JPH0756902B2 - ハロゲンガス注入型エキシマレーザ装置のハロゲンガス注入方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエキシマレーザ装置の出力安定化のために、あ
らかじめレーザ装置のレーザ発振時間に依存して減少す
るハロゲンガス量に関するデータを求め、レーザ装置運
転時、該データに従ってハロゲンガスをレーザ装置に注
入するハロゲンガス注入方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、特願昭60-92627号公報に記載のようにレ
ーザ管内のハロゲンガス濃度を測定し、その測定信号に
よりハロゲンガスの注入等を行う方式を採用している。
しかし、実際にはエキシマレーザの発振による電気的雑
音により測定器が誤動作の可能性があり、信頼性の高い
ハロゲンガス濃度制御が困難となる問題点がある上、ハ
ロゲンガス濃度の測定機器を別途用意しなければならな
いという経済上の問題もある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、ハロゲンガス濃度をオンラインで測定
しハロゲンガスの濃度にフィードバックさせる閉ループ
制御であるめ、レーザ発振中にレーザ出力を頻繁に変更
しその結果ハロゲンガスの減少率が大きく変化するよう
な使用法には優れている。しかし、一般にエキシマレー
ザ装置はレーザ出力を一定にして使用する場合が多い。
従って、所定の出力で予めハロゲンガスの減少量を測定
しておけば開ループ制御でも同様の効果が期待でき、必
ずしも閉ループ制御が必要とは限らない。さらに、ハロ
ゲンガス濃度をオンラインで測定するにはガス濃度測定
用センサーをレーザ管へ接続するため、エキシマレーザ
発振に伴う放電による電気的雑音の影響を受けやすくな
り、信頼性のあるハロゲンガス濃度の測定および制御が
行えるとは限らない問題点も考えられる。

本発明の目的は、特にハロゲンガス濃度測定器を設けな
くともレーザ発振時間に依存して減少するハロゲンガス
をレーザ管に注入することによりエキシマレーザの出力
安定化をはかろうとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明ではハロゲンガス濃
度検出器を用いることなく、エキシマレーザで使用する
所定のレーザ出力におけるハロゲンガスの減少量を、レ
ーザ出力の低下特性とハロゲンガス注入量・レーザ出力
特性とを予め測定しておくことにより、制御的には開ル
ープ制御でエキシマレーザの出力安定化をはかるもので
ある。また、ハロゲンガスの注入量が多すぎる場合には
レーザ出力が低下するので、ハロゲンガス注入の際に注
入過多を防ぐ目的で、ハロゲンガスの減少量を上回らな
いようにハロゲンガス注入の量的規制を実施することで
従来技術に対抗できると考えている。さらに、ハロゲン
ガス注入時におけるレーザ管内のレーザガスの圧力変動
を避ける目的でハロゲンガスの注入量を零から徐々に立
上げ、注入終了時には徐々に零にして終了する方式を取
入れ、レーザ出力の安定化をはかっている。

〔作用〕

本発明は、レーザ発振により減少するハロゲンガスの量
を予め測定しておき、その値を基準にしてレーザ発振中
にハロゲンガス注入を行い、エキシマレーザの出力安定
化を目指するものである。

まず、エキシマレーザにおけるハロゲンガスの減少量を
計測する方法について述べる。以下の３方法が考えられ
る。

（１） エキシマレーザを目標のレーザ出力が得られる
所定の電源条件およびレーザガス条件で発振させ、第2A
図のような出力低下特性を測定する。次に前記出力低下
特性測定を終了したレーザガスに第2C図に示すように一
定の速度でハロゲンガスを注入しながら同じ電源条件で
発振させ、もとのレーザ出力に戻るまで注入を続け第2B
図のようなハロゲンガス注入量・レーザ出力特性を測定
する。この時、ハロゲンガスの注入量は注入に注入速度
が制御できるマスフローコントローラ等を用いれば定量
的に把握できる。

