(57)【要約】【課題】ガス放電レーザ、更に詳しくは、高い繰返し率を有するガス放電レーザを提供する。【解決手段】約５ｍＪ又はそれ以上のパルスエネルギ、及び約４，０００Ｈｚのパルス繰返し数で高品質パルスレーザビームを生成することができるエキシマレーザ。好ましい実施形態は、集積回路リソグラフィのための光源として特別に設計されたＡｒＦエキシマレーザである。専用のソフトウェアを有する改良された波長計（４Ｋ）は、波長及びパルスエネルギを所望の限界値内に維持するために、出力ビームパラメータをモニタし、ラインナローイングモジュール（１５Ｋ）内にある超高速ＰＺＴ駆動式同調ミラーと、パルスパワー充電電圧とを制御する。好ましい実施形態においては、２つのファンモータ（１６Ｋ及び１７Ｋ）は、パルス間の約０．２５ミリ秒の間に放電領域からの放電屑を取り除くための十分なガス流をもたらす単一の接線ファンを駆動させる。【選択図】図４Ｂ
2004526334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
毎秒３，０００パルスを超えるパルス繰返し率で作動することができる超高繰返し率ガス放電レーザシステムであって、
Ａ）放電領域を規定すると共に、該放電領域で発生する静的圧力低下の大きな割合の部分を回復させるように下流側ほど断面積が大きくなるガス流路を有する２つの細長い電極を有する、レーザガスを包含するレーザチャンバと、
Ｂ）毎秒４，０００パルス又はそれ以上の範囲の繰返し率で作動する時に、各パルスに続いて、前記放電領域から次のパルスの前に生成された実質的に全ての放電生成イオンを取り除くために、該放電領域において前記レーザガスの十分なガス速度を生み出すための接線型ファン(a tangential type fan)と、
Ｃ）少なくとも１６ｋｗの熱エネルギを前記レーザガスから取り除くことができる熱交換器システムと、
Ｄ）約５ｍＪの範囲の正確に制御されたパルスエネルギにより毎秒約４，０００パルスの繰返し数で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パワーシステムと、
Ｅ）パルス又は実質的に全てのパルスのパルスエネルギ、エネルギ波長、及び帯域幅を測定することができ、パルスエネルギ及び波長のフィードバック制御を有するレーザビーム測定及び制御システムと、
を含むことを特徴とするレーザシステム。
【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】
前記チャンバはまた、前記放電領域の上流側のガス速度を標準化するための該放電領域上流側のベーン構造を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ。
【請求項４】
前記ファンは、２つのブラシレス直流モータによって駆動されるシャフトを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５】
前記モータは、水冷モータであることを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
【請求項６】
前記モータの各々は、固定子を含み、かつ、該固定子を前記レーザガスから分離するプレッシャーカップに包含された磁気回転子を含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
【請求項７】
前記接線ファンは、アルミニウムストックから機械加工されたブレード構造体を含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
【請求項８】
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７に記載のレーザ。
【請求項９】
前記モータは、センサレスモータであり、
該モータの一方を制御するためのマスタモータコントローラと、
他方のモータを制御するためのスレーブモータコントローラと、
を更に含むことを特徴とする請求項４に記載のレーザ。
【請求項１０】
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１１】
前記熱交換器システムは、少なくとも４つの別々の水冷式熱交換器を含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ。
【請求項１２】
熱交換器システムは、少なくとも１つの撹拌器が位置する管状水流通路を有する少なくとも１つの熱交換器を含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記４つの熱交換器の各々は、撹拌器を包含する管状水流通路を含むことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ。
【請求項１４】
前記パルスパワーシステムは、水冷式電気構成要素を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１５】
前記水冷式構成要素の少なくとも１つは、１２，０００ボルトを超える高電圧で作動する構成要素であることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記高電圧は、冷却水が貫流するインダクタを使用して接地から隔離されることを特徴とする請求項１５に記載のレーザ。
【請求項１７】
前記パルスパワーシステムは、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の共振充電システムを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１８】
前記共振充電システムは、「Ｄｅ−Ｑｉｎｇ」回路を含むことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ。
【請求項１９】
前記共振充電システムは、ブリード回路を含むことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ。
【請求項２０】
前記共振充電システムは、「Ｄｅ−Ｑｉｎｇ」回路及びブリード回路を含むことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記パルスパワーシステムは、並列に配置された少なくとも３つの電源から成る充電システムを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項２２】
前記レーザビーム測定及び制御システムは、エタロンユニットと、フォトダイオードアレーと、プログラム可能論理装置と、レーザ光を該エタロンユニットから該フォトダイオードアレー上に集束させる光学器械とを含み、
前記プログラム可能論理装置は、前記フォトダイオードアレーからのデータを解析し、該フォトダイオードアレー上のエタロン縞の位置を判断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２３】
前記測定及び制御システムはまた、前記プログラム可能論理装置により位置が求められた縞データ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含むことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ。
【請求項２４】
前記プログラム可能論理装置は、前記縞の測定に基づいて波長及び帯域幅を計算するアルゴリズムを用いてプログラムされることを特徴とする請求項２２に記載のレーザ。
【請求項２５】
前記プログラム可能論理装置は、４，０００分の１秒よりも速く波長及び帯域幅の計算を行うように構成されていることを特徴とする請求項２４に記載のレーザ。
【請求項２６】
前記エタロンユニットは、回折拡散要素を含むことを特徴とする請求項２２に記載のレーザ。
【請求項２７】
少なくとも部分的にＰＺＴ駆動装置によって駆動される同調ミラーを備えたラインナローイングユニットを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項２８】
前記同調ミラーはまた、部分的にステッパモータによって駆動されることを特徴とする請求項２７に記載のレーザ。
【請求項２９】
予備同調手段を更に含むことを特徴とする請求項２７に記載のレーザ。
【請求項３０】
学習アルゴリズムを備えた能動同調手段を更に含むことを特徴とする請求項２７に記載のレーザ。
【請求項３１】
適応フィードフォワードアルゴリズムを更に含むことを特徴とする請求項２７に記載のレーザ。
【請求項３２】
前記ラインナローイングユニットは、格子面を形成する回折格子と、パージガスを該格子面に隣接して押し付けるためのパージ手段とを含むことを特徴とする請求項２７に記載のレーザ。
【請求項３３】
前記パージガスは、窒素であることを特徴とする請求項３２に記載のレーザ。
【請求項３４】
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３２に記載のレーザ。
【請求項３５】
窒素フィルタを備えた窒素パージシステムを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３６】
流量モニタを備えた窒素パージモジュールを更に含み、排気パージガスをレーザから搬送するためのパージ排気管も含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３７】
電気作動シャッタを備えたシャッタユニットと、指令信号によりレーザ出力ビーム経路内に位置決めすることができる電力計とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３８】
前記チャンバの第１のウィンドウとラインナローイングユニットとの間に第１のビームシール、及び、該チャンバの第２のウィンドウと出力カプラユニットとの間に第２のビームシールをもたらすビームシールシステム、
を更に含み、
前記ビームシールの各々は、金属ベローズを含む、
ことを特徴とする請求項２７に記載のレーザ。
【請求項３９】
前記第１及び第２のビームシールの各々は、前記レーザチャンバの容易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３８に記載のレーザ。
【請求項４０】
前記ビームシールの各々は、エラストマーを含有せず、前記チャンバからの振動隔離をもたらし、大気ガスからのビーム列隔離をもたらし、前記ＬＮＰ又は前記出力カプラユニットを妨げることなく前記レーザチャンバの自由な交換を可能にすることを特徴とする請求項３８に記載のレーザ。
【請求項４１】
前記測定及び制御システムは、出力パルスの小さな割合の部分をレーザから分離するための１次ビームスプリッタと、該小さな割合の部分の一部分をパルスエネルギ検出器に向けるための２次ビームスプリッタと、該１次ビームスプリッタと境界を接する容積を隔離する手段とを含み、
該２次ビームスプリッタ、及び、前記測定及び制御システムの他の部分からの該パルスエネルギ検出器のウィンドウは、隔離された領域を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４２】
前記隔離された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含むことを特徴とする請求項４１に記載のレーザ。
【請求項４３】
出力カプラユニットと出力ウィンドウユニットとを更に含み、
前記パージ手段が、前記隔離された領域からの排気が該出力カプラユニット及び該出力ウィンドウユニットもパージするように構成される、
ことを特徴とする請求項４２に記載のレーザ。
【請求項４４】
前記チャンバはまた、レーザガス流の方向に長手方向を有するほぼ矩形断面を備えたリブを有する電流戻り装置を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４５】
前記チャンバは、陽極と該陽極の２つの側面上に位置決めされた誘電スペーサとを含み、２つの電極間の領域のレーザガスの流れを改善することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４６】
前記パルスパワーシステムは、インダクタンスの増加をもたらすように選択された長さを有する金属ロッドによりピークコンデンサバンクのコンデンサと前記電極の一方とに電気的に接続されたコロナプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００１年１２月２１日出願の米国特許出願一連番号第１０／０３６，６７６号、２００１年１１月３０日出願の一連番号第１０／０１２，００２号、２００１年１１月１４日出願の一連番号第１０／０００，９９１号、２００１年１０月１７日出願の一連番号第１０／０２９，３１９号、２００１年８月２９日出願の一連番号第０９／９４３，３４３号、２００１年５月１１日出願の一連番号第０９／８５４，０９７号、２００１年４月１８日出願の一連番号第０９／８３７，１５０号、２００１年４月１３日出願の一連番号第０９／８３４，８４０号、２００１年２月２７日出願の一連番号第０９／７９４，７８２号、２００１年１月２９日出願の一連番号第０９／７７１，７８９号、２００１年１月２３日出願の一連番号第０９／７６８，７５３号、２０００年１０月６日出願の一連番号第０９／６８４，６２９号、２０００年６月１９日出願の一連番号第０９／５９７，８１２号、及び、１９９９年１２月２７日出願の一連番号第０９／４７３，８５２号に対する優先権を主張する。本発明は、ガス放電レーザ、更に詳しくは、高い繰返し率を有するガス放電レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
放電ガスレーザ
放電ガスレーザは公知であり、１９６０年代のレーザの発明後間もなくから利用可能である。２つの電極間の高電圧放電によって、ガス状の利得媒体が励起される。利得媒体を含む共振空洞によって、光の増幅の促進が可能になり、その後、光は、レーザビームの形で空洞から抽出される。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。
エキシマレーザ
エキシマレーザは、特殊な形式のガス放電レーザであり、それ自体は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益であるエキシマレーザの説明は、１９９１年６月１１日に付与された「小型エキシマレーザ」と題した米国特許第５，０２３，８８４号で説明されている。この発明は、本出願人の雇用主に譲渡されており、引用により本明細書に組み込まれる。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において、レーザ１０の主要要素を示す。（図１は、米国特許第５，０２３，８８４号の図１に、図２は、その図７に対応する。）放電２２は、約５／８インチ離間された２つの長い（約２３インチ）電極１８及び２０との間で起こる。従来技術によるレーザの繰返し率は、説明したレーザと同様に、一般的に約１００パルス／秒から２０００パルス／秒の範囲内である。これらの高繰返し率レーザには、通常、ガス循環システムが設置されている。先に言及したレーザにおいては、これは、約２３枚のブレード４８を有する長尺かご形ファン４６で行われる。ファンブレード構造体は、電極１８及び２０より若干大きく、パルス作動率において電極間の放電擾乱ガスがパルス間で取り除かれるように十分な循環を行う。ファン４６のシャフト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つのボールベアリング１３２によって支えられる。レーザで使用されるガスは、極めて反応性が高いフッ素を含有する。ファン回転子駆動ファンシャフト１３０は、ハウジング構造体部材１２及び１４によってもたらされた同一の環境システム内で、米国特許第５，０２３，８８４号の欄９の４５行で説明されている密封部材１３６によって密封されており、モータ固定子１４０は、密封部材１３６の外側にあり、従ってフッ素ガスの腐食作用から保護されている。しかし、ベアリング１３２は、チャンバガスの腐食作用を受け、ベアリング内で使用される潤滑オイルも同じである。ベアリング及びベアリング潤滑オイルの腐食は、ガスを汚染する可能性がある。
