专利名称：光学性能恢复设备、恢复方法以及用于该设备的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过防止、抑制或改进存在于输出光线或沿所述输出光线的光线路径的光学系统的光学性能的衰减，改进光学系统的光学性能的可靠性和寿命的设备和方法，其中所述光学系统设置在有机成分可以分解的近真空区，所述衰减通过沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(共同称为“光线表面”)上的碳产生，而所述表面面对所述真空区。更具体地说，其涉及一种光学性能恢复设备和使用其的方法，此光学性能恢复设备通过利用高光子能光线如常规的紫外线或真空紫外线，用于改进设置在产生光线透射、折射、反射、光谱产生和干涉等综合效果的各种光学设备的光传输窗口外面的各种光学系统的光学性能。
此外，本发明涉及各种光学设备和使用其的方法中的光学系统。光学系统改进各种产生光线透射、折射、反射、光谱产生和干涉等综合效果的各种光学设备的光传输窗口内的光学性能，光学系统设置在高光子能光线如常规的紫外线或真空紫外线的光线路径上。更具体地说，本发明可以施用到配置有透镜、窗口、标准具、棱镜、十字线以及反射镜等的光学系统，以及配置有此光学系统的高光子能灯。此外，本发明不仅可以施用到光学测量设备，如分光计、荧光计、干涉仪、衍射仪，而且可以施用到组合用于真空紫外线的标准光源，用于激发化学反应、印刷板和照相场合的光源以及用于实验场合的各种光源的各种光学设备。
背景技术：
图14用于说明作为本发明可以使用的传统光学输出设备实施例的微波激发氢紫外线灯的组件和操作。此设备在非专利文献1的JamerA，R.Samson编著、在1967年于Licon，Nebraska由Pied出版的《真空紫外线分光镜技术》，P159页中的图5.56进行了说明。微波振荡器4具有设置有由同样电导材料制作的两端的密封管型部件。管的内径和长度根据使用微波的频率和微波振荡器中激发的电磁场分布确定。
微波振荡器调谐器18为允许微波振荡器的微波电磁场分布调节的微波振荡器的必要部件的管型件，且其内径为以便其可以遮盖放电管1。此外，其沿其孔轴线与微波振荡器4的端表面同心插入，且其结构为以便当其保持其起到微波振荡器4电导向作用时可以在轴向滑动。与微波振荡器4一样，用于形成调谐器18的材料为铜或黄铜。通过所述调谐器18调节微波电磁场分布的功能通过调节其插入深度进行，同时产生等离子体7，从而使微波浓度6进入所需的发生位置。
此外，放电管1以此方式安置以便其通过微波振荡器4的两端表面。虽然通常其最大的电场沿微波振荡器4的孔轴线放置的放电管1的孔轴线产生，但也不是总这样。放电管1的截面形状为圆形，但其也同样可以为方形等。
放电管1作为真空边界、用于作为放电气体的流动通道以及等离子的产生空间。在图14所示的实施例中，为了限制放电等离子产生的空间，导体的内管沿放电管1从微波振荡器4的端表面向微波振荡器内一直延伸。因此，放电等离子7在微波振荡器调谐器18的端部和上述内管端部之间的空间产生。
微波振荡器4连接有输送微波的微波供给连接器5。在此，连接器的形状为同轴的，但其也可以为波导型，无论是同轴电缆还是同轴管都可以作为连接到同轴连接器的传输进给路径。
凸缘17通过O型圈13连接以保持灯在微波振荡器调谐器18侧面的放电管1端上的原位。在上述凸缘17的中心处有开口，其具有与放电管1相应的内径，因此其允许从放电等离子7发射的光线在放电管1的轴向排出。
固定在上述凸缘17开口中的光线透射窗口8具有两个作用。其一作为放电管1的内部到大气的真空边界。其二为使从放电等离子7发射的光线排出到真空外部。上述微波振荡器已经在非专利文献2中的E.L.Ginzton编著、1957年McG-Hill，New York出版的《微波测量》的进行了说明。
具有上述结构的放电灯具有下述问题，但在说明其之前，首先将说明其术语的定义。
真空紫外线的波长范围为0.2到200nm。此范围内的光称为紫外线光或真空紫外线光。紫外线光的常规波长为200到380nm(参见物理学字典，Baifukan出版，以及日本国家天文台(National Observatory ofJapan)出版的Rika Nenpyo)。
在图14中，为了区别光线透射窗口表面，面对放电等离子7的表面称为内表面10，而另一侧的表面称为外部外表面11。
光线透射窗口外部光学性能衰减的问题在图14中，当放电等离子7产生光线、特别是紫外线光或真空紫外线光时，其通过传输窗口8的内表面10穿过传输窗口8照射，并从光线透射窗口8的外部外表面11穿过。
在此，当紫外线或真空紫外线光在大气中发射时，此光线产生氧气、二氧化碳、水蒸汽等的显著吸收，所以如图14所示，通常在凸缘17的左侧(即，光线透射窗口8的外部)具有有助于保持真空的机构。保持此真空的区域以下称为“真空区”。
即，可以使用各种真空泵的任何一种作为保持真空的机构。虽然也有适合于使用的各种无油干泵(其几乎不产生有机气体)，但最常用的还是旋转型泵。因此，真空区14包含来自泵中使用油的蒸气压的有机气体。
此外，不锈钢或金属铝件或橡胶密封件如O型圈也包括在真空区14内，且根据应用场合，真空区14也可以包括如样件、透镜、衍射件、反射镜、滤光器、传输窗口、镜台或其它定位件等。从理论上说，与上述真空区14接触的所有材料，即，不锈钢容器、铝容器、O型圈和其它密封材料、光学件、工作样件、位置调节机构等都应该为无油(其意思为其本身不应该有有机气体释放)。
具体地说，在半导体工业中，加工尺寸(电路导线的宽度)变得越来越细，用于电路的曝光图形的光线波长已经达到真空紫外线的范围。例如，用于此应用场合光源的氟化氩激态原子激光的波长为193nm(其转化为能量时为6.4eV)，但在最近几年，已经发展研究出产生157nm波长的激光分档器设备。
然而，在实际操作中，很难避免由各种因素如用于机械驱动结构的润滑油、工作样品的污染、O型密封圈的放气、塑料件的放气、零件不充分的脱脂或清洁、或由于人为错误产生的污染等各种因素引起的真空区14内有机气体的放射。因此，在实际应用中，必须考虑在上述真空区内有机气体的出现。
真空区14内的有机气体具有一定的吸收到光线透射窗口8的外部外表面11上的可能性。此吸收可能性根据包括光线透射窗口8和有机气体类型的材料变化，但吸收现象本身的出现是不可避免的。
当有机气体被吸收到外部外表面11上的同时，通过照射这些有机气体的等离子产生的紫外线光，特别是真空紫外线可以使有机气体分子直接激发为活性状态。这就产生吸引氢的反应，即有机气体组成元素的脱氢反应，最后，吸收的有机气体转化为碳(石墨)。当达到此状态时，其就不再为气体，而是固体，其将其本身附着或积聚于光线透射窗口8的外表面11上。然后，积聚的碳吸收新的有机气体，并通过紫外线光，特别是真空紫外线光照射它们并同样将其转化为碳，并进一步堆积。随着此过程的继续，光线透射窗口8的外表面11变得由碳膜覆盖。由于碳为黑色，因此吸收各种波长的光线，并且随着外表面11上碳积聚的继续，通过光线透射窗口8的透射率逐渐下降。
在此，为使说明简化，假设有机气体为碳氢气体，且脱氢反应导致其转化为石墨，但在实际操作中，有机气体可能包括不只碳氢元素的如氧、氮、碘、氟、氯等的元素，此有机气体也可以如同碳氢气体一样吸收到光线透射窗口8的外表面11上，然后，通过紫外线光，特别是真空紫外线的作用转化，非气态成分作为残留物遗留下来。因此，严格意义上讲，形成的不是石墨，而是以碳为主要成分的一种无定形固体。为了说明本发明，将主要包括碳的此固体称为“碳”。
碳堆积的现象需要有机气体的吸收并通过紫外线光，特别是真空紫外线光的照射。随着碳积聚的进行，从碳积聚的外表面11发射的紫外线光，特别是真空紫外线的强度明显减少。碳堆积将继续直到所有的光线强度逐渐衰弱为止。同时，由于不能发生新的脱氢反应，所以碳膜的积聚停止。因此，此过程不是碳膜可以无限增长的过程，而是一旦达到有限的膜厚度此现象就停止。
通常情况下，碳在上述光线透射窗口8的外表面11上形成的现象不会进行得很快。但问题之一在于通过光线透射窗口8传输的减小是长期的。在光谱应用中，当从光源发出的光线量减少时，其产生影响测量精度的漂移，而在通过紫外线照射进行表面处理的应用中，由于照射强度的减少将引起不足处理的问题。
解决此碳堆积现象问题的一种方法在于尽量用于无油真空区14，然而，一旦有机物质污染了真空区14，清洗处理就非常困难。因此，对于由于碳积聚在光线透射窗口8的外表面11上造成透射率的减少，传统的应对方案就是用清洁剂或抛光以去除碳，恢复光线透射窗口8到其最初状态，或整体更换光线透射窗口8。
在先前技术中，光线透射窗口8的光透射率下降即其衰减是灯寿命的决定因素。已经达到其寿命的灯需要清洁或更换其光线透射窗口8，这就要破坏真空区14或灯中的真空。此操作需要几个小时灯不能使用的时间。
接着，将说明相对应由于碳堆聚造成传输窗口透射率衰减的传统方案。
下面将说明日本专利申请公开号No2001-319618(专利文献1)中公开的技术。
在此实例中，讨论的光源为氢灯。当氢进入到放电管时，作为增加灯寿命的手段，卤素密封在其中。密封在其中的卤素为有机卤素化合物的形式。这就意味着有机卤素物质已经进入放电区。然后，当灯在工作时，有机物质分解并产生主要为碳的有机物质膜粘附到放电管的内壁上。此内壁是作为光线透射窗口，而粘附在其壁上的材料引起光线量的下降。作为一种方案，以上引用的专利公开文献1提出了灯的预填加处理的方法，其可以强迫使碳膜粘附到假象在灯工作期间碳堆积的作为光线透射窗口的区域，然后，当灯正常工作时，就不会再出现其它的碳堆积。可以认为此技术有限地限制了有机材料的产生，且其应对方案可以有效地产生灯工作期间根本不形成新碳的环境。
然而，在上述用于真空区14的说明中，如果使用的设备为需要频繁对大气开启或解除真空的设备(如在必须更换样品的光谱应用中，在必须调节光学元件的应用中，或在表面处理期间需要更换工件的情况等)，即使在装配和调节过程中说明书中要求根本没有有机污染进入，但在实际操作中不产生此污染也是很难的，因此，将不可避免使光线透射窗口8衰减。
