KR100940782B1 - 향상된 전극을 구비한 고반복률 레이저 - Google Patents

Abstract

본원발명은 불소 함유 레이저 가스에서 적어도 120억의 고전압 전기 방전을 발생시키는 적어도 하나의 긴 수명의 기다란 전극을 갖는 가스 방전 레이저를 제공한다. 바람직한 실시예에 있어서, 전극 중 적어도 하나는 상대적으로 낮은 애노드 부식률을 갖는 제1 재료 및 상대적으로 더 높은 애노드 부식률을 갖는 제2 애노드 재료로 이루어져 있다. 제1 애노드 재료는 전극의 소망 애노드 방전 영역에 위치결정된다. 제2 애노드 재료는 제1 재료의 적어도 2개의 긴 사이드를 따라 제1 애노드 재료에 인접하여 위치된다. 레이저의 동작동안 재료 모두에 부식이 일어나지만 제2 재료의 더 높은 부식률은 제2 재료로 스프레딩하는 임의의 방전 경향이 방전의 스프레드를 중지하기에 충분하도록 제2 재료를 급속하게 부식시키는 것을 보증한다. 바람직한 실시예에 있어서, 애노드는 상기된 바와 같고, 또한, 캐소드는 방전 영역의 제1 재료는 C26000 황동이고 제2 재료는 C36000 황동인 2재료의 전극이다. 펄스 전력 시스템은 적어도 1KHz의 펄스율로 전기 펄스를 제공한다. 블로워는 적어도 5m/s의 속도로 전극 사이의 레이저 가스를 순환시키고 열교환기는 블로워 및 방전에 의해 발생된 열을 제거하도록 제공된다.

방전, 레이저, 전극, 애노드, 캐소드, 불소, 납, 절연층

Description

향상된 전극을 구비한 고반복률 레이저{HIGH REP-RATE LASER WITH IMPROVED ELECTRODES}

본원발명은 전기 방전 레이저에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 긴 수명 전극을 구비한 챔버를 갖는 레이저에 관한 것이다. 본원발명은 2000년 6월 9일 출원된 미국특허출원 제09/590,958호, 2000년 6월 9일 출원된 미국특허출원 제09/590,961호, 2000년 11월 1일 출원된 미국특허출원 제09/703,697호, 2000년 12월 20일 출원된 미국특허출원 제09/742,485호, 2001년 1월 23일 출원된 미국특허출원 제09/768,753호, 2001년 2월 1일 출원된 미국특허출원 제09/776,044호, 2001년 9월 13일 출원된 미국특허출원 제09/953,026호, 2002년 2월 21일 출원된 미국특허출원 제10/081,589호, 및 2002년 3월 22일 출원된 미국특허출원 제10/104,502호에 대한 우선권을 주장한다.

종래기술의 KrF 엑시머 레이저 시스템의 주요 컴포넌트가 도 1, 도 2, 및 도 3에 도시되어 있다. 레이저 시스템은 집적회로 리소그래피용 광원으로서 사용된다. 이들 컴포넌트는 레이저 챔버 하우징(2)을 포함한다. 하우징은 각각 대략 50cm 길이의 대략 20mm만큼 이격된 2개의 전극(84 및 83), 1000Hz~4000Hz이상의 범위의 펄스 반복률에서의 다음의 연이은 펄스 이전에 하나의 펄스로부터의 찌꺼기를 (2개의 전극 사이의 방전 영역으로부터) 클리어링하기에 충분한 고속으로 전극 사이의 레이저 가스를 순환시키는 블로워(4), 및 전극 사이의 전기 방전에 의하여 그리고 팬에 의하여 레이저 가스에 부가된 열을 제거하는 하나 이상의 수냉식 핀 열교환기(6)를 수용하고 있다. 여기서, "찌꺼기"라는 용어는 하나의 레이저 펄스 이전의 가스의 조건과는 다른, 그 펄스 이후의 가스의 임의의 물리적 조건으로 정의된다. 또한, 챔버는 챔버의 공기 역학 구조를 향상시키는 베인 및 배플을 포함한다. 레이저 가스는 대략 0.1%의 불소, 대략 1.0%의 크립톤, 및 그 나머지는 네온의 혼합물로 이루어져 있다. 각각의 펄스는 대략 30 나노초 지속하는 (전극 사이의) 방전을 야기시켜 대략 20mm 높이, 3mm 폭, 및 500mm 길이의 이득 영역을 발생시키는, 도 3의 전기회로로 도시된, 펄스 전력 시스템(8)으로 전극 양단에 초고전압 전위를 인가함으로써 발생된다. 각각의 방전은 대략 2.5J의 에너지를 이득 영역에 퇴적시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 3개의 프리즘 빔 확장기, 튜닝 미러, 및 Littrow 구성으로 배치된 격자를 포함하는 격자 기반 라인 협소화 유닛(2B; 소위 라인 협소화 패키지 또는 LNP, 비례적이지 않게 확대 도시됨), 및 출력 커플러(2A)에 의해 형성된 공진 캐비티에서 레이징은 발생된다. 이러한 종래기술의 KrF 리소그래피 레이저에서 출력 펄스(3)의 에너지는 대략 10mJ인 것이 전형적이다.

이러한 KrF 레이저 광원은 대략 248nm 파장의 협대역 펄싱된 자외선 광 빔을 발생시킨다. 전형적으로, 이들 레이저는 대략 1000~4000Hz 범위의 펄스 반복률로 펄스의 버스트로 구성된 소위 "버스트 모드"로 동작한다. 대략 80 내지 300 펄스 등 다수의 펄수로 구성된 각각의 버스트는 1초의 몇분의 1의 오프 시간만큼 분리된 버스트로 웨이퍼상의 단일 다이 섹션을 각각 조사함과 동시에 리소그래피 머신은 다이 섹션 사이에서 조사 빔을 시프팅한다. 새로운 웨이퍼가 로딩될 때는 수초의 더 긴 오프 시간이 존재한다. 따라서, 생산에 있어서, 예를 들어, 2000Hz KrF 엑시머 레이저는 대략 30%의 듀티 팩터로 동작한다. 일 당 24시간, 주 당 7일, 년 당 52주, 동작은 계속된다. 30% 듀티 팩터로 "24시간 계속하여" 2000Hz로 동작하는 레이저는 월 당 15억 이상의 펄스를 축적할 것이다. 임의의 생산 차질은 금전적으로 극도의 손해가 될 수 있다. 이러한 이유로, 리소그래피 산업용으로 설계된 종래기술의 엑시머 레이저는 모듈식이다. 전형적으로, 모듈은 가동휴지시간을 최소로 유지하도록 수분내에 대체될 수 있다. 전형적으로, 이들 레이저의 레이저 이용도는 99%보다 더 높다.

현재 이들 레이저 광원이 사용되는 리소그래피 시스템은 0.25 미크론보다 더 작은 형상의 집적회로를 생산하도록 요구되고 형상의 크기는 해마다 더 소형화되고 있기 때문에 이들 레이저에 의해 발생된 레이저 빔의 높은 품질을 유지하는 것이 매우 중요하다. 결과로서, 레이저 빔에 대한 명세는 개개의 펄스 에너지에서의 변분, 일련의 펄스의 집적 에너지의 변분, 레이저 파장의 변분, 및 레이저 빔의 스펙트럼 대역폭의 크기를 제한한다.

종래기술의 전극

전형적으로, 상기 가스 방전 레이저용 종래기술의 전극은 대략 50cm 길이이고, 대략 3cm 폭이고, 도 1에 도시된 것(83 및 84)과 마찬가지의 횡단면 형상을 가 질 수 있다. 전형적으로, 전극 사이의 실제 방전은 수 밀리미터 폭(3~4mm 등)일 필요가 있고 이러한 요구는 전극의 형상을 결정한다. 도시된 2개의 전극은 (방전 풋프린트 또는 방전 표면이라 불리는) 전극 모두의 중앙 영역에 3~4mm 폭 영역에 걸친 비교적 매우 높은 전극 필드를 발생시켜 전극 스페이싱과 대략 동일한 높이를 갖는 3~4mm 폭의 대략 직사각형상의 방전을 발생시키고 그 방전 영역의 길이는 대략 500cm이다. 이들 종래기술의 전극에 있어서 하나의 문제점은 수십억 펄스에 걸쳐 2개의 전극의 대략 3~4mm의 방전 풋프린트 포트에서의 부식이 전극의 횡단면 형상의 변화를 야기시켜 전계를 바꾸고, 차례로, 방전 풋프린트에 영향을 미쳐서, 방전 형상이 더 이상 균일하지 않고, 실질적으로 더 넓어지거나, 더 좁아지거나, 쪼개지거나, 또는 왜곡되게 되어, 레이저 빔 품질에 악영향을 미치고 레이저 효율을 감소시킨다는 것이다.

방전과 동일한 폭을 갖는 돌출부를 전극상에 제공함으로써 부식의 영향을 최소화하려는 전극 설계가 제안되어 왔다. 일본특허 제2631607호에 몇몇 예가 개시되어 있다. 그러나, 이들 설계는 돌출부가 크거나 돌출부가 작으면 가스 흐름에 악영향을 미치고, 비교적 급속하게 부식된다.

다른 리소그래피 레이저

KrF 레이저와 매우 유사한, 리소그래피 광원에 사용된 다른 가스 방전 레이저는 ArF(불화 아르곤) 레이저 및 F₂(분자 불소) 레이저이다. ArF 레이저에 있어서, 활성 가스는 네온을 버퍼 가스로 하는 주요 가스인 아르곤 및 불소의 혼합물이 고, 출력 빔의 파장은 대략 193nm 범위에 있다. 이들 ArF 레이저는 집적회로 제조를 위해 이제 막 상당한 정도로 사용되고 있지만, 이들 레이저의 사용은 급속하게 성장할 것으로 기대된다. 집적회로 제조를 위해 장차 광범위하게 사용될 것으로 기대되는 F₂ 레이저에 있어서, 활성 가스는 F₂이고, 버퍼 가스는 네온, 헬륨, 또는 네온과 헬륨의 조합일 수 있다. 이들 가스 방전 리소그래피 레이저 모두는 전극 사이의 스페이싱이 다소 다름에도 불구하고 유사한 전극을 이용한다.

가스 흐름에 악영향을 미치지 않고, 레이저 빔 품질에 실질적인 악영향을 미침이 없이 수많은 전기 방전을 견딜 수 있는 전극을 갖는 가스 방전 레이저가 필요하다.

본원발명은 불소 함유 레이저 가스에서 적어도 120억의 고전압 전기 방전을 발생시키는 적어도 하나의 긴 수명의 기다란 전극을 갖는 가스 방전 레이저를 제공한다. 바람직한 실시예에 있어서, 전극 중 적어도 하나는 상대적으로 낮은 애노드 부식률을 갖는 제1 재료 및 상대적으로 더 높은 애노드 부식률을 갖는 제2 애노드 재료로 이루어져 있다. 제1 애노드 재료는 전극의 소망 애노드 방전 영역에 위치결정된다. 제2 애노드 재료는 제1 재료의 적어도 2개의 긴 사이드를 따라 제1 애노드 재료에 인접하여 위치된다. 레이저의 동작동안 재료 모두에 부식이 일어나지만 제2 재료의 더 높은 부식률은 제2 재료로 스프레딩하는 임의의 방전 경향이 방전의 스프레드를 중지하기에 충분하도록 제2 재료를 급속하게 부식시키는 것을 보 증한다. 바람직한 실시예에 있어서, 애노드는 상기된 바와 같고, 또한, 캐소드는 방전 영역의 제1 재료는 C26000 황동이고 제2 재료는 C36000 황동인 2재료의 전극이다. 펄스 전력 시스템은 적어도 1KHz의 펄스율로 전기 펄스를 제공한다. 블로워는 적어도 5m/s의 속도로 전극 사이의 레이저 가스를 순환시키고 열교환기는 블로워 및 방전에 의해 발생된 열을 제거하도록 제공된다.

