JP2011211233A - 放電励起エキシマレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低ガス圧使用時における出力特性が改善される放電励起エキシマレーザ装置を提供する。
【解決手段】一対の主放電電極１０２、１０２と、回転軸１０４を有し前記一対の主放電電極間１０２、１０２にレーザガス流を作り出す貫流ファン１０３と、該貫流ファン１０３の該回転軸１０４に対して回転駆動力を付与するモータ１１２と、該モータ１１２に駆動用交流電圧を供給するインバータ１３１と、該レーザチャンバ１０１内のレーザガス圧を検出するガス圧力センサ１２１と、少なくとも該ガス圧力センサ１２１からのレーザガス圧力検出信号を受信し、かつ、該モータ１１２を所定の回転数で回転させるための駆動用交流電圧をインバータ１３１に発生させる速度指令信号を発信するコントローラー１３０と、からなる放電励起エキシマレーザ装置１００であって、該コントローラー１３０は、該レーザガス圧力検出信号に応じた速度指令信号を発信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス発振する放電励起エキシマレーザ装置の低ガス圧使用時における出力特性の改善に関する。

従来のエキシマレーザ装置では、ハロゲンガス、例えばフッ素ガス等が含まれるレーザガスが封入されたレーザ容器の内部に、レーザガスを予備電離する予備電離電極と、レーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極とが配置され、更にレーザ容器には、一対の主放電電極の間に高速のレーザガス流れを作り出すための貫流ファンが配置されている。

レーザ光発振は、一対の主放電電極間に高電圧を印加することによってレーザ励起放電が行われて得られる。発生したレーザ光はレーザ容器の側壁に設けられた２つの窓を経由してレーザ容器外部へ取り出される。レーザ励起放電が行われると、一対の主放電電極間にあるレーザガスは劣化により出力特性が悪くなり、繰返し発振が行えなくなる。

このため貫流ファンにて、レーザ容器内のレーザガスを循環させて一対の主放電電極間にレーザガス流を生成し、放電ごとに一対の主放電電極間のレーザガスを入れ替えることによって、安定した繰返し発振を行っている。なお、レーザガス流は、一対の主放電電極の長手方向に向かって均一な流速で流れる。

以上のような従来のエキシマレーザ装置の構成については、例えば特許文献１（特開２００３−２１８４３２号公報）に開示がなされている。
特開２００３−２１８４３２号公報

従来のエキシマレーザ装置においては、レーザガスのガス圧が低い状態のとき、高い状態に比べると、レーザパルス毎の出力パワーのばらつきが大きくなり、必要な安定性を出すことが困難である、という問題があった。また、貫流ファンの回転数を上げるとレーザパルス毎の出力パワー安定性は出るが、ファンを回転させるモータやそれを駆動するインバータが大型化し、高コスト化やメンテナンス性低下等の問題があった。

上記問題点を解決するために、請求項１に係る発明は、レーザガスを封入するレーザチャンバと、該レーザチャンバ内に配置されレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極と、前記一対の主放電電極間にレーザガス流を作り出す貫流ファンと、からなる放電励起エキシマレーザ装置において、該レーザチャンバ内のレーザガス圧力に応じて該貫流ファンの回転数を変化させることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の放電励起エキシマレーザ装置であって、レーザガス圧力が低いほど、貫流ファンの回転数を上昇させることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、レーザガスを封入するレーザチャンバと、該レーザチャンバ内に配置されレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極と、回転軸を有し前記一対の主放電電極間にレーザガス流を作り出す貫流ファンと、該貫流ファンの該回転軸に対して回転駆動力を付与するモータと、該モータに駆動用交流電圧を供給
するインバータと、該レーザチャンバ内のレーザガス圧を検出するガス圧力センサと、少なくとも該ガス圧力センサからのレーザガス圧力検出信号を受信し、かつ、該モータを所定の回転数で回転させるための駆動用交流電圧をインバータに発生させる速度指令信号を発信するコントローラーと、からなる放電励起エキシマレーザ装置において、該コントローラーは、該レーザガス圧力検出信号に応じた速度指令信号を発信することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の放電励起エキシマレーザ装置であって、該コントローラーは、該レーザガス圧力検出信号によってレーザガス圧が低く検出されるほど、該モータの回転数を上昇させる速度指令信号を発信することを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る放電励起エキシマレーザ装置によれば、レーザガスのガス圧が低い状態のときレーザパルス毎の出力パワーのばらつきを小さくすることができ、安定した出力を得ることができる、という効果を得ることができる。

