一种用于真空紫外光学元件清洁和存放的紫外臭氧干燥柜

摘要

一种用于真空紫外光学元件清洁和存放的紫外臭氧干燥柜，包括紫外臭氧发生模块、空调模块、气体管理模块和智能单元，紫外臭氧发生模块对真空紫外光学元件的清洁处理；空调模块实现真空紫外光学元件清洁/存放过程中干燥柜内温度和湿度的控制；气体管理模块完成真空紫外光学元件清洁和存放过程中干燥柜内气体管理；智能单元控制真空紫外光学元件清洁/存放的全部过程。本发明能快速除去真空紫外光学元件上的碳氢根污染物，并阻止水汽对真空紫外光学元件光学性能的不利影响，有效地避免由于存储方式不当造成的真空紫外光学元件性能退化，尤其适用于真空紫外光学元件的清洁和存放。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件样品柜，具体地说是一种用于真空紫外光学元件清洁和存 放的紫外臭氧干燥柜。

背景技术

随着激光技术的不但发展，以准分子激光器、自由电子激光器以及全固态真空紫外 激光器为代表的真空紫外激光光源相继出现。这些真空紫外激光光源在微电子器件制 造、微机械加工、纳米材料处理和生物医学工程等领域都有着非常广阔的应用前景。真 空紫外激光光源的快速发展以及其广泛的应用对高性能的真空紫外波段光学元件提出 了迫切地需求。

通常，采用物理气相沉积工艺制备的真空紫外波段全介质光学薄膜，膜层的聚集密 度要低于块状材料(M.Bischoff，M.Sode，D.et.al.，Metal fluori de coatings prepared by  ion-assisted deposition，SPIE，7101，71010L-1(2008))。当光学薄膜暴露于空气中时，易受水 蒸气和碳氢根化合物等污染，从而影响真空紫外波段介质光学薄膜的性能及其稳定性 (B.-C.Li，D.-W.Lin，Y.-L.Han et al.，Anti-Reflective Fluoride Coatings for Widely Tunable  Deep-Ultraviolet Diode-Pumped Solid-State Laser Applications，CHIN.PHYS.LETT.，27， 044201-1(2010))。铝是唯一适用于真空紫外波段具有高反射率的金属材料，但无论是 介质保护型还是介质增强型铝膜，随着存放时间变长，它们在真空紫外波段的反射率均 有老化现象(M.Yang，A.Gatto，and N.Kaiser，Highly reflecting aluminum-propected optical  coatings for the vacuum-ultraviolet spectral range，Appl.Opt.，45(1)，178(2006))。介质保护型和 介质增强型铝膜的反射率老化主要是由存放环境中的氧气和水蒸气引起的，但不受存放 环境中的氮气和惰性气体的影响(M.Fernández-Perea，J.A.Aznárez and J.Calvo-Angos， Far ultraviolet reflectance variation of MgF2-Protected aluminum films under controlled exposure  to the main components of the atmosphere，Thin Solid films，497，249(2006))。如何消除真空 紫外光学元件受水蒸气和碳氢根化合物的污染和减缓光学元件性能退化，已是真空紫外 光学元件清洁/存放需要解决的问题。

一般用于存放光学元件的干燥柜，虽然能有效除湿，减少真空紫外光学元件受水蒸 气的影响(张宝吉，中国发明专利“干燥样品柜”，申请号：01219348.8，授权公告号： CN 2472583Y，授权公告日：2002年1月23日)，但不能避免碳氢根化合物对真空紫 外光学元件的污染，也不能减缓真空紫外光学元件性能的退化。通常来说真空紫外光学 元件性能退化是不可逆的过程，一旦真空紫外光学元件被污染，很难恢复到最初的性能。 因此，对于真空紫外光学元件而言，合理的清洁处理和有效储存同样重要。当前，使用 较多的紫外灯清洁真空紫外光学元件，仅利用了紫外臭氧清洁功能，虽然能有效地避免 碳氢根化合物对真空紫外光学元件的污染，但不能降低或消除水汽以及温度大幅度波动 对真空紫外光学元件性能的影响，从而很难实现真空紫外光学元件的长时间稳定存放。 另外，紫外灯清洁真空紫外光学元件时将产生臭氧，臭氧具有极强的氧化能力，吸入微 量的臭氧(0.1-1ppm)即可使人感到头晕、目涩和咽喉疼痛等症状，因此清除臭氧也是紫 外灯清洁过程中需要考虑的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种用于真空紫外光学元件 清洁和存放的紫外臭氧干燥柜，能够快速除去真空紫外光学元件上的碳氢根污染物，并 阻止水汽对真空紫外光学元件光学性能的不利影响，有效地避免由于存储方式不当造成 的真空紫外光学元件性能退化。

本发明的技术解决方案是，一种用于真空紫外光学元件清洁和存放的紫外臭氧干燥 柜，包括紫外臭氧发生模块、空调模块、气体管理模块和智能单元，其中：

紫外臭氧发生模块主要由紫外光光源组成；所述的紫外光光源为熔融石英或其它紫 外光学材料(氟化钙、氟化镁等)外套的汞灯、准分子紫外灯或者紫外波长的激光，辐 射波长低于300nm；紫外臭氧发生模块通过智能单元控制，由智能单元设定紫外光辐照 时间，并启动紫外臭氧发生模块达到对真空紫外光学元件的清洁处理；

