CN210296850U - 准分子激光器的窗片更换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了准分子激光器的窗片更换装置，窗片更换装置包括结构相同的第一窗片更换装置和第二窗片更换装置，第一窗片更换装置包括第一固定装置、第二固定装置、隔离装置，第一固定装置一端与放电腔固定连接，另一端与第二固定装置连接，第一固定装置和第二固定装置之间设置窗片，第一固定装置内还设置光路通道，隔离装置可移动的设置在第一固定装置内，使隔离装置、窗片及第一固定装置之间形成第一密封腔，窗片更换装置还包括连接两端更换装置的管路系统。本实用新型的窗片更换装置仅需要对布儒斯特窗周围的很小体积进行清洗，清洗气体消耗极少，而且更换窗片后不需要对放电腔进行钝化，减少了时间和成本。

Description

准分子激光器的窗片更换装置

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，更具体而言，涉及一种准分子激光器的窗片更换装置。

背景技术

准分子激光器的激光波长短,对于材料不产生热效应，因此在工业加工领域有着广泛的应用。尤其在高端光刻领域，同时具备高重频、窄线宽和大能量的特点的准分子激光器，已经成为目前半导体光刻领域占绝对主导地位的光源。

目前，商用的主流准分子激光器为193nm的ArF准分子激光器和248nm 的KrF准分子激光器。这两种激光器的工作气体中均含有一定比例约为 0.1％的卤素气体F₂，F₂化学性质十分活泼，具有很强的氧化性，除全氟化合物外，可以与几乎所有有机物和无机物反应。氟是剧毒性气体，能刺激眼、皮肤、呼吸道粘膜。当氟浓度为5～10ppm时，对眼、鼻、咽喉等粘膜开始有刺激作用，作用时间长时也可引起肺水肿。与皮肤接触可引起毛发的燃烧，接触部位凝固性坏死、上皮组织碳化等，因吸入量不同，可以产生各种病症，例如厌食、恶心、腹痛、胃溃疡、抽筋出血甚至死亡。慢性接触可引起骨硬化症和韧带钙化。因此，作业人员严禁与F₂接触，最高允许的F₂浓度仅为0.1ppm(0.2mg/m3)。如图1所示，准分子激光器的工作气体存在于激光器的放电腔101内，两端通过布儒斯特窗102进行密封；目前商用准分子激光器布儒斯特窗的材质主要为CaF₂材料，正常情况下不会发生气体泄漏，因此作业人员不会与F₂进行接触，然而用于对激光器放电腔进行密封的布儒斯特窗，由于一直会承受高能量密度的激光轰击，随着工作脉冲数的增加其通光口径上会逐渐“雾化”，透过率逐渐降低，增加了腔内损耗，从而导致激光器输出能量的下降，甚至有些布儒斯特窗会存在热应力无法有效释放而导致炸裂的情况，因此为了保证激光器输出指标正常，必须对放电腔两端的布儒斯特窗进行定期更换。一般来说，布儒斯特窗的使用寿命为30B脉冲。更换布儒斯特窗时，需要将旧的布儒斯特窗拆掉，因此必然会破坏放电腔的密封，图2中301为处于密封状态的布儒斯特窗，图2中302为处于拆除状态的布儒斯特窗，当布儒斯特窗拆除后，当布儒斯特窗拆除后，激光器放电腔解除了密封状态，导致放电腔内部工作气体泄漏，操作人员会暴露在含F₂环境中，另外还会导致空气进入放电腔内，如图3所示，空气中的O₂、CO₂、N₂、H₂O(与F₂反应生成HF)等杂质会严重影响准分子激光器的输出能量，造成准分子激光器无法正常工作。

