专利名称：一种用于准分子激光器气体管理的装置及方法
技术领域：
本发明属于准分子激光技术领域，特别涉及一种用于准分子激光器气体管理的装置及方法。
背景技术：
准分子激光器广泛应用于工业、医疗和科研领域，特别是在半导体光刻生产领域， 准分子激光器用作光刻机的光源。KrF准分子激光器较早地应用于光刻机中，输出波长 248nm位于紫外波段，随着光刻节点尺寸的不断降低，被更短波长的193nm ArF准分子激光器所代替。KrF和ArF都是稀有气体卤化物准分子激光器，工作气体包括卤素气体F2,惰性气体Ar或者Kr，缓冲气体Ne，惰性气体He。F2的化学性质非常活跃，尤其被电离成离子态时更加活跃，尽管激光器材料经过特殊处理，F2仍会与激光器腔壁、电极等发生化学反应，生成金属氟化物和碳氟化物，导致激光工作气体中的F2含量逐渐降低，直接影响准分子激光器输出激光脉冲的稳定性，缩短激光气体工作寿命。随着光刻技术的发展，要求准分子激光器具有高重复频率、窄线宽、高稳定性的激光输出，延长激光气体工作寿命能够提高生产效率，减少激光器维护时间和次数，降低生产成本。因此，气体管理技术成为准分子激光技术研究的重点之早期的准分子激光器工作时，没有注气、部分换气等气体管理技术，激光器工作一段时间以后，随着输出脉冲能量的逐渐下降，需要激光器停止工作进行完全换气，导致激光器工作效率低。近年来提出了气体管理技术，用于延长激光器激光气体工作寿命，降低完全换气的次数。较早的气体管理技术中，利用工作电压与&浓度的定量关系保持激光脉冲能量稳定输出，由于F2浓度在激光器工作期间逐渐减少，此时需要提高工作电压保持激光器输出能量不变，当工作电压值上升到某个极限值时，注入一定量的F2使得激光器内F2浓度恢复到初始值。缺点是&浓度和工作电压变化范围较大，难以精确控制激光器内的F2浓度， 激光器输出稳定性不高。采用F2浓度监测的气体管理技术，可以实时监测激光器工作期间 F2浓度变化，通过流量控制器和压力控制阀分别控制进气和出气流速，保持激光器内F2浓度的稳定，该方法虽然可以精确控制F2浓度，但气体管理装置结构复杂而且成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够精确控制准分子激光器F2浓度的装置及方法，通过F2浓度控制算法，估算激光器中F2的消耗量，精确控制气体管理装置注入微量的F2或者部分气体置换，保持激光器中F2浓度的稳定，减少杂质的积累，延长激光器激光气体工作寿命。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种用于准分子激光器气体管理装置，包括准分子激光器1、监测模块2、电压控制模块3、气体管理控制模块4、注气罐5、真空泵6、卤素气体处理装置7、限流器8、第一压力传感器9、第二压力传感器10、第一可控电磁阀门11、第二可控电磁阀门12、第三可控电磁阀门13、第四可控电磁阀门14、第五可控电磁阀门15、第六可控电磁阀门16、第七可控电磁阀门17和第八可控电磁阀门18 ；准分子激光器1中激光工作气体由卤素气体F2、稀有气体Ar、缓冲气体Ne和惰性气体He四种气体组成，准分子激光器1输出激光脉冲，由监测模块2监测脉冲能量、谱线线宽、波长相关工作参数，并提供反馈信号给电压控制模块3和气体管理控制模块4，电压控制模块3根据监测的脉冲能量改变工作电压的大小，保证准分子激光器1工作在能量恒定的模式下，同时电压控制模块3将工作电压信号反馈给气体管理控制模块4，气体管理控制模块4包含F2浓度控制算法，可根据监测模块2和电压控制模块3反馈的准分子激光器1工作参数估算激光工作气体中F2消耗量，第一可控电磁阀门11通过气体管线与储存He的气瓶相连并控制He 