專利名稱：放電腔的導流機構、放電腔和激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光器技術領域，具體涉及一種光刻用的單腔雙電極準分子激光器的放電腔和放電腔內的導流機構。
背景技術：
準分子激光器是目前被認為是用于光刻的最佳激光光源，是集成電路平板印刷光刻工業(yè)的主力工作光源。目前的準分子激光器系統(tǒng)已經由最初的單腔結構發(fā)展到雙腔結構，以實現(xiàn)更窄的線寬和更高的平均輸出功率。這些雙腔結構準分子激光器由兩個在結構上基本相同的放電腔組成，它們被分別稱為種子腔和放大腔。其基本工作過程是:由種子腔產生具有一定重復頻率的能量較低的種子光；種子光注入到放大腔后進行放大，最終輸出優(yōu)質的窄線寬、高功率的準分子激光。傳統(tǒng)的雙腔結構準分子激光器如圖1所示，由兩個放電腔101和102組成，其中101為種子腔，102為放大腔。兩個放電腔中分別有一對放電電極103和104。在種子腔的反射端，一般有一個進行線寬壓窄的模塊105。種子腔101和放大腔102之間用模塊106、107和108進行連接，這些模塊的功能一般包括光路控制、調整和測量。這種雙腔結構準分子激光器需分別對兩個放電腔配套一套高壓電源109和110。有研究者提出了單腔雙電極結構準分子激光器的設計方案，該方案中在一個放電腔中平行安裝兩對放電電極，其中一對電極用來產生種子光，另一對電極用來對種子光進行放大。該方案的優(yōu)點是有利于放電的同步控制，同時降低了準分子激光器的結構復雜性。傳統(tǒng)的雙電極放電腔如圖2所示，放電腔201中平行安裝兩對電極202和203。兩對電極僅用一套高壓電源204進行放電。這樣，降低了準分子激光器的結構復雜性，有利于整機集成。然而，值得注意的是，準分子激光器在高重復頻率下工作時，需要在放電電極間形成高速氣流，帶走已經放過電的廢氣，不斷為放電補充新鮮的工作氣體，以保證放電質量，從而提高激光能量及其穩(wěn)定性。當兩對電極平行安裝在放電腔內時，要在兩對電極間分別產生流速及均勻性盡量相近的氣流，就必須設計一種新的放電腔，形成新的氣體循環(huán)方式。

實用新型內容(一 )要解決的技術問題本實用新型所要解決的技術問題是提出一系列應用于準分子激光器的雙電極放電腔的導流機構、包括該導流機構的放電腔及激光器，使得放電腔能夠在腔內得到對稱的流場分布，在兩個不同的放電區(qū)內同時形成高速氣流，且氣體流速和均勻性一致。(二)技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提出一種放電腔的導流機構，所述放電腔具有對稱的結構，且包括兩對電極，該導流機構包括兩個葉輪，該兩個葉輪分別對應所述兩對電極中的一對，其安裝位置關于所述放電腔的對稱面對稱，且位于所述電極的下方，其轉動軸平行于電極的軸向，所述電極的軸向平行于所述放電腔的底平面，并且該兩個葉輪的轉動方向相反，轉速相同。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，在所述每個葉輪下方分別安裝一個下阻流片，該下阻流片用于阻止氣流從葉輪下方通過。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，所述下阻流片為斜面式或弧面式，即阻流片的迎風面設計成斜面或者弧面形式，弧面可以是內凹或外凸弧面，或者內凹與外凸弧面的結合。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，從每對電極的下方安裝處往相對應的葉輪方向延伸出一個上阻流片。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，在所述葉輪的側壁上安裝有導流板，用于將葉輪出口的氣流導向所述電極的放電區(qū)域。