（２） 第２の方法としては、初めに希ガスおよびバッ
ファガスをレーザ管内に所定の圧力で充填しておき、放
電を開始した後第3B図に示すように一定の速度でハロゲ
ンガスの注入を行う。ハロゲンガスの注入量が多くなる
に従い、レーザ出力が得られ、第3A図のようなハロゲン
ガス注入量・レーザ出力特性が得られる。第3A図と第2A
図とを比較することでエキシマレーザにおけるハロゲン
ガスの減少量が求められる。

（３） 第３の方法として、エキシマレーザを目標のレ
ーザ出力が得られる所定の電圧条件、レーザガス条件で
発振させ、第4A図のような出力低下特性を測定する。こ
の方法では、エキシマレーザの出力に低下が見られたな
らばレーザ発振を続けたままハロゲンガスの注入を行
い、もとのレーザ出力に回復した時点で注入を停止す
る。レーザ発振はそのまま継続し、再びレーザ出力が低
下を見せた時に第4B図に示すようにハロゲンガスをレー
ザ出力が回復するまで行う。以下この手順を繰返し、ハ
ロゲンガスの減少量を求める。

以上の３種類の手順により、所定のレーザ出力における
時間当たりのハロゲンガス減少量（言い替えれば時間当
たりに注入すべきハロゲンガス量）が予め分かる。以後
この時間当たりのハロゲンガス減少量を基準としてハロ
ゲンガス注入量の算出に用いる。

次にハロゲンガスの注入方法について述べる。レーザ発
振によりレーザ管内で時々刻々減少するハロゲンガスの
時間当たりの減少分をレーザ管内に注入する方法として
は、第5A図及び第5B図により示した連続的に注入する方
法と第5C図及び第5D図により示した断続的に注入する方
法との２種類が考えられる。しかし、上記の手順で得た
ハロゲンガスの減少量は、あくまでもある時間平均で見
かけの減少量（実際にはレーザ発振で発生する化合物に
よるレーザ光の吸収等の影響を含めている）であるた
め、実用の際に幾分かの違いを生じることが考えられ
る。

その場合には第６図に示すようにハロゲンガスの注入速
度の変更により、レーザ出力の微調整を実施する。この
時注意しなければならないのは、ハロゲンガスの注入量
が多過ぎるとレーザ出力が第3A図で示したように逆に減
少するので、注入量は先に求めた時間当たりの減少量に
発振経過時間を掛けた値を上回らないようにしなければ
ならない。さらに、ハロゲンガス注入時には、レーザ管
内のレーザガス圧力の変動を抑えるため、第7A図または
第7B図に示すように注入開始時は注入速度を零から徐々
に立上げ、立下げ時には第7C図または第7D図に示すよう
に注入速度を徐々に下げて行き零で終了するような注入
法を採用することが必要である。

また、ハロゲンガスの注入には一般にレーザ管側のレー
ザガス圧力とハロゲンガス供給側のガス圧力の差を利用
する。従って、何らかの原因でレーザ管側の圧力が高い
場合にはレーザ管のレーザガスがハロゲンガス供給側に
流れ込み、レーザ出力安定化の妨げとなる。この対策と
して、レーザ管側とハロゲンガス供給側のガス圧力を常
時モニターしておき、ハロゲンガス供給側の圧力がレー
ザ管側の圧力に対して一定値以上なければブザー等の警
報でエキシマレーザ装置のオペレータに知らせ、ハロゲ
ンガスの注入を行わないようにしておく。

