CN107069421B - 用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，包括具有两组原边绕组和一组副边绕组的脉冲变压器，脉冲变压器两个原边绕组分别通过正向充电电路和反向充电电路与储能电容连接，脉冲变压器的副边绕组两端的导线之间连接有多组高压陶瓷电容，相邻高压陶瓷电容相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关，仅最后一组高压陶瓷电容上并联有残余能量吸收电路。本发明设计了一种可用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，可广泛应用于高压放电激励的激光器。

Description

用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路

技术领域

本发明涉及准分子激光器激励电路领域，具体是一种用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路。

背景技术

准分子激光器广泛应用于工业、医疗、科研等领域，尤其高重复率准分子激光器在半导体光刻中有难以替代的作用。在光刻等需要高重复率准分子激光器的应用行业，通常准分子激光器的数百Hz重复率不能满足需求。例如，目前半导体光刻中使用的KrF、ArF准分子激光器重复率达到6000Hz。为满足光刻等需要高重复频率运行的要求，全固态脉冲激励技术（Solid State Pulse Power Module，简称SSPPM）被引入到准分子激光激励电路中，以解决一般准分子激光器中闸流管的寿命瓶颈问题，从而实现准分子激光器高重复率、长寿命的运转。全固态脉冲激励技术是利用可控谐振充电技术和磁脉冲压缩技术产生高压窄脉冲放电泵浦准分子激光工作物质。准分子激光器属气体放电激光器，激光气体击穿放电时呈负阻抗特性，因此激励电路很难与气体负载做到很好的阻抗匹配，激励电路注入激光气体的能量因为阻抗不匹配会有部分能量返回激励电路。返回的能量在激励电路中极易形成二次振荡，在激光气体中形成二次放电，损伤激光放电电极，还容易导致高重复频率准分子激光器运行不稳定。目前的高重频准分子激光激励回路中，为了衰减返回激励回路的能量，只能在回路中添加阻性吸收电路，使能量转换为热消耗掉，因此电源整体效率不高。且因为阻性吸收电路吸收能量不充分，仍可能形成二次振荡，导致二次放电损伤激光放电电极。

如图1所示是现有的典型高重频率准分子激光器激励电路，储能电容C0通过前端充电电容充电到几百V到几千V，通过固体开关S1，一般是IGBT，连接脉冲变压器进行放电，D1是止回二极管。C0充电波形如图2，脉冲变压器一般变比为1:10~30，对电压进行提升。C1、C2、C3、Cd均为高压陶瓷电容，MS1、MS2、MS3为磁脉冲压缩开关。C0能量转移到C1时间为4-8μs，在C0能量转移到C1过程中，磁脉冲压缩开关MS1处于关断状态，直到能量转移完成，C1电压达到最大值时，MS1正好饱和，由关断状态切换到导通状态，C1能量向C2转移，转移时间约为700ns-1.2μs。与前一过程类似，在C1 能量转移到C2过程中，磁脉冲压缩开关MS2处于关断状态，直到能量转移完成，C2电压达到最大值时，MS2正好饱和，由关断状态切换到导通状态，C2能量向C3转移，转移时间约为120ns-200ns。在C2 能量转移到C3过程中，磁脉冲压缩开关MS3处于关断状态，直到能量转移完成，C3电压达到最大值时，MS3正好饱和，由关断状态切换到导通状态，C3能量向Cd转移，转移时间约为70ns-150ns。Cd通过电极E对工作气体放电，通过放电激励从而形成激光。

由于放电回路很难与激光工作气体阻抗做到完全匹配，放电后会在电路中形成残余振荡。电感L1和功率电阻R1组成一组残余能量吸收电路，同样，电感L2和功率电阻R2组成一组残余能量吸收电路，电感L3和功率电阻R3组成一组残余能量吸收电路, 电感L4和功率电阻R4组成一组残余能量吸收电路，通过多组吸收电路对残余振荡进行衰减。

储能电容C0的工作波形如图2所示，T0到T1时刻，前端充电电源对C0进行充电，T1到T2时刻为电压保持时间，T2时刻固体开关S1导通，C0能量开始往C1转移。图中，T3到T5为同样工作过程。图3是电容C1两端电压波形，T0时刻到T1时刻为C0向C1充电过程，约为4-8μs。T1时刻电容C1的电压达到最大值，此时磁脉冲压缩开关MS1导通，能量继续向后端电容逐级转移。T2至T4时段内的波形是放电后传递到C1电容的残余振荡。图4所示是放电电容Cd两端的电压波形，其中，T1到T2是Cd的充电放电过程，T2到T4是由于阻抗不匹配产生的残余振荡。残余能量通过电路反向传播到电容C1，由于开关S1在反峰振荡传递的时候处于断开状态，能量从C1再次往Cd方向传播，电感电阻吸收电路在残余能量传递过程对其进行衰减，但仍会有小部分能量吸收不完全，最终在Cd两端形成T5至T6的二次放电波形，即在电极两端形成二次击穿。由于二次击穿距离先前主放电时间较短，电极之间主放电产生的带电粒子还来不及复合，二次击穿极易在电极之间形成弧光放电，对电极会造成一定损伤。

