JP2009171756A - パルスレーザ用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電源装置を共通化してパルスレーザの種類に関わりなく使用できるようにする。
【解決手段】
電源装置は記憶部と判定部と設定部を備える。パルスレーザ毎に予備充電電圧値は定められており、記憶部は、パルスレーザと予備充電電圧値とを対応させて記憶する。判定部は、電源装置の外部、例えばＰＰＭが有する制御装置からその電源装置自身を搭載するパルスレーザの情報を取得する。この情報にはパルスレーザの種類や主コンデンサの容量やパルスレーザの機差情報等、パルスレーザ固有の情報が含まれる。判定部は、この情報を用いて電源装置自身を搭載するパルスレーザの種類を判定する。設定部は判定したパルスレーザに対応する予備充電電圧値を記憶部から読み出し設定する。電源装置は設定された予備充電電圧値にて各パルス間に主コンデンサの予備充電をする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一旦予め設定された予備充電電圧値まで予備充電し、その後に所望の電圧値まで充電するようにしたパルスレーザ用電源装置に関し、特にパルスレーザに応じて予備充電電圧値を変更できるようにしたものである。

半導体露光装置の光源にはエキシマレーザやフッ素レーザといった放電励起式のパルスレーザが用いられる。放電励起式のパルスレーザは、レーザチャンバ内に設けられた一対の主放電電極間でパルス状の放電を発生させ、各放電によってレーザチャンバ内に封入されたレーザガスを励起してレーザ光を出力する。

図１はパルスレーザの電気系統のブロック図である。
パルスレーザ１には、交流の電圧源２と、電圧源２から供給される交流電圧を平滑化し所望の電圧にする主回路３１を備えたパルスレーザ用電源装置（以下、電源装置という）３と、電源装置３の主回路３１によって充電される主コンデンサ４１及び主コンデンサ４１の充電エネルギーを順次後段の転送コンデンサに転送する磁気パルス圧縮回路４２を備えたパルスパワーモジュール（以下、ＰＰＭという）４と、ＰＰＭ４の磁気パルス圧縮回路４２によって高電圧が印加されるピーキングコンデンサ５１及び主放電電極５２を備えたレーザチャンバモジュール５と、電源装置２に充電電圧指令を出力するパルスレーザ１のメインコントローラ６とが設けられる。

ところでパルスレーザ１の種類によって周波数やレーザ出力の要求は異なっており、その要求に伴い主放電の強度、ＰＰＭの出力、充電電圧の要求も異なる。こうした要求に応じるべく、レーザチャンバモジュール５、ＰＰＭ４、電源装置３は最適設計されている。特に電源装置３は次のような発熱理由があるため発熱量を抑制するように最適設計する必要がある。

主コンデンサ４１を充電するに際して充電時間が短くなるほど急速充電が必要になるため電源装置３が供給する電流値を大きくしなければならない。特に近年は高繰り返し周波数の要望がありパルス間隔が短くなってきていることから、それに伴い充電に許容される時間も短くなり、必然的に電流値が大きくなる。電流値が大きくなると実効値は高くなり、電源装置３内に設けられた主回路３１の発熱量が多くなる。このため主回路３１の素子を考慮したり容量の大きな冷却機器を使用しなければならなくなる。

しかしながらこうした素子や冷却機器はコストが高く又大きな設置容積を要することもあるため望ましくない。そこで現在は別の手法が検討されており、その一つの手法として後述する予備充電という手法がある。

一般に、主コンデンサ４１の充電は各パルス間に行われるのであるが、各パルス間の全ての時間を費やして充電が行われるのではない。例えば周波数が６ｋＨｚのパルスレーザ１の場合はパルス間隔が１６６．７μｓであるが、図２（ａ）に示すように、電源装置３に出力される充電指令信号は各パルス間の約半分の時間、すなわち８３μｓのみである。このようにパルス間の半分の時間（充電時間）Ｔ1が充電指令値の演算と充電動作に費やされ、残りの半分の時間（アイドル時間）Ｔ2は何も動作しない状態である。すなわち通常の充電は、図２（ｂ）の実線ａに示すように、各パルス間の充電時間Ｔ1のみに主コンデンサを電圧指令値に応じて充電する手法である。