바람직한 실시예에 있어서, 2재료 전극은 불소 함유 가스 방전 레이저의 애노드이다. 애노드의 방전 표면에 위치한 애노드의 일부는 애노드의 방전 표면을 덮는 다공성 절연층을 동작동안 생성하도록 선택된 다른 금속과 납을 함유하는 애노드 재료로 이루어진다. 다른 금속의 불화물뿐만 아니라 납 불화물로 이루어진 절연층을 생성하는 애노드 표면의 불소 이온 스퍼터링에 의해 층이 생성된다. 특정 바람직한 실시예에 있어서, 애노드는 2개의 파트로 제조되고, 제2 파트는 상부에 트렌치 형상의 캐비티를 갖는 종래기술 애노드의 일반적인 형상을 갖는다. C26000 황동 등의 이러한 파트에 대한 재료는 통상의 방전 레이저 가스 환경에서 전기 방전되면 부식될 것이다. 3% 초과의 납 함유량을 갖는 황동으로 이루어진 제1 파트는 트렌치내로 솔더링되고 표면 위로 0.2밀리미터 정도 돌출한다. 애노드가 레이저에 설치되어 불소 함유 레이저 가스 환경에서 펄스 방전될 때, 다공성 납 불화물을 포함하는 절연층은 제1 파트의 표면상에 형성되어 그것의 상당한 부식을 방지한다. 본원인의 컴퓨터 전계 모델은 캐소드와 애노드 사이의 전계에는 절연층이 상당히 영향을 미치지는 않는다는 것을 보여주었다. 전반적인 전극 형상은 전극에 대하여 동작의 시작시에 제2 파트로부터의 상당한 방전은 없도록 되어있다. 어느 정도 제2 파트로부터 방전은 일어나고, 방전 영역에서의 애노드의 높이를 감소시키는 방전 사이트에서 부식이 일어나 제2 파트로부터의 방전을 감소시키는 효과를 갖는다. 50,000개 정도의 작은 홀은 제1 파트상의 절연층에 전개되어 애노드의 금속 표면으로 및 그 표면으로부터 자유롭게 전자가 흐르게 한다. 그러나, 애노드의 금속 표면상의 불소 이온 스퍼터링은 절연층이 전개된 후에는 실질적으로 제한된다. 본원인은 불소 이온 스퍼터링에서의 감소는 금속 표면에 도달하는 불소 이온의 감소된 수 및 금속 표면에 도달하는 이온 에너지의 감소로부터 기인한 것이라 생각한다.

본원인의 시험에 의하면, 종래기술 애노드 설계에 비해, 애노드의 방전 표면을 실질적으로 모두 덮는 다공성 절연층은 전극 사이의 전계와 상당하게 간섭하지는 않고, 방전 형상을 제어하는 것을 도와서 그것이 챔버 수명에 걸쳐 더 공간적으로 균일하게 한다. 방전 형상에서의 이러한 증가된 균일성은 챔버 수명에 걸쳐 상당히 향상된 레이저 펄스 품질의 결과를 초래한다. 또한, 더 나은 방전 형상은 바로 후속의 펄스 동안 방전 영역내로 다시 반사하는 하나의 펄스로부터의 반사된 음파에 기인한 챔버내의 음향 방해의 악영향을 최소화한다.

본원발명의 실시예는 감소된 번-인 시간 연장된 동작 수명 및 향상된 레이저 빔 품질 및 빔 안정성을 제공한다.

도 1은 종래기술 가스 방전 레이저의 챔버의 횡단면도,

도 2는 종래기술 레이저의 다른 형상도,

도 3은 종래기술 가스 방전 레이저의 펄스 전력 시스템의 주요 형상도,

도 4A 및 도 4B는 도 3의 펄스 전력 시스템에서의 전기 펄스의 형상도,

도 5는 종래기술 애노드의 횡단면도,

도 6, 6A, 7A-7E, 9, 및 10A는 바람직한 애노드의 횡단면도이고,
도 6B는 다공성 절연층의 피처를 도시한다.
도 6C는 향상된 전극 성능을 도시한다.
도 6D는 본 발명에 따른 방전기 시프트 방지를 도시한다.
도 6E는 방전 시프트의 수평 프로파일을 비교한다.
도 7F는 전극 구성을 도시한다.
도 7G는 전극의 길이에 따라 변하는 방전 폭을 제공하기 위한 형상의 전극을 도시한다.

도 8A 및 도 8B는 본원발명의 바람직한 실시예도,

도 10B는 도 10A의 애노드의 상부도,

도 11은 전류 리턴-애노드 유닛을 도시한 도,

도 12A 및 12B는 공기역학적으로 설계된 챔버의 횡단면도,

도 13A, 13B, 13C, 및 14는 플라즈마 전극도,

도 15는 플라즈마 전극도,

도 16A 및 도 16B는 종래기술 전극과 바람직한 실시예의 비교도,

도 17은 더 나은 전치-전리를 위한 향상된 전극 구성도, 및

도 18은 애노드 부식을 일으키는 불소를 감소시키기 위한 기술을 도시한 도.

본원발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 설명된다.

펄스 전원 시스템

가스 방전 레이저에서 전기 방전을 발생시키도록 펄스 전력을 제공하는 전기 회로(8)의 주요 컴포넌트가 도 3에 도시되어 있다. 펄스 전력 시스템은 표준 208 볼트 3상 전원으로부터 동작한다. 정류기(22), 인버터(24), 변압기(26), 및 정류기(30)를 사용하는 전원은 레이저 제어 프로세서(도시되지 않음)에 의해 지시받은 데로 대략 500 내지 1200 볼트 사이의 전압 레벨로 충전 커패시터(C₀; 42)를 충전한다. 레이저 제어 프로세서는 C₀상의 에너지가 펄스 전력 시스템의 팔로워-온 부분으로 방전되게 하는 펄스가 소망될 때 IGBT 스위치(46)의 닫음을 지시한다. C₀상의 전하는 인덕터(48)를 통하여 커패시터 뱅크(C₁; 52)로 그후 가포화 인덕터(54)를 통하여 그리고 전압 변압기(56)를 통하여 커패시터 뱅크(C_p-1; 62)로 그후 가포화 인덕터(64)를 통하여 피킹 커패시터 뱅크(C_p; 82)로 연속적으로 전달된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 피킹 커패시터 뱅크(C_p)는 전극(84 및 83)과 병렬로 전기적으로 접속되어 있다. 스위치(42)를 닫은 때로부터 그후의 9 마이크로초 동안의 시간의 함수로서 커패시터 뱅크(C₀, C₁, C_p-1, 및 C_p)상의 전위가 도 4A에 도시되어 있다. 도 4B에는 방전 직전 및 직후의 800ns 시간 슬라이스가 도시되어 있다. 피킹 커패시터 뱅크(C_p; 82)는 방전 직전에 대략 -15,000V로 충전됨을 주목하라. 방전은 대략 30ns 지속된다. 방전 동안, 전자는 우선 상부 전극, 캐소드(84)로부터 하부 접지 전극, 애노드(83)로 흐른다. 전류 "오버슈트"는, 도 4B에 도시된 바와 같이, Cp를 대략 +6,000V의 양의 값으로 충전하고, 그때 전자의 아랫방향으로의 흐름은 역으로 되고, 그후 전자는 방전의 마지막 대략 15ns 동안 하부 접지 전극으로부터 상부 전극으로 흐른다.

새로운 전극

도 1에 도시된 유형의 새롭게 제조된 종래 황동 전극의 표면은 매우 매끈하다. 그러나, 고전력 현미경으로 보면, 실제로 표면은 리지와 밸리가 교대하여 대략 1 내지 2 미크론만큼 이격된 길이방향의 로우로 전극의 길이를 따라 이루어져 있고, 밸리의 바닥은 리지의 최상부보다 대략 1 내지 2 미크론 더 낮다. 현미경하에서의 표면은 머신잉 동작으로부터 기인한 길고 좁은 플라우잉된(plowed) 필드로 보인다.

전극 번 인(burn in)

새로운 레이저 시스템을 어셈블링하거나 레이저 챔버를 리빌딩할 때 전형적인 종래기술의 관행은 챔버가 대략 500 밀리언 펄스 동안 동작되는 "번 인" 페이즈에 챔버를 놓는 것이다. 2000Hz에서 이것은 대략 72시간을 필요로 한다. 이러한 기간 동안, 각각의 전극의 방전 표면에는 실질적인 스퍼터링이 발생한다. 각각의 전극상에서 방전 표면은 대략 3.5mm의 폭 및 대략 545mm의 길이이다. 전극의 방전 표면상에 발생하는 스퍼터링 및 전극 사이의 방전은 표면의 방전 부분의 전극 표면을 실질적으로 바꾼다. "플라우잉된 로우"는 "번 인" 후에는 더 이상 뚜렷하지 않고, 전형적으로 대략 5 미크론 깊이 및 대략 3 내지 10 미크론 폭의 비교적 랜덤하게 이격된 얕은 얼룩 자국으로 대부분 바뀐다. 이들 얼룩 형상의 자국 또는 구멍은 캐소드상에서 함께 가까이 (또는 다소 중첩하여) 이격되어 있다. 전형적으로, 그들은 애노드상에서 다소 더 멀리 떨어져 있어서, 애노드에서와 비교할 때 캐소드상에서는 면적 당 대략 4배가 존재한다.

부식

본원인은 전극 부식이 2개의 전극 모두에서 일어나지만 접지 전극(애노드; 83)의 부식률이 음의 고전압 전극(캐소드; 84)의 부식률의 대략 4배라는 것을 알아내었다. 플래시램프 등 전극 부식이 문제되는 거의 모든 다른 가스 방전 디바이스에 있어서, 부식의 대부분이 일어나는 곳은 캐소드이다. 애노드 부식은 통상적인 것이 아니다. 황동 전극으로 레이저를 동작함으로써 애노드의 부분에 불화금속의 절연층이 매우 서서히 형성될 수 있다. 본원인은 불화물 형성의 정도가 황동 애노드의 납 함유량과 관련된다는 것을 알아내었다. 예를 들어, 1% 미만의 납을 갖는 C26,000 황동으로 이루어진 애노드는 상당한 불화물 층을 생성하지는 않는다. 그러나, 3~4%의 납 함유량을 갖는 C36,000 황동으로 이루어진 애노드는 대략 100~200 미크론의 두께로 전체 방전 표면을 덮는 비교적 균일한 불화물 층을 생성한다. 불화물 층에 의해 덮힌 영역에 있어서, 방전 전류는 대략 20~150 미크론 직경의 대략 원형의 횡단면을 갖는 경향이 있는 아주 작은 홀을 통하여 흐른다. 특히 덮히지 않은 표면 면적이 감소하면 불화물 층에 의해 덮힌 표면은 실질적으로 더 이상 부식되지 않지만, 불화물 층이 균일하지 않으면 부식률은 덮히지 않은 방전 표면상에서 증가된다. 아주 작은 홀의 위치에서 덮힌 표면상에 약간의 부식이 있을 듯 하지만, 이러한 부식은 크기의 적어도 1차, 및 2차도 비금속의 크기 미만이다.

