CN103259159B - 光机分离式双腔准分子激光器整机框架系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双腔准分子激光器整机框架系统，所述双腔准分子激光器包括有主振荡放电腔、功率放大腔以及与该两个腔体相关的光学系统，所述系统包括安装基座(1)、基础框架(2)、光学系统框架(3)和放电腔框架(4)，其中，所述安装基座(1)是该整机框架系统的基座，用于承载所有整机框架系统的部件；所述基础框架(2)直接固定安装在所述安装基座(1)上；所述光学系统框架(3)用于安装所述光学系统，并与所述放电腔框架(4)隔离；所述放电腔框架(4)安装在所述安装基座(1)上，用于承载所述主振荡放电腔和功率放大腔。本发明能够降低放电腔对光学系统的影响。

Description

光机分离式双腔准分子激光器整机框架系统

技术领域

本发明涉及一种双腔准分子激光器整机框架系统，适用于双腔结构的准分子激光器的总装及集成。

背景技术

准分子激光器是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激光光源，是集成电路平板印刷光刻工业的主力工作光源。

传统的准分子激光器采用单腔结构设计，由单一的气体放电模块组成。随着光学光刻技术的进一步发展，要求激光源具有更窄的光谱宽度(线宽)以及更高的功率。

为了同时压窄光谱宽度和提高激光功率，基于主振－功率放大技术的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辐射功率这两个目的在不同的气体放电模块中得以实现。

双腔结构设计主要分以下三类：主谐振腔连接功率放大腔的双腔结构(MOPA，MasterOscillatorPowerAmplifier)、主谐振腔连接功率谐振腔的双腔结构(MOPO，MasterOscillatorPowerOscillator)以及以主谐振腔连接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，MasterOscillatorPowerRegenerativeAmplifier)。

双腔结构的准分子激光器在总装集成时，系统较为复杂。激光器放电腔工作时需要风机驱动系统，并且两腔一般都在同一转速下工作；同时激光器放电工作时，需要提供双腔的放电同步性，因此双腔在工作过程中很容易产生系统的谐振，系统之间的振动隔离显得尤为重要。

另外，整机系统下既包括光学系统模块又包括两个放电腔，各模块之间的相对位置的准确定位显得尤为重要。在实际操作过程中，在光学系统已经调整好的前提下，使放电腔具备安装重复性显得尤为重要，因为放电腔的重量较重，使用寿命有限，这样在设备更换时需要放电腔准确定位。这就为整机结构系统的设计集成造成了困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问是双腔准分子激光器的各个部分在工作状态时的振动隔离。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种双腔准分子激光器整机框架系统，所述双腔准分子激光器包括有主振荡放电腔、功率放大腔以及与该两个腔体相关的光学系统，所述系统包括安装基座、基础框架、光学系统框架和放电腔框架，其中，所述安装基座是该整机框架系统的基座，用于承载所有整机框架系统的部件；所述基础框架直接固定安装在所述安装基座上；所述光学系统框架用于安装所述光学系统，并与所述放电腔框架隔离；所述放电腔框架安装在所述安装基座上，用于承载所述主振荡放电腔和功率放大腔。

根据本发明的一种具体实施方式，所述基础框架通过螺纹孔安装到所述安装基座上，所述光学系统框架与放电腔框架依次安装在该基础框架内部。

根据本发明的一种具体实施方式，所述双腔准分子激光器还包括系统控制器、工控机、充电单元、固体开关、控制面板、触摸屏中的一个或多个，并且它们均安装在所述基础框架上。

根据本发明的一种具体实施方式，所述双腔准分子激光器还包括功率放大腔脉冲压缩器和/或主振荡放电腔磁脉冲压缩器，二者安装在放电腔框架上。

根据本发明的一种具体实施方式，所述放电腔框架包括带螺纹安装孔的固定板和放电腔体导轨，所述带螺纹安装孔的固定板为所述功率放大腔与所述功率放大腔磁脉冲压缩器的安装载体，所述固定板上布置的螺纹孔用于安装所述放电腔体导轨。

根据本发明的一种具体实施方式，所述光学系统包括下列模块中的至少一个：功率放大腔前端输出光学模块、功率放大腔后端反射模块、主振荡放电腔前端输出光学模块、主振荡放电腔后端线宽压窄模块。

