JP6254178B2 - ダブル電極放電チャンバの導流装置及びこれを適用した放電チャンバ、エキシマレーザ - Google Patents

Description

本発明はレーザ技術分野に属し、具体的には、リソグラフィー用のシングルチャンバダブル電極エキシマレーザの放電チャンバの導流装置、ならびに、この導流装置を適用したダブル電極放電チャンバ及びエキシマレーザに関している。

現在、エキシマレーザは、リソグラフィーに適用される最適なレーザ光源と見なされ、それは集積回路平板印刷リソグラフィー産業の主要な動作光源である。

より狭い線幅およびより高い平均出力電力を実現するように、現在のエキシマレーザシステムは最初のシングルチャンバ構造からダブルチャンバ構造に発展した。これらのダブルチャンバ構造のエキシマレーザは、２つの構造的にほぼ同じな放電チャンバからなり、この２つの放電チャンバはそれぞれシードチャンバ及び拡大チャンバといわれる。その基本的な動作過程は以下の通りである。シードチャンバにより一定の繰返し周波数を有し、エネルギーが低いシード光を生成し、シード光が拡大チャンバに注入された後で拡大され、最終に線幅が狭く、電力が高く、優良なエキシマレーザを出力する。

伝統なダブルチャンバ構造のエキシマレーザは、図１に示すように、２つの放電チャンバ１０１及び１０２からなり、その中、１０１はシードチャンバであり、１０２は拡大チャンバである。２つの放電チャンバにそれぞれ１ペアの放電電極１０３及び１０４を有している。シードチャンバの反射端において、一般的に、線幅を狭くするモジュール１０５を有する。シードチャンバ１０１と拡大チャンバ１０２との間にはモジュール１０６、１０７及び１０８によって接続されており、これらのモジュールの機能は一般的に光路制御、調整及び計測を含んでいる。このようなダブルチャンバ構造のエキシマレーザは、２つの放電チャンバに１つの高圧電源１０９及び１１０をそれぞれ配置する必要がある。

シングルチャンバダブル電極構造のエキシマレーザの設計案は研究者によって提案されている。この技術案には、１つの放電チャンバに２ペアの放電電極が平行に実装されており、その中、１ペアの電極はシード光を生成し、別の１ペアの電極はシード光を拡大する。この技術案のメリットは、放電の同期制御に有利であるとともに、エキシマレーザの構造の複雑性を低減したことにある。

伝統なダブル電極放電チャンバは、図２に示すように、放電チャンバ２０１に２ペアの電極２０２及び２０３が平行に実装されている。２ペアの電極は１つの高圧電源２０４のみによって放電している。このように、エキシマレーザの構造の複雑性を低減し、装置全体の集積に有利となる。

しかしながら、以下のことに注意すべきである。エキシマレーザが高い繰返し周波数で動作するとき、放電の品質を保証し、レーザのエネルギー及びその安定性を向上するために、放電電極間に高速の気流を形成し、放電した排ガスを排出し、新たな動作ガスを放電に補充する必要がある。２ペアの電極が放電チャンバに平行に実装されているとき、２ペアの電極間に流速及び均一性ができるだけ近い気流をそれぞれ生成するために、新たな放電チャンバを設計し、新たなガス循環方式を形成することが必要である。

本発明が解決しようとする技術課題は、放電チャンバがチャンバ内に対称の流場分布を取得でき、２つの異なる放電領域に高速の気流を同時に形成し、かつ気体の流速及び均一性が一致するように、エキシマレーザに適用される一連のダブル電極放電チャンバの導流装置を提案することである。

上記技術課題を解決するために、本発明は放電チャンバの導流装置を提出しており、前記放電チャンバは対称の構造を有し、２ペアの電極を含み、この導流装置は、２つのインペラを含み、この２つのインペラは、前記２ペアの電極のうちの１ペアにそれぞれ対応しており、その実装位置は前記放電チャンバの対称面に対して対称し、かつ前記電極の下方に位置しており、その回転軸は電極の軸方向に平行し、前記電極の軸方向は前記放電チャンバの底面に平行し、この２つのインペラの回転方向は対向しており、回転数は同じである。

本発明の好ましい実施形態によれば、各前記インペラの下方に、気流がインペラの下方を通過することを阻止するための下スポイラがそれぞれ実装されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記下スポイラは斜面式又は弧面式であり、すなわち、スポイラの風上側は斜面又は弧面の形式に設計され、弧面は、内凹または外凸弧面、あるいは、内凹と外凸弧面の組み合わせであることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、ペアあたりの電極の下方実装所から対応のインペラ方向に上スポイラを延びる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記インペラの側壁に、インペラ出口の気流を前記電極の放電領域にガイドするための導流板が実装されている。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記導流板の端末と前記電極の上方との間に上導流板が実装されており、この上導流板と前記上スポイラとは収束型流路を構成している。

