CN112885699A - 一种激光维持用等离子体光源腔体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子体光源技术领域，尤其涉及一种激光维持用等离子体光源腔体，包括石英腔体、电极连接体、腔体内的填充气体；所述石英腔体包括封接区和球泡；所述封接区为与所述球泡的端部连通的管状体，所述球泡的内腔为电离腔；所述石英腔体中封装一个或多个用于等离子体触发的电极连接体，所述电极连接体包括导电柱、钼片、电极体，所述电极体的头端设置有电极头，所述电极头的头部呈锥形的尖端，所述电极体的尾端依次焊接钼片、导电柱，所述电极头位于球泡内部，所述钼片位于封接区的压封位置，所述导电柱位于石英腔体外部。可实现激光维持等离子体的触发和限制用于生成等离子体的气体，维持稳定的发光强度和光谱。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体光源技术领域，尤其涉及一种激光维持用等离子体光源腔体及其制备方法。
背景技术
随着半导体，特别是集成电路产业的不断发展，制造的器件尺寸也不断减小，相应的检测这些器件所需光源的要求也越来越高，特别要求光源发出的光具有从紫外到远红外(波长170nm～2300nm)的超高亮度、超宽光谱。目前，在大多数情况下，这种光源需要通过多个光源(如氘灯、汞灯、氙灯、卤钨灯等)的组合使用实现。由于所使用的光源多为气体放电光源，且各个规格灯的使用寿命不一，严重影响了检测效率和检测可靠性。
激光维持等离子体光源是一种可以满足半导体检测的新型超高亮度宽带光谱光源。激光维持等离子体光源的作用原理是通过将激光聚焦到充有气体(如氩气、氙气、汞蒸气等)的腔体内，将气体激发到能够发光的等离子体状态，从而产生高亮度宽带光谱光源。这种光源寿命长、可靠性高。一种典型的激光持续等离子体光源可以使用具有几十到几千瓦功率的红外激光光束来维持。给定的激光束聚焦到等离子体腔体中气体中，等离子体对激光功率的吸收产生并维持等离子体(10K-20K等离子体)。为了实现激光维持等离子体的触发和限制用于生成等离子体的气体，需要一个特定的腔体。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种激光维持用等离子体光源腔体及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种激光维持用等离子体光源腔体，包括石英腔体、电极连接体、腔体内的填充气体；所述石英腔体包括封接区和球泡；所述封接区为与所述球泡的端部连通的管状体，所述球泡的内腔为电离腔；所述石英腔体由在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％的玻璃材料形成，所述石英腔体中封装一个或多个用于等离子体触发的电极连接体，所述电极连接体包括导电柱、钼片、电极体，所述电极体的头端设置有电极头，所述电极头的头部呈锥形的尖端，所述电极体的尾端依次焊接钼片、导电柱，所述电极头位于球泡内部，所述钼片位于封接区的压封位置，所述导电柱位于石英腔体外部。可实现激光维持等离子体的触发和限制用于生成等离子体的气体。
优选的，所述球泡的端部连通一个封接区，所述封接区中封装一个用于等离子体触发的电极连接体；所述填充气体为金属蒸气、金属卤化物蒸汽、金属蒸气和/或金属卤化物蒸汽与可以吸收激光而产生等离子体的气体的混合气体的其中一种，填充气体的压力在3atm～20atm之间。当只有一个电极连接体时，填充气体需含有为金属蒸气或金属卤化物蒸汽。
优选的，所述封接区包括第一封接区和第二封接区，所述第一封接区和所述第二封接区分别与所述球泡两端的端部连通，所述第一封接区中封装有第一电极连接体，所述第二封接区中封装有第二电极连接体；所述填充气体为金属蒸气、金属卤化物蒸汽、可以吸收激光而产生等离子体的气体中的一种或几种混合，填充气体的压力在3atm～20atm之间。
优选的，所述第一电极连接体的第一电极体和所述第二电极连接体的第二电极体的轴线重合。
