(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高パルス速度のパルス電源において：
Ａ） 1) 600ボルトを越える電圧で電荷を保存するための充電キャパシタと
2) 固体スイッチ素子と
3) 電流制限インダクタと
を備えた、３ジュールを越える電気エネルギーおよび600ボルトを越えるピーク電圧を持った電気パルスを発生するためのパルス発生回路と；
Ｂ）各圧縮回路がキャパシタのバンクおよび可飽和インダクタを備えた第一の圧縮回路および第二の圧縮回路を定義する、少なくとも二つのパルス圧縮回路と；
Ｃ）前記電気パルスのピーク電圧を少なくとも12,000ボルトに昇圧するためのセットアップパルス変換器であって、該パルス変換器は電気的に並列な複数の一次巻線および一つの二次巻線を有し、少なくとも一つの実質的に直線的なコンダクタを含むセットアップ変換器と；
Ｄ）少なくとも600ボルトの電圧において少なくとも3ジュールの電気エネルギーで、400マイクロ秒未満の間に前記充電キャパシタを充電するための、非常に速い調節された共鳴電源と；
Ｅ）少なくとも2000充電／秒の速度において、前記充電キャパシタの充電を1パーセント未満の精度で制御するためのプロセッサを備えた、非常に速いパルス制御システムとを具備したパルス電源。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス電源であって、前記セットアップ変換器は前記第一の圧縮回路の一部であるパルス電源。
【請求項３】
請求項１に記載のパルス電源であって、前記少なくとも一つの実質的に直線状のコンダクタは、電気的に直列に接続された四つの直線状ロッドであるパルス電源。
【請求項４】
請求項１に記載のパルス電源であって、前記複数の一次巻線は、少なくとも20の一次巻線であるパルス電源。
【請求項５】
請求項１に記載のパルス電源であって、前記調節された電源は、前記充電キャパシタ上の電圧を所望の制御電圧にまで流出させるための、スイッチおよび抵抗器を備えた流出回路を具備するパルス電源。
【請求項６】
請求項１に記載のパルス電源であって、前記電源は放電レーザーの部品であり、前記レーザーの電極間に放電を発生させてレーザーパルスを発生させるために電気パルスを供給し、各パルスがパルスエネルギーを画定するパルス電源。
【請求項７】
請求項６に記載のパルス電源であって、更に、前記レーザーパルスのエネルギーをモニターするためのパルスエネルギーモニターを具備したパルス電源。
【請求項８】
請求項７に記載のパルス電源であって、前記充電キャパシタの充電を制御するための前記プロセッサは、少なくとも一つの先のパルスのパルスエネルギーに基づいて、パルスの制御電圧を計算するためのアルゴリズムでプログラムされるパルス電源。
【請求項９】
請求項８に記載のパルス電源であって、前記少なくとも一つの先のパルスは、パルスのバーストにおける全てのパルスを含むパルス電源。
【請求項１０】
請求項９に記載のパルス電源であって、前記少なくとも一つのパルスは、より先のバーストにおけるパルスをも含むパルス電源。
【請求項１１】
請求項１に記載のパルス電源であって、二つの圧縮回路における前記少なくとも二つの圧縮回路および前記第二の圧縮回路におけるキャパシタはピーキングキャパシタであるパルス電源。
【請求項１２】
請求項１に記載のパルス電源であって、前記パルス発生回路、前記圧縮回路、前記パルス変圧器および前記電源は、二つの電極を画定する放電レーザーシステムの部品を含むモジュールに製造されるパルス電源。
【請求項１３】
請求項１２に記載のパルス電源であって、前記レーザーシステムはエキシマレーザーシステムであるパルス電源。
【請求項１４】
請求項１３に記載のパルス電源システムであって、前記エキシマレーザーシステムはKrFレーザーシステムである電源システム。
【請求項１５】
請求項１２に記載のパルス電源システムであって、前記モジュールが空冷される電源システム。
【請求項１６】
請求項１２に記載のパルス電源システムであって、前記可飽和インダクタは、少なくとも一つの現実の機能を有するポット型容器に収容された油レベルを決定する変圧器油に浸漬されており、前記油レベルは前記少なくとも一つの全ての密封シールよりも下にある電源システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のパルス電源システムであって、少なくとも一つの前記可飽和インダクタは、少なくとも一つのフラックス排除片を具備するパルス電源システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のパルス電源システムであって、前記キャパシタおよびインダクタは、銅クラッド印刷回路基板および前記キャパシタおよびインダクタを前記印刷回路基板に結合するためのボルトを使用して、電気的に接続されているパルス電源システム。
【請求項１９】
請求項１２に記載のパルス電源システムであって、前記二つの電極の一方はアースに接続され、前記パルス電源システムは前記二つの電極の他方に負の高電圧を与えるパルス電源システム。
【請求項２０】
請求項１２に記載のパルス電源システムであって、前記二つの電極の一方はアースに接続され、前記パルス電源システムは前記二つの電極の他方に正の高電圧を与えるパルス電源システム。
【請求項２１】
請求項１２に記載のパルス電源システムであって、前記パルス発生回路は、負のパルスを発生するための第一のパルス発生回路であり、更に、正のパルスを発生するための第二のパルス発生回路を具備し、前記第一のパルス発生回路および前記第二のパルス発生回路は、交流パルスを発生して放電レーザーのバイポーラ動作を生じるように制御されるパルス電源システム。
【請求項２２】
請求項１３に記載のパルス電源システムであって、前記エキシマレーザーシステムはArFレーザーシステムであるパルス電源システム。
