KR101123820B1 - 초고에너지 고안정성 가스 방전 레이저 표면 처리 시스템 - Google Patents

초고에너지 고안정성 가스 방전 레이저 표면 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위한 가스 방전 레이저 결정화 장치와 방법이 개시되고, 상기 장치 및 방법은, 다챔버 레이저 시스템을 포함하고, 상기 다챔버 레이저 시스템은, 제 1 레이저 유닛으로서, 제 1 및 제 2 가스 방전 챔버; 상기 챔버내에 포함되고, 긴 가스 방전 영역을 형성하는 길고 이격되어 대향하는 전극쌍; 상기 워크피스상에서 수행되는 결정화 공정에 최적화된 중심 파장의 레이저 광을 발생시키도록 선택된 할로겐 및 불활성 가스를 포함하는 상기 챔버내에 포함된 레이저 가스;를 포함하는 상기 제 1 레이저 유닛, 전력공급 모듈로서, DC전원; 상기 DC전원에 연결되고 상기 각각의 전극에 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선의 각각을 통과하는 하나의 2차 권선을 구비한 다단계 단편 승압 변압기 및 고체 트리거 스위치를 포함하는 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로;를 포함하는 상기 전력공급 모듈, 및 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 발생시키기 위한 POPA식 레이저 시스템 또는 POPO식 레이저 시스템 중 어느 하나로서 상기 제 1 레이저 유닛 및 제 2 레이저 유닛의 동작을 유효하게 하기 위하여 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로의 동작 파라메터에 기초하여 상기 각각의 고체 스위치의 닫힘 시간을 결정하도록 동작하는 레이저 타이밍 및 제어 모듈을 포함할 수 있다. POPA레이저 시스템에서 릴레이 옵틱은 상기 제 1 레이저 유닛으로부터 상기 제 2 가스 방전 챔버로 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔을 보내도록 동작할 수 있고, 상기 레이저 타이밍 및 제어 모듈은 +3ns 또는 -3ns내에 상기 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔이 상기 제 2 방전 영역을 통과하는 동안 상기 제 2 전극쌍사이에 가스 방전을 일으키도록 동작하고 POPO에서, 결합 옵틱은 출력 빔을 결합하고, 타이밍이 +3ns 또는 -3ns의 소정의 시간 결합된 출력의 펄스 분리를 일으킨다. 빔 전달 유닛 및 펄스 스트레처가 포함될 수 있고, 타이밍 및 제어는 펄스 압축 및 승압 회로내의 구성요소의 온도와 충전 전압을 나타내는 신호에 기초하여 프로세서 제어될 수 있다.
Figure 112006006721859-pct00001
가스 방전 레이저, 표면 처리 시스템, 펄스 압축 및 승압 회로, 동작 파라메터, 레이저 유닛, 펄스 스트레처, 타이밍 및 제어 모듈

Description

초고에너지 고안정성 가스 방전 레이저 표면 처리 시스템{VERY HIGH ENERGY, HIGH STABILITY GAS DISCHARGE LASER SURFACE TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 넓은 영역에 대하여 고 반복율 레이저광으로 표면 및/또는 기판의 처리에 관련한 제조 공정에서 사용하기 위한 고전력 고안정성 가스 방전 레이저에 관한 것이다.
박막 트랜지스터(TFT)는 예컨대 랩탑 컴퓨터에서 일반적으로 볼 수 있는 액정 다이오드("LCD") 화면을 구현하기 위해 잘 알려진 기술이다. 다결정 실리콘(폴리-Si)TFT 화면은 비정질 실리콘(aSi)TFT LCD화면 보다 밝고 가독성이 우수하지만 전력 소모가 많고 대체로 가격이 많이 나가는데, 이것은 부분적으로 현재 이용가능한 제조 기술의 특정 한계 때문에 이러한 기술이 특히 수율에 영향을 미치기 때문이다.
aSi LCD기판의 외부 표면 어닐링은 현재 패널 디스플레이 성능의 관점과 얻을 수 있는 수율과 관련하여 중요한 공정이다. 고해상도 플랫 패널 디스플레이를 생산하기 위해 TFT어닐링을 사용하는 것이 잘 알려져 있다. 또한, 비정질 실리콘(A-Si)의 레이저 유도 결정화에 의해 다결정 실리콘(폴리-Si)을 생산하도록 하기 위해 엑시머레이저나 분자 가스 방전 레이저를 사용하는 것이 잘 알려져 있다. 이 러한 공정과 이러한 공정의 매우 정밀한 제어와 동작이 차세대 TFT장치를 위한 중추적 기술이다. 이러한 기술 장치 없이는 플랫 패널 디스플레이는 기술이 발전함에 따라 디스플레이 기술에 요구되는 필요한 우수 해상도 및 휘도, 화각 및 고 픽셀 재생율과 같은 것을 얻을 수 없다.
폴리-Si TFT기술은 어드레싱 및 클로킹 회로를 능동 플레이트에 집적할 수 있음으로써 플랫 패널 디스플레이의 향후 개발에 중요한 길을 제시한다. 이를 위해 두 가지 기술이 도출되는데, 회로 영역내에 로컬 레이저 어닐링에 의하거나 어레이용 폴리-Si 및 회로 TFT를 사용하는 모놀리식 방법에 의한 것이 그것이다. J. Yres 등, "Low Temperature Poly-Si For Liquid Crystal Display Addressing" Philips Research Laboratories, Surrey, England, ASIAN TECHNOLOGY INFORMATION PROGRAM (ATIP) 11 May 1993 (http://www.atip.org/ATIP/public/atip.reports.93/mita-lcd.93.html) 참조.
또한, 어닐링되는 물질 표면으로의 광 침투율을 최대화하고 표면에 입사하는 충분히 높은 전력에서 물질에 필요한 깊이로 어닐링을 유효하게 하기 위하여 어닐링의 경우에 포함되는 공정에 최적화되어 있는 중심 파장을 갖는, 현재 이용가능한 광원 시스템으로부터 레이저 광 출력을 선택하는 것이 잘 알려져 있다. 다른 경우로는, 처리되는 특정 물질이 어닐링과 같은 처리에 다른 중심 파장에서 다르게 반응할 수 있고 이것은 특정 중심 파장의 선택에 영향을 미칠 수 있다.
종래 알려진 가스 방전 레이저는 가스 방전에 사용되는 가스에 의해 나타나는 임의의 특정 레이징 챔버내에서 일어나는 물리적 및 화학적 반응 때문에 중심 파장의 무한 스펙트럼을 제공하는데 이용될 수 없다.
현재, 엑시머 또는 기타 가스 방전 레이저, 특히 제논 클로라이드(XeCl) 할로겐 가스 방전 레이저가 상기한 어닐링 공정 타입에 유용하다는 것이 알려져 있다. 독일의 Lambda-Physik 사가 공급하는 Lambda-Physik "STEEL 2000"의 동작 파라메터는 아래와 같다.
파장 308nm
안정화 에너지 1030mJ
안정화 평균 전력 (308nm에서) 310W
최대 반복율 300Hz
펄스 지속기간(FWHM) 29±5ns
펄스 대 펄스 에너지 안정도(3시그마) ≤5.4%
평균위 최대 펄스 에너지 편차
(최대 에너지-평균 에너지) ≤8.5%
빔 치수(FWHM)(빔 출구에서 1m) (40±3)×(13±2)mm2
빔 다이버전스(FWHM)(10Hz에서) ≤4.5x≤1.5mrad
각 포인팅 안정도(FWHM)
(빔 출구에서 1m) ≤0.45x≤0.15mrad
가스 수명 >40x106펄스
예상 레이저 튜브 수명 1x109펄스
빔 높이 1235±20mm
대략 1J, 300Hz 성능을 갖는 이러한 레이저는 대략 현재의 유리 기판에 대한 성능 요건을 겨우 만족한다. 차세대(5세대) 1250mm x 1100mm유리 기판은 펄스 안정도, 빔 특성등과 같은 파라메터를 유지하면서, 훨씬 나은 성능, 예컨대 보다 높은 레이저 에너지와 보다 높은 반복율을 요구할 것이다. 플랫 패널 디스플레이 기술의 향상, 예컨대 유리 기판의 크기가 1250mm X 1100mm정도로 증가함으로써 요건이 보다 엄격해짐에 따라, 필요한 레이저 에너지는 적어도 2배 만큼, 즉 2J/펄스로 증가할 것이다. 몇몇 Lambda Physik이 제안하는 방법은 빔 균질기를 가진 2개의 레이저를 결합하여 이러한 두 개의 레이저로부터 나오는 빔을 결합하는 것이다. 그러나, 균질기만의 부가를 위해 2개의 레이저를 사용하는 것은 소비재 비용이 더해지고 관리를 위한 휴지 기간이 증가하여 비용이 증가 된다. 균질기의 부가와 함께 관련 전달 광학장치가 또한 복잡하게 된다.
예컨대, B. Wexler 등, "Use of XeCl amplifiers for degenerate four-wave mixing", 미국 물리학회, 엑시머 레이저-1983, C. Rhodes 등 편집, pp 172-176에서 설명되어 있는 바와 같이 특정 응용을 위한 POPA의 사용이 잘 알려져 있다. 1986년에 매사추세츠 빌레리카 소재 엑시머 레이저 회사인 Questek사가 POPA기술 기반의 100W KrF레이저를 소개했다. 그러나, 본 제품은 PO와 PA가 사이러트론 스위칭된다는 일부 사실 때문에 지터/타이밍 제어 기술이 부족하다는 이유로 시장에서 바로 철수했다.
따라서, A-Si 코팅으로부터 대규모의 폴리-Si을 생성하고 그리고/또는 TFT어 닐링을 위해 레이저 광을 사용하는 표면 및 재료 처리 기술의 수요 증가에 대한 보다 나은 대책이 필요하다.
워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위한 가스 방전 레이저 결정화 장치와 방법이 개시되고, 상기 장치 및 방법은, 다챔버 레이저 시스템을 포함하고, 상기 다챔버 레이저 시스템은, 제 1 레이저 유닛으로서, 제 1 및 제 2 가스 방전 챔버; 상기 챔버내에 포함되고, 긴 가스 방전 영역을 형성하는 길고 이격되어 대향하는 전극쌍; 상기 워크피스상에서 수행되는 결정화 공정에 최적화된 중심 파장의 레이저 광을 발생시키도록 선택된 할로겐 및 불활성 가스를 포함하는 상기 챔버내에 포함된 레이저 가스;를 포함하는 상기 제 1 레이저 유닛, 전력공급 모듈로서, DC전원; 상기 DC전원에 연결되고 상기 각각의 전극에 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선의 각각을 통과하는 하나의 2차 권선을 구비한 다단계 단편 승압 변압기 및 고체 트리거 스위치를 포함하는 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로;를 포함하는 상기 전력공급 모듈, 및 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 발생시키기 위한 POPA식 레이저 시스템 또는 POPO식 레이저 시스템 중 어느 하나로서 상기 제 1 레이저 유닛 및 제 2 레이저 유닛의 동작을 유효하게 하기 위하여 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로의 동작 파라메터에 기초하여 상기 각각의 고체 스위치의 닫힘 시간을 결정하도록 동작하는 레이저 타이밍 및 제어 모듈을 포함할 수 있다. POPA레이저 시스템에서 릴레이 옵틱은 상기 제 1 레이저 유닛으로부터 상기 제 2 가스 방전 챔버로 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔을 보내도록 동작할 수 있고, 상기 레이저 타이밍 및 제어 모듈은 +3ns 또는 -3ns내에 상기 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔이 상기 제 2 방전 영역을 통과하는 동안 상기 제 2 전극쌍사이에 가스 방전을 일으키도록 동작하고 POPO에서, 결합 옵틱은 출력 빔을 결합하고, 타이밍이 소정의 시간 +3ns 또는 -3ns인 결합된 출력의 펄스 분리를 일으킨다. 빔 전달 유닛 및 펄스 스트레처가 포함될 수 있고, 타이밍 및 제어는 펄스 압축 및 승압 회로내의 구성요소의 온도와 충전 전압을 나타내는 신호에 기초하여 프로세서 제어될 수 있다.
도 1A 및 1B는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 챔버 레이저 시스템의 부분 블록도의 측면 및 정상면을 도시하고 있는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록도;
도 2A는 본 발명의 일 실시예의 블록도;
도 3는 본 발명의 일 실시예의 블록도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 펄스 전력 시스템의 개요도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 정류기 모듈의 상세 개요도;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4에 도시된 압축 헤드 모듈로부터 도 4에 도시된 챔버 모듈내의 피킹 커패시터를 충전하는 타이밍도;
도 7은 도 4에 도시된 압축 헤드 및 챔버 모듈의 상세도;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이밍 및 제어 모듈의 블록 개요도; 및
도 9는 본 발명의 일 실시예에 사용된 타이밍도.
본 발명은 표면 및 재료 처리의 응용을 위해 본원인의 기존 플루오르 기반 엑시머 기술을 XeCl레이저로 확장하는 것을 의도하고 있다. 특히, 이러한 레이저, 예컨대 상기한 Lambda-Physik XeCl레이저(1J, 300Hz)가는 플랫 패널 디스플레이의 넓은 영역 어닐링(TFT어닐링)을 위해 기존 시스템의 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에서 고려된 레이저로서, 플랫 패널 디스플레이용의 5세대 유리 패널을 넓은 영역의 어닐링을 위해 최적화될 수 있는 고 에너지 XeCl레이저가 개시된다. 또한 본 발명에 따라, 길이가 수 백 밀리미터이고 폭이 1밀리미터의 몇 분의 1정도, 예컨대 370mm x 0.4mm의 긴 슬릿 형태의 일정한 플루언스를 전달할 수 있는 고효율 빔 전달 유닛이 제공된다.
유리 기판에 대한 로드맵에 따르면, 기판의 크기는 1250mm X 1100mm로 증가할 것이다. 이것은 레이저 에너지와 전력 요건을 2배, 즉 2J/펄스로 상향시킬 것이다. Lambda Physik사가 제안한 방법은 아래 나타난 바와 같이 2개의 레이저를 결합하는 것이다. 그러나, 2개의 레이저를 사용하면 소비재의 비용과 휴지 기간을 증가시킨다. 관련 전달 광학장치 또한 복잡하게 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 본원인은 2J/펄스 300Hz레이저, 즉 대략 600w레이저를 본 발명의 실시예에서의 사용을 의도하고 있다.
본원인의 측정과 연구에 의하면, 가스 방전형 레이저의 전극간 매우 큰 방전 용량을 위한 요건 때문에 하나의 상용 레이저 오실레이터 기반 설계로는 2J/펄스를 발생시킬 수 없다. 예컨대, XeCl레이저에 대한 에너지/압력("E/P")율은 대략 1kV/cm-atm이다. 본원인의 펄스 전력 시스템이 현재 전달할 수 있는 초고전압인, 대략 30kV에서도, 전체 4대기압에서 대략 3.5cm의 방전 갭만을 고려할 수 있다. 일반적으로 2cm의 방전 폭을 갖는 이러한 방전 갭은 현재 일반적으로 사용되고 있는 1미터 길이 보다 약간 작은 전극과 반대로, 대략 1.4m길이의 챔버 전극을 필요로하고 있다. 1.4미터 길이는 다음 두가지 이유로 가능하지 않은데, 이는 (1) 비실용적으로 긴 챔버 길이를 요구함으로써 고압하에서 챔버 구조에 문제를 야기하고 탄젠셜 송풍기의 요건과 성능 문제를 일으킬 수 있고, (2) 0.06/cm의 작은 측정 신호 이득에 대하여, 이러한 길이는 그 이상에서는 레이저가 초 방사되는 최대 길이인 1.7m에 매우 근접해 있기 때문인데, 달리 말하면, 자연방출광증폭("ASE")이 대략 308nm의 중심 파장주위의 자연 XeCl대역폭외부의 초 광대역 ASE에 의한 효율 손실등의 문제를 일으킬 정도로 높기 때문이다.
