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不同缓冲气体中ArF准分子激光系统放电特性分析

王倩 赵江山 范元媛 郭馨 周翊

不同缓冲气体中ArF准分子激光系统放电特性分析

王倩, 赵江山, 范元媛, 郭馨, 周翊
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  • 为深入理解挖掘ArF准分子激光系统运转机制, 进而获得ArF准分子激光系统设计优化的理论及方向性指导, 文章基于流体模型, 以气体高压放电等离子体深紫外激光辐射过程为主要研究对象, 研究了放电抽运ArF准分子激光系统的动力学特性, 分析了不同缓冲气体中, ArF准分子激光系统极板间电压、电流、光子数密度变化趋势及电子数密度空间分布情况, 讨论了光电离在系统放电过程中的重要作用. 结果表明, Ne作为缓冲气体时, 电子耗尽层及阴极鞘层宽度更小, 放电更加稳定. 在Ne中添加杂质气体Xe, 可以通过光电离加速放电区域的扩展, 减小电子耗尽层及阴极鞘层的宽度, 降低放电发生的阈值电压, 提高放电稳定性.
      通信作者: 周翊, zhouyi@aoe.ac.cn
    • 基金项目: 国家科技重大专项(批准号: 2013ZX02202)和应用光学国家重点实验室开放基金(批准号: SKLAO-201915)资助的课题
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    Hirotaka M, Takahito K, Hiroaki T, Akihiko K, Takeshi O, Takashi M, Hakaru M 2016 Proc. SPIE 7980 79801I

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    Levatter J I, Lin S C 1980 J. Appl. Phys. 51 210

  • 图 1  准分子动力学仿真计算流程

    Fig. 1.  Simulation process of discharge dynamics of excimer.

    图 2  放电电路

    Fig. 2.  Discharge circuit.

    图 3  极板间电压、电流及光子数密度随时间变化图(He为缓冲气体)

    Fig. 3.  Waveforms of discharge voltage, current, and photon number density (He is the buffer gas).

    图 4  极板间电压、电流及光子数密度随时间变化图(Ne为缓冲气体)

    Fig. 4.  Waveforms of discharge voltage, current, and photon number density (Ne is the buffer gas).

    图 5  电子数密度空间分布 (a) He作为缓冲气体; (b) Ne作为缓冲气体

    Fig. 5.  Electron number density spatial distribution: (a) He as the buffer gas; (b) Ne as the buffer gas.

    图 6  Ne+, Ne*, He+, He*数密度变化图

    Fig. 6.  Waveforms of Ne+, Ne*, He+, He* number density.

    图 7  距离阴极0.2 cm处, 电子数密度随时间分布 (a) 不考虑光电离; (b)考虑光电离

    Fig. 7.  Waveforms of electron number density at 0.2 cm from cathode: (a) Considering photoionization; (b) without photoionization.

    图 8  添加Xe与不添加Xe极板间电流、电压及光子数密度变化图

    Fig. 8.  Waveforms of discharge voltage, current, and photon number density with and without Xe.

    图 9  添加Xe后电子数密度空间分布

    Fig. 9.  Waveforms of electron number density spatial distribution with Xe.

    图 10  不同Xe含量光子数密度分布情况

    Fig. 10.  Waveforms of photon number density with different Xe ratios.

    表 1  ArF准分子激光器等离子反应过程(He作为缓冲气体)

    Table 1.  Plasma reaction process of ArF excimer laser system (He is the buffer gas).

