本發(fā)明涉及準分子激光器激勵電路領域，具體是一種用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路。

背景技術：

準分子激光器廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、科研等領域，尤其高重復率準分子激光器在半導體光刻中有難以替代的作用。在光刻等需要高重復率準分子激光器的應用行業(yè)，通常準分子激光器的數(shù)百hz重復率不能滿足需求。例如，目前半導體光刻中使用的krf、arf準分子激光器重復率達到6000hz。為滿足光刻等需要高重復頻率運行的要求，全固態(tài)脈沖激勵技術（solidstatepulsepowermodule，簡稱ssppm）被引入到準分子激光激勵電路中，以解決一般準分子激光器中閘流管的壽命瓶頸問題，從而實現(xiàn)準分子激光器高重復率、長壽命的運轉。全固態(tài)脈沖激勵技術是利用可控諧振充電技術和磁脈沖壓縮技術產生高壓窄脈沖放電泵浦準分子激光工作物質。準分子激光器屬氣體放電激光器，激光氣體擊穿放電時呈負阻抗特性，因此激勵電路很難與氣體負載做到很好的阻抗匹配，激勵電路注入激光氣體的能量因為阻抗不匹配會有部分能量返回激勵電路。返回的能量在激勵電路中極易形成二次振蕩，在激光氣體中形成二次放電，損傷激光放電電極，還容易導致高重復頻率準分子激光器運行不穩(wěn)定。目前的高重頻準分子激光激勵回路中，為了衰減返回激勵回路的能量，只能在回路中添加阻性吸收電路，使能量轉換為熱消耗掉，因此電源整體效率不高。且因為阻性吸收電路吸收能量不充分，仍可能形成二次振蕩，導致二次放電損傷激光放電電極。

如圖1所示是現(xiàn)有的典型高重頻率準分子激光器激勵電路，儲能電容c0通過前端充電電容充電到幾百v到幾千v，通過固體開關s1，一般是igbt，連接脈沖變壓器進行放電，d1是止回二極管。c0充電波形如圖2，脈沖變壓器一般變比為1:10~30，對電壓進行提升。c1、c2、c3、cd均為高壓陶瓷電容，ms1、ms2、ms3為磁脈沖壓縮開關。c0能量轉移到c1時間為4-8μs，在c0能量轉移到c1過程中，磁脈沖壓縮開關ms1處于關斷狀態(tài)，直到能量轉移完成，c1電壓達到最大值時，ms1正好飽和，由關斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，c1能量向c2轉移，轉移時間約為700ns-1.2μs。與前一過程類似，在c1能量轉移到c2過程中，磁脈沖壓縮開關ms2處于關斷狀態(tài)，直到能量轉移完成，c2電壓達到最大值時，ms2正好飽和，由關斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，c2能量向c3轉移，轉移時間約為120ns-200ns。在c2能量轉移到c3過程中，磁脈沖壓縮開關ms3處于關斷狀態(tài)，直到能量轉移完成，c3電壓達到最大值時，ms3正好飽和，由關斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，c3能量向cd轉移，轉移時間約為70ns-150ns。cd通過電極e對工作氣體放電，通過放電激勵從而形成激光。

由于放電回路很難與激光工作氣體阻抗做到完全匹配，放電后會在電路中形成殘余振蕩。電感l(wèi)1和功率電阻r1組成一組殘余能量吸收電路，同樣，電感l(wèi)2和功率電阻r2組成一組殘余能量吸收電路，電感l(wèi)3和功率電阻r3組成一組殘余能量吸收電路,電感l(wèi)4和功率電阻r4組成一組殘余能量吸收電路，通過多組吸收電路對殘余振蕩進行衰減。

儲能電容c0的工作波形如圖2所示，t0到t1時刻，前端充電電源對c0進行充電，t1到t2時刻為電壓保持時間，t2時刻固體開關s1導通，c0能量開始往c1轉移。圖中，t3到t5為同樣工作過程。圖3是電容c1兩端電壓波形，t0時刻到t1時刻為c0向c1充電過程，約為4-8μs。t1時刻電容c1的電壓達到最大值，此時磁脈沖壓縮開關ms1導通，能量繼續(xù)向后端電容逐級轉移。t2至t4時段內的波形是放電后傳遞到c1電容的殘余振蕩。圖4所示是放電電容cd兩端的電壓波形，其中，t1到t2是cd的充電放電過程，t2到t4是由于阻抗不匹配產生的殘余振蕩。殘余能量通過電路反向傳播到電容c1，由于開關s1在反峰振蕩傳遞的時候處于斷開狀態(tài)，能量從c1再次往cd方向傳播，電感電阻吸收電路在殘余能量傳遞過程對其進行衰減，但仍會有小部分能量吸收不完全，最終在cd兩端形成t5至t6的二次放電波形，即在電極兩端形成二次擊穿。由于二次擊穿距離先前主放電時間較短，電極之間主放電產生的帶電粒子還來不及復合，二次擊穿極易在電極之間形成弧光放電，對電極會造成一定損傷。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，以解決現(xiàn)有技術準分子激光器激勵電路電源整體效率不高、存在二次放電的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：