본 발명은 시드 빔으로서 제 1 챔버의 레이저 출력을 제 2 챔버로 전달하도록 구성된 다중 챔버 레이저 시스템을 고려하고 있다. 현재 본원인은 크게 라인 내로우잉된 마스터 오실레이터로서 동작하는 제 1 챔버에 "XL"플랫폼이라 불리는 제품 라인을 제공하고 있고, 이것은 집적회로 리소그래피에 필수적인 단색광의 전달을 위해 매우 좁은 라인 내로우잉을 얻기 위해 큰 출력 전력을 소모한다. 마스터 오실레이터("MO")로 부르는 오실레이터의 이러한 저전력 라인 내로우잉된 레이저 출력은 이후 전력 오실레이터("PA")로 동작하는 제 2 가스 방전 레이저 챔버에 서 크게 증폭된다.
본 발명은 전력 오실레이터 전력 증폭기 구성(POPA)으로 구성되는 2 챔버 레이저 시스템을 고려하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 2 챔버의 각각은 대략 1m길이의 긴 전극 사이에 3.5cm의 전극 갭을 가질 수 있다. 이러한 전력 오실레이터는 0.5J 내지 0.7J의 에너지를 발생시킬 수 있다. 이것은 증폭기를 포화시키기에 충분할 수 있다(일반적 포화 세기는 100ns펄스에 대하여 대략 100mJ/cm2이다.). PO효율은 일반적으로 대략 2%이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 효율 제한 요인은 엑시머 분자 또는 분자성 플루오르 분자를 레이저 광자로 수렴하게 하는 수렴 효율이다. 에너지가 레이저로부터 추출되기 전에 엑시머의 약 50%가 형광으로 상실된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 POPA기법에서는, 스탠드 얼론 오실레이터로서, 즉 POPO시스템으로서 동작한다면 PA추출 효율은 2%를 훨씬 웃돌 수 있다. 본원인은 또한 PA효율은 대략 4%이상일 수 있다고 믿는다. 따라서, PO로의 35J의 전기 공급과 PA로의 PO의 35J의 레이저 광 출력이 전체 대략 2J로 레이저 시스템의 출력을 전달할 것을 예상할 수 있고, 이것은 단 2.9%의 효율 요건에 해당한다. 이에 대응하는 2J의 단일 오실레이터 시스템은 가스 방전 전극에 전기 펄스당 100J의 에너지를 필요로 할 것이다.
펄스당 2J의 출력은 현재 다른 것들에 의해 제안된 것과 같은 빔 믹서의 복잡함과 관련 손실없이 빔 전달 유닛에 효과적으로 결합될 수 있다.
이와 같은 POPA개념이 보다 낮은 에너지 펄스 시스템에 적용될 수 있다. 또다른 구성에서, PO와 PA로의 입력 에너지는 4J/펄스일 수 있다. 예컨대, 2.9%의 전체 효율에서, 출력은 예컨대 4KHz와 같은 훨씬 높은 반복율의 펄스당 250mJ에 가까울 수 있고, 이것은 상기 응용에 적합한 1kW레이저를 일으킬 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 개별 챔버내에서 펄스간 타이밍을 매우 정밀하게 조절하는 능력이 대략 8KHz의 이중 펄스 모드로 레이저를 동작시키기 위한 가능성을 높힌다. 이러한 모드에서, PA는 PO일 수 있고 각각의 PO로부터 스태거링된 펄스가 이하 자세히 설명될 단일 출력 경로에서 광학적으로 결합된다. T. Kudo 등, "Advanced Lateral Crystal Growth of a-Si Thin Film by Double Pulsed Irradiation of all Solid-State Lasers," Mat. Res. Soc. Symp. Proceedings, Vol. 762, 2003년 춘계, pp 1-6에 설명된 바와 같이, 850ns로 분리되고 긴 지속시간의 두 개의 펄스가 사용되어 p-Si 결정 성장이 향상된 이동성 및 균일성을 유리하게 형성할 수 있다. A. Voutsas, "a New Era of Crystallization: Advances in Polysilicon Crystalization and Crystal Engineering," Applied Surface Science2003), 및 R. Dassow, Nd:YVO4 Laser Crystallization for Thin Film Transistors with a High Mobility," Mat. Res. sos. Symp. Proceedings, Vol 762, 2000년 춘계,에 나타난 바와 같이 기타 종래 엑시머 레이저는 저 에너지 밀도 및/또는 펄스 반복율 및/또는 펄스 안정도 때문에 TFT어닐링과 같은 공정에 효율적이거나 효과적으로 사용되기 위한 특정 성능 특성을 결여하고 있다고 설명하고 있다. 상기 고려된 방법은, 예컨대 532mn 녹색 레이저로부터 주파수가 체배된 이중 펄싱 다이오드 펌핑 고체 레이저를 포함한다. 그러나, 이러한 방법은 이어지는 요건을 만족하지 않는 것 같다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 엑시머 레이저는 훨씬 높은 전력과 에너지를 전달하도록 구성되고, 펄스 대 펄스가 안정화되고 매우 정밀하게 타이밍 조절 및 분리되고 펄스 신장되는 스태거링 펄스를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 본원인은 그 XL 제품 라인에서 구현된 것과 같은 MOPA구조에 기초한 XeCl POPA의 제공을 제안하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이러한 XeCl레이저는 광대역일 것이다(즉, XeCl엑시머 레이저의 자연 스펙트럼이 라인 내로우잉되지 않음). 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 본원인의 XLA 제품 라인에서 라인 내로우잉 모듈과 파장 및 선폭 측정 장치는 필요하지 않고, 이에 비용 및 전체 효율 면에서 상당한 절감이 가능하다.
XLA의 MO는 PO(10)로 대체되고, 도 1A 및 1B에 나타난 바와 같이 챔버(12)를 포함하는 PO(10), 전반사 렌즈(14), 라인 내로우잉 모듈대신의 전반사 미러(18), 및 출력 커플러(16)로 구성되고, 이 모두는 PO(10)를 위한 공진 캐비티를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PO로부터 나오는 레이저 출력 광빔은 PA(20)의 챔버를 이중으로 통과되어 PA(20)로부터 모든 에너지를 추출할 수 있다. PO(10)의 출력은 전반사 미러(14)에 의해 옵셋 미러(24)에 반사되고, 옵셋 미러(24)는 PA(20)내 (도시 안된) 긴 전극에 의해 한 쌍의 전반사 미러(25a 및 26b)(또는 도시 안된 내부 전반사 프리즘)에 정렬되지 않은 경로를 따라 PA로 빔을 반사하여, PA(20)의 출력 커플러(28)를 통과하는 PA(20)의 출력부의 광축이기도 한 챔버(22)내 (도시 안된) 전극의 중심선 축을 따라 PA(20)를 통과하는 빔의 제 2 경로를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PO(10)와 PA(20)의 출력부에서의 에너지 센서(30, 32)는 각각 POPA출력 에너지를 모니터할 수 있다.
본원인의 XLA 제품 라인은, 300Hz이상의 고 반복율 XeCl레이저의 동작을 지원하는데 필요한 모든 기술을 구비하고 있다. 이것은 초고 반복율과 같은 초고 에너지 레이저 시스템 광 출력 펄스의 형태에서 요구되는 고출력 에너지를 전달하는 기능을 지원한다. 이러한 지원 기술은 매우 효율적인, 즉 PO와 PA, 수냉식 모듈 및 초고속 제어기에서 긴 가스 방전 전극에 전기적 펄스가 일어나는 각 시간 사이의 중요한 상대적 타이밍을 유지하는 지터 제어 기술에 의해 지터가 거의 없는 동작을 수행하는 고체 펄스 전력 시스템 모듈("SSPPM")을 포함한다. 따라서 제안된 POPA는 펄스당 2J의 고전력 광원이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 반복율은 어느 경우이건 4KHa, 1000W레이저에서 펄스당 0.25J 또는 대략 500Hz일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면/기판 처리 시스템의 개요 블록도가 도시되어 있다. POPA(40)의 출력은 필요하다면, 레이저 시스템의 광 출력 빔이 빔 전달 유닛("BDU")(60)로 전달될 때 또는 전달되기 전에 펄스 스트레처(50)에서 펄스 신장될 수 있다. BDU는 예컨대 TFT어닐링을 수행하는 제조 장치로 레이저 광 출력 빔의 전달에 가장 근접한 단부에 빔 분석 모듈("BAM")(62)을 구비할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른, BDU(60)의 상세 구조는 응용에 따라 다양하게 된다. 예컨대, TFT어닐링에 대하여 몇몇 경우에서는 빔이 빔 균질 기(70)에서 균질화될 필요가 있고, 이후 실린더형 포커싱 렌즈(90)을 사용하여 슬릿(80)을 비추기 위해 전달될 수 있다. 이후, 본 발명의 일 실시예에 따라, 작업대(92)의 기판상에 슬릿(80)의 확대 이미지가 투사될 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 모든 펄스에서 빔이 정확히 슬릿(80)을 비추는 것은 매우 중요하다. 정확하지 않으면 기판에서 세기 변화에 의해 효과적이지 못한 표면/기판 프로세싱을 일으킬 것이다. 따라서, BAM(62)이 제공하는 정보와 레이저 제어 정보를 사용하는 BDU(60)에 사용된 능동 안정화 기술이 요구된 에너지 안정성을 달성하는데 핵심일 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 본 발명은 제안된 POPA SSPPM기술에 능동 지터/타이밍 제어와 같은 것을 사용하고, 이것은 제안된 POPA레이저를 효율적이고 확장성이 높은 1000W범위의 고전력 XeCl레이저를 제작하는데 핵심이 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은 도 2A에 도시된 바와 같이 POPO구성을 취할 수도 있는데, 이것은 제 1 PO(100) 및 제 2 PO(100')를 포함하고, 이 각각은 전반사 미러와 출력 커플러(104, 104')와 같은, 각각의 전반사 렌즈(102, 102')를 구비한다. 제 1 PO(100)의 출력은 전반사 미러(106)에 의해 빔을 전반사하기 위하여 제 1 PO(100)의 출력 극성에 대하여 브루스터 각으로 설정된 미러로 반사될 수 있고, 제 2 PO(100')의 출력은 1/4파 플레이트(108)를 통과하여 극성이 제 1 PO(100)의 출력의 편광에 대하여 직교하도록 회전시켜, 브루스터 각(wo)으로 설정된 미러(110)는 어떠한 빔도 반사시키지 않고 상기 양 출력 빔은 미러(110)로부터 동일한 출력 경로를 따를 것이고, 그 펄스는 서로 일시적으로 이격된 다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 표 1에 나열된 약어와 정의는 이 표에 설명된 의미를 갖는다.
AC/DC 배전반 이 모듈은 주로 주 전력을 SSPPM과 기타 레이저 모듈에 공급하기 위하여 주 전력을 조절하고, 24Vdc 보조 전력을 레이저 모듈에 공급하기도 한다. 또한, 누수 탐지와 EMO를 포함한 안전 및 긴급 차단 기능을 위한 중심 지점이기도 하다.
챔버 챔버는 플로우르를 포함하고 있는 레이저 매체를 담는 압력 용기의 일종이다. 챔버에는 일체 유닛을 형성하는 압축 헤드가 부착된다.
CAN 제어 영역 네트워크-표준 시리얼 버스
CH 압축 헤드-CMTTR모듈로부터 펄스 전력을 공급받는 SSPPM의 부품. 이것은 챔버상에 위치된 캐패시터 뱅크를 충전하기 위한 펄스 에너지를 공급한다.
CMTTR 정류기-RC모듈로부터 펄스 전력을 공급받는 SSPPM의 부품. 이것은 압축 헤드 모듈내에 위치된 캐패시터 뱅크를 충전하기 위한 펄스 에너지를 공급한다.
EMO 에너지 차단(스위치)
FCP 발사 제어 프로세서-타이밍, 동조, 레이저 에너지의 제어
전방 전달 모듈 입력부로부터 출력부까지 에너지 펄스를 전달
FRU 필드 대체 유닛
HVPS 고전압 전력공급장치-AC 배전 모듈로부터 전력을 공급받는 SSPPM의 부품. 이것은 공진 충전기 모듈에 위치된 저장 캐패시터 뱅크를 충전하기 위한 전류를 공급한다.
IMS 연동 관리 시스템
LCP 레이저 제어 프로세서-가스 관리, 연동, 사용자 인터페이스등을 제어
LCS 레이저 제어 시스템
PCB 인쇄회로기판
PO 전력 오실레이터
MTBF 고장간 평균시간
MTTR 평균 회복시간
PA 전력 증폭기
RC, RCS 공진 충전기-HVPS모듈로부터 d.c.전력을 공급받는 SSPPM의 부품. 이것은 정류기 모듈에 위치된 캐패시터 뱅크를 충전하기 위한 펄스 에너지를 공급한다.
반전 출력부로부터 입력부까지 반사 에너지의 전달. 정상 동작하에서 반사 에너지는 전방 에너지 펄스의 50%에 이를 수 있다. 압축 헤드나 챔버내 아크에 의해 100%에 이르는 반사 에너지를 일으킬 수 있다.
SSPPM 고체 펄스 전력 모듈
TEM 타이밍 및 에너지 모듈
도 3과 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제공된 고체 펄스 전력 모듈("SSPPM")(200)이 도시되어 있다. SSPPM(200)은 주로 이중 채널 구성 때문에 요구되는 TEM(202)을 포함할 수 있다. 이러한 이중 채널 구성은 단 하나의 레이저 가스 방전 챔버를 사용하는 종래의 시스템 보다 훨씬 정밀한 트리거 타이밍을 요한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, SSPPM(200)의 내부로 트리거 신호를 공급하는데 더하여, TEM(202)는 (도시 안된) 작업대 제어 유닛에 사용될 수 있는 "싱크 아웃"과 같은 특정 모니터링 및 제어 신호의 공급원이고, (도시 안된) 광학 부시스템으로 "파장 수정 트리거"를 공급할 수도 있다.
또한 SSPPM(200)에는 HVPS(204)가 부가될 수 있는데, 이것은 (도시 안된) AC배전 모듈로부터 AC전력을 공급받고 공진 충전기(212)내의 저장 캐패시터 뱅크(C-1)(210)에 일정한 전압을 충전하여 유지할 수 있다. HVPS(204)는 레이저 제어기(222)내의 LCP(220)로부터 ON 명령 신호를 수신하고 LCP(220)로 오류 신호를 송신한다.
SSPPM(200)은 RC(230)를 포함할 수도 있는데, 이것은 레이저 제어기(222)로부터 트리거 신호가 송신되면, HVPS(204)(및 또는 204')로부터 일정한 전압을 공급받아 SSPPM(200)의 정류기부(234)내의 캐패시터 뱅크(232)(C0)에 펄스 충전을 수행한다. RC(230)는 FCP로부터 트리거 신호와 HV설정점을 수신하고 오류를 식별하는 특정 신호를 LCP(220)에 송신한다. 정류기(234)는 공진 충전기(230)로부터 펄스 충전을 공급받아 변압기(240)로부터 펄스 상승 시간을 압축하고 전압을 승압함으로써 변압할 수 있다. 정류기(234)는 LCP(220)로부터 트리거 신호를 수신하고 오류를 식별하는 특정 신호를 LCP(220)에 송신한다. SSPPM(200)은 또한 압축 헤드("CH")(250)를 포함할 수도 있고, 이것은 정류기(234)로부터 펄스 충전을 공급받아 펄스 상승 시간을 압축하여 더 압축된 펄스를 PO(10)와 PA(또는 PO)(20)에 대한 각각의 챔버(12, 22)상의 피킹 캐패시터 뱅크(260)에 전달한다.