    反应类型反应过程反应系数参考文献
    电子碰撞反应Ar + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    Ar + e → Arex + e计算玻尔兹曼方程得到
    Ar + e → Ar* + e计算玻尔兹曼方程得到
    Ar* + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    F2 + e → F + F计算玻尔兹曼方程得到
    He + e → He+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    He + e → Heex + e计算玻尔兹曼方程得到
    He + e → He* + e计算玻尔兹曼方程得到
    中性粒子反应Ar+ + 2 Ar → Ar2+ + Ar2.5 × 10–31 cm6·s–1[15]
    Ar+ + F → ArF*1 × 10–6 cm3·s–1[15]
    Ar2+ + F→ ArF* + Ar1 × 10–6 cm3·s–1[15]
    Arex → Ar + 1.0 ns[15]
    Ar* + F2 → ArF* + F8 × 10–10 cm3·s–1[15]
    ArF*→Ar + F + 42 ns[15]
    受激辐射ArF* + → ArF + 24 × 10–16 cm3·s–1[15]
    光电离 + F → F + e1 × 10–17 cm3[15]
    Arex + → Ar+ + e1 × 10–18 cm3[15]
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    表 2  ArF准分子激光器等离子反应过程(Ne作为缓冲气体)

    Table 2.  Plasma reaction process of ArF excimer laser system (Ne is buffer gas).

    反应类型反应过程反应系数参考文献
    电子碰撞反应Ar + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    Ar + e → Arex + e计算玻尔兹曼方程得到
    Ar + e → Ar* + e计算玻尔兹曼方程得到
    Ar* + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    F2 + e → F + F计算玻尔兹曼方程得到
    Ne* + e → Ne+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    Ne + e → Ne+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
    Ne + e → Ne* + e计算玻尔兹曼方程得到
    中性粒子反应Ne2* + e → 2e + Ne2+(9.75 × 10–9) × (abs(Te))0.71 × exp(–3.4/abs(Te))[16]
    Ne2+ + e → Ne* + Ne(3.7 × 10–8) × (abs(Te))–0.43[16]
    Ar+ + 2Ar → Ar2+ + Ar2.5 × 10–31 cm6·s–1[15]
    Ar+ + F → ArF*1 × 10–6 cm3·s–1[15]
    Ar2+ + F → ArF* + Ar1 × 10–6 cm3·s–1[15]
    Arex → Ar + 1.0 ns[15]
    Ar* + F2 → ArF* + F8 × 10–10 cm3·s–1[15]
    2Ne* → Ne+ + Ne + e5 × 10–10 cm3·s–1[17]
    Ne+ + 2Ne →Ne2+ + Ne4.4 × 10–32 cm6·s–1[17]
    Ne* + Ne + Ne → Ne2* + Ne4 × 10–34 cm6·s–1[17]
    Ar + ArF* → 2Ar + F9 e × 10-12 cm3·s–1[15]
    Ne + ArF* → Ar + Ne + F1 × 10–12 cm3·s–1[17]
    F2 + ArF* → Ar + 3F1.9 × 10–9 cm3·s–1[15]
    受激辐射ArF* + → ArF + 24 × 10–16 cm3·s–1[15]
    光电离 + F → F + e1 × 10–17 cm3[15]
    Arex + → Ar+ + e1 × 10–18 cm3[15]
    Xe + ’→Xe+ + e阈值为 12.1 eV, 截面为1 × 10–16 cm2[18]
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-13
  • 修回日期:  2020-04-13
  • 上网日期:  2020-08-27
  • 刊出日期:  2020-09-05

不同缓冲气体中ArF准分子激光系统放电特性分析

  • 1. 中国科学院微电子研究所, 北京 100094
  • 2. 北京市准分子激光工程技术中心, 北京 100094
  • 3. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 4. 应用光学国家重点实验室, 长春 130033
  • 通信作者: 周翊, zhouyi@aoe.ac.cn
    基金项目: 国家科技重大专项(批准号: 2013ZX02202)和应用光学国家重点实验室开放基金(批准号: SKLAO-201915)资助的课题

