ЭКСИМЕРНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
EXCIMER LASER SYSTEM AND METHOD OF GENERATING RADIATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Изобретение относится к мощным импульсно-периодическим эксимерным лазерам с поперечным возбуждением и УФ предыонизацией. Область применений включает лазерную микрообработку материалов, отжиг аморфного кремния (α-Si) при производстве плоских дисплеев, производство высокотемпературных сверхпроводников методом импульсной лазерной абляции, производство интегральных схем методом лазерной УФ и ВУФ литографии и др.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, включающий в себя два идентичных компактный лазерных модуля, 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 предыонизатор, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011. Способ генерации излучения предусматривает одновременную накачку двух идентичных лазерных модулей и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.
Данная конструкция обеспечивает параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений с уровнем энергии генерации 1 Дж/импульс при длине электродов около 1 м и мощностью лазерного УФ излучения 600 Вт с каждого лазерного модуля.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за используемой боковой предыонизации слаботочным барьерным разрядом и ограниченных размеров разрядной камеры лазерных модулей, а поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.
Частично этих недостатков лишены способ генерации излучения и устройство мощного компактного эксимерного XeCl лазера, в котором импульсно заряжаемые конденсаторы, подключенные к электродам, размещены на наружной поверхности протяженного диэлектрического фланца, установленного на компактном сварном металлическом корпусе, выполненном на основе алюминиевой трубы диаметром 420 мм, Борисов В.М., Христофоров О.Б. Мощные импульсно-периодические эксимерные лазеры. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том XI-4, стр.503-522 (2005). Способ генерации излучения включает в себя предыонизацию газа УФ излучением завершенного скользящего разряда через частично прозрачный электрод. При длине электродов лишь 0.8 м в вариантах устройства энергия генерации варьировалась от 4 до 2 Дж/импульс при стабилизированном уровне мощности лазерного УФ излучения 500 Вт. Для обеспечения высокого времени жизни газовой смеси лазера диэлектрический фланец выполняется керамическим и с целью предотвращения его хрупкого разрушения вводится присоединенная к нему дополнительная камера с электрически прочным газом для выравнивания внутреннего и наружного давлений на фланец.
Недостатком лазера и способа генерации излучения является то, что сварной фланец алюминиевого корпуса лазера, на который устанавливается керамический фланец лазера, деформируется при напуске в корпус лазера газовой смеси высокого, до 5 атм, давления. Все это обуславливает сложность конструкции корпуса и лазера в целом, его низкую надежность и сложность эксплуатации.
7
Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является эксимерная лазерная система, содержащая протяженный керамический корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, первый электрод, размещенный со стороны стенки корпуса, второй электрод, размещенные снаружи корпуса конденсаторы, подсоединенные к первому электроду через высоковольтные токовводы корпуса и подсоединенные ко второму электроду через заземленные токовводы корпуса и расположенные по обе стороны электродов протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы, и импульсный источник питания, выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам, Patent WO 2004/013940, Int. Cl H01S 3/00, 28.07.2003.
2
3
Керамический корпус эксимерного лазера изготовлен в виде трубы, выполненной из керамики AlO высокой (>95%) чистоты, и снабжен торцевыми фланцами с оптическими окнами для вывода лазерного излучения.
Способ генерации излучения посредством указанного устройства заключается в импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации лазерного излучения.
В прототипе в одном из вариантов реализации способа генерации излучения предыонизацию осуществляют через частично прозрачный электрод, что позволяет эффективно увеличивать энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения.
