Excimerlaser sind über elektrische, optische, thermische und gasseitige Schnittstellen in das Gesamtsystem eingebunden. Ein stabiler Betrieb setzt voraus, dass diese Schnittstellen die definierten technischen Anforderungen erfüllen.
Die in diesem Abschnitt beschriebenen Spezifikationen und Integrationsparameter beziehen sich auf die kompakten Excimerlasersysteme der MLI-Serie.
Die Integration eines Excimerlasers umfasst weit mehr als die elektrische Anbindung und die Strahlführung. Prozessstabilität und Systemleistung hängen wesentlich davon ab, wie gut unterstützende Systeme wie Gasversorgung, Kühlung und Optik auf die Betriebsbedingungen des Lasers abgestimmt sind.
Dieser Abschnitt gibt einen strukturierten Überblick über die wichtigsten Integrationsparameter und Auslegungskriterien. Er verbindet technische Anforderungen mit dem praktischen Betrieb und unterstützt eine zuverlässige Systemperformance von der Inbetriebnahme bis zum Dauereinsatz.
Die Bearbeitung von Materialien mit Excimerlasern wird maßgeblich durch die auf die Oberfläche eingebrachte Fluenz (Energie pro Fläche) bestimmt.
Fluenz-Berechnung
Dabei gilt:
Beispiel (MLI-Serie)
Typische Strahlabmessungen:
6 mm × 3 mm
Strahlfläche:
A = 0,6 × 0,3 = 0,18 cm²
Pulsenergie:
7 mJ = 0,007 J
Ergebnis:
Typische Prozessfenster für die Excimerlaserbearbeitung liegen – abhängig von Material und Wellenlänge – zwischen:
0,05 – 2 J/cm²
Bei Excimerlaserprozessen werden häufig Maskenprojektionsoptiken eingesetzt.
Die resultierende Strukturgröße wird durch den optischen Verkleinerungsmaßstab bestimmt.
Projektions-Berechnung
Dabei gilt:
M = Projektionsmaßstab
Typische Projektionsmaßstäbe: 0,1 – 0,5
Beispiel
Maskenöffnung: 1 mm
Projektionsmaßstab: 0,2
Strukturgröße: 200 µm
Die Strahldivergenz bestimmt die Aufweitung des Strahls entlang des optischen Pfads.
Strahlaufweitung
Dabei gilt:
D₀ = ursprüngliche Strahlgröße
θ = Divergenzwinkel
z = Pfadlänge
Strahlparameter der MLI-Serie
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Strahlgröße | 6 × 3 mm |
| Strahldivergenz | 2 × 1 mrad (FWHM) |
Beispiel
Abstand: 500 mm
Vertikale Divergenz: 2 mrad
Strahlaufweitung: 0,002×500mm=1mm
Dies muss bei der Positionierung folgender Komponenten berücksichtigt werden:
UV-Strahlung wird durch Sauerstoff und Verunreinigungen stark absorbiert.
Bei 193 nm sollte der Strahlengang mit Stickstoff gespült werden.
Anforderungen an das Spülgas:
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Gas | Stickstoff |
| Reinheit | ≥ 5.5 |
Zweck:
Bei 248 nm ist eine Stickstoffspülung des Strahlengangs in der Regel nicht erforderlich.
| Parameter | Standardkonfiguration (SP) | Hochleistungskonfiguration (HP) |
|---|---|---|
| Versorgungsspannung | 230 V | 230 V |
| Frequenz | 50/60 Hz | 50/60 Hz |
| Leistungsaufnahme | ≤ 2 kVA | ≤ 2,3 kVA |
| Anschluss | IEC 60320 C14 | IEC 60320 C14 |
Eine stabile Erdung sowie geringe elektrische Störungen verbessern die Stabilität der Gasentladung.
