KR100325995B1 - 방전여기형레이저장치에있어서의레이저가스의제어장치및충방전장치 - Google Patents

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Abstract

레이저광의 출력을 안정화하는 것을 제 1의 목적으로 한다. 이 제 1의 목적을 달성하기 위해 출력검출수단(15)에 의해 레이저광(La)의 출력(E)이 목표치로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 레이저광의 출력(E)이 목표치로 되도록 전원(17)의 전압이 일정치 혹은 일정범위로 유지되면서 레이저챔버(4)내에 공급되는 레이저가스의 공급량이 제어된다.
또한 예비전리전극의 소모를 저감하여 레이저광의 출력의 저하를 방지하는 것을 제 2의 목적으로 한다. 이 제 2의 목적은 이하와 같이 달성된다.
즉 1차콘덴서(C1)로부터 방전되는 펄스전류가 펄스트랜스(20)에 의해 승압되어 2차콘덴서(C2)에 충전된다. 이 때, 2차콘덴서(C2)의 후단에 접속된 자기스위치(SR)는 포화상태에서 도통상태가 되며, 이 자기스위치(SR)와 직렬로 접속된 예비전리전극(6)을 전류가 통과한다. 2차콘덴서(C2)로의 전하의 이행이 완료한 시점으로부터 2차콘덴서(C2)로 역방향의 방전전류가 흐르려고 하지만 자기스위치(SR)은 이 역전류를 저지하는 작용을 하며, 예비전리방전을 정지시킨다, 이와 동기하여 펄스트랜스(20)의 자심은 포화하여 2차콘덴서(C2)로부터 피킹콘덴서(C4)로의 전하의 이행이 개시된다. 그리고 피킹콘덴서(61)의 전압이 상승하고, 방전개시전압에 달하며 레이저 발진이 이루어진다.

Description

방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치 및 충방전장치
방전여기형(政電勵起型)의 장치는 마킹(marking), 보어링(booring), 애닐링 등의 재료가공외에 대규모집적회로(LSI)의 회로패턴제작을 위한 포토리소그래피용 광원으로서 이용되고 있다.
가스레이저중에서도 특히 엑시머레이저는 강력한 자의광원이며, 그 특성을 살려서 재료가공용으로서 주로 수지 등의 유기재료에 마킹, 보어링 등을 하는데 이용되고 있다. 또한 포트리소그래피에는 주로 축소투영법이 사용되고 있으며, 조명광원에의해 비추어진 원화(레티클)패턴의 투과광을 축소투영광학계에 의해 반도체기판상의 광감광성물질에 투영하여 회로패턴을 형성한다.
이 투영상의 분해능은 이용하는 광원의 파장에서 제한되기 때문에, 광원의 파장은 가시영역으로부터 자외영역으로 차례로 단파장화하고 있다. 종래 이 자외영역의 광원으로서 고압수은램프로부터 발생하는 g선(436nm), i선(365nm)이 사용되어왔다. 그러나 최소패턴선폭이 64MB에서 요구되는 0.35㎛이하가 되면, i선이라도 이미 파장으로서는 이제 곧 한계에 와있다.
이 기술적한계를 해결하는 것으로서 심자외(Deep Ultra Violet)의 레이저광원이 유망시되고 있다. 특히 엑시머레이저는 고출력, 고효율로서 매질가스의 조성에 따라서 krF(248nm), ArF(193nm) 등의 파장에서 강한 발진을 얻을 수 있다. 한편 이 심자외영역에서는 축소투영렌즈계를 구성하는 유리, 결정재료가 대단히 제약되기 때문에 수은램프를 이용한 축소투영렌즈계에서 이용되어 온 색수차보정이 곤란하게 된다.
그래서 렌즈계를 색수차보정하지 않고, 레이저공진기내에 파장선택소자를 배치하고, 출력광의 스펙트럼폭을 렌즈재의 색수차를 무시할 수 있는 정도까지 작게함으로써, 그 곤란을 제거하고 있다. 이 방법에서 자연발진의 경우에 스펙트럼폭에서 수 nm였던 출력이 수pm까지 가늘게 협대역화할 수 있다.
그런데 이와같이 협대역화에 적합한 엑시머레이저장치의 레이저출력광은 레이저를 여기하기 위해 콘덴서에 축적해놓은 전기에너지를 방전공간에 투입하여 레이저매질가스중에서 방전시킴에 의해 얻어진다.
도 24는 종래의 엑시머레이저장치의 구성을, 그리고 도 25는 특히 그 충방전회로를 나타내고 있다. 충방전회로에는 일반적으로 자동예비전리형의 용량이행형회로가 구조의 간편함 때문에 일반적으로 사용되고 있다.
즉 충전기(26)에 의해 축전용의 1차콘덴서(C1)가 소정전압까지 충전되며, 그 후에 트리거펄스발생기(25)로부터 출력되는 트리거펄스에 의해사이라트론(thyratron)등 방전에 의해 통전이 이루어지는 스위치소자(Q)가 도통되며, 2차콘덴서(피킹콘덴서)(C2)로의 충전(전하이행)이 개시된다. 이 전하이행시에 그 충전전류(i1)가 주전극(레이저챔버내의 방전전극)(5)의 앙측면에 배치된 수십개의 예비전리전극(6)에 통전된다. 이 때 예비전리방전이 발생되며 자동예비전리가 이루어진다.
이러한 예비전리방전에 의해 발생한 자외광에 의해 방전공간이 조사되며, 주방전 공간에 초기전자를 발생시킨다. 그리고 2차콘덴서(C2)의 전압이 방전개시전압에 달하면, 주전극(5)의 사이에 주방전이 발생하고, 레이저매질에 반전분포가 형성되며, 레이저발진에 생성된다.
또한 레이저챔버(4)내에는 열교환기(7) 및 레이저매질가스(이하 [레이저가스]라고 한다)를 강제대류, 냉각시키는 송풍기(8)가 조림되어 있고, 수십-수백Hz의 높은 반복주파수에서의 운전을 가능하게 하고 있다. 또한 운전중의 레이저출력을 안정화하기 위하여 레이저출력을 광센서로 모니터하고, 이 모니터결과에 근거하여 충전전압을 변화시켜 레이저가스의 열화, 윈도우의 오손 등에 따른 출력저하를 초래하지 않게 하는 출력안정화제어를 행하고 있다.
종래의 레이저장치에 사용되고 있는 사이라트론에서 대표되는 방전스위치(Q)는 전극의 증발 등에 따른 소모와 동작에 필요한 히터 등의 소모에 의해 내구성이 훼손되는 일이 있고, 실용화의 면에서 장해가 있다.
즉, 도 26에 도시된 바와 같이,사이라트론(Q)미 오프상태로부터 온상태로 이행할 때의 도통저항(R)(턴온전압)이 높은 시기에 큰 전류(i1)가 흐르므로 사선으로표시되는 큰 사이라트론손실(오옴손실(i1)2·R ;(i1)2는 i1의 2승을 의미한다)이 발생하고, 이와 동시에 사이라트론(Q)의 소모가 일어난다고 생각된다.
그래서 이러한 스위칭직후의 높은 턴온저항이 존재하는 시기에 있어서의 도통전류를 제어하기 위하여 가포화리액터를 자기스위치로서 사용한 충방전회로를 이용하도록 하고 있다. 이런 종류의 기술은 예를들어 히타치금속기보(日立金屬技報) vol. 8 1992. 1 [파인멧트를 이용한 펄스파워용자기스위치자심의 동특성]에 기재되어 있다.
자기스위치로서 사용되는 가포화리액터는 자성재료의 자속의 포화형상을 이용한 소자이며, 충간절연한 Fe기 또는 Co기 비정형권자심, Fe기 초미결정자성합금(히타치금 속의 상표[파인멧트])을 이용한 자심등이 사용되고 있다.
여기서 자기스위치를 이용한 회로의 대표적방식인 자기펄스압축회로를 펄스레이저의 펄스전원에 적용한 경우의 동작에 대하여 도 27을 이용하여 설명한다.
도 27에 있어서, C1≒C2≒C3의 조건하에서 콘덴서(C1)에 축적된 전하가 모두 C2에 전송된 시점에서 자기스위치(SR)가 포화하도록 설계된 경우에 콘덴서(C1)에 축적된 전하가 가장 효율적으로 콘덴서(C3)로 전송된다. 이 조건이 만족될 때의 주요 각부의 전압, 전류파형을 도 28에 나타낸다.
주스위치(Q)가 턴온된 후, 주콘덴서(C1)에 촉적되어 있던 전하가 모두 콘덴서(C2)에 전송되기까지의 기간을 τ1이라고 한다. τ1의 기간, 자심의 동작점은 도 23의 루프상의 비포화영역에 있고, 시간의 경과와 함께 a점에서 b점으로 향하여 이동한다. 이 때의 자기스위치(SR)의 자심의 투자율μrs은 매우 높기 때문에 출력권선(N)의 인덕턴스(LSRu)는 인덕턴스(L1)에 비하여 충분히 크고 출력권선(N)에는 거의 전류는 흐르지 않는다. 따라서 자기스위치(SR)는 도 28의 사선부분으로 나타내는 전압시간 곱의 동안, 전류를 저지하고 다음 식이 성립된다.
