JP3226473B2 - 部品の耐用期間の終焉を予測可能なレーザーシステム及びその予測方法 - Google Patents

部品の耐用期間の終焉を予測可能なレーザーシステム及びその予測方法

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JP3226473B2 JP03836497A JP3836497A JP3226473B2 JP 3226473 B2 JP3226473 B2 JP 3226473B2 JP 03836497 A JP03836497 A JP 03836497A JP 3836497 A JP3836497 A JP 3836497A JP 3226473 B2 JP3226473 B2 JP 3226473B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般に補助部品の耐用期
間の終焉を予測可能なレーザーシステム及びその予測方
法に関する。また本発明はガス放電レーザーにも関し、
特に、様々なレーザー補助システムに要求される保守ま
での残り時間を予測するための制御システムに関する。
【0002】
【発明の背景】材料処理工程のようなパルスレーザーの
適用では、処理される材料へのレーザーエネルギーの既
知の入射量を必要とする。これらの多くの適用では、処
理工程制御は、材料の表面上の入射エネルギーの制御に
より達成される。従って、このような工業的適用のため
に、レーザーシステムは、各々のレーザーパルスのエネ
ルギーを計測する検出器を使用している。このエネルギ
ー情報は、レーザーに基づくマイクロコントローラ、即
ちレーザー制御器によりシステムの使用者へ連絡され
る。マイクロコントローラにおいては、使用者は、レー
ザーエネルギーを一定に保つか或いはレーザーエネルギ
ーを新たな値に変えるように、操作状態を変更すること
ができる。
【0003】使用後は廃棄されるランプとは異なり、ガ
ス放電レーザーは、生産環境における特定の間隔期間の
使用において保守をなさねばならず、様々な補助システ
ムは、電極及びチャンバー材料と反応する様々なレーザ
ーガスからもたらされる汚染に起因して一新せねばなら
ない。この種の汚染は、一般にエキシマレーザーシステ
ムにおいてはフッ化金属埃の形式であり、レーザーのウ
ィンドゥへの堆積及び/または腐食の結果としてビーム
断面形状の劣化及び帯域幅の増大をもたらす。交互の放
電とフッ素被覆との結果としての運転期間中のレーザー
電極の腐食は、レーザーの帯域幅の減損、パルス対パル
スエネルギー安定性の減損、不調和な燃焼モード運転、
ビーム断面形状の減損をもたらす。通常運転期間中のレ
ーザー増大による全出力パルス数に応じて、サイラトロ
ンスィッチ及び線狭窄化モジュール(line narrowing mo
dule) のような補助部品は同様に、レーザーからの不十
分なエネルギー出力及び処理工程制御の全損失の結果と
して、能力を減損する。典型的には、仮にレーザーエネ
ルギーが使用者の指定した範囲から相当に遠く離れる
と、レーザー制御器はレーザー運転を終了させるので、
結果的に使用者にとって経済的な損失時間を生じる。
【0004】現在製造されている工業用レーザーは、シ
ステム能力を監視し、レーザーの性能劣化の原因を使用
者が確認することを支援するための診断器を内蔵してい
る。このような一つのシステムが、本願の譲受人に譲渡
された米国特許第5,377,215号に開示され、こ
れは特に本明細書の一部分として、引用により本明細書
に含められている。この米国特許第5,377,215
号に開示されたような診断器は、レーザー内の様々な不
安定な場所に配置されたセンサを使用し、レーザーマイ
クロコントローラは、これらセンサから入力を連続的に
監視し、個々の入力を格納するために使用されたメモリ
ー位置を更新する。この種の診断器は、検知情報がメモ
リーから引き出された瞬間におけるレーザーの状態の素
早い描写を与えるので、ひとたび問題が生じると、使用
者へ警告を与えるように定められているが、考えられる
故障が起こり得る際のような補助部品劣化及び補助部品
寿命末期情報に基づく予報的な情報を与えることは可能
ではない。
【0005】
【発明の概要】本発明は、予報的な診断についての上述
した必要性に応えるためになされたものであり、この予
報的な診断は、レーザーの運転を制約する補助部品の保
守の必要性に先だって、使用者に保守を予定させること
を可能とするので、レーザー出力の劣化と、補助部品故
障に関連して起こり得る予定外の運転休止時間とを防止
