KR20010021688A - 팬을 지지하는 자기 베어링을 구비한 엑시머 레이져 - Google Patents

Abstract

레이져 가스와 그 레이져 가스를 순환시키기 위하여 팬을 포함하고 있는 레이져 공동을 가진 전기 방전 가스 레이져. 상기 팬은 능동 자기 베어링에 의해 지지되고 브러쉬리스 직류 모터에 의해 구동되며, 상기 모터의 로우터와 적어도 두 개의 자기 베어링이 레이져 공동내의 가스 분위기내에서 밀폐되어 있고, 상기 모터 스테이터와 베어링 전자석의 코일은 가스 분위기의 외부에 존재한다.

Description

팬을 지지하는 자기 베어링을 구비한 엑시머 레이져{EXCIMER LASER WITH MAGNETIC BEARINGS SUPPORTING FAN}

전기 방전 가스 레이져는 널리 알려져 있으며, 1960년대 레이져가 발명된 직후부터 유용한 것이었다. 두 전극 사이의 고전압 방전은 기체상의 이득매체를 여기시킨다. 이득매체를 포함하는 공동공진기는 빛의 유도증폭을 허용하고 그 빛은 레이져빔의 형태로 공진기로부터 추출된다. 이러한 전기방전 가스 레이져는 연속적으로 또는 펄스모드로 동작된다.

엑시머 레이져는 전기 방전 가스 레이져의 특별한 형태로, 1970년대 중반부터 알려지기 시작했다. 집적회로의 리소그래피에 유용한 엑시머 레이져에 관한 설명은 1991년 6월 11일 등록된 미국특허 제5,023,884호 "컴팩트 엑시머 레이져"에 기술되어 있다. 이 특허는 출원인의 고용주에게 양도되었고, 이 결과 그 특허는 참고자료로서 여기에 편입되어 있다. 상기 미국특허 제5,023,884호에 설명되어 있는 엑시머 레이져는 고반복율의 펄스 레이져이다. 그 레이져(10)의 주된 구성요소가 미국특허 제5,023,884호의 도 1에 대응하여 도 1에 도시되어 있다. 5/8인치 가량 떨어진 두 개의 긴(약 23인치) 전극(18, 20) 사이로 방전(22)이 되어진다. 전술한 바와 같이, 종래의 레이져의 반복율은 일반적으로 초당 약 100 내지 1000 펄스의 범위내에 존재한다. 이러한 고반복율의 레이져는 대개 전극사이의 영역의 가스를 매 펄스 사이에 교환시키는, 가스순환 시스템을 갖추고 있다. 상기의 레이져에서, 이러한 동작은 긴 농형타잎의 팬(46)에 의해 이루어지고, 그 팬(46)은 도 1 및 미국특허 제5,023,884호의 도 7에 대응한 도 2에 나타난 바와 같이, 블레이드(48)를 가지고 있다. 그 팬은 전극(18, 20)보다 약간 길고 충분한 순환을 제공하여, 100 내지 1000 Hz의 펄스율에서 펄스간격 사이에 전극 사이의 가스를 청정시킨다. 상기 미국특허 제5,023,884호의 도 9에 대응한 도 3에 나타난 바와 같이, 팬(46)의 샤프트(130)는 두 개의 베어링(132)에 의해 지지된다. 레이져에 사용되는 가스는 반응성이 아주 큰 불소를 함유하고 있다. 팬 샤프트(130)를 구동하는 팬 로우터는, 하우징 구조부재(12, 14)에 의해 형성된 동일한 환경의 시스템내에서, 상기 미국특허 제5,023,884호의 9번째 컬럼 45번째 줄에서 설명한 바와 같이, 밀폐부재(136)에 의해 밀폐되고, 모터 스테이터(140)는 밀폐부재(136)의 외부에 존재하여, 불소가스의 부식작용으로부터 보호된다. 그러나, 베어링(132)은 베어링에 사용되는 임의의 윤활제와 마찬가지로 쳄버가스의 부식작용을 받는다. 게다가, 베어링의 윤활제는 가스를 오염시킨다.

