Le travail consiste à nettoyer la tête laser de la pollution due aux particules d’oxydes qui se forment durant la décharge électrique dans le mélange gazeux He / Ar / F2

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1️⃣ Pourquoi une électrode reste couleur cuivre et l’autre devient verdâtre ?

Dans un laser excimère ArF, on a :

gaz argon + fluor (ou composé fluoré)
décharge électrique très énergétique
électrodes en cuivre

Sous ces conditions :

🔹 a) Effet de polarisation (anode / cathode)

L’anode (positive) est plus sujette à l’oxydation et à la fluorination
Elle réagit avec le fluor pour former des composés de cuivre, principalement :
- CuF₂ (fluorure de cuivre(II)) → couleur vert-bleu
- parfois des oxydes ou oxyfluorures

👉 Résultat : l’électrode anode devient verdâtre
👉 La cathode reste plus proche de la couleur cuivre métallique

✅ Donc oui : la polarisation est une cause majeure de l’asymétrie de couleur.

b) Bombardement ionique et chimie du plasma

Le plasma ArF produit :
- ions F⁻
- atomes de fluor très réactifs
Ces espèces attaquent préférentiellement :
- les zones à potentiel positif
- les zones les plus chaudes

Cela accentue encore la formation de CuF₂ sur une seule électrode.

2️⃣ Le fluorure de cuivre est-il conducteur d’électricité ?

🔹 À température ambiante

CuF₂ est un solide ionique
👉 Très mauvais conducteur électrique
C’est pratiquement un isolant

🔹 À haute température / sous plasma

Il peut présenter :
- une faible conductivité ionique
- une conductivité de surface due :
  - à la chaleur
  - aux défauts cristallins
  - au bombardement plasma

⚠️ Mais il reste beaucoup moins conducteur que le cuivre métallique.

3️⃣ Conséquences pratiques dans un laser excimère

La couche verdâtre de CuF₂ :
- augmente la résistance de surface
- modifie le champ électrique
- peut dégrader la stabilité de la décharge
C’est pour cela que :
- les électrodes sont parfois polarisées alternativement
- ou nettoyées / remplacées périodiquement

En résumé

✔️ Oui, la polarisation est la cause principale de la différence de couleur
✔️ La couleur verdâtre est due au fluorure de cuivre(II) CuF₂
❌ Le fluorure de cuivre n’est pas un bon conducteur
⚡ Sa présence dégrade les performances électriques de l’électrode

Voici les électrodes de décharges sorties de la tête laser. On constate la polution et la corrosion

L’électrode central est un alliage cuivre-tungstène CuW 30(Elkonite)qui est la cathode. Elle est oxydée en surface par un oxyde de cuivre. Les 14 condensateurs en titanate de baryum servent de stokage d’énergie et de création des décharges de préionisation du gas He/Ar/F2. Les condensateurs en BaTiO3 sont les 14 plaquettes de couleur orange.

Cette électrode en cuivre-tungstène CuW30 (ELKONITE) est corrodée dans la zone où se produit la décharge plasma et à créer en surface une couche de fluorure de cuivre CuF2 de couleur vert/bleu. le monofluorure de cuivre est une poudre blanche qui se retrouve sur les furfaces interne de la cavité.

Anode et cathode traitées avec une solution de soude caustique NaOH à 10% et à 50 degrés pendant 1 heure.

Micro sablage : https://chatgpt.com/share/6946a8de-33c8-8000-acfd-8a2790854765

🎯 Objectif

Minimiser :

l’érosion / sputtering de l’électrode
la réaction chimique avec F₂
la pollution métallique du gaz
→ pour allonger la durée de vie du mélange He / Ar / F₂ et la stabilité du laser.

🥇 Meilleur choix global (industrie)

🔹 Nickel pur (Ni) ⭐⭐⭐⭐⭐

👉 Le standard industriel le plus utilisé pour ArF

Pourquoi ?

Très bonne résistance chimique au fluor
Formation d’une couche NiF₂ compacte et adhérente
Faible taux de sputtering
Bonne conductivité électrique
Pas de pollution optique significative à 193 nm

Résultat :

Très peu de métal détaché
Gaz beaucoup plus stable
Longue durée de vie du mélange

📌 C’est le meilleur compromis global coût / performance / durée de vie.