一方、予備充電というのは、図２（ｂ）の破線ｂに示すように、各パルス間のアイドル時間Ｔ2を利用して主コンデンサ４１を一旦予め設定された予備充電電圧値まで充電する手法である。アイドル時間Ｔ2の後の充電時間Ｔ1には通常通り電圧指令値に応じて充電する。こうすることで図２（ｃ）に示すように、充電時間Ｔ1時の実効値を下げることができ、電源装置の発熱量が抑制される。結果としてコスト及び設置容積が低減する。

パルスレーザは種類毎に異なる種類のＰＰＭを有しており、ＰＰＭは種類毎に異なる容量の主コンデンサを有している。また主コンデンサの予備充電はその主コンデンサの容量に応じた適当な電圧値で行う必要がある。そこで電源装置は、搭載されるパルスレーザの種類に合わせて予め特定の予備充電電圧値で主コンデンサを充電するように製造されている。つまり電源装置はパルスレーザの種類毎に最適設計され製造されている。

パルスレーザの種類分の電源装置を製造するとなると部品の多種化及び電源装置自体の多種化を招くことになる。すると部品や電源装置自体の管理が煩雑になる。また電源装置の種類毎に異なる製造作業が必要になり製造作業も煩雑になる。こうしたことから電源装置を共通化することが望まれている。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、電源装置を共通化してパルスレーザの種類に関わりなく使用できるようにすること、を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、
コンデンサに充電されたエネルギーを主放電電極間に供給することによって当該主放電電極間でパルス放電を発生させてレーザ光を出力するパルスレーザに搭載される電源装置であって、一旦予め設定された予備充電電圧値まで前記コンデンサを予備充電し、その後に所望の電圧値まで前記コンデンサを充電するようにしたパルスレーザ用電源装置において、
パルスレーザ毎に定められた予備充電電圧値を記憶する記憶部と、
搭載されるパルスレーザの情報を外部から取得し、取得した情報を用いて搭載されるパルスレーザの種類を判定する判定部と、
前記判定部で判定したパルスレーザに対応する予備充電電圧値を前記記憶部から読み出し、読み出した予備充電電圧値を設定する設定部と、を備え、
前記設定部で設定した予備充電電圧値で前記コンデンサを予備充電する
ことを特徴とする。

また本発明は、
前記判定部は、前記パルスレーザ内の制御装置から前記情報を取得する
ことを特徴とする。

また本発明は、
前記制御装置に前記情報を要求する要求部を備えた
ことを特徴とする。

また本発明は、
前記記憶部は、パルスレーザ毎に定められた予備充電開始タイミングも記憶し、
前記設定部は、前記判定部で判定したパルスレーザに対応した予備充電開始タイミングを前記記憶部から読み出し、読み出した予備充電開始タイミングを設定し、
前記設定部で設定した予備充電開始タイミングで前記コンデンサの予備充電を開始する
ことを特徴とする。

本発明に係る電源装置は、コンデンサに充電されたエネルギーを主放電電極間に供給することによって主放電電極間でパルス放電を発生させてレーザ光を出力するパルスレーザに搭載される。そして一旦予め設定された予備充電電圧値まで前記コンデンサを予備充電し、その後に所望の電圧値までコンデンサを充電するように制御されるのであるが、特徴としては記憶部と判定部と設定部を備える点にある。

パルスレーザ毎に予備充電電圧値は定められており、記憶部は、パルスレーザと予備充電電圧値とを対応させて記憶する。判定部は、電源装置の外部、例えばＰＰＭが有する制御装置からその電源装置自身を搭載するパルスレーザの情報を取得する。この情報にはパルスレーザの種類や主コンデンサの容量やパルスレーザの機差情報等、パルスレーザ固有の情報が含まれる。判定部は、この情報を用いて電源装置自身を搭載するパルスレーザの種類を判定する。設定部は判定したパルスレーザに対応する予備充電電圧値を記憶部から読み出し設定する。電源装置は設定された予備充電電圧値にて各パルス間に主コンデンサの予備充電をする。