另外的日本专利申请公开号No2001-293442(专利文献2)涉及一种通过以下方法去除吸附在光学元件表面有机物质的清洗方法，其方法最少包括步骤(1)用有机溶剂清洁光学元件的过程，(2)在氧气存在的条件下用紫外线照射光学元件的过程，以及(3)加热和清洁所述光学元件的过程。此公开专利不仅确实具有不同于从表面去除积聚的碳膜的目的，但其仍没有解决当需要破坏真空时清洁光学元件如光线透射窗口的问题。
此外，日本专利申请公开号No2002-219429(专利文献3)公开了类似于本发明的技术。其目的在于提高清洁等的处理精度和处理效率，且其特征在于包括玻璃基底、人造树脂基底、陶瓷基底、金属基底以及包括上述基底一个或多个基底的组合基底在含有水蒸汽的加热大气的内表面上沾湿，接着，基底在加热的惰性气体和水蒸汽的混合气体中用紫外线照射，其为比湿空气中存在的浓度低，从而用于溶解粘附到所述基底表面的有机物质，此外，产生还原活性基(seeds)[H-]和氧化活性基[-OH]，这些活性基[H-]和活性基[-OH]与有机物质的分解产物反应。
所述先前技术的目的不是从表面消除碳膜，其目的是通过将其还原为更小的分子以溶解粘附到基底表面的有机粘附物，特别是用紫外线照射基底表面，并利用紫外光线照射作为基底处理的手段进行清洁和蚀刻处理。不仅其目的不同于本发明，而且由于基底表面必须处于饱和条件，所以其前提是在反应条件下为液体水。结果，本方法仅可以用在近正常大气压力的环境-其不能进行光线透射窗口的光学元件清洁，同样在真空条件下，其只能解决当需要破坏真空时研究的问题。
虽然达到此点的说明一直局限于在光线透射窗口8的外表面11上发生的现象，但此碳堆积形式的现象不只限于光线透射窗口8的外表面11。通常情况下，碳堆积的现象发生在位于真空区14中通过从光线透射窗口8发射的紫外线特别是真空紫外线照射的紫外线物体的表面。只要有机气体和紫外线，特别是真空紫外线共同存在的条件存在，此现象就不可避免。在上述说明中提到的“物体”包括在光谱应用中转换光线路径的反射镜、滤光器、用于聚焦光线的透镜以及用在光谱应用中的衍射元件、用于聚焦光线的透镜、以及用于表面处理应用中的各种滤光器，换言之，为各种光学元件的任何一个。在下文中，任何此物体都整体上称为“光学元件”。当碳积聚在这些光学元件上时，其由于降低了其光线透射和光线反射产生严重的问题。在实际操作中，其降低或使真空区14中使用设备的作用整个丧失。
以前，为了解决此光线透射和反射的减弱，此必光学元件须用新的光学元件更换，但此方法导致高的维修成本，并使处于需要维修时期的设备不能工作。
由于光线透射窗口8的衰减造成灯寿命的问题不局限于上述实例中说明的微波激发氢紫外线灯，同样的问题也存在于如那些使用He、Ne、Ar、Kr、Xe、O2、N2、D2(氘分子)、Hg等各种灯中；使用高频放电、电弧放电、辉光放电、感应栅放电、或在其放电模式中的闪光放电的灯中；或在卤素灯或用电流作为光线产生手段的加热灯丝的碳灯的灯中。
在光学系统内的光学性能衰减问题降低来自短波长紫外线光线透射性能的问题不局限于光线透射窗口外的光学性能衰减，而且也是光线透射窗口内的光学性能衰减。
最近几年，为了从短波长紫外线光线获得更好的光线透射性质，已经研究将SiO2用于上述光线透射窗口。
此外，汞蒸气灯的问题在于与先前用的情况相比更为严重，在其中的石英玻璃失去其透明。汞蒸气灯中石英玻璃作为灯内部到外部的真空边界，其也用于传输由汞发光产生的紫外线，但丧失透明的现象降低了其光线透射的性能，并且为决定灯寿命的决定因素。
例如，在日本专利申请公开号No平5-325893(专利文献4)中，对于丧失透明采取的方案为提出了使用光线发射管作为金属蒸发电弧管，其采用具有1微米以下表面晶粒尺寸的玻璃灯泡的粗糙内表面。这样作法将阻止电弧管的结晶化(丧失透明)，即使在长期操作情况下也如此，从而阻止光通量(照明维持速度)的下降，以便尽可能保持投射型显示器长期的明亮画面和高质量的显示质量。
此技术施用到石英玻璃或在电弧管中使用的高硅酸盐玻璃，虽然其可能施用到常规的250-360nm波长范围的紫外线应用中，但将充分地降低用于波长190nm的真空紫外线的石英玻璃的透射率。
此外，在日本专利申请公开号No平3-77258(专利文献6)中，公开了用于恒压汞蒸气灯的254nm紫外线的技术，其中人造石英玻璃的内表面覆盖有1到3％具有平均粒子直径在100μm以下的金属氧化物溶液，在实施例中由具有平均粒子直径为20μm的金属氧化物组成。
此外，在日本专利申请公开号No平8-212976(专利文献7)中，公开了使用由有汞密封其内的石英玻璃管和在每端密封的电极组成的电弧管的放电灯的技术，其使用Al2O3等薄膜覆盖在管的内表面上，其中在上述靠近管中心的电弧管内表面上薄膜的厚度比其它区域薄膜的厚度厚；具体地说，在上述电弧管内表面厚薄膜区域为有效光线透射长度的1/3到1/2长度，其为在电弧管任一端部电极之间的距离，以便在上述厚薄膜区域的薄膜厚度范围从0.2μm到0.3μm，而在其它区域范围的薄膜厚度范围从0.1μm到0.15μm。
然而，此先前技术涉及石英玻璃技术，特别是在低压汞放电管中使用的技术，其调节作为解决汞沉积在电弧管内壁上问题手段的汞原子存在的保护膜的厚度，从而降低光线通过石英玻璃的透射率并使放电管变黑，进一步降低其照射效率。
此外，SiO2传输良好光线透射率的下限大约为200nm级；光线透射用具有低于200nm波长的短波真空紫外线急剧下降。此外，如用150nm附近的很短真空紫外线波长用作高能量的氟激光，不仅上述光透射率下降，而且材料也不能经受使用并丧失透明。
另外，考虑到采用人造硅玻璃的情况，在紫外线范围内穿过照射灯光线透射的窗口材料的透射率将显著下降，在日本专利申请公开号No平8-315771(专利文献5)中，公开了用于目的在于提高操作寿命的人造硅玻璃氟掺杂技术。
然而，使用氟化合物掺杂硅玻璃基本组份只允许160-190nm波长范围的大约50％的传输范围，且其不能用于较低的真空紫外线波长。
因此，如CaF2、LiF、MgF2等碱卤化物材料通常一直用于当真空紫外线范围的紫外线必须传输时的光线透射窗口组分。
先前技术的适合实施例为上述微波激发氢紫外线灯，其产生122nm波长的真空紫外线。唯一可以用于光线透射窗口的已知材料为CaF2、LiF和MgF2，由于LiF和MgF2具有从其色彩中心急剧降低的光线透射，所以MgF2最经常使用。然而，没有公开任何涉及对用于MgF2丧失清晰的应对方案的报告。
即，当使用氟化镁作为光线透射窗口的材料时，此窗口具有比其它窗口材料更低的寿命，与使用其它材料的灯相比，灯本身的寿命只为大约一半或更少。
当使用比在光线透射窗口8使用材料的吸收波长更高光子能量的光线时，特别是真空紫外范围的光线时，当来自放电等离子的光线照射到光线透射窗口8时，所述窗口8显现出缺陷，所谓的色彩中心产生，从而降低其光线透射率。此现象对于CaF2、LiF和MgF2和其它碱卤化物材料是共同的，并由于氟原子从其晶格内的正确位置轻微漂移产生。
此外，上述所有出现问题的传统技术都与人造石英相关，特别是与用常规波长的紫外线作为光源的人造石英光学系统有关。一直没有提出防止通过为用在通过微波激发氢紫外线灯产生的122nm波长真空紫外线的光线透射窗口的MgF2的光线透射率下降的有效实用技术。
鉴于此情况，当透射率下降时，解决的唯一方法是更换光线透射窗口。在此先前技术中，上述光线透射窗口8的衰减是灯寿命的决定因素。在先前技术中，一旦达到灯光线透射窗口的寿命期限，就必须要用新的光线透射窗口更换以恢复灯的光线发射强度。光线透射窗口8的更换需要破坏灯的真空并需要几小时的工时，在此期间，不能使用灯。此外，在更换周期期间，从光源的输出强度保持恒定。每次更换传输窗口时，需要进行校准光线强度的操作。因此，很难将此灯用于需要长期监测如使用在环境测量的场合。
发明内容
当认识到与先前技术相关的问题后，本发明进行了研究，其涉及一种用于恢复设备的光学性能的设备和方法，所述设备使用使用光学系统以实现如光线透射、衍射、反射、光谱产生、以及干涉等效果，并使用高光子能量光线例如常规紫外线或真空紫外线。具体地说，本发明的目的在于防止或抑制决定上述装置寿命的光学系统的衰减，通过采用上述方案，降低维修操作如窗口更换的频率，并降低此操作的成本。
更具体地说，根据本发明的第一优选实施方式，本发明的目的在于提供一种用于其使用的设备和方法，其通过防止或抑制碳在光学系统如设置在光线透射窗口8外面的光学系统的表面聚集(例如，在图14所示的光线透射窗口8的外表面11上)，防止或抑制所述光学系统的衰减，从而降低维修操作如光学系统更换的频率，也降低此操作的成本。
本发明的另一目的在于通过防止或抑制碳在真空区内光线路径上的光学元件的照射表面和发射表面上的积聚，尽可能延长光学设备的寿命，并提高这些设备的可靠性。
此外，根据本发明的第二优选实施方式，当认识先前技术中的上述问题后，本发明的目的在于提供一种用于其使用的设备和方法，在利用光线透射、衍射、反射、光谱和干涉的综合作用的各种设备中，其设置在高光子能量光源如等离子光和真空紫外线的光线路径中。光学系统将抑制如上述透镜、窗口、标准具、棱镜、十字线和反射镜等所有设置在光学传输窗口8内(例如，在图14所示的光线透射窗口8的内表面10上)的光学设备的衰减，从而在整个时期保持光线输出的稳定和高强度，以延长使用各种形式光学系统设备的寿命。
第一优选实施方式为了解决上述问题，本发明沿下面思路继续研究。
首先，在第一优选实施方式中，对发生在面对真空区14的光线透射窗口8外面(如外表面11)的衰减进行具体分析。在实验中使用的设备如图14所示，其中光线透射窗口8通过O型圈连接到凸缘17的等离子外露侧。在光线透射窗口8的外表面11即面对为发射紫外线的表面的真空区14的表面上进行分析。由于在相反侧面的内表面10上没有发现沉积，因此，在此表面不进行具体分析。
氟化镁(MgF2)单晶体作为用于光线透射窗口8的材料使用，而晶体轴线(c-轴)校准为与传输窗口的表面垂直。晶体尺寸为Φ0.5英寸×1mm厚。晶体为Ohyo Koken Kogyo有限公司制作的UV级产品。几个这样的晶体可以同一批获得，使用的晶体根据晶体的质量和其表面条件匹配。分析所有在灯中使用后的晶体并尽所有努力以消除由于同一批内的任何变化诱发的任何误差。
