚度的Si02或 金屬氧化物的保護膜、優(yōu)選2-12nm、更優(yōu)選為2-10nm，以防止氟原子 從所述光學系統(tǒng)的表面剝離。
采用本發(fā)明的方案，可以抑制上述光學系統(tǒng)表面氟原子的剝離和氧 化，從而抑制光學系統(tǒng)的光線透射率的衰減。
在氣相中有成長的方法，如蒸汽沉淀、離子電鍍、可以用于形成薄 膜保護膜的CVD等，但膜形成特別優(yōu)選的方法為離子束噴濺法和等離子 CVD法，因為此方法可以隨著通過對光學系統(tǒng)的拋光處理產(chǎn)生的凹凸產(chǎn)生很均勻的膜厚度。
本發(fā)明的第二方案涉及一種包括具有表面面對和暴露于安置在具 有等離子存在的內(nèi)部區(qū)的光學設備中的等離子的氟化合物的光學系統(tǒng)，
其中高抗等離子材料的2nm-20醒保護膜形成于所述暴露于等離子的氟 化合物表面。
此方案可以抑制上述光學系統(tǒng)表面的氟原子剝離或氧化，從而抑制 由于等離子環(huán)境引起的光學系統(tǒng)的光線透射率的衰減。
在此情況下，上述保護膜可以為上述保護膜引用的金屬氧化物如 Si02或Al203、 Mg0、 Ti02、 Zr02的任意一個。通過在光學系統(tǒng)上形成上述 保護膜，其中光學系統(tǒng)由具有沿光線照射方向的晶體軸線(c軸)的單 晶體氟材料組成，且所述保護膜的垂直表面覆蓋有Si02或金屬氧化物， 因此，由于上述氟光學系統(tǒng)的初始衰減由覆層平衡，所以可以防止基本 材料長時間由真空紫外線照射引起的衰減。
另外，由于上述引用的Si02或其它金屬氧化物具有比氟化物更高的
抗等離子性能，因此，可以抑制氟的剝離或金屬原子的氧化，而且由于 本身為氧化物，結果，當用于由氟材料制成的光學系統(tǒng)的保護膜時，在 其初始衰減后，可以防止母體材料長時間由真空紫外線照射引起的進一 步衰減。
本發(fā)明的第三方案涉及使用此裝置的方法，其使用上述光學系統(tǒng)的 光學器件，且其特征在于，事先將從Si02或A1203、 MgO、 Ti02、 Zr02中 選擇的一種金屬氧化物的2rai-20nrn的保護膜施加到光學系統(tǒng)，其中所 述膜抑制結構元素從基本材料的表面剝離或基本材料表面的氧化，隨著 時間的推移，通過真空紫外線的照射或等離子暴露于基本材料，將所述 光學系統(tǒng)結合到具有比所述光學系統(tǒng)基本材料的吸收波長更高光子能 量的真空紫外線源或等離子光線源的需求裝置。
根據(jù)本發(fā)明，當由于上述金屬氧化物保護膜造成的初始衰減后，可 以通過此膜抑制由于長時間由于真空紫外線的照射或暴露于暴露于等 離子造成的從基本材料的元件脫離或基本材料表面的氧化引起的基本 材料的衰減，其意味著基本材料的光學輸出將在操作首先開始后，不再 進一步降低，例如，其可以延長上述光線輸出裝置的反射鏡的光線透射窗口的壽命。這樣也延長了用于光線透射窗口或反射鏡更換維修之間的 間隔，從而改進光線輸出裝置的操作率并降低其操作成本。
在此情況下，由于上述保護摸作為可以增加裝置壽命的手段，因此， 只需要使用可以提供充足光線輸出的光線源以補償由于上述金屬氧化 物保護膜造成的光學系統(tǒng)的初始衰減，從而不會降低整個系統(tǒng)的光線透 射(透射率、反射率)。
艮P，當光學系統(tǒng)事先覆蓋有上述保護膜以抑制其長時間由于真空紫 外線照射或面對等離子造成的衰減，否則其將使元件長時間從其基本材 料脫離或氧化，其只需要補充裝置的光線輸出以補償由上述保護膜造成 的初始衰減。例如，在用于作為測量光線源的光線輸出裝置中，通過利 用至少在一側進行覆層的上述光學系統(tǒng)，例如覆蓋光學傳輸窗口或反射 窗口，可以長期獲得穩(wěn)定的光線輸出，并可以將此光線輸出裝置用于測 量應用并保持穩(wěn)定的不會衰減的光線輸出速度，以便穩(wěn)定控制裝置的操 作和測量敏感度。


圖1是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第一實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。
圖2是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第二實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。
圖3是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第三實施例的
微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。
圖4是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第四實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。
圖5是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第五實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。
圖6是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第六實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。
圖7是顯示用于粘附到根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的光線透射窗 口的碳的EPMA分析結果。圖8是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施方式的微波激發(fā)氫紫 外線燈結構的簡圖。
圖9是顯示不具有保護膜覆層的用于光線透射窗口使用前的XPS深
