一种气体光隔离装置及其方法与流程

1.本发明涉及光学领域，特别涉及一种气体光隔离装置及其方法。


背景技术：

2.基于激光激发等离子体(laser produced plasma，lpp)技术的13.5nm极紫外(extreme ultraviolet，euv)光刻机，相比于上一代193nm的深紫外准分子光刻机具有更高的光刻分辨率，是新一代大规模集成电路制造的核心设备。由于芯片加工行业对产能提升的迫切需求，对lpp-euv系统中的高重频、短脉冲co2激光输出功率和稳定性提出越来越高的要求。
3.高重频、短脉冲、高功率的co2激光在现阶段无法由单台激光器直接产生，主要采用主控振荡器的功率放大器(master oscillator power-amplifier，mopa)的技术途径，即高重频、短脉冲的种子激光经多级co2激光放大器功率放大获得高功率激光。对多级放大系统，自发辐射光放大、光路中各类光学器件的后向反射与散射、漏光等原因产生的噪声光将严重影响mopa系统的稳定性，必须使用对应措施对噪声光进行隔离。法拉第隔离器具有插入损耗小、隔离度高等优势，是可见光和近红外波段常用的隔离器件，但在长波(10.6um)红外波段受磁光材料性能的限制，目前尚没有成熟的适用于大功率mopa系统的长波法拉第隔离器。
4.在长波红外co2激光mopa系统中，为了保证主振荡激光器和放大器的稳定工作，必须采用级间隔离器消除或抑制mopa系统中的放大自发辐射(ase)、光学元件的后向反射等因素产生的噪声光。sf6气体是一种常用的长波激光吸收气体，sf6气体隔离器具有较高的损伤阈值，但长时间运转或应用于大功率mopa系统中时，存在气体温度上升的问题。气体温度偏离最佳工作温度时，各振动能级粒子寿命改变，稳态时的各能级粒子数密度也相应发生变化，产生吸收系数降低等一系列问题，导致隔离器的隔离度降低，最终影响sf6隔离的正常使用。


技术实现要素：

5.本发明的一方面提供一种气体光隔离装置，其中，包括用于为气体提供工作空间的吸收池、设置在所述吸收池两侧的用于通光的窗口镜、与所述吸收池连通的循环气路管道、与所述循环气路管道连通用于为所述目标气体提供循环动力的风机、与所述循环气路管道连通用于对所述目标气体进行温度控制的换热组件、与所述循环气路管道连通的用于对所述循环气路管道进行抽真空的抽气口、与所述循环气路管道连通用于提供所述目标气体的充气口、用于监测所述循环气路管道内气体状态和所述换热组件数据的监测组件、与所述监测组件电连接用于进行电气控制的控制组件。
6.作为一种可选的方案，所述吸收池采用具有中空的正方体结构，在所述正方体结构的其中两个相对面上对称设置两个窗口镜，在所述两个窗口镜垂直的面上分别设置进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别与所述循环气路管道连通。
7.作为一种可选的方案，所述进气口和所述出气口对称设置在所述吸收池上。
8.作为一种可选的方案，所述窗口镜为镀增透膜的znse窗口镜。
9.作为一种可选的方案，所述换热组件包括至少一个换热器、与所述换热器连通的循环水路、以及所述循环水路连通用于提供循环动力的水冷机，所述水冷机与所述控制组件电连接，所述换热器与所述风机的进气侧或出气侧连通。
10.作为一种可选的方案，所述换热组件具有两个换热器，所述两个换热器分别与所述风机的进气侧和出气侧连通。
11.作为一种可选的方案，包括与所述抽气口连通的抽真空组件和与所述充气口连通的储气组件，所述抽真空组件包括真空泵和第一阀门，所述第一阀门分别与所述抽气口和所述真空泵连通，所述储气组件包括储气罐和第二阀门，所述第二阀门分别与所述充气口和所述储气罐连通。
12.作为一种可选的方案，所述目标气体为sf6气体或含sf6的混合气体。
13.作为一种可选的方案，所述监测组件包括风速计、气体温度传感器、水流量计以及水温传感器，当水温高于第一目标温度阈值且气体温度正常时，控制组所述换热组件增大换热流量，当水温正常且气体温度高于第二目标温度阈值时，所述控制组件控制所述风机增大气体流量，当所述气温高于第二目标温度阈值且所述水温高于第一目标温度阈值时，所述控制组件控制所述风机和所述散热组件同步增大流量。