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，在所述導流板的末端與所述電極的上方之間安裝有一個上導流板，該上導流板與所述上阻流片構成一個漸縮型流道。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，在所述兩個電極的放電區(qū)域的中間位置設置一個對稱的匯流導流片，用于將流經所述放電區(qū)域的氣流匯合成向下的氣流。根據(jù)本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，從所述每個電極的下向朝向相應的葉輪伸出一個下導流板，其呈現(xiàn)向葉輪方向彎曲的弧形。本實用新型還提出一種包括前述導流機構的雙電極放電腔以及包括該雙電極放電腔的準分子激光器。(三)有益效果本實用新型采用兩個貫流葉輪作為整個腔內氣流的驅動源，兩個葉輪相向轉動，在腔內圍繞葉輪布置一系列的導流結構，形成有利于氣流形成及氣流加速的流道，最終在放電區(qū)獲得均勻高速的氣流。兩個葉輪及導流結構都是對稱安裝的，且葉輪轉速保持一致，因此在腔內得到的流場是近似對稱分布的。本實用新型能夠同時在雙電極放電腔內的兩個放電區(qū)獲得高速均勻的氣流，以保證放電質量，從而提高激光能量及其穩(wěn)定性。

圖1是現(xiàn)有技術的雙腔結構準分子激光器的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術的雙電極結構放電腔的示意圖；圖3是本實用新型的用于準分子激光器的雙電極放電腔的一個實施例的截面示意圖；圖4是本實用新型實施例采用的一種貫流葉輪示意圖；圖5是本實用新型實施例中葉輪下方阻流片的幾種實施方式的示意圖；圖6是本實用新型實施例中葉輪上方阻流片設計的角度范圍示意圖；圖7是本實用新型實施例中電極上游收縮型流道的示意圖；圖8是本實用新型實施例中下電極組件導流結構的幾種實施方式的示意圖；圖9是本實用新型實施例中基于雙電極放電腔的準分子激光器的結構示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。圖3是本實用新型的用于準分子激光器的雙電極放電腔的一個實施例的截面示意圖。如圖3所示，放電腔301具有對稱的結構(圖中顯示為左右對稱，對稱面垂直于紙面和放電腔的底面)，在放電腔301中，裝有兩對電極302和303。電極302和303具有一個軸向，該軸向平行于放電腔的底面，且與激光器出光的光軸方向一致，每對電極包含一根陰極和一根陽極，一般將陰極裝在上面，陽極裝在下面。在圖3所示實施例中，兩對電極302和303的陰極安裝在絕緣器件304和305上，所以陰極與放電腔腔體絕緣。陽極的安裝方式詳見圖8，其安裝支座為金屬，且與腔體連通，所以陽極與放電腔腔體為等電勢。為了驅動腔內氣體306循環(huán)，在腔內兩邊安裝兩個貫流葉輪307和308。該兩個葉輪分別對應所述兩對電極中的一對，并位于電極的下方。根據(jù)放電腔整體設計考慮和放電重復頻率對流速的要求，一般將葉輪直徑定在90 140mm之間。本實用新型中采用的貫流葉輪為準分子激光器專用葉輪，一般情況下比普通貫流葉輪剛度更好且噪音更小。圖4所示為一種準分子激光器專用的貫流葉輪，此葉輪的葉片為非均勻布置，以減少葉輪運轉過程中產生的噪音和振動。為節(jié)約制造成本，常規(guī)的直齒貫流葉輪或斜齒貫流葉輪也可以用于本實用新型的放電腔中。兩個葉輪307、308的轉動軸均與電極302、303平行，且其安裝位置關于放電腔301的對稱面對稱。在垂直于光軸的腔體橫截面上看，其位置均在放電腔底部靠近左右側壁的地方。兩個葉輪307、308相向轉動——從垂直于光軸的腔體橫截面上看，一個葉輪307順時針轉動，另外一個葉輪308逆時針轉動。兩個葉輪的轉速大小始終保持一致。要盡量提高葉輪出口處流速，需盡量使絕大部分氣流穿過貫流葉輪葉片之間的柵格，而避免從葉輪旁邊經過。