ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР
GAS-DISCHARGE LASER

Область техники.
Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности эксимерных лазеров.
Уровень техники
Эксимерные лазеры являются наиболее мощными источниками направленного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. В зависимости от состава газа эксимерные лазеры излучают на переходах различных молекул: ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeBr (282 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F2 (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с кпд около 3%, высокоэнергетичными, до ~1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и XeCl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ-лидары. ArF лазеры благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм. Для литографии применяются узкополосные ArF лазеры с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов.
В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и в конечном счете увеличение затрат на эксплуатацию лазера.
Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и снизить затраты на получение энергии генерации при различных сочетаниях энергии генерации и частоты повторения импульсов.
Из United States Patent 6782030 известен импульсно-периодический газоразрядный лазер с предыонизацией слаботочным коронным разрядом, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.
2
Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F или HCl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности существующих керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.
Этого недостатка лишен газоразрядный эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлического лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом, Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют увеличивать апертуру разряда и, соответственно, энергию генерации, и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.
Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского блока предыонизации обуславливает применение слишком сложной лазерной камеры, поперечное сечение которой имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерной камеры сложной формы при ее заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем керамического фланца.
Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактный лазера, аналогичных описанным в United States Patent 6,757,315, каждый из которых содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации.
Данное устройство обеспечивает параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ- излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за использования в каждом из ее лазеров предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных размеров керамической разрядной камеры, установленной на металлическом корпусе с системой циркуляции газа. Поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению дальнейшего повышения частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является газоразрядный, в частности эксимерный, лазер, известный из Патента РФ №2446530 от 28.01.2011, опубликованного 27.03.2012 RU БИМП №9.
Лазер включает в себя:
заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую главным образом из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации для предыонизации газа между первым и вторым электродами; систему циркуляции газа для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами; набор конденсаторов, подсоединенных к первому и второму электродам, импульсный источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера и генерации лазерного излучения, а также расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов.
В указанном устройстве контейнеры выполнены в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны плоскости, проходящей через оси электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока.
Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами, и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.
В прототипе ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению кпд лазера. Кроме этого, для зажигания вспомогательного разряда предыонизатора в металлическом лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров, расположенных заподлицо с первым электродом, не полностью удовлетворяет условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать кпд лазера при увеличении энергии генерации.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание мощных эксимерных лазеров, отличающихся простотой, малой стоимостью и технологичностью конструкции, обеспечивающей высокоскоростной поток газа между электродами при малой индуктивности разрядного контура.
Техническим результатом изобретения является улучшение конструкции металлокерамического лазера, увеличение энергии генерации, средней мощности излучения при высоком кпд лазера и, в целом, уменьшение затрат на получение энергии генерации.
Для решения указанных задач предлагается газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую главным образом из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, в которых размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и заземленные обратные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов.
Усовершенствование лазера состоит в том, что со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых включает в себя керамический изолятор,
внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров размещены соединенные с металлической стенкой лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы,
и импульсный источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через указанные высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы лазерной камеры, а также токовводы каждого контейнера.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, часть каждого протяженного керамического контейнера размещена сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока/спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизатора.
В лазере первый электрод и второй электрод могут быть выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации может быть установлен сбоку одного из двух указанных электродов.
В другом варианте реализации изобретения либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.
Предпочтительно, что блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.
В другом варианте реализации изобретения блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда.
Контейнеры могут иметь форму прямоугольной трубы.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.
Фиг.1 - поперечное сечение лазера с керамическими контейнерами, формирующими поток газа по обе стороны области разряда.
Фиг.2 - поперечное сечение широкоапертурного лазера с предыонизацией излучением скользящего разряда через частично прозрачный электрод.
Фиг.3 - поперечное сечение лазера с предыонизацией излучением коронного разряда.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.
Варианты осуществления изобретения.
