(57)【要約】本発明は、６，０００パルスから１０，０００パルス／秒の範囲の繰返し率で、製造ライン能力における信頼性の高い長期にわたる作動が可能な放電ガスレーザシステムを提供する。好適な実施形態は、フォトリソグラフィで使用されるＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、及びＦ２レーザとして構成される。改良点には、陽極（５４２）の中間付近の吸引ファン（５５５）が含まれ、大きなガス流量を得るようになっている。ファンの取入れ口（５５５）は、陽極（５４２）と絶縁スペーサ（５４４Ｂ）との間にある。
2005502210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４，０００パルス／秒を超えるパルス繰返し率で作動することができる高繰返し率放電ガスレーザシステムであって、
Ａ）レーザガスを含むと共に２つの細長い電極を有し、放電領域を形成するレーザ放電室と、
Ｂ）６，０００パルス／秒以上の範囲の繰返し率で作動する場合、次のパルスの前に、前記放電領域から、各々のパルス後に放電によって生成された実質的に全てのイオンを除去するために、前記放電領域で前記レーザガスの十分なガス速度を生成するためのブロアシステムと、
Ｃ）前記レーザガスから少なくとも１６ｋｗの熱エネルギーを除去することができる熱交換器システムと、
Ｄ）約６，０００パルス／秒の繰返し率で約５ｍＪの範囲の正確に制御されたパルスエネルギーを有するレーザパルスを生成するのに十分な電気パルスを前記電極に供給するように構成されたパルス電力システムと、
Ｅ）パルスエネルギー及び波長のフィードバック制御を用いて、エネルギーパルス又は実質的に全てのパルスのパルスエネルギー、波長、及び帯域幅を測定することができるレーザ光測定及び制御システムと、
を備えることを特徴とするレーザ。
【請求項２】
前記放電レーザシステムは、ＫｒＦエキシマレーザシステムであり、前記レーザガスは、クリプトン、フッ素、及びネオンから成ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記放電レーザシステムは、ＡｒＦエキシマレーザシステムであり、前記レーザガスは、アルゴン、フッ素、及びネオンから成ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４】
前記放電レーザシステムは、フッ素及びバッファガスから成るＦ2であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５】
前記放電室は、前記放電領域の上流のガス速度を正規化するための羽根構造体を前記放電領域の上流に更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６】
前記ファンは、２つのブラシレスＤＣモータによって駆動される軸を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項７】
前記モータは、水冷式モータであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項８】
前記モータの各々は、固定子を備え、前記モータの各々は、前記回転子を前記レーザガスから分離する圧力カップに収容された磁気回転子を備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項９】
前記横流ファンは、アルミニウム材から機械加工されたブレード構造体を備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記ブレード構造体は、約５インチの外径を有することを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記モータは、センサレスモータであり、前記モータの一方を制御するためのマスタモータ制御装置と、モータの他方を制御するためのスレーブモータ制御装置とを更に備えることを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記フィン付き熱交換器システムは、水冷式であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記熱交換器システムは、少なくとも４つの別個の水冷式熱交換器を備えることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１４】
熱交換器システムは、管状の水流通路を有する少なくとも１つの熱交換器を備え、少なくとも１つの攪拌器は、前記通路に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１５】
前記４つの熱交換器の各々は、攪拌器を含む管状水流通路を備えることを特徴とする請求項１３に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記パルス電力システムは、水冷式電気構成部品を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１７】
前記水冷式電気構成部品の少なくとも１つは、１２，０００ボルトを超える高電圧で作動する構成部品であることを特徴とする請求項１６に記載のレーザ。
【請求項１８】
前記高電圧は、冷却水が流れるインダクを使用して接地から絶縁されることを特徴とする請求項１７に記載のレーザ。
【請求項１９】
前記パルス電力システムは、充電コンデンサを正確に制御された電圧に充電するために共振充電システムを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項２０】
前記共振充電システムは、Ｄｅ−Ｑｉｎｇ回路を備えることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記共振充電システムは、ブリード回路を備えることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２２】
前記共振充電システムは、Ｄｅ−Ｑｉｎｇ回路及びブリード回路を備えることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２３】
前記パルス電力システムは、並列に配置された少なくとも３つの電源装置で構成された充電システムを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項２４】
前記レーザ光測定及び制御システムは、エタロンユニット、フォトダイオードアレイ、プログラム可能論理回路、及び前記エタロンユニットからのレーザ光を前記フォトダイオードアレイに集束させる光学部品を備え、前記プログラム可能論理回路は、前記フォトダイオードアレイ上でのエタロン干渉縞の位置を決定するために前記フォトダイオードアレイからのデータを分析するようにプログラムされることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項２５】
前記測定及び制御システムは、前記プログラム可能論理回路によって位置が突き止められた干渉縞から波長及び帯域幅を計算するようにプログラムされたマイクロプロセッサを更に備えることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ。
【請求項２６】
前記プログラム可能論理回路は、前記干渉縞の測定値に基づいて波長及び帯域幅を計算するためのアルゴリズムでプログラムされることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ。
【請求項２７】
前記プログラム可能論理回路は、１／１０，０００秒よりも速い速度で波長及び帯域幅を計算するように構成されることを特徴とする請求項２６に記載のレーザ。
【請求項２８】
前記エタロンユニットは、回折拡散素子を備えることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ。
【請求項２９】
少なくとも部分的にＰＺＴ駆動装置によって駆動される調整ミラーを備える線幅狭小化ユニットを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３０】
更に、前記調整ミラーは、部分的にステッピングモータによって駆動されることを特徴とする請求項２９に記載のレーザ。
【請求項３１】
事前調整手段を更に備えることを特徴とする請求項２９に記載のレーザ。
【請求項３２】
学習アルゴリズムを備える能動的調整手段を更に備えることを特徴とする請求項２９に記載のレーザ。
【請求項３３】
適応フィードフォワードアルゴリズムを更に備えることを特徴とする請求項２９に記載のレーザ。
【請求項３４】
前記線幅狭小化ユニットは、格子面を有する格子と、前記格子面近傍にパージガスを注入するためのパージ手段とを備えることを特徴とする請求項２９に記載のレーザ。
【請求項３５】
前記パージガスは、窒素であることを特徴とする請求項３４に記載のレーザ。
【請求項３６】
前記パージガスは、ヘリウムであることを特徴とする請求項３４に記載のレーザ。
【請求項３７】
窒素フィルタを有する窒素パージシステムを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３８】
流量モニタを有する窒素パージモジュールを更に備え、前記レーザから排気パージガスを輸送するためのパージ排気管を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３９】
指令信号でもってレーザ出力ビーム経路に置くことができる電動シャッタ及び電力計を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４０】
前記放電室の第１の窓と線幅狭小化ユニットとの間の第１のビームシール、及び前記放電室の第２の窓と出力カプラユニットとの間の第２のビームシールを行うビームシールシステムを更に備え、前記ビームシールの各々は、金属ベローズを備えることを特徴とする請求項２９に記載のレーザ。
【請求項４１】
前記第１のビームシール及び第２のビームシールの各々は、前記レーザ室の簡単な交換を可能にするように構成されることを特徴とする請求項４０に記載のレーザ。
【請求項４２】
前記ビームシールの各々は、エラストマを含有せず、前記レーザ室からの振動絶縁を行ない、大気ガスからのビーム列の隔離を行ない、前記ＬＮＰ又は前記出力カプラユニットを乱すことなく前記レーザ室の交換を制限しないようになっていることを特徴とする請求項４０に記載のレーザ。
【請求項４３】
前記測定及び制御システムは、前記レーザから出力パルスの一部を分割する１次ビーム分割器と、前記分割された出力パルスの一部を前記パルスエネルギー検出器に導く２次ビーム分割器と、前記１次ビーム分割器、前記２次ビーム分割器、及び前記パルスエネルギー検出器の窓に隣接する容積を前記測定及び制御システムの残りの部分から隔離して隔離領域を形成するための手段とを備えることを特徴とする請請求項１に記載のレーザ。
【請求項４４】
前記隔離領域をパージガスでパージするためのパージ手段を更に備えることを特徴とする請求項４３に記載のレーザ。
【請求項４５】
出力カプラユニット及び出力窓ユニットを更に備え、前記パージ手段は、前記隔離領域からの排気が前記出力カプラユニット及び前記出力窓ユニットをパージするように構成されることを特徴とする請求項４４に記載のレーザ。
【請求項４６】
前記放電室は、長手方向がレーザガス流の方向にある略矩形断面のリブを有する電流戻り部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４７】
前記放電室は、陽極と、前記陽極の両側に配置された誘電スペーサとを備え、前記２つの電極間の領域におけるレーザガス流を改善するようになったことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４８】
前記パルス電力システムは、ピーキングコンデンサバンクのコンデンサと、インダクタンスを大きくするように選択された長さをもつ金属棒によって前記電極の１つと電気接続されたコロナ板を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４９】
前記放電領域は、平均幅を有し、前記電極は、前記平均幅を２ｎｍ未満に制限するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５０】
前記電極の各々は、放電面を有し、前記電極の少なくとも１つは、放電面が複数の放電孔を有する絶縁材で被覆された導体で構成されることを特徴とする請求項４９に記載のレーザ。
【請求項５１】
前記放電孔は、直径が５０ミクロンから２００ミクロンの範囲の略円形であることを特徴とする請求項５０に記載のレーザ。
【請求項５２】
前記直径は、約１００ミクロンであることを特徴とする請求項５１に記載のレーザ。
【請求項５３】
前記電極の両方は、放電面が複数の放電孔を有する絶縁材で被覆されることを特徴とする請求項５０に記載のレーザ。
【請求項５４】
前記絶縁材は、アルミニウムであることを特徴とする請求項５０に記載のレーザ。
【請求項５５】
前記熱交換器システムは、各々の管の冷却水の流れ方向が他方の管とは反対方向になっている２重経路を有する少なくとも１つの水冷フィン付き熱交換器を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５６】
前記熱交換器システムは、少なくとも１つの水冷フィン付き熱交換器と、比例弁及び高速作動デジタル式オンオフ弁を有する流水量制御システムとを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５７】
前記熱交換器システムは、前記放電室の一部に冷却フィンを機械加工により形成した一体式熱交換器を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５８】
前記一体式熱交換器は、前記冷却ファンと熱結合状態にある複数の冷却管を備えることを特徴とする請求項５７に記載のレーザ。
【請求項５９】
高電圧絶縁体内に一体化された細長い導体で構成された予備電離器を更に備え、前記導体は、前記細長い電極の１つに隣接して平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６０】
前記細長い電極の少なくとも１つの下流側に吸引手段を更に備え、前記放電領域でのレーザガス流を改善するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６１】
前記ブロアの軸を支持するセラミック製軸受を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６２】
前記セラミック製軸受は、セラミック製保持器を備えることを特徴とする請求項６１に記載のレーザ。
【請求項６３】
前記セラミック製軸受は、保持器をもたない軌道と、セラミック製玉軸受と、前記セラミック製玉軸受よりも直径が小さい分離玉とを備えることを特徴とする請求項６１に記載のレーザ。
【請求項６４】
前記ブロアシステムは、注入循環器を備え、前記放電室のレーザガス流の一部は、前記放電室から抽出され、加圧され、前記放電室に再注入されて循環レーザガス流を生成するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６５】
前記ブロアシステムは、前記レーザ放電室の外部にブロアを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６６】
前記熱交換器システムは、前記ブロアと一緒に配置される熱交換器を備えることを特徴とする請求項６５に記載のレーザ。
【請求項６７】
前記熱交換器システムは、前記レーザ放電室内に熱交換器を備えることを特徴とする請求項６５に記載のレーザ。
【請求項６８】
前記ブロアシステムは、油圧タービン駆動装置によって駆動されるブロアを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６９】
前記油圧タービン駆動装置は、油圧駆動力をレーザガスブロアの軸に結合させるために磁気カップリングを備えることを特徴とする請求項６８に記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００２年６月２８日に出願された米国特許出願番号１０/１８７，３３６、２００２年５月７日に出願された米国特許出願番号１０/１４１，２１６、２００１年１２月２１日に出願された米国特許出願番号１０/０３６，６７６、２００１年１１月３０日に出願された米国特許出願番号１０/０１２，００２、２００１年１０月１７日に出願された米国特許出願番号１０/０２９，３１９、２００１年８月２９日に出願された米国特許出願番号０９/９４３，３４３、２００１年５月１１日に出願された米国特許出願番号０９/８５４，０９７、２００１年２月２７日に出願された米国特許出願番号０９/７９４，７８２、２００１年１月２３日に出願された米国特許出願番号０９/７６８，７５３、２０００年１０月６日に出願された米国特許出願番号０９/６８４，６２９、及び２０００年６月１９日に出願された米国特許出願番号０９/５９７，８１２の優先権を主張するものである。本発明は、放電ガスレーザ、特に、高繰返し率放電ガスレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
