JP2009099902A - Cooling mechanism for discharge-excited gas laser apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cooling mechanism for a discharge-excited gas laser apparatus that can efficiently cool a peaking capacitor and a high-voltage applied portion and perform highly repetitive operation. <P>SOLUTION: In a laser chamber 1, anode and cathode electrodes 2a and 2b are provided, and the cathode electrode 2b is fitted to the laser chamber 1 having a ground potential with an insulator 5 interposed. A high-voltage supply member 3 is electrically connected to the cathode electrode 2b and one terminal of the peaking capacitor 4, and the other terminal of the peaking capacitor 4 is connected to the laser chamber 1 with the ground potential through an electric conducting member 8 fitted with a water cooling jacket 6. As the insulator 5 provided between the cathode electrode 2b and laser chamber 1, a ceramic-made member is provided which is made of aluminum nitride etc., and has high-insulation and high-heat-conductivity properties, and heat escapes to the side of the laser chamber 1 through the insulator 5 to cool the high-voltage supply member 3 and further cool the peaking capacitor 4. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は放電励起ガスレーザ装置の冷却機構に関し、特に、レーザ装置の高圧側部材を効果的に冷却することができる放電励起ガスレーザ装置の冷却機構に関するものである。   The present invention relates to a cooling mechanism for a discharge excitation gas laser device, and more particularly to a cooling mechanism for a discharge excitation gas laser device capable of effectively cooling a high-pressure side member of the laser device.

テクノロジーノードが進むにつれて、45nmから32nmノードでは、ArFエキシマレーザを光源とする露光装置において液浸技術による高NA(1.3〜1.5)化と2重露光、ダブルパターニング等の二回露光が主力となると考えられる。
ArFレーザ露光装置用光源の要求を以下に示す。
1.高ドーズ安定性の確保と高スループット化に伴い高繰返し周波数(10kHz以上)かつ高平均出力(100W以上)が要求される。
2.高NA化にともない更なる超狭帯域化(スペクトル純度95%で0.3pm以下のスペクトル幅)が要求される。
これは、加工寸法の微細化からの要求である。現状では、ArFレーザのスペクトル線幅は、95%純度で0.5〜0.35pmである。将来的には、この狭帯域化はさらに進み、0.2pm以下が要求されていくと考えられる。
3.露光装置のマスク上でスペックルの影響を低くするために出力レーザ光の空間コヒーレンスは低いことが要求される。
特に、二回露光では、ウエハを二回露光する必要があるため、生産性を高めるためには、光源出力を高める必要がある。
As the technology node advances, in the 45 nm to 32 nm node, the exposure apparatus using an ArF excimer laser as the light source increases the NA (1.3 to 1.5) by immersion technique, double exposure, double exposure, etc. Is considered to be the main force.
The requirements for a light source for an ArF laser exposure apparatus are shown below.
1. A high repetition frequency (10 kHz or more) and a high average output (100 W or more) are required with ensuring high dose stability and high throughput.
2. As the NA increases, a further ultra-narrow band (spectrum purity of 95% spectral width of 0.3 pm or less) is required.
This is a requirement from miniaturization of processing dimensions. At present, the spectral line width of ArF laser is 0.5 to 0.35 pm with 95% purity. In the future, this band narrowing will further progress, and it is considered that 0.2 pm or less will be required.
3. In order to reduce the influence of speckle on the mask of the exposure apparatus, the spatial coherence of the output laser light is required to be low.
In particular, in the double exposure, since it is necessary to expose the wafer twice, it is necessary to increase the light source output in order to increase the productivity.

このような要求を満たすために、光源としてのArFエキシマレーザでは、二台のチャンバを搭載したダブルチャンバシステムが採用されている。これは、単一のレーザチャンバを使用したレーザでは、狭いスペクトル幅など良好な光性能を保ったまま高出力化することが、システムの安定稼動や、各モジュールの寿命などの制限から、実用上、非常に困難なためである。
ダブルチャンバシステムでは、発振段と呼ばれる最初のチャンバが搭載されている部分で、小出力で、高度な光性能をもったレーザをつくり、それを増幅段と呼ばれる次のチャンバが搭載されている部分で増幅することにより、上述の実用化における困難さを克服し、上記のような産業応用上の要求にこたえている。
In order to satisfy such requirements, an ArF excimer laser as a light source employs a double chamber system equipped with two chambers. This is because in a laser using a single laser chamber, it is practically necessary to increase the output while maintaining good optical performance such as a narrow spectral width because of the stable operation of the system and the limitation of the lifetime of each module. Because it is very difficult.
In the double chamber system, the part where the first chamber called the oscillation stage is mounted is the part where the laser with high output and high optical performance is made and the next chamber called the amplification stage is mounted. In this way, the above-mentioned difficulties in practical use are overcome, and the above-mentioned industrial application requirements are met.

ところで、エキシマレーザは、間欠的に光を出す、いわゆるパルスレーザである。よってレーザ出力は、一パルスあたりのエネルギと繰り返し周波数の積で表される。従って、露光機における光源の高出力化には、二通りの方法が考えられる。
一つは、光源のエネルギを高める方法である。もうひとつは、繰り返し周波数を高める方法である。これらの方法は、それぞれに長所、短所がある。どちらの方法を採用するかは、実用上の困難さなどで決定される。
現在、大きな問題点として挙げられるのは、光学素子の耐久性である。深紫外光を用いた露光機では、深紫外光のフォトンエネルギが高いため、光学素子が光によって損傷する可能性が高い。そのような損傷を起こさないように、光学素子は高い耐久性能が求められ、さまざまな工夫がなされる。
素子自体の耐久性能が求められるのは当然であるが、素子への負荷を低減するための工夫もなされる。光学素子への入射光の時間、位置のピーク強度を下げることで、光学素子への損傷が低減することがわかっている。
よって、上述の、パルスエネルギを増加させて光源出力を増大する方法は、光学素子への負荷を増大させるため、光学素子の寿命の観点からは好ましくない。従って、光学素子、ひいては、露光システム全体の寿命を長く、安定したシステムを構築する観点からは、繰り返し周波数を増大させて、レーザの高出力化を図るほうが好ましいと考えられる。
By the way, the excimer laser is a so-called pulse laser that emits light intermittently. Therefore, the laser output is represented by the product of energy per pulse and repetition frequency. Therefore, two methods are conceivable for increasing the output of the light source in the exposure machine.
One is a method of increasing the energy of the light source. The other is a method of increasing the repetition frequency. Each of these methods has advantages and disadvantages. Which method is adopted is determined by practical difficulties.
At present, a major problem is the durability of optical elements. In an exposure machine using deep ultraviolet light, since the photon energy of deep ultraviolet light is high, the optical element is likely to be damaged by light. In order not to cause such damage, the optical element is required to have high durability performance and various devices are made.
Naturally, the durability performance of the element itself is required, but a device for reducing the load on the element is also devised. It has been found that reducing the peak intensity of the time and position of the incident light on the optical element reduces damage to the optical element.
Therefore, the above-described method of increasing the light source output by increasing the pulse energy increases the load on the optical element, which is not preferable from the viewpoint of the lifetime of the optical element. Therefore, it is considered preferable to increase the repetition frequency and increase the output of the laser from the standpoint of constructing a stable system with a long lifetime of the optical element and thus the exposure system as a whole.