【０００３】
モジュール設計
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される時には、一般的に製造ラインで「２４時間体制」で作動され、従ってダウンタイムは高くつく可能性がある。こういう理由から、構成要素の大半は、通常は数分以内で交換することができるモジュールにまとめられている。
ラインナローイング
リソグラフィに使用されるエキシマレーザは、ピコメートルの何分の一にまで帯域幅が減じられたその出力ビームを有する必要がある。この「ラインナローイング」は、一般的に、レーザの共振空洞の背面を形成するラインナローイングモジュール（「ラインナローイングパッケージ」又は「ＬＮＰ」と呼ばれる）において達成される。この「ＬＮＰ」は、一般的に、プリズム、ミラー、及び回折格子を含む精密な光学要素で構成される。繰返し率が大きくなるにつれて、「ＬＮＰ」による安定した性能の維持が深刻な課題になる。
【０００４】
パルスパワー
米国特許第５，０２３，８８４号で説明されている形式の放電ガスレーザでは、２つの電極間で放電を発生させるために、図３で説明するものなどの電気パルスパワーシステムが利用されている。このような従来技術によるシステムにおいては、直流電源２２は、「充電コンデンサ」又は「Ｃ0」４２というコンデンサバンクを、各パルスに対する「充電電圧」という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ボルトの範囲とすることができる。Ｃ0が所定の電圧に充電された後、半導体スイッチ４６が閉状態にされ、これによって、Ｃ0上に貯められた電気エネルギは、コンデンサバンク５２、６２、及び８２、インダクタ４８、５４及び６４、及び、変圧器５６を備える一連の磁気圧縮回路を通って非常に素早く巡回し、約５０ｎｓ持続する放電を生成する電極に亘って約１６，０００ボルトの範囲の高電圧電位を生成することができる。
【０００５】
市場の従来技術によるシステムにおいては、半導体スイッチの閉と放電との間の時間は、約５マイクロ秒の範囲であるが、正確に予め選択された電圧までＣ0を充電するのに要する時間は、過去においては約４００マイクロ秒であり、これは、約２，０００Ｈｚよりも短いパルス繰返し率を得るには十分な素早さであった。Ｃ0上の電圧レベルの制御は、これらのシステムにおいては、放電電圧に対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、それ自体レーザパルスエネルギの主要な決定要素であるので、Ｃ0の正確な充電は非常に重要であることが理解されるべきである。
【０００６】
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は、一般的に、放電及び先に論じた循環ファンを介するエネルギ入力の両方によって加熱されたレーザガスを冷却するためのシステムを必要とする。これは、一般的に、図１の５８に示す水冷フィン付き熱交換器で行われる。レーザの繰返し率を２倍又はそれ以上にすると、主としてレーザガスを循環させるために必要とされる電力が所要ガス速度の３乗の形で増加するために、レーザ内に発生する熱は２倍を超える。
【０００７】
ビーム品質の制御
集積回路リソグラフィの光源として使用された時、レーザビームパラメータ（即ち、パルスエネルギ、波長、及び帯域幅）は、一般的に、非常に厳しい仕様の範囲内に制御される。これには、パルスエネルギのパルス毎のフィードバック制御、及び、ラインナローイングされた出力ビームの波長の若干遅いフィードバック制御が必要とされる。パルス繰返し数を２倍又はそれ以上にするには、これらのフィードバック制御システムがはるかに高速に機能することが必要である。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許出願一連番号第１０／０３６，６７６号
【特許文献２】
米国特許出願一連番号第１０／０１２，００２号
【特許文献３】
米国特許出願一連番号第１０／０００，９９１号
【特許文献４】
米国特許出願一連番号第１０／０２９，３１９号
【特許文献５】
米国特許出願一連番号第０９／９４３，３４３号
【特許文献６】
米国特許出願一連番号第０９／８５４，０９７号
【特許文献７】
米国特許出願一連番号第０９／８３７，１５０号
【特許文献８】
米国特許出願一連番号第０９／８３４，８４０号
【特許文献９】
米国特許出願一連番号第０９／７９４，７８２号
【特許文献１０】
米国特許出願一連番号第０９／７７１，７８９号
【特許文献１１】
米国特許出願一連番号第０９／７６８，７５３号
【特許文献１２】
米国特許出願一連番号第０９／６８４，６２９号
【特許文献１３】
米国特許出願一連番号第０９／５９７，８１２号
【特許文献１４】
米国特許出願一連番号第０９／４７３，８５２号
【特許文献１５】
米国特許第５，０２３，８８４号
【特許文献１６】
米国特許第５，４４８，５８０号
【特許文献１７】
米国特許第５，３１５，６１１号
【特許文献１８】
米国特許第５，３１３，４８１号
【特許文献１９】
米国特許第６，２０８，６７４号
【特許文献２０】
米国特許第５，０２５，４５５号
【特許文献２１】
米国特許第５，９７８，３９４号
【特許文献２２】
米国特許第５，０２５，４４６号
【特許文献２３】
米国特許第６，００５，８７９号
【特許文献２４】
米国特許出願一連番号第６０８，５４３号
【特許文献２５】
米国特許出願一連番号第１０／０２７，２１０号
【特許文献２６】
米国特許出願一連番号第１０／０３６，９２５号
【特許文献２７】
米国特許出願一連番号第（  ）号
【特許文献２８】
米国特許出願一連番号第（  ）号
【特許文献２９】
米国特許第６，０６７，３１１号
【特許文献３０】
米国特許出願一連番号第１０／００６，９１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
必要とされるのは、約４，０００パルス／秒の範囲の繰返し率で作動させるためのパルスガス放電レーザに対するより良いレーザ設計である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、約５ｍＪ又はそれ以上のパルスエネルギ、及び約４，０００Ｈｚのパルス繰返し数で高品質パルスレーザビームを生成することができるエキシマレーザシステムを提供する。本システムは、ＫｒＦレーザとして、又は非常に小さな変更が為されたＡｒＦレーザとして作動するように構成することができる。好ましい実施形態において、本システムは、４０００Ｈｚ及び６ｍＪパルスエネルギで作動するためのＫｒＦエキシマレーザとして構成され、具体的には、集積回路リソグラフィ用２４８ｎｍ（公称）光源として設計される。専用のソフトウェアを有する改良された波長計は、波長及びパルスエネルギを所望の限界値内に維持するために、出力ビームパラメータをモニタし、フィードバック構成における超高速ＰＺＴ駆動式同調ミラー及びパルスパワー充電電圧を制御する。好ましい実施形態において、２つのファンモータは、パルス間の約０．２５ミリ秒の間に放電領域からの放電屑を取り除くための十分なガス流をもたらす単一の接線ファンを駆動させる。本システムは、ガス混合気を変更し、１９３ｎｍ（公称）作動のために「ＬＮＰ」出力カプラと波長計を改造し、好ましくは電極間隔の若干の調整を行えば、システムの実質的な変更なく、ＡｒＦレーザとして構成することができる。２つのレーザ構成に対する本システムの部品のほとんど全ては、両方の構成に関して同じである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の好ましい実施形態
本発明の第１の好ましい実施形態を以下で説明する。これは、最大約４ＫＨｚまでのパルス繰返し数において７．５ｍＪで狭帯域の約２４８ナノメートル（例えば、２４８．２５０ｎｍ、２４８，２５０ｐｍ）パルスを生成するように設計されたフッ化クリプトン（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よりも短い（ＦＷＨＷ帯域）及び１．４ｐｍよりも短い（９５％全体帯域幅）の帯域幅仕様範囲が含まれる。仕様はまた、０．０５ｐｍよりも短い３シグマ波長安定性、及び、０．５ｍＪよりも小さい３０パルス線量安定性を求める。図４Ｂは、ドアが取り除かれ、レーザ構成要素の多くが識別されているこの好ましい実施形態の正面図である。レーザは、モジュール式ユニットであり、レーザのダウンタイムを最小限に維持するために、完全なモジュールが非常に素早くかつ簡単に交換できるように設計される。図４Ｂを時計回りに進むと、識別される構成要素は、以下のものである。
・レーザの作動状態を示す状態灯１Ｋ、
・手持ち式端末（図示せず）又はリソグラフィ機械のマスタ・コントローラからの入力制御信号に基づいてレーザの機能を制御する制御モジュール２Ｋ、
・レーザパルスパワーシステムの一部であり、レーザチャンバの上に位置するピーク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段階を提供する圧縮ヘッドモジュール３Ｋ、
・レーザパルスをモニタし、波長及びパルスエネルギを制御するフィードバック信号を供給する、波長計とも呼ばれる安定化モジュール４Ｋ、
・パワーメータを有する自動シャッタモジュール５Ｋ、
・レーザチャンバモジュールに位置する金属フッ化物トラップ（フィルタ）に高電圧電力を供給するＭＦＴ電源６Ｋ、
・左側送風機モータ７Ｋ、
・レーザチャンバモジュール８Ｋ、
・レーザ制御をリソグラフィ機械制御と適合させるためのインタフェース回路を提供するインタフェースモジュール９Ｋ、
・冷却供給モジュール１０Ｋ
・冷却水配分モジュール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部雰囲気に通気するための、煙感知器を含む通気アセンブリ１３Ｋ、
・右側送風機モータ１４Ｋ、
・ラインナローイングパッケージ又は「ＬＮＰ」とも呼ばれる、ラインナローイングモジュール１５Ｋ、
・右側送風機モータコントローラ１６Ｋ、
・左側送風機モータコントローラ１７Ｋ、
・電気パルスを開始して、初期段階のパルス圧縮及びパルス電圧増幅を行うためのＣ0変更コンデンサバンク及び電気回路を含むコミュテータモジュール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、
・標準施設用三相交流電力から高電圧直流電力を生成するための高電圧電源モジュール２０Ｋ、
・交流／直流配電モジュール２１Ｋ、
・ヘリウムパージモジュール（図示せず）、及び
・波安定性モジュール（図示せず）。
【００１２】
図４Ａは、本発明の第１の好ましい実施形態のレーザチャンバ１０Ａの断面図である。主要レーザチャンバ構成要素は、ハウジング構造体部材１２Ａ及び１４Ａ、陰極１８Ａ及び陽極２０Ａ、上流側予備イオン化管６０、ピークコンデンサバンク６２、及び静電トラップユニット６４である（これらの全ては、図１に示す従来技術の対応する構成要素と類似のものである）。レーザチャンバは、新しい陽極支持フロー成形構造体４８、新しい上部フロー成形構造体５０、ガス転向ベーン５２、新しい５インチ径接線タイプファンブレード構造体４６Ａ、及び、４つの水冷熱交換器ユニット５８Ａを含む。図１３は、新しい電流戻り装置５４８を有する類似の別のチャンバ構成を示す。
図１６は、出力ビームの波長及びパルスエネルギ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。
【００１３】
従来技術によるガス放電レーザに対する主要な改良点には、以下が含まれる。
１）チャンバレーザガスを循環させるための改良流路、
２）水冷パルスパワーシステム、
３）高速制御アルゴリズムを伴う超高速波長計、
４）組合せＰＺＴ及びステッパモータ駆動式同調ミラーを有する、新しい高負荷サイクル「ＬＮＰ」、
５）専用コントローラ付き２重水冷ブラシレス直流駆動送風機モータを有する大型接線ファン、
６）光学器械保護用超純粋窒素パージシステム、
７）パワーメータ付き密封シャッタ、
８）改良熱交換器構成、
９）ビームシールシステム、
１０）「ＬＮＰ」用ヘリウムパージ、
１１）ガス流に平行なリブ付き電流戻り装置、
１２）チャンバインピーダンス最適化用インダクタンスプレート、及び
１３）性能寿命用電極最適化。
【００１４】
レーザチャンバ
熱交換器
この好ましい実施形態は、４，０００のパルス繰返し率で作動するように設計される。パルスの間に放電領域の放電の影響を受けたガスを一掃するには、最大約６７ｍ／ｓまでのガス流が電極１８Ａ及び２０Ａとの間で必要とされる。これらの速度を達成するために、接線ファンユニットの直径は、５インチ（ブレード構造体の直径は２６インチ）に設定されており、回転速度は、約３５００ｒｐｍに上げられている。この性能を達成するために、実施形態は、共同で最大約４ｋｗまでの駆動電力をファンブレード構造体に送る２つのモータを利用する。４０００Ｈｚのパルス繰返し率では、放電によって約１２ｋｗの熱エネルギがレーザガスに追加されることになる。ファンによって追加された熱と共に放電によって生成された熱を取り除くために、４つの個別の水冷フィン付き熱交換器ユニット５８Ａが設置される。モータ及び熱交換器について以下に詳細に説明する。
本発明の好ましい実施形態は、図４Ａ及び図１３に全体的に示す４つの水冷フィン付き熱交換器５８Ａを利用する。これらの熱交換器の各々は、図１の５８で示す単一の熱交換器と多少類似するが、かなりの改良点を有する。
【００１５】
熱交換器構成要素
熱交換器の１つの断面図を図２１に示す。熱交換器の中間部分は切り取られているが、両端は図示されている。図２１Ａは、熱による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。
熱交換器の構成要素は、純銅（ＣＵ  １１０００）から機械加工されてインチ当たり１２枚のフィン３０３を含むフィン付き構造体３０２を含む。水流は、０．３３インチのボア径を有する軸方向経路を通る。軸方向経路に位置するプラスチック製撹拌器３０６は、経路内での層状化を防止し、経路の内面上での高温の境界層の形成を防止する。可撓性フランジユニット３０４は、内側フランジ３０４Ａ、ベローズ３０４Ｂ、及び外側フランジ３０４Ｃで構成された溶接ユニットである。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密封するために３つのｃシール３０８を含む。ベローズ３０４Ｂによって、チャンバに対する熱交換器の膨張及び収縮が可能になる。２重ポートナット４００は、水源に接続された標準的な５／１６インチ位置エルボーパイプ取付具に熱交換器通路を接続する。Ｏリング４０２によって、ナット４００とフィン付き構造体３０２との間の密封が行われる。
【００１６】
撹拌器
好ましい実施形態においては、撹拌器は、一般的にエポキシ成分を混ぜるために使用され、３Ｍ・コーポレーション（「静的混合器」、部品番号０６−Ｄ１２２９−００）から販売されている、４つの市販の長尺インライン混合要素で構成される。インライン混合器は、図２１及び図２１Ａに３０６で示されている。インライン混合器によって、水は、時計回りの方向を各ピッチ距離（０．３インチ）ごとに反転させるほぼ螺旋経路に沿って強制的に流される。撹拌器は、熱交換器性能を大幅に改善するものである。本出願人による試験の結果、撹拌器の増設によって、相応のガス温度条件を維持する上で、所要水流を約１／５に低減することがわかっている。
【００１７】
流路