τ1
vsr dt = N ·Ae ·ΔBm ---(1)
0
vsr : 자심인가전압
N : 자기스위치권수
Ae : 자심유효단면적
ΔBm : 최대동작자속밀도량
여기서 턴온후의 전류괼스의 시간폭 τ는 다음 식으로 주어진다.
τ = π (L1 C1 C2 / (C1 + C2)) ---(2)
자심의 동작점이 도 23상의 루프상의 b점에 달하고 나서 c점을 경유하여 d점까지 이동할 때 자심은 포화되어 있고, 자심의 투자율μrs은 진공의 투자율μ0와 거의 같다. 이 때 인덕턴스(LSRs)는 인덕턴스(L1)보다 충분히 작고, 콘덴서(C2)로 전송된 전하의 대부분이 도 28에 나타내는 펄스폭 τ2으로 콘덴서(C3)로 전송된다.
τ2 = π (LSRs C2 C3 / (C2 + C3)) ---(3)
전송전류(i2)의 방향이 반전되면, 자심의 동작점은 도 23의 루프상의 d점으로부터 a점을 향하여 이동하지만, 확실하게 a점으로 향하여 이동한다. 여기서 τ1과 τ2의 비를 압축이득(Gc)이라고 부르며, 이하의 관계가 있다.
Gc = τ1 / τ2 = I2m / I1m ---(4)
I1m : i1의 파고치
I2m : i2의 파고치
이와같이 자기펄스압축회로를 이용함으로써, 이용하지 않는 경우에 비하여 주스위치(Q)를 흐르는 전류의 펄스폭과 파고치를 각각의 Gc배와 1/Gc배로 할 수 있다. 이 때문에 주스위치(Q)의 스위칭손실을 저하시킬 수 있고, 고출력와와 고반복화가 가능하게 된다. 또한 사이라트론 등의 방전스위치에 비하여 최대순방향저항이 크고, 턴온시간이 긴 반도체스위치소자를 이용할 수 있도록 된다. 그리고, 자기스위치는 본질적으로 소모부분이 존재하지 않기 때문에 반도체스위치와 조합함으로써 보수가 불필요한 매우 내구성이 높은 펄스전원을 실현할 수 있다.
자기스위치를 이용할 충방전회로에는 상기와 같은 장점이 있는 반면, 다음과 같은 본질적인 문제점이 있기 때문에 실용기기에 적용이 곤란하고 실용화할 수 없었다.
즉, 상술한 바와 같이 자기압축회로에 있어서의 압축용소자(가포화리액터)의 전류저지시간 τ1은 상기 (1)식에 나타난 바와 같이 자심으로의 인가전압(vsr)에 따라서 변화한다. 이 때문에 종래와 같이 레이저광의 출력을 피이드백하여 충전전압을 변화시키는 제어를 한 경우에는 가포화리액터의 저지시간까지 변화해버리는 문제점이 있었다.
좀더 구체적으로 설명하면, 엑시머레이저 등의 가스레이저의 경우에는, 운전의 경과와 함께 레이저가스중에 불순물가스가 발생하거나 성분가스가 소모하거나광취출용의 창이 오염되어 발진효율이 저하하고, 레이저출력이 저하한다. 그래서 종래는 이 출력저하를 보상하고 일정출력을 얻기 위해 운전전압(충전전압)을 증가시켜 출력의 안정화를 행하도록 하였다.
그러나, 자기압축회로를 이유한 경우에는 운전전압을 증가시키면 전류저지시간이 짧아지고, 압축의 타이밍이 어긋나고 만다. 즉 도 22에 나타낸 바와 같이 최대에너지 전송효율을 ηmax로 하여 효율이 그 1/2이 되는 전압의 최대치와 최소치를 각각 Vmax, Vmin으로 하면, 이 범위 Vm(Vmin-Vmax)를 넘으면 에너지효율적으로도 거의 실용성이 없어지고 만다. 따라서 최적의 운전전압범위 Vmi-Vmax라는 것이 존재하며, 이 전압범위를 유지하는 전압제어를 행할 필요가 있다. 역으로 좁은 전압 범위를 유지하지 않으면 안되기 때문에 전압제어가 나쁘고, 이 것이 자기스위치를 사용한 충방전회로를 레이저장치에 적용하고 실용화하는데에 장해가 되고 있었다.
본 발명은 이러한 실상을 감안하여 이루어진 것으로, 자기스위치을 가진 충방전회로를 방전여기형의 레이저장치에 적용한 경우라도 레이저출력변동에 대한 보상을 제어성좋게 행할 수 있고, 그리고 출력안정화제어를 용이하게 이를 수 있는 장치를 제공하는 것을 제 1목적으로 하는 것이다.
그런데, 방전여기형의 레이저장치는 산업용광원으로서 광범위하게 응용되고 있고, 충방전회로에 대해서도 내구성향상을 위한 여러 가지 개량이 이루어지고 있다.
그러나 상술한 바와 같이 운전의 경과와 함께 레이저가스중에 전극마모에 의한 불순물가스가 발생하거나 성분가스가 소모하여 광취출용의 차이 오염되며, 발진효율이 저하하고, 레이저출력이 저하한다는 문제점은 여전히 완전하게는 해결되지 않는다.
특히 아크방전에 의해 자외선을 발생시키고, 주방전영역의 예비전리를 행하는 UV 예비전리방식에서는 전극표면상의 아크방전족부에서의 핫스폿발생에 의한 예비전리 전극의 증발이 활발하게 일어난다. 이 때문에 부품의 내구성의 저하를 초래함과 함께 레이저발진효율의 저하의 원인이 된다. 이 예비전리전극에 있어서의 증발량은 전극을 통과하는 전류치에 크게 의존한다.
그래서 특개평3-257980호공보에서 볼 수 있는 것같이, 종래의 회로에서는 주방전용콘덴서와 예비전리방전용콘덴서를 병렬로 접속하고, 양자를 분리함과 함께 예비전리용의 콘덴서용량을 가능한 작게 조정하고, 전극소모량을 억제하도록 하고 있다. 그러나 예비전리콘덴서의 용량을 고도하게 작게 한 경우에는 주방전에 악영향이 미치며, 레이저출력이 저하하거나 방전이 불안정하게 되는 등의 문제를 일으킨다. 즉 콘덴서의 용량의 조정만으로 전극의 소모량을 저감시키는 것에는 한계가 있었다.
본 발명은 이러한 실상을 감안하여 이루어진 것으로서, 에비전리전극을 통과하는 전류의 값을 작게 하여 전극의 내구성향상 및 레이저출력저하의 방지를 꾀할 수 있는 충방전장치를 제공하는 것을 제 2의 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 재료의 가공, 축소투영노광용의 광원 등에 이용되는 방전여기형레이저 장치에 관한 것으로, 특히 그 레이저가스의 공급을 제어하는 장치 및 그 충방전장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1발명에 의한 방전여기형레이저장치의 레이저가스제어장치의 제 1실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 상기 레이저가스제어장치의 제 2실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 상기 레이저가스제어장치의 제 3실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 상기 레이저가스제어장치의 제 4실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 상기 레이저가스제어장치의 제 5실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 상기 레이저가스제어장치의 제 6실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 상기 레이저가스제어장치의 제 7실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 상기 레이저가스제어장치의 제 8실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 상기 레이저가스제어장치의 제 9실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 제 1 내지 제 7실시예의 처리순서를 나타내는 플로우챠트이다.
도 11은 제 8실시예의 처리순서를 나타내는 플로우챠트이다.
도 12는 제 9실시예의 처리순서를 나타내는 플로우차트이다.
도 13은 본 발명의 제 2발명에 의한 방전여기형레이저장치의 충방전장치의 제 1 구성예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본발명의 제 2발명에 의한 충방전여기형렌이저장치의 충방전장치의 제 2 구성예를 나타내는 도면이다.
도 15는 제 1구성예의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 16은 제 2구성예의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제 3발명에 의한 방전여기형레이저장치의 충방전장치의 제 3 구성예를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 제 3발명에 의한 방전여기형레이저장치의 충방전장치의 제 4 구성예를 나타내는 도면이다.
도 19는 제 3구성예의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 20은 제 4구성예의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 21은 도 13, 도 14, 도 17 및 도 18에 나타내는 장치에서 행해지는 처리의 순서를 나타내는 플로우챠트이다.
도 22는 자기압축회로를 사용한 경우에서의 정규화운전전압과 에너지전송효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 22은 자기스위치자심의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 24는 종래의 레이저장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 25는 종래의 레이저장치의 충방전회로의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 26은 도 25의 회로에서의 주스위치의 전압, 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 27은 자기압축회로를 나타내는 회로도이다.