また、本発明を実現するために、モータをより高性能なものにしたり、モータを駆動するインバータなどの回路構成を特段変更したりする必要がない。

本発明の実施形態に係る放電励起エキシマレーザ装置の構成例を示す断面図である。 貫流ファン１０３の回転に伴うレーザガスの流れの状態を模式的に示す図である。 （Ａ）エキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とレーザ出力との関係を示す図であり、（Ｂ）従来のエキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とモータの回転数との関係を示す図である。 （Ａ）エキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とレーザ出力との関係を示す図であり、（Ｂ）、（Ｃ）本発明の放電励起エキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とモータの回転数との関係を示す図である。 （Ｄ）レーザガス圧とモータの必要トルクとの関係を示す図であり、（Ｅ）レーザガス圧とモータの回転数との関係を示すものに、モータ出力限界を重ね合わせて示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る放電励起エキシマレーザ装置の構成例を示す断面図である。図１において、１００は放電励起エキシマレーザ装置、１０１はレーザチャンバ、１０２、１０２は主放電電極、１０３は貫流ファン、１０５、１０５は窓、１０４は回転軸、１１２はモータ、１１４、１１４は軸受、１２１はガス圧力センサ、１３０はコントローラー、１３１はインバータをそれぞれ示している。

本発明に係る放電励起エキシマレーザ装置１００は、レーザガスが封入されたレーザチャンバ１０１の内部に、レーザガスを予備電離する予備電離電極（図示せず）と、レーザ光の発振を可能にする放電を得るための一対の主放電電極１０２、１０２とが配置されている。更にレーザチャンバ１０１内には、一対の主放電電極１０２、１０２の間に高速のレーザガス流を作り出すための貫流ファン１０３が配置されている。

レーザ光の発振は、一対の主放電電極１０２、１０２の間に高電圧を印加することによってレーザ励起放電が行なわれて得られる。発生したレーザ光はレーザチャンバ１０１の
側壁に設けられた窓１０５、１０５を経由してレーザチャンバ１０１の外部へ取り出される。レーザ励起放電が行なわれると、一対の主放電電極１０２、１０２の間にあるレーザガスは劣化により出力特性が悪くなり、繰返し発振が行なえなくなる。このため貫流ファン１０３にて、レーザチャンバ１０１内のレーザガスを循環させて、放電ごとに一対の主放電電極１０２、１０２間のレーザガスを入れ替えることにより安定した繰返し発振を行なっている。

貫流ファン１０３の全長は、一対の主放電電極１０２、１０２の全長にわたり均一な風速を得るために主放電電極１０２、１０２の長さより若干長くなっている。この貫流ファン１０３を回転させて、一対の主放電電極１０２、１０２間に必要十分なガス流れを得ている。

貫流ファン１０３は、内部を貫通し両端部から突出する回転軸１０４を有している。該回転軸１０４は、レーザチャンバ１０１の両端に設けられた軸受１１４、１１４にて回転自在に支持されている。そして、モータ１１２は貫流ファン１０３の回転軸１０４に回転動力を与える。モータ１１２にはインバータ１３１によって駆動用交流電圧が供給される。

コントローラー１３０は、放電励起エキシマレーザ装置１００の制御を総合的に行う汎用的な演算部等からなり、本発明においては、少なくともガス圧力センサ１２１からの、レーザチャンバ１０１ガス圧力に係るレーザガス圧力検出信号を受信し、インバータ１３１に対してモータ１１２の速度指令信号を発する上位制御部の役割を果たすものとする。