好ましい実施形態においては、放電領域を出入りするガス流は、従来技術によるレーザチャンバに対して大幅に改善されている。ブレード構造体６６は、ファンブレード構造体のすぐ下流側で、放電領域６８内のガス速度を約２０ｍ／ｓで標準化するように設計される。図１３の実施形態において、チャンバ上部は、類似のフロー成形表面が得られるように機械加工されている。こうして、ガスの速度は、放電領域において６７ｍ／ｓの設計速度まで上がる。放電領域の中心から約４インチ下流側で、フロー断面は、ガスが４つの転向ベーン５２によって転向される前に約５／８インチから約４インチに２０度の角度で増大される。これによって、放電領域内の圧力低下の大部分を回復することができる。図１３Ａ（１）に示す鯨骨形の電流戻り装置５４８は、０．０１５インチ厚ニッケル合金（ＵＮＳ  Ｎ０４４００）からレーザ加工されて、２３本のリブによってガス流に対する最小の抵抗が得られるように、図１３Ａ（３）から図１３Ａ（８）に示すような形状に曲げられる。各リブは、０．０１５インチ×０．０９０インチの断面を有し、長い寸法は、ガス流方向に平行な方向にある。
【００１８】
送風機モータ及び大型送風機
本発明のこの第１の好ましい実施形態では、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接線ファンが設置される。図１８に示すこの好ましい構成によって、４，０００Ｈｚのパルスの間に放電領域の約１．７ｃｍの空間を取り除くのに十分な６７ｍ／ｓというガス流が電極の間に得られる。
ファンの断面ブレード構造体を図４Ａにおいて６４Ａとして示す。斜視図を図１８Ａに示す。ブレード構造体は、５インチの直径を有し、純粋アルミニウム合金６０６１−Ｔ６棒材から機械加工される。各区域内の個々のブレードは、放電領域におけるブレードが引き起こす圧力摂動を最小限に抑えるために、図１８Ａに示すように隣接する区域から若干ずれている。好ましくは、個々のブレードは、作動中にブレードの前縁からの放電音波の反射を低減するために、ナイフの先端のようにテーパが付いた前縁を有する。
【００１９】
図１８示す好ましい実施形態は、２つの三相ブラシレス直流モータを利用し、各々は、米国特許第４，９５０，８４０号で説明されているように、モータの回転子部分をレーザガス環境から分離する金属製圧力カップ内に磁気回転子が含まれている。好ましい実施形態において、圧力カップは、レーザガス障壁として機能する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、同じ軸を駆動させ、反対方向に回転するようにプログラムされる。両方のモータは、センサレスモータ（即ち、位置センサなしで作動する）である。右モータ５３０を制御する右モータコントローラ５３４は、起動／停止、電流指令、電離フィードバックなどを開始するためにアナログ及びデジタル信号を介してスレーブ・モータコントローラ５３６を制御するマスタ・コントローラとして機能する。レーザコントローラ２４Ａとの通信は、マスタ・コントローラ５３４に入るＲＳ−２３２シリアルポートを介して行われる。
【００２０】
水冷パルスパワーシステム
４つの１，０００Ｈｚパルスパワーシステム
本発明によるレーザシステムの作動には、４，０００Ｈｚで（即ち、約２５０マイクロ秒の間隔で）、約１２，０００ボルトから３０，０００ボルトの範囲の正確に制御された電位が電極間に印加される必要がある。従来技術の節で示したように、従来技術によるパルスパワーシステムにおいては、充電コンデンサバンクは、正確に予め決められた制御電圧に充電され、放電は、充電コンデンサ上に貯められたエネルギが所望の電位を電極に亘って生成するために圧縮−増幅回路を巡回することを可能にする半導体スイッチを閉状態にすることによってもたらされる。スイッチ閉から充電完了までの時間は、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の充電には、２５０マイクロ秒よりもはるかに大きな時間間隔が必要であった。より大きな電源又は並列の幾つかの電源を使用すれば、充電時間を短縮することが可能である。例えば、本出願人は、並列に配置された３つの従来技術による電源を使用して、４，０００Ｈｚで作動させることができた。
この好ましい実施形態において、図５に示すように、本出願人は、パルスパワーシステムの半導体スイッチ下流側の部分については、図３に示す従来技術の場合と同じ基本的な設計を利用するが、Ｃ0を充電するための根本的に異なる技術を利用する。
【００２１】
共振充電
本出願人は、Ｃ0の超高速充電用に２種類の共振充電システムを利用している。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。
第１の共振充電器
この好ましい共振充電を示す電気回路を図６Ａに示す。この場合、交流２０８Ｖ／９０ａｍｐ入力、及び、直流８００Ｖ／５０ａｍｐ出力を有する標準的な直流電源２００が使用される。電源は、約６００ボルトから８００ボルトまで調整可能な直流電源である。電源は、Ｃ−１に直接取り付けられ、これによって電源への電圧フィードバックが不要になる。電源が使用可能にされた時、それはオンにされ、Ｃ−１コンデンサ上を定電圧に制御する。システムの性能は、Ｃ−１に関する電圧調整とはいくらか独立したものであり、従って、最も基本的な制御ループのみが電源において必要である。第２に、電源は、Ｃ−１上の電圧が電圧設定値を下回ると必ずシステム内にエネルギを追加する。これによって、電源は、レーザパルス開始までの時間全体において（また、レーザパルス中でさえも）、Ｃ−１からＣ0にエネルギを補給することができる。これによって、更に、従来技術によるパルスパワーシステムと比べて電源ピーク電流所要量が低減される。最も基本的な制御ループを有する電源の要件、及びシステムの平均電流所要量に対する電源のピーク電流定格値の最小化の組合せによって、電源コストが推定で５０％低減される。更に、この好ましい設計によって、定電流固定出力電圧電源が複数の製造元から容易に入手可能であることから、販売業者に柔軟性をもたらす。このような電源は、エルガー、ユニバーサル・ボルトロニクス、カイザー、及びＥＭＩなどの供給業者から入手可能である。
【００２２】
制御盤
この電源は、１，０３３μＦコンデンサ２０２を制御盤２０４によって指令された電圧レベルまで連続的に充電する。また、制御盤２０４は、コンデンサ２０２からコンデンサ４２にエネルギを移送するためにＩＧＢＴスイッチ２０６開閉を指令する。インダクタ２０８は、コンデンサ２０２及び４２に関連して移送時間定数を設定し、ピーク充電電流を制限する。制御盤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、及びインダクタ２０８を貫流す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、制御盤２０４は、ＩＧＢＴスイッチ２０６がその瞬間に開状態になった場合にリアルタイムでコンデンサ４２上の最終電圧を計算することができる。従って、指令電圧２１０が制御盤２０４に供給されると、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及びインダクタ２０８内に貯められたエネルギを正確に計算することができる。この計算から、制御盤２０４は、ＩＧＢＴスイッチ２０６を開状態にするための充電サイクルにおける正確な時間を判断することになる。
【００２３】
システム精度
ＩＧＢＴスイッチ２０６が開状態になった後、インダクタ２０８の磁場に貯められたエネルギは、束縛のないダイオード経路２１５を介してコンデンサ４２に移ることになる。リアルタイムエネルギ計算の精度によって、コンデンサ４２上の最終電圧に存在する変動ディザーの量が決まる。このシステムの極端な充電速度のために、所望のシステム制御必要量±０．０５％を満足させるために過度のディザーが存在する恐れがある。そのような場合、例えば、以下で説明する「ｄｅ−ｑｉｎｇ」回路又はブリードダウン回路などの追加の回路を利用することができる。
【００２４】
第２の共振充電器
第２の共振充電器システムを図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。主たる回路要素は以下のものである。
Ｉ１：一定直流電流出力を伴う三相電源３００、
Ｃ−１：既存のＣ０コンデンサ４２よりも１桁又はそれ以上大きいマグニチュードを有するソースコンデンサ３０２、
Ｑ１、Ｑ２、及び、Ｑ３：Ｃ0上に制御された電圧を充電及び維持するための電流の流れを制御するためのスイッチ、
Ｄ１、Ｄ２、及び、Ｄ３：電流に単一方向の流れを与える、
Ｒ１及びＲ２：制御回路に電圧フィードバックをもたらす、
Ｒ３：小さな過充電の場合にＣ0上の電圧の急激な放電を可能にする、
Ｌ１：電流流れ及びセットアップ充電移送タイミングを制限するための、Ｃ−１コンデンサ３０２とＣ0コンデンサ４−２との間の共振インダクタ、及び
制御盤３０４：回路フィードバックパラメータに基づいて、Ｑ１、Ｑ２、及びＱ３開閉を指令する。
作動の例は、以下の通りである。
【００２５】
図６Ｂの回路と図６Ａの回路との違いは、「Ｄｅ−Ｑｉｎｇ」スイッチと知られている、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させることを可能にすることにより、回路の制御を改善するものである。この「ｄｅ−ｑｉｎｇ」は、充電インダクタＬ１の電流に貯められた付加的エネルギがコンデンサＣ0に移送されるのを防止する。
【００２６】
レーザパルスが必要となる前に、Ｃ−１上の電圧は、６００〜８００ボルトまで充電され、スイッチＱ１〜Ｑ３は開状態である。レーザからの指令で、Ｑ１が閉状態になる。この時点で、電流は、充電インダクタＬ１を介してＣ−１からＣ0に流れる。先の節で説明したように、制御盤の計算器は、Ｃ0上の電圧及びレーザからの指令電圧設定値に対してＬ１内を流れる電流を評価する。Ｑ１は、Ｃ0上の電圧＋インダクタＬ１内に貯められた同等エネルギが所望の指令電圧に等しい時に開状態になる。計算は、以下の通りである。
Ｖf＝［ＶC0s2＋（（Ｌ1*ＩLIs2）／Ｃ0］0.5
ここで、
Ｖf＝Ｑ１が開状態になり、Ｌ１内の電流がゼロになった後のＣ0上の電圧、
ＶC0s＝Ｑ１が開状態になった時のＣ0上の電圧、及び
ＩL1s＝Ｑ１が開状態になった時のＬ1を貫流する電流
【００２７】
Ｑ１が開状態になった後、Ｌ１に貯められたエネルギは、Ｃ0上の電圧が指令電圧とほぼ等しくなるまでＤ２を介してＣ0に移り始める。この時点で、Ｑ２が閉状態になり、電流がＣ0に流れるのが止まり、Ｄ３を通るように方向づけられる。「ｄｅ−ｑｉｎｇ」回路に加え、ブリードダウン回路からのＱ３及びＲ３によって、Ｃ0上の電圧の付加的な精密制御が可能になる。
ブリードダウン回路２１６のスイッチＱ３は、インダクタＬ１を貫流する電流が停止してＣ０上の電圧が所望の制御電圧にブリードダウンした時に、制御盤によって閉状態になるように指令されることになり、次に、スイッチＱ３が開状態になる。コンデンサＣ0及び抵抗器Ｒ３の時間定数は、感知できるほどの総充電サイクル量になることなくコンデンサＣ0を指令電圧にブリードダウンするのに十分な速さであるべきである。
【００２８】
その結果、共振充電器は、３つの調整制御レベルで構成することができる。エネルギ計算器及び充電サイクル時のスイッチＱ１の開によって多少粗い制御が行われる。Ｃ0上の電圧が目標値に近づいた時に、「ｄｅ−ｑｉｎｇ」スイッチが閉状態となり、Ｃ0上の電圧が目標値か又はそれを若干上回った時に共振充電が停止される。好ましい実施形態において、スイッチＱ１及び「ｄｅ−ｑｉｎｇ」スイッチは、±０．１％を上回る精度で制御を行うために使用される。更なる制御が必要とされる場合、電圧制御の第３の制御を利用することができるであろう。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（図６Ｂでは２１６に図示）のブリードダウン回路である。
【００２９】
Ｃ0の下流側の改良点
先に示したように、本発明のパルスパワーシステムは、図３で説明した従来技術によるシステムで使用されたのと同じ基本的な設計を利用する。しかし、基本的な設計における一部の実質的な改良点は、繰返し率の大幅な増加から生じる熱負荷の約３倍の増加に対して必要とされたものである。これらの改良点について以下で説明する。
コミュテータ及び圧縮ヘッドの詳細な説明
コミュテータ４０及び圧縮ヘッド６０の主たる構成要素は、図３に示されており、システムの作動に関しては従来技術の節で論じている。この節では、コミュテータ及び圧縮ヘッドの製作の詳細について説明する。
【００３０】
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パワレックス・インコーポレーテッドによって供給される「Ｐ／Ｎ  ＣＭ  ８００  ＨＡ−３４Ｈ」ＩＧＢＴスイッチである。好ましい実施形態において、２つのこのようなスイッチが並列に使用される。
インダクタ
インダクタ４８、５４、及び６４は、本明細書において引用により組み込まれる、米国特許第５，４４８，５８０号及び米国特許第５，３１５，６１１号で説明されている従来技術による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の好ましい設計を示す。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を貫通し、内径約１インチ、外径約１．５インチの透磁性が非常に高い材料による８インチ長の中空シリンダの部分４８Ａを形成する。次に、４つの導線の各々は、部分４８Ｂを形成するために絶縁ドーナツ形状コア周りに二回巻かれている。次に、４つの導線は、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。
【００３１】
可飽和インダクタ５４の好ましい概略図を図８に示す。この場合、インダクタは、アセンブリの上部及び底部の蓋５４１及び５４２、及び中心マンドレル５４３が、全て高電圧であるが、インダクタ磁気コアを通る単一の巻回を形成する、単一巻回形状である。外側ハウジング５４５は、接地電位にある。磁気コアは、米国ペンシルバニア州バトラー所在マグネティクス、又は、米国カリフォルニア州アデラント所在のナショナル・アーノルドによって供給される０．０００５インチ厚テープが巻かれた５０−５０％ニッケル鉄合金である。インダクタハウジング上のフィン５４６は、強制空冷に対する内部消散熱の移動を促進するものである。更に、アセンブリの中心区域からモジュールシャーシ底板に熱を移送させやすいようにセラミック製ディスク（図示せず）が反応器底蓋の下に取り付けられている。また、図８は、Ｃ1コンデンサバンク５２のコンデンサの１つと、１：２５ステップアップパルス変成器５６のインダクションユニットの１つの高電圧リード線との高電圧接続を示す。ハウジング５４５は、ユニット５６の接地リード線に接続されている。
【００３２】
可飽和インダクタ６４の平面図及び断面図を、それぞれ図９Ａ及び図９Ｂに示す。この実施形態のインダクタにおいて、インダクタ内の漏れフラックスを低減するために、フラックス除外金属片３０１、３０２、３０３、及び３０４が図９Ｂに示すように追加されている。これらのフラックス除外金属片によって、磁束が貫通する面積が大幅に小さくなり、従って、インダクタの飽和インダクタンスを最小限に抑える手助けをしている。電流は、磁気コア３０７回りのインダクタアセンブリ内で垂直導体ロッドを通る５つのループを巡回する。電流は、図９Ａに示すように、３０５で入って「１」と記された中心の大径導体を下っていき、やはり「１」と記された周辺部の６つのより小さい導体を上っていく。次に、電流は、内側の２と記された２つの導体を下っていった後、外側の２と記された６つの導体を上っていき、次に、内側のフラックス除外金属を下っていった後、外側の３と記された６つの導体を上っていき、次に、内側の３と記された２つの導体を下っていき、外側の４と記された６つの導体を上っていった後、内側の４と記された導体を下っていく。フラックス除外金属構成要素は、導体全体に亘って全パルス電圧の半分に保持され、これによって、フラックス除外金属部分と他の巻回の金属ロッドとの間の安全ホールドオフ間隔を小さくすることができる。磁気コア３０７は、米国ペンシルバニア州バトラー所在のマグネティクス・インコーポレーテッド、又は、米国カリフォルニア州アデラント所在のナショナル・アーノルドによって供給される０．０００５インチ厚テープ８０−２０％ニッケル鉄合金の巻線によって形成された３つのコイル３０７Ａ、Ｂ、及びＣで構成される。ドイツ所在の「ＶＡＣＵＵＭ  ＳＣＨＩＴＥＬＺＥ」ＧｍｂＨから販売されている「ＶＩＴＲＯＰＥＡＮ（登録商標）」、及び、日本所在の日立金属の「ＦＩＮＥＭＥＴ（登録商標）」などのナノ結晶性材料をインダクタ５４及び６４に使用し得ることに注意すべきである。