なおパルスレーザの情報を要求する要求部を電源装置に設けることも可能である。また記憶部が、パルスレーザと予備充電電圧開始タイミングとを対応させて記憶するようにしてもよい。この場合、設定部は、判定したパルスレーザに対応する予備充電開始タイミングを記憶部から読み出し設定する。電源装置は設定された予備充電開始タイミングにて各パルス間に主コンデンサの予備充電を開始する。

本発明によれば、電源装置の予備充電電圧値がパルスレーザの種類に応じて適宜設定されるため、一種類の電源装置で複数種類のパルスレーザの予備充電に対応することができる。このようにして電源装置が共通化されることから、一種類の電源装置の部品のみを用意すればよく、複数種類の電源装置を製造する場合のように多種の部品を用意する必要がなくなる。結果として部品や電源装置自体の管理が簡素になる。また一種類の電源装置の製造作業のみでよく、製造作業も簡素になる。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

パルスレーザの概略は既に図１を用いて説明したため、ここではパルスレーザの詳細を説明する。

一対の主放電電極５２にはピーキングコンデンサ５１が並列に接続され、そのピーキングコンデンサ５１には磁気パルス圧縮回路４２が接続される。磁気パルス圧縮回路４２は、後段の転送コンデンサに前段の磁気スイッチ及び転送コンデンサからなる直列回路が順次並列に接続されてなり、その段数は２以上に及ぶものもある。磁気パルス圧縮回路４２の最終段に配置された磁気スイッチ及び転送コンデンサからなる直列回路には先のピーキングコンデンサ５１が並列に接続される。一方、磁気パルス圧縮回路４２の初段に配置された転送コンデンサにはスイッチ素子を介して主コンデンサ４１が接続される。ＰＰＭ４には電源装置３が接続され、ＰＰＭ４の主コンデンサ４１には電源装置３内の主回路３１が接続される。

パルスレーザ１は次のように動作してレーザ光を出力する。電源装置３はメインコントローラ６から送信される電圧指令値に応じて主コンデンサ４１を充電する。ＰＰＭ４のスイッチ素子がトリガ信号を受信してオフからオンに切り替わると、主コンデンサ４１から磁気パルス圧縮回路４２の初段の転送コンデンサにエネルギーが転送される。磁気パルス圧縮回路４２では磁気スイッチの飽和に伴い前段の転送コンデンサから後段の転送コンデンサに電荷転送時間を圧縮しつつエネルギーが順次転送される。磁気パルス圧縮回路４２の最終段の転送コンデンサからピーキングコンデンサ５１にエネルギーが転送されと共に主放電電極５２間の電圧は上昇し、その電圧が所定値を超えると絶縁破壊して主放電が発生する。この主放電によってレーザチャンバ内のレーザガスが励起され、レーザ光が出力される。

図３は本実施形態に係る電源装置及びＰＰＭの機能ブロック図である。

電源装置３は主回路３１の動作を制御するコントローラ３２を備え、コントローラ３２は記憶部３３と要求部３４と判定部３５と設定部３６と信号出力部３７を備える。

記憶部３３は複数のパルスレーザの種類と各パルスレーザ毎の予備充電電圧値Ｖとを記憶しており、その一例として図４に示すようなパルスレーザ−予備充電電圧値テーブル３３ａを記憶する。パルスレーザの種類は、パルスレーザの機種番号やパルスレーザが搭載するＰＰＭ４の種類やＰＰＭ４が備える主コンデンサ４１の容量等といったパルスレーザ固有の情報によって特定できる。ここで記憶される予備充電電圧値Ｖは主コンデンサ４１の定格に応じた最適値にされており、主コンデンサ４１の最大充電電圧値Ｖmax未満の電圧値であって、最低限必要とされる最小充電電圧値Ｖmin以上の電圧値である。

要求部３４はＰＰＭ４のコントローラ４３に対してパルスレーザ１の情報（以下、負荷情報という）を要求する信号Ｓ1を信号出力部３７を介して送信する。要求のタイミングとしては幾つかのパターンが考えられる。例えば、パルスレーザ１の主電源投入時又は主電源投入から一定時間経過後に負荷情報を要求する信号Ｓ1をＰＰＭ４のコントローラ４３に送信すればよい。または図示しないパルスレーザ１の操作パネルに設けられたスイッチの操作に応じて負荷情報を要求する信号Ｓ1をＰＰＭ４のコントローラ４３に送信するようにしてもよい。