目前准分子激光器放电腔在更换布儒斯特窗时首先要对放电腔进行清洗，一般采用在放电腔内充入1到2Bar的He气然后对放电腔抽真空的方式，真空度一般要求200mbar左右，为了保证尽可能充分的对放电腔进行清洗，减少拆布窗时F₂泄露的浓度，一般会对放电腔进行几次甚至十几次的清洗，这个过程会消耗数小时的时间，另外反复的使用He进行清洗也会造成成本上的浪费，并且在更换布儒斯特窗时不可避免的会造成大量的空气进入放电腔的情况发生。需要强调的是，即使对放电腔进行清洗，依然不能将F₂完全清除，作业人员实验发现，对放电腔进行十次清洗后拆除布儒斯特窗，依然能闻到放电腔内工作气体中所含有的警示气体的刺鼻气味，这证明十次清洗后放电腔内依然有工作气体残余。综上，传统的更换布儒斯特窗工艺，不但会造成大量时间成本以及经济成本的浪费，作业过程中空气进入放电腔导致激光器无法正常工作，而且根本无法避免作业人员暴露在含F₂的环境中。为了使放电腔内进入空气的准分子激光器正常工作，必须进行长时间的放电腔钝化处理，该过程需要反复更换工作气体，一方面会造成大量的经济成本消耗，另一方面也需要浪费很长的时间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种准分子激光器的窗片更换装置，以解决传统更换装置在更换窗片时需要长时间对放电腔进行钝化处理，耗时耗成本的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了准分子激光器的窗片更换装置，包括两窗片更换装置及连接两窗片更换装置的管路系统，两窗片更换装置分别设置在所述准分子激光器的放电腔的两端，

所述窗片更换装置包括第一固定装置、第二固定装置、隔离装置，所述第一固定装置一端与放电腔固定连接，另一端与第二固定装置连接，所述第一固定装置和第二固定装置之间设置窗片，且窗片固定在第二固定装置上；所述第一固定装置内设置光路通道，所述光路通道由放电腔开口延伸至窗片；

所述隔离装置可移动的设置在第一固定装置内，用于阻隔光路通道，使所述隔离装置、窗片及第一固定装置之间形成第一密封腔，

所述管路系统包括连通放电腔两端第一密封腔的管路，和设置在所述管路上的第一控制阀和压力传感器，所述第一控制阀连接真空装置和/或清洗装置。

进一步的，所述隔离装置包括外壳、密封块、压缩装置，所述外壳为两端开口的筒体，所述筒体的一端与第一固定装置连接，另一端可供压缩装置沿其轴向运动，所述密封块一端与压缩装置连接，另一端伸入第一固定装置内。

进一步的，所述压缩装置包括支撑杆、压缩板、波纹管，所述压缩板设置在外壳内，可沿着外壳内壁移动，压缩板的一端与支撑杆连接，另一端与密封块连接，所述波纹管对称的设置在压缩板与第一固定装置之间。

进一步的，所述隔离装置还包括限位槽，所述限位槽设置在压缩板上，用于对支撑杆进行限位。

进一步的，所述第一固定装置分别与放电腔、窗片、密封块及波纹管之间通过密封圈连接。

进一步的，所述管路系统还包括第二控制阀，所述第二控制阀设置在所述第一密封腔和管路之间，用于控制所述第一密封腔和管路的通断。

进一步的，所述管路的材质为不锈钢。

本实用新型的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型提供的一种准分子激光器的窗片的更换装置，对准分子激光器窗片的安装结构进行了独特设计，使窗片能够与放电腔进行隔离密封，更换窗片时，仅需要对窗片周围的很小体积进行清洗，清洗过程耗时仅需几分钟，并且可以有效保证对很小体积内的工作气体清除干净，清洗过程对清洗气体消耗极少，几乎不会造成经济成本损失，并且可以支持使用空气进行清洗，那么就不会造成任何经济成本消耗，更重要的是，因为放电腔和窗片采用隔离密封，在更换过程中不会导致空气进入放电腔内，不会影响激光器的性能，因此更换窗片后的激光器可以无需钝化，直接投入使用，从而很大程度上避免了激光器放电腔钝化所造成的大量时间成本及经济成本的浪费。

附图说明

图1是传统准分子激光器放电腔结构示意图；

图2是传统准分子激光器更换窗片破坏放电腔密封示意图；

图3是杂质气体对准分子激光器输出能量的影响关系图；

图4是本实用新型实施例提供的准分子激光器的窗片更换装置的示意图。

图5是本实用新型实施例提供的准分子激光器的窗片更换装置的剖面图。

图6是本实用新型实施例提供的准分子激光器的窗片更换装置的密封块与放电腔连接后的剖面图；

图7是本实用新型实施例提供的准分子激光器的窗片更换装置的密封块与放电腔密封后的剖面图；

图8是本实用新型实施例提供的准分子激光器管路系统结构的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本实用新型的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本实用新型具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