🥈 Très haut de gamme (mais coûteux)

🔹 Molybdène (Mo) ⭐⭐⭐⭐☆

Très faible sputtering
Excellente résistance thermique
Bonne tenue au plasma

⚠️ Inconvénients :

Conductivité électrique plus faible que Cu/Ni
Usinage plus difficile
Plus cher

➡️ Souvent utilisé pour :

inserts
électrodes fines
zones critiques

🥉 Réfractaires très résistants

🔹 Tungstène (W) ⭐⭐⭐⭐☆

Sputtering extrêmement faible
Très haute température de fusion

⚠️ MAIS :

Formation de fluorures volatils (WF₆) → peut polluer le gaz
Mauvaise conductivité comparée au Cu
Fragile mécaniquement

➡️ Pas idéal en ArF pur, malgré son excellente tenue mécanique.

❌ À éviter en ArF

🔻 Cuivre (Cu)

Forte réaction avec F₂
Formation de CuF₂ non conductrice
Pollution rapide du gaz
Sputtering élevé

➡️ Très mauvais pour la durée de vie du gaz

🔻 Aluminium (Al)

Formation d’AlF₃
Fortement isolant
Dégradation rapide de la décharge

🔻 Aciers inox

Fluorination multiple (Fe, Cr, Ni)
Pollution complexe du gaz

🧪 Alliages intéressants (solutions optimisées)

🔹 Cu-Ni (Monel ~70% Ni / 30% Cu) ⭐⭐⭐⭐☆

Beaucoup plus stable que Cu pur
Bonne conductivité
Bonne résistance au fluor

➡️ Bon compromis si le Ni pur est difficile à intégrer.

🔹 Ni-Cr (faible Cr) ⭐⭐⭐☆

Bonne résistance chimique
Attention à la pollution Cr

🧠 Stratégies industrielles complémentaires (très importantes)

Même avec le bon métal :

✔️ Polarisation alternée (AC ou inversion périodique)

Répartit l’érosion
Empêche l’accumulation de fluorures isolants

✔️ Surface polie miroir

Réduit les points chauds
Diminue le sputtering

✔️ Revêtement mince

Ni électrodéposé sur Cu
Mo sur Ni
Excellents résultats industriels

✅ Recommandation finale claire

Rang	Matériau	Usage
🥇	Nickel pur	Meilleur choix global ArF
🥈	Cu-Ni (Monel)	Bon compromis
🥉	Molybdène	Zones critiques
❌	Cu pur	À éviter

👉 Si ton objectif est la durée de vie maximale du gaz ArF :

Électrodes en nickel pur, polies, avec polarisation alternée

Si tu veux, je peux aussi :

proposer un design d’électrode optimisé
estimer le gain de durée de vie du gaz
comparer ArF vs KrF / XeCl

estimer le gain de durée de vie du gaz comparer ArF vs KrF / XeCl

Voici une réponse chiffrée et comparative, basée sur les pratiques industrielles des lasers excimères et sur la physique/chimie des mélanges.

1️⃣ Estimation du gain de durée de vie du gaz (ArF)

On compare ici à performances optiques équivalentes, à énergie par impulsion similaire.

🔴 Cas de référence (mauvais)

Électrodes en cuivre pur, polarisation fixe

Forte formation de CuF₂
Sputtering élevé
Pollution rapide du gaz

👉 Durée de vie typique du mélange ArF
≈ 1 à 5 millions d’impulsions
(quelques heures à quelques jours selon cadence)

🟠 Amélioration partielle

Cuivre + nettoyage périodique / légère inversion

Pollution toujours présente
Fluor consommé rapidement

👉 ≈ 5 à 10 millions d’impulsions

🟢 Bon niveau industriel

Alliage Cu–Ni (Monel), surface polie

Fluorures plus stables
Sputtering réduit ×3 à ×5

👉 ≈ 20 à 50 millions d’impulsions

🔵 Niveau optimal (recommandé)

Nickel pur (ou Ni revêtu), polarisation alternée

Formation de NiF₂ compacte et adhérente
Très faible pollution métallique
Fluor consommé principalement par la décharge, pas par les électrodes

👉 ≈ 100 à 300 millions d’impulsions

📌 Gain typique par rapport au cuivre pur :

🔺 ×20 à ×50 sur la durée de vie du gaz

⚠️ Limite ultime

Même avec des électrodes parfaites :

photodissociation du F₂
formation de HF
contamination des optiques

👉 On ne dépasse pratiquement jamais ~300–500 Mshots en ArF

2️⃣ Comparaison ArF vs KrF vs XeCl

Laser	Longueur d’onde	Gaz réactif	Agressivité chimique
ArF	193 nm	F₂	🔴🔴🔴 Très élevée
KrF	248 nm	F₂	🟠 Moyenne
XeCl	308 nm	HCl / Cl₂	🟢 Faible