図5に一般的な放電励起レーザのレーザチャンバの断面図を示す。
レーザチャンバ100の中には、電極間にレーザガスを流すためのクロスフローファン121と、放電したレーザガスを冷却するための熱交換器122、放電励起させるためのアノードとカソード電極131,132、放電を均一に効率よく発生させるための予備電離機構125、クロスフローファン121によって流れるレーザガスを電極間に効率よく流すための風ガイド123からなっている。
電源130には、チャンバ100との間を絶縁材101により絶縁された高電圧供給部材135が接続され、この高電圧供給部材135を介して、ピーキングコンデンサ134に電荷が充電される。
ピーキングコンデンサ134が充電されると、カソード電極(高電圧側)132とアノード電極(接地電位側)131の間に高電圧が生じる。その際、あるタイミングで予備電離機構125が動作し、放電空間を予備電離する。この予備電離機構125としては、コロナ放電を用いた機構が一般的である。予備電離発生後、カソード電極132とアノード電極131の電極間電圧が絶縁破壊電圧を超えると、放電が開始さる。この放電により発生したある波長の光を、共振器で選別、増幅することでエキシマレーザが発振する。
FIG. 5 shows a sectional view of a laser chamber of a general discharge excitation laser.
In the laser chamber 100, a cross flow fan 121 for flowing a laser gas between the electrodes, a heat exchanger 122 for cooling the discharged laser gas, an anode and cathode electrodes 131 and 132 for exciting the discharge, It comprises a preliminary ionization mechanism 125 for generating uniformly and efficiently, and a wind guide 123 for efficiently flowing laser gas flowing through the cross flow fan 121 between the electrodes.
A high voltage supply member 135 that is insulated from the chamber 100 by an insulating material 101 is connected to the power source 130, and the peaking capacitor 134 is charged through the high voltage supply member 135.
When the peaking capacitor 134 is charged, a high voltage is generated between the cathode electrode (high voltage side) 132 and the anode electrode (ground potential side) 131. At that time, the preionization mechanism 125 operates at a certain timing, and predischarges the discharge space. As this preionization mechanism 125, a mechanism using corona discharge is generally used. After pre-ionization occurs, discharge starts when the voltage between the cathode electrode 132 and the anode electrode 131 exceeds the dielectric breakdown voltage. Excimer laser oscillates by selecting and amplifying light of a certain wavelength generated by this discharge with a resonator.

エキシマレーザを高い動作周波数で動作させる場合の技術課題としてもっとも大きなものは、高繰り返し動作時の放電安定性である。上記のように、エキシマレーザでは、間欠放電を起こして、レーザガスを励起し、レーザ発振させるが、繰り返し周波数を増加させると、この間欠放電が安定に生成できなくなるからである。これは、高繰り返し化を行うと、放電が正常なグロー放電ではなく、アーク放電、ストリーマ放電に変化し、放電中のレーザ利得が均一でなくなり、レーザ発振に必要な利得長が確保できなくなるからだと考えられている。
エキシマレーザにおける、高繰り返し化で、もっとも有効なのは、放電幅を狭くすることである。一般に、エキシマレーザにおける、動作可能な最大繰り返し周波数は、クリアランスレシオ(ClearanceRatio、CR)と関連付けて説明される。CRとは、電極間ガス流速をv、放電間隔時間tの積と放電幅Wとの比、すなわちCR=vt/Wである。CRが十分大きいとき、放電は安定し、高繰り返し動作が可能となる。CRが大きければ、放電は安定に生成され、レーザのエネルギ安定性も良くなる。
The biggest technical problem in the case of operating an excimer laser at a high operating frequency is discharge stability during high repetition operation. As described above, the excimer laser causes intermittent discharge to excite the laser gas and cause laser oscillation. However, if the repetition frequency is increased, this intermittent discharge cannot be generated stably. This is because if the repetition rate is increased, the discharge changes from a normal glow discharge to an arc discharge or streamer discharge, and the laser gain during discharge is not uniform, and the gain length necessary for laser oscillation cannot be secured. It is believed that.
In the excimer laser, the most effective and high repetition rate is to narrow the discharge width. Generally, the maximum operable repetition rate in an excimer laser is described in relation to the clearance ratio (CR). CR is the ratio between the product of the interelectrode gas flow velocity v and the discharge interval time t and the discharge width W, that is, CR = vt / W. When CR is sufficiently large, the discharge is stable and high repetition operation is possible. If CR is large, the discharge is generated stably and the energy stability of the laser is also improved.

物理的な現象より、CRについて説明すれば、以下のようになる。放電によって生成されるイオン、活性種などの放電生成物、電極からの飛散ダスト、デブリはガスの放電抵抗を著しく低下させる。また、放電によって、ガス希薄部が生じ、この部分は相対的にガス圧力が低いため、放電抵抗が小さい。よって、この部分(放電生成物)が、電極近傍に存在すると、次に生じる放電が、電極間ではなく、この部分に生じてしまう。CRが大きいということは、この放電生成物を、次の放電が発生するときに、電極近傍から遠ざけるということを意味する。図6に、電極部分の断面図を示し、正常放電と異常放電の模式図を示す。同図において、131,132は電極、Gは電極間ギャップ、である。   From the viewpoint of physical phenomena, CR will be described as follows. Ions generated by discharge, discharge products such as active species, scattered dust and debris from the electrode significantly reduce the discharge resistance of the gas. Further, due to the discharge, a gas lean portion is generated, and since this portion has a relatively low gas pressure, the discharge resistance is small. Therefore, if this portion (discharge product) is present in the vicinity of the electrodes, the next generated discharge occurs not in the electrodes but in this portion. A large CR means that this discharge product is kept away from the vicinity of the electrode when the next discharge occurs. FIG. 6 shows a cross-sectional view of the electrode portion and shows a schematic diagram of normal discharge and abnormal discharge. In the figure, 131 and 132 are electrodes, and G is a gap between electrodes.

必要なCRの値は、レーザの用途によって異なる。レーザのエネルギ安定性がそれほど要求されないアプリケーションでは、CRは2程度でよい。しかし、半導体露光用光源として使われる場合、高いエネルギ安定性が要求されるため、CRは2以上必要となる。従って、たとえば、放電幅が3mmで、6000Hzで動作させようとすると、電極間ガス流速は秒速50m程度以上の値が必要となる。   The required CR value depends on the laser application. For applications where laser energy stability is not as critical, CR may be as low as 2. However, when used as a light source for semiconductor exposure, since high energy stability is required, two or more CRs are required. Therefore, for example, when the discharge width is 3 mm and the operation is to be performed at 6000 Hz, the inter-electrode gas flow velocity needs to be about 50 m / s or more.

次に背景で述べたダブルチャンバについて説明する。
ダブルチャンバシステムを考えた場合、増幅段に比べて発振段チャンバのほうが、高繰り返し化に対する技術的困難さは小さい。これは、通常、発振段に要求される出力、エネルギが小さく、出力ビームのエネルギ密度を小さく設計できるからである。出力ビームのエネルギ密度が高いと、出力鏡、出力窓などの光学素子に損傷を与えるため、寿命性能などの実用上の性能が達成できなくなる。放電幅を狭めることは、レーザビームの幅を小さくすることになり、同じ出力エネルギを出そうとして、放電幅を狭めていった場合、エネルギ密度が高くなることになる。発振段の場合は、出力エネルギが小さいため、許容される放電幅が狭くなるが、増幅段では出力エネルギが高いために、許容される放電幅が太くなる。
エネルギ密度が高くなる問題を回避する手段としては、電極間距離を大きくとることが挙げられる。ビーム幅を狭める分、高さを大きくすることで、レーザビームの断面を大きくでき、エネルギ密度を小さくすることができる。
Next, the double chamber described in the background will be described.
When a double chamber system is considered, the oscillation stage chamber has less technical difficulty for high repetition than the amplification stage. This is because the output and energy required for the oscillation stage are usually small, and the energy density of the output beam can be designed small. When the energy density of the output beam is high, optical elements such as an output mirror and an output window are damaged, so that practical performance such as life performance cannot be achieved. Narrowing the discharge width reduces the width of the laser beam. If the discharge width is narrowed in order to produce the same output energy, the energy density increases. In the case of the oscillation stage, since the output energy is small, the allowable discharge width becomes narrow. However, since the output energy is high in the amplification stage, the allowable discharge width becomes large.
As a means for avoiding the problem of high energy density, a large interelectrode distance can be mentioned. By increasing the height as the beam width is reduced, the cross section of the laser beam can be increased and the energy density can be reduced.

