JPH0714090B2

JPH0714090B2 - エキシマレーザ装置

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Publication number: JPH0714090B2
Application number: JP29703088A
Authority: JP
Inventors: 智史秋田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1988-11-24
Filing date: 1988-11-24
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH02143479A

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野この発明は、エキシマレーザ装置に関する。

B.従来技術エキシマレーザは紫外短波長のレーザであり、近年の高
出力化に伴い、半導体デバイス，光化学プロセス等の分
野において注目を集めている。

エキシマレーザ装置は、レーザ媒質としてのガスを封入
するチャンバ（レーザ管）、チャンバ内でカソードとア
ノードとを対向させて構成した主放電部、予備電離用ピ
ン電極、ピーキングキャパシタ、充放電用コンデンサ、
放電トリガ用のサイラトロン、チャンバ内でガスを循環
させるクロスフローファン、ガス冷却用の熱交換器等を
備えている。そして、クロスフローファンによってチャ
ンバ内でガスを循環させた状態で、高圧電源から充放電
用コンデンサにエネルギーを蓄積し、その充電電圧が所
定値に達した後にサイラトロンを導通させて予備電離用
ピン電極で放電を起こし、このとき発生した紫外線によ
って主放電部のカソード，アノード間のガスを予備電離
し、その予備電離に基づいて主放電部において主放電
（グロー放電）を起こし、紫外短波長のレーザを発振さ
せるものである。

なお、主放電によって温度上昇したガスは熱交換器に至
り冷却され、再びクロスフローファンによって主放電
部，予備電離用ピン電極に供給される。

レーザ媒質であるガスとしては、F₂やHClなどのハロゲ
ンガスにXeやKrなどの稀ガスを含有させたガスが用いら
れる。

レーザビームの出力パワーは、このレーザビームによっ
て処理される対象物の処理状態に大きな影響を与えるた
め、高圧電源の発振周波数，出力電圧を正しく設定する
とともに、レーザビームの光路にビームスプリッタを配
置してレーザビームの一部を光センサで受光することに
より、レーザビームの出力パワーをモニタし、その結果
に基づいて高圧電源の出力を制御している。

また、レーザ発振の継続によって、チャンバ内の温度が
上昇し、これに伴いガス圧も上昇するので、安全のため
にチャンバ内のガス圧をモニタしている。これらの制御
はレーザコントローラで行われる。

また、周知のように、一般に、エキシマレーザ装置にお
いては、チャンバに初めてガスを注入して発振させる場
合やガス種類を変更して発振させる場合には、レーザ媒
質としての新鮮なガスの注入，レーザ発振，ガスの排気
の手順を繰り返すパッシベイション処理（不動態化処
理）が行われるが、ガスの注入，排出を行う電磁弁の開
閉も前記レーザコントローラによって制御される。レー
ザコントローラは、また、前記サイラトロンの導通タイ
ミングも制御している。

レーザ発振を継続するうちに、グロー放電によって主放
電部の電極（アノード，カソード）がスパッタされ、そ
の電極面に凹凸が発生する結果、アーク放電が発生する
ようになる。そして、このアーク放電による強力な電磁
波ノイズによって、前記各種の制御やモニタに誤動作が
生じたり、高圧電源の誤動作を招いたり、その結果、レ
ーザビームの出力パワーが所定値から大きく外れ、処理
対象物に悪影響を与えるおそれがあり、また最悪の場合
にはレーザコントローラの各素子を破壊してしまうこと
もある。

また、ガスがチャンバの内壁やチャンバ内の各種構成要
素との化学反応によって不純物（フッ化物，塩化物）を
発生するようになったり、なんらかの原因によって高圧
電源が異常昇圧した場合にもアーク放電が発生し、前述
同様の問題が生じる。

処理対象物に悪影響を与える要因としては、アーク放電
以外に次のような要因もある。

すなわち、レーザ発振の継続に伴ってガスが消費される
ため、出力パワーが次第に低下してくる。これを補償す
るのに通常は高圧電源の出力を上げているが、ガスの消
費がある段階まで進むと高圧電源の出力調整だけでは補
償できなくなる。そこで、ガスを追加注入するが、その
注入初期の期間において出力パワーが大きく変動し、許
容範囲から外れてしまうことがある。許容範囲以上であ
れば処理対象物に対する処理が過剰となり、許容範囲以
下であれば処理が不充分となる。

殊に、ガス種類を変更する際のパッシベイション処理に
おいては、変更前のガスにおいて発生しチャンバ内壁等
に付着した不純物が新しく注入されたガスの特性に悪影
響を与え、出力パワーを低下させる原因となり、これも
処理対象物に悪影響を与える。