判定部３５はＰＰＭ４から負荷情報を示す信号Ｓ2を受信し、その負荷情報に基づいて電源装置３自身が搭載されているパルスレーザ１の種類を判定する。

電源装置３の要求部３４及び判定部３５とＰＰＭ４のコントローラ４３とはシリアル通信線７で接続されており、そのシリアル通信線７を介して各信号が送受信される。しかしシリアル通信線７に限定する必要はなく、信号が送受信できるのであればどのような通信手段でもよい。

設定部３６は判定部３５で判定したパルスレーザ１に対応する予備充電電圧値Ｖを記憶部３３から読み出す。そしてこの予備充電電圧値Ｖをコントローラ３２に設定する。また負荷情報に機差情報等の補正情報が付加されている場合は、その情報を用いて予備充電電圧値Ｖを補正することも可能である。また負荷情報に予備充電の開始タイミングが付加されている場合は、設定部３６はその開始タイミングをコントローラ３２に設定する。

一方、ＰＰＭ４はコントローラ４３に、電源装置３から送信される信号Ｓ1を受信する信号受信部４４と、負荷情報が記憶された情報記憶部４５と、信号出力部４６を備える。負荷情報としては、例えば先述したようにパルスレーザの機種番号やパルスレーザが搭載するＰＰＭ４の種類やＰＰＭ４が備える主コンデンサ４１の容量等といったパルスレーザ固有の情報があり、また機差情報などそのパルスレーザ独自の情報もある。

次に電源装置において予備充電電圧値が設定されるまでの手順を図５を用いて説明する。

パルスレーザ１の主電源が投入されると、電源装置３を含む各種電気機器が起動する（ステップ１）。この主電源投入を起点として所定時間後、例えば主電源投入から３秒後に、電源装置３の要求部３４は信号出力部３７を介してＰＰＭ４のコントローラ４３に負荷情報を要求する信号Ｓ1を送信する（ステップ２）。

ＰＰＭ４のコントローラ４３が備える情報記憶部４５には負荷情報として、図４に示すように主コンデンサ４１の容量ＣとＰＰＭ４の機差情報とが記憶されている。コントローラ４３の信号受信部４４が電源装置３側から送信される信号Ｓ1を受信すると、コントローラ４３は情報記憶部４５に記憶されている負荷情報を読み出し、信号出力部４６を介して電源装置３の判定部３５に負荷情報信号Ｓ2を送信する。

電源装置３の判定部３５はＰＰＭ４側から送信される信号2を受信し、負荷情報のうちの主コンデンサ４１の容量Ｃを参照して対応するレーザを判定する。こうして判定部３５は電源装置３自体が搭載されているパルスレーザ１の種類を判定する（ステップ３）。

設定部３６は、判定部３５で判定されたパルスレーザに対応する予備充電電圧値Ｖを記憶部３３に記憶されたパルスレーザ−予備充電電圧値テーブル３３ａから読み出す。さらに設定部３６は、ＰＰＭ４側から送信されてきた負荷情報に含まれている機差情報を用いて予備充電電圧値Ｖを補正し、予備充電電圧値Ｖpoutを求める。

例えば、図４に示すように、ＰＰＭ４側から取得した負荷情報に含まれる主コンデンサ容量がＣ1である場合は判定部３５はレーザＡと判定し（ステップ４）、設定部３６はレーザＡに対応する最適な予備充電電圧値ＶAを記憶部３３から読み出し、さらにＰＰＭ４側から取得した負荷情報に含まれる機差情報αを用いて予備充電電圧値ＶpoutAを演算し、コントローラ３２に設定する（ステップ５）。

また例えば、図４に示すように、ＰＰＭ４側から取得した負荷情報に含まれる主コンデンサ容量がＣ2である場合は判定部３５はレーザＢと判定し（ステップ４）、設定部３６はレーザＢに対応する最適な予備充電電圧値ＶBを記憶部３３から読み出し、さらにＰＰＭ４側から取得した負荷情報に含まれる機差情報βを用いて予備充電電圧値ＶpoutBを演算し、コントローラ３２に設定する（ステップ６）。