的流通，He用于清洗气体管线和准分子激光器腔内残留的激光工作气体，第二可控电磁阀门12、第三可控电磁阀门13、第四可控电磁阀门14通过气体管线分别与储存激光工作气体 F2Afe混合气体、Ar、Ne的气瓶相连并控制气体的流通，第五可控电磁阀门15通过气体管线与注气罐5相连，控制激光工作气体进入到注气罐5中，注气罐5用于配比不同浓度的激光工作气体，第六可控电磁阀门16和第七可控电磁阀门17通过气体管线与准分子激光器1 相连，控制激光工作气体由气瓶或者注气罐5进入到激光腔内，第六可控电磁阀门16所在的气体管线上安放限流器8，限流器8为流量系数很小的单向流通非电控阀门，通常处于开启状态，由于激光工作气体中F2和Ar浓度低，限流器8用于降低F2和Ar进入激光腔的流速，可以精确控制激光腔内F2和Ar的浓度，第八可控电磁阀门18、真空泵6和卤素气体处理装置7安放在排气的气体管线上，第八可控电磁阀门18和真空泵6用于排放气体管线和准分子激光器腔内的激光工作气体，卤素气体处理装置7用于过滤排放激光工作气体中的 F2,第一压力传感器9监测注气罐5的气体压强，并将监测的压强信号反馈给气体管理控制模块4，气体管理控制模块4根据反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成注气罐5的配气操作，第二压力传感器10监测准分子激光器1腔内的气体压强，并将监测的压强信号反馈给气体管理控制模块4，气体管理控制模块4根据反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成准分子激光器1的完全换气和注气操作。本发明还提供一种用于准分子激光器气体管理方法，其特征在于实现步骤如下(1)通过实验测定准分子激光器最佳F2浓度、最佳工作电压，并测量工作电压V、 脉冲能量E、谱线线宽E95、波长λ等工作参数与F2浓度的变化关系以及比例系数ki;确定工作电压Vkef、脉冲能量Ekef、谱线线宽E95kef、波长λ KEF工作参数参考值，确定最大工作电压 Vmax和每次注气的间隔时间T ；(2)准分子激光器运行输出激光脉冲，由监测模块监测脉冲能量、谱线线宽和波长工作参数，并提供反馈信号给电压控制模块和气体管理控制模块，电压控制模块将准分子激光器工作电压信号反馈给气体管理控制模块，气体管理控制模块记录工作电压V、脉冲能量E、谱线线宽E95、波长λ和工作时间t;(3)当测量的工作电压V超过可允许的最大工作电压Vmax时，准分子激光器停止工作并进行完全换气，在完全换气操作完成之后，重新启动准分子激光器；(4)如果工作电压在可允许范围内，准分子激光器继续运行，当工作时间t等于注气间隔时间τ时，气体管理控制模块中的F2浓度控制算法，需要根据得到的准分子激光器工作参数估算激光工作气体中F2消耗量，可以选用一个或几个准分子激光器工作参数进行估算，如果选用一个准分子激光器工作参数工作电压V估算F2消耗量，根据公式(1)得到F2消耗量ki (V-Veef) = AF2(1)其中，Ic1为实验测定的F2消耗量AF2与工作电压V变化量Δ V的比例系数，Veef 为参考电压值；当选用二个准分子激光器工作参数工作电压V和谱线线宽Ε95估算F2消耗量，根据公式(2)得到F2消耗量α (V-Veef) + α 2k2 (E95-E95·) = Δ F2 (2)其中，k2为实验测定的F2消耗量AF2与谱线线宽E95变化量ΔΕ95的比例系数， E95kef 为参考线宽值，α ” α 2 为关系系数，αι+α2= ，0< α < 1,0 < α2 < 1 ；可以根据实际情况选用不同的准分子激光器工作参数对F2消耗量进行估算；(5)根据估算的F2消耗量，气体管理控制模块控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，采用压力监测及反馈的方法完成注气操作，注气操作分为两种一种为微量F2注入，另一种为部分气体置换，准分子激光器工作时，可在几次微量F2注入之后进行一次部分气体置换，以减少激光腔内杂质的积累。