주 고압 기능을 수행함에 있어서 SSPPM(200)의 정류기 모듈(234)은 캐패시터 뱅크(C0)(210)상의 RC(230)로부터 충전 전압과 레이저 제어기(222)내의 FCP(252)로부터 트리거 신호를 수신한다. 트리거 신호가 감지되면 정류기(234)는 고체 스위치(254)를 닫아 충전 인덕턴스 코일(258)을 통해 C0캐패시터 뱅크(210)를 C1캐패시터 뱅크(256)로 방전한다. 제 1 단계 반응기(270)가 포화되어 제 1 단계 반응기(270) 및 승압 변압기(240)를 통해 압축 헤드(250)내의 캐패시터 뱅크(Cp -1)(272)로 C1(256)을 방전시킬때까지 C1(256)상의 전압은 유지된다. 이러한 방전은 전달 시간에서 펄스를 압축하고 변압기(240)의 승압율을 통해 출력 전압을 증가시키는 이중 기능을 가지고 있다.
SSPPM(200)의 정류기 모듈의 2차 저전압 보호 및 제어 기능은 정류기(234)가 수행하는데, 정류기(234)는 모듈내 제한된 수의 오류를 감지하고 CAN버스(280) 인터페이스를 통하여 처리하기 위한 LCP(220)에 이러한 오류를 나타내는 신호를 전송한다. SSPPM(200)는 오류가 탐지되면 고체 스위치(254 및 254')의 트리거링을 비활성화함으로써 스스로 보호할 수 있다. 그러나, LCP(220)가 정류기 모듈(234)에 의해 전송된 오류 신호를 수신하지 않거나 해석하지 못하면 C0캐패시터 뱅크(210)에 전압이 인가될 수 있다.
도 5는 정류기 모듈(234)의 상세 개요도를 도시하고 있고 도 6은 간단한 개요도를 나타낸다. 도 5에 따라 고체 스위치(254)와 충전 인덕턴스 코일(258)은 실제로는 고체 스위치(254, 254')와 충전 인덕턴스 코일(258, 258')을 포함하는 두 개의 병렬 회로인데, 이것은 빔방출 후 다시 빔방출을 준비하는데 각각의 스위치(254, 254')에 필요한 시간 때문에 각각의 챔버내 4000Hz이상의 가스 방전에서 동작하도록 하기 위함이다. 또한 도 5에 다이오드 배치를 포함하는 회로가 도시되어있고, 이 다이오드 배치는 고체 스위치(254)에 대하여 각각의 병렬 RC네트워크를 갖는 다이오드(D1-D4)를 포함하고, 이러한 병렬 RC네트워크는 다이오드(D1-D4)의 각각에 대하여 Rs1, Rs3, Rs5, 및 Rs7, Rs2, Rs4, Rs6, 및 Rs8, 및 Cs1-Cs4를 포함하고, 또한 상기 다이오드 배치는 고체 스위치(254')에 대하여 각각의 병렬 RC네트워크를 갖는 다이오드(D5-D8)를 포함하고, 이러한 병렬 RC네트워크는 다이오드(D5-D8)의 각각에 대하여 Rs9, Rs11, Rs13, 및 Rs15, Rs10, Rs12, Rs14, 및 Rs16, 및 Cs5-Cs8를 포함하고, 이 회로는 각각의 고체 스위치(254 및 254')를 보호하는 역할을 한다. 각각의 고체 스위치(254 및 254')는 직렬 다이오드와 스너버 네트워크로 보호된다. 다이오드는 방전 전극으로부터 나온 반사 에너지가 고체 스위치(254 및 254')를 통해 흐르는 것을 방지한다. 고체 스위치(254 및 254')는 반사 에너지가 이러한 직렬 다이오드에 도달할 때, 다이오드가 턴오프되어 그 다이오드와 고체 스위치로 전류가 흐르는 것을 차단하기 때문에 보호된다. 스너버 네트워크내의 저항과 캐패시터는 다이오드가 턴오프하는 속도를 제한하여, 회로의 보호와 신로성을 향상시킨다. 또한, 각각의 고체 스위치(254 및 254')를 위한 바이어싱 네트워크(290, 290')는, 고체 스위치(254)에 대하여, 다이오드(D1 및 D2)와 직렬 연결 되어 있고, 전원(PS2)와 병렬 연결된 바이어싱 캐패시터(Cbias)를 통해 바이어스 전원(PS2)으로부터 반대 방향으로 바이어싱된 바이어싱 포화 인덕터(LSA1, LSA2), 및 캐패시터(Cbias)와 직렬 연결된 Rbias 및 Lbias로 구성되는 RLC네트워크, 두 충전 인덕터(258A, 258B)중 하나, 그리고 Rbias와 Lbias사이 노드와 그라운드간에 연결된 부가 Cbias, 및 다이오드(D3 및 D4)와 충전 인덕터(258B)에 직렬 연결된 비포화 인덕터(LSA1 및 LSA2)를 포함하고, 고체 스위치(254')에 대하여, 다이오드(D7 및 D8)와 직렬 연결 되어 있고, 전원(PS2')와 병렬 연결된 바이어싱 캐패시터(Cbias')를 통해 바이어스 전원(PS2')으로부터 반대 방향으로 바이어싱된 바이어싱 포화 인덕터(LSA1', LSA2'), 및 캐패시터(Cbias')와 직렬 연결된 Rbias' 및 Lbias'로 구성되는 RLC네트워크, 두 충전 인덕터(258A', 258B')중 하나, 그리고 Rbias'와 Lbias'사이 노드와 그라운드간에 연결된 부가 Cbias', 및 다이오드(D5 및 D6)와 충전 인덕터(258B')에 직렬 연결된 비포화 인덕터(LSA1' 및 LSA2')를 포함한다. 대안으로 LSA1과 LSA2의 전 부분은 포화될 수 있다. 즉, 모든 4개의 도체가 통과하는 단일 코어 세트에 의해 4세트의 도체와 4세트의 코어가 기계적으로 얻어질 수 있다. 이후 바이어스 회로는 두 개만이 아닌 모든 네 개의 라인을 리셋한다. 바이어싱 배치는 자기 재료를 적당히 바이어싱하여, 이러한 재료의 가능한 플럭스 스윙을 예상가능하게 최대화할 수 있는 역할을 함을 당업자는 이해할 것이다. 자기 재료의 예상가능한 리셋은 레이저가 작동하는 동안 정확한 타이밍 제어를 위해 중요하다. 또한, 고체 스위치와 직렬 다이오드가 각각 턴온/오프하는데 충분한 시간을 갖도록 하기 위해 회로를 통한 바이어스 네트워크의 라우팅이 중요하다. 이것이 성능과 신뢰성을 향상시킨다.
또한, 정류기(234) 펄스 압축 네트워크(300)는 다이오드(D9 및 D10)와 병렬로 연결된 캐패시터 C1(256)로 구성되고, 상기 다이오드는 포화 리액터 LS1(270)의 양 단부에 각각의 저항(R1 및 R2)을 거쳐 연결되어 있고, 상기 포화 리액터 LS1(270)의 출력부는 코어(1-N)의 각각을 통과하는 단일의 2차 권선을 갖는 변압기(240)내의 복수의 변압기 코어(1-N)의 각각에서 1차 권선의 단일 턴에 직렬로 연결되어 있다. 변압기(240)의 권선(1-N)은 인덕터(302)를 통해 고전압부와 모듈 상호 연결 출력부(304)에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템의 펄스 전력에 관한 요건은, 각각의 챔버내의 전극에 가스 방전 전기 펄스당 3.5J의 전기 에너지를 4KHz율로 제공하도록, 즉, 각각의 챔버의 C0에 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 펄스 전력 시스템에 대하여 펄스당 7.0J이 전달되도록 하는 것이다. 펄스 전력 부시스템(200)은 두개의 각 챔버의 각각에 고전압 펄스를 전달할 필요가 있다. 각 챔버의 방전 시간은 바로 전 PO챔버에서 나온 시드 빔이 PA(PO) 챔버로 옮겨갈때 PA(PO)로의 가스 방전 펄스의 전달 시간을 맞추기 위해, +/-2ns이하의 정확도로 펄스 대 펄스가 동기화되어야 한다. 다른 것들 중 이것은 펄스 전력 타이밍이 열표류와 단기 지터와 같은 것을 설명하기 위해 장기간에 대하여 보상될 필요가 있다.
단일 HVPS(204), 또는 고전력을 위한 두개의 HVPS(204, 204')는 두개의 평행 정류기(234)/압축 헤드(250)/챔버(242)회로를 구동하기 위한 공전 충전기(212)를 제공할 수 있다. 공진 충전기(212)는 도 4에 도시된 바와 같이 두개의 C0캐패시터 뱅크의 각각을 충전할 수 있다.
제 1 단계 리액터(270)는 타이밍 변화에 가장 영향을 미친다. 리액터(270)가 가열되면 포화 플럭스 밀도는 줄어들고, 따라서 리액터가 보다(270) 이르게 스위칭하도록 한다. 이것은 온도에 따라 변하는 스위칭 타이밍을 일으킬 수 있다. 스위칭 시간은 또한 전압에 따라서도 변할 수 있다. (도시 안된) 리액터(270) 코어는 고정량의 재료를 갖고, 따라서 생성된 2차 전압은 고정된다. 온도의 영향은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템에서 사용된 것과 같은 유도 엘리먼트에 고온 플럭스를 일으키는 초고속 반복율에서 조차, 대리인 문서 번호 제 2003-0051-01, 2003년 6월 25일 출원되고 본 본원인에 양도된 미국 특허 출원 제 10,607,407호, "Method and Apparatus for Cooling Magnetic Circuit Elements"에 개시된 냉각 메커니즘을 사용함으로써 완화되거나 제거될 수 있다.
압축 헤드(250)에서 Cp -1에서 Cp로의 전달은 다음과 같이 분석될 수 있다.
VCp는 아래식으로 계산될 수 있다.
Ecp=½CV2 이고 Ecp=ηEc0 (여기서 η=____)라 가정한다.
Cp -1에서 Cp로의 전달 시간은:
τ3=πLs2Ca)½, 여기서 Ca=Cp -1Cp/(Cp -1+Cp)이고 Ls2는 포화 리액터 SR2(310)의 인덕턴스에 의해 대부분 설명되는 Cp -1과 Cp간의 인덕턴스.
Cp -1에서 Cp로의 전달 인덕턴스는,
Ls2=(τ3/π)2/Ca
피크 전류는,
Ipk=Vcp -1(Ca/Ls2)½
정류기 모듈(234)에서, C1에서 Cp -1로의 전달은 다음과 같이 분석될 수 있다.
변압비는 IGBT(254, 254') 저항 전압에 의해 제한되는데, 다시 말하면, 정류기가 20-kV를 발생할 필요가 있고 IGBT가 2-kV의 최대 동작 전압을 갖는다면, 최저 변압비는 N=10이어야 한다. 이 경우 N이 10이하이면, 요구되는 20-kV출력을 얻기 위해 IGBT는 보다 높은 전압에서 동작할 필요가 있다. 변압기(240)의 출력은 N>VCp-1/VC1가 되도록 한다. 회로(200)는 50K볼트에 적응될 수 있도록 할 필요가 있고, 따라서 IGBT가 2K에 저항할 수 있다고 가정하면, 변압비는 25로 될 필요가 있다.
변압기(240)를 통해 볼 수 있는 바와 같이 Cp -1의 유효 캐패시턴스(C2)는 아래식으로부터 계산될 수 있다.
C2=Cp -1N2
Cn -1≤Cn을 사용하여 본 발명의 일 실시예에 따라 자기 압축이 일어나기 위해서 C1=0.94C2
따라서, C1에서 Cp -1로의 전달은,
τ2=πLs1Cb)½, 여기서 Cb=C1C2/(C1+C2)이고 Ls1은 SR1(270)의 인덕턴스에 의해 대부분 설명되는, Cp - 1와 Cp간의 인덕턴스이다. C1에서 Cp -1로의 전달 인덕턴스는,
Ls1=(τ2/π)2/Cb
피크 전류는,
Ipk=VC1(Cb/Ls1)½
제 1 단계 리액터(270)는 C1이 완전히 충전될때까지 C1에 대한 전압을 차단할 필요가 있다. 이것은 포화 리액터(270)인 제 1 단계 리액터(270)에 의해 수행된다. 리액터 코어 재료는, 예컨대 3.0T의 ΔB를 갖는 0.5mil. 50%-50% Ni-Fe(오르쏘놀)일 수 있다. ΔB=Vτ/(2NAm), 여기서 V=인가 전압, τ=포화로부터 차단 시간, N=권수, Am=코어의 단면적. ΔB식에 기초하여, Am=Vτ/2ΔBN에 대하여 풀면,
코어의 단면적은,
Am=h(Ro-Ri)(pf), 여기서 h=코어 높이, Ro=외경, Ri=내경, ph=패킹 팩터=0.7
코어의 체적은,
w=Ro-Ri=Am/h/ph
C1에서 Cp -1로의 전달에 필요한 전체 인덕턴스는 LS1가 되도록 보다 빨리 계산되었다. 설계로 최소화되지 않으면 스트레이 인덕턴스가 전체 인덕턴스에 영향을 미칠 수 있다.
Lstray=Lxfmr+LCl+Lpcb+Lcable+Llead
Lstray는 필요한 럼프 인덕턴스(Ls1)의 구성요소이다. 이것은 기계적인 배치로부터 유도되는 설계에 본연적으로 나타나는 인덕턴스이므로 예상 및 제어하기가 곤란하지만 측정과 평가될 수 있다. Ls1는 C1에서 Cp -1로의 전달에 필요한 전체 인덕턴스이다. Lxfmr는 변압기의 1차 권선 및 2차 권선에 본래 나타나는 스트레이 인덕턴스(Lstray)의 구성요소이다. Lc1은 C1캐패시터 구조에 필연적인 스트레이 인덕턴스(Lstray)의 구성요소이다. Lpcb는 C1인쇄회로기판의 배치에 필연적인 스트레이 인덕턴스(Lstray)의 구성요소이다. Lcable은 정류기와 압축 헤드를 연결하는 (도시 안된) 고전압 케이블에 필연적인 스트레이 인덕턴스(Lstray)의 구성요소이다. Llead는 압축 헤드내의 고전압 케이블 연결의 배치에 필연적인 스트레이 인덕턴스(Lstray)의 구성요소이다. Lsat=Ls1-Lstray
코어의 포화 인덕턴스는 아래식에서 계산된다.
Lsat=μ0N2Ac/<1>, 여기서 μ0=4π10-7, N=권수, Ac=Ls식에 기초한 코어의 단면적, <1>=평균 경로 길이. Ac/<1>=Lsat/μ0N2에 대하여 풀면,
<1>=2π<R>=2π(Ri+(Ro-Ri)/2)=π(Ro+Ri)
Ac=Am으로 설정하면, <1>가 계산될 수 있다.
(Ro+Ri)=<1>/π
코어 손실은 아래식에서 계산될 수 있다.
손실/펄스=Vol(HcΔB+(wtΔB)2/4ρτ), Vol=Hπ((R0)2-(Ri)2), Hc=19.9A/m, wt=테이프 두께, ρ=물질 저항, τ=충전 시간.
캐패시터(C1)의 설계는 dc전압이 충전 전압에 대한 용량을 지탱하고 캐패시터(C1)의 dV/dt범위가 충족될 필요가 있다. 이상적인 설계는 낮은 패킹 인덕턴스를 갖는 단일 캐패시터이다. 이러한 이상적인 캐패시터는 현재 존재하지 않는다. 원하는 캐패새턴스를 얻기 위해서, 작은값의 캡의 평행 배열이 사용될 수 있다. 원하는 전압 저항을 얻기 위해, 캐패시터는 직렬로 연결될 수 있다. 이것은 직병렬 배열을 만든다. 캐패시터(C1)의 dV/dt는 두가지 방법으로 계산될 수 있다. 첫째는 VC1전압을 C1에서 Cp -1까지의 전달 시간으로 나누는 것이다. 두번째 방법은, I=Cb(dV/dt)를 알고, 피크 전류를 사용하는 것이다. 캐패시터(C0)의 설계는 방금 설명한 C1의 설계와 동일하다.
