ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР
EXCIMER LASER

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к компактным импульсно-периодическим электроразрядным эксимерным лазерам высокого давления с УФ предыонизацией, и может быть использовано для производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), для лазерной микрообработки материалов, отжига аморфного кремния (α-Si) при производстве плоских дисплеев, в оптической УФ и ВУФ литографии, для лазерной очистки поверхностей.
2
3
2
Известен эксимерный лазер с искровой УФ предыонизацией, содержащий компактный металлический корпус с системой формирования газового потока, на котором крепится диэлектрическая разрядная камера, изолирующая высоковольтный электрод от заземленного электрода и корпуса лазера [1]. С целью достижения высокого времени жизни газовой смеси в качестве материала диэлектрической камеры использована керамика (АlO), стойкая к воздействию интенсивного УФ излучения и высоко агрессивных компонент газовой смеси лазера, таких как F или НСl.
Хотя данная конструкция лазера обеспечила достижение как довольно высокой средней мощности лазерного УФ излучения (~300 Вт), так и высокой частоты повторения импульсов (>4000 Гц), он имеет ряд недостатков. Во-первых, поток газа резко меняет направление, проходя через разрядную камеру, что не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке и приводит к ограничению частоты повторения импульсов. Во-вторых, повышение средней мощности лазера наталкивается на ограничения по увеличению апертуры разряда из-за используемой искровой предыонизации и ограниченных размеров разрядной камеры.
Частично этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном диэлектрическом фланце металлического корпуса лазера, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом [2]. Данная конструкция позволяет 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 предыонизатора обуславливает применение сложного корпуса, поперечное сечение которого имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерного корпуса при его заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем диэлектрического фланца при его выполнении керамическим.
Также известен эксимерный лазер, содержащий протяженный корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, протяженные заземленный электрод и высоковольтный электрод, расположенный на обращенной внутрь корпуса поверхности протяженного керамического фланца, выполненного в виде плиты [3]. В специальных ячейках на наружной поверхности керамического фланца размещены конденсаторы, малоиндуктивно подключенные к электродам лазера. В лазере обеспечен равномерно распределенный между электродами высокоскоростной поток газа, что позволяет работать при высокой частоте следования импульсов. При небольших апертурах разряда и использовании искровой УФ предыонизации указанный лазер отличается компактностью и высокой эффективностью при большой частоте следования импульсов.
Однако конструкции корпуса и керамического фланца достаточно сложны и дороги. При этом затруднено повышение энергии генерации и средней мощности лазера, так как требуемое для этого увеличение габаритов корпуса и давления газа может приводить к разрушению керамического фланца. Это связано с большой (до 15 тонн) величиной силы, действующей на фланец при использовании в эксимерном лазере газовой смеси высокого (до 5 атм) давления. Для повышения надежности необходимо увеличивать толщину керамического фланца, что увеличивает индуктивность разрядного контура и уменьшает КПД лазера.
2
3
2
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является эксимерный лазер, содержащий протяженный керамический корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор и электроды [4]. Керамический корпус эксимерного лазера изготовлен в виде трубы, выполненной из керамики АО высокой (>95%) чистоты, и снабжен торцевыми фланцами с оптическими окнами для вывода лазерного излучения. В лазере реализуется возможность увеличения объема активной газовой среды при обеспечении высокого однородного уровня ее предыонизации, малой индуктивности разрядного контура и высокой скорости прокачки газа между электродами. В результате достигается возможность увеличения энергии генерации, средней мощности и КПД импульсно-периодического эксимерного лазера. Выполнение корпуса лазера керамическим определяет возможность достижения высокого времени жизни газовой смеси эксимерного лазера, содержащей такие агрессивные компоненты, как F или НСl.
2
3
2
Однако в настоящее время изготовление для корпусов лазеров высококачественных керамических (АlО) труб больших размеров (например, 0,45 м в диаметре и 1,4 м по длине) с высокими физико-химическими свойствами керамики, а также с необходимой точностью обработки, требуемыми для достижения максимально возможных значений энергии генерации, а также высоких значений частоты следования импульсов и средней мощности излучения эксимерного лазера, не реализовано и требует для своей реализации слишком больших вложений. Изготовление керамического корпуса необходимых размеров, позволяющего получить высокие выходные характеристики эксимерного лазера, возможно при склейке корпуса из нескольких модулей, однако при высоком (до 5 атм) давлении газовой смеси и наличии в ней высокоагрессивных газовых компонент F или НСl клееные швы разрушаются, существенно снижая ресурс работы лазера. Все это ограничивает возможности получения высоких выходных характеристик лазера в долговременном режиме.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и реализация возможности получения высоких значений энергии генерации, средней мощности и КПД импульсно-периодического эксимерного лазера в долговременном режиме.
Указанная задача может быть осуществлена усовершенствованием устройства, содержащего протяженный керамический корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор и электроды.