空调模块，由空调机和温度和湿度传感器组成；所述的空调机具有对紫外臭氧干燥 柜内的温度和湿度控制功能；空调模块通过智能单元控制，由智能单元设定紫外臭氧干 燥柜内的温度和湿度，并启动空调模块实现紫外臭氧干燥柜内温度/湿度的控制；

气体管理模块，主要有气体控制部件和尾气处理装置；所述的气体控制部件用于控 制输入或输出口气体的流速，工作中根据使用者的需要选择输入不同种类的气体；所述 的尾气处理装置用于清除紫外臭氧干燥柜内产生的废气，尤其是臭氧；气体管理模块通 过智能单元控制，由智能单元设定输入或输出口气体流速和尾气延长处理时间等参数， 并启动气体管理模块，完成真空紫外光学元件清洁和存放过程中干燥柜内气体输入/输出 和废气清除功能；

智能单元是紫外臭氧干燥柜的核心，控制真空紫外光学元件清洁/存放的全部过程。

所述的紫外臭氧干燥柜放置在温度受控、洁净等级高于或等于10000级的超净室环 境时，可以不配置空调模块(2)中的温度传感器和相关的温度控制单元。

所述的紫外臭氧发生模块和空调模块可单独或组合使用，分别实现对真空紫外光学 元件的紫外臭氧清洁处理、干燥存放和紫外臭氧清洁和干燥存放。

所述的气体管理模块也可以直接与真空系统连接，实现真空紫外光学元件在真空环 境下的清洁和存放。

所述的紫外臭氧干燥柜放置在非封闭实验室环境中时，可以不配置气体管理模块中 的尾气处理装置。

本发明的原理是：紫外臭氧清洁处理是一种通过紫外光照射光学元件，分解吸附在 真空紫外光学元件上的碳氢根污染物，降低真空紫外光学元件的光学损耗，并改善真空 紫外光学元件的其他性能的有效技术途径。该技术是通过光敏氧化过程除去吸附在真空 紫外光学元件上的碳氢根污染物。当吸附在真空紫外光学元件上的碳氢根污染物分子吸 收由熔融石英或其它紫外光学材料(氟化钙、氟化镁等)外套的汞灯、准分子紫外灯， 或者紫外波长的激光发出的紫外光时，污染物分子将会被激发或解离。与此同时，真空 紫外光学元件存放环境中的氧分子受到熔融石英或其它紫外光学材料(氟化钙、氟化镁 等)外套的汞灯、准分子紫外灯，或者紫外波长的激光发出的紫外光激发，将按方程(1) 的方向生成氧原子和臭氧。最后，被激发或解离的碳氢根污染物分子将与氧原子反应生 成形式简单、易挥发的分子，如一氧化碳、二氧化碳和水汽等。从而达到清洁真空紫外 光学元件，降低真空紫外光学元件光学损耗的目的。

在真空紫外光学元件内部，基底和/或膜层内的杂质和/或缺陷也会使真空紫外光学 元件的吸收损耗增加，光学性能下降。当采用紫外光照射时，紫外光与真空紫外光学元 件内部或膜层内的杂质和/或缺陷相互作用，能有效降低基底和/或膜层内的杂质和/或缺 陷密度，使真空紫外光学元件内部的吸收损耗降低，真空紫外光学元件的光学性能提高。

另外，结合空调机控制干燥柜内的温度/湿度，考虑到氮气和惰性气体以及真空环境 对真空紫外光学元件的性能无影响，亦可选择充入氮气或惰性气体或者在真空环境中存 放真空紫外光学元件。由此，紫外臭氧干燥柜既能避免水汽和碳氢根化合物对真空紫外 光学元件性能的不利影响，又能有效地避免由于存储方式不当引起的真空紫外光学元件 性能退化。此外，为避免臭氧对人体的伤害，紫外臭氧干燥柜可选择配置尾气处理装置。

可供选择的具有除臭氧功能的器件，主要有高石英外套的低压汞灯、除臭氧片和除 臭氧过滤网等。高石英外套的汞灯除臭氧的原理是利用高石英外套的低压汞灯发出的紫 外光按照按方程(2)的方向将臭氧分解生成氧原子和氧气，同时由于该灯使用高石英外 套，汞灯发出的较短波长的紫外光将被高石英外套吸收，从而避免了环境中的氧分子继 续按方程(1)的方向生成氧原子和臭氧。除臭氧片和除臭氧过滤网则是利用化学反应的方 式除去臭氧。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明能够快速除去真空紫外光学元件上的碳氢根污染物，并阻止水汽对真 空紫外光学元件光学性能的不利影响，有效地避免由于存储方式不当造成的真空紫外光 学元件性能退化，尤其适用于真空紫外光学元件的清洁/存放。