する。本発明は製造行程環境に特に適しているが、レー
ザーシステムが信頼性をもって且つ規定された限界パラ
メータの範囲内で運転されることが要請される他の工業
的及び研究的環境に対しても同様によく適している。本
発明の一つの観点によれば、マイクロプロセッサに基づ
くレーザー制御システム、例えば上記米国特許第5,3
77,215号に開示されたエキシマレーザーにおいて
提供されたような制御システムが、その不揮発性メモリ
に、レーザーシステムに使用されてパルスを制約する補
助部品の各々についての限定数または閾値パルス数を記
憶する。この限定数は、次のことに基づいている。即
ち、レーザーによりパルスが発射された特定の回数の後
に、各々の部品に保守が必要となり、且つ各々の補助部
品は、固有のパルス限界値を持つことである。パルス計
数器は、他の補助システム、例えば上記米国特許第5,
377,215号に開示されたようなハロゲン注入シス
テムなどを制御するためにレーザーシステムに使用され
ており、運転期間中にシステムにより発射されたレーザ
ーパルスの回数の実時間計数を続ける。本発明に関わる
補助プログラムは、使用者が規定したパルス限界値と現
在のパルス計数との間の実時間の差を計算する制御シス
テム診断に関係して操作される。次いで、この補助プロ
グラムは、使用者が指定した時間周期に亘って平均パル
ス反復率を決定し、この平均値を使用して、レーザーの
現在の運転に基づいて、要求される保守までの残り時間
(TBMと称する)及び/または補助部品の使用可能な
寿命(耐用期間)の終了までの残り時間の正確な推定を
計算する。この計算は、パルス限界値と、計算された平
均パルス率値により計数されたパルスとの間の実時間の
差により、上記平均値を除することによりなされる。こ
の予報された時間(time)値は、時間(hour)または他の指
定された時間表示であって、使用者が診断器を介して照
会した際に使用者へ示されて、固定された間隔または使
用者が指定した間隔のいずれかにて更新される。レーザ
ーの運転時間が予め定められた水準に到達すると、補助
部品の切迫する耐用期間終了の警告を発することがで
き、或いはレーザーシステムを遮断する信号を自動的に
発生させることができる。
【0006】
【実施例】以下の説明において、保守を予測可能な制御
システムのマイクロプロセッサに基づく機器は、ガス放
電レーザー、特にエキシマレーザーの用語で説明され
る。しかしながら、保守を予測可能な制御システムは、
パルスに制約される補助部品を有する他のパルスレーザ
ーシステムのみならず、次のような他の形式のレーザー
システムにも等しく適合される。即ち、その出力を参照
時間に変換でき、指定されたTBM及び/またはレーザ
ー出力により左右される使用可能な寿命(耐用期間)の
限界を有する補助要素が一体化された形式のレーザーシ
ステムにも等しく適合される。
【0007】保守を予測可能な制御システムの仕様は図
1におけるフローチャートに示されている。以下の説明
の見出しには、図1における行程の参照符号に対応する
番号が付されている。例えば、見出し「行程3」は、図
1における行程3を参照すべきことを意味する。図1に
おける参照番号は、フローチャートに示された行程の左
側に付されている。
【0008】行程1 保守予想補助プログラム開始は、診断補助プログラムを
初期化し、レーザーによるパルス発射の回数に基づく特
定の運転寿命を有するレーザーシステム補助部品のため
に要求される保守を使用者に予測且つ予定させる。これ
らの部品は、エキシマに基づくシステムのためには、以
下のものを含む。即ち、レーザーガス、チャンバ、高圧
電源、フッ化金属フィルタ、前方及び後方ウィンドゥ、
整流器、加圧ヘッド、前方及び後方光学要素、波動制御
計(wave control meter)及びビームスプリッタである。
例えば、前方及び後方窓部品は、保守が要求される前
に、500×10万回のパルス寿命の使用可能寿命を
持ち得る一方、整流器は、3000×10万回のパル
ス寿命を持ち得る。
【0009】行程2 使用者の運転のために以下の通りに変数の詳細が規定さ
れている。LaserTimeOn レーザーが動力を供給された状態にある時間である。こ
の値は、制御システムのメモリに時間の単位の形態で格
納され、レーザーを特に容易に運転させるように、レー
ザーのためのタイマーとして働く。AveRepRt (average pulse repetition rate :
平均パルス反復率) パルス毎秒あたりの平均パルス反復率であり、後述する