자기 압축에 대한 Cn -1≤Cn을 사용하고 C0=0.933C1비를 적용하면, C0에서 C1으로의 전달은 다음과 같이 분석될 수 있다.
τ1=π(LCHCc)½, 여기서 Cc=C0C1/(C0+C1)이고 LCH는 C0과 C1간의 인덕턴스이다. C0에서 C1으로의 전달 인덕턴스는 아래식으로 계산된다.
LCH=(τ1/π)2/Cc
피크 전류는 다음과 같이 계산된다.
Ipk=VC0(Cc/Ls0)½
표 2는 SSPPM200모듈의 설계 파라메터를 나타낸다.
파라메터 값
펄스 반복율 0-4kHz
E/펄스 3.5J
τ0 100㎲
VC0 -750 내지 -1150V
+/-0.1%
C0 5.3㎌
C1 5.7㎌
τ1 3.8㎲
τ2 420㎲
LCH 533nH
Ls1 5.5nH
N 25
VCP -1 -18.75 내지 -30kV
CP-1 9.68nF
CP 11.88nF
표 3은 성능 스펙을 나타낸다.
파라메터 제품 스펙 테스트 정의/설명
입력
HV입력 전압 범위(VC0) 표2참조(정류기 설계 파라메터) 모든 반복율, 전압 및 버스트 모드에 대해 측정된 정확도 및 반복가능성
HV입력 전류 ≤65Arms
HV입력 캐패시턴스(C0) 표2참조(정류기 설계 파라메터)
HV입력 충전 시간(τ0) 표2참조(정류기 설계 파라메터) 충전이 개시되는때와 HV입력 캐패시턴스가 최대 입력 전압으로 충전될때사이의 시간 간격으로 정의됨, 공진 주파수는 공진 충전기 직렬 인덕턴스와 정류기 HV입력 캐패시턴스에 의해 정의된다. 공진 충전 시간은 공진 주파수와 초기 상태 전류로서 방출된 이전 펄스 반사 에너지에 의해 좌우된다.
보조 입력 전압 24Vdc±10%
보조 입력 전류 ≤10A rms
부하 캐패시턴스(CP-1) 표2참조(정류기 설계 파라메터)
웜 업 시간 ≤5초 보조 전력의 인가로부터 정류기가 전체 전압, 전체 전력 동작을 위해 준비하는 시간까지의 시간으로 정의됨.
내부
C0 에서 C1까지 전달시간(τ2) 표2참조(정류기 설계 파라메터) C0에서 C1까지의 전달의 전류 파형의 곡선 피트로서 정의됨. 함수는 i(t)=A*SIN(π/τ1t)형태이다.
출력
출력 전압(VCP -1) 표2참조(정류기 설계 파라메터) 전달율×입력전압으로 정의됨, VCp -1=N*VC0
효율 80% 반사 에너지가 없다고 가정할때, 최대 전력 소모에서 최소
펄스 반복율 표2참조(정류기 설계 파라메터)
출력 전력 ≤14kW
출력 펄스 전달 시간(τ2) 표2참조(정류기 설계 파라메터) C1에서 Cp -1까지의 전달의 전류 파형의 곡선 피트로서 정의됨. 함수는 i(t)=A*SIN(π/τ2t)형태이다.
출력 펄스 전달 시간 지터 <5ns 모든 특정 반복율에서의 펄스 대 펄스
펄스 지연을 출력하기 위한 트리거 인 표4(냉 지연 특성) 및 표5(열 지연 특성)참조 정류기로의 트리거 인에서 VCp-1의 하강에지로 측정. 내력 데이터의 통계적 분석에 의해 제한이 설정됨
제 1 단계 리액터의 전압-초 2.4mV-s+/-5% 25°C에서 VC1의 전압-초 적분을 측정
표 4는 정류기로의 트리거 인에서 VCp -1의 하강 에지까지 측정된 냉 상태에서의 지연 특성을 나타낸 것이고, 지연 특성의 제한은 내력 데이터의 통계적 분석에 의해 설정되고, 모듈은 실온(25°C)에서 열평형이 된다고 가정하고 동작한다.
전압 표준 냉 냉 상한 냉 하한
800 5.9087E-06 6.2042E-06 5.6133E-06
850 5.6992E-06 5.9841E-06 5.4142E-06
900 5.5076E-06 5.7830E-06 5.2323E-06
950 5.3382E-06 5.6051E-06 5.0713E-06
1000 5.1873E-06 5.4467E-06 4.9280E-06
1050 5.0530E-06 5.3056E-06 4.8003E-06
1100 4.9307E-06 5.1772E-06 4.6841E-06
1150 4.8184E-06 5.0593E-06 4.5775E-06
1200 4.7174E-06 4.9533E-06 4.4816E-06
표 5는 구성요소가 열평형에 이르도록 하는데 충분한 시간 동안 전체 전압과 반복율로 동작하는 모듈에 의해 정의된 열 상태에서의 지연 특성을 나타낸다.
전압 표준 열 열 상한 열 하한
800 5.7266E-06 6.0130E-06 5.4403E-06
850 5.5322E-06 5.8088E-06 5.2555E-06
900 5.3589E-06 5.6268E-06 5.0909E-06
950 5.2022E-06 5.4623E-06 4.9421E-06
1000 5.0636E-06 5.3617E-06 4.8104E-06
1050 4.9367E-06 5.1835E-06 4.6899E-06
1100 4.8232E-06 5.0644E-06 4.5821E-06
1150 4.7195E-06 4.9555E-06 4.4836E-06
1200 4.6257E-06 4.8570E-06 4.3945E-06
C0캐패시터 뱅크(232)는 공진 충전기(230)로부터 펄스 충전을 공급받는다는 것을 이해할 것이다. 전압은 고체 스위치(254, 254')가 LC(222)내의 FCP(252)로부터 트리거 신호에 응답하여 닫힐 때까지 이러한 캐패시터 뱅크C0(232)에서 유지될 것이다. 임계 파라메터는 dc 전압 저항, dV/dt, 및 피크 전류 용량이다. 고체 스위치(254, 254')는 FCP(252)로부터의 트리거 명령될 때까지 C0상의 전압을 유지하고 트리거 신호가 수신되면 각각의 스위치(254, 254')는 닫혀서, 각각의 충전 인덕터LCH A 및 LCH B, 그리고 LCH A' 및 LCH B'를 통하여 C0(232)를 C1(256)에 연결한다. 임계 파라메터는 dc전압 저항, dV/dt, 상승 시간으로의 전환, 지연으로의 전환, 지터로의 전환, 및 피크 전류이다. 각각의 차단 다이오드(D1-D4 및 D5-D8)은 전극이 방전된 후 역전되는 동안 임의의 전압이 다시 C1에 인가되는 것을 차단한다. C1이 정극성 전압을 가지면, 차단 다이오드(D1-D4 및 D5-D8)는 도전하여 전압이 각각의 충전 인덕터LCH A 및 LCH B, 그리고 LCH A' 및 LCH B를 통해 C0에 전달될 것이다. 전압이 역전되기 시작하면 차단 다이오드(D1-D4 및 D5-D8)는 오프로되어 C0상의 전압을 유지하고 RC가 다음 방전을 위해 각각의 C0를 충전해야 하는 량을 감소시키고, 또한 시간을 보전하고 효율을 향상시킨다. (도시 안된) 전압 감지 회로가 LC(222)내의 LCP(220)로, C0에 대한 충전량을 지시하는 신호를 제공하고, LCP는 다음 방전에 필요한 충전량을 계산하고 이에 따라 신호를 RC(230)에 제공한다. 임계 파라메터는 dc전압 저항, dV/dt, 역방향 회복 시간, 및 피크 전류이다. 바이어싱 네트워크는 포화를 보조하기 위해 제공된다. 2세트의 포화 보조가 제공된다. LSA2를 포함하는 첫번째는 예컨대 Powerex사가 제작한 CM800HA-34H와 같은 IGBT일 수 있는 각각의 고체 스위치가 완전히 닫힐 때까지 전류를 차단한다. LSA1을 포함하는 두번째는 역전하는 동안 각각의 차단 다이오드(D1-D4 및 D5-D8)가 완전히 회복될 때까지 전류를 차단한다. 임계 파라메터는 포화 시간 및 온도에 의한 드리프트이다.
각각의 충전 인덕터LCH A 및 LCH B(258A, B) 그리고 LCH A' 및 LCH B(258A', B')는 전달 설정하고 고체 스위치(254, 254')와 차단 다이오드(D1-D4 및 D5-D8)에서 피크 전류를 제한한다. 이러한 충전 인덕터LCH A 및 LCH B, 그리고 LCH A' 및 LCH B는 모든 스트레이 인덕턴스와 권선 인덕턴스를 포함한다. C1캐패시터 뱅크(256)에서 전압은 이 캐패시터 뱅크C1(256)에서 각각의 고체 스위치(254, 254')가 닫힐 때까지 유지된다. 임계 파라메터는 dc전압 저항, dV/dt, 및 피크 전류 용량이다. 제 1 단계 포화 리액터(270)에 대하여, 임계 파라메터는 볼트-초 홀드오프, 권수당 볼트, 델타B이다. 펄스 변압기(240)에 대하여, 임계 파라메터는 볼트-초, 권수당 볼트, 델타B이다. RS2, CS1, 및 RS1 또는 D2, 3, 4, 5, 6, 7, 또는 8에 부착된 등가회로를 포함한 다이오드 스너브 회로에 대하여, 임계 파라메터는 전력, 전압 및 전류 비이다. C1에 대한 R1, D9, 및 C2에 대한 R2, D10을 포함하는 C1 및 C2 블립 스너브 회로에 대하여, 임계 파라메터는 전력, 전압 및 전류 비이다.
SSPPM(200)에 의해 사용된 몇몇 신호는,
1. VC0전압 파형을 나타내는 버퍼링된 아날로그 신호를 포함하는 VC0전압 모니터 신호(J1)를 포함한다. 이 신호는 C0(400kΩ±1%톱 레그 x 4.01kΩ±1%바텀 레그)에 바로 연결된 (도시 안된) 저항 전압 디바이더로부터 유도될 수 있다. 스케일 요인은 레이저 제어기(222) 및/또는 부착된 (도시 안된) 오실레이터내의 종단 임피던스의 함수일 수 있다. 등가 종단 임피던스가 400kΩ보다 크면 스케일 요인는 100V당 1V일 것이다.
2. 또한 상기 신호는, 레이저 제어기(222)에 의해 모니터링하기 위한 VC1전압 파형을 나타내는 버퍼링된 아날로그 신호일 수 있는 VC1전압 모니터 신호(J2)를 포함한다. 이 신호는 C1(5kΩ±1%톱 레그 x 49.9Ω±1%바텀 레그)에 바로 연결된 (도시 안된) 저항 전압 디바이더로부터 유도될 수 있다. 스케일 요인는 레이저 제어기(222) 및/또는 부착된 (도시 안된) 오실레이터내의 종단 임피던스의 함수일 수 있다. 등가 종단 임피던스가 50Ω과 같으면 스케일 요인는 201V당 1V일 것이다.
3. 또한 상기 신호는, 예컨대, 싱크 아웃 신호를 발생시키기 위해, 레이저 제어기(222)에 의해 사용될 수 있는, C1 및 C2(dI/dt)간의 전류 흐름의 시간 도함수를 나타내는 버퍼링된 아날로그 신호일 수 있는 BDOT신호(J3)를 포함한다. 이 싱크 아웃 신호는 펄스 변압기(240)의 1차 권선측옆에 위치한 (도시 안된) 자기장 픽업 루프로부터 유도될 수 있다. 이 신호의 진폭은 레이저 제어기(222) 및/또는 부착된 (도시 안된) 오실레이터내의 종단 임피던스의 함수일 수 있다. 등가 종단 임피던스가 50Ω과 같으면 풀 스케일 진폭은 충전 전압에 따라 ~1.5-5V일 것이다. 이 신호는 참고로 단독으로 사용될 수 있다.
4. 또한 상기 신호는, 레이저 제어기에 의해 모니터링하기 위한 VC2전압 파형을 나타내는 버퍼링된 아날로그 신호일 수 있는 VC2전압 모니터 신호(J4)를 포함한다. 이 신호는 C2(5kΩ±1%톱 레그 x 49.9Ω±1%바텀 레그)에 연결될 수 있는 펄스 변압기(240)의 1차 권선 측에 연결된 (도시 안된) 저항 전압 디바이더로부터 유도된다. 스케일 요인는 제어 모듈 및/또는 부착된 오실레이터내의 종단 임피던스의 함수일 수 있다. 등가 종단 임피던스가 50Ω과 같으면 스케일 요인는 201V당 1V일 것이다.
5. 마지막으로, 상기 신호는 정류기 트리거를 나타내는 버퍼링된 신호일 수 있는 정류기 트리거(J5)를 포함한다.
CAN버스(280) 인터페이스는 68개의 핀 상호접속에 의해 레이저 제어기(222)의 정류기 제어 부분을 정류기 및 RC의 내부 제어기에 연결할 수 있고, 여기서 핀의 각각이 하이상태일때 지시된 상태는 표 7에 도시된 것과 같이 설정된다.
핀 신호 할당 비고
1 에러1 VC0 로우 이것은 오류 로직 신호이고 오픈 콜렉터 액티브 로우이다. 정류기가 트리거를 수신하고 VC0의 전압이 설정된 임계값(700V)보다 낮으면, 정류기 트리거는 비활성화되고 이 오류 신호가 유지될 것이다.
2 에러2 VC0 전압 역전 이것은 오류 신호이고 오픈 콜렉터 액티브 로우이다. 반사된 에너지 전압 역전 펄스가 설정된 임계값(800V)보다 크면, 정류기 트리거는 비활성화되고 이 오류 신호가 유지될 것이다.
3 에러3 VC0 전압 이것은 오류 신호이고 오픈 콜렉터 액티브 로우이다. 정류기가 트리거를 수신하고 VC0의 전압이 설정된 임계값(1500V)보다 높으면, 정류기 트리거는 비활성화되고 이 오류 신호가 유지될 것이다.
4 에러4 사용되지 않음
5 에러5 24V 로우 이것은 오류 신호이고, 오픈 콜렉터 액티브 로우이다. 제어판에 들어가는 24V전력이 19V이하로 떨어지면, 정류기 트리거는 비활성화되고, 이 오류 신호가 유지될 것이다.
6 에러6 새시 온도 이것은 오류 신호이고, 오픈 콜렉터 액티브 로우이다. 정류기 온도가 설정된 임계치(65°C)이상이면, 써모스탯이 트리핑하고, 정류기 트리거는 비활성화되고, 이 오류 신호가 써모스탯이 수동으로 리셋될때까지 유지될 것이다.
7 에러7 리액터 온도 이것은 오류 신호이고, 오픈 콜렉터 액티브 로우이다. 정류기가 트리거를 수신하고 리액터 스위치 하우징의 온도가 설정된 임계치(85°C)이상이면, 정류기 트리거는 비활성화되고, 이 오류 신호가 유지될 것이다.