도 28은 도 27의 자기압축회로의 각부의 전압, 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
[실시예]
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 방전여기형레이저장치의 레이저가스제어장치의 실시예에 대하여 설명한다.
* 제 1실시예
도 1은 제 1실시예에서의 레이저장치의 구성을 나타내고 있다. 또한 종래장치와 중복되는 구성요소에는 동일부호를 붙이며, 이미 설명한 내용에 대해서의 중복설명은 생략한다.
도면에 나타낸 바와 같이, 실시예장치는 크게는 주전극(5, 5)사이에서 방전을 행하는 충방전회로(1)와, 레이저가스가 공급, 충전되며, 주전극(5, 5)사이의 방전에 의해 레이저가스의 여기, 레이저광(La)의 발진이 행해지는 레이저챔버(4)와, 레이저챔버(4)에 레이저가스를 공급하고, 챔버(4)내로부터 레이저가스를 배기하는 급배기회로(2)와, 후술하는 도 10에 나타내는 바와 같이 압력센서(13)의 출력 등에 근거하여 충방전회로(1) 및 급배기회로(2)를 제어하는 제어기(3)로 구성되어 있다.
즉, 희가스봄베(9)에는 희가스(Xe, Kr, Ar등)가 충전되며, 할로겐가스봄베(10)에는 할로겐가스(F2, HCl 등을 버퍼가스에 의해 희석한 가스)가 충전되며, 버퍼가스봄베(11)에는 버퍼가스(He, Ne등)가 충전되어 있다. 이들 각 봄베(9), (10), (11)와 레이저챔버(4)의 사이는 각 밸브(14a-14f)에 대하여 밸브개폐신호(S1)가 출력됨과 함께 배기펌프(12)에 대하여 펌프구동신호(S2)가 출력됨으로써 레이저챔버(4)로의 레이저가스의 공급 및 챔버(4)내로부터의 가스배기가 제어된다.
압력센서(13)는 레이저챔버(4)내의 가스압(P)을 검출하고, 그 검출출력(P)을 제어기(3)에 입력시킨다.
레이저챔버(4)내에서 레이저가스가 방전여기되며, 이에 따라서 발광한 광이 도시되지 않은 공진기에 의해 공진됨으로써 레이저발진이 행해진다. 발진레이저광(La)은 도시하지 않은 윈도우, 프론트미러 등을 통하여 출력된다.
출력된 레이저광(La)은 출력검출기(15)에 입력되며, 이 광출력검출기(15)에 의해 레이저출력(E)이 검출되며, 그 검출출력(E)이 제어기(3)에 입력된다. 또한 광출력검출기(15)는 예를들어 핀포토다미오드의 피크값을 홀드함으로써 레이저출력(E)의 일부를 검출하는 것이다. 그런데 광출력검출기(15)로서는 광의 출력을 직접적으로 출력하는 것이라도 좋고, 할로겐가스농도, 희가스농도등 광의 출력에 관련하는 파라미터를 검출하므로써 간접적으로 광의 출력을 검출하는 것이라로 좋다.
또한 광출력검출기(15)에서 광이 검출될 때마다 이를 카운트하는 카운터(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 이 카운터에 의해 레이저광(La)의 발진펄스수(N)가 카운트되며, 이 카운터의 출력(N)이 제어기(3)에 입력된다.
충방전회로(1)는 직류고압전원(17)을 구동원으로서 주전극(5, 5)사이에서 방전을 행한다. 이 전원(17)의 충전전압(V)도 도시하지 않은 전압검출기에 의해 검출되며, 제어기(3)에 입력 된다.
제어기(3)는 광출력검출기(15)에서 검출한 레이저출력(E), 압력센서(13)에서 검출한 가스압(P), 상기 펄스카운터에서 검출한 카운트수(N) 및 상기 전압검출기에서 검출한 전원(17)의 충전전압(V)에 근거하여 전원(17)에 지령전압(Va)을 출력하고, 그 전원(17)의 충전전압(V)이 지령한 전압치(Va)가 되도록 충전전압의 제어를 행한다.
충방전회로(1)는 자기어시스트(19)가 부설된 주스위치인 사이리스터(18)가 온됨으로써 동작한다. 제어기(3)는 충방전회로(1)를 동작시키기 위한 구동신호(S3)을 구동회로(16)로 송출하고, 이에 따라서 구동회로(16)가 온신호(S4)를 주스위치(18)에 가함으로써 충방전회로(1)가 동작한다.
또한 주스위치(18)는 사이리스터를 사용하고 있지만, 다른 반도체스위치, 예를들어 GTO, IGB 등을 사용할 수도 있다.
충방전회로(1)는 펄스트랜스(20)를 가진 2단의 자기압축회로, 즉 자기스위치(SR)를 두 개 구비한 회로구성으로 되어 있다.
레이저장치의 운전개시에 있어서, 먼저 진공펌프에 의해 소정의 가스압이 되기까지 배기되며, 레이저챔버(4)내의 구가스가 배기된다. 다음으로 펄스(14a---)가 필요에 따라서 개폐되며, 압력센서(13)의 출력(P)이 소정설정치로 될 때까지 희가스, 할로겐가스 및 버퍼가스의 각각이 순차 주입된다.
이러한 레이저가스의 챔버(4)내로의 주입이 이루어지면, 그 후 챔버(4)내의 가스순환용의 송풍기(8)의 기동, 전원(17)의 워엄업 등의 시퀸셜한 제어가 순차 실행되어가고, 레이저장치의 운전이 가능한 상태로 된다.
그래서 레이저장치의 운전에 앞서, 먼저 도 10의 스텝101에 나타낸 바와 같이 목표레이저출력(Ec), 할로겐가스주입펄스수간격(Nc), 충전전압변화량(ΔV), 희가스에 대해서의 1회분의 보급가스량(ΔG1), 할로겐가스에 대해서의 동일보급가스량(ΔG4), 한계가스압력(Pmax, Pmin)이 미리 설정됨과 함께 펄스수카운터의 리셋트(N=0)가 행해진다.
그 후, 레이저장치의 운전이 개시되면, 광출력검출기(15)에 의해 검출된 레이저출력(E), 압력센서(13)에 의해 검출된 챔버내압력(P) 및 전압검출기에 의해 검출된 충전전압(V)이 제어기(3)에 순차적으로 넣어진다. 단 충전전압(V)은 지령전압(Va)으로 대용할 수도 있다(스텝102).
제어기(3)는 검출레이저출력(E)을 목표레이저출력(Ec)과 비교하고(스텝103), E〈Ec이면 충전전압(V)을 상기 미소전압(ΔV)만큼 증가시켜 지령충전전압(Va)으로하고(스텝105), E=Ec이면 검출전압(V)을 그대로 지령충전전압(Va)으로 하고(스텝104), E〉Ec이면 검출충전전압(V)을 상기 미소전압(ΔV)만큼 내려서 지령충전전압(Va)으로 한다(스템106).
그런데 일반적으로 목표치에 근접하는 제어를 하는 경우에는 검출기의 분해능과 각종 노이즈를 고려하여 불감대가 설치된다. 따라서 상기 목표레이저출력(Ec)은 어떤 폭을 갖고 있어도 된다. 즉 목표범위를 설정하여 이 목표범위내에 레이저출력이 들어가도록 하는 제어를 행하도록 해도 된다.
또한 제어기(3)는 상기 지령충전전압(Va)(현재의 충전전압V)을 충전전압제어범위(Vm)의 최대치(Vmax) 및 최소치(Vmin)와 비교하고(스텝107), Va≤Vmax 그리고 Va≥Vmin이면 가스압(P)을 현재의 압력으로 유지한 상태에서(스텝108), 다음의 스텝111으로 이행시킨다.
그러나 지령충전전압(Va)이 Va>Vmax일 때는 희가스봄베(9) 및 버퍼가스봄베(11)로부터 소정량의 희가스(ΔG) 및 버퍼가스(ΔG3)를 레이저챔버(4)내에 보급하는 처리를 행하고, 가스압(P)을 미소량(ΔP)만큼 증가시킨 후 스텝111로 이행시킨다(스텝 110). 또한 Va〈Vmin일 때에는 레이저챔버(4)내의 레이저챔버가스가 소정량(ΔG4)만큼 배기하는 처리를 행하고, 가스압(P)을 미소량(ΔP)만큼 감소시킨 후 스텝111로 이행시킨다(스텝109).
통상적으로는 분순물가스의 발생 및 윈도우 등의 훼손에 의해 레이저출력은저하하는 경향이 있고, 전압은 가스보급과 함께 상승하므로 배기공정을 생략할 수 있는 경우가 많다. 따라서 스텝109의 처리를 생략하도록 해도 된다.
레이저장치의 운전중에는 할로겐가스를 보급하는 제어도 행해진다(스텝113-스텝 116).