放電ガスレーザ
放電ガスレーザは周知である、１９６０年代にレーザが発明された直後から利用可能でなっている。２つの電極間の高電圧放電は、ガス状利得媒質を生成する。利得媒質を含む空洞共振器は、光の誘導増幅を可能にし、その後、光はレーザ光の形態で抽出される。これらの放電ガスレーザの多くは、パルスモードで作動される。
【０００３】
エキシマレーザ
エキシマレーザは、特定の形式の放電ガスレーザであり、１９７０年代半ばから知られている。集積回路リソグラフィに有用なエキシマレーザは、１９９１年６月１１日発行の米国特許第５，０２３，８８４号「小型エキシマレーザ」に説明されている。この特許は、本出願人の雇用主に譲渡されており、その開示内容は引用により本明細書に組み込まれる。米国特許第５，０２３，８８４号で説明されているエキシマレーザは、高繰返し率パルスレーザである。図１及び図２にレーザ１０の主要な構成部品を示す（米国特許第５，０２３，８８４号の図１は図１に対応し、図７は図２に対応する）。放電器２２は、約１／８インチ離間された２つの長い（約２３インチ）電極１８及び２０の間にある。従来技術によるレーザの繰返し率は、説明されているように、一般的に約１００パルスから２０００パルス／秒の範囲内である。これらの高繰返し率レーザは、通常、ガス循環システムを備えている。上記で参照したレーザにおいて、これは、約２３枚のブレード４８を有する長いカゴ形ファンで行われる。このファンブレード構造体は、電極１８及び２０よりも若干長く、パルス作動速度において、電極間の放電がかき乱したガスはパルス間に清浄化されるように十分な循環を行う。ファン４６の軸１３０は、米国特許第５，０２３，８８４号の図９である図２Ａに示すように、２つの玉軸受け１３２によって支持される。レーザに使用されるガスは、極めて反応性が高いフッ素を含有する。ファン軸１３０を駆動するファン回転子は、ハウジング構造体部材１２及び１４によってもたらされる同じ環境システム内に、米国特許第５，０２３，８８４号のコラム９の４５行目に説明されるようなシール部材１３６によって密封される。モータ固定子１４０は、シール部材１３６の外側にあるので、フッ素ガスの腐食作用から保護される。しかしながら、軸受け１３２は、軸受け内で使用される潤滑剤といったチャンバガスの腐食作用を受ける。軸受けの腐食及び軸受け潤滑剤はガスを汚染する可能性がある。
【０００４】
モジュール式設計
これらのエキシマレーザは、集積回路リソグラフィに使用する場合、一般的に、「２４時間体制」の集積回路製造ラインで作動するので、休止時間は非常に不経済である。この理由で、構成部品の大半は、数分以内に交換可能なモジュールにまとめられている。
【０００５】
線幅狭小化
リソグラフィに使用されるエキシマレーザは、出力ビームの帯域を１ピコメートルまで狭くする必要がある。この「線幅狭小化」は、一般的に、レーザの空洞共振器の背部を形成する線幅狭小化モジュール（「線幅狭小化パッケージ」又は「ＬＮＰ」と呼ぶ）において達成される。このＬＮＰは、プリズム、ミラー、及び格子を含む精巧な光学素子で構成される。繰返し率が大きくなるにつれて、ＬＮＰによる安定した性能が重大な課題になる。
【０００６】
パルス電力
米国特許第５，０２３，８８４号に説明されているような形式の放電ガスレーザでは、２つの電極間で放電を生成するために、図３に説明されているような電気パルス電力システムを使用する。このような従来技術によるシステムでは、直流電源装置２２は、「充電コンデンサ」又は「Ｃ0」と呼ぶコンデンサバンクを「充電電圧」と呼ぶ各パルスに対する所定の制御電圧に充電する。この充電電圧の大きさは、約５００ボルトから１０００ボルトの範囲であってもよい。Ｃ0が所定の電圧まで充電された後、半導体スイッチが閉じられると、Ｃ0上に蓄積された電気エネルギーがコンデンサバンク５２、６２、及び８２、並びにインダク４８、５４、及び６４を有する一連の磁気圧縮回路、及び変成器５６を通って非常に素早くリンギングし、変成器５６は、電極の全体にわたって約１６，０００ボルトの範囲で高電圧電位を生成して約５０ｎｍ継続する放電を生成する。
【０００７】
市場にある従来技術によるシステムにおいて、半導体スイッチの閉成から放電までの時間は約５マイクロ秒の範囲である。しかしながら、予め選択された電圧までの正確なＣ0の充電には、従来、約２，０００Ｈｚ未満のパルス繰返し率には十分な速さであった約４００マイクロ秒を必要とした。Ｃ0の電圧レベルの制御はこれらのシステムにおいて充電電圧に関してレーザオペレータが行う唯一の実際的な制御であり、結果的にレーザパルスエネルギーの主要な決定要因であることから、Ｃ0の正確な充電は非常に重要であることを理解されたい。
【０００８】
熱交換器
集積回路リソグラフィに使用される従来技術によるエキシマレーザでは、一般的に、放電及び前述の循環ファンを介したエネルギー入力の両方によって加熱されるレーザガスを冷却するシステムを必要とする。これは、一般的に、図１で５８に示す水冷フィン付き熱交換器で行われる。レーザガスを循環させるのに必要な電力は、所要ガス速度の３乗として大きくなるので、レーザの繰返し率が２倍又はそれ以上になると、レーザで発生する熱は２倍より多くなる。
【０００９】
ビーム品質の制御
集積回路リソグラフィの光源と使用される場合、レーザ光パラメータ（即ち、パルスエネルギー、波長、及び帯域幅）は、一般的に、非常に厳しい仕様内に制御される。このことは、パルスエネルギーのパルス間基準のフィードバック制御、及び若干遅い線幅狭小化出力ビームの波長のフィードバック制御を必要とする。パルス繰返し率の２倍又はそれ以上の増倍化は、これらのフィードバック制御システムが非常に高速で機能することを必要とする。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５，０２３，８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
約４，０００パルス／秒の範囲の繰返し率で作動するパルス放電ガスレーザのより優れたレーザ設計が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、８，０００パルス／秒から１０，０００パルス／秒又はそれ以上の範囲の繰返し率の製造ライン性能において、信頼性が高く寿命が長い放電ガスレーザシステムを提供する。好適な実施形態は、集積回路リソグラフィの光源として使用されるＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、及びＦ2レーザとして構成される。改良点としては、磁気圧縮パルス電力システムの最初のコンデンサを６，０００倍から１０，０００倍／秒の正確な目標電圧に充電することができる改良型高電圧電源装置と、パルスエネルギーをモニタしてパルス間基準で目標電圧を決定するためのフィードバック制御が含まれる。レーザ電極間で放電によって生成された残渣を放電と放電の間に放電領域から除去するための幾つかの方法が開示されている。１つの実施形態において、放電領域の幅は、４，０００Ｈｚ作動用に設計されたガス循環システムを１０，０００Ｈｚ作動で利用できるように、約３ｍｍから約１ｍｍに短縮される。他の実施形態において、電極間のガス流は、３ｍｍの放電領域幅でもって１０，０００Ｈｚの作動できるように十分に高められる。相当高いガス流速を可能にするために、出願人は、従来技術の横流ファンを利用するが、改良されたより強力なモータ及び新規な軸受け設計を用いた本発明の好適な実施形態を開示した。新規な軸受け設計には、セラミック製軸受け及び磁気軸受けの両方が含まれる。他の実施形態において、ガス循環電源の一部又は全てには、レーザ室の外側に配置されたブロアが設けられる。外側ブロアは、レーザキャビネット内又は別の位置に配置することができる。
【００１３】
また、本発明は、放電率の増加に起因する余分な熱、及びファン電力の増加に起因する余分な熱の除去を可能にするために改良をもたらす。本発明の実施形態は、単室式放電ガスレーザシステム及びＭＯＰＡレーザシステム等の２室式レーザシステムに適用される。
【００１４】
本明細書において、出願人は、最初に４，０００Ｈｚでの作動のために特別に設計されたレーザシステムを説明し、実質的なパルス繰返し率の増加を可能にするための小さな変更に言及する。次に、出願人は、レーザシステムからの熱の除去を実質的に増加させるためのシステム及びレーザガス流を実質的に増加させるための大きな改良について説明する。出願人は、１０，０００Ｈｚ又はそれ以上の繰返し率で正確な電気パルスを発生すように設計されたパルス電力システム、及びこれらのパルス繰返し率のレーザパルスのスペクトル特性をモニタし制御するための波長計及び制御装置を詳細に説明し、更に出願人の超高速応答線幅狭小化装置を詳細に説明する。また、出願人は、好適なレーザパージ方法及び装置、ＭＯＰＡシステムへの本発明の適用、及びビーム送出システム及びパルス乗算装置を含むこれらの高繰返し率システムの他の有用な改良点を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
高繰返し率ＫｒＦ−ＡｒＦレーザ
集積回路リソグラフィに使用される最先端技術によるＫｒＦレーザを以下に説明する。これは４ＫＨｚのパルス繰返し率で７．５ｍＪのパルスエネルギーを有する約２４８ナノメートル（例えば、２４８．５０ｎｍ、２４８，２５０ｐｍ）の狭帯域パルスを生成するように設計された弗化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザである。これらのレーザの仕様には、０．５ｐｍ（ＦＷＨＭ帯域幅）未満及び１．４ｐｍ（９５％積分帯域幅）未満の帯域幅の仕様幅が含まれる。また、この仕様は、０．０５ｐｍ未満の３σ波長安定性及び０．５ｍＪ未満の３０パルス線量安定性を要求する。図４Ｂは、この好適な実施形態の正面図であり、ドアが取り外されて多数のレーザ構成部品が特定されている。このレーザは、モジュール式ユニットであり、レーザ停止時間を最小限に保つために全てのモジュールを非常に迅速かつ容易に交換できるように設計されている。図４Ｂを右回りに進むと特定される構成部品は以下の通りである。
・レーザの作動状態を示すステータスランプ１Ｋ、
・携帯端末（図示せず）又はリソグラフィ設備のマスタ制御装置からの入力制御信号に基づいてレーザ機能を制御する制御モジュール２Ｋ、
・レーザパルス電力システムの一部であり、レーザ室上に配置されたピーキングコンデンサバンクを充電する電気パルスのパルス圧縮の最終階を形成する圧縮ヘッドモジュール３Ｋ、
・波長計とも呼ぶ、レーザパルスをモニタして波長及びパルスエネルギーを制御するフィードバック信号を供給する安定化モジュール４Ｋ、
・電力計を備える自動シャッタモジュール５Ｋ、
・レーザ室モジュール上に配置された金属弗化物トラップ（フィルタ）に高電圧電力を供給するＭＦＴ電源装置６Ｋ、
・左側ブロアモータ７Ｋ、
・レーザ制御モジュール８Ｋ、
・レーザ制御装置をリソグラフィ設備制御装置に適合させるためのインタフェース回路を備えるインタフェースモジュール９Ｋ、
・冷却水供給モジュール１０Ｋ、
・冷却水分配モジュール１１Ｋ、
・レーザガス供給モジュール１２Ｋ、
・レーザキャビネットガスを外気に抜く、煙検出器を含む通気組立体１３Ｋ、
・右側ブロアモータ１４Ｋ、
・線幅狭小化パッケージ又はＬＮＰとも呼ぶ線幅狭小化モジュール１５Ｋ、
・右側ブロアモータ制御装置１６Ｋ、
・左側ブロアモータ制御装置１７Ｋ、
・Ｃ0充電コンデンサバンクと、電気パルスを生成し、初期段階のパルス圧縮及びパルス増幅を行うための電気回路とを含む整流器モジュール１８Ｋ、
・Ｃ0コンデンサバンクの超高速共振充電を行うための共振充電器モジュール１９Ｋ、
・標準設備の三相ＡＣ電力から高電圧ＤＣ電力を生成するための高電圧パルス電力供給モジュール２０Ｋ、
・ＡＣ／ＤＣ配電モジュール２１Ｋ、
・ヘリウムパージモジュール（図示せず）、
・波安定化モジュール（図示せず）。
【００１６】
図４Ａは、本発明の第１の好適な実施形態のレーザ室１０Ａの断面図である。主なレーザ室構成部品は、ハウジング構造部材１２Ａ及び１４Ａ、予備電離器チューブ６０の上流側の陰極１８Ａ及び陽極２０Ａ、ピーキングコンデンサバンク６２、及び静電トラップユニット６４である（全て、図１に示す従来技術の対応する構成部品と類似する）。レーザ室は、新規な陽極支持流れ成形構造体４８、新規な上部流れ形成構造体５０、ガス転向羽根５２、新規な５インチ径横流形ファンブレード構造体４６Ａ、及び４つの水冷式熱交換器装置５８Ａを含む。図１３は、新規な電流戻り部５４８を有する他の類似のレーザ室の構成を示す。
【００１７】
図１６は、出力ビームの波長及びパルスエネルギーを制御するために重要なレーザシステムの特徴を示すブロック図である。
【００１８】
従来技術の放電ガスレーザに対する重要な改良点として以下のものを挙げることができる。
１）レーザ室レーザガスを循環させるための改良型流路
２）水冷式パルス電力システム
３）高速制御アルゴリズムを有する超高速波長計
４）組み合わせＰＺＴ及びステッピングモータ駆動式調整ミラーを有する新規な高負荷サイクルＬＮＰ
５）特殊な制御装置をもつ２台の水冷式ブラシレスＤＣ駆動ブロアモータを備えた大型横流ファン
６）光学部品保護用の超純粋窒素パージシステム
７）電力計を有する密封シャッタ
８）改良型熱交換器配置
９）ビーム密封システム
１０）ＬＮＰ用ヘリウムパージ
１１）ガス流に平行なリブを有する電流戻り部
１２）レーザ室インピーダンスを最適にするためのインダクタンス板
１３）性能寿命のための電極最適化
【００１９】
狭放電帯域幅４，０００ＫＨｚから１０，０００ＫＨｚのパルス繰返し率で作動するように設計された本発明の好適な実施形態は、４，０００Ｈｚでの作動のために設計されたレーザシステムを使用する。この実施形態において、放電領域は、約３．５ｍｍの放電領域を有する従来の設計から約１ｍｍから１．５ｍｍまで狭小化されている。（狭い放電帯域幅に対応するための好適な電極設計については以下のセクションで説明する）。これによって、ガス速度約６７ｍ／ｓを用いて電極１８Ａと２０Ａとの間の放電領域の清浄が可能になる。このガス速度で、各パルスに先行するパルスからの残渣は、放電時には放電領域の下流側では０．５ｃｍである。これらのガス速度を達成するために、５インチ径の横流ファンユニットが使用され（ブレード構造体の長さは２６インチ）、回転速度は、約３５００ｒｐｍに高めた。この性能を得るために、本実施形態は、最大約４ｋｗの駆動電力をファンブレード構造体に供給する、各々が定格約２ｋｗの２台のモータを利用する。例えば、８０００Ｈｚのパルス繰返し率で、放電は約２４ｋｗの熱エネルギーをレーザガスに加える。ファンによって加えられた熱と共に放電によって生成された熱を除去するために、４つの別個の水冷フィン付き熱交換器ユニット５８Ａが設けられる。以下にモータ及び熱交換器について詳細に説明する。
【００２０】
熱交換器構成部品
熱交換器の１つの断面図を図２１に示す。熱交換器の中央は切り取られているが両端は図示されている。図２１Ａは、熱膨張及び収縮に対応する熱交換器の端部の拡大図を示す。
【００２１】
熱交換器構成部品には、純銅（ＣＵ１１０００）から機械加工されたファン付き構造体３０２が含まれ、１２個のフィン／インチを有している。水流は、０．３３インチのボア径を有する軸方向の経路を通る。軸方向の経路に位置するプラスチック製攪拌器３０６は、経路内の水の層状化を防止すると共に、経路の内面での高温境界層の形成を防止する。撓みフランジユニット３０４は、内フランジ３０４Ａ、ベローズ３０４Ｂ、及び外フランジ３０４Ｃから成る溶接されたユニットである。熱交換器ユニットは、熱交換器内を流れる水をレーザガスからシールするための３つのＣ型シール３０８を含む。ベローズ３０４Ｂは、室に対する熱交換器の膨張及び収縮を可能にする。２重ポートナット４００によって、熱交換器経路が標準的な５／１６インチの位置決めエルボー管の取付け具に接続され、この取付け具は水供給源に接続されている。Ｏリング４０２によって、ナット４００とフィン付き構造体３０２との間のシールが行われる。
【００２２】
攪拌器
好適な実施形態において、攪拌器は、一般にエポキシ成分を混ぜ合わせるのに使用され、３Ｍ社から販売されている４つの市販の長尺インラインミキサで構成される（Ｓｔａｔｉｃ  Ｍｉｘｅｒ、部品番号０６−Ｄ１２２９−００）。インラインミキサは図２１及び図２１Ａに３０６に示す。インラインミキサによって、ピッチ距離（０．３インチ）毎に時計方向を反転させる概して螺旋状の経路に沿って水が強制的に流される。攪拌器は、熱交換器性能を大幅に改善する。出願人による試験の結果、攪拌器を付加すると、同程度のガス温度条件を維持するために必要な水流が約１／５に低減することが分かった。
【００２３】
良好な冷却水流量制御