本发明与现有技术相比具有如下特点(1)本发明中的F2浓度控制算法，充分利用监测的工作电压、脉冲能量、谱线线宽、 波长等工作参数，估算准分子激光器中F2的消耗值，不需要采用专门的F2浓度监测设备，使得结构简单，成本降低。(2)本发明中的气体管理装置，采用压力监测和反馈的方法，能够实现精确量值的气体注入。C3)本发明中的气体注入方式，不仅包括传统方法中的微量F2注入，保持准分子激光器内F2浓度的稳定，还包括部分气体置换，减少杂质的积累，有效地延长了激光器内激光气体的工作寿命。
图1为本发明的一种用于准分子激光器气体管理装置结构示意图；图2为本发明的一种用于准分子激光器气体管理方法实现流程图；图中1为准分子激光器，2为监测模块，3为电压控制模块，4为气体管理控制模块，5为注气罐，6为真空泵，7为卤素气体处理装置，8为限流器，9为第一压力传感器，10为第二压力传感器，11为第一可控电磁阀门，12为第二可控电磁阀门，13为第三可控电磁阀门，14为第四可控电磁阀门，15为第五可控电磁阀门，16为第六可控电磁阀门，17为第七可控电磁阀门，18为第八可控电磁阀门。
具体实施例方式如图1所示，本发明给出的准分子激光器气体管理装置包括准分子激光器1、监测模块2、电压控制模块3、气体管理控制模块4、注气罐5、真空泵6、卤素气体处理装置7、限流器8、第一压力传感器9、第二压力传感器10、第一可控电磁阀门11、第二可控电磁阀门 12、第三可控电磁阀门13、第四可控电磁阀门14、第五可控电磁阀门15、第六可控电磁阀门 16、第七可控电磁阀门17和第八可控电磁阀门18 ；准分子激光器1中激光工作气体由卤素气体F2、稀有气体Ar、缓冲气体Ne和惰性气体He四种气体组成，准分子激光器1输出激光脉冲，由监测模块2监测脉冲能量、谱线线宽、波长相关工作参数，并提供反馈信号给电压控制模块3和气体管理控制模块4，电压控制模块3根据监测的脉冲能量改变工作电压的大小，保证准分子激光器1工作在能量恒定的模式下，同时电压控制模块3将工作电压信号反馈给气体管理控制模块4，气体管理控制模块4包含F2浓度控制算法，可根据监测模块2和电压控制模块3反馈的准分子激光器1工作参数估算激光工作气体中F2消耗量，第一可控电磁阀门11通过气体管线与储存He的气瓶相连并控制He的流通，He用于清洗气体管线和准分子激光器腔内残留的激光工作气体，第二可控电磁阀门12、第三可控电磁阀门13、第四可控电磁阀门14通过气体管线分别与储存激光工作气体F2Afe混合气体、Ar、Ne的气瓶相连并控制气体的流通，第五可控电磁阀门15通过气体管线与注气罐5相连，控制激光工作气体进入到注气罐5中，注气罐5用于配比不同浓度的激光工作气体，第六可控电磁阀门 16和第七可控电磁阀门17通过气体管线与准分子激光器1相连，控制激光工作气体由气瓶或者注气罐5进入到激光腔内，第六可控电磁阀门16所在的气体管线上安放限流器8，限流器8为流量系数很小的单向流通非电控阀门，通常处于开启状态，由于激光工作气体中F2 和Ar浓度低，限流器8用于降低F2和Ar进入激光腔的流速，可以精确控制激光腔内F2和 Ar的浓度，第八可控电磁阀门18、真空泵6和卤素气体处理装置7安放在排气的气体管线上，第八可控电磁阀门18和真空泵6用于排放气体管线和准分子激光器腔内的激光工作气体，卤素气体处理装置7用于过滤排放激光工作气体中的F2,第一压力传感器9监测注气罐 5的气体压强，并将监测的压强信号反馈给气体管理控制模块4，气体管理控制模块4根据反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成注气罐5的配气操作，第二压力传感器10监测准分子激光器1腔内的气体压强，并将监测的压强信号反馈给气体管理控制模块4，气体管理控制模块4根据反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭， 完成准分子激光器1的完全换气和注气操作。