度分布測量的曲線圖。
圖10是顯示不具有保護膜覆層的用于光線透射窗口使用之后的XPS 深度分布測量的曲線圖。
圖11是顯示具有保護膜覆層的用于光線透射窗口使用前的XPS深度 分布測量的曲線圖。
圖12是顯示具有保護膜覆層后的用于光線透射窗口使用之后的XPS 深度分布測量的曲線圖。
圖13是顯示在其初始狀態(tài)光學系統(tǒng)的光線透射率與各種保護膜厚 度之間關系的曲線圖。
圖14是顯示根據(jù)先前技術的傳統(tǒng)微波激發(fā)氫紫外線燈的曲線圖。
具體實施方式
[第一優(yōu)選實施方式]
下面，將參考附圖對用于本發(fā)明抑制或消除光線透射窗口 8的外表 面U的碳粘附物的第一優(yōu)選實施方式的實施例進行說明，此外，也將參 考

用于從位于真空區(qū)14中的光學系統(tǒng)抑制或消除碳粘附的優(yōu) 選實施方式。
本發(fā)明不局限于這些實施例，其也可以有效地施用到通過放電或加 熱產(chǎn)生光線的燈或激光設備。
實施例1
圖1是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第一實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的簡圖。
光線透射窗口 8連接的保持件(凸緣)17為圓盤型，且其中心與放 電管1的孔對準，其包括直徑比放電管的內(nèi)徑大的開口。窗口凸緣17 包括0型圈槽以便在光線透射窗口 8的整個開口產(chǎn)生密封，還有中空的 蓋狀的裝配架20、用于附著其螺栓孔，以及連接到放電管1以便用窗口
24凸緣17保持真空的0型圈槽。
裝配架20的內(nèi)部結構采用兩級的同心圓并限制用于容納光線透射 窗口 8的空間以及通過放電管1環(huán)繞的空間。在環(huán)繞放電管1的端部， 端面已經(jīng)切削成為0型圈13通過壓力保持在位置的角度。圖中未示出 的螺紋也切削成在此端的外圓周表面，而用于放電管1的真空邊界通過 利用O'型圈13形成的密封件緊固固定蓋21在圓形開口上形成。窗口連 接凸緣17、裝配架20和蓋21都由金屬制作；通常情況下，采用低污染 的不銹鋼或鋁，但不局限于這些材料。
下面，將說明上述結構的微波激發(fā)氫紫外線燈的操作。首先，從放 電管1中的放電氣體供給開口 1，用氦以1/100稀釋的氫放電氣體以 20sccm進行供給。放電氣體通過出口 3由真空泵(未示出)排出。通過 調(diào)節(jié)安裝在排氣出口 3和真空泵之間的閥(未示出)孔，可以調(diào)節(jié)排氣 電導系數(shù)以保持放電管1內(nèi)大約5托(665Pa)。在從光線透射窗口側到 放電管1的方向產(chǎn)生放電氣流的原因在于盡可能減少由于通過放電等離 子在出口 1內(nèi)產(chǎn)生的物質在所述窗口 8的污染源。
接著，將2.45GHz， 50W的微波從微波供給連接器提供到微波振蕩器 4。微波既可以連續(xù)提供也可以間歇提供，安裝在電源線上的調(diào)節(jié)器(未 示出)連接到微波電源，微波振蕩器可以用于調(diào)節(jié)電源和在放電管1中 產(chǎn)生的放電等離子7的載荷(放電等離子)之間的微波能量輸出。通過 放電等離子7激發(fā)的氫原子照射103nm和122mn的真空紫外線波長的光 線。由于MgF2用作光線透射窗口 8的材料，此將在下面說明，所以，103nm 光線由MgF2吸收且只有122訓波長的真空紫外線作為輸出燈光線(真空 紫外線)9穿過進入真空區(qū)14。
在此情況下，用于光線透射窗口 8的固定凸緣17中的開口為08mm， 所以輸出進真空區(qū)的為08腿的光通量。
MgF2 (氟化鎂)單晶體用于光線透射窗口 8，水晶軸線(c軸)對準 以垂直于光線透射窗口的表面。晶體尺寸為^0.5英寸(012.7mm) X lmm厚。使用的晶體為Ohyo Koken Kogyo有限公司制作的UV級產(chǎn)品。 許多這樣的晶體可以同一批獲得，將其分類以匹配其晶體質量和表面條 件以消除同一批內(nèi)可能等級的變化，以便能校驗保護膜的作用。
25另外，光電二極管12被定位以接收作為監(jiān)測來自所述燈的光線輸 出量裝置的燈輸出光線9。
將氧氣供給到使用下述方法的真空區(qū)14，同時調(diào)節(jié)氣體到規(guī)定的分壓力。
氧氣罐23 (由日本Sanso公司制作)填充有純氧(純度4N)并連 接到調(diào)節(jié)器22。當將氣壓調(diào)節(jié)到0. lkg/cm2后，調(diào)節(jié)通過管16c連接的 可變漏泄閥19的孔，氣體穿過大氣側上的管16b，然后通過密封機構(未 示出)前進并從真空區(qū)14內(nèi)的管16a供給進真空區(qū)14。提供量接近為 1 sccm。真空區(qū)14通過渦輪分子泵(50L/min的排出速度，型號為TP-50， 三菱童工株式會社制作)排出，并在下游連接到干泵(未示出)。在此 情況下，真空區(qū)內(nèi)氧氣分壓力穩(wěn)定在1 mtorr (l毫托)。因此，條件形 成為真空區(qū)14內(nèi)氧氣的分壓力為至少lmtorr的等級(在10mtorr以下)。
實驗也通過調(diào)節(jié)閥孔以提供5 mtorr、 2 mtorr和0. 1 mtorr進行， 但也將在后面說明，可以同樣有效地消除碳。
在上述說明中提到的可變漏泄閥不是特殊規(guī)格的產(chǎn)品；其僅僅為實 現(xiàn)微調(diào)節(jié)孔的機構，可以采用任何名稱的各種此類機構。
其次，光電二極管12被采用以測量從上述結構的微波激發(fā)氫原子 紫外線燈在經(jīng)過時間內(nèi)的變化。
放電等離子7用于激發(fā)氫原子以產(chǎn)生真空紫外線達90小時(大約4 天)。然后，作為對比，重復試驗但不提供氧氣，即，操作前述渦輪分 子泵以保持同樣的環(huán)境(0.001 mtorr)，然后比較結果。