请参阅图2-3，图2所示为传统准分子激光器更换窗片破坏放电腔密封示意图，图3所示为杂质气体对准分子激光器输出能量的影响关系图，因此，非常有必要提供一种准分子激光器的窗片更换装置，下面结合附图对本实用新型进行具体解释。

实施例：

本实用新型提供了一种准分子激光器的窗片更换装置,请参阅图4-7，包括两窗片更换装置及连接两窗片更换装置的管路系统，两窗片更换装置分别设置在所述准分子激光器的放电腔的两端，窗片更换装置包括第一固定装置605a、第二固定装置605b和隔离装置，

第一固定装置605a与放电腔609的开口连接，第二固定装置上设置窗片，具体为布儒斯特窗，布儒斯特窗与第一固定装置605a密封连接，

第一固定装置605a内设置光路通道，光路通道由放电腔开口延伸至布儒斯特窗，用于光路传输，

隔离装置可移动的设置在第一固定装置内，用于阻隔光路通道，实现放电腔609的封闭或开启，当隔离装置阻隔光路通道时，隔离装置、第一固定装置605a、布儒斯特窗之间形成第一密封腔。

具体的，隔离装置包括密封块604，密封块604设置在第二通道内，还包括外壳616、旋转手柄601、支撑杆610、压缩板617、波纹管603、限位槽602，

外壳616为两端开口的筒体，筒体的一个开口端与第一固定装置605a 固定连接，另一个开口端可供支撑杆610沿其轴向伸入，手柄601设置在支撑杆610上端，压缩板617设置在外壳616内，可沿着外壳616内壁做直线运动，压缩板617的一端与支撑杆610连接，另一端与密封块604连接，压缩板617与密封块连接的一端对称的设置两个波纹管603，波纹管603另一端抵在第一固定装置605a上，压缩板617与支撑杆610连接的一端设置限位槽602，限位槽602用于对支撑杆610进行限位。

波纹管603与第一固定装置605a之间通过密封圈606进行密封，第一固定装置605a与激光器放电腔609之间通过密封圈608进行密封，布儒斯特窗615与第一固定装置605a之间通过密封圈607进行密封，密封块604 与第一固定装置605a之间通过密封圈611进行密封，因此激光器的工作气体被密封不会泄露到空气中，密封圈606、607、608、611均会与激光器的工作气体接触，因此长期处于F₂环境中，其材质需要采耐氟橡胶材料，以减小密封圈对F₂的消耗。

管路系统，包括管路801、第一控制阀、压力传感器803、第二控制阀，具体的，第一控制阀为气动阀802，第二控制阀为手动阀804a,管路801 将气动阀802、压力传感器803和布儒斯特窗的更换装置连通，气动阀802 的另一个接口与真空泵和/或清洗装置连接，气动阀802用于控制管路801 的通断，压力传感器803用于显示管路801内的气压，在组成第一密封腔的第一固定装置605a上设置圆孔902a，圆孔902a与手动阀804a相通，手动阀804a与布儒斯特窗的更换装置连接，用于控制布儒斯特窗的更换装置与管路的通断。

本实用新型的管路系统结构，可实现以下功能：

功能1：拆掉布儒斯特窗前，对密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615三者之间形成的空间进行抽真空，排除有毒气体的实现方式：在图6中布儒斯特窗结构剖视图中密封块604与第一固定装置605a挤压接触在一起，使密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成一个密封腔，即第一密封腔。此时打开手动阀804a，使第一密封腔与管路系统连接。然后通过气动阀802连接的外部真空泵对第一密封腔进行抽真空，排除第一密封腔内的有毒气体。

功能2：拆掉布儒斯特窗615前对密封块604与布儒斯特窗固定结构 902行成的密封面进行密封性检测的实现方式：在图6布儒斯特窗结构剖视图中密封块604与第一固定装置605a挤压接触在一起，使密封块604 与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成一个密封腔，即第一密封腔。此时打开手动阀804a，使第一密封腔与管路系统连接。然后通过气动阀802连接的外部真空泵对第一密封腔进行抽真空。当压力传感器803压力读数接近真空约5mbar时，关闭气动阀802，使管路系统和第一密封腔共同形成一个密闭的接近真空的空间。这样在密封块604的两侧即密封块 604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成的密封腔和激光器放电腔609之间形成压力差。经过一段时间约5分钟后压力传感器803读数无变化，既激光器放电腔609内的高压气体没有泄露到密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成的密封腔内，也就是说更换布儒斯特窗615时，激光器放电腔609内的气体不会泄露到空气中。