Усовершенствование устройства состоит в том, что керамический корпус выполнен из n (n≥2) цилиндрических модулей, герметично соединенных между собой с помощью уплотнителей в форме о-рингов, выполненных преимущественно из резины, стойкой к воздействию галогеносодержащих газов.
Отличие устройства также может состоять в том, что в области стыков цилиндрических модулей керамического корпуса лазера на наружной поверхности цилиндрических модулей размещено (n-1) пар скрепленных между собой фланцев, выполненных из диэлектрического материала, и между каждыми скрепленными между собой фланцами размещены уплотнители в форме о-рингов.
На фиг.1 схематично изображен эксимерный лазер с керамическим корпусом, выполненным из нескольких герметично соединенных цилиндрических модулей, на фиг.2 - эксимерный лазер с диэлектрическими фланцами, установленными на корпусе для герметизации стыков между керамическими модулями.
Эксимерный лазер содержит протяженный керамический корпус - 1, выполненный из двух или более, в данном случае, фиг.1, из трех цилиндрических модулей - 2, 2', 2", герметично соединенных между собой посредством уплотнителей - 3 в форме о-рингов, выполненных из резины, стойкой к воздействию галогеносодержащих газов, например из витона - фторированного каучука. Резиновый уплотнитель и участки стыков цилиндрических модулей - 2, 2', 2" могут иметь покрытие, выполненное, например, из неспеченого фторопласта (фум-ленты), также стойкого к воздействию агрессивных газов. На обоих торцах протяженного керамического корпуса - 1 герметично установлены металлические торцевые фланцы - 4, 5. Торцевые фланцы - 4, 5 обычно квадратной формы скреплены между собой с помощью специальной конструкции, которая в простейшем случае выполнена в виде четырех идентичных стержней - 6, соединенных с торцевыми фланцами - 4, 5. В керамическом корпусе - 1 размещены система формирования газового потока, включающая в себя диаметральный вентилятор-7, направляющие газового потока - 8, 9 и трубки теплообменника - 10. В корпусе лазера также размещены электроды - 11, 12, между которыми заключена активная среда лазера, и предыонизатор - 13. В случае, показанном на фиг.1, предыонизатор - 13 выполнен в виде системы формирования вспомогательного скользящего разряда по поверхности двух диэлектрических пластин, расположенных сбоку от одного из электродов. Снаружи корпуса - 1 размещены импульсно заряжаемые конденсаторы - 14 системы импульсного питания лазера, которые через токовводы - 15 и газопроницаемые токопроводы - 16, подсоединены к электродам - 11, 12 лазера. На торцевых фланцах - 4, 5 установлены оптические окна - 17, 18 для вывода лазерного излучения.
На фиг.2 показан эксимерный лазер, у которого на наружной поверхности цилиндрических модулей - 2 в области каждого стыка цилиндрических модулей - 2 керамического корпуса - 1 размещена пара скрепленных между собой фланцев - 19, 20, выполненных из механически прочного диэлектрического материала, например стеклотекстолита, и уплотнители в форме о-рингов - 3, размещены между каждыми скрепленными между собой диэлектрическими фланцами - 19, 20. На фиг.2 изображен вариант исполнения лазера, в котором предыонизатор - 13, выполненный в виде системы формирования завершенного скользящего разряда по поверхности диэлектрика (сапфира), размещен за частично прозрачным электродом - 12.
2
2
Эксимерный лазер работает следующим образом. Предварительно вакууммированый протяженный керамический корпус - 1, выполненный из двух или более цилиндрических модулей - 2, 2', 2", заполняется свежей смесью инертных газов с галогенами (F или НСl) до высокого (обычно от 2.5 до 5 атм) давления. Герметичность корпуса - 1 обеспечивается уплотнителями - 3 в форме о-рингов, выполненных из резины, стойкой к воздействию галогеносодержащих газов, герметизирующих стыки между цилиндрическими модулями - 2, 2', 2", а также торцевыми фланцами - 4, 5, герметично установленными на обоих торцах протяженного керамического корпуса - 1 и скрепленными между собой специальной конструкцией, например, включающей в себя четыре идентичных стержня - 6, которая также обеспечивает стяжку керамических модулей - 2, 2', 2" между собой. Как и в прототипе, наружная поверхность керамического корпуса, расположенная между торцевыми фланцами может иметь дополнительное покрытие, например из стеклопластика, повышающее механическую прочность корпуса при воздействии газа высокого давления. Система формирования газового потока, в который входит вентилятор - 7, направляющие газового потока - 8, 9 и трубки теплообменника - 10, создает поток газа между электродами - 11, 12 лазера. Направляющие газового потока - 8, 9 обеспечивают равномерное распределение скорости газа между электродами. Трубки теплообменника выравнивают температуру и, соответственно, плотность газа в активном объеме лазера между электродами - 11, 12, а также поддерживают оптимальные значения температуры газа в процессе работы лазера. Предыонизатор - 13 импульсно осуществляет предварительную ионизацию активного объема между электродами - 11, 12 лазера. При