這樣，葉輪的轉動可以使得葉片對盡量多的氣體做功，加速氣體流動。因此，在每個葉輪下方分別安裝一個下阻流片309和310，該下阻流片的作用是阻止氣流從葉輪下方通過。理論上講，下阻流片與葉輪外周之間的間隙越小，從葉輪下方通過的氣流越少，越有利于提高葉輪效率。但過小的間隙會增加噪音和葉輪的振動，因此一般將這個間隙設計為I 10mm。圖3中所示309和310是一種最為簡單的阻流片，其為一個直角的折彎件，豎立的面用來阻擋通過葉輪下方的氣流。這種形式阻流片能有效的阻止氣流從葉輪下方經過，但同時會形成較大的渦旋區(qū)域，損失氣體能量。因此，本實用新型優(yōu)選為將阻流片做成如圖5所示的結構形式。圖5中的501所示為一種斜面式，502 504為弧面式。這些阻流片下面的直角邊安裝在放電腔的底面上。這幾種形式的阻流結構，不僅能阻止氣流從葉輪下方經過，而且它們的斜面或者弧面能有效減小此處的入口渦，將氣流導入葉輪進行加速，從而減少氣體能量損失。為了阻止氣流從葉輪上方通過，在葉輪的上方，從兩對電極中的每一對電極的下方(該實施例中為陽極位置)安裝處往其所對應的葉輪的方向延伸出另一個阻流片313、314，在此稱為上阻流片。上阻流片313、314的一個端部與葉輪307、308的外周之間的間隙也是盡可能的小，一般取I 4_。圖6是本實用新型實施例中葉輪上方阻流片設計的角度范圍示意圖，如圖6所示，603為放電電極的陽極，葉輪601位于下阻流片602和上阻流片604之間。同一葉輪的上、下兩阻流片指向風扇外圓周的兩點，該兩點在外圓周上分得圓弧的圓心角應該在120° 180°之間。因此，圖6中的605位置和606位置是葉輪上方阻流片的兩個極限位置，其指向風扇外圓周的點分別為a點和b點。為了減小流阻，將葉輪出口的氣流導向電極放電區(qū)域，如圖3所示，在靠近葉輪的側壁上，安裝一個導流板311、312，或者將側壁表面直接加工成導流板的表面形狀。導流板一般設計成曲面結構，但也可以是多塊平板拼接而成。曲面導流板311和312的橫截曲線是一條從葉輪下方阻流片端部出發(fā)的一條漸開線。漸開線的末端指向放電電極302和303中的上面的電極。這條漸開線可以設計成多種形式，包括弧形線、阿基米德螺旋線、對數(shù)螺旋線或者以上線型的組合曲線，圖3中所示曲面導流板311和312的橫截曲線為多段弧形線的組合。如圖3所示，漸開線導流板末端與放電電極302和303中的上方(上面的電極)之間安裝一個上導流板315和316，該上導流板與分別與上阻流片313和314構成通向放電區(qū)域的漸縮型流道。根據(jù)流體的連續(xù)方程，該收縮流道對氣流有加速作用，能夠獲得更高速的氣流。如圖7所示，導流板701和702組成的收縮流道，將氣流導向電極703之間的區(qū)域。流道的入口寬度SI大于出口寬度(即電極間距)S2，因此在出口處將得到比入口處更高的流速。兩邊的氣流分別經過放電區(qū)后，在放電腔對稱面附近將相遇，匯合成一股氣流。為了避免兩邊氣流相撞的損失，在兩個放電區(qū)中間的位置設計一個對稱的導流片，如圖3中的317所示，在此稱為匯流導流片。匯流導流片317將原來相向運動的氣流改變方向，兩股氣流均變?yōu)橥逻\動，這樣兩股氣流匯合成一股向下的氣流。向下的氣流在兩個貫流風機的作用下，將重新分成兩股，分別經過兩個貫流風機的加速，開始下一個氣流循環(huán)。為了減少氣流與腔體底面碰撞產生的阻力，在放電腔底部的中間位置設計一個對稱的導流片，在此稱為分流導流片，如圖3中的320，以利于氣流的分配并導向貫流葉輪。在電極的下方的下游，如果不采取措施，氣流在電極安裝面的盡頭將產生脫體渦，增大流阻。為了減少因此產生的流阻，本實用新型設計成圖3中318和319所示的下導流板的形狀，如圖所示，下導流板318和319從電極的下方朝向葉輪一側伸出，呈現(xiàn)向葉輪方向彎曲的弧形。在低速流動中，該結構可以推遲氣體附面層的脫落，從而降低流阻。