【請求項２３】
請求項１に記載のパルス電源であって：
前記非常に速い共鳴電源は、
Ａ）前記充電キャパシタのキャパシタンスの少なくとも５倍のキャパシタンスを有するソースキャパシタと；
Ｂ）前記ソースキャパシタに対して少なくとも300ボルトで電力を供給するための、少なくとも７kWで定格されたDC電源と；
Ｃ）前記ソースキャパシタから前記充電キャパシタへ流れる電流を制限するための、電流制限電源インダクタと；
Ｄ）前記ソースキャパシタ、前記電流制限電源インダクタおよび前記充電キャパシタと直列に接続された固体スイッチ素子
とを有する電源共鳴回路を具備し、
前記充電キャパシタは、前記固体スイッチ素子を閉じることによって充電されるパルス電源。
【請求項２４】
請求項２３に記載の高パルス速度電源であって、前記電源共鳴回路は、前記充電キャパシタ上の電圧を予め定められた所望の値にまで放出低下させるための放出回路をも具備する高パルス速度電源。
【請求項２５】
請求項２３に記載の高パルス速度電源であって、前記電源共鳴回路は更に、前記電流制限電源インダクタ、ダイオードおよび固体フライホイール電流ループ素子を含むフライホイール電流ループを具備する高パルス速度電源。
【請求項２６】
請求項２５に記載の高パルス速度電源であって、前記プロセッサは、前記充電キャパシタ上の電圧が第一の予め定められた値に上昇したときに前記フライホイール電流ループを閉じるようにプログラムされる高パルス速度電源。
【請求項２７】
請求項２６に記載の高パルス速度電源であって、前記プロセッサは更に、前記充電キャパシタ上の電圧が第二の予め定められた値に低下したときに前記フライホイール電流ループを開くようにプログラムされる高パルス速度電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、1997年12月15日に出願された米国特許出願第08/990,848号；1997年12月22日に出願された米国特許出願第08/995,832号；および1998年7月18日に出願された米国特許出願第09/118,773号の一部継続出願である。本発明はパルス電源システム、特に放電のための高パルス速度電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的なガス放電レーザーでは、二つの細長い電極間での循環ガスへの放電によって利得媒体が形成される。放電を開始させるために、通常は非常に高い電圧が必要とされるが、一旦放電が開始されるとプラズマが形成されて電極間の抵抗は殆どゼロに低下し、概短回路(almost short circuit)が効果的に形成される。これにより、放電が開始されたときに電流を制限する方法が必要とされる。この二つの問題に対処するための通常の方法は、「ピーキング(peaking)」キャパシタ（Cp）を電極に対して並列に設けることである。該ピーキングキャパシタは、放電を開始するために必要な電圧を周期的に充電されるが、１パルスのために充分な電気エネルギーのみが充電される。高電圧により形成された電極間の概短回路は、がピーキングキャパシタからそのエネルギーを奪い去り、パルスを終了させる。高パルス速度の放電レーザー（例えば1,000パルス／秒）においては、ガス循環システムが電極間にガスの流れ（例えば1,000インチ／秒）を生じさせる。このガス流は、各パルスから生じた電極間のイオン化されたガスを、次のパルスの前に迅速に新鮮なガスに置き換える。次のパルスは、その前のパルスと同様、ピーキングキャパシタに対する迅速な充電によって発生する。従って、パルス電源システムの仕事は、ピーキングキャパシタに対して、所望のパルス速度（例えば1,000回／秒）で、１パルスのための充分な電圧および電気エネルギーを与えることである。
【０００３】
従来技術のシステムでは、充電キャパシタCoを充電する高電圧スイッチ、および充電キャパシタのエネルギーをピーキングキャパシタへ移動させるサイラトロンのような高電圧スイッチを用いて、12〜20kvのDC電源からピーキングキャパシタを充電する。従来技術の他のパルス電源システムは、必要とされる迅速な反復高電圧、ピーキングキャパシタの高エネルギー充電を与えるために、磁気パルス圧縮回路を使用する。その例は米国特許第5,448,580号および第5,313,481号に開示されており、これらの特許は本明細書の一部をなす参照として援用される。通常、これらの回路は多段階LCネットワークを利用し、該ネットワークは比較的長く比較的低電圧のパルスを、必要とされる非常に短い高電圧パルスに変換する。
【０００４】
従来技術は、エキシマレーザーのような工業的ガス放電レーザーのための非常に高電圧の短いパルスを、1,000 Hz域のパルス速度で供給するパルス電源システムを含んでいる。何週間にも亘って1日当たり24時間、2,000〜5,000Hz以上のパルス速度で信頼性をもって動作するパルス電源システムが必要とされている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、2000 Hz以上の速度で、制御された高エネルギーの電気パルスを供給するための高パルス速度電源を提供する。この電源は、充電キャパシタ、固体スイッチ素子、および電流制限インダクタを含むパルス発生回路を含んでいる。パルス発生回路で発生したパルスは少なくとも二つのパルス圧縮回路において圧縮され、セットアップ変圧器がピーク電圧を少なくとも12,000ボルトに増大させる。充電キャパシタを4000マイクロ秒以内で充電するために非常に速い調節された電源が与えられ、またプログラムされたプロセッサを含むパルス制御システムが、約1％未満の精度において、充電キャパシタの充電を1秒当たり2000充電の速度で制御する。
【０００６】