以上のように、処理対象物に悪影響を与える原因は、直
接的にはレーザビームの出力パワーの変動であるが、そ
の出力パワーの変動の要因には様々なものがある。

C.発明が解決しようとする課題従来のエキシマレーザ装置においては、光センサで検出
した出力パワーを単にオペレータに監視させることを目
的としてモニタディスプレイに一時的に表示するだけに
留まっており、出力パワーはもとより出力パワーの変動
要素についての状況の履歴を記録しておく機能は全く有
していなかった。

そのために、処理対象物に悪影響が生じたことが判明し
たとき、エキシマレーザ装置における異常の原因を追求
することができず、そのため、何度も同じ不都合を生じ
たり、あるいは、原因を究明するのに長時間を要し、そ
の結果、生産性が悪化するなどの問題を生じていた。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
って、エキシマレーザ装置における異常の原因を容易に
追求することができるようにすることを目的とする。

D.課題を解決するための手段この発明は、このような目的を達成するために、次のよ
うな構成をとる。

すなわち、この発明は、高圧電源回路から出力された高
電圧の放電によってレーザを発振させ、レーザビームの
出力パワーを光センサで検出し、その検出値が所定範囲
内となるように前記高電圧電源回路による印加電圧を制
御するように構成したエキシマレーザ装置において、少
なくとも前記光センサで検出したレーザビームの出力パ
ワーを含むレーザ発振状況データが異常か否かを判断
し、正常である場合には前記発振状況データの所定時間
毎の平均データを、また、異常である場合には前記レー
ザ発振状況データそのものを、それぞれ不揮発性メモリ
に記憶させるマイクロコンピュータを備えたことを特徴
とする。

E.作用この発明の構成による作用は、次のとおりである。

すなわち、レーザ発振の状況データを不揮発性メモリに
履歴的に記憶させておくから、処理対象物に悪影響が生
じたときには、不揮発性メモリからレーザ発振状況デー
タを読み出し、これを表示したり印字したりすることに
よって、原因を究明することができる。

F.実施例以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図（Ａ），（Ｂ）はエキシマレーザ装置の構成を示
すブロック図である。

エキシマレーザ装置は、大きく分けて、第１図（Ａ）に
示すエキシマレーザ装置本体Ａと、第１図（Ｂ）に示す
レーザ操作装置Ｂとからなる。

レーザ装置本体Ａは、レーザ媒質としてのガスを封入す
るとともに、主放電部1a,予備電離用ピン電極1b,ピーキ
ングキャパシタ1c,ガス循環用のクロスフローファン1
d、ガス冷却用の熱交換器等を内蔵したレーザチャンバ
１と、放電トリガ用のサイラトロン２と、レーザチャン
バ１の主放電部1a,予備電離用ピン電極1bに高電圧を供
給する高圧電源回路３と、レーザチャンバ１内のガスを
排気するための真空ポンプ４と、レーザチャンバ１内に
各種のガスを導入するための電磁弁SV₁〜SV₄およびレー
ザチャンバ１と真空ポンプ４との間に介装された電磁弁
SV₅と、レーザコントローラ５（詳細は後述する）等を
備えている。

レーザ装置本体Ａは、さらに、レーザビームLBの光路中
に配置されたビームスプリッタ６と、ビームスプリッタ
６で分離されたレーザビームLB₁を受光する光センサ７
と、高圧電源回路３の出力電圧すなわちレーザチャンバ
１における主放電部1aの放電電圧を検出する放電電圧検
出回路８と、レーザチャンバ１の内圧を検出する圧力セ
ンサ９と、全体をカバーするケーシング10におけるレー
ザビームLBの出口の近傍に設けられたシャッタ11と、シ
ャッタ11を開閉状態を検出するシャッタスイッチ12と、
ケーシング10の開閉カバー13の開閉状態を検出するカバ
ースイッチ14と、各電磁弁SV₁〜SV₅の開閉状態を検出す
る弁センサS₁〜S₅と、レーザビーム発振時に点灯する発
振表示ランプ15の点灯状態を検出する点灯センサ16と、
前記サイラトロン２の冷却オイルの流れを検出するフロ
ーセンサ17と、その冷却オイルの温度センサ18等を備え
ている。