上記のほかの高繰り返し動作における技術課題は、排熱である。
レーザを動作させる場合には、ピーキングコンデンサ、電流経路の金属等で電気的損失が発生し、熱に変わる。特にピーキングコンデンサにおける損失は、正接損失、いわゆるtanδが損失をあらわす代表的な値となるが、tanδは、繰り返し周波数に比例して大きくなる。
よって、高繰り返し時には、損失による熱量が増大する。ピーキングコンデンサの温度上昇は、ピーキングコンデンサの電気容量の変動をもたらし、レーザの設計上の最適動作点からのずれを生じさせる。そのために、高繰り返しレーザでは、ピーキングコンデンサ付近の冷却が必要となる。冷却にはいくつかの方法がある(特許文献1,2,3,4,5等参照)。
Another technical problem in the high repetition operation is exhaust heat.
When the laser is operated, an electrical loss is generated by a peaking capacitor, a metal in the current path, etc., and the heat is changed to heat. In particular, the loss in the peaking capacitor is a tangent loss, so-called tan δ, which is a representative value representing the loss, but tan δ increases in proportion to the repetition frequency.
Therefore, at the time of high repetition, the amount of heat due to loss increases. The increase in temperature of the peaking capacitor causes fluctuations in the capacitance of the peaking capacitor, causing a deviation from the optimum operating point of the laser design. Therefore, in the high repetition laser, cooling near the peaking capacitor is required. There are several methods for cooling (see Patent Documents 1, 2, 3, 4, 5, etc.).

第一に、水等の冷媒を使用したジャケットタイプの冷却方法がとられている。例えば、特許文献5にあるように、ピーキングコンデンサの接続部分に冷却部材を取り付けて冷却を行っている。
第二に、雰囲気空気中の温度を低くする、強制空冷方式がある。
第三の方法としては、ピーキングコンデンサ部分を絶縁油中に浸しオイルを冷却し循環させる方法がある。この絶縁油の代わりに、フッ素系不活性液体(代表的なものとして商品名フロリナート(登録商標)で知られる)を使用する場合もある。このようにして、従来技術では不必要な熱を排熱している。
熱の問題は、レーザ性能に重要な影響を及ぼす予備電離機構でも問題となると考えられる。しかしながら、低繰り返しレーザでは、その影響はほとんど問題となっていない。それは、主放電に投入されるエネルギに比較して、予備電離機構への投入エネルギが小さいからである。一般的に、予備電離へ投入されるエネルギは、主放電に投入されるエネルギの1/5〜1/20であり、そのエネルギに起因する温度上昇は、主放電回路に比べて小さく、これまでは、特に問題となっていない。
First, a jacket-type cooling method using a coolant such as water is used. For example, as disclosed in Patent Document 5, cooling is performed by attaching a cooling member to the connecting portion of the peaking capacitor.
Second, there is a forced air cooling system that lowers the temperature in the ambient air.
As a third method, there is a method in which the peaking capacitor portion is immersed in insulating oil to cool and circulate the oil. Instead of this insulating oil, a fluorine-based inert liquid (typically known by the trade name Fluorinert (registered trademark)) may be used. In this way, unnecessary heat is exhausted in the prior art.
The thermal problem is considered to be a problem even with a preionization mechanism that has an important effect on laser performance. However, in low repetition lasers, the effect is hardly a problem. This is because the energy input to the preliminary ionization mechanism is smaller than the energy input to the main discharge. In general, the energy input to the preionization is 1/5 to 1/20 of the energy input to the main discharge, and the temperature rise caused by the energy is smaller than that of the main discharge circuit. Is not a particular problem.

また、レーザを高繰り返し化した場合の課題として、電極の寿命がある。電極寿命は、投入エネルギが同じであれば、レーザのショット数で決まる。従って、繰り返し周波数を二倍にした場合、電極の時間寿命は半分となる。
背景で述べたように、高繰り返しレーザの目的は、スループットの向上である。従って、メンテナンス間隔が短くなるような、時間寿命の半減は、産業用機械としての性能を満たすことができなくなる。そこで、高繰り返しレーザの技術開発では、大きくは電極材料の改善によって、電極寿命を延長し、時間寿命が長い、高繰り返しレーザを開発してきた。従来においては、このようにして、高繰り返しレーザを設計、開発してきた。
Moreover, there is a life of an electrode as a problem when the laser is highly repeated. The electrode life is determined by the number of laser shots if the input energy is the same. Therefore, when the repetition frequency is doubled, the time life of the electrode is halved.
As stated in the background, the purpose of a high repetition laser is to improve throughput. Therefore, halving the time life that shortens the maintenance interval cannot satisfy the performance as an industrial machine. Thus, in high-repetition laser technology development, high repetition lasers have been developed that extend the electrode life and have a long time life by improving electrode materials. Conventionally, high repetition lasers have been designed and developed in this way.

特開平5−82863号公報JP-A-5-82863 実開平6−66052号公報Japanese Utility Model Publication No. 6-66052 特開平7−221372号公報JP-A-7-221372 特表平8−505006号公報JP-T 8-505006 特開2003−249703号公報JP 2003-249703 A

高繰り返しレーザの実用化において、一番の課題は、必要電力である。レーザの繰り返し周波数を増加させようとする場合、前述したCRの観点から、2つの方策が可能であると考えられる。
例えば、6000Hz動作するレーザの繰り返し周波数を12000kHzに増加させ、レーザエネルギの安定性も確保しようとした場合、ガス流速vを二倍にするか、放電幅を1/2にすることで、CRを2〜3にすることができる。レーザを実用可能なものとする場合、この二つの方策のうち、前者が格段に困難である。それは、ガス流速を二倍にすることで、ガス流を生成するファンを駆動するモータに必要な電力は8倍に増加するからである。現在実用化されているレーザの電力から推測すると、モータに必要な電力が20kW以上必要となる。これは、レーザ発振のための放電入力と匹敵する電力となり、効率の観点から実用化において許容できる範囲ではない。
The most important issue in the practical application of high repetition laser is the required power. In order to increase the repetition frequency of the laser, it is considered that two measures are possible from the viewpoint of the CR described above.
For example, when the repetition frequency of a laser operating at 6000 Hz is increased to 12000 kHz and the stability of the laser energy is to be secured, the gas flow rate v is doubled or the discharge width is halved, so that CR is reduced. It can be 2-3. When making a laser practical, the former of these two measures is extremely difficult. This is because doubling the gas flow rate increases the power required for the motor driving the fan that generates the gas flow by an factor of eight. Assuming from the power of lasers currently in practical use, the power required for the motor is required to be 20 kW or more. This is power comparable to the discharge input for laser oscillation, and is not in an acceptable range in practical use from the viewpoint of efficiency.

よって、10kHz以上の高繰り返しレーザを実現するためには、モータの電力は実用範囲内に収め、放電幅を狭めてCRを必要な範囲に収めることが実用的である。実際に、オシレータチャンバの高繰り返し化と狭帯域化のためには、放電の狭幅化、すなわち、放電幅を狭くすることが有効である。
これを実現するために、電極幅と電極間距離を適正な範囲に収めることでスペクトル純度が0.2pm以下、繰り返し動作が10kHz以上のオシレータチャンバが実現できる。
このように、レーザの高繰り返し化のための放電安定性が実現できると、従来技術で述べたように、損失による排熱と、電極寿命の延伸が必要となる。
Therefore, in order to realize a high repetition rate laser of 10 kHz or more, it is practical to keep the power of the motor within the practical range, and narrow the discharge width to within the necessary range. Actually, it is effective to narrow the discharge, that is, to narrow the discharge width, in order to increase the repetition rate and narrow the bandwidth of the oscillator chamber.
In order to realize this, an oscillator chamber having a spectral purity of 0.2 pm or less and a repetitive operation of 10 kHz or more can be realized by keeping the electrode width and the distance between the electrodes within appropriate ranges.
As described above, if the discharge stability for the high repetition rate of the laser can be realized, as described in the prior art, the exhaust heat due to the loss and the extension of the electrode life are required.

