CN102810810A - 单腔双电极放电腔及准分子激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种单腔双电极放电腔及采用该放电腔的准分子激光器，其包括腔体和两套主放电电极，所述腔体包括左右两室，以形成对称的双室结构腔形，每个室的截面形状均为上小下大的“梨”形，所述左右两室在整个放电腔的对称面处交界并连通，所述两套主放电电极分别位于左右两室的上侧。本发明通过一个单腔结构实现MOPA、MOPO、MOPRA结构的双腔功能，既降低了系统的复杂性，又保证了放电腔的放电同步性。

Description

单腔双电极放电腔及准分子激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种光刻用的单腔双电极放电腔及包含该放电腔的准分子激光器，本发明的放电腔也可应用于其它气体受激励产生能量辐射的装置。
背景技术
准分子激光器是一种面向紫外特征应用的常规气体激光器，目前被认为是用于光刻的最佳光源选择，是集成电路平板印刷光刻工业的主力工作光源。
传统的放电激励准分子激光器采用单腔单电极结构设计。随着光学光刻技术的进一步发展，要求光源具有更窄的光谱宽度(线宽)、更高的重复频率以及更高的平均功率。传统单腔结构很难同时满足这三个要求，这往往导致激光器的研究在追求性能和成本效益之间存在严重的制约关系。改进传统激光器单腔结构所面临的困难主要在于线宽压窄模块的较大能量损失问题以及高功率激光辐射作用下光学元件的损伤和寿命问题。
为了有效的实现光谱宽度窄化和激光输出功率的提高，双腔结构被引入到激光器的设计中。这一结构的基本思想是使线宽压窄和提高激光输出功率在不同的气体放电模块(种子腔、放大腔)中得以实现。其工作过程如下：种子腔产生具有一定重复频率的窄线宽种子光，实现低功率激光振荡辐射；放大腔完成种子光入射后的脉冲能量放大。基于双腔结构设计的激光器输出具备了光刻光源所必需的窄化光谱控制和较高单脉冲能量输出特性。
基于双腔结构设计的激光器可以不断优化主振和放大模块，完善系统输出指标，比如优化工作气体混合物的组份和压强以及激励工作电压等来获得具有窄线宽和大功率的激光输出。此外，基于放大腔的功率放大机制，主振荡器中相对较低的激光输出可以显著提高线宽压窄模块中的光学元件的寿命。由于基于双腔结构设计的激光器具有以上优点，“种子—放大”机制激光器结构设计在现代激光光刻光源研发中得到广泛的应用。
双腔结构设计主要分以下三类：主振荡腔——功率放大腔的双腔结构(MOPA，Master Oscillator Power Amplifier)、主振荡腔——功率振荡腔的双腔结构(MOPO，Master Oscillator Power Oscillator)以及以主振荡腔——功率放大腔的双腔结构为基础而发展出来的环形腔结构(MOPRA，Master Oscillator Power Regenerative Amplifier)。相应具体结构细节分别如图1、2、3所示。
图1是现有技术的双腔MOPA准分子激光器结构图，如图1所示，双腔MOPA准分子激光器包括主振荡腔(MO腔)、功率放大腔(PA腔)、线宽压窄模块(LNM)、波长分析模块(LAM)、MO光路转换控制模块(MOweb)、PA光路转换控制模块(PA web)、光学脉冲展宽器(OPS)、线宽分析模块(BAM)、五棱镜等组成。
MOPA结构是最早应用于高端光刻光源研发的激光系统设计，该结构在专利US2002/0044586A1、US20060126697A1、US6690704B2中已作描述。根据文献《近期光刻用ArF准分子激光技术发展》第523-524页，MOPA结构机型中，由于有限次通过放大腔体，激光能量放大能力的限制使得MO腔(主振荡腔)需要更高的激光能量输出才能满足光源系统指标参数需求，经线宽压窄处理后MO腔输出需要约1mJ左右种子光传递到PA腔(功率放大腔)，由于线宽压窄机制所引入的较高能量损耗，转换效率相对较低，大能量的放电激励使MO腔的寿命明显偏低。另外，PA腔输出受MO腔和PA腔放电同步精度影响，激光能量输出稳定性需要进一步提高。