レーザコントローラ５は、一点鎖線で囲んで示すよう
に、全体を制御するマイクロコンピュータ21と、１次入
出力インターフェイス22（詳細は第２図で説明する）
と、２次入出力インターフェイス23と、これら両入出力
インターフェイス22,23間で指令信号，検出信号を電気
的な絶縁状態で授受するためのフォトカプラPC₁₁〜PC₆₂
と、サイラトロントリガ回路24と、１次入出力インター
フェイス22とサイラトロントリガ回路24との間で指令信
号，検出信号を授受するためのフォトカプラPC₇₁，PC₇₂
と、光センサ７の検出信号を増幅する光センサアンプ25
と、放電電圧検出回路８の検出信号を増幅するアンプ26
と、圧力センサ９の検出信号からノイズ成分を除去する
時定数の大きなフィルタ27およびアンプ28と、マイクロ
コンピュータ21に付属された発振回路29と、レーザ操作
装置Ｂとの間で光ファイバを介して指令信号，検出信号
を伝送するための光通信ドライバ／レシーバ30等を備え
ている。

サイラトロントリガ回路24のフォトカプラPC₇₁，PC₇₂，
光センサアンプ25,放電電圧検出回路８に係るアンプ26,
圧力センサ９に係るアンプ28は、１次入出力インターフ
ェイス22に接続されている。前記シャッタ11,シャッタ
スイッチ12,カバースイッチ14,電磁弁SV₁〜SV₅，弁セン
サS₁〜S₅，発振表示ランプ15,点灯センサ16,フローセン
サ17および温度センサ18は、２次入出力インターフェイ
ス23に接続されている。

光センサ７は、時定数の大きな焦電センサで構成されて
いる。発振回路29は、レーザの発振周波数ｆ（数百Hz）
をつくるもので、製造ラインにおいて処理対象物を検出
したタイミングで発振開始するように構成されている。

１次入出力インターフェイス22は、第２図に示すように
構成されている。

すなわち、光センサ７に係る光センサアンプ25からの出
力信号に対する微分回路31と、微分回路31の出力信号の
遅延回路32と、遅延回路32の出力信号によって光センサ
アンプ25からの出力信号をサンプルホールドするサンプ
ルホールド回路33と、１次入出力インターフェイス22か
らサイラトロントリガ回路24に与える発振周波数ｆのト
リガ信号の遅延回路34と、遅延回路34の出力信号によっ
て放電電圧検出回路８に係るアンプ26からの出力信号を
サンプルホールドするサンプルホールド回路35と、これ
ら両サンプルホールド回路33,35および圧力センサ９に
係るアンプ28の各出力信号を順次切り換えるマルチプレ
クサ36と、マルチプレクサ36から出力された各アナログ
の信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路37と、２
次入出力インターフェイス23から各検出信号入力用のフ
ォトカプラPC₁₂〜PC₇₂を介して入力した検出信号の立ち
上がりまたは立ち下がりのエッジを検出するエッジ検出
回路E₁〜E₇と、エッジ検出時に限って入力検出信号をス
ルーさせるゲート回路G₁〜G₇等を備えている。

マイクロコンピュータ21は、１次入出力インターフェイ
ス22におけるA/D変換回路37を介して入力した光センサ
7,放電電圧検出回路8,圧力センサ９の各状況データおよ
びゲート回路G₁〜G₇を介して入力したシャッタスイッチ
12,カバースイッチ14,弁センサS₁〜S₅，点灯センサ16,
フローセンサ17,温度センサ18の各状況データを光通信
ドライバ／レシーバ30を介してレーザ操作装置Ｂに転送
するとともに、それらの状況データが正常か異常かを判
断し、異常であるときは、異常検出信号を割り込み信号
として状況データとともにレーザ操作装置Ｂに転送する
ように構成されている。

次に、第１図（Ｂ）に基づいて、レーザ操作装置Ｂにつ
いて説明する。

レーザ操作装置Ｂは、高圧電源回路３のON/OFF制御およ
び光通信によって受信した各種の状況データに基づいて
行う高圧電源回路３の出力電圧制御，真空ポンプ４のON
/OFF制御ならびにレーザ装置本体Ａにおけるレーザコン
トローラ５に対する各種の指令を行うマイクロコンピュ
ータ41と、レーザ装置本体Ａにおけるレーザコントロー
ラ５との間で信号，データの授受を光ファイバを介して
行う光通信ドライバ／レシーバ42と、受信した各状況デ
ータを正常，異常の区別なく所定時間単位でストアし順
次更新するリングバッファメモリ43と、平均データ用不
揮発性メモリ44および生データ用不揮発性メモリ45と、
モニタディスプレイ46とを備えている。