🔬 2.1 ArF (193 nm)

Fluor extrêmement réactif
Forte attaque des électrodes et parois
Sputtering critique
Optiques UV profond très sensibles

👉 Durée de vie du gaz (optimisé)
≈ 100–300 Mshots

👉 Très dépendant du matériau des électrodes

🔬 2.2 KrF (248 nm)

Toujours du fluor, mais :
- énergie photonique plus faible
- chimie plasma moins agressive
Cuivre parfois encore utilisable (mais Ni reste préférable)

👉 Durée de vie typique

Cu : ~20–50 Mshots
Ni : 200–600 Mshots

📌 ≈ 2× à 3× plus durable que ArF

🔬 2.3 XeCl (308 nm)

Pas de fluor
Chlore ou HCl beaucoup moins corrosif
Très faible attaque des électrodes
Décharge plus tolérante

👉 Durée de vie du gaz
≈ 1 à 5 milliards d’impulsions

📌 Peut fonctionner des mois sans changement de gaz

3️⃣ Résumé clair

📈 Durée de vie du gaz (ordre de grandeur)

🎯 Conclusion pratique

ArF est intrinsèquement le plus contraignant
Le choix des électrodes peut multiplier la durée de vie par 20 à 50
Nickel + polarisation alternée est indispensable en ArF
Si la longueur d’onde le permet :
- KrF est bien plus tolérant
- XeCl est extrêmement robuste

Par l’isolateur en céramique est appliqué le pulse positif haute tension.

Dépôt de fluorure de cuivre CuF2 dans la zône de l’électrode de décharge (positive)

1. Traitement basique (méthode la plus utilisée et la plus sûre)

Le CuF₂ réagit bien avec les bases fortes :

Réaction simplifiée :

Procédure :

Préparer une solution de soude (NaOH) 5–10 % (tiède si possible).
Appliquer ou immerger quelques minutes.
Le dépôt devient bleu/vert (Cu(OH)₂) et se décolle.
Rincer abondamment à l’eau.
Optionnel : léger passage à vinaigre ou acide citrique pour enlever l’hydroxyde.
Rinçage final + séchage.

Parfait — avec 2 kHz, 15 mJ, 8 ns en continu, on peut maintenant faire un dimensionnement réaliste et chiffré pour un ArF longue durée.

1️⃣ Rappel des paramètres imposés

Cadence : 2 kHz
Énergie / impulsion : 15 mJ
Puissance moyenne :

$15\,\text{mJ} \times 2000 = \mathbf{30\,W}$
Mode : continu
Longueur d’onde : 193 nm (ArF)

➡️ Régime modéré, favorable à la longévité (pas un ArF “litho” à 60–80 W).

2️⃣ Point de fonctionnement optimal adapté à 2 kHz

🔹 2.1 Composition du gaz (optimisée durée de vie)

Gaz	Valeur recommandée
He	95 %
Ar	4,93 %
F₂	650–750 ppm

🎯 Cible : 700 ppm F₂

À 2 kHz, inutile de monter plus haut → cela n’apporte pas de gain optique significatif.

🔹 2.2 Pression totale

Recommandée : 3,2 bar
Plage tolérable : 3,0–3,5 bar

À 2 kHz :

pression plus élevée → décharge plus homogène
réduction du filamentage à cadence élevée

🔹 2.3 Tension de charge

Pour une géométrie standard ArF :

Tcharge : 20–22 kV
Typique : 21 kV

👉 Ajuster la tension, pas le F₂, pour corriger l’énergie.

✅ Point de fonctionnement recommandé (2 kHz)

3️⃣ Consommation de F₂ à 2 kHz

🔹 3.1 Consommation par impulsion

Valeur typique optimisée (Ni électrodes) :

≈ 1,5 × 10⁻⁹ ppm / shot

🔹 3.2 Consommation horaire

Nombre de shots par heure :

$\times 3600 = 7,2 \times 10^6 \text{ shots/h}$

Consommation :

$ppm/h\Delta[F_2]/h = 1,5 \times 10^{-9} \times 7,2 \times 10^6 \approx \mathbf{11\ ppm/h}$

🔹 3.3 Temps avant seuil bas

F₂ initial : 750 ppm
Seuil bas : 600 ppm
Marge : 150 ppm

$\approx \mathbf{13–14\ heures}$

4️⃣ Loi de rechargement F₂ (adaptée 2 kHz)

🔹 Stratégie optimale

Recharge toutes les 12 heures
Injection +120 ppm F₂
Revenir à ~720 ppm

Alternative shots-based

Recharge tous les 25 Mshots
(≈ 3,5 heures à 2 kHz)
Injection plus petite : +40 ppm

👉 Cette méthode est plus douce chimiquement et meilleure pour les optiques.