摘要: 为深入理解挖掘ArF准分子激光系统运转机制, 进而获得ArF准分子激光系统设计优化的理论及方向性指导, 文章基于流体模型, 以气体高压放电等离子体深紫外激光辐射过程为主要研究对象, 研究了放电抽运ArF准分子激光系统的动力学特性, 分析了不同缓冲气体中, ArF准分子激光系统极板间电压、电流、光子数密度变化趋势及电子数密度空间分布情况, 讨论了光电离在系统放电过程中的重要作用. 结果表明, Ne作为缓冲气体时, 电子耗尽层及阴极鞘层宽度更小, 放电更加稳定. 在Ne中添加杂质气体Xe, 可以通过光电离加速放电区域的扩展, 减小电子耗尽层及阴极鞘层的宽度, 降低放电发生的阈值电压, 提高放电稳定性.

English Abstract

    • 目前, ArF准分子激光系统是国际半导体光刻机的主流光源[1-3], 其稳定运转直接影响半导体光刻机的工作效能, 因而对激光系统的整体设计优化就显得非常重要. ArF准分子激光系统运转主要基于高压气体放电等离子体激发光辐射过程, 对放电过程特性的研究是系统设计的核心和根源. 放电过程特性的良好把握对于系统腔体结构设计、电源特性、配气措施等方面的优化改善都将具有极其重要的作用.

      1986年, Mieko和Minoru[4]建立了适用于放电抽运的准分子激光器一维流体模型, 对XeCl准分子激光器的理论研究表明, 激光器放电及动力学特性受电子密度影响较大, 而电子密度主要由Xe和HCl气体的配比决定. 1988年, Shinjin等[5]以及Mieko和Minoru[6]分别从抽运效率、增益系数等方面研究了使用He, Ne作为缓冲气体时系统的输出特性, 并指出使用Ne代替He在能量和效率方面并没有明显优势. 但Ne作为缓冲气体时, 由于Ne与电子的反应更加复杂, 除了直接的电离、激发反应生成电子外, 还包含了大量的步进电离、二次电离, 释放出自由电子, 系统放电稳定性有所提高. 同时, $ \rm Ne_2^* $可辐射出85 nm紫外激光, 单光子能量为14.6 eV. 在工作气体中加入微量的电离能较低的惰性杂质气体, 如Xe(电离能为12.1 eV), 会被光子电离, 生成Xe+和自由电子, 即: $ {\rm Xe} + h \nu \Rightarrow \rm Xe^+ + e $. 这一过程将提升预电离的效果, 使放电更加稳定. 关于不同缓冲气体中粒子数空间分布情况以及光电离在放电过程中的重要作用少有文献报道分析.

      我国研究者也开展了诸多高压脉冲放电的研究工作. 2006年, 华中科技大学的Jiang和Yang[7]进行了高气压辉光放电的理论与实验研究, 分析了高气压辉光放电的稳定性问题. 2008年, 大连理工大学的石峰[8]进行了高气压超短纳秒脉冲气体放电的数值模拟研究, 给出了不同电极间距、脉冲电压幅值下的大气纳秒脉冲放电结果. 2012年, 华中科技大学的杨晨光等[9]进行了大气压纳秒脉冲放电等离子体数值模拟与实验研究, 分析比较了不同放电条件下的纳秒脉冲放电特性. 但以上研究工作的重点均在大气压、高压脉冲放电形成等离子特性的描述上, 并未将其与准分子激光输出特性以及稳定性相联系. 2015年, 华中科技大学罗时文等[10,11]进行了放电抽运ArF准分子激光器的放电动力学仿真计算, 分析了放电参数对激光输出及系统能量利用效率的影响.

      本文以ArF准分子激光系统及其核心系统运转物理机制—气体高压放电等离子体深紫外激光辐射过程为主要研究对象, 参考国际相关领域通用的模型及算法, 系统分析了使用不同缓冲气体时准分子激光系统的放电特性, 深入探讨了光电离过程的重要作用及其对系统稳定性的影响.