結果表明，當在燈工作期間供給氧氣時，沒有觀察到由于碳積聚造 成的通過光線透射窗口傳輸?shù)乃p。另一方面，在對比情況中，如果初 始光線透射率定為100%,則整個試驗期間由于在光線透射窗口 8上碳的 沉積使透射率下降到35%。
圖1顯示了在控制試驗中觀察到的以膜的方式積聚和粘附的碳15。 當燈在具有氧氣流工作時，顯示在圖1中的碳15不粘附到光線透射窗 □ 8。
當己經(jīng)使用后，用光學顯微觀測光線透射窗口 8時，在使用供給氧 氣流的光線透射窗口8上沒有發(fā)現(xiàn)粘附物，但在控制樣品中，物質以膜的方式粘附在真空紫外線傳輸?shù)恼麄€中心08mm的范圍?？梢酝ㄟ^用塑 料鑷子刮擦外表面11以剝離粘附的物質，可以發(fā)現(xiàn)膜狀物質以較弱的 連接力粘附到外表面ll。
其次，對粘附物進行元素分析。利用日本Danshi公司制造的EPMA (電子探針X射線微分析儀)對用于控制樣品的光線透射窗口 8的外表 面11進行元素分析，分析條件為15Kv的加速電壓，5E-8A的照射電 流，測量方法定性分析，線性分析、圖形分析。結果表明，在紫外線 傳輸?shù)墓饩€透射窗口的外表面11的中心08mm區(qū)域檢測到明顯的碳。中 心08mm區(qū)域外的環(huán)形區(qū)域處于凸緣17的陰影中，因此，為沒有紫外線 傳輸?shù)膮^(qū)域，雖然EPMA分析揭示了在此區(qū)域碳的污染等級，但在此沒 有明顯的碳粘附。在EPMA分析中"污染等級"為當分析整個清潔表面 時獲得碳的弱信號等級。用光子束照射清潔表面的行為不可避免地產(chǎn)生 碳的粘附，此信號等級依據(jù)粘附的碳予以確定。因此，分析裝置本身的 污染等級決定了用于EPMA分析的下測量限。當比較污染的信號等級時， 紫外線傳輸?shù)闹行蘑?mm范圍的信號等級明顯高，此發(fā)現(xiàn)確定，碳已經(jīng) 以膜狀方式積聚在光線透射窗口的外表面11上。
圖7顯示了利用EPMA控制試驗的線性分析結果。在圖7中水平軸 的單位為毫米，其表示MgF2晶體直徑上的分析位置；所述晶體上的線性 分析從邊到邊進行。
垂直軸表示在光譜產(chǎn)生晶體LDE2檢測的碳信號強度。主要分析結 論列在圖7圖表的外面。
從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，很明顯，通過紫外線傳輸?shù)腸D8mm區(qū)域中有明 顯高信號強度的碳，其清楚地表明了在中心08mm區(qū)域中的膜狀粘附。
另一方面，當燈在氧氣流下工作之后，從光線透射窗口的表面沒有 檢測到明顯超過污染等級的碳信號。
如上所述，通過燈在供給氧氣下工作，可以防止或抑制碳在光線透 射窗口 8上的積聚。
此方案的實現(xiàn)可以抑制通過光線透射窗口的透射率的下降，從而降 低更換窗口的維修操作成本并降低燈的操作停機時間。
此實施方式以光線透射窗口作為實施例，但本實施方式也可以同樣施用到使用光線反射鏡(窗口)的設備。此光線反射鏡的實施例有施用 激光振蕩器和燈光聚焦鏡的反射鏡。下述實施方式也同樣可以適用到光 線反射鏡的情況。
實施例2
圖2是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第二實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈的簡圖。其它與實施例1說明同樣結構和操作元件
的詳細說明在此省略。光線透射窗口 8的規(guī)格與實施例1說明的一樣。 另外，光電二極管12定位成作為監(jiān)測所述燈的光線輸出量裝置以接收 燈發(fā)射光線9的光線輸出。
利用下述方法將水蒸汽供給到真空區(qū)14，并調(diào)節(jié)到規(guī)定的氣體分壓 力。填充有l(wèi)mL水25 (為蒸餾、離子交換處理和過濾的純水)的玻璃管 24 (管直徑為06mm)通過凸緣17連接有管16d。組合0型圈的凸緣17 的結構密封玻璃管以與大氣隔離，所有的大氣成分都事先從管中排出。 水25保持在室溫(25°)，內(nèi)部蒸汽壓力為25托(計算值)。此蒸汽壓 力通過管16d作為主蒸汽壓力供給，當調(diào)節(jié)可變漏泄閥19的孔后，其 通過密封機構(未示出)穿過大氣側的管16b，通過管16a進入真空區(qū) 14。供給的量接近O. 1 sccm。真空區(qū)14通過渦輪分子泵排空(排空速 度50L/min、型號為TP-50，三菱重工株式會社制作)和下游的干泵(未 示出)排出。在此情況下，水蒸汽分壓力穩(wěn)定在0. lmtorr (0. 1毫托) 的真空區(qū)內(nèi)。因此，條件為水蒸汽分壓力至少為0.1mtorr (在l毫托以 下)等級的真空區(qū)14。
實驗也采用lmtorr和0. lmtorr的水蒸汽分壓力進行，其通過調(diào)節(jié) 閥孔實現(xiàn)，這將在后面說明，可以同樣有效地消除碳。
其次，用光電二極管12測量由上述微波激發(fā)氫紫外線燈輸出的光 線量隨時間的變化量。
首先，氫原子通過放電等離子7激發(fā)以產(chǎn)生90小時(大約4天) 的真空紫外線。其次，在不提供水蒸汽的情況下操作燈，即，利用上述 渦輪分子泵進行試驗以保持0.001nitorr的壓力環(huán)境，然后比較兩個試 驗結果。