さらに、レーザ発振中に上記の圧力差の問題が発生した
場合に対処するため、ハロゲンガス供給側にポンプ等の
圧力増加機構を備えておけばエキシマレーザの連続長時
間発振の場合には非常に有効であると考えられる。ま
た、ハロゲンガス供給側にポンプ等の圧力増加機構を備
えた場合には、ポンプ動作による圧力変動（脈動）を防
ぐ目的でハロゲンガスのバッファタンクを持てば、ハロ
ゲンガスの連続注入時にレーザガスの圧力変動を小さ
く、継続注入時には圧力変動を防ぐことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第９図により説明す
る。第１図は本発明による第１の実施例のハロゲンガス
注入型出力安定エキシマレーザ装置の全体構成図であ
る。レーザ管１にはガス配管２を介してレーザガス排気
系３、希ガス・バッファガス充填系４およびハロゲンガ
ス注入系５が接続されており、レーザ管１内のレーザガ
ス６の充填・排気を実行する。レーザガス６が封入され
たレーザ管１内で発生したレーザビーム７は出力窓８を
透過して全反射ミラー９と出力ミラー10との間を往復し
て増幅され出力ミラー10側から出射される。出射された
レーザビーム７はその一部をビームスプリッター11でレ
ーザ出力モニタ用として分離されパワーメータ12に入
り、残りはビームスプリッター11を通過して加工・計測
用となる。パワーメータ12からはエキシマレーザ出力制
御装置13にレーザ出力信号ライン14が出ており、エキシ
マレーザ出力制御装置13にエキシマレーザの出力制御を
行う際の指標となる信号を伝える。また、エキシマレー
ザ出力制御装置13には、レーザ電源15がレーザ電源制御
用ライン16を介して接続されており、レーザ電源15はレ
ーザ管１とレーザ出力制御用ライン17で接続されてい
る。

また、ハロゲンガス注入系５はガス流量調節器18、電磁
弁19およびハロゲンガスボンベ20で構成されており、そ
れらは直列にガス配管２で接続されている。この中で、
ガス流調節器18と電磁便19はそれぞれガス流量調節器制
御信号ライン21、電磁弁制御信号ライン22でエキシマレ
ーザ出力制御装置13と接続されており、エキシマレーザ
発振および出力安定化のためのハロゲンガス注入を行
う。

次に、本発明の主な部分の動作について述べる。レーザ
管１にレーザガス６が注入された後、エキシマレーザ出
力制御装置13によりレーザ電源15における充電電圧およ
び繰返し周波数等の設定を所定のレーザ出力に合わせレ
ーザ発振を開始し、時間経過によるレーザ出力低下特性
を所定の時間測定する。レーザ出力の測定は、パワーメ
ータ12からレーザ出力信号ライン14を介してエキシマレ
ーザ出力制御装置13が行う。次にレーザ発振をそのまま
継続してハロゲンガス注入系５によりハロゲンガスの注
入を行い、初期のレーザ出力に戻るまでのハロゲンガス
注入量を測定する。このハロゲンガス注入量は、ガス流
量調節器制御信号ライン21を通したガス流量調節器18へ
のエキシマレーザ出力制御装置13の流量信号と注入時間
から以下のようにして求める。

ハロゲンガス注入量＝∫₀〔注入速度〕dt……（１） このハロゲンガス注入量とハロゲンガス注入までのレー
ザ発振時間から、所定出力におけるハロゲンガスの見か
けの減少速度〔ハロゲン〕減少が求まる。

このハロゲンガスの見かけの減少速度が以後のハロゲン
ガス注入によるエキシマレーザ出力安定化の際の注入量
の指標となる。ここで説明した指標の求め方は、第2A〜
2C図で示した方法であるが、他にも第3A,3B図または第4
A,4B図で示した方法があり、目的による使い分けができ
る。

次に、ハロゲンガス注入によるレーザ出力の安定化につ
いて述べる。第2A図に示したようにレーザの発振経過時
間とともにハロゲンガスの減少が始まり、レーザ出力の
低下をパワーメータ12で検出したエキシマレーザ出力制
御装置13は、第5B図または第5D図に示したような連続ま
たは断続の注入法でハロゲンガスの注入を開始し、所定
のレーザ出力に戻るまで注入を続ける。この時、エキシ
マレーザ出力制御装置13は、ハロゲンガスの注入過多が
レーザ管１内の放電不安定の原因となりレーザ出力の低
下を引起こすので、それまでのレーザ発振経過時間に式
（２）式で求めた値を掛けた量を越えないように制御す
る。