В соответствии с изобретением газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, поперечное сечение которого схематично показано на фиг.1, включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру 1, состоящую главным образом из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, определяющие область разряда 4 между ними. Первый электрод 1 расположен со стороны внутренней поверхности лазерного камеры 1. В лазерной камере также размещен, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5 для предыонизации газа в области разряда 4. В варианте реализации лазера, показанном на фиг.1, два идентичных блока предыонизации 5 расположены сбоку от первого электрода 2 и выполнены в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической (сапфировой) пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, с поджигающим электродом 8, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 6. При этом электрод 7 блока предыонизации соединен с первым электродом 2 лазера. Для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 9, охлаждаемые водой трубки 10 теплообменника, систему направляющих лопастей 11 и спойлеров 12, 13 для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда. Также лазер содержит набор конденсаторов 14, подсоединенных к первому и второму электродам 2, 3, и импульсный источник питания 15, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера и генерации луча лазера с помощью резонатора (не показан). Вблизи первого электрода 2 расположены два протяженных керамических контейнера 16, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов 14. Конденсаторы подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные и заземленные токовводы 17, 18 каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3.
Со стороны первого электрода в металлической стенке 20 лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых включает в себя керамический изолятор 22. Внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров/контейнера размещены соединенные с металлической стенкой 20 лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы 23. Импульсный источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 14 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16.
На фиг.1 каждый керамический контейнер 16 имеет форму прямоугольной трубы. При этом части 24, 25 протяженных керамических контейнеров 16 размещены сбоку от области разряда 4, образуя расположенные вверх и вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока/спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4.
Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 14. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизатора 5 через вспомогательные токовводы 27 керамических контейнеров.
Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи металлической лазерной камеры 1. Осуществляется импульсная зарядка подключенных к первому и второму электродам 2, 3 конденсаторов 14, размещенных в керамических контейнерах 16 (фиг.1), а также вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16. Зарядка конденсаторов 14 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, изолированные от металлической стенки 20 керамическими изоляторами 22, герметичные токовводы 17, 18 керамических контейнеров 16 и протяженные соединенные с лазерной камерой 1 заземленные токопроводы 23, установленные внутри металлического лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 16. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26 по электрической цепи, включающей в себя разрядные промежутки между электродами 7, 8 блоков предыонизации 5 и вспомогательные токковводы 27 контейнеров 16. УФ-излучение вспомогательных разрядов по поверхности диэлектрика 6 осуществляет предыонизацию газа в области разряда 4. При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 26 во много раз меньше емкости конденсаторов 14, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд каждого блока предыонизации 5. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3 между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 14, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя распределенные по длине контейнеров 16 токовводы 17, 18 и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Когда охлаждаемый трубками теплообменника 10 высокоскоростной поток газа, обеспечиваемый диаметральным вентилятором 9 и направляющими газового потока, к которым относятся система лопастей 11, спойлеры 12, 13 и расположенные заподлицо с первым электродом части поверхности 24, 25 керамических контейнеров 16, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.
Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16 уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 14. Для обеспечения малой индуктивности контура зарядки конденсаторов 14 количество изолированных токовводов 21 в лазерной камере должно быть около 6 штук в расчете на 1 м длины электродов. По сравнению с прототипом увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение кпд лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального кпд лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком кпд лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 вспомогательных конденсаторов 26, подключенных к блоку предыонизатора 5, позволяет осуществлять высокоэффективную автоматическую УФ-предыонизацию, При этом упрощается схема импульсного источника питания 15 и устраняется необходимость специальных изолированных токовводов в лазерной камере для питания блока предыонизатора. Все это упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера.
Выполнение токовводов 21 лазерной камеры и токовводов 17, 18, 27 керамических контейнеров 16 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы.
Использование в высоковольтных токовводах 21 изоляторов 22, выполненных из керамики, обеспечивает большое время газовой смеси лазера.
Форма контейнеров 16 в виде прямоугольных труб позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить кпд лазера.
Применение для предыонизации УФ-излучения скользящего разряда в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) 6 позволяет реализовать в области разряда 4 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является несомненным достоинством предыонизации данного типа.
Увеличение апертуры разряда и повышение энергии генерации при высоком кпд лазера и снижении расхода газа достигается при использовании частично прозрачного электрода. В варианте изобретения, иллюстрируемом фиг.2, автоматическая предыонизация осуществляется высокоэффективным блоком предыонизатора 5, выполненным в виде компактной симметричной системы формирования скользящего разряда, через щелевые окна 33 тонкостенной рабочей части электрода. В остальном работа лазера не отличается от описанной ранее. Выполнение лазера в таком варианте, фиг.2, позволяет увеличить разрядный объем, повысить его энергию генерации и мощность лазера.