用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，其特征在于：包括具有兩組原邊繞組和一組副邊繞組的脈沖變壓器、設置在脈沖變壓器原邊側的儲能電容c0，脈沖變壓器兩個原邊繞組分別通過正向充電電路和反向充電電路與儲能電容c0連接，脈沖變壓器的副邊繞組兩端分別通過導線連接有放電電極e，兩導線之間連接有多組相互并聯(lián)的高壓陶瓷電容，相鄰高壓陶瓷電容相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關，僅最后一組高壓陶瓷電容上并聯(lián)有殘余能量吸收電路。

所述的用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，其特征在于：正向充電電路由二極管d1、作為固體開關s1的igbt管構成，脈沖變壓器第一組原邊繞組一端與二極管d1的陰極連接，二極管d1的陽極與儲能電容c0一端連接，脈沖變壓器第一組原邊繞組另一端與固體開關s1的集電極連接，固體開關s1的發(fā)射極與儲能電容c0的另一端連接；

反向充電電路由二極管d2、作為固體開關s2的igbt管構成，脈沖變壓器第二組原邊繞組一端與二極管d2的陽極連接，二極管d2的陰極與儲能電容c0、二極管d1的陽極之間連接，脈沖變壓器第二組原邊繞組另一端與固體開關s2的集電極連接，固體開關s2的發(fā)射極與儲能電容c0、固體開關s1的發(fā)射極之間連接。

所述的用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，其特征在于：脈沖變壓器的副邊繞組兩端分別通過導線連接有放電電極e，兩導線之間連接有相互并聯(lián)的高壓陶瓷電容c1、c2、c3、cd，其中高壓陶瓷電容c1與高壓陶瓷電容c2相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關ms1，高壓陶瓷電容c2與高壓陶瓷電容c3同樣相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關ms2，高壓陶瓷電容c3與高壓陶瓷電容cd同樣相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關ms3，僅高壓陶瓷電容cd上并聯(lián)有殘余能量吸收電路。

所述的用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，其特征在于：所述殘余能量吸收電路由電感l(wèi)4和電阻r4串聯(lián)構成。

與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明設計了一種可用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，可廣泛應用于高壓放電激勵的激光器，特別是準分子激光器，可以有效吸收放電激勵回路中的殘余能量，避免形成二次放電，有效提高相關器件壽命。放電回路中的殘余能量被收集到儲能電容中，可以重新使用，大大提高電路的效率，降低系統(tǒng)的發(fā)熱。本發(fā)明對提高系統(tǒng)可靠性、延長器件壽命以及節(jié)能減排有積極作用。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有激勵電路結構示意圖。

圖2為現(xiàn)有激勵電路儲能電容c0工作波形示意圖。

圖3為現(xiàn)有激勵電路高壓電容c1工作波形示意圖。

圖4為現(xiàn)有激勵電路放電電容cd工作波形示意圖。

圖5為本發(fā)明的激勵電路結構示意圖。

圖6為本發(fā)明的激勵電路儲能電容c0工作波形示意圖。

圖7為本發(fā)明的激勵電路高壓電容c1工作波形示意圖。

圖8為本發(fā)明的激勵電路放電電容cd工作波形示意圖。

具體實施方式

如圖5所示，用于高重復率準分子激光的無二次放電高效激勵電路，包括具有兩組原邊繞組和一組副邊繞組的脈沖變壓器、設置在脈沖變壓器原邊側的儲能電容c0，脈沖變壓器第一組原邊繞組一端與一個二極管d1的陰極連接，二極管d1的陽極與儲能電容c0一端連接，脈沖變壓器第一組原邊繞組另一端與一個作為固體開關s1的igbt管的集電極連接，固體開關s1的發(fā)射極與儲能電容c0的另一端連接，脈沖變壓器第二組原邊繞組一端與一個二極管d2的陽極連接，二極管d2的陰極與儲能電容c0、二極管d1的陽極之間連接，脈沖變壓器第二組原邊繞組另一端與一個作為固體開關s2的igbt管的集電極連接，固體開關s2的發(fā)射極與儲能電容c0、固體開關s1的發(fā)射極之間連接；