28結果表明，當在提供水蒸汽條件下操作燈時，由于沒有發(fā)現(xiàn)形成碳， 因此，不會使穿過光線透射窗口 8的傳輸衰減。另一方面，在控制試驗 中，如果光線透射的開始透射率為100%,則在整個測量期間碳的粘附物使透射率下降到35%。在圖2中顯示的碳15顯示了在對比中觀測到的碳的膜狀粘附，但 當燈操作期間供給水蒸汽時，則如圖2所示，光線透射窗口8上沒有碳 15的粘附。在燈使用后，當利用光學顯微鏡觀測光線透射窗口 8的外表面時， 當燈操作期間供給水蒸汽時，沒有發(fā)現(xiàn)使用過的窗口有粘附物，但在對 比窗口上，傳輸真空紫外線的中心08mm區(qū)域顯示了以膜狀形式粘附的 物質。當利用塑料鑷子剝離外表面11時，可以剝離掉粘附物質，可以 發(fā)現(xiàn)，粘附到外表面11的為較弱的附著膜狀物質。此時，對粘附物質進行元素分析。通過EPMA元素分析的結果與實 施例1中解釋的情況相類似。由于以上己經(jīng)具體說明，所以，當有水蒸汽供給操作燈時，可以確 定，可以防止或抑制碳對光線透射窗口的粘附。此方法可以抑制光線透射窗口的光線透射率的下降，從而降低與窗 口置換相關的維修成本，并降低由于維修造成的停機操作。實施例3圖3是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第三實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈的簡圖。其它與實施例1說明同樣的結構和操作元 件的詳細說明在此省略。光線透射窗口 8的規(guī)格與實施例1說明的一樣。 另外，作為監(jiān)測所述燈光線輸出量裝置的光電二極管12定位成以接收 燈發(fā)射光線9的光線輸出。利用以下規(guī)定的方法將大氣成分供給到真空區(qū)14并調(diào)節(jié)其到規(guī)定 的氣體分壓力。當通過可變漏泄閥19調(diào)節(jié)孔后，將大氣成分通過敞開到允許大氣 成分通過管16b流動的大氣的管供給到真空區(qū)14，并穿過密封機構(未 示出)通過管16a進入真空區(qū)14。供給量接近為1 sccm。真空區(qū)14通過渦輪分子泵排空(排空速度50L/min、型號為TP-50,三菱重工株式 會社制作，在圖中未示出)和下游的干泵(未示出)排出。在此情況下， 大氣成分在lmtorr (l毫托)的真空區(qū)內(nèi)平衡。因此，條件為大氣成分 分壓力至少為lmtorr (只有0. 2mtorr氧氣)等級的真空區(qū)14。調(diào)節(jié)閥孔以產(chǎn)生O. lmtorr (只有0. 02mtorr氧氣)的分壓力，這將 在后面說明，同樣能夠有效地消除碳。其次，采用光電二極管12以測量具有上述結構的微波激發(fā)氫紫外 線燈操作期間光線輸出隨時間的變化。首先，氫原子通過放電等離子7激發(fā)，并產(chǎn)生90小時(大約4天)的真空紫外線。其次，作為對比，在操作期間不提供大氣成分，上述渦 輪分子泵用于產(chǎn)生0.001mtorr的壓力環(huán)境，然后比較兩個試驗結果。當在提供大氣條件下操作燈時，由于沒有發(fā)現(xiàn)形成碳，因此，不會 使穿過光線透射窗口 8的光線傳輸衰減。然而，在控制試驗中，碳的形 成使通過光線透射窗口 8的光線透射從初始值100%下降到35%的透射 率。在圖3中顯示的碳15反映了在控制中觀測到的碳的膜狀粘附，但 當燈操作期間供給大氣成分時，則在如圖3所示的光線透射窗口 8上沒 有碳15的粘附。當燈已經(jīng)使用后，當利用光學顯微鏡觀測光線透射窗口 8的外表面 時，在將大氣成分供給水蒸汽同時，沒有發(fā)現(xiàn)使用過的窗口有粘附物， 但在對比窗口上，傳輸真空紫外線的中心08腿區(qū)域顯示了以膜狀形式 粘附的物質。當利用塑料鑷子剝離外表面11時，可以剝離掉粘附物質， 可以發(fā)現(xiàn)，粘附到外表面11的為較弱的附著膜狀物質。在此點上，對粘附物質進行元素分析。通過EPMA進行的元素分析 結果與實施例l所名的相同。由于以上己經(jīng)具體說明，所以，當有大氣成分的供給操作燈時，可 以確定，可以防止或抑制碳對光線透射窗口的粘附。此方法可以抑制光線透射窗口的光線透射率的下降，從而降低與窗 口置換相關的維修成本，并降低由于維修造成的停機操作。實施例4圖4是顯示用于說明的本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式第四實施例的微波激發(fā)氫紫外線燈的結構視圖，其中將要說明用于消除由于輸出光線粘附到位于真空區(qū)14的光學系統(tǒng)的方法。其它與實施例1說明同樣結構和 操作元件的詳細說明在此省略。光線透射窗口 8的規(guī)格與實施例1說明 的一樣。圖4中的光學元件定位為通過燈發(fā)射光線9照射。當有機氣體存在 于真空區(qū)14內(nèi)時，碳15已經(jīng)粘附到光學元件27的兩側，并且其通過 真空紫外線9的光學元件27的照射產(chǎn)生。由于碳15的粘附，光學元件 27的透射率下降且需要維修。光學元件27已經(jīng)達到此狀態(tài)的原因在于 燈一直在真空狀態(tài)操作。在此采用用于真空紫外線的千擾濾波器作為光學元件27的例子用 于說明碳的消除。用于真空紫外線的干擾濾波器由MgF2基底和在其表面 上的多層光學膜覆層組成。此為用于光學零件例如干擾濾波器的傳統(tǒng)結 構。由于其只允許規(guī)定波長段的光線通過，因此，此干擾濾波器起到帶 通濾波器的作用，但當碳15粘附到其表面時，其透射率隨著干擾濾波 器下降，因此作為光學元件的作用下降。因此，在減少透射率的一定階 段，需要或消除碳或更換干擾濾波器。總體上說，由于例如具有光學膜 覆層的千擾濾波器的光學濾波器的精細特性，所以很難清洗它們。清洗 可能改變光學膜的性質，且很容易由于在清洗期間的刮擦造成缺陷。因 此，沒有可以利用的有效清洗方法，所以必須選擇更換零件。然而，通 常情況下，由于干擾濾波器為價格昂貴的零件，所以成本成為一個問題。 在實施例4中，為了校驗本發(fā)明的效率，在沒有氣體供給的情況操作燈 直到干涉等級的透射率已經(jīng)下降到50% (從100%的初始值)，以有意降 低透射率一半，然后將光學元件定位在真空區(qū)14內(nèi)。實施例1的方法用于在真空區(qū)14中氧氣的分壓力保持在lmtorr條 件下將氧氣供給到真空區(qū)14中。