즉 레이저장치의 운전중에는, 전극증발물과의 반응 등에 의해 할로겐가스가 감소하고, 이 감소량은 운전시간, 즉 운전펄스수(N)에 비례한다. 그래서 운전펄스수(N)에 비례하는 량의 할로겐가스를 보급하기 위하여 카운트펄스수(N)가 소정의 값(Nc)에 달할 때마다 할로겐가스를 소정량(ΔG2)만큼 보급한다. 그리고 할로겐가스의 보급이 이루어진 시점에서 카운트값(N)이 0으로 리셋트되며, 다음의 처리인 스템111으로 미행된다(스텝114, 115, 116). 또한 본 실시예에서는 펄스수(N)는 광출력검출기(15)의 검출신호를 카운트함으로써 구하고 있지만, 발진명령인 트리거신호를 카운트함으로써 구하도록 해도 된다.
스텝(111)에서는 레이저챔버(4)내의 가스압력(P)이 소정의, 범위 Pmin≤P≤Pmax에 있는지 아닌지를 판단하고, 이 압력범위를 넘은 경우에는 레이저출력(E)의 유지가 곤란하게 되기 때문에 가스교환 혹은 열화부품의 교환 등을 행하기 위한 서비스 리퀘스트신호의 출력등, 필요한 알람표시 혹은 에러처리라는 비상처리가 이루어진다(스텝112).
또한 본 실시예에서는 충전전압제어범위(Vm)내에 들어가도록 충전전압(V)을 제어하고 있지만, 충전전압을 일정하게 하고 레이저가스의 급배기제어만을 행하도록 해도 된다.
이 경우는 스텝103의 처리에 계속하여 스텝108-110의 처리가 행해져(스텝104-106의 처리를 대신함) 스텝111로 이행되게 된다.
즉 제어기(3)은 검출레이저출력(E)을 목표레이저출력(Ec)과 비교하고(스텝103), E〈Ec이면 레이저챔버(4)내의 레이저가스가 소정량(ΔG4)만큼 배기하는 처리를 행하며(스텝109), E=Ec이면 가스압(P)을 현재의 압력으로 유지하고(스텝108), E〉Ec이면 희가스봄베(9) 및 버퍼가스봄베(11)로부터 소정량의 희가스(ΔG1) 및 버퍼가스(ΔG3)를 레이저챔버(4)내에 보급하는 처리를 행한다(스텝110).
또한 본 실시예에서는 정기적으로 할로겐가스를 보급하는 처리(스텝113-116)를 행하고 있지만, 경우에 따라서는 이를 생략하여도 된다. 또한 할로겐가스의 보급은 스텝110에 있어서 다른 희가스, 버퍼가스의 보급과 병행하여도 된다.
또한 본 실시예예서는 충전전압(V)을 직접 검출한고 있지만, 충전전압(V)과 레이저광(La)의 비임폭(Δw)은 거의 비례관계에 있기 때문에 비임폭(Δw)을 검출함으로써 충전전압(V)을 검출하도록 해도 된다. 여기서 비임폭(Δw)아라는 것은 도 1에 도시한 바와 같이 주전극(5, 5)사이의 방전방향에 수직한 방향의 폭을 말하며, 레이저광을 라인센서상에 전사함으로써 검출할 수가 있다.
또한 충전전압(V)과 레이저광(La)의 주파수스펙트럼분포에서의 스펙트럼폭(Δλ), 예를들어 반값폭과의 관계도 거의 비례관계이 있기 때문에 스펙트럼폭(Δλ)을 검출함으로써 충전전압(V)을 검출하도록 해도 된다.
또한 상술한 제 1실시예에 나타낸 충방전회로(1)의 대신에 도 2 내지 도 7에나타낸 충방전회로(1)를 사용하는 실시도 가능하다.
도 2는 주스위치로서 사이라트론(18')을 채용한 2단자기압축회로가 적용되는 제 2 실시예를 나타내고 있다.
도 3은 펄스트랜스(20)의 대신에 가포화(可飽和)트랜스(20')를 사용한 자기압축회로가 적용되는 제 3실시예를 나타내고 있다.
도 4, 도 5는 가포화트랜스(20')를 사용한 자기압축회로에 각각 1단, 2단의 자기압축회로가 적용된는 제 4, 제 5실시예를 나타내고 있다.
도 6은 LC반전에 의한 베전압회로(21)에 1단의 자기압축회로를 추가한 제 2실시예를 나타내고 있다.
도 7은 LC반전에 의한 배전압회로(21)에 또한 2단의 자기압축회로를 추가한 제 7 실시예를 나타내고 있다.
그런데 도 8은 도 1과 동일한 회로구성의 충방전회로(1)가 적용되는 제 8실시예장치의 구성을 나타내고 있고, 도 1과 다른 것은 레이저관(La)의 주파수스펙트럼분포에서의 스펙트럼폭(Δλ)(예를들어 반값폭)을 검출하는 스펙트럼폭검출기(22)를 부가한 점이다. 스펙트럼폭검출기(22)의 검출출력(Δλ)은 제어기(3)에 입력되어 도 11에 나타낸 처리가 행해진다.
이하, 도 11을 참조하여 제어기(3)에서 행해지는 처리내용에 대하여 설명한다. 또한 도 10의 처리와 중복하는 처리내용에 대해서는 설명을 생략한다.
먼저 스텝201에서는, 상기 스텝101과 같은 처리가 실행됨과 함께 목표스펙트럼폭(Δλ)이 순차 제어기(3)에 넣어진다(스텝202).
그리고 스텝203-스텝210에서는, 상기 스텝103-스텝110과 마찬가지로 충전전압제어, 가스급,배기제어가 실행된다. 또한 스텝213-스텝216에서는, 상기 스텝113-스텝116과 마찬가지로 정기적인 할로겐가스의 보급처리가 실행된다.
그리고 할로겐가스보급처리가 종료한 후의 스텝217-스텝220에서는 스펙트럼폭안정화제어가 실행된다.
즉 각도분산형의 협대역화소자를 이용한 협대역화 엑시머레이저는 분산각방향의 레이저이득분포에 따라서 스펙트럼프로파일, 즉 스펙트럼폭이 변화한다는 특성을 가지고 있다. 그리고 레이저가스조성, 특히 할로겐가스의 분압과 스펙트럼프로파일이 강한 의존성을 가지고 있는 것은 본 발명자들의 선출원에 개시되어 있는 바이다(특원평4-312202호등). 그래서 본 제 8실시예에서는 스펙트럼폭검출기(22)의 출력에 따라서 할로겐가스의 보급량(ΔG2)을 증감시키고 할로겐분압을 안정화하고 또한 스펙트럼폭(Δλ)의 안정화를 꾀하고 있다.
먼저 검출스펙트럼폭(Δλ)이 목표스펙트림폭(Δλc)과 비교되며(스텝217), Δλ<Δλc이면 할로겐가스보급량(ΔG2)을 미소량(dG2)만큼 증가시켜 보급량(ΔG2)을 갱신하고(스텝 220), Δλ=Δλc이면 현재의 할로겐가스보급량(ΔG2)을 증가시키지 않고 형재의 보급량(ΔG2)그대로 갱신을 행한다(스텝218). Δλ>Δλc이면 할로겐가스보급량(ΔG2)을 미소량(dG2)만큼 내려서 보급량(ΔG2)를 갱신한다(스텝219). 그 후, 순서는 스텝211으로 이행되어 상기 스텝111, 112와 같은 가스압비교처리, 이상처리가 실행된다(스텝211, 212).
그런데 또한 도 9는 도 1과 동일한 회로구성의 충방전회로(1)가 적용되는 제9실시예장치의 구성을 나타내고 있고, 도 1과 다른 것은 주전극(5, 5)사이의 방전방향에 수직한 방향의 비임폭(Δw)을 검출하는 비임프로파일검출기(23)를 부가한 점이다. 이 비임프로파일검출기(23)는 레이저광(La)을 라인센서상에 -전사시킴으로써 비임폭(Δw)을 검출하는 것이다. 프로파일검출기(23)의 검출출력(Δw)은 제어기(3)에 입력되어 도 12에 도시한 처리가 행해진다.
이하 도 12를 참조하여 제어가(3)에서 행해지는 처리내용에 대하여 설명한다. 또한 도 10의 처리와 중복하는 처리내용에 대해서는 설명을 생략한다.
먼저 스텝301에서는 상기 스텝101과 동일한 처리가 실행됨과 함께 목표비임폭(Δwc)의 설정도 병행된다.
다음의 스팀302에서는 상기 스텝(102)과 동일한 처리가 실행됨과 함께 비임폭검출기(23)에서 검출된 비임폭(Δw)이 순차 제어기(3)에 넣어진다(스텝302).
그리고 스텝303-스텝310에서는 상기 스텝103-스텝110과 마찬가지로 충전전압제어,가스급,배기제어가 실행된다. 또한 스텝313-스텝316에서는 상기 스텝113-스텝116과 마찬가지로 정기적인 할로겐가스의 보급처리가 실행된다.
그리고 할로겐가스보급처리가 종료한 후의 스텝317-스텝320에서는 비임폭안정화제어가 실행된다.