在实验中，工作的第一步是用光学显微镜观测通过Φ8mm中心区紫外线传输的光线透射窗口8的外表面11，以观测可能粘附的任何膜形的材料。然后，用塑料镊子刮掉任何粘附的材料，此时可以发现，粘附到外表面11的为较弱材料的粘附膜。
然后，对粘附材料进行元素分析。利用EPMA(电子探针X射线微分析器)对光线透射窗口8的外表面11进行元素分析(分析条件加速电压15kV，照射电流5E-8A，测量方法数量分析、精细分析、映像分析)。
从EPMA分析的结果可以发现，紫外线传输的Φ8mm中心区上检测到大量的碳。紫外线传输的Φ8mm圆环中心区外面的圆环型区域在凸缘17的遮蔽处，并且为没有紫外线通过的区域，但在此圆环型区域也检测到污染级的碳。“污染级”的意思是在此EPMA分析中当分析整个清洁表面时产生的碳检测的弱信号。因此，产生此信号将不可避免地有碳粘附。因此，用于对碳的EPMA分析的测量限通过分析设备的碳污染级确定。当来自Φ8mm中心区的碳信号级与污染信号级比较时，发现前者明显高，确定光线透射窗口的外表面11上已经发生碳的膜状积聚的事实。
如前所述，参照图14所述的设备，碳堆积的机理为真空区14中存在有机气体，当这些有机气体被吸收在光线透射窗口8的外表面11上时，当真空紫外线通过光线透射窗口8传输时，有机气体经过脱氢反应转化成为碳，并积聚在外表面11上。
随着在上述环境中继续使用光线透射窗口8，随着碳积聚的继续，经过一段时间将降低光线透射率。因此，与其初始状态相比，需要一些机构从外表面11消除此积聚的碳。由于已经发现，碳在外表面11上的膜状积聚是光线透射窗口衰减的主要原因，因此，本发明继续研究应对措施，其将导致下述本发明的完成。
本发明者通过下述实验证明解决了此问题。碳的原材料为有机气体，但实际上要消除它们是不可能的。此外，如果其不通过紫外线照射，不会发生脱氢反应，但这样的设备将起不到作为光线发射设备的作用。碳沉积的位置精确地与真空紫外线照射的位置相匹配。真空紫外线直接激发有机气体以促使脱氢反应，但此高光子能量不只激发有机气体，而且许多分子也受到激发并成为活性状态。
参考作为实施例的图1，在此实施例中的光线输出设备为利用氢光线发射的122nm波长的真空紫外线输出，此真空紫外线的光子能量为10.2eV。此光子能量等级将激发氧气、H2O气体(蒸汽)，并可以产生具有强氧化能力的基团。保持真空区14的原因为氧气、二氧化碳、水蒸汽和大气中的其它成分将吸收真空紫外线并削弱其强度。因此，通过真空泵等装置消除吸收介质即大气成分以产生真空区14。
然而，即使这些为气态成分，由于其包括O2、水蒸汽等，可以发现，通过适当地降低其浓度(减少其压力)，可以产生具有氧化能力的基团而不会急剧削弱真空紫外线。当光线输出设备在浓度可调的气体成分共存的条件下工作、而且当后续阶段的真空区14实现时，可以消除粘附在光线透射窗口8的外表面11上的碳。此外，也可以消除粘附到位于真空区14中所有光学元件表面的碳。可以以此方式消除碳的原因在于，在光线透射窗口8外表面11上的碳粘附与通过基团使碳分解和消除同时发生，基团分解和消除碳的速度超过其形成的速度。
由于利用基团分解碳的反应使碳转化为挥发分子如二氧化碳和水蒸汽，这些都可以用真空泵从系统中快速移出。在此情况下产生的基团基本为氧气和通过氧分子的激发产生的臭氧，以及通过激发水蒸汽等产生的OH基。
此外，当光线输出设备在这些浓度可调的气体成分存在的条件下工作、而且当有预先存在的碳沉积于光线透射窗口8的外表面11时，将逐渐分解和消除此碳，以便最后可以完全消除所有的碳，恢复光线透射窗口8到其初始的光线透射率。然后，操作光线输出设备，而不需要利用已经具有碳积聚的光学元件操作后续阶段真空区，就可以从已经位于真空区14的这些光学元件表面消除碳。
因此，利用本发明的结论，可以防止光线输出设备传输窗口的衰减，以便不减少通过所述光线输出设备产生的光线强度，从而使其不仅可以消除与光线透射窗口的更换相关的维修费用和设备停机的维修，而且还可以通过操作光线输出设备以消除已经形成在光线透射窗口8或光学元件上沉积的碳，以使其恢复到初始状态，从而恢复真空区所有的性能，以便用较少的维修费用和维修频率维持真空区14。
下面，将说明用于调节真空区14环境中大气成分的浓度的方法。气体供给可以使用从氧气罐供给的纯氧气。另外，其可以从空气中吸取，或可以使用在工厂中安装的空气管。也可以使用填充有干空气的气体罐。另外还可以使用氧气和如从气体罐调配的氩、氦等惰性气体的混合物。将在后面结构实施例中说明的气体供给压力可以通过阀孔和气体罐的净化真空区14并控制气体的分压力的能力进行控制。
还可以将水蒸汽增加到上述气体中，或只使用水蒸汽。水蒸汽根据预备的密封容器内的水增加并具有填充饱和水蒸汽的区域，然后，通过将此水蒸汽与上述气体的任何一种混合。当单独使用时，只需要进入真空区14中。水的温度可以为室温，或可以变冷或加热。水蒸汽的压力在饱和状态下根据水的温度产生变化，所以可以设定阀孔和泵的清洗能力，以控制真空区14中水蒸汽的分压力，此将在后面结构实施例中说明。
在真空区14中的上述气体的分压力通过下述条件确定。气体分压力的下限将根据通过气体和不阻止操作的分压力吸收真空紫外线的作用的目标进行确定。例如，在具体条件下，如果为氧气，上限基本为10mtorr(毫托)的等级(在20mtorr以下)。假如超过分压力等级，则通过氧气的真空紫外线吸收将达到不可忽视的点-其将开始阻碍真空区14的作用目标。然而，假如通过真空区14的光线路径的长度充分短，其将可以忽视氧气浓度在较高上限的作用。上限值的精确设定可以通过用气体规定的分压力填充真空区14并检查作用目标是否已经被阻碍来予以确定。具体地说，真空紫外线的量可以作为研究其衰减程度的手段进行测量。
气体分压力的下限应该设定在用于即将施加的载荷的处理能力以上。在此，所谓“载荷”的意思是当通过有机气体存在的类型和浓度、以及通过光线透射窗口8传输的真空紫外线9的波长和强度确定时，碳在光线透射窗口8的外表面11上的积聚速度。所谓“处理能力”的意思是碳通过真空紫外线气体的激发产生的基团分解和消除的速度。
本发明的发明者作出了各种试验，发明者正视到用于的真空区14的各种情况，其中一些情况是未知的，但是，例如，在通过传统涡轮分子泵并利用干泵抽空系统产生真空区14的情况，例如，用于氧气的下限将大约为0.01到0.1mtorr。如果此种级的氧气存在，则将对载荷具有足够的处理能力。水蒸汽提供了比氧气相对高的处理能力等级，且其实际下限.将在0.005到0.01mtorr的量级。
为了精确设定此下限，可以用氧气填充真空区14，实际用于一定的分压力，然后光线输出设备可以通过对在光线透射窗口8的外表面11上任何粘附物的分析随后进行操作。合适的分析方法包括在光学显微镜下的观测或使用EPMA的碳分析。只要分析没有显示明显的碳沉积存在，此时使用的分压力可以确定可以充分地实现碳的分解和消除处理。
现在，将具体说明根据上述发现的本发明提出的技术手段。
根据权利要求1和2的本发明涉及一种可以达到本发明效果的设备。本发明提供一种用于通过位于输出光线或沿所述输出光线的光线路径防止、抑制、或改善光学系统的光学性能的衰减，改进光学系统光学性能的可靠性和寿命的光学性能恢复装置，其中所述光学系统设置在有机成分可以分解的近真空区内，所述衰减由于沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(统一称为‘照明表面’)的碳而产生，所述表面面对所述真空区，所述光学性能恢复设备包括产生有活性能量存在的近真空区以激发碳的氧化反应的装置，所述近真空区面对所述光学系统的所述光线照明表面；在所述近真空区产生负离子或基团的装置；促进所述负离子或基团和在所述近真空区的所述碳之间氧化反应的装置；以及其中所述光学性能恢复设备通过氧化反应消除或减少沉积在所述照明表面的积聚的碳。
更具体地说，其包括产生近真空区以激发碳的氧化反应的装置，所述近真空区面对所述光学系统的所述光线照射表面；在所述近真空区产生含氧原子气体如水气体或氧化物气体流的装置；在所述近真空区提供活性能量以便在所述含氧原子气体和碳之间产生碳氧化反应的装置；以及其中所述光学性能恢复设备通过氧化反应消除或减少沉积在所述照明表面的积聚的碳。
上述“近真空区”可以通过其中高活性能量激发碳氧化反应的真空空间进行限定，以通过从碳氢等有机混合物中去除氢以分解碳。近真空空间的压力通过活性能量的强度和上述含氧原子气体氧化能力进行波动，然而其必须在几十mtorr以下。
根据权利要求3的本发明涉及用于通过位于输出光线或沿所述输出光线的光线路径，用于防止、抑制或提高光学系统光学性能的衰减，改进光学系统的光学性能的可靠性和寿命的光学性能恢复方法，其中所述光学系统设置在有机成分可以分解的近真空区，所述衰减由于沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(统一称为‘照明表面’)的碳而产生，所述表面面对所述真空区，所述光学性能恢复方法包括步骤产生具有活性能量存在的近真空区以激发碳的氧化反应；所述近真空区面对所述光学系统的所述光线照明表面；在所述近真空区产生负离子或基团；通过使负离子或基团与沉积的碳反应，消除或减少积聚在所述照明表面上的积聚的碳。
更具体地说，本方法的特征通过以下步骤体现产生近真空区以激发高活性能量激发存在下的碳的氧化反应，其中所述近真空区面对所述光学系统的所述光线表面；并在提供含氧原子的气体如水蒸汽或氧化气体(例如，水蒸汽、氧气、过氧化氢、臭氧或其混合物与惰性气体(包括空气))流进入到所述近真空区的同时提供活性能量，从而通过激发积聚的碳与所述提供的活性能量的氧化反应，消除或减少积聚在所述照明表面的积聚的碳。
此外，上述光学系统不仅包括由位于近真空区边界的光线透射或反射件组成的光学元件，而且包括由位于沿真空区内光线路径的衍射、折射、光谱产生、以及传输和衍射的调节光学元件，以及通过照射光线表面处理的光学物件组成的光学组成部分。而另外所述的光学系统包括所述光学元件或所述光学物件的位置调节和保持机构、容器、以及密封件。
另外，本发明还有效地施用到形成所述光线路径的光束为具有380nm波长或以下的通常紫外线，或具有200nm波长或以下的真空紫外线的情况，输出所述紫外线或位于沿所述输出光线的光线路径的所述光学系统为包括氟化合物的一种或混合物的光学物质，如氟化镁、氟化钙、氟化钡、氟化铝、冰晶石、硫醇盐或其它氟化合物、金属氟化物如氟化镧、氟化镉、氟化钕、氟化钇、或如人造石英玻璃或兰宝石的高纯度氧化物。