レーザコントローラ５からの異常検出信号がないときに
は、マイクロコンピュータ41はリングバッファメモリ43
から前記所定時間単位の各状況データを読み出し、演算
によって各状況データごとの平均データを求めるが、前
記平均データ用不揮発性メモリ44は、この平均データを
履歴的に記憶しておくものである。

また、レーザコントローラ５から異常検出信号が割り込
み信号として入ってきたときには、マイクロコンピュー
タ41はリングバッファメモリ43内のすべての状況データ
を読み出して、それらをそのままの形すなわち生データ
として生データ用不揮発性メモリ45に記憶させる。

モニタディスプレイ46は、各種の指令をタッチパネルを
通して入力できるもので（キーボードの代用）、処理対
象物に欠陥が生じたときなど必要に応じて、平均データ
当不揮発性メモリ44あるいは生データ用不揮発性メモリ
45から読み出した状況データを数値やグラフの形で表示
することができる。

両不揮発性メモリ44,45としては、バックアップ電源付
きのRAM（ランダムアクセスメモリ）や、磁気ディスク
がある。

状況データを平均データと生データとに区別して記憶す
るのは、次の理由による。

すなわち、もし、異常検出時のみの生データを記憶する
だけでは、異常動作の前後の状況が判らない。異常動作
の前後の状況を知るためには、正常時の状況データをも
記憶させておく必要がある。また、異常動作が何時発生
するかは予測できないので、常時的に状況データを記憶
させておかなければならない。逆に、正常，異常の区別
なく常に生データを記憶するのでは、不揮発性メモリと
して記憶容量の膨大なものが必要となる。そこで、異常
動作の前後の状況が判り、かつ、記憶容量を削減するた
めに、異常時には生データを、正常時には平均データを
それぞれ記憶させるようにしたのである。

両不揮発性メモリ44,45への状況データの記憶動作は、
原則としてレーザビームLBが発振されている間とし、必
要に応じてレーザ発振が休止している間も記憶動作させ
るようにする。

なお、両不揮発性メモリ44,45に状況データを記憶させ
ておく期間は、少なくともガス交換のスパンとする。ガ
ス交換は、通常、レーザビームLBが10⁷〜10⁸回発振する
ごとに行われる。

ガス交換に伴ってそれまで記憶していた状況データを破
棄するかどうかは、その都度決定するものとし、破棄し
ないときには、外部コンピュータ51に転送して長期間保
存し統計処理等に利用できるようにする。外部コンピュ
ータ51への転送は、ガス交換のときのみならず、必要に
応じて何時でも行うことができる。

次に、上記構成のエキシマレーザ装置の動作を説明す
る。

レーザ操作装置Ｂにおけるモニタディスプレイ46の画面
をタッチパネルで操作することにより、レーザの発振周
波数f,出力パワーの目標値，記憶させるべき状況データ
の編集法やモニタディスプレイ46での表示法（数値表示
やグラフ表示）等を入力する。

編集法としては、平均データと生データの両方を記憶
する、所定時間単位ごとの平均データのみを記憶す
る、異常時の生データのみを記憶する、等のうちから
選択する。

なお、レーザビームの出力パワーについての最大値，最
小値、放電電圧についての最大値，最小値等も併せて記
憶するように設定してもよい。また、レーザチャンバ１
内のガス圧検出のためのサンプリング周波数を設定す
る。出力パワー，放電電圧のサンプリング周波数は、発
振周波数ｆに依存する。

次いで、モニタディスプレイ46におけるタッチパネルの
操作により、マイクロコンピュータ41を介して高圧電源
回路３および真空ポンプ４の電源ONと高圧電源回路３へ
の放電電圧の設定と、両光通信ドライバ／レシーバ42,3
0を介してレーザコントローラ５の電源ONとマイクロコ
ンピュータ21への発振周波数ｆとの設定とを行う。

マイクロコンピュータ21は、製造ラインにおける処理対
象物の検出に基づいて発振回路29を起動し、１次入出力
インターフェイス22,フォトカプラPC₇₁を介してサイラ
トロントリガ回路24を発振周波数ｆで駆動する。サイラ
トロン２が導通されるとレーザチャンバ１における主放
電部1aでの放電によってレーザビームLBが発振される。

これによって、第３図に示すように、放電電圧は急激に
低下するが、遅延回路34による遅延時間t₁だけサイラト
ロントリガパルスから遅延した放電開始直前のタイミン
グでサンプルホールド回路35にサンプリングパルスが出
力され、放電電圧検出回路８による検出電圧がサンプル
ホールドされる。