즉 엑시머레이저는 레이저이득분포에 따라서 비임프로파일, 즉 비임폭(Δw)가 변화한다는 특성을 가지고 있다. 그리고 비임프로파일은 가스조성, 특히 할로겐가스의 분압에 강하게 의존하는 것이 본 발명자들에 의해 발견되어 선출원인 특원평 6-73389호에도 나타나 있다.
그래서 비임프로파일검출기(23)의 검출출력에 따라서 할로겐가스의 보급량(ΔG2)을 증감시키고, 할로겐가스분압을 안정화하고 그러고 비임폭, 즉 포로파일의 안정화를 꾀하고 있다.
먼저 검출비임폭(Δw)이 목표비임폭(Δwc)과 비교되며(스텝317), Δw<Δwc이면 할로겐가스보급량(ΔG2)을 미소량(dG2)만큼 증가시켜 보급량(ΔG2)을 갱신하고(스텝320), Δw=Δw이면 현재의 할로겐가스보급량(ΔG2)을 증감시키지 않고 현재의 보급량(ΔG2)그대로 갱신을 행하고(스텝318), Δw>Δwc이면 할로겐가스보급량(ΔG2)을 미소량(dG2) 만큼 내려서 상기 스텝111, 112과 동일한 가스압비교처리, 이상처리가 실행된다(스텝 311, 312).
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 제 1발명에 의하면, 출력레이저광의 파워가 목표치가 되도록 전원의 전압을 일정치로 유지하던지, 혹은 일정범위내에 들어가도록 전압을 제어하면서 레이저가스의 급배기량을 제어하도륵 하였으므로, 자기스위치를 가진 충방전회로를 방전여기형의 레이저장치에 적용한 경우라도 레이어출력변동에 대한 보상을 에너지전송효율을 악화시키지 않고 제어성 좋게 행할 수 있다. 이 때문에 상기 자기스위치를 가진 충방전회로의 채용에 의해 주스위치소자의 내구성이 향상함과 함께, 상기 제어성향상에 의해 레이저출력의 안정화를 용이하고 효율적으로 행할 수 있다.
다음으로 본 발명의 제 2발명 및 제 3발명에 의한 방전여기형레이저장치의 충방전장치의 실시예에 대하여 설명한다.
제 2발명 및 제 3발명에서는 충방전회로에 특징이 있다. 그래서 충방전회로의 구성예를 들어서 설명한다. 먼저 제 2발명에 대응하는 구성예에 대하여 설명한다.
* 충방전회로의 제 1구성예
도 13은 충방전회로의 제 1구성예를 나타낸다.
즉 충방전회로(1)는 자기어시스트(가포화리액터)(19)가 부설된 주스위치인 GTO사이리스터(18)가 온됨으로써 동작한다.
제어기(3)는 충방전회로(1)를 동작시키기 위한 구동신호(S3)를 구동회로(16)에 송출하고, 이에 따라서 구동회로(16)가 은신호(S4)를 주스위치(14)에 가함으로써 충방전회로(1)가 동작한다.
또한 주스위치(18)는 GTO사이리스터를 사용하고 있지만, 다른 반도체스위치(예를 들어 통상의 사이리스터, IGBT) 혹은 방전관소자(예를들어 사이라트론, 크로사트론)를 사용할 수 있다.
충방전회로(1)는 펄스트랜스(가포화트랜스)(20)를 가진 자기압축회로로 구성되어 있으며, 도 15의 등가회로에 나타낸 바와 같이 펄스트랜스(20)의 1차측권선(20a)과 직렬로 1차콘덴서(C1)가 접속됨과 함께 2차측권선(20b)과 직렬로 2차콘덴서(C2)가 접속되어 있다. 펄스트랜스(20)는 1차콘덴서(C1)로부터 방전되는 펄스전류를 승압하여 2차콘덴서(C2)를 충전시키는 작용을 한다.
2차콘덴서(C2)의 후단에는 그 2차콘덴서(C2)로부터 방전되는 전류를 저지하는 자기스위치(가포화리액터)(SR)가 접속되어 있고, 이 자기스위치(SR)와 직렬로 예비전리전극(6)이 복수개 배열되어 있다. 복수의 예비전리전극(6)에는 각각 안정화용의 인덕터(21)가 직렬로 접속되어 있다.
그리고 2차콘덴서(C2) 및 2차측권선(20b)과, 자기스위치(SR) 및 복수의 예비전리전극(6)과, 피킹콘덴서(C4)와,주방전전극(5)이 각각 병렬로 접속되어 있다.
직류고압전원(17)에 의해 1차콘덴서(C1)가 충전된다. 그 후, 주스위치(18)가 온되며, 주스위치(18)가 도통상태로 되면 자기어시스트(19)에 의해 일정시간만큼 입상전류가 저지된 후, 1차콘덴서(C1)로부터 방전되는 펄스전루가 펄스트랜스(20)에 의해 승압되어 2차콘덴서(C2)에 충전된다. 이 때, 2차콘덴서(C2)의 후단에 접속된 자기스위치(SR)는 포화상태이며, 도통상태로 되어 있으며, 이 자기스위치(SR)와 직렬로 접속된 복수의 예비전리전극(6)을 전류가 통과하는 것으로서 충전이 행해진다. 여기서 콘덴서(C1)로부터 콘덴서(C2)로의 전하의 이행시간은 1μ-수μ초이며, 2차측의 충전전류의 피크치는 수십A-수백A이다.
이와 같이 예비전리전극(6)을 통과하는 전류는 축적콘덴서인 2차콘덴서(C2)를 펄스충전할 때의 충전전류이며, 피크치는 작은 것인 것을 알 수 있다.
2차콘덴서(C2)로의 전하의 이행이 완료한 시점으로부터 2차콘덴서(C2)에 역방향의 방전전류가 흐르려고 하지만 자기스위치(SR)는 이 역전류를 저지하는 작용을 하며, 사실상 예비전리전극(6)을 통과하는 전류는 정지하고, 예비전리방전은 정지하게 된다. 이와 동기하여 펄스트랜스(20)의 자심은 포화하고, 실효적인 투자율은 극히 작기 때문에 2차콘덴서(C2)와 피킹콘덴서(C4)는 직결된 상태가 되면, 콘덴서(C2)로부터 콘덴서(C2)로의 전하의 이행이 개시된다. 여기서 콘덴서(C2)로부터 콘덴서(C4)로의 전하의 이행시간은 100ns-수백ns, 피크전류는 수백A-수kA이다.
이러한 전하의 이행과 함께 피킹콘덴서(C4)의 전압이 상승하고, 곧 주전극(5)사이의 전압이 방전개시전압에 달한다. 그러면 콘덴서(C4)에 축적된 에너지 및 콘덴서(C2)에 잔류하는 에너지가 방전공간에 주입되며(이행시간 10ns-수십ns, 피크전류는 수kA-수십kA), 그 결과 방전에 의해 형성된 반전분포에 의해 레이저의 발진이 개시된다.
이와 같이 예비전리전극(6)을 통과하는 전류는 같이 작고, 게다가 예비전리방전은 자기스위치(SR)의 작용에 의해 신속하게 종료해버리며 주방전으로 신속히 이행된다. 이 때문에 복수의 예비전리전극(6)의 마모가 저감되며, 레이저가스가 불순물에 의해 오염되지 않고, 레이저출력의 저하를 방지할 수 있다.
또한 본 제 1구성예에 있어서, 펄스트랜스(20)를 가포화가 아닌 트랜스로 할 수도 있다. 또한 인덕터(21)의 대신에 가포화리액리를 사용해도 되고 생략해도 된다.
* 충방전회로의 제 2구성예
도 14는 충방전회로(1)의 제 2구성예를 나타내고 있으며, 도 16은 그 등가회로를 나타내고 있다.
도 13의 구성과 다른 점은 예비전리전극(6)과 주방전전극(5)의 사이에 종래기술에서 설명한 자기스위치(가포화리액터)(SR)를 가진 자기압축회로(22)를 개재시킨 점이다. 이 경우, 콘덴서(C4)로의 전하의 이행은 상기 제 1구성애와 마찬가지로 행해지며, 콘덴서(C4)로부터 피킹콘덴서인 콘덴서(C5)로의 전하의 이행은 전류가 자기압축회로(22)에 의해 자기펄스압축됨에 의해 행해진다.
다음으로 제 3발명에 대응하는 구성예에 대하여 설명한다.
* 충방전회로의 제 3구성예
도 17은 충방전회로(1)의 제 3구성예를 나타내고 있고, 도 19는 그 등가회로를 나타내고 있다.
상기 제 1구성예와 다른 점은 펄스트랜스(20)의 2차측권선을 두 개의 제 1권선(20c)과 제 2권선(20b)으로 분리하고, 제 1권선(20c)과 예비전리전극용의 2차콘덴서(C2')를 가진 예비전리방전여기회로(24')와, 제 2권선(20b)과 주방전전극용의 2차콘덴서(C2)를 가진 주방전여기회로(24)로 분리한 점이다.