另外，在由所述近真空区的有机成分分解的碳已经生长在所述光学系统和相对表面上的情况下，用于供给到所述近真空区的含氧原子的所述气体的分压力的下限值优选设定为超过整个碳堆积速度的水平。此外，当所述真空紫外线照射到所述光学系统或从所述光学系统照射时，在所述光学系统的所述光学性能恢复的情况下，用于供给到所述近真空区的含氧原子的所述气体的分压力的上限值优选设定为低于从其在所述近真空区内起到作用的角度来看，由所述含氧原子的气体的吸收真空紫外线的作用不能被忽视的水平。
用于含氧原子的气体的分压力的上限值优选设定为通过实际填充所述近真空区具有一定含氧原子气体分压力，然后测量在所述光线路径上真空紫外线的数量以检测其衰减程度的水平。
此外，当上述含氧原子气体为氧气时，气体分压力的下限-上限之间范围为0.02mtorr到20mtorr(优选0.02mtorr到10mtorr)，而当气体为水蒸汽时为0.01mtorr到10mtorr(优选0.01mtorr到1mtorr)。
另外，当形成于上述光线路径的光束具有高光子能量且为一束在真空紫外线波长范围内的规定波长的光束时，本发明也是有效的。
即，只要上述活性能量为具有高光子能量的真空紫外线，就可以由含氧原子的气体产生负离子或基团，而根本不用单独的能量源(例如，热能、等离子能、电能等)。虽然使用专利文献3引用的活性离子基如OH-和O-，但考虑到清洁的目标，其压力条件不同于参考文献中规定的条件。
第二优选实施方式此外，在第二优选实施方式中，将对光线透射窗口8内部(如内表面10)发生的衰减进行具体分析。
为了解决上述问题，本发明对由氟化物材料制作的光线透射窗口8的衰减进行具体分析。使用的装置如图14所示，其中光线透射窗口8通过O型圈连接到凸缘17的等离子外露侧。MgF2(氟化镁)单晶体用于制作光线透射窗口8。
结果，发现当通过真空紫外线照射后，由真空紫外线照射的光线透射窗口8透射率的衰减是由MgF2晶体(几十nm厚)表面上氧化物的形成引起的。可以确定在晶体表面上几十nm厚的区域中氟的存在减少。
此外，通过光谱透射率的测量以观测任何可能存在于光线透射窗口8上色彩中心的产生和光线透射率衰减之间的关系，可以发现，光线透射窗口8衰减的主要原因不是色彩中心的吸收，而是在于产生在晶体表面上氟和氧存在的缺陷。
对于此点，本发明建议了针对上述发现的下面说明的技术方案。
本发明的第一建议涉及由氟化物质组成的光学系统，其特征在于至少在所述光学系统的光线照射侧面(内侧)上形成具有2-20nm膜厚度的保护膜，以防止氟原子从所述光学系统的表面剥离。
现在将说明本发明和专利文献4之间的差别。专利文献4涉及具有汞密封在其弧形管内的放电灯。本技术通过使用铝等0.1μm到0.15μm保护膜以防止汞附着到弧形管内壁。
另一方面，本发明涉及真空紫外线范围，其中将2nm到20nm的非常薄膜施加到真空紫外线照射的表面，以防止氟的剥离，这样通过覆层替代光学性能的初始衰减的产生。
限制20nm或以下膜厚度的原因在于，如果为任意更厚，其将吸收真空紫外线到其不能保持其作为光学元件的作用的点。
2nm或更之上的下限为需要保证在晶体表面上均匀覆盖保护膜。由于SiO2或Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2的分子直径接近为1nm，如果覆层不是至少2个分子的厚度，其不可能在晶体的整个表面制造均匀的保护膜以达到本发明的目的。
当膜的厚度足够时，虽然目的为保护光学系统的表面，但由于金属氧化物如SiO2或Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2不是天然允许真空紫外线穿过的材料，所以，此保护膜的存在可以使在膜内吸收真空紫外线，如图13所示，从而减少了穿出到基本材料的紫外线的量。在20nm厚的等级时，透射率只是不用膜的10％。不仅在10％下的初始透射率产生基本材料的光学性能的大量下降，而且在其不能起到光学系统的作用的衰减等级时，将担心紫外线的吸收将使保护膜本身下降，并且热将使其从光学系统表面剥落或产生其它危害。因此，12nm或更少的厚度、优选10nm或更少的厚度将保持基本材料具有光学性能的40％，即使在最坏的假想情况下，也将保持光学性能的10％或更高。因此，由于紫外线的吸收，将不期望超过20nm的膜厚度起到理想光学系统的作用。
另外，Mg的氧化随着氟原子的剥离发生，所以，在优选方式中，至少在所述光学系统的照射侧(内侧)形成具有2-20nm膜厚度的SiO2或金属氧化物的保护膜、优选2-12nm、更优选为2-10nm，以防止氟原子从所述光学系统的表面剥离。
采用本发明的方案，可以抑制上述光学系统表面氟原子的剥离和氧化，从而抑制光学系统的光线透射率的衰减。
在气相中有成长的方法，如蒸汽沉淀、离子电镀、可以用于形成薄膜保护膜的CVD等，但膜形成特别优选的方法为离子束喷溅法和等离子CVD法，因为此方法可以随着通过对光学系统的抛光处理产生的凹凸产生很均匀的膜厚度。
本发明的第二方案涉及一种包括具有表面面对和暴露于安置在具有等离子存在的内部区的光学设备中的等离子的氟化合物的光学系统，其中高抗等离子材料的2nm-20nm保护膜形成于所述暴露于等离子的氟化合物表面。
此方案可以抑制上述光学系统表面的氟原子剥离或氧化，从而抑制由于等离子环境引起的光学系统的光线透射率的衰减。
在此情况下，上述保护膜可以为上述保护膜引用的金属氧化物如SiO2或Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2的任意一个。通过在光学系统上形成上述保护膜，其中光学系统由具有沿光线照射方向的晶体轴线(c轴)的单晶体氟材料组成，且所述保护膜的垂直表面覆盖有SiO2或金属氧化物，因此，由于上述氟光学系统的初始衰减由覆层平衡，所以可以防止基本材料长时间由真空紫外线照射引起的衰减。
另外，由于上述引用的SiO2或其它金属氧化物具有比氟化物更高的抗等离子性能，因此，可以抑制氟的剥离或金属原子的氧化，而且由于本身为氧化物，结果，当用于由氟材料制成的光学系统的保护膜时，在其初始衰减后，可以防止母体材料长时间由真空紫外线照射引起的进一步衰减。
本发明的第三方案涉及使用此装置的方法，其使用上述光学系统的光学器件，且其特征在于，事先将从SiO2或Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2中选择的一种金属氧化物的2nm-20nm的保护膜施加到光学系统，其中所述膜抑制结构元素从基本材料的表面剥离或基本材料表面的氧化，随着时间的推移，通过真空紫外线的照射或等离子暴露于基本材料，将所述光学系统结合到具有比所述光学系统基本材料的吸收波长更高光子能量的真空紫外线源或等离子光线源的需求装置。
根据本发明，当由于上述金属氧化物保护膜造成的初始衰减后，可以通过此膜抑制由于长时间由于真空紫外线的照射或暴露于暴露于等离子造成的从基本材料的元件脱离或基本材料表面的氧化引起的基本材料的衰减，其意味着基本材料的光学输出将在操作首先开始后，不再进一步降低，例如，其可以延长上述光线输出装置的反射镜的光线透射窗口的寿命。这样也延长了用于光线透射窗口或反射镜更换维修之间的间隔，从而改进光线输出装置的操作率并降低其操作成本。
在此情况下，由于上述保护摸作为可以增加装置寿命的手段，因此，只需要使用可以提供充足光线输出的光线源以补偿由于上述金属氧化物保护膜造成的光学系统的初始衰减，从而不会降低整个系统的光线透射(透射率、反射率)。
即，当光学系统事先覆盖有上述保护膜以抑制其长时间由于真空紫外线照射或面对等离子造成的衰减，否则其将使元件长时间从其基本材料脱离或氧化，其只需要补充装置的光线输出以补偿由上述保护膜造成的初始衰减。例如，在用于作为测量光线源的光线输出装置中，通过利用至少在一侧进行覆层的上述光学系统，例如覆盖光学传输窗口或反射窗口，可以长期获得稳定的光线输出，并可以将此光线输出装置用于测量应用并保持稳定的不会衰减的光线输出速度，以便稳定控制装置的操作和测量敏感度。
图1是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第一实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。
图2是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第二实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。
图3是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第三实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。
图4是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第四实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。
图5是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第五实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。
图6是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第六实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。
图7是显示用于粘附到根据本发明第一优选实施方式的光线透射窗口的碳的EPMA分析结果。
图8是显示用于说明根据本发明第二优选实施方式的微波激发氢紫外线灯结构的简图。
图9是显示不具有保护膜覆层的用于光线透射窗口使用前的XPS深度分布测量的曲线图。
图10是显示不具有保护膜覆层的用于光线透射窗口使用之后的XPS深度分布测量的曲线图。