(2)本发明使用空调模块，用于控制干燥柜内的温度/湿度，从而有效地降低或消 除水汽和温度大幅度波动对光学元件性能的影响，有效地避免由于存储方式不当造成的 真空紫外光学元件性能退化。同时，本发明也可做真空紫外光学元件性能的环境稳定性 实验用。

(3)本发明将紫外臭氧清洁功能与干燥存放技术结合，两者也可以单独使用，灵 活方便。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的总体工作流程图；

图3为本发明的总体测控过程的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括紫外臭氧发生模块1、空调模块2、气体管理模块3和智 能单元4，其中：紫外臭氧发生模块1主要由紫外光光源组成；紫外光光源为熔融石英 或其他紫外光学材料(氟化钙、氟化镁等)外套的汞灯、准分子紫外灯或者真空紫外/ 深紫外激光，辐射波长低于300nm；紫外臭氧发生模块1通过智能单元4控制。空调模 块2，由空调机和温度/湿度传感器组成；空调机具有对紫外臭氧干燥柜内的温度/湿度控 制功能；空调模块2由智能单元4控制。气体管理模块3，主要有气体控制部件和尾气 处理装置；气体管理模块3亦通过智能单元4控制。智能单元4是紫外臭氧干燥柜的核 心，控制真空紫外光学元件清洁/存放的全部过程。

使用紫外臭氧干燥柜清洁/存放真空紫外光学元件时，首先对真空紫外光学元件进行 预清洁处理。若真空紫外光学元件表面仅附着有尘埃等易清除的污染物，则采用高纯氮 气枪喷洗真空紫外光学元件表面；若真空紫外光学元件表面仍有其它的污染物，则用酒 精冲洗真空紫外光学元件，并用酒精浸泡过的棉花团清洗元件表面，最后用高纯氮气吹 干。接着，将预清洁处理后的真空紫外光学元件放入紫外臭氧干燥柜中，并根据需要选 择气体输入口连接气体种类或者与真空系统相连，等待对真空紫外光学元件的清洁/存放 操作。

图2所示为紫外臭氧干燥柜的总体工作流程。智能单元4发出清洁/存放启动模式、 清洁启动模式和存放启动模式三种启动模式请求。随后智能单元4启动操作系统，操作 系统启动完成后将控制权转交于智能单元4之上的总体测控程序。总体测控程序用于协 调紫外臭氧干燥柜的各个模块实现对真空紫外光学元件的清洁处理，存储环境的温度/ 湿度控制，以及气体管理等功能。总体测控程序首先从智能单元4获得启动模式，即清 洁/存放启动模式、清洁启动模式或存放启动模式，然后根据启动模式执行控制命令， 向紫外臭氧发生模块1、空调模块2和气体管理模块3发送启动命令。当紫外臭氧发生 模块1启动时，紫外臭氧干燥柜将按照智能单元4设定的紫外光辐照时间参数，对真空 紫外光学元件做定时紫外臭氧清洁处理；若空调模块2启动时，紫外臭氧干燥柜将依照 智能单元4设定的柜体内温度/湿度参数，控制柜体内的温度/湿度；若气体管理模块3 启动时，紫外臭氧干燥柜依照智能单元4设定的输入/输出口的气体流速和延长尾气处理 装置关闭时间等参数，完成真空紫外光学元件清洁/存放过程中干燥柜内气体管理。另外， 紫外臭氧干燥柜放置在温度/湿度受控的超净室环境时，可以不配置空调模块2中的相应 检测和控制单元。

如图3所示，总体测控程序运行后进行各模块的初始化，获得各模块的状态信息， 并分析紫外臭氧干燥柜的启动模式。当以清洁/存放模式启动时，开启紫外臭氧模块1， 空调模块2和气体管理模块3，控制紫外臭氧干燥柜内的温度/湿度，管理气体，并开始 计时进行紫外臭氧清洁处理，判断是否完成清洁任务，这里的清洁任务包括按照设定的 紫外灯照射时间和尾气处理延迟时间参数完成紫外臭氧清洁和尾气处理功能，若没有完 成清洁任务，则继续紫外臭氧清洁；若完成清洁任务，则关闭紫外灯，并进一步判断是 否完成任务，若没有完成任务，则紫外臭氧干燥柜将保持当前状态；若完成任务则退出 程序，紫外臭氧干燥柜将待机。当以清洁模式启动时，开启紫外臭氧模块1和气体管理 模块3，管理紫外臭氧干燥柜内的气体，开始计时进行紫外臭氧清洁处理，判断是否完 成清洁任务，若没有完成清洁任务，则继续紫外臭氧清洁；若完成清洁，则关闭紫外灯， 并进一步判断是否完成任务，若没有完成任务，则紫外臭氧干燥柜将保持当前状态；若 完成任务则退出程序，紫外臭氧干燥柜将待机。当以存放模式启动时，开启空调模块2 和气体管理模块3，控制紫外臭氧干燥柜内的温度/湿度，并管理气体，该模式下尾气处 理装置不开启。进一步判断是否完成任务，若没有完成任务，则紫外臭氧干燥柜将保持 当前状态；若完成任务则退出程序，紫外臭氧干燥柜将待机。