如图1所示，注气罐5采用压力监测和反馈的方法完成配气操作，激光工作气体中 F2、He、Ar、Ne浓度比可表示为压强比，气体管理控制模块4开启第二可控电磁阀门12和第五可控电磁阀门15，F2/He混合气体由气瓶通过气体管线进入到注气罐5中，第一压力传感器9监测注气罐5中气体压强，并将压强信号反馈给气体管理控制模块4，当F2Afe混合气体压强达到设定值后，气体管理控制模块4关闭第二可控电磁阀门12，开启第三可控电磁阀门13，Ar由气瓶通过气体管线进入到注气罐5中，当Ar压强达到设定值后，气体管理控制模块4关闭第三可控电磁阀门13，开启第四可控电磁阀门14，Ne由气瓶通过气体管线进入到注气罐5中，当Ne压强达到设定值后，气体管理控制模块4关闭第四可控电磁阀门14 和第五可控电磁阀门15，注气罐5完成配气操作，设置不同的压强比可以配制不同浓度的激光工作气体。如图1所示，准分子激光器1完全换气操作，先将准分子激光器1上次工作后的激光工作气体排出，气体管理控制模块4开启第七可控电磁阀门17、第八可控电磁阀门18和真空泵6，将激光工作气体排放到大气中，当激光腔内气体压强低于设定值时，气体管理控制模块4关闭第七可控电磁阀门17、第八可控电磁阀门18和真空泵6，再向激光腔内充入新的激光工作气体，同样采用压力监测和反馈的方法，气体管理控制模块4开启第二可控电磁阀门12和第六可控电磁阀门16，F2/He混合气体由气瓶通过气体管线经限流器8进入到准分子激光器1中，第二压力传感器10监测准分子激光器1中气体压强，并将压强信号反馈给气体管理控制模块4，当F2Afe混合气体压强达到设定值后，气体管理控制模块4关闭第二可控电磁阀门12，开启第三可控电磁阀门13，Ar由气瓶通过气体管线经限流器8进入准分子激光器1中，当Ar压强达到设定值后，气体管理控制模块4关闭第三可控电磁阀门13和第六可控电磁阀门16，开启第四可控电磁阀门14和第七可控电磁阀门17，Ne由气瓶通过气体管线进入到准分子激光器1中，当Ne压强达到设定值后，气体管理控制模块4 关闭第四可控电磁阀门14和第七可控电磁阀门17，准分子激光器1完成完全换气操作。如图1所示，准分子激光器1的注气操作分为两种一种为微量F2注入，准分子激光器1工作一段时间后，由于激光工作气体中F2浓度降低，需要补充F2以保持激光器稳定工作，气体管理控制模块4包含的F2浓度控制算法对F2消耗量进行估算，F2消耗量可用压强表示，气体管理控制模块4开启第二可控电磁阀门12和第六可控电磁阀门16，F2Afe混合气体直接通过气体管线注入到准分子激光器1中，第二压力传感器10监测准分子激光器 1腔内的气体压强，当压强增加量与F2消耗量相同时，气体管理控制模块4关闭第二可控电磁阀门12和第六可控电磁阀门16 ；另一种为部分气体置换，用于减少激光腔内杂质的积累，气体管理控制模块4开启第五可控电磁阀门15和第七可控电磁阀门17，部分激光工作气体由注气罐5通过气体管线注入到准分子激光器1中，当压强增加量达到设定值时，气体管理控制模块4关闭第五可控电磁阀门15和第七可控电磁阀门17，待准分子激光器1稳定一段时间后，气体管理控制模块4开启第七可控电磁阀门17、第八可控电磁阀门18和真空泵6，释放相应量值的激光工作气体，准分子激光器1中气体压强恢复到初始值，完成部分气体置换。