图11是显示具有保护膜覆层的用于光线透射窗口使用前的XPS深度分布测量的曲线图。
图12是显示具有保护膜覆层后的用于光线透射窗口使用之后的XPS深度分布测量的曲线图。
图13是显示在其初始状态光学系统的光线透射率与各种保护膜厚度之间关系的曲线图。
图14是显示根据先前技术的传统微波激发氢紫外线灯的曲线图。
具体实施例方式下面，将参考附图对用于本发明抑制或消除光线透射窗口8的外表面11的碳粘附物的第一优选实施方式的实施例进行说明，此外，也将参考
用于从位于真空区14中的光学系统抑制或消除碳粘附的优选实施方式。
本发明不局限于这些实施例，其也可以有效地施用到通过放电或加热产生光线的灯或激光设备。
实施例1图1是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第一实施例的微波激发氢紫外线灯结构的简图。
光线透射窗口8连接的保持件(凸缘)17为圆盘型，且其中心与放电管1的孔对准，其包括直径比放电管的内径大的开口。窗口凸缘17包括O型圈槽以便在光线透射窗口8的整个开口产生密封，还有中空的盖状的装配架20、用于附着其螺栓孔，以及连接到放电管1以便用窗口凸缘17保持真空的O型圈槽。
装配架20的内部结构采用两级的同心圆并限制用于容纳光线透射窗口8的空间以及通过放电管1环绕的空间。在环绕放电管1的端部，端面已经切削成为O型圈13通过压力保持在位置的角度。图中未示出的螺纹也切削成在此端的外圆周表面，而用于放电管1的真空边界通过利用O型圈13形成的密封件紧固固定盖21在圆形开口上形成。窗口连接凸缘17、装配架20和盖21都由金属制作；通常情况下，采用低污染的不锈钢或铝，但不局限于这些材料。
下面，将说明上述结构的微波激发氢紫外线灯的操作。首先，从放电管1中的放电气体供给开口1，用氦以1/100稀释的氢放电气体以20sccm进行供给。放电气体通过出口3由真空泵(未示出)排出。通过调节安装在排气出口3和真空泵之间的阀(未示出)孔，可以调节排气电导系数以保持放电管1内大约5托(665Pa)。在从光线透射窗口侧到放电管1的方向产生放电气流的原因在于尽可能减少由于通过放电等离子在出口1内产生的物质在所述窗口8的污染源。
接着，将2.45GHz，50W的微波从微波供给连接器提供到微波振荡器4。微波既可以连续提供也可以间歇提供，安装在电源线上的调节器(未示出)连接到微波电源，微波振荡器可以用于调节电源和在放电管1中产生的放电等离子7的载荷(放电等离子)之间的微波能量输出。通过放电等离子7激发的氢原子照射103nm和122nm的真空紫外线波长的光线。由于MgF2用作光线透射窗口8的材料，此将在下面说明，所以，103nm光线由MgF2吸收且只有122nm波长的真空紫外线作为输出灯光线(真空紫外线)9穿过进入真空区14。
在此情况下，用于光线透射窗口8的固定凸缘17中的开口为Φ8mm，所以输出进真空区的为Φ8mm的光通量。
MgF2(氟化镁)单晶体用于光线透射窗口8，水晶轴线(c轴)对准以垂直于光线透射窗口的表面。晶体尺寸为Φ0.5英寸(Φ12.7mm)×1mm厚。使用的晶体为Ohyo Koken Kogyo有限公司制作的UV级产品。许多这样的晶体可以同一批获得，将其分类以匹配其晶体质量和表面条件以消除同一批内可能等级的变化，以便能校验保护膜的作用。
另外，光电二极管12被定位以接收作为监测来自所述灯的光线输出量装置的灯输出光线9。
将氧气供给到使用下述方法的真空区14，同时调节气体到规定的分压力。
氧气罐23(由日本Sanso公司制作)填充有纯氧(纯度4N)并连接到调节器22。当将气压调节到0.1kg/cm2后，调节通过管16c连接的可变漏泄阀19的孔，气体穿过大气侧上的管16b，然后通过密封机构(未示出)前进并从真空区14内的管16a供给进真空区14。提供量接近为1sccm。真空区14通过涡轮分子泵(50L/min的排出速度，型号为TP-50，三菱重工株式会社制作)排出，并在下游连接到干泵(未示出)。在此情况下，真空区内氧气分压力稳定在1mtorr(1毫托)。因此，条件形成为真空区14内氧气的分压力为至少1mtorr的等级(在10mtorr以下)。
实验也通过调节阀孔以提供5mtorr、2mtorr和0.1mtorr进行，但也将在后面说明，可以同样有效地消除碳。
在上述说明中提到的可变漏泄阀不是特殊规格的产品；其仅仅为实现微调节孔的机构，可以采用任何名称的各种此类机构。
其次，光电二极管12被采用以测量从上述结构的微波激发氢原子紫外线灯在经过时间内的变化。
放电等离子7用于激发氢原子以产生真空紫外线达90小时(大约4天)。然后，作为对比，重复试验但不提供氧气，即，操作前述涡轮分子泵以保持同样的环境(0.001mtorr)，然后比较结果。
结果表明，当在灯工作期间供给氧气时，没有观察到由于碳积聚造成的通过光线透射窗口传输的衰减。另一方面，在对比情况中，如果初始光线透射率定为100％，则整个试验期间由于在光线透射窗口8上碳的沉积使透射率下降到35％。
图1显示了在控制试验中观察到的以膜的方式积聚和粘附的碳15。当灯在具有氧气流工作时，显示在图1中的碳15不粘附到光线透射窗口8。
当已经使用后，用光学显微观测光线透射窗口8时，在使用供给氧气流的光线透射窗口8上没有发现粘附物，但在控制样品中，物质以膜的方式粘附在真空紫外线传输的整个中心Φ8mm的范围。可以通过用塑料镊子刮擦外表面11以剥离粘附的物质，可以发现膜状物质以较弱的连接力粘附到外表面11。
其次，对粘附物进行元素分析。利用日本Danshi公司制造的EPMA(电子探针X射线微分析仪)对用于控制样品的光线透射窗口8的外表面11进行元素分析，分析条件为15Kv的加速电压，5E-8A的照射电流，测量方法定性分析，线性分析、图形分析。结果表明，在紫外线传输的光线透射窗口的外表面11的中心Φ8mm区域检测到明显的碳。中心Φ8mm区域外的环形区域处于凸缘17的阴影中，因此，为没有紫外线传输的区域，虽然EPMA分析揭示了在此区域碳的污染等级，但在此没有明显的碳粘附。在EPMA分析中“污染等级”为当分析整个清洁表面时获得碳的弱信号等级。用光子束照射清洁表面的行为不可避免地产生碳的粘附，此信号等级依据粘附的碳予以确定。因此，分析装置本身的污染等级决定了用于EPMA分析的下测量限。当比较污染的信号等级时，紫外线传输的中心Φ8mm范围的信号等级明显高，此发现确定，碳已经以膜状方式积聚在光线透射窗口的外表面11上。
图7显示了利用EPMA控制试验的线性分析结果。在图7中水平轴的单位为毫米，其表示MgF2晶体直径上的分析位置；所述晶体上的线性分析从边到边进行。
垂直轴表示在光谱产生晶体LDE2检测的碳信号强度。主要分析结论列在图7图表的外面。
从图7中可以发现，很明显，通过紫外线传输的Φ8mm区域中有明显高信号强度的碳，其清楚地表明了在中心Φ8mm区域中的膜状粘附。
另一方面，当灯在氧气流下工作之后，从光线透射窗口的表面没有检测到明显超过污染等级的碳信号。
如上所述，通过灯在供给氧气下工作，可以防止或抑制碳在光线透射窗口8上的积聚。
此方案的实现可以抑制通过光线透射窗口的透射率的下降，从而降低更换窗口的维修操作成本并降低灯的操作停机时间。
此实施方式以光线透射窗口作为实施例，但本实施方式也可以同样施用到使用光线反射镜(窗口)的设备。此光线反射镜的实施例有施用激光振荡器和灯光聚焦镜的反射镜。下述实施方式也同样可以适用到光线反射镜的情况。
实施例2图2是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第二实施例的微波激发氢紫外线灯的简图。其它与实施例1说明同样结构和操作元件的详细说明在此省略。光线透射窗口8的规格与实施例1说明的一样。另外，光电二极管12定位成作为监测所述灯的光线输出量装置以接收灯发射光线9的光线输出。
利用下述方法将水蒸汽供给到真空区14，并调节到规定的气体分压力。填充有1mL水25(为蒸馏、离子交换处理和过滤的纯水)的玻璃管24(管直径为Φ6mm)通过凸缘17连接有管16d。组合O型圈的凸缘17的结构密封玻璃管以与大气隔离，所有的大气成分都事先从管中排出。水25保持在室温(25°)，内部蒸汽压力为25托(计算值)。此蒸汽压力通过管16d作为主蒸汽压力供给，当调节可变漏泄阀19的孔后，其通过密封机构(未示出)穿过大气侧的管16b，通过管16a进入真空区14。供给的量接近0.1sccm。真空区14通过涡轮分子泵排空(排空速度50L/min、型号为TP-50，三菱重工株式会社制作)和下游的干泵(未示出)排出。在此情况下，水蒸汽分压力稳定在0.1mtorr(0.1毫托)的真空区内。因此，条件为水蒸汽分压力至少为0.1mtorr(在10毫托以下)等级的真空区14。
实验也采用1mtorr和0.1mtorr的水蒸汽分压力进行，其通过调节阀孔实现，这将在后面说明，可以同样有效地消除碳。
其次，用光电二极管12测量由上述微波激发氢紫外线灯输出的光线量随时间的变化量。
首先，氢原子通过放电等离子7激发以产生90小时(大约4天)的真空紫外线。其次，在不提供水蒸汽的情况下操作灯，即，利用上述涡轮分子泵进行试验以保持0.001mtorr的压力环境，然后比较两个试验结果。
结果表明，当在提供水蒸汽条件下操作灯时，由于没有发现形成碳，因此，不会使穿过光线透射窗口8的传输衰减。另一方面，在控制试验中，如果光线透射的开始透射率为100％，则在整个测量期间碳的粘附物使透射率下降到35％。
在图2中显示的碳15显示了在对比中观测到的碳的膜状粘附，但当灯操作期间供给水蒸汽时，则如图2所示，光线透射窗口8上没有碳15的粘附。
在灯使用后，当利用光学显微镜观测光线透射窗口8的外表面时，当灯操作期间供给水蒸汽时，没有发现使用过的窗口有粘附物，但在对比窗口上，传输真空紫外线的中心Φ8mm区域显示了以膜状形式粘附的物质。当利用塑料镊子剥离外表面11时，可以剥离掉粘附物质，可以发现，粘附到外表面11的为较弱的附着膜状物质。
此时，对粘附物质进行元素分析。通过EPMA元素分析的结果与实施例1中解释的情况相类似。
由于以上已经具体说明，所以，当有水蒸汽供给操作灯时，可以确定，可以防止或抑制碳对光线透射窗口的粘附。