发明内容 本发明的目的是提供一种用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，以解决现有技术准分子激光器激励电路电源整体效率不高、存在二次放电的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：包括具有两组原边绕组和一组副边绕组的脉冲变压器、设置在脉冲变压器原边侧的储能电容C0，脉冲变压器两个原边绕组分别通过正向充电电路和反向充电电路与储能电容C0连接，脉冲变压器的副边绕组两端分别通过导线连接有放电电极E，两导线之间连接有多组相互并联的高压陶瓷电容，相邻高压陶瓷电容相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关，仅最后一组高压陶瓷电容上并联有残余能量吸收电路。

所述的用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：正向充电电路由二极管D1、作为固体开关S1的IGBT管构成，脉冲变压器第一组原边绕组一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与储能电容C0一端连接，脉冲变压器第一组原边绕组另一端与固体开关S1的集电极连接，固体开关S1的发射极与储能电容C0的另一端连接；

反向充电电路由二极管D2、作为固体开关S2的IGBT管构成，脉冲变压器第二组原边绕组一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与储能电容C0、二极管D1的阳极之间连接，脉冲变压器第二组原边绕组另一端与固体开关S2的集电极连接，固体开关S2的发射极与储能电容C0、固体开关S1的发射极之间连接。

所述的用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：脉冲变压器的副边绕组两端分别通过导线连接有放电电极E，两导线之间连接有相互并联的高压陶瓷电容C1、C2、C3、Cd，其中高压陶瓷电容C1与高压陶瓷电容C2相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS1，高压陶瓷电容C2与高压陶瓷电容C3同样相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS2，高压陶瓷电容C3与高压陶瓷电容Cd同样相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS3，仅高压陶瓷电容Cd上并联有残余能量吸收电路。

所述的用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：所述残余能量吸收电路由电感L4和电阻R4串联构成。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明设计了一种可用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，可广泛应用于高压放电激励的激光器，特别是准分子激光器，可以有效吸收放电激励回路中的残余能量，避免形成二次放电，有效提高相关器件寿命。放电回路中的残余能量被收集到储能电容中，可以重新使用，大大提高电路的效率，降低系统的发热。本发明对提高系统可靠性、延长器件寿命以及节能减排有积极作用。

附图说明

图1为现有激励电路结构示意图。

图2为现有激励电路储能电容C0工作波形示意图。

图3为现有激励电路高压电容C1工作波形示意图。

图4为现有激励电路放电电容Cd工作波形示意图。

图5为本发明的激励电路结构示意图。

图6为本发明的激励电路储能电容C0工作波形示意图。

图7为本发明的激励电路高压电容C1工作波形示意图。

图8为本发明的激励电路放电电容Cd工作波形示意图。

具体实施方式

如图5所示，用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，包括具有两组原边绕组和一组副边绕组的脉冲变压器、设置在脉冲变压器原边侧的储能电容C0，脉冲变压器第一组原边绕组一端与一个二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与储能电容C0一端连接，脉冲变压器第一组原边绕组另一端与一个作为固体开关S1的IGBT管的集电极连接，固体开关S1的发射极与储能电容C0的另一端连接，脉冲变压器第二组原边绕组一端与一个二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与储能电容C0、二极管D1的阳极之间连接，脉冲变压器第二组原边绕组另一端与一个作为固体开关S2的IGBT管的集电极连接，固体开关S2的发射极与储能电容C0、固体开关S1的发射极之间连接；

脉冲变压器的副边绕组两端分别通过导线连接有放电电极E，两导线之间连接有相互并联的高压陶瓷电容C1、C2、C3、Cd，其中高压陶瓷电容C1与高压陶瓷电容C2相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS1，高压陶瓷电容C2与高压陶瓷电容C3同样相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS2，高压陶瓷电容C3与高压陶瓷电容Cd同样相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS3，高压陶瓷电容Cd上还并联有残余能量吸收电路，残余能量吸收电路由电感L4和电阻R4串联构成。