本発明の好ましい実施形態によれば、２つの前記電極の放電領域の中間位置に、前記放電領域を流す気流を下向きの気流になるための対称の合流導流片が設けられている。

本発明の好ましい実施形態によれば、各前記電極の下方から対応のインペラに下導流板を伸びており、インペラ方向に曲げる弧形が現れている。

本発明は、前記導流装置を含むダブル電極放電チャンバ、及び、このダブル電極放電チャンバを含むエキシマレーザを更に提出している。

本発明は、２つの貫流インペラをチャンバ内全体の気流の駆動源とし、２つのインペラは対向に回転しており、チャンバ内において、インペラを囲んで一連の導流構造を配置して、気流の形成及び気流の加速に有利な流路を形成し、最終に放電領域に均一かつ高速な気流を形成している。２つのインペラ及び導流構造がいずれも対称に実装されており、かつインペラの回転数が一致しているため、チャンバ内に得られた流場はほぼ対称に分配している。

本発明は、ダブル電極放電チャンバ内の２つの放電領域に高速かつ均一な気流を同時に取得し、放電品質を保証し、レーザのエネルギー及びその安定性を向上させることができる。

従来技術のダブルチャンバ構造のエキシマレーザの模式図である。 従来技術のダブル電極構造の放電チャンバの模式図である。 本発明のエキシマレーザに適用されるダブル電極放電チャンバの一実施例の断面模式図である。 本発明の実施例に採用される貫流インペラの模式図である。 本発明実施例におけるインペラの下方のスポイラのいくつかの実施形態の模式図である。 本発明実施例におけるインペラの上方スポイラの設計角度範囲の模式図である。 本発明実施例における電極の上流の収縮型流路の模式図である。 本発明実施例における下電極部材の導流構造のいくつかの実施形態の模式図である。 本発明実施例におけるダブル電極放電チャンバに基づくエキシマレーザの構造模式図である。

本発明の目的、技術案及びメリットをより明らかにするために、以下、具体的な実施例に組み合わせ、図面を参照して、本発明のさらに詳細に説明する。

図３は、本発明のエキシマレーザに適用されるダブル電極放電チャンバの一実施例の断面模式図である。図３に示すように、放電チャンバ３０１は、対称の構造を有しており（図面には左右対象に表示され、対称面は紙面及び放電チャンバの底面に垂直している）、放電チャンバ３０１に、２ペアの電極３０２及び３０３が実装されている。電極３０２及び３０３は、軸方向を有しており、この軸方向は放電チャンバの底面に平行し、かつレーザが光を射出する光軸方向に一致しており、電極はペア毎に１本のカソードおよび１本のアノードを含み、一般的には、カソードが上に実装され、アノードが下に実装される。図３に示す実施例において、２ペアの電極３０２及び３０３のカソードが絶縁部材３０４及び３０５に実装されるため、カソードは放電チャンバと絶縁している。アノードの実装方式の詳細は、図８に示すようなものであり、その実装ベースが金属であり、かつチャンバと繋がっているため、アノードと放電チャンバとは等電位である。

チャンバ内の気体３０６の循環を駆動するために、チャンバ内の両側に２つの貫流インペラ３０７及び３０８が実装されている。この２つのインペラは、前記２ペアの電極のうちの１ペアにそれぞれ対応しており、かつ電極の下方に位置している。放電チャンバ全体の設計考慮及び流速に対する放電繰返し周波数の要求に基づいて、一般的に、インペラの直径を９０〜１４０ｍｍにする。

本発明に採用される貫流インペラは、エキシマレーザの専用インペラであり、一般的に、普通の貫流インペラに比べて、剛度がよりよく、かつ、ノイズがより小さい。図４はエキシマレーザ専用の貫流インペラを示し、このインペラの羽根は、インペラの運転過程で発生したノイズ及び振動を低減するように、非均一に配置される。製造コストを節約するために、常用な直歯貫流インペラ又は斜歯貫流インペラを本発明の放電チャンバに適用してもよい。

２つのインペラ３０７、３０８の回転軸は、いずれも電極３０２、３０３に平行しており、その実装位置は、放電チャンバ３０１の対称面に対して対称している。光軸に垂直するチャンバの横断面から見ると、その位置はいずれも放電チャンバの底部に左右側の壁に近い所にある。