まず、排熱の問題からのべる。従来技術で述べた、第一の方法、水等の冷媒を使用したジャケットタイプの冷却方法では、高電圧側の冷却が難しいという特徴がある。これは、一般に冷媒は電気伝導性を持つため、高電圧側にジャケットを設置すると、電気絶縁が確保できず、レーザが動作できないからである。
この問題に対して、たとえば、前記特許文献5では、冷却機構に用いる冷媒に絶縁物を使用することで問題を解決すると述べている。
しかしながら、冷却機構における冷却パイプには金属を用いるため、パイプの接続箇所等で、電気絶縁性に脆弱さが生じる。
また、電気絶縁性を確保するためには、絶縁物の沿面距離を長くする必要がある。しかしながら、金属パイプを使用する際には装置寸法が大きくなるという欠点がある。このため、高電圧側の冷却にはリスクが伴い、構造が複雑になるという欠点がある。
First, let's start with the problem of exhaust heat. The first method described in the prior art, the jacket type cooling method using a refrigerant such as water, has a feature that it is difficult to cool on the high voltage side. This is because the refrigerant generally has electrical conductivity, so if a jacket is installed on the high voltage side, electrical insulation cannot be ensured and the laser cannot operate.
For example, Patent Document 5 states that this problem can be solved by using an insulator as the refrigerant used in the cooling mechanism.
However, since metal is used for the cooling pipe in the cooling mechanism, the electrical insulation is weak at the connection point of the pipe.
Moreover, in order to ensure electrical insulation, it is necessary to lengthen the creeping distance of the insulator. However, when using a metal pipe, there is a drawback that the size of the apparatus becomes large. For this reason, there is a risk that cooling on the high voltage side involves risks and the structure becomes complicated.

従って、通常は信頼性の高い冷却方法である接地側の冷却のみを行っている。この場合の問題点として高電圧側からの冷却ができないため冷却効率が悪いということがある。
これは、接地側と高電圧側はピーキングコンデンサにより電気絶縁されているため、基本的に熱伝導性が悪いためである。一般にピーキングコンデンサに用いられる誘電体、すなわち絶縁物は、単位体積当たりの静電容量を大きくすることを目的に作られており、その熱伝導率は低い。従って、ピーキングコンデンサを通しての高電圧側およびコンデンサ自体の冷却が効率的に行えない、という問題がある。
Therefore, usually only the ground side cooling, which is a highly reliable cooling method, is performed. The problem in this case is that the cooling efficiency is poor because cooling from the high voltage side is impossible.
This is because the ground side and the high voltage side are electrically insulated by a peaking capacitor, and thus basically have poor thermal conductivity. In general, a dielectric, that is, an insulator used for a peaking capacitor is made for the purpose of increasing the capacitance per unit volume, and its thermal conductivity is low. Therefore, there is a problem that the high voltage side through the peaking capacitor and the capacitor itself cannot be efficiently cooled.

第二の方法である雰囲気空気中の温度を低くする、強制空冷方式の問題としても、冷却の効率が悪いことが挙げられる。
冷却効率を改善するためには、発熱部分にフィンなどを取り付けて熱交換を効率的に行う方法があるが、根本的に、気体による冷却であり、一般に気体の熱伝導率は小さいため、効率が悪い。
さらに、高電圧部分での放熱効果を高めるためのフィンは、表面積を大きくとることが効率を高める上で不可欠であるが、そのために構造が複雑になる点と、そのような構造では、高電圧に対する電気絶縁性の脆弱さが増大する。
すなわち、放熱フィンの先端などは、放熱効果を高めるために表面積を増やそうとすることは、針状など、先端が尖ったような構造にせざるを得ない。しかしながら、そのような構造は、高電圧印加時に電界の集中を招き、絶縁性能が劣化する。従って、放熱最適化と絶縁性確保の両立が難しくなる。また、効率を高める他の方法として、ファンによる強制循環があるが、構造が複雑になる欠点がある。また、気体で熱伝導性の良いものとして、ヘリウムガスを使用しても良いが、チャンバ上部の気密性を高める必要があるために、構造が複雑になる。
The problem with the forced air cooling method, which lowers the temperature in the ambient air, which is the second method, is that the cooling efficiency is poor.
In order to improve the cooling efficiency, there is a method of efficiently exchanging heat by attaching fins etc. to the heat generating part, but basically it is cooling by gas, and generally the thermal conductivity of gas is small, so efficiency Is bad.
Furthermore, it is indispensable to increase the surface area of fins to enhance the heat dissipation effect in the high-voltage part, but it is indispensable to increase the efficiency. Increased vulnerability to electrical insulation against
That is, in order to increase the surface area of the tips of the radiating fins in order to enhance the heat radiating effect, a structure with a pointed tip such as a needle must be formed. However, such a structure causes concentration of an electric field when a high voltage is applied, and the insulation performance deteriorates. Accordingly, it is difficult to achieve both heat radiation optimization and insulation. Further, as another method for improving the efficiency, there is a forced circulation by a fan, but there is a drawback that the structure becomes complicated. Further, helium gas may be used as a gas having good thermal conductivity, but the structure becomes complicated because it is necessary to improve the airtightness of the upper portion of the chamber.

第三の方法である、ピーキングコンデンサ部分を絶縁油中、もしくはフッ素系不活性液体に浸し液体を冷却し循環させる方法がある。この方法の優れている点は、高電圧側と接地側の両側を、効率よく冷却できることである。また、この方法の欠点としては、構造が複雑になる、装置重量が増大する、メンテナンス性に劣る点である。
まず、従来良く使われる絶縁油を液体として使用した場合、絶縁油の高い粘性を考慮し、効率的に対流を発生させようとすると、油を封じ込めるタンクの大きさが大きくなる。ファンなどを用いて強制循環させる場合も、やはり大型化する。フッ素系不活性液体を用いた場合は、その粘性の低さから、絶縁油を用いる際の欠点を緩和できるが、液体が漏れた場合や、メンテナンス時の環境への悪影響が懸念される。従って、現在実用化されている繰り返し周波数以上の繰り返し周波数を達成するためには、もっと効率の良い、ピーキングコンデンサ付近の冷却方法が必要となる。
As a third method, there is a method in which the peaking capacitor portion is immersed in insulating oil or a fluorine-based inert liquid to cool and circulate the liquid. The advantage of this method is that both the high voltage side and the ground side can be efficiently cooled. Further, the disadvantages of this method are that the structure is complicated, the weight of the apparatus is increased, and the maintainability is inferior.
First, in the case where insulating oil that has been frequently used as a liquid is used as a liquid, considering the high viscosity of the insulating oil and attempting to generate convection efficiently, the size of the tank that contains the oil increases. The size is also increased when forced circulation is performed using a fan or the like. When a fluorine-based inert liquid is used, the disadvantage of using insulating oil can be alleviated due to its low viscosity, but there is a concern that the liquid may leak or adversely affect the environment during maintenance. Therefore, a more efficient cooling method in the vicinity of the peaking capacitor is required to achieve a repetition frequency higher than the repetition frequency currently in practical use.