エキシマレーザーのための電気パルスを与えるために有用な本発明の好ましい実施例は、2000 Hz以上のパルス速度で、パルス当たり5.5ジュール以下のパルスを提供する。この実施例において、ピーキングキャパシタは、5.5ジュール以下で約100 ns以内に、ゼロボルトから16,000ボルトの放電電圧にまで充電される。これは、従来の設計よりもかなり速く、レーザー効率の顕著な改善を提供する。この迅速な上昇時間は、二つのパルス圧縮段階および1：23のパルス変圧器を用いて達成され、該変圧器は、第一段階および第二段階の間に二次「巻線」として４分割の直線状ステンレス鋼棒が備えている。この好ましい実施例において、各パルスのパルスエネルギーはフィードバック制御システムを用いて制御される。この制御システムは先のパルスのエネルギーを測定し、その測定を使用して充電キャパシタのための制御電圧を決定する。次いで、この充電キャパシタは、調節された電源を用いて制御電圧にまで充電される。充電キャパシタは、1マイクロ秒当たり約3ボルトで制御電圧の数ボルト過剰にまで充電され、次いで流出回路を介して制御電圧に低下され、極めて迅速かつ正確な充電が与えられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。
第一の好ましい実施例
工業的な狭バンドKrFエキシマレーザー用パルス電源システムの第一の好ましい実施例が、ブロック図の形で図１に示されている。図２には、ブロック図および回路図の単純化された組合せ図が示されている。これらの図は、208ボルト三相標準プラント交流を、2,000Hz以上のパルス速度で、エキシマレーザーのピーキングキャパシタ上の0.5ジュール〜6ジュール、12 kV〜22 kVの電気パルスに変換するために、出願人によって組み立ておよび試験された好ましい実施例を示している。以下では、先ずシステムの説明をし、続いて該システムにおける個々のモジュールおよび部品の重要な詳細の幾つかをより詳しく説明する。
【０００８】
＜システムの説明＞
このシステムは、図１および図２に示すように四つの別々のモジュールとして製造され、その夫々は部品故障の発生の際、または正規の予防的保守プログラムの際に迅速に取外すことができる。出願人は、これらモジュールを高電圧電源モジュール20、整流モジュール40、圧縮ヘッドモジュール60およびレーザーチャンバーモジュール80と称する。
【０００９】
＜高電圧電源モジュール＞
高電圧電源モジュール20は、電源10からの208ボルトの三相プラント電力を300ボルトの直流に変換するための、300ボルト整流器を備えている。インバーター24は、整流器22の出力を、300ボルトの100k Hz〜200 kHz高周波パルスに変換する。システムの最終出力パルスエネルギーの概略的な調節を提供するために、インバーター24の周波数およびオン周期が、HV電源制御ボード21によって制御される。インバーター24の出力は、セットアップ変圧器26によって約1200ボルトに昇圧される。変圧器26の出力は、標準ブリッジ整流回路30およびフィルターキャパシタ32を含む整流器28によって、1200ボルトDCに変換される。回路30からの電気エネルギーは、図１に示すようにインバータ24の動作を制御するHV電源制御ボード21に指令されたときに、整流モジュール40における8.1μF のCo充電キャパシタ42を充電する。HV電源制御ボード21内の設定ポイントは、レーザーシステム制御ボード100によって設定される。
【００１０】
この図１に示す実施例において、レーザーシステムのためのパルスエネルギー制御は、電源モジュール20によって与えられることに留意すべきである。整流モジュール40および圧縮ヘッド60における電気回路は、単に、電源モジュール20によって充電キャパシタ42上に保存された電気エネルギーを増幅および圧縮するために働く。この制御の例として、図１は、制御ボード100が電源を制御して充電キャパシタ42に700ボルトを与え、該キャパシタは、充電サイクルの間は固体スイッチ素子46により下流の回路から切断されることを示している。
【００１１】
＜整流モジュール＞
整流モジュール40はCo充電キャパシタ42を具備しており、該充電キャパシタは、この実施例では8.1μFの合計容量を与えるように並列に接続されたキャパシタのバンクである。電圧分割器44は、HV電源制御ボード21に対してフィードバック電圧信号を与え、制御ボード21は、該信号を使用してキャパシタ42の充電を所定の電圧（「制御電圧」と証する）に制御する。この制御電圧は電気パルスに形成されて、整流器40および圧縮ヘッド60で圧縮および増幅されたときに、ピーキングキャパシタ82に対して並びに電極83および84の間に所望の放電電圧を生じる。
【００１２】
この実施例（1秒当たり2,000パルスのパルス速度で、3ジュールおよび14,000ボルト域の電気パルスを与えるように設計される）では、電源20が充電キャパシタを42〜700ボルトに充電するために、（図６Ａに示すように）約250マイクロ秒が必要とされる。従って、整流器制御ボード41からの信号が固体スイッチ素子44を閉じたときに、充電キャパシタ42は所望の電圧で完全に充電され、且つ安定である。固体スイッチ44は、充電キャパシタに保存された3ジュールの電気エネルギーを、電極83および84の間を横切る14,000ボルトの放電に変換する極めて迅速なステップを開始する。この実施例では固体スイッチ素子46はIGBTスイッチであるが、SCR、GTO、MCT等のような他のスイッチ技術を使用することもできるであろう。600 nHインダクタ48は固体スイッチ素子46と直列であり、それが閉じてCo充電キャパシタ42を放電させる間に、スイッチ46を介して電流を一時的に制限する。
【００１３】
パルス発生段階
パルス発生の第一段階50のために、図６Ｂに示すように、充電キャパシタ42上の電荷は約5μsでC1 8.5μFのキャパシタ52にスイッチされる。