능동 자기 베어링은 수년간 널리 알려져 왔다. 그러한 시스템은 일찍이 1938년에 구성되었고, 오늘날에는 많은 산업분야에서 이용되고 있다. 이러한 베어링의 알려진 이점으로는 수명이 길고, 유지/보수가 적으며, 베어링의 마모가 적다는 것이다. 또한, 윤활유가 필요하지 않으므로 오염원을 제거할 수 있다.

종래의 일반적인 능동 방사 베어링이 도 4에 도시되어 있다. 센서(2)는 연철의 로우터(4)의 위치를 감지하고 컨트롤러(6)에 신호를 보낸다. 컨트롤러는 원하는 위치에 로우터(4)를 위치시키는데 필요한 정밀한 자기장을 형성시키기 위하여 전압증폭기(10)를 이용하여 전자석(8)의 전류를 조절한다.

미국특허 제5,023,884호에 설명된 엑시머 레이져의 형태를 포함하는 가스방전 레이져의 펄스 반복수를 증가시킬 필요가 있고 보다 높은 팬 속도에 대한 대응하는 필요성이 있다. 이것은 팬 샤프트 베어링의 부하를 증가시키고, 보다 좋은 베어링과 보다 강력한 팬 모터를 필요로 한다. 또한, 높은 반복율의 가스 방전 레이져에서는 오염원을 감소시킬 필요가 있다.

본원발명은 가스 레이져에 관한 것으로서, 특히, 고반복율의 전기 방전 가스 레이져에 관한 것이다.

도 1은 종래의 레이져 시스템에 관한 개략도,

도 2는 도 1에서의 농형 팬의 위치를 나타낸 개략도,

도 3은 팬을 구동시키는 브러시리스 직류 모터를 나타낸 개략도,

도 4는 종래 능동 방사 자기 베어링 시스템의 기능을 나타낸 개략도,

도 5는 본원발명의 바람직한 실시예를 나타낸 개략도.

본원발명은 레이져 가스와 그 레이져 가스를 순환시키기 위한 팬을 포함하고 있는 레이져 공동을 가지고 있는 전기 방전 가스 레이져를 제공하는 것이다. 상기 팬은 능동 자기 베어링 시스템에 의해 지지되고 브러쉬리스 직류 모터에 의해 구동된다. 상기 모터와 적어도 두 개의 베어링의 로우터는 레이져 공동내의 가스 분위기내에서 밀폐되며, 상기 모터의 스테이터와 베어링 전자석의 코일은 그 가스 분위기의 외부에 위치한다.

본원발명의 바람직한 실시예는 도면을 참조하여 설명될 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 중요한 특징을 보여주는 도면이다. 이 도면은 미국특허 제5,023,884호에 상세히 설명된 형태의 엑시머 레이져의 가스순환을 위한 팬 시스템을 나타낸다. 가스는 불소, 완충가스, 네온, 크립톤이나 아르곤 중 어느 하나의 불활성가스로 구성된다. 종래의 장치에서와 같이, 로우터(134)는 샤프트(130)의 끝에 위치하고, 샤프트(130)를 구동하며, 그럼으로써 도 5에서 중앙부가 절단되어 있는 26인치 크기의 팬(46)을 구동한다. 로우터(134)의 끝과 밀폐부재(136)의 주위로 일련의 권선이 감긴 스테이터(140)가 위치한다. 스테이터(140)와 로우터(134)는 브러쉬리스 직류 모터를 형성하며, 이 모터는 기본적으로 일반적인 방법으로 운전된다. 통상의 브러쉬리스 직류 모터와 여기의 모터의 주요 차이점은 스테이터와 로우터 사이에 위치한 밀폐부재(136)를 사용함에 있다. 따라서, 로우터는 스테이터(140)에 대해서 밀폐되게 된다. 이러한 배열은 미국특허 제5,023,884호에 기술된 것과 같은 방법으로 회전밀폐를 사용하지 않고 직류 모터가 팬(46)을 구동할 수 있게 한다. 또한, 이 모터는 미국특허 제5,023,884호에 기술된 바와 같이 회로판(142), 전력 공급 단자(144) 및 홀측정기(146)를 포함한다.