优选的，所述第一电极连接体的第一电极体和所述第二电极连接体的第二电极体的轴线夹角为α，α在0°～30°之间。这样第一电极头和第二电极头的尖端错开，可防止瞬时电弧过强，有利于在外部激光的激励下维持稳定的发光强度和光谱；同时减轻因瞬时电弧过强造成的电极蒸发现象，延长电极的寿命。
优选的，所述第一电极连接体的第一电极头和所述第二电极连接体的第二电极头尖端的间距为0.5mm～3mm。
优选的，所述球泡中部的壁厚大于端部的壁厚。可起到折射作用，帮助汇集激光束。
优选的，所述球泡的形状为球形、椭球形、圆柱形、正方形、长方形中的一种。
优选的，所述电极体的材料为纯钨、钍钨、镧钨、铈钨、钡钨、多种元素掺杂的复合钨材料、钼、镍中的一种。
一种激光维持用等离子体光源腔体的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％的石英玻璃材料，清洗、去除应力、在火焰下制备成包含球泡和封接区的形状，形成石英腔体；
S2、将电极体清洗、烧氢、除气处理，与钼片、导电柱依次进行焊接，形成电极连接体；
S3、将电极连接体置入石英腔体内对应的封接区中，使导电柱位于石英腔体外部，电极位于球泡内部，钼片位于封接区的压封位置；
S4、将电极连接体与石英腔体进行压封；
S5、将压封好的带有电极连接体的石英腔体排气、清洗、老练、充气、密封，形成封闭腔体，该封闭腔体即可用于激光维持等离子体光源的制备。
本发明的有益效果：
该腔体可实现激光维持等离子体的触发和限制用于生成等离子体的气体，球泡中部的壁厚大于端部的壁厚时，可起到折射作用，帮助汇集激光束；两个电极头的尖端错开时，可防止瞬时电弧过强，有利于在外部激光的激励下维持稳定的发光强度和光谱，同时减轻电极蒸发现象，延长电极的寿命。
附图说明
图1为本发明提出的一种激光维持用等离子体光源腔体的实施例一结构示意图；
图2为本发明提出的一种激光维持用等离子体光源腔体的实施例二结构示意图；
图3为本发明提出的一种激光维持用等离子体光源腔体的实施例三结构示意图。
图中：1-石英腔体、11-球泡、2-导电柱、3-电离腔、4-钼片、5-封接区、6-电极体、7-电极头、21-第一导电柱、22-第二导电柱、41-第一钼片、42-第二钼片、51-第一封接区、52-第二封接区、61-第一电极体、62-第二电极体、71-第一电极头、72-第二电极头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：参照图1，一种激光维持用等离子体光源腔体，包括石英腔体1、电极连接体、腔体内的填充气体。
石英腔体1由在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％的石英玻璃材料形成，包括封接区5和球泡11；封接区5为与球泡11的端部连通的管状体，球泡11可为球形、椭球形、圆柱形、正方形、长方形等适合激光泵浦等离子体的形状，球泡11的内腔为电离腔3。球泡11中部的壁厚可大于端部的壁厚，可起到折射作用，帮助汇集激光束。
在石英腔体1中封装一个用于等离子体触发的电极连接体，用于在给定的腔体中启动等离子体产生放电电弧或电晕放电。电极连接体包括导电柱2、钼片4、电极体6，电极体6可以是纯钨、钍钨、镧钨、铈钨、钡钨、多种元素掺杂的复合钨材料、钼、镍等适合作为电极的材料。电极体6的头端设置有电极头7，电极头7的头部呈锥形的尖端，便于获得更低的触发电压，电极体6的尾端依次焊接钼片4、导电柱2，电极头7位于球泡11内部，钼片4位于封接区5的压封位置，导电柱2位于石英腔体1外部，导电柱可以是钨、钼、镍、镍合金等材料，用于与外部电源连接。
填充气体为金属蒸气、金属卤化物蒸汽、金属蒸气和/或金属卤化物蒸汽与可以吸收激光而产生等离子体的气体的混合气体的其中一种，腔体内填充的气体压力在3atm～20atm之间。
腔体的制备方法如下：
S1、选取在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％石英玻璃材料，清洗、去除应力、在火焰下制备成包含球泡和封接区的特定形状，形成石英腔体；
S2、将电极体清洗、烧氢、除气处理，与钼片、导电柱依次进行焊接，形成电极连接体；