従来技術でも述べたように、ピーキングコンデンサの温度上昇は、ピーキングコンデンサの静電容量の低下をもたらし、設計上の最適な静電容量からのずれを引き起こし、結果としてレーザの性能を損なう。ひいては、レーザ出力の安定性などに悪影響を及ぼす。
また、エキシマレーザの電極は、少なからず、腐食性ガスであるハロゲンガスによる腐食の影響を受ける。
電極の劣化は、カソードはガスのスパッタリング、アノードはハロゲンガスによる腐食が主な原因である。スパッタリングや腐食は温度が高ければ、反応速度が高くなり、電極寿命を短くしてしまう。図5に示すように、カソード電極は、ピーキングコンデンサと電気的に接続されている。電気回路であるため、その電気抵抗は最小になるように設計されており、そのため熱抵抗もあまり小さくできない。従ってピーキングコンデンサの熱は、容易に電極側に流れ込み、電極は加熱、温度が上昇する。従って高繰り返し動作時のコンデンサの発熱が、電極寿命を短くする可能性がある。
以上の理由から、ピーキングコンデンサおよび、高電圧印加部分の効率的な冷却が、高繰り返し動作時の大きな課題となる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、ピーキングコンデンサおよび高電圧印加部分を効率的に冷却することができ、高繰り返し化が可能な放電励起ガスレーザ装置の冷却機構を提供することである。
As described in the prior art, an increase in the temperature of the peaking capacitor results in a decrease in the capacitance of the peaking capacitor, causing a deviation from the optimum design capacitance, resulting in a loss of laser performance. As a result, the stability of the laser output is adversely affected.
In addition, the excimer laser electrode is affected by corrosion caused by halogen gas, which is corrosive gas.
The deterioration of the electrode is mainly caused by gas sputtering at the cathode and corrosion by halogen gas at the anode. If the temperature of sputtering or corrosion is high, the reaction rate increases and the electrode life is shortened. As shown in FIG. 5, the cathode electrode is electrically connected to the peaking capacitor. Since it is an electrical circuit, its electrical resistance is designed to be minimal, and therefore the thermal resistance cannot be reduced too much. Accordingly, the heat of the peaking capacitor easily flows to the electrode side, and the electrode is heated and the temperature rises. Therefore, the heat generation of the capacitor during the high repetition operation may shorten the electrode life.
For the reasons described above, efficient cooling of the peaking capacitor and the high voltage application portion becomes a major issue during high repetition operation.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a cooling mechanism for a discharge-excited gas laser device that can efficiently cool a peaking capacitor and a high voltage application portion and can be highly repeated. .

上記課題を解決するため、本発明においては、接地側導電部材に冷却手段を設け、この接地側の冷却手段と高電圧供給部材を窒化アルミなどの高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材で接続することにより高電圧供給部分を冷却し、さらにはピーキングコンデンサを冷却する。
すなわち、本発明は以下のようにして、上記課題を解決する。
(1)ピーキングコンデンサの高圧側が高電圧供給部材を介して高電圧側の電極に接続され、上記高電圧供給部材は、絶縁材を介して接地電位のレーザチャンバに取り付けられ、ピーキングコンデンサの低圧側が、接地電位のレーザチャンバに設けられた接地側導電部材を介して上記レーザチャンバに取り付けられ、接地側導電部材に冷却手段が設けられた放電励起ガスレーザ装置において、上記絶縁材として、酸化アルミを超える熱伝導率を持ち、酸化アルミと同等以上の絶縁性能を有する材料を用いる。
(2)ピーキングコンデンサの高圧側が高電圧供給部材を介して高電圧側の電極に接続され、ピーキングコンデンサの低圧側が、接地電位のレーザチャンバに設けられた接地側導電部材に取りつけられ、接地側導電部材に冷却手段が設けられた放電励起ガスレーザ装置において、上記高電圧供給部材と接地側導電部材の間に、上記高電圧供給部材および上記冷却部材と熱接触している絶縁材を設け、該絶縁部材として、酸化アルミを超える熱伝導率を持ち、酸化アルミと同等以上の絶縁性能を有する材料を用いる。
(3)上記(2)において、高電圧供給部材および上記冷却部材と熱接触している絶縁部材に、雰囲気ガスと大きな接触面積を持ち、空冷効果を高めるためのフィンを設ける。
(4)上記(1)(2)において、絶縁材を、窒化アルミあるいは炭化珪素とする。
In order to solve the above problems, in the present invention, a cooling means is provided on the ground-side conductive member, and the ground-side cooling means and the high voltage supply member are connected by a ceramic member having high insulation and high thermal conductivity such as aluminum nitride. By doing so, the high voltage supply portion is cooled, and further the peaking capacitor is cooled.
That is, this invention solves the said subject as follows.
(1) The high voltage side of the peaking capacitor is connected to the high voltage side electrode via a high voltage supply member, and the high voltage supply member is attached to a laser chamber at ground potential via an insulating material. In the discharge excitation gas laser apparatus, which is attached to the laser chamber via a ground side conductive member provided in the laser chamber of the ground potential and the ground side conductive member is provided with cooling means, the insulating material exceeds aluminum oxide. A material having thermal conductivity and an insulation performance equal to or better than aluminum oxide is used.
(2) The high voltage side of the peaking capacitor is connected to the high voltage side electrode via the high voltage supply member, and the low voltage side of the peaking capacitor is attached to the ground side conductive member provided in the laser chamber at the ground potential. In the discharge excitation gas laser apparatus in which the member is provided with cooling means, an insulating material that is in thermal contact with the high voltage supply member and the cooling member is provided between the high voltage supply member and the ground side conductive member, and the insulation As a member, a material having a thermal conductivity exceeding that of aluminum oxide and having an insulation performance equal to or higher than that of aluminum oxide is used.
(3) In the above (2), fins are provided on the insulating member that is in thermal contact with the high voltage supply member and the cooling member so as to have a large contact area with the atmospheric gas and enhance the air cooling effect.
(4) In the above (1) and (2), the insulating material is aluminum nitride or silicon carbide.

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
(1)接地側の冷却手段と高電圧供給部材を高絶縁、高熱伝導率の絶縁部材で接続して、熱伝導により高電圧供給部材を冷却するようにしたので、高電圧供給部分やピーキングコンデンサを効果的に冷却することができる。また、高電圧供給部材に冷却手段を設ける必要がなく、絶縁性能を低下させることもない。
(2)上記絶縁部材に雰囲気ガスと大きな接触面積を持ち、空冷効果を高めるためのフィンを設けることにより、高電圧供給部分やピーキングコンデンサを、より効果的に冷却をすることができる。
(3)上記絶縁材として窒化アルミあるいは炭化珪素を用いることにより、機械的な強度を保ちながら必要な熱伝導率を確保することができ、効果的な冷却が可能となる。
In the present invention, the following effects can be obtained.
(1) Since the cooling means on the ground side and the high voltage supply member are connected by an insulating member having high insulation and high thermal conductivity, the high voltage supply member is cooled by heat conduction. Can be effectively cooled. Further, it is not necessary to provide a cooling means for the high voltage supply member, and the insulation performance is not deteriorated.
(2) By providing the insulating member with a large contact area with the atmospheric gas and providing fins for enhancing the air cooling effect, the high voltage supply portion and the peaking capacitor can be cooled more effectively.
(3) By using aluminum nitride or silicon carbide as the insulating material, the necessary thermal conductivity can be ensured while maintaining the mechanical strength, and effective cooling is possible.