本発明の好適な実施形態の場合、出願人は、オン／オフ電磁式流水量制御弁をレーザ室冷却水供給部に追加した。従来の設計では、冷却水は、レーザガス温度を検出する高速温度センサに基づいて制御される比例弁で制御される。これらの比例弁は、一般的に弁の動作範囲の５０パーセントと１００パーセントとの間といった特定範囲での流量に対して非常に良好に機能する。冷却水流量範囲全体での良好な制御を行うために、デジタル式オンオフ流量制御弁が、比例弁に対して直列に追加される。これらのデジタル式流量制御弁はプログラム可能であり、１秒サイクルといった特定のサイクルで、弁が１秒サイクルの所定時間にわたって開き、その１秒サイクルの残りの時間で閉じるように作動する。例えば、弁は、約０．２秒間開き、約０，８秒間は閉じるようにプログラムできる。これらのデジタル式流量制御弁は、米国ニュージャージー州フローハムパーク所在のＡｓｃｏ  Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  ＆  Ｆｌｕｉｄ  Ｐｏｗｅｒ社等の供給業者から市販されている。好適な実施形態において、冷却水流量はコンピュータプロセッサによって制御される。プロセッサは、冷却要求を予測するためにレーザ制御装置からのパルス繰返し率のデータを利用するアルゴリズムを用いてプログラムされる。
【００２４】
熱除去量の増加
２重経路熱交換器
出願人の雇用主によって現在製造中のレーザシステムは、４つの別個の水冷フィン付き熱交換器を利用する。図１３に示して説明したように、熱交換器は、各々が単一の銅のブロックで機械加工された単一経路熱交換器である。性能を大幅に改善する好適な実施形態において、熱交換器は図１３Ｃで符号５８Ｃにて示す。この場合、２重水流は、２つの水流経路を使用して得られる。冷却水は、レーザ室の両側からの２つの経路の一方から注入されることが好ましい。これによって、熱交換器の熱除去性能が大幅に高くなるばかりでなく、レーザ室の両側間の温度勾配が非常に小さくなる。
【００２５】
前記の設計の変形例は、Ｕ字管式熱交換器を製造するために２つの経路を一端で繋ぐことである。当業者であれば、前記の設計と比較した場合のこの変形例の長所及び短所は理解できるであろう。
【００２６】
一体式熱交換器
出願人の雇用主によって現在製造中のレーザシステムは、図１３に示すような４つの水冷フィン付き熱交換器を利用する。さらなる冷却を行うために、レーザ室の底部であってファン及び陽極支持バーが設けられていない全容積は、大型フィンに機械加工されており、各々のフィンは、約７０ｃｍ長のレーザ室に沿って２ｍｍ中心上の離間された約０．５ｍｍ厚である。約８つの精密孔がフィンを貫通して穿孔され、レーザ室底部と同じ材質の冷却水管は、この孔に熱嵌合されてレーザ室の冷却を行うようになっているのが好ましい。前述のように、水は両側から注入することができ、流れの半分ずつが各々へ流入する。
【００２７】
レーザガス流速の増加
レーザガス流経路
この好適な実施形態において、放電領域を出入りするガス流は、従来技術によるレーザ室よりも大幅に改善されている。羽根構造体６６は、ファンブレード構造体の直下流で、放電領域６８のガス速度を約２０ｍ／ｓに正規化するように設計される。図１３において、レーザ室上部は、相似の流れ形成面をもたらすように機械加工される。従って、ガス速度は放電領域において設計速度６７ｍ／ｓまで高くなる。放電領域の中心から約４インチ下流で、流れの断面は、ガスが４つの転向羽根５２によって方向が変わる前に２０°の角度で約５／８インチから約４インチまでに大きくなる。これによって、放電領域で起こる圧力低下の大部分を回復することができる。図１３Ａ（１）に示すような鯨骨形状の流れ戻り部５４８は、０．０１５インチ厚のニッケル合金（ＵＮＳ  Ｎ０４４００）からレーザ加工され、２３本のリブがガス流に対する最小の抵抗となるように図１３Ａ（３）から１３Ａ（８）に示すような形状に曲げられている。各々のリブは、長手方向がガス流方向に平行な０．０１５インチ×０．０９０インチの断面をもつ。
【００２８】
一体型主絶縁体
対象領域内の流路を改善させるために、本発明の好適な実施形態は、１つ又はそれ以上の予備電離器が一体化された主絶縁体を利用する。これによって、基本的に、図４Ａの６０に示す予備電離器チューブと図４Ａの従来型主絶縁体５０が一体化される。好適な実施形態の主絶縁体の断面図を図４Ｃに示す。主絶縁体を符号５０Ａで示し、接地棒のスロットを符号６０Ａで示す。陰極の位置を符号１８Ａ１で示す。絶縁体は、カリフォルニア州ニューアーク所在のＣｅｒａｍｉｃｓ社等の供給業者から販売されている高密度アルミナで構成される。この設計によって、実質的にガス流の抵抗が低減され、同じブロア電力で流速が非常に高くなる。図４Ｄは、図４Ａ、図１３Ａ（１）、及び図１３Ａ（２）に示す構成に比べて改良された流路を呈する陰極・陽極構成を示す。
【００２９】
ガス流量の増加
放電領域の幅を約３．５ｍｍに保つ場合、１０，０００Ｈｚの範囲までの繰返し率の増加には、４，０００Ｈｚで作動する既存の市販の放電ガスレーザと比較すると、レーザガス流量を大幅な増加させる必要がある。本明細書では、パルス間で放電領域から放電残渣を除去するのに必要な程度にガス流を増加させる方法を説明する。
【００３０】
下流アーク放電
任意のガス流量を得るための従来技術によるエキシマ室において、パルス繰返し率は、下流のアーク放電によって制限される。下流アーク放電は、電極間の電圧電位が放電電圧に達した時に前回パルスの残渣が放電領域から露出した時点で発生する。アークは、陰極から残渣の後縁によって形成された経路に沿って陽極まで延びる。下流アーク放電は、低エネルギーで極めて低品質のレーザパルスを生成する。従って、下流アーク放電の発生を防止する必要があり、これはパルス繰返し率を制限する現象である。
【００３１】
陽極での吸引
陽極５４２の直下流で吸引が行われる以外は図１３Ａ（２）に示す設計と同様の、特に陽極の中間領域の流れを向上させるための１つの好適な方法を図１３Ａ（３）に示す。この実施形態において、スロット通路５４４Ｃは、陽極５４２と絶縁体スペーサとの間の陽極５４２の長手方向に沿って、陽極支持バー５４６を通って、円筒形プレナム５４７まで設けられている。プレナム５４７は、図１３Ｄに示すようにレーザ室の外部にあるパイプ５４９に接続されている。
【００３２】
図１３Ｅに示すブロア５５０は、レーザ室圧力を約１気圧上回る圧力で、レーザガスをプレナム５４７から吸引し、水冷式熱交換器５５１を経由してプレナム５５２に入れる。プレナム５５２は、電極の長手方向に平行なレーザ室壁部に２．５ｃｍ径の穴を開けて形成される。８つの注入ノズル５５３は、プレナム５５２からの高圧ガスを、ファン４６Ａの下流でその位置での全体的なガス流速よりも実質的に大きな速度でガス流に注入するために設けられている。従って、この余分な流れループによって更なるガス冷却が行われる。しかしながら、大きな利点は、この付加的な流れループによって層流が形成され、陽極の直下流領域から放電残渣が除去され、結果的に、所定の全体的なガス流量に関する下流アーク放電のない繰返し率の実質的な増大が可能になる。また、プレナム５５２と類似の陰極プレナムを陰極近傍に作ることによって陰極の下流で吸引を行うことができる。また、このプレナムは、変更された主絶縁体５０の変形バージョン内に、又は陰極５４１と絶縁体との間に形成された空洞内に作ることができる。ブロア５５０は両方のプレナムの吸引を行うことができる。
【００３３】
図１３Ｄ及び図１３Ｅに示す設計は、実質的に、追加のブロアを必要とするのでレーザ室の設計を複雑にし、ブロアはモータ駆動ファン４６Ａと同様のキャンドロータを有するモータを必要とする。陽極での吸引を行う簡単な方法を図１３Ｆに示す。この設計は、出願人が試験したものであり、実質的に陽極の直下流領域のガス流を改善するものである。しかしながら、ファン吸引部５５５の一部は、専ら陽極支持バー５４７を貫通して吸引を行うので全体的なガス流は若干低下する。
【００３４】
本発明の好適な実施形態では、レーザガスを循環させるための２つのモータによって駆動される大型横流ファンを備える。構成部品を図４Ａ、図１３、図１８、及び図１８Ａに示し、４，０００Ｈパルス間で放電領域の約１７ｍｍの空間を清浄するのに十分な６７ｍ／秒のガス流を電極間に形成する。１０，０００Ｈｚでは、清浄空間は約６．７ｍｍである。これは、現在レーザリソグラフィに利用されているＫｒＦレーザ及びＡｒＦレーザの一般的な３ｍｍから３．５ｍｍの放電領域の幅の約２倍である。
【００３５】
ファンのブレード構造体の断面を図４の符号６４Ａで示す。斜視図を図１８Ａに示す。ブレード構造体は、５インチ径であり、中実アルミニウム合金６０６１−Ｔ６棒材から機械加工される。各区域の個々のブレードは、放電領域のブレードによって引き起こされる圧力の混乱を最小限に抑えるために図１８Ａに示すように隣接区域から若干オフセットしている。個々のブレードは、作動中にブレード先端からの放電による音波の反射を低減するためにナイフエッジ状にテーパ付けされた前縁をもつことが好ましい。
【００３６】
図１８に示すこの実施形態は、２つの水冷式３相ブラシレス直流モータを利用し、米国特許第４，９５０，８４０号で説明されているように、各々、モータの固定子部をレーザガス環境から隔離する金属製圧力カップに収容された磁気回転子を備える。この実施形態において、圧力カップは、レーザガスバリアとして機能する０．０１６インチ厚の薄肉ニッケル合金４００である。２つのモータ５３０及び５３２は、同じ軸を駆動し、反対方向に回転するようにプログラムされる。両モータは、センサレスモータである（即ち、位置センサレスで作動する）。右モータ５３０を制御する右モータ制御装置５３４は、開始／停止、電流指令、電流フィードバック等を実施するために、アナログ・デジタル信号によってスレーブモータ制御装置５３６を制御するマスタ制御装置として機能する。レーザ制御装置２４Ａとの通信は、マスタ制御装置５３４へのＲＳ−２３２シリアルポートを介して行われる。
【００３７】
大型モータ
図１８、図１８Ａ、図１８Ｂに示す横流ファンは、１９９１年に出願人の雇用主が特許取得した図２及び図２Ａに示す基本的なファン技術である（米国特許第５，０２３，８８４号を参照）。放電領域でのレーザガス速度を上げるのに利用可能な他の改良は、米国特許出願番号０９／７４７，３１６号で説明されている形式の大型かつ強力なモータを有するファンであり、その特許の開示内容全体は引用により本明細書に組み込まれる。このモータは、これらのモータのうちの２つが、前述の２つのモータが２ｋｗであるのに対して、約９ｋｗの駆動電力を５インチファンに供給できるように定格４．５ｋｗである。これらの大型ファンによって、放電領域のガス速度は約９０ｍ／ｓに高められる。
【００３８】
良好なセラミック製軸受
ファンが高速になると軸受には余分な応力がかかる。深溝付き窒化珪素玉軸受は、非常に良好に作動し、フッ素含有エキシマレーザ室内のブロアファンを支持しながら適切な寿命を呈することが分かっている。この軸受構造は、窒化珪素玉及び軌道、及び、作動中に玉を離間状態に保つ一般的にＰＴＦＥ（商標テフロン）製のスナップ式保持器を必要とする。
【００３９】
この軸受の故障の原因は、保持器の磨耗である。従って、保持器の磨耗を最小限に抑えるように改良すれば軸受の寿命が延びる。１つの改良は、保持器の材料を良好な機械特性及び熱特性（耐磨耗性を含む）をもつフッ素適合の可撓性材料に変えることによって実現できる。このようにして、保持器の幾何学的形状が保たれる。１つの適切な材料は、ＰＣＴＦＥ（商標Ｋｅｌ−Ｆ、軟化温度がＰＴＦＥよりも３５°Ｆだけ高い）である。試験の結果、Ｔｅｆｌｏｎと比べた場合、Ｋｅｌ−Ｆの侵食は非常に少ないことが分かっている。
【００４０】
保持器の材料の他の論理的な選択肢は、玉や軌道として非常に良好な性能を発揮するので窒化珪素である。しかしながら、これには、窒化珪素は可撓性ではなくＰＣＴＦＥのようにはスナップ式にはならないので、幾何学的形状を変更する必要があるこれは、図１８Ｂに示すように、２分割式保持器５４０Ａ、５４０Ｂを作り、２部品をピン５４２で固定することによって実現できる。ピンは、ＰＴＦＥ又はＰＣＴＦＥ等の可撓性材料で作ることができる。セラミック製玉は符号５４１で示されている。別の構造は、珪素玉を、保持器をもたない軌道内の小さな分離玉に変えるものである。分離玉はやはり窒化珪素である。これらの玉は加重を受け持たずスペーサとして機能し、軸受玉と反対方向に回転する。
【００４１】
他の可能性のある軸受材料は、米国ニューハンプシャー州キーン所在のＴｉｍｋｉｎ社の事業部であるＭｉｎｉａｔｕｒｅ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｂｅａｒｉｎｇから販売されているようなダイヤモンド状の被覆（ＤＬＣ）を有するジルコニア又はステンレス鋼製被覆である。レース及び玉の両者はＤＬＣ被覆処理される。担体もジルコニアとすることができる。試験の結果、Ｆ2雰囲気において軸受の摩擦は非常に少なく、従って、これらの軸受を潤滑なしで使用できることが分かっている。
【００４２】
磁気軸受
磁気軸受は、好適な実施形態においては、軸受がレーザ室の耐用年数を制限するのを防止するために、及び／又は高速作動を可能にするために設けることができる。磁気軸受システムは、引用により本明細書に組み込まれた米国特許第６，１０４，７３５号に説明されている。
【００４３】
注入器循環器
他の好適な実施形態において、ファン及び主熱交換器装置は、放電室から取り除かれて、循環ガス流の約１０％から２０％の高圧注入によってガス循環が行われる。このような配置を図２５に示す。図２５は、基本的に約７０ｃｍ長の２つのシリンダから構成される放電室の断面を示す。外側シリンダ６００は、約３０ｃｍの直径を有し、内側シリンダ６０２は約２０ｃｍの直径を有する。符号６０４で示す従来型の約１．７ｃｍの間隔及び約５０ｃｍの長さを有する電極が配置されている。内側シリンダ６０２は、ノズル式スリット６０６を通るガス流の約１０％から２０％用の排気プレナムとなる。この１０％から２０％の流れは、一端又は両端でシリンダ６０２からガスポンプ６０８へ流出し、ガスポンプは、この流れを、水冷式熱交換器６１０を経由して、約７０ｃｍ長の第３のシリンダと外側シリンダ６００に溶接されたプレートで形成された入口プレナム６１２に送り込む。ガスは、プレナム６１２の一端又は両端から入り、スリット式注入ノズル６１４を通って循環ガス流に注入される。２つのシリンダ間のガス圧は、平均圧が約３気圧であり、ガスポンプ６０８は、６，０００Ｈｚから１０，０００Ｈｚの範囲の所望の放電繰返し率を可能にするために、電極間で適切なガス流速を確保するための十分な差圧を生じる大きさに作られた遠心ブロアであることが好ましい。レーザガスに曝される流れループの全ての部分は、フッ素適応材料で構成されることが好ましい。好適な実施形態において、ブロア６０８の駆動装置は、横流ファンを駆動するための前述の図１８に示すモータ５３０及び５３２と類似のキャンドロータを有するブラシレスＤＣモータである。
【００４４】
１回貫流レーザガス流
電極間の高速流れを可能にする他の方法は、１回だけレーザガス流を貫流させることである。また、これらの実施形態において、ブロアは、レーザ室から分離されるが、電極を通る全ての流れは放電室６２０から出てブロアユニット６２２へ導かれる。このようなシステムを図２６に示す。熱交換器は、別個のユニットとすることができ、又は、他の実施形態において、前述したように、ブロア用モータ駆動装置はキャンドロータを備えるのが好ましいのでブロアユニットと同じ格納容器に収容することができる。また、ブロアは、米国特許第５，４７１，９６５号（引用により本明細書に組み込まれる）に説明されているブロア等の油圧タービン駆動式ブロアとすることができる。この場合、タービン駆動装置をフッ素含有レーザガスから隔離するために磁気結合を利用できる。この駆動装置は、電気式高圧作動油ポンプを必要とする。ブロアユニット及び熱交換器は、放電室と一緒にレーザエンクロージャに収容できるか、又は、別個のエンクロージャ又は製造工場内の別室に収容することができる。この実施形態に関して、レーザガス流を電極５４１Ａと５４１Ｂとの間で約２０ｍｍ×５０ｍｍの空間の長手方向に沿ってほぼ均等に分配するために、適切なダクト及び／又は羽根が設けられる。ブロア６２２及び熱交換器、並びに前述のダクト及び羽根は、公知の方法を用いて、ガス流を最大約９０ｍ／秒から１００ｍ／秒間での速度で電極５４１Ａ及び５４１Ｂの間の放電領域を通るように設計される。また、流路の全ての部分は、フッ素適合材料を使用して作る必要がある。ブロア６２２用駆動装置は、電気式モータであってもよく、又は、米国特許第５，４７１，９６５号の駆動装置等の油圧式タービンであってもよい。
【００４５】
６，０００Ｈｚから１０，０００Ｈｚのためのパルス電力
高速応答の必要性
本発明のレーザシステムの作動では、約１２，０００Ｖから３０，００Ｖの範囲の正確に制御された電位が６，０００Ｈｚから１０，０００Ｈｚ（即ち、わずか約１００マイクロ秒間隔で）の範囲の繰返し率で各電極間に印加される必要がある。「背景技術」のセクションで示したように、従来技術によるパルス電力システムでは、充電コンデンサバンクは、所定の制御電圧に正確に充電され、放電は、半導体スイッチを閉じることによって生成され、半導体スイッチにより、充電コンデンサ上に蓄積されたエネルギーが圧縮−増幅回路を通ってリンギングして所望の電位を電極の両端に生成する、スイッチの閉成と放電完了との間の時間は、わずか数マイクロ秒（即ち、約５マイクロ秒）であるが、従来技術によるシステムにおけるＣ0の充電は、１００マイクロ秒よりもはるかに長い時間間隔が必要であった。大型の電源装置を使用することによって、又は複数の電源装置を並列に使用することによって充電時間を短縮することが可能である。例えば、出願人は、並列に配置された複数の従来技術による電源装置を使用して１０．０００Ｈｚで作動できた。また、電源装置の電圧を上げると充電時間が短縮される。