14.本发明的另一方面提供一种气体光隔离方法，其中，应用于上述的气体光隔离装置。
15.本发明实施例中提供了一种气体光隔离装置，其中，包括用于为目标气体提供工作空间的吸收池、设置在吸收池两侧的用于通光的窗口镜、与吸收池连通的循环气路管道、与循环气路管道连通用于为目标气体提供循环动力的风机、与循环气路管道连通用于对目标气体进行温度控制的换热组件、与循环气路管道连通的用于对循环气路管道进行抽真空的抽气口、与循环气路管道连通用于提供目标气体的充气口、用于监测循环气路管道内气体状态和换热组件数据的监测组件、与监测组件电连接用于进行电气控制的控制组件，整个装置可以用于长波红外噪声光隔离场景，具有热稳定性好、损伤阈值高、长时间工作性能好、更适用于高功率激光系统的优点，且可以通过调整吸收气体和缓冲气体适用于不同体制mopa系统，采用被动隔离方式，不需要复杂的光学调制元件和控制系统。
附图说明
16.图1是本发明实施例中提供的一种气体光隔离装置的结构示意图；
17.图2是本发明实施例中提供的一种气体光隔离装置中sf6分子基态吸收能级结构示意图；
18.图3是本发明实施例中提供的一种气体光隔离装置的工作流程示意图；
19.图4是本发明实施例中提供的一种气体光隔离装置中控制流程示意图图。
20.附图标记：循环气路管道1，吸收池2，窗口镜3，出射激光4，监测组件5，控制组件6，第一阀门7，真空泵8，入射激光9，第一换热器10，循环水路11，水冷机12，风机13，第二换热器14，第二阀门15，储气罐16
具体实施方式
21.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
22.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
23.结合图1所示，本发明实施例中提供了一种气体光隔离装置，其中，包括用于为目标气体提供工作空间的吸收池2、设置在吸收池2两侧的用于通光的窗口镜3、与吸收池2连通的循环气路管道1、与循环气路管道1连通用于为目标气体提供循环动力的风机13、与循环气路管道1连通用于对目标气体进行温度控制的换热组件、与循环气路管道1连通的用于对循环气路管道1进行抽真空的抽气口、与循环气路管道1连通用于提供目标气体的充气口、用于监测循环气路管道1内气体状态和换热组件数据的监测组件5、与监测组件5电连接用于进行电气控制的控制组件6，整个装置构成可以进行气体循环的密闭气路，整个装置工作之前，通过抽气口将循环气路管道1和吸收池2中抽成真空状态，整个气路进入真空状态后通过充气口为气路补充目标气体。吸收池2内填充目标气体，起到吸收、抑制小信号噪声光的作用，风机13是整个装置气路的动力系统，使得整个气路内的目标气体稳定流动，以更新和降低漂白和温升后目标气体温度。监测组件5起到监测目标气体状态的作用，在装置运转前测量目标气体压力和配比，在装置运转后测量气体流速、温度等参数，为评估隔离性能提供依据。
24.可选地，循环气路管道1可以是金属等材质的固体管路或波纹管，为目标气体的流动提供管道约束，循环气路管道1的内壁的结构设计应保证目标气体流动的均匀性和稳定性，如不出现明显突起或者收窄等结构，本领域普通技术人员应当了解，此处不做限定。
25.一种实施例中，吸收池2采用具有中空的正方体结构，在所述正方体结构的其中两个相对面上对称设置两个窗口镜3，在所述两个窗口镜3垂直的面上分别设置进气口和出气口，进气口和出气口分别与循环气路管道1连通，进一步地，进气口和出气口可以对称设置在所述吸收池2上，这样当光源通过窗口镜3进入吸收池2后可以同目标气体的流通方向保持垂直，可以在一定程度上增强目标气体的吸收效果。
26.可选地，窗口镜3可以为目标气体提供气密环境，保障入射激光9以低损耗状态通过，入射激光9经过吸收池后滤除小信号噪声光后输出出射激光4，出射激光4通过另一侧窗口镜通过，以10.6μm应用环境为例，可以是窗口镜3可以选用镀增透膜的znse窗口镜，镀增透膜可以提高通光效率，znse硒化锌硒化锌(znse)是一种化学惰性材料,该材料在0.5～22μm范围具有良好的透射性能,并且具有光传输损耗小、纯度高、环境适应力强、易加工、折射