図1は本発明の第1の実施例を示す図であり、同図は放電励起ガスレーザ装置を電極の長手方向に垂直な平面で切ったときの一部断面図を示し、同図は電極付近の断面図を示している。
レーザチャンバ1の中には、放電励起させるためのアノードとカソード電極2a,2b、放電を均一に効率よく発生させるための予備電離機構7が設けられ、アノード電極2aの近傍には、図示しないクロスフローファンによって流れるレーザガスを電極間に効率よく流すための風ガイド9が配置される。
負の高電圧が印加される上記カソード電極2bは、セラミックスなどからなる絶縁材5を介して、接地電位のレーザチャンバ1に取り付けられている。
レーザチャンバ1上には、高電圧供給部材3とピーキングコンデンサ4と通電部材8が取り付けられ、高電圧供給部材3は上記カソード電極2bとピーキングコンデンサ4の一方の端子と電気的に接続されている。また、ピーキングコンデンサ4の他方の端子は通電部材8を介して接地電位のレーザチャンバ1に接続されている。
通電部材8には、金属製の水冷ジャケット6が設けられている。水冷ジャケット6には例えば冷却液を流すための流路が設けられ、この流路に冷却液を流して通電部材8を介してピーキングコンデンサ6の接地側を冷却する。
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a partial cross-sectional view of a discharge-excited gas laser device cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the electrode. FIG.
The laser chamber 1 is provided with an anode and cathode electrodes 2a and 2b for exciting the discharge, and a preionization mechanism 7 for generating the discharge uniformly and efficiently. A cross-section (not shown) is provided in the vicinity of the anode electrode 2a. A wind guide 9 for efficiently flowing the laser gas flowing by the flow fan between the electrodes is arranged.
The cathode electrode 2b to which a negative high voltage is applied is attached to the laser chamber 1 having a ground potential via an insulating material 5 made of ceramics or the like.
On the laser chamber 1, a high voltage supply member 3, a peaking capacitor 4, and an energization member 8 are attached, and the high voltage supply member 3 is electrically connected to the cathode electrode 2 b and one terminal of the peaking capacitor 4. . Further, the other terminal of the peaking capacitor 4 is connected to the laser chamber 1 having a ground potential via an energizing member 8.
The current-carrying member 8 is provided with a metal water-cooling jacket 6. The water cooling jacket 6 is provided with a flow path for flowing a cooling liquid, for example, and the cooling liquid is supplied to the flow path to cool the grounding side of the peaking capacitor 6 through the energizing member 8.

本実施例では、上記カソード電極2bとレーザチャンバ1間に設けられた絶縁材5として、窒化アルミなど、後述する高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材を用いる。そして、この絶縁材5を介して熱をレーザチャンバ1側に逃がして高電圧供給部材3を冷却し、さらにはピーキングコンデンサ4を冷却する。
高電圧供給部材3などの高電圧部分に、水などの冷媒を用いた水冷機構を付加することは、冷却効率の観点からもっとも望ましいことではあるが、冷却パイプの取り回し等、構造が複雑になるほか、冷却パイプとして信頼性の高いものを用いないと、その破損時に高電圧部分に冷媒がもれる可能性があり、装置としての信頼性が低くなる。
これに対し、上記のように、絶縁材5として高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材を用い、接地側の通電部材を冷却し、上記絶縁材5を介して熱伝導により高電圧部分の熱を冷却されている接地側に逃がすように構成することにより、極めて簡単な構成で、ピーキングコンデンサを冷却することができ、また、信頼性を低下させることもない。
In this embodiment, as the insulating material 5 provided between the cathode electrode 2b and the laser chamber 1, a ceramic member having high insulation and high thermal conductivity, such as aluminum nitride, described later is used. Then, heat is released to the laser chamber 1 side through the insulating material 5 to cool the high voltage supply member 3 and further the peaking capacitor 4 is cooled.
Although it is most desirable from the viewpoint of cooling efficiency to add a water cooling mechanism using a coolant such as water to a high voltage portion such as the high voltage supply member 3, the structure becomes complicated, such as the handling of a cooling pipe. In addition, unless a highly reliable cooling pipe is used, there is a possibility that the refrigerant leaks to the high voltage part when the cooling pipe is broken, and the reliability of the apparatus is lowered.
On the other hand, as described above, a ceramic member having high insulation and high thermal conductivity is used as the insulating material 5, the current-carrying member on the ground side is cooled, and the heat of the high voltage portion is transferred by heat conduction through the insulating material 5. Is configured to escape to the cooled grounding side, the peaking capacitor can be cooled with an extremely simple configuration, and the reliability is not lowered.

図2は本発明の第2の実施例を示す図であり、図1と同様、放電励起ガスレーザ装置を電極の長手方向に垂直な平面で切ったときの一部断面図を示し、同図は電極付近の断面図を示している。
図1で説明したように、レーザチャンバ1の中には、放電励起させるためのアノードとカソード電極2a,2b、予備電離機構7が設けられ、アノード電極2aの近傍には、レーザガスを電極間に効率よく流すための風ガイド9が配置される。
上記カソード電極2bは、絶縁材5を介して、接地電位のレーザチャンバ1に取り付けられている。なお、上記絶縁材5として、実施例1に示した高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材を用いることもできる。
レーザチャンバ1上には、前記したように高電圧供給部材3とピーキングコンデンサ4と通電部材8が取り付けられ、高電圧供給部材3は上記カソード電極2bとピーキングコンデンサ4の一方の端子と電気的に接続されている。また、ピーキングコンデンサ4の他方の端子は通電部材8を介して接地電位のレーザチャンバ1に接続されている。通電部材8には、金属製の水冷ジャケット6が設けられている。
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. Like FIG. 1, FIG. 2 shows a partial sectional view of the discharge excitation gas laser device taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the electrodes. A sectional view of the vicinity of the electrode is shown.
As described with reference to FIG. 1, the laser chamber 1 is provided with anodes and cathode electrodes 2a and 2b and a preionization mechanism 7 for exciting the discharge. In the vicinity of the anode electrode 2a, laser gas is interposed between the electrodes. A wind guide 9 for efficiently flowing is arranged.
The cathode electrode 2b is attached to the laser chamber 1 having the ground potential via an insulating material 5. As the insulating material 5, the ceramic member having high insulation and high thermal conductivity shown in the first embodiment can be used.
As described above, the high voltage supply member 3, the peaking capacitor 4, and the energization member 8 are mounted on the laser chamber 1. The high voltage supply member 3 is electrically connected to the cathode electrode 2b and one terminal of the peaking capacitor 4. It is connected. Further, the other terminal of the peaking capacitor 4 is connected to the laser chamber 1 having a ground potential via an energizing member 8. The current-carrying member 8 is provided with a metal water-cooling jacket 6.

本実施例では、上記高電圧供給部材3と水冷ジャケット6の間に、後述する高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材11を設ける。
水冷ジャケット6と高電圧供給部3を、高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材11で接続することにより、高電圧供給部材3を冷却し、さらにはピーキングコンデンサ4を冷却することができる。
なお、図2に示すようにセラミックス製部材11の表面に凹凸をつければ、高電圧側と接地側の沿面距離を大きくし、絶縁性能を高めることも有効である。また、表面積が増大しフィンとして機能させることができるので、冷却効果を高めることもできる。
In the present embodiment, a ceramic member 11 having high insulation and high thermal conductivity described later is provided between the high voltage supply member 3 and the water cooling jacket 6.
By connecting the water cooling jacket 6 and the high voltage supply unit 3 with a ceramic member 11 having high insulation and high thermal conductivity, the high voltage supply member 3 can be cooled, and further the peaking capacitor 4 can be cooled.
As shown in FIG. 2, if the surface of the ceramic member 11 is uneven, it is also effective to increase the creepage distance between the high voltage side and the ground side to improve the insulation performance. Further, since the surface area can be increased and function as fins, the cooling effect can be enhanced.