後続の行程において計算される。MaintInt (maintenance interval: 保守間隔) 使用者が指定した時間周期であり、AveRepRtが
計算される間、例えば時間として、制御システムのメモ
リに数値を代入可能に格納される。LifeTimeCt 特定の部品について可能な全パルス数。即ち、特定の部
品の使用可能寿命の終了および/または性能における劣
化が生じるので迅速に点検または交換が必要になる前
に、その特定の部品について可能な全パルス数。LifeCounter 一つの部品について保守が最後に実行されてからのレー
ザーシステムによりパルス放電の回数。TotalShtNM 使用者が指定したMaintInt周期の間のレーザー
システムによるパルス放電の総数。
【0010】行程3 規定された変数は初期化される。各々の変数は、一つの
変数の初期化が影響することに或る程度に関連している
ので、他の変数の初期化が必要とされる。MaintI
ntのための周期は、使用者の運転上の要請に応じて設
定され、これは一般に保守の期間間隔、特に使用者の製
造運転のためには、例えば二週間(336時間)であ
る。レーザーシステムが最初に据え付けられた際、La
serTimeOnは零に初期化できる。AveRep
Rtは、レーザーシステムについての最大パルス反復率
に等しくなるように、RepRtMaxとして、例えば
1000Hzに初期設定される。数値代入可能なRep
RtMaxは、実行可能なAveRepRtが計算され
ないときに、初期化のために使用される。TotalS
htNMは、パルス計数器により表示された値Tota
lShtに設定され、この値は、梱包または試運転に先
立つ製造工程におけるレーザーシステム検査に起因し
て、零以外の何らかの値をとり得る。整数のダミー変数
(仮変数)NMは、MaintIntに到達したときを
決定する補助プログラムにより使用され、後で説明する
ように任意の整数、例えば1に設定される。時間単位で
表された時間対保守は、次式に従って初めに計算され
る。 TBM=Δパルス/{(パルス/Sec)*(3600
/Hr)} この式に限らず、本明細書で用いる式において、Sec
は秒を示し、Hrは時間を示す。この式は以下のように
簡単に表記できる。 TBM=(%*LifeTimeCt-LifeCounter)/ (RepRtMax
3600) ここで%は、部品の寿命の終りに達する前に準備時間を
設けるように、使用者により付加的に設定され、例えば
110%に設定され、制御システムが、使用者に対して
実際のTBMに先立って部品の点検の用意をなすように
警告させることを可能とする。
【0011】行程4 LaserTimeOnが制御システムメモリから引き
出される。最も最近のTBM評価を含む診断情報は、使
用者が指定した時間間隔、即ち一時間ごと、または一時
間未満の指定された断片時間の後のいずれかで更新さ
れ、シリアルインターフェースを通じて使用者と交信さ
れる。
【0012】行程5 図1に模式的に示されるように補助ルーチン「検閲」が
実行され、ここではプログラムが、規定された整数変数
NMに対するINTの値を検閲する。図2に示されるよ
うに、INTは、使用者が規定した保守間隔周期(Ma
intINT)に亘って、レーザーが動力供給状態(L
aserTimeOn)にある時間の比率として規定さ
れている。例えば、NMが1と指定され、MaintI
NTが336時間として特定され、仮に数値代入可能な
LaserTimeOnが運転時間320時間を読むな
らば、照合320≧(1)(336)またはNM≧1
(即ち、LaserTimeOn/MaintIntの
比は、≧NM)は、「否」と決定されて、INTは零に
設定される。ここでプログラムは行程4へ戻り、使用者
の指定した間隔がLaserTimeOnへ再計算され
るまで待つ。仮に上述した例において、LaserTi
meOnが365時間を読むならば、関係NM≧では、
1が成り立ち、INTは1に設定される。次いでプログ
ラムは、行程6で説明されるように、AveRepRt
の計算へ進む。
【0013】行程6 使用者が指定した時間間隔(一般に、生産工程で確立さ
れた保守間隔は、個々の施設の運転計画に基づいてい
る)MaintIntにひとたび到達すると、その間隔
に亘るレーザーの平均反復率AveRepRtは、間隔
周期により分割された特定の時間間隔の間のレーザーに
よるパルス放電の全回数をとって計算される。Main
tIntを測定するためのクロックは、レーザーが動力
遮断状態にあるときは進行しない。このクロックは、レ