본 발명의 이러한 실시예는 팬(46)의 샤프트(130)의 각 끝을 지지하는 두 개의 방사형 자기 베어링(20,22)을 포함한다. 샤프트(130)의 축방향 위치는 트러스트 베어링 시스템(24)에 의해 제공된다. 방사형의 베어링(20,22) 각각은 4개의 전자석(26)으로 구성된다.(그 중 2개는 도 5에 도시되어 있다.) 바람직하게는, 전자석들은 45°, 135°, 225°와 315°의 방사방향으로 위치하게 된다. 로우터(28)와 스테이터의 성분은 판상의 연철로 이루어진다. 사실, 전자석은 상기에서 언급한 브러쉬리스 직류 모터와 매우 유사하다. 그러나, 전자석의 기능은 팬 샤프트를 구동하기 보다 그것을 적당한 방사방향의 위치에 있도록 고정하는 것이다. 전자석은 바람직하게는 일정한 바이어스 전류(동적 제어력을 발생시키는 제어전류에 의해 대칭적으로 교란된 최대 전류의 절반 정도)에 의해 에너지를 공급 받는다. 고정된 바이어스 전류는 베어링에 의해 발생한 선형 자기력을 제공한다. 방사위치 센서(32)는 90°떨어져서 전자석과 일렬로 정렬되어, 종래 잘 알려진 방법에 따라 전자석의 전류를 조절하는 제어판(도시생략)에 위치 정보를 제공한다. 트러스트 베어링 시스템(24)은 샤프트(30)의 축 안정성을 제공한다. 이 실시예에서의 트러스트 베어링은 축위치 센서(34)에 의해 제어판(도시생략)에 제공된 위치 정보에 따라 연성의 금속 탭-유티트(30)에 각각 인력을 인가하는 두 개의 코일로 이루어진다.

팬 샤프트(130)의 양 끝에 위치한 로우터 공동은 밀폐부재(136,36)와 O-ring 밀폐재(138)에 의해 밀폐된다. 그래서, 모터 유니트(140)와 베어링(20,22,24)의 전자석의 권선들이 레이져 챔버내의 부식성 불소 가스로부터 보호된다.

이 바람직한 실시예에 있어서, 팬은 2.3인치 길이의 9개의 동일한 원통형(동공의)의 마디로 구성된 26인치 장축의 단일체로 되어 있는 팬이다. 각 마디는 3.75인치의 OD와 2.75인치의 ID를 갖는 두 개의 링/플랜지로 구성된다. 이들 링의 사이에는 360°주위로 23개의 베인/블레이드가 있다. 베인은 길이가 2.3인치, 폭(휘어 있는)이 0.5인치이고 두께가 0.03인치이다. 팬은 알루미늄 합금으로 되어 있고, 무게가 1.5 lbs.이다. 다른 고려사항을 고려할 때 최종적인 무게는 2.0 lbs.가 된다. 바람직한 팬의 속도는 3300 내지 5000 RPM 이다.

팬은 온도가 약 60℃에서 불소를 약 0.1% 정도 함유한 레이져 가스 분위기에서 3000 내지 5000 RPM의 속도로 작동한다. 이러한 베어링을 이용하여, 발명자는 적어도 30,000시간의 무장애 작동을 95%의 신뢰도로, 그리고 10,000시간의 무장애 작동을 99%의 신뢰도로 기대한다.

팬을 지지하는 종래의 볼 베어링에 대한 본원발명의 이점은 매우 많다. 베어링의 수명이 실질적으로 증가한다. 로우터의 위치에 대한 자기 베어링의 능동 제어는 실질적으로 진동을 제거한다. 윤활유에 의한 오염 문제가 제거된다. 주의깊게 팬의 균형을 잡을 필요가 없다.

종래 불로워는 일반적으로 3800 RPM의 일정한 속도로 동작한다. 본원발명은 최대 5000 RPM 또는 그 이상의 속도로 동작할 것이다. 바람직한 동작상태로는, 챔버가스를 잘 혼합하기 위해 속도가 예를 들어, 4000 RPM에서 5000 RPM까지 계속적으로 또는 주기적으로 자동으로 순환되어야 한다. 또한, 팬 속도의 자동 순환은 긴 팬에서의 진동의 증가를 방지하기 위해서 사용될 수 있다.

