KR100708925B1

KR100708925B1 - 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치

Info

Publication number: KR100708925B1
Application number: KR1020000027958A
Authority: KR
Inventors: 세키구치신이치; 시노자키히로유키; 바라다도시미츠; 나카자와도시하루
Original assignee: 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2007-04-17
Also published as: KR20000077397A; DE60013205T3; EP1056171B1; JP3877912B2; EP1056171A2; EP1056171A3; DE60013205T2; EP1056171B2; DE60013205D1; TW463429B; JP2001044533A; US6603787B1

Abstract

방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 케이싱, 한 쌍의 주 방전전극, 그 대향 단부에서 돌출된 회전 샤프트를 갖고 상기 주 방전전극사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하는 직교류팬, 자기 베어링, 상기 자기 베어링에 의해 회전가능하게 지지되는 회전 샤프트, 상기 자기 베어링이 작동하지 않은 경우 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링, 및 상기 회전 샤프트를 작동하는 모터를 포함한다. 상기 자기 베어링은 상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치되는 방사 자기 베어링을 포함한다. 모터의 근방에 배치된 상기 방사 자기 베어링중 하나가 상기 모터에서 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 더 큰 베어링 강성을 갖는다.

Description

방전펌핑된 엑시머 레이저 장치{DISCHARGE-PUMPED EXCIMER LASER DEVICE}

도 1은 종래의 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 축방향 단면도,

도 2는 도 1에 도시된 종래의 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 사용되는 직교류팬의 사시도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 축방향 단면도,

도 4a는 회전 샤프트가 없는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 직교류팬에서 레이저 가스가 흐르는 방법을 도시한 도면,

도 4b는 회전 샤프트를 구비한 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 직교류팬에서 레이저 가스가 흐르는 방법을 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 베어링 하우징과 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 근처의 일부의 부분 단면도,

도 6은 퍼멀로이에 행해진 불소에 대한 내부식성 테스트의 결과를 나타내는 다이어그램,

도 7은 본 발명에 따른 모터 하우징과 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 근처의 일부의 부분 단면도,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 축 방향 단면도,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 축방향 단면도,

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 축방향 단면도,

도 11은 도 10에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 원으로 둘러쌓인 부분(A)을 나타내는 확대부분단면도,

도 12는 도 10에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 원으로 둘러쌓인 부분(B)을 나타내는 확대부분단면도,

도 13은 본 발명의 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 사용되는 직교류팬의 사시도이다.

본 발명은 회전 샤프트가 자기 베어링에 의하여 회전 가능하게 지지되는 직교류팬(cross-flow fan)을 갖는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 개선된 자기 베어링의 레이아웃과 개선된 보호 베어링을 구비한 방전펌핑된 엑시머 레이저장치에 관한 것이다.

첨부된 도 1은 종래의 엑시머 레이저 장치를 개략적으로 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 엑시머 레이저 장치는 레이저 가스로 충전된 케이싱(101), 케이싱(101)내에 배치되어 레이저 가스를 미리 이온화하는 예비 이온화 전극(비도시), 및 케이싱(101)에 배치되어 레이저 빔을 진동 가능하게 전기 방전을 생성하는 한 쌍의 주 방전전극(102)을 갖는다. 케이싱(101)은 또한 주 방전전극들(102)사이에 고속 가스 플로우를 생성하는 직교류팬을 수용한다.

직교류팬(103)은 그 대향 단부에서 돌출되고 케이싱(101)의 대향측에 배치된 복수의 방사 자기 베어링(106, 107)과 방사 자기 베어링(106) 근방에 배치된 축방향 자기 베어링(108)에 의하여 비접촉방식으로 회전하게 배치된 회전 샤프트(104)를 갖는다. 회전 샤프트(104)는 방사 자기 베어링(107)의 단부에 연결된 유도 모터(109)에 의하여 회전될 수 있다. 케이싱(101)은 케이싱(101)밖으로 레이저 빔을 방출하기 위하여 그 대향 단부상에 한 쌍의 윈도우(105)를 갖는다.

방사 자기 베어링(106, 107)이 동작중이 아닐 때, 회전 샤프트(104)는 모터(109) 근방의 샤프트 단부와 방사 자기 베어링(106) 근방의 샤프트 단부상에 각각 배치되는 보호 베어링(110, 111)에 의해 지지된다. 보호 베어링(110, 111)은 레이저 가스가 오염되는 것을 방지할 목적으로 일반적인 윤활제를 사용할 수 없다. 보호 베어링(110, 111)은 부식에 큰 내성을 갖는 특수 자기윤활 볼(special self-lubricated ball)과 스테인레스 강의 내부와 외부 레이스(race)를 포함하는 롤링 베어링의 형태로 되어있다.

고전압이 주 방전전극(102)사이에 가해지는 경우, 전기 방전이 그 사이에서 생성되어 레이저 빔을 발생한다. 발생된 레이저 빔은 케이싱(101)밖으로 윈도우(105)를 통하여 방출된다. 전기방전이 생성되는 경우, 주 방전전극(102)사이의 레이저 가스는 열화되고 그 전기방전 특성은 반복적인 방전펌핑이 가능하지 않을 정도로 손상된다. 이 단점을 피하기 위하여, 직교류팬(103)이 주 방전전극(102)사이에 고속 레이저 가스 플로우를 발생시키기 위하여 케이싱(101)에서 레이저 가스를 순환시키게 작동된다. 특히, 주 방전전극(102)사이의 레이저 가스는 전기방전이 그 사이에서 생성될 때마다 교체되어, 안정된 반복 펌핑을 수행한다.

그러나, 상기 종래의 엑시머 레이저 장치에서, 직교류팬(103)은 동작동안 상대적으로 크게 진동하여, 엑시머 레이저 장치의 광학 구성요소(비도시)가 그들의 광학축을 변위시키는 경향이 있고, 레이저 빔의 특성에 역효과를 가한다. 특히, 엑시머 레이저 장치가 동작중일 때, 케이싱(101)내의 레이저 가스는, 직교류팬(103)이 회전하는 동안, 1 내지 3 ㎏/㎤의 범위의 압력으로 가압된다. 따라서, 직교류팬(103)은 큰 구동 파워를 필요로 하며, 크기가 큰 모터(109)가 필요하다. 모터(109)는 회전 구동 파워를 직교류팬에 가하며, 조립 에러와 기계적 에러에 기인한 그 회전자와 고정자사이의 편심 위치 에러로 인한 진동을 생성하는 방사 자기 인력을 생성한다. 방사 자기 인력은 모터(109)의 회전자의 표면적에 비례하여 커지기 때문에, 방사 자기 인력에 의하여 유발된 진동은 모터(109)가 크기에서 더 커지는 경우 또한 더 크게 된다.

최근에, 높은 반복적인 펌핑에 의하여 고 레이저 빔 출력을 생성하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치를 요구학고 있다. 높은 반복적인 펌핑을 달성하기 위하여, 주 방전전극(102)사이의 레이저 가스는 더 짧은 시간 주기로 교체될 필요가 있어, 직교류팬(103)에 의하여 발생된 레이저 가스는 더 높은 속력이 필요하다. 모터(109)는 더 높은 속력으로 직교류팬(103)을 회전시키기 위하여 더 큰 크기를 필요로 한다. 모터(109)는 크기가 커지는 경우, 모터(109)에 의하여 발생된 방사 자기 인력은 또한 더 큰 크기가 된다. 이리하여, 모터(109)는 더 큰 진동을 생성하 여, 모터(109)가 더 높은 속력으로 회전시키는 것이 어렵다. 결과적으로, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 매우 안정된 반복 펌핑을 수행할 수 없다.

보호 베어링(110, 111)은, 작동하는 동안 케이싱(101)내에 생성된 분진이 도달하기 어렵도록 샤프트 단부상에 위치된다. 그렇지 않을 경우에는 이러한 분진이 보호 베어링(110, 111)의 롤링 표면에 들어가 그 회전을 방해하기 때문이다. 그러나, 보호 베어링(110, 111)이 샤프트 단부에 위치되어, 방사 자기 베어링(106, 107)은 작동중이 아니고, 특히, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 작동중이 아니거나 이동되는 동안, 직교류팬(103)의 회전 샤프트(104)가 보호 베어링(110, 111)에 의하여 지지되면, 보호 베어링(110, 111)사이의 상호 베어링 간격 또는 거리가, 회전 샤프트(104)가 방사 자기 베어링(106, 107)에 의하여 지지되는 경우보다 길다.