부식률

본원발명의 실시예에 있어서, 전극은 서로 다른 부식률을 갖는 2개의 다른 재료로 이루어져 있다. 상대적으로 더 낮은 부식률 재료는 대략 3.5mm×545mm 등의 길고 얇은 표면인 전극의 방전 표면의 위치에 위치된다. 더 높은 부식률 재료 는 방전 영역의 더 긴 사이드의 양쪽을 따라 위치된다.

본원 명세서 및 청구항에 있어서 본원인이 특정 전극에 사용되는 2개의 재료의 부식률을 비교할 때, 그 비교는 재료가 전계 및 전류 등 동등한 조건에 놓이게 된다는 것에 기초하고 있다. 낮은 부식 재료가 더 낮은 부식 재료보다 더 높은 전계 및 방전 전류에 놓이게 되면, 특정 시간 동안의 실제 부식률은 더 높은 부식 재료보다 더 낮은 부식 재료에 대하여 더 높을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러나, 여기서 설명된 전극 설계에 대해서는, 더 낮은 부식 재료의 임의의 그러한 더 큰 부식은 주위의 더 높은 부식률 재료의 전계에 비해 더 낮은 부식률 재료의 영역에서 전계를 약간 감소시킨다.

그러나, 소망의 전계 패턴으로부터 주위의 더 높은 부식률 재료를 향한 전계 패턴의 임의의 시프트는 주위 재료의 부식률을 증가시켜 소망의 전계 패턴을 회복시키려 할 것이다. 따라서, 여기서 설명된 전극 설계에 대해서 실질적인 부식은 전계 패턴 및 방전 전류 프로파일의 임의의 실질적인 변동없이 수많은 펄스 이후에 일어날 수 있다.

스퍼터링된 금속 이온

우수한 레이저 활성 매질을 생성하기 위해서, 균일한 방전 플라즈마가 전극 사이에 생성되어야 한다. 처음에 전극 사이의 갭에서의 가스는 도 1에 도시된 전치-전리기(12)로 전치-전리된다. 전극에 전압이 형성될 때 이온 스퍼터링은 전극 표면에 가까운 영역에 플라즈마를 발생시킨다. 전극으로부터 스퍼터링된 금속 원자는 대부분 기체 상태이고 금속 원자의 상당한 부분은 전리되어 캐소드의 표면에 바로 인접하여 양이온 캐소드 "강하(fall)" 영역을 형성하는 것을 돕고 극도로 큰 전계를 생성하여 캐소드로부터의 전자의 흐름에 기여하고 또한 전자를 가속시켜 캐소드를 떠나게 한다. 이러한 프로세스는 각각의 펄스의 제1 부분동안 캐소드(84)에 우선 적용된다. 그러나, 도 4B에 도시된 바와 같이, 전극의 극성은 펄스의 대략 중간쯤에서 스위칭하기 때문에, 이러한 효과는 애노드(83)에서도 일어나 그때 캐소드(즉, 음의 전극)로서 기능한다. 펄스동안 및 펄스 이후에 금속 이온은 급속하게 변동하는 전계 조건에 따라 전극으로 다시 끌려갈 수 있지만, 분사된 전극 재료의 일부는 가스 흐름 경계 층 너머로 이송되기 때문에 레이저 가스를 순환시킴으로써 다수의 이온이 날려간다. 본원인은 애노드로부터 구리의 실질적인 스퍼터링은 애노드가 양의 고전압으로 충전될 때 각각의 방전의 제1 부분동안 음의 불소 이온에 의해 발생된다는 것을 알아내었다.

황동 전극상의 불화물 층

본원인은 100억 내지 130억 펄스 이상으로 전극 수명을 향상시키려는 시도로 다양한 전극 재료의 광범위한 시험을 수행하였다. 황동 전극에 대해서, 애노드의 방전 표면에서의 부식은 통상적으로 전극 수명을 제한하는 주요한 것이다. 부식은 전극을 그 최적 형상으로부터 변경시켜서 레이저 빔 품질에 악영향을 미친다. 이들 황동 전극에 대한 본원인의 시험은 애노드의 방전 표면상에 균일하고 안정한 불화물 층을 생성하는 재료가 사용될 때 가장 긴 수명이 획득될 수 있다는 것을 보여준다. 구체적으로, 일실시예에 있어서, C36,000 황동(61.5% 구리, 35.5% 아연, 및 3% 납)으로 이루어진 애노드는 레이저 성능의 저하없이 130억 펄스를 발생시켰다. 이들 전극에 유용한 전형적인 동작 수명은 대략 50억 내지 60억 펄스이다. 130억 펄스 후에 그 애노드를 검사해보니, 대략 2cm 길이의 영역을 제외하고는 모든 방전 표면을 덮는 대략 100 미크론 두께의 불화물 층이 있었다. 이러한 덮히지 않은 영역은 심하게 부식된 캐소드의 부분과 대향하고 있었다. 이러한 심하게 부식된 영역의 캐소드의 부식이 매우 높은 전계를 생성하여 매우 고온의 방전을 발생시켜서 애노드를 연소시켜 2cm의 덮히지 않은 영역을 형성함으로써 캐소드에 대한 수명은 130억 펄스로 끝난다고 본원인은 생각하였다. 불화물 층은 대부분 구리 및 아연 불화물로 이루어지지만, 납을 포함하는 애노드와는 다른 물질을 함유하는 듯 하다. 본원인은 층의 전기 저항을 측정함으로써 휴대용 옴미터에서 무한대를 나타내는 고도로 절연성의 저항 측정결과를 확인하였다.

절연층은 애노드의 금속 표면에 토대를 둔 대략 20~150 미크론의 폭을 갖는 수천개의 아주 작은 홀을 포함한다. 홀은 애노드의 방전 표면상에 제곱 mm 당 대략 20~30 홀로 이격되어 있다. 3.5mm×545mm 방전 표면의 홀의 전체 수는 대략 50,000개인 것으로 본원인에 의해 추정되었고, 홀은 방전 표면 면적의 대략 5% 내지 10%를 나타낸다. 방전 면적의 다른 90% 내지 95%는 음의 전자 표면 전하의 급속한 축적으로 인해 음으로 충전된 불소 이온에 반발할 수 있는 절연성의 유전체 재료로 이루어져 있다.

본원인은 C26,000 황동(69.7% 구리, 29.6% 아연, 및 0.7% 미만의 납) 등 여러 다른 유형의 황동에 대하여 시험을 수행하여, 일반적으로 낮은 납 황동은 애노드의 방전 영역에 상당한 불화물 층을 생성하지는 않는다고 판단하였다. 본원인의 결론은 애노드상에 안정된 불화물 층을 생성하기 위해서는 1% 초과의 납 농도가 필요하다는 것이다.

제1 바람직한 실시예

본원발명의 제1 바람직한 실시예는 도 6에 도시된 횡단면을 갖는 기다란 애노드를 구비한 KrF, ArF, 또는 F₂ 등의 가스 방전 레이저이다. 애노드는 2개 유형의 황동으로 이루어지고, C26,000 황동(1%미만의 납 함유량)의 애노드(83)의 본체(40)는 600mm 길이이다. 이러한 애노드는 이들 가스 방전 레이저에서 광범위하게 사용되어 오던 종래기술 애노드의 수정 버전이다. 종래기술 애노드(83)는 도 5에 도시된 바와 같은 횡단면을 갖는다. 바닥에서의 폭은 1.2인치이다. 중심 선단으로의 높이는 0.380인치이다. 선단은 0.5인치의 반경을 갖는다. 바닥 표면으로부터의 숄더 높이는 0.13인치이다. 슬랜팅된(slanted) 사이드는 바닥 표면에 대하여 27.67도 기울어진 평탄면이다. 본원인은 많은 레이저 동작년수에 대하여 이러한 일반적인 애노드 형상이 매우 우수한 레이저 가스 흐름 호환성과 함께 우수한 전계 속성 및 우수한 방전 성능을 창출함을 증명하였다. 도 6에 도시된 향상된 전극에 있어서, 트렌치-형상의 캐비티가 애노드(83)의 상부 표면을 절단하여 형성된다. 캐비티는 길이가 545mm이고, 상부에서 폭이 3mm이고, 깊이가 2.5mm이고, 바닥에서 폭이 1.7mm이다. 캐비티는 C36,000 황동(대략 3~4%의 납 함유량)으로 이루어진 제2 황동부(42)로 채워지는데, 제2 황동부는 절단되어 캐비티에 정확하게 맞춰지고 대략 0.2mm만큼 표면 위로 뻗어있다. 제2 황동부는 Pb/Sn 솔더로 캐비티내에 본딩될 수 있다.

애노드는 도 1에 도시된 것과 같은 레이저내에 설치되고, 레이저 가스는, 예를 들어, 1%의 크립톤, 0.1%의 F₂, 및 나머지는 네온으로 이루어진다. 불화구리, 불화아연, 및 불화납을 포함하는 다공성 불화물 층은 대략 500 밀리언 펄스동안의 레이저 동작에 의해 도 6에 도시된 제2 황동부(42)의 상부 표면에 생성된다. 초 당 2000 펄스에서 이것은 대략 3일을 필요로 한다. 전개된 이러한 다공성 절연층은 방전 표면의 부식을 지연시켜 수십억의 방전 동안 애노드를 매우 우수한 형상으로 유지시킨다.

불화납 층의 대략 1,855 제곱 밀리미터 면적(3.5mm×530mm)에 전개된 대략 50,000개의 작은 홀을 통하여 전자는 용이하게 흐른다. 한편, 전자보다 훨씬 더 무거운 개개의 불소 이온은 스퍼터링을 일으키는 충분한 에너지를 갖는 하단의 황동으로 홀을 통과하여 갈 가능성이 적다. 본원발명의 모발명 중 하나에 있어서, 출원인은 본원발명이 애노드 수명을 적어도 2배 또는 3배 늘려 애노드 부식이 더 이상 레이저 챔버 수명을 제한하지는 않을 것이라고 추정하였다. 본원인의 후속의 증명 시험은 이들 예측을 뒷받침하였다. 전극 시험에 이용가능한 레이저는 초 당 대략 2500 펄스만을 발생시키기 때문에 이들 시험은 매우 시간이 걸리는 것이다. 초 당 2500 펄스로 130억 펄스를 축적하기 위해서는 대략 60일의 시험 기간이 필요하다. 본원의 출원에 관하여, 도 6에 도시된 이러한 초기 형상을 갖는 애노드를 구비한 레이저 챔버는 검사를 위해 제거했을 당시 레이저 펄스 품질의 상당한 저하 없이 135억 펄스 이상을 축적하였다. 도 1에 도시된 바와 같은 종래기술의 전극을 구비한 종래기술의 챔버의 에이징은 레이저 효율을 감소시키고, 일관된 펄스 에너지 출력을 유지시키기 위해서는 레이저 가스내의 불소 농도의 점진적인 증가 또는 정상 방전 전압의 증가를 필요로 한다. 통상적으로는, 최적 빔 품질을 위한 F₂ 농도를 설정하고 동작 전압을 증가시켜 감소된 레이저 효율을 보상한다. 레이저 빔 품질이 허용 레벨 이하로 악화될 때 또는 불소 농도 및 방전 전압이 설계 한계에 도달할 때 챔버 수명은 끝난다.