팬의 속도는 또한, 필요하다면, 전략적으로 위치한 센서로부터 제어기로 보내지는 정보에 기초해서 제어될 수 있다. 이것은 회전하는 팬 부위가 챔버내의 다른 구성 부위에 너무 근접하는 경우 도움이 된다. 팬의 속도를 변화시키고 그리고/또는 제어하는 많은 다른 이유가 있음에 불구하고, 음파와 그리고/또는 충격파의 효과를 감소/제어하는 것이 레이져 운전에 있어서는 매우 중요하다.

지금까지 바람직한 실시예로 취급된 것과 관련하여 본원발명이 설명되었지만, 본원발명은 게시된 실시예에 한하지 않으며, 오히려, 다음의 청구항의 사상 및 범주내에서 다양한 응용 및 등가예를 포함하는 것이라는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 우리는 단지 하나의 방사형 능동 자기 베어링을 보였을 뿐이다. 많은 대체적 자기 베어링 구성이 잘 알려져 있으며, 여기에서 게시된 개념을 이용하는 가스 방전 레이져에 채용될 수 있다. 예를 들면, 방사형 베어링은 트러스트 베어링에 대한 필요성을 제거할 만한 축방향 제어를 또한 제공함으로써 유용하다. 그러므로, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 모든 등가예가 청구항의 범주에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (13)

1. A. 내부에 레이져 공동을 형성하는 벽을 가진 하우징 구조;

   B. 레이져 공동 내에 위치하고, 레이져 작용이 가능한 가스;

   C. 레이져 공동 내에 위치하고, 전극사이의 전기 방전에 일치하여 방전영역내의 가스가 레이져 작용이 일어나도록 여기시키기 위하여 전극 사이에 전기 방전 영역을 형성하는 연장된, 간격을 가진 한쌍의 전극;

   D. 방전영역을 통해 가스를 순환시키기 위하여 레이져 공동내에 위치한 샤프트를 가진 회전 팬;

   E. 팬에 회전을 제공하기 위하여 로우터와 스테이터를 포함하는 브러쉬리스 직류 모터;

   F. 상기 샤프트를 방사형으로 지지하기 위해 스테이터, 로우터와 위치 센서를 각각 포함하는 적어도 두 개의 자기 베어링;

   G. 각각 직, 간접으로 상기 샤프트에 결합되어 있는 상기 모터의 상기 로우터와 상기 적어도 두 개의 자기 베어링; 및

   H. 상기 로우터와 상기 스테이터 사이에 위치하여 상기 로우터를 하우징 구조를 밀폐시키는 상기 밀폐부재를 이용하여 둘러쌈으로써 가스 분위기내에서 상기 로우터를 효과적으로 밀폐시키고 상기 스테이터를 가스 분위기가 없도록 하는 적어도 하나의 밀폐부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 방전 가스 레이져.
2. 제 1 항에 있어서, 적어도 두 개의 자기 베어링 중 적어도 하나는 트러스트 베어링인 것을 특징으로 하는 레이져.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 베어링 중 적어도 하나는 방사형 베어링인 것을 특징으로 하는 레이져.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 베어링 중 적어도 하나는 원뿔형 베어링인 것을 특징으로 하는 레이져.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 자기 베어링은 두 개의 원뿔형 베어링인 것을 특징으로 하는 레이져.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 자기 베어링은 두 개의 방사형 베어링이고 두 개의 트러스트 베어링인 것을 특징으로 하는 레이져.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 방사형 자기 베어링에 고속의 능동 제어를 부여하는 전기 팬 제어판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 방사형 자기 베어링에 고속의 능동 제어를 부여하고 상기 트러스트 베어링 시스템과 상기 모터에는 능동제어를 부여하는 전기 팬 제어판을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어판은 상기 팬을 주기적으로 속도가 변하면서 운전하도록 프로그램 되어 있는 것을 특징으로 하는 레이져.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 가스는 엑시머 레이져를 제공하기 위하여 할로겐가스, 불활성가스와 완충가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 할로겐가스는 불소이고, 상기 완충가스는 네온내이며, 상기 불활성가스는 크립톤이나 아르곤내인 것을 특징으로 하는 레이져.
12. 제 1 항에 있어서, 레이져 챔버내에서 다른 구성부분과 접촉을 피하도록 프로그램되어 있는 능동 제어판을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져.
13. 제 1 항에 있어서, 가스내의 음파 그리고/또는 충격파의 교란을 최소화하도록 프로그램된 제어판을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져.