결과적으로, 보호 베어링(110, 111)에 의하여 지지되는 회전 샤프트(104)의 정적 편향은 증가한다. 결과적으로, 회전 샤프트(104)주위의 에어 갭은 방사 자기 베어링(106, 107)과 모터(109)에서 회전 샤프트(104)의 외주 표면이 물리적으로 내부 케이싱 표면을 접촉하는 것을 방지하도록 증가될 필요가 있다. 증가된 에어 갭을 갖는 하나의 문제는 방사 자기 베어링(106, 107)의 작동력이 감소하는 것이다. 특히, 에어 갭이 커짐에 따라, 더 큰 자기 베어링이 요구된다. 자기 베어링의 작동력은 에어 갭의 제곱에 비례하여 일반적으로 낮아지기 때문에, 에어 갭이 두배로 증가되는 경우, 4배의 크기를 갖는 자기 베어링이 요구된다.

회전 샤프트(104)가 방사 자기 베어링(106, 107)의 고장으로 인하여 보호 베 어링(110, 111)에 의하여 지지될 필요가 있는 경우, 회전 샤프트(104)의 임계 속력은 상호 베어링 간격이 회전 샤프트(104)가 방사 자기 베어링(106, 107)에 의하여 지지되는 경우보다 길게 됨에 따라 줄어든다. 따라서, 회전 가능 샤프트(104)가 보호 베어링(110, 111)에 의하여 지지되는 경우, 회전시 격렬한 진동을 겪어, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 광학 구성요소의 광학축을 변위시킨다. 따라서, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치를 재시동하기 위하여, 광학축은 다시 조절될 필요가 있다. 따라서, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 빠르게 재시동될 수 없다.

보호 베어링(110, 111)의 자기윤활 볼은, 기계적 강도에 문제를 갖기 때문에, 상대적으로 낮은 허용 회전 속력과 허용 부하를 갖는다. 직교류 회전 팬(103)이 고속으로 회전하고 모터(109)가 더 커지게 되고 회전 샤프트(104)가 더 커지는 경우, 보호 베어링(110, 111)은 불충분한 기계 강도에 기인하여 사용될 수 없다.

첨부된 도 2는 종래의 직교류팬(103)을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 직교류팬(103)은 복수의 평행 블레이드(103a), 블레이드(103a)의 대향단부에 부착된 한쌍의 링 플레이트(103b), 및 회전 샤프트(104)의 축방향으로 이격 간격으로 링 플레이트(103b)사이에 배치된 한쌍의 링 플레이트(103c)를 포함한다. 링 플레이트(103c)는 블레이브(103a) 부착용 외주 엣지 근방에 형성된 부착 구멍 또는 함몰부를 갖는다. 블레이드(103a)의 대향 단부상의 링 플레이트(103b)는 블레이드(103a) 부착용 외주 엣지 근방내에 형성된 부착 구멍 또는 함몰부, 및 회전 가능 샤프트(104)의 부착용 내부 외주 엣지에 부착 보스를 갖는다. 직교류팬(103)을 조합하기 위하여, 블레이드(103a)는 부착 구멍 또는 함몰부를 관통하여 회전 샤프트(104) 축을 따라 삽입되며, 모든 링 플레이트(103b, 103c)의 외주 엣지가 블레이드(103a)를 제자리에 설정하게 주름잡힌다.

회전 샤프트(104)는 직교류팬(103)을 회전가능하게 지지하고 회전 구동력을 직교류팬(103)에 전달하도록 설치된다. 회전 샤프트(104)는 직교류팬(103)을 통해 축 방향으로 연장되고 대향 단부에서 링 플레이트(103b)로부터 돌출한다. 자기 베어링의 전자석 타겟, 변위 센서 타겟 및 모터 회전자는 회전 샤프트(104)의 돌출단부에 고정된다. 블레이드(103a)와 링 플레이트(103b, 103c)로 구성된 케이지 형상 구조의 기계 강도가 낮기 때문에, 회전 샤프트(104)는 직교류팬(103)을 관통하여 축 방향으로 연장하고, 직교류팬(103)의 대향 단부상에 장착된 변위 센서 타겟, 전자석 타겟, 및 모터 회전자는 직교류팬(103)을 변형시킨다.

직교류팬(103)과 회전 샤프트(104)는 직교류팬(103)을 축 방향으로 관통하여 회전 샤프트(104)를 삽입하여 함께 결합되고 링 플레이트(103b)의 부착 보스는 셋스크류(setscrew)(103d)에 의하여 회전 샤프트((104)에 고정된다.

도 2에 도시된 직교류팬(103)은, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 동작중이거나 운반되는 동안 셋스크류(103d)가 가해진 진동으로 인하여 느슨하게 작동하기 쉽다는 것이 문제이다. 직교류팬(103)이 알루미늄으로 구성되어, 회전 샤프트(104)가 온도 사이클을 받아 방전펌핑동안 그 온도가 증가하는 경우, 셋스크류(103d)가 느슨하게 작동될 수 있다. 셋스크류(103d)가 느슨해지는 경우, 직교류팬(103)은 축 방향으로 변위되어, 주 방전전극(102)사이에 소정 가스 플로우를 생성하지 않는다. 소정의 가스 플로우가 생성되지 않는 경우, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 안정된 방전펌핑을 할 수 없다. 그 자신과 부착 보스 사이의 갭에서 방사방향으로 변위되어, 회전 샤프트(104)는 회전 샤프트(104)상의 불균형한 힘을 변화시키는 경향이 있다. 회전 샤프트(104)상의 불균형한 힘이 변화되면, 큰 진동이 생성되어 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 광학 성분의 광학 축을 변위시키고, 이리하여 레이저 빔출력에 역효과를 낸다.

본 발명의 목적은 종래의 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 문제를 해결하고 비교적 작은 진동을 발생시키고 고속으로 회전시킬 수 있는 직교류팬을 갖는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 레이저 가스로 충전된 케이싱, 상기 케이싱에 배치되어 레이저 빔을 방출하도록 레이저 가스를 방전펌핑하여 전기 방전을 생성하는 한 쌍의 주방전전극, 그 대향 단부에서 돌출된 회전 샤프트를 갖고 상기 주 방전 전극사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하는 직교류팬, 상기 회전 샤프트를 비접촉 방식으로 회전가능하게 지지하는 자기 베어링, 상기 자기 베어링이 작동하지 않은 경우 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링, 및 상기 직교류팬을 작동하는 모터를 포함하여 이루어지고, 상기 자기 베어링은 상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치되는 방사 자기 베어링을 포함하고, 상기 모터는 상기 방사 자기 베어링중 하나의 근방에 상기 회전 샤프트의 일단에 배치되고, 방사 자기 베어링중의 하나가 상기 모터에서 떨어져 배치된 방사 자기 베어링 의 베어링 강성보다 더 큰 베어링 강성을 갖는다.

상기 구성으로써, 모터 근처의 방사 자기 베어링의 베어링 강성이 모터로부터 멀리 배치된 방사 자기 베어링의 베어링 강성 보다 더 크기 때문에, 모터의 방사 인력에 의해 발생된 진동은 모터 근처에 배치된 방사 자기 베어링에 의해 효과적으로 억제되고, 회전 샤프트의 회전중심과 회전 샤프트의 무게중심 사이의 잘못된 정렬로 인한 불균형 상태에 의해 발생된 진동은 그 베어링 강성이 다른 방사 자기 베어링의 베어링 강성 보다 큰 방사 자기 베어링에 의해 억제된다. 따라서, 직교류팬은 감소된 진동을 발생시키고 고속으로 회전될 수 있어 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 반복적인 방전 펌핑이 가능하고 안정한 특성을 갖는 레이저 빔을 방출할 수 있다.

방사 자기 베어링은 각각의 코어를 갖는 각각의 전자석을 가지며, 방사 자기 베어링중 하나의 전자석의 코어는 모터로부터 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 전자석의 코어의 단면적 보다 큰 단면적을 갖고, 이것에 의해 방사 자기 베어링중 하나의 베어링 강성은 모터로부터 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 베어링 강성 보다 크다.

방사 자기 베어링은 각각의 전자석과 각각의 전자석 타겟을 갖고, 방사 자기 베어링중 하나의 전자석과 전자석 타겟 사이의 갭의 치수는 모터로부터 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 전자석과 전자석 타겟 사이의 갭의 치수 보다 작고, 이것에 의해 방사 자기 베어링 중 하나의 베어링 강성은 모터로부터 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 크다.