通過調(diào)節(jié)閥孔以達到10mtorr、5mtorr、 2mtorr、 0. lrntorr和0, 05mtorr進行試驗，這將在下面說明，這在碳消 除中具有同樣的效果。其次，放電等離子用于激發(fā)氫原子以使真空紫外線發(fā)射90小時(大約4天)。當在操作期間供給氧氣時，將從光學元件27的表面消除粘附的碳15，光學元件27的透射率幾乎恢復到其初始狀態(tài)。當在光學顯微鏡下觀察光學元件的表面時，沒有觀察到粘附物。如上所述，可以通過在供給氧氣的條件下操作，以清除粘附到光學元件27上的碳。此方法可以抑制光學元件的光線透射率的下降，從而降低與光學元 件更換相關的維修成本，并降低由于維修造成的停機操作。實施例5圖5是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式第五實施例的微 波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖。其中將說明由于使用燈光線發(fā)射造成的 粘附到位于真空區(qū)14中光學元件的碳的消除。其它與實施例1說明同 樣結構和操作元件的詳細說明在此省略。光線透射窗口 8的規(guī)格與實施 例1說明的一樣。在圖5中，光學元件27定位為接收燈9的光線發(fā)射。由于其它元件 與實施例4中使用的相同，故其它光學元件的說明在此省略。在實施例5中，為了校驗本發(fā)明有效性的效果，在沒有氣體供給的 情況操作燈直到干涉等級的透射率已經(jīng)下降50% (從100%的初始值)， 以有意降低透射率一半，然后將光學元件27定位在真空區(qū)14內(nèi)。實施例2的方法用于將水蒸汽供給到在真空區(qū)14中氧氣的分壓力保 持在lmtoir條件下的真空區(qū)14中。通過調(diào)節(jié)閥孔以達到水蒸汽分壓力 為5mtorr、 2mtorr、 0. Olmtorr和0. 005mtorr進行試驗，這將在下面 說明，這在碳消除中具有同樣的效果。然后，放電等離子用于激發(fā)氫原子以使真空紫外線發(fā)射90小時(大 約4天)。當在燈操作期間供給水蒸汽時，將從光學元件27的表面消除 粘附的碳15，光學元件27的透射率幾乎恢復到其初始狀態(tài)。當在光學 顯微鏡下觀察光學元件的表面時，沒有發(fā)現(xiàn)粘附物。如上所述，可以通過在供給水蒸汽的條件下操作，以清除粘附到光 學元件27上的碳15。此方法可以抑制光學元件的光線透射率的下降，從而降低與光學元件更換相關的維修成本，并降低由于維修造成的停機操作。 實施例6
圖6是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實施方式的第六實施例的 微波激發(fā)氫紫外線燈結構的視圖，其中將說明由于使用燈光線發(fā)射造成 的粘附到位于真空區(qū)14中光學元件上的碳的消除。其它與實施例1說 明同樣結構和操作元件的詳細說明在此省略。光線透射窗口 8的規(guī)格與 實施例1說明的一樣。
在圖6中，光學元件27定位為接收燈9的光線發(fā)射。由于其它元件 與實施例4中使用的相同，故其它光學元件的說明在此省略。
在實施例6中，為了校驗本發(fā)明有效性的效果，在沒有氣體供給的 情況操作燈直到干涉等級的透射率已經(jīng)下降50% (從100%的初始值)， 以有意降低透射率一半，然后定位光學元件27在真空區(qū)14內(nèi)。
實施例3的方法用于在真空區(qū)14中大氣成分的分壓力保持在lmtorr
條件下將大氣成分供給到真空區(qū)14中D
通過調(diào)節(jié)閥孔以使大氣成分的分壓力達到2mtorr和0. lrntorr迸行 試驗，這將在下面說明，這在碳消除中可以獲得同樣的效果。
其次，放電等離子用于激發(fā)氫原子以使真空紫外線發(fā)射90小時(大 約4天)。當在燈操作期間供給大氣成分時，將從光學元件27的表面消 除粘附的碳15，光學元件27的透射率幾乎恢復到其初始狀態(tài)。當在光 學顯微鏡下觀察光學元件的表面時，沒有發(fā)現(xiàn)粘附物。
如上所述，可以通過在供給大氣成分的條件下操作，以清除粘附到 光學元件27上的碳15。此方法可以實現(xiàn)性能下降的光學元件的恢復， 從而降低與光學元件更換相關的維修成本，并降低由于維修造成的停機 操作。
下面，將參考附圖對本發(fā)明第二優(yōu)選實施方式進行說明，其中為了 防止或抑制窗口的衰減，將保護膜覆蓋在光線透射窗口上。然而，本發(fā) 明不局限于此種結構，其自然也可以施用到通過放電或熱產(chǎn)生發(fā)光的于說明本發(fā)明的實施 方式1-3。用于光線透射窗口 8的凸緣17為圓盤型，且其中心與放電管 l的孔線對準，并包括為比放電管的直徑大的直徑開口。窗口凸緣17包 括制作為上述開口上密封光線透射窗口 8的裝置的0型圈槽13b、和包 括用于連接的螺栓孔的中空的、蓋狀的裝配架20，以及用于連接放電管 l的0型圈槽13a,其還可以使凸緣17以保持真空。裝配架20的內(nèi)表面結構由圍成為容納光線透射窗口 8和放電管1的 空間的兩級同心的中空圓筒組成。包住放電管1側面的端表面上為0型 圈13c，其安裝在相對應圈直徑的對角切削面中。此外，在此端的外圓 周表面也切削出螺紋(未示出)，以便安裝圓筒形開口端蓋21，其保持 O型圈槽13c在其位置上并限定放電管1的真空邊界。窗口凸緣17、裝 配架20和蓋21都由金屬制作；通常情況下，采用低污染的不銹鋼或鋁， 但材料不局限于這些金屬。下面，將說明具有上述結構的微波激發(fā)氫紫外線燈的操作。首先， 將氦氣中進行1/100稀釋的氫氣通過放電氣體供給開口 2以大約20sccm 的速度供給到放電管1。放電氣體通過排氣出口 3由真空泵(未示出) 排出，位于排氣出口 3和真空泵之間的閥(未示出)孔的調(diào)節(jié)控制排氣 傳導率，以保持放電管1內(nèi)大約5torr (665Pa)。