根据本发明的一种具体实施方式，所述安装基座包括底座安装平板，在该底座安装平板上开有放电腔框架安装孔、基础框架安装孔、安装平板安装孔，在所述底座安装平板的底部装有带有支撑脚的移动万向轮。

根据本发明的一种具体实施方式，在所述底座安装平板的四周包括钣金包边。

根据本发明的一种具体实施方式，所述基础框架、光学系统框架和放电腔框之间设有减振装置。

根据本发明的一种具体实施方式，所述减振装置包括位于功率放大腔、主振荡放电腔与放电腔框架之间的放电腔减振器，以及位于放电腔框架与安装底座之间的减振垫。

(三)有益效果

本发明所适用的双腔准分子激光器能实现高重频、大能量的激光输出，通过实现整机放电腔与光学系统的隔离，以及对放电腔采用双层隔振系统能够降低放电腔对光学系统的影响。

附图说明

图1为本发明的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的安装示意图；

图3为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的安装基座的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的基础框架的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的光学系统框架的结构示意图；

图6为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的放电腔框架的结构示意图；

图7为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的放电腔的安装定位结构示意图；

图8为为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的放电腔的安装定位结构的导轨与固定板的详细结构图；

图9为本发明一个实施例的光机隔离式准分子激光器的整机框架系统的各框架间的减振装置示意图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

1、用于双腔准分子激光器的整机框架系统的结构布局

本发明的用于双腔准分子激光器的整机框架系统适用于双腔准分子激光器，所述双腔准分子激光器包括有主振荡放电腔和功率放大腔，还包括与两个腔体相关的功能模块组件，如各腔的前端输出光学模块、脉冲压缩器、功率放大腔的后端反射模块、主振荡腔的后端线宽压窄模块等。此外，双腔准分子激光器还包括有系统控制器，用于控制激光器的工作状态。

本发明的用于双腔准分子激光器的整机框架系统的采用光机隔离式设计，其整体结构布置如图1所示，其包括安装基座1、基础框架2、光学系统框架3和放电腔框架4。其中基础框架2、光学系统框架3和放电腔框架4安装在安装基座1上，且基础框架2、光学系统框架3和放电腔框架4从外向内逐次包络。

安装基座1是整机框架系统的基座，用于承载所有整机框架系统的部件。为了方便移动和固定安装基座，该安装基座的底部可以设有万向轮和支撑脚。

最外层的基础框架2用于对整机的包裹与封装，使得整个双腔准分子激光器的整机框架系统成为一个有机的统一体。基础框架2直接固定安装在安装基座1上。根据本发明的优选实施方式，基础框架2还用于承载双腔准分子激光器的系统控制器、充电单元、固体开关等与配电、控制相关的各个功能模块，起到一个电控柜的作用。优选的，在该基础框架2的外侧还可安装控制触摸屏等用户交互设备，以使用户能够操控双腔准分子激光器的运行。

光学系统框架3用于安装双腔准分子激光器的光学系统，并与放电腔框架4隔离。光学系统框架3安装在安装基座1上。整个激光器的光学器件均安装在该框架上，使光学系统自成一体，光学系统的模块包括主振荡腔的前端输出光学模块、功率放大腔的前端输出光学模块、主振荡腔的后端线宽压窄模块、功率放大腔的后端反射模块、光学检测模块等。

放电腔框架4用于承载双腔准分子激光器的主振荡放电腔、功率放大腔，整个放电腔框架4安装在安装基座1上，与光学系统框架3隔离，避免由于放电腔在工作时将振动传递到光学系统模块，而造成光谱特性的改变。

由上可知，本发明主要采用了光机隔离式的结构设计，将光学系统各精密模块与放电腔等振源隔离，实现光学系统各模块的高稳定需求，以保证激光输出的光谱特性。这种隔离方式为放电腔通过采用减振器与放电腔框架进行一次隔离，同时将放电腔框架与安装基座采用减振件进行二次隔离，避免激光器在工作时将振动传递到安装基板，进而传递到光学系统框架及光学模块。

2、具体实施例

下面通过一个实施例来具体说明本发明的结构。

(1)整体结构概述

图2是本发明的用于双腔准分子激光器的整机框架系统的一个实施例的安装示意图，该图为正视图。

如图2所示，在该实施例中，双腔准分子激光器主要功能模块包括系统控制器6、功率放大腔8、主振荡放电腔13、功率放大腔脉冲压缩器7、功率放大腔前端输出光学模块9、功率放大腔后端反射模块10、主振荡放电腔磁脉冲压缩器11、主振荡放电腔前端输出光学模块12、主振荡放电腔后端线宽压窄模块14、工控机17、充电单元18、固体开关19、控制面板20、触摸屏21等。