    • 光刻用ArF准分子激光系统常规工作气压约为2—5 bar (1 bar = 105 Pa), 通过高压放电激励, 建立等离子体运转模式, 最终实现了深紫外波段(中心波长为193 nm)的激光辐射. 本文采用适用于高气压气体放电系统的流体模型进行计算[12,13]. 流体模型将放电等离子体系统中的粒子作为流体来处理, 既考虑了场的自洽问题, 又考虑了带电粒子的非平衡问题, 能够反映出等离子体的主要宏观性质. 图1为一维流体模型计算流程.

      图  1  准分子动力学仿真计算流程

      Figure 1.  Simulation process of discharge dynamics of excimer.

      图2为ArF准分子激光系统放电电路. 本文使用的等效放电电路与Akashi等[14]的相似, 由电容C1, C2, 电感L1, L2和开关S组成. 该放电电路实际上包括了磁压缩脉冲放电电路的最后一级磁压缩电路和放电腔放电电路. 电感L1约为600 nH, 电感L2约为20 nH, 电容C1约为10 nF, C2约为1.5 nF, R1约为1 Ω. L1为末级磁开关压缩回路的磁开关饱和电感与回路电感和, L2为放电腔内放电电路的回路电感, C1为末级磁开关的储能电容, C2为峰化电容. 开关S1闭合前, 能量由抽运电源转移到电容C1中, 开关S1闭合后(磁开关饱和后), C1中的能量经回路LC振荡转移到峰化电容C2中, C2中的能量经电极放电注入工作气体. 激光谐振腔输出耦合镜反射率约为4%. 不同缓冲气体系统中, 计算过程中考虑的等离子形成过程如表1表2所示.

      反应类型反应过程反应系数参考文献
      电子碰撞反应Ar + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      Ar + e → Arex + e计算玻尔兹曼方程得到
      Ar + e → Ar* + e计算玻尔兹曼方程得到
      Ar* + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      F2 + e → F + F计算玻尔兹曼方程得到
      He + e → He+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      He + e → Heex + e计算玻尔兹曼方程得到
      He + e → He* + e计算玻尔兹曼方程得到
      中性粒子反应Ar+ + 2 Ar → Ar2+ + Ar2.5 × 10–31 cm6·s–1[15]
      Ar+ + F → ArF*1 × 10–6 cm3·s–1[15]
      Ar2+ + F→ ArF* + Ar1 × 10–6 cm3·s–1[15]
      Arex → Ar + 1.0 ns[15]
      Ar* + F2 → ArF* + F8 × 10–10 cm3·s–1[15]
      ArF*→Ar + F + 42 ns[15]
      受激辐射ArF* + → ArF + 24 × 10–16 cm3·s–1[15]
      光电离 + F → F + e1 × 10–17 cm3[15]
      Arex + → Ar+ + e1 × 10–18 cm3[15]

      表 1  ArF准分子激光器等离子反应过程(He作为缓冲气体)

      Table 1.  Plasma reaction process of ArF excimer laser system (He is the buffer gas).

      图  2  放电电路

      Figure 2.  Discharge circuit.