방사 자기 베어링은 각각의 코일을 포함하는 각각의 전자석을 갖고, 방사 자기 베어링 중 하나의 전자석의 코일의 권선수는 모터로부터 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 전자석의 코일의 권선수 보다 크고, 이것에 의해 방사 자기 베어링중 하나의 베어링 강성은 모터로부터 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 크다.

자기베어링은 모터의 샤프트 단부상에 배치된 다른 방사 자기 베어링을 포함한다.

회전 샤프트는 직교류팬의 대향 단부상에 배치된 방사 자기 베어링과 모터의 샤프트 단부상에 배치된 방사 자기 베어링에 의해 회전가능하게 지지된다. 모터는 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치된 방사 자기 베어링 사이의 스팬(span)의 바깥쪽으로 배치되고 직교류팬에 회전 구동력을 인가한다. 이렇게 위치결정된 모터로써, 모터의 방사 자기 인력에 의해 발생된 진동은 모터의 샤프트 단부상에 배치된 방사 자기 베어링에 의해 억제된다. 직교류팬은 감소된 진동을 발생시키고 고속으로 회전될 수 있어, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 반복적인 방전 펌핑이 가능하고 안정한 특성을 갖는 레이저 빔을 방출할 수 있다.

본 발명에 따르면, 레이저 가스로 충전된 케이싱, 상기 케이싱에 배치되어 레이저 빔을 방출하도록 레이저 가스를 방전펌핑하여 전기 방전을 생성하는 한 쌍의 주 방전전극, 그 대향 단부에서 돌출된 회전 샤프트를 갖고 상기 주 방전전극사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하는 직교류팬, 상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치된 방사 자기 베어링을 포함하고, 상기 회전 샤프트를 비접촉 방식으 로 회전가능하게 지지하는 자기 베어링, 상기 자기 베어링이 작동하지 않는 경우 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링, 상기 직교류팬을 작동하는 모터, 및 상기 직교류팬에서 떨어지고 상기 직교류팬과 상기 모터의 대향 단부상에 각각 배치된 상기 방사 자기 베어링의 단부내로 분진이 제거된 레이저 가스를 유입하는 레이저 가스 유입 통로 또는 상기 케이싱 및 자기 베어링과 교차하는 가스 흐름 경로 사이에 배치된 차동압력 발생기구를 포함하여 이루어지고, 상기 보호 베어링은 상기 직교류팬의 대향 단부상에 방사 자기 베어링의 근방에 각각 배치되는 보호 베어링을 포함한다.

상기 구성으로써, 레이저 가스 유입 통로가 상기 직교류팬에서 떨어지고 상기 직교류팬과 상기 모터의 대향 단부상에 각각 배치된 상기 방사 자기 베어링의 단부내로 분진이 제거된 레이저 가스를 유입하기 위하여 제공되거나 차동 압력 발생기구가 상기 케이싱 및 자기 베어링과 교차하는 가스 흐름 경로 사이에 배치되기 때문에 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 동작중일 때 케이싱 내에 발생된 분진은 자기베어링과 모터로 들어가지 않는다. 결과적으로, 보호 베어링은 회전 샤프트의 단부상에 배치될 필요가 없고 방사 자기 베어링 근처에 배치될 수 있다. 방사 자기 베어링에 의해 지지될 때의 회전 샤프트의 베어링간 스팬은 보호 베어링에 의해 지지될 때의 회전 샤프트의 베어링간 스팬과 실질적으로 동일하고, 따라서, 회전 샤프트의 정적 편향은 회전 샤프트가 방사 자기 베어링에 의해 지지되는지 또는 보호베어링에 의해 지지되는지의 여부에 관계없이 실질적으로 동일하게 유지된다. 결과적으로, 내측 케이싱 표면, 방사 자기 베어링 및 모터에서의 회전 샤프트의 외측 외주 방향 표면 사이의 에어 갭은 감소될 수 있다. 따라서, 자기 베어링 및 모터는 크기가 감소될 수 있다.

비록 회전 샤프트가 방사 자기 베어링의 고장에 기인하여 보호 베어링에 의해 지지될 필요가 있을 지라도, 회전 샤프트의 임계속력은 크게 변화하지 않고, 이리하여 회전 샤프트의 진동은 그것의 회전시 감소된다. 따라서, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 다른 부품과 주변장치는 진동에 의해 역효과를 받지 않고, 이리하여 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 빠르게 재시동될 수 있다.

보호 베어링은 롤링 부재, 내부 레이스 및 외부 레이스를 각각 포함하는 롤링 베어링을 포함하고, 롤링 부재, 내부 레이스 및 외부 레이스 중 적어도 하나는 알루미나 세라믹 또는 지르코니아 세라믹으로 만들어진다.

롤링 부재, 내부 레이스 및 외부 레이스 중 적어도 하나의 재료가 되는 알루미나 세라믹 또는 지르코니아 세라믹은 레이저 가스에 내부식성을 갖고 큰 기계적 강도를 갖는다. 알루미나 세라믹 또는 지르코니아 세라믹으로 만들어지는 보호 베어링은 긴 서비스 수명을 갖고 오랜 간격으로 대체될 수 있다. 직교류팬의 회전속력이 크거나 모터의 크기가 커서 큰 부하를 보호 베어링에 부과할 때조차도 보호 베어링은 효과적으로 동작할 수 있다.

보호 베어링은 각각 알루미나 세라믹, 지르코니아 세라믹, 폴리테트라플루오로에틸렌, 또는 이들의 합성재료로 만들어진 슬라이딩 베어링을 포함한다.

각각 알루미나 세라믹, 지르코니아 세라믹, 폴리테트라플루오로에틸렌, 또는 이들의 합성재료로 만들어진 슬라이딩 베어링은 더 적은 가스 트랩을 가지는 구조이고 비교적 저가로 제조될 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시로서 나타낸 첨부도면을 참조하여 이루어지는 다음의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 도 3을 참조하여 아래에 설명된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 레이저 가스로 채워진 케이싱(1), 케이싱(1) 내에 배치되어 레이저 가스를 예비적으로 이온화시키는 예비 이온화 전극(도시하지 않음) 및 케이싱(1) 내에 배치되어 레이저 빔을 진동시키는 것을 가능하도록 전기 방전을 발생시키는 주방전전극(2)을 포함하여 이루어진다. 케이싱(1)은 또한 주 방전전극(2)들 사이에 고속가스흐름을 생성하는 직교류팬(3)을 그 내부에 수용한다.

주방전전극(2) 사이에 고전압을 인가하면, 주방전전극(2) 사이의 레이저 가스가 방전 펌핑되어 레이저 빔을 진동시킨다. 발생된 레이저 빔은 케이싱(1)의 대향 단부에 장착된 윈도우(5)를 통하여 케이싱(1) 밖으로 방출된다. 레이저 가스가 방전 펌핑될 때, 주방전전극(2) 사이의 레이저 가스는 열화되고 그것의 방전특성은 반복 펌핑이 행해질 수 없을 정도로 저하된다. 따라서, 직교류팬(3)은 케이싱(1) 내의 레이저 가스를 순환시키도록 동작되어 각 방전사이클에서 안정한 반복펌핑을 위하여 주방전전극(2) 사이의 레이저 가스를 대치시킨다.

주방전전극(2)은 서로로부터 약 20mm 거리만큼 이격되고, 약 600 mm의 전체 길이를 갖는다. 직교류팬(3)은 주방전전극(2)의 전체 길이에 대해 균일한 가스 흐름을 생성하기 위하여 주방전전극(2) 보다 약간 작은 전체 길이를 갖는다. 직교류팬(3)은 2500 내지 3500 rpm 의 범위의 속력으로 회전되어 주방전전극(2) 사이의 필요한 충분한 가스 흐름을 생성시킨다.

직교류팬(3)은 그것을 통과하여 축방향으로 연장되고 그것의 대향단부로부터 돌출하는 회전 샤프트(4)를 갖는다. 회전 샤프트(4)는 케이싱(1)의 대향 단부상에 장착된 원통형 베어링 하우징(6) 및 원통형 모터 하우징(7)에 배치된 복수의 방사 자기 베어링(8, 9, 10) 및 축 자기 베어링(11)에 의해 비접촉식으로 회전가능하게 지지된다. 회전 샤프트(4)는 모터 하우징(7)내에 배치된 모터(12)에 의해 회전될 수 있다.