基于注入锁定技术(Injection Lock Technology)的MOPO结构和采用了环形腔技术(Recirculating Ring Technology)的MOPRA结构，弥补了MOPA结构的上述不足。
图2是现有技术的双腔MOPO准分子激光器结构图，如图2所示，双腔MOPO准分子激光器包括：功率振荡器(PO腔)、功率放大腔(PA腔)、线宽压窄模块(LNM)以及包括凹面镜、凸面镜在内的光学回路系统。
专利US2008/0285602A1采用MOPO双腔结构设计。
图3是现有技术的双腔MOPRA准分子激光器结构图，如图3所示，双腔MOPRA准分子激光器结构是在MOPA结构上做的改进，结构组成如同MOPA，只是将PA光路转换控制模块(PAweb)与线宽分析模块(BAM)的位置做了对调，由此种子光可以获得多程增益。
专利US2010098120A1采用MOPRA环形腔结构设计。
在MOPA结构中，种子光在PA腔中只获得有限次多程增益，MO腔需向PA腔注入约1mJ种子光才能得到约10mJ激光输出。在采用注入锁定技术的MOPO结构和环形腔技术的MOPRA结构中，由于放大腔采用了多程的功率放大技术，而不是如MOPA结构的有限次多程放大，在MOPO和MOPRA结构中，PO腔和PRA腔(功率再生腔)工作在振荡放大状态，种子光获得多程增益，只需100-200μJ种子光注入便可得到15mJ激光输出。注入锁定技术和环形腔技术的显著特点就是种子光注入后，在放大腔中往复运转谐振，且放大腔工作在深度饱和状态。相比MOPA技术，他们的优点主要表现在：能量更大、输出更稳定。
MOPA、MOPO、MOPRA系统均基于双放电腔型结构设计。与传统的基于单腔结构的激光器相比，采用双腔结构设计的激光器价格更高、体积更大、制造过程和操作方法都更加复杂。具体而言，基于双腔结构设计的激光器为保证良好的能量放大特性，对同步放电性能要求比较高，这就提高了实现同步放电时的技术难度。除此之外，基于双腔结构设计的激光器由于结构复杂，一定程度上增加了外围装调等操作上的难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有双腔准分子激光器采用的MOPA、MOPRA、MOPO系统结构复杂的缺点，本发明所要解决的技术问题是提出一种新型的单腔双电极放电腔及相应的激光器，以解决基于双腔结构的激光器价格高、体积大、制造过程和操作方法复杂的缺点，并可以实现窄线宽、大功率的优质激光束输出。
(二)技术方案
为实现窄线宽、大功率的优质激光束输出，同时保证放电腔的放电同步性，我们采用单腔双电极放电腔实现双腔MOPA、MOPO、MOPRA的功能。
根据本发明的单腔双电极放电腔包括腔体和两套主放电电极，所述腔体包括左右两室，以形成对称的双室结构腔形，每个室的截面形状均为上小下大的形状，所述左右两室在整个放电腔的对称面处交界并连通；所述两套主放电电极分别位于左右两室且其放电区分别位于左右两室的上部。
所述每套主放电电极都包括一个阳极和一个阴极，所述阳极与所述阴极的放电表面之间形成一个放电区。
所述每个阴极安装在一个绝缘板上，所述绝缘板吊装在所述左右两室的顶端；所述每个阳极固定在一个阳极基座上，所述阳极基座固定在所述腔体上，其位置使得所述阳极与所述阴极平行且正对。
本发明的单腔双电极放电腔还包括压条和峰化电容，所述峰化电容(10)用于放电储能；所述绝缘板通过所述压条与放电腔进行固定；所述压条位于所述绝缘板的外侧，并通过铜片与峰化电容的一端连通，与所述腔体构成接地回路。