從光線透射窗口 8內(nèi) 到放電管1流動的原因在于，盡可能由等離子7在放電管1內(nèi)產(chǎn)生的任 何材料都在遠離光線透射窗口 8的方向排出，以便減少所述窗口 8的污 染源。微波振蕩器調(diào)諧器18為圓筒型，其為可以對微波振蕩器內(nèi)的微波電 磁場分布進行調(diào)節(jié)的微波振蕩器的結構元件，且其內(nèi)徑為放電管1的殼 體。此外，其結構為以便其可以插入，同時其將微波振蕩器4的端表面 在軸向對準，其可以在軸向滑動同時保持與微波振蕩器4的電導性。調(diào) 諧器18由銅或黃銅形成，同樣的材料也用于微波振蕩器4。所述調(diào)諧器 18的作用為調(diào)節(jié)微波電磁場分布，其根據(jù)其插入的深度產(chǎn)生等離子體7 以便微波的產(chǎn)生集中在中心6。接著，將2.45GHz， 50W的微波從微波供給連接器供給到微波振蕩器4。微波的供給既可以連續(xù)也可以間歇，調(diào)節(jié)器(未示出)安裝在將微 波電源與微波振蕩器連接的電源傳輸線的中間。其能夠被調(diào)節(jié)控制電源 和載荷(放電等離子)之間的微波能量，以便在放電管l內(nèi)產(chǎn)生放電等
離子7。通過放電等離子7激發(fā)的氫原子產(chǎn)生103nm和122rnn波長的真 空紫外線光束；它們穿過光線透射窗口 8并使照射燈的光線9傳輸?shù)酵?面。
MgF2 (氟化鎂)單晶體用于制作光線透射窗口 8,且其晶體軸(c軸) 對準垂直于光線透射窗口的表面。
在將光線透射窗口 8安裝在圖8所示位置之前，已經(jīng)事先施加了 A1203 (鋁)的薄膜覆層作為對光線透射窗口 8的表面10的保護膜10A。 采用離子束濺射型薄膜形成法膜形成施加覆層。
下面將說明離子束薄膜形成法。保持為0. lPa壓力的Ar氣環(huán)境用于 膜形成氣，用20Kv的Ar離子加速電壓轟擊4 3英寸的燒結A1A靶電極 (純度4N)，以從靶電極濺射八1203到光線透射窗口 8的表面10上以產(chǎn) 生薄膜。通過事先產(chǎn)生說明石英晶體振蕩數(shù)量的變化量和膜厚度之間關 系的刻度曲線，利用石英振蕩器對薄膜厚度進行控制。通過上述方式， 可以通過相應地改變振蕩時間以形成所需的厚度。
用于產(chǎn)生保護膜10A的覆層方法不局限為上述離子束濺射薄膜形成 法。也可以通過選擇適當?shù)姆椒ê脱b置產(chǎn)生所需成分的膜。其它可能的 方法包括如蒸汽沉積、離子電鍍、CVD等的氣相方法。
用于保護膜10A適當膜厚度的范圍根據(jù)光學系統(tǒng)表面覆蓋情況以及 122mn真空紫外線要求的透射確定。
圖13是顯示當A1A作為光線透射窗口覆層施用時，與沒有覆層存 在的初始狀態(tài)相比，光線透射與保護膜厚度之間變化的曲線圖。如圖13 所示，光學系統(tǒng)透射率的程度隨著其初始狀態(tài)為保護膜厚度函數(shù)增大而 下降。最好采用可以抑制其初始衰減的最薄的薄膜。另一方面，為了使 保護膜有效，必須覆蓋光學系統(tǒng)所有的表面?？傮w上說，在其應用的初 始階段，薄膜不是均勻的膜結構，其在光學表面形成島狀結構以使部分 光學表面暴露，仍然沒有達到有效的保護膜。
當保護膜形成后，用AFM (自動施力顯微鏡)觀測表面，其顯示出為了形成平的光滑膜，需要覆蓋基底的膜厚度為2nm或更大。此外，從有效地保護光學系統(tǒng)的表面的目的出發(fā)，考慮充分厚的20nm 或更厚的膜厚度，可以發(fā)現(xiàn)，采用Si02或A1203、 MgO、 Ti02、 ZiU的保 護膜，由于真空紫外線的高吸收性，在其上使用保護膜的光學系統(tǒng)的特 征實質上被衰減，保護膜本身吸收產(chǎn)生的衰減和熱可以使其剝離或產(chǎn)生 其它光學系統(tǒng)表面的問題。因為此真空紫外線的吸收導致光學系統(tǒng)不能 起到預期的作用，所以薄膜厚度的上限設定為20mn或更大，優(yōu)選12nm 或更大，或更優(yōu)選為lOnm或更大。在本實施方式中，采用6nm的保護膜厚度，在此保護膜厚度下，122nm 波長光線的透射率為給定的不使用保護膜的初始狀態(tài)100%透射率的 50%。此外，光電二極管12定位成作為監(jiān)測所述燈的光線輸出裝置以接收 燈發(fā)射光線9。其次，光電二極管12用于測量具有上述結構的微波激發(fā)的氫紫外線 燈的光線輸出量中的任何變化。首先，氫原子通過等離子7激發(fā)并在真空紫外線波長范圍內(nèi)產(chǎn)生光 線達90小時(大約4天)。其次，作為對比，光線透射窗口8用沒有保 護膜的光線透射窗口替換，并重復試驗并比較結果。使用下列評價方法。光線透射窗口的初始透射率為L (在控制試驗 的情況下，T。=T,)，當使用后，即，90小時后，降低的透射率為T2，然 后計算出變化的透射率AT[9&]:AT二 (T'- T2) /90 公式(1)另外，變化率表示為衰減率K[。/。/hr.]，以下列公式定義。K=100 AT/T。 公式(2)通過比較衰減率K的大小，可以快速地量化和評價光線透射窗口 8 的衰減。顯然，K值越低，光線透射窗口的衰減越輕微，其壽命越長，其需要更換的頻率越小。結果表明，當保護膜(A1203)用在光線透射窗口 8上時，衰減率K 為0.04%/hr.。另一方面，用于對比的衰減率K為0.46%/hr.，大約為覆 層窗口的ll倍。根據(jù)此評價，我們發(fā)現(xiàn)，與不使用覆層相比較，在光線36透射窗口 8上的保護膜IOA獲得了壽命提高大約10的因數(shù)。
為了闡明保護膜IOA的影響，下面將說明在燈中使用前和在使用之 后覆層有A1203作為保護膜10A的光線透射窗口的XPS表面分析結果， 而作為對比，將說明在燈中使用前和在使用之后不具有保護膜的光線透 射窗口的表面分析結果。