직교류팬(3)을 2500 rpm 내지 3500 rpm 범위의 속력로 안정하게 회전시키기 위하여, 회전 샤프트(4)의 임계속력은 동작 회전속력보다 더 높도록 선택된다. 예를 들어, 회전 샤프트(4)의 임계 속력은 보통 약 4000 rpm 으로 설정된다. 임계속력을 증가시키기 위하여, 회전 샤프트(4)의 강성을 증가시키거나 회전 샤프트(4)의 베어링간의 스팬(span)을 감소시키는 것이 효과적이다. 특히, 회전 샤프트(4)의 베어링간의 스팬을 감소시키는 것은 더욱 효과적이다. 회전 샤프트(4)의 베어링간의 스팬을 감소시키기 위하여, 방사 자기 베어링(8, 9)이 직교류팬(3)의 대향 단부에 각각 배치되는 것이 바람직하다. 직교류팬(3)의 전체길이가 600 mm 이상이기 때문에, 방사 자기 베어링(8, 9) 사이의 회전 샤프트(4)의 베어링간의 스팬은 약 800mm이다.

회전 샤프트(4)는 케이싱(1) 내에 배치되기 때문에, 강성을 증가시키기 위한 큰 영률(Young's modulus)을 갖고 레이저 가스에 대한 내부식성을 갖는 물질로 만들어져야 한다. 이 실시예에 있어서, 회전 샤프트(4)는 오스테나이트 스테인리스 스틸로 만들어진다. 회전 샤프트(4)는 고강성을 위해 큰 직경을 갖는 중공 샤프트를 포함할 수 있다. 그러나, 레이저 가스는 도 4a 및 도 4b의 화살표에 의해 나타난 바와 같이 직교류팬(3)을 가로지르고, 직교류팬(3)통과하여 흐르기 때문에 직교류팬(3)의 회전 샤프트(4)는 레이저 흐름에 저항을 제공하여 직교류팬(3)의 성능을 저하시키는 경향이 있다. 따라서, 회전 샤프트(4)는 임계속력이 약 4000rpm으로 유지될 수 있는 한 가능한 얇은 것이 바람직하다. 본 실시예에 있어서, 회전 샤프트(4)는 외부직경이 약 30 mm이다.

도 4a는 그 내부에 회전 샤프트를 갖지 않는 직교류팬을 통하여 레이저 가스가 흐르는 방법을 나타낸다. 도 4b는 회전 샤프트를 구비한 직교류팬을 통하여 레이저 가스가 흐르는 방법을 나타낸다.

방사 자기 베어링(8, 9) 사이의 회전 샤프트(4)의 베어링간 스팬을 감소시키기 위하여, 모터(12)는 방사 자기 베어링(9)의 바깥쪽 방향으로 배치된다. 따라서, 회전 샤프트(4)의 무게중심의 축방향 위치는 모터(12) 쪽으로 배치된다. 결과적으로, 직교류팬(3)과 모터(12) 사이에 배치된 방사 자기 베어링(9)은 직교류팬(3)의 대향 단부상의 방사 자기 베어링(8) 보다 큰 베어링 강성을 갖는다. 방사 자기 베어링(8, 9)의 베어링 강성 사이의 비는 무게중심으로부터 방사 자기 베어링(8, 9)까지의 거리 사이의 비를 고려하여 선택될 수 있다.

방사 자기 베어링(9)은 전자석(9b)을 갖고 방사 자기 베어링(8)은 전자석(8b)을 갖는다. 전자석(9b)은 전자석(8b)의 코어 길이(X) 보다 긴 코어 길이(Y)를 갖는다. 코어길이(Y)는 코어길이(X) 보다 길고, 전자석(9b)에 의해 발생된 자력은 전자석(8b)에 의해 발생된 자력 보다 Y/X 배 더 크다. 따라서, 방사 자기 베어링(9)의 베어링 강성이 증가된다. 또한, 방사 자기 베어링(9)의 전자석 타겟(9d)은 크기가 증가되기 때문에, 방사 자기 베어링(9)의 베어링 부하가 또한 증가된다. 방사 자기 베어링(9) 그 자체의 강성에 기인한 불안정성이 실질적으로 동일하게 유지되기 때문에, 방사 자기 베어링(9)의 제어 특성은 손상되지 않는다.

방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 작동시, 모터(12)는 직교류팬(3)의 회전 샤프트(4)에 회전 구동력을 인가하고, 조립 에러 및 기계가공 에러에 기인한 회전자(12b) 및 고정자(12a) 사이의 편심 위치 에러 때문에 진동을 직교류팬(3)에 부여하는 방사 자기 인력을 발생시킨다. 이 진동을 제어하기 위하여, 방사 자기 베어링(10)은 모터(12)의 샤프트 단부상에 배치된다. 이론적으로는, 모터(12)의 방사 자기 인력에 의해 발생된 진동의 진폭은 모터(12)의 샤프트단부에서 가장 크다. 회전 샤프트(4)가 가장 큰 진폭으로 진동하는 위치에 방사 자기 베어링(10)을 위치시킴으로써, 직교류팬(3)의 회전 샤프트(4)의 진동을 효과적으로 제어하는 것이 가능하다.

이렇게 위치된 방사 자기 베어링(10)으로 인하여, 회전 샤프트(4)의 무게중심의 축방향 위치는 방사 자기 베어링(10)이 제공되지 않는 경우보다 모터(12) 쪽으로 더 변위된다. 그러나, 상술되 바와 같이, 방사 자기 베어링(9)의 베어링 강 성은 회전 샤프트(4)의 변위된 무게중심에 대처하도록 증가될 수 있다. 그러나, 회전 샤프트(4)의 무게중심의 축방향 위치가 방사 자기 베어링(8, 9) 사이에 위치되는 것이 필요하다.

회전 샤프트(4)는 방사 자기 베어링(8, 9)에 의해 지지되기 때문에, 방사 자기 베어링(10)상에는 어떤 베어링 부하도 생성되지 않는다. 따라서, 방사 자기 베어링(10)은 모터(12)에서 발생된 방사 자기인력만을 제어할 수 있도록 동적 강성을 가질 것이 요구된다. 상세하게, 방사 자기 베어링(8, 9)은 회전 샤프트(4)의 하중에 기인한 정상 외력(steady external force)에 영향을 받기 때문에, 방사 자기 베어링(8, 9)은 방사 자기 베어링(8, 9)의 변위 센서(8a, 9a)로부터의 출력신호에 의거한 PID(비례적분미분)제어 회로(81)로서 전자석(8b, 9b)를 제어함으로써 안정하게 동작된다. 방사 자기 베어링(10)상에 어떠한 정상 외력도 작용하지 않기 때문에, 방사 자기 베어링(10)은 방사 자기 베어링(10)의 변위 센서(10a)로부터의 출력신호에 의거한 PD(비례미분) 제어회로(82)로써 전자석(10b)을 제어함으로써 안정하게 동작된다. 상기 베어링 제어방안에 따르면, 다른 방사 자기 베어링(8, 9)과의 간섭이 방지되는, 회전 샤프트(4)내에 어떠한 불필요한 굽힘 응력이 발생되지 않는다.

축 자기 베어링(11)의 위치가 특별히 제한되지는 않는다. 본 실시예에서, 축 자기 베어링(11)은 회전 샤프트(4)가 더 작은 진동에 영향을 받고 축 자기 베어링(11)이 용이하게 조립될 수 있는 베어링 하우징(6)내의 샤프트 단부에 배치된다. 축 자기 베어링(11)은 축 자기 베어링(11)의 변위 센서(1a)로부터의 출력신호에 의거한 PID 제어회로(81)로써 전자석(11b, 11c)을 제어함으로써 안정하게 동작된다.