図3は本発明の第3の実施例を示す図であり、同図は、放電励起ガスレーザ装置の高電圧供給部材3、ピーキングコンデンサ4、水冷ジャケット6、通電部材8などが取り付けられた部分を斜め上方から見た図を示している。
一般にエキシマレーザなどの放電励起ガスレーザ装置では、レーザ発振のために長い電極長(300〜700mm)の電極長が必要である。その長さの中で、ピーキングコンデンサ4はなるべき均等に配置することが望ましい。しかしながらコンデンサの大きさは、誘電率から決まっており、均等に配置すると、たいていの場合、コンデンサが配置されない隙間が生じる。
そこで、本実施例では、その隙間に同図に示すように例えば円筒形のセラミックス製部材12を配置する。このように構成することにより、現状のエキシマレーザの構造とほぼ変わらない構造で、高電圧側の冷却が可能となる。すなわち、上記セラミックス製部材12を介して、高電圧供給部3の熱を水冷ジャケット6が設けられた低圧側に逃がすことができ、高電圧供給部材3を冷却し、さらにはピーキングコンデンサ4を冷却することができる。
この構造でも、図2の構造と同様にセラミックス製部材に凹凸をつけることで、沿面距離を長くし絶縁性能の強化が可能である。また凹凸をつけることで、表面積を増大させ、気中への放熱効果を得ることができる。
FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. In FIG. 3, a portion where a high voltage supply member 3, a peaking capacitor 4, a water cooling jacket 6, an energizing member 8 and the like of a discharge excitation gas laser device are attached is shown. The figure seen from diagonally upward is shown.
In general, a discharge excitation gas laser device such as an excimer laser requires a long electrode length (300 to 700 mm) for laser oscillation. It is desirable that the peaking capacitors 4 be arranged uniformly within the length. However, the size of the capacitor is determined by the dielectric constant. If the capacitors are evenly arranged, in most cases, there is a gap where the capacitors are not arranged.
Therefore, in this embodiment, for example, a cylindrical ceramic member 12 is disposed in the gap as shown in FIG. With this configuration, it is possible to cool the high voltage side with a structure that is almost the same as the structure of the current excimer laser. That is, the heat of the high voltage supply unit 3 can be released to the low pressure side where the water cooling jacket 6 is provided via the ceramic member 12, the high voltage supply member 3 is cooled, and the peaking capacitor 4 is further cooled. can do.
Even in this structure, it is possible to increase the creepage distance and enhance the insulation performance by making the ceramic member uneven as in the structure of FIG. Further, by providing unevenness, the surface area can be increased, and a heat dissipation effect to the air can be obtained.

前述したように、高電圧供給部材3などの高電圧部分に、水などの冷媒を用いた水冷機構を付加することは、冷却効率の観点からもっとも望ましいことではあるが、冷却パイプの取り回し等、構造が複雑になるほか、冷却パイプとして信頼性の高いものを用いないと、その破損時に高電圧部分に冷媒がもれる可能性があり、装置としての信頼性が低くなる。
これに対し、図2、図3に示すように、高絶縁、高熱伝導率のセラミックス製部材を用いることにより、前記第1の実施例と同様、効率的に熱をレーザチャンバ1側に逃がすように構成することにより、極めて簡単な構成で、ピーキングコンデンサを冷却することができ、また、信頼性を低下させることもない。
As described above, it is most desirable from the viewpoint of cooling efficiency to add a water cooling mechanism using a refrigerant such as water to a high voltage portion such as the high voltage supply member 3. In addition to the complexity of the structure, if a highly reliable cooling pipe is not used, there is a possibility that the refrigerant leaks to the high voltage portion when the cooling pipe is broken, and the reliability of the apparatus is lowered.
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3, by using a ceramic member having high insulation and high thermal conductivity, heat can be efficiently released to the laser chamber 1 side as in the first embodiment. With this configuration, the peaking capacitor can be cooled with an extremely simple configuration, and the reliability is not lowered.

なお、図2、図3においては、セラミックス部材11あるいは12が、接地側の水冷ジャケットに接触しているが、この部分を接触させずに配置することもできる。さらに、放熱用のフィンなどをセラミックス部材につけ、面積を大きくすることで、気中への放熱性能を高めれば、一層、空冷性能を増すことができる。
上記のような構造を金属部材を用いて実現すると、絶縁性能が損なわれるが、高い熱伝導性を持つセラミックス部材からなる絶縁部材を用いることで、電気絶縁性能を損なうことなく、高電圧側の効率的な冷却が可能となる。
また、図1、図2、図3に示した冷却手段を適宜併用することで、一つの冷却手段を用いる場合より一層効果的に高電圧側を冷却することができる。
In FIGS. 2 and 3, the ceramic member 11 or 12 is in contact with the water-cooling jacket on the ground side, but can be disposed without contacting this portion. Furthermore, if the heat radiation performance to the air is improved by attaching a heat radiation fin or the like to the ceramic member to increase the area, the air cooling performance can be further increased.
If the structure as described above is realized by using a metal member, the insulation performance is impaired. However, by using an insulation member made of a ceramic member having high thermal conductivity, the high voltage side can be obtained without impairing the electrical insulation performance. Efficient cooling is possible.
Further, by appropriately using the cooling means shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3, the high voltage side can be cooled more effectively than when one cooling means is used.

上記絶縁材5、セラミックス部材11,12として、以下に説明する高絶縁、高熱伝導率の種々の部材を用いることができる。
図4に各種材料の熱伝導率を示す。一般に、ヒートシンク等、冷却などの温調機器に使われる金属は銅である。よって、理想的には、銅と同様の熱伝導率を持ち、電気絶縁性を持つセラミックスが望ましい。しかしながら現状で、銅を超える熱伝導率を持つセラミックス材料として一般的なものは、炭素系のものしかない。
As the insulating material 5 and the ceramic members 11 and 12, various members having high insulation and high thermal conductivity described below can be used.
FIG. 4 shows the thermal conductivity of various materials. In general, copper is used as a metal used in temperature control devices such as a heat sink and the like. Therefore, ideally, ceramics having the same thermal conductivity as copper and electrical insulation are desirable. However, at present, the only common ceramic material having a thermal conductivity exceeding that of copper is carbon.

なお、図4には示していないが、炭素系の材料としては、工業用ダイヤモンドが、本特許の目的としてもっとも適した材料となる。商品として入手可能な工業用ダイヤモンドの諸特性として、熱伝導度は2000W/m・K、絶縁耐性の特性を表す比抵抗は1014Ω・mにもなる。しかしながら、ダイヤモンドはコスト、加工性、製作可能寸法で問題がある。
また、炭素繊維、グラファイトシートなどは、熱伝導率800W/m・Kのものが入手性がよい。しかしながら、グラファイト系は電気絶縁性が悪く、ものによっては導電性を示すので、本特許では使用できない。よって、炭素系セラミックスとしては、単結晶となるダイヤモンドが、使用部位によっては使用可能であるが、すべてに使えるというわけではない。
Although not shown in FIG. 4, industrial diamond is the most suitable material for the purpose of this patent as a carbon-based material. As various characteristics of industrial diamonds available as commercial products, the thermal conductivity is 2000 W / m · K, and the specific resistance representing the characteristic of insulation resistance is 1014 Ω · m. However, diamond has problems in cost, workability, and manufacturable dimensions.
Carbon fibers, graphite sheets and the like having a thermal conductivity of 800 W / m · K are highly available. However, the graphite system has poor electrical insulation and, depending on the material, exhibits conductivity, so it cannot be used in this patent. Therefore, as carbon-based ceramics, diamond that becomes a single crystal can be used depending on the part of use, but not all of them can be used.

これに対して、図4に載せたセラミックス材料は、比較的加工性、入手性が良く、実用的である。これらを勘案して、熱伝導率がどの程度まであることが望ましいかということを考える。
金属で一般的に熱設計をするときに避ける材料として、ステンレス(SUS)がある。図4にSUSの一種であるSUS304の熱伝導率を示している。SUS304の熱伝導率は16W/m・Kである。従って、本特許で使用するセラミックスの熱伝導率は少なくともSUS材料よりも大きなことが求められる。
On the other hand, the ceramic material shown in FIG. 4 is practical because it has relatively good workability and availability. Taking these into consideration, we consider the extent to which thermal conductivity is desirable.
Stainless steel (SUS) is a material that is generally avoided when a metal is thermally designed. FIG. 4 shows the thermal conductivity of SUS304, which is a kind of SUS. The thermal conductivity of SUS304 is 16 W / m · K. Therefore, the thermal conductivity of the ceramic used in this patent is required to be at least larger than that of the SUS material.