功能3：在更换布儒斯特窗615后对布儒斯特窗615与第一固定装置 605a形成的密封面进行密封性检测方式：在更换好布儒斯特窗615后，打开气动阀802，通过与气动阀802连接的外部真空泵对图8中的管路系统和图6中密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成的密封腔进行抽真空，当压力传感器读数接近真空约5mbar时关闭气动阀802，使管路系统和该独立密封腔共同形成一个密闭的接近真空的空间。这样在布儒斯特窗615的两侧即密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615 之间形成的密闭空间和外部大气间形成压力差。经过一段时间约5分钟后压力传感器803读数无变化，既外部大气的高压空气没有泄露到密封块604 与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成低压的密闭空间内，初步确认布儒斯特窗615与激光器放电腔609密封完好。然后打开气动阀802 向密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成低压的密闭空间内注入高压气体He气约5bar，然后关闭气动阀802。静置一段时间后观察压力传感器803读数无变化，可进一步确认布儒斯特窗615与激光器放电腔609密封完好。此过程实际上是通过高气压(5bar)及低真空(5mbar) 保压无泄漏，确认布儒斯特窗615安装符合密封要求。

功能4：在更换布儒斯特窗615后对密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615形成的封闭空间抽真空，排除杂质气体方式：打开气动阀 802，通过与气动阀802连接的外部真空泵对图8中的管路系统和图6中密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成的密封腔进行抽真空，当压力传感器读数接近真空约5mbar，可认为密封块604与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成的密封腔内的杂质气体被排除干净，然后关闭手动阀804a。然后向上移动密封块604到最上方，此时密封块604 与第一固定装置605a、布儒斯特窗615之间形成的密封腔与激光器放电腔 609连通，光路也没有被阻挡，此次更换准分子激光器布儒斯特窗的过程完成。

采用本实用新型准分子激光器的窗片更换装置进行更换窗片的方法，包括步骤：

S1：分别推动与窗片更换装置对应的隔离装置向下运动，阻隔相应的光路通道，使所述两个隔离装置与相应的窗片及第一固定装置605a之间分别形成第一密封腔，

S2：气动阀802连接真空装置，通过管路对所述第一密封腔进行抽真空操作，当压力传感器803压力读数低于第一预设值时，关闭气动阀802，使管路系统和所述第一密封腔形成一个密闭真空，并检测密封性；

S3:气动阀802连接清洗装置，通过管路向所述第一密封腔中充入清洗气体，对第一密封腔进行清洗；

S4:更换新窗片，所述新窗片、隔离装置与第一固定装置形成新第一密封腔；

S5:通过管路向所述新第一密封腔中充入清洗气体，对新第一密封腔进行清洗；

S6：对所述新第一密封腔进行抽真空操作，当压力传感器803压力读数低于第二预设值时，关闭气动阀，使管路系统和所述新第一密封腔形成一个密闭真空，并检测密封性；

S7：向上移动密封块604，使所述新第一密封腔与放电腔609连通，光路畅通，窗片更换完成。

本实施例中的第一预设值和第二预设值均小于等于5mbar。

具体的，顺时针旋转手柄601，支撑杆610向下移动，推动波纹管603 向下压缩，波纹管带动密封块604向下移动，当密封块604与第一固定装置605a紧密接触后，通过密封圈611对激光器放电腔609进行密封，密封块604、波纹管603、第一固定装置605a均会与激光器的工作气体接触，因此长期处于F2环境中，其材质需要采用不锈钢材料并进行镀镍处理，以减小其对F2的消耗，其密封状态如图7所示。此时密封块604将激光器放电腔的工作气体进行密封，当需要更换布儒斯特窗615时，只需要对布儒斯特窗615与密封块604、第一固定装置605a之间的密封腔614内的工作气体清洗干净即可，该密封腔614的体积仅为2-3cm3，而准分子激光器放电腔内部空间的体积一般都为几十升，因此需要清洗的密封腔614的工作气体小于放电腔内气体总体积的万分之一，大大降低的清洗的时间成本以及清洗气体He的使用成本。