방사 자기 베어링(8, 9, 10)이 동작중이 아닐 때, 회전 샤프트(4)는 방사 자기 베어링(8, 9, 10)에 근접하여 위치된 보호 베어링(13, 14, 15)에 의해 지지된다. 이렇게 위치된 보호 베어링(13, 14, 15)으로써, 보호 베어링(13, 14, 15)에 의해 지지된 회전 샤프트(4)의 베어링간 스팬은 방사 자기 베어링(8, 9, 10) 및 축 자기 베어링(11)에 의해 지지된 회전 샤프트(4)의 베어링간 스팬과 실질적으로 동일하다. 따라서, 회전 샤프트(4)의 임계속력은 회전 샤프트(4)가 방사 자기 베어링(8, 9, 10)과 축 자기 베어링(11)에 의해 지지되는지 또는 보호 베어링(13, 14, 15)에 의해 지지되는지 여부에 관계없이 실질적으로 변경이 없다. 결과적으로, 비록 회전 샤프트(4)가 예를 들어 방사 자기 베어링(8, 9, 10)의 고장으로 인해 보호 베어링(13, 14, 15)에 의해 지지될 필요가 있을 지라도, 회전 샤프트(4)는 안정하게 회전될 수 있다.

베어링 하우징(6)과 모터 하우징(7)은 분진이 베어링 하우징(6)과 모터 하우징(7)으로 들어가는 것을 방지하기 위하여 케이싱(1) 근처에 나사산을 갖는 래비린스(threaded labyrinths)(16, 17)를 갖는다. 이리하여 케이싱(1) 내에 생성된 분진은 베어링 하우징(6)과 모터 하우징(7)으로 들어가는 것이 방지되고, 보호 베어링(13, 14, 15)의 롤링 표면에 인가되는 것이 방지된다. 또한, 케이싱(1)은 레이저 가스가 레이저 가스 도입실(19)로 흘러 들어가게 하는 가스 출구 포트(18)를 갖는다. 레이저 가스내에 포함된 분진은 레이저 가스 도입실(19)내의 먼지제거필터(20)에 의해 제거된다. 그 후, 레이저 가스는 가스 유입 파이프(21)를 통하여 베어링 하우징(6)과 모터 하우징(7)의 샤프트 단부내로 도입된다. 이리하여 레이저 가스는 화살표로 지시된 바와 같이 순환되어 분진이 베어링 하우징(6)과 모터 하우징(7)으로 들어가는 것을 방지한다.

도 5는 베어링 하우징(6)과 근처의 일부를 확대된 스케일로 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 베어링 하우징(6)은 케이싱(1)의 측벽상에 장착된 주베어링 하우징본체(6a)를 포함한다. 베어링 하우징(6)은 주베어링 하우징본체(6a)에 부착된 우측 전자석 하우징(6b), 우측 전자석 하우징(6b)에 부착된 좌측 전자석 하우징(6c) 및 좌측 전자석 하우징(6c)에 부착된 베어링 커버(6d)를 포함한다. 밀봉 홈(29, 31, 33, 35)은 각각의 부착된 표면내에 형성되고 밀봉부(30, 32, 34, 36)가 레이저 가스를 밀봉하기 위하여 각각의 밀봉 홈(29, 31, 33, 35)내에 장착된다. 밀봉부(30, 32, 34, 36)는 금속, 예를 들어 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 등의 재료로 만들어지는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면 레이저 가스를 오염시킬 수 있는 습기를 함유한 가스의 감소된 양을 방출한다.

방사 자기 베어링(8)의 변위 센서(8a)와 전자석(8b)은 스페이서(22)와 측면 플레이트(23)에 의해 상대적으로 위치결정되고 주베어링 하우징본체(6a)내에 수용된다. 얇은 원통형 캔(can)(24)이 주베어링 하우징 본체(6a)내에 삽입되고 내부 원주방향 벽에 대해 유지되고, 주베어링 하우징 본체(6a)에 용접되거나 다른 방법으로 고정된 대향 단부를 갖는다. 이러한 구조로써, 레이저 가스에 대해 작은 내부식성을 갖는 실리콘 강판과 구리 와이어 코일을 포함하는 변위센서(8a)와 전자석(8b)은 레이저 가스와 접촉하지 않는다.

축 자기 베어링(11)의 전자석(11b, 11c)은 좌우 전자석 하우징(6b, 6c)에 서로 마주보는 관계로 용접되거나 다른 방법으로 고정된다. 전자석 코일(도시하지 않음)은 전자석(11b, 11c)의 코어에 형성된 각각의 코일 홈내로 삽입되고, 얇은 링-플레이트 캔(27)은 제위치에 용접되거나 다른 방법으로 고정되어 레이저 가스가 코일과 접촉하는 것을 방지한다. 축 자기 베어링(11)은 베어링 커버(6d)내에 하우징된 축방향 변위 센서(11a)를 갖고, 얇은 링플레이트 캔(28)은 레이저 가스와 접촉하는 베어링 커버(6d)의 표면에 용접되거나 달리 고정되어, 축방향 변위 센서(11a)를 베어링 하우징(6)내의 밀폐적으로 밀봉된 공간 밖에 위치시킨다.

전자석(11b, 11c)은 레이저 가스와 접촉하는 위치에 배치되기 때문에, 코어는 레이저 가스에 함유된 불소에 대한 높은 내부식성을 갖는 퍼멀로이(30 - 80%의 Ni를 포함하는 Fe-Ni 합금)로 만들어진다.

도 6은 퍼멀로이의 불소에 대한 내부식성 테스트의 결과를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 80%의 Ni을 함유하는 PC 퍼멀로이(JISC2531)는 오스테나이트 스테인리스 스틸 SUS 316L 보다 더 양호한 내부식성을 나타낸다. 45%의 Ni을 함유하는 PB 퍼멀로이(JISC2531)는 오스테나이트 스테인리스 스틸 SUS304 의 약 1/2 의, PC 퍼멀로이 보다 더 빈약한, 불소 가스에 대한 내부식성을 갖는다. 그러나, PB 퍼멀로이는 퍼멀로이들 중 가장 큰 포화자속밀도를 갖고 전자석 재료로서 사용에 적합하기 때문에, PB 퍼멀로이는 그것의 사용 표면상에 내부식성 층, 예를 들면 도금된 Ni층을 구비하여 배치될 수 있다. 도금된 Ni 층을 구비한 PB 퍼멀로이는 PC 퍼멀로와 유사한 내부식성을 나타낸다.

캔(24, 27, 28)은 레이저 가스에 대한 부식 보호를 위하여 오스테나이트 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이(니켈-크롬-몰리브덴 합금)로 만들어질 수 있다. 캔(24, 27, 28)은 밀폐적으로 밀봉된 공간을 형성하면서 케이싱(1)과 연통하기 때문에, 이들의 벽 두께는 채워진 레이저 가스의 압력(1-3 ㎏/㎠)을 견디는 것이 요구된다. 상기 캔(24, 27, 28)의 재료는 높은 기계적 강도를 가지고, 따라서 캔(24, 27, 28)은 얇게 만들어질 수 있다. 상기 재료는 자기 베어링에 의해 발생된 자기력선을 막지 않는 비자성 재료이기 때문에, 자기 베어링은 효율적으로 동작될 수 있다.

방사 자기 베어링(8)은 회전 샤프트(4)상에 장착되어 고정되고 회전자 스페이서(25, 26)에 의해 서로에 상대적으로 위치결정되는 변위 센서 타겟(8c) 및 전자석 타겟(8d)을 갖는다. 축 자기 베어링(11)은 회전 샤프트(4)상에 장착되어 고정되고 케이싱(1)과 연통하는 밀폐적으로 밀봉된 공간내에 위치되는 변위 센서 타겟(11d) 및 전자석 타겟(11e)을 갖는다.

변위 센서 타겟(8c), 전자석 타겟(8d), 변위 센서 타겟(11d) 및 전자석 타겟(11e)은 레이저 가스에 함유된 불소에 대한 높은 내부식성을 갖는 퍼멀로이(30 - 80%의 Ni을 함유하는 Fe-Ni 합금)로 만들어진다.

변위 센서 타겟(8c)과 전자석 타겟(8d)은 회전 샤프트(4)의 회전시에 발생하는 자계의 변화에 의해 발생되는 와류손실을 받는다. 변위 센서 타겟(8c)과 전자석 타겟(8d)은 통상적으로 와류손실을 감소시키기 위하여 적층된 얇은 시트로 구성된다. 그러나, 만일 가스 트랩(gas traps)이 적층된 얇은 시트사이에 생성되어 레이저 가스를 오염시키거나 시트가 PB 퍼멀로이로 만들어져서, 균일한 Ni 층이 상기 적층된 얇은 시트의 표면상에 높은 접착성으로 도금될 수 없다면, 변위 센서 타겟(8c)과 전자석 타겟(8d)은 퍼멀로이의 솔리드 재료(solid material)로 만들어질 수 있다. 축 자기 베어링(11)의 변위 센서 타겟(11d) 및 전자석 타겟(11e)은 자계가 회전 샤프트(4)의 회전시 변화하지 않기 때문에 퍼멀로이의 솔리드 재료로 만들어진다.