【００４６】
この好適な実施形態において、図５に示すように、出願人は、パルス電力システムの半導体スイッチの下流側の部分に対して図３に示す従来技術と同じ基本設計を利用するが、出願人は、Ｃ0を充電するための根本的に異なる方法を利用する。
【００４７】
共振充電器
出願人は、Ｃ0の超高速充電に対して２つの形式の共振充電システムを利用した。これらのシステムは、図６Ａ及び図６Ｂを参照しながら説明することができる。
【００４８】
第１の共振充電器
この好適な共振充電を示す電気回路を図６Ａに示す。この場合、入力が４００又は４６０ＶＡＣ／９０ａｍｐ、出力がＤＣ１２００ＶＤＣａｍｐの標準ＤＣ電源装置２００を使用する。電源装置は、約６００ボルトから１２００ボルトまで調整可能なＤＣ電源装置である。この電源装置は、Ｃ−１に直接取り付けられ、電源装置への電圧フィードバックを必要としていない。電源装置が使用可能な場合に、それは電源を投入して、Ｃ−１コンデンサ上の充電電圧を調整する。システムの性能はＣ−１の電圧調整とはいくらか独立しており、従って、最も基本的な制御ループのみが電源装置に必要である。次に、電源装置は、Ｃ−１上の電圧が電圧設定値を下回った場合は、常に、システムにエネルギーを追加することができる。これによって、電源装置は、Ｃ−１からＣ0に転送されたエネルギーを補充するために、レーザパルスとレーザパルスとの間の全時間における（セレーザパルス中でさえも）電力供給が可能になる。これによって、更に、従来技術によるパルス電力システムに比べて電源装置のピーク電流所要量が低減する。最も基本的な制御ループをもつ機器を必要とすることと、システムの平均電力所要量に対する電源装置のピーク電流定格値を最小化することを組み合わせることによって、電源装置コストをおよそ５０％低減する。更に、この好適な設計は、定電流固定出力電圧電源装置が複数の供給元から容易に入手できることから、供給業者の融通性をもたらす。このような電源装置は、Ｅｌｇａｒ、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｖｏｌｔｏｎｉｃｓ、Ｋａｉｓｅｒ及びＥＭＩ等の納入業者から入手可能である。
【００４９】
制御ボード
この電源装置は、１０３３μＦコンデンサ２０２を制御ボード２０４によって指令される電圧レベルに絶えず充電する。また、制御ボード２０４は、ＩＧＢＴスイッチ２０６に、エネルギーをコンデンサ２０２からコンデンサ４２に転送するために開閉を指令する。インダク２０８は、コンデンサ２０２及び４２に関連して転送時間定数を設定し、ピーク充電電流を制限する。このインダクの値のインダクタンスは、Ｃ0コンデンサ４２の超高速充電（１００μｓ未満）を可能にするために４８マイクロヘンリに（４，０００Ｈｚシステムで使用される１４０マイクロヘンリから）低減されている。制御ボード２０４は、コンデンサ４２上の電圧に比例する電圧フィードバック２１２、及びインダク２０８を通る電流に比例する電流フィードバック２１４を受け取る。これらの２つのフィードバック信号から、制御ボード２０４は、その時間の瞬間にＩＧＢＴスイッチ２０６が開く必要があるコンデンサ４２上の最終電圧をリアルタイムで計算できる。従って、制御ボード２０４に供給されたコマンド電圧２１０を使用して、指令された所要充電電圧と比較するために、コンデンサ４２及びインダク２０８内の蓄積されたエネルギーの正確な計算を行うことができる。この計算結果から、制御ボード２０４は、ＩＧＢＴスイッチ２０６を開くための充電サイクル内の正確な時間を判断することになる。
【００５０】
システムの精度
ＩＧＢＴスイッチ２０６が開いた後、インダク２０８の磁界に蓄積されたエネルギーは、フリーホイーリング・ダイオード経路２１５を通ってコンデンサ４２に移ることになる。リアルタイムのエネルギー計算の精度は、コンデンサ４２の最終電圧に存在することになる変動ディザー量を決定する。このシステムの極端な充電速度のために、過度のディザーが存在するので、±０，０５％の所望のシステム調整の必要性を満足しない場合もある。その場合は、例えば、以下に検討するようなＤｅ−Ｑｉｎｇ回路又はブリードダウン回路等の追加の回路を利用することができる。
【００５１】
第２の共振充電器
第２の共振充電器を図６Ｂに示す。この回路は、図６Ａに示すものと類似のものである。主な回路要素は以下の通りである。
Ｉ１：一定の直流電流出力の３相電源装置３００、
Ｃ−１：既存のＣ0コンデンサ４２より１桁又はそれ以上大きなソースコンデンサ３０２、
Ｑ１、Ｑ２、及びＱ３：Ｃ0の調整電圧を充電及び維持する電流を制御するスイッチ、
Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３：電流を単一の方向へ流す、
Ｒ１及びＲ２：制御回路への電圧フィードバックをもたらす、
Ｒ３：僅かな過充電が生じた場合にＣ0の電圧の急速放電を可能にする、
Ｌ１：電流の流れ及び設定充電移動タイミングを制限するＣ−１コンデンサ３０２とＣ0コンデンサバンク４２との間の共振インダクタ、
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、Ｑ３の開閉を指令する。
作動例は以下の通りである。
【００５２】
図６Ｂの回路が図６Ａの回路と相違する点は、Ｄｅ−Ｑｉｎｇスイッチとして公知のスイッチＱ２及びダイオードＤ３の追加である。このスイッチは、制御ユニットが共振充電中にインダクタを短絡できるようにすることによって回路調整を改善する。この「Ｄｅ−Ｑｉｎｇ」は、充電インダクタの電流に蓄えられた余分のエネルギーがコンデンサＣ0Ｌ１へ移動するのを防止する。
【００５３】
レーザパルスが必要となる前に、Ｃ−１上の電圧が６００ボルトから８００ボルトに充電され、スイッチＱ１−Ｑ３が開く。レーザからの指令でＱ１は閉じる。この時点で、電流は、充電インダクタＬ１を経由してＣ−１からＣ0へ流れる。前述のように、制御ボードの計算機は、レーザからの指令電圧設定値に対してＣ0の電圧及びＬ１へ流れる電流を評価する。Ｑ１は、Ｃ0上の電圧とインダクタＬ１に蓄積された等価エネルギーとを加えたものが所望の指令電圧と等しい場合に開く。計算式は以下の通りである。
Ｖf＝［ＶC0S2＋（Ｌ1＊ＩLIS2）／Ｃ0］0.5
ここで、
Ｖf＝Ｑ１が開きＬ１の電流がゼロになった後のＣ0電圧、
ＶC0S＝Ｑ１が開いたときのＣ0電圧
ＩLIS＝Ｑ１が開いたときのＬ２電流
【００５４】
Ｑ１が開いた後、Ｌ１に蓄積されたエネルギーは、Ｄ２を経由してＣ0へ移動し始め、Ｃ0上の電圧が指令電圧とほぼ等しくなるまで続く。この時点でＱ２は閉じ、Ｃ0へ電流が流れなくなり、電流はＤ３を経由して流れる。「Ｄｅ−Ｑｉｎｇ」回路に加えて、ブリードダウン回路のＱ３及びＲ３は、Ｃ0電圧の追加の微調整を可能にする。
【００５５】
ブリードダウン回路２１６のスイッチＱ３は、インダクタＬ１を流れる電流が停止したとき制御ボードから閉じるように指令を受け、Ｃ0電圧が所望の制御電圧２へブリードダウンされ、その後、スイッチＱ３が開く。コンデンデＣ0及び抵抗器Ｒ３の時定数は、全充電サイクルが大きくなることなく、コンデンサＣ0を指令電圧へブリードダウンするほど早いことが必要である。
【００５６】
その結果、共振充電器は、３つのレベルの調整制御を設定できる。多少粗い調整は、充電サイクル中にエネルギー計算機、及びスイッチＱ１が開くことによってもたらされる。Ｃ0の電圧が目標値に近づくとＤｅ−Ｑｉｎｇスイッチが閉じ、Ｃ0の電圧が目標値になるか又は僅かに目標値を越えると共振充電は停止する。好適な実施形態において、スイッチＱ１及びＤｅ−Ｑｉｎｇスイッチは、±０．１％よりも高い精度で調整を行うために使用される。追加の調整が必要な場合、電圧調整に関する第３の制御を利用できる。これは、Ｃ0を正確な目標値まで放電するためのスイッチＱ３及びＲ３のブリードダウン回路（図５Ｂでは２１６）である。
【００５７】
Ｃ0の下流側の改良
前述のように、本発明のＭＯ及びＰＡのパルス電力システムの各々は、従来技術のシステムで使用されたのと同じ基本設計（図５Ａ）を利用する。しかしながら、その基本設計における幾つかの重要な改良は、非常に高くなった繰返し率に起因する約６倍の熱負荷に求められるものであった。以下にこれらの改良点を説明する。
【００５８】
整流器及び圧縮ヘッドの詳細な説明
整流器４０及び圧縮ヘッド６０の主な構成部品を図３に示す。このシステムの作動については背景技術のセクションで説明されている。以下には整流器及び圧縮ヘッド製造の詳細を説明する。
【００５９】
半導体スイッチ
半導体スイッチ４６は、米国ペンシルバニア州ヤングウッド所在のＰｏｗｅｒｅｘ社から供給されるＰ／ＮＣＭ８００  ＨＡ−３４Ｈ  ＩＧＢＴスイッチである。好適な実施形態において、２つのスイッチは並列に使用される。
【００６０】
インダク
インダクタ４８、５４、及び６４は、引用によって本明細書に組み込まれた米国特許第５，４４８，５８０号及び米国特許第５，３１５，６１１号に説明されているような従来技術のシステムで使用されたものと類似の可飽和インダクタである。図７は、Ｌ0インダクタ４８の好適な設計を示す。このインダクタにおいて、２つのＩＧＢＴスイッチ４６Ｂからの４本の導線は１６個のフェライトトロイド４９を通り、内径が約１インチで外径が約１．５インチの高透磁性材料の長さ８インチの中空円筒の部品４８Ａを形成する。次に、４本の導線の各々は、ドーナツ形絶縁コアの回りに２度巻かれて部品４８Ｂを形成する。次に、４本の導線は、Ｃ１コンデンサバンク５２の高電圧側に接続されたプレートに接続される。
【００６１】
図８は可飽和インダクタ５４の好適な概略図を示す。この場合、インダクタは単巻回形状であり、全て高電圧である組立体の上部及び下部リッド５４１、５４２及び中央マンドレル５４３が、５つのインダクタの磁気コアを貫通して単巻回を形成する。外側ハウジング５４５は接地電位である。５つの磁気コアは、米国ペンシルバニア州バトラ所在のＭａｇｎｅｔｉｃｓ社から、又は米国カリフォルニア州アデラント所在のＮａｔｉｏｎａｌ  Ａｒｎｏｌｄ社から供給される、５０−５０％Ｎｉ−Ｆｅ合金から成る厚さ０．０００５インチの高透磁性テープ巻きで形成されている。インダクタハウジングのフィン５４６は、内部的に放散された熱を強制空冷装置へ伝導するのを助長する。更に、セラミック製ディスク（図示せず）は、組立体の中央部からモジュールシャーシ底板への熱伝導を助長するためにリアクタの下部リッドの下に取り付けられる。また、図８は、Ｃ１コンデンサバンク５２のコンデンサの１つ、及び１：２５の昇圧パルス変成器５６の誘導ユニットの１つの高電圧リード線への高電圧接続部を示す。ハウジング５４５は、ユニット５６の接地リード線に接続される。
【００６２】
図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ可飽和インダクタ６４の平面図及び断面図を示す。この実施形態のインダクタにおいて、図９Ｂに示すように、インダクタの漏洩磁束を低減するために、磁束遮断金属ピース３０１、３０２、３０３、及び３０４が追加されている。磁束遮断金属ピースは、磁束が貫通できる区域を実質的に減らすので、インダクタの飽和インダクタンスを最小にするのに役立つ。電流は、磁気コア３０７の回りにインダクタ組立体の垂直導体ロッドを通る５つのループを作る。図９Ａに示すように、電流は、３０５で入り、符号「１」を付与した中央の大径導体を下り、同様に符号「１」を付与した円周部の６つの小径導体を上る。その後、電流は、内側の符号「２」を付与した２つの導体を下り、外側の符号「２」を付与した６つの導体を上り、その後、内側の磁束遮断金属を下り、外側の符号「３」を付与した６つの導体を上り、内側の符号「３」を付与した２つの導体を下り、その後、外側の符号「４」を付与した６つの導体を上り、内側の符号「４」を付与した導体を下る。磁束遮断金属部品は、導体を横切る全パルス電圧の半分に保持されるので、磁束遮断金属部と別の巻回の金属ロッドとの間の安全な分離空間を低減できる。磁気コア３０７は、米国ペンシルバニア州バトラ所在のＭａｇｎｅｔｉｃｓ社、又は米国カリフォルニア州アデラント所在のＮａｔｉｏｎａｌ  Ａｒｎｏｌｄ社から供給された、８０％−２０％Ｎｉ−Ｆｅ合金の厚さ０．０００５インチの高透磁性テープの巻きで形成された３つのコイル３０７Ａ、３０７Ｂ、及び３０７Ｃで構成されている。ドイツ国ＶＡＣＵＵＭ  ＳＣＨＩＴＥＬＺＥ  ＧｍｂＨから市販されているＶＩＴＲＯＰＥＲＭ（登録商標）や日本国の日立金属から市販されているＦＩＮＥＭＥＴ（登録商標）等のナノ結晶材料をインダクタ５４及び６４に使用できることに留意されたい。
【００６３】
従来技術のパルス電力システムにおいて、電気部品からのオイル漏れは潜在的な問題であった。この好適な実施形態において、オイルから隔離された構成部品は可飽和インダクタに限定されている。更に、図９Ｂに示すように、可飽和インダクタ６４は、オイル漏れの可能性を実質的に無くすために全てのシール接続部がオイルレベルより上方に位置するポット形式のオイル収容ハウジング内に収容される。例えば、図９Ｂにはインダクタ６４の最下部のシールが３０８で示されている。通常のオイルレベルは、ハウジング３０６の上端リップよりも下方にあるので、ハウジングが直立状態に保たれている限り、オイルが組立体から漏れ出すことはほとんど不可能である。
【００６４】
コンデンサ
図５に示すように、コンデンサバンク４２、５２、６２、及び８２（即ち、Ｃ0、Ｃ1、Ｃp-1、及びＣp）の全ては、並列に接続された規格品のコンデンサバンクで構成される。コンデンサ４２及び５２は、米国ノースカロライナ州ステーツヴィル又はドイツ国ウィマ所在のＶｉｓｈａｙ  Ｒｏｅｄｅｒｓｔｅｉｎ社等の供給業者から市販されているフィルム形コンデンサである。本出願人が選択したコンデンサ及びインダクタの接続方法は、米国特許第５，４４８，５８０号に説明されているものと同じ方法で、大径のニッケル被覆銅線を有する、特別なプリント回路基板上のプラス及びマイナス端子に半田付けすることである。コンデンサバンク６２及び８２は、日本のムラタ又はティー・ディー・ケー（ＴＤＫ）等から供給される高電圧セラミック製コンデンサの並列アレイで構成される。このＡｒＦレーザに使用される好適な実施形態において、コンデンサバンク８２（即ち、Ｃp）は、９．９ｎＦの静電容量が得られるように３３個の０．３ｎＦコンデンサで構成され、Ｃp-1は、総静電容量９．６ｎＦが得られるように２４個の０．４０ｎＦコンデンサバンクで構成され、Ｃ1は５．７μＦのコンデンサバンクであり、Ｃ0は５．３μＦのコンデンサバンクである。
【００６５】
パルス変成器
また、パルス変成器５６は、米国特許第５，４４８，５８０号及び米国特許第５，３１３，４８１号に説明されているパルス変成器と類似のものである。しかしながら、好適な実施形態のパルス変成器は、単巻きの２次巻線と、１：２４の等価昇圧比が得られるように単一主巻回の１／２４に等価な２４個の誘導ユニットのみを有する。図１０はパルス変成器５６を示す。２４個の誘導ユニットの各々は、図１０の下縁部に沿って示すように、プリント回路基板５６Ｂ上のプラス端子及びマイナス端子にボルト留めされている２つのフランジ（各々がねじ切りされたボルト穴を備える平坦な端部を有する）をもつアルミニウム製スプール５６Ａを含む。（マイナス端子は、２４の主巻線の高電圧端子である。）絶縁体５６Ｃは、各スプールのプラス端子を隣接スプールのマイナス端子から絶縁する。スプールの各フランジの間には、外径０．８７５、壁厚約１／３２インチを有する１と１／１６インチ長のアルミニウム製中空円筒がある。スプールは、１インチ幅、０．７ミル厚のＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２６０５  Ｓ３Ａで巻かれ、絶縁されたＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）の巻きの外径が２．２４インチになるまで０．１ミル厚のマイラフィルムで巻かれている。図１０Ａは、１つの主巻線を形成する単一巻きのスプールの予想図を示す。
【００６６】
変成器の二次側は、きつく嵌入しているＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））の絶縁管内に取り付けられた１／４インチの単一外径のステンレス鋼ロッドである。巻線は、図１０に示すように４つの区域になっている。図１０において５６Ｄとして示すステンレス鋼２次側の低電圧端は、５６Ｅにてプリント回路基板５６Ｂ上の１次ＨＶリード線に接続され、高電圧端子は５６Ｆで示す。結果として、変成器は、自動変成器の形態を呈し、昇圧比は、１：２４ではなく１：２５になる。従って、誘導ユニットのプラス及びマイナス端子間の約−１４００ボルトのパルスは、２次側の端子５６Ｆでは約−３５，０００ボルトのパルスを生じる。この単一巻回２次巻線設計は、超低漏洩インダクタンスをもたらし、非常に高速な出力立ち上がり時間を可能とする。
【００６７】
レーザ室電気部品の詳細