도 6C은 도 6의 제1 원형 애노드에 대한 시험 챔버 수명에 대하여 챔버 수명의 함수로서 전원 전압(대략 방전 전압에 비례함)을 도시한 챠트이다. 또한, 도 6C에는 도 1에 도시된 유형의 종래기술 전극을 구비한 마찬가지의 챔버에 대한 유사한 그래프가 도시되어 있다. 도 6C에 나타내어진 바와 같이, 도 6의 원형의 수명은 불소 기반 종래기술 애노드의 예상 수명을 이미 2배 이상으로 늘렸고, 이러한 설계의 애노드는 적어도 대략 200억 펄스까지 계속하여 우수한 성능을 발휘할 수 있는 것으로 본원인은 예상한다. 도 6C 챠트에서 명백한 효율성의 감소는 애노드 이외 부분의 악화의 효과를 포함하기 때문에, 애노드 자체의 유용 수명은 200억 펄스를 훨씬 초과할 수 있는 것으로 본원인은 예상한다. 수명이 끝난 챔버로부터 취해진 애노드를 새로운 챔버에서 재활용하는 것도 문제되지 않는다.

상기 전극의 수명 시험 동안, 본원인은 그것을 상세하게 검사할 수 없었다. 그러나, 본원인은 LNP를 제거하고 챔버 윈도우를 통하여 전극을 봄으로써 전극을 주기적으로 관찰하였다. 전극은 전극이 2,500Hz로 방전하고 있는동안 관찰될 수 있다. 가시광은 투과시키고 자외선광은 투과시키지 않는 실드는 본원인의 눈을 보호한다. 본원인은 방전을 "아름답다"라고 설명하였고, 130억 펄스 이후에도 방전은 완벽하다. 방전 표면은 대략 500 밀리언 펄스에서 다공성 불화물 층의 초기 형성 이후에 기본적으로 불변이다. C26000 황동부에서 매우 얕은 트렌치가 도 6A에 도시된 바와 같이 사이딩된다. 파트(42)의 표면상에 형성된 보호성 다공성 불화물 코팅은 도 6A에서 42A로 도시되어 있다. 애노드의 파트(40)에는 절연층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 방전이 파트(40)까지 뻗게 되면, 방전은 파트(40)의 에지에서 트렌치를 부식시켜 그 영역으로부터의 방전을 중지시킬 것이다. 따라서, 방전은 애노드의 파트(42) 부분으로 제한된다.

도 6B는 상기 상세하게 논의된 원형 애노드의 방전 표면의 단면을 도시하는 사진의 사본이다. 애노드가 챔버로부터 제거된 직후에 찍은 사진이다. 다공성 불화물 절연 표면으로 덮힌 3.5mm 폭의 방전 표면이 사진에 나타나 있다. 또한, 2개의 솔더가 사진에 명확하게 보인다. 사진은 전극의 하류측 파트1상에 불화물 재료가 일부 축적된 것을 보여준다. 이러한 축적은 매우 얇아 전극 성능에 전혀 영향이 없다. 도 6D는 본 발명에 따른 방전기 시프트 방지를 도시한다. 도 6E는 방전 시프트의 수평 프로파일을 비교한다.

납의 중요성

본원인은 애노드의 방전 표면에 우수한 안정된 다공성 불화물 층을 생성하는데에는 구리 기재의 전극 재료내의 납의 함유량이 소량인 것이 상당히 이롭다는 것을 증명하였다. C36000 황동은 구리-아연 및 분리된 순수 납 클러스터의 알파 및 베타 상을 포함하는 3상 합금이다. 표면상의 납 원자는 레이저 가스의 불소와 접촉한 결과로서 불화물을 형성한다. 본원인은 불화납 클러스터는 구리 및 아연 불화물이 축적되는 핵화 사이트를 형성한다고 생각하였다. 불화납은 극도로 안정된 화합물이고, 불화구리 및 불화아연보다 훨씬 더 안정하다. 본원인은 수천개의 작은 대략 원형의 홀이 전개되어 존재하는 이유에 대하여 명쾌한 설명을 갖고 있지는 않지만, 명확한 것은 그것들이 수십억의 펄스의 각각에서 그것들을 통하여 대략 2.5J의 전기 에너지가 흐르게 하고 애노드 부식을 상당히 감소시킨다는 것이다.

본원인은 대략 3~4%의 납 함유량에 대하여 탁월한 성능이 성취될 수 있음을 보여주었다. 1%미만의 납 함유량은 안정된 불화물 층을 생성하지 않는다. 본원인은 대략 8%까지의 납 함유량에 대하여 우수한 결과를 예상하지만, 이러한 경우에 대해서 예상을 확인하기 위한 좋은 시험 데이터는 갖고 있지 않다.

제2 바람직한 실시예

본원발명의 제2 바람직한 실시예에 있어서, 애노드는 상기된 바와 같고, 캐소드는 마찬가지로 2개의 재료로 이루어져 있는데, 제1 캐소드 재료는 소망의 캐소드 방전 영역에 위치결정되고 낮은 캐소드 부식률을 갖고, 제2 캐소드 재료는 제1 캐소드 재료의 2개의 긴 사이드를 따라 위치결정되고 상대적으로 더 높은 캐소드 부식률을 갖는다. 황동 전극에 대한 수년간의 실험을 통하여 본원인은 불소 함유 가스 방전 레이저에서 캐소드 전극으로서 사용될 때 C36000 황동이 C26000 황동보다 대략 2배 빠르게 부식한다고 판단하였다. 본 실시예에서의 캐소드 및 애노드의 횡단면이 도 7C 및 도 7D에 각각 도시되어 있다. 이것은 본원인 및 그 동료에 의 해 설계 및 제조된 레이저 챔버에서 미리 초기화된 도 7A 및 도 7B에 도시된 단일 재료 캐소드 및 애노드 설계와 비교된다.

캐소드에서 소망의 캐소드 방전 영역에 위치된 제1 재료(90)는 C26000 황동이고, 제2 재료(92)는 전극의 나머지를 구성한다. 캐소드로서 사용될 때 이들 황동의 어느 것도 상기 다공성 절연층을 형성하지 않는다. 그러나, C26000 황동은 C36000 황동의 부식률의 대략 절반의 비율로 부식한다. 따라서, 캐소드의 C36000 부분으로 스프레딩하는 방전의 임의의 경향은 스프레드 영역의 C36000 황동을 급속하게 부식시켜 스프레드를 정지시킬 것이다. 상기된 바와 같이, 애노드에 대해서는, 방전 영역의 위치에 있는 제1 재료(42)는 C36000 황동이고 애노드의 나머지(40)는 C26000 황동이다.

어닐링에서의 변분

실험을 통하여 본원인은 황동 전극 재료의 어닐링은 캐소드 부식률에 실질적으로 영향을 미친다고 판단하였다. 일반적으로, 부식률은 큰 범위의 입자 크기에 대하여 입자 크기에 대체로 반비례한다는 것을 본원인은 발견하였다. 어닐링은 입자 크기를 감소시키기 때문에, 재료를 어닐링함으로써 캐소드 부식은 감소될 수 있다. 따라서, 대안의 캐소드 설계는 제1 재료(90)로서 어닐링된 황동을 제2 재료(92)로서 어닐링되지 않은 황동을 이용하는 것이다. 바람직하게는, 예를 들어, 제1 재료에 대해서는 54 미크론 제2 재료에 대해서는 13 미크론 등 제2 재료의 입자 크기를 제1 재료의 입자 크기의 대략 4분의 1로 감소시키기 위해서 충분한 어닐링이 제공되어야 한다.

방전 표면상의 애노다이징된 층

제2 바람직한 실시예의 애노드의 횡단면이 도 7에 도시되어 있다. 애노드 전에 종래기술 애노드의 방전 표면에 걸쳐 놓이는 것과 같은 절연 재료(46)의 다공성 층이 레이저 챔버에 어셈블링된다. 애노드의 베이스(44)는 1%미만의 납을 함유한 C26000 황동이다. 따라서, 상기한 바와 같이, 제한 다공성 층(46) 너머로 뻗는 임의의 방전에 의하여 어떠한 절연층도 생성되지 않을 것이고 실제로 그 영역으로 뻗는 임의의 방전은 C26000 황동을 부식시켜 그 영역에서의 방전을 종료시키고 다공성 절연 표면(46)으로 방전을 한정하려 할 것이다. 바람직한 다공성 절연 표면은 다음의 2개의 실시예에 관하여 논의되는 것과 같은 애노다이징 프로세스를 사용하여 제공될 수 있다.

다공성 산화물은 애노다이제이션이라 불리는 프로세스에서 알루미늄상에 성장된다. 고순도 알루미늄 포일은 황동 전극상에 마운팅된다. 황동 전극은 전기화학 셀에서 애노드로 역할한다. 일반적으로, 애노다이제이션의 목적은 애노드상에 균일한 보호 알루미나 필름을 생성하는 것이다. 적합한 전해질 및 작동 전압을 사용하여, 에칭은 자가 조직된 다공성 구조를 생성한다. 10 내지 수백 미크론 직경의 홀은 애노다이제이션 프로세스의 파라미터를 변화시킴으로써 생성될 수 있다. 층의 두께는 수백 미크론까지일 수 있지만, 대략 100~1000 미크론의 두께가 본원발명에 바람직하다. 이러한 층은 도 7E에 도시된 바와 같이 층(46)으로 응용될 수 있다. 대안의 접근법은 전극 기재로 황동 대신에 알루미늄을 이용하는 것이다.

애노다이징된 스트립에 대한 텍스트 결과

황동 전극상의 애노다이징된 알루미나에 대한 본원인의 실험은 F₂ 가스로 고전압 방전되는 환경에서 애노다이징된 알루미늄의 산소는 C36000 황동 전극상에 형성되는 다공성 층과 마찬가지로 불화물 레이저에 의해 대체된다. 따라서, 본원인은 이러한 애노다이징된 알루미늄 표면은 우수하고 매우 긴 수명의 방전 표면 재료를 생성하여야 한다고 생각한다. 바람직하게는 3.5mm 폭 방전 영역의 양쪽 사이드의 재료는 소망의 3.5mm 방전 영역이 넓어지려는 임의의 시도시 그것이 부식하도록 애노다이징되지 않아야 한다. 레이저의 애노드로서 미가공 알루미늄은 C26000 황동 애노드보다 대략 2배 빠르게 부식하는 것으로 본원인에 의해 알려져 있기 때문에, 애노다이징된 3.5mm 폭 스트립으로 처리되는 알루미늄 전극은 우수하고 매우 저렴한 애노드가 된다.

C36000 황동 삽입물상의 다공성 알루미나

도 9에 도시된 바와 같은 제3 바람직한 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 C36000 황동인 파트(42)의 상부 표면(44)은 C26000 황동인 파트(40)의 캐비티내로 파트(42)가 솔더링되기 전에 다공성 알루미나로 코팅된다. 이러한 실시예에 있어서, C36000 황동은 다공성 알루미나가 부식되어 버리면 섹션에 보호성 불화물 층을 형성할 것이다.