S3、将电极连接体置入石英腔体内，使导电柱位于石英腔体外部，电极位于球泡内部，钼片位于封接区的压封位置；
S4、将电极连接体与石英腔体进行压封；可以是采用压封设备进行的封接，也可以采用手工火焰等其它方式进行封接；
S5、将压封好的带有电极连接体的石英腔体排气、清洗、老练、充气、密封，形成封闭腔体，该封闭腔体即可用于激光维持等离子体光源的制备。
实施例二：参照图2，一种激光维持用等离子体光源腔体，包括石英腔体1、两个电极连接体、腔体内的填充气体。
石英腔体1由在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％的石英玻璃材料形成，包括第一封接区51、第二封接区52和球泡11；第一封接区51和第二封接区52均为管状体，分别与球泡11的两端端部连通，球泡11可为球形、椭球形、圆柱形、正方形、长方形等适合激光泵浦等离子体的形状，球泡11的内腔为电离腔3。球泡11中部的壁厚可大于端部的壁厚，可起到折射作用，帮助汇集激光束。
在石英腔体1中封装两个用于等离子体触发的电极连接体，分别置于第一封接区51和第二封接区52中，用于在给定的腔体中启动等离子体产生放电电弧或电晕放电。两个电极连接体同轴，第一电极连接体包括第一导电柱21、第一钼片41、第一电极体61，第一电极体61可以是纯钨、钍钨、镧钨、铈钨、钡钨、多种元素掺杂的复合钨材料、钼、镍等适合作为电极的材料。第一电极体61的头端设置有第一电极头71，第一电极头71的头部呈锥形的尖端，便于获得更低的触发电压，第一电极体61的尾端依次焊接第一钼片41、第一导电柱21，第一电极头71位于球泡11内部，第一钼片41位于第一封接区51的压封位置，第一导电柱21位于石英腔体1外部，导电柱可以是钨、钼、镍、镍合金等材料；第二电极连接体的结构与第一电极体相同，包括第二导电柱22、第二钼片42、第二电极体62，第二电极体62的头端设置有第二电极头72，第一电极体61和第二电极体62的轴线重合，第一电极头71和第二电极头72尖端的间距为0.5mm～3mm。
填充气体为金属蒸气、金属卤化物蒸汽、可以吸收激光而产生等离子体的气体中的一种或几种混合。
腔体的制备方法如下：
S1、选取在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％石英玻璃材料，清洗、去除应力、在火焰下制备成包含球泡和封接区的特定形状，形成石英腔体；
S2、将电极体清洗、烧氢、除气处理，与钼片、导电柱依次进行焊接，形成电极连接体；
S3、石英腔体两端的封接区内各放置一个或多个电极连接体，使导电柱位于石英腔体外部，电极位于球泡内部，钼片位于封接区的压封位置；
S4、将电极连接体与石英腔体进行压封；可以是采用压封设备进行的封接，也可以采用手工火焰等其它方式进行封接；
S5、将压封好的带有电极连接体的石英腔体排气、清洗、老练、充气、密封，形成封闭腔体，该封闭腔体即可用于激光维持等离子体光源的制备。
实施例三：参照图3，与实施例二不同的是，第一电极体61和第二电极体62轴线的夹角为α。α在0°～30°之间，根据产品需要确定。
这样第一电极头71和第二电极头72的尖端错开，可防止瞬时电弧过强，有利于在外部激光的激励下维持稳定的发光强度和光谱；同时减轻因瞬时电弧过强造成的电极蒸发现象，延长电极的寿命。
腔体的制备方法与实施例二相同。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，包括石英腔体(1)、电极连接体、腔体内的填充气体；
所述石英腔体(1)包括封接区(5)和球泡(11)；所述封接区(5)为与所述球泡(11)的端部连通的管状体，所述球泡(11)的内腔为电离腔(3)；
所述石英腔体(1)由在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％的玻璃材料形成，所述石英腔体(1)中封装一个或多个用于等离子体触发的电极连接体，所述电极连接体包括导电柱(2)、钼片(4)、电极体(6)，所述电极体(6)的头端设置有电极头(7)，所述电极头(7)的头部呈锥形的尖端，所述电极体(6)的尾端依次焊接钼片(4)、导电柱(2)，所述电极头(7)位于球泡(11)内部，所述钼片(4)位于封接区(5)的压封位置，所述导电柱(2)位于石英腔体(1)外部。