8 에러8 사용되지 않음
9 에러9 사용되지 않음
10 에러10 사용되지 않음
11 에러11 사용되지 않음
12 에러12 사용되지 않음
13 에러13 사용되지 않음
14 에러14 사용되지 않음
15 에러15 사용되지 않음
16 에러16 사용되지 않음
17 GND I/O 그라운드
18 상태1 전력ON 인디케이터 액티브 로우
19 상태2 총 오류 액티브 로우
20 상태3 사용되지 않음
21 상태4 사용되지 않음


22 상태5 사용되지 않음
23 상태6 사용되지 않음
24 상태7 사용되지 않음
25 상태8 사용되지 않음
26 GND I/O 그라운드
27 제어1 레이저 온 이 신호가 올라갈때 내부적으로 래칭된 오류를 제거한다
28 제어2
29 제어3
30 제어4
31 제어5
32 제어6
33 제어7 자체 테스트 활성화 랩-어라운드 테스트 모드 구현
34 제어8 자체 테스트 데이터 신호를 인공 유지 비트에 기록
35 GND I/O 그라운드
36 주소1 하드와이어 프레임 위치ID 정류기 제어판내의 0하드배선
37 주소2 하드와이어 프레임 위치ID 정류기 제어판내의 0하드배선
38 주소3 하드와이어 프레임 위치ID 정류기 제어판내의 0하드배선
39 주소4 하드와이어 프레임 위치ID MO정류기에 대한 0
PA정류기에 대한 1
40 GND I/O 그라운드
41 구성1 DS식별칩 라인 달라스 반도체 칩 DS2430A
42 구성2 사용되지 않음
43 구성3 사용되지 않음
44 구성4 사용되지 않음
45 GND I/O 그라운드
46 CAN+5V 광아이솔레이터의 CAN측에 전원공급에 사용됨
47 GND I/O 그라운드
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57 +24V 호스트 모듈로부터 CAN까지 +24V
58 +24V 호스트 모듈로부터 CAN까지 +24V
59 GND 24V 복귀
60 GND 24V 복귀
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SSPPM(200)압축 헤드(250)에 관하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 적어도 4kHz에서의 동작과 28.750kV가 고려된다. 압축 헤드(250)는 정류기(234)로부터 펄스 충전을 공급받아 펄스 상승 시간을 압축하여 각각의 챔버(10, 20)에서 피킹 캐패시터 뱅크(320)에 전달할 수 있다. 압축 헤드(250)는 C1캐패시터 뱅크(256)로 부터 Cp - 1캐패시터 뱅크(272)상에 펄싱 충전을 공급받을 수 있다. 전압은 출력 리액터SR2(310)내 자기 스위치가 포화하고 Cp -1을 Cp로 방전할 때까지 Cp -1상에서 유지된다. 이러한 방전은 도 7에 도시된 바와 같이 펄스 상승 시간을 압축한다. 도 7은 Cp-1이 대략 4.0x10-7초 충전되고 Cp에 대략 1x10-7초 방전하는 것을 도시하고 있다. 도 8은 압축 헤드(250) 모듈의 개요도를 나타내고 있다.
압축 헤드(250) 리액터SR2(310)는 Cp -1이 완전히 충전될 때까지 Cp -1상에서 전압을 차단할 필요가 있다. 이것은, 1.5T의 ΔB를 갖는 0.5mil. 80%-20% Ni-Fe(수퍼말로이) 테이프일 수 있는 코어재를 갖는 포화 리액터(310)에 의해 수행된다.
ΔB=Vτ/(2NAm), 여기서 V=인가 전압, τ=포화되기 전 차단 시간, N=권수, Am=ΔB식에 기초한 코어의 단면적이다. Am=Vτ/2ΔBN에 대하여 풀면,
코어의 단면적은,
Am=h(Ro-Ri)(pf), 여기서 h=코어 높이, Ro=외경, Ri=내경, ph=패킹 팩터=0.7
코어의 체적은,
w=Ro-Ri=Am/h/ph
Cp -1에서 C1로의 전달에 필요한 전체 인덕턴스는 LSp가 되도록 계산될 수 있다. 스트레이 인덕턴스는 중요한 요인일 수 있고, 아래식으로 조정된다.
Lstray=LCp -1
및 Lsat=Ls1-Lstray
코어에 대한 포화 인덕턴스는 아래식에서 계산된다.
Lsat=μ0N2Ac/<1>, 여기서 μ0=4π10-7, N=권수, Ac=Ls식에 기초한 코어의 단면적, <1>=평균 경로 길이.
Ac/<1>=Lsat/μ0N2에 대하여 풀면,
<1>=2π<R>=2π(Ri+(Ro-Ri)/2)=π(Ro+Ri)
Ac=Am으로 설정하면, <1>가 계산될 수 있다.
(Ro+Ri)=<1>/π
코어 손실은 아래식에서 계산될 수 있다.
손실/펄스=Vol(HcΔB+(wtΔB)2/4ρτ), Vol=Hπ((Ro)2-(Ri)2), Hc=.22A/m, wt=테이프 두께, ρ=물질 저항, τ=충전 시간.
압축 헤드(250)는 또한, 상기한 것과 마찬가지의 바이어싱 포저 소스(314)와 한 쌍의 바이어스 인덕터(L1 및 L2)로 구성되는 바이어싱 네트워크(312)를 포함하고, 이것은 자기 재료의 완전한 플럭스 스윙을 사용자에게 보장하도록 포화 리액터SR2(310)를 바이어싱한다. 또한 코어를 바이어싱하는 예상가능한 방법을 가능하게 하고 예상가능한 동작과 타이밍 제어를 가능하게 한다. 또한 리액터에 대한 바이어스 회로를 완성하는 기능을 하는, 저항(R1)을 통해 그라운드에 연결된 한 쌍의 인덕터(L3 및 L4)를 포함하는 회로(316)를 포함하기도 한다. 리액터에 직접 수냉 경로를 허용하는 부가 기능도 있다.
표 8은 통풍 흐름 요건을 나타낸 것이고, 표 9는 냉각수의 요건을 나타낸 것이다.
통풍 조건
통풍 흐름 속도 50 I/s
권장 통풍 흐름 속도 50 I/s
수냉 조건
수류 범위 1-3 I/분
권장 수류 유속 2 I/분
물 온도 15-25°C
수압 고정 618kPa(75psig)
수압 델타 125kPa(15psig)
표 10은 몇가지 성능 스펙을 나타낸다.
파라메터 제품 스펙 테스트 정의/설명
입력
HV입력 전압 -18.75kV 내지 -28.75kVdc 750V 내지 1150V충전 전압
HV입력 전류 ≤1050A
HV입력 캐패시턴스 9.68nF+/-10%
HV입력 충전 시간 ≤420ns 충전이 개시될때와 HV입력 캐패시턴스가 최대 입력 전압으로 충전될때사이의 시간 간격으로 정의됨. 공진 주파수는 공진 충전기 직렬 인덕턴스와 정류기 HV입력 캐패시턴스에 의해 정의됨.
보조 입력 전압 5Vdc+/-10%
보조 입력 전류 ≥5.5Adc
최대 보조 입력 전류 12Adc
팬 전력 24Vdc
웜 업 시간 ≤5초 보조 전력을 인가한 시점부터 정류기가 풀 전압, 풀 전력 동작을 준비하는 시간까지의 시간으로 정의됨
출력
출력 전압 -18.75kV 내지 -28.75kV
효율 85% 반사 에너지가 없다고 가정하면, 최대 전력 소모에서 최소
부하 캐패시턴스 11.88nF+/-10%
펄스 반복율 0-4000Hz
출력 전력 ≤22kW
출력 펄스 전달 시간 60ns공진 충전 π/ω전달 시간
출력 펄스 전달 시간 지터 <1ns 모든 명기된 반복율에서 펄스 대 펄스
HVPS(204)와 SSPPM의 나머지와의 상호작용에 관하여, HVPS는 레이저 오프시부터 대기시까지 10초의 카운트다운동안 AC전력을 수신하고, 공진 충전기(230)로부터 HV활성 명령을 수신하고, DC고전압을 공진 충전기(230)의 입력부에 제공한다. HVPS는 수냉식으로 냉각될 수 있고, 내부 공기 순환 팬을 갖는 밀폐 섀시에 하우징될 수 있다.
공진 충전기(230)는 CAN(280)상에서 레이저 제어기(222)로의 고속 HV데이터 시리얼 링크를 통해 프로그램 전압을 공급받을 수 있다. RC(212)는 HVPS(204)에 HV활성 명령을 발생시키고 HVPS(204) 또는 모듈(204, 204')로부터 입력 고전력 DC전압을 공급받을 수 있다. RC(230)는 또한 각각의 MO(10) 및 PO(20) 압축 헤드(250 및 250')를 위한 압축 헤드 바이어스 전력 공급장치를 포함할 수도 있다. RC(230)는 또한, 상기한 LCP(220)에 의해 결정된 프로그램 전압 레벨로 정확하게, 각각의 정류기(234, 234')내의 C0캐패시터 뱅크(210)(2채널, 다이오드 절연된)를 충전시킬 수도 있다. RC(230)는 또한 다음 충전 사이클까지 전류와 같은 반사 에너지를 저장할 수도 있다. RC는 수냉식으로 냉각될 수 있고, 예컨대 외부 팬에 의해 공냉식으로 냉각될 수 있다.
MO용으로 한개, 그리고 PA용으로 한개인, 정류기(234, 234')는 단일 공진 충전기(230)로부터 HV충전을 공급받고 고속 HV펄스를 압축 헤드(250, 250')에 전달할 수 있고 수냉식으로 냉각될 수 있고, 예컨대 외부 팬에 의해 공냉식으로 냉각될 수 있다.
MO용으로 한 개, 그리고 PA용으로 한 개인, 압축 헤드(250, 250')는 각각의 챔버(10, 20) 정상부에 장착될 수 있고 각각의 정류기(234, 234')로부터 고속 HV펄스를 공급받고 최종 펄스 압축을 수행하며, 고속 상승 시간 HV펄스를 레이저 방전을 위한 각각의 챔버(10, 20)상의 각각의 피킹 캐패시터(320, 320')에 전달할 수 있다.
HVPS(204) 전력 모듈은 RC(230)내 부하 캐패시턴스 C-1(210)에 전류원으로서 기능할 수 있다. 동일한 전류 할당몫을 갖는, 보다 높은 평균 전력에서 동일한 충전 전압을 제공하도록 병렬 연결된 다중 HVPS(204)출력부 및/또는 다중 HVPS(204)모듈이 사용될 수 있다. HVPS(204)전력 모듈은 공진 충전기(230)로부터의 신호에 의해 활성화될 수 있다. 공진 충전기(230)는 레이저 제어기(222)로부터 레이저 온 명령을 수신하고 대시기부터 레이저 온 시까지 10초의 카운트다운 개시시에 HVPS(204)출력을 활성화시킬 수 있다.
HVPS(204)는 입력 AC전압에서 상대적인 요동 제거를 수행하고, 단일 전력 요인를 얻으며, 입력 AC라인상에 흐르는 보다 높은 고조파를 제거하기 위해, 전력 공급 장치분야에서는 잘 알려진 전력 요인 수정법("PFC")을 사용할 수 있다. HVPS(204)의 내부 DC버스 전압은 PFC에 의해 대강 조절될 수 있다. DC버스로부터의 전류는 (도시 안된) H-브리지 인버터를 경유하여 HVPS(204)내의 (도시 안된) 승압 변압기의 1차 권선측을 통해 번갈아 스위칭될 수 있다. HVPS(204)내의 (도시 안된)변압기의 AC출력은 DC로 정류될 수 있다. 출력 전압이 몇몇 소정의 원하는 출력 전압 레벨보다 낮은 한, 출력 전류는 HVPS(204)로부터의 제어 출력 전류를 유지하기 위해 (도시 안된) 로컬 제어 로프에 의해 모니터링될 수 있다.
표 11은 HVPS(204)에 대한 몇몇 성능 스펙을 나타낸다.
참조번호 특성 범주
8.1.1 출력 전압 -800(부극성)
8.1.2 평균 출력 전력 30kW
8.1.3 평균 출력 전류 30kW평균 출력 전력에서 37.5A
8.1.4 입력 전압 400VAC-480VAC 명목전압
허용오차:+/-10%
절대치 범위: 360VAC-528VAC
Wye 3상 +GND(HVPS에 의한 것은 아닌, 레이저 프레임에 사용된 뉴트럴)
8.1.5 유입 전류 1사이클에 대하여 평균 동작 전류이하
8.1.6 최소 전력 요인 0.95
8.1.7 크레스트 요인 임의의 2상간 풀 출력 전력에서 진성 부하에 대하여 <2:1
8.1.8 (AC전력 인가후의) 턴온 시간 최대 10초
8.1.9 (HV활성의 유지후) 충전 시간 최대 5초
8.1.10 에너지 덤프 조건 HVPS출력 필터 캐패시터는 8초의 셧다운내에서 42V이하, 10줄 이하로 방전하여야 한다(HV활성화의 제거 또는 AC전력의 제거). 이 조건은 RC덤프 회로에 의해 충족될 수 있다.
8.1.11 최소 효율 0.85
8.1.12 부하 캐패시턴스 >1000㎌
8.1.13 응답 시간 100㎲
8.1.14 전압 정확도 +/-1%
8.1.15 전압 정확도 드리프트 20,000시간내에 0.5%
8.1.16 조절 최소 +/-1%
8.1.17 전아 제어 디폴트 -800V DC
프로그램 전압계를 통한 보조 전압 제어. 전압 범위는 적어도 100V. 스펙 8.1.14, 8.1.15 및 8.1.16은 보조 전압 제어에는 맞지 않음
8.1.18 피크 출력 전류 보통 1%조절에 요구되는 것과 같음
HVPS(204)의 최대 동작 전압, 800V, 에서, 매 250㎲, 1033㎌의 (도시 안된) 부하 캐패시터로부터 최대 8.3J의 에너지가 회수될 수 있다. 부하 캐패시터의 전압은 전극으로 펄스 방전하는 동안 조절되지 않고 표류하도록 할 수 있지만, 다음 방전 펄스전에, 전압은 표 11에 나타난 바와 같이 명기된 조절내로 복구되어야 한다. 단 95㎲내에서는 부하 캐패시터로부터 8.3J이하가 회수될 수 있다. 방전 펄스는 250㎲정도 떨어져서 일어날 것이다. 조절 스펙(8.1.17)은, 고정 동작동안 및 제 1 및 제 2 펄스간, 제 2 및 제 3 펄스간 등 초기 고도 응답동안 모든 동작 조건, 펄스당 8.3J이하에 적용된다.
전력 오실레이터
도 1A와 4에 도시된 전력 오실레이터(10)는 미국 특허 제 5,023,884호, "COMPACT EXCIMER LASER", 및 미국 특허 제 6,128,323호에 개시된 것과 같은 종래 ArF레이저와 많은 면에서 유사하고 미국 특허 출원 제 09/854,097호에 개시된 ArF레이저와는 실질적으로 동일하다. 그러나, 그 일부가 본 명세서에 반복되는, 미국 특허 제 6,625,191호에 개시된 바와 같이 종래의 레이저에 대한 개선에 의해 4000Hz이상에서 동작을 가능하게 한다. 전력 오실레이터(10)는 (도시 안된) 한쌍의 긴 전극이 위치된 방전 챔버(12)를 포함할 수 있고, 상기 한 쌍의 전극은 길이가 대략 50cm이고 대략 0.5인치 정도 이격되어 있다. (도시 안된) 팬과 (도시 안된) 열 교환기가 각각의 가스 방전 펄스를 위한 전극간에 신선하고 이온화하지 않은 가스를 제공하도록 레이저 가스를 순환시키고 챔버로부터 열을 제거한다. 챔버(12)는 CaF2와 같은 고 손상 내성 물질로 만들어진 (도시 안된) 윈도우 유닛을 포함할 수 있다. 챔버는, 예컨대 1%의 제논, 염소등의 0.1%의 할로겐 및 나머지 네온의 혼합 가스인 레이저 가스를 포함할 수 있다. 할로겐은 0.03-0.1%사이의 범위, 예컨대 0.05%의 염화수소 형태로 주입될 수 있다. 제논은 0.2-1%사이의 범위, 예컨대 0.3%로 네온과 균형을 맞추어 주입될 수 있다. 전체 압력은 300-500kPa사이에서, 예컨대 대략 420kPa로 유지될 수 있다. H2는 때때로 0.2% 내지 0.5%범위내로 HCl의 손실을 역전시키기 위한 촉매로서 사용될 수 있다. 공진 캐비티가 출력 커플러(16)에 의해 생성될 수 있고, 출력 커플러(16)는 CaF2로 구성되고 출력 레이저 펄스 빔 경로에 수직 장착된 미러를 포함할 수 있고 308nm에서 대략 광의 30%를 반사시키고 308nm광의 대략 70%를 통과시키도록 코팅될 수 있다. 공진 캐비티의 대향하는 경계에는 CaF2로 제작될 수 있는 전반사 미러(18)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전력 오실레이터(10)와 전력 증폭기(20)에 대한 주 충전 캐패시터 C0 뱅크(232)는 지터 문제를 감소시키도록 평행하게 충전될 수 있다. 이것은 PO와 PA를 위한 두개의 펄스 전력 시스템(200)의 펄스 압축 회로(234, 250)내의 펄스 압축을 위한 시간이 충전 캐패시터 C0 뱅크(232)의 충전 레벨에 좌우될 수 있기 때문이다. 펄스 에너지 출력은 충전 캐패시터 C0 뱅크(232)상의 초기 충전 전압의 조절에 의해 펄스 대 펄스로 제어되어야 한다. 레이저 가스압과 Cl2의 농도 또한 넓은 범위의 펄스 에너지 증가와 레이저 가스압에서 바람직한 빔 파라메터를 얻도록 제어될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 오실레이터(10)를 위하여, 충전과 광 방출 사이의 시간은 Cl2 농도(0.5 내지 1ns/kPa)의 함수이고 따라서 Cl2의 농도는 타이밍을 변경하도록 충전될 수 있다. 이것은 당업계에 잘 알려져 있는 것처럼 염소가 소모될 때 원하는 농도를 유지하도록 플루오르 함량을 변경시키거나, 플루오르 기반 레이저와 마찬가지로, 이 또한 당업계에 잘 알려져 있는 것처럼, 서서히 소모되는 염소 함량 때문에 타이밍 조건을 연속적으로 갱신하도록 이전 펄스로부터 정보를 사용함으로써 설명될 수 있다.