플라즈마 스프레잉된 복합 코팅

또다른 바람직한 실시예에 있어서, 보호성 코팅은 방전의 영역에서 애노드상에 스프레잉된다. 바람직한 기술은 알루미나 코팅을 제공하는 표준 스프레이 토치(Hobart Torch, Inc.로부터 이용가능)를 사용하는 것이다. 도전성 금속 파티클은 99%의 알루미나와 혼합되는 것이 바람직하다. 금속의 %비율은 5%와 50% 사이인 것이 바람직하다. 대략 25%가 추천된다. 금속 분말은 Cu, Ni, Al, PA, 또는 Mg일 수 있다. 또한, 이러한 기술은 캐소드의 방전 표면을 코팅하는데 사용될 수 있다. 바람직한 베이스 전극 재료는 C36000 또는 C26000 황동이다.

또다른 기술은 종래기술 황동 전극의 방전 표면을 텍스처링하고, 그후 알루미나 등의 절연 코팅으로 표면을 플라즈마 스프레잉하고, 그후 코팅을 충분히 연삭하여 하단 황동의 높은 부분을 노출시키는 것이다. 텍스처링은 머신, 널(knurl), 또는 연마 블래스트에 의할 수 있다. 코팅은 CVD, Al₂O₃, AIN, MgO, MgF, 또는 CaF일 수 있다.

아주 작은 절연 파티클

제4 바람직한 실시예에 있어서, 대략 100~300 미크론 크기의 모래 입자 형상의 아주 작은 절연 파티클(66)은 도 10A 및 도 10B에 도시된 횡단면 형상을 갖는 종래기술 황동 전극의 방전 표면으로 브레이징된다(braised). 이러한 실시예에 있어서, 방전 폭은 3.5mm이다. 바람직하게는, 애노드의 단면의 상부도가 도시된 도 10B에 나타내어진 바와 같이 방전 표면의 표면적의 대략 95% 커버의 표면적의 대략 95%를 파티클이 덮는다.

마찬가지의 실시예에 있어서, Al₂O₃ 등의 아주 작은 절연 파티클은 C26000 황동 등의 용융 황동과 혼합되고, 혼합물은 도 6에 도시된 바와 같은 파트(42)의 형 상으로 몰딩된다. 그후 결과적인 파트는 머신잉되어 도 6에 도시된 바와 같은 파트(40) 등의 파트내로 정확하게 맞춰진다. 바람직하게는, 파티클 크기는 20~150 미크론이고, 파티클은 혼합물 체적의 대략 80~90%를 구성해야 한다. 몇일의 동작 후에, 표면 황동은 스퍼터링되어 절연체층을 표면에 남기지만 재료는 표면 아래에서 계속 도전성일 것이다. 도 8A 및 도 8B는 표면 황동이 스퍼터링된 후의 전극 표면을 도시하는 도면이다. 파티클은 황동의 녹는점에서 안정적이고 불소의 화학 반응에 견디는 재료로 되어야 한다. Al₂O₃, CaF₂, 및 MgF₂가 좋은 선택이다. 도 8A에 도시된 복합물은 핫 또는 콜드 프레싱 등의 분말 야금 기술을 사용하여 형성될 수도 있다.

다른 불화물 층

상기한 바와 같이, 본원인은 놀랄만한 방전 레이저 수명 연장을 제공하는 애노드(C26000 황동 및 C36000 황동 방전 삽입물)를 제조하였다. 이러한 실시예는 애노드 수명을 증가시켜 더이상 챔버 수명의 원인이 되지 않는다. 이제 블로워 베어링 등의 다른 컴포넌트가 챔버 수명을 결정한다. 이들 다른 컴포넌트가 장차 그 수명이 연장되도록 향상되는 경우에, 애노드 수명도 더 향상되게 될 수 있다. 향상된 수명의 유일한 실제 증명은 값비싼 레이저를 수개월 동작시킬 필요가 있는 수명 시험이기 때문에, 전극 설계에서의 변동이 수명을 향상시키는지를 확인하는 것은 어렵고 비용이 많이 드는 일이다.

출원인은 C26000 및 C36000의 조합 이외에 상기된 것보다 더 우수한 애노드 를 생산할 합금이 존재할 가능성이 있다고 생각한다. 또한, 전극이 사용될 레이저용 동작 가스 혼합물 대신에 다른 가스 혼합물로 더 다공성인 절연층을 생성하는 것도 가능하다. 따라서, 본원발명의 실시예는 가스 방전 레이저 전극상에 패시베이션 층을 생성하는 특수한 기술이다.

전극 패시베이션 층 기술

본원발명의 제5 바람직한 실시예는 전극 패시베이션을 위한 특수 챔버의 구성을 필요로 한다. 바람직하게는, 이러한 챔버는 패시피케이션 층을 갖는 전극을 제조하기 위해 특수하게 개조된 사용 또는 수정 레이저 챔버일 수 있다. 대안으로, 대형 챔버에는 수개의 전극을 동시에 패시베이팅하는 퍼실리티가 구비될 수 있다. 상기된 것보다 더 나은 합금의 조합이 존재하는지를 결정하기 위해서, 엘리먼트의 다양한 조합의 합금에 대하여 실험되어야 한다. 예를 들어, 구리, 아연, 및 납의 농도가 다양한 황동 합금 조합이 시험되어야 한다. 주석 등의 다른 엘리먼트가 시험되어야 한다. 일실시예에 있어서, 다른 합금 조합을 각각 갖는 수개의 세그먼트를 갖는 단일 전극은 어느것이 최상의 패시피케이션 층을 생성하는지를 결정하기 위해 시험될 수 있다. 전극의 조성, 미세구조(Pb 세그리게이션), 챔버 불소 농도, 전극 전위, 및 전류 밀도를 튜닝함으로써, 성장률, 두께, 패시베이팅 코팅의 다공률의 조작이 가능하여야 한다. 또한, 패시베이션은 그러한 주문생산 장치를 사용하여 레이저 챔버의 내부 또는 외부에서 수행될 수 있다. 과거에는, 다공성 불화물 절연층이 형성되기도 하고 형성되지 않기도 하였다. 주문 합금 조성을 생성함으로써, 실험자는 규칙적인 방식으로 불화물 층의 성장을 촉진할 수 있다. 이 것은 야금 팩터 및 재료 조성(소정의 일정 전류 조건) 모두를 튜닝함으로써 행해질 수 있다. 지금까지의 본원인의 시험 데이터는 불소 어택동안 형성된 패시베이팅 "리프(reef)"의 형성 및 결과적인 구조에 Cu, Zn, 및 Pb가 중요함을 보여주었다. 합금의 Pb 함유량을 증가시킴으로써, 리프 형성은 촉진될 수 있다. 이것은 리프의 핵화 메카니즘이라고 출원인이 생각하는, PbF₂ 성장을 위한 핵화 사이트의 수를 증가시키는 것에 기인한 것일 것이다. Zn은 불소에 의해 어태킹될 때 기상 부산물을 형성하지 않기 때문에 리프 볼륨을 증가시키는 역할을 하지만, Cu에 우선하여 불화물 처리된다. 리프의 화학분석은 리프가 대부분 Cu 및 Zn으로 이루어져 있음을 증명한다. 더 구체적으로, CuF₂, ZnF₂, 및 PbF₄의 핵화 사이트. Sn은 많은 안정된 기상 불화물을 형성하기 때문에, 모합금의 Sn 함유량을 바꿈으로써 리프 다공률(전기적 임피던스)을 튜닝할 수 있다. 또한, 리프 형성 키네틱스는 어닐링에 의하여 금속 입자 구조를 변화시킴으로써 바뀔 수 있다. 출원인은 어닐링동안 Pb가 높은 납 Cu 합금에서 세그리게이팅하여 리프를 위한 더 큰 핵화 사이트를 생성한다는 것을 보여주었다. 모재료 입자 크기, Pb 함유량, 및 패시베이팅 리프의 성장에 대한 어닐링 상태는 상호작용할 것이다. 통계적 최적화 소프트웨어 패키지를 사용함으로써, 리프 볼륨, 다공률, 및 애노드의 표면 커버리지를 패시베이팅하는 것이 최적화될 수 있다. 여기서 부식 방지 대 패시베이팅 층의 전기적 임피던스는 상반된다. 또한, 코팅을 통한 F-마이그레이션은 리프 형성의 적어도 초기 스테이지 동안 성장률을 조정하기 때문에, 이러한 임피던스는 리프의 성장에 영향을 미칠 수 있 다. 출원인은 실험에서 이를 관찰하였고, 또한, (더 높고, 더 나은) 전류 밀도는 리프 형성에 영향을 줄 것이다.

플라즈마 애노다이제이션 프로세스 변수는 다음을 포함한다:

A. Pb 함유량: 리프 두께, 핵화/커버리지, 및 형태구조(거칠기)

B. Sn 함유량: 리프 다공률

C. Zn 함유량: 리프 두께 및 형태구조

D. Cu 함유량: 리프 두께

E. 모재료 입자 크기: 리프 형태구조, 핵화/커버리지

F. 이온 전류: 더 높고 더 두꺼운 리프

G. 시스템 전압

H. 광자 생성, 불화물 생성 향상

I. F2 농도: 관계가 결정되어야 한다

J. 모금속 표면 거칠기(핵화는 흡수된 F2에 의존)

리프 형성을 촉진하는 알루미나의 사용

애노드의 방전 표면상에 퇴적된 알루미나의 패턴은 우수한 다공성 패시피케이션의 성장을 촉진한다는 것을 본원인은 보여주었다. 출원인은 알루미나가 COF₂ 층이 성장하는 핵화 사이트를 제시한다고 생각한다. 방전 표면상에 알루미나 패턴을 넣는 바람직한 기술은 다음과 같다. 구리 전극(C11000)의 (대략 3.5mm 폭의) 방전 표면은 (대략 1.5mm의) 소형의 기립 등변 평행사변형의 널 패턴을 생성하기 위해 널링된다.

그후 플라즈마 스프레이 프로세스를 사용하여 표면은 알루미나로 코팅된다. 그후 방전 표면은 아래로 연삭되어 평행사변형 패턴으로 표면의 대략 10%를 알루미나로 코팅된 채로 남기고 하단 구리의 대략 90%를 노출시킨다. 그후, 전극은 KrF 레이저에서 동작되고 대략 2일동안 동작되어(200,000,000 펄스), 우수한 다공성 불화구리층이 방전 표면에 걸쳐 형성되어서 잘 패터닝된 방전을 생성한다. 이러한 프로세스로 패시베이팅된 전극의 수명은 100억 펄스를 초과하는 극도로 긴 수명을 가질 것이라 출원인은 추정한다.

알루미나에 더하여, CaF₂ 또는 MgO 등의 다른 재료가 Al₂O₃ 대신에 사용될 수도 있다.