보호 베어링(13)은 알루미나 세라믹로 만들어진 롤링 부재(13a)와 SUS440C 등의 스테인리스 스틸로 만들어진 내측 및 외부 레이스(13b, 13c)를 갖는 롤링 베어링을 포함한다. 보호 베어링(13)은 케이싱(1)과 연통하는 밀폐적으로 밀봉된 공간내에 배치되기 때문에 롤링 부재(13a)와 내측 및 외부 레이스(13b, 13c)는 레이저 가스에 내부식성을 갖는 재료로 만들어진다. 따라서, 보호 베어링(13)은 레이저 가스에 의해 열화되지 않는다. 롤링 부재(13a)는 알루미나 세라믹으로 만들어지기 때문에, 보호 베어링(13)은 이것에 적합한 허용가능한 부하 및 허용가능한 큰 회전속력을 갖는다. 대안적으로, 롤링 부재(13a)는 지르코니아 세라믹으로 만들어질 수 있고 내측 및 외부 레이스(13b, 13c)는 알루미나 세라믹 또는 지르코니아 세라믹으로 만들어질 수 있다.

내측 및 외부 레이스(13b, 13c)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 고형 윤활제로 코팅된 롤링 표면을 갖는다. 고형 윤활제 PTFE는 레이저 가스에 대해 안정하고 높은 윤활 능력을 가직 때문에 레이저 가스를 열화시키지 않는다. 또한, 고형 윤활제는 어떤 윤활제도 사용되지 않는 경우보다 베어링의 서비스 수명을 더 연장하는데 효과적이다. 따라서, 보호 베어링(13)은 오랜 기간동안 대체될 필요가 없다. 내측 및 외부 레이스(13b, 13c)의 롤링 표면은 대안적으로 납 또는 납을 함유하는 합금을 포함하는 고형 윤활제로 코팅될 수 있다.

도 7은 모터 하우징(7)과 근처의 일부를 확대된 스케일로 나탄내다. 도 7에 도시된 바와 같이, 모터 하우징(7)은 케이싱(1)의 측벽상에 장착된 주모터하우징본체(7a)를 포함한다. 베어링 하우징(6)은 주모터하우징본체(7a)에 부착된 베어링 커버(7b)를 포함한다. 밀봉 홈(52, 54)은 각각의 부착된 표면에 형성되고, 밀봉부(53, 55)가 레이저 가스를 밀봉하기 위해 각각의 밀봉 홈(52, 54)내에 장착된다. 밀봉부(53, 55)는 금속, 예를 들어 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 등의 재료로 만들어지는 것이 바람직하며, 그렇지 않으면 레이저 가스를 오염시킬 수 있는 습기를 함유한 가스의 감소된 양을 방출한다.

방사 자기 베어링(9)의 변위 센서(9a) 및 전자석(9b), 모터(12)의 고정자(12a), 및 방사 자기 베어링(10)의 변위 센서(10a) 및 전자석(10b)은 주모터하우징본체(7a)내에 수용되고 스페이서(41, 42, 43) 및 측면 플레이트(44)에 의해 서로에 대해 상대적으로 위치된다. 얇은 원통형 캔(45)은 모터 하우징(7) 내에 삽입되고 원주방향의 내벽에 대해 유지되고, 베어링 하우징(6)에 용접되거나 다른 방법으로 고정된 대향 단부를 갖는다. 캔(45)은 상술된 이유 때문에 오스테나이트 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이(니켈-크롬-몰리브덴 합금)로 만들어진다. 이러한 구조로써, 레이저 가스에 작은 내부식성을 갖는 실리콘 강판 및 구리 와이어 코일을 포함하는 변위센서(9a), 전자석(9b), 변위센서(10a), 전자석(10b) 및 모터 고정자(12a)는 레이저 가스와 접촉하지 않는다.

모터(12)에 의해 발생된 수백 W의 열손실을 흡수하는 물 재킷(56)은 주모터하우징본체(7a) 주위에 배치된다. 모터 고정자(12a)의 코일은 코일과 물 재킷(56) 사이의 열 전도성을 증가시키는 절연 재료로 충만된다. 물 재킷(56)과 충만된 절연재료는 모터(12)가 타는 것을 방지하고 케이싱(1)이 과도하게 가열되는 것을 방지하는데 효과적이다.

방사 자기 베어링(9)의 변위 센서 타겟(9c), 모터 회전자(12b) 및 방사 자기 베어링(10)의 변위 센서 타겟(10c) 및 전자석 타겟(10d)은 회전 샤프트(4)상에 고정되어 장착되고, 회전자 스페이서(46, 47, 48, 49)에 의해 서로에 상대적으로 위치되고 케이싱(1)과 연통하는 밀폐적으로 밀봉된 공간내에 위치된다. 변위 센서 타겟(9c, 10c) 및 전자석 타겟(9d, 10d)은 방사 자기 베어링(8)의 변위 센서 타겟(8c) 및 전자석 타겟(8d)과 동일한 퍼멀로이(30-80%의 Ni을 함유한 Fe-Ni합금)로 만들어진다.

모터 회전자(12b)는 적층된 실리콘 강판과 알루미늄의 복합 재료로 만들어지고, 따라서 내부식성을 위한 높은 접착성을 구비한 Ni 도금된 층으로 균일하게 코팅될 수 없다. 캔(50)은 모터 회전자(12b)의 원주방향 외표면상에 장착되고, 회전 샤프트(4)에 용접되거나 달리 고정되는, 측면 플레이트(51)에 용접되거나 달리 고정되는 대향 단부를 갖고 모터 회전자(12b)가 레이저 가스와 접촉하는 것을 방지하도록 모터 회전자(12b)를 수용하는 밀폐적으로 밀봉된 공간을 형성한다. 캔(50)은 레이저 가스에 대한 부식보호를 위하여 오스테나이트 스테인리스 스틸 또는 하스텔로이(니켈-크롬-몰리브덴 합금)로 만들어진다.

베어링 하우징(6) 내의 보호 베어링(13)과 마찬가지로, 보호 베어링(14, 15)은 알루미나 세라믹로 만들어진 롤링 부재(14a, 15a) 및 SUS440C 등의 스테인리스 스틸로 만들어진 내측 및 외부 레이스(14b, 15b 및 14c, 15c)를 갖는 롤링 베어링을 포함한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치를 나타낸다. 도 3에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 부분들과 동일한 도 8에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 부분은 동일한 또는 대응하는 참조부호로 표시되고 이하에 상세히 설명하지 않는다.

도 8에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 레이저 빔을 진동시키도록 작동되는 동안, 레이저 가스 공급원(71)에 연결된 2개의 흐름 경로 개방/폐쇄 유닛(72)은 폐쇄되고 가스 유입 파이프(21)에 배치된 2개의 흐름경로 개방/폐쇄 유닛(73)은 개방되어 분진이 끊임없이 제거된 레이저 가스를 자기베어링 및 모터내로 도입한다. 레이저 가스를 계속 공급하기 위하여, 가스 유입 파이프(21)내에 배치된 흐름경로 개방/폐쇄 유닛(73)은 폐쇄되고 흐름경로 개방/폐쇄 유닛(72)은 개방되어 레이저가스 공급원(71)으로부터 신선한 레이저 가스를 공급하여 신선한 레이저 가스가 자기 베어링 및 모터를 통하여 케이싱(1)으로 공급되도록 한다.

레이저 가스를 완전히 대체하기 위하여 모든 흐름경로 개방/폐쇄 유닛(72, 73)은 폐쇄되고, 이전의 레이저 가스는 케이싱(1)으로부터 제거된다. 이전의 레이 저 가스가 케이싱(1)으로부터 제거된 후, 흐름경로 개방/폐쇄 유닛(72) 만이 개방되어 레이저가스 공급원(71)으로부터 신선한 레이저 가스를 공급한다. 신선한 레이저 가스가 이렇게 공급되면, 어떤 레이저 가스 흐름도 케이싱(1)으로부터 자기 베어링 및 모터로 생성되지 않기 때문에, 케이싱(1)에 존재하는 분진이 자기베어링 및 모터로 들어가는 것이 신뢰성 있게 방지된다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치를 나타낸다. 도 3에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 부분과 동일한 도 9에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 부분은 동일한 또는 대응하는 참조부호로 표시되고 이하에 상세히 설명되지 않는다. 도 9에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 보호 베어링에 있어서 도 3에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치와 다르다.