【００３３】
従来技術によるパルスパワーシステムにおいて、電気構成要素からのオイル漏れは、潜在的な問題となっている。この実施形態において、オイル絶縁構成要素は、可飽和インダクタに限定される。更に、図９Ｂに示す可飽和インダクタ６４は、オイル漏れの可能性を実質的に排除するために、全ての密封接続部がオイル面よりも上方に位置する、ポットタイプのオイル含有ハウジング内に収納される。例えば、インダクタ６４内の最低位置のシールが、図９Ｂの３０８で図示されている。通常のオイル面は、ハウジング３０６の上部リップ部よりも下方に位置することから、ハウジングが直立の状態に維持される限り、オイルがアセンブリの外に漏れることはほとんど不可能である。
【００３４】
コンデンサ
図５に示すコンデンサバンク４２、５２、６２、及び８２（即ち、Ｃ0、Ｃ1、ＣP-1、及びＣP）は、全て、並列に接続された市販のコンデンサのバンクで構成されている。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ビル又はドイツのウィマ所在のビシェイ・ローダースタインなどの納入業者から入手可能な薄膜タイプのコンデンサである。コンデンサ及びインダクタを接続する本出願人の好ましい方法は、米国特許第５，４４８，５８０号で説明されているものと類似の方法により、重量ニッケル被覆銅リード線を有する特殊プリント基板上の正極及び負極にそれらを半田付けすることである。コンデンサバンク６２及び８２は、一般的に、いずれも日本所在のムラタ又はＴＤＫなどの納入業者からの高電圧セラミックコンデンサの平行アレーで構成される。このＫｒＦレーザでの使用のための好ましい実施形態においては、コンデンサバンク８２（即ち、ＣP）は、９．９ｎＦの静電容量を得るために３３個の０．３ｎＦコンデンサで構成され、Ｃp-1は、９．６ｎＦの総静電容量を得るために２４個の０．４０ｎＦコンデンサのバンクで構成され、Ｃ1は、５．７μＦコンデンサバンクであり、Ｃ0は、５．３μＦコンデンサバンクである。
【００３５】
パルス変成器
パルス変成器５６は、同じく米国特許第５，４４８，５８０号及び米国特許第５，３１３，４８１号で説明されているパルス変成器と類似のものであるが、本実施形態のパルス変成器は、１：２４の同等ステップアップ比に対する単一の一次巻回の１／２４に等価な、２次巻線の単一巻回のみと２４個のインダクションユニットとを有する。パルス変成器５６を図１０に示す。２４個のインダクションユニットの各々は、図１０の下縁に沿って図示されたプリント基板５６Ｂ上の正極及び負極にボルト留めされている２つのフランジ（各々、ねじ付きボルト穴を有する平坦な縁部付き）を有するアルミニウムスプール５６Ａを備える。（負極端子は、２４個の一次巻線の高電圧端子である。）絶縁体５６Ｃは、各スプールの正極を隣接するスプールの負極から分離させる。スプールのフランジ間には、長さ１と１／６インチ、外径０．８７５、壁厚約１／３２インチの中空シリンダがある。スプールは、絶縁「Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）２６０５  Ｓ３Ａ」ラッピングの外径が２．２４インチになるまで、１インチ幅、０．７ミル厚の「Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）」及び０．１ミル厚マイラーフィルムで巻かれている。１つの一次巻線を形成する単一ラッピングされたスプールの完成図を図１０Ａに示す。
【００３６】
変成器の２次側は、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））製のきっちりとした絶縁管内に取り付けられた単一ＯＤ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つの部分になっている。図１０の５６Ｄに示すステンレス鋼二次側の低電圧端部は、５６Ｅのプリント基板５６Ｂ上の一次側ＨＶリード線に留められており、高電圧端子は、５６Ｆに図示されている。その結果、変成器は、自動変成器構成になっており、ステップアップ比は、１：２４ではなくて１：２５になる。従って、インダクションユニットの正極及び負極の間の約−１４００ボルトパルスによって、二次側の端子５６Ｆには、約−３５，０００ボルトパルスが生成されることになる。この単一巻回二次巻線設計によって、非常に速い出力立ち上げ時間を可能にする超低漏洩インダクタンスが得られる。
【００３７】
レーザチャンバ電気構成要素の詳細
Ｃｐコンデンサ８２は、レーザチャンバ圧力容器の上部に取り付けられた３３個の０．３ｎｆコンデンサのバンクで構成される。電極は、約２８インチ長であり、約０．５から１．０インチ離れている。好ましい間隙分離は、ＫｒＦの場合は１６．５ｍｍである。（ＡｒＦの場合の好ましい分離は、１３．５ｍｍである。）好ましい電極については以下で説明する。この実施形態においては、上部電極を陰極と呼び、下部電極は、図５に示すように接地に接続され、陽極と呼ばれる。
【００３８】
構成要素の水冷法
より大きな熱負荷に対応するために、レーザキャビネットの内側の冷却ファンによってもたらされる通常の強制空冷に加えて、このより高い平均パワーモードでの作動をより良く支えることができる水冷法が本明細書で呈示される。
水冷法の１つの欠点は、従来から、電気構成要素又は高電圧配線近傍の水漏れの可能性であった。この特定の実施形態は、モジュール内に貯められた熱の大部分を一般的に消散する構成要素を冷却するモジュール内に向けて配置された単一の固い冷却配管を利用することにより、その潜在的な問題を実質的に回避する。このモジュール筐体内には、継手又は接続部が存在せず、冷却配管は、純粋金属（例えば、銅、ステンレス鋼など）の連続片であることから、水漏れがモジュール内で発生する可能性が大幅に低減されている。従って、冷却水とのモジュールの接続は、冷却配管が急速脱着式コネクタと嵌合する、アセンブリ板金筐体の外側で行われる。
【００３９】
コミュテータの詳細な説明
コミュテータモジュールの場合、水冷可飽和インダクタ５４Ａは、図１１Ａに示すように設置され、これは、５４のフィンに代わって図１１に示すように水冷ジャケット５４Ａ１が使用されている点を除き、図８に示すインダクタ５４と類似のものである。冷却ライン５４Ａ２は、ジャケット５４Ａ１の回りに巻き付き、ＩＧＢＴスイッチ及び直列ダイオードが取り付けられたアルミニウム底板を通るように、モジュール内に経路が決められている。これらの３つの構成要素は、モジュール内の電力消散の大部分を構成する。同じく熱を消散する他の品目（緩衝ダイオード及び抵抗器、コンデンサなど）は、モジュール後部の２つのファンによってもたらされる強制空気によって冷却される。
ジャケット５４Ａ１は、接地電位に保持されることから、冷却配管を直接反応器ハウジングに取付ける際には電圧隔離に関する問題はない。これは、５４Ａ３に示すようにハウジング外側の蟻溝の切欠き部の中に配管を圧入し、冷却配管とハウジングとの間の良好な熱接触を作りやすくするために熱伝導性複合物を使用することにより行われる。
【００４０】
高電圧構成要素の冷却
ＩＧＢＴスイッチは、高電圧時に「浮く」が、それらは、１／６インチ厚アルミ板によってスイッチから電気的に隔離されたアルミニウム基部上に取り付けられる。ヒートシンクとして機能するアルミニウム底板は、接地電位で作動し、高電圧隔離が冷却回路内で必要ないことからはるかに冷却しやすい。水冷アルミニウム底板を図７Ａに示す。この場合、冷却配管は、ＩＧＢＴが取り付けられたアルミニウム基部内の溝に圧入される。インダクタ５４ａの場合と同様に、配管と底板との間の全体的な接合を改善するために熱伝導性複合物が使用される。
【００４１】
直列ダイオードも、通常の作動中に高電位で「浮く」。この場合、この設計で一般的に使用されるダイオードハウジングでは、高電圧隔離は得られない。この必要な隔離を行うためには、ダイオード「ホッケーパック」パッケージが、ヒートシンクアセンブリ内にクランプ締めされ、次に、ヒートシンクアセンブリは、セラミック基部の上に取り付けられ、次に、セラミック基部は、水冷アルミニウム底板の上に取り付けられる。セラミック基部は、ちょうど必要な電気隔離が得られるのに十分な厚みであるが、必要以上の熱インピーダンスを招くほどは厚くない。この特定の設計に対しては、セラミックは、１／１６インチ厚のアルミナであるが、ダイオード接続部と冷却水との間の熱インピーダンスを更に低減するために、ベリリアのような他のより異色な材料も使用することができる。
【００４２】
水冷コミュテータの第２の実施形態は、ＩＧＢＴ及びダイオードのためのシャーシ底板に取り付けられた単一冷却板アセンブリを利用する。この冷却板は、一体成形ニッケル配管を２つのアルミニウム「上部」プレート及び「下部」プレートに蝋付けすることによって製作することができる。上述の通り、ＩＧＢＴ及びダイオードは、アセンブリの下の上述のセラミック製ディスクを使用して冷却板に熱を移送するように設計される。本発明の好ましい実施形態において、冷却板冷却方法はまた、共振充電器においてＩＧＢＴ及びダイオードを冷却するために使用される。熱を外側ハウジングからシャーシ板に移送するために熱伝導性ロッド又はヒートパイプも使用することができる。
【００４３】
圧縮ヘッドの詳細な説明
水冷圧縮ヘッドは、電気的な設計においては従来技術による空冷バージョンと類似のものである（同じ形式のセラミック製コンデンサが使用され、類似の材料が反応器設計に使用される）。この場合の大きな違いは、モジュールが、より高い繰返し率、従って、より高い平均パワーで作動しければならないということである。圧縮ヘッドモジュールの場合、熱の大部分は、改造された可飽和インダクタ６４Ａ内で消散される。サブアセンブリを冷却することは、ハウジング全体が非常に高い電圧の短いパルスで作動するので単純なことではない。図１２、図１２Ａ、及び図１２Ｂに示すこの問題の解決策は、誘導的にハウジングを接地電位から隔離することである。このインダクタンスは、冷却配管をフェライト磁気コアを含む２つの円筒形形体の回りに巻き付けることによってもたらされる。入力及び出力の両方の冷却ラインは、図１２、図１２Ａ、及び図１２Ｂに示すように、２つの円筒部分及び２つのフェライトブロックで形成されたフェライトコアの円筒部分の回りにコイル状に巻かれている。
【００４４】
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所在のセラミック・マグネティクス・インコーポレーテッドによって製造される「ＣＮ−２０」材料から作られる。一体成形の銅配管（０．１８７インチ径）が圧入され、インダクタ６４Ａのハウジング６４Ａ１の回り、及び第２の巻線形体の回りで、１つの巻線形体の上に巻き付けられている。冷却配管継手がシャーシ内に存在しないように、圧縮ヘッド板金カバー内の取付具を通って延びるための十分な長さが端部に残されている。
【００４５】
インダクタ６４Ａは、水冷コミュテータ第１段反応器ハウジングで使用されるものに類似の６４Ａ２で示すような蟻溝を備える。このハウジングは、蟻溝を除き、これまでの空冷バージョンと非常に似ている。銅冷却水配管は、ハウジングと冷却水配管との間で良好な熱結合を行うためにこの溝に圧入される。また、熱インピーダンスを最小限に抑えるために、熱伝導性複合物が追加される。
インダクタ６４Ａの電気的設計は、図９Ａ及び図９Ｂに示す６４のインダクタから若干変更されている。インダクタ６４Ａは、４つ（３つではなく）のコイル状テープで構成された磁気コア６４Ａ３の回りに、２つのループ（５つのループではなく）のみを形成する。
【００４６】
出力電位から接地までのこの水冷配管導電路の結果として、バイアス電流回路は、ここでは若干異なるものとなっている。これまでと同様に、バイアス電流は、コミュテータにおいてケーブルを介して直流／直流変換器によって圧縮ヘッドに供給される。電流は、「正」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、ＨＶケーブル（変圧器二次側を通って接地に至り、直流／直流変圧器に戻る）を介してコミュテータに戻る部分で分割される。他方の部分は、圧縮ヘッド反応器Ｌp-1（磁気スイッチにバイアスを掛けるため）を通り、次に、冷却水配管「負」バイアスインダクタＬB3を通って接地及び直流／直流変換器に戻る。設計担当者は、各脚部の抵抗の均衡を保つことにより、十分なバイアス電流を圧縮ヘッド反応器及びコミュテータ変圧器の両方に対して確実に利用可能にすることができる。
【００４７】
「正」バイアスインダクタＬB2は、「負」バイアスインダクタＬB3と非常に類似したものになっている。この場合、同じフェライト棒及びブロックが、磁気コアとして使用される。しかし、磁気コアが直流電流で飽和しないように、磁気回路内の空気間隙を作るために２つの０．１２５インチ厚プラスチック製スペーサが使用される。インダクタを冷却水配管で巻くのではなく、１８ＡＷＧのテフロンワイヤがこの形体の回りに巻かれる。
【００４８】
迅速な接続
この好ましい実施形態においては、パルスパワー電気モジュールの３つは、単にモジュールを摺動させてレーザキャビネット内の所定の位置に設置することによりレーザシステムの各部との全ての電気接続が行われるように、盲合い電気接続部を利用する。これらは、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。各々の場合において、モジュール上の雄又は雌プラグは、キャビネット裏面に取り付けられた対応する逆のプラグと嵌合する。各々の場合において、電気プラグ同士が正しく嵌合するように、モジュール上の２つの約３インチの端部テーパ付きピンによって、モジュールが正確な位置に案内される。「ＡＭＰ型番１９４２４２−１」などの盲合いコネクタは、米国ペンシルバニア州ハリスバーグ所在のＡＭＰ・インコーポレーテッドから市販されている。この実施形態において、コネクタは、交流２０８ボルト、交流４００ボルト、直流８００ボルト（電源アウト及び共振充電器イン）、及び幾つかの信号電圧用である。これらの盲合いコネクタによって、修理及び交換のために数秒又は数分でこれらのモジュールを取り外すことができる。この実施形態において、盲合いコネクタは、モジュールの出力電圧が２０，０００ボルトから３０，０００ボルトの範囲であることから、コミュテータ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。
【００４９】
陰極への供給（インダクタンスを上げるための技術）
図５に示して上述した通り、ピークコンデンサバンクＣP８２は、３３個の０．３ｎＦコンデンサのバンクから成る。これらは、コンデンサの底部で接地（即ち、チャンバヘッド）に、上部でコロナシールドという金属板に接続されている。コロナシールドは、図１３Ａに示すように、次に、一体成形主絶縁体を通って陰極５１４の上部内に螺合された下降管と呼ばれる１５本の金属ロッドで陰極に接続されている。この一体成形絶縁体は、本明細書において引用により組み込まれる、米国特許第６，２０８，６７４号で説明されている通りである。いくつかの場合では、パルスパワー回路の高電圧部分でのインダクタンスの増加が望ましい。このような増加は、レーザパルス持続時間の増加をもたらす可能性がある。本出願人は、このインダクタンスの増加を発生させる好ましい方法は、ＣPコンデンサバンク内のコンデンサの各々及び下降管ロッドをコロナプレートに接続する短い（例えば、約１と１／４インチ）隔離ロッドを設置することであると判断した。これによって、ＣPと陰極との間の電気経路が長くなり、その結果、回路のこの部分のインダクタンスが実質的に増加する。インダクタンスの増加量は、隔離ロッドの長さの選択によって調節することができる。
【００５０】
放電構成要素