如图2所示，本发明提出的准分子激光器气体管理方法包括以下步骤(1)通过实验测定准分子激光器最佳F2浓度、最佳工作电压，并测量工作电压V、 脉冲能量E、谱线线宽E95、波长λ工作参数与F2浓度的变化关系以及比例系数ki;确定工作电压Vkef、脉冲能量Ekef、谱线宽度E95kef、波长λ EEF工作参数参考值，确定最大工作电压 Vmax和每次注气的间隔时间T ；例如，当测量F2浓度与工作电压V的变化关系时，保持准分子激光器输出脉冲能量E不变，改变激光工作气体中的F2浓度，测量不同F2浓度下的工作电压V，可绘制出F2浓度与工作电压V的变化曲线，Ic1为F2消耗量AF2与工作电压V变化量Δ V的比例系数；当测量F2浓度与谱线线宽Ε95的变化关系时，如上所述，保持准分子激光器输出脉冲能量E不变，改变激光工作气体中的F2浓度，测量不同F2浓度下准分子激光器输出激光脉冲的谱线线宽Ε95，可绘制出F2浓度与谱线线宽Ε95的变化曲线，1 为F2消耗量AF2 与谱线线宽E95变化量ΔΕ95的比例系数；(2)准分子激光器运行输出激光脉冲，由监测模块监测脉冲能量、谱线线宽、波长工作参数，并提供反馈信号给电压控制模块和气体管理控制模块，电压控制模块将激光器工作电压信号反馈给气体管理控制模块，气体管理控制模块记录工作电压V、脉冲能量E、 谱线线宽E95、波长λ工作参数和工作时间t ；(3)当测量的工作电压V超过可允许的最大工作电压Vmax时，准分子激光器停止工作并进行完全换气，在完全换气操作完成之后，重新启动准分子激光器，完全换气操作步骤如下
(a)将上次准分子激光器工作后的激光工作气体排出，气体管理控制模块开启第七可控电磁阀门、第八可控电磁阀门和真空泵，将激光工作气体排放到大气中，当激光腔内气体压强低于设定值时，关闭第七可控电磁阀门、第八可控电磁阀门和真空泵；(b)向准分子激光器腔内充入新的激光工作气体，采用压力监测和反馈的方法， 气体管理控制模块开启第二可控电磁阀门和第六可控电磁阀门，F2Afe混合气体由气瓶通过气体管线经限流器进入到准分子激光器中，第二压力传感器监测准分子激光器中气体压强，并将压强信号反馈给气体管理控制模块，当F2Afe混合气体压强达到设定值后，气体管理控制模块关闭第二可控电磁阀门，Ar和Ne按照相同的方法充入，不同的是Ne经第七可控电磁阀门进入到准分子激光器中；(4)如果工作电压在可允许范围内，准分子激光器继续运行，当工作时间t等于注气间隔时间T时，气体管理控制模块中的F2浓度控制算法，需要根据得到的准分子激光器工作参数估算激光工作气体中F2消耗量，可以选用一个或几个准分子激光器工作参数进行估算，如果选用一个准分子激光器工作参数工作电压V估算F2消耗量，根据公式(1)得到F2消耗量ki (V-Veef) = AF2(1)其中，Ic1为实验测定的F2消耗量AF2与工作电压V变化量Δ V的比例系数，Veef 为参考电压值；当选用二个准分子激光器工作参数工作电压V和谱线线宽Ε95估算F2消耗量，根据公式(2)得到F2消耗量α (V-Veef) + α 2k2 (E95-E95·) = Δ F2 (2)其中，k2为实验测定的F2消耗量AF2与谱线线宽E95变化量ΔΕ95的比例系数， E95kef 为参考线宽值，α ” α 2 为关系系数，αι+α2= ，0< α < 1,0 < α2 < 1 ；可以根据实际情况选用不同的准分子激光器工作参数对F2消耗量进行估算；(5)根据估算的F2消耗量，气体管理控制模块执行注气操作，向准分子激光器中注气方式分为两种(a)微量F2注入，气体管理控制模块开启第二可控电磁阀门和第六可控电磁阀门， F2Afe混合气体通过气体管线经限流器注入到准分子激光器中，第二压力传感器监测准分子激光器中气体压强，当压强增加量与F2消耗量相同时，关闭第二可控电磁阀门和第六可控电磁阀门；(b)部分气体置换，用于减少准分子激光器腔内杂质的积累，气体管理控制模块开启第五可控电磁阀门和第七可控电磁阀门，部分激光工作气体由注气罐通过气体管线注入到准分子激光器中，当压强增加量达到设定值时，关闭第五可控电磁阀门和第七可控电磁阀门，待准分子激光器稳定一段时间后，开启第七可控电磁阀门、第八可控电磁阀门和真空泵，释放相应量值的激光工作气体，准分子激光器中气体压强恢复到初始值，然后关闭第七可控电磁阀门、第八可控电磁阀门和真空泵，部分气体置换每隔几次微量F2注入后进行一次。