2
В указанном устройстве корпус лазера характеризуется высокой надежностью к воздействию механических нагрузок, обусловленных высоким давлением газа в лазере, и высоким временем жизни газовой смеси даже при наличии таких агрессивных компонент, как F или HCl. В лазере реализуется возможность увеличения объема активной газовой среды при обеспечении высокого однородного уровня ее предыонизации УФ излучением вспомогательного завершенного скользящего разряда. Лазер с керамическим корпусом также характеризуется малой индуктивностью разрядного контура и высокой скоростью прокачки газа между электродами. В результате достигаются высокие кпд и средняя мощность газоразрядного лазера при различных сочетаниях энергии генерации и частоты следования импульсов.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазера малоэффективно, поскольку требует увеличения межэлектродного расстояния и повышения разрядного напряжения, сопровождаемого необходимостью увеличения расстояния между высоковольтными и заземленными токовводами керамического корпуса лазера - для предотвращения паразитных пробоев, что ведет к увеличению индуктивности разрядного контура и падению кпд лазера.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание высокоэффективной двухмодульной лазерной системы, предпочтительно эксимерной, с более чем двукратным по отношению к одиночному модулю увеличением энергии генерации и средней мощности лазерного излучения.
Техническим результатом изобретения является увеличение энергии генерации и средней мощности излучения при повышении кпд лазерной системы и, в целом, снижение затрат на получение энергии генерации.
Указанные задачи могут быть осуществлены предлагаемой эксимерной лазерной системой, содержащей шасси, на котором размещены:
первый лазерный модуль, включающий в себя, протяженный керамический корпус, в котором расположены система формирования газового потока, предыонизатор, первый электрод, размещенный со стороны стенки корпуса, второй электрод, расположенные снаружи корпуса конденсаторы, подсоединенные к первому электроду через высоковольтные токовводы корпуса,
установленные в корпусе либо один, либо два протяженные керамические контейнеры, расположенные преимущественно с нерабочей стороны второго электрода так, что стенки каждого керамического контейнера, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области, дополнительные конденсаторы, размещенные в каждом керамическом контейнере, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через заземленные токовводы корпуса, протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы, расположенные по обе стороны электродов, токовводы каждого керамического контейнера, и дополнительные конденсаторы,
второй лазерный модуль, идентичный первому,
импульсный источник питания, выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам каждого лазерного модуля,
дополнительный источник питания с полярностью противоположной полярности источника питания, подключенный к дополнительным конденсаторам через торцы каждого керамического контейнера.
В варианте изобретения между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания введена линия задержки, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазерном модуле на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, и введена система оптической связи между лазерными модулями, обеспечивающая инжекцию внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазерного модуля во второй лазерный модуль.
Способ генерации излучения заключается в быстрой импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов, предыонизации газа и осуществлении разряда между первым и вторым электродами, и генерации лазерного излучения в каждом лазерном модуле,
при котором после зажигания разряда в первом лазерном модуле зажигают разряд во втором лазерном модуле с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, и с помощью системы оптической связи производят инжекцию во второй лазерный модуль внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазерного модуля, снижая порог генерации во втором лазерном модуле.
В варианте реализации способа генрации излучения предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого керамического контейнера каждого лазерного модуля производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, размещенных в керамических контейнерах, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают импульсный источник питания и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов и дополнительных конденсаторов осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы и дополнительные конденсаторы, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы.
Предложенная конструкция лазерной системы, в которой введен второй лазерный модуль, идентичный первому, позволяет удваивать энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при использовании высокоэффективных лазерных модулей простой и надежной конструкции.
Использование единого импульсного источника питания упрощает работу двухмодульной лазерной системы, автоматически обеспечивая их синхронную работу.
Установка в каждом лазерном модуле керамических контейнеров с размещенными в них дополнительными конденсаторами, к которым через торцы дополнительных контейнеров подключен дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания, позволяет увеличить энергию и мощность каждого лазерного модуля при снижении амплитуды напряжения на электродах, что позволяет увеличить энергию генерации и мощность лазерной системы при высоком кпд лазера и упрощает эксплуатацию лазерной системы.
Введение между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания линии задержки, обеспечивающей задержку зажигания разряда во втором лазерном модуле на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, позволяет с помощью системы оптической связи между лазерными модулями обеспечить инжекцию внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую (например, <4%) часть излучения первого лазерного модуля во второй лазерный модуль, и снизить порог генерации во втором лазерном модуле. Это позволяет увеличить энергию генерации во втором лазерном модуле на ~30%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.
На фиг.1 показано поперечное сечение двухмодульной лазерной системы.