また、レーザビームLBの発振時にビームスプリッタ６に
よって分離されたレーザビームLB₁を光センサ７が検出
すると、その検出出力は時定数の大きな波形となる。そ
して、微分回路31がその検出出力の立ち上がり開始時に
微分信号をつくり、遅延回路32による遅延時間t₂だけ微
分信号から遅延したタイミングでサンプルホールド回路
33にサンプリングパルスが出力され、レーザビームLBの
出力パワーがサンプルホールドされる。

このホールドされた放電電圧と出力パワーと圧力センサ
９からのガス圧との３種類の状況データがマルチプレク
サ36によって順次出力され、A/D変換回路37を介してマ
イクロコンピュータ21に入力される。また、シャッタス
イッチ12,カバースイッチ14,弁センサS₁〜S₅，点灯セン
サ16,フローセンサ17,温度センサ18からの各状況データ
は、それが変化するたびにゲート回路G₁〜G₇をスルーし
てマイクロコンピュータ21に入力される。

そして、マイクロコンピュータ21は入力したこれらの状
況データが正常か異常かを判断し、正常のときは各状況
データを、また、異常のときは異常検出信号とともに各
状況データを両光通信ドライバ／レシーバ30,42を介し
てレーザ操作装置Ｂにおけるリングバッファメモリ43に
転送する。

発振周波数ｆを例えば200Hzとすると、放電電圧，出力
パワーのサンプリング周波数も200Hzであり、リングバ
ッファメモリ43に状況データを一時的に保持する所定時
間単位を例えば１秒とすると、放電電圧，出力パワーに
ついての状況データは、１秒間に200個記憶される。ま
た、ガス圧のサンプリング周波数を1Hzとするとガス圧
の状況データは、１秒間に１個記憶される。

放電電圧，出力パワー，ガス圧以外の状況データ、すな
わち、シャッタスイッチ12,カバースイッチ14,弁センサ
S₁〜S₅，点灯センサ16,フローセンサ17および温度セン
サ18による状況データについては、その１秒の開始時点
のデータが記憶され、１秒間に変化があったときにはそ
の変化後の状況データが記憶され、変化がないときは開
始時点のデータが保持される。

そして、マイクロコンピュータ21における正常，異常の
判断においてすべての状況データが正常である場合に
は、マイクロコンピュータ41はリングバッファメモリ43
の１秒間の各状況データの平均データを演算し、それを
平均データ用不揮発性メモリ44に記憶させる。

マイクロコンピュータ21が異常と判断したときには異常
検出信号が割り込み信号としてマイクロコンピュータ41
に送られ、マイクロコンピュータ41は、リングバッファ
メモリ43の１秒間の各状況データをそのまま生データと
して生データ用不揮発性メモリ45に記憶させる。

処理対象物に欠陥が生じたとき、生データ用不揮発性メ
モリ45から異常動作時の生データを読み出し、また、そ
の異常動作時の前後の平均データを平均データ用不揮発
性メモリ44から読み出して、モニタディスプレイ46に表
示することにより、異常の原因が何であったのかを容易
に究明することができ、エキシマレーザ装置の修復を能
率良く行うことができる。

C.発明の効果この発明によれば、処理対象物に悪影響が生じた場合に
は、不揮発性メモリに履歴的に記憶されているレーザ発
振状況データに基づいて、前記悪影響が生じた原因を容
易に究明することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の実施例に係り、第１図
（Ａ）はエキシマレーザ装置におけるレーザ装置本体の
構成を示すブロック図、第１図（Ｂ）はエキシマレーザ
装置におけるレーザ操作装置の構成を示すブロック図、
第２図はレーザ装置本体における１次入出力インターフ
ェイスの構成を示すブロック図、第３図は動作説明に供
するタイムチャートである。１…レーザチャンバ 1a…主放電部３…高圧電源回路６…ビームスプリッタ７…光センサ８…放電電圧検出回路９…圧力センサ 44,45…不揮発性メモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高圧電源回路から出力された高電圧の放電
によってレーザを発振させ、レーザビームの出力パワー
を光センサで検出し、その検出値が所定範囲内となるよ
うに前記高電圧電源回路による印加電圧を制御するよう
に構成したエキシマレーザ装置において、少なくとも前記光センサで検出したレーザビームの出力
パワーを含むレーザ発振状況データが異常か否かを判断
し、正常である場合には前記発振状況データの所定時間
毎に平均データを、また、異常である場合には前記レー
ザ発振状況データそのものを、それぞれ不揮発性メモリ
に記憶させるマイクロコンピュータを備えたことを特徴
とするエキシマレーザ装置。