权利要求
1.一种用于准分子激光器气体管理装置，其特征在于包括准分子激光器(1)、监测模块(2)、电压控制模块( 、气体管理控制模块(4)、注气罐( 、真空泵(6)、卤素气体处理装置(7)、限流器(8)、第一压力传感器(9)、第二压力传感器(10)、第一可控电磁阀门(11)、第二可控电磁阀门(12)、第三可控电磁阀门(13)、第四可控电磁阀门(14)、第五可控电磁阀门(15)、第六可控电磁阀门(16)、第七可控电磁阀门(17)和第八可控电磁阀门(18)；准分子激光器(1)中激光工作气体由卤素气体F2、稀有气体Ar、缓冲气体Ne和惰性气体He四种气体组成；准分子激光器(1)输出激光脉冲，由监测模块( 监测脉冲能量、谱线线宽和波长相关工作参数，并提供反馈信号给电压控制模块C3)和气体管理控制模块；电压控制模块C3)根据监测的脉冲能量改变工作电压的大小，保证准分子激光器(1)工作在能量恒定的模式下，同时电压控制模块⑶将工作电压信号反馈给气体管理控制模块⑷；气体管理控制模块(4)包含F2浓度控制算法，根据监测模块( 和电压控制模块C3)反馈的准分子激光器(1)工作参数估算激光工作气体中F2消耗量；第一可控电磁阀门(11)通过气体管线与储存He的气瓶相连并控制He的流通，He用于清洗气体管线和激光腔内残留的激光工作气体；第二可控电磁阀门(12)、第三可控电磁阀门(13)和第四可控电磁阀门(14) 通过气体管线分别与储存激光工作气体F2Afe混合气体、Ar、Ne的气瓶相连，并控制激光工作气体的流通，第五可控电磁阀门(1 通过气体管线与注气罐( 相连，控制激光工作气体进入到注气罐( 中，注气罐( 用于配比不同浓度的激光工作气体；第六可控电磁阀门 (16)和第七可控电磁阀门(17)通过气体管线与准分子激光器(1)相连，控制激光工作气体由气瓶或者注气罐( 进入到激光腔内，第六可控电磁阀门(16)所在的气体管线上安放限流器(8)，由于激光工作气体中F2和Ar浓度低，限流器(8)用于降低F2和Ar进入激光腔的流速，可以精确控制激光腔内F2和Ar的浓度；第八可控电磁阀门(18)、真空泵(6)和卤素气体处理装置(7)安放在排气的气体管线上，第八可控电磁阀门(18)和真空泵(6)用于排放气体管线和准分子激光器(1)腔内的激光工作气体；卤素气体处理装置(7)用于过滤排放激光工作气体中的& ；第一压力传感器(9)监测注气罐( 的气体压强，并将监测的压强信号反馈给气体管理控制模块G)，气体管理控制模块(4)根据反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成注气罐(5)的配气操作；第二压力传感器(10)监测准分子激光器(1)腔内的气体压强，并将监测的压强信号反馈给气体管理控制模块，气体管理控制模块(4)根据反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成准分子激光器(1)的完全换气和注气操作。