플라즈마 전극

도 13A, B, C 및 도 14는 절연체의 표면상의 플라즈마가 전극 방전 표면으로 역할하는 본원발명의 실시예를 증명한다. 그러한 전극은 이들 레이저 챔버에서 실제적으로 무한 수명을 나타낼 것으로 예상된다. 도 13A, B, C는 플라즈마 캐소드를 도시한다. 캐소드 유닛(84B) 및 애노드 유닛(83B) 모두는 도 7A 및 도 7B에 도시된 전극의 일반적인 형상을 갖는다. 그러나, 캐소드(84B)는 절연체(87), 바람직하게는 알루미나에 의해 분리되는 2개의 파트(84B1 및 84B2)로 긴 방향으로 나뉘어 있다. 파트(84B1)는 전형적인 방전동안 대략 24,000 볼트의 피크 전위까지로 30ns 전기 펄스를 제공하는 커패시터 뱅크(Cp1)의 고전압측에 접속되어 있다. Cp1상의 전압이 증가할 때 플라즈마 아크(코로나 방전으로도 알려져 있음)는 도 13B에 도시된 바와 같이 캐소드(84B)의 하측상에 형성될 것이고 플라즈마 아크를 통한 전자 흐름은 Cp1 커패시터의 대략 10%의 작은 커패시턴스를 갖는 커패시터 뱅크(Cp2)를 충전시킬 것이다. 캐소드(84B)상의 전위가 대략 20,000볼트 범위의 방전 전위에 도달하면, 도 13C에 도시된 바와 같이 (캐소드(84B)와 애노드(83B) 사이에서) 방전이 시작될 것이고 도 13C에 도시된 바와 같이 Cp1 및 Cp2 모두가 방전될 때까지 계속될 것이다. 이러한 실시예에 있어서, 애노드는 도 7D에 도시되고 상기된 유형의 것이다.

도 14에는 캐소드(84B) 및 애노드(83C) 모두가 플라즈마 전극으로 설계된 실시예가 도시되어 있다. 그것들은 도 7A 및 도 7B에 도시된 전극의 형상을 갖지만, 각각은 알루미나 방전 표면을 갖는다. 이러한 경우에 있어서, 펄스 변압기(56A)는 도 3의 56으로 나타내어진 것과 실질적으로 동일한 것이지만, 캐소드 파트(84B1)에 음의 고전압이 인가되고 83C1에 양의 고전압이 인가되도록 수정되어져 있다.

2개의 전극 모두의 표면에 플라즈마가 발생되고, 상기한 바와 같이, 캐소드와 애노드 사이의 방전은 2개의 전극 사이에 충분한 전위가 전개될 때 발생한다. 이들 실시예의 모두에 있어서, 전극의 표면상의 플라즈마는 전극 사이의 방전 영역을 전치-전리하기에 충분한 자외선 방사를 발생시키기 때문에 도 1의 12로 나타내어진 것과 같은 전치-전리기는 필요하지 않다. 파트(84B2 및 83C2)는 2개의 전극의 표면상에 플라즈마를 발생시키기에 충분한 자가 커패시턴스를 제공할 수 있기 때문에 특별한 커패시터 뱅크(Cp2 및 Cp3)는 필요하지 않음을 주목하라.

도 15에는 플라즈마 전극 개념의 또다른 버전이 도시되어 있다. 여기서, 캐소드(84D)는 접지되고, 애노드에는 양의 고전압 펄스가 인가된다. 절연체 파트(12B)는 애노드의 방전 영역에 위치되고 내부에 그라운드 라드(81B)를 갖는다. 각각의 전기적 펄스동안, 플라즈마는 절연체 파트(81B)의 표면상에 형성되어 전기 방전동안 캐소드의 절연체 부분으로부터 애노드로의 전자 흐름을 허용할 것이다. 절연체(12B)의 표면상에 전개되는 코로나 영역은 별개의 전치전리기가 필요없는 자외선 방사를 발생시킨다.

유전체 흐름 스페이서 및 다공성 유전체 방전 표면을 갖는 블레이드 전극

도 7F는 또다른 긴-수명 전극의 실시예를 도시한다. 이러한 경우에 있어서, 전극 구성은 둔한 블레이드(10A3)의 형상을 갖는 횡단면을 갖는 전기 도전 엘리먼트 및 도전 엘리먼트의 양측에 위치결정된 흐름-형성 유전체 스페이서(10A5)로 이루어져 있다. 블레이드 엘리먼트(10A3)의 방전 표면은 다공성 절연층으로 덮힌 것이 바람직하다. 이러한 층은 F₂ 레이저 가스에서의 방전이 존재할 때 다공성 절연층을 생성하는 재료(C36000 황동 등)를 블레이드 엘리먼트(10A3)에 대하여 선택함으로써 "적소에" 발생될 수 있다. 또는, 애노다이징 프로세스 등 상기 기술 중 하나를 사용하여 다공성 절연체 층이 블레이드 엘리먼트상에 퇴적될 수 있다. 도 7F 설계의 변형은 도 7F에서의 점선(10A3)에 의해 나타내어진 바와 같이 스페이서의 사이드를 뻗게 하는 것이다.

이러한 설계 변형에 있어서, 상대적으로 두꺼운 절연층은 금속 전극의 방전 표면상에 퇴적되고 아주 작은 많은 홀은 절연층을 통하여 도전 금속으로 층의 바로 아래 드릴링된다. 이러한 접근법은 애노드 또는 캐소드 또는 모두에 사용될 수 있다. 도 7F의 전극에 대하여, 절연 스페이서는 방전 표면의 사이드를 따라 위치하지만, 대안의 접근법은 도 1에 도시된 바와 같은 통상의 전극을 사용하여 방전 표면의 드릴 홀만을 제외한 금속 전극의 전체 표면을 코팅하는 것이다. 또다른 변형은 도 1에 도시된 일반적인 형상을 사용하지만 방전 표면상에만 절연층을 도포한 후 절연층에 아주 작은 홀을 드릴링하는 것이다. 바람직하게는, 홀은 엑시머 레이저로 드릴링된다. 인접한 코팅되지 않은 금속 표면으로 스프레딩하는 임의의 방전 시도는 인접 영역의 금속을 점진적으로 부식시켜서 스프레딩을 중지시킬 것이다. 바람직한 홀 횡단면의 주요 치수(대략 원형 홀에 대한 직경 등)는 대략 10 미크론 내지 150 미크론 등 수 미크론 범위에 있고 최상의 범위는 대략 30~80 미크론이다. 홀이 너무 크면, 불화물과 클로징업될 수 있거나, 또는, 홀을 통한 전자 흐름이 과도하게 되어 과도하게 집중된 부식 및 핫 스폿을 초래한다. 홀이 너무 작으면, 홀을 통한 전류 흐름이 불충분하다. 몇몇 경우에 있어서 대략 200 미크론 범위의 홀은 미세한 분화구-형태의 외형을 전개시켜 원치않는 과도한 불화물이 홀 둘레에 형성된다. 방전 영역에서의 바람직한 홀 스페이싱은 제곱 밀리미터 당 대략 5~50 홀이다. 홀을 구성하는 방전 영역에 대한 표면의 비율은 5~10% 정도이다.

감소된 음향 효과를 갖는 긴-수명의 전극 설계

레이저의 각각의 방전은 쇼크 웨이브를 발생시키고, 쇼크 웨이브는 대략 음속으로 레이저 가스를 통하여 진행한다. 4000Hz의 반복률에서 펄스 사이의 시간은 0.25 밀리초이다. 그때 인터발 쇼크 웨이브는 5.8cm 정도 진행한다. 본원인은 펄스 사이의 쇼크 웨이브에 의해 진행된 거리의 절반과 동일한 거리에 위치하는 가능한 반사 표면을 어느 정도 제거해야할 중요성을 발견하였다. 그 이유는 다음 방전의 30~50ns내 방전 영역으로 리턴하는 하나의 방전으로부터의 쇼크 웨이브가 결과적인 빔 품질에 악영향을 미치기 때문이다. 모든 쇼크 반사 표면을 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 따라서, 본원인은 반사 쇼크 웨이브의 악영향을 최소화하는 몇몇 기술을 발전시켰다. 하나의 기술은 레이저의 길이 방향으로 반사 쇼크 웨이브와 연관된 대칭성을 최소화하는 것이다. 이것은 레이저의 전방에서의 쇼크 웨이브가 챔버의 후방에서의 웨이브와는 다른 시간에 방전 영역으로 리턴한다는 것을 의미할 수 있다. 또다른 기술은 반사 표면이 전극의 긴 방향에 대하여 다양한 각으로 쇼크 웨이브를 분산시키도록 설계하는 것이다.

또다른 접근법은 방전 영역의 긴 방향으로 변화하는 방전 형상을 제공하는 것이다. 예를 들어, 도 7G는 애노드 및 캐소드의 제안된 방전 표면을 각각 도시한다. 화살표(7G1)는 방전 영역의 제1 위치에서의 방전 형상을 가리키고, 화살표(7G2)는 제2 방전 영역의 제2 방전 형상을 가리킨다. 따라서, 각각의 방전으로부터의 결과적인 반사 쇼크 웨이브는 시간적으로 분산될 것이고 따라서 빔 품질에 대한 영향이 감소될 것이다. 유사한 기술은 캐소드에 대하여 애노드를 약간 오프셋시켜서 대략 5~10도 등 작은 각만큼 수직으로부터 벗어난 방전을 생성하는 것이다. 이것은 또한 반사 음파의 영향을 감소시키는 효과를 갖는다.

과도한 전극 단부 부식에 대한 솔루션

출원인은 거의 모든 전극 세트에 대한 수명의 끝은 전극 세트의 어느 일단 또는 양단의 2인치를 따라 발생하는 전극 부식에 기인한 것임을 발견하였다. 과도한 부식은 애노드 및 캐소드 모두에 발생하는 것이 통상적이다. 출원인은 평균보다 과도한 부식은 전극의 단부에서 평균보다 다소 높은 전계로부터 적어도 일부 기인한 것이라 생각한다. 전극의 단부에서의 상대적으로 더 높은 부식률에 대한 합리적인 또다른 팩터는 전극 사이의 순환 가스 속도가 중심부에서보다 전극의 단부에서 다소 더 낮다는 것이다.

본원인은 이러한 상황을 치유하기 위해서 수개의 레이저 챔버 개선점을 발전시켰다. 하나의 솔루션은 전극의 단부에 부가적인 슬로프를 제공하는 것이다. 본원인의 이전 설계는 전극의 단부에서 0.75인치 반경을 이용한다. 전극의 단부로부터의 2인치 정도에서 시작하는 더 점진적인 슬로프는 단부에서의 전계를 감소시킨다.