      反应类型反应过程反应系数参考文献
      电子碰撞反应Ar + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      Ar + e → Arex + e计算玻尔兹曼方程得到
      Ar + e → Ar* + e计算玻尔兹曼方程得到
      Ar* + e → Ar+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      F2 + e → F + F计算玻尔兹曼方程得到
      Ne* + e → Ne+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      Ne + e → Ne+ + 2e计算玻尔兹曼方程得到
      Ne + e → Ne* + e计算玻尔兹曼方程得到
      中性粒子反应Ne2* + e → 2e + Ne2+(9.75 × 10–9) × (abs(Te))0.71 × exp(–3.4/abs(Te))[16]
      Ne2+ + e → Ne* + Ne(3.7 × 10–8) × (abs(Te))–0.43[16]
      Ar+ + 2Ar → Ar2+ + Ar2.5 × 10–31 cm6·s–1[15]
      Ar+ + F → ArF*1 × 10–6 cm3·s–1[15]
      Ar2+ + F → ArF* + Ar1 × 10–6 cm3·s–1[15]
      Arex → Ar + 1.0 ns[15]
      Ar* + F2 → ArF* + F8 × 10–10 cm3·s–1[15]
      2Ne* → Ne+ + Ne + e5 × 10–10 cm3·s–1[17]
      Ne+ + 2Ne →Ne2+ + Ne4.4 × 10–32 cm6·s–1[17]
      Ne* + Ne + Ne → Ne2* + Ne4 × 10–34 cm6·s–1[17]
      Ar + ArF* → 2Ar + F9 e × 10-12 cm3·s–1[15]
      Ne + ArF* → Ar + Ne + F1 × 10–12 cm3·s–1[17]
      F2 + ArF* → Ar + 3F1.9 × 10–9 cm3·s–1[15]
      受激辐射ArF* + → ArF + 24 × 10–16 cm3·s–1[15]
      光电离 + F → F + e1 × 10–17 cm3[15]
      Arex + → Ar+ + e1 × 10–18 cm3[15]
      Xe + ’→Xe+ + e阈值为 12.1 eV, 截面为1 × 10–16 cm2[18]

      表 2  ArF准分子激光器等离子反应过程(Ne作为缓冲气体)

      Table 2.  Plasma reaction process of ArF excimer laser system (Ne is buffer gas).

      ArF*的生成及受激辐射是激光输出的主要过程, 在两种缓冲气体中, ArF*均主要通过三条化学反应通道生成, 即

      $ \begin{split} &{{\rm{A}}{{\rm{r}}^*} + {{\rm{F}}_2} \Rightarrow {\rm{Ar}}{{\rm{F}}^*} + {\rm{F}},}\\ &{{\rm{A}}{{\rm{r}}_2}^ ++ {{\rm{F}}^ - } \Rightarrow {\rm{Ar}}{{\rm{F}}^*} + {\rm{Ar}},}\\ &{{\rm{A}}{{\rm{r}}^ + } + {{\rm{F}}^ - } + {\rm{M}} \Rightarrow {\rm{Ar}}{{\rm{F}}^*} + {\rm{M}}.} \end{split} $

      表1表2加粗的反应过程为主要化学反应通道.

    • 本文考虑的准分子激光系统为放电抽运激光系统, 电能通过电极注入工作气体. 工作气体电离产生自由电子, 自由电子在电场作用下发生雪崩效应, 引发放电. 为了抑制弧光及流注放电通道形成, 提高放电稳定性, 需要通过预电离使极板间具有一定量的自由电子(1 × 106 — 1 × 108 cm–3), 电子间距与电子雪崩形成时的球状半径大致相等[17,19]. 经预电离后, 极板间存在可自由移动的电子. F2迅速与电子结合形成F, 随后工作气体通过离化、激发等反应形成Ar*, Ar+, $ \rm Ar_2^+ $等粒子, 工作气体在强电场作用下被击穿, 带电粒子迁移形成电流. ArF*经受激辐射释放出光子, 光子形成后在激光腔内反复振荡, 增益放大, 最终形成激光输出.