전력 증폭기
전력 증폭기(20)는, 대응 전력 오실레이터(10) 방전 챔버(12)와 필연적으로 동일한 레이저 챔버(22)로 구성될 수 있다. 두 개의 별개의 챔버를 구비함으로써 파장 및/또는 대역폭과 별개로, 큰 범위로 펄스 에너지와 통합 에너지를 일련의 펄스 (도스로 불리는) 제어를 용이하게 한다. 이것은 더 나은 도스 안정도 및/또는 펄스 대 펄스 안정도를 가능하게 하는 것을 보조할 수 있다. 두 개의 챔버는 PO(10)내의 오실레이션 출력 전력과 Pa(20)내의 PO(10) 출력의 증폭을 최적화하기 위해 실질적으로 동일한 가스 혼합과 실질적으로 동일한 압력으로 동작될 수 있다. 챔버의 모든 구성요소는 동일하고 제조 공정에서 바뀔 수 있다.
PO 및 PA에 대한 압축 헤드(250)가 실질적으로 동일한 반면, 압축 헤드(250)의 캐패시터 Cp -1 뱅크(272)는 PA(20)보다 PO(10)에 대하여 보다 넓게 위치될 수 있는데, 이는 PA(20)에 비해 실질적으로 높은 인덕턴스를 발생시키기 위함이다. 챔버(12, 22)의 밀접한 유사성과 펄스 전력 시스템(200)의 전기적 구성요소는 펄스 형성 회로의 타이밍 특성이 동일하거나 실질적으로 동일하여 지터 문제를 최소화하는 것을 보조할 수 있다.
전력 증폭기(20)는 PA(20)의 전극 간 방전 영역을 통해 적어도 두 개의 빔 통로를 위해 구성될 수 있다. 공진 캐비티를 갖는 오실레이터인 PO는 출력 레이저 빔 펄스로 나타나기 전에 PO(10)의 공진 캐비티의 나머지와 챔버를 통해 수회 진동할 수 있는 빔을 갖는다. 이후 이 빔은 미러(14)에 의해 PA(20)로 반사될 수 있다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 미러(24)는 챔버(20)의 중심선축에서 약간 비껴나있고 PO로부터의 출력 레이저 광 펄스 빔을 PA의 챔버(20)를 통하여, 애노드/캐소드 전극 쌍(이 중 하나는 나머지 하나보다 더 길고, 따라서 중앙점이 두개중 보다 짧은 것에 의해 결정될 수 있다)의 길이의 대체로 중앙점에서 (도시 안된) 전극과 교차하는 각으로 반사시킨다. 이후 빔은 챔버(20)의 후방 윈도우에 나타나고 두개의 전반사 미러(26a 및 26b)를 포함하는 빔 복귀 유닛으로 들어간다. 상기 전반사 미러(26a 및 26b)는 PA의 챔버(20)를 통하여 빔을 길이방향의 방전 중심선 축을 따라 반사시킬 수 있고, 여기서 상기 길이방향의 방전 중심선 축은 긴 전극에 의해 형성된 길이방향 중심선 축 또는 방전 영역과 일치하고 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 자체의 길이방향 중심선 축에 일치할 수 있다. 전극 자체의 길이방향 중심선 축에 의해 정렬되건 아니건 전극간 길이방향의 방전 중심선 축은 PA로부터의 출력 레이저 광 펄스 빔의 광축을 출력 커플러(28)와 빔 모니터링 유닛(30)을 통하여 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방전 전압은 바람직하게는 원하는 펄스와 도스 에너지 및 안정도를 유지하기 위해 펄스 대 펄스로 선택될 수 있다. 예컨대, 전체 가스압과 같은 기타 레이저 동작 파라메터와 함께 Cl2의 농도는 충전 전압의 원하는 동작 범위를 유지하기 위해 주기적으로 모니터링되고 조절될 수 있다. 이러한 원하는 범위는 전압에 의한 에너지 변화가 기타 요인인, Cl2 농도 및 레이저 가스압의 함수일 수 있기 때문에 원하는 dE/dV값을 일으키도록 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 주입 타이밍은 충전 전압에 기초할 수 있다. 주입 주파수는 바람직하게는 조건을 비교적 일정하게 유지하기 위해 높을 수 있고, 원하는 조건을 유지하기 위해 연속 주입이 일시적으로 중지할 필요가 있다면 적당한 조절에 의하여 필연적으로 연속적이거나 거의 연속적일 수 있다.
방전 타이밍
PO와 PA내의 전극간 전기 방전은 대략 50ns 지속할 수 있고, 이것은 대략 50ns의 전극 간 전기 방전으로부터 일어난다. 이러한 방전은 지속 동작을 위해 필요한 밀도 반전을 일으키지만 본 발명은 전기 방전 시간 동안만 존재한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 주입 시딩 POPA레이저 시스템의 중요한 조건은 PO(10)로부터 시드 빔이, 레이저 가스내에서 밀도가 반전되어 시드 빔의 증폭이 일어날 수 있는 대략 1초에 50ns동안 PA의 방전 영역을 통과하는 것을 보장한다. 정확한 방전 타이밍에 있어서 중요한 장애요소는 스위치(254)가 닫히도록 트리거되는때(실제로는 그렇게 트리거 될 때 닫히지는 않는다)와 전기 방전의 개시시 사이에 대략 5마이크로초정도일 수 있는 지연이 있다는 사실이고, 여기서 이러한 지연은 대략 50ns지속되어 대략 40-50ns만 지속하는 (밀도 반전을 일으키는) 가스 방전을 일으킨다. 전기 에너지의 펄스가 C0와 전극 간의 회로를 통해 링잉하는데 대략 5마이크로초의 시간 간격이 걸린다. 이러한 시간 간격은 실질적으로 충전 전압의 크기에 따라 그리고 펄스 전력 회로(200)내의 인덕터의 온도에 따라 변할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따라, 약 2ns이하의 상대적 정확도내로 두 개의 방전 챔버(12, 22)의 가스 방전의 타이밍 제어를 가능하게 하는 회로가 제공된다. 두 개의 회로의 블록도가 도 8에 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 본원인은 대략 5-10ns/볼트로 충전 전압의 변화에 대한 특정 타이밍 양상에 기초하도록 선택했다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라, 충전 캐패시터 C0 뱅크(232)를 충전할때와 같이 고전압 전력 공급 장치의 정확도와 반복가능성의 측정과 제어가 상당히 중요할 수 있다. 예컨대, 5ns의 타이밍 제어와 볼트당 10ns의 민감도 변화에 대하여, 해상도 정확도는 0.5볼트일 필요가 있다. 1000V의 명목 ;충전 전압을 위해, 이것은 0.05%의 충전 정확도를 요하고, 이것은 캐패시터가 초당 4000회의 특정값으로 충전되어야 할 때 특히 달성하기가 매우 어렵다.
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따른, 이러한 문제에 대한 대안의 해결 방법은 도 3, 4 및 8에 도시되고 상기한 것과 같이 단일 공진 충전기(230)로부터 병렬의 PO와 PA의 충전 캐패시터 C0를 충전하여 정확히 동일한 전압으로 둘 다 충전되고 각각이 있을 수 있는 원하는 전압으로부터의 동일한 에러를 공유하게 하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, PO(10)와 PA(20)에 대한 두 개의 펄스 압축/증폭 회로(234, 250, 242)는 시간 지연 대 충전 전압 곡선이 도 9에 도시된 것과 일치하도록 설계된다. 이것은 가능한 각각의 회로내에 동일한 구성요소를 사용함으로써 가능할 수 있다.
타이밍 변화(이러한 변화는 지터로 불린다)를 최소화하는 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라 양 방전 챔버에 대한 펄스 전력 구성요소는 필연적으로 동일한 구성요소를 가질 수 있고 따라서 시간 지연 대 전압 곡선은 사실 도 9에 나타난 바와 같이 서로 밀접하게 트래킹한다. 충전 전압의 보통 동작 범위에서, 전압에 의한 시간 지연의 실질적인 변화가 있지만 전압에 의한 변화는 사실상 양 회로에 대하여 동일하다. 따라서 양 충전 캐패시터가 평행하게 충전되고 충전 전압은 상대적인 충전 타이밍을 변경하지 않고 넓은 동작 범위로 변할 수 있다. 충전 전압외의 변화에서 조차 타이밍 조건으로 예상가능하고 주의 깊게 바이어싱될 수 있는 자기 스위칭을 사용하여 펄스 전력 시스템이 구성된다는 사실은 병렬 회로에서 타이밍 제어의 동일성과 개선된 타이밍 제어를 가능하게 하는 역할을 할 수 있다. 출력 전력을 유지하기 위해 충전 전압의 영향 변화와 같은 기타 동작 파라메터 또한 PO(10) 및 PA(20)에 대한 병렬 펄스 전력 회로의 각각에서의 동일한 상대적 시간 지연의 유지에 의해, 예컨대 펄스 발생에서의 펄스 대 펄스 및 몇몇 일련의 펄스 발생에 대하여 펄스발생 대 펄스발생의, 단기간에 챔버간 방전의 동일 타이밍의 유지를 가능하게 할 수도 있다.
펄스 전력 회로(200)내의 전기적 구성요소의 온도 제어 또한 중요한데, 그 이유는 온도 변화가 (특히 포화 인덕터에서의 온도 변화) 펄스 압축 타이밍에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명의 일 태양에 따라 제 1 인덕턴스에서의 온도 변화는 최소화되고, 이것은 상기 미국 특허 출원 제 10/607,407호에 설명된 냉각 장치와 기술에 의해 용이하게 될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 온도 민감성 구성요소의 온도는 보상을 위해 트리거 타이밍에 수행된 피드백 제어 조절을 사용하여 모니터될 수 있다. 제어에는 알려진 동작 내력을 갖는 과거 타이밍 변화와 관련된 내력 데이터에 기초하여 조절하는 러닝 알고리즘에 의해 프로그래밍되는 프로세서가 제공된다. 이후 이러한 내력 데이터는 레이저 시스템의 현재의 동작에 기초하여 타이밍 변화를 예상하기 위해 적용된다.
트리거 제어
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라 두개의 챔버(12, 22)의 각각에 대한 전기적 방전(및, 따라서 가스 방전)의 트리거링은, 각각의 회로에 대해 본 명세서에 그 일부가 반복되어 사용되고 있는, 상기 미국 특허 제 6,016,325에 개시된 것중 하나와 같은 트리거 회로를 사용하여 개별적으로 수행될 수 있다. 이러한 회로는 펄스 전력 시스템(200)의 전기적 구성요소내의 충전 전압의 변화와 온도 변화에 대한 수정을 위해 타이밍 지연을 부가할 수 있고, 따라서 트리거와 방전간의 시간은 일응 일정하게 유지된다. 상기한 바와 같이, 두개의 회로는 기본적으로 동일하기 때문에, 수정후의 변화는 거의 같다(즉, 서로 대략 2ns내이다).
상기 미국 특허 제 6,625,191호의 도 6C, D, 및 E에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예의 성능은 전력 증폭기내의 전기 방전이 마스터 오실레이터내의 방전 후 대략 40 내지 50ns정도 일어나면 크게 향상될 수 있다. 본원인은 이러한 마찬가지의 관계가 본 발명의 실시예에 따른 POPA구성이나 POPO구성에 대하여 비교적 동일하게 유지될 것이고 그리고/또는 바람직한 지연이 이러한 도면에 예시된 동일 측정 타입으로부터 경험적으로 마찬가지로 결정될 수 있음을 믿고 있다. 이것은, 전력 오실레이터에서 레이저 펄스가 일어나는데 수나노초가 걸리고 전력 오실레이터로부터 레이저 빔의 전반부가 전력 증폭기에 이르는데 또한 수나노초가 걸리기 때문에 옳다고 생각된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 각각의 PO 및 PA 챔버(12, 22)를 위한 충전 회로의 각각에 대하여 개별 트리거 스위치(254)에 개별 트리거 신호가 공급될 수 있다. 실제 지연은 도 6C, D, 및 E에 도시된 바와 같은 실제 성능 곡선에 기초하여 원하는 빔 품질을 얻기 위해 선택될 수 있다. 변화는 또한 이러한 도면에 반영된 측정치로부터 나타난 바와 같이 가능할 수도 있다. 예컨대, PO(10) 트리거와 PA(20) 트리거간의 지연을 증가시킴으로써, 펄스 에너지의 소비로 보다 긴 펄스가 얻어질 수 있다.
방전 타이밍을 제어하기 위한 기타 기술
상기 도 6C, D, 및 E그래프에 나타난 바와 같이 상대적인 방전 타이밍은 빔 품질에 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에, 방전 타이밍을 제어하는데 부가적인 조치가 있을 수 있다. 예컨대, 매우 큰 듀티 사이클(레이저 시스템이 펄싱할때와 펄싱하지 않을때의 전체 시간에 펄싱하는 비율)에서 초고 전력에서와 같이, 특정 모드의 레이저 동작이면, 충전 타이밍 제어를 복잡하게할 수 있는, 충전 전압에서 넓은 스윙 및/또는 인덕터 온도에서 넓은 스윙을 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 방전 타이밍이 펄스 대 펄스마다 모니터될 수 있고 시간차, 예컨대 tamp-tosc는 각각의 스위치(254)를 닫는 각각의 트리거 신호의 타이밍을 조절하기 위해 피드백 제어 시스템에서 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, PA(20) 챔버 방전의 파라메터는 레이저 펄스보다는 (예컨대 ASE로부터의) 방전 형광을 관찰하기 위해 포토셀을 사용하여 모니터될 수 있는데, 이것은 매우 불량한 PO(10), PA(20) 타이밍이 PA(20)에서 발생되는 레이저를 거의 또는 전혀 일으키지 않을 수 있기 때문이다. MO에 대하여 ASE나 시드 레이저 펄스는 MO가 PA를 위해 필요한 에너지를 제공했다는 것을 나타내고 MO가 Pa를 위해 필요한 에너지를 제공했다는 것을 나타내기 위해 사용될 수 있다. MO에너지가 정확하고, PO에너지가 낮고 ASE가 높다면, 시간차 tamp-tosc는 최적이 아님을 유추할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 펄스 타이밍은, 도 4의 인덕터(LCH)와 도 7의 부재번호(310)에 대한 바이어스를 제공하는, 도 5의 포화 인덕터(LSA1 및 LSA2) 및/또는 도 7의 인덕터(L1과 L2 또는 L2와 L4)를 통해 바이어스 전류를 조절함으로써 증감될 수 있다. 이러한 인덕터를 포화시키는데 필요한 시간을 증가시키기 위해 기타 기술이 사용될 수 있다. 예컨대, 펄스 타이밍 모니터로부터 피드백 신호에 기초하여 제어되는 피드백일 수 있는 초고속 응답 PZT소자에 의해 코어 재료가 기계적으로 분리될 수 있다. 또한, 조절가능한 기생 부하가 C0캐패시터 뱅크(210) 아래, 펄스 전력 회로의 하나 또는 그 둘에 부가될 수 있다. 펄스 타이밍 모니터 신호에 더하여, 충전 전압 및 인덕터 온도 신호는 피드백 제어에 사용되어 상기한 트리거 타이밍의 조절에 더하여 상기한 바이어스 전류 및/또는 코어 기계적 분리를 조절할 수 있다.