На фиг.2 показана лазерная система с дополнительным источником питания.
На фиг.3 схематично показан вид сверху устройства с системой оптической связи между лазерными модулями
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное описание служит для иллюстрации вариантов осуществления изобретения, но не объемов его реализации.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения (фиг.1) лазерная система содержит шасси 1, на котором размещены: первый лазерный модуль 2 и второй лазерный модуль 3, идентичный первому лазерному модулю. Каждый лазерный модуль включает в себя керамический корпус 4, выполненный на основе керамической трубы, в котором размещены протяженные: система формирования газового потока, состоящая из вентилятора 5, направляющих газового потока 6 и трубок теплообменника 7, предыонизатор 8, первый электрод 9, расположенный со стороны стенки корпуса, второй электрод 10, размещенные снаружи корпуса конденсаторы 11, подсоединенные к первому электроду 9 через высоковольтные токовводы 12 корпуса и подсоединенные ко второму электроду 10 через заземленные токовводы 13 корпуса и расположенные по обе стороны электродов протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы 14. На шасси 1 также размещен импульсный источник питания 15. Импульсный источник питания 15 включает в себя систему компрессии импульсов накачки лазерных модулей, содержащую два магнитных ключа, выводы которых совмещены с высоковольтными выводами 16a, 16b источника питания 15. Высоковольтные выводы 16a, 16b и заземленные выводы источника питания 15 малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 11 каждого лазерного модуля 2, 3.
На фиг. 1 как вариант исполнения протяженный предыонизатор 8 выполнен в виде компактной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической пластины, преимущественно сапфировой, и установлен с тыльной стороны первого электрода 9, выполненного частично прозрачным за счет щелевых окон на его рабочей поверхности, перпендикулярных продольной оси электрода. Для осуществления автоматической предыонизации снаружи корпуса 4 каждого лазерного модуля размещены вспомогательные конденсаторы 17, электрически связанные через вспомогательные токовводы 18 корпуса 4 с предыонизатором 8. При этом емкость и объем вспомогательных конденсаторов 17 многократно (в 5-10 раз) меньше емкости и объема конденсаторов 11.
Между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания может быть введена линия задержки 19 (фиг.1), совмещенная с магнитным ключом на высоковольтном выводе 16b второго лазерного модуля 3.
В варианте устройства (фиг.2) в корпусе 4 каждого лазерного модуля 2, 3 установлены либо один, либо два протяженных керамических контейнера 20, размещенных преимущественно с нерабочей стороны второго электрода 10 так, что стенки каждого керамического контейнера 20, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами. В каждом керамическом контейнере 20 размещены дополнительные конденсаторы 21, при этом конденсаторы 11 подключены ко второму электроду 10 через заземленные токовводы 13 корпуса, газопроницаемые токопроводы 14, токовводы 22, 23 каждого керамического контейнера 20 и дополнительные конденсаторы 21. При этом лазерная система содержит дополнительный источник питания 24, полярность которого противоположна полярности источника питания 15, и дополнительный источник питания 24 подключен к дополнительным конденсаторам 21 каждого лазерного модуля через торцы каждого дополнительного контейнера 20.
В лазерной системе (фиг.1, 2) между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания предпочтительно введена линия задержки 19, обеспечивающая задержку импульса зарядки конденсаторов 11 второго лазерного модуля 3 и задержку зажигания разряда в нем на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле 2. Линия задержки 19 может быть совмещена с магнитным ключом на высоковольтном выводе 16b второго лазерного модуля 3. При этом введена система оптической связи 25 (фиг.3) между лазерными модулями 2, 3, обеспечивающая инжекцию во второй лазерный модуль внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую, например ≈4%, часть излучения первого лазерного модуля. В качестве варианта реализации система оптической связи 20 между лазерными модулями 2, 3, размещенная либо внутри, либо снаружи (фиг.3) зеркал 26, 27 резонатора каждого лазерного модуля, может включать в себя пластины 28a, 28b, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и зеркала 29a, 29b, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерными модулями 2, 3. Совмещение двух параллельных лазерных лучей осуществляется вне шасси 1 лазерной системы в оптическом модуле 30.