圧縮の第一段階
可飽和インダクタ54は、キャパシタ52上の電圧を遅延させ、次いで飽和して、圧縮の第一段階61について図６Ｃに示すように、約550 nsの移動時間で、1：23のセットアップパルス変圧器56を介して、キャパシタ52からCp-1キャパシタ62への電荷移動を可能にする。
【００１４】
パルス変圧器56の設計を以下に説明する。特性的に言えば、該変圧器は極めて効率的なパルス変圧器であり、700ボルト15,000アンペアの550nsパルス速度を16,100ボルト760アンペアの550nsパルスに変換し、これを圧縮ヘッドモジュール60のCp-1キャパシタバンク62に極めて短時間だけ保存する。
【００１５】
＜圧縮ヘッドモジュール＞
圧縮ヘッドモジュール60は、パルスを更に圧縮する。
圧縮の第二段階
Lp-1可飽和インダクタ64（約125 nH飽和インダクタンス）は、16.5nF Cp-1キャパシタバンク62上の電圧を略550ns遅延させ、次いで、Cp-1キャパシタ上の電荷を、（約100 nsで）レーザーチャンバー80の頂部に位置し且つ電極83および84と並列に接続される16.5 nF Cpピーキングキャパシタ82へと流す。550nsの長さのパルスを、Cpピーキングキャパシタ82を充電する100nsの長さのパルスに変換することは、図１の65に示すように、圧縮の第二段階（最後）を構成する。
【００１６】
＜レーザーチャンバーモジュール＞
レーザーチャンバーモジュール80の頂部にその一部として装着されたピーキングキャパシタ82へと電荷が流れ始めた約100ns後に、ピーキングキャパシタ82上の電圧は約14,000ボルトに達し、電極間での放電が開始する。この放電は約50ns持続し、その間にエキシマレーザーの共鳴チャンバー内でレーザー発振が生じる。共鳴チャンバーは、この実施例では３プリズムビームエキスパンダー、チューニングミラーおよびエッシェル格子(eschelle grating)からなるラインナローイングパッケージ86、並びにこの実施例では10パーセントRミラーからなる出力カプラ−88によって定義される。このレーザーのレーザーパルスは、約10ｍJの狭バンド20ns 248nmパルスであり、反復速度は200パルス／秒である。このパルスはレーザービーム90を定義し、該ビームのパルスは光ダイオード92によってモニターされる。
【００１７】
＜パルスエネルギーの制御＞
光ダイオード94からの信号は制御ボード100のプロセッサ102に送られ、該プロセッサはこのエネルギー信号をおよび好ましくは他の歴史的パルスエネルギーデータを使用して、次のおよび／または先のパルスのコマンド電圧を設定する。レーザーが一連の短いバースト（例えば約0.1秒のデッドタイムで分離された2000 Hzでの100パルス0.5秒バースト）で動作する好ましい実施例では、制御ボード100のプロセッサ102は特別のアルゴリズムでプログラムされ、該プログラムは他の歴史的パルスプロファイルデータと共に、バーストにおける以前の全てのパルスエネルギー信号および最新のパルスエネルギー信号を使用して、パルス毎のエネルギー変動を最小限にし且つバースト毎のエネルギー変動を最小限にする。この計算は、このアルゴリズムを用いて、約35μsの周期の間に制御ボード100におけるプロセッサ102によって行われる。レーザーパルスは、図６Ｃに示すIGBTスイッチの放電開始Toの約5μs後に起こり、このレーザーパルスエネルギーのデータを収集するために約20μsを必要とする。（スイッチ46の放電開始をToと称する）。従って、（図６Ａに示すように）先のパルス（2,000Hzで放電期間は500μs）についてのIGBTスイッチ46の放電開始の約70マイクロ秒後に、新たな制御電圧値の準備が完了する。このアルゴリズムの特徴は、米国特許出願09/034,870号に更に詳細に説明されている。
【００１８】
＜エネルギー回収＞
この好ましい実施例には、先のパルスに由来する充電キャパシタ42上の過剰なエネルギーを回収する電気回路が設けられ、これはレーザーチャンバー80におけるリンギング後のエネルギー浪費をかなり低減し、実質的に排除する。
【００１９】
それは、エネルギー回収インダクタ58およびエネルギー回収ダイオード59（この二つは直列結合であり、且つCo充電キャパシタ42を横切って並列に接続される）で構成されるエネルギー回収回路57によって達成される。パルス電源システムのインピーダンスはチャンバーのインピーダンスと正確にはマッチしないため、またチャンバーのインピーダンスがパルス放電の際に数次の大きさで変動するという事実によって、主パルスから負に進行する「反射」が発生し、これはパルス発生システムの先端に向けて逆向きに伝播する。過剰のエネルギーが整流ヘッド60および整流器40を通して後方に伝播した後に、コントローラによるトリガー信号の除去によってスイッチ46が開く。エネルギー回収回路57は、ダイオード59によるインダクタ58での電流の反転に対してクランプされたときに、共鳴自由旋回（充電キャパシタ42およびエネルギー回収インダクタ58で構成されるL-C回路のリンギングの半サイクル）を介して、充電キャパシタ42上に負の電圧を発生させた反射の極性を反転させる。その正味の結果として、チャンバー80から反射されたエネルギーの実質的に全てが各パルスから回収され、次のパルスのために利用できる状態にある正の電荷として充電キャパシタ42上に保存される。図６は、キャパシタCo、C1、Cp-1およびCp上の電荷を示す時間チャートである。このチャートは、Co上でのエネルギー回収のプロセスを示している。
【００２０】
＜磁気スイッチバイアス付加＞
可飽和インダクタに使用される磁性材料の全B-H曲線振幅を完全に利用するため、スイッチ46の閉鎖によりパルスが開始されるときに各インダクタが逆向きに飽和するように、DCバイアス電流が与えられる。