図１３及び図１３Ａ（１）は、本発明の好ましい実施形態において利用される改良された放電構成の詳細を示す。この構成には、本出願人がブレード／誘電体電極と称する電極構成が含まれる。この設計において、陽極５４０は、放電領域内でのガスの流れを改善するために、誘電スペーサ５４４が図示するように陽極の両側に取り付けられた鈍い刃の形状をした電極５４２を備える。スペーサは、放電領域の上方で、スペーサの各端部においてねじで陽極支持棒５４６に取り付けられている。このねじは、スペーサと陽極支持棒との間の熱膨張によるずれを考慮している。陽極は、２６．４インチ長で高さが０．４３９インチである。底部は、０．２８４インチ幅で、上部は０．１４１インチ幅である。これは、中心位置からの電極の差動熱膨張を可能にするソケットを介してねじでフロー成形陽極支持棒５４６に取り付けられている。陽極は、銅ベースの合金、好ましくは、Ｃ３６０００、Ｃ９５４００、又はＣ１９４００から成る。陰極５４１は、図１３Ａで示すような断面形状を有する。好ましい陰極材料は、Ｃ３６０００である。このブレード誘電構成の更なる詳細は、本明細書において引用により組み込まれる、米国特許出願一連番号第０９／７６８，７５３号に与えられている。この構成における電流戻り装置５４８は、２７本のリブが電極５４２の長さ方向に沿って等しく離間された鯨骨形状部で構成され、その断面は、図１３Ａ（１）に示されている。上述の通り、電流戻り装置は、板金で製作され、鯨骨リブ（各々は、約０．１５インチ×０．０９インチの断面寸法を有する）は、各リブの長い寸法が電流の流れ方向にあるように捩られている。
流れを更に一層改善するための陽極の代替誘電スペーサ設計を図１３Ａ２に示す。この場合、スペーサは、より良いガス流路をもたらすために、フロー成形陽極支持棒とより完全に嵌合する。本出願人は、これを「ファストバック」ブレード誘電陽極デザインと称している。
【００５１】
高速制御アルゴリズムを有する超高速波長計
パルスエネルギ、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、レーザビームパラメータに関する厳しい仕様に従うものである。これには、一般的に、各パルスに対するパルスエネルギ、帯域幅、及び中心波長の測定と、パルスエネルギ及び帯域幅のフィードバック制御とが必要であった。従来技術による装置においては、パルスエネルギのフィードバック制御は、パルス間ベースであり、即ち、得られたデータがすぐ次のパルスのエネルギを制御するために制御アルゴリズムで使用することができるように、各パルスのパルスエネルギが十分迅速に測定された。１，０００Ｈｚシステムの場合、これは、測定と次のパルスの制御との所要時間が、１／１０００秒よりも短くなければならないことを意味する。４０００Ｈｚシステムの場合、その４倍の速さである必要がある。中心波長の制御と波長及び帯域幅測定とに対する技術は、「レーザビーム波長を制御するシステム及び方法」と題した米国特許第５，０２５，４５５号、及び、「エキシマレーザに対する波長及びシステム」と題した米国特許第５，９７８，３９４号で説明されている。これらの特許は、本明細書において引用により組み込まれる。
波長及び帯域幅は、パルス毎にパルス間ベースで測定されてきたが、一般的に、レーザのフィードバック制御は、中心波長を制御する従来技術の所要時間が数ミリ秒であるために約７ミリ秒掛かる。従って、より速い制御が必要である。
【００５２】
ビームパラメータの高速測定及び制御の好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態は、レーザビームパラメータの超高速測定、及び、パルスエネルギ及び中心波長の超高速制御により４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚの範囲の作動が可能なエキシマレーザシステムである。このレーザのビームパラメータの測定及び制御について以下で説明する。
本実施形態で使用される波長計は、米国特許第５，９７８，３９４号で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、その特許から抜粋されている。
【００５３】
ビームパラメータの測定
図１４は、好ましい波長計ユニット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。
これらのユニット内の光学機器は、パルスエネルギ、波長、及び帯域幅を測定する。これらの測定は、パルスエネルギ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と共に使用される。この機器は、レーザシステム制御プロセッサからの指令で原子基準ソースを参照して自己較正する。
図１４に示すように、レーザ出力ビームは、出力ビーム３３としてビームエネルギの約９５．５％を通過し、パルスエネルギ、波長、及び帯域幅測定のために約４．５％を反射する部分反射ミラー１７０と交差する。
【００５４】
パルスエネルギ
反射されたビームの約４％は、４，０００パルス／秒の繰返し数で発生する個々のパルスのエネルギを測定することができる超高速フォトダイオード６９を備えたエネルギ検出器１７２にミラー１７１によって反射される。パルスエネルギは、約７．５ｍＪであり、検出器６９の出力は、コンピュータコントローラに供給され、コンピュータコントローラは、レーザ充電電圧を調節する専用アルゴリズムを使用し、個々のパルスのエネルギとパルスのバーストの積算エネルギとの変動を制限するために、保存されたパルスエネルギデータに基づいてその後のパルスエネルギを正確に制御する。
【００５５】
線形フォトダイオードアレー
線形フォトダイオードアレー１８０の感光面を図１４Ａに詳細に示す。アレーは、１０２４個の個別のフォトダイオード集積回路、及び、付随するサンプル及びホールド読み出し回路を備えた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）となるように、２５マイクロメートルピッチで配置される。各フォトダイオードは、５００マイクロメートル長である。
このようなフォトダイオードアレーは、幾つかの供給元から販売されている。好ましい供給業者は、ハママツである。好ましい実施形態においては、１０２４ピクセルの走査を漏れなく４，０００Ｈｚ又はそれ以上の速度で読み取ることができるＦＩＦＯ方式で最大４×１０6ピクセル／秒まで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ピクセル／秒で作動するように設計されているが、本出願人は、はるかに高速、即ち、最大４×１０6ピクセル／秒で作動するようにオーバークロックすることができることを見出した。４，０００Ｈｚを上回るパルス繰返し数の場合、本出願人は、同じＰＤＡを使用することができるが、通常は、毎回の走査で読み取られるピクセル数がそのうちの一部（６０％など）だけである。
【００５６】
粗い波長測定
ミラー１７１を通るビームの約４％は、ミラー１７３により、スリット１７７を介してミラー１７４、ミラー１７５、及び再度ミラー１７４に、また、エシェル格子１７６に反射される。ビームは、４５８．４ｍｍの焦点距離を有するレンズ１７８によって平行化される。格子１７６から反射した光は、レンズ１７８を通して戻され、再びミラー１７４及び１７５、及び再度１７４から反射され、その後、ミラー１７９から反射されて、図１４Ｂの上部に示すように、ピクセル６００からピクセル９５０の領域にある１０２４ピクセル線形フォトダイオードアレー１８０の左側上に集束される（ピクセル０から５９９は、精密波長測定及び帯域幅用に保留されている）。フォトダイオードアレー上でのビームの空間的位置は、出力ビームの相対的な公称波長のおおざっぱな目安である。例えば、図１４Ｂに示すように、約１９３．３５０ｐｍの波長範囲の光であれば、ピクセル７５０及び隣接するピクセル上に集束されるであろう。
【００５７】
粗い波長の計算
波長計モジュール１２０の粗波長光学器械は、フォトダイオードアレー１８０の左側に約０．２５ｍｍ×３ｍｍの矩形の画像を生成する。１０個又は１１個のフォトダイオードに光が当った場合、受けた照明（図１４Ｃに示すように）の強度に比例して信号が発生し、信号は、波長計コントローラ１９７内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使用して、コントローラ１９７は、画像の中心位置を算出する。
【００５８】
この位置（ピクセル単位で測定）は、２つの較正係数を用い、また、位置と波長の直線的な関係を仮定して粗波長値に変換される。これらの較正係数は、先に説明したような原子波長基準ソースを参照して判断される。例えば、画像位置と波長の関係は、以下のアルゴリズムになるであろう。
λ＝（２．３ｐｍ／ピクセル）Ｐ＋１９１，６２５ｐｍ
ここで、Ｐ＝粗い画像中心位置である。
代替的に、必要に応じて、「＋（  ）Ｐ2」のような２次項を追加することによって更なる精度を追加することができるであろう。
【００５９】
精密な波長測定
図１４に示すミラー１７３を通るビームの約９５％は、ミラー１８２から反射されてレンズ１８３を通り、エタロンアセンブリ１８４に対する入力部の拡散器（好ましくは「改良エタロン」と題した以下の区域で説明する回折拡散器）上に至る。エタロン１８４を出るビームは、エタロンアセンブリ内の４５８．４ｍｍ焦点距離レンズによって集束され、図１４に示す２つのミラーから反射した後に線形フォトダイオードアレー１８０の中央及び右側で干渉縞を生成する。
【００６０】
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しなければならない。レーザ繰返し率は、４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚと考えられるので、経済的かつ小型の処理電子工学装置で所望の性能を達成するために、正確ではあるが計算の面では負荷が大きくないアルゴリズムを使用する必要がある。従って、計算アルゴリズムでは、浮動少数点演算に対して整数が使用されることが好ましく、数学的演算は、好ましくは、計算効率が高いものであるべきである（平方根、正弦、対数などは使用しない）。
【００６１】
ここで、この好ましい実施形態で使用される好ましいアルゴリズムの特定の詳細について説明する。図１４Ｄは、線形フォトダイオードアレー１８０によって測定された一般的なエタロン縞信号を表す、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、他のピークよりも高さとしては低い位置に描かれている。光の異なる波長がエタロンに入ると、中央のピークが上下することになり、ゼロになることもある。この特徴のために、中央のピークは、波長測定には不適切なものとなる。他のピークは、波長の変化に応答して移動し、中央のピークに向かうか又は離れていき、それで、これらのピーク位置を波長を判断するために使用することができ、一方、その幅によって、レーザの帯域幅が測定される。データウィンドウと各々記されている２つの領域を図１４Ｄに示す。データウィンドウは、中央のピークに最も近い縞が一般的に分析に使用されるように位置する。しかし、波長が変化して縞を移動させ、中央のピークに接近し過ぎた時（歪及び結果的に起こる誤差の原因になる）、第１のピークはウィンドウの外側にあるが、中央のピークに２番目に接近しているピークはウィンドウの内側になり、ソフトウェアは、制御モジュール１９７のプロセッサに第２のピークを使用させる。逆に、波長がずれて現在のピークをデータウィンドウの外側に移動させ、中央のピークから離れてしまった時、ソフトウェアは、データウィンドウ内の内側の縞に飛ぶことになる。データウィンドウは、図１４Ｂにも示されている。
【００６２】
最大４，０００Ｈｚから６，０００Ｈｚの範囲までの繰返し率で行われる各パルスの帯域幅超高速計算については、好ましい実施形態は、図１５で特定されるハードウェアを使用する。このハードウェアには、米国アリゾナ州フェニックス所在のモトローラによって供給される「モデルＭＰＣ８２３」であるマイクロプロセッサ４００、米国カリフォルニア州サンホセ所在のアルテラによって供給される「モデルＥＰ６０１６ＱＣ２４０」であるプログラム可能論理装置４０２、管理及びデータメモリバンク４０４、表形式のフォトダイオードアレーデータの一時記憶用専用超高速ＲＡＭ４０６、メモリバッファとして作動する第３の４Ｘ１０２４ピクセルＲＡＭメモリバンク４０８、及び、アナログ／デジタル変換器４１０が含まれる。
【００６３】
米国特許第５，０２５，４４６号及び米国特許第５，９７８，３９４号で説明されているように、従来技術による装置は、中心線波長及び帯域幅を判断するために、エタロン１８４及びフォトダイオード１８０によって生成された干渉縞を表す大量のＰＤＡデータピクセル輝度データを分析することが必要であった。これは、毎回の波長及び帯域幅の計算のためにエタロン縞を捜して記述するのに約４００個のピクセル輝度値を分析しなければならなかったために、コンピュータプロセッサを使用しても比較的時間の掛かる処理であった。本発明の好ましい実施形態は、波長情報を計算するプロセッサと並行して作動する重要な縞を見つけるためのプロセッサを設置することにより、この処理を大幅に高速化するものである。
【００６４】
基本的な技術は、ピクセルデータが生成される時に縞データ表をＰＤＡピクセルデータから連続的に生成するために、プログラム可能論理装置４０２を使用することである。また、論理装置４０２は、縞データの組のどれが当該の縞データを表すかを識別する。その後、中央波長及び帯域幅の計算が必要とされた時には、マイクロプロセッサは、単に、そのデータを識別された当該のピクセルから拾って中央波長及び帯域幅の必要とされる値を計算するだけである。この処理によって、マイクロプロセッサの計算時間が約１０倍ほど短縮される。
【００６５】
中心波長及び帯域幅を計算する処理の特定の段階は、以下の通りである。
１）ＰＤＡ１８０が２．５ＭＨｚで作動するようにクロック調節された状態で、ＰＤＡ１８０は、４，０００Ｈｚの走査速度で１ピクセルから６００ピクセルでデータを収集し、１００Ｈｚの速度で１ピクセルから１０２８ピクセルを読み取るようにプロセッサ４００によって指令される。
２）ＰＤＡ１８０によって生成されたアナログピクセル輝度データは、アナログ／デジタル変換器４１０によってアナログ輝度値からデジタル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ー１８０の各ピクセルにおける輝度を表す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装置４０２は、ほとんどリアルタイムでＲＡＭバッファ４０８を通って連続的に出てくるデータを分析して縞を捜し、全てのデータをＲＡＭメモリ４０６に記憶し、各パルスについて全ての縞を識別し、各パルスについて縞表を生成してＲＡＭ４０６に全ての表を記憶し、更なる分析のために、各パルスについて２つの縞からなる１つの最良の組を識別する。論理装置４０２によって使用される技術は、以下の通りである。
【００６６】
Ａ）ＰＬＤ４０２は、バッファ４０８を通って来る各ピクセル値を分析して、最小ピクセル輝度値を追跡しながら輝度閾値を超えているか判断する。閾値を超えていた場合、これは、縞ピークが来つつあることを示すものである。ＰＬＤは、閾値を超える第１のピクセルを「立上り」ピクセル数と特定し、「立上り」ピクセルより前のピクセルの最小ピクセル値を保存する。このピクセルの輝度値は、縞の「最小」として特定される。
Ｂ）ＰＬＤ４０２は、その後、後続のピクセル輝度をモニタして縞のピークを捜す。これは、輝度が閾値輝度を下回るまで最高輝度値を追跡することによりこれを行う。
Ｃ）閾値を下回る値を有するピクセルが見つかると、ＰＬＤは、それを立下りピクセル数と識別して最大値を保存する。その後、ＰＬＤは、立下りピクセル数から立上りピクセル数を引くことによって縞の「幅」を計算する。
Ｄ）立上りピクセル数、最大縞輝度、最小縞輝度、及び縞の幅という４つの値は、ＲＡＭメモリバンク４０６の縞区域の円形表に記憶される。大半のパルスは、２つのウィンドウに２つから５つの縞を生成するにすぎないが、各パルスについて最大１５個までの縞を表すデータを記憶することができる。