그 문제에 대한 또다른 솔루션에 있어서는, 전극의 한쪽 또는 모두가 도 16B에 도시된 바와 같이 양단에서 터닝되어 방전 영역에서 전극 사이의 거리가 양단에 일정하게 남아있는 것이다. 일실시예에 있어서, 전극 중 하나는 도 16B에 도시된 형상을 갖고 다른 하나는 도 16A에 도시된 바와 같은 표준 형상을 갖는다. 또다른 버전에 있어서, 2개의 전극의 양단은 도 16B에 도시된 바와 같이 터닝된다. 바람직하게는, 캐소드와 애노드는 챔버의 각각의 단부에서 반대 방향으로 터닝된다. 단부 부식 문제에 대한 또다른 솔루션은 전극의 각각의 단부에서 전류 리턴 "리브(rib)" 중 하나 이상을 제거하는 것이다. 종래기술 설계에 있어서, 도 7F의 10A8로 도시된 바와 같은 (일반적인 고래수염 형상을 갖는) 전류 리턴 리브는 전극의 전체 길이를 따라 똑같이 분포된다. 하나의 종래기술 설계에 있어서, 전류 리턴 구조는 1인치 간격으로 이격된 27개의 리브를 포함하였다. 본원인은 전류 리턴 구조의 단부 영역에서의 리브(2, 3, 및 4 및 24, 25 및 26)를 잘라내었다. 이것은 방전 영역에서의 에너지 분포에 있어서 상당한 향상을 제공하고, 실질적으로 전극 수명을 증가시키는 것으로 기대된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 펄스 전력 시스템으로부터 절연체를 통하여 캐소드(84)로 전류를 도통시키는 피드스루 라드를 제거함으로써 마찬가지의 결과를 얻을 수 있다. 전형적인 종래기술 레이저에 있어서는, 캐소드의 길이를 따라 1½인치 간격으로 이격된 대략 15개의 피드스루 라드가 존재한다. 과도한 단부 부식을 감소시키는 바람직한 기술은 각각의 단부에서의 피드스루 라드의 수를 1~3만큼 감소시키는 것이다. 이들 단부 영역에서의 피드스루 라드를 감소시키는 제2 이점은 절연체와 챔버 상부벽 사이의 상이한 열 팽창으로 인하여 이들 라드와 연관된 시일이 특정 경우에 있어서 누설되려는 경향을 갖는다는 것이다.

콜드 트랩을 갖는 텅스텐 기재 전극

텅스텐은 수많은 애플리케이션에 대하여 탁월한 전극 재료로 알려져 있지만, 과거에는 불소를 함유하는 가스 방전 레이저용 전극으로서 회피되어 왔다. 그 이유는 텅스텐과 불소가 결합하여 가스(WF₆)를 형성하고 그 가스는 레이저 에너지를 흡수하기 때문이다. 또한, WF₆의 광해리는 챔버 윈도우에 텅스텐을 도금하는 결과 를 초래할 수 있다.

본원발명의 실시예는 전극에 텅스텐, 텅스텐 합금, 또는 텅스텐 복합물을 이용한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 파트(42)는 매우 낮은 부식률을 갖는 텅스텐 복합물일 수 있다. WF₆의 임의의 악영향을 회피 또는 최소화하기 위해서, 본원인은 도 1에 도시된 기본 레이저 챔버 설계에 WF₆ 정화 루프를 부가하였다. 종래기술 챔버는 불화 금속 파티클이 클리닝되는 정전 필터(도시되지 않음)를 관통하는 블로워(파트 56)의 고압측에 흐르는 적은 퍼센트의 순환 가스를 추출한다. 클리닝된 가스는 필터의 2개의 사이드로부터 레이저 챔버 윈도우 하우징의 모두로 흘러 클린 가스로 (방전 영역에 비해) 윈도우 영역을 다소 가압하여서 찌꺼기가 든 가스를 윈도우로부터 떨어져 있게 한다. 상세한 것은 여기에 참조로써 편입된 미국특허 제5,018,162호를 참조하라. 콜드 트랩은 필터 루프에 위치하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 액체 질소 온도로 냉각되는 콜드 트랩으로 필터 흐름의 적은 부분(5~10% 정도)만이 향해진다. WF₆는 17℃ 정도의 온도에서 농축되어서, 필터를 관통하는 가스 흐름의 부분으로부터 완전하게 제거된다. 바람직하게는, 히터가 콜드 트랩에 포함되어서, WF₆는 가스 대체시에 챔버로부터 기화되어 제거될 수 있다.

향상된 전치-전리기

전형적으로, 상기 유형의 가스 방전 레이저에서 사용된 종래기술의 전치-전리기는 기본적으로 튜브의 축을 따라 배치된 그라운드 라드를 갖는 하나 또는 2개의 원통형 알루미나 튜브(도 2의 예에서는 하나만이 사용됨)이다. 캐소드(84)와 접촉하여 동일 전위에 있는 심(shim)이라 불리는 얇은 가요성 도체(도시되지 않음)는 원통형 튜브의 외부 표면을 프레싱한다. 각각의 펄스의 시작 무렵 코로나 방전은 전치-전리기의 외부 표면을 따라 발생되고 자외선광을 생성하여서 방전 영역을 전치-전리함으로써 전극 사이의 일관되고 예측가능한 방전을 발생시킨다. 과거에는, 튜브의 표면과 심 사이의 불량 접촉의 문제가 있었다.

본원발명의 실시예에 있어서, Pt, Cu, Ni, 또는 An 등의 도전성 코팅은 전치-전리기 튜브의 액티브 파트의 대략 50cm 길이를 따라 얇은(1mm 정도의 폭) 라인으로 영구적으로 퇴적된다. 캐소드에 솔리드하게 접속된 가요성 도전 심은 얇은 도전성 코팅과 접촉하는 전치-전리기 튜브의 표면을 프레싱한다. 바람직하게는, 심은 2~3인치 길이 정도의 세그먼트로 세그먼팅되어서 심과 도전성 코팅 사이의 기계적 접촉을 향상시킨다.

도 17에는 캐소드(83E), 전치-전리기(12), 그라운드 라드(12A), 알루미나 튜브(12B), 도전성 레이저(12C), 가요성 도전 심(12D), 및 메인 절연체(13)를 구비한 배열이 도시되어 있다. 전치-전리기 튜브는 여기에 참조로써 편입된 미국특허 제5,771,258호에 개시된 바와 같이 3개의 위치결정 부재(도시되지 않음)에 의해 적소에 유지된다. 대안의 설계에 있어서, 도체 파트(12D)는 캐소드(83E)의 머신잉동안 캐소드(83E)의 파트로 제조되어서 캐소드(83E) 및 도제(12D)는 단일 파트이다. 심은 (특히 전치-전리기 튜브(12)와 접촉하는 에지 가까이에서) 매우 얇게 머신잉되어 다소 가요성을 갖는다. 대안으로, 도체 파트(12D)의 에지는 오목하게 머신잉되어 전치-전리기 튜브(12)의 표면과 매칭된다. 이러한 경우에 있어서, 튜브(12) 의 양측에는 가요성 힘이 인가되어 도체 파트(12D)에 압축 유지된다.

애노드-F₂로부터 실딩된 가스

긴 수명 애노드를 제공하는 본원발명의 또다른 실시예가 도 18에 도시되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 애노드는 C26000 황동 등의 다공성 신터링된 금속으로 만들어진다. KrF 레이저에 대하여, 1% Kr, 99% Ne 혼합물은 F₂ 없는 가스의 레이저에 의해 방전 표면이 항상 보호되도록 센터링된 애노드를 통하여 포싱된다. 본원인은 ¼ 미크론 정도 두께의 F₂ 클린 층이 불소 스퍼터링을 회피하기에 충분히 커야한다고 판단하였다. 소량의 크립톤 및 네온의 부가는 (1.0%의 F₂, 99%의 Kr, 및 1.0%의 Ne 등) 상대적으로 F₂가 풍부한 레이저 가스의 부가로 형성될 F₂ 농도를 감소시킬 것이지만, 현존 가스 제어가 챔버에서의 F₂ 화학적 반응을 통하여 F₂의 손실을 보상하도록 이미 이용가능하기 때문에 이것은 아무 문제도 없다.

상기 실시예에 있어서, 파트(42)는 신터링된 C36000으로 형성되고 전극의 나머지는 C26000 황동으로 형성될 수 있다. 따라서, 파트(42)의 임의의 노출 부분은 절연 불화물 레벨을 전개시켜야 한다. 이러한 설계에 가까운 대안은 도 6A에 도시된 파트(42)에 대하여 상기 다공성 신터링된 황동을 사용하는 것인데 파트(42)를 통하여 F₂ 없는 가스가 흐르게 한다.

흐름 형성

이들 가스 방전 레이저에 대하여, 다음의 연이은 펄스 이전에 방전동안 산출 된 모든 찌꺼기를 방전으로부터 제거하기에 충분한 레이저 가스 순환을 제공할 필요가 있다. 현재 제조시 레이저는 4000Hz의 펄스율로 동작하는데 이는 4mm 정도 폭의 방전 영역이 펄스 사이에서 1/4000초(0.25밀리초)동안 클리어링되어야 함을 의미한다. 이것은 적어도 16m/초(58 km/시 정도)의 전극간 가스 속도를 필요로 한다. 장차의 계획은 6000Hz~10,000Hz 레이저에 대한 것이다. 시간 당 100 킬로미터 범위의 이들 속도는 매우 공기역학적으로 설계된 방전 영역을 필요로 한다. 도 12A에는 향상된 흐름 형성을 갖는 설계가 도시되어 있는데, 방전 영역의 컴포넌트는 공기역학적 파라미터의 실질적 향상을 제공하도록 다소 수정되어 있따. 이러한 경우에 있어서, 전치-전리기(12A)는 비원통형 형상을 갖고 그라운드 라드(12A1)는 바닥 표면에서 전자 축적을 조장하도록 위치결정되어 있다. 도 12B에는 또다른 공기역학적 설계가 도시되어 있는데, 공기역학적 주요 향상을 위하여 전치-전리기가 메인 절연체에 내장되어 있다. 그라운드 라드(81B)는 메인 절연체(82)에 삽입되어 있고 전극의 전체 길이를 따라 평행하게 있다. 절연체(82)의 표면을 따라 캐소드(84A)의 베이스로부터 고에너지 전자 트래킹하고 그라운드 라드(81B)로의 도달 시도함으로써 펄스의 시작시에 전치-전리된다. 트래킹 전자 및 연관 플라즈마는 고에너지 자외선 광자를 발생시키고, 전기 펄스 사이클의 초기에 전기 방전을 조장하기 위해 방전 영역의 가스를 전리한다.

전류 리턴

또다른 바람직한 실시예에 있어서, 레이저용 전류 리턴은 도 11에 도시된 바와 같은 형상으로 제조된다. 이러한 경우에 있어서, 전류 리턴(76)의 중심부는 구 조물의 중심을 따라 매우 높은 전계를 발생시키도록 종래기술 애노드의 횡단면과 마찬가지의 횡단면을 갖는다. 이러한 매우 높은 전계는 3.5mm 정도의 폭의 방전 영역을 형성하는 대략 3.5mm의 폭이고 전계는 방전 영역의 양측에서 매우 첨예하게 감소한다. 다공성 절연층(78)이 생성되어 방전 영역을 덮는다. 이러한 층은 상기 기술 중 임의의 것을 사용하여 형성된다. 예를 들어, 전류 리턴은 도 6A에 도시된 바와 같은 방전 영역에 C36000 삽입물을 갖는 C26000 황동으로부터 머신잉될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 전류 리턴은 양측에 대략 40개의 고래수염 형상의 구조(80)를 갖는다. 전류 리턴의 상부는 챔버의 상부에 볼트결합되고 전극 부분은 스티프 전극 지지대에 볼트결합된다. 본원발명의 다른 실시예에서와 같이 전류 리턴 재료는 3.5mm 폭의 방전 표면의 양측의 재료가 방전 표면을 형성하는 재료보다 더 빨리 부식하는 재료이도록 선택된다.