整流器の可飽和インダクタ48および54の場合、これは、該インダクタを介して略15 Aの逆向き（正常なパルス電流と比較して）のバイアス電流を与えることによって達成される。このバイアス電流は、絶縁インダクタLb1を介してバイアス電流源120によって与えられる。実際の電流は、矢印B1で示すように、電源から整流器のアース接続を通り、パルス変圧器の一次巻線を通り、可飽和インダクタ54を通り、可飽和インダクタ48を通り、絶縁インダクタLb1を通って、バイアス電流源120へと還流する。
【００２１】
圧縮ヘッド可飽和インダクタの場合、電略5 Aのバイアス電流B2が、バイアス電流源126から絶縁インダクタLb2を通して与えられる。圧縮ヘッドにおいて電流は分割され、主要な電流B2-1は可飽和インダクタLp-164を通して流れ、絶縁インダクタLb3を通って第二のバイアス電流源126へと還流する。小電流画分B2-2は、圧縮ヘッド60と整流器40とを接続するHVケーブルを通り、パルス変圧器のアースへの二次巻線を通り、バイアス抵抗を通って、第二のバイアス電流源126へと還流する。この第二の小さい電流はパルス変圧器をバイアスして、これをパルス動作のためにリセットするように使用される。二つの各部分に分割される電流の量は、夫々の経路における抵抗によって決定され、各経路が正しいバイアス電流を受け取るように意図的に調節される。
【００２２】
＜電流の方向＞
この実施例では、システムを通ってプラント電源10から電極へ、また電極84を越えてアースへと流れるパルスエネルギーの流れを「前向きの流れ」と称し、この方向を前向き方向と称する。可飽和インダクタのような電気部品が前向きに導通していると言うときは、それが「パルスエネルギー」を電極に向かう方向に導通するようにバイアスされ、飽和することを意味する。それが逆向きに導通されるとき、それは電極から充電キャパシタに向かって遠ざかる方向にエネルギーを導通させるようにバイアスされ、飽和する。システムを通る電流（または電子の流れ）の実際の方向は、システムの何処を基準にするかに依存する。次に、この混乱を生じる可能性を排除するために、電流の方向について説明する。
【００２３】
この好ましい実施例ではCoが正の700ボルトで充電される結果、スイッチ46が閉じされたときに、電流はキャパシタ42からインダクタ48を通ってC1キャパシタ52に向かう方向に流れる（これは電子が実際には逆方向に流れていることを意味する）。同様に、電流はC1キャパシタからパルス変換器56の一次側を通ってアースへと向かう。従って、電流およびパルスエネルギーの方向は、充電キャパシタ42からパルス変圧器56への向きと同じである。「パルス変圧器」の表題の節で後述するように、パルス変圧器56の一次ループおよび二次ループの両者における電流は、何れもアースへと向かう。その結果、放電の際のパルス変圧器56と電極との間の電流は、変圧器56に向かって電極から遠ざかる方向である。従って、放電の際の電子の流れ方向は、アースからパルス変圧器56の二次側を通り、一時的にCp-1キャパシタに、インダクタ64を通り、一時的にCpキャパシタ82に、インダクタ81を通り、電極84（これは放電カソードである）を通り、放電プラズマを通り、電極83を通ってアースへと還流する方向である。従って、パルス変圧器56の間で、電子は放電の際のパルスエネルギーと同じ方向に流れる。
【００２４】
放電の直後に、電流および電子の流れは上記で説明したように反転され、この実施例ではこの逆向きの電流を取り扱うために、「エネルギー回収」の表題を付した上記節で説明したように特別の規定が採用される。
【００２５】
＜電源の詳細な説明＞
好ましい実施例の電源部分のより詳細な回路図が、図3に示されている。図３に示すように、整流器22は+150V〜-150VのDC出力をもった6パルス相の制御された整流器である。インバーター24は、実際には三つのインバーター24A、24Bおよび24Cである。インバーター24Bおよび24Cは、8μFの Co充電キャパシタ42がコマンド電圧よりも50ボルト低いときに切断され、またインバータ24Aは、Co 42上の電圧がコマンド電圧を越えるときに切断される。この手法は、充電の終点付近での充電速度を低下させる。セットアップ変圧器26A、26Bおよび26Cは夫々７kwに定格され、電圧を1200ボルトACに変圧する。
【００２６】
三つのブリッジ整流回路30A、30Bおよび30Cが示されている。HV電源制御ボード21は、12ビットのデジタルコマンドをアナログ信号に変換し、それをCo電圧モニター44からのフィードバック信号45と比較する。フィードバック電圧がコマンド電圧を越えると、上記のようにインバータ24Aが切断され、Q2スイッチ34が閉じて供電の間に保存されたエネルギーを消失させ、Q3絶縁スイッチ36が開いて如何なる追加のエネルギーも電源から流出するのを防止される。また、Q1流出スイッチが閉じて、Co上の電圧がコマンド電圧に等しくなるまでCo 42上の電圧を低下させ、その時点でQ1が開く。
【００２７】
＜整流器および圧縮ヘッドの詳細な説明＞
整流器40および圧縮ヘッド60の主要な成分は図1および図２に示されており、当該システムの動作に関連して上記で説明されている。この節では、整流器の製造の詳細を説明する。
【００２８】
＜固体スイッチ素子＞
固体スイッチ素子46は、ペンシルベニア州ヤングウッドに事務書をもったパワーレックス社(Powerex Inc.)によって提供されるP/N CM 1000 HA-28H IGBスイッチである。
【００２９】
＜インダクタ＞