率均匀和一致性较好等特点。可以理解的是，对于窗口镜3的材质可以根据不同使用环境灵活选择，对此不做限定。
27.在本实施例中，换热组件包括至少一个换热器、与换热器连通的循环水路11、以及循环水路11连通用于提供循环动力的水冷机12，水冷机12包括压缩机和水泵，冷却介质采用水，当然也可以根据需求选用其他冷却介质，对此不做限定，水冷机12与控制组件6电连接，换热器与风机13的进气侧或出气侧连通，当监测到水温高于第一目标温度阈值时候控制组件6则会控制水冷机12增大水流量已达到降低水温的目的。
28.进一步地，换热组件具有两个换热器，具体为第一换热器10和第二换热器14，所述两个换热器分别与所述风机13的进气侧和出气侧连通。具体地，第一换热器10与风机13的出气侧连通，第二换热器14与风机13的进气侧连通，用水路对升温后的目标气体进行降温，同时起到目标气体整流的作用，保障循环气体温度。
29.本实施例中提到风机13，可以是罗茨风机或涡轮风机等，为目标气体的循环流动提供动力，可以根据需要进行选择，对此不做限定。
30.作为一种优选的方案，气体光隔离装置还包括用来补气的储气组件和用来抽真空的抽真空组件，前面提到在装置使用之前需要对循环气路管道1进行抽真空，抽真空组件通过抽气口与循环气路管道1连通，抽真空组件包括真空泵8和第一阀门7，第一阀门7分别与抽气口和所述真空泵8连通，在需要进行抽真空时，第一阀门7开启，真空泵8启动，在循环气路管道1和吸收池2进入真空状态后关闭第一阀门7和真空泵8，完成抽真空操作。在完成抽真空操作后需要对循环气路管道1和吸收池2进行补充目标气体，储气组件通过充气口与循环气路管道1连通，储气组件包括储气罐16和第二阀门15，第二阀门15分别与充气口和储气罐16连通，在补气时，第二阀门15开启，储气罐16对循环气路管道1进行充气，当循环气路管道1和吸收池2充气完成后关闭第二阀门15即可，本实施例中，第一阀门7和第二阀门15可以采用电磁阀也可以手动控制的机械式真空针阀，对此不做限定。
31.本发明方案中提到的目标气体即用来对光进行隔离使用，可以根据需要选择，本实施例中该目标气体为六氟化硫sf6气体或含sf6的混合气体，需要说明的是，运用本发明的方案，通过更换目标气体或添加其它缓冲气体，可用于其它波段的光隔离装置，缓冲气体例如：n2、he、kr、ar、co2等气体，用于长波激光9-11μm时目标气体也可以是热co2气体；用于较短波长时如200nm左右时可利用芳香族化合物，如248nm的吖啶、硝基苯等；乙炔气体用于1.5μm等，可以根据需要进行选择，此处不做赘述。
32.进一步地，监测组件5包括风速计、气体温度传感器、水流量计以及水温传感器，当水温高于第一目标温度阈值且气体温度正常时，控制组所述换热组件增大换热流量，当水温正常且气体温度高于第二目标温度阈值时，所述控制组件6控制所述风机13增大气体流量，当所述气温高于第二目标温度阈值且所述水温高于第一目标温度阈值时，所述控制组件6控制所述风机13和所述散热组件同步增大流量。
33.需要说明的是，监测组件5还可以压力变送器、真空规管、温度变送器、风速测量仪或流量计等，用于监测目标气体状态，评估本装置的工作状态和隔离性能，同时输出测量信号传递给控制组件6。控制组件6在整个装置中起到监测、控制、协调和显示的作用，保证整个装置按照设定参数和流程协调有序安全的运转。监测组件5的各传感器将信号传输至信息接收装置，这些信号包括：气压、配比、气体流速、气体温度、气体流量、水温、水流量等，控
制程序将反馈信号传递给各执行元件，包括：真空泵8，水冷机12、风机13、第一阀门7和第二阀门。
34.结合图2所示，下面以目标气体采用sf6气体为例，对本发明提供的工作方法加以介绍。
35.sf6在长波红外波段具有非线性吸收的能力，基态sf6分子(v0)通过受激吸收过程吸收长波红外激光能量(如10.6μm的co2激光)，受激吸收截面用σ表示，然后通过v-v共振能量转移和v-t能量转移过程驰豫至基态。当入射脉冲功率较高时以较低损耗通过sf6气体，而两入射脉冲之间的小信号噪声光则处于高损耗状态，几乎全被sf6气体吸收。sf6在中心波长10.6μm处的小信号吸收系数约为0.5cm-1