Ｃｐコンデンサ８２は、レーザ室圧力容器の上部に取り付けられた３３個の０．３ｎｆコンデンサで構成される。各電極は、長さ約２８インチであり、各々は、約０．５インチから１．０インチだけ離間している。好適な間隙幅はＫｒＦでは１６．５ｍｍである（ＡｒＦレーザの好適な間隙幅は１３．５ｍｍである）。この実施形態において、上部電極は陰極であり、下部電極は図５に示すように接地に接続されており陽極である。図５においてＬＰを付記したインダクタンスは、出願人は「ヘッドインダクタンス」と呼ぶ。このインダクタンスは、Ｃｐと陰極８４との間の接続部、放電領域、及び陽極とＣｐとの間の接続部によって形成された回路のインダクタンスを表し、陽極とＣｐとの間の接続部は陽極と図１３Ａ（１）に符号５４８に示すような電流戻り部構造体で構成される。
【００６８】
構成部品の水冷
大きな熱負荷に対応するために、レーザキャビネット内で冷却ファンによる通常の強制空冷に加えて、この高い平均電力モードでの作動を上手くサポートすることができる水冷が行われる。
【００６９】
水冷式の１つの欠点は、従来、電気部品又は高電圧配線付近の漏れが生じる可能性がある点であった。この特定の実施形態では、構成部品を冷却するためにモジュール内に蓄積された熱の大部分を常に分散するモジュール内部に道順が決められた単一の中実冷却管を利用することによって実質的にその潜在的な問題が回避される。モジュールエンクロージャ内部には継手や接続部はなく、更に、冷却管は、連続した中実金属（例えば、銅、ステンレス鋼）片であることから、モジュール内で発生する漏れの可能性は大幅に低減される。従って、冷却水とモジュールとの接続は、組立体の板金製エンクロージャの外部で行われ、冷却管は、クイック脱着式コネクタと結合する。
【００７０】
整流器の詳細な説明
図４Ｂに示す整流器モジュール１８Ｋの場合、５４のフィンの代わりに図１１に示すような水冷式ジャケットが使用される以外は、図８に示すインダク５４と類似の水冷式可飽和インダク５４Ａが、図１１に示すように設けられる。冷却ライン５４Ａ２は、モジュール内に道順が決められ、ジャケット５４Ａ１を取り巻き、ＩＧＢＴスイッチ及び直列ダイオードが取り付けられているアルミニウム製底板（以下で説明するような）を貫通する。これら３つの構成部品は、モジュール内の電力分散の大部分を行う。また、熱を放散する他の部品（スナバダイオード及び抵抗器、コンデンサ等）は、モジュール後部の２つのファンによって行われる強制空気によって冷却される。
【００７１】
ジャケット５４Ａ１は接地電位に保持されることから、冷却管を反応器ハウジングに直接取り付ける際には電圧絶縁の問題はない。これは、冷却管を５４ａ３に示すハウジング外側のアリ溝に圧入すると共に、冷却管とハウジングとの間の良好な熱接触を促進する熱伝導性コンパウンドを使用することによって行われる。
【００７２】
高電圧部品の冷却
各ＩＧＢＴスイッチは、高電圧で「フロートする」が、１／１６インチ厚アルミニウム板によってスイッチから電気絶縁されたアルミニウム製基部に取り付けられる。放熱板として機能すると共に接地電位で作動するアルミニウム製底板は、冷却回路では高電圧絶縁が必要ないので冷却が容易である。図７Ａは水冷アルミニウム製底板を示す。この場合、冷却管は、ＩＧＢＴが取り付けられているアルミニウム製基部の溝に圧入される。インダクタ５４ａの場合と同様に、管と底板との全体的な結合を改善するために熱伝導性コンパウンドが使用される。
【００７３】
また、直列ダイオードは、通常の作動中に高電位で「フロートする」。この場合、この設計で一般に使用されるダイオードハウジングは、高電圧絶縁されない。この必要な絶縁を行うために、ダイオード「ホッケーパック型」パッケージが放熱板組立体内部に取り付けられでクランプされ、次に、放熱板組立体がセラミック製基部上に取り付けら、次に、セラミック製基部が水冷式アルミニウム製底板上に取り付けられる。セラミック製基部は、必要な電気絶縁を行うのに適切な厚みであるが、必要以上の熱的インピーダンスとなる程には厚くない。この特定の設計では、セラミックは、１／１６インチ厚のアルミナ製であるが、ダイオード接合部と冷却水との間の熱的インピーダンスを更に低減するために、ベリリア等の他の特殊な材料を使用することもできる。
【００７４】
水冷整流器の第２の実施形態は、ＩＧＢＴ及びダイオード用シャーシ底板に取り付けられる単一の冷却板組立体を使用する。冷却板は、単品のニッケル管を２枚のアルミニウム製「上部」板及び「下部」板にろう付けすることによって製造することができる。前述のように、ＩＧＢＴ及びダイオードは、前述のセラミック製ディスクを組立体の下方に使用して、冷却板へ熱を伝達するように設計される。また、本発明の好適な実施形態において、冷却板の冷却方法は、共振充電器のＩＧＢＴ及びダイオードを冷却するのに使用される。また、外部ハウジングからシャーシ板へ熱を伝達するために伝熱ロッド又はヒートパイプを使用することができる。
【００７５】
圧縮ヘッドの詳細な説明
水冷式圧縮ヘッド（圧縮ヘッドの構成部品については図５を参照）は、電気的設計において従来技術の空冷式と類似する（可飽和インダクタ６４の設計では同型セラミック製コンデンサが使用され、類似の材料が使用される）。この場合の主な相違点は、このモジュールがより高い繰返し率で作動し、従って、より高い平均電力で作動する必要がある点である。圧縮ヘッドモジュールの場合、熱の大部分は、変更された可飽和インダクタ６４Ａ内で放散される。ハウジング全体が非常に高い電圧の短パルスで作動することから、部分組立体の冷却は簡単ではない。図１２、図１２Ａ、及び図１２Ｂに示すこの問題の解決策は、ハウジングを接地電位から誘導的に絶縁することである。このインダクタンスは、フェライト磁気コアを含む２つの円筒外形の回りに冷却管を巻きつけることによってもたらされる。図１２、図１２Ａ、及び図１２Ｂに示すように、入力冷却ライン及び出力冷却ラインの両方は、２つの円筒部と２つのフェライトブロックで形成されたフェライト磁気コアの円筒部の回りに巻かれている。
【００７６】
フェライト片は、米国ニュージャージー州フェアフィールドのＣｅｒａｍｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ社製造のＣＮ−２０材料で作られる。単品の銅管（０．１８７インチ径）は、インダクタ６４Ａのハウジング６４Ａ１の回りの一方の巻型上に圧入されて巻かれると共に、他方の巻型上にも圧入されて巻かれる。冷却管結合部がシャーシ内に存在しないように、銅管の両端部には圧縮ヘッドの板金製カバー内の取り付け具を貫通して延びることができる十分な長をもつ。
【００７７】
インダクタ６４Ａは、水冷式整流器の第１段階の反応器ハウジングで使用されるものと類似の符号６４Ａ２で示すアリ溝を備える。このハウジングは、アリ溝を除いては前述の空冷バージョンとほとんど同じである。ハウジングと冷却水管材との良好な熱結合を行うために、水冷式銅管はこの溝に圧入される。また、熱伝導性コンパウンドは、熱的インピーダンスを最小限に抑えるために追加されている。
【００７８】
インダクタ６４Ａの電気的設計は、図９Ａ及び図９Ｂに示す符号６４のものから若干変更されている。インダクタ６４Ａは、（３巻きではなく）テープによる４巻きの磁気コア６４Ａ３の回りに、（５つのループではなく）２つのループのみが形成されている。
【００７９】
図５に示すように、水冷式管の出力電位から接地電位までの導電経路によって、バイアス電流回路は若干異なっている。前述と同様に、バイアス電流は、整流器のＤＣ−ＤＣ変換器にケーブルを介して圧縮ヘッドに供給される。電流は、「正の」バイアスインダクタＬＢ２を通り、Ｃｐ−１電圧ノードに接続される。次に、電流は分離され、一部がＨＶケーブルを介して整流器へ戻る（変成器の２次巻線を通って接地され、ＤＣ−ＤＣ変換器に戻る）。他の電流は、圧縮ヘッド反応器Ｌｐ−１を通り（磁気スイッチをバイアスするため）、次に、冷却水管の「負の」バイアスインダクタＬＢ３を通って接地しＤＣ−ＤＣ変換器に戻る。各区間での抵抗のバランスをとることによって、設計者は、圧縮ヘッド反応器及び整流器変成器の両方で使用可能な十分なバイアス電流を確保することができる。
【００８０】
「正の」バイアスインダクタのＬB2は、「負の」バイアスインダクタＬB3と極めて類似したものとされる。この場合、同じフェライトロッド及びブロックは、磁気コアとして使用される。しかしながら、２つの０．１２５インチ厚のプラスチック製スペーサを使用して、磁気コアがＤＣ電流で飽和しないように磁気回路内にエアギャップを形成する。インダクタに冷却水管を巻く代わりに、巻型の回りに１８ＡＷＧテフロン線が巻かれる。
【００８１】
クイック接続
この好適な実施形態において、３つのパルス電力電気モジュールはブラインド係合式の電気接続を利用するので、レーザシステムの各部への全ての電気接続はモジュールをレーザキャビネット内の所定位置にスライドさせるだけで行うことができる。これらのモジュールは、交流配電モジュール、電源モジュール、及び共振充電器モジュールである。それぞれの場合において、モジュール上の雄又は雌プラグは、キャビネット後部に取り付けられた雌又は雄プラグと係合する。それぞれの場合において、モジュール上の２つの約３インチ端部テーパピンは、電気プラグが適切に契合するように、モジュールを正確な所定位置に案内する。米国ペンシルバニア州ハリスバーグ所在のＡＭＰ社から、ＡＭＰモデル番号１９４２４２−１等のブラインド係合式コネクタが市販されている。この実施形態において、コネクタは、交流４６０ボルト、交流４００ボルト、直流１２００ボルト（電源出力、共振充電器入力）及び幾つかの信号電圧等の各種電力回路用である。これらのブラインド係合接続によって、これらのモジュールは点検及び交換のために数秒又は数分で取り外すことができる。ブラインド係合接続は、モジュールの出力電圧が２０，０００ボルトから３０，０００ボルトの範囲なので整流器モジュールには使用されない。その代わりに、一般的な高電圧コネクタが使用される。
【００８２】
陰極への給電
（インダクタンスを大きくする方法）
図５に示して説明したように、ピーキングコンデンサバンクＣｐ、８２は、３３個の０．３ｎＦコンデンサから成る。これらは、コンデンサの下部で接地に（即ち、圧縮ヘッドに）、上部でコロナシールドと呼ばれる金属板に接続されている。コロナシールドは、単体の主絶縁体を貫通して図１３Ａに示す陰極５４１の上部にねじ込まれた下降棒と呼ばれる１５本の金属棒でもって陰極に接続される。単体の絶縁体は、引用により本明細書に組み込まれた米国特許第６，２０８，６７４号に説明されている。パルス電力回路の高電圧部のインダクタンスが大きいことが望ましい場合がある。インダクタンスが大きくすると、結果的にレーザパルス持続時間を延ばすことができる。出願人は、このインダクタンスを大きくする好適な方法は、Ｃｐコンデンサバンク内のコンデンサの各々に接続する（例えば、約１．２５インチ）の短い隔離棒と、コロナ板に接続する下降棒とを設けることと判断した。これによって、Ｃｐと陰極との間の電気的経路が長くなり、実質的に回路のこの部分のインダクタンスが高くなる。インダクタンスの増加量は、隔離棒の長さを選択することで調整できる。インダクタンスを高くする他の方法は、図１３Ａ（３）に示す電流戻り構造体の電流戻りリブの一部を、及び／又はコロナシールドを陰極に接続する１５本の下降棒の一部を取り除くことである。陰極の各々の端部の下降棒の一部を取り除くことは、約３．５ｍｍという別の利点がある。
【００８３】
放電部品
図１３及び図１３Ａ（１）は、本発明の好適な実施形態で利用される改良型放電構成の詳細を示す。この構成は、出願人がブレード誘電電極と呼ぶ電極構成を含む。この設計では、陽極５４０は、放電領域内でガス流を改善するために、図示のように誘電スペーサ５４４が陽極の両側に設けられた鈍いブレード状の電極５４２を備える。スペーサは、放電領域を越えて該スペーサの両端で陽極支持バー５４６にネジで取り付けられる。このネジは、スペーサとバーとの間の熱膨張ズレを許容する。陽極は、長さ２６．４インチ、高さ０．４３９インチである。下部の幅は０．２８４インチである。上部の幅は、所望の放電幅をほぼ決定するように選択される。１０．０００Ｈｚの実施形態に関して、幅は、１．０ｍｍから１．５ｍｍである。陽極は、中心部からの電極の異なる熱膨張を可能にするソケット貫通ネジを有する流れ形成陽極支持バー５４６に取り付けられる。陽極は、銅ベースの合金、好ましくはＣ３６０００、Ｃ９５４００、又はＣ１９４００で構成される。陰極５４１は、図１３Ａに示すような断面形状を有する。好適な陰極材料はＣ３６０００である。このブレード誘導構成の詳細な説明は、本明細書に引用によって組み込まれた米国特許出願番号０９／７６８７５３に示されている。この構成における電流戻り部５４８は、電極の長さ方向に沿って等間隔に配置された２７本のリブを有する鯨骨形状に形成され、その横断面は図１３Ａ（１）に示される。前述のように、電流戻り部は板金製であり、鯨骨形状リブ（各々、約０．１５×０．０９インチの断面径をもつ）は、各々のリブの長手方向が電流の流れ方向になるように捻られている。
【００８４】
図１３Ａ２には流れを更に改善する陽極用の別の誘電スペーサ設計が示されている。この場合、スペーサは、流れ形成用陽極支持バーと非常に良好に一致し、良好なガス流経路をもたらす。出願人は、これを「ファーストバック」ブレード誘電陽極設計と呼ぶ。
【００８５】
絶縁体被覆電極
好適な電極構成を図１３Ｂに示す。この場合、陰極５４１Ｃ及び陽極５２４Ｃは真鍮で構成される。電極の表面の一部又は全は、アルミナ層６００及び６０２で約１２５ミクロンの厚さに被覆する。アルミナは、プラズマ溶射法で表面に付着させることが好ましい。次に、図１３Ｂにおいて６０４及び６０６で示すように、アルミナを貫通して真鍮担体に至る非常に多数の孔を開ける。孔は、陰極及び陽極上で５０ミクロンから２００ミクロン径であることが好ましい。好適な寸法は、約１００ミクロンである。孔は、エキシマレーザで開けることができる。出願人は、約５％から１０％の露光区域が得られるように単位ｍｍ2あたり１０個の孔の密度を推奨する。この電極設計では、非常に長寿命の電極を可能にすると予想される。また、この電極設計は、放電幅の正確な制御を可能とする。侵食率は、放電面の大部分がアルミナ被覆によるフッ素の攻撃から保護されるので桁違いに低減される。また、この陰極構成は、金属フッ素を形成するのではなく、スパッタ処理金属イオンが孔の内側で真鍮担体と再結合する中空陰極効果をもたらすので、スパッタリングに起因する陰極の侵食は実質的に低減される。
【００８６】
高速制御アルゴリズムを使用した超高速波長計
パルスエネルギー、波長、及び帯域幅の制御
集積回路リソグラフィに使用される従来技術によるエキシマレーザは、レーザ光パラメータに関する厳しい仕様に支配される。これには、一般的に、各パルスのパルスエネルギー、帯域幅、及び中心波長の測定、及び、パルスエネルギー及び帯域幅のフィードバック制御が必要であった。従来技術による装置では、パルスエネルギーのフィードバック制御はパルス間基準、即ち、各パルスのパルスエネルギーは、得られたデータを直後のパルスのエネルギーを制御するための制御アルゴリズムで使用できるように迅速に測定される。１，０００Ｈｚシステムに関しては、これは、次のパルスのための測定及び制御の所要時間は１／１０００秒未満で行う必要があることを意味する。４０００Ｈｚシステムに関しては、１０００Ｈｚシステムの４倍の速度で行う必要があり、１０，０００Ｈｚシステムに関しては、その１０倍の速度で行う必要がある。引用により本明細書に組み込まれた米国特許第５，０２５，４５５号「レーザ光の波長を調整するシステム及び方法」及び米国特許第５，９７８，３９４号「エキシマレーザの波長及びシステム」には、中心波長を制御して波長及び帯域幅を測定する方法が説明されている。
【００８７】
波長及び帯域幅は、各々のパルスについてパルス間基準で測定されてきたが、一般的に、中心波長を制御する従来技術の方法では数ミリ秒を要するので、波長のフィードバック制御は約７ミリ秒を必要とした。より高速の制御が必要とされている。
【００８８】
ビームパラメータの高速測定及び制御の好適な実施形態
本発明の好適な実施形態は、レーザ光パラメータの超高速測定及びパルスエネルギー及び中心波長の超高速制御を用いた、４，０００Ｈｚから１０，０００Ｈｚの範囲で作動可能なエキシマレーザシステムである。このレーザシステムビームパラメータ測定及び制御を以下で説明する。
【００８９】
好適な実施形態で使用される波長計は、米国特許第５，９７８，３９４号に説明されているものと類似のものであり、以下の説明の一部は、この特許から抜粋したものである。
【００９０】
ビームパラメータの測定
図１４は、好適な波長計ユニット１２０、絶対波長基準較正ユニット１９０、及び波長計プロセッサ１９７の配置を示す。
【００９１】
これらのユニット内の光学機器は、パルスエネルギー、波長、及び帯域幅を測定する。これらの測定結果は、パルスエネルギー及び波長を所望の限界値内に維持するためにフィードバック回路で使用される。これらの光学機器は、レーザシステム制御プロセッサからの指令で原子基準源を参照して自己較正する。
【００９２】
図１４に示すように、レーザ出力ビームは、反射ミラー１７０と部分的に交差し、反射ミラー１７０は、出力ビーム３３としてビームエネルギーの約９５．５％を通過させ、パルスエネルギー、波長、及び帯域幅測定のために約４．５％を反射する。
【００９３】
パルスエネルギー