此方法可以抑制光线透射窗口的光线透射率的下降，从而降低与窗口置换相关的维修成本，并降低由于维修造成的停机操作。
实施例3图3是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第三实施例的微波激发氢紫外线灯的简图。其它与实施例1说明同样的结构和操作元件的详细说明在此省略。光线透射窗口8的规格与实施例1说明的一样。另外，作为监测所述灯光线输出量装置的光电二极管12定位成以接收灯发射光线9的光线输出。
利用以下规定的方法将大气成分供给到真空区14并调节其到规定的气体分压力。
当通过可变漏泄阀19调节孔后，将大气成分通过敞开到允许大气成分通过管16b流动的大气的管供给到真空区14，并穿过密封机构(未示出)通过管16a进入真空区14。供给量接近为1sccm。真空区14通过涡轮分子泵排空(排空速度50L/min、型号为TP-50，三菱重工株式会社制作，在图中未示出)和下游的干泵(未示出)排出。在此情况下，大气成分在1mtorr(1毫托)的真空区内平衡。因此，条件为大气成分分压力至少为1mtorr(只有0.2mtorr氧气)等级的真空区14。
调节阀孔以产生0.1mtorr(只有0.02mtorr氧气)的分压力，这将在后面说明，同样能够有效地消除碳。
其次，采用光电二极管12以测量具有上述结构的微波激发氢紫外线灯操作期间光线输出随时间的变化。
首先，氢原子通过放电等离子7激发，并产生90小时(大约4天)的真空紫外线。其次，作为对比，在操作期间不提供大气成分，上述涡轮分子泵用于产生0.001mtorr的压力环境，然后比较两个试验结果。
当在提供大气条件下操作灯时，由于没有发现形成碳，因此，不会使穿过光线透射窗口8的光线传输衰减。然而，在控制试验中，碳的形成使通过光线透射窗口8的光线透射从初始值100％下降到35％的透射率。
在图3中显示的碳15反映了在控制中观测到的碳的膜状粘附，但当灯操作期间供给大气成分时，则在如图3所示的光线透射窗口8上没有碳15的粘附。
当灯已经使用后，当利用光学显微镜观测光线透射窗口8的外表面时，在将大气成分供给水蒸汽同时，没有发现使用过的窗口有粘附物，但在对比窗口上，传输真空紫外线的中心Φ8mm区域显示了以膜状形式粘附的物质。当利用塑料镊子剥离外表面11时，可以剥离掉粘附物质，可以发现，粘附到外表面11的为较弱的附着膜状物质。
在此点上，对粘附物质进行元素分析。通过EPMA进行的元素分析结果与实施例1所名的相同。
由于以上已经具体说明，所以，当有大气成分的供给操作灯时，可以确定，可以防止或抑制碳对光线透射窗口的粘附。
此方法可以抑制光线透射窗口的光线透射率的下降，从而降低与窗口置换相关的维修成本，并降低由于维修造成的停机操作。
实施例4图4是显示用于说明的本发明第一优选实施方式第四实施例的微波激发氢紫外线灯的结构视图，其中将要说明用于消除由于输出光线粘附到位于真空区14的光学系统的方法。其它与实施例1说明同样结构和操作元件的详细说明在此省略。光线透射窗口8的规格与实施例1说明的一样。
图4中的光学元件定位为通过灯发射光线9照射。当有机气体存在于真空区14内时，碳15已经粘附到光学元件27的两侧，并且其通过真空紫外线9的光学元件27的照射产生。由于碳15的粘附，光学元件27的透射率下降且需要维修。光学元件27已经达到此状态的原因在于灯一直在真空状态操作。
在此采用用于真空紫外线的干扰滤波器作为光学元件27的例子用于说明碳的消除。用于真空紫外线的干扰滤波器由MgF2基底和在其表面上的多层光学膜覆层组成。此为用于光学零件例如干扰滤波器的传统结构。由于其只允许规定波长段的光线通过，因此，此干扰滤波器起到带通滤波器的作用，但当碳15粘附到其表面时，其透射率随着干扰滤波器下降，因此作为光学元件的作用下降。因此，在减少透射率的一定阶段，需要或消除碳或更换干扰滤波器。总体上说，由于例如具有光学膜覆层的干扰滤波器的光学滤波器的精细特性，所以很难清洗它们。清洗可能改变光学膜的性质，且很容易由于在清洗期间的刮擦造成缺陷。因此，没有可以利用的有效清洗方法，所以必须选择更换零件。然而，通常情况下，由于干扰滤波器为价格昂贵的零件，所以成本成为一个问题。在实施例4中，为了校验本发明的效率，在没有气体供给的情况操作灯直到干涉等级的透射率已经下降到50％(从100％的初始值)，以有意降低透射率一半，然后将光学元件定位在真空区14内。
实施例1的方法用于在真空区14中氧气的分压力保持在1mtorr条件下将氧气供给到真空区14中。通过调节阀孔以达到10mtorr、5mtorr、2mtorr、0.1mtorr和0.05mtorr进行试验，这将在下面说明，这在碳消除中具有同样的效果。
其次，放电等离子用于激发氢原子以使真空紫外线发射90小时(大约4天)。当在操作期间供给氧气时，将从光学元件27的表面消除粘附的碳15，光学元件27的透射率几乎恢复到其初始状态。当在光学显微镜下观察光学元件的表面时，没有观察到粘附物。
如上所述，可以通过在供给氧气的条件下操作，以清除粘附到光学元件27上的碳。
此方法可以抑制光学元件的光线透射率的下降，从而降低与光学元件更换相关的维修成本，并降低由于维修造成的停机操作。
实施例5图5是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式第五实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图。其中将说明由于使用灯光线发射造成的粘附到位于真空区14中光学元件的碳的消除。其它与实施例1说明同样结构和操作元件的详细说明在此省略。光线透射窗口8的规格与实施例1说明的一样。
在图5中，光学元件27定位为接收灯9的光线发射。由于其它元件与实施例4中使用的相同，故其它光学元件的说明在此省略。
在实施例5中，为了校验本发明有效性的效果，在没有气体供给的情况操作灯直到干涉等级的透射率已经下降50％(从100％的初始值)，以有意降低透射率一半，然后将光学元件27定位在真空区14内。
实施例2的方法用于将水蒸汽供给到在真空区14中氧气的分压力保持在1mtorr条件下的真空区14中。通过调节阀孔以达到水蒸汽分压力为5mtorr、2mtorr、0.01mtorr和0.005mtorr进行试验，这将在下面说明，这在碳消除中具有同样的效果。
然后，放电等离子用于激发氢原子以使真空紫外线发射90小时(大约4天)。当在灯操作期间供给水蒸汽时，将从光学元件27的表面消除粘附的碳15，光学元件27的透射率几乎恢复到其初始状态。当在光学显微镜下观察光学元件的表面时，没有发现粘附物。
如上所述，可以通过在供给水蒸汽的条件下操作，以清除粘附到光学元件27上的碳15。
此方法可以抑制光学元件的光线透射率的下降，从而降低与光学元件更换相关的维修成本，并降低由于维修造成的停机操作。
实施例6图6是显示用于说明根据本发明第一优选实施方式的第六实施例的微波激发氢紫外线灯结构的视图，其中将说明由于使用灯光线发射造成的粘附到位于真空区14中光学元件上的碳的消除。其它与实施例1说明同样结构和操作元件的详细说明在此省略。光线透射窗口8的规格与在图6中，光学元件27定位为接收灯9的光线发射。由于其它元件与实施例4中使用的相同，故其它光学元件的说明在此省略。
在实施例6中，为了校验本发明有效性的效果，在没有气体供给的情况操作灯直到干涉等级的透射率已经下降50％(从100％的初始值)，以有意降低透射率一半，然后定位光学元件27在真空区14内。
实施例3的方法用于在真空区14中大气成分的分压力保持在1mtorr条件下将大气成分供给到真空区14中。
通过调节阀孔以使大气成分的分压力达到2mtorr和0.1mtorr进行试验，这将在下面说明，这在碳消除中可以获得同样的效果。
其次，放电等离子用于激发氢原子以使真空紫外线发射90小时(大约4天)。当在灯操作期间供给大气成分时，将从光学元件27的表面消除粘附的碳15，光学元件27的透射率几乎恢复到其初始状态。当在光学显微镜下观察光学元件的表面时，没有发现粘附物。
如上所述，可以通过在供给大气成分的条件下操作，以清除粘附到光学元件27上的碳15。此方法可以实现性能下降的光学元件的恢复，从而降低与光学元件更换相关的维修成本，并降低由于维修造成的停机操作。
下面，将参考附图对本发明第二优选实施方式进行说明，其中为了防止或抑制窗口的衰减，将保护膜覆盖在光线透射窗口上。然而，本发明不局限于此种结构，其自然也可以施用到通过放电或热产生发光的灯，以及可以适用的激光设备。
图8是显示微波激发氢紫外线灯的简图；其用于说明本发明的实施方式1-3。用于光线透射窗口8的凸缘17为圆盘型，且其中心与放电管1的孔线对准，并包括为比放电管的直径大的直径开口。窗口凸缘17包括制作为上述开口上密封光线透射窗口8的装置的O型圈槽13b、和包括用于连接的螺栓孔的中空的、盖状的装配架20，以及用于连接放电管1的O型圈槽13a，其还可以使凸缘17以保持真空。
装配架20的内表面结构由围成为容纳光线透射窗口8和放电管1的空间的两级同心的中空圆筒组成。包住放电管1侧面的端表面上为O型圈13c，其安装在相对应圈直径的对角切削面中。此外，在此端的外圆周表面也切削出螺纹(未示出)，以便安装圆筒形开口端盖21，其保持O型圈槽13c在其位置上并限定放电管1的真空边界。窗口凸缘17、装配架20和盖21都由金属制作；通常情况下，采用低污染的不锈钢或铝，但材料不局限于这些金属。
下面，将说明具有上述结构的微波激发氢紫外线灯的操作。首先，将氦气中进行1/100稀释的氢气通过放电气体供给开口2以大约20sccm的速度供给到放电管1。放电气体通过排气出口3由真空泵(未示出)排出，位于排气出口3和真空泵之间的阀(未示出)孔的调节控制排气传导率，以保持放电管1内大约5torr(665Pa)。从光线透射窗口8内到放电管1流动的原因在于，尽可能由等离子7在放电管1内产生的任何材料都在远离光线透射窗口8的方向排出，以便减少所述窗口8的污染源。