      基于上述理论模型和相关参数设置, 在不同缓冲气体系统, 放电过程中极板间电流、电压及光子数密度随时间演化规律如图3图4所示. 图3为He作为缓冲气体时极板间电压、电流及光子数密度变化图, 以He为缓冲气体时, F2/Ar/He混合工作气体的比例约为1∶33∶383; 图4为Ne作为缓冲气体时极板间电压、电流及光子数密度变化图, 以Ne作为缓冲气体时, F2/Ar/Ne混合工作气体的比例约为1∶25∶974. 从图4中可以看出, He作为缓冲气体时, 从45 ns左右开始, 工作气体被击穿, 极板间电流开始上升(图3中绿线标示). 极板间电压值达到最大值时(图3中蓝线标示), 电流值开始呈指数上升, 达到最大时, 光子数密度开始呈指数上升(图3中红线标示). 约90 ns时, 光子数回落至初始状态, 一个光脉冲输出结束. Ne作为缓冲气体时, 放电周期约为120 ns, 与He作为缓冲气体时相比(放电周期90 ns), 放电周期延长了30 ns. Ne作为缓冲气体时, 光脉冲长度为25 ns, 与He作为缓冲气体相比(光脉冲长度为15 ns), 光脉冲长度延长了10 ns. 放电周期及光脉冲的延长有利于降低能量密度, 延长光学元件寿命. 另外, Ne作为缓冲气体时, 后期电压、电流振荡现象不明显; 而作为缓冲气体时, 系统放电稳定性较好.

      图  3  极板间电压、电流及光子数密度随时间变化图(He为缓冲气体)

      Figure 3.  Waveforms of discharge voltage, current, and photon number density (He is the buffer gas).

      图  4  极板间电压、电流及光子数密度随时间变化图(Ne为缓冲气体)

      Figure 4.  Waveforms of discharge voltage, current, and photon number density (Ne is the buffer gas).

    • F2与电子反应为附着反应, 无能量损失, 且速度快, 因此, 预电离产生的自由电子会在放电初始时刻被F2快速吸附, 形成F和F. 电子被吸附, 预电离效果减弱, 阴极表面形成电子耗尽层, 放电不稳定因素增加. 观察电流值达到峰值时, 自由电子分布情况(图5). He作为缓冲气体时, 电子耗尽层宽度约为15 μm, 电子鞘层宽度为20 μm; Ne作为缓冲气体时, 电子耗尽层宽度为7 μm, 阴极鞘层宽度为11 μm. 对比Ne+, Ne*与He+, He*数密度变化曲线图(图6)可知, Ne+, Ne*的数密度比He+, He*高一个数量级. 这是由于Ne激发能量阈值低, 激发生成的Ne*又可以被电离生成Ne+和自由电子, 这在一定程度上补充了阴极附近的自由电子, 使阴极附近的电子耗尽层宽度减小, 鞘层电子数密度梯度减小, 放电稳定性提升.

      图  5  电子数密度空间分布 (a) He作为缓冲气体; (b) Ne作为缓冲气体

      Figure 5.  Electron number density spatial distribution: (a) He as the buffer gas; (b) Ne as the buffer gas.

      图  6  Ne+, Ne*, He+, He*数密度变化图

      Figure 6.  Waveforms of Ne+, Ne*, He+, He* number density.

    • ArF准分子激光系统输出激光中心波长为193.368 nm, 单光子能量为6.4 eV. Arex, Ar*, F电离的能量阈值分别为3.57, 4.21, 4.32 eV, 因此, 光子与上述粒子碰撞后可以使其电离, 具体反应如下:

      $ \begin{split} &{h{\rm{\gamma }} + {{\rm{F}}^ - } \to {\rm{ F}} + {\rm{e}},}\\ &{h{\rm{\gamma }} + {\rm{A}}{{\rm{r}}^{{\rm{ex}}}} \to {\rm{ A}}{{\rm{r}}^ + } + {\rm{e}},}\\ &{h{\rm{\gamma }} + {\rm{A}}{{\rm{r}}^*} \to {\rm{ A}}{{\rm{r}}^ + } + {\rm{e}}.} \end{split} $

      He作为缓冲气体时, 光电离的主要反应物为193 nm光子及激发态粒子. 反应物均在工作气体击穿放电之后大量生成, 因此, 基于193 nm光子的光电离无法对放电初始阶段产生影响. 图7为距阴极0.2 cm处的电子数密度变化情况, 是在光电离存在的情况下, 当电子数密度下降速率变小, 光脉冲输出结束时, 电子数密度高于无光电离的情况. 光脉冲输出后期, 较高的电子密度有助于维持放电稳定, 提高激光脉冲宽度.