레이저 시스템 출력 광 펄스의 버스트동안 또는 버스트사이에 정지기간의 길이 또한 PO(10)와 PA(20)의 펄스 전력 시스템간의 상대적인 타이밍에 영향을 미칠 수 있고 MO(10)로부터 시드 빔이 원하는 위치에 있을때 PA(20)에서 방전이 일어나도록 하기 위해 트리거 제어에서 조절되어야만 할 수 있다. 전기 방전을 위한 트리거 신호와 각각의 챔버로부터 광방출 타이밍을 모니터링함으로써 레이저 운용자는 트리거 타이밍을 (대략 2ns내로 정확하게) 조절하여 최상의 성능을 얻을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 바람직하게는 이것은 레이저 제어기(252)에 의해 수행될 수 있는데, 이러한 레이저 제어기(252)는, 상기한 것과 같은 경험적으로 유도된 그래프로부터 나온 데이터와 상기 레이저 동작 파라메터 신호의 지시에 따른 것 사이에서 타이밍과 빔 품질을 모니터하고 최상의 성능을 위해 자동적으로 타이밍을 조절하도록 프로그래밍될 수 있다. 보다 상세하게는 다양한 설정의 동작 모드와 파라메터에 적용가능한 빈(bin) 값의 설정을 발전시키는 타이밍 알고리즘이 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따른 이러한 알고리즘은, 상기 미국 특허 제 6,067,306호에 상세히 설명된, (바로 이전 펄스와 같은) 하나 이상의 이전 펄스에 대하여 수집된 피드백 데이터에 기초하여 전류 펄스에 대한 타이밍 값이 설정되는 연속 동작동안 피드백 제어로 스위칭하기 위해 이용될 수 있다.
대안의 펄스 전력 회로
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 또다른 펄스 전력 회로(200)가 고려될 수 있다. 이러한 회로(200)는 보다 높은 값으로 C0를 충전하기 위해 보다 높은 전압 전력 공급장치를 사용할 수 있다는 점 외에는 상기한 것과 동일하다. 상기 실시예에서와 같이, 고전압 펄스 전력 공급 유닛(200)은 230 또는 460볼트 AC의 공장 전력으로 동작하고 상기한 바와 같은 고속 충전 공진 충전기(230)를 위한 전력원일 수 있고 4000Hz이상의 주파수에서, 대략 1100V 내지 2250V 범위의 전압으로 두개의 2.17㎌ 충전 캐패시터 C0 뱅크(210)를 정확하게 충전하도록 설계되어 있다. PO(10)를 위한 압축 헤드(250)와 정류기(234)내의 전기적 구성요소는 일응 같은 두개의 회로에서 시간 응답을 유지하기 위해 PA(20)내의 대응 구성요소와 일응 같을 수 있다. 스위치(254)는 도 5에 도시된 바와 같은 두개의 IGBT스위치의 뱅크일 수 있고, 이러한 두개의 IGBT스위치의 각각은 3300V로 측정되고 병렬로 배치되어 있다. C0캐패시터 뱅크(210)는 2.17F의 C0 뱅크(210)를 제공하기 위해 64개의 병렬 레그로 배치된 128개의 0.068㎌ 1600V 캐패시터로 구성될 수 있다. C1캐패시터 뱅크(256)는 2.33㎌의 뱅크 캐패시턴스를 제공하기 위해 68개의 병렬 레그로 배치된 136개의 0.068㎌ 1600V 캐패시터로 구성될 수 있다. Cp -1 및 Cp 캐패시터 뱅크(272, 320)는 도 4 및 5를 참조하여 상기한 것과 동일할 수 있다. 포화 인덕터(254)는 4.9인치의 OD와 3.8인치의 ID를 갖는 0.5 인치 두께의 50%-50% Ni-Fe로 구성된 5개의 코어를 갖는 대략 3.3nH의 포화 인덕턴스를 제공하는 싱글턴 인덕터일 수 있다. 포화 인덕터(270)는, 그 각각이 5인치의 OD와 2.28인치의 ID를 갖는 0.5 인치 두께의 80%-20% Ni-Fe로 제작된 5개의 코어로 구성된 대략 38nH의 포화 인덕턴스를 제공하는 2 턴 인덕터일 수 있다. 2 나노초의 타이밍 정확도를 갖는 IGBT(254)를 닫기 위해 (도시 안된) 트리거 회로가 제공될 수 있다. PO(10)는 전력 증폭기(20)에 대한 IGBT(254)의 트리거링전에 대략 40ns 트리거될 수 있다. 그러나, 정확한 타이밍은 마스터 오실레이터의 출력과 전력 증폭기 방전의 타이밍을 측정하는 센서로부터 나온 피드백 신호에 의해 정확하게 결정된다.
상기한 바와 같이, 펄스 파워 시스템내의 자기 펄스 압축의 처리 타이밍은 물질 온도의 함수일 수 있는 자기 재료 특성에 좌우된다. 따라서, 정확한 타이밍을 유지하기 위해, 이러한 물질 특성을 직간접적으로 모니터하고 그리고/또는 예상하는 것이 매우 중요하다. 상기한 한 방법은 타이밍을 예상하기 위해 (온도의 함수로서 지연 시간인) 이전에 수집된 데이터와 함께 온도 모니터를 이용할 수 있다. 대안의 방법은 자기가 펄스사이에 (또는 첫번째 펄스 이전에) 역 바이어싱되었을 때 자기 특성(포화 시간)을 실제로 측정하기 위해 자기 스위치 바이어스 회로를 이용할 수 있다. 바이어스 회로는 재료를 역 바어어싱하기 위해 자기 스위치에 충분한 전압을 인가할 수 있고 이와 동시에 포화 시간을 측정할 수도 있고 따라서 레이저 타이밍은 정확하게 제어될 수 있다. 각각의 스위치를 역 바이어싱하는데 사용되는 볼트-초 제품은 정방향으로 정상적인 방전 동작을 하는 동안 요구되는 것과 같아야 하므로, 펄스 전력 시스템의 처리 지연 시간이 계산될 수 있고, 이에 다음 펄스의 동작 전압을 알 수 있다.
상기 '191특허의 도 5D에 제안된 방법의 개요도가 도시되어 있다. 초기 동작은, 두개의 바이어스 절연 인덕터를 통해 각각의 바이어스 전력 공급장치에 의해 제공된, 특정 자기 스위치가 정방향으로 이미 포화되었다고 가정할 수 있다. 이후 이러한 전류는, 대략 30㎲이후 포화되는 자기 스위치에 대략 100V를 인가함으로써 중단될 수 있다. 전압이 인가될때 타이머가 트리거링될 수 있고 각각의 포화 리액터의 포화를 전류 프로브가 감지할때 카운팅을 멈출 수 있고, 따라서 100V가 인가된 전압에 대한 포화 시간을 계산할 수 있다. 일단 잔여 전압이 회로로부터 배출되었다면, 각각의 포화 리액터는 역 바이어싱되어 주 펄스 방전 시퀀스를 준비한다.
상기 도 6E에 나타난 바와 같이, 출력 펄스 길이는 대략 20ns범위에 있을 수 있고 어느 정도에서는 두개의 전기 방전의 상대적 타이밍의 함수이다. 보다 긴 펄스 길이(기타의 것은 같다)는 레이저 광원 시스템을 포함하는 전체 제조 시스템의 광 구성요소의 수명을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 펄스 길이를 증가시키는데 몇가지 기술이 사용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 방전간의 상대적 시간은 펄스 길이에 대하여 최적화될 수 있다. PO(10)와 PA(20)의 펄스 전력 회로는 상기한 미국 특허 출원 제 09/451,995호에 개시된 것과 같은 기술을 사용하여, 또는 개별 펄스의 세기를 줄이기 위해 PA(20)의 아래 부가될 수 있는 미국 특허 제 6,067,311호에 개시된 것 중 하나와 같은 광 펄스 체배 시스템에 의해 보다 긴 펄스에 대하여 최적화될 수 있다. 챔버는 보다 길게 만들 수 있고 전극은 보다 긴 펄스 길이를 위해 설계된 이동파 방전을 발생시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 펄스 타이밍이 적어도 대략 10-20ns내에 정확하게 있도록 할 수 있는 소위 지터 보상 디바이스(JCD)라 불리는 기술에 의하여 지터 제어가 수행될 수 있다. 충전 전압이 높을 수록 트리거와 레이저 펄스간 지연은 짧아진다. 펄스 전력 시스템내의 자기 디바이스의 온도가 높을 수록, 트리거와 펄스간 지연은 짧아진다. 그러나 알려진 고정 전압과 온도에 의하여, 입력 트리거에 의한 광펄스의 자연적인 펄스 대 펄스 변화는 대략 +/-5ns로 적다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 광원의 사용자로부터 트리거 명령에 응답하여 FCP(252) 또는 LCP(220)에 의해 트리거가 전송된후, 지터 제어를 구현하는 LCP와 같은 제조 도구는 감지된 레이저 동작 충전 전압을 나타내는 신호와 자기재료의 감지된 온도를 나타내는 신호에 대응하는 양에 의해 PO(10) 및 PA(20)의 펄스 전력(200)내의 각각의 고체 스위치(254, 254')에 트리거의 전송을 지연시킬 수 있고, 따라서 결과적인 펄스의 타이밍은 정확히 대략 20ns로 있게 된다. 대안으로 제어기(252)는, 온도 변화에 대한 직접적인 수정없이, 다음 펄스에 대한 명기된 충전 전압에 기초하여 충전 전압의 변화에 대한 전기 펄스의 타이밍을 조절할 수 있다. 그러나, 펄스 버스트내에서 이전 펄스나 일련의 펄스로부터 측정된 타이밍 에러에 기초하여 타이밍을 수정할 수 있다. 자기 구성요소의 온도는 보통 느리게 변하는 것으로 관찰될 수 있기 때문에, 이러한 펄스 타이밍 피드백 기술은 느리게 변하는 온도 효과를 유효하게 보상할 수 있고 이와 동시에 기타 현재 보다 많은 시간 변화 효과에 대한 보상을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예의 일 태양에 따라, 피드백 수정은 한가지 기술을 사용하여 수행될 수 있는데, 이러한 기술은 서로 다른 타임의 감지된 타이밍 에러에 대하여, 예컨대 20ns이상의 큰 타이밍 에러에는 완전한 100%의 수정을 적용하고, 20ns이하의 작은 타아밍 에러에 대하여는 완전 100%수정보다는 낮은 수정, 예컨대 25%의 수정만을 적용하거나 그 이하의 수정을 적용하고, 이것은 몇몇 선택된 수정 계수에 의해 팩터링된 감지 타이밍 에러에 의해 나타난 20ns의 백분율로 인덱싱될 수 있다. 이러한 보다 적은 백분율의 수정은 타이밍 신호의 제로 에러 상태에 대한 진동을 피하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예의 또다른 태양에 따라서, 40MHz수정 오실레이터를 구비한 디지털 카운터를 이용하여 넓은 유동 범위내에서 조차 1ns해상도와 같이 특히 작은 해상도를 얻을 수 있다. 40MHz 오실레이터는 25ns간격으로 클록 신호를 제공할 수 있지만 이러한 신호는 대략 선형인 아날로그 용량성 충전 회로를 충전하는데 사용될 수 있다. 이후 캐패시터의 전압은 대략 1.0ns의 정확한 시간을 결정하기 위해 판독될 수 있다.
개시된 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 특히 레이저 결정화 응용에 잘 적용되는 XeCl레이저를 위해 제공됨을 당업자는 이해할 것이다. XeCl레이저는 하나의 챔버의 출력을 갖는 기존 다 챔버 레이저 기술에 기초하여 입력을 본원인의 기존 제품에서와 같이 다른 XLA제품 라인에 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은 POPA구성이거나 POPO구성일 수 있다.
POPA구성에서, 초고전력 및 에너지(~대략 500 내지 1000W의 평균 전력)로 동작할 수 있는 레이저 시스템이 제공된다. POPA구성에서 레이저 시스템을 동작시킴으로써 전체 효율은 50%만큼 증가될 수 있고, 이것은 또한 신뢰성을 향상시키는데, 이것은 소비재의 비용을 포함한 전체 사용 효율이 구성요소의 소비재의 적어도 하나의 길이, 즉 챔버의 수명에 직접 관련되기 때문이다. 이러한 POPA구성은 또한 본원인의 XLA MOPA레이저와 마찬가지로 에너지 안정도를 향상시킬 수 있는데, 이것은 Pa가 포화 체제 모드로 동작되기 때문이다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 시스템은 에너지 조건이 비교적 높고 안정도 조건이 비교적 많이 요구되는 수퍼 래터럴 그로쓰(SLG) 레이저 결정화 공정에 매우 적합하다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 시스템은, POPO구성에서 특히, 타이밍이 분리될 수 있는 두개의 펄스를 제공하는데 레이저가 사용될 수 있다. 각각의 레이저 PO챔버의 에너지는 펄스 범위당 20 내지 30mJ내에 있을 수 있고 각각의 반복율은 4kHz에 이를 수 있다. 펄스간 ~1 내지 2μsec의 시간 간격에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은 상기한 Kudo등의 논문에 개시되고 스미모토에 의해 제안된 향상된 SLG("aSLG")에 사용될 수 있다. 125μsec에서 펄스간 시간 간격에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은 8kHz로 동작할 수 있고, 따라서 상기한 Kudo등의 논문과 Voutsas의 논문에서 설명되어 있는 바와 같이 많은 연구실에서 개발되고 있는 제어 SLG("cSLG")에 사용될 수도 있다. 오늘날, aSLG와 cSLG는, 충분히 강력하지 않고 주파수 체배를 요하는 다이오드 펌프드 Nd:YAG주파수 체배 레이저와 같은 고 반복율의 녹색 레이저에 의해 수행되는 것으로 생각되고 있다.
~100ns와 같은 극히 짧은 펄스 간격을 사용하는 cSLG에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템의 출력은 매우 긴 펄스 폭을 갖는 2개의 펄스로 나타날 수 있다. 이러한 길이의 펄스는 응고 시간을 줄이고 결정의 품질을 향상시킨다. cSLG와 aSLG를 위한 결과를 향상시킬 수 있는 펄스 스트레처가 사용될 수도 있는데, 이것은 어닐링 공정에서 응고 시간을 지연시킴으로써 결정화 공정에 대해 보다 긴 펄스가 보다 낳고 레이저 시스템의 하부 렌즈를 보호하기 때문이다. 펄스 스트레처는 레이저 시스템 자체의 일부일 수 있고 레이저 시스템 외부의 빔 전달 유닛에 부착될 수 있다. SLG를 수행하기 위해, 예컨대 펄스 대 펄스로 이러한 파라메터를 유지하기 위해 빔을 작업대로 전달하는데 출력 레이저 펄스 빔의 포인팅과 포지셔닝을 제어하기 위해 BDU가 유용할 수도 있다.