2.根据权利要求1所述的一种用于准分子激光器气体管理装置，其特征在于所述气体管理控制模块(4)根据第一压力传感器(9)反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成注气罐(5)的配气操作的过程为激光工作气体中F2、He、Ar、Ne浓度比可表示为压强比，气体管理控制模块(4)开启第二可控电磁阀门(1 和第五可控电磁阀门 (15)，F2Afe混合气体由气瓶通过气体管线进入到注气罐(5)中，第一压力传感器(9)监测注气罐(5)中气体压强，并将压强信号反馈给气体管理控制模块，当F2Afe混合气体压强达到设定值后，气体管理控制模块(4)关闭第二可控电磁阀门(12)，开启第三可控电磁阀门(13)，Ar由气瓶通过气体管线进入到注气罐(5)中，当Ar压强达到设定值后，气体管理控制模块(4)关闭第三可控电磁阀门(13)，开启第四可控电磁阀门(14)，Ne由气瓶通过气体管线进入到注气罐(5)中，当Ne压强达到设定值后，气体管理控制模块(4)关闭第四可控电磁阀门(14)和第五可控电磁阀门(15)，注气罐( 完成配气操作，设置不同的压强比可以配制不同浓度的激光工作气体。
3.根据权利要求1所述的一种用于准分子激光器气体管理装置，其特征在于所述气体管理控制模块(4)根据第二压力传感器(10)反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成准分子激光器(1)的完全换气操作过程为先将准分子激光器(1)上次工作后的激光工作气体排出，气体管理控制模块(4)开启第七可控电磁阀门(17)、第八可控电磁阀门(18)和真空泵(6)，将激光工作气体排放到大气中，当激光腔内气体压强低于设定值时，气体管理控制模块(4)关闭第七可控电磁阀门(17)、第八可控电磁阀门(18)和真空泵(6)，再向激光腔内充入新的激光工作气体，同样采用压力监测和反馈的方法，气体管理控制模块⑷开启第二可控电磁阀门(12)和第六可控电磁阀门(16)，F2Afe混合气体由气瓶通过气体管线经限流器(8)进入到准分子激光器(1)中，第二压力传感器(10)监测准分子激光器(1)腔内的气体压强，并将压强信号反馈给气体管理控制模块G)，iF2/He混合气体压强达到设定值后，气体管理控制模块(4)关闭第二可控电磁阀门(12)，开启第三可控电磁阀门(13)，Ar由气瓶通过气体管线经限流器(8)进入准分子激光器(1)中，当Ar 压强达到设定值后，气体管理控制模块(4)关闭第三可控电磁阀门(1 和第六可控电磁阀门(16)，开启第四可控电磁阀门(14)和第七可控电磁阀门(17)，Ne由气瓶通过气体管线进入到准分子激光器(1)中，当Ne压强达到设定值后，气体管理控制模块(4)关闭第四可控电磁阀门(14)和第七可控电磁阀门(17)，准分子激光器(1)完成完全换气操作。
4.根据权利要求1所述的一种用于准分子激光器气体管理装置，其特征在于所述气体管理控制模块(4)根据第二压力传感器(10)反馈的压强信号控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，完成准分子激光器(1)注气操作过程分为两种一种为微量F2注入，准分子激光器(1)工作一段时间后，由于激光工作气体中F2浓度降低，需要补充F2以保持激光器稳定工作，气体管理控制模块(4)对F2消耗量进行估算，F2消耗量可用压强表示，气体管理控制模块(4)开启第二可控电磁阀门(1 和第六可控电磁阀门(16)，F2Afe混合气体接通过气体管线注入到准分子激光器(1)中，第二压力传感器(10)监测准分子激光器(1)腔内的气体压强，当压强增加量与F2消耗量相同时，气体管理控制模块(4)关闭第二可控电磁阀门(1 和第六可控电磁阀门(16)；另一种为部分气体置换，用于减少激光腔内杂质的积累，气体管理控制模块(4)开启第五可控电磁阀门(1 和第七可控电磁阀门(17)，部分激光工作气体由注气罐( 通过气体管线注入到准分子激光器(1)中，当压强增加量达到设定值时，气体管理控制模块(4)关闭第五可控电磁阀门(1 和第七可控电磁阀门(17)，待准分子激光器(1)稳定一段时间后，气体管理控制模块(4)开启第七可控电磁阀门(17)、第八可控电磁阀门(18)和真空泵(6)，释放相应量值的激光工作气体，准分子激光器(1)腔内的气体压强恢复到初始值，完成部分气体置换。