インダクタ48，54および64は、米国特許第5,448,580号および第5,315,611号に記載されているものと同様の可飽和インダクタである。この可飽和インダクタの頂面図および断面図が、夫々図８Ａおよび図８Ｂに示されている。しかし、この実施例のインダクタでは、当該インダクタにおけるフラックス漏れを低下するために、図８Ｂに示すようにフラックス排除金属片301，302，303および304が加えられている。これらのフラックス排除片は、飽和する前にインダクタを介して電流が流れるのを実質的に低減し、当該システムにおけるインダクタのパルス形成特性を一般的に改善する。電流は、垂直のコンダクタを通る四つのループを形成する。それは305において、「１」でラベルした中央の大口径のインダクタを下方に向けて侵入し、周辺の「１」でラベルした６つの小さなコンダクタを上昇する。他のループは同様に番号を付され、306において出る。フラックス排除金属それ自身で形成された一つの追加の等価なターン（コイル巻き）が存在し、これは５ターンインダクタにおける第三のターンである。これは、フラックス排除金属部品の電圧が全電圧の半分に維持され、フラックス排除金属部品と他のターンの金属ロッドとの間の安全な近接しない距離の減少を可能にする点において有利である。
【００３０】
＜キャパシタ＞
キャパシタバンク42，52および62は全て、並列に接続された規格品キャパシタのバンクからなる。これらのキャパシタは、ジョージア州スミルナに事務所を有するMurata社のような供給業者から入手可能である。出願人は、キャパシタを接続する方法を好み、またインダクタは、米国特許第5,448,580号に記載されたのと同様、ニッケルで厚くコートされた銅線を有する特別の印刷回路基板の正端子および負端子にボルト止めされるべきである。
【００３１】
＜パルス変圧器＞
パルス変圧器56もまた、米国特許第5,448,580号に記載されたのと同様であるが、この実施例のパルス変圧器は二次巻線に一つのターンのみ、および23の一次巻線を有している。パルス変圧器56の図が、図４に示されている。23の一次巻線の夫々は、二つのフランジ（夫々の平坦なエッジにはがネジを切ったボルト孔が形成されている）を有するアルミニウム製スプール56Aを備えており、これらは図４の下縁に沿って示すように、印刷回路基板56B上の正端子および負端子にボルト止めされる。絶縁体56Cは、各スプールの正端子を隣接するスプールの負端子から分離する。スプールのフランジの間には、長さ1 1/16インチ幅0.875ODで壁厚約1/32インチの中空シリンダがある。スプールには、幅1インチ、厚さ0.7ミルのMetglasTM2605 S3Aおよび厚さ0.1ミルのマイラーフィルムが、絶縁されたMetglasTM巻回のODが2.24インチに達するまで巻かれる。一つの主巻線を形成する一つの巻回されたスプールの斜視図が図５に示されている。
【００３２】
変圧器の二次側は、電気ガラスの密着嵌合絶縁管内に装着された単一ODのステンレス鋼ロッドである。この巻線は、図4に示すように４分割である。図４に56Dとして示すステンレス鋼製の二次側は、56Eにおいて印刷回路基板56B上のアース線に接地されており、高電圧端子は56Fとして示されている。上記に示したように、一次巻線の＋端子と−端子との間の700ボルトのパルスは、二次側の端子56Fにマイナス16,100ボルトのパルスを生じる。この設計は、極めて迅速な出力上昇時間を可能にする非常に低い漏れインダクタンスを与える。
【００３３】
＜レーザーチャンバー電気部品の詳細＞
Cpキャパシタ82は、チャンバー圧力容器の頂部に装着された28の0.59nFキャパシタのバンクからなっている。（KrFレーザーは、典型的には1.0％クリプトン、0.1％フッ素、および残部ネオンで構成されるレーザー発生ガスを用いて動作する）。電極は、夫々が約0.5〜1.0インチ離間された約28インチの長さの固体真鍮棒である。この実施例において、頂部電極は陰極であり、底部電極は図１に示すようにアースに接続される。
【００３４】
他の実施例
＜逆分極＞
上記のシステムにおいて、Coは正の電圧で充電され、電子の流れはレーザーチャンバーの接地電極に流れる。回路は、Coを約700ボルトの負の充電電圧に充電することにより容易に反転することができ、また電子の流れは、接地電極から高電圧の電極へと流れるであろう。電極ギャップを横切る電子流の反転もまた、二次巻線（即ち４分割のステンレス鋼管）の極性を変化させることにより達成される。
【００３５】
＜バイポーラ動作＞
図７は、レーザーのバイポーラ動作を可能にする変形例を示している。この場合、二つの電源が設けられ、一方は+1200ボルトを与え他方は-1200ボルトを与える。加えてスイッチ46が二重にされ、46Ａおよび46Bを得る。46Aが閉じるときは、システムの極性は上記で詳述したのと同様である。しかし、46Aが開いて46Bが閉じると、得られるパルスは何処でも反転し、放電ギャップ間を横切る電子の流れは、アース電極から高電圧電極（この場合は約+14,000ボルト）へと向かう。この場合、エネルギー回収回路は必要ではない。（例えば）CoAがTo で +700ボルトに充電される代わりに、46Aが閉じてCoAがインダクタを介して放電することを可能にし、次いで、それが開いて46Bが閉じることにより、反射したエネルギーがCoBに回収されることを可能にし、46Bはそのエネルギーの回収の後に開く。次いで、CoBが-700ｖ充電され、次のToで46Bが閉じて、CoBが回路を介して放電することを可能にする。その結果、放電の方向が変わる。この実施例は、より均一な電極の磨耗を与えるはずである。
【００３６】
＜圧縮ヘッドの装着＞
本発明のこの好ましい実施例は、図１０Ａおよび図１０Ｂに示した圧縮ヘッド装着技術を含んでいる。図１０はレーザーシステムの側断面図であり、電極83および84に対する圧縮リードモジュールの位置を示している。この技術は、圧縮リードチャンバー接続に関連したインピーダンスを最小にし、同時に圧縮ヘッドの迅速な取り換えを容易にするように設計されている。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、アース接続は、図１０Ａの81Aおよび図１０Ｂの81Bにおいて示すように、圧縮ヘッドの背面側に沿った略２８インチの長さのスロットタブ接続を用いて行われる。該スロットの頂部は、可撓性のフィンガーストックと嵌合する。好ましいフィンガーストック材料は、Multilam（登録商標）の商品名で販売されている。