다음으로 작용에 대하여 설명한다.
직류고압전원(17)에 의해 1차콘덴서(C1)가 충전되면, 그 후 주스위치(18)가 온되며, 주스위치(18)가 도통상태로 된다. 그러면 자기어시스트(19)에 의해 일정시간만큼 입상전류가 저지된 후, 1차콘덴서(C1)로부터 방전되는 펄스전류가 펄스트랜스(20)에 의해 승압되어 주방전전극용의 2차콘덴서(C2)에 충전된다.
이와 동시에 예비전리방전여기회로(24')의 2차콘덴서(C2')가 충전되며, 예비전리방전여기회로(24')중에 접속된 자기스위치(가포화리액터)(SR)에 의해 일정시간만큼 전류가 저지된 후에 복수의 예리전리전극(6)에 전류가 흐르기 시작하며, 예비전리방전이 개시된다. 이 충전속도는 펄스트랜스(20)의 2차측권선(20c)에 직렬접속된 인덕터(21')의 인덕턱스값에 의해 조정되며, 주방전과의 타미밍을 조정할 수 있다.
한편 이 때 주방전여기회로(24)의 2차콘덴서(C2)의 후단에 접속된 자기스위치(SR)는 포화상태에서 도통상태가 되어 있고, 이 자기스위치(SR)를 통하여 충전이 행해진다. 여기서 콘덴서(C1)로부터 콘덴서(C2)로의 전하의 이행시간은 1μ-수μ초이며, 2차측의 충전전류의 피크값은 수백A이다.
이와 같이 예비전리전극(6)을 통과하는 전류는 축적콘데서인 예비전리전극용의 2차콘덴서(C2')를 펄스충전할 때의 충전전류이며, 피크값은 작은 것을 알 수 있다.
주방전전극용의 2차콘덴서(C2)로의 전하의 이행이 완료한 시점으로부터 2차콘덴서(C2)로 역방향의 방전전류가 흐르려고 하지만, 주방전여기회로(24)중의 자기스위치(SR)는 이 역전류를 저지하는 작용을 한다.
이와 동기하여 펄스트랜스(20)의 자심은 포화하며, 실효적인 투과율은 극히 작아지기 때문에 2차콘덴서(C2)와 피킹콘덴서(C4)는 직결된 상태가 되며, 콘덴서(C2)로부터 콘덴서(C4)로의 전하의 이행이 개시된다. 여기서 콘덴서(C2)로부터 콘덴서(C4)로의 전하의 이행시간은 100ns-수백ns, 피크전류는 수백A-수kA이다.
이러한 전하의 이행과 함께, 피킹콘덴서(C4)의 전압이 상승하고, 곧 주전극(5)사이의 전압이 방전개시전압에 달한다. 그러면 콘덴서(C4)에 축적된 에너지 및 콘덴서(C2)에 잔류하는 에너지가 방전공간에 주입되며(이행시간 10ns-수십ns, 피크전류는 수kA-수십kA), 그 결과 방전에 의해 형성된 반전분포에 의해 레이저의 발진이 개시된다.
이와 같이 복수의 예비전리전극(6)을 통과하는 전류는 값이 작으므로 복수의 예비전리전극(6)의 방전타이밍에 영향을 주지 않고, 예비전리전극의 방전타이밍을조정할 수 있으며, 레이저발진을 안정하게 행할 수 있다.
또한 본 구성예에서는 예비전리방전여기회로(24')중에 자기스위치(가포화리액터)(SR)가 삽입되어 있으므로, 예비전리 후의 열화간 방지된다는 효과가 얻어진다. 또한 이 자기스위치(SR)는 경우에 따라서는 생략해도 된다.
또한 상기 제 1구성예와 마찬가지로 펄스트랜스(20)를 가포화가 아닌 트랜스로 할 수도 있다. 또한 인덕터(21)의 대신에 가포화리액터를 사용하여도 되고 생략해도 된다.
* 충방전회로의 제 4구성예
도 18은 충방전회로(1)의 제 4구성예를 나타내고 있고, 도 20은 그 등가회로를 나타내고 있다.
도 17의 제 3구성예와 다른 점은 주방전여기회로(24)중의 2차콘덴서(C2)와 주장전 전극(5)의 사이에 2단의 자기압축회로(23)를 개재시킨 점이다.
이 경우, 콘덴서(C2)로의 전하의 이행은 상기 제 3구성예와 마찬가지로 행해지며, 콘덴서(C2)로부터 콘덴서(C3)을 통하여 피킹콘덴서인 콘덴서(C4)로의 전하의 이행은 전류가 자기압축회로(23)에 의해 자기펄스압축되는 것에 행해진다.
다음으로 도 21을 참조하여 도 13, 도 14, 도 17및 도 18에 나타내는 제어기 (3)가 행하는 제어에 대하여 설명한다.
레이저장치의 운전개시에 있어서 먼저 진공펌프에 의해 소정의 가스압이 될 때까지 배기가 행해지고, 레미저챔버(4)내의 구가스가 배기된다. 다음으로 밸브(14a---)가 필요에 따라서 개폐되고, 압력센서(13)의 출력(P)가 소정의 설정치가 될 때까지 희가스, 할로겐가스 및 버퍼가스의 각각이 순차 주입된다.
이러한 레이저가스의 챔버(4)내로의 주입이 이루어지면, 그 후 챔버(4)내의 가스순환용의 송풍기(8)의 기동, 전원(17)의 워엄업등이라는 시퀸셜한 제어가 순차 실행되어 가며, 레이저창치의 운전이 가능한 상태로 된다.
그래서 레이저장치의 운전에 앞서 먼저 도 21의 스텝401에 나타낸 바와 같이 목표레이저출력(Ec), 할로겐가스주입펄스수간격(Nc), 충전전압변화량(ΔV), 희가스에 대한 1회분의 보급가스량(ΔG1), 할로겐가스에 대한 동일보급가스량(ΔG2), 버퍼가스에 대한 동일보급가스량(ΔG3) 및 1회분의 배기가스의 배기량(ΔG4), 한계가스압력(Pmax, Pmin)이 미리 결정됨과 함께 펄스수카운터외 리셋트(N=0)가 행해진다.
그 후 레이저장치의 운전이 개시되면, 광출력검출기(15)에 의해 검출된 레이저출력(E), 압력센서(13)에 의해 검출된 챔버내압력(P) 및 전압검출기에 의해 검출된 충전전압(V)이 제어기(3)에 순차 넣어진다. 단 충전전압(V)은 지령전압(Va)으로 대용할 수도 있다(스텝402).
제어기(3)는 검출레이저출력(E)을 모표레이저출력(Ec)과 비교하고(스텝403), E〈Ec이면 충전전압(V)을 상기 미소전압(ΔV)만큼 증가시켜 지령충전전압(Va)으로 하고(스텝405), E=Ec이면 검출전압(V)을 그대로 지령충전전압(Va)으로 하고(스텝404), E〉Ec이면 검출충전전압(V)을 상기 미소전압(ΔV)만큼 내려서 지령충전전압(Va)으로 한다(스텝406).
그런데 일반적으로 목표치에 근접하는 제어를 행하는 경우에는, 검출기의 분해능과 각종노이즈를 고려하여 불감대가 설치된다. 따라서 상기 목표레이저출력(Ec)은 어떤 폭을 갖고 있어도 된다. 즉 목표범위를 설정하여 이 목표범위내에 페이저출력 들어가게 하는 제어를 행하여도 된다.
또한 제어기(3)는 상기 지령충전전압(Va)(현재의 충전전압V)을 충전전압제어범위(Vm)의 최대치(Vmax) 및 치소치(Vmin)와 비교하고(스텝407), Va≤Vmax 그리고 Va≥Vmin이면 가스압(P)을 현재의 압력으로 유지한 상태에서(스텝408) 다음의 스텝 4411로 이행시킨다.
그러나 지령충전전압(Va)이 Va>Vmax일 때는 희가스봄베(9) 및 버퍼가스봄베(11)로부터 소정량의 희가스(ΔG1) 및 버퍼가스(ΔG3)을 레이저챔버(4)내에 보급하는 처리를 행하며, 가스압(P)을 미소량(ΔP)만큼 증가시킨 후 스텝411로 이행시킨다(스텝 410). 또한 Va〈Vmin일 때는 레이저챔버(4)내의 레이저가스가 소정량(ΔG4)만큼 배기하는 처리를 행하며, 가스압(P)을 미소량(ΔP)만큼 감소시킨 후 스텝411으로 이행시킨다(스텝409).
통상적으로는 불순물가스의 발생 및 윈도우 등의 훼손에 의해 레이저출력은 저하하는 경향에 있고, 전압은 가스보급과 함께 상승하므로 배기공정을 생략할 수 있는 경우가 많다. 따라서 스텝409의 처리를 생략하도록 해도 된다.
레이저장치의 운전중에는 할로겐가스를 보급하는 제어도 행해진다(스텝413-416).