캐소드 방전 표면에 대한 다공성 코팅

지금까지는, 애노드가 캐소드보다 4배 빨리 부식되기 때문에, 이들 가스 방전 레이저에서의 캐소드 부식은 문제로 생각하지 않았다. 바람직한 실시예에 있어서, 캐소드 방전 표면도 다공성 절연 재료로 덮힌다. 캐소드는 방전 펄스 시간의 메인 부분동안 음으로 충전된 불소 이온에 반발하기 때문에 불화납층이 캐소드상에 자연적으로 전개되지는 않는다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 애노드처럼 동작하는 캐소드를 갖는 F₂ 환경에서 코팅된 캐소드가 형성될 수 있다. 또한, 애노드에 다공성 절연층을 제공하는 상기의 다른 기술은 방전 영역을 덮는 다공성 절연층을 갖는 캐소드를 형성하는데 사용될 수 있다. 이들 층은 애노드 보호층이 불소 음이온 충격으로부터 실딩하는 것과 동일한 방식으로 캐소드를 양이온 충격으로부터 보호한다. 상기된 바와 같이, 방전 표면의 양측의 재료는 방전 표면의 재료보다 더 빨리 부식한다.

본원발명이 특정 바람직한 실시예에 관하여 설명되었지만, 본원발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 수많은 변형 및 수정이 가능하다. 2개의 전극 재료는 제1 재료가 제2 전극 재료의 부식률의 ¼~½정도이도록 선택되었지만, 제1 재료에 비해 (10~20배 이상의) 매우 높은 부식률을 갖는 제2 재료가 사용될 수도 있다. 이것은 빔이 스프레딩하려는 경향이 급속하게 제거되는 것을 보증한다. 전극 사이의 갭에서의 우수한 흐름 조건을 유지하여 다음 펄스 이전에 방전 찌꺼기의 갭을 클리어링하는 것이 중요하다. 다공성 절연층의 폭은 방전 표면의 폭에 대응하는 것이 바람직하고 빔 폭보다 다소 크거나 레이저 빔의 소망 폭과 동일한 것이 바람직하다. 절연층의 두께는 20~300 미크론 정도가 바람직하고 50~150 미크론 정도가 가장 바람직하다. 그러나, 본원인이 시험한 애노드의 두께는 1mm 정도까지 심각한 문제가 없었다. 전극 제조시에 방전 표면의 양측 에지를 따라 2개의 트렌치가 형성될 수 있다. 이것은 부식으로 인하여 레이저의 동작동안 트렌치가 자연적으로 전개되는 것을 회피한다. 상기되지는 않았지만, 2재료 전극의 부가적인 이점은 제1 재료(낮은 부식)의 양이 감소되어 비용이 절감된다는 것이다. 이것은 방전 표면에 매우 값비싼 낮은 부식 재료를 사용하고 전극의 나머지 부분에 저렴한 재료를 사용하게 되어 경제적이다. 제1 재료(도 6의 42 등)를 제2 재료 구조(40)에 고정 하는데에는 수개의 우수한 기술이 이용가능하다. 예를 들어, 그것은 스렁크 피팅, 웰딩, 브레이징, 또는 작은 나사로 유지될 수 있다. 파트(42)는 알루미나 등의 절연체 물질의 대략 35 얇은(0.1mm 등) 시트의 스택으로부터 커팅될 수 있다(각각의 시트에는 구리 등의 도전 재료의 매우 얇은 층이 퇴적된다). 스택은 파트(42)를 커팅하기 이전에 레이저를 함께 퓨징하도록 열처리될 수 있다. 파트(42)는 50cm 정도의 길이, 5mm 정도의 높이, 3.5mm 정도의 폭을 갖도록 커팅될 수 있따. 그후 파트는 도 6에 도시된 바와 같이 파트(40)에 삽입되지만, 이러한 경우에 있어서 파트(42)의 횡단면은 직사각형이다. 동작시에 전류는 알루미나 시트 사이의 구리층을 통하여 파트(40)의 도체 재료로 흐른다. 일부 종래기술에서 이용된 전극은 방전 영역에서 원형 또는 다른 아킹된 표면을 갖는다. 이들 아킹된 표면은 수백만의 펄스 이후에 부식으로 인하여 평탄화되는 경향이 있다. 본원의 레이저에 있어서 이것은 번-인 기간동안 발생한다. 이러한 아킹된 표면 전극이 제조시에 평탄화되면 이러한 번-인 기간이 단축될 수 있음을 본원인은 발견하였다. 도 12A에 도시된 전치-전리기 튜브에는 그 전치-전리기의 임의의 회전을 예방하는 메인 절연체에 내장된 대응 형상의 홀더와 매칭되는 평탄화된 부분이 제공될 수 있다. 이것은 도전성 코팅의 경우에 있어서 심과 코팅 사이에 항상 접촉이 있음을 보증한다. 평탄면을 매칭하는 것은 심의 마모를 야기시킬 수 있는 전치-전리기의 회전 이동을 예방한다. 따라서, 본원발명의 범위는 첨부된 청구항 및 그 법적 균등물에 의해 결정된다.

Claims (52)

1. 삭제
2. 가스 방전 레이저로서,

   A) 불소를 포함하는 레이저 가스를 수용하는 레이저 챔버를 포함하고,

   B) 캐소드와 애노드를 형성하는 2개의 전극 엘리먼트를 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드의 각각은 상기 2개의 전극 엘리먼트 사이에서 전기 방전의 폭을 형성하도록 선택된 소정의 폭을 가진 방전 영역을 갖고, 상기 애노드는,

   a) 2개의 에지를 형성하는, 상기 애노드의 상기 방전 영역에 위치하여 제1 애노드 재료 부식률을 갖는 제1 애노드 재료, 및

   b) 상기 애노드의 상기 방전 영역에 인접하여 상기 2개의 에지를 따라 상기 애노드의 상기 방전 영역의 적어도 2개의 사이드에 위치하고 제2 애노드 재료 부식률을 갖는 제2 애노드 재료를 포함하고,

   상기 제2 애노드 재료 부식률은 제1 애노드 재료 부식률보다 적어도 50% 더 크고, 상기 제2 애노드 재료의 상기 더 큰 부식률은 상기 방전의 폭이 확대되는 것을 방지하고,

   C) 상기 전기 방전을 발생시키기 위해 초당 1000 내지 10000의 펄스 비율로 전기 펄스를 제공하기 위한 펄스 파워 시스템을 포함하고,

   D) 초당 1000 내지 10000의 펄스 비율로 동작할 때, 다음의 후속 방전에 앞서 방전에 의해 생성된 모든 찌꺼기를 제거할 수 있는 속도로 상기 2개의 전극 엘리먼트 사이에서 상기 레이저 가스를 순환시키는 블로워 시스템을 포함하고, 그리고

   E) 상기 전기 방전 및 상기 블로워 시스템에 의해 발생된 상기 레이저 가스로부터 열을 제거할 수 있는 용량을 갖는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 애노드 재료는 C36000 황동이고 상기 제2 애노드 재료는 C26000 황동인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 애노드 재료는 적어도 1%의 납을 함유하는 황동인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
5. 제2항에 있어서, 상기 제1 애노드 재료는 적어도 3%의 납을 함유하는 황동인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
6. 제2항에 있어서, 상기 제1 애노드 재료는 불소 함유 가스 내에서 캐소드로부터 전기 방전될 때 다공성 절연층을 생성하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
7. 삭제
8. 제2항에 있어서, 상기 제1 애노드 재료는 다공성 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
9. 제8항에 있어서, 상기 다공성 절연층은 금속 불화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
10. 제8항에 있어서, 상기 다공성 절연층은 F₂가 포함된 가스 환경에서 전기 방전에 상기 애노드를 노출시킴으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
11. 제8항에 있어서, 상기 다공성 절연층은 다공성 알루미나 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
12. 제11항에 있어서, 상기 다공성 알루미나 층은 애노다이징된 알루미나 층인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
13. 제8항에 있어서, 상기 다공성 절연층은 전기적 절연체 재료로 이루어진 파티클로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
14. 제13항에 있어서, 상기 절연체 재료는 세라믹인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
15. 제13항에 있어서, 상기 절연체 재료는 불화물인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
16. 제13항에 있어서, 상기 절연체 재료는 Al₂O₃, MgF₂, 및 CaF₂로 이루어진 그룹으로부터 선택된 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
17. 제8항에 있어서, 상기 다공성 절연층은 상기 다공성 절연층 내에 적어도 50,000개의 홀을 포함하는 다수의 홀로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
18. 삭제
19. 제17항에 있어서, 상기 다수의 홀은 20 미크론과 150 미크론 사이의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
20. 제2항에 있어서, 상기 애노드는, 상기 애노드의 방전 영역의 양쪽 사이드상의 전계에서 감소를 갖는, 상기 애노드의 중심선을 따라 상기 애노드의 방전 영역을 형성하는 3.5mm의 폭에 걸쳐 전계를 생성하는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
21. 제2항에 있어서, 상기 2개의 전극 엘리먼트 중 적어도 하나는, 두 측면에 의해 경계가 지워진 방전 표면을 형성하고 그리고 상기 방전 표면의 상기 두 측면을 따라 길이 방향으로 뻗어있는 트렌치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
22. 제2항에 있어서, 방전 영역을 통과하고 방전 영역 너머로 가스 흐름을 안내하는 절연 스페이서를 포함하는 전류 리턴 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
23. 제8항에 있어서, 상기 다공성 절연층은 금속에 매입된 절연 파티클로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
24. 제23항에 있어서, 상기 금속은 황동인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
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32. 제2항에 있어서, 상기 캐소드는

    a)2개의 에지를 형성하는, 상기 캐소드의 상기 방전 영역에 위치하고 제1 캐소드 재료 부식률을 갖는 제1 캐소드 재료, 및

    b)상기 캐소드의 상기 방전 영역에 인접하여 상기 2개의 에지를 따라 상기 캐소드의 상기 방전 영역의 적어도 2개의 사이드에 위치하고 제2 캐소드 재료 부식률을 갖는 제2 캐소드 재료로 이루어지고,

    상기 제2 캐소드 재료의 부식률은 제1 캐소드 재료의 부식률보다 적어도 50% 더 커서 상기 레이저의 동작동안 상기 제2 캐소드 재료의 상기 더 큰 부식률이 상기 방전의 확대를 방지하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
33. 제32항에 있어서, 상기 제1 캐소드 재료는 C26000 황동을 포함하고 상기 캐소드 재료는 C36000 황동을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
34. 제32항에 있어서, 상기 제1 캐소드 재료 및 상기 제2 캐소드 재료의 각각은, 상기 제1 캐소드 재료의 평균 입자 크기가 상기 제2 캐소드 재료의 평균 입자 크기보다 70%보다 더 작도록 형성된 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
35. 제34항에 있어서, 상기 제1 캐소드 재료는 상기 제2 캐소드 재료보다 더 어닐링되는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
36. 제32항에 있어서, 상기 제2 캐소드 재료 부식률이 상기 제1 캐소드 재료 부식률의 적어도 4배인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
37. 제2항에 있어서, 상기 제2 애노드 재료 부식률이 상기 제1 애노드 재료 부식률의 적어도 4배인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
38. 제32항에 있어서, 상기 제2 캐소드 재료 부식률이 상기 제1 캐소드 재료 부식률의 적어도 10배인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
39. 제2항에 있어서, 상기 제2 애노드 재료 부식률이 상기 제1 애노드 재료 부식률의 적어도 10배인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
40. 제2항에 있어서, 상기 제1 애노드 재료는 불소 함유 가스 내에서 캐소드로부터 전기 방전될 때 다공성 불소층을 생성하는 재료인 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저.
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