本发明的光机分离式双腔准分子激光器整机框架系统是上述功能模块的载体，根据各功能模块对安装环境的需求不同，分别安装在不同的框架上，而所有的框架又安装在安装基座1上，如图所示，这些框架包括：基础框架2、光学系统框架3和放电腔框架4。其中：

系统控制器6、工控机17、充电单元18、固体开关19、控制面板20、触摸屏21安装在基础框架2上，他们采用传统的机柜模式；

功率放大腔前端输出光学模块9、功率放大腔后端反射模块10、主振荡放电腔前端输出光学模块12、主振荡放电腔后端线宽压窄模块14安装在光学系统框架3上，独立成为一个光学系统框架模块，并与放电腔框架4隔离。

功率放大腔8、主振荡放电腔13、功率放大腔脉冲压缩器7、主振荡放电腔磁脉冲压缩器11安装在放电腔框架4上，放电腔框架4上的两个放电腔为整机系统的振源，因此采用减震手段与光学系统框架3隔离。

(2)安装基座

安装基座1是整机框架系统的基座，其上承载双腔准分子激光器及其框架系统的所有部件的重量。图3是所述实施例的安装基座的结构示意图。如图3所示，安装基座包括底座安装平板83，在底座安装平板上开有放电腔框架安装孔80、基础框架安装孔82、安装平板安装孔84，在底座安装平板83的底部装有带有支撑脚的移动万向轮15。

放电腔框架安装孔80位于安装平板83的较内侧，用于通过螺栓固定放电腔框架4；基础框架安装孔82位于安装平板83外围，用于安装基础框架；安装平板安装孔84位于安装平板的外围，通过该孔位将安装平板固定在安装基座上。

所述移动万向轮15可以是六个均匀排布的静音转向轮。每个转向轮都集成有一个可调高度的支撑脚。当将整机框架系统移动到安放位置时，调节移动滚轮15的支撑脚高度，使得转向轮离地升起，从而固定整机框架系统的工作位置，以便于准分子激光器正常工作。

在底座安装平板83的四周还可包括钣金包边81，用于保护安装基座的外围，并起到外观整体划一的作用。

(3)基础框架

图4是所述实施例的基础框架的结构示意图。如图4所示，基础框架的基础为一方钢骨架的钣金结构，包括前侧上面板55、上部设备安装板56、背部封装板57、左侧板58、方钢骨架59、前门板60、电控箱门板61、右侧板62、电控后背板63、上后背板64等。

基础框架2通过螺纹孔安装到安装基座1上，光学系统框架3与放电腔框架4依次安装在基础框架2内部。

同时基础框架是电学、控制系统的载体，系统控制器6、工控机17、充电单元18、固体开关19、控制面板20、触摸屏21均安装在基础框架结构上，他们采用传统的机柜模式。

(4)光学系统框架

图5是实施例的光学系统框架的结构示意图。如图5所示，光学系统框架包括光学系统框架左竖板65、功率放大腔前端输出光学模块安装架66、光学系统框架上部加固梁67、主振荡腔前端输出光学模块安装架68、放电腔框架加固角块69、光学系统框架下部加固梁70、直角加固转接件31、线宽压窄模块安装架33、功率放大腔后端反射模块安装支架71、光学系统框架右竖板72、光学系统框架后竖板73。

其中光学系统框架左竖板65、光学系统框架上部加固梁67、放电腔框架加固角块69、光学系统框架下部加固梁70、直角加固转接件31、光学系统框架右竖板72、光学系统框架后竖板73共同组成光学系统框架的骨架结构。

功率放大腔前端输出光学模块安装架66用于安装功率放大腔前端输出光学模块、主振荡腔前端输出光学模块安装架68用于安装主振荡腔前端输出光学模块、线宽压窄模块安装架33用于安装线宽压窄模块、功率放大腔后端反射模块安装支架71用于安装功率放大腔后端反射模块安装支架。