5.一种用于准分子激光器气体管理方法，其特征在于实现步骤如下(1)通过实验测定准分子激光器最佳F2浓度、最佳工作电压，并测量工作电压V、脉冲能量E、谱线线宽E95和波长λ工作参数与&浓度的变化关系以及比例系数ki;确定工作电压Vkef、脉冲能量Ekef、谱线线宽E95kef、波长λ EEF工作参数参考值，确定最大工作电压Vmax 和每次注气的间隔时间T ；(2)准分子激光器开始运行并输出激光脉冲，由监测模块监测脉冲能量、谱线线宽和波长工作参数，并提供反馈信号给电压控制模块和气体管理控制模块，电压控制模块将准分子激光器工作电压信号反馈给气体管理控制模块，气体管理控制模块记录工作电压V、脉冲能量E、谱线线宽E95、波长λ和工作时间t ；(3)当测量的工作电压V超过可允许的最大工作电压Vmax时，准分子激光器停止工作并进行完全换气，在完全换气操作完成之后，重新启动准分子激光器；(4)如果工作电压在可允许范围内，准分子激光器继续运行，当工作时间t等于注气间隔时间T时，气体管理控制模块中的F2浓度控制算法，需要根据得到的准分子激光器工作参数估算激光工作气体中F2消耗量，可选用一个或几个准分子激光器工作参数进行估算， 如果选用一个准分子激光器工作参数工作电压V估算F2消耗量，根据公式(1)式得到F2消耗量ki (V-Veef) = AF2(1)其中，Ic1为实验测定的F2消耗量ΔF2与工作电压V变化量Δ V的比例系数，Vkef为参考电压值；当选用二个准分子激光器工作参数工作电压V和谱线线宽Ε95估算F2消耗量，根据公式⑵得到α Ik1 (V-Veef) + α 2k2 (E95-E95eef) = AF2(2)其中，1 为实验测定的F2消耗量Δ F2与谱线线宽E95变化量ΔΕ95的比例系数，E95kef 为参考谱线线宽值，h、α 2为关系系数，α1+α2 = l，0 < Q1 < 1,0 < α2 < 1 ；可以根据实际情况选用不同的准分子激光器工作参数对F2消耗量进行估算；(5)根据估算的F2消耗量，气体管理控制模块控制相应可控电磁阀门的开启和关闭，采用压力监测及信号反馈的方法完成注气操作，注气操作分为两种一种为微量F2注入，另一种为部分气体置换，准分子激光器工作时，可在几次微量F2注入之后进行一次部分气体置换，以减少激光腔内杂质的积累。全文摘要
一种用于准分子激光器气体管理的装置及方法，所述装置包括准分子激光器、监测和控制模块、用于控制激光工作气体流向的可控电磁阀门、用于配比不同浓度激光工作气体的注气罐、用于排放激光工作气体的卤素气体处理装置和真空泵、用于监测激光工作气体压强的压力传感器。所述方法通过监测准分子激光器工作参数，如工作电压、脉冲能量、谱线线宽、波长，根据实验测得的准分子激光器工作参数与激光工作气体浓度的定量关系，估算激光工作气体的消耗量，采用压力监测和信号反馈的方法，控制激光腔内激光工作气体压强的变化以及可控电磁阀门的开启和关闭，完成向激光腔内注入精确量值的激光工作气体。本发明能够提高准分子激光器输出激光脉冲的稳定性，有效延长激光工作气体寿命，减少激光器换气次数。
文档编号H01S3/036GK102231469SQ20111013252
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者余逸芳, 文代彬, 李斌成, 王强, 谢拉堂 申请人:中国科学院光电技术研究所