Ｅ）ＰＬＤ４０２はまた、各パルスについて、各パルスの「最良の」２つの縞を識別するようにプログラムされる。それは、完全に０から１９９のウィンドウ内で最終縞を、また、完全に４００から５９９のウィンドウ内で第１の縞を識別することによってこれを行う。
【００６７】
（１）ピクセルデータの収集、及び、（２）パルスに対する縞の円形表の形成に関して、パルス後に必要とされる全時間は、わずか約２００マイクロ秒である。時間節約に関するこの技術の主たる利点は、縞の検索が、縞データの読み取り、デジタル化、及び記憶が行われている時に行われるということである。特定のパルスについて２つの最良の縞が識別されると、マイクロプロセッサ４００は、ＲＡＭメモリバンク４０６から２つの縞の領域に生ピクセルデータを確保し、そのデータから帯域幅及び中心波長を計算する。計算は、以下の通りである。
【００６８】
エタロン縞の一般的な形状を図１４Ｄに示す。ＰＬＤ４０２の先の作業に基づいて、約ピクセル１８０に最大値を有する縞、及び、約ピクセル４５０に最大値を有する縞が、マイクロプロセッサ４００に対して特定されることになる。これらの２つの最大値を取り囲むピクセルデータは、縞の形状及び位置を定義するために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）縞最大値から縞最小値を引き、その差を２で割ってその結果を縞最小値に加えることにより、最大値の半値を求める。２つの縞の各立上り及び各立下りに対して、２つのピクセルは、最大値の半値を上回る最も近い値、及び最大値の半値を下回る最も近い値を有する。次に、マイクロプロセッサは、各場合において２つのピクセル値間で外挿し、図１８Ｂに示すように、１／３２ピクセルの正確さでＤ１及びＤ２という終点を形成する。これらの値から、円形縞の内径Ｄ１及び外径Ｄ２が判断される。
【００６９】
精密な波長計算
精密な波長計算は、粗波長測定値とＤ１及びＤ２の測定値とを使用して行われる。
波長の基本方程式は、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り、
ｎは、エタロンの内部屈折率で約１．０００３であり、
ｄは、エタロン間隔で、ＫｒＦレーザの場合は約１５４２ｕｍ、ＡｒＦレーザの場合は約９３４μｍであって、±１ｕｍに制御され、
ｍは、次数であって縞ピークでの波長の整数、約１２４４０であり、
Ｒは、縞半径で、１ピクセルを２５ミクロンとすると、１３０から２８０ＰＤＡピクセルであり、
ｆは、レンズからＰＤＡ面までの焦点距離である。
ｃｏｓ項を展開して無視できるほど小さい高次の項を捨てると、以下を得る。
λ＝（２*ｎ*ｄ／ｍ）［１−（１／２）（Ｒ／ｆ）2］      （２）
直径Ｄ＝２*Ｒを用いて方程式を書き直すと、
λ＝（２*ｎ*ｄ／ｍ）［１−（１／８）（Ｄ／ｆ）2］      （３）
【００７０】
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が分っていることが必要である。ｎ及びｄは、共にエタロン固有のものであることから、これを組み合わせてＮＤという単一の較正定数にしている。ｆは、純粋な比が得られるようにＤの単位に合わせたピクセルの単位を有するＦＤという別の較正定数とみなされる。整数次数ｍは、波長及びどの縞の対が選ばれたかに依存して変動する。ｍは、粗い縞波長値を使用して判断されるが、粗い縞波長値は、この目的には十分に正確なものである。
【００７１】
これらの方程式の幾つかの良い点は、全ての大きな数は、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、ほぼ３２ビットの正確さを維持してこれを計算することができる。括弧付きの項をＦＲＡＣと呼ぶことにする。
ＦＲＡＣ＝［１−（１／８）（Ｄ／ＦＤ）2］      （４）
内部的には、ＦＲＡＣは、基数点が最上位ビットの左にある符号なしの３２ビット値として表される。ＦＲＡＣは、常に１をほんのわずかだけ下回るので、そこで最大の精度が得られる。ＦＲＡＣは、｛５６０〜２６０｝ピクセルのＤ範囲については、［１−１２０Ｅ−６］から［１−２５Ｅ−６］の範囲である。
【００７２】
ＮＤ較正を入力すると、波長計は、フェムトメートル（ｆｍ）＝１０-15メートル＝０．００１ｐｍという内部波長単位を有する２ＮＤ＝２*ＮＤという内部符号なし６４ビット値を計算する。内部的には、波長λは、やはりｆｍ単位で精密な波長に対してＦＷＬと表される。これらの変数を用いて方程式を書き直すと以下を得る。
ＦＷＬ＝ＦＲＡＣ*２ＮＤ／ｍ      （５）
【００７３】
算術的にＦＲＡＣの基数点移動が処理され、ＦＷＬがｆｍを用いてもたらされる。方程式を移項し、やはりｆｍ単位のＣＷＬという既知の粗波長を代入することにより、ｍについて解くと以下を得る。
ｍ＝最も近い整数（ＦＲＡＣ*２ＮＤ／ＣＷＬ）      （６）
最も近い整数を取ることは、古い方法で粗波長に最も近い精密な波長に到達するまでＦＳＲを加算又は減算することと同等のことである。方程式（４）、次に方程式（６）、及びその後に方程式（５）を解くことによって波長を計算する。内径及び外径については、個別にＷＬを計算する。平均値がライン中心波長、また、その差がライン幅である。
【００７４】
帯域幅の計算
レーザの帯域幅は、（λ2−λ1）／２として計算される。真のレーザ帯域幅に追加されるエタロンピークの固有幅を説明するために、固定補正係数が適用される。数学的には、逆重畳アルゴリズムが、エタロン固有幅を測定された幅から除外する形式的な方法であるが、これは、あまりも計算負荷が大きいと考えられるので、固定補正Δλεを差し引くことになり、これは十分な精度をもたらす。従って、帯域幅は、以下のようになる。
Δλ＝（（Ｄ2−Ｄ1）／２）−Δλε
Δλεは、エタロン仕様及び真のレーザ帯域幅の両方に依然する。それは、一般的に、本明細書で説明する用途では、０．１〜１ｐｍの範囲内である。
【００７５】
改良エタロン
この実施形態は、改良エタロンを利用する。従来のエタロン装着法では、一般的に、光学要素を周囲構造体に取り付け、光学要素の位置を制限するが光学要素に掛かる力を最小限に抑えるためにエラストマーが使用される。このために一般的に使用される合成物は、室温加硫シリコーン（ＲＴＶ）である。しかし、これらのエラストマーから放出される様々な有機蒸気は、光学面上に堆積し、その結果、その性能が落ちる可能性がある。エタロン性能寿命を長引かせるために、いかなるエラストマー合成物も含まない密封筐体にエタロンを取り付けることが望ましい。
【００７６】
好ましい実施形態は、図１４及び図１４Ｅにおいて１８４で示す改良エタロンアセンブリを含む。図１４Ｇに示す溶融シリカエタロン７９自体は、フランジ８１を有する上部プレート８０と、下部プレート８２とで構成され、上部プレート及び下部プレートは、共に高級な溶融シリカから成る。エタロンは、１．００３の屈折率及び２５に等しいか又はそれ以上のフィネスを有するガスで囲まれた時に、１９３．３５ｎｍで２０．００ｐｍの自由スペクトル範囲を有する縞を生成するように設計される。極めて低い熱膨張を有する３つの溶融シリカスペーサ８３は、これらのプレートを分離し、９３４マイクロメートル±１マイクロメートル厚である。これらは、光学器械製造技術において公知の技術を用いる光学接触により協働してエタロンを保持する。エタロンの内面の反射率は、各々、約８８％であり、外面は、反射防止コーティングされている。エタロンの透過率は、約５０％である。
【００７７】
エタロン７９は、重力と、始端部８５によって示された半径方向の位置にあるフランジ８１の下縁の下の図示していないが１２０°中心上に位置する３つのパッドに対してフランジを押し付ける３つの低力ばね８６とによってのみ、アルミニウムハウジング８４内で所定の位置に保持される。８７にあるフランジ８１の上縁に沿ったわずか０．００４インチのクリアランスによって、エタロンが確実にほぼ適正な位置のままとなる。この狭い公差による装着によって、衝撃又はインパルスが取り付け部を介してエタロンシステムに伝達された場合に、光学器械とハウジング接点との間の相対速度が、確実に最小限に保たれることになる。エタロンアセンブリ１８４の他の光学器械には、拡散器８８、ウィンドウ８９、及び焦点距離４５８．４ｍｍの集束レンズ９０が含まれる。
【００７８】
拡散器８８は、エタロンの適正な作動に必要とされる様々な入射角度を生み出すためにエタロンの上流側に一般的に使用される標準的な従来技術による拡散器とすることができる。従来技術による拡散器に関する問題は、拡散器を貫通する光の約９０％は有益な角度になっておらず、その結果、フォトダイオードアレー上に集束されないということである。しかし、この浪費された光は、光学系の温度上昇に付加的に寄与し、光学面の劣化に一因になる可能性がある。はるかに好ましい実施形態において、回折レンズアレーが拡散器８８として使用される。この種類の拡散器を用いて、光を十分に、但し約５°の角度内のみで散乱させるパターンが回折レンズアレーに生成される。その結果、エタロンに当たる光の約９０％が有益な角度で入射し、エタロンに入射する光のそれよりもはるかに大きな部分が最終的にフォトダイオードアレーによって検出される。その結果、エタロンに入射する光を大幅に低減させることができ、これによって、光学器械の寿命が大幅に延びる。本出願人は、入射光は、従来技術による値の５％又は１０％よりも少ない値まで低減させることができ、フォトダイオードアレー上も同等な光になると推定する。
【００７９】
回折拡散器を用いるより良い平行化
図１４Ｈは、エタロンを貫通する光の強度をより一層低減させる好ましい実施形態の特徴を示す。この実施形態は、先に論じた実施形態と類似のものである。ミラー１８２からサンプルビーム１８２（約１５ｍｍ×３ｍｍ）は、集光レンズ４００を上方に通過し、次に、レンズ４０２によって再平行化される。ここで平行化されて寸法的に約５ｍｍ×１ｍｍに低減されたサンプルビームは、エタロンハウジングウィンドウ４０４を通過し、次に、この場合（ＡｒＦレーザに対して）、米国アラバマ州ハンツビル所在のメムズ・オプティカル・インコーポレーテッドによって供給される回折拡散要素である回折拡散要素４０６を通過する。回折拡散要素は、部品番号Ｄ０２３−１９３であり、任意の断面構成を有するいかなる到来平行化ビーム内の実質的に全ての１９３ｎｍの光を、２°の第１の方向で、また、第１の方向に垂直な４°の第２の方向で拡大するビームに変換する。次に、レンズ４１０は、拡大しているビームを図１４に示すフォトダイオードアレー１８０を覆う矩形のパターン上に「集束させる」。フォトダイオードアレーの活性区域は、約０．５ｍｍ幅×２５．６ｍｍ長であり、レンズ４１０によって形成されたスポットパターンは、約１５ｍｍ×３０ｍｍである。回折拡散要素は、ビームの空間成分を十分に混合させるが、エタロンを貫通する光を実質的に低減させて効率的に利用することができるように、ビームエネルギの実質的に全てを２°及び４°の限界値内に維持する。エタロンを貫通するビームエネルギの更なる低減は、フォトダイオードアレーの短い寸法方向のスポットパターンを低減すれば実現できることが認識されるべきである。しかし、１５ｍｍよりも小さくなる低減ば、光学的位置合わせが更に難しいものになる。従って、設計担当者は、スポットパターンの大きさは、妥協点の問題であると考えるべきである。
【００８０】
約２４８．３２７ｎｍで作動するＫｒＦレーザ用に設計された別のシステムにおいては、波長の調節を伴う類似の設計が提供される。この実施形態において、レンズ４００は、約５０ｍｍの焦点距離を有する。（レンズは、メレス・グリオット・コーポレーションの部品番号ＯＩＬＱＰ００１である。）平行化レンズ４０２は、−２０ｍｍの焦点距離を有する（ＥＶＩ・レーザ・コーポレーションの部品番号ＰＬＣＣ−１０．０−ＵＶ）。回折拡散要素４０６は、メムズ・オプティカル・コーポレーションの部品番号ＤＯ２３−２４８である。この実施形態において、また、ＡｒＦに関する実施形態において、２つのレンズの間隔は、スペーサ４１６で適切に決めることができる。本出願人は、２０００Ｈｚで作動するレーザに関してエタロンを貫通するビームのエネルギは、約１０ｍｗであり、エタロンにおける重大な熱に関する問題を引き起すほどのものではないと推定する。
他の好ましい実施形態において、ビームは、レンズ４００及び４０２の間に集束させることができるであろう。適切なレンズは、この場合、公知の光学的技術を用いて選択されると考えられる。
【００８１】
パルスエネルギ及び波長のフィードバック制御
上述の通り、各パルスのパルスエネルギの測定結果に基づいて、その後のパルスのパルスエネルギは、本明細書において引用により組み込まれる、「エキシマレーザのパルスエネルギ制御」と題した米国特許第６，００５，８７９号で全て説明されているように、所望のパルスエネルギと、特定数のパルスの所望の総積算線量も維持するように制御される。
レーザの波長は、波長の測定値と、本明細書において引用により組み込まれる、「エキシマレーザに対する波長システム」と題した米国特許第５，９７８，３９４号で説明されている技術などの従来技術における公知の技術とを用いてフィードバック構成で制御することができる。本出願人は、近年、同調ミラーの超高速運動をもたらすために圧電ドライバを利用する波長同調用の種々の技術を開発した。これらの技術の一部は、本明細書において引用により組み込まれる、２０００年６月３０日出願の「レーザ用帯域幅制御技術」と題した米国特許出願一連番号第６０８，５４３号で説明されている。図１６Ａ及び図１６Ｂは、その出願から抜粋されたものであり、この技術の主要要素を示す。超高速ミラー調節には圧電スタックが使用され、より大きくよりゆっくりとした調節は、レバーアームを作動させる従来技術によるステッパモータによって行われる。この圧電スタックは、レバーアームの支点の位置を調節するものである。
【００８２】
組合せＰＺＴ／ステッパモータ駆動式同調ミラーを有する新しいＬＮＰ
圧電ドライブを使用した詳細設計
図１６は、出力レーザビームの波長及びパルスエネルギ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。示されているのは、３点プリズムビーム拡大器と、同調ミラー１４と、回折格子とを含むラインナローイングモジュール１５Ｋである。波長計１０４は、出力ビーム波長をモニタし、以下に説明するステッパモータ及びＰＺＴスタックの作動によって同調ミラー１４の位置を制御するＬＮＰプロセッサ１０６にフィードバック信号を供給する。作動波長は、レーザコントローラ１０２によって選択することができる。また、パルスエネルギは、波長計１０４において測定され、波長計は、先に説明したフィードバック構成でパルスエネルギを制御するためにコントローラ１０２によって使用される信号を供給する。図１６Ａは、ＰＺＴスタック８０、ステッパモータ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。
【００８３】
図１６Ｂ１は、本発明の好ましい実施形態の詳細な特徴を示す図である。ミラー１４の位置の大きな変化が、２６．５：１のレバーアーム８４を介してステッパモータによって生み出される。この場合、圧電ドライブ８０端部のダイヤモンドパッド８１は、レバーアーム８６の支点で球形工作ボールに接触するように設置されている。レバーアーム８４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及び８５で示すミラーマウント上に取り付けられた４つの球形ボールベアリング（そのうちの２つのみを図示）でもたらされる。圧電ドライブ８０は、圧電マウント８０ＡでＬＮＰフレーム上に取り付けられ、ステッパモータは、ステッパモータマウント８２Ａでフレームに取り付けられている。ミラー１４は、３つのアルミニウム球体を使用する３点マウントでミラーマウント８６内に取り付けられており、そのうちの１つのみが図１６Ｂ１に示されている。３つのばね１４Ａは、球体に対してミラーを保持する圧縮力を付加する。
【００８４】