并且对如此小的空间进行清洗后，残余的F2含量微乎其微，因此拆除布儒斯特窗615后，密封腔614内的参残余气体泄漏到空气中也不会对操作人员造成伤害。此外，因为密封块604将激光器放电腔609与外界空气隔离，所以外界空气不可能进入到放电腔609内，激光器的性能不会受到空气中杂质成分的影响，当完成新的布儒斯特窗更换后，只需要再次对密封腔609内的空气进行简单的清洗并逆时针旋转可旋转手柄，升高密封块 604使之不阻碍光路即可，激光器便可以以最好的状态立刻投入使用，无需进行任何钝化流程，因此大大节约了钝化流程的时间成本及钝化气体消耗带来的经济损失。

本实用新型中的布儒斯特窗的材质为CaF2，通过机械结构安装固定实现激光器放电腔的密封，通过手柄的旋转推动密封块604前进或者后退，实现布儒斯特窗与激光器放电腔的隔离。当布儒斯特窗与激光器放电腔的隔离后，更换布儒斯特窗片时，激光器放电腔通过密封块604密封，激光器放电腔609内的含F2工作气体就不会泄漏到空气中，只需要对布儒斯特窗和密封块之间极小的区域进行清洗即可，从而非常有效的解决了更换布儒斯特窗时所面临的弊端。

综上，本专利所涉及的一种准分子激光器的窗片快速更换装置，对准分子激光器布儒斯特窗的安装结构进行了独特设计，使布儒斯特窗能够与放电腔进行隔离密封，更换布儒斯特窗时，仅需要打开手动阀，对布儒斯特窗周围的很小体积进行清洗，清洗过程耗时仅需几分钟，并且可以有效保证对很小体积内的工作气体清除干净，清洗过程对He消耗极少，几乎不会造成经济成本损失，并且可以支持使用空气进行清洗，那么就不会造成任何经济成本消耗，更重要的是，因为放电腔和布儒斯特窗采用隔离密封，在更换过程中不会导致空气进入放电腔内，因此更换布儒斯特窗后的激光器可以无需钝化，直接投入使用，从而很大程度上避免了激光器放电腔钝化所造成的大量时间成本及经济成本的浪费。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，包括两窗片更换装置及连接两窗片更换装置的管路系统，两窗片更换装置分别设置在所述准分子激光器的放电腔的两端，

所述窗片更换装置包括第一固定装置、第二固定装置、隔离装置，所述第一固定装置一端与放电腔固定连接，另一端与第二固定装置连接，所述第一固定装置和第二固定装置之间设置窗片，且窗片固定在第二固定装置上；所述第一固定装置内设置光路通道，所述光路通道由放电腔开口延伸至窗片；

所述隔离装置可移动的设置在第一固定装置内，用于阻隔光路通道，使所述隔离装置、窗片及第一固定装置之间形成第一密封腔；

所述管路系统包括连通放电腔两端第一密封腔的管路，和设置在所述管路上的第一控制阀和压力传感器，所述第一控制阀连接真空装置和/或清洗装置。

2.如权利要求1所述的准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，所述隔离装置包括外壳、密封块、压缩装置，所述外壳为两端开口的筒体，所述筒体的一端与第一固定装置连接，另一端可供压缩装置沿其轴向运动，所述密封块一端与压缩装置连接，另一端伸入第一固定装置内。

3.如权利要求2所述的准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，所述压缩装置包括支撑杆、压缩板、波纹管，所述压缩板设置在外壳内，可沿着外壳内壁移动，压缩板的一端与支撑杆连接，另一端与密封块连接，所述波纹管对称的设置在压缩板与第一固定装置之间。

4.如权利要求3所述的准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，所述隔离装置还包括限位槽，所述限位槽设置在压缩板上，用于对支撑杆进行限位。

5.如权利要求3所述的准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，所述第一固定装置分别与放电腔、窗片、密封块及波纹管之间通过密封圈连接。

6.如权利要求1所述的准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，所述管路系统还包括第二控制阀，所述第二控制阀设置在所述第一密封腔和管路之间，用于控制所述第一密封腔和管路的通断。

7.如权利要求1所述的准分子激光器的窗片更换装置，其特征在于，所述管路的材质为不锈钢。

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