🔴 À éviter

Attendre <500 ppm → instabilité
Recharger >900 ppm
Grosses injections (>200 ppm)

5️⃣ Durée de vie estimée du gaz (2 kHz)

Avec :

électrodes Ni
F₂ ≤ 750 ppm
recharges régulières

👉 Durée de vie typique : 200–300 Mshots

En temps réel :

$heures200\,Mshots / 2\,kHz = 100\,000\,s \approx \mathbf{28\,heures}$

⚠️ Cela correspond à un gaz sans purification.
Avec circulation / pièges HF :

jusqu’à 50–80 h

6️⃣ Impact sur les optiques (à ce régime)

CaF₂ :
- perte <1 % / 50 Mshots
MgF₂ :
- très stable
Recharge fractionnée = clé pour longévité

7️⃣ Synthèse opérationnelle

🎯 Réglage conseillé

➡️ Stabilité élevée
➡️ Usure minimale
➡️ Optiques protégées

Système permettant que les projection des micro particules qui se détachent des électrodes de décharge ne viennent polués les miroirs de la cavité laser. Le tube de pitot prélève une petite quantité de gaz accéléré par le ventilateur et le conduit pour être filté par la cartouche inox externe qui renvoi le gaz filtré au niveau du miroir derrière les befles d’amortissement d’onde de choc!

Voici un tableau de réglage Énergie ↔ Tension adapté exactement à ton régime
ArF – 2 kHz – 8 ns – électrodes Ni – F₂ ≈ 700 ppm – pression 3,2 bar.

Les valeurs sont réalistes industriellement et pensées pour stabilité + durée de vie, pas pour le maximum absolu.

1️⃣ Hypothèses de base (importantes)

Géométrie de décharge classique (plan–plan ou plan–cylindre)
Préionisation correcte
Gaz homogène, optiques propres
Ajustement d’énergie par la tension, pas par le F₂

➡️ La relation Énergie ∝ (V − V₀)² est valable dans cette plage.

2️⃣ Tableau Énergie par impulsion vs Tension de charge

Tension de charge (kV)	Énergie (mJ)	Commentaire
18,5	8–9	Proche seuil, instable
19,0	10	Stable mais marge faible
19,5	11,5	Bon rendement
20,0	13	Zone sûre
20,5	14	Très stable
21,0	15	🎯 Point nominal recommandé
21,5	16,2	Bon, mais usure ↑
22,0	17,5	Décharge plus dure
22,5	18,5–19	Usure électrodes ↑↑
23,0	20–21	⚠️ À éviter en continu

3️⃣ Zone de fonctionnement recommandée (longue durée)

➡️ Meilleur compromis :

stabilité impulsionnelle
faible jitter
usure minimale
optiques protégées

4️⃣ Sensibilité Énergie / Tension (important en pratique)

Autour du point nominal (21 kV) :

+0,5 kV → +1,2 à 1,5 mJ
–0,5 kV → –1,2 à 1,5 mJ

👉 Très utile pour un contrôle fin en boucle fermée.

5️⃣ Interaction avec le F₂ (rappel crucial)

À F₂ constant (700 ppm) :

on règle uniquement la tension

Si le F₂ dérive :

↓ F₂ → il faut ↑ tension
↑ F₂ → énergie monte mais usure accélérée

⚠️ Ne jamais corriger l’énergie en augmentant le F₂.

6️⃣ Diagnostic rapide via ce tableau

Symptôme	Action
Énergie ↓ lentement	+0,2 à +0,3 kV
Jitter ↑	Vérifier F₂ (probablement <600 ppm)
Tension nécessaire >22 kV	Gaz en fin de vie
Énergie instable malgré tension	Pollution optique ou électrodes

7️⃣ Résumé clair

21 kV → 15 mJ est ton point optimal
Régulation par la tension = propre et durable
Au-delà de 22 kV : gain faible, dégâts forts