【００３７】
図１０Ａの89においては、可飽和インダクタ64の直径6インチの滑らかな底部と、可撓性フィンガーストックの対合アレイとの間の高電圧接続が行われる。上記のように、好ましいフィンガーストック材料はMutilamである。この構成は、修復または予防的な保守を行うために、約5分以内で圧縮ヘッドモジュールの取り換えを可能にする。
【００３８】
＜可飽和インダクタのためのポットおよびパン＞
従来のパルス電源システムでは、電気部品からの油漏れが問題であった。この好ましい実施例では、油絶縁された部品は可飽和インダクタに限定される。更に、図８Ｂに示した可飽和インダクタは、ポット型の油を含むハウジング内に収容される。該ハウジング内には、オイル漏れの可能性を実質的に排除するために、オイルレベルの上に全てのシール接続が配置されている。例えば、インダクタ64における最も低いシールが図８Ｂの308に示されている。
【００３９】
＜共鳴充電＞
本発明の好ましい実施例において、図１および図２に示した第一の好ましい実施例について説明した二つの整流器、一つのインバータおよび一つの変圧器を利用する電源モジュールが、規格品の電源および共鳴充電回路で置換される。この後者のアプローチは、充電キャパシタの遥かに速い充電を提供する。
【００４０】
＜第一の共鳴充電器＞
この好ましい実施例を示す電気回路が図９Ａに示されている。この場合、480 VAC/40 ampの入力および1200 VDC 50 ampの出力を有する標準のキャパシタ充電電源200が使用される。このような電源は、Ecgar、Maxwell、KaiserおよびAleのような供給業者から入手可能である。この電源は、325μFのキャパシタ202を制御ボード204に指令された電圧レベルにまで連続的に充電する。制御ボード204はまた、エネルギーをキャパシタ202からキャパシタ42に移すために、IGBTスイッチ206を開閉させるように指令する。インダクタ208は、キャパシタ202および42に関連して移動時間を一定に設定する。制御ボード202は、キャパシタ42上の電圧に比例した電圧フィードバック212、およびインダクタ208を流れる電流に比例した電流フィードバック214を受け取る。これら二つのフィードバック信号から、制御ボード204は、IGBTスイッチが開いた瞬間のキャパシタ42上の最終電圧をリアルタイムで計算することができる。従って、指令された電圧210が制御ボード204に供給されると、指令された必要な充電電圧210と比較するために、キャパシタ42およびインダクタ208内の保存エネルギーの正確な計算を行うことができる。この計算から、制御ボード204は、IGBTスイッチ206を開く充電サイクルにおける正確な時間を決定するであろう。
【００４１】
IGBTスイッチ206が開いた後、インダクタ208の磁界に保存されたエネルギーは、ダイオード経路216を通ってキャパシタ42へと移動するであろう。リアルタイムでのエネルギー計算の正確さは、キャパシタ42の最終電圧に存在するであろう変動ディザー(dither)の量を決定するであろう。このシステムの極端な充電速度に起因して、±0.05％の所望のシステム調節に適合するには多すぎるディザーが存在するであろう。従って、この実施例には流出回路が含められる。
【００４２】
流出回路216は、インダクタ208を流れる電流が停止したときに閉じるように、制御ボード204によって指令される。キャパシタ42および抵抗器220の時定数は充分に速いので、評価できる合計充電サイクル量であることなく、キャパシタ42を指令された電圧210にまで流出させる。
【００４３】
＜第二の共鳴充電＞
第二の共鳴充電システムが図９Ｂに示されている。この回路は、図９Ａに示したものと同様である。主要な回路要素は下記の通りである：
I1：    一定のDC電流出力をもった三相電源300
C-1：  現存のCoキャパシタ42の大きさ以上のオーダーであるソースキャパシタ302
Q1、Q2およびQ3：  Co上の調節された電圧を充電および維持するために、電流を制御するスイッチ
D1、D2およびD3：  一方向電流を与える。
R1およびR2：  制御回路に電圧フィードバックを与える。
R3：  小さな過充電の場合に、Co上の電圧の迅速な放電を可能にする。
L1：  電流を制限し、電荷移動のタイミングを設定するための、C-1キャパシタ302およびCoキャパシタ42 の間の共鳴インダクタ。
制御ボード304：  回路フィードバックパラメータに基づいて、Q1、Q2およびQ3を開閉するように指令する。
電源は、固定された700ボルトの電源である。この電源はC-1に直接取付けられ、電源への電圧フィードバックの必要性を除去する。電源が可能になると、それがオンして、C-1キャパシタ307上の電圧が700ボルトになるまで一定の電流出力を調節し、次いでオフする。
【００４４】
当該システムの特性はC-1の電圧調節から独立しており、従って、電源には最も基本的な制御ループのみが必要とされる。第二に、当該電源はC-1上の電圧が700ボルトの設定値未満であるときは何時でも、当該システムにエネルギーを加えるであろう。これは、レーザーパルスの間の全時間（およびレーザーパルスの間でさえも）で、電源がC-1からCoへ移動されたエネルギーを補充することを可能にする。これは更に、上記のパルス電源システムに亘って、電源のピーク電流要件を低下させる。図６Ａに見られるように、電源には、Coを所望の電圧に充電するためのレーザーパルス間の合計時間のパーセンテージのみが与えられる。最も基本的な制御ループへの供給の必要性と、電源のピーク電流評価をシステムの平均電力要求にまで最小限にすることとの組合せは、電力供給コストを見積もられた50％にまで低減する。加えて、一定の電流、固定された出力電圧電源は多くの供給源から容易に入手可能なので、この好ましい設計は売り手側の融通性を提供する。