図１６Ｂ２は、図１６Ｂ１に示すものとは若干異なる好ましい実施形態である。この実施形態は、圧電ドライブを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、圧電要素の紫外線による損傷が防止され、圧電材料からの気体放出によって引き起こされる汚染の可能性が回避される。また、ＬＮＰの大幅に改良された密封をもたらす代替的ＬＮＰ設計については、図１９Ｄ及び以下のその説明文を参照することができる。
【００８５】
単一のプリズム板
本発明の好ましい実施形態は、３つのビーム拡大プリズムが設置された単一のプリズム板を含む。３つのプリズムの各々は、正確に穿孔された位置決め穴を通して板７の底部から挿入された３つの取り外し可能な位置決めピンの間にプリズムを挿入することにより、製造中にこの板上に正確に配置される。次に、各プリズムは、３つの小さなスポット（０．１インチ径）で板に接着され（３Ｍ製「２２１６」２部エポキシを用いて）、接着剤が硬化した後にピンが取り除かれる。この技術によって、互いに対してプリズムが確実に正確に配置され、ＬＮＰ製造が簡素化される。接着段階中に、各プリズムは、得られる接着剤スポットによって非常にわずかに柔軟な３つの非常に短い脚が作られ、温度変化から生じるプリズムに掛かる応力を最小限に抑えるように、１ポンドの試験用釣り糸用シムを使用して板から０．００４インチだけ離れた状態で保持される。プリズム板の位置は、図１６の７Ａに示すように、レーザチャンバを通るレーザビーム方向と垂直な方向の位置合わせに関して手作業で調節可能である。
【００８６】
試験結果
図１６Ｃは、図１６Ｂ２の実施形態が装備されたレーザからの実際の試験データを示す。グラフは、平均３０個のパルスウィンドウの目標波長からのずれをプロットしたものである。このずれは、約０．０５ｐｍから約０．００５ｐｍに低減される。
この実施形態は、先に説明したステッパモータ駆動システムと比較すると、大きなスピードアップであるが、パルス間の調節に対して十分な速さであるというわけではない。ミラー位置決めの以前の方法では、ミラー１４を移動させるのに約７ｍｓが必要であり、２０００Ｈｚでのパルス間の波長補正を問題外にする。この以前の技術においては、レバーアームは、ステッパ位置の動きと比較してミラーの動きを１：２６．５に低減させるためにピボット軸回りに回転していた。従来技術によるステッパは、１／２インチ（１２．７ｍｍ）の総移動量と６０００ステップとを有し、そのために、各ステップは、約２ミクロンの距離であった。１−２６．５の低減を用いると、１つのステップで、ミラーは約７５ｎｍ移動し、これによって、一般的にレーザ波長の波長が約０．１ｐｍ変化する。図１２Ａに示す速く作用する技術においては、圧電スタック８０が、レバーアームのピボット位置に追加されている。好ましい圧電スタックは、ドイツのワルドブロン所在のフィジク・インストルメンテ・ＧｍｂＨによって供給される「モデルＰ−８４０．１０」である。このスタックであれば、２０ボルトの駆動電圧の変化で約３．０ミクロンの直線的な調節を生み出すことになる。この範囲は、ステッパモータの約±２０ステップと同等である。
【００８７】
スタックは、１マイクロ秒未満以内で制御信号に応答し、システムは、４０００Ｈｚの周波数で、更新された信号に容易に応答することができる。好ましい実施形態において、４０００Ｈｚのパルス繰返し数での各パルスの制御は、十分な時間の波長計算を可能にするために、前のパルスではなく前のパルスの前のパルスに基づいている。しかし、この実施形態は、７ミリ秒の待ち時間を有する従来技術の設計に対して７倍の改善をもたらす。従って、はるかに速いフィードバック制御を行うことができる。１つの好ましいフィードバック制御アルゴリズムを図１６Ｄに説明する。このアルゴリズムにおいて、波長は、各パルスについて測定され、最後の４つ及び最後の２つのパルスの平均波長が計算される。平均値のいずれかの目標波長からのずれが０．０２ｐｍよりも短い場合、調節は行われない。両方の平均値の目標からのずれが０．０２ｐｍを上回る場合、波長補正をもたらすために、圧電スタック８０によってミラーアセンブリに対して調節が行われる。２つの平均値のいずれが使用されるかは、最後の調節からどのくらいの時間が経過したかによって決まる。圧電スタックは、スタックがその範囲の３０％及び７０％に近づく時に（又は、より利用可能な範囲が得られるように、３０％及び７０％の範囲の値ではなく、４５％及び５５％を使用することができるであろう）、ステッパモータのステップを進めることによって制御範囲内に維持される。ステッパモータでは、１つの段階を完了するのに約７ｍｓが必要であることから、このアルゴリズムは、ステッパモータの１ステップ中に幾つかの圧電調節を行うことができる。
【００８８】
予備同調及び能動同調
先に説明した実施形態は、チャープ補正以外の目的にも使用することができる。場合によっては、集積回路リソグラフィ機械のオペレータは、所定ベースで波長を変更したいと思うかもしれない。換言すると、目標波長λTは、固定波長でなくてもよく、所定のパターンの後に、又は、以前の履歴波長データ又は他のパラメータを使用して学習アルゴリズムを連続的又は定期的に更新した結果として、望むだけ頻繁に変更することができるであろう。
【００８９】
適応フィードフォワード
本発明の好ましい実施形態は、種々のフィードフォワードアルゴリズムを含む。これらのアルゴリズムは、公知のバースト作動パターンに基づいてレーザオペレータがコード化することができる。代替的に、このアルゴリズムは、適応的とすることができ、それによって、レーザ制御は、先の図表に示したものなどのバーストパターンを検出し、次に、制御パラメータを改訂して、波長のずれを防止するか又は最小限に抑えるために波長のずれを予測してミラー１４の調節をもたらす。適応フィードフォワード技術は、１つ又はそれ以上の過去のバーストからのデータから、また、チャープの影響を反転させるためにＰＺＴスタックを使用して、ソフトウェアにおいて所定の繰返し率でチャープのモデルを構築する段階を伴う。
【００９０】
チャープ反転を適切に設計するためには、２つの情報、（１）ＰＺＴスタックのパルス応答、及び（２）チャープの形状が必要である。各繰返し率について、ＰＺＴスタックのパルス応答によるチャープ波形の逆重畳により、パルスのシーケンスが得られ、このシーケンスは、ＰＺＴスタックに適用された時（適切な符号で）チャープを相殺することになる。この計算は、繰返し率の組での挙動の調査を通じてオフラインで行うことができる。データシーケンスは、パルス番号及び繰返し率によって索引された表に保存することができるであろう。作動中に、適応フィードフォワード反転において使用される適切な波形データを拾うためにこの表を参照することができる。また、繰返し率が変更される度に、作動開始時におけるデータの数個のバーストを使用してほとんどリアルタイムでチャープ形状モデルを得ることが可能であり、また、実際には好ましい場合がある。チャープ形状モデルと、恐らくはＰＺＴパルス応答モデルも、次に、モデルとデータとの間の蓄積された測定誤差に基づいて、Ｎ−バースト毎に更新する（例えば、適応させる）ことができるであろう。好ましいアルゴリズムは、図１６Ｅに説明されている。
【００９１】
パルスのバーストの開始時におけるチャープは、図１６Ｅで説明されているアルゴリズムを使用して制御することができる。ｋという文字は、バースト内のパルス番号を示す。バーストは、２つの領域、即ち、ｋ領域及びｌ領域に分離される。ｋ領域は、ｋ番目（チャープを取り囲むのに十分な長さの時間を形成する）よりも少ないパルス番号に対するものである。別個の比例定数Ｐk、積分定数Ｉk、及びライン中心誤差の積算合計ΣＬＣＥKが、各パルス番号に対して使用される。次のバーストにおけるｋ領域での対応するパルス番号のＰＺＴ電圧は、これらの定数及び合計で判断される。ｋ番目のパルス後に、従来の比例積分ルーチンによってＰＺＴ電圧が制御される。バースト内の次のパルスの電圧は、現在の電圧にＰ*ＬＣＥ＋Ｉ*ΣＬＣＥを加えたものになる。このアルゴリズムの主な段階を説明する流れ図は、図１６Ｅに与えられている。
【００９２】
高負荷サイクルＬＮＰ
ラインナローイングパッケージをパージすることは公知であるが、従来技術は、パージフローが一般的に格子面の背後などの位置に配置されたポートを通じて供給されるように、パージフローが格子面上を直接流れないようにすることを教示している。しかし、本出願人は、非常に高い繰返し率では、高温ガス（窒素）の層が回折格子の面上に作り出され、波長を歪ませることを発見している。この歪は、上述の能動波長制御によって少なくとも部分的に修正することができる。別の手法は、図１７に示すように回折格子の面をパージすることである。図１７においては、１０インチ長、３／８インチ径のパージ管６１の上部の小さな穴（１／４インチ間隔で１ｍｍ）によって、パージフローが供給される。パージガスは、以下の節で説明するように、純粋窒素供給装置からの窒素とすることができる。また、好ましい実施形態においては、ＬＮＰは、以下で説明するようにヘリウムでパージされる。他の技術を図１７Ａ、１７Ｂ、及び１７Ｃに示す。
【００９３】
波長及び帯域幅を制御するのに有益な種々の特定の技術については、本明細書において引用により組み込まれる以下の特許出願、即ち、２００１年２月２７日出願の「圧電ドライバによるレーザ波長制御」と題した米国特許出願一連番号第０９／７９４，７８２号、２００１年１２月２１日出願の「圧電ドライバによるレーザ波長制御」と題した米国特許出願一連番号第１０／０２７，２１０号、及び、２００１年１２月２１日出願の「リソグラフィック処理のためのレーザスペクトル工学」と題した米国特許出願一連番号第１０／０３６，９２５号で説明されている。
【００９４】
パージシステム
本発明のこの第１の実施形態は、性能の大幅な改善と、構成要素寿命の大幅な増加とをもたらす超純粋Ｎ2パージシステムを含む。
図１９は、本発明の第１の好ましい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構成要素は、ＬＮＰ（２Ｐ）、レーザチャンバ６Ｐに取り付けられた高電圧構成要素４Ｐ、高電圧構成要素４Ｐを上流側パルスパワー構成要素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。構成要素２Ｐ、４Ｐ、８Ｐ、１２Ｐ、及び１４Ｐの各々は、それぞれが２つのポート、即ち、Ｎ2入口ポート及びＮ2出口ポートのみを有する密封容器又はチャンバに含まれる。Ｎ2供給装置１６Ｐは、一般的には集積回路製造プラントにある大型Ｎ2タンク（一般的に液体窒素温度に維持される）であるが、Ｎ2の比較的小さい瓶としてもよい。Ｎ2ソースガスは、Ｎ2供給装置１６Ｐを出ると、Ｎ2パージモジュール１７Ｐに入り、Ｎ2フィルタ１８Ｐを通って、パージされた構成要素に対してＮ2流量を制御するための流量制御弁を含む分配パネル２０Ｐに至る。各構成要素に関して、パージフローは、モジュール１７Ｐに、更に流量モニタユニット２２Ｐに戻され、そこで、パージユニットの各々から戻る流れがモニタされて、モニタされた流量が所定の値を下回る場合にはアラーム（図示せず）が作動される。
図１９Ａは、本発明のパージ機能とは特に関連しない幾つかの付加的なＮ2に関する特徴を含む、この好ましい実施形態の特定の構成要素を示すラインダイアグラムである。
【００９５】
Ｎ2フィルタ
本発明の重要な特徴は、Ｎ2フィルタ１８の介在である。過去においては、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Ｎ2ガス仕様がほとんどいつも十分に良好であり、従って、仕様を満足するＮ2ガスは十分にきれいであるので、Ｎ2パージガス用フィルタは必要ないと考えていた。しかし、本出願人は、往々にしてソースガスは仕様外れのことがあり、又は、パージシステムに至るＮ2ラインが汚れを含むことがあることを発見した。また、ラインは、保守又は作動手順の間に汚染される可能性がある。本出願人は、フィルタのコストは、汚染による損傷の可能性がたとえ低いとしてもそれに備えた非常に良い保険であると判断した。
好ましいＮ2フィルタは、米国カリフォルニア州サンディェゴ所在のエアロネックス・インコーポレーテッドから入手可能な「モデル５００Ｋ不活性ガス浄化器」である。このフィルタは、Ｈ2Ｏ、Ｏ2、ＣＯ、ＣＯ2、Ｈ2、及び非メタン炭化水素を１０億分の１以下のレベルまで除去する。それは、大きさが０．００３ミクロン又はそれ以上の全ての微粒子の９９．９９９９９９９％を取り除く。
【００９６】
流量モニタ
ユニット２２における流量モニタは、５つのパージ構成要素の各々に対して設置される。これらは、低流量時のアラーム機能を有する市販のユニットである。
配管
全ての配管は、内部が電気研磨されたステンレス鋼（３１６ＳＳＴ）から成ることが好ましい。ＰＦＡ４００又は超高純度テフロンから成る特定の種類のプラスチック管材を使用してもよい。
【００９７】
再循環
パージガスの一部分又は全ては、図１９Ｂに示すように再循環させることができる。この場合、送風機及び水冷熱交換器がパージモジュールに増設される。例えば、光学器械からのパージフローを再循環させることができ、また、電気構成要素からのパージフローを排気することもでき、又は、その組み合わされた流れの一部分を排気させることもできるであろう。
ＬＮＰのヘリウムパージ
好ましい実施形態において、ＬＮＰは、ヘリウムでパージされ、ビーム経路の残りは、窒素でパージされる。ヘリウムは、窒素よりもはるかに低い屈折率を有するので、ＬＮＰにおける熱の影響は、ヘリウムを使用すると最小限に抑えられる。しかし、ヘリウムは、窒素よりも約１０００倍高価である。
【００９８】
改良シール
本出願人は、極度に「きれいな」ビーム経路を設けることの大きな利点を発見した。レーザ光学器械は、酸素を含む多くの形態の汚染と共に高エネルギ紫外線が存在すると急激に劣化する傾向がある。ビーム経路を取り囲む好ましい技術は、本明細書において引用により組み込まれる、２００１年１１月１４日出願の「改良ビーム経路を有するガス放電レーザ」と題した米国特許出願一連番号第（  ）号で説明されている。図１９Ｃ、１９Ｄ、１９Ｅ、及び１９Ｆは、その出願から抜粋したものである。図１９Ｃは、上述のマスタ発振器と類似のガス放電システムの様々な構成要素間のベローズシールを示す図である。図１９Ｄは、モータとＬＮＰ封入容器とのインタフェースを密封するための、ＬＮＰステッパモータに対するベローズ構成を含む変更を示す。図１９Ｅは、ＬＮＰが比較的安価なヘリウムでパージすることができるように、ＬＮＰ内の加熱を最小限に抑え、かつ、ＬＮＰ入口を取り囲む、ＬＮＰに対する熱的な結合が解除された開口を示す。ヘリウムは、図１９Ｃの９５に示すチャンバウィンドウユニットを通ってＬＮＰから出る。図１９Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、及びＦ５は、レーザモジュール間の密封をもたらすが、素早いモジュール交換を可能にするためにモジュールの素早い簡単な分離を可能にするように使用される簡単に密封できるベローズシールを示す。図１９Ｇは、波長計の高強度部分をパージするための特殊なパージ構成を示す。この特殊なパージについて以下の節で説明する。
【００９９】
本システムの利点
本明細書で説明するシステムは、ＫｒＦレーザ、及び、特にＡｒＦ及びＦ2レーザの長期的なエキシマレーザ性能の大きな改善を示す。汚染に関する種々の問題は、基本的に解消されており、その結果、構成要素寿命及びビーム品質が大幅に改善される。更に、出口ポートを介する場合を除き、漏れが解消されていることから、流量を所望の値に制御することができ、これは、Ｎ2所要量を約５０％に低減する効果がある。
【０１００】
パワーメータを有する密封シャッタユニット
この第１の実施形態は、図２０、図２０Ａ、及び図２０Ｂに示すように、内蔵パワーメータを有する密封シャッタユニット５００を含む。この重要な改良点に関して、シャッタは、第１にレーザビームを阻止するシャッタとして、第２に測定が必要とされる時は常にビームパワーをモニタするための全ビームパワーメータとしての２つの機能を有する。