즉 레이저장치의 운전중에는 전극증발물과의 반응 등에 의해 할로겐가스가 감소하고, 이 감소량은 운전시간, 즉 운전펄스수(N)에 비례한다. 그래서 운전수(N)에 비례한 량의 할로겐가스를 보급하기 위하여 가운트펄스수(N)가 소정값(Nc)에 달할 때마다 할로겐가스를 소정량(ΔG2)만큼 보급한다. 그리고 할로겐가스의 보급이 이루어진 시점에서 가운트값(N)미 0으로 리셋트되며, 다음의 처리인 스텝411으로 이행된다(스텝414, 415, 416). 또한 본 제어예에서는 펄스수(N)는 광출력검출기(15)의 검출신호를 카운트함에 의해 구하고 있지만, 발진명령인 트리거신호를 카운트함으로써 구하도록 하여도 된다.
스텝411에서는 레이저챔버(4)내의 가스압력(P)이 소정의 범위(Pmin≤P≤Pmax)에 있는지 아닌지를 판단하고 있으며, 이 압력범위를 넘은 경우에는 레이저출력(E)의 유지가 곤란해지기 때문에 가스교환 혹은 열화부품의 교환 등을 행하기 위한 서비스리퀘스트신호의 출력등, 필요한 알람표시 혹은 에러처리라는 이상처리가 이루어진다(스텝412).
또한 본 제어예에서는 충전전압제어범위(Vm)내에 들어가도록 충전전압(V)을 제어하고 있지만, 충전전압을 일정한 상태로 하고 레이저가스의 급배기제어만을 행하도록 해도 된다.
즉 제어기(3)는 검출레이저출력(E)을 목표레이저출력(Ec)과 비교하고(스텝403). E〈Ec이면 레이저챔버(4)내의 레이저가스가 소정량(ΔG4)만큼 배기하는 처리를 행하고(스텝409), E〉Ec이면 희가스봄베(9) 및 버퍼가스봄베(11)로부터 소정량의 희가스(ΔG1) 및 버피가스(ΔG3)를 레이저챔버(4)내에 보급하는 처리를 행한다(스텝410).
또한 본 제어예에서는 정기적으로 할로겐가스를 보급하는 처리(스텝413-416)를 행하고 있지만, 경우에 따라서는 이를 생략하여도 된다. 또한 할로겐가스의 보급은 스텝(410)에 있어서 다른 희가스, 버퍼가스의 보급과 병행하여도 된다.
또한 본 제어예에서는 충전전압(V)을 직접 검출하고 있지만, 충전전압(V)과 레이저광(La)의 비임폭(Δw)은 거의 비례관계에 있기 때문에 비임폭(Δw)을 검출함으로써 충전전압(V)을 검출하도록 하여도 된다. 여기서 비임폭(Δw)이라는 것은 주전극(5, 5)사이의 방전방향에 수직한 방향의 폭을 말하며, 레이저광을 라인센서상에 전사함으로써 검출할 수 있다.
또한 충전전압(V)과 레이저팡(La)의 주파수스펙트럼분포에서의 스펙트럼폭(Δλ), 예를들어 반값폭파의 관계도 거의 비례관계에 있기 때문에 스펙트럼폭(Δλ)을 검출하므로써 충전전압(V)을 검출하도록 하여도 된다.
이상과 같이 도 21에 도시한 제어예에 의하면, 출력레이저광의 파워가 목표치로 되도록 전원의 전압을 일정치로 유지하던지 혹은 일정범위내에 들어가도록 전압을 제어하면서 레이저가스의 급,배기량을 제어하도록 하였으므로 자기스위치를 가진 충방전회로를 방전여기형의 레이저장치에 적용한 경우라도 레이저출력변동에 대한 보상을 제어성 좋게 행할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 제 2발명 또는 제 3발명에 의하면 에비전리전극을 통과하는 전류의 값을 작게 하도록 충방전장치를 구성하였으므로, 예비전리전극의 내구성이 향상함과 함께 불순물에 의한 레이저가스의 열화를 저감할 수 있고, 레이저출력의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명은 자기스위치를 가진 충방전회로를 방전여기형의 레이저장치에 적용한 경우라도 레이저출력변동에 대한 보상을 제어성 좋게 행할 수 있고, 또한 출력안정화제어를 용이하게 이를 수 있는 장치를 제공하는 것을 제 1의 목적으로 한다.
이 제 1목적은 이하와 같은 구성의 제 1발명에 의힌 달성된다.
즉, 본 발명의 제 1발명에서는, 전원과, 고 전원의 전압을 방전전극에 인가시키는 주스위치와, 그 주스위치과 상기 방전전극의 사이에 개재되어 상기 전원으로부터 상기 방전전극에 흐르는 전류를 상기 전원의 전압의 크기에 따른 시간동안 저지하는 자기스위치를 가진 충방전회로를 구비함과 함께, 상기 방전전극이 배치된 레이저챔버내에 레이저가스를 공급하여 상기 방전전극사이의 방전에 의해 상기 레이저가스를 여기하고, 레이저광을 발진, 출력시키도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서,
상기 레이저광의 출력을 검출하는 출력검출수단과,
상기 출력검출수단에 의해 상기 레이저광의 출력이 목표치 또는 목표범위로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 상기 레이저광의 출력이 상기 목표치와 일치하던지 상기 목표범위내에 들어가도록 상기 전원의 전압을 일정범위내에서 변화시키고, 또한 상기 레이저챔버내에 공급되는 레이저가스의 공급량 또는 그 레이저챔버에서 배출되는 레이저가스외 배기량을 제어하는 제어수단을 구비하고 있다.
여기서, 출력검출수단은 광의 출력을 직접적으로 검출하는 것이라도 좋고, 할로겐 가스농도, 희가스농도등 광의 출력에 관련하는 파라미터를 검출함으로써 간접적으로 광의 출력을 검출하는 것이라도 좋다.
상기 제 1발명의 구성에 의하면, 출력검출수단에 의해 레이저광의 출력이 목표치 또는 목표범위에서 벗어난 것이 검출된 경우에 레이저광의 출력이 목표치에 일치하던지 목표범위내에 들도록 전원의 전압치가 일정범위내에 유지되면서 레이저챔버내에 공급되는 레이저가스의 공급량 또는 레이저챔버에서 배출되는 레이저가스의 배기량이 제어된다. 이와같이 전압제어를 수반함없이 레이저가스급,배기의 제어만으로 제어성 좋게 레이저출력의 변동이 보상된다.
본 발명은 또한 예비전리전극을 통과하는 전류의 값을 작게하여 전극의 내구성의 향상 및 레이저출력저하의 방지를 꾀할 수 있는 충방전장치를 제공하는 것을 제 2 의 목적으로 한다.
이 제 2의 목적은 이하와 같은 구성의 제 2발명 및 제 3발명에 의해 달성된다.
즉 본 발명의 제 2발명에서는 전원과, 그 전원의 전압을 예비전리전극 및 주방전 전극에 인가시키는 주스위치와, 그 주스위치와 상기 예비전리전극 및 상기 주방전전극의 사이에 개재된 복수단의 콘덴서를 가지며, 상기 주스위치를 작동시킴으로써 상기 전원에 의해 초단콘덴서에 축적된 전하를 제 2단이하의 콘덴서로 이행시켜 최종단콘덴서의 축적전하에 따라서 상기 예비전리전극간의 예비전리망전 및 상기 주방전전극간의 주방전을 행하는 충방전장치를 구비하고, 상기 주방전전극간의 주방전에 의해 레이저가스를 여기하고, 레이저광을 발진, 출력시키도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 충방전장치에 있어서,
1차측권선과 직렬로 상기 초단콘덴서가 접속됨과 함께 2차측권선과 직렬로 제 2단콘덴서가 접속되려, 초단콘덴서로부터 방전되는 펄스전류를 승압하여 제 2단콘덴서에 충전시키는 펄스트랜스를 설치함과 함께,
상기 제 2단콘덴서의 후단에 제 2단콘덴서로부터 방전되는 전류를 저지하는 자기 스위치를 접속하고, 그 자기스위치와 직렬로 상기 예비전리전극을 접속하고,
상기 제 2단콘덴서 및 상기 2차측권선과, 상기 자기스위치 및 상기 예비전리전극과, 최종단의 제 3콘덴서와, 상기 주방전전극을 각각 병렬로 접속하도록 한다.
또한 본 발명의 제 3발명에서는 동일구성의 충방전장치에 있어서,
펄스트랜스의 1차측권선과 직렬로 상기 초단콘덴서를 접속함과 함께, 상기 펄스트랜스의 2차측권선을 두 개의 제 1 및 제 2의 권선으로 분리하고,
상기 제 1권선과 예비전리전극용의 제 2단콘덴서를 가진 예비전리방전여기회로와, 상기 제 2권선과 주방전전극용의 제 2단콘덴서를 가진 주방전여기회로를 분리한다.