ーザーが動力供給状態にあるクロックの停止位置から連
続的に進行する。この計算は、次式に基づいている。 AveRepRt=TotalShtNM/Maint
Int ここでレーザー運転パルス計数器(パルス計数器)は、
次の関係によりTotalShtNMを示す。即ち、 TotalSht=TotalSht+TotalSh
tNM AveRepRtが計算された後、可変TotalSh
tNMは、現在の全パルス計数:TotalShtNM
=TotalShtに等しくなるようにTotalSh
tNMを設定することにより、再び初期化され、ダミー
変数NMは、NM=1に設定される。
【0014】行程7 部品についてのTBMは行程3で説明したように計算さ
れるが、AveRepRtの値をAveRepRtMa
xに代入すると、次式が得られる。 TBM=(%*LifeTimeCt-LifeCounter)/ (AveRepRt
3600) 従ってMaintIntのために与えられるTBMは、
直前のAveRepRtに基づいている。この結果は、
行程4で示されたように、シリアルインターフェース及
びレーザーシステム診断機を介して使用者に報告され
る。表1は、TBMのエキシマレーザーシステム用補助
システムについての例示的な表を示し、TBMはこのよ
うに与えられて報告されている。記載された各々の項目
は、シリアルインターフェースを介して使用者により質
問が発せられた際に、制御システムの応答を表示する関
連した一連の応答と共に、構成名により識別される。こ
のTBMの応答は、各々の補助部品が、その保守限界で
はなく、その寿命限界を越えるまでの残り時間の予報的
な見積もりを使用者へ提供する。寿命時間限界は、実際
の補助部品パルスが、その補助部品についての寿命パル
ス限界の閾値を越えて計数された際に合図される。TB
Mはレーザーシステムの平均パルス反復率に基づいてい
るので、プログラムされた反復率に対し、規定された変
数の初期化を伴わずに大きな変更がなされるとすれば、
実際の残り時間とは大きく相違してしまう。先に検討し
たように、この理由のために複数の変数が関連付けられ
ている。
【0015】
【表1】 時間の値は「nn.n」である。仮にこの例では、値
が99.9時間を越えるならば、99.9時間として表
示される。テキスト「D nn」において「nn」は診
断番号を示す。文字「hh」は例として16進数の診
断番号を示す。文字「hhhh」は16進数のデータ
値を示す。例えば、0の値は耐用期間の終了を越えるま
で報告されない。補助システムGasSHotsが表1
に示されていることに注目すべきである。パルス限界に
達しつつあるに加えて、レーザーガスもまた、静ガス寿
命として参照された実際の時間閾値により制限される。
時間閾値は、第一のガスの数値代入可能な名称(即ち静
Lf)により、第二のガスの数値代入可能な名称(即ち
静Tm)として最後のガス補充が報告されてからの時間
と共に設定できる。ガスについての保守時間閾値は、例
えば、使用者により、その閾値 静Tm≧.90におけ
る時間、または静Lfの幾らかの他の割合における時間
として設定され、補助部品についての寿命閾値は、その
閾値 静Tm>静Lfにおける点として表記され、ガス
寿命についてのTBMは、上記に参照した閾値限界に先
立って、行程7において、以下の(a)または(b)の
小さい方として報告される。 (a) GasSHots/AveRepRt (b) 静残り寿命=(静Lf+1)−静Tm 補助システム部品がその寿命時間限界閾値に達した際、
制御システムは、レーザーが発射可能な状態から待機状
態へ自動的に移行するように適合させることができ、或
いは、使用者への警告メッセージ、即ちレーザーの出力
特性がおそらく低下しているので、補助システムの故障
が切迫しているという警告メッセージが繰り返し与えら
れている間に、運転を継続させるように適合させること
ができる。
【0016】本発明の代替的な実施例においては、行程
1から4はレーザーの制御システムにより上述のように
実行される。しかしながら、AveRepRtは、標本
間隔(sample interval) のSampInt(即ち、6分
または0.1時間)に亘るレーザーパルスの丸め平均(r
olling average) として計算される。この代替的な実施
例においては、先に検討したレーザー運転特性の変化に
関係した問題と、このような変化の可変AveRepR
tの計算における影響が回避されている。図2に示され
るように行程5は削除され、AveRepRtは、行程
4において制御システムメモリからLaserTime