所述峰化电容的另一端通过金属导电条与高压脉冲电源相连。
本发明的单腔双电极放电腔还包括预电离装置，该预电离装置位于所述主放电电极的两侧。
所述预电离装置具有两套，其分别位于所述每套主放电电极的两侧。
所述预电离装置具有一套，其位于上游放电区主放电电极的两侧。
所述预电离装置包括上下两部分，每个部分都包括一个陶瓷管和一个预电离电极，且所述预电离电极位于所述陶瓷管的内部。
所述上部预电离装置的陶瓷管通过一个绝缘体与所述阴极固定，下部预电离装置的陶瓷管通过一个绝缘体与所述阳极固定。
每个所述阳极通过一组铜片与放电腔的腔体连接。
本发明的单腔双电极放电腔还包括驱动所述放电腔内的气体的风机系统。
本发明的单腔双电极放电腔还包括对所述放电腔进行散热的散热系统。
本发明的单腔双电极放电腔还包括对所述放电腔内的气体进行除尘的除尘系统。
本发明的单腔双电极放电腔还包括对所述放电腔进行降噪处理的降噪系统。
本发明还提出一种单腔双电极MOPA激光器，其包括前面所述的单腔双电极放电腔。
本发明还提出一种单腔双电极MOPO激光器，其包括前面所述的单腔双电极放电腔。
本发明还提出一种单腔双电极MOPRA激光器，其包括前面所述的单腔双电极放电腔。
(三)有益效果
本发明将MOPA、MOPRA或MOPO激光系统中的两个单腔单电极结构改为一个单腔双电极结构，这样即可通过一个单腔结构实现MOPA(单腔MOPA)及MOPO(单腔MOPO)结构的双腔功能，既降低了系统的复杂性，又保证了放电腔的放电同步性。
同时，采用单腔结构有利于放电腔外围的光学元器件的整合与装调，可进一步简化激光系统。
单腔双电极结构激光器还可同时实现两路激光输出。
此外，单腔双电极结构可以有效降低激光器系统的复杂程度，从而减小外围装调操作的难度。
总体而言，单腔双电极结构激光器可实现两路窄线宽、大功率的优质激光束的输出。
附图说明
图1是现有技术的双腔MOPA准分子激光器结构图；
图2是现有技术的双腔MOPO准分子激光器结构图；
图3是现有技术的双腔MOPRA准分子激光器结构图；
图4是本发明实施例的单腔双电极准分子激光器放电腔结构图；
图5是本发明实施例的激光器放电区结构详图；
图6是本发明实施例的激光器放电区降噪结构图；
图7是本发明实施例的激光器放电腔的预电离示意图；
图8是本发明实施例的单腔MOPA准分子激光器结构图；
图9是本发明实施例的单腔MOPRA准分子激光器结构图；
图10本发明实施例的单腔MOPO准分子激光器结构。
图11本发明实施例的单腔双电极准分子激光器两路激光输出系统图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
1.单腔双电极放电腔的基本结构
图4是根据本发明的实施例的一种单腔双电极放电腔的结构图。如图4所示，该放电腔主要包括一个放电腔腔体1、两套主放电电极、两套气体循环系统、散热系统、除尘装置和一个高压脉冲充电模块4。
所述放电腔腔体1为一封闭的气体容器，其设计执行压力容器的相关标准，用来储存3～6atm具有腐蚀性的混合气体，例如包括F2气体在内产生准分子的卤素气体等。
本发明中的放电腔包括左右两室，以形成对称的双室结构腔形，每个室的截面形状均为上小下大的的形状，例如如图4所示的“梨”形。双室在整个放电腔的对称面处交界并连通。
本发明的放电腔包括两套主放电电极，分别位于左右两室。所述主放电电极的位置设置成保证其放电区2位于左右两室的上部。每套主放电电极都包括一个阳极6和一个阴极3，阴极通过螺栓安装在绝缘板5上，绝缘板5吊装在左右两室的顶端，阳极6通过螺钉固定在阳极基座14上，所述阳极基座固定在放电腔的腔体1上，其位置使得阳极6与阴极3平行正对安装。两套主放电电极的间距设置保证放电区2气体具有足够的能量密度，并能满足激光的输出尺寸要求，通常需设置为10～30mm。