상기 제 2발명의 구성에 의하면, 초단콘덴서로부터 방전되는 펄스전류가 펄스트랜스에 의해 승압되어 제 2단콘덴서에 충전이 이루어진다. 이 때 제 2단콘덴서의 후단에 접속된 자기스위치는 포화상태에서 도통상태로 되어 있고, 이 자기스위치와 직렬로 접속된 예비전리전극을 전류가 통과한다. 이 통과전류는 축적콘덴서인 제 2단콘덴서를 펄스충전할 때의 충전전류이며, 피크값이 작다.
제 2단콘덴서로의 전하의 이행이 완료한 시점으론부터 제 2단콘덴서로 역방향의 방전전류가 흐르려고 하지만, 자기스위치는 이 역전류를 저지하는 작용을 하며, 예비전리방전을 정지시킨다. 이하 동기하여 펄스트랜스의 자심은 포화하여 제 2단콘덴서로부터 피킹콘덴서인 최종단의 제 3단콘덴서로의 전하의 이행이 개시된다. 그리고 피킹콘덴서의 전압이 상승하여 방전개시전압에 달하고 레이저발진이 이루어진다. 이와같이 예비전리전극을 통파하는 전류는 값이 작고 게다가 예비전리방전은 자기 스위치의 작용에 의해 저속으로 종료하고 주방전으로 이행한다. 따라서 예비전리전극의 마모가 저감된다.
또한 상기 제 3발명의 구성에 의하면, 초단콘덴서로부터 방전되는 펄스전류가 펄스트랜스에 의해 승압되어 예비전리전극응의 제 2단콘덴서에 충전되며, 이 충전전류가 예비전리전극을 통과한다. 이 통과전류는 펄스충전할 때의 충전전류이며, 피크 값이다.
그리고 예비전리방전여기회로와, 주방전여기회로가 분리되어 있고, 독립적이므로, 주방전전극의 방전타이밍에 영향을 주는 일없이 예비전리전극의 방전타이밍을 조정할 수 있으며, 레이저발진을 안정하게 행할 수 있다.
이과같이 예비전리전극을 통과하는 전류는 값이 작고, 게다가 예비전리방전의 타이밍을 최적으로 조정할 수 있으므로, 예비전리전극의 마모가 저감됨과 함께 레이저 발진을 안정하게 행할 수 있다.
본 명세서에 나타내는 충방전장치는 레이저의 기술분야이외의 기술분야에도 넓게 적용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 전원과, 그 전원의 전압을 방전전극에 인가시키는 주스위치와, 그 주스위치와 상기 방전전극의 사이에 개재되어 상기 전원으로부터 상기 방전전극에 흐르는 전류를 상기 전원의 전압의 크기에 따른 시간동안 저지하는 자기스위치를 가진 충방전회로를 구비함과 함께, 상기 방전전극이 배치된 레이저챔버내에 레이저가스를 공급하여 상기 방전전극사이의 방전에 의해 상기 레이저가스를 여기하고, 레이저광을 발진, 출력시키도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서,
    상기 레이저광의 출력을 검출하는 출력검출수단과,
    상기 출력검출수단에 의해 상기 레이저광의 출력이 목표치 또는 목표범위로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 상기 레이저광의 출력이 상기 목표치와 일치하던지 상기 목표범위내에 들어가도록 상기 충방전회로의 에너지전송효율을 소정치로 하기 위한 일정전압치로 상기 전원의 전압을 유지하면서 상기 레이저챔버내에 공급되는 레이저가스의 공급량 또는 그 레이저챔버에서 배출되는 레이저가스의 배기량을 제어하는 제어수단을 구비한 방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치.
  2. 전인과, 그 전원의 전압을 방전전극에 인가시키는 주스위치와, 그 주스위치와 상기 방전전극의 사이에 개재되어 상기 전원으로부터 상기 방전전극에 흐르는 전류를 상기 전원의 전압의 크기에 따른 시간동안 저지하는 자기스위치를 가진 충방전회로를 구비함과 함께, 상기 방전전극이 배치된 레이저챔버내에 레이저가스를 공급하여 상기 방전전극사이의 방전에 의해 상기 레이저가스를 여기하고, 레이저광을 발진, 출력시키도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서,
    상기 레이저광의 출력을 걸출하는 출력검출수단과,
    상기 출력검출수단에 의해 상기 레이저광의 출력이 목표치 또는 목표범위로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 상기 레이저광의 출력이 상기 목표치와 일치하던지 상기 목표범위내에 들어가도록 상기 전원의 전압을 변화시키는 전압제어수단과,
    상기 충방전회로의 에너지전송효율을 소정치이상으로 하기 위한 상기 전원의 전압조정범위를 미리설정해두고, 상기 전압제어수단에 의해 상기 전원의 전압이 변화된 결과, 상기 전압조정범위외로 된 경우에 상기 전원의 전압이 상기 전압조정범위내에 들어가도록 상기 레이저챔버내에 공급되는 레이저가스의 공급량 또는 그 레이저챔버에서 배출되는 레이저가스의 배기량을 제어하는 급,배기제어수단을 구비한 방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치.
  3. 제 1항에 있어서, 레이저광의 주파수스펙트럼분포에서의 스펙트럼폭을 검출하는 스펙트럼폭검출수단을 구비하며, 이 스펙트럼폭검출수단에 의해 스펙트럼폭이 목표 스렉트럼폭으로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 상기 스펙트럼폭이 목표스펙트럼폭이 되도록 레이저가스를 레이저챔버내로 공급하던지 그 레이저챔버로부터 배출하는 제어를 행하도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치.
  4. 제 2항에 있어서, 레이저광의 주파수스펙트럼분포에서의 스펙트럼폭을 검출하는 스펙트럼폭검출수단을 구비하며, 이 스펙트럼폭검출수단에 의해 스펙트럼폭이 목표 스펙트럼폭으로부터 벗어난 것이 걸출된 경우에 상기 스펙트럼폭이 목표스펙트럼폭이 되도록 레이저가스를 레이저챔버내로 공급하던지 그 레이저챔머로부터 배출하는 제어를 행하도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치.
  5. 제 1항에 있어서, 방전전극사이의 방전방향에 대략 수직한 방향의 비임폭을 검출하는 비임폭검출수단을 구비하며, 이 비임폭검출수단에 의해 비임폭이 목표비임폭으로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 상기 비임폭이 목표비임폭이 되도록 레이저가스를 레이저챔버내로 공급하던지 그 레이저챔버로부터 배출하는 제어를 행하도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치.
  6. 제 2항에 있어서, 방전전극사이의 방전방향에 대략 수직한 방향의 비임폭을 검출하는 비임폭검출수단을 구비하며, 이 비임폭검출수단에 의해 비임폭이 목표비임폭으로부터 벗어난 것이 검출된 경우에 상기 비임폭이 목표비임폭이 되도록 레이저가스를 레이저챔버내로 공급하던지 그 레이저챔버로부터 배출하는 제어를 행하도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 레이저가스의 제어장치.
  7. 전원과, 그 전원의 전압을 예비전리전극 및 주방전전극에 인가시키는 주스위치와, 그 주스위치와 상기 예비전리전극 및 상기 주방전전극의 사이에 개재된 복수단의 콘덴서를 가지며, 상기 주스위치를 작동시킴으로써 상기 전원에 의해 초단콘덴서에 축적된 전하를 제 2단이하의 콘덴서로 이행시켜 최종단콘덴서의 축적전하에 따라서 상기 예비전리전극간의 예비전리방전 및 상기 주방전전극간의 주방전을 행하는 충방전장치를 구비하며, 상기 주방전전극간의 주방전에 의해 레이저가스를 여기하고, 레이저광을 발진, 출력시키도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 충방전장치에 있어서,
    펄스트랜스의 1차측권선과 직렬로 상기 초단콘덴서를 접속함과 함께, 상기 펄스트랜스의 2차측권선을 두 개의 제 1 및 제 2의 권선으로 분리하고, 상기 제 1권선과 예비전리전극용의 제 2단콘덴서를 가진 예비전리방전여기회로와, 상기 제 2권선과 주방전전극용의 제 2단콘덴서를 가진 주방전여기회로를 분리한 방전여기형레이저장치에 있어서의 충방전장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 예비전리방전여기회로의 제 1권과 직력로, 예비전리방전과 주방전의 타이밍을 조정하는 인덕터를 접속한 방전여기형레이저장치에 있어서의 충방전장치.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 주방전전극용의 제 2단콘덴서의 후단에 그 제 2단콘덴서로부터 방전되는 전류를 저지하는 자기스위치를 접속하고,
    그 자기스위치와, 최종단의 제3잔콘덴서와, 상기 주방전전극을 각각 병렬로 접속하도록 한 방전여기형레이저장치에 있어서의 충방전장치.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 주방전전극용의 제 2단콘덴서와 사기 주망전전극의 사이에, 자기압축회로를 개재시킨 방전여기형레이저장치에 있어서의 충방전장치.
KR1019960706798A 1994-06-16 1995-05-26 방전여기형레이저장치에있어서의레이저가스의제어장치및충방전장치 KR100325995B1 (ko)

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