Onが引き出された直後に決定される。この実施例にお
ける平均パルス反復率は以下のように決定される。 AveRepRt=AveRepRt−(AveRep
Rt/N)+(毎秒の発射数δ/N) ここで、毎秒の発射数δ(図においては、δShots
Per Secで示される)は、上記SampInt
の間のパルス毎秒の反復率である。1/Nは、指定され
た標本間隔に基づいて、毎秒の発射数δへ与えられた加
重項であり、各々の標本間隔SampIntにおいて計
算される。変数Nは数値代入可能なMaintIntに
関係し、MaintIntが時間で表され、且つSam
pIntが時間で表される際に、次式で与えられる。 N=MaintInt/SampInt 例えば、仮にSampIntが0.1時間(6分)に設
定されているならば、 N=10MaintInt である。この代替的実施例においては、AveRepR
tは、それ自身が各々のSampInt期間で計算され
た平均値であり、SampInt期間は上述の例では6
分である。例えば、仮に保守間隔MaintIntが2
4時間として指定され、標本間隔SampIntが上述
したように0.1時間(6分)として指定され、Ave
RepRtがRepRtMax(1000パルス毎秒)
に等しく、上記SampIntにおけるパルス毎秒のδ
が100に設定されているならば、 AveRepRt=(1000/Sec)パルス-(1/240){(1000 パルス/Sec)+100(パルス/Sec)} =(1000パルス/Sec) −( 3.75パルス/Sec) = 996.25パルス/Sec である。
【0017】行程8 推定されたTBMは、補助部品について使用者が指定し
た割合、即ちLifeTimeCt(即ち、110%)
とLifeCounterとの間の差をとって、レーザ
ーシステムについての現在のAveRepRtに基づい
て各々の補助部品について計算されている。この差は、
次式のように、AveRepRtで除されて使い易い時
間枠(time frame)、例えば時間(hour)へ変換される。 TBM={(0.90LifeTimeCt-LifeCounter)/AveRepRt }×(H
r/3600Sec) 従って、仮に使用者が、LifeTimeCt=300
×10パルス、LifeCounter=100×1
パルスを有する補助部品についてのTBSとしてレ
ーザー制御システム診断を尋ね、AveRepRtが行
程6において与えられているならば、読み出しは次式の
ように与えられ得る。 TBM=[{0.90(300×106 )-(100×106 ) }/(996.25パルス/Sec) ] ×(Hr/3600Sec) =64.13 時間 本発明について、特定の実施例(即ちエキシマレーザー
システム)を参照して開示し、且つ図示したが、ここに
包含された主題は数多くの他の実施例に使用可能である
ことは当業者には明白である。従って本発明は、添付の
請求項の目的により示された如きのみにより限定され
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の一つの実施例を模式的に示す図
であって、必要とされる保守までの残り時間及び/また
はレーザーの特定の補助部品についての使用可能な寿命
までの残り時間を制御システムが予測する行程を示すフ
ローチャートである。
【図2】本発明の方法の他の実施例を図1と同様に示す
フローチャートである。
【符号の説明】
2 行程(保守間隔規定行程、最大パルス限界確立行
程) 3 行程(初期パルス計数値決定行程、パルス標本間隔
規定行程) 5 行程(間隔パルス計数値決定行程) 6 行程(平均パルス反復率計算行程) 7 行程(残り期間決定行程)
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−291649(JP,A) 特開 平2−1189(JP,A) 特開 平4−23373(JP,A) 国際公開90/10962(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 3/00 H01S 3/03 - 3/038 H01S 3/225

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザーシステムであって、 パルス出力レーザービームの生成に組み合わされて作動
    し、耐用期間が限定された補助部品の組と、 前記補助部品の各々に対して、操作可能に且つ交信可能
    に接続され、その各々の補助部品の作動を監視且つ制御