２つのインペラ３０７、３０８は対向に回転している。即ち、光軸に垂直するチャンバの横断面から見ると、１つのインペラ３０７は時計回りに回転しており、別のインペラ３０８は反時計回りに回転している。２つのインペラの回転数はずっと一致している。

インペラの出口における流速をできるだけ向上するために、貫流インペラの羽根間の格子にほぼ全ての気流を通過させ、インペラの隣を経過することを避けることが必要である。このように、インペラの回転により、羽根ができるだけ多くの気体に仕事し、気体の流れを加速することができる。

したがって、それぞれのインペラの下方に下スポイラ３０９及び３１０がそれぞれ実装され、この下スポイラの作用は、気流がインペラの下方を通過することを阻止することである。理論的には、下スポイラとインペラ外周との間の隙間が小さいほど、インペラの下方を通過する気流が少なく、インペラの効率の向上に有利となる。しかしながら、小さすぎる隙間がノイズ及びインペラの振動を増加するため、一般的に、この隙間を１〜１０ｍｍにする。

図３に示す３０９及び３１０は最も簡単なスポイラであり、それは直角の折り曲げ部材であり、立面はインペラの下方を通過する気流を阻止する。このようなスポイラは、気流がインペラの下方を経過することを効果的に阻止できるが、比較的に大きいボーテックス領域を形成して、気体のエネルギーを損失してしまう。したがって、本発明は、スポイラを図５に示すような構造形式にすることが好ましい。図５の５０１は斜面式を示し、５０２〜５０４は弧面式を示す。これらのスポイラの下面の直角辺は、放電チャンバの底面に実装される。これらの形式のチョーク構造は、気流がインペラの下方を経過することを阻止できるとともに、これらの斜面又は弧面がここの入口ボーテックスを小さくし、気流をインペラに導入して加速し、気体のエネルギーの損失を低減することができる。

気流がインペラの上方を通過することを阻止するために、インペラの上方において、他のスポイラ３１３、３１４を、２ペアの電極のうちの各ペアの電極の下方（この実施例においてはアノード位置である）の実装位置から、対応するインペラの方向に延出し、ここでは上スポイラという。上スポイラ３１３、３１４の端部とインペラ３０７、３０８の外周との間の隙間もできるだけ小さくし、一般的に１〜４ｍｍにする。図６は本発明実施例におけるインペラの上方スポイラの設計角度範囲の模式図である。図６に示すように、６０３は放電電極のアノードであり、インペラ６０１は下スポイラ６０２と上スポイラ６０４との間に位置している。同一のインペラの上、下スポイラは、ファンの外円周の２点に指しており、この２点の外円周における得られた円弧の中心角が１２０°〜１８０°である。したがって、図６の６０５位置及び６０６位置はインペラの上方スポイラの２つの限界位置であり、それがファンの外円周に指す点は、それぞれａ点とｂ点である。

流動抵抗を低減するために、インペラの出口の気流を電極の放電領域にガイドし、図３に示すように、インペラに近い側壁に導流板３１１、３１２が実装されている。導流板は、一般的に曲面構造に設計されるが、複数の平板が接合してなったものであってもよい。曲面導流板３１１及び３１２の横断面曲線は、インペラの下方のスポイラ端部からのインボリュートである。インボリュートの端末は、放電電極３０２及び３０３のうちの上方の電極に指している。このインボリュートは、孤形線、アルキメデスの螺旋線、対数螺旋線、又は以上の線型の組合曲線という複数の形式に設計されてよく、図３に示す曲面導流板３１１及び３１２の横断面曲線は多段の弧形線の組合である。

図３に示すように、インボリュート導流板の端末と放電電極３０２及び３０３のうちの上方（上方の電極）との間に、上導流板３１５及び３１６が実装されており、この上導流板と上スポイラ３１３及び３１４とは、放電領域に通じる収束型流路をそれぞれ構成する。流体の連続方程式に基づいて、この収束流路は、気流に対して加速作用を有し、より高速の気流を取得することができる。図７に示すように、導流板７０１および７０２からなる収束流路は、気流を電極７０３の間の領域にガイドする。流路の入口幅Ｓ１が出口幅（すなわち、電極の間隔）Ｓ２より大きいため、出口での流速は入口での流速より速い。

両側の気流が放電領域をそれぞれ経過した後で、放電チャンバの対称面の近くに合流し、１つの気流になっている。両側の気流の衝突による損失を避けるために、２つの放電領域の中間に対称の導流片が設置され、図３の３１７に示すように、ここでは合流導流片という。合流導流片３１７は、本来対向に運動する気流の方向を変化し、２つの気流は全て下方に運動し、これにより、２つの気流は１つの下向きの気流になっている。