Luftkühlung (AC)
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Luftvolumenstrom | 400 m³/h |
| Durchmesser Abluftschlauch | 158 mm |
Maximale Einschaltdauer (luftgekühlte Systeme)
| Maximale Wiederholrate | Einschaltdauer |
|---|---|
| 200 Hz | 100 % |
| 500 Hz | 40 % (max. 10 min) |
| 1000 Hz | 20 % (max. 5 min) |
Wasserkühlung (LC)
Wasserkühlung ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb bei 100% der Wiederholrate.
| Parameter | Anforderung |
|---|---|
| Durchflussrate | ≥ 2 l/min |
| Kühlleistung | ≥ 1000 W |
| Temperaturstabilität | ±2 °C |
| Vorlauftemperatur | 30–40 °C |
| Druck | < 5 bar |
Volumen und Betriebsdruck der Laserröhre
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Röhrenvolumen (SP) | 6,5 l |
| Röhrenvolumen HP | 6,3 l |
| Betriebsdruck | 5–6 bar bei 20 °C |
Eingangsdruck der Prozessgase
| Gas | Druck |
|---|---|
| Premix | 7–9 bar absolut |
| Spülgas | 1,5–3 bar absolut |
Anschlüsse
Anforderungen an das Gassystem
Excimerlaser benötigen präzise definierte Gasgemische, um ein stabiles Entladungsverhalten und eine konstante Ausgangsleistung sicherzustellen. Gasqualität und Reinheit wirken sich direkt auf Lebensdauer und Stabilität aus. Für optimale Ergebnisse gibt MLase Empfehlungen zu qualifizierten Gaslieferanten und Gasquellen.
ArF-Gemisch (193 nm)
| Komponente | Anteil | Reinheit |
|---|---|---|
| F₂ | 0,133 % | 2.8 |
| Ar | 1,80 % | 5.5 |
| Ne | Restanteil | 4.8 |
KrF-Gemisch (248 nm)
| Komponente | Anteil | Reinheit |
|---|---|---|
| F₂ | 0,150 % | 2.8 |
| Kr | 1,25 % | 5.5 |
| He | 2,534 % | 6.0 |
| Ne | Restanteil | 4.8 |
Servicegase
| Anwendung | Gas | Reinheit |
|---|---|---|
| Optikwechsel | Helium | 5.0 |
| Spülung des Strahlengangs | Stickstoff | 5.5 |
Lebensdauer der Optiken
|
Aktive Gaslebensdauer
| Laser | Energie | Typische Lebensdauer |
|---|---|---|
| ArF | 4 mJ | 50–80 Mio. Pulse |
| ArF | 6 mJ | 30–50 Mio. Pulse |
| ArF HP | 8 mJ | 20–40 Mio. Pulse |
| KrF | 7 mJ | 60–90 Mio. Pulse |
| KrF HP | 12 mJ | 30–50 Mio. Pulse |
Weitere Komponenten
| Komponente | Typische Lebensdauer |
|---|---|
| Laserröhre | 2–4 Mrd. Pulse |
| Hochspannungselektronik | 4–8 Mrd. Pulse |
| Elektronik | 4–10 Mrd. Pulse |
| Gasfilter | ca. 200 Gaswechsel |
Passive Gaslebensdauer
| Bedingung | Typische Lebensdauer |
|---|---|
| Gasstabilität im Stillstand | 1–3 Monate |
MLase-Excimerlaser sind auf modularen Service und einen geringen Vor-Ort-Wartungsaufwand ausgelegt. Klar definierte, leicht zu wechselnde Verbrauchsmaterialien, sowie das Konzept austauschbarer Entladungseinheiten (Laserröhren) ermöglichen den gezielten Ersatz lebensdauerbegrenzter Komponenten. Dadurch lassen sich vollständige Systemaustausche vermeiden und Stillstandszeiten reduzieren.
Der Betriebsaufwand von Excimerlasersystemen wird im Wesentlichen durch die Gesamtzahl erzeugter Pulse bestimmt. Die Pulsanzahl beeinflusst direkt den Gasverbrauch, die Alterung der Optiken sowie die Wartungs- und Austauschintervalle von Komponenten.
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