微波振荡器调谐器18为圆筒型，其为可以对微波振荡器内的微波电磁场分布进行调节的微波振荡器的结构元件，且其内径为放电管1的壳体。此外，其结构为以便其可以插入，同时其将微波振荡器4的端表面在轴向对准，其可以在轴向滑动同时保持与微波振荡器4的电导性。调谐器18由铜或黄铜形成，同样的材料也用于微波振荡器4。所述调谐器18的作用为调节微波电磁场分布，其根据其插入的深度产生等离子体7以便微波的产生集中在中心6。
接着，将2.45GHz，50W的微波从微波供给连接器供给到微波振荡器4。微波的供给既可以连续也可以间歇，调节器(未示出)安装在将微波电源与微波振荡器连接的电源传输线的中间。其能够被调节控制电源和载荷(放电等离子)之间的微波能量，以便在放电管1内产生放电等离子7。通过放电等离子7激发的氢原子产生103nm和122nm波长的真空紫外线光束；它们穿过光线透射窗口8并使照射灯的光线9传输到外面。
MgF2(氟化镁)单晶体用于制作光线透射窗口8，且其晶体轴(c轴)对准垂直于光线透射窗口的表面。
在将光线透射窗口8安装在图8所示位置之前，已经事先施加了Al2O3(铝)的薄膜覆层作为对光线透射窗口8的表面10的保护膜10A。采用离子束溅射型薄膜形成法膜形成施加覆层。
下面将说明离子束薄膜形成法。保持为0.1Pa压力的Ar气环境用于膜形成气，用20Kv的Ar离子加速电压轰击φ3英寸的烧结Al2O3靶电极(纯度4N)，以从靶电极溅射Al2O3到光线透射窗口8的表面10上以产生薄膜。通过事先产生说明石英晶体振荡数量的变化量和膜厚度之间关系的刻度曲线，利用石英振荡器对薄膜厚度进行控制。通过上述方式，可以通过相应地改变振荡时间以形成所需的厚度。
用于产生保护膜10A的覆层方法不局限为上述离子束溅射薄膜形成法。也可以通过选择适当的方法和装置产生所需成分的膜。其它可能的方法包括如蒸汽沉积、离子电镀、CVD等的气相方法。
用于保护膜10A适当膜厚度的范围根据光学系统表面覆盖情况以及122nm真空紫外线要求的透射确定。
图13是显示当Al2O3作为光线透射窗口覆层施用时，与没有覆层存在的初始状态相比，光线透射与保护膜厚度之间变化的曲线图。如图13所示，光学系统透射率的程度随着其初始状态为保护膜厚度函数增大而下降。最好采用可以抑制其初始衰减的最薄的薄膜。另一方面，为了使保护膜有效，必须覆盖光学系统所有的表面。总体上说，在其应用的初始阶段，薄膜不是均匀的膜结构，其在光学表面形成岛状结构以使部分光学表面暴露，仍然没有达到有效的保护膜。
当保护膜形成后，用AFM(自动施力显微镜)观测表面，其显示出为了形成平的光滑膜，需要覆盖基底的膜厚度为2nm或更大。
此外，从有效地保护光学系统的表面的目的出发，考虑充分厚的20nm或更厚的膜厚度，可以发现，采用SiO2或Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2的保护膜，由于真空紫外线的高吸收性，在其上使用保护膜的光学系统的特征实质上被衰减，保护膜本身吸收产生的衰减和热可以使其剥离或产生其它光学系统表面的问题。因为此真空紫外线的吸收导致光学系统不能起到预期的作用，所以薄膜厚度的上限设定为20nm或更大，优选12nm或更大，或更优选为10nm或更大。
在本实施方式中，采用6nm的保护膜厚度，在此保护膜厚度下，122nm波长光线的透射率为给定的不使用保护膜的初始状态100％透射率的50％。
此外，光电二极管12定位成作为监测所述灯的光线输出装置以接收灯发射光线9。
其次，光电二极管12用于测量具有上述结构的微波激发的氢紫外线灯的光线输出量中的任何变化。
首先，氢原子通过等离子7激发并在真空紫外线波长范围内产生光线达90小时(大约4天)。其次，作为对比，光线透射窗口8用没有保护膜的光线透射窗口替换，并重复试验并比较结果。
使用下列评价方法。光线透射窗口的初始透射率为T1(在控制试验的情况下，T0＝T1)，当使用后，即，90小时后，降低的透射率为T2，然后计算出变化的透射率ΔT[％]ΔT＝(T1-T2)/90 公式(1)另外，变化率表示为衰减率K[％/hr.]，以下列公式定义。
K＝100·ΔT/T0公式(2)通过比较衰减率K的大小，可以快速地量化和评价光线透射窗口8的衰减。显然，K值越低，光线透射窗口的衰减越轻微，其寿命越长，其需要更换的频率越小。
结果表明，当保护膜(Al2O3)用在光线透射窗口8上时，衰减率K为0.04％/hr.。另一方面，用于对比的衰减率K为0.46％/hr.，大约为覆层窗口的11倍。根据此评价，我们发现，与不使用覆层相比较，在光线透射窗口8上的保护膜10A获得了寿命提高大约10的因数。
为了阐明保护膜10A的影响，下面将说明在灯中使用前和在使用之后覆层有Al2O3作为保护膜10A的光线透射窗口的XPS表面分析结果，而作为对比，将说明在灯中使用前和在使用之后不具有保护膜的光线透射窗口的表面分析结果。
图9是显示在使用前对比的分析结果。水平轴为氩的时间，其量正比于溅射深度。溅射时间零分钟表示在溅射之前的初始状态，其相对应晶体表面的分析。在XPS总体分析中，初始状态获得的信息反映物质的自然污染，检测为对碳、氧等的吸收成分。然而，由于实际上没有任何东西，因此可以从分析数据中予以省略。垂直轴表示通过XPS发现的各种元素的比。
图9是显示在使用之前，对比窗口根本没有氟损失。虽然在表面发现微量的氧，但在晶体内没有发现任何存在其内的物质。污染材料中自然吸收到表面的氧是由于氩溅射的结果，氩溅射驱使其进入到晶体中。因此，无论在晶体内有氧或无氧存在，显示在图9中的氧气量应该理解为应该用于作为其它分析结果的校准基础的微量。
图10是显示已经使用保护膜后的对比分析结果。图10清楚地表明氟从控制样品表面的损失。同时在晶体中与氟缺乏层同样深度发现大量氧存在。因此，在使用后的控制样品中，表面层显示出氟缺乏和氧化。此表面状态为对122nm微波真空紫外线透射率降低的主要原因。
其次，Al2O3的保护膜10A施用在光线透射窗口8上接近5nm厚，而图11显示其被使用前的分析结果。曲线图坐标轴的说明和解释与图9相同，在此不再说明。保护膜成分之一的Al(铝)已经新加到图中。图11显示了氟和镁的同步图形从表面到内部延伸，氧和铝的同步图形从表面层到内部延伸。因此，尽管覆盖保护膜，但从表面层检测的氟和镁信号的XPS分析原因为XPS分析的分辨率在深度方向为几nm。因此，即使试图测量理想的边界分布，因为分辨率的宽度在形状上不可避免地宽，因此，其将不能作为步骤显示在图形上。此外，考虑5nm的保护膜厚度，如果溅射不进行大约20分钟，则基底的MgF2晶体将保持外露。这是由于Al2O3和MgF2之间溅射效率的差异造成的。集中在此点，可以理解F和Mg、O和Al图形同步的区域。
最后，图12显示出在其使用已经覆层有作为保护膜的大约6nm Al2O3厚度的光线透射窗口后的分析结果。曲线图坐标轴的说明和解释与图9相同，在此不再说明。图12显示了氧和铝的图形从表面到内部为同步。此外，没有证实在晶体内部有氧存在。这就可以清楚地看出，通过保护膜防止了氧进入到晶体的内部。
另一方面，从表面和进入到中心的氟和镁的图形不同步。可以清楚地看出，氟已经进入到保护膜10A的Al2O3中。然而，由于保护膜10A的存在，虽然氟存在于保护膜的内部，但仍然没有完全排除氟以产生氟缺乏，在对比的情况下，很容易地想到氧气作为替代物通过其进入的机构。实际上，如果考虑图12中没有保护膜的情况，可以利用图10很容易说明上述氟缺乏层和氧化层的形成。
如上已经说明，通过利用在光线透射窗口8上作为覆层的保护膜10A，可以抑制氟缺乏层的产生，并在晶体内防止或抑制氧(氧化层)的存在，另外，当与对比组比较时，具有保护膜覆层的光线透射窗口形成以大约10的系数下降的衰减速度K。
另外，当使用SiO2覆层(膜厚度6nm)作为光线透射窗口8的保护膜时，衰减速度K为0.06％/hr.。另一方面，对比组的衰减速度K为0.46％/hr.。这就可以证实即使在保护膜中使用SiO2，也可以达到同样的保护程度，可以在衰减速度K实大约8倍的改善。
此外，如同使用Al2O3一样，也可以使用金属氧化物如MgO、TiO2、ZrO2作为保护膜的材料，其在紫外线照射下比氟化合物显示出更少变色。
如上所述，根据本发明的光学系统具有形成于其上的保护膜，其本身的不具有保护膜的光学性能(例如，如果其为光线透射窗口，其将为光线透射率)低于其设置在预覆层状态的光学性能。然而，单独评价那些光学系统是不适宜的，将它们作为组合成整个作为使用光学输出装置一部分的光线输出装置的零件来评价是重要的。即，可以补偿上述光学输出装置中的光学系统的初始劣势，并配置光线输出到系统需要的规格，其可以实现维持光学输出装置的输出并增加其寿命，从而达到提供其光线输出窗口的维修频率和维修成本等总体下降的光线输出装置的目的。
另外，将本发明用于在测量应用场合作为光源非常有益。其中的实例是进行环境污染物质的产生等长期的监测或类似的应用。总体上说，当采用此测量时，在测量中信号和灵敏度的程度正比于光线输出的平方。如上所述，在先前技术中，光源的测量灵敏度通过光压输出提高，但光学系统的最终衰减使其必须抑制降低光线输出和测量灵敏度降低的衰减。本发明使用的光学系统延长光线输出装置的寿命，并长期保持更稳定的输出性能，以解决上述问题并提供适合用于长期环境监测的光线输出装置。
以上实现的实施例用于光线透射窗口，但也可以施加到使用光线反射镜(窗口)的装置。此光线反射镜的实施例为用于激光振荡器的反射镜和用于灯中的聚焦镜。因此，光线反射镜可以用于同样应用实施例。
如以上说明，本发明可以防止或抑制由于降低透射率的碳堆积造成的光学系统衰减，并且确定上述系统和光学元件寿命，从而降低更换光学系统的维修操作频率，并当在系统使用光学元件如光线透射、折射、反射、光谱产生、干涉的光学作用的一种或组合时，降低使用如常规紫外线或真空紫外线的高光子能量光线的各种光学设备的操作成本，例如，当所述透射或反射的光学元件位于近真空区边界内时，其中可分解的有机成分可以使光学元件沿用于衍射、折射、光谱产生、透射的真空区中光学路径产生衰减，或者包括容器的分析位置调节光学元件或者其它经受照射的表面或密封物质、调节光学元件的位置调节设备存在于其中，例如用于具有真空紫外线的曝光设备(分节器)和彩色板。
具体地说，通过防止或抑制碳在其表面堆积产生的光学系统中光线透射率的下降，可以防止或抑制所述光学系统的衰减，从而降低更换光学系统等的维修操作频率，并降低操作成本。