ガス圧力センサ１２１は、レーザチャンバ１０１内に設けられ、レーザチャンバ１０１内のレーザガスの圧力を検出するものである。インバータ１３１は、モータ１１２を所望の回転数で回転させるための駆動用交流電圧を発生可能に設定されている。また、コントローラー１３０は、インバータ１３１に対して、モータ１１２を所望の回転数で回転させるための駆動用交流電圧を発生させるように速度指令信号を発信する。なお、本明細書においては、回転数なる語や回転速度なる語を同義的に用いることがある。

図２は貫流ファン１０３の回転に伴うレーザガスの流れの状態を模式的に示す図である。ここで、従来のエキシマレーザ装置において、貫流ファン１０３の回転数を決定するための考え方について説明する。なお、図中１１５は貫流ファン１０３のフィンを示している。

従来、貫流ファン１０３のファン回転数は放電繰り返し周波数と必要ＣＲ値により決定されていた。このときに用いられるＣＲ値について説明する。

主放電電極１０２、１０２間の放電により生成したデブリやイオンが、放電電極間に残っていると、次の放電のときにそのデブリ等が残留する部分で放電が発生して、放電電極間全体における放電が安定しない。主放電電極１０２、１０２間の放電が安定しないとレーザ出力のばらつきが大きくなる。

これを避けるためには放電生成物であるデブリやイオンを、次の放電の前に放電電極間の空間からなるべく遠ざけておく必要がある。このような現象をＣＲ値というパラメーターによって表している。放電空間内のガス流速をｖ、放電間隔時間をｔ、放電幅をＷとすると、ＣＲ＝ｖｔ／Ｗである。ガス流速ｖは貫流ファン１０３の回転数によって決まる。また、放電間隔時間ｔは放電繰り返し周波数の逆数であるため、放電繰り返し周波数と放電幅が決まれば、ＣＲ値はファン回転数に依存することとなる。

次に、レーザ光発振に伴う主放電電極１０２、１０２の劣化とレーザ出力の関係について説明する。図３（Ａ）はエキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とレーザ出力との関係を示す図である。

図３（Ａ）において、Ｔ₀の曲線は主放電電極１０２、１０２が新品（ほぼ未使用状態
）であるときのレーザガス圧対レーザ出力特性を示す曲線である。このようなエキシマレーザ装置におけるレーザガス圧対レーザ出力特性は、主放電電極１０２、１０２の放電による劣化に伴って、Ｔ₀で示す曲線（ほぼ電極未使用状態時の出力特性）→Ｔ₁で示す曲線（電極使用後Ｔ₁経過時の出力特性）→Ｔ₂で示す曲線（電極使用後Ｔ₂経過時の出力特性
）→Ｔ₃で示す曲線（電極使用後Ｔ₃経過時の出力特性）、というように変化する。ただし、Ｔ₁＜Ｔ₂＜Ｔ₃である。

エキシマレーザ装置においては、その装置が保証するレーザ出力の定格が決まっており、その定格出力をＷ₀とすると、上述のような放電による電極劣化に伴う出力特性の変化
のために、ほぼ電極未使用状態時のレーザガス圧力はＰ₀に設定、また、電極使用後Ｔ₁経過時のレーザガス圧力はＰ₁に設定、また、電極使用後Ｔ₂経過時のレーザガス圧力はＰ₂
に設定、また、電極使用後Ｔ₃経過時のレーザガス圧力はＰ₃に設定、というようにして、定格のレーザ出力を得るようにしている。このようにエキシマレーザ装置においては、使用経過時間によって、レーザチャンバ１０１内の圧力を、Ｐ₀→Ｐ₁→Ｐ₂→Ｐ₃と徐々に上げていく、という使用形態がとられる。