下向きの気流は、２つの貫流送風機によって、２つに分け直し、２つの貫流送風機の加速によって、次の気流循環を開始する。気流とチャンバ底面との衝突による抵抗力を低減するために、放電チャンバ底部の中間位置に１つの対称の導流片が設けられ、ここでは分流導流片といわれ、図３の３２０に示すように、気流の分配及び貫流インペラへのガイドに有利となる。

電極下方の下流に措置をとらなければ、気流が電極実装面の終端に剥離渦を発生し、流動抵抗を増大する。これにより発生した流動抵抗を低減するために、本発明は、図３の３１８及び３１９に示すような下導流板の形状に設計され、図面に示すように、下導流板３１８及び３１９は、電極の下方からインペラ側に延出されており、インペラ方向に曲げる弧形になっている。低速で流動している場合、この構造は、気体付着面層の落ちを遅延し、流動抵抗を低減することができる。

図３において、便宜上、上スポイラ３１３と下導流板３１８とは一体となり、部材の２つの部分である。実際の設計のとき、図８Ａに示すように、本発明の他の実施形態により、２つの単独な部材８０１及び８０２に設計し、それぞれをネジで電極下方実装ベース８０３の前後両側に実装することができる。本発明の他の実施形態により、この部分の構造が、板金構造ではなく、一体の実心な構造に製造されてもよく、図８Ｂに示すように、この構造は導流機能持ちの電極ベース８０４及び電極８０５のみから構成されている。

電極自身による流動抵抗を低減するために、図８Ｃの８０６及び図８Ｄの８０７に示すように、沈下式の電極ベースを設計することができる。電極が沈下して実装された後で、電極自身は主流路に位置しておらず、流路の抵抗力を低減することができる。しかしながら、沈下式で実装するとき、絶縁措置を行って、他の余計な放電を避けることにも注意すべきである。

図９は上記ダブル電極放電チャンバに基づくエキシマレーザの模式図を示し、この図は平面図である。レーザにはダブル電極放電チャンバ９０１が含まれており、チャンバ内に２ペアの平行に実装される電極９０２及び９０３を有しており、その中、電極９０２はシード光を生成し、電極９０３はシード光を拡大する。電極９０１の反射端において、線幅を狭くするモジュール９０４を有する。モジュール９０５、９０６及び９０７は、光路制御、調整及び計測を行う。

以上に記載の具体的な実施例は、本発明の目的、技術案及び有益な効果を更に詳細に説明した。以上の記載は、本発明の具体的な実施例のみであり、本発明を制限するものではなく、本発明の精神及び原則を逸脱しない限りに、全ての補正、等価交替、改良などはいずれも本発明の保護範囲内に含まれていることを理解すべきである。

Claims (6)

1. 対称の構造を有し、２ペアの電極を含む放電チャンバの導流装置であって、
   この導流装置は、２つのインペラを含み、この２つのインペラは、前記２ペアの電極のうちの１ペアにそれぞれ対応しており、その実装位置は、前記放電チャンバの対称面に対して対称し、かつ前記電極の下方に位置しており、その回転軸が電極の軸方向に平行し、前記電極の軸方向は前記放電チャンバの底面に平行し、
   この２つのインペラは、回転方向が対向しており、回転数が同じであり、
   前記インペラの側壁に導流板が実装され、
   各前記インペラの下方に、気流がインペラの下方を通過することを阻止するための下スポイラがそれぞれ実装され、
   ペア毎の電極の下方実装所から、対応するインペラ方向に上スポイラを延出し、
   前記導流板の端末と前記電極の上方との間に上導流板が実装されており、この上導流板と前記上スポイラとは収束型流路を構成していることを特徴とする放電チャンバの導流装置。
2. 前記下スポイラは、斜面式又は弧面式であり、すなわち、スポイラの風上側は、斜面又は弧面の形式に設計され、弧面は、内凹または外凸弧面、あるいは、内凹と外凸弧面の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の放電チャンバの導流装置。
3. ２つの前記電極の放電領域の中間位置に、前記放電領域を流す気流を下向きの気流に合流させるための対称の合流導流片が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放電チャンバの導流装置。
4. 下導流板は、各前記電極の下方から、対応するインペラに延出されており、前記上スポイラと一体となり、インペラ方向に曲げる弧形になっていることを特徴とする請求項１に記載の放電チャンバの導流装置。
5. 請求項１−４のいずれか１項に記載の導流装置を含むことを特徴とするダブル電極放電チャンバ。
6. 請求項５に記載のダブル電極放電チャンバを含むことを特徴とするエキシマレーザ。

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