本发明电路如图5所示：储能电容C0通过前端充电电源充电到几百V到几千V，通过固体开关S1、二极管D1、连接脉冲变压器进行放电，D1是止回二极管。在C0两端，增加了由二极管D2、另一脉冲变压器绕组、开关S2构成的一组反向对C0充电电路。该反向充电电路只在反峰振荡传递到电容C1的时候才通过导通开关S2工作。开关S1导通时，S2处于断开状态，当开关S2导通时，S1处于断开状态。C0电压波形如图6所示，脉冲变压器一般变比为1:10~30，对电压进行提升。C1、C2、C3、Cd均为高压陶瓷电容，MS1、MS2、MS3为磁脉冲压缩开关。C0第一个充电波形如T0到T1所示，是从0V充电到要求电压V1，后续能量传递到电极两端形成放电过程与前述一般电路相同：如图5所示，C0能量转移到C1时间为4-8μs，在C0 能量转移到C1过程中，磁开关MS1处于关断状态，直到能量转移完成，C1电压达到最大值时，MS1正好饱和，由关断状态切换到导通状态，C1能量向C2转移，转移时间约为700ns-1.2μs。在C1 能量转移到C2过程中，磁开关MS2处于关断状态，直到能量转移完成，C2电压达到最大值时，MS2正好饱和，由关断状态切换到导通状态，C2能量向C3转移，转移时间约为120ns-200ns。在C2 能量转移到C3过程中，磁开关MS3处于关断状态，直到能量转移完成，C3电压达到最大值时，MS3正好饱和，由关断状态切换到导通状态，C3能量向Cd转移，转移时间约为70ns-150ns。Cd通过电极E对工作气体放电，通过放电激励从而形成激光。新发明电路不同的地方是，电容C1、C2、C3两端没有电感电阻吸收电路，仅在放电电容Cd两端添加了一路L4、R4组成的保护放电电路，用于出现异常时泄放高压电容内的能量。因此，电极E两端放电后形成的反峰残余振荡几乎不经衰减向C1传递，在残余能量到达C1时，开关S2导通，S2、D2构成的反向充电电路工作，当能量几乎全部转移到C0后，S2关断。此时，C0电压为V2，残余振荡的能量储存在C0中，因此不会在放电电极两端再次形成二次击穿。图7展示了电容C1的电压波形，T2到T3时刻的反峰已经变得非常小。图8为放电电容Cd的电压波形，由于反峰振荡能量传递回C0，因此不再形成二次振荡，T4时刻后电压为0。

如图6所示，C0上的电压V2由T3充电后保持到T4，下一脉冲工作时，前端电源对C0充电，C0从 T4时刻的V2充电到T5时刻的V1。在此充电过程中，充电电源提供的能量是0.5×C0×（V1×V1-V2×V2），相比典型电路每次充电能量0.5×C0×V1×V1，可以节约充电能量0.5×C0×V2×V2。经过实验测量，C0单脉冲储能约为5J，采用新发明激励回路，放电后残余能量重新充入C0约为0.5J，下一脉冲运行时，充电电源仅需对C0充电4.5J，因此可以节约能量约10%。以4000Hz光刻用准分子激光为例，若C0单次充电5J，则充电电源功率至少需要20kW，MOPA结构需要两路激励电路，那么充电电源需要翻番到40kW。若采用本发明激励电路，充电电源可以降低4kW，如果是6000Hz运行，则充电电源可以降低6kW，对充电电源和激励电路的热管理要求也会降低。

Claims (3)

1.用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：包括具有两组原边绕组和一组副边绕组的脉冲变压器、设置在脉冲变压器原边侧的储能电容C0，脉冲变压器两组原边绕组分别通过正向充电电路和反向充电电路与储能电容C0连接，脉冲变压器的副边绕组两端分别通过导线连接有放电电极E，两导线之间连接有多组相互并联的高压陶瓷电容，相邻高压陶瓷电容相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关，仅最后一组高压陶瓷电容上并联有残余能量吸收电路；

正向充电电路由二极管D1、作为固体开关S1的IGBT管构成，脉冲变压器第一组原边绕组一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极与储能电容C0一端连接，脉冲变压器第一组原边绕组另一端与固体开关S1的集电极连接，固体开关S1的发射极与储能电容C0的另一端连接；

反向充电电路由二极管D2、作为固体开关S2的IGBT管构成，脉冲变压器第二组原边绕组一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与储能电容C0、二极管D1的阳极之间连接，脉冲变压器第二组原边绕组另一端与固体开关S2的集电极连接，固体开关S2的发射极与储能电容C0、固体开关S1的发射极之间连接。

2.根据权利要求1所述的用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：脉冲变压器的副边绕组两端分别通过导线连接有放电电极E，两导线之间连接有相互并联的高压陶瓷电容C1、C2、C3、Cd，其中高压陶瓷电容C1与高压陶瓷电容C2相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS1，高压陶瓷电容C2与高压陶瓷电容C3同样相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS2，高压陶瓷电容C3与高压陶瓷电容Cd同样相同方向一端之间连接有磁脉冲压缩开关MS3，仅高压陶瓷电容Cd上并联有残余能量吸收电路。

3.根据权利要求1所述的用于高重复率准分子激光的无二次放电高效激励电路，其特征在于：所述残余能量吸收电路由电感L4和电阻R4串联构成。