本发明的放电腔还包括一个高压脉冲充电模块4，作为一个高压电源，为放电腔的放电区2注入足够的能量，该高压脉冲充电模块4位于主放电电极的上方，并通过峰化电容10将能量注入两套主放电电极的阴极，为其提供足够击穿放电区工作气体的放电电压。高压脉冲充电模块4采用全固态脉冲电源技术为基础的相关设计。
图5是本发明实施例的激光器放电区结构详图，如图5所示，放电区2指阳极与阴极放电表面之间的空间区域，其长度约等于电极长度，高度等于阴极与阳极工作表面的间距，其宽度略大于电极的放电表面宽度。
继续参考图5，每个主放电电极包括阴极3和阳极6，阴极3接高压脉冲充电模块4。所述的每个阴极3通过螺栓固定在一绝缘板5上，并由该绝缘板5支撑，该绝缘板5采用耐F2等腐蚀的的材料制作，例如高纯Al2O3陶瓷。每个阳极6与通过一组铜片13与放电腔的腔体1连接，同时放电腔接地。同时铜片13还有匀化流场、减少阳极6与地之间的阻抗的作用。
本发明的放电腔还包括压条9和峰化电容10，所述每个绝缘板5通过两个压条9与放电腔进行固定，并通过O型圈进行密封，压条9位于绝缘板的外侧，并通过铜片与峰化电容10的一端连通，与放电腔腔体构成接地回路，峰化电容10用于放电储能，其另一端通过金属导电条21与高压脉冲电源4相连。
如图6所示，本发明的放电腔还包括预电离装置，预电离装置位于所述每套主放电电极的两侧。预电离装置包括上下两部分，每个部分都包括一个陶瓷管7和一个预电离电极8，所述陶瓷管7为绝缘体材料，并且所述预电离电极8位于所述陶瓷管7的内部，上部预电离装置的陶瓷管7通过一个绝缘体17与阴极3固定，保证安装位置的精度，下部预电离装置的陶瓷管7通过一个绝缘体20与阳极6固定，保证安装位置的精度。
由于激光腔内的工作气体为具有高腐蚀性的气体，因此所有与气体接触的腔体、绝缘件、电极等均采用耐腐蚀材料，其中腔体1可以采用合金铝材料、电极3、6、8可以采用黄铜或铝青铜材料，它们均能与高腐蚀性气体反应表面生成一层致密的氧化膜，阻止其进一步与高腐蚀性气体反应，从而达到防护的目的。基于材料的这个特征，新生产的激光腔均需要对放电腔的腔体1进行一段时间钝化，例如氟钝化。
2.单腔双电极放电腔的预电离装置的设置
下面参照图7来描述是本发明的实施例的激光器放电腔的预电离装置的设置。在主放电形成之前，通过预电离会产生一定数量的初始电子分布，促使电子崩在放电空间内均匀重叠分布。预电离的目的是阻止流注形成，实现均匀放电。
如图7所示，将气流在放电区的工作气体的流向定义为上下游，其中，在图7的A图中，在上游放电区2与下游放电区2均设置了一套预电离装置，所谓的上游和下游分别指的是工作气体在流动过程中按照经过放电区的先后顺序而命名的位置，图7的A图所示的预电离装置的优点是能够充分对工作气体电离，保证放电更均匀。在进行试验时发现，在下游放电区更容易造成热积累，因此我们也可采用了图7的B图所示预电离装置，即仅在上游放电区设置预电离装置，这样能避免下游放电区的热积累扩大。如前所述，预电离装置采用绝缘的陶瓷管7内置预电离电极8的结构。
3.单腔双电极放电腔的风机系统
根据本发明的单腔双电极放电腔还包括风机系统。由于激光器为脉冲式放电，为保证放电区间的气体在放电时不断更新为新鲜气体，本发明的实施例在放电腔的腔体1内设置了两套风机叶轮15来驱动气体16，以保证每次经过放电区2的气体为新鲜气体。
每个叶轮15的驱动均采用单电机或双电机驱动，同时采用主被动磁耦合器进行非接触式传动，以确保放电腔内的腐蚀性有害气体不外泄。
风机叶轮15采用贯流风机叶轮，贯流风机叶轮是非常成熟的产品，在选择时优先选择的布置形式采用顺延式或对称式结构，用以提高流场的均匀性。
4.单腔双电极放电腔的散热系统