図３（Ｂ）は従来のエキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とモータの回転数との関係を示す図である。

このような従来のエキシマレーザ装置においては、レーザガスのガス圧が低い状態のとき（ガス圧力Ｐ₀のとき）、高い状態（ガス圧力Ｐ₃のとき）に比べると、レーザパルス毎の出力パワーのばらつきが大きくなり、必要な安定性を出すことが困難である、という問題があった。

そこで、本発明の放電励起エキシマレーザ装置においては、レーザガス圧力を低く設定するにつれて、貫流ファン１０３の回転数を上昇させる（或いは、レーザ装置の実使用形態に合わせれば、レーザガス圧力が高くなるにつれて、貫流ファン１０３の回転数を低下させる）構成とする。このような構成とすることは、ＣＲ値のみの観点からすると、レーザガスのガス圧が低い状態のとき（ガス圧力Ｐ₀のとき）には、必要以上のＣＲ値で装置
が稼働することとなるが、レーザガスのガス圧が低い状態のとき（ガス圧力Ｐ₀のとき）
に、必要以上のＣＲ値で装置を稼働するとレーザパルス毎の出力パワーの安定性が得られる、という知見をこの度発明者らは得た。本発明では、このような知見を活かして、上述のように、レーザガス圧力を低く設定するにつれて、貫流ファン１０３の回転数を上昇させるのである。

次に、本発明の実施の形態について、図４を参照しつつ説明する。図４は（Ａ）エキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とレーザ出力との関係を示す図であり、図４（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の放電励起エキシマレーザ装置におけるレーザガス圧とモータの回転数との関係を示す図である。

図４（Ａ）は、先の図３（Ａ）と同様のものであるが、本発明においては、（ガス圧力Ｐ₀）、（ガス圧力Ｐ₁）、（ガス圧力Ｐ₂）、（ガス圧力Ｐ₃）における貫流ファン１０３の回転数を図４（Ｂ）、（Ｃ）のように設定する。

図４（Ｂ）は、（ガス圧力Ｐ₀）のときの貫流ファン１０３の回転数をＲ_a［ｒｐｍ］と
設定し、（ガス圧力Ｐ₁）、（ガス圧力Ｐ₂）、（ガス圧力Ｐ₃）における貫流ファン１０
３の回転数としてはＲ₃［ｒｐｍ］と設定した。このように設定することによって、本発
明では、レーザガスのガス圧が低い状態のときレーザパルス毎の出力パワーのばらつきを小さくし、安定した出力を得ることができる、という効果を得ることができる。

また、図４（Ｃ）はガス圧力Ｐ₀）、のときの貫流ファン１０３の回転数をＲ_a［ｒｐｍ］と設定し、（ガス圧力Ｐ₁）→（ガス圧力Ｐ₂）→（ガス圧力Ｐ₃）と設定するにつれて
、貫流ファン１０３の回転数をＲ₃［ｒｐｍ］まで漸減させるようにしたものである。こ
のような設定でも上記と同様の効果を得ることができる。

なお、レーザガス圧力を低く設定するにつれて、貫流ファン１０３の回転数を上昇させるような、ガス圧対回転数のプロフィールとして、図４（Ｂ）、（Ｃ）に示すような場合について示したが、本発明はこれらのガス圧対回転数プロフィールに限定されるものではない。

以上のような設定を行うために、本発明の放電励起エキシマレーザ装置では、レーザチャンバ１０１内のガス圧力センサ１２１によってレーザガス圧を検出する。そして、ガス圧力センサ１２１から出力されるレーザガス圧力検出信号はコントローラー１３０に入力される。コントローラー１３０は、入力されたレーザガス圧力検出信号によって、レーザチャンバ１０１内のガス圧力を判別し、これに応じて、モータ１１２を所定の回転数で回転させるための駆動用交流電圧をインバータ１３１に発生させる速度指令信号を発信する。すなわち、図４（Ａ）の例においては、（ガス圧力Ｐ₀）と（ガス圧力Ｐ₁）との間のガス圧力が検出されると、コントローラー１３０かからは、モータ１１２を回転数Ｒ_a［ｒ
ｐｍ］から、回転数Ｒ₃［ｒｐｍ］とするような速度指令信号がインバータ１３１に入力
される。