反射されたビームの約４％は、ミラー１７１によってエネルギー検出器１７２に反射され、エネルギー検出器１７２は、４，０００から１０，０００パルス／秒の速度で発生する個々のパルスのエネルギーを測定することができる超高速フォトダイオード６９を備える。典型的なパルスエネルギーは約７．５ｍＪであり、検出器６９の出力は、コンピュータ制御装置に供給され、コンピュータ制御装置は、個々のパルスのエネルギー及びパルスの総バーストエネルギーの変動を制限するために、特有のアルゴリズムを用いて、記憶されたパルスエネルギーデータに基づいてレーザ充電電圧を調整して、以降のパルスのパルスエネルギーを正確に制御する。
【００９４】
線形フォトダイオードアレイ
線形フォトダイオードアレイ１８０の受光面を、図１４Ａに詳細に示す。アレイは、１０２４個の別個のフォトダイオード集積回路及び関連のサンプル・ホールド読出し回路を備える集積回路チップである。フォトダイオードは、全長２５．６ｍｍ（約１インチ）になるように２５マイクロメートル間隔である。各々のフォトダイオードは、５００マイクロメートル長である。
【００９５】
このようなフォトダイオードアレイは、幾つかの供給元から販売されている。好適な納入業者は、Ｈａｍａｍａｔｓｕである。出願人の好適な実施形態において、４，０００Ｈｚ以上の速度で完全な１０２４画素走査を読み取ることができるＦＩＦＯベースで、最大４×１０6画素／秒の速度で読み取ることができるモデルＳ３９０３−１０２４Ｑを使用する。ＰＤＡは、２×１０6画素／秒で作動するように設計されたものであるが、出願人は、それよりもはるかに高速に、即ち、４×１０6画素／秒で作動するようにオーバークロックを行うことが可能なことを見出した。４，０００Ｈｚより高いパルス繰返し率の場合、出願人は、同じＰＤＡを使用することができるが、通常、毎回の走査では画素の一部（例えば６０％）しか読み取ることができない。
【００９６】
高速線形アレイ
１０，０００Ｈｚ作動について、パルス間のデータ解析は波長及び帯域幅の計算に利用可能である。５×１０6画素／秒では、１０２４画素アレイ上の画素の約半分は、各パルス間の全時間の各々のパルスを読み取ることができ、データを読み取るために使用された。１つの解決策は、４つ置きのパルス又は２つ置きのパルス等の全パルス毎ではない方法で波長及び帯域幅をモニタすることである。別の解決策は、履歴データを使用して、アレイ上の干渉縞データの位置を推定する予測アルゴリズムを使用して選択された画素のみを読み取るように、波長制御をプログラムすることである。更に好ましい解決策は、高速アレイを見つけることである。出願人は、背面照明ＣＣＤアレイは、約１０×１０6から１５×１０6画素／秒の応答時間を得るのに利用できると判断した。好適なアレイは、日本国の東京に所在のＨａｍａｍａｔｓｕから入手可能なモデルＳＸＸＸ１００２である。
【００９７】
波長解析をスピードアップするための別の方法は、以下で説明するように、波長計に設けられたデジタル信号プロセッサを利用して波長計算を行うことである。
【００９８】
粗い波長の測定
ミラー１７１を通過するビームの約４％は、ミラー１７３によって反射され、スリット１７７を通ってミラー１７４、ミラー１７５に進み、ミラー１７４に戻ってエシェル格子１７６上に進む。ビームは、焦点距離４５８．４ｍｍを有するレンズによって視準される。格子１７６で反射された光は、再びレンズ１７８を通過して再度ミラー１７４、１７５で反射され、再び１７４で反射された後に、ミラー１７９で反射され、図１４Ｂの上側に示すように、画素６００から画素９５０の領域で１０２４画素線形フォトダイオードアレイ１８０の左側に集束される（画素０から５９９は、精密な波長測定及び帯域幅のために残しておく）。フォトダイオードアレイ上のビームの空間位置は、出力ビームの相対公称波長の大まかな尺度である。例えば、図１４Ｂに示すように、約１９３．３５０ｐｍの波長範囲の光は、画素７５０及びその近傍に集束することになる。
【００９９】
粗い波長の計算
波長計モジュール１２０の粗波長光学部品は、フォトダイオードアレイ１８０の左側に約０．２５ｍｍ×３ｍｍの矩形の像を生成する。１０個又は１１個の照光フォトダイオードは、受光強度（図１４Ｃに示す）に比例した信号を出力し、信号は、波長計制御装置１９７のプロセッサによって読み取られてデジタル化される。この情報及び補間アルゴリズムを用いて、制御装置１９７は、像の中心位置を計算する。
【０１００】
この位置は（画素単位で測定）、２つの較正係数を使用し、位置と波長との線形関係を前提にして粗波長値に変換される。これらの較正係数は、以下で説明するように、原子波長基準源を参照して決定される。例えば、像位置と波長との間の関係は以下のアルゴリズムとすることができる。
λ＝（２．３ｐｍ／画素）Ｐ＋１９１，６２５ｐｍ
但し、
Ｐ＝粗画像中心位置
もしくは、所望であれば、“＋（）Ｐ2等の第２次項を追加することによって精度を高めることができる。
【０１０１】
精密な波長の測定
図１４に示すミラー１７３を通過するビームの約９５％は、ミラー１８２で反射して、レンズ１８３を通って、エタロン組立体１８４の入力部の拡散器（好ましくは、「改良エタロン」と題した以下のセクションで説明する回折拡散器）上に進む。エタロン１８４を出たビームは、エタロン組立体の焦点距離４５８．４ｍｍのレンズによって集束され、図１４に示す２つのミラーで反射した後に、線形フォトダイオードアレイ１８０の中央及び右側に干渉縞を生成する。
【０１０２】
分光計は、実質的にリアルタイムで波長及び帯域幅を測定する必要がある。レーザ繰返し率は、４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚであってもよいので、経済的で小型の処理電子機器で所望の性能を達成するために、正確であるが計算が集中的でなにアルゴリズムを使用する必要がある。従って、計算アルゴリズムは、浮動小数点計算ではなく整数を使用することが好ましく、数学的演算は、計算効率が高い（平方根、サイン、ログ等を使用しない）ことが好ましい。
【０１０３】
この好適な実施形態で使用される好適なアルゴリズムの具体的詳細を以下に説明する。図１４Ｄは、線形フォトダイオードアレイ１８０によって測定される典型的なエタロン干渉縞信号を表す、図示の５つのピークを有する曲線である。中央のピークは、高さが他のピークよりも低い。異なる波長の光がエタロンに入射すると、中央のピークは上昇又は下降し、ときにはゼロになる。この点から、中央のピークは波長測定には不適当である。他のピークは、波長の変化に応答して中央のピークの方向に移動するか又は中央のピークから離れるので、これらのピークの位置は、波長を決定するために使用でき、一方、ピークの幅はレーザの帯域幅を評価する。図１４Ｄには、各々、データ窓と記された２つの領域が示されている。データ窓は、通常、中央のピークに最も近い干渉縞が分析に使用されるように位置決めされる。しかしながら、波長の変化により干渉縞が中央のピークに接近し過ぎた場合には（これによって歪み及びそれによる誤差の原因になる）、第１のピークは、窓の外に出るが、第２の最も近いピークは窓の内側にあり、ソフトウェアは、制御モジュール１９７に第２のピークを使用させる。逆に、波長が変化して、現在のピークを中央のピークから離れるようにデータ窓の外側に移動させる場合には、ソフトウェアは、データ窓内の内側干渉縞にジャンプする。また、データ窓は図１４Ｂにも示されている。
【０１０４】
スペクトル値の高速計算
４，０００Ｈｚから１０，０００Ｈｚの範囲の繰返し率で各パルスの帯域幅を超高速で計算するために、好適な実施形態は、図１５に示すハードウェアを使用する。ハードウェアは、米国アリゾナ州フェニックス所在のＭｏｔｏｒｏｌａ社から供給されるマイクロプロセッサ４００、モデルＭＰＣ  ８２３、米国カリフォルニア州サンホセ所在のＡｌｔｅｒａ社から供給されるプログラム可能論理素子４０２、モデルＥＰ  ６０１６ＱＣ２４０、実行・データメモリバンク４０４、テーブル形式でフォトダイオードアレイデータを一時的に記憶するための専用超高速ＲＡＭ４０６、メモリバッファとして作動する第３の４×１０２４画素ＲＡＭメモリバンク４０８、及びアナログ・デジタル変換器４１０を含む。
【０１０５】
米国特許第５，０２５、４４６号及び米国特許第５，９７８、３９４号で説明されるように、従来技術による装置は、中心線波長及び帯域幅を決定するために、エタロン１８４及びフォトダイオードアレイ１８０によって生成された干渉縞を表す大量のＰＤＡデータ画素強度データを分析する必要があった。波長及び帯域幅の各計算のためにエタロン干渉縞を探して記述するために、約４００画素強度値を分析する必要があるので、これはコンピュータプロセッサを使用しても比較的時間が掛かるプロセスであった。本発明の好適な実施形態は、重要な干渉縞を見つけるためのプロセッサを設け、波長情報を計算するプロセッサと並列に作動させることによって、このプロセスを大幅スピードアップする。
【０１０６】
基本的な方法は、画素データが生成される際にＰＤＡ画素データからフリンジデータ表を連続的に生成するのにプログラム可能論理回路４０２を使用することである。また、論理回路４０２は、干渉縞データセットのいずれが対象の干渉縞データを表すかを特定する。次に、中心波長及び帯域幅の計算が必要な場合には、マイクロプロセッサが特定された対象画素からデータを拾い上げて、中心波長及び帯域幅の必要な値を計算するだけである。このプロセスによって、マイクロプロセッサ計算時間は１／１０に低減される。
【０１０７】
中心波長及び帯域幅を計算するためのプロセスにおける具体的な段階は以下の通りである。
１）２．５ＭＨｚで作動するように計時されたＰＤＡ１８０を用い、ＰＤＡ１８０は、４，０００Ｈｚの走査速度で画素１から６００のデータを収集し、１００Ｈｚの速度で画素１から１０２８のデータを読み出すようプロセッサ４００から指示される。
２）ＰＤＡ１８０が生成したアナログ画素強度データは、アナログ・デジタル変換器４１０によって、アナログ強度値からデジタル８ビット値（０から２５５）に変換され、デジタルデータは、フォトダイオードアレイ１８０の各画素において、強度を表す８ビット値としてＲＡＭバッファ４０８に一時的に記憶される。
３）プログラム可能論理回路４０２は、干渉縞を捜しながらほぼリアルタイムでＲＡＭバッファ４０８から連続的に出ていくデータを分析し、全てのデータをＲＡＭメモリ４０６に記憶し、各々のパルスの全ての干渉縞を特定し、各々のパルスについて干渉縞のテーブルを作成し、テーブルＲＡＭ４０６に記憶し、更に分析するために、各々のパルスに関する２つの干渉縞からなる１つの最良の組を特定する。論理回路４０２に使用する方法は以下の通りである。
【０１０８】
Ａ）ＰＬＤ４０２は、最小の画素強度値を追跡しながら強度閾値を超えるか否か判定するためにバッファ４０８を経由して送られてくる各画素を分析する。閾値を超えている場合、これは、干渉縞ピークが生じつつあることを示す指標である。ＰＬＤは、閾値を超える最初の画素を「立ち上りエッジ」画素数として特定して、「立ち上りエッジ」画素に先行する画素の最小画素値を記憶する。この画素強度値は、干渉縞の「最小値」として特定される。
Ｂ）次に、ＰＬＤ４０２は、干渉縞ピークを捜すためにその後の画素強度値をモニタする。強度が閾値値強度よりも低下するまで強度最高値を追跡することによってこれを行う。
【０１０９】
Ｃ）閾値を下回る値を有する画素が見つかると、ＰＬＤは、立ち下りエッジ画素番号としてその画素を特定して最大値を記憶する。次に、ＰＬＤは、立ち下りエッジ画素番号から立ち上りエッジ画素番号を引くことによって干渉縞の「幅」を計算する。
Ｄ）干渉縞の立ち上りエッジ画素番号、最大干渉縞強度、最小干渉縞強度、及び干渉幅の４つの値は、ＲＡＭメモリバンク４０６の干渉縞領域の円形テーブルに記憶される。ほとんどのパルスは２つの窓で２個から５個の干渉縞を生成するに過ぎないが、各パルスについて最大１５個までの干渉縞を表すデータを記憶することができる。
【０１１０】
Ｅ）また、ＰＬＤ４０２は、各パルスに対して、各パルスの「最良の」２つ干渉縞を特定するようにプログラムされる。これは、０個から１９９個のデータ窓の範囲内で最後の干渉縞を全て特定すると共に、４００個から５９９個のデータ窓の範囲内で最初の干渉縞を完全に特定することによって行う。
【０１１１】
パルス後に、（１）画素データの収集、及び（２）干渉縞の円形テーブルの形成に必要とされる総時間は、約２００マイクロ秒未満である。この方法の時間節約に関する主たる利点は、干渉縞の検索が、干渉縞データが読み出されデジタル化され記憶される際に行われる点にある。特定のパルスについて２つの最良の干渉縞が特定されると、マイクロプロセッサ４００は、ＲＡＭメモリバンク４０６から２つの干渉縞領域の生画素データを入手し、次に、そのデータから帯域幅及び中心波長を計算する。更に計算時間を短くするために、マイクロプロセッサ４００は、Ｍｏｔｏｒｏｌａ社製及びＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の高速デジタル信号処理装置（ＤＳＰと呼ぶ）に置き換えることができよう（例えば、ＭｏｔｏｒｏｌａチップＤＳＰ５６３０３）。ＤＳＰは、波長計に設けることができるので、波長計からレーザ主制御装置に送信されたデータのみがビーム制御に必要な最終値である。これにより、計算時間を実質的に１００マイクロ秒未満に低減できる。その計算は以下の通りである。
【０１１２】
エタロン干渉縞の典型的な形状を図１４Ｄに示す。ＰＬＤ４０２の過去の作業に基づいて、画素１８０周辺で最大値を有する干渉縞及び画素４５０周辺で最大値を有する干渉縞がマイクロプロセッサ４００に対して特定される。干渉縞の形状及び位置を定義するために、これらの２つの最大値周辺の画素データが、マイクロプロセッサ４００によって分析される。これは以下のように行われる。
Ａ）最大半値は、干渉縞最大値から干渉縞最小値を引いて、その差を２で割り、その結果を干渉縞最小値に加えることによって決定される。２つの干渉縞の各立ち上りエッジ及び各立ち下りエッジについては、２つの画素は最大半値よりも大きい最近値及び最大半値より小さい最近値を有する。次に、１／３２画素の精度で、図１８Ｂに示すＤ１及びＤ２の終点を定義する場合、マイクロプロセッサは、２つの画素値の間で外挿を行う。これらの値から円形干渉縞の内径Ｄ１及び外径Ｄ２が決定される。
【０１１３】
精密な波長の計算
精密な波長の計算は、進路波長測定値、及びＤ１及びＤ２の測定値を使用して行われる。波長の基本的な方程式は以下の通りである。
λ＝（２＊ｎ＊ｄ／ｍ）ｃｏｓ（Ｒ／ｆ）      （１）
ただし、
λは、ピコメートル単位の波長である。
ｎは、エタロンの内部屈折率であり、約１．０００３。
ｄは、＋／−ｌμｍで管理されたエタロン間隔であり、ＫｒＦレーザの場合は約１５４２μｍ、ＡｒＦレーザの場合は約９３４μｍ。
ｍは、次数であり、干渉縞ピークにおける波長の整数であり、約１２４４０。
Ｒは、干渉縞の半径であり、１３０個から２８０個のＰＤＡ画素であり、１画素は２５ミクロン。
ｆは、レンズからＰＤＡ面までの焦点距離である。
【０１１４】
ｃｏｓ項を展開して無視できるほど小さい高次数項を取り除くと、
λ＝（２＊ｎ＊ｄ／ｍ）[１−（１／２）（Ｒ／ｆ）2]      （２）
直径Ｄ＝２＊Ｒについてこの方程式を書き換えると、
λ＝（２＊ｎ＊ｄ／ｍ）［１−（ｌ／８）（Ｄ／ｆ）2］      （３）
【０１１５】
波長計の主な仕事は、Ｄからλを計算することである。これには、ｆ、ｎ、ｄ、及びｍを知る必要がある。ｎ及びｄは、エタロン固有のものであることから、組み合わせてＮＤという単一の較正定数にする。ｆは、Ｄの単位を純粋な比率に合わせるために、画素単位を用いるＦＤという別の較正定数にする必要がある。整数次数ｍは、波長及びいずれの干渉縞の対を選ぶかによって変わる。ｍは、その目的では十分に正確である粗干渉縞波長を使用して決定される。
【０１１６】
これらの方程式に関する幾つかの利点は、全ての大きな数字が正の値であるということである。ＷＣＭのマイクロコントローラは、約３２ビットの精度を維持しながらこれを計算することができる。括弧付きの項をＦＲＡＣと呼ぶ。
ＦＲＡＣ＝［１−（１／８）（Ｄ／ＦＤ）2］      （４）
【０１１７】
内部では、ＦＲＡＣは、小数点が最重要ビットの左にある符合のない３２ビット値として表される。ＦＲＡＣは、常に１よりも僅かに小さいので、そこで最大の精度が得られる。ＦＲＡＣは、｛５６０から２６０｝画素のＤレンジに関しては［１−１２０Ｅ−６］から［１−２５Ｅ−６］の範囲である。
【０１１８】
ＮＤ較正値を入力すると、波長計は、内部の波長単位がフェムトメートル（ｆｍ）＝１０＾−１５メートル＝０．００１ｐｍで２ＮＤ＝２＊ＮＤという内部の符合なし６４ビット値を計算する。内部では、精密波長に関しては波長λをｆｍ単位でＦＷＬとして表す。これらの変数に関して方程式を書き換えると、
ＦＷＬ＝ＦＲＡＣ＊２ＮＤ／ｍ      （５）
である。
【０１１９】
演算でｆｍ単位のＦＷＬをもたらすＦＲＡＣの基数点シフトを処理する。ｍは、方程式を移し替えて同様にｆｍ単位のＣＷＬという既知の粗波長を代入して解く。
ｍ＝最も近い整数（ＦＲＡＣ＊２ＮＤ／ＣＷＬ）      （６）
【０１２０】
最も近い整数を取るのは、最も近い精密波長から粗波長になるまで、従来の方法でＦＳＲを加えたり引いたりするのと等価である。方程式（４）、方程式（６）、方程式（５）と順に解いて波長を計算する。内径及び外径については、別途にＷＬを計算する。平均値は線中心波長であり、その差は線幅である。