光学系统框架通过底部的直角加固转接件31与安装基座刚性固联，实现光学系统框架的安装。同时该框架内部空间为放电腔框架，两框架之间进行隔离。

(5)放电腔框架

图6是所述实施例的放电腔框架的结构示意图。如图6所示，放电腔框架包括移动导轨90、放电腔框架左竖板74、放电腔框架方钢骨架75、放电腔框架下安装板76、放电腔移动滑轮30、放电腔框架右竖板77、放电腔框架后竖板78、放电腔减振器27、放电腔框架上安装板79等。

放电腔框架主要功能是承载激光器主腔体的部件。因其所要加载的重量较大，所以其结构强度较其它部件大。放电腔框架方钢骨架75由方钢焊接而成，放电腔框架左竖板74、放电腔框架右竖板77及放电腔框架后竖板78为镂空铝合金板，既减轻了重量，又保证了结构的刚度与强度。

在竖向上安装有上下两层安装隔板：放电腔框架上安装板79和放电腔框架下安装板76，每块板上都配钻有25×25mm标准孔距的M6螺栓孔，以方便安装与调节安装在其上的激光器放电腔。

放电腔框架通过底部的减振装置与安装基座固定，并被包络在光学系统框架中。具体见后面的减振装置介绍。

(6)放电腔的安装与位置调节结构

主振荡腔、功率放大腔及整机框架尺寸与重量都偏大，并且在加工制造、安装调试中都会引入误差，因此，对于放电腔体的安装与调试并不能一次到位，这就要求在设计中加装方便安装与位置调节的结构。

图7是本发明的实施例的放电腔的安装示意图，下面以功率放大腔的安装进行说明。如图7所示，其中放电腔框架4包括功率放大腔与光学模块连接的波纹管22及34、带螺纹安装孔的固定板35、功率放大腔前端输出光学模块9、功率放大腔驱动电机24、放电腔体导轨29、放电腔移动滑轮30、放电腔减振器27、方钢框架32、功率放大腔8、减振器安装调节螺栓组36、带有调节孔的导轨安装板37、导光管38、功率放大腔后端反射模块10、功率放大腔磁脉冲压缩器7、功率放大腔磁脉冲压缩器安装支脚39。

其中带螺纹安装孔的固定板35为功率放大腔8与功率放大腔磁脉冲压缩器7的安装载体，固定板35上布置的螺纹孔用于安装放电腔体导轨29，便于放电腔的拆装。

放电腔的安装与调节通过以下方式实现：首先功率放大腔经由导轨29滑入放电腔框架4，调节放电腔减振器27的高度，使滑轮升离导轨29，并将导轨移出，最后调节放电腔减振器27的高度与位置，通过移动放电腔到安装固定板35的不同螺纹调节孔，来调整率放大腔在水平面内的位置。

导轨29与固定板35的详细结构如图8所示，具体结构包括：左后隔振器40、左侧导轨41、导轨调节长孔42、左后移动滑轮43、左前移动滑轮44、左前隔振器45、方钢框架46、螺纹调节孔47、右前隔振器48、右前移动滑轮48、右后移动滑轮50、右后隔振器51、右侧导轨52、安装平板53等。

其中隔振器40、45、48、51分别安装在放电腔的四个安装角下，实现放电腔振动的隔离，而移动滑轮43、44、48、50分别安装在放电腔的两测，实现放电腔的移入移出及调节。

(7)框架间的减振装置

光机隔离式准分子激光器核心部件是产生激光的放电腔体，即主振荡放电腔和功率放大腔两个腔体及整机光学系统部件。

为了隔离各个放电腔和功能部件的振动，本发明的所述基础框架2与放电腔框3之间设有减振装置。如图9所示，减振装置包括功率放大腔8、主振荡放电腔28与放电腔框架4间的放电腔减振器27，放电腔框架4与安装底座1间的减振垫25。

其中放电腔框架4与安装底座1间的减振垫25，用以实现放电腔框架4与光学系统框架3之间的振动隔离；放电腔减振器27每个底角安装各有一个，每个放电腔体共有四个，两个放电腔体共八个，由此隔离放电腔内部风机系统及放电工作时所产生的振动。

本发明将双腔准分子激光器的放电腔支撑结构与光学系统的支撑结构分离布置，隔离了放电腔由于风机转动及放电过程所产生的振动，有效保证了整机光学系统正常工作。同时，将放电腔支撑结构与光学系统的支撑结构在空间布置上分为内外两层，构成一种包络嵌套的结构形式，该结构有效地减少整机的外形轮廓尺寸及所占空间，使得整机结构层次功能分明，结构紧凑。