脈沖變壓器的副邊繞組兩端分別通過導線連接有放電電極e，兩導線之間連接有相互并聯(lián)的高壓陶瓷電容c1、c2、c3、cd，其中高壓陶瓷電容c1與高壓陶瓷電容c2相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關ms1，高壓陶瓷電容c2與高壓陶瓷電容c3同樣相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關ms2，高壓陶瓷電容c3與高壓陶瓷電容cd同樣相同方向一端之間連接有磁脈沖壓縮開關ms3，高壓陶瓷電容cd上還并聯(lián)有殘余能量吸收電路，殘余能量吸收電路由電感l(wèi)4和電阻r4串聯(lián)構成。

本發(fā)明電路如圖5所示：儲能電容c0通過前端充電電源充電到幾百v到幾千v，通過固體開關s1、二極管d1、連接脈沖變壓器進行放電，d1是止回二極管。在c0兩端，增加了由二極管d2、另一脈沖變壓器繞組、開關s2構成的一組反向對c0充電電路。該反向充電電路只在反峰振蕩傳遞到電容c1的時候才通過導通開關s2工作。開關s1導通時，s2處于斷開狀態(tài)，當開關s2導通時，s1處于斷開狀態(tài)。c0電壓波形如圖6所示，脈沖變壓器一般變比為1:10~30，對電壓進行提升。c1、c2、c3、cd均為高壓陶瓷電容，ms1、ms2、ms3為磁脈沖壓縮開關。c0第一個充電波形如t0到t1所示，是從0v充電到要求電壓v1，后續(xù)能量傳遞到電極兩端形成放電過程與前述一般電路相同：如圖5所示，c0能量轉移到c1時間為4-8μs，在c0能量轉移到c1過程中，磁開關ms1處于關斷狀態(tài)，直到能量轉移完成，c1電壓達到最大值時，ms1正好飽和，由關斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，c1能量向c2轉移，轉移時間約為700ns-1.2μs。在c1能量轉移到c2過程中，磁開關ms2處于關斷狀態(tài)，直到能量轉移完成，c2電壓達到最大值時，ms2正好飽和，由關斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，c2能量向c3轉移，轉移時間約為120ns-200ns。在c2能量轉移到c3過程中，磁開關ms3處于關斷狀態(tài)，直到能量轉移完成，c3電壓達到最大值時，ms3正好飽和，由關斷狀態(tài)切換到導通狀態(tài)，c3能量向cd轉移，轉移時間約為70ns-150ns。cd通過電極e對工作氣體放電，通過放電激勵從而形成激光。新發(fā)明電路不同的地方是，電容c1、c2、c3兩端沒有電感電阻吸收電路，僅在放電電容cd兩端添加了一路l4、r4組成的保護放電電路，用于出現(xiàn)異常時泄放高壓電容內的能量。因此，電極e兩端放電后形成的反峰殘余振蕩幾乎不經衰減向c1傳遞，在殘余能量到達c1時，開關s2導通，s2、d2構成的反向充電電路工作，當能量幾乎全部轉移到c0后，s2關斷。此時，c0電壓為v2，殘余振蕩的能量儲存在c0中，因此不會在放電電極兩端再次形成二次擊穿。圖7展示了電容c1的電壓波形，t2到t3時刻的反峰已經變得非常小。圖8為放電電容cd的電壓波形，由于反峰振蕩能量傳遞回c0，因此不再形成二次振蕩，t4時刻后電壓為0。

如圖6所示，c0上的電壓v2由t3充電后保持到t4，下一脈沖工作時，前端電源對c0充電，c0從t4時刻的v2充電到t5時刻的v1。在此充電過程中，充電電源提供的能量是0.5×c0×（v1×v1-v2×v2），相比典型電路每次充電能量0.5×c0×v1×v1，可以節(jié)約充電能量0.5×c0×v2×v2。經過實驗測量，c0單脈沖儲能約為5j，采用新發(fā)明激勵回路，放電后殘余能量重新充入c0約為0.5j，下一脈沖運行時，充電電源僅需對c0充電4.5j，因此可以節(jié)約能量約10%。以4000hz光刻用準分子激光為例，若c0單次充電5j，則充電電源功率至少需要20kw，mopa結構需要兩路激勵電路，那么充電電源需要翻番到40kw。若采用本發(fā)明激勵電路，充電電源可以降低4kw，如果是6000hz運行，則充電電源可以降低6kw，對充電電源和激勵電路的熱管理要求也會降低。