圖9是顯示在使用前對比的分析結果。水平軸為氬的時間，其量正 比于濺射深度。濺射時間零分鐘表示在濺射之前的初始狀態(tài)，其相對應 晶體表面的分析。在XPS總體分析中，初始狀態(tài)獲得的信息反映物質的 自然污染，檢測為對碳、氧等的吸收成分。然而，由于實際上沒有任何 東西，因此可以從分析數(shù)據(jù)中予以省略。垂直軸表示通過XPS發(fā)現(xiàn)的各 種元素的比。
圖9是顯示在使用之前，對比窗口根本沒有氟損失。雖然在表面發(fā) 現(xiàn)微量的氧，但在晶體內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)任何存在其內(nèi)的物質。污染材料中自 然吸收到表面的氧是由于氬濺射的結果，氬濺射驅使其進入到晶體中。 因此，無論在晶體內(nèi)有氧或無氧存在，顯示在圖9中的氧氣量應該理解 為應該用于作為其它分析結果的校準基礎的微量。
圖IO是顯示已經(jīng)使用保護膜后的對比分析結果。圖IO清楚地表明 氟從控制樣品表面的損失。同時在晶體中與氟缺乏層同樣深度發(fā)現(xiàn)大量 氧存在。因此，在使用后的控制樣品中，表面層顯示出氟缺乏和氧化。 此表面狀態(tài)為對122mn微波真空紫外線透射率降低的主要原因。
其次，A1A的保護膜10A施用在光線透射窗口 8上接近5nm厚，而 圖11顯示其被使用前的分析結果。曲線圖坐標軸的說明和解釋與圖9 相同，在此不再說明。保護膜成分之一的A1 (鋁)已經(jīng)新加到圖中。圖 11顯示了氟和鎂的同步圖形從表面到內(nèi)部延伸，氧和鋁的同步圖形從表 面層到內(nèi)部延伸。因此，盡管覆蓋保護膜，但從表面層檢測的氟和鎂信 號的XPS分析原因為XPS分析的分辨率在深度方向為幾mn。因此，即使
試圖測量理想的邊界分布，因為分辨率的寬度在形狀上不可避免地寬， 因此，其將不能作為步驟顯示在圖形上。此外，考慮5mn的保護膜厚度， 如果濺射不進行大約20分鐘，則基底的MgF2晶體將保持外露。這是由 于Al》3和MgF2之間濺射效率的差異造成的。集中在此點，可以理解F和Mg、 0和A1圖形同步的區(qū)域。最后，圖12顯示出在其使用已經(jīng)覆層有作為保護膜的大約6nmAl203 厚度的光線透射窗口后的分析結果。曲線圖坐標軸的說明和解釋與圖9 相同，在此不再說明。圖12顯示了氧和鋁的圖形從表面到內(nèi)部為同步。 此外，沒有證實在晶體內(nèi)部有氧存在。這就可以清楚地看出，通過保護 膜防止了氧進入到晶體的內(nèi)部。另一方面，從表面和進入到中心的氟和鎂的圖形不同步?？梢郧宄?地看出，氟已經(jīng)進入到保護膜10A的AL03中。然而，由于保護膜10A 的存在，雖然氟存在于保護膜的內(nèi)部，但仍然沒有完全排除氟以產(chǎn)生氟 缺乏，在對比的情況下，很容易地想到氧氣作為替代物通過其進入的機 構。實際上，如果考慮圖12中沒有保護膜的情況，可以利用圖10很容 易說明上述氟缺乏層和氧化層的形成。如上已經(jīng)說明，通過利用在光線透射窗口 8上作為覆層的保護膜 IOA，可以抑制氟缺乏層的產(chǎn)生，并在晶體內(nèi)防止或抑制氧(氧化層) 的存在，另外，當與對比組比較時，具有保護膜覆層的光線透射窗口形 成以大約10的系數(shù)下降的衰減速度K。另外，當使用Si02覆層(膜厚度6nm)作為光線透射窗口 8的保護 膜時，衰減速度K為0. 06%/hr.。另一方面，對比組的衰減速度K為 0.46%/hr.。這就可以證實即使在保護膜中使用Si02，也可以達到同樣 的保護程度，可以在衰減速度K實大約8倍的改善。此外，如同使用A1A—樣，也可以使用金屬氧化物如Mg0、 Ti02、 Zr02作為保護膜的材料，其在紫外線照射下比氟化合物顯示出更少變色。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光學系統(tǒng)具有形成于其上的保護膜，其本 身的不具有保護膜的光學性能(例如，如果其為光線透射窗口，其將為 光線透射率)低于其設置在預覆層狀態(tài)的光學性能。然而，單獨評價那 些光學系統(tǒng)是不適宜的，將它們作為組合成整個作為使用光學輸出裝置 一部分的光線輸出裝置的零件來評價是重要的。即，可以補償上述光學 輸出裝置中的光學系統(tǒng)的初始劣勢，并配置光線輸出到系統(tǒng)需要的規(guī) 格，其可以實現(xiàn)維持光學輸出裝置的輸出并增加其壽命，從而達到提供 其光線輸出窗口的維修頻率和維修成本等總體下降的光線輸出裝置的目的。
另外，將本發(fā)明用于在測量應用場合作為光源非常有益。其中的實 例是進行環(huán)境污染物質的產(chǎn)生等長期的監(jiān)測或類似的應用。總體上說， 當采用此測量時，在測量中信號和靈敏度的程度正比于光線輸出的平 方。如上所述，在先前技術中，光源的測量靈敏度通過光壓輸出提高， 但光學系統(tǒng)的最終衰減使其必須抑制降低光線輸出和測量靈敏度降低 的衰減。本發(fā)明使用的光學系統(tǒng)延長光線輸出裝置的壽命，并長期保持 更穩(wěn)定的輸出性能，以解決上述問題并提供適合用于長期環(huán)境監(jiān)測的光 線輸出裝置。
以上實現(xiàn)的實施例用于光線透射窗口，但也可以施加到使用光線反射鏡 (窗口)的裝置。此光線反射鏡的實施例為用于激光振蕩器的反射鏡和 用于燈中的聚焦鏡。因此，光線反射鏡可以用于同樣應用實施例。