torr-1
，即只要吸收池2内的压强与光程乘积pl大于8.7torr
·
cm，即可吸收99％以上的小信号噪声光，有效消除了两脉冲之间的小信号噪声成分，起到了隔离的效果，同时，sf6气体也不可避免的带来温度上升的问题。
36.以入射光功率500w为例，波长10.6μm，重复频率50khz，sf6噪声光隔离装置使用sf6和he的混合气体，充入气压分别为sf6：he＝1:35＝100pa：3500pa，对小信号噪声光的吸收达90％以上，主脉冲透过率大于85％，设置气路内径为50mm，若吸收10％功率，不使用循环装置时的吸收池时气体温度将明显提升，吸收能力下降，需要使用循环装置对吸收池内的气体进行更新和降温。气体最低流速v可根据以下公式计算：
[0037][0038]
上式中，k为气体对入射激光的吸收率，p为入射激光功率，c为混合气体比热容，ρ为混合气体密度，s为循环气路管道1径向横截面的面积，δt为气体温升，为保持气体温度的恒定，气体流速需大于上式计算值，本例中，气体流速可设置为100m/s。
[0039]
在sf6气体中可根据需求额外添加缓冲气体，添加诸如he、n2等气体可以有效降低sf6上能级驰豫时间，使得吸收气体更适用于高重频mopa应用。sf6的v-t驰豫速率较慢，约为122μstorr，当入射激光重复频率较高时，如重频大于100khz时，使用单一sf6气体无法保证上能级驰豫时间短于两脉冲时间间隔，此时需要添加惰性气体作为缓冲气体，添加缓冲气体后，sf6激发能级(v3振动能级)驰豫速率的计算公式如下：
[0040][0041]
其中，上标v-t代表了v-t驰豫过程，v-v代表了v-v驰豫过程，x代表缓冲气体类型，添加诸如he、n2等缓冲气体对各能级驰豫速率的影响详见表1。
[0042][0043]
表1 sf6与缓冲气体的驰豫速率
[0044]
此外，添加缓冲气体还可以适当增大小信号吸收系数，如添加he使得小信号噪声光吸收系数α0提升至0.71cm-1
torr-1
，添加n2使得小信号噪声光的吸收吸收提升至0.91cm-1
torr-1
。小信号噪声光的透过率可根据以下公式计算：
[0045]
t＝exp(-α0pl)
[0046]
结合图3所示，以下为采用sf6气体作为气体光隔离光隔离装置的具体使用步骤：
[0047]
使用步骤一，储气罐16填充目标气体：在整个气体光隔离装置工作前，需在储气罐15中充入目标气体，可以是单一sf6气体，也可以是包含sf6在内的混合气体，若使用混合气体，需首先测量和控制充入气体各成分的比例。具体可采用如下方法：由于充入混合气体时sf6一般占有的气压比例较低，sf6和缓冲气体气压相差较大，需使用两种量程的压力变送器或真空规管。首先充入sf6气体，由小量程高精度压力变送器测量充入气压，如使用在低功率激光状态下，所充入sf6较少，精度要求高，此时可利用真空规管测量气压；达到目标气压后可手动停止充入sf6气体，也可以使用自动控制，检测气压达到目标气压后由电磁阀停止充气。填充sf6气体完毕后，使用相同的步骤充入缓冲气体，为了保证充入气体压强的精度，可使用流量计及控制组件6以较慢速率充入气体，待气体压强达到目标值后，停止充气。
[0048]
使用步骤二，真空泵8工作：关闭储气罐16对应的第二阀门15，打开第一阀门7，开启真空泵8，真空泵8的类型可以由充入气体压强精度确定，如充入较高气压时，可适当放宽对初始真空度的要求，例如充入20kpa的混合气体时，可使用无油机械泵(例极限真空0.04pa)，若充入混合气体压强较小时，需使用极限真空度更高的真空泵8来获取初始高真空环境，例如充入低压sf6气体时，可使用分子泵。此外，为了保证长时间工作时气体类型和气压的稳定性，需对各真空器件和各转接器件进行防漏和检漏处理，真空漏率可根据充入气压压强和连续工作时间确定，如充入5pa的sf6气体、连续工作时间大于10小时，需保证真空漏率优于0.1pa/hour。
[0049]