また、図４（Ｂ）の例においては、（ガス圧力Ｐ₀）から（ガス圧力Ｐ₃）までの変化が検出されるに応じて、コントローラー１３０からは、モータ１１２を回転数Ｒ_a［ｒｐｍ
］から、回転数Ｒ₃［ｒｐｍ］まで漸減するような速度指令信号がインバータ１３１に入
力される。

以上の本発明の放電励起エキシマレーザ装置によれば、レーザガスのガス圧が低い状態のときレーザパルス毎の出力パワーのばらつきを小さくすることができ、モータ、インバータを大型化せずに安定した出力を得ることができる、という効果を得ることができる。

本発明においては、レーザガス圧力を低く設定するにつれて、貫流ファン１０３の回転数を上昇させるような設定としている。モータ１１２の出力は、（回転数）×（トルク）で定義される。ガス圧の低い状態においては、回転時の必要トルクが小さいことから、その分、回転数を上げることができるので、従来と比べて、モータ１１２のスペックをあげる必要はない。

このことを図4（Ｄ）、（Ｅ）を用いて説明する。図４（Ｄ）に示すように、レーザガ
ス圧力の上昇に伴って回転速度Ｒ_a、Ｒ₃を維持するために必要なトルクは上昇する。モータ出力は回転速度×必要トルクであるから、図４（Ｅ）に示すモータ出力の限界曲線（破線）を描くことができる。前記した回転速度Ｒ_a、Ｒ₃、図４（Ｃ）の回転速度曲線は、図４（Ｅ）に示すようにこの限界曲線の示す出力可能範囲内に設定する。

１００・・・放電励起エキシマレーザ装置、１０１・・・レーザチャンバ、１０２、１０２・・・主放電電極、１０３・・・貫流ファン、１０５、１０５・・・窓、１０４・・・
回転軸、１１２・・・モータ、１１４、１１４・・・軸受、１１５・・・フィン、１２１・・・ガス圧力センサ、１３０・・・コントローラー、１３１・・・インバータ

Claims (4)

1. レーザガスを封入するレーザチャンバと、
   該レーザチャンバ内に配置されレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極と、
   前記一対の主放電電極間にレーザガス流を作り出す貫流ファンと、からなる放電励起エキシマレーザ装置において、
   該レーザチャンバ内のレーザガス圧力に応じて該貫流ファンの回転数を変化させることを特徴とする放電励起エキシマレーザ装置。
2. レーザガス圧力が低いほど、貫流ファンの回転数を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の放電励起エキシマレーザ装置。
3. レーザガスを封入するレーザチャンバと、
   該レーザチャンバ内に配置されレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極と、
   回転軸を有し前記一対の主放電電極間にレーザガス流を作り出す貫流ファンと、
   該貫流ファンの該回転軸に対して回転駆動力を付与するモータと、
   該モータに駆動用交流電圧を供給するインバータと、
   該レーザチャンバ内のレーザガス圧を検出するガス圧力センサと、
   少なくとも該ガス圧力センサからのレーザガス圧力検出信号を受信し、かつ、該モータを所定の回転数で回転させるための駆動用交流電圧をインバータに発生させる速度指令信号を発信するコントローラーと、からなる放電励起エキシマレーザ装置において、
   該コントローラーは、該レーザガス圧力検出信号に応じた速度指令信号を発信することを特徴とする放電励起エキシマレーザ装置。
4. 該コントローラーは、該レーザガス圧力検出信号によってレーザガス圧が低くなることが検出されると、該モータの回転数を上昇させる速度指令信号を発信することを特徴とする請求項３に記載の放電励起エキシマレーザ装置。

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