また例えば、図４に示すように、ＰＰＭ４側から取得した負荷情報に含まれる主コンデンサ容量がＣ3である場合は判定部３５はレーザＣと判定し（ステップ４）、設定部３６はレーザＣに対応する最適な予備充電電圧値ＶCを記憶部３３から読み出し、さらにＰＰＭ４側から取得した負荷情報に含まれる機差情報γを用いて予備充電電圧値ＶpoutCを演算し、コントローラ３２に設定する（ステップ７）。

以上の手順で電源装置３では予備充電電圧値が設定される。また負荷情報に予備充電開始タイミングが含まれる場合には、設定部３６はそのタイミングをコントローラ３２に設定する。コントローラ３２は各パルス間のうちのアイドル時間Ｔ2の間に設定された予備充電電圧値Ｖpout及び予備充電開始タイミングで予備充電し、その後の充電時間Ｔ1の間に電圧指令値に応じて充電する。

なお、本実施形態では電源装置３はＰＰＭ４から負荷情報を取得するようにしているが、他の部分、例えばパルスレーザ１内に設けられた他のモジュールから送信される信号から負荷情報を取得するようにしてもよい。この場合は、そのモジュールに対してコントローラ３２から予め負荷情報を要求する信号が送信される。また電源装置３がパルスレーザ１の操作パネルに設けられたスイッチの操作に応じて送信される信号から負荷情報を取得するようにしてもよい。

本実施形態によれば、電源装置の予備充電電圧値がパルスレーザの種類に応じて適宜設定されるため、一種類の電源装置で複数種類のパルスレーザの予備充電に対応することができる。このようにして電源装置が共通化されることから、一種類の電源装置の部品のみを用意すればよく、複数種類の電源装置を製造する場合のように多種の部品を用意する必要がなくなる。結果として部品や電源装置自体の管理が簡素になる。また一種類の電源装置の製造作業のみでよく、製造作業も簡素になる。

パルスレーザの電気系統のブロック図。 各パルス間の充電時間及び予備充電時間を説明する図。 本実施形態に係る電源装置及びＰＰＭの機能ブロック図。 パルスレーザの種類、予備充電電圧値、負荷情報の対応関係の一例を示す図。 電源装置において予備充電電圧値が設定されるまでの手順を示す図。

符号の説明

３…電源装置、４…ＰＰＭ（パルスパワーモジュール）、
３１…主回路、３２…コントローラ、３３…記憶部、３４…要求部、３５…判定部、
３６…設定部、４１…主コンデンサ、４２…磁気パルス圧縮回路、４３…コントローラ、
４５…情報記憶部

Claims (4)

1. コンデンサに充電されたエネルギーを主放電電極間に供給することによって当該主放電電極間でパルス放電を発生させてレーザ光を出力するパルスレーザに搭載される電源装置であって、一旦予め設定された予備充電電圧値まで前記コンデンサを予備充電し、その後に所望の電圧値まで前記コンデンサを充電するようにしたパルスレーザ用電源装置において、
   パルスレーザ毎に定められた予備充電電圧値を記憶する記憶部と、
   搭載されるパルスレーザの情報を外部から取得し、取得した情報を用いて搭載されるパルスレーザの種類を判定する判定部と、
   前記判定部で判定したパルスレーザに対応する予備充電電圧値を前記記憶部から読み出し、読み出した予備充電電圧値を設定する設定部と、を備え、
   前記設定部で設定した予備充電電圧値で前記コンデンサを予備充電する
   ことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。
2. 前記判定部は、前記パルスレーザ内の制御装置から前記情報を取得する
   ことを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ用電源装置。
3. 前記制御装置に前記情報を要求する要求部を備えた
   ことを特徴とする請求項２記載のパルスレーザ用電源装置。
4. 前記記憶部は、パルスレーザ毎に定められた予備充電開始タイミングも記憶し、
   前記設定部は、前記判定部で判定したパルスレーザに対応した予備充電開始タイミングを前記記憶部から読み出し、読み出した予備充電開始タイミングを設定し、
   前記設定部で設定した予備充電開始タイミングで前記コンデンサの予備充電を開始する
   ことを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ用電源装置。

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