2.根据权利要求1所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述球泡(11)的端部连通一个封接区(5)，所述封接区(5)中封装一个用于等离子体触发的电极连接体；
所述填充气体为金属蒸气、金属卤化物蒸汽、金属蒸气和/或金属卤化物蒸汽与可以吸收激光而产生等离子体的气体的混合气体的其中一种，填充气体的压力在3atm～20atm之间。
3.根据权利要求1所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述封接区(5)包括第一封接区(51)和第二封接区(52)，所述第一封接区(51)和所述第二封接区(52)分别与所述球泡(11)两端的端部连通，所述第一封接区(51)中封装有第一电极连接体，所述第二封接区(52)中封装有第二电极连接体；
所述填充气体为金属蒸气、金属卤化物蒸汽、可以吸收激光而产生等离子体的气体中的一种或几种混合，填充气体的压力在3atm～20atm之间。
4.根据权利要求3所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述第一电极连接体的第一电极体(61)和所述第二电极连接体的第二电极体(62)的轴线重合。
5.根据权利要求3所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述第一电极连接体的第一电极体(61)和所述第二电极连接体的第二电极体(62)的轴线夹角为α，α在0°～30°之间。
6.根据权利要求4或5所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述第一电极连接体的第一电极头(71)和所述第二电极连接体的第二电极头(72)尖端的间距为0.5mm～3mm。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述球泡(11)中部的壁厚大于端部的壁厚。
8.根据权利要求1至5任一项所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述球泡(11)的形状为球形、椭球形、圆柱形、正方形、长方形中的一种。
9.根据权利要求1至5任一项所述的一种激光维持用等离子体光源腔体，其特征在于，所述电极体(6)的材料为纯钨、钍钨、镧钨、铈钨、钡钨、多种元素掺杂的复合钨材料、钼、镍中的一种。
10.一种激光维持用等离子体光源腔体的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1、选取在170nm～2300nm波长范围内透过率不小于70％的石英玻璃材料，清洗、去除应力、在火焰下制备成包含球泡和封接区的形状，形成石英腔体；
S2、将电极体清洗、烧氢、除气处理，与钼片、导电柱依次进行焊接，形成电极连接体；
S3、将电极连接体置入石英腔体内对应的封接区中，使导电柱位于石英腔体外部，电极位于球泡内部，钼片位于封接区的压封位置；
S4、将电极连接体与石英腔体进行压封；
S5、将压封好的带有电极连接体的石英腔体排气、清洗、老练、充气、密封，形成封闭腔体，该封闭腔体即可用于激光维持等离子体光源的制备。
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2021
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| US11923185B2 (en) | 2021-06-16 | 2024-03-05 | Kla Corporation | Method of fabricating a high-pressure laser-sustained-plasma lamp |
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