【０１２１】
帯域幅計算
レーザの帯域幅は、（λ2−λ1）／２として計算される。固定補正係数は、真のレーザ帯域幅に加えるエタロンピークの固有幅を求めるために適用される。数学的には、逆重畳アルゴリズムは、測定した幅からエタロン固有幅を取り除く方式であるが、集中的な計算になり過ぎるので、固定補正値Δλεを差し引くことによって、十分な精度が得られる。従って、帯域幅は、
2005502210.tif 000003
となる。Δλεは，エタロン仕様及び真のレーザ帯域幅に左右される。一般的に、本明細書で説明する用途の場合には０．１から１ｐｍの範囲にある。
【０１２２】
良好な帯域幅測定
前記で決定され帯域幅値Δλは、いわゆる「半値全幅」又はＦＷＨＭ帯域幅を表す。これは最大強度の半分でのレーザ光スペクトル幅（即ち、波長の関数としての強度）を表す。これは、集積回路リソグラフィに使用されるレーザに関して、現在、一般にモニタされる帯域幅値である。スペクトルの正確な形状が既知である場合（例えば、ガウス値であることが既知の場合）、これらのＦＷＨＭ値は、レーザ光の全スペクトル（即ち、ビーム内の全ての波長におけるレーザ光の強度）を判断するために使用できる。しかしながら、一般に、スペクトルの正確な形状は正確に分からないため、レーザスペクトルを表すには、ＦＷＨＭの使用に関連するいくらかの不確実性が存在する。
【０１２３】
レーザ光スペクトルをモニタするための別のアプローチは、いわゆる９５パーセント積分（Ｉ−９５と呼ぶ）の測定を試みることである。しかしながら、スペクトルの「ウイング」での低強度値の測定は計器ノイズのために正確に測定するのが難しいので、やはり不確実性をはらむ。また、良好なＩ−９５測定には、非常に高精度のエタロンが必要である。これらの非常に高精度のエタロンは、一般的に製造ライン用レーザに必要な堅牢性をもたない。
【０１２４】
好適な別の方法は、超高速ディレクタ及びプロセッサ及び記憶ビンを利用する。これらの方法は、大量のデータを収集して分析し、レーザが、例えば、０．２秒の停止時間で分離されたバーストによる、０．２秒間に２０００パルスのバーストのバーストモードで作動中であることを推定する。ＰＤＡ４０２等の論理回路は、バースト中に各々のバーストの各々のパルスの干渉縞データの全てを記憶装置４０４に記憶する。バースト終了直後に、（０．２秒停止時間中に）プロセッサ４００は、各々のパルスのスペクトルを計算し、次に、１つ又はそれ以上の平均スペクトル値（例えば、１１個の平均値、即ち、１番目、２番目、・・・１０番目のパルス率の平均値＋スペクトル全体の平均値）を計算する。スペクトルを計算するためのアルゴリズムは、特にスペクトルのウイングにおける種々のノイズ源を補正し、また、隣接する干渉縞から強度に影響を与えるものを差し引くことが好ましい。スペクトルは、波長を関数とする積分値と定義してもよく、又は、１０％Ｉ、２０％Ｉ、・・・９０％Ｉといった一連の積分値として定義してもよく、又は、データからプロセッサをＦＷＨＭ及び９５％Ｉ等のより一般的なスペクトル値を計算して報告するようにプログラムすることもできる。プロセッサは、各々のバーストの平均値を計算、報告、及び／又は記憶して、バースト中に選択された窓サイズについての平均値を定期的に報告するようにプログラムすることができる。
【０１２５】
照度の強化
繰返し率が４，０００Ｈｚの範囲から１０，０００Ｈｚまで高くなると、波長計の光学部品は、非常に大きな紫外線にさらされる。この潜在的な問題を解決するために、出願人は、パルス当たりの照射線量を１／２８まで低減した波長計の改良を行なった。これらの改良点の詳細は、引用により本明細書に組み込まれた２００２年６月１４日出願の米国特許出願「照度が強化された放電ガス紫外線波長計」に説明されている。図１４Ｉは、照度が強化された波長を示す。最も重要な新しい特徴は、回折拡散器１８１Ｄ及び縮写望遠鏡であり、縮写望遠鏡は、ビーム分割器１７０の両側からの反射によって生成された２つの別個のサンプルビームが回折拡散器１８１Ｄの出力面で結合されるように、ビーム断面を縮小させるレンズ１８１Ａ及び１８１Ｃによって形成される。レンズ１８１Ｅは、回折拡散器の出力面を従来型拡散器１８１Ｇ上に映し、結合され２倍に拡散されたビームのほんの一部分がスリット１８１Ｈによって選択され、エタロン１８４によってスペクトル干渉縞に変換され、次に、スペクトル干渉縞は、レンズ１８１Ｌによってフォトダイオードアレイ１８０に映される。ビーム分割器１８１Ｆは、レンズ１８１Ｅからの拡散されたビームを２つの部分に分割し、第１の部分は、前述のようにエタロン１８４を照射し、第２の部分は、拡散器１８１Ｒによって拡散され、この２倍の拡散されたビームは、蒸気セル１９８の金属蒸気（ＡｒＦレーザの場合は白金、ＫｒＦレーザの場合は鉄）に基づいて波長計を較正するための較正ビームとして使用される。
【０１２６】
パルスエネルギー及び波長のフィードバック制御
引用により本明細書に組み込まれた米国特許第６，００５，８７９号「エキシマレーザのパルスエネルギー制御」に全て説明されているように、後続パルスのパルスエネルギーは、前述した各パルスのパルスエネルギーの測定結果に基づいて、所望のパルスエネルギー及び特定の数のパルスの所望の統合線量を維持するように制御される。
【０１２７】
レーザの波長は、波長の測定値、及び、引用により本明細書に組み込まれた米国特許第５，９７８，３９４号「エキシマレーザの波長システム」に説明されている方法等の従来技術で公知の方法を用いて、フィードバック方式で制御することができる。出願人は、最近、圧電駆動装置を利用して調整ミラーを極めて高速で動かすための種々の波長調整方法を開発した。これらの方法の一部は、引用により本明細書に組み込まれた２０００年６月３０出願の米国特許出願番号６０８，５４３「レーザの帯域幅制御方法」に説明されている。
図１６Ａ及び図１６Ｂは、この米国出願から抜粋したものであり、この方法の主要構成部品を示す。圧電スタックは、非常に高速なミラー調節を得るために使用され、大きな緩慢な調節は、レバーアームを作動させる従来技術のステッピングモータによって行われる。圧電スタックによってレバーアームの支点位置が調整される。
【０１２８】
組み合わせＰＺＴ／ステッピングモータ駆動式調整ミラーを有する新ＬＮＰ
圧電駆動装置の詳細設計
図１６は、出力レーザ光の波長及びパルスエネルギーを制御するのに重要なレーザシステムの特徴を示すブロック図である。３プリズム拡大器、調整ミラー１４、及び格子を含む線幅狭小化モジュール１５Ｋを示す。波長計１０４は、出力ビーム波長をモニタし、フィードバック信号をＬＮＰプロセッサ１０６に供給し、ＬＮＰプロセッサ１０６は、以下で説明するように、ステッピングモータ及びＰＺＴスタックの作動によって調整ミラーの位置を制御する。使用できる波長は、レーザ制御装置１０２が選択することができる。また、パルスエネルギーは波長計１０４で測定され、波長計１０４は、前述のようにフィードバック方式でパルスエネルギーを制御するために制御装置１０２が使用する信号を出力する。図１６Ａは、ＰＺＴスタック８０、ステッピングモータ８２、ミラー１４、及びミラーマウント８６を示すブロック図である。
【０１２９】
図１６Ｂは、本発明の好適な実施形態の詳細な特徴を示す。ミラー１４の位置の大きな変更は、ステッピングモータによって２６．５：１のレバーアーム８４を介して行われる。この場合、圧電駆動装置８０端部のダイヤモンドパッド８１は、レバーアーム８４の支点で球形の位置決めボールに接触するように設けられる。レバーアーム８４の上部とミラーマウント８６との接触は、レバーアーム上の円筒形ドエルピンと、符号８５で示すミラーマウント上に取り付けられた４つの球面玉軸受け（そのうちの２つのみを図示）によって行われる。圧電駆動装置８０は、圧電マウント８０Ａを用いてＬＮＰフレーム上に取り付けられており、ステッピングモータは、ステッピングモータマウント８２Ａを用いてフレームに取り付けられている。ミラー１４は、３つのアルミニウム製球体（そのうちの１つのみが図１６Ｂ１に図示）を使用して３点マウントを用いてミラーマウント８６に取り付けられている。３本のバネ１４Ａによって、球体に対してミラーを保持するための圧縮力が付与される。
【０１３０】
図１６Ｂ２は、図１６Ｂ１とは若干異なる好適な実施形態である。この実施形態は、圧電駆動装置をＬＮＰ内の環境から隔離するためにベローズ８７を含む。この隔離によって、ＵＶによる圧電駆動素子の損傷が防止されると共に、圧電材料からのガス抜けによる汚染の可能性がなくなる。また、ＬＮＰのシールを大幅に改善する別のＬＮＰ設計については図１９Ｄ及び以下の説明を参照されたい。
【０１３１】
ＬＮＰパージ方法
線幅狭小化パッケージをパージすることは公知である。しかしながら、従来技術では、パージ流が格子面上に直接流れるのを防止することが教示されており、パージ流が一般に格子の背面等の位置に配置されたポートによってもたらされる。しかしながら、出願人は、非常に高い繰返し率では、高温ガス（窒素）の層が格子の面上に形成され、波長に歪みが生じることを発見した。この歪みは、前述した能動的波長制御によって少なくとも部分的に補正することができる。別のアプローチは、図１７に示すように回折格子面をパージすることである。図１７では、長さ１０インチ、直径３／８インチのパージ管６１の上部の小さな孔（１／４インチ間隔で１ｍｍ）によってパージ流が形成される。パージ流は、以下のセクションで説明するように純粋な窒素供給源からの窒素とすることができる。また、好適な実施形態において、ＬＮＰは、以下で説明するようにヘリウムでパージされる。他の方法を図１７Ａ、図１７Ｂ、及び図１７Ｃに示す。
【０１３２】
波長及び帯域幅を制御する上で有用な特定の方法は、引用により本明細書に組み込まれた２００１年２月２７日出願の米国特許出願番号０９/７９４,７８２「圧電駆動装置によるレーザ波長制御」、２００１年１２月２１日出願の米国特許出願番号１０/０２７,２１０「圧電駆動装置によるレーザ波長制御」、及び２００１年１２月２１日出願の米国特許出願番号１０/０３６,９２５「リソグラフィ法のレーザスペクトル技術」に説明されている。
【０１３３】
ＬＮＰ圧力変動の補正
非常に高い繰返し率及びバーストモード作動において、ＬＮＰは、ウェーハ照射時にかなり加熱されるが、それ以外はほとんど加熱されない。これによって、ＬＮＰガス内の圧力変動が生じる可能性があり、この圧力変動は、波長に影響を及ぼす場合がある。
【０１３４】
出願人は、波長が圧力変動１０ｔｏｒｒ毎に約１ｐｍ変動することを割り出した。一般的に、波長変動は、レーザ作動時に前述の波長フィードバック制御で素早く補正される。しかしながら、レーザの不作動時にはフィードバックが行われず、繰返し作動の直後に波長は最も急激に変動する
【０１３５】
この問題に対する好適な解決策は、作動時以外の期間に、パージガスで若干ＬＮＰを加圧し（約１ａｔｍのゲージ圧等）、圧力をモニタして圧力変動を補正することである。これは図１６Ｆに示す。ＬＮＰパージガス（この場合はＮ2）の圧力は、圧力計２００によってモニタされる。レーザが点火されていない５秒等の所定時間を超える期間に、制御装置２０２は、調整ミラー１４を位置合わせして圧力変動を補正するために、図１６Ｂ２に示すようなＰＺＴ８０及び／又はステッピングモータ８２を調整するよう調整制御装置２０４に指示する。補正は、以下の方程式による。
Δλ（ｐｍ）＝（Ｐ−Ｐ0）ａ
但し、
Ｐ＝圧力、
Ｐ0＝点火停止前の圧力
ａ＝圧力係数
＝δλ／δＰ
＝λ（１−ｎ）／Ｐ０≒０．１ｐｍ／ｔｏｒｒ＠λ＝２４８ｎｍ
ｎ＝パージガスの屈折率
＝１．０００３（窒素の場合）
【０１３６】
このΔλは、例えば、熱ドリフトＬＮＰ構成部品、又は事前駆動指令又はオープンループ変動等を補正するためにオフ時期中の任意の他の適切な調整処理の最初に（追加的に）適用される。
【０１３７】
レーザパージシステム
本発明のこの第１の実施形態は、性能を大幅に改善すると共に構成部品の寿命を実質的に延ばす超純粋窒素パージシステムを含む。
【０１３８】
図１９は、本発明の第１の好適な実施形態の重要な特徴を示すブロック図である。本発明のこの実施形態において、窒素ガスによってパージされる５つのエキシマレーザ部品は、ＬＮＰ２Ｐ、レーザ室６Ｐに取り付けられる高電圧部品４Ｐ、高電圧部品４Ｐを上流側のパルス電力部品１０Ｐと接続する高電圧ケーブル８Ｐ、出力カプラ１２Ｐ、及び波長計１４Ｐである。構成部品２Ｐ、４Ｐ、８Ｐ、１２Ｐ、及び１４Ｐの各々は、各々が窒素入口ポート及び窒素出口ポートの２つのポートだけを有する密封容器又は室に収容される。窒素源１６Ｐは、一般に集積回路製造工場における大型窒素タンク（一般に液体窒素温度に維持される）であるで、比較的小さな窒素の瓶とすることができる。窒素源ガスは、窒素源２０Ｐを出ると、窒素パージモジュール７Ｐに入り窒素フィルタを通って、パージされる構成部品への窒素流を制御するための流量制御弁を収容する配電盤２０Ｐに至る。各々の構成部品に関して、パージ流は、モジュール１７Ｐに戻って流量モニタ装置２２Ｐに至り、そこで各々のパージ装置から戻るパージ流がモニタされ、モニタされた流量が所定値を下回る場合にはアラーム（図示せず）が作動する。
【０１３９】
図１９Ａは、本発明のパージに関する特徴に特に関係するものではない一部の別の窒素に関する特徴を含む、この好適な実施形態の特定の構成部品を示す配線図である。
【０１４０】
窒素フィルタ
本発明の重要な特徴は、窒素フィルタ１８を包含している点である。従来、集積回路リソグラフィ用エキシマレーザの製造業者は、市販の窒素の窒素ガス仕様はほんどいつも良好であり、仕様を満足するガスは十分にきれいなので、窒素パージガスのフィルタは必要ではないと信じていた。しかしながら、出願人は、時としてソースガスは仕様外れである場合があること、又は、パージシステムに至る窒素配管に汚染物質が含有されている可能性があることを見出した。また、配管は、保守又は運転中に汚れる可能性がある。出願人は、フィルタコストは、汚れによる損傷の確率は低いが非常に効果的な保険であると判断した。
【０１４１】
好適な窒素フィルタは、米国カリフォルニア州サンディェゴ所在のＡｅｒｏｎｅｘ社から販売されているモデル５００Ｋ不活性ガス清浄器である。このフィルタは、Ｈ2Ｏ、Ｏ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2、及びノンメタン炭化水素をサブパーツ／１０億のレベルまで除去する。０．００３ミクロン以上の全ての微粒子の９９．９９９９９９９パーセント取り除く。
【０１４２】
流れモニタ
ユニット２２の流れモニタは、５つのパージされた構成部品の各々に対して設けられる。流量が低い場合のアラーム機能を有する市販ユニットが市販されている。
【０１４３】
配管
全ての配管は、内面が電解研磨されたステンレス鋼（３１６ＳＳＴ）製であることが好ましい。また、ＰＦＡ４００製又は超高純度テフロン製の特定の形式のプラスチック製管を使用することもできる。
【０１４４】
再循環
パージガスの一部又は全ては、図１９Ｂに示すように再循環させることができる。この場合、パージモジュールにはブロア及び水冷式熱交換器が付加される。例えば、光学部品からのパージ流を再循環させることができ、電気部品からのパージ流を排気することができ、又は、組み合わせた流れの一部を排気することもできる。
【０１４５】
ＬＮＰのヘリウムパージ
好適な実施形態において、ＬＮＰはヘリウムでパージされ、残りのビーム経路は窒素でパージされる。ヘリウムは、窒素よりもはるかに屈折率が小さいので、ヘリウムを使用するとＬＮＰの熱の影響が最小限に抑えられる。しかしながら、ヘリウムの値段は窒素の約１０００倍である。
【０１４６】
改良されたシール
出願人は、高度に「清浄な」ビーム経路を形成することによる大きな利点を発見した。レーザ光学部品は、酸素を含む多様な形態の汚染物質と結合すると、高エネルギー紫外線の下で急激に劣化する傾向がある。ビーム経路を密封するための好適な方法は、引用により本明細書に組み込まれた２００１年１１月１４日出願の米国特許出願番号１０／０００，９９１「改良されたビーム経路を有する放電ガスレーザ」に説明されている。図１９Ｃ、図１９Ｄ、図１９Ｅ、及び図１９Ｆは、その出願から抜粋したものである。図１９Ｃは、前述の主発振器と類似のガス放電システムの各構成部品間のベローズシールを示す図である。図１９Ｄは、モータとＬＮＰエンクロージャとの間の境界面をシールするための、ＬＮＰステッピングモータ配置に対するベローズ配置を含む変更を示す。図１９Ｅは、ＬＮＰの加熱を最小限に抑えると共にヘリウムでパージできるようにＬＮＰ入口を取り囲む、ＬＮＰ用の熱的に切り離された開口を示す。ヘリウムは、図１９Ｃにおいて符号９５で示すようにレーザ室窓ユニットを通ってＬＮＰから出る。図１９Ｆ１、図１９Ｆ２、図１９Ｆ３、図１９Ｆ４及び図１９Ｆ５は、各レーザモジュール間のシールを行うために使用されるが、迅速なモジュール交換を可能にするためにモジュールの迅速かつ簡単な切り離しを可能にする、簡単な密封ベローズシールを示す。図１９Ｇは、波長計の高強度部をパージするための特別なパージ配置を示す。この特殊なパージを以下に説明する。
【０１４７】
システムの利点
本明細書で説明するシステムでは、ＫｒＦレーザ、及び、特にＡｒＦレーザ及びＦ2レーザに関して長期のエキシマレーザ性能に大きな改善が見られる。汚れの問題は基本的に解決るので、実質的に構成部品の寿命が延び、ビーム品質が改善される。更に、出口ポートを除き漏れはなくなっていることから、流量を所望の値に制御することができ、これには、窒素必要量をほぼ半減させる効果がある。