連続注入、継続注入、スムーズな立上げ、立下げ等の注
入パターンは予めレーザ出力制御の前に決めておけば良
い。

第８図に本発明の第２の実施例を示す。本実施例は、第
１図で示した実施例のハロゲンガス供給系５においてレ
ーザ管側、ハロゲンガス供給側にそれぞれレーザ管側ガ
ス圧力計23、ハロゲンガス供給側ガス圧力計24をガス圧
力モニター用として取付けたものであり、エキシマレー
ザ出力制御装置13とレーザ管側ガス圧力計信号ライン2
5、ハロゲンガス供給側ガス圧力計信号ライン26で接続
されている。これは、レーザ管側のガス圧力に比べてハ
ロゲンガス供給側のガス圧力が低い場合に誤ってハロゲ
ンガス注入を開始し、レーザ管１内のレーザガス６がハ
ロゲンガス供給側に流入して圧力変動を発生させ、レー
ザ出力の安定化制御の妨げとなることを防ぐ目的のもの
である。実際にはエキシマレーザ出力制御装置13が両者
の圧力を常時モニターしておき、ハロゲンガス供給側の
ガス圧力がレーザ管側の圧力に対して一定値以上でない
場合、エキシマレーザのオペレータにハロゲンガス注入
ができない事をブザー等の警報で知らせレーザ出力制御
は電源系で実施するように、自動または手動にて切替え
る。

第９図に本発明の第３の実施例を示す。本実施例は、第
８図で示した実施例のハロゲンガス供給系５に、ハロゲ
ンガスボンベ20の供給ガス圧力がレーザ管側のガス圧力
に比べて低い場合でも確実なハロゲンガス注入を実行で
きるようにガスボンベ20とガス流量調節器18との間にハ
ロゲンガス圧縮ポンプ27とハロゲンガス用バッファタン
ク28を設けたものであり、ハロゲンガス圧縮ポンプ27は
エキシマレーザ出力制御装置13とハロゲンガス圧縮ポン
プ制御信号ライン29と接続されている。このような構成
にすれば、ハロゲンガスボンベ20のハロゲンガスが無く
なるまでハロゲンガスの注入を中断する事なく行え、エ
キシマレーザの長時間出力安定化に効果的である。

これらの機器は以下のように動作する。レーザ管側ガス
圧力計23とハロゲンガス供給側ガス圧力計24とで検出さ
れたガス圧力はそれぞれレーザ管側ガス圧力計信号ライ
ン25、ハロゲンガス供給側ガス圧力計信号ライン26を通
してエキシマレーザ出力制御装置13に伝えられる。エキ
シマレーザ出力制御装置13は、ハロゲンガス供給側ガス
圧力がレーザ管側ガス圧力に比べて一定値以上ないと判
断したならば、第９図中の電磁弁19′を閉じたまま電磁
弁19を開にしてハロゲンガス圧縮ポンプ27を起動させ
る。これらの信号のやりとりには、それぞれ電磁弁制御
信号ライン22およびハロゲンガス圧縮制御信号ラインが
用いられる。

ハロゲンガス用バッファタンク28はハロゲンガスの圧縮
蓄積の他に、連続注入の際のハロゲンガス圧縮ポンプ27
によるガス圧力の変動（脈動）を吸収する働きを持つ。
バッファタンク28の圧力が所定以上になったならば、電
磁弁19を閉じハロゲンガス圧縮ポンプを停止する。この
場合も第二の実施例と同様にハロゲンガスの圧縮蓄積が
不可能な事をエキシマレーザ出力制御装置13が検出した
ならば、エキシマレーザのオペレータにハロゲンガスが
注入できない事をブザー等の警報で知らせ、レーザ出力
の制御は電源系で実施するように切替える。