POPA 레이저 시스템과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 또다른 구성에서 레이저 시스템은 cSLG에 대해 6kHz정도에서 동작될 수 있다. 에너지는 줄어들지만 전력은 200W를 초과하게 된다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따라 출력 레이저 광 펄스 빔은 1차원으로 신장되고 기타 차원으로 포커싱될 수 있다. 이러한 신장된 빔은 본 발명의 일 실시예에 따라 워크피스에 레이저 광을 보내는데 사용된 슬릿으로 사이징될 수 있고 포커싱된 빔의 프로파일은 aSLG에서는 이상적인 가우시안 곡선으로 맞추어질 수 있다.
본 발명의 상기한 실시예에서와 같이 그러나 또한 본 발명의 상기한 실시예에 따라 구성된 XeF, KrF, ArF 및 F2가스 방전 레이저 시스템을 사용하는 다른 중심 파장에서 표면 또는 기판 처리를 포함한 제조 공정에 대한 마찬가지의 응용이 수행될 수 있는데, 상기 표면 또는 기판 처리는, 본 출원의 목적과 청구항의 해석을 위해 간단하게 "표면 처리"로 불리고, 고전력 및 고안정도 조건을 갖는 일체형 회로 웨이퍼상에 포토레지스트를 단순히 광노출하는 것외에, 특히 기판의 침투가 포함되는 기판상에서 또는 기판내에서 유도 결정 성장, 어닐링, 이네이블링, 스티뮬레이팅 또는 화학적 내지 물리적 반응 향상과 같이 처리되는 것을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 본원에 개시된 본 발명의 바람직한 실시예의 중요한 태양은 본원인의 다 챔버 POPA 및/또는 POPOI레이저의 성능 및 종래의 레이저 시스템의 이용으로 야기되는 제조 공정상의 결함을 해결하기 위해 서로 명기된 방법으로 동작하는 두개의 레이저 챔버의 타이밍을 정확히 제어하기 위한 기능의 이용이다. MOPA구성의 본원인의 XLA가스 방전 레이저전에, MOPA 또는 POPA 또는 POPO 가스 방전 레이저는 일반적으로 사용되지 않는데, 그 부분적 이유는 이러한 중요한 타이밍 조건때문이다. 그러나, 현재 본원인의 XLA기술로써, 엑시머 및 분자 플루오르 레이저와 같은 가스 방전 레이저의 이용의 상당한 개선이 가능하여, 차세대 대규모 폴리 실리콘 결정화와 같은 제조 공정의 이용을 가능하게 한다. 본 발명의 태양에 따른 이러한 레이저 시스템은 종래의 레이저 시스템(구성에 따라 500Hz 내지 8KHz)에 비해, 펄스 반복율 체배를 위한 스태거링된 POPO펄스를 제공할 목적을 포함하여 에너지/전력 안정화된 펄스 대 펄스 및 정확한 펄스 타이밍을 갖는, 초고전력(1000W정도), 초고반복율의 신장된 펄스를 제조 워크피스에 전달한다.
본 발명의 실시예는 광학적으로 신장되고 BDU내의 전달을 통해 유리하게 개선될 수 있는, 4KHz이상의 반복율 및 150mJ이상의 펄스로 전달하기 위한 POPA구성 또는 정확한(±3ns) 타이밍과 두개의 펄스(각각의 POPO로부터 각각 한개씩)의 에너지 제어에 의한 POPO를 채용한 체배 펄싱 구성이나 8KHz의 반복율 및 펄스 신장 및 BDU전달에 의한 체배 펄스용의 정확한(±3ns) 타이밍과 펄스 에너지를 전달하는 POPO구성과 같은 다양한 유용한 방식으로 구성될 수 있다. 먼저 POPO예에서는, 8KHz의 전체 펄스 반복율을 위해, 두개의 근접 이격된 펄스에서 각각의 제 1 출력 레이저 광 펄스의 개시간에 1㎲이하의 간격 및 250㎲의 간격으로 비교적 근접하여 펄스가 이격될 수 있다. 이 경우, 워크피스에서의 처리에 8KHz의 반복율에서 125㎲이상 서로 근접하여 이격된 서로 다른 전력 레벨을 갖는 두 단계 처리를 요한다면, 근접하여 이격된 펄스의 각각의 쌍의 제 2 펄스는 125㎲이하로 어떠한 것에 의해 분리될 수 있고 예컨대 보다 낮은 전력 레벨로 서로 다른 레벨일 수도 있다. 두번째 POPO배치에서는, 8KHz펄스 반복율에 대하여 펄스는 균일한 125㎲간격에 의해 균일하게 분리될 수 있다.
XeCl을 이용하는 본 발명에 따른 시스템은, 신장 없는, 308nm 중심 파장, 펄스 당 150mJ, 4KHz펄스 반복율, 즉 600W, 1%시그마, 60-70ns FWHM펄스 지속시간, 및 4X Tis스트레처와 20B 펄스정도의 챔버 수명을 갖는 120ns FWHM을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 SSPPM은 보다 긴 수명에 의해 보다 낮은 유지관리, 고전력에서 고반복율, 보다 긴 챔버 수명 및 매우 낮은 챔버내 지터를 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 BDU는 전달 지점에서 개선된 레이저 빔 형상과 줄어든 다이버전스를 제조 장치에 제공할 수 있고 광 생성에서의 레이저 포인팅 에러와 독립하여 BDU에 능동적이고 유동적으로 모니터링되고 안정화되는 포인팅과 포지셔닝을 제공할 수 있고, 따라서 제조 도구 및 워크피스로의 에너지 전달의 일정성과 같은 것을 가능하게 한다.
요약하면, 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위한 가스 방전 레이저 결정화 장치와 방법이 개시되고, 상기 장치 및 방법은, 다챔버 레이저 시스템을 포함하고, 상기 다챔버 레이저 시스템은, 제 1 레이저 유닛으로서, 제 1 및 제 2 가스 방전 챔버; 상기 챔버내에 포함되고, 긴 가스 방전 영역을 형성하는 길고 이격되어 대향하는 전극쌍; 상기 워크피스상에서 수행되는 결정화 공정에 최적화된 중심 파장의 레이저 광을 발생시키도록 선택된 할로겐 및 불활성 가스를 포함하는 상기 챔버내에 포함된 레이저 가스;를 포함하는 상기 제 1 레이저 유닛, 전력공급 모듈로서, DC전원; 상기 DC전원에 연결되고 상기 각각의 전극에 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선의 각각을 통과하는 하나의 2차 권선을 구비한 다단계 단편 승압 변압기 및 고체 트리거 스위치를 포함하는 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로;를 포함하는 상기 전력공급 모듈, 및 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 발생시키기 위한 POPA식 레이저 시스템 또는 POPO식 레이저 시스템 중 어느 하나로서 상기 제 1 레이저 유닛 및 제 2 레이저 유닛의 동작을 유효하게 하기 위하여 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로의 동작 파라메터에 기초하여 상기 각각의 고체 스위치의 닫힘 시간을 결정하도록 동작하는 레이저 타이밍 및 제어 모듈을 포함할 수 있다. POPA레이저 시스템에서 릴레이 옵틱은 상기 제 1 레이저 유닛으로부터 상기 제 2 가스 방전 챔버로 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔을 보내도록 동작할 수 있고, 상기 레이저 타이밍 및 제어 모듈은 +3ns 또는 -3ns내에 상기 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔이 상기 제 2 방전 영역을 통과하는 동안 상기 제 2 전극쌍사이에 가스 방전을 일으키도록 동작하고 POPO에서, 결합 옵틱은 출력 빔을 결합하고, 타이밍이 소정의 시간 +3ns 또는 -3ns인 결합된 출력의 펄스 분리를 일으킨다. 빔 전달 유닛 및 펄스 스트레처가 포함될 수 있고, 타이밍 및 제어는 펄스 압축 및 승압 회로내의 구성요소의 온도와 충전 전압을 나타내는 신호에 기초하여 프로세서 제어될 수 있다.
상기 개시된 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고 있고 본 발명은 이러한 실시예로 제한되지 않고 첨부한 청구항 및 청구항의 균등범위 및/또는 청구항에 나타난 요소에 의해 제한된다.

Claims (54)

  1. 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위한 가스 방전 레이저 결정화 장치로서,
    다챔버 레이저 시스템을 포함하고, 상기 다챔버 레이저 시스템은,
    제 1 레이저 유닛으로서,
    제 1 가스 방전 챔버;
    상기 제 1 가스 방전 챔버 내에 포함되고, 제 1 긴 가스 방전 영역을 형성하는 길고 이격되어 대향하는 제 1 전극쌍;
    상기 워크피스상에서 수행되는 결정화 공정에 최적화된 중심 파장의 레이저 광을 발생시키도록 선택된 할로겐 및 불활성 가스를 포함하는 상기 제 1 가스 방전 챔버 내에 포함된 레이저 가스;를 포함하는 상기 제 1 레이저 유닛,
    제 2 레이저 유닛으로서,
    제 2 가스 방전 챔버;
    상기 제 2 가스 방전 챔버 내에 포함되고, 제 2 긴 가스 방전 영역을 형성하는 길고 이격되어 대향하는 제 2 전극쌍;
    상기 워크피스상에서 수행되는 결정화 공정에 최적화된 중심 파장의 레이저 광을 발생시키도록 선택된 할로겐 및 불활성 가스를 포함하는 상기 제 2 가스 방전 챔버 내에 포함된 레이저 가스;를 포함하는 상기 제 2 레이저 유닛,
    전력공급 모듈로서,
    DC전원;
    상기 DC전원에 연결되고 상기 제 1 전극쌍에 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선의 각각을 통과하는 하나의 2차 권선을 구비한 다단계 단편 승압 변압기 및 제 1 고체 트리거 스위치를 포함하는 제 1 펄스 압축 및 승압 회로; 및
    상기 DC전원에 연결되고 상기 제 2 전극쌍에 연결되며, 직렬로 연결된 복수의 1차 권선 및 상기 복수의 1차 권선의 각각을 통과하는 하나의 2차 권선을 구비한 다단계 단편 승압 변압기 및 제 2 고체 트리거 스위치를 포함하는 제 2 펄스 압축 및 승압 회로;를 포함하는 상기 전력공급 모듈, 및
    단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 발생시키기 위한 POPA식 레이저 시스템 또는 POPO식 레이저 시스템 중 어느 하나로서 상기 제 1 레이저 유닛 및 제 2 레이저 유닛의 동작을 유효하게 하기 위하여 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로의 동작 파라메터에 기초하여 상기 각각의 제 1 및 제 2 고체 트리거 스위치의 닫힘 시간을 결정하도록 동작하는 레이저 타이밍 및 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템은 POPA 레이저 시스템으로 구성되고,
    상기 제 1 레이저 유닛으로부터 상기 제 2 가스 방전 챔버로 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔을 보내도록 동작하는 릴레이 옵틱을 더 포함하고,
    상기 레이저 타이밍 및 제어 모듈은 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔과 같은 제 2 의 증폭된 레이저 출력 광 펄스 빔을 발생시키기 위하여, +3ns 또는 -3ns내에 상기 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔이 상기 제 2 긴 가스 방전 영역을 통과하는 동안 상기 제 2 전극쌍사이에 가스 방전을 일으키는 상기 제 1 고체 트리거 스위치의 닫힘 시간에 부분적으로 기초하여 상기 제 2 고체 트리거 스위치의 닫힘 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템은 POPO 레이저 시스템으로 구성되고,
    상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 발생시키기 위해, 상기 제 1 레이저 유닛으로부터 나온 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔과 상기 제 2 레이저 유닛으로부터 나온 제 2 출력 레이저 광 펄스 빔을 결합하도록 동작하는 결합 옵틱을 더 포함하고,
    상기 레이저 타이밍 및 제어모듈은 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔내의 상기 제 2 출력 레이저 광 펄스 빔의 출력 레이저 광 펄스로부터 상기 제 1 출력 레이저 광 펄스 빔내의 출력 레이저 광 펄스를 소정의 시간 또는 -3ns로 분리하기 위해, 상기 제 2 전극쌍사이에 가스 방전을 일으키는 상기 제 1 고체 트리거 스위치의 닫힘 시간에 부분적으로 기초하여 상기 제 2 고체 트리거 스위치의 닫힘 시간을 결정하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 펄스들을 적어도 2배 신장시키도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 펄스 스트레처를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 펄스들을 적어도 2배 신장시키도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 펄스 스트레처를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 펄스들을 적어도 2배 신장시키도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 펄스 스트레처를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위하여 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 제조 도구에 전달하도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 빔 전달 유닛, 및
    빔 파라메터 모니터와 빔 파라메터 조절 메커니즘을 포함하고 상기 빔 전달 유닛내에 있는 빔 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위하여 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 제조 도구에 전달하도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 빔 전달 유닛, 및
    빔 파라메터 모니터와 빔 파라메터 조절 메커니즘을 포함하고 상기 빔 전달 유닛내에 있는 빔 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위하여 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 제조 도구에 전달하도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 빔 전달 유닛, 및
    빔 파라메터 모니터와 빔 파라메터 조절 메커니즘을 포함하고 상기 빔 전달 유닛내에 있는 빔 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위하여 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 제조 도구에 전달하도록 동작하는 상기 단일 출 력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 빔 전달 유닛, 및
    빔 파라메터 모니터와 빔 파라메터 조절 메커니즘을 포함하고 상기 빔 전달 유닛내에 있는 빔 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위하여 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 제조 도구에 전달하도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 빔 전달 유닛, 및
    빔 파라메터 모니터와 빔 파라메터 조절 메커니즘을 포함하고 상기 빔 전달 유닛내에 있는 빔 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 워크피스의 기판내 결정 구조 또는 방향의 변형을 수행하기 위하여 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔을 제조 도구에 전달하도록 동작하는 상기 단일 출력 레이저 광 펄스 빔의 경로내의 빔 전달 유닛, 및
    빔 파라메터 모니터와 빔 파라메터 조절 메커니즘을 포함하고 상기 빔 전달 유닛내에 있는 빔 조절 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 타이밍 및 제어 모듈은, 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로에서 충전 전압을 나타내는 수신 신호 및 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로내의 적어도 하나의 자기 스위칭 소자의 온도를 나타내는 신호에 기초하여 프로그래밍된 타이밍 제어 동작을 수행하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이밍 및 제어 모듈은, 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로에서 충전 전압을 나타내는 수신 신호 및 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로내의 적어도 하나의 자기 스위칭 소자의 온도를 나타내는 신호에 기초하여 프로그래밍된 타이밍 제어 동작을 수행하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 타이밍 및 제어 모듈은, 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로에서 충전 전압을 나타내는 수신 신호 및 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로내의 적어도 하나의 자기 스위칭 소자의 온도를 나타내는 신호에 기초하여 프로그래밍된 타이밍 제어 동작을 수행하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 타이밍 및 제어 모듈은, 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로에서 충전 전압을 나타내는 수신 신호 및 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로내의 적어도 하나의 자기 스위칭 소자의 온도를 나타내는 신호에 기초하여 프로그래밍된 타이밍 제어 동작을 수행하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 타이밍 및 제어 모듈은, 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로에서 충전 전압을 나타내는 수신 신호 및 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로내의 적어도 하나의 자기 스위칭 소자의 온도를 나타내는 신호에 기초하여 프로그래밍된 타이밍 제어 동작을 수행하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 타이밍 및 제어 모듈은, 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로에서 충전 전압을 나타내는 수신 신호 및 상기 각각의 제 1 및 제 2 펄스 압축 및 승압 회로내의 적어도 하나의 자기 스위칭 소자의 온도를 나타내는 신호에 기초하여 프로그래밍된 타이밍 제어 동작을 수행하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 방전 레이저 결정화 장치.
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