放电腔内注入的能量较高，因此需要对其进行主动冷却，本发明采用水冷方式，包括散热器11，该散热器11采用铜加工制造，散热器11的数量以满足散热需求为基础，可以为一个，也可以为多个。散热器的安装位置可以安装在叶轮15的入风口处也可以安装在放电区流场通道的下游，以保证良好的散热，如图4所示实施例给出了5个散热器11的大致布局位置，但本发明并不限于此。
5.单腔双电极放电腔的除尘系统
贮存在放电腔内的气体在放电过程中会产生腔体及电极材料的消耗物，这些杂质是不可逆的，并以粒子的形式存在，为提高放电气体的寿命，需在放电腔内设置静电除尘装置12，以保证放电产物不会对电极、布儒斯特(Brewster)窗等光学元件造成污染。除尘装置12设置在放电区流道的下风口处，如图4所示。
6.单腔双电极放电腔的降噪处理
在高频运转条件下，激光工作气体在快放电激励的时候，放电腔内气体的局部温度变化会产生声学激波，此声学激波将在放电腔内传播，并经由放电腔的内壁产生反射，这会引起腔内工作气体密度分布不均，导致放电不均匀，进而使得激光输出质量降低。
如图6所示，为降低放电区2产生的激波对下一次放电的影响，本发明对其放电腔进行降噪处理，在放电区2附近的腔体结构件，我们将其处理成凹凸不平的面18，避免放电产生的激波反射回放电区。另外在放电区2的前后方向均设置了相应的吸声装置19，如吸声孔板或为声丝网，用以吸收放电产生的激波。
7.单腔双电极激光器的光学系统
适用于现有的MOPA、MOPO等双腔结构光学系统方案均适应于本发明中的单腔双电极放电腔，利用该放电腔可以实现MOPA及MOPO的所有功能，同时还简化了放电腔的结构系统，提高了系统的可靠性。
图8为单腔双电极MOPA激光器的结构图，图9为单腔双电极MOPRA激光器的结构图，图10为单腔双电极MOPO激光器的结构图。这三种单腔双电极激光器均引入单腔双电极放电腔代替现有技术中的双腔结构。
图8是引入单腔双电极激光器的双腔MOPA准分子激光器结构图，其系统包括单腔双电极放电腔(DDC)、线宽压窄模块(LNM)、波长分析模块(LAM)、MO光路转换控制模块(MO web)、PA光路转换控制模块(PAweb)、光学脉冲展宽器(OPS)、线宽分析模块(BAM)、五棱镜等组成。
图9是引入单腔双电极激光器的双腔MOPO准分子激光器结构图，其系统包括：功率振荡器(PO)、功率放大腔(PA)、线宽压窄模块(LNM)以及包括凹面镜、凸面镜在内的光学回路系统。
图10是引入单腔双电极激光器的双腔MOPRA准分子激光器结构图，其系统组成如同MOPA，只是将PA光路转换控制模块(PA web)与线宽分析模块(BAM)的位置做了对调，由此种子光可以获得多程增益。
上述三种系统结构均采用了单腔双电极结构的准分子激光器放电腔，简化了系统的结构。
另外，通过本单腔双电极激光器实现了两路激光的输出，如图11所示，系统包括两个高反镜HR、两个输出镜OC以及一个单腔双电极结构放电腔DC。
激光器的输出端还包括了两对布儒斯特(Brewster)窗、以及输出镜等，该部分结构采用现有技术来实现两路激光的输出。
8.单腔双电极激光器的电源系统
该单腔双电极激光器的电源采用全固态脉冲电源技术为基础的相关设计。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种单腔双电极放电腔，包括腔体(1)和两套主放电电极，其特征在于：
所述腔体(1)包括左右两室，以形成对称的双室结构腔形，每个室的截面形状均为上小下大的形状，所述左右两室在整个放电腔的对称面处交界并连通；
所述两套主放电电极分别位于左右两室，且其放电区(2)分别位于所述左右两室的上部。
2.如权利要求1所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述每套主放电电极都包括一个阳极(6)和一个阴极(3)，所述阳极(6)与所述阴极(3)的放电表面之间形成一个放电区(2)。