【０１４８】
電力計を有する密封シャッタ
この第１の実施形態は、図２０、図２０Ａ、及び図２０Ｂに示すように内蔵電力計付き密閉シャッタユニット５００を含む。この重要な改良点において、シャッタは、レーザ光を阻止するシャッタとして、更に測定が必要とされるときは常にビーム電力をモニタする完全ビーム電力計としての２つの機能を有する。
【０１４９】
図２０は、シャッタユニットの主要構成部品を示す平面図である。これらは、シャッタ５０２、ビームダンプ５０４、及び電力計５０６である。シャッタが閉じた位置でのレーザ出力ビームの経路を図２０の符号５１０で示す。シャッタが開いた位置での経路を符号５１２で示す。ビーム停止部品５１６のシャッタ有効面は、室を出るビームの方向と４５°であり、シャッタが閉じるとビームはシャッタ面で吸収されると共に、ビームダンプ５０４へ反射される。ビームダンプ有効面及びシャッタ有効面の両方は、レーザ光を多く吸収するようにクロムメッキが施されている。この実施形態において、ビーム停止部品５１６は、撓みバネ鋼製アーム５１８上に取り付けられる。図２０Ｂに示すように、シャッタはコイルに電流を印加することで開くが、コイルは撓みアーム５１８及びビーム停止部品５１６を引き寄せて、ビーム停止部品５１６を出力レーザ光の経路から取り除く。シャッタは、コイル５１４への電流の供給を停止すことで閉じ、これによって、永久磁石５２０がビーム停止部品５１６及び撓みアーム５１８を引き寄せて閉位置に戻す。好適な実施形態において、電流の流れは、開位置と閉位置との間でビーム停止部品及び撓みアームの移動が容易なように慎重に調整される。
【０１５０】
電力計５０６は、図２０及び図２０Ａに示すように、焦電光検出器を出力レーザ光の経路内に配置するために類似の形態で作動される。この場合、コイル５２０及び磁石５２２は、検出ユニット５２４及び撓みアーム５２６を引き寄せて、出力電力測定のためビーム経路を出入りさせる。この電力計は、シャッタの開時及びシャッタの閉時に作動できる。コイルに流れる電流は、シャッタの場合と同様に、ユニット５２４の移動が容易なようにしてビーム経路を出入りするように制御される。
【０１５１】
改良された波長計パージ
この好適な実施形態において、波長計の高紫外線磁束部分並びに出力カプラ及びレーザ室出力窓ブロックを付加的にパージするために特殊なＮ2パージ方法が使用される。この方法を図２２に示す。前述のように、レーザ出力ビームは、ビーム内のエネルギーの９５％を出力ビームとしと通過させる反射ミラー１７０（図１４参照）と部分的に交差する。反射ビームの約４％は、ミラー１７１からエネルギー検出器１７２に反射されてパルスエネルギーが測定される。(反射ビームの残りの部分は符号６１Ａで示すミラー１７１を通過して波長計の他のミラーに進む)。４，０００Ｈｚでは。この５％の出力エネルギーは、大量の紫外線光を意味するので、ビームのこの部分の経路内のガスを確実に非常にきれいで純粋なものとするために特別な注意が払われている。これを行うために、波長計は、ミラー１７０の上流、ミラー１７１の上流、及び検出器１７２の窓前面を波長計の残りの部分に対して密封するように変更されている。この領域を出入りする特殊なパージ流は、符号６２Ａに示すように供給される。波長計の残りの部分は、符号６４Ａに示す第２のパージ流によってパージされる。
【０１５２】
パージ流６２Ａは、ミラー１７０、１７１、及び検出器１７２の窓でのシールによって波長計内に閉じ込められる。パージ流は、レーザ出力ビーム経路に沿ってこの領域を出ると、ベローズ領域６６Ａを通って出力カプラモジュール６８Ａに戻り、それをパージするようになっている。次に、パージ流は、ベローズユニット７０Ａを経由して窓ブロック７２Ａに入り、窓ブロック内の出口ポート及びベローズユニット７０Ａの出口ポートを通って出ると、７４Ａに示すように、管を通って図１９に示すＮ2パージモジュール１７に戻る。窓１７０の下流側は、シャッタモジュール５Ｋからのパージ流でパージされる。パージ流は、図１９に示すようなモジュール１７からのものでもよく、又は、窓７６Ａが取り除かれてシャッタモジュールの出力部がパージされた顧客側ビームラインにオープン接続される場合もあり、この場合、７８Ａの出口パージラインは、顧客側パージ戻りシステムに導くか又は大気に排出させることができる。
【０１５３】
高繰返し率に関する他の改良点
本明細書で説明するような高繰返し率によって、レーザ及び他のリソグラフィ機器が新しいうちは必要以上の照射量が可能になる。リソグラフィレーザが経年変化するにつれて、光学的なビーム品質特性は変化する可能性がある。通常、品質は緩慢に劣化する傾向がある。ビーム品質が点検後でさえも仕様を満たさない場合、通常、主要構成部品の交換（レーザ室、ＬＮＰ、及び/又は波長計など）が必要となる。従って、レーザの寿命にわたって、ビーム品質は、仕様範囲内で実質的に変動する場合がある。このことは、高品質光学レーザビームを得るために設計されたリソグラフィ機器を利用する集積回路リソグラフィ担当者には問題になりかねない。レーザ品質が通常よりも「優れている」と、結果的に、集積回路の品質に望ましくない変動が発生する場合がある。１つの解決策は、レーザの寿命にわたってビーム品質が実質的に一定であるレーザシステムを提供することである。これは、２００１年１２月２１日出願の米国特許出願番号１０／０３６，７２７号に説明されている方法を使用すれば実現でき、レーザが発揮し得る最良値ではなく、期待公称値に対応する波長安定値及び帯域幅値を与えるように圧電駆動装置調整ミラーを使用するものである。また、パルスエネルギーは、エネルギー安定値を発揮し得る最大値ではなくて期待公称値に維持するために、前述のフィードバック制御を用いて制御することができる。また、フッ素濃度及びレーザガス圧力は、パルスエネルギー及び波長の最大安定値及び発揮し得る最狭帯域幅値ではなく、ビーム品質の期待値を生成するように調整できる。
【０１５４】
高繰返し率ＭＯＰＡ
本発明の好適な実施形態は、本出願の譲受人に譲渡され引用により本明細書に組み込まれた米国特許出願番号０９／９４３，３４３号、米国特許出願番号１０／０１２，００２号、米国特許出願番号１０／０５６，６１９号、及び米国特許出願番号１０／１４１，２１６号に説明されているような、主発振器電力増幅器（ＭＯＰＡ）が適用さる。図２３は、出願人が設計したＭＯＰＡシステム４Ｋを示す。ビーム品質は、主発振器８Ｋにおいて制御され、パルス電力は、電力増幅器１０Ｋにおいて制御される。パルス繰返し率を大きくすることによって、同じＵＶエネルギーは、１パルス当たりのエネルギーが小さくなる。パルス当たりエネルギーを小さくすると、高価なリソグラフィ光学機器の寿命が延びる。また、図２３に示すこの実施形態は、ＭＯＰＡ用のパルス伸張器（パルス増倍器１２Ｋと呼ぶ）及び以下で説明するビーム送出ユニット４０Ａを含む。
【０１５５】
パルス増倍器
余分なエネルギーがあれば、レーザパルス持続時間を延ばすための装置を追加することができる。パルス持続時間を延ばす方法は、各々のパルスを２つ以上の部分に分割することであり、その後、第１の部分以外の全ての遅延部は、互いに結合される。このような方法の一例は、出願人の雇用主に譲渡され引用により本明細書に組み込まれた米国特許第６，０６７，３１１号に説明されており、別の方法は、引用により本明細書に組み込まれた２００１年１１月２９日出願の米国特許出願番号１０／００６，９１３に説明されている。この米国特許出願から抜粋した図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃにはその方法が説明されている。図２４Ａ及び図２４Ｃは、パルス伸張処理の前後の結果を示す。
【０１５６】
本発明では、その範囲を変更することなく、種々の変形を行うことができる。当業者は、多くの他の変形の可能性を認識できるであろう。本システムは、３０００Ｈｚから６０００Ｈｚ、１０，０００Ｈｚを上回る範囲の任意の繰返し率といった高パルス繰返し率を実現するために設計できる。前述の、特にＫｒＦレーザ用のレーザシステムは、ガスの混合を変更すること、及び１９３ｎｍでの作動用にＬＮＰ及び波長計理を変更することによって、ＡｒＦレーザとして使用することができる。電極の間隔は、１６．５ｍｍから１３．５ｍｍに縮小することが好ましい。例えば、帯域幅の能動的フィードバック制御は、図２２Ａに示す屈曲機構を調節するためにモータ駆動装置を使用して線幅狭小化回折格子の曲率を調整することによって行うことができる。あるいは、圧電素子を使用して回折格子の曲率を制御することによって更に高速の帯域幅制御を行うことができる。他の熱交換器の設計は、本明細書で示した１つの構成に対する明らかな変更例となるはずである。例えば、４つのユニットを全て組み合わせて１つのユニットにすることができる。レーザのバーストモード作動の結果として生じるガス温度の急激な変化の影響を緩和するために、熱交換器により大きなフィンを使用すると大きな利点がもたらされるであろう。極端に高いパルス繰返し率では、パルスエネルギーのフィードバック制御は、必ずしも、直前のパルスを使用して特定パルスのパルスエネルギーを制御するのに十分な速さである必要はないことを理解されたい。例えば、特定パルスのパルスエネルギー測定値を第２又は第３の後続のパルスの制御に使用する制御方法を行うことができる。波長計エタロン及び格子データを波長値に変換するアルゴリズムの多くの変更例及び変形例が可能である。例えば、出願人は、エタロン光学系の集束誤差から非常に小さな誤差が生じ、これによって、線幅測定値が実際よりも大きくなることを見出した。この誤差は、測定されるエタロン干渉縞の径が大きくなるにつれて若干大きくなる。これは、レーザ及び波長の範囲を走査して測定された干渉縞が窓を出るときの段階的な変化を観察すれば補正できる。次に、窓内の測定された干渉縞の位置に基づいて補正係数を決定することができる。従って、上記の開示内容は、その内容を限定することを意図したものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその法的均等物によって判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す。
【図２】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す。
【図２Ａ】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す。
【図３】従来技術によるパルス電力システムの回路図である。
【図４Ａ】レーザ室の断面図である。
【図４Ｂ】レーザシステムの正面図である。
【図４Ｃ】予備電離器接地棒用の空間を有する主絶縁体を示す。
【図４Ｄ】電極構成体の断面を示す。
【図５】好適なパルス電力システムの電気回路図である。
【図６Ａ】好適な共振電源装置を示す。
【図６Ｂ】好適な共振電源装置を示す。
【図７】パルス電力構成部品を冷却するための方法を示す。
【図７Ａ】パルス電力構成部品を冷却するための方法を示す。
【図８】パルス電力構成部品を冷却するための方法を示す。
【図９Ａ】可飽和インダクを示す。
【図９Ｂ】可飽和インダクを示す。
【図１０】パルス変成器を示す。
【図１０Ａ】パルス変成器のコアを示す。
【図１１】第１の可飽和インダクを冷却するための方法を示す。
【図１２】第２の可飽和インダクを冷却するための方法を示す。
【図１２Ａ】第２の可飽和インダクを冷却するための方法を示す。
【図１２Ｂ】第２の可飽和インダクを冷却するための方法を示す。
【図１３】好適な実施形態の室の放電領域を示す。
【図１３Ａ】好適な実施形態の室の放電領域を示す。
【図１３Ａ（１）】図１３Ａの構成の小さな変更を示す。
【図１３Ａ（２）】図１３Ａの構成の小さな変更を示す。
【図１３Ａ（３）】電流戻り構造体の特徴を示す。
【図１３Ａ（４）】電流戻り構造体の特徴を示す。
【図１３Ａ（５）】電流戻り構造体の特徴を示す。
【図１３Ａ（６）】電流戻り構造体の特徴を示す。
【図１３Ａ（７）】電流戻り構造体の特徴を示す。
【図１３Ａ（８）】電流戻り構造体の特徴を示す。
【図１３Ｂ】電極構成を示す。
【図１３Ｃ】レーザガスの冷却を促進する方法を示す。
【図１３Ｄ】下流アーク放電を防止する方法を示す。
【図１３Ｅ】下流アーク放電を防止する方法を示す。
【図１３Ｆ】下流アーク放電を防止する方法を示す。
【図１４】波長計のレイアウトを示す。
【図１４Ａ】波長及び帯域幅の計算を説明する図である。
【図１４Ｂ】波長及び帯域幅の計算を説明するグラフである。
【図１４Ｃ】波長及び帯域幅の計算を説明するグラフである。
【図１４Ｄ】波長及び帯域幅の計算を説明するグラフである。
【図１４Ｅ】照射特性が促進された波長計を示す。
【図１５】長及び帯域幅の計算に使用される構成部品を示すブロック図である。
【図１６】レーザ光の波長及びパルスエネルギーを制御するために使用されるレーザシステムの特徴を示すブロック図である。
【図１６Ａ】ＬＮＰ調整ミラーを制御するための方法を示す。
【図１６Ｂ１】ＬＮＰ調整ミラーを制御するための方法を示す。
【図１６Ｂ２】ＬＮＰ調整ミラーを制御するための方法を示す。
【図１６Ｃ】調整ミラーの圧電制御の効果を示す。
【図１６Ｄ】波長制御アルゴリズムを示す。
【図１６Ｅ】波長制御アルゴリズムを示す。
【図１６Ｆ】ＬＮＰ調整ミラーを制御するための方法を示す。
【図１７】格子面をパージするための方法を示す。
【図１７Ａ】格子面をパージするための方法を示す。
【図１７Ｂ】格子面をパージするための方法を示す。
【図１７Ｃ】格子面をパージするための方法を示す。
【図１８】２モータ式ブロア制御システムを示す。
【図１８Ａ】ブロアブレード構造体を示す。
【図１８Ｂ】軸受け構成を示す。
【図１９】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ａ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ｂ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ｃ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ｄ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ｅ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ｆ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図１９Ｇ】好適なＮ2パージシステムの特徴を示す。
【図２０】好適なシャッタの特徴を示す。
【図２０Ａ】好適なシャッタの特徴を示す。
【図２０Ｂ】好適なシャッタの特徴を示す。
【図２１】好適な水冷フィン付き熱交換器の特徴を示す。
【図２１Ａ】好適な水冷フィン付き熱交換器の特徴を示す。
【図２２】出力ビーム列の高ＵＶ磁束領域をパージするためのパージ方法の特徴を示す。
【図２３】パルス伸張及びビーム送出を有するＭＯＰＡシステムの特徴を示す。
【図２４Ａ】パルス伸張方法を説明する。
【図２４Ｂ】パルス伸張方法を説明する。
【図２４Ｃ】パルス伸張方法を説明する。
【図２５】放電室外側のレーザガスブロアを用いる方法を示す。
【図２６】放電室外側のレーザガスブロアを用いる方法を示す。
【符号の説明】
【０１５８】
５４２  陽極
５４４Ｂ  絶縁スペーサ
５５５  吸引ファン
【図１】
2005502210.tif 000004
【図２】
2005502210.tif 000005
【図２Ａ】
2005502210.tif 000006
【図３】
2005502210.tif 000007
【図５】
2005502210.tif 000008
【図６Ａ】
2005502210.tif 000009
【図６Ｂ】
2005502210.tif 000010
【図７Ａ】
2005502210.tif 000011
【図１１】
2005502210.tif 000012
【図１２】
2005502210.tif 000013
【図１２Ｂ】
2005502210.tif 000014
【図１４】
2005502210.tif 000015
【図１４Ａ】
2005502210.tif 000016
【図１４Ｂ】
2005502210.tif 000017
【図１４Ｄ】
2005502210.tif 000018
【図１５】
2005502210.tif 000019
【図１６】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ１】
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【図１６Ｂ２】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｇ】
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【図２０】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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