도 9에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 자기 베어링이 동작하지 않을 때, 회전 샤프트(4)를 지지하는 슬라이딩 베어링을 포함하는 보호 베어링(61, 62, 63)을 갖는다. 보호 베어링(61, 62, 63)은 방사 자기 베어링(8, 9, 10)의 근처에 위치된다. 이렇게 위치된 보호 베어링(61, 62, 63)으로써, 보호 베어링(61, 62, 63)에 의해 지지되는 회전 샤프트(4)의 베어링간 스팬은 방사 자기 베어링(8, 9, 10)에 의해 지지된 회전 샤프트(4)의 베어링간 스팬과 실질적으로 동일하다. 따라서, 회전 샤프트(4)의 임계속력은 회전 샤프트(4)가 방사 자기 베어링(8, 9, 10)에 의해 지지되는지 또는 보호 베어링(61, 62, 63)에 의해 지지되는지의 여부에 관계없이 실질적으로 변경되지 않는다. 따라서, 비록 회전 샤프트(4)가 예를 들어, 방사 자기 베어링(8, 9, 10)의 고장에 기인하여 보호 베어링(61, 62, 63)에 의해 지지될 필요가 있을 지라도 회전 샤프트(4)는 안정하게 회전될 수 있다.

보호 베어링(61, 62, 63)은 알루미나 세라믹로 만들어진 링 부재를 포함한다. 따라서, 보호 베어링(61, 62, 63)은 보다 작은 가스 트랩을 갖는 구조이고 비교적 저가로 제조될 수 있다. 이러한 구성의 보호 베어링(61, 62, 63)은, 만일 방사 자기 베어링(8, 9, 10)과 축 자기 베어링(11)이 비상전원(64)을 가지고 회전 샤프트(4)가 보호 베어링(61, 62, 63)상에서 회전하는 주파수가 극심하게 낮다면 특히 이롭다.

보호 베어링(61, 62, 63)의 링 부재는 대안적으로 알루미나 세라믹, 지르코니아 세라믹(ZrO₂), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 또는 이들 물질의 합성 재료로 만들어진다.

비상전원(64)은 도 3 또는 도 8에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 사용될 수 있다. 만일 비상전원(64)이 도 3 또는 8에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 내장된다면, 보호 베어링을 교체하는 기간은 크게 연장될 수 있다. 또한, 보호 베어링은 여러가지 형태일 수 있어 방사 자기 베어링(8, 9) 근처에 배치된 것은 롤링 베어링을 포함할 수 있고 방사 자기 베어링(10) 근처에 배치된 것은 슬라이딩 베어링을 포함할 수 있다.

도 1, 도 6 및 도 7에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 각각의 방사 자기 베어링 근처에 배치된 보호 베어링을 구비한 3개의 방사 자기 베어링을 갖는다. 그러나, 모든 방사 자기 베어링 근처에 보호베어링을 제공할 필요는 없으며, 적어도 2개의 보호 베어링이 직교류팬(3)의 대향 단부상에 위치된 각각의 방사 자기 베어링(8, 9) 근처에 제공될 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치를 나타낸다. 도 3에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 부분과 동일한 도 10에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치의 부분은 동일한 또는 대응하는 참조부호로 표시되고 이하에 상세히 설명되지 않는다. 도 10에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는, 도 1에 도시된 모터(12)의 샤프트 단부상에 배치된 방사 자기 베어링(10)을 갖지 않는다는 점에서 도 3에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치와 다르다. 도 1에 도시된 모터(12)의 샤프트 단부상에 배치된 방사 자기 베어링(10)은 모터(12)에 의해 발생된 진동을 감소시키는데 효과적이어서, 만일 모터(12)가 큰 사이즈이고 따라서 큰 진동을 발생시키는 경우에, 모터(12)를 안정하게 회전시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 모터(12)가 소형이고 이리하여 작은 진동을 발생시킨다면 도 10에 도시된 바와 같이, 어떤 방사 자기 베어링도 모터(12)의 샤프트 단부상에 배치되지 않는 것이다.

상술한 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 있어서, 모터(12)에 근접하여 위치된 방사 자기 베어링(9)의 베어링 강성을 모터(12)로부터 멀리 위치된 방사 자기 베어링(8)의 베어링 강성보다 더 크게 만들기 위하여, 방사 자기 베어링(9)의 전자석의 코어의 단면적이 방사 자기 베어링(8)의 전자석의 코어의 단면적보다 더 크다. 그러나, 모터(12)에 근접하여 위치된 방사 자기 베어링(9)의 베어링 강성을 모터(12)로부터 멀리 위치된 방사 자기 베어링(8)의 베어링 강성 보다 더 크게 만들기 위하여 다른 구성이 채용될 수 있다. 예를 들어, 방사 자기 베어링(9)의 전자석(9b)과 전자석 타겟(9d) 사이의 갭의 치수는 방사 자기 베어링(8)의 전자석(8b)과 전자석 타겟(8d) 사이의 갭의 치수보다 더 작을 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 방사 자기 베어링(9)의 전자석(9b)의 코일의 권선수는 방사 자기 베어링(8)의 전자석(8b)의 코일의 권선수 보다 클 수 있다.

도 11은 도 10에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에서 원으로 둘러싸인 부분(A)을 나타내는 확대 부분 단면도이고, 도 12는 도 10에 도시된 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에서 원으로 둘러싸인 부분(B)을 나타내는 확대 부분 단면도이다. 자기 베어링의 베어링 강성은 자기 베어링의 전자석에 의해 발생된 자기 인력(F)을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 자기 인력(F)은 코어의 단면적(S)과 자속 밀도(B)의 제곱에 비례한다. 자속밀도(B)는 코일의 권선수(N)와 코일 전류(i)에 비례하고 갭(x)의 치수에 반비례한다. 따라서, 자기 인력(F)를 증가시키기 위하여, 코어의 단면적(S)이 증가되거나, 코일의 권선수(N)가 증가되거나 코일 전류(i)가 증가되거나 갭(x)의 치수가 감소될 수 있다.

도 11 및 도 12에 있어서, 모터(12) 근처의 전자석(9b)은 전자석 코어(9b-1) 주위의 c 층 및 d 칼럼(권선수: c ×d)으로 감겨진 구리 와이어를 포함하는 코일(9b-2)을 갖고, 모터(12)로부터 먼 전자석(8b)은 전자석 코어(8b-1) 주위의 a 층 및 b 칼럼(권선수: a ×b)으로 감겨진 구리 와이어를 포함하는 코일(8b-2)를 갖는다. 따라서, 모터(12) 근처의 방사 자기 베어링(9)의 베어링 강성을 증가시키기 위하여, 권선수(c ×d)는 권선수(a ×b) 보다 크게 만들어 질 수 있고, 방사 자기 베어링(9)의 전자석(9b)과 전자석 타겟(9d) 사이의 갭의 치수(X1)는 방사 자기 베어링(8)의 전자석(8b)과 전자석 타겟(8d) 사이의 갭의 치수(X2) 보다 더 작게 만들어 질 수 있다(X1 < X2).

도 13은 본 발명에 따른 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치내에 사용되는 직교류팬(3)을 나타낸다. 도 13에 도시된 바와 같이, 직교류팬(3)은 복수의 평행 블레이드(3a)와 복수의 링 플레이트(3b)를 포함한다. 링 플레이트(3b)는 회전 샤프트(4)의 축방향으로 이격된 간격으로 배치된다. 링 플레이트(3b)는 블레이드(3a)의 부착을 위하여 이들의 외주 엣지 근처에 형성된 오목부 또는 부착 구멍과, 회전 샤프트(4)의 부착을 위하여 이들의 내주 엣지에 부착 보스를 갖는다.