3.如权利要求2所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述阴极(3)安装在一个绝缘板(5)上，所述绝缘板(5)吊装在所述左右两室的顶端；
所述阳极(6)固定在一个阳极基座(14)上，所述阳极基座固定在所述腔体(1)上，其位置使得所述阳极(6)与所述阴极(3)平行且正对。
4.如权利要求3所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
还包括压条(9)和峰化电容(10)，所述峰化电容(10)用于放电储能；
所述绝缘板(5)通过所述压条(9)与放电腔进行固定；
所述压条(9)位于所述绝缘板(5)的外侧，并与峰化电容(10)的一端连通，与所述腔体(1)构成接地回路。
5.如权利要求4所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述峰化电容的另一端通过金属导电条(21)与一个高压脉冲电源(4)相连。
6.如权利要求1所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
还包括预电离装置，该预电离装置位于所述主放电电极的两侧。
7.如权利要求6所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述预电离装置具有两套，其分别位于所述每套主放电电极的两侧。
8.如权利要求6所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述预电离装置具有一套，其位于上游放电区(2)主放电电极的两侧。
9.如权利要求6所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述预电离装置包括上下两部分，每个部分都包括一个陶瓷管(7)和一个预电离电极(8)，且所述预电离电极(8)位于所述陶瓷管(7)的内部。
10.如权利要求6所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
所述上部预电离装置的陶瓷管(7)通过一个绝缘体(17)与所述阴极(3)固定，下部预电离装置的陶瓷管(7)通过一个绝缘体(20)与所述阳极(6)固定。
11.如权利要求2所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
每个所述阳极(6)通过一组铜片(13)与放电腔的腔体(1)连接。
12.如权利要求1所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
还包括驱动所述放电腔内的气体的风机系统。
13.如权利要求1所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
还包括对所述放电腔进行散热的散热系统。
14.如权利要求1所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
还包括对所述放电腔内的气体进行除尘的除尘系统。
15.如权利要求1所述的单腔双电极放电腔，其特征在于：
还包括对所述放电腔进行降噪处理的降噪系统。
16.一种单腔双电极MOPA激光器，其特征在于：
包括权利要求1-15中的任一项所述的单腔双电极放电腔。
17.一种单腔双电极MOPO激光器，其特征在于：
包括权利要求1-15中的任一项所述的单腔双电极放电腔。
18.一种单腔双电极MOPRA激光器，其特征在于：
包括权利要求1-15中的任一项所述的单腔双电极放电腔。
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