此外，通过防止或抑制碳在光学系统中沿真空区中光线路径的照射表面和发射表面的堆积，可以延长下游设备的寿命并提高设备的可靠性。
具体地说，由于本发明可以防止或抑制由于碳在光线透射窗口和其它光学元件上的堆积造成的光学透射率下降，因此，可以延长需要对光线透射窗口等清洁或更换的维修间隔，从而有助于提高设备的操作率并降低维修成本。
另外，通过防止或抑制碳在用于光线输出设备照射光线的真空区中的光学元件和光学系统的照射表面和发射表面的堆积，可以延长下游设备的寿命并提高设备的可靠性。此外，本发明的方法还可以用于照射先前已经由于碳堆积造成衰减的光学元件，以照射这些衰减的光学元件并使其恢复到其初始条件。
因此，通过使用本发明，可以延长用于上述真空区内的光学元件的清洁或更换维修周期，从而有助于提高设备的操作率并降低维修成本。
如上所述，由于本发明可以防止或抑制光学系统的衰减，并延长其必须更换的维修周期，因此，有助于提高设备的操作率并降低维修成本。
此外，通过将根据本发明将光学系统结合到使用光线的设备，可以延长此设备的寿命并保证此设备的长期稳定输出特性。
权利要求
1.一种用于通过位于输出光线或沿所述输出光线的光线路径防止、抑制、或改善光学系统的光学性能的衰减，以改进光学系统的光学性能的可靠性和寿命的光学性能恢复装置，其中所述光学系统设置在有机成分可以被分解的近真空区内，所述衰减由于沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(统一称为‘照明表面’)的碳产生，所述表面面对所述真空区，所述光学性能恢复设备包括产生有活性能量存在的近真空区以激发碳的氧化反应的装置，所述近真空区面对所述光学系统的所述照明表面；在所述近真空区产生负离子或基团的装置；促进在所述近真空区的所述负离子或基团和所述碳之间的氧化反应的装置；以及其中所述光学性能恢复设备通过氧化反应消除或减少沉积在所述照明表面的积聚的碳。
2.一种用于通过位于输出光线或沿所述输出光线的光线路径防止、抑制、或改善光学系统的光学性能的衰减，以改进光学系统光学性能的可靠性和寿命的光学性能恢复装置，其中所述光学系统设置在有机成分可以被分解的近真空区内，所述衰减由于沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(统一称为‘照明表面’)的碳产生，所述表面面对所述真空区，所述光学性能恢复设备包括产生近真空区以激发碳的氧化反应的装置，所述近真空区面对所述光学系统的所述照明表面；在所述近真空区产生含氧原子气体例如水气体或氧化物气体的气体流的装置；在所述近真空区提供活性能量以便在所述含氧原子气体和碳之间产生碳氧化反应的装置；以及其中所述光学性能恢复设备通过氧化反应消除或减少沉积在所述照明表面的积聚的碳。
3.一种用于通过位于输出光线或沿所述输出光线的光线路径防止、抑制、或改善光学系统的光学性能的衰减，以改进光学系统光学性能的可靠性和寿命的光学性能恢复方法，其中所述光学系统设置在有机成分可以被分解的近真空区内，所述衰减由于沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(统一称为‘照明表面’)的碳产生，所述表面面对所述真空区，所述光学性能恢复方法包括步骤产生具有活性能量存在的近真空区以激发碳的氧化反应，所述近真空区面对所述光学系统的所述照明表面；在所述近真空区产生负离子或基团；通过使负离子或基团与沉积的碳进行反应以消除或减少积聚在所述照明表面的积聚的碳。
4.一种用于通过位于输出光线或沿所述输出光线的光线路径防止、抑制、或改善光学系统的光学性能的衰减，以改进光学系统光学性能的可靠性和寿命的光学性能恢复方法，其中所述光学系统设置在有机成分可以被分解的近真空区内，所述衰减由于沉积或积聚在所述光学系统的光线照射表面、光线反射表面、光线发射表面(统一称为‘照明表面’)的碳产生，所述表面面对所述真空区，所述光学性能恢复方法包括步骤产生近真空区以在高活性能量激发存在的条件下激发碳的氧化反应，其中所述近真空区面对所述光学系统的所述照明表面；以及在提供含氧原子气体例如水蒸汽或氧化气体的气体流进入到所述近真空区的同时提供活性能量，从而通过所述提供的活性能量激发积聚的碳的氧化反应，以消除或减少积聚在所述照明表面的积聚的碳。
5.根据权利要求3所述的光学性能恢复方法，其特征在于所述负离子或基团为含有氧原子的不稳定化学基，如OH基、OH-离子、臭氧、O2-离子、O-基。
6.根据权利要求4所述的光学性能恢复方法，其特征在于所述含氧原子气体为水蒸汽、氧气、过氧化氢、臭氧或具有惰性气体(包括空气)的所述气体的混合气体。
7.根据权利要求3或4所述的光学性能恢复方法，其特征在于所述光学系统不仅包括由位于近真空区边界的光线透射或反射件组成的光学元件，而且包括位于沿真空区内光线路径的由衍射、折射、光谱产生、以及传输和衍射的调节光学元件，以及通过照射光线进行表面处理的光学物件组成的光学组件，并且所述的光学系统还包括所述光学元件或所述光学物件的位置调节和保持机构、容器、以及密封件。
8.根据权利要求3或4所述的光学性能恢复方法，其特征在于形成所述光线路径的光束为具有380nm波长或以下的通常紫外线，或具有200nm波长或以下的真空紫外线，输出所述紫外线或位于沿所述输出光线的光线路径的所述光学系统为包括氟化合物的一种或组合的光学物质，如氟化镁、氟化钙、氟化钡、氟化铝、冰晶石、Thiolite或其它氟化合物、金属氟化物如氟化镧、氟化镉、氟化钕、氟化钇、或如人造石英玻璃或兰宝石的高纯度氧化物。
9.根据权利要求4所述的光学性能恢复方法，其特征在于在来自所述近真空区的有机成分分解的碳已经在所述光学系统和相对表面上生长的情况下，供给到所述近真空区的所述含氧原子气体的分压力的下限值设定到超过碳堆积的速度的水平。
10.根据权利要求4所述的光学性能恢复方法，其特征在于当所述真空紫外线照射到所述光学系统或从所述光学系统照射时，在所述光学系统的所述光学性能恢复的情况下，用于供给到所述近真空区的所述含氧原子气体的分压力的上限值优选设定为低于从其在所述近真空区实现其功能的角度来说，通过所述含氧原子气体真空紫外线的吸收不能够被忽略的水平。
11.根据权利要求10所述的光学性能恢复方法，其特征在于用于含氧原子气体的分压力的上限值设定为通过实际填充所述近真空区具有一定含氧原子气体的分压力，然后测量在所述光线路径上真空紫外线的数量以检测其衰减水平的水平。
12.根据权利要求3或4所述的光学性能恢复方法，其特征在于形成所述光线路径的光束为在真空紫外线波长范围的规定波长的光束。
13.根据权利要求3或4所述的光学性能恢复方法，其特征在于形成所述光线路径的光束为具有高光子能量的真空紫外线。
14.根据权利要求4所述的光学性能恢复方法，其特征在于当所述含氧原子气体为氧气，气体的分压力的下限-上限之间范围为0.02mtorr到20mtorr。
15.根据权利要求4所述的光学性能恢复方法，其特征在于当所述含氧原子气体为水蒸汽时，气体的分压力的下限-上限之间范围设定为0.005mtorr到20mtorr。
16.一种包括设置在暴露于真空紫外线或等离子线环境的氟化合物的光学系统，所述真空紫外线或等离子线具有比所述光学系统的基本材料的吸收波长高的光子能量，其中具有2-20nm膜厚度的SiO2或其它金属氧化物的保护膜至少形成在所述光学系统的光线照射侧面(内侧面)，以防止氟原子从所述光学系统的表面剥离。
17.一种包括设置在暴露于真空紫外线或等离子线环境的氟化合物的光学系统，所述真空紫外线或等离子线具有比所述光学系统的基本材料的吸收波长高的光子能量，其中具有2-20nm膜厚度的SiO2或其它金属氧化物的保护膜至少形成在所述光学系统的光线照射侧面(内侧面)，以防止所述光学系统的表面氧化。
18.一种包括具有表面面对和暴露于安置在具有等离子存在的内部区的光学设备中的等离子的氟化合物的光学系统，其中高抗等离子材料的2nm-20nm保护膜形成于所述暴露于所述等离子的氟化合物的表面。
19.根据权利要求16、17或18所述的光学系统，其特征在于所述光学系统由具有沿光线照射方向的晶体轴线(c轴)的单晶体氟化物材料组成，且所述保护膜的垂直表面覆盖有SiO2或金属氧化物。
20.根据权利要求16、17、18或19所述的光学系统，其特征在于所述金属氧化物的保护膜从Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2中之一选择。
21.根据权利要求16、17、18、19或20所述的光学系统，其特征在于，所述保护膜通过离子束溅射方法或等离子CVD形成。
22.一种使用光学设备的方法，包括步骤事先将从SiO2或Al2O3、MgO、TiO2、ZrO2中选择的一种金属氧化物的2nm-20nm的保护膜施加到光学系统上，其中所述膜抑制结构元素由于真空紫外线长时间照射或等离子暴露于基本材料从基本材料的表面剥离或基本材料的表面的氧化，以及结合所述光学系统成为具有比所述光学系统基本材料的吸收波长更高光子能量的真空紫外线源或等离子光线源的需求装置。
23.根据权利要求22所述的使用光学设备的方法，其特征在于所述光源提供充足的光线输出以补偿由于所述保护膜造成的所述光学系统的初始衰减，而所述光学系统设置于在所述设备的所述初始衰减后用于抑制光学性能衰减的所述光源的光学路径上。
全文摘要
本发明的目的在于防止或抑制决定光学设备寿命的光学系统的衰减，其中所述光学设备实现例如光线透射、衍射、反射、光谱产生、以及干涉和其组合的效果。采用上述方式，可以降低维修操作频率如窗口更换并降低此操作的成本。本发明的特征在于通过以下步骤实现产生具有活性能量存在的近真空区，以激发碳的氧化反应，其中所述近真空区面对所述光学系统的所述光线表面；在所述近真空区产生负离子或基团，例如含有氧原子的不稳定的基团如OH基、OH
文档编号B08B7/00GK1704180SQ20041004644
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者坂井智嗣, 鹤我薰典, 山越英男, 栗林志头真, 团野实, 二见博, 山崎纪子 申请人:三菱重工业株式会社