2
3
На фиг.3 блок предыонизатора 5 включает в себя расположенные по бокам первого электрода 2 две идентичные системы формирования протяженного коронного разряда, каждая из которых выполнена в виде диэлектрической трубки 29 из керамики AlO или сапфира, внутренняя поверхность которой совмещена с поверхностью размещенного в диэлектрической трубке внутреннего электрода 30, который с торца трубки электрически связан с противоположным вторым электродом 3 лазера (соединение для упрощения не показано). В варианте лазера, показанном на фиг.3, при подаче напряжения на первый электрод 2 автоматически осуществляется коронный разряд между электродом 2 и внутренним электродом 30 каждого блока предыонизатора 5 через диэлектрический барьер трубки 29. УФ-излучение коронных разрядов по бокам электрода 2 лазера осуществляет предыонизацию области разряда 4. Использование для предыонизации двух идентичных компактных систем формирования протяженного коронного разряда (фиг.3) позволяет упростить разрядную систему лазера и уменьшить индуктивность разрядного контура.
В соответствии с изобретением (фиг.1-3) два протяженных керамических контейнера 16 расположены по обе стороны от области разряда 4. В такой разрядной конфигурации, аналогичной реализуемой как в лазере, известном из US Patent 6757315, так и в лазерной системе VYPER, направление газового потока достаточно резко меняет направление, проходя через область разряда 4. Такая геометрия газового потока может быть достаточно эффективна, поскольку она легко устраняет нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода после прохождения потоком области разряда. Настоящее изобретение позволяет в более широких пределах оптимизировать геометрию газового потока по сравнению с указанным аналогом. Кроме этого, за счет размещения керамических контейнеров 16 по бокам области разряда 4 расположенные в них конденсаторы 14 могут быть максимально приближены к области разряда 4. При этом в предложенном изобретении стенка контейнера может быть тоньше, чем стенка разрядной камеры лазеров, известных из US Patent 6757315 и применяемых в мощной лазерной системе VYPER. Соответственно, индуктивность разрядного контура может быть уменьшена, что обеспечивает увеличение кпд лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации.
Предложенная конструкции лазеров отличается достаточной простотой и технологичностью, а также малой стоимостью, обеспечивает большое время жизни газовой смеси, высокоскоростной поток газа между электродами, малую индуктивность разрядного контура, возможность увеличении апертуры лазера и его мощности при высокой эффективности.
Выполнение газоразрядного, в частности эксимерного лазера в предложенном виде позволяет значительно увеличить энергию генерации, среднюю мощность излучения при высоком кпд лазера простой и надежной конструкции и, в целом, уменьшить эксплуатационные расходы при получении лазерного излучения.
Список обозначений
1 - лазерная камера
2 - первый электрод
3 - второй электрод
4 - область разряда
5 - блок предыонизации
6 - диэлектрическая пластина системы формирования скользящего разряда
7 - инициирующий электрод системы формирования скользящего разряда
8 - поджигающий электрод системы формирования скользящего разряда
9 - диаметральный вентилятор
10 - трубки теплообменника
11  - направляющие лопасти газового потока
12 - направляющие лопасти газового потока
13 - направляющие лопасти газового потока
14 - конденсаторы, расположенные в керамическом контейнере/контейнерах
15 - импульсный источник питания
16 - керамические контейнеры/ контейнер
17 - высоковольтные герметичные токовводы керамического контейнера
18 - заземленные герметичные токовводы керамического контейнера
19 - протяженные заземленные газопроницаемые обратные токопроводы
20 - металлическая стенка лазерной камеры
21 - герметичные высоковольтные токовводы лазерной камеры
22 - керамические изоляторы
23 - протяженные заземленные токопроводы, соединенные с лазерной камерой
24, 25 - части поверхности керамического контейнера, образующие направляющие газового потока вверх и вниз по потоку от первого электрода
26 - вспомогательные конденсаторы
27 - вспомогательные токовводы контейнера/дополнительного контейнера
28 - щелевые окна на рабочей поверхности частично прозрачного электрода
29 - диэлектрическая трубка системы формирования коронного разряда
30 - внутренний электрод системы формирования коронного разряда