在圖3中為了示意方便，上阻流片313與下導流板318為一體的，是一個零件的兩個部分。實際設計時，如圖8A所示，根據(jù)本實用新型的另一實施方式，可以設計成兩個單獨的零件801和802，分別用螺釘安裝電極下方安裝座803的前后兩側。根據(jù)本實用新型的其它實施方式，這部分結構還可以做成一體的實心結構，而非鈑金結構，如圖8B所示，該結構僅由帶導流功能的電極基座804和電極805組成。為了減小電極本身產生的流阻，可以設計下沉式電極基座，如圖SC中的806和圖8D中的807所示。電極沉入安裝后，電極本身不再置于主流道中，從而減小流道阻力。但同時需要注意的是，當才用下沉式安裝時，需要做好絕緣措施，避免其它多余的放電。[0049]如圖9所示為基于上述雙電極放電腔的準分子激光器示意圖，該圖為俯視圖。激光器包含一個雙電極放電腔901，腔內有兩對平行安裝的電極902和903，其中，電極902用來產生種子光，電極903用來對種子光進行放大。在電極901的反射端，有進行線寬壓窄的模塊904。模塊905、906和907用來光路控制、調整和測量。以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種放電腔的導流機構，所述放電腔具有對稱的結構，且包括兩對電極，其特征在于， 該導流機構包括兩個葉輪，該兩個葉輪分別對應所述兩對電極中的一對，其安裝位置關于所述放電腔的對稱面對稱，且位于所述電極的下方，其轉動軸平行于電極的軸向，所述電極的軸向平行于所述放電腔的底平面，并且該兩個葉輪的轉動方向相反，轉速相同。
2.如權利要求1所述的放電腔的導流機構，其特征在于，在所述每個葉輪下方分別安裝一個下阻流片，該下阻流片用于阻止氣流從葉輪下方通過。
3.如權利要求2所述的放電腔的導流機構，其特征在于，所述下阻流片為斜面式或弧面式，即阻流片的迎風面設計成斜面或者弧面形式，弧面可以是內凹或外凸弧面，或者內凹與外凸弧面的結合。
4.如權利要求2所述的放電腔的導流機構，其特征在于，從每對電極的下方安裝處往相對應的葉輪方向延伸出一個上阻流片。
5.如權利要求4所述的放電腔的導流機構，其特征在于，在所述葉輪的側壁上安裝有導流板，或者將側壁表面直接加工成導流板的表面形狀，用于將葉輪出口的氣流導向所述電極的放電區(qū)域。
6.如權利要求4所述的放電腔的導流機構，其特征在于，在所述導流板的末端與所述電極的上方之間安裝有一個上導流板，該上導流板與所述上阻流片構成一個漸縮型流道。
7.如權利要求4所述的放電腔的導流機構，其特征在于，在所述兩個電極的放電區(qū)域的中間位置設置一個對稱的匯流導流片，用于將流經所述放電區(qū)域的氣流匯合成向下的氣流。
8.如權利要求4所述的放電腔的導流機構，其特征在于，從所述每個電極的下向朝向相應的葉輪伸出一個下導流板，其呈現(xiàn)向葉輪方向彎曲的弧形。
9.一種放電腔，其特征在于，包括如權利要求1-8中任一項所述的導流機構。
10.一種激光器，其特征在于，包括如權利要求9所述的放電腔。
專利摘要本實用新型公開了一種放電腔的導流機構、放電腔和激光器，所述放電腔具有對稱的結構，且包括兩對電極，該導流機構包括兩個葉輪，該兩個葉輪分別對應所述兩對電極中的一對，其安裝位置關于所述放電腔的對稱面對稱，且位于所述電極的下方，其轉動軸平行于電極的軸向，所述電極的軸向平行于所述放電腔的底平面，并且該兩個葉輪的轉動方向相反，轉速相同。所述電流裝置還包括阻流片和導流板，以使放電氣流以通過放電區(qū)域的方式在放電腔內高速、均勻地循環(huán)流動，以保證放電質量，從而提高激光能量及其穩(wěn)定性。
文檔編號H01S3/03GK203026783SQ20122062264
公開日2013年6月26日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者劉斌, 丁金濱, 王魁波, 王宇, 周翊, 趙江山 申請人:中國科學院光電研究院