使用步骤三，循环气路管道1充气：等待真空泵8将循环气路管道1降至真空状态，真空度可由监测组件5查看，真空度需求与充入工作气体压强有关，所需充入气体压强越小，则真空度要求越高，一般真空度需优于0.5pa。待真空度达标后，分别关闭第一阀门7和真空泵8，可使用手动开启和关闭阀门的方法，也可使用控制组件6控制阀门和真空泵的启停。开启第二阀门15，直至储气罐16将气路内的压强充至工作压强，压强值可由监测组件查看，此时关闭第二阀门15，关闭方式可以使用手动关闭机械阀门的方式，也可以根据监测组件5的压力变送器的压强信号17控制电磁阀门的关闭。
[0050]
使用步骤四，水冷机12工作：开启水冷机12电源，设置目标温度，设置目标水流量，
等待循环水温降至目标温度，目标水温一般等于气体设置温度，此外需保证水路和气路有足够的交换面积和效率，目标水流量的换热能力需大于整个气路的产热能力和吸收热量的和。
[0051]
使用步骤五，风机13工作：开启风机13，气路内的目标气体开始循环流动。风机13一般使用真空风机，利用压缩气体带动气体流动，对吸收池内的气体进行置换和更新，风机类型可以是罗茨风机也可以是涡轮风机，风机最低流量应大于整个装置气路所需要的最低流量。本实施例中，风机类型为罗茨风机，最大流量300l/s，流量阀压差58hpa，进气口径150mm，排气口径150mm。
[0052]
使用步骤六，监测水温和气体温度：待工作一段时间后，开启装置的监测功能，利用监测组件5的风速仪(或流量计)、气体温度变送器、水冷机12的流量计和水温传感器，将这些传感器搜集到的信号传递给控制组件6，控制组件6对信号进行处理，并将反馈信号再传递给风机13和水冷机12。若水温高于目标水温，气体温度正常，此时控制组件6将反馈信号传递给水冷机12，增大水冷机12流量；若水温正常，气体温度高于目标温度，此时控制组件6将反馈信号传递给风机13，增大风机13工作频率来增大气体流量；若水温和气体温度都高于目标温度，则控制组件6同时将反馈信号传递给风机13和水冷机12；若水温和气体温度正常，不输出信号，过一段时间后继续检测，时间间隔可设置为30s。
[0053]
使用步骤七：开启mopa系统的种子光和各级放大器，气体光隔离装置开始起到吸收小信号噪声光的作用，起到噪声光隔离的效果。
[0054]
如上述使用步骤所述，各执行模块，包括各第一阀门7和第二阀门15、风机13、水冷机12等的启停和调控工作参数既可以使用手动的方式，可以通过控制组件6自动控制。
[0055]
结合图4所示，控制组件6自动控制的原理，监测组件5将信息(气体压强信号17、气体配比信号18、气体流速信号19、气体温度信号20、水温信号21)传递给控制组件6，控制组件6根据设定程序输入信号将反馈信号传递给执行模块22，执行模块包括电磁第一阀门7、水冷机12、风机13、真空泵15、电磁第二阀门15。气体压强信号17，由监测模块的压力传感器测得，传递给控制组件6。气体配比信号18，由监测模块的压力传感器测得，传递给控制组件6。气体流速信号19，由监测模块的压力传感器测得，传递给控制组件6。气体温度信号20，由监测模块的压力传感器测得，传递给控制组件6。水温信号21，由监测模块的压力传感器测得，传递给控制组件6。
[0056]
本发明实施例中还提供一种气体光隔离方法，其中，应用于应用在上述气体光隔离装置中，具体的操作方式可以上述实施例中介绍，此处不做赘述。
[0057]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0058]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0059]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显
示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0060]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0061]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁盘或光盘等。
[0062]
以上对本发明所提供的一种气体光隔离装置及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。