如以上說明，本發(fā)明可以防止或抑制由于降低透射率的碳堆積造成 的光學系統(tǒng)衰減，并且確定上述系統(tǒng)和光學元件壽命，從而降低更換光 學系統(tǒng)的維修操作頻率，并當在系統(tǒng)使用光學元件如光線透射、折射、 反射、光譜產(chǎn)生、千涉的光學作用的一種或組合時，降低使用如常規(guī)紫 外線或真空紫外線的高光子能量光線的各種光學設備的操作成本，例 如，當所述透射或反射的光學元件位于近真空區(qū)邊界內(nèi)時，其中可分解 的有機成分可以使光學元件沿用于衍射、折射、光譜產(chǎn)生、透射的真空 區(qū)中光學路徑產(chǎn)生衰減，或者包括容器的分析位置調(diào)節(jié)光學元件或者其 它經(jīng)受照射的表面或密封物質、調(diào)節(jié)光學元件的位置調(diào)節(jié)設備存在于其 中，例如用于具有真空紫外線的曝光設備(分節(jié)器)和彩色板。
具體地說，通過防止或抑制碳在其表面堆積產(chǎn)生的光學系統(tǒng)中光線 透射率的下降，可以防止或抑制所述光學系統(tǒng)的衰減，從而降低更換光 學系統(tǒng)等的維修操作頻率，并降低操作成本。
此外，通過防止或抑制碳在光學系統(tǒng)中沿真空區(qū)中光線路徑的照射 表面和發(fā)射表面的堆積，可以延長下游設備的壽命并提高設備的可靠 性。
具體地說，由于本發(fā)明可以防止或抑制由于碳在光線透射窗口和其 它光學元件上的堆積造成的光學透射率下降，因此，可以延長需要對光線透射窗口等清潔或更換的維修間隔，從而有助于提高設備的操作率并 降低維修成本。
另外，通過防止或抑制碳在用于光線輸出設備照射光線的真空區(qū)中 的光學元件和光學系統(tǒng)的照射表面和發(fā)射表面的堆積，可以延長下游設 備的壽命并提高設備的可靠性。此外，本發(fā)明的方法還可以用于照射先 前已經(jīng)由于碳堆積造成衰減的光學元件，以照射這些衰減的光學元件并 使其恢復到其初始條件。
因此，通過使用本發(fā)明，可以延長用于上述真空區(qū)內(nèi)的光學元件的 清潔或更換維修周期，從而有助于提高設備的操作率并降低維修成本。
如上所述，由于本發(fā)明可以防止或抑制光學系統(tǒng)的衰減，并延長其 必須更換的維修周期，因此，有助于提高設備的操作率并降低維修成本。
此外，通過將根據(jù)本發(fā)明將光學系統(tǒng)結合到使用光線的設備，可以 延長此設備的壽命并保證此設備的長期穩(wěn)定輸出特性。
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權利要求
1.一種包括設置在暴露于真空紫外線或等離子線環(huán)境的氟化合物的光學系統(tǒng)，所述真空紫外線或等離子線具有比所述光學系統(tǒng)的基本材料的吸收波長高的光子能量，其中具有2-20nm膜厚度的SiO2或其它金屬氧化物的保護膜至少形成在所述光學系統(tǒng)的光線照射側面(內(nèi)側面)，以防止氟原子從所述光學系統(tǒng)的表面剝離。
2. —種包括設置在暴露于真空紫外線或等離子線環(huán)境的氟化合物的光學系統(tǒng)，所述真空紫外線或等離子線具有比所述光學系統(tǒng)的基本材料的吸收波長高的光子能量，其中具有2-20nm膜厚度的Si02或其它金屬氧化物的保護膜至少形成在所述光學系統(tǒng)的光線照射側面(內(nèi)側面)，以防止所述光學系統(tǒng)的表面氧化。
3. —種包括具有表面面對和暴露于安置在具有等離子存在的內(nèi)部區(qū)的光學設備中的等離子的氟化合物的光學系統(tǒng)，其中高抗等離子材料的2nm-20nm保護膜形成于所述暴露于所述等離子的氟化合物的表面。
4. 根據(jù)權利要求l、 2或3所述的光學系統(tǒng)，其特征在于-所述光學系統(tǒng)由具有沿光線照射方向的晶體軸線(c軸)的單晶體氟化物材料組成，且所述保護膜的垂直表面覆蓋有Si02或金屬氧化物。
5. 根據(jù)權利要求K 2、 3或4所述的光學系統(tǒng)，其特征在于所述金屬氧化物的保護膜從Al203、 MgO、 Ti02、 Zr02中之一選擇。
6. 根據(jù)權利要求l、 2、 3、 4或5所述的光學系統(tǒng)，其特征在于，所述保護膜通過離子束濺射方法或等離子CVD形成。
7. —種使用光學設備的方法，包括步驟事先將從Si02或A1203、 MgO、 Ti02、 Zr02中選擇的一種金屬氧化物的2nm-20nm的保護膜施加到光學系統(tǒng)上，其中所述膜抑制結構元素由于真空紫外線長時間照射或等離子暴露于基本材料從基本材料的表面剝離或基本材料的表面的氧化，以及結合所述光學系統(tǒng)成為具有比所述光學系統(tǒng)基本材料的吸收波長更高光子能量的真空紫外線源或等離子光線源的需求裝置。
8. 根據(jù)權利要求7所述的使用光學設備的方法，其特征在于所述光源提供充足的光線輸出以補償由于所述保護膜造成的所述光學系統(tǒng)的初始衰減，而所述光學系統(tǒng)設置于在所述光源的光學路徑上用于在所述設備的所述初始衰減后抑制光學性能衰減。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于防止或抑制決定光學設備壽命的光學系統(tǒng)的衰減，其中所述光學設備實現(xiàn)例如光線透射、衍射、反射、光譜產(chǎn)生、以及干涉和其組合的效果。采用上述方式，可以降低維修操作頻率如窗口更換并降低此操作的成本。本發(fā)明的特征在于通過以下步驟實現(xiàn)產(chǎn)生具有活性能量存在的近真空區(qū)，以激發(fā)碳的氧化反應，其中所述近真空區(qū)面對所述光學系統(tǒng)的所述光線表面；在所述近真空區(qū)產(chǎn)生負離子或基團，例如含有氧原子的不穩(wěn)定的基團如OH基、OH^-離子、臭氧、O₂^-離子、O^-基；并通過沉積的碳與負離子或基團進行反應，消除或減少積聚在所述照明表面上的積聚的碳。
文檔編號H01J61/00GK101656187SQ20091017089
公開日2010年2月24日 申請日期2004年5月31日 優(yōu)先權日2004年5月31日
發(fā)明者二見博, 團野實, 坂井智嗣, 山崎紀子, 山越英男, 栗林志頭真, 鶴我薰典 申請人:三菱重工業(yè)株式會社