выполнении предыонизатора в виде системы формирования завершенного скользящего разряда осуществляется однородная по активному объему лазера предыонизация при ее оптимально высоком уровне, реализуемом за счет возможности регулировки энерговклада в завершенный скользящий разряд. Все это увеличивает эффективность лазера. Одновременно с предыонизацией осуществляется импульсная зарядка конденсаторов - 14, вслед за которой происходит зажигание объемного разряда между электродами- 11, 12. Энергия, запасенная в конденсаторах - 14 вкладывается в разряд. Энерговклад осуществляется по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему конденсаторы - 14, токовводы - 15, газопроницаемые токопроводы - 16 и электроды - 11, 12, что позволяет получить энергию генерации лазера, выводимую из активного объема в виде лазерного луча через одно из оптических окон - 17, 18, установленных на торцевых фланцах - 4, 5. После того как охлаждаемый трубками теплообменника - 10 газовый поток, циркулирующий в корпусе - 1, сменит газ между электродами, лазерный импульс повторяется. С течением времени, когда под действием ультрафиолетового излучения, плазмы разряда и поступления в газовую смесь продуктов эрозии электроразрядной системы концентрация галогенов в газовой смеси уменьшится в результате химических реакций, периодически производится ограниченное число инжекций галогенов (F или НСl). Затем цикл работы импульсно- периодического эксимерного лазера повторяется. Лазер предназначен преимущественно для получения мощности УФ излучения ≥500 Вт. При этом в зависимости от выбора конфигурации электродной системы и параметров системы импульсного питания частота повторения импульсов лазера может быть в диапазоне от 300 до 6000 Гц.
Выполнение корпуса из отдельных модулей позволяет увеличить размеры керамического корпуса лазера до оптимально больших размеров, необходимых для повышения частоты повторения лазерных импульсов, энергии и средней мощности лазерного УФ излучения. Выполнение модулей цилиндрическими упрощает технологию их изготовления и удешевляет лазер в целом, при этом реализуется возможность предложенной герметизации стыков между керамическими модулями о- рингами, что является апробированной и надежной технологией герметизации компонент корпуса высокоресурсного эксимерного лазера. Кроме этого, керамические модули, особенно их внутренняя поверхность, могут быть обработаны с гораздо большей точностью, чем цельный керамический корпус большой длины. Это упрощает конструкцию элементов электроразрядной системы, размещаемых в корпусе лазера, позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура. В целом, все это упрощает конструкцию и технологию изготовления лазера, позволяет повысить частоту следования импульсов, энергию генерации и среднюю мощность эксимерного лазера в долговременном режиме при высоком КПД.
При введении (n-1) пар скрепленных между собой фланцев - 19, 20 (фиг.2), расположенных в области стыков цилиндрических модулей - 2 на их наружной поверхности, герметичность стыков между цилиндрическими модулями - 2, 2', 2" обеспечивается с помощью уплотнителей - 3 в форме о-рингов, за счет их размещения между скрепленными фланцами - 19, 20. При этом устраняется необходимость сжатия в осевом направлении цилиндрических модулей друг с другом, снижаются механические нагрузки в области стыков керамических модулей, что повышает надежность и ресурс работы корпуса лазера при высоком давлении газа. Выполнение фланцев - 19, 20 из диэлектрического материала не нарушает высокую электрическую прочность корпуса лазера, требуемую для предотвращения паразитных пробоев при зажигании основного и вспомогательного разрядов. В случае, показанном на фиг.2, предварительная ионизация активного объема лазера осуществляется через высоковольтный электрод лазера - 12, рабочая поверхность которого выполнена тонкостенной с щелевыми окнами прозрачности. Осуществление предыонизации через частично прозрачный электрод (фиг.2) позволяет увеличить апертуру объемного разряда и максимально повысить энергию генерации лазера.
Количество n модулей, из которых выполнен керамический корпус лазера, целесообразно выбирать в диапазоне от [L/D] до [L/D]+1, где [L/D]- целая часть отношения длины корпуса лазера L к его диаметру D. При этом длина каждого керамического модуля лазера близка к его диаметру или не превосходит его по величине. Это упрощает технологию изготовления керамических модулей, повышает точность их изготовления и обработки, снижает их стоимость.
Таким образом, выполнение эксимерного лазера в предложенном виде позволяет упростить конструкцию корпуса лазера, удешевить его, повысить частоту следования импульсов, энергию генерации и среднюю мощность эксимерного лазера в долговременном режиме при высоком КПД.
Использованные источники информации
1. В.М.Борисов и др. Квантовая электроника, 22, №5, 446-450 (1995).
2. Laser Focus Word, 25, №10, 23 1989.
3. Патент РФ №2064720, кл. 6 Н01S 3/03, 06.10.92, 27.07.96. Бюл. №21.
4. Международный патент WO 2004/013940, кл. H01S 3/00, приоритет 28.07.2003.