図1に示した絶縁材5として多く用いられるのは、従来においては、酸化アルミ、いわゆるアルミナであり、高電圧印加部分はアルミナを通してチャンバ筺体に熱的に接続されている。よって、現状のエキシマレーザにおけるチャンバの高電圧側は、十分でないにしても、高電圧側から排熱されているといえる。
それは、レーザ動作中は、レーザガスの温調等により、筺体は室温から70℃程度までの温度になるが、少なくとも、高電圧印加部分よりは低い温度となっているからである。 従って、現状のエキシマレーザチャンバが用いられるエキシマレーザの性能をさらに良くする、もしくは、さらに高い熱量を加えても安定化しようとする場合には、少なくとも、アルミナ以上の熱伝導率を持つ材料が好ましいと考えられる。
Conventionally, aluminum oxide, so-called alumina, is often used as the insulating material 5 shown in FIG. 1, and the high voltage application portion is thermally connected to the chamber housing through the alumina. Therefore, it can be said that the high-voltage side of the chamber in the current excimer laser is exhausted from the high-voltage side if it is not sufficient.
This is because during the laser operation, the temperature of the housing is from room temperature to about 70 ° C. due to the temperature control of the laser gas, etc., but at least the temperature is lower than the high voltage application portion. Therefore, in order to improve the performance of the excimer laser in which the current excimer laser chamber is used, or to stabilize the excimer laser even when a higher amount of heat is applied, at least a material having a thermal conductivity equal to or higher than that of alumina is preferable. it is conceivable that.

以上により、図4から、セラミックス材料として望ましいものは、酸化ベリリウム、窒化アルミ、シリコン、炭化珪素(シリコン)、サファイア(単結晶アルミナ)、アルミナだといえる。このうち、酸化ベリリウムは毒性を持つため、実用性には劣る。
また、シリコンは割れやすいため取り扱いにやや注意を要する。また、炭化珪素は、純度によって、絶縁性能が劣る場合があるが、窒化アルミと同程度の熱伝導率を持つ。
よって、本特許で使用する、酸化アルミを超える熱伝導率を持ち、酸化アルミと同等以上の絶縁性能有する絶縁材が望ましく、このうちで、もっとも望ましいものとしては、窒化アルミと炭化珪素(シリコン)である。
例えば図4では、窒化アルミの熱伝導率は162W/m・Kと示しているが、この値は、さまざまなグレードのものを平均した値で、試作品レベルでは、230W/m・Kを超えるものもある。
From the above, it can be said from FIG. 4 that desirable ceramic materials are beryllium oxide, aluminum nitride, silicon, silicon carbide (silicon), sapphire (single crystal alumina), and alumina. Among these, beryllium oxide is inferior in practicality because of its toxicity.
Moreover, since silicon is easy to break, handling requires a little care. Moreover, although silicon carbide may have inferior insulation performance depending on its purity, it has a thermal conductivity comparable to that of aluminum nitride.
Therefore, it is desirable to use an insulating material having a thermal conductivity exceeding that of aluminum oxide and having an insulation performance equal to or higher than that of aluminum oxide, and among these, aluminum nitride and silicon carbide (silicon) are the most desirable. It is.
For example, in FIG. 4, the thermal conductivity of aluminum nitride is shown as 162 W / m · K, but this value is an average of various grades and exceeds 230 W / m · K at the prototype level. There are also things.

本発明の第1の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd Example of this invention. 各種材料の熱伝導率を示す図である。It is a figure which shows the heat conductivity of various materials. 一般的な放電励起レーザのレーザチャンバの断面図である。It is sectional drawing of the laser chamber of a general discharge excitation laser. 正常放電と異常放電の模式図である。It is a schematic diagram of normal discharge and abnormal discharge.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザチャンバ
2a アノード電極
2b カソード電極
3 高電圧供給部材
4 ピーキングコンデンサ
5 絶縁材
6 水冷ジャケット
7 予備電離機構
8 通電部材
9 風ガイド
11,12 セラミックス製部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser chamber 2a Anode electrode 2b Cathode electrode 3 High voltage supply member 4 Peaking capacitor 5 Insulating material 6 Water cooling jacket 7 Pre-ionization mechanism 8 Current supply member 9 Wind guide 11, 12 Ceramic member

Claims (4)

ピーキングコンデンサの高圧側が高電圧供給部材を介して高電圧側の電極に接続され、上記高電圧供給部材は、絶縁材を介して接地電位のレーザチャンバに取り付けられ、
ピーキングコンデンサの低圧側が、接地電位のレーザチャンバに設けられた接地側導電部材を介して上記レーザチャンバに取り付けられ、接地側導電部材に冷却手段が設けられた放電励起ガスレーザ装置の冷却機構であって、
上記絶縁材は、酸化アルミを超える熱伝導率を持ち、酸化アルミと同等以上の絶縁性能有する
ことを特徴とする放電励起ガスレーザ装置の冷却機構。
The high voltage side of the peaking capacitor is connected to the electrode on the high voltage side via a high voltage supply member, and the high voltage supply member is attached to the laser chamber at ground potential via an insulating material,
A cooling mechanism of a discharge excitation gas laser device in which a low-voltage side of a peaking capacitor is attached to the laser chamber via a ground-side conductive member provided in a laser chamber of ground potential, and a cooling means is provided on the ground-side conductive member. ,
A cooling mechanism for a discharge-excited gas laser device, wherein the insulating material has a thermal conductivity exceeding that of aluminum oxide and has an insulating performance equal to or higher than that of aluminum oxide.
ピーキングコンデンサの高圧側が高電圧供給部材を介して高電圧側の電極に接続され、ピーキングコンデンサの低圧側が、接地電位のレーザチャンバに設けられた接地側導電部材に取りつけられ、接地側導電部材に冷却手段が設けられた放電励起ガスレーザ装置の冷却機構であって、
上記高電圧供給部材と接地側導電部材の間に、上記高電圧供給部材および上記冷却部材と熱接触している絶縁材が設けられ、該絶縁部材は、酸化アルミを超える熱伝導率を持ち、酸化アルミと同等以上の絶縁性能を有する
ことを特徴とする放電励起ガスレーザ装置の冷却機構。
The high voltage side of the peaking capacitor is connected to the high voltage side electrode via the high voltage supply member, and the low voltage side of the peaking capacitor is attached to the ground side conductive member provided in the laser chamber at the ground potential and cooled to the ground side conductive member. A cooling mechanism of a discharge excitation gas laser device provided with a means,
An insulating material that is in thermal contact with the high voltage supply member and the cooling member is provided between the high voltage supply member and the ground-side conductive member, and the insulation member has a thermal conductivity that exceeds aluminum oxide, A cooling mechanism of a discharge excitation gas laser device characterized by having an insulation performance equal to or better than aluminum oxide.
前記高電圧供給部材および上記冷却部材と熱接触している絶縁部材に、雰囲気ガスと大きな接触面積を持ち、空冷効果を高めるためのフィンが設けられている
ことを特徴とする請求項2に記載の放電励起ガスレーザ装置の冷却機構。
The insulating member that is in thermal contact with the high-voltage supply member and the cooling member is provided with fins that have a large contact area with the atmospheric gas and enhance the air-cooling effect. Cooling mechanism of the discharge excitation gas laser apparatus.
上記絶縁材は、窒化アルミあるいは炭化珪素である
ことを特徴とする請求項1,2または請求項3に記載の放電励起ガスレーザ装置の冷却機構。
4. The cooling mechanism for a discharge-excited gas laser device according to claim 1, wherein the insulating material is aluminum nitride or silicon carbide.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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