      图  7  距离阴极0.2 cm处, 电子数密度随时间分布 (a) 不考虑光电离; (b)考虑光电离

      Figure 7.  Waveforms of electron number density at 0.2 cm from cathode: (a) Considering photoionization; (b) without photoionization.

      Ne作为缓冲气体时, Ne与电子反应生成的Ne*能够迅速与电子继续反应, 生成Ne2*, Ne2*可辐射出85 nm紫外激光, 单光子能量为14.6 eV. 在工作气体中加入微量的电离能较低的惰性杂质气体, 如Xe (电离能为12.1 eV)会被85 nm光子电离, 生成Xe+和自由电子, 即$ {\rm Xe} + h\nu \!\Rightarrow\! \rm Xe^+ + e. $ Xe被光子电离, 使工作气体中自由电子数增加, 而这一过程可以在放电初始阶段发生. 85 nm紫外激光可以接近于透明地穿过等离子体和气体, 于是光子分布的扩展速度会远远高于电子扩展速度, 并在更远的距离上导致光电离, 从而导致放电区域更快速度地扩散和混合; 同样, 光子可以进入通常电子无法到达的区域, 并在这些区域通过光电离导致种子电子生成. 这样, 光电离过程的引入, 会加快放电区域的扩展, 降低放电发生的阈值电压. 添加Xe后, 极板间放电电压、电流及光子数密度变化情况如图8所示. 从图8可以看出, 与未添加Xe相比, 添加惰性气体杂质后放电时间提前了20 ns, 放电时极板间电压从2.6 kV下降到2.2 kV, 放电电流从4.5 kA上升到9 kA, 光子数密度峰值从3.3 × 1020 m–3提高到7 × 1020 m–3. 由此可见, 在工作气体中添加惰性气体杂质有助于放电稳定, 能极大提升激光输出效率. 图9为添加Xe后, 电流密度最大时电子数密度的空间分布情况. 添加Xe后, 阴极附近的电子耗尽层及鞘层宽度进一步减小, 耗尽层宽度为5 μm, 鞘层宽度为10 μm. 电子耗尽层宽度的减小使放电稳定性得到进一步提升.

      图  8  添加Xe与不添加Xe极板间电流、电压及光子数密度变化图

      Figure 8.  Waveforms of discharge voltage, current, and photon number density with and without Xe.

      图  9  添加Xe后电子数密度空间分布

      Figure 9.  Waveforms of electron number density spatial distribution with Xe.

      逐步增加杂质气体Xe的含量, 光子数密度变化情况如图10所示. 在一定范围内, 光子数密度随Xe含量的增加而增加, 放电时间逐步提前, 但当Xe含量达到8 × 10–6时, 光子数密度不再增加, 达到饱和状态.

      图  10  不同Xe含量光子数密度分布情况

      Figure 10.  Waveforms of photon number density with different Xe ratios.

    • 本文通过流体模型对ArF准分子激光系统放电过程进行了仿真模拟, 研究了不同缓冲气体中极板间电压、电流、光子数密度变化情况以及电子数密度空间分布情况, 探讨了光电离在放电过程中的重要作用. 仿真结果表明, 使用Ne作为缓冲气体时, 尽管在能量和效率上没有明显优势, 但其电子耗尽层和阴极鞘层宽度小, 放电稳定性好. 添加微量杂质气体后, 可通过光电离进一步减小电子耗尽层及鞘层的宽度, 降低放电电压阈值, 提升激光输出效率.

      准分子激光器的放电-激光辐射过程非常复杂, 受到多种因素的影响, 本文仅围绕缓冲气体、光电离过程两个方面进行了分析研究. 后续研发工作中将更进一步开展准分子激光系统放电机理的研究, 将仿真模型从一维扩展到二维, 综合多物理因素耦合对准分子放电系统的影响.

参考文献 (19)

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