Работа лазерной системы (фиг.1) осуществляется следующим образом. Включают установленный на шасси 1 импульсный источник питания 14, высоковольтные выводы 15a, 15b и заземленные выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 11 каждого лазерного модуля 2, 3. После автоматического включения магнитных ключей 16a, 16b на высоковольтных выводах источника питания 15 в каждом лазерном модуле осуществляют предыонизацию газа со стороны первого электрода 9, производя зарядку вспомогательных конденсаторов 17 через разрядный промежуток предыонизатора 8, выполненного, например, в виде компактной системы формирования скользящего разряда, расположенной за частично прозрачным электродом 9. Уровень предыонизации выбирают оптимальным за счет регулируемого энерговклада в скользящий разряд. Ток вспомогательного относительно низкоэнергетичного разряда предыонизатора 8 протекает по разрядной цепи, включающей в себя токовводы 12, 18 корпуса 4, первый электрод 9, разрядный промежуток предыонизатора 8, и вспомогательные конденсаторы 17, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 11. Одновременно в каждом лазерном модуле осуществляют импульсную зарядку конденсаторов 11. После момента окончания зарядки конденсаторов 11 и одновременного достижения пробивного напряжения между электродами 9, 10 между ними осуществляют разряд по малоиндуктивному контуру, включающему в себя конденсаторы 11, токовводы 12, 13 корпуса 4 и заземленные протяженные газопроницаемые токопроводы 14, что позволяет получить генерацию в первом и втором лазерных модулях 2, 3.
После того, как система формирования газового потока, в которую входит диаметральный вентилятор 5, направляющие газового потока 6 и трубки теплообменника 7, сменит газ между электродами 9, 10 каждого лазерного модуля, цикл работы лазерной системы повторяют.
Способ генерации излучения посредством эксимерной лазерной системы (фиг.2) реализуют следующим образом. Предварительно включают дополнительный источник питания 24 и с торцов каждого керамического контейнера 20 каждого лазерного модуля 2, 3 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 21, размещенных в керамических контейнерах 20. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 21 и конденсаторов 11, включают импульсный источник питания 15 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 11 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 21. После момента одновременного окончания зарядки конденсаторов 11 и дополнительных конденсаторов 21 в каждом лазерном модуле 2, 3 осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами 9, 10 противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 11 и дополнительные конденсаторы 21, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы 14. В результате получают генерацию лазерного излучения в каждом лазерном модуле.
В варианте реализации способа генерации излучения посредством лазерной системы (фиг.1, 2) за счет линии задержки 19, введенной между конденсаторами 11 второго лазерного модуля 3 и источником питания 15, разряд во втором лазерном модуле 3 зажигают с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле 2. С помощью системы оптической связи 25 (фиг.3) производят инжекцию во второй лазерный модуль 3 внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть лазерного излучения первого лазерного модуля, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 26, 27, снижая порог генерации во втором лазерном модуле 3. Инжекцию внешнего сигнала во второй лазерный модуль осуществляют, например, с помощью системы оптической связи, включающей в себя пластины 28a, 28b, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и зеркала 29a, 29b, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерными модулями 2, 3. Совмещение двух параллельных лазерных лучей осуществляют вне шасси 1 лазерной системы в оптическом модуле 30.
При функционировании предложенным способом снижается порог генерации во втором лазерном модуле за счет инжекции сразу после зажигания в нем разряда внешнего оптического сигнала. Это может увеличивать энергию генерации во втором лазерном модуле более чем на 30%. С другой стороны, инжекция внешнего оптического сигнала из второго лазерного модуля в первый лазерный модуль увеличивает часть энергии генерации первого лазерного модуля на завершающем этапе разряда. Таким образом, в лазерной системе с простыми по конструкции лазерными модулями достигается более чем двукратное по сравнению с одномодульной лазерной системой увеличение энергии генерации.
Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют увеличить энергию генерации и среднюю мощность излучения при повышении кпд лазерной системы и, в целом, снизить затраты на получение энергии генерации.