安装基座是三层结构的安装基础，其中放电腔框架与底部安装基座采用减振隔离连接，光学系统框架及基础框架采用刚性连接。为保证整机结构的刚度，结构也采用方钢焊接结构，外表面由钣金件包裹而成，以实现基座的承载能力。

本发明的三重框架分别实现各自的功能，在放电腔框架与底部安装基座的连接处，采用柔性减振材料实现振动隔离，由于需要对整个光路系统进行密封防护，这样就要求安装于内框架的放电腔与安装在外框架的光学模块连接，为实现他们之间的振动隔离，他们之间采用密封波纹管连接。

对于承载主要重量及产生主要振动源的放电腔的最内层的放电腔框架，即放电腔体安装框架，其上搭载主振荡放电腔和功率放大腔两个腔体，两个放电腔即是激光产生的源，也是整个激光器系统的振源，还是整机中重量最集中的部件，故此层结构采用方钢焊接结构，使得该结构具有高刚度、高强度、良好的动态特性。

本发明的光学系统框架所承载重量较轻，采用铝合金型材及镂空铝合金板材连接构成，以实现整机系统的减重。整个激光器系统的光学模块均搭载在光学系统框架3上，以实现光学系统与放电腔的完全隔离，保证光学系统的正常工作。

本发明的基础框架包络在最外层，实现整机的外观功能，同时其余模块可安装在采用钣金结构的框架中，实现电与控制模块拆卸的方便性。

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 (10)

1.一种双腔准分子激光器整机框架系统，所述双腔准分子激光器包括有主振荡放电腔、功率放大腔以及与该两个腔体相关的光学系统，其特征在于，所述系统包括安装基座(1)、基础框架(2)、光学系统框架(3)和放电腔框架(4)，所述基础框架(2)、光学系统框架(3)和放电腔框架(4)从外向内逐次包络，其中，

所述安装基座(1)是该整机框架系统的基座，用于承载所有整机框架系统的部件；

所述基础框架(2)直接固定安装在所述安装基座(1)上；

所述光学系统框架(3)用于安装所述光学系统，并与所述放电腔框架(4)隔离；

所述放电腔框架(4)安装在所述安装基座(1)上，用于承载所述主振荡放电腔和功率放大腔。

2.如权利要求1所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述基础框架(2)通过螺纹孔安装到所述安装基座(1)上。

3.如权利要求2所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述双腔准分子激光器还包括系统控制器(6)、工控机(17)、充电单元(18)、固体开关(19)、控制面板(20)、触摸屏(21)中的一个或多个，并且它们均安装在所述基础框架(2)上。

4.如权利要求1所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述双腔准分子激光器还包括功率放大腔脉冲压缩器(7)和/或主振荡放电腔磁脉冲压缩器(11)，二者安装在放电腔框架(4)上。

5.如权利要求4所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述放电腔框架(4)包括带螺纹安装孔的固定板(35)和放电腔体导轨(29)，所述带螺纹安装孔的固定板(35)为所述功率放大腔(8)与所述功率放大腔磁脉冲压缩器(7)的安装载体，所述固定板(35)上布置的螺纹孔用于安装所述放电腔体导轨(29)。

6.如权利要求1所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述光学系统包括下列模块中的至少一个：功率放大腔前端输出光学模块(9)、功率放大腔后端反射模块(10)、主振荡放电腔前端输出光学模块(12)、主振荡放电腔后端线宽压窄模块(14)。

7.如权利要求1所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述安装基座(1)包括底座安装平板(83)，在该底座安装平板上开有放电腔框架安装孔(80)、基础框架安装孔(82)、安装平板安装孔(84)，在所述底座安装平板(83)的底部装有带有支撑脚的移动万向轮(15)。

8.如权利要求7所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，在所述底座安装平板(83)的四周包括钣金包边(81)。

9.如权利要求1～8中任一项所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述基础框架(2)、光学系统框架(3)和放电腔框架(4)之间设有减振装置。

10.如权利要求9所述的双腔准分子激光器整机框架系统，其特征在于，所述减振装置包括位于功率放大腔(8)、主振荡放电腔(28)与放电腔框架(4)之间的放电腔减振器(27)，以及位于放电腔框架(4)与安装底座(1)之间的减振垫(25)。