【００４５】
市場で入手可能な最も基本的な電源を利用するために、合計の電源節約の小部分において評価される追加の回路が加えられる。これらの追加の部品については、整流器の一部であるCoを除いて上記で概説した。動作の一例は下記の通りである。
【００４６】
レーザーパルスを必要とするまでに、C-1上の電圧は700ボルトにまで充電され、スイッチQ1およびQ3が開かれ、Q2が閉じられるであろう。レーザーからの指令に際して、Q1は閉じ、Q2は開くであろう。このときに、電流はC-1からCoへと充電インダクタL1を通って流れるであろう。制御ボード上には、Coの電圧、およびレーザーからの指令された電圧設定点に対するL1を流れる電流を計算している計算機が存在するであろう。Co上の電圧とインダクタL1に保存された等価電圧の合計が所望の指令された電圧プラス100ボルトに等しいときに、Q1は開くであろう。この計算は下記の通りである。
【００４７】
Vf＝［VCO52＋（(L1＊IL152)／Co）］0.5＋100            （1）
ここで、
Vf＝Q1が開き、L1中の電流がゼロになった後のCo上の電圧
VCO5＝Q1が開いたときのCo上の電圧
IL152＝Q1が開いたときにL1を通して流れる電流
である。
【００４８】
計算値に100ボルトを加える理由は、Co上の電圧が指令された電圧に等しいときにも、L1の中を未だ電流が流れることを保証することである。
【００４９】
Q1が開いた後、L1に保存されたエネルギーは、Co上の電圧が指令された電圧に等しくなるまでD2を通してCoへの移動を開始する。この時点でQ2が閉じ、電流はCoへ流れるのを停止して、「自由回転電流ループ」を形成するようにD3を通して向けられる。Q2のオン／オフ切り替えを制御するために、ウインドウコンパレータが用いられる。Co上の電圧が指令された電圧下0.5ボルト未満に降下するとQ2が開き、L1に保持された充電電流は、Co上の電圧が指令された電圧プラス0.5ボルトに降下するまでCoへと流れるであろう。
【００５０】
何等かの理由でCo上の電圧が指令された電圧プラス0.6ボルトを超えると、Co上の電圧が指令された電圧プラス0.6ボルトに降下するまでQ3が閉じるであろう。これは、レーザーがパルスするとき、最悪の場合にも電圧調節が0.6ボルトの変動を有することを保証する。
【００５１】
上記回路、およびC-1上の700ボルトの充電開始電圧を用いると、第一の最大パルス電圧は1400ボルトになるであろう。この実施例について、最大の動作電圧は1200ボルトになるであろう。これは、当該システムが、保存のためにL1における電荷を200ボルトまで保持することを可能にする。この保存は、Coが指令された電圧に等しくなった後にレーザーがCoを放電する際の漏れロスに起因して、必要に応じて増分としてCoにパルスされる。
【００５２】
上記の応用では、ピーク電流評価がシステムの平均電流評価を超える複雑な電源が、遥かに複雑さの低いもので置き換えられている。平均電流評価がピーク電流評価に等しい洗練度の遥かに低い電源は、50％の節減をもたらすと見積もられる。この節減の追加の10％は、上記で概説した回路に戻ると見積もられる。これは、40％の見積もられた節減をもたらす。
【００５３】
当業者は、上記の開示に表された教示に基づいて、本発明の他の多くの実施例が可能であることを理解するであろう。電圧値およびエネルギー値のようなパラメータの多くは異なったものであってもよい。リソグラフィーに使用される商業的なエキシマレーザーについては、少なくとも1000 Hzの充電速度が好ましいが、遥かに速い速度、たとえば2000 Hzまたは5000 Hz以上が望ましいであろう。好ましくは、充電キャパシタの充電電圧は600ボルト以上であり、各充電のための充電エネルギーは、好ましくは少なくとも3ジュールであるべきであろう。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の好ましい実施例のブロック図である。
【図２】  図２は、上記好ましい実施例の単純化された回路図である。
【図３】  図３は、組合せブロック図、上記好ましい実施例の一部である高電圧電源の回路図である。
【図４】  図４は、上記好ましい実施例で使用されるパルス変圧器の組立斜視図である。
【図５】  図５は、上記好ましい実施例で使用されるパルス変圧器の一次巻線を示す図である。
【図６Ａ】  図６Ａは、上記好ましい実施例を用いたパルス圧縮を示す時間ラインチャートである。
【図６Ｂ】  図６Ｂは、上記好ましい実施例を用いたパルス圧縮を示す時間ラインチャートである。
【図６Ｃ】  図６Ｃは、上記好ましい実施例を用いたパルス圧縮を示す時間ラインチャートである。
【図７】  図７は、バイポーラパルスを与えるための単純化された回路図である。
【図８Ａ】  図８Ａは、可飽和インダクタを示す図である。
【図８Ｂ】  図８Ｂは、可飽和インダクタを示す図である。
【図９Ａ】  図９Ａは、共鳴電源を示す回路図である。
【図９Ｂ】  図９Ｂは、共鳴電源を示す回路図である。
【図１０Ａ】  図１０Ａは、好ましい実施例における圧縮リードの装着を示している。
【図１０Ｂ】  図１０Ｂは、好ましい実施例における圧縮リードの装着を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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