직교류팬(3)을 조립하기 위하여, 직교류팬(3)의 일단상의 링 플레이트(3b) 중 하나가 먼저 회전 샤프트(4)에 대해 가압하여 끼워맞춰지고(press-fitted), 그후 블레이드(3a)가 가압 끼워맞춤된 링 플레이트(3b)의 오목부 또는 부착구멍을 통하여 삽입된다. 그 후, 다음 링 플레이트(3b)가 블레이드(3a)를 꼬지 않도록 주의하면서 블레이드(3a)에 의해 안내되면서 회전 샤프트(4)에 대해 가압 끼워맞춤된다. 상술된 설치 사이클이 모든 링 플레이트(3b)가 회전 샤프트(4)에 대해 가압 끼워맞춤될 때까지 반복된다. 결국, 모든 링 플레이트(3b)의 외주 엣지는 주름져서 블레이드(3a)와 링 플레이트(3b)를 서로 끼워맞춘다.

상술된 바와 같이 구성된 직교류팬(3)으로써, 회전 샤프트(4)와 링 플레이트(3b)는 서로에 대해 흔들리는 위험없이 서로에 확고하게 고정된다. 따라서, 본 직교류팬(3)은 종래의 직교류팬에 대하여 위에서 언급된 문제가 없다. 만일 회전 샤프트(4)와 링 플레이트(3b)가 동일한 재료, 예를 들어 SUS316L 등의 오스테나이트 스테인리스 스틸로 만들어진다면, 회전 샤프트(4)와 링 플레이트(3b)는 직교류팬(3)이 겪는 온도 사이클에 관계없이 함께 고정된다. 따라서, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 동작중에 있거나 제자리에 장치될 때 회전 샤프트(4)상에 생성된 불균형력이 회전시 변경되지 않기 때문에, 동작중에 발생된 진동은 변경되지 않는다. 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치가 제조될 때 회전 샤프트(4)상의 불균형력을 감소시키기 위한 균형 조정을 행함으로써, 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치는 오랜 기간동안 감소된 진동을 겪는다.

비록 본 발명의 소정의 바람직한 실시예가 도시되고 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 여러가지 변형예와 수정례가 만들어 질수 있다.

본 발명에 의하면, 비교적 적은 진동을 발생시키고 고속으로 회전시킬 수 있는 직교류팬을 구비하여 매우 안정된 반복 펌핑을 수행할 수 있다.

Claims

방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 있어서,

레이저 가스로 충전된 케이싱;

상기 케이싱에 배치되어 레이저 빔을 방출하도록 레이저 가스를 방전펌핑하여 전기방전을 생성하는 한 쌍의 주 방전전극;

상기 주 방전전극 사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하되, 대향하는 단부에서 돌출하는 회전 샤프트를 구비한 직교류팬;

상기 회전 샤프트를 비접촉 방식으로 회전가능하게 지지하는 자기 베어링;

상기 자기 베어링이 작동하지 않은 경우 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링; 및

상기 직교류팬을 작동시키는 모터를 포함하고,

상기 자기 베어링은 상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치되는 방사 자기 베어링을 포함하고, 상기 모터는 상기 방사 자기 베어링중 하나의 근방에 상기 회전 샤프트의 일단에 배치되고, 상기 방사 자기 베어링중의 하나가 상기 모터에서 떨어져 배치된 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 더 큰 베어링 강성을 갖는 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사 자기 베어링은 각각 코어를 구비한 개별적인 전자석을 구비하고, 상기 방사 자기 베어링 중의 하나의 전자기 코어는 상기 모터에서 떨어지게 배치된 방사 자기 베어링의 전자기 코어의 단면적보다 큰 단면적을 가져, 상기 방사 자기 베어링 중 하나의 베어링 강성이 상기 모터로부터 떨어져 배치된 상기 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 큰 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사 자기 베어링은 각 전자석와 각 전자석 타겟을 구비하고, 상기 방사 자기 베어링중의 하나의 전자석 타겟과 전자석사이의 갭의 크기가 상기 모터에서 떨어져 배치된 상기 방사 자기 베어링의 전자석 타겟과 전자석사이의 갭의 크기보다 작아, 상기 방사 자기 베어링 중 하나의 베어링 강성이 상기 모터에서 떨어져 배치된 상기 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 큰 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 방사 자기 베어링은 각각의 코일을 포함하는 각각의 전자석을 구비하고, 상기 방사 자기 베어링 중 하나의 전자석 코일의 권선수는 상기 모터에서 떨어져 배치된 상기 방사 자기 베어링의 전자석의 코일 권선수보다 커서, 상기 방사 자기 베어링 중 하나의 베어링 강성이 상기 모터에서 떨어져 배치된 상기 방사 자기 베어링의 베어링 강성보다 큰 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항에 있어서,

상기 자기 베어링은 상기 모터의 샤프트 단부상에 배치된 또 다른 방사 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 있어서,

레이저 가스로 충전된 케이싱;

상기 케이싱에 배치되어 레이저 빔을 방출하도록 레이저 가스를 방전펌핑하여 전기방전을 생성하는 한 쌍의 주 방전전극;

상기 주 방전전극 사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하되, 대향하는 단부에서 돌출하는 회전 샤프트를 구비한 직교류팬;

상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치된 방사 자기 베어링을 포함하고, 상기 회전 샤프트를 비접촉 방식으로 회전가능하게 지지하는 자기 베어링;

상기 자기 베어링이 작동하지 않는 경우, 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링;

상기 직교류팬을 작동시키는 모터; 및

상기 직교류팬에서 떨어지고 상기 모터의 상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치된 상기 방사 자기 베어링의 단부내로 분진이 제거된 레이저 가스를 유입하는 레이저 가스 유입 통로를 포함하고,

상기 보호 베어링은 상기 직교류팬의 대향 단부상에 상기 방사 자기 베어링의 근방에 각각 배치되는 보호 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 있어서,

레이저 가스로 충전된 케이싱;

상기 케이싱에 배치되어 레이저 빔을 방출하도록 레이저 가스를 방전펌핑하여 전기방전을 생성하는 한 쌍의 주 방전전극;

상기 주 방전전극 사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하되, 대향하는 단부에서 돌출하는 회전 샤프트를 구비한 직교류팬;

상기 직교류팬의 대향 단부상에 각각 배치된 방사 자기 베어링을 포함하고, 상기 회전 샤프트를 비접촉 방식으로 회전가능하게 지지하는 자기 베어링;

상기 자기 베어링이 작동하지 않은 경우 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링;

상기 직교류팬을 작동시키는 모터; 및

상기 케이싱과 상기 자기 베어링을 상호 연결하는 가스 플로우 경로사이에 배치된 차동 압력 발생 기구를 포함하고,

상기 보호 베어링은 상기 직교류팬의 대향 단부상에 상기 방사 자기 베어링의 근방에 각각 배치되는 보호 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항, 제 6항 또는 제 7항중 어느 한 항에 있어서,

상기 보호 베어링은 롤링 부재, 내부 레이스, 및 외부 레이스를 각각 포함하는 롤링 베어링을 포함하고, 상기 롤링 부재, 상기 내부 레이스, 및 상기 외부 레이스 중 적어도 하나는 알루미나 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항, 제 6항 또는 제 7항중 어느 한 항에 있어서,

상기 보호 베어링은 슬라이딩 베어링을 사용하고, 상기 슬라이딩 베어링은, 알루미나 세라믹, 지르코니아 세라믹, 폴리테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나 또는 이들의 복합재로 구성되는 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
방전펌핑된 엑시머 레이저 장치에 있어서,

레이저 가스로 충전된 케이싱;

상기 케이싱에 배치되어 레이저 빔을 방출하도록 레이저 가스를 방전펌핑하여 전기방전을 생성하는 한 쌍의 주 방전전극;

상기 주 방전전극 사이에 고속 레이저 가스 플로우를 생성하되, 대향하는 단부에서 돌출하는 회전 샤프트를 구비한 직교류팬;

상기 회전 샤프트를 비접촉 방식으로 회전가능하게 지지하는 자기 베어링;

상기 자기 베어링이 작동하지 않는 경우 상기 회전 샤프트를 지지하는 보호 베어링; 및

상기 직교류팬을 작동시키는 모터를 포함하고,

상기 직교류팬은 서로 단단하게 고정되고 동일 재료로 이루어진 복수의 평행 블레이드와 링 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.
제 1항, 제 6항 또는 제 7항중 어느 한 항에 있어서,

상기 보호 베어링은 롤링 부재, 내부 레이스, 및 외부 레이스를 각각 포함하는 롤링 베어링을 포함하고, 상기 롤링 부재, 상기 내부 레이스, 및 상기 외부 레이스 중 적어도 하나는 지르코니아 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방전펌핑된 엑시머 레이저 장치.