以上述べた三つの実施例によれば、レーザガス中のハロ
ゲンガス濃度を直接測定する事なく、エキシマレーザの
出力安定化をハロゲンガスの注入のみで達成できる効果
がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、エキシマレーザ管内のハロゲンガス濃
度を直接測定する事なく、ハロゲンガスの注入過多によ
るレーザ出力の低下を防ぎながらハロゲンガスの注入の
みでエキシマレーザの出力安定化を達成できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例になるハロゲンガス注入
型出力安定エキシマレーザ装置の全体構成図、第2A図は
レーザの出力低下特性を示す図、第2B図はハロゲンガス
注入量・レーザ出力回復特性を示す図、第2C図はハロゲ
ンガス注入速度を示す図、第3A図は初期状態として存在
する希ガスおよびバッファガスへのハロゲンガス注入量
・レーザ出力特性を示す図、第3B図はハロゲンガス注入
速度を示す図、第4A図はハロゲンガスを継続的に注入し
た時のレーザ出力特性を示す図、第4B図はハロゲンガス
の断続注入の場合の注入速度を示す図、第5A図はハロゲ
ンガス連続注入の場合のレーザ出力を示す図、第5B図は
連続注入の場合のハロゲンガス注入速度を示す図、第5C
図はハロゲンガス断続注入の場合のレーザ出力を示す
図、第5D図は断続注入の場合のハロゲンガス注入速度を
示す図、第６図はハロゲンガス連続注入における注入速
度制御を示す図、第7A図、第7B図はそれぞれハロゲンガ
ス注入開始時の注入速度パターンを示す図、第7C図、第
7D図はそれぞれハロゲンガス注入終了時の注入速度パタ
ーンを示す図、第８図は第２の実施例の全体構成図、第
９図は第３の実施例の全体構成図である。 １……レーザ管、２……ガス配管、３……レーザガス排
気系、４……希ガス・バッファガス充填系、５……ハロ
ゲンガス注入系、６……レーザガス、７……レーザビー
ム、８……出力窓、９……全反射ミラー、10……出力ミ
ラー、11……ビームスプリッター、12……パワーメー
タ、13……エキシマレーザ出力制御装置、14……レーザ
出力信号ライン、15……レーザ電源、16……レーザ電源
制御用ライン、17……レーザ出力制御用ライン、18……
ガス流量調節器、19……電磁弁、20……ハロゲンガスボ
ンベ、21……ガス流量調節器制御信号ライン、22……電
磁弁制御信号ライン、23……レーザ管側ガス圧力計、24
……ハロゲンガス供給側ガス圧力計、25……レーザ管側
ガス圧力計信号ライン、26……ハロゲンガス供給側ガス
圧力計信号ライン、27……ハロゲンガス圧縮ポンプ、28
……ハロゲンガス用バッファタンク、29……ハロゲンガ
ス圧縮ポンプ制御信号ライン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 善征 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 幹 淳 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−205679（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−104392（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−196564（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ媒質が希ガス、ハロゲンガスおよび
   バッファガスからなり、レーザ発振により化合物となり
   減少するハロゲンガスを順次補給してレーザ出力の回復
   をはかるエキシマレーザ装置のハロゲンガス注入方法に
   おいて、前記順次補給するハロゲンガス注入量は、予め
   求めたデータである、所定のレーザ発振条件下でハロゲ
   ンガスの補給なしで発振し、この発振経過時間に応じて
   低下するレーザ出力を示すレーザ出力低下特性と、予め
   求めたデータである、所定のレーザ発振条件下でレーザ
   出力低下の状態から単位時間当り所定量のハロゲンガス
   を補給しながら発振経過時間に応じて上昇するレーザ出
   力を示すハロゲンガス注入量・レーザ出力特性とから算
   出し、かつ該ハロゲンガス注入量の積算値が、該注入時
   までの発振経過時間に対してレーザ出力低下特性から求
   めたハロゲンガス減少量を上回らない注入量とすること
   を特徴とするハロゲンガス注入型エキシマレーザ装置の
   ハロゲンガス注入方法。