    すると共に、レーザーシステムのパルス出力を集合的に
    監視且つ制御する制御システムを備え、 前記制御システムによる前記監視をなす監視機能は、前
    記レーザーシステムにより生成されたパルスの計数と、
    前記耐用期間が限定された補助部品の各々について、現
    在のレーザーシステム運転の下の耐用期間の残り期間の
    読み出し情報を操作者へ与えるように、前記監視機能に
    より数計されたパルスの数と前記耐用期間とに基づき前
    耐用期間の終焉を予測する信号の発生とを更に含むレ
    ーザーシステム。
  2. 【請求項2】 前記レーザーシステムが、ガス放電レー
    ザーシステムである請求項1記載のレーザーシステム。
  3. 【請求項3】 前記ガス放電レーザーシステムが、エキ
    シマレーザーシステムである請求項2記載のレーザーシ
    ステム。
  4. 【請求項4】 前記耐用期間の終焉を予測する信号が、
    使用者が指定した間隔に亘ってレーザーシステムにより
    発生されたパルスの数と、前記補助部品の各々について
    予め定められ、パルスに制約された耐用期間と、レーザ
    ーシステムの現在のパルス出力の計数値との関数である
    請求項1乃至3の何れか一項に記載のレーザーシステ
    ム。
  5. 【請求項5】 前記発生されたパルスの数が、使用者が
    指定した間隔に亘るパルス計数値の平均値である請求項
    4記載のレーザーシステム。
  6. 【請求項6】 ガス放電レーザーシステムの補助部品に
    ついて、その耐用期間の終焉を予測するための方法であ
    って、前記補助部品は、ガス放電レーザーシステムのパ
    ルスに制約された耐用期間を有しており、前記方法は、 レーザーシステムについての初期パルス計数値を決定す
    る行程と、 前記補助部品の各々についての最大パルス限界を確立す
    る行程と、 保守間隔の間隔を規定する行程であり、その保守間隔は
    レーザー運転計画に基づいて使用者により規定されてな
    る行程と、 前記保守間隔についての間隔パルス計数値を決定する行
    程であり、その間隔パルス計数値は、前記保守間隔の終
    了時における最終的なパルス計数値と前記パルス計数値
    との間の差となる行程と、 前記保守間隔で前記間隔パルス計数値を除することによ
    り、前記保守間隔に亘る平均パルス反復率を計算する行
    程と、 前記最大パルス限界と最終的なパルス計数値との間の差
    を前記平均パルス反復率により除することにより、現在
    のレーザー運転下における前記補助部品の各々について
    の耐用期間の終了までの残り期間を決定する行程とを備
    える方法。
  7. 【請求項7】 前記ガス放電レーザーシステムが、エキ
    シマレーザーシステムである請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 ガス放電レーザーシステムの補助部品に
    ついて、その耐用期間の終焉を予測するための方法であ
    って、前記補助部品は、ガス放電レーザーシステムのパ
    ルスに制約された耐用期間を有しており、前記方法は、 前記補助部品の各々についての最大パルス限界を確立す
    る行程と、 保守の間隔を規定する行程であり、その保守間隔はレー
    ザー運転計画に基づいて使用者により指定されてなる行
    程と、 パルス標本間隔を規定する行程であり、そのパルス標本
    間隔は前記保守間隔の部分集合となる行程と、 各々のパルス標本間隔に亘る前記レーザーシステムのパ
    ルス計数値の丸め平均を計算することにより、前記保守
    間隔についての平均パルス反復率を決定する行程と、 前記最大パルス限界と最終的なパルス計数値との間の差
    を前記平均パルス反復率で除することにより、前記補助
    部品の各々についての耐用期間の終了までの残り期間を
    決定する行程とを備える方法。
  9. 【請求項9】 前記パルス反復率が、前記保守間隔とパ
    ルス標本間隔との比に基づいた加重項を用いる加重平均
    である請求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記ガス放電レーザーシステムが、エ
    キシマレーザーシステムである請求項8または9記載の
    方法。
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