図２０は、シャッタユニットの主要構成要素を示す上面図である。これらは、シャッタ５０２、ビームダンプ５０４、及びパワーメータ５０６である。シャッタが閉位置の状態のレーザ出力ビームの経路が図２０の５１０に示されている。ビーム開状態の経路が、５１２に示されている。ビームストップ要素５１６のシャッタ活性表面は、チャンバを出るビームの方向に対して４５°の角度を成し、シャッタが閉じられた時、ビームは、シャッタ表面で吸収されると共にビームダンプ５０４に反射される。ビームダンプ活性表面及びシャッタ活性表面は、いずれもレーザビームを大量に吸収するようにクロムメッキされている。この実施形態において、ビームストップ要素５１６は、撓みばね鋼製アーム５１８上に取り付けられている。シャッタは、図２０Ｂに示すように、撓みアーム５１８及びビームストップ要素５１６をコイルまで引いてビームストップ要素５１６を出力レーザビーム経路から取り除く電流をコイル５１４に印加することによって開かれる。シャッタは、永久磁石５２０がビームストップ要素５１６及び撓みアーム５１８を引いて閉位置に戻すことを可能にするコイル５１４を通る電流の流れを止めることによって閉じられる。好ましい実施形態において、電流の流れは、開位置及び閉位置間でこの要素及びアームが容易に移動するように入念に調節される。
【０１０１】
パワーメータ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ビームの経路に置くために類似の方法で作動される。この場合、コイル５２０及び磁石５２２は、出力パワーを測定するために、検出器ユニット５２４及びその撓みアーム５２６を引いてビーム経路から出し入れする。このパワーメータは、シャッタ開状態及びシャッタ閉状態で作動することができる。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を容易に移動させてビーム経路から出入りさせるように制御される。
【０１０２】
改良された波長計パージ
この好ましい実施形態においては、波長計の高紫外線フラックス部分、及び、出力カプラ及びレーザチャンバ出力ウィンドウブロックの特別なパージをもたらすために、特殊なＮ2パージ技術が用いられる。この技術を図２２に示す。先に説明したように、レーザ出力ビームは、出力ビームとしてビームのエネルギの９５％を通過させる部分反射ミラー１７０（図１４も参照）と交差する。反射ビームの約４％は、ミラー１７１からエネルギ検出器１７２に反射され、そこで、パルスエネルギが測定される。（反射ビームの他の部分は、６１Ａに示すようにミラー１７１を通って波長計内の他のモニタに行く。）４，０００Ｈｚにおいて、出力エネルギのこの５％は、多量の紫外線を呈しており、そのために、ビームのこの部分の経路内のガスが確実に非常にきれいで純粋となるように特に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の上流側と、ミラー１７１の上流側と、検出器１７２のウィンドウの正面側との間の領域を波長計の残りから密封するように変更されている。６２Ａで示すように、この領域を出入りする特別なパージフローが設けられている。波長計の残りの部分は、６４Ａで示す第２のパージフローによってパージされる。
【０１０３】
パージフロー６２Ａは、ミラー１７０及び１７１、及び、１７２の検出器のウィンドウにおけるシールによって波長計内に閉じ込められる。パージフローは、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６Ａを通り、出力カプルモジュール６８Ａに戻って出力カプルモジュールをパージする。次に、パージフローは、ベローズユニット７０Ａを貫流してウィンドウブロック７２Ａに入り、ウィンドウブロック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及び図１９に示すように、Ｎ2パージモジュール１７に至る管を通って戻る。ウィンドウ１７０の下流側は、シャッタモジュール５Ｋからのパージフローでパージされる。パージフローは、図１９に示すように、モジュール１７からのものとしてもよく、又は、場合によっては、ウィンドウ７６Ａが取り除かれ、シャッタモジュールの出力部が、パージされた顧客ビームラインと開放的に接続され、その場合、７８Ａにおける出口パージラインは、顧客パージ戻りシステムに方向づけられるか、又は、大気中に排出することができる。
【０１０４】
一定の光学パラメータ
リソグラフィレーザは径年変化すると、光ビームの品質特性が変化する可能性がある。通常、品質は、ゆっくりと劣化する傾向がある。ビーム品質が保守後でさえももはや仕様を満足しなくなった時、所要構成要素（レーザチャンバ、ＬＮＰ、及び／又は、波長計など）の交換が一般的に必要である。従って、レーザの耐用年数に亘って、ビーム品質は、仕様範囲内で大幅に変わる場合がある。これは、光学品質レーザビームを対象にして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には問題になりかねない。通常のレーザ品質「よりも良い」結果として、集積回路品質の望ましくない変動をもたらしかねない。１つの解決策は、ビーム品質がレーザの耐用年数に亘って実質的に一定のままであるレーザシステムを供給することである。これは、レーザが可能な最良の値ではなく、予想公称値に相当する波長安定性の値及び帯域幅の値が得られるように圧電ドライバ同調ミラーを使用することができる、本出願と同時出願の米国特許出願一連番号第（  ）号で説明されている技術を使用して達成することができる。また、パルスエネルギは、可能な最良の値ではなく予想公称値でエネルギ安定性の値を維持するために、先に説明した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、パルスエネルギ及び波長の最も安定した値、及び可能な限り狭い帯域幅値ではなく、予想ビーム品質値が得られるように制御することができる。
【０１０５】
パルス持続時間の延長
集積回路リソグラフィ機器の多くの光学器械、特にレンズ構成要素は、非常に高価である。これらの構成要素は、波長が短い紫外線と共に使用されると劣化することが知られている。所定のパルスエネルギに対して、劣化は、パルス長が短くなると増加することが知られている。従って、パルス長が長いほどレンズの寿命が長くなる。従って、パルス長が長くなると、これらのエキシマレーザの重要な改良点となり得る。劣化の割合は、２４８ｎｍでのＫｒＦよりも１９３ｎｍでのＡｒＦの方がはるかに悪い。
【０１０６】
一般的なパルス持続時間は、約５ｍＪから１０ｍＪの範囲のパルスエネルギで最も効果的なレーザ性能が得られるように設計されたＫｒＦ及びＡｒＦ狭帯域レーザの場合は、約１５ｎｓから２５ｎｓである。図２３Ａは、一般的なエキシマレーザパルスの特徴を示す。これらの特徴は、電圧又はＣｐ、レージングあり及びレージングなしの側面蛍光、及び、ＫｒＦレーザに対するレーザパルスである。本出願人は、Ｃｐの静電容量を上げるなどのレーザパルス持続時間を延ばすための幾つかの技術で実験したが、これらの技術では、結果的に全体的な性能が大幅に劣化した。
本出願人は、本出願人が「電流オーバーシュートマキシマイザ」と称するパルスパワー構成を用いてパルス持続時間の大幅な延長に成功した。
【０１０７】
電流オーバーシュートマキシマイザ
パルスパワー電流オーバーシュートマキシマイザ（ＣＯＭ）回路を図２３Ｆに示す。電流オーバーシュート戦術が実行可能であると考えられる第１の糸口は、図２３Ａで明白である。この図に示すレージング強度は、初期正電流サイクルによって引き起こされた第１の隆起、及び、放電を通じての第１の負電流サイクルによる第２のより小さい隆起の２つの明確な隆起を有する。強度の差は、第１の正電流サイクル直前の量と比較して、負の電流サイクル前のＣPに貯められたエネルギの大幅な低減によるものである。負サイクルで発生するレージング量を上げることができる場合、得られるレージングパルスは、ほぼ２倍の幅になることになる。参考として、基本報告書に示されたＡｒＦレージング結果を図２３Ｂに示す。その時には、レージングは、ＫｒＦの場合は明瞭に発生するのに対して、ＡｒＦレーザでは、負電流サイクルで全く発生しなかった。
【０１０８】
Ｃｐ及びＬｐの値は、波形の各部分の間の電気的ポンピングのレベルを判断する際に重要である。この場合、負電流サイクル中の電気的ポンピングレベルを上げることが望まれる。これは、２通りの方法で達成することができる。第１の方法は、より多くの負のＶｃｐが放電を通して印加されるようにＬPを低減すること、第２の方法は、Ｖｃｐが所定の貯蔵エネルギに対して高くなり、ピーク電流の増加に対してより速くヘッドインダクタンスに打ち勝つことができるようにＣｐを低減することである。Ｌｐを６．５ｎＨから４．１ｎＨに低減すると、負サイクルのポンピングレベルが上り、図２３Ｃに示すようなＡｒＦレーザに対する閾値を超える。この図において、大幅なレージングエネルギが負電流サイクルによって引き起こされたことがわかる。Ｃｐ値を更に低減すると、図２３Ｄに示すように、負電流サイクル中のレージング出力のレベルが更に上がる。
【０１０９】
これらの図２に示された負サイクル中のレージング出力量は、尚も５０％の強度レベルをかなり下回っている。これに対する１つの理由は、これらのＬｐ及びＣｐの変化から生じた放電インピーダンスとの適合性の改善である。Ｌｐ及びＣｐを低減するにつれて、より多くのＣｐ貯蔵エネルギが、放電が高いインピーダンスを示す間に放電に移される。時間変動する放電インピーダンスの測定が行なわれ、その結果を図２３Ｅに示す。放電インピーダンスは、ＭΩ値から１Ωの領域に落ち込むのに約２０ｎｓ掛かる。Ｃｐ及びＬｐによって形成された放電回路を十分に高速なものにした場合、Ｃｐ貯蔵エネルギの全ては、高インピーダンス放電に消散されることになり、Ｃｐ上への電圧オーバーシュートはないであろう。また、負サイクル中にレージングを達成するために必要なＣｐ及びＬｐの低減により、第１の正電流サイクル中の放電によって吸収される初期Ｃｐエネルギの部分が大きくなる。正サイクル中に吸収されたエネルギ量を上げると、負電圧オーバーシュート中にＣｐに残るエネルギが少なくなり、従って、負電流サイクルを駆動するために利用可能なエネルギが少なくなる。
【０１１０】
ＣＯＭの概略図を図２３Ｆに示す。この回路は、外側ピークコンデンサに代わってＬｃｏｍと呼ばれるインダクタが使用される点を除き、２Ｘプログラムで以前に使用された２重パルス発生装置とトポロジーは類似である。ＬｃｏｍとＣｐとの間に配置された可飽和インダクタのＶ*Ｓの積は、放電の開始とほぼ同時に切り替わる大きさにされている。この構成では、電流は、ピークコンデンサから放電及びＣＯＭインダクタの両方に流れることになる。イベントのシーケンスは、以下の通りである。
１）Ｃｐは、パルスパワーモジュールによってパルス充電される（図２３Ｇ）。
２）ＣＯＭ可飽和インダクタは、雪崩放電開始とほぼ同時に切り替わる（図２３Ｈ）。
３）電流の流れが構築され始め、Ｃｐを出て放電及びＬｃｏｍの両方の中に流れる（図２３Ｉ）
４）Ｃｐ上の電圧がゼロを通過し、放電を通しての電流が弱まり始めるが、Ｌｐインダクタンス及びＬｃｏｍインダクタンスがＣPを出る継続した電流の流れを強制し、Ｖｃｐを強制的に負にする。ＬｃｏｍのインダクタンスはＬｐよりも大きいことから、その電流の流れは、放電電流よりもはるかに遅く弱くなる（図２３Ｊ）。
５）Ｃｐ上の負電圧（従って、Ｌｐ上の負電圧）は、放電を通して電流の流れを逆転させるが、Ｌｃｏｍを通る電流の流れは、値がＬｐよりも大きく、従って、時間定数が大きいので同じ方向のままである（図２３Ｋ）。
６）Ｌｃｏｍを貫流する電流は、もはやＣｐを流れ出ないが、その代わりにＣｐよりもはるかにインピーダンスが低い放電を通じて流れる。逆放電電流は、Ｌｃｏｍを通る電流の流れ及びＣｐ上の負電圧の両方によって駆動される。従って、放電を通しての負電流半サイクルのマグニチュードは、ＣＯＭインダクタの存在によって増加する（図２３Ｌ）。
【０１１１】
ＣＯＭの最適な作動は、ＣＯＭインダクタＬｃｏｍの総インダクタンスの最小化に依存する。２つの要素によって、Ｌｃｏｍの値が増加する。第１の要素は、Ｌｃｏｍ可飽和スイッチにおける十分なＶ*Ｓ積の必要性である。Ｖ*Ｓ積の所要値が大きくなるにつれて、フェライトコアのより大きな容積の必要性のために、このスイッチの飽和インダクタンスも大きくなる。ＣＯＭに関する初期の実験では、転送時間が１００ｎｓのパルスパワーシステムが使用された。Ｃｐ充電中に遠ざけるための所要コア容積は、それぞれ１．０インチ内径×２．５インチ外径×０．５インチ厚の８個のトロイダルコアであった。その後の実験では、２Ｘプログラム用に開発された転送時間が７５ｎｓのパルスパワーシステムが使用された。この転送時間を用いると、６個のコアのみが必要となり、ＣＯＭスイッチの飽和インダクタンスの２５％の低減をもたらした。
【０１１２】
Ｌｃｏｍのインダクタンスに影響する第２の要素は，ピークコンデンサバスの縦方向インダクタンスである。これまでに示した全ての概略図は、Ｃｐ及びＬｐを単一の集中回路素子として表している。これらの回路素子は、実際には分散されている。例えば、１６．５ｎＦのピーク静電容量は、それぞれ０．５９ｎＦの値を有する２８個の個々のコンデンサから成る。レーザチャンバのより現実的な概略図は、図１３に示されている。ピーク静電容量は、ここでは、Ｃｐ１、Ｃｐ２、．．．Ｃｐｎに分解される。ヘッドインダクタンスも同様に個々の素子に分解される。Ｃｐ及びＬｐ構成要素に加えて、バスインダクタンス素子Ｌｂ１からＬｂｎ−１がある。このバスインダクタンス素子は、ピークコンデンサ間の縦方向のインダクタンスを表す。通常、この回路素子は、Ｃｐ−Ｌｐ−Ｚｄループに参加せず、そのインダクタンス値は、パルスパワーモジュールの最終段の内側のＬｐ−１インダクタと比べて小さいので重要ではない。
【０１１３】
このバスインダクタンスは、ＣＯＭが分散された要素でなく、その代わりにピークコンデンサバスに単一点で電力供給するので、ＣＯＭを使用する時には重要になる。すなわち、Ｌｃｏｍから流れる電流は，放電に到達する前に様々な量のバスインダクタンスを通過する必要がある。ピークコンデンサバスの上部及び下部間において、できるだけ多くの磁束を排除するために、新しいピークコンデンサ相互接続板が設計されている。これらの磁束排除板の効果は、主放電後のピークコンデンサバス上に捕捉されたエネルギのリンギング周波数に見ることができる。下部磁束排除板の追加により、長さあたりのバスインダクタンスの１４％の低減がもたらされる。上部磁束排除板の追加もまた、同様な減少をもたらす。バスインダクタンスの最少化は、ＣＯＭシステムの効率を大きく増大させてきた。Ｌｃｏｍの値がより小さいために、ＣＯＭは、放電において、より高いピーク逆電流を作り出す。
【０１１４】
最初のＣＯＭ測定は、全圧力３６０ｋＰａのＡｒＦガス充填と、部分圧力０．３６ｋＰａのフッ素を用いて行われた。このガス混合は、全圧４４０ｋＰａの基本混合からのかなりの圧力低減を表している。過去１３ヶ月に亘って、パルスパワー及びチャンバ設計の様々な開発（そのほとんどは、既に列挙したもの）は、満足できる１９３ｎｍの光学利得を依然として維持しながら、ガス圧力の緩やかな低減を可能にしてきた。作動圧力低減の要望は、高繰返し率による性能（１０００Ｈｚ又はそれ以上）が、低いレーザガス圧でより安定であるという実験的発見から来るものである。
【０１１５】
３６０ｋＰａの圧力レベルでは、ＣＯＭ使用時のレーザシステムの効率の低下は、２０％から３０％であったので、９００Ｖ又はそれ以上のＶｃｏ値についてのみ固有２重パルス幅を得ることができるであろう。ある程度実験した後、より低い全圧力３００ｋＰａを用いると、ＣＯＭによる効率の低下は、ＫｒＦレーザの場合と類似のものであり、作動の成功は、最低でＶｃｏ値８００Ｖまで得られることが見出された。ＣＯＭなしのＶｃｐ及びレージング波形を、様々な充電電圧に関して図２３Ｍ（１〜４）に示す。ＣＯＭありのＶｃｐ及びレージング波形は、図２３Ｎ（１〜４）に示されている。
【０１１６】
ＣＯＭ使用時の効率の変化は、図２３Ｏに示す結果でわかる。全ガス圧を下げるにつれて、非ＣＯＭ構成とＣＯＭ構成との差が小さくなる。図２３Ｐは、ＣＯＭあり及びＣＯＭなしの１９３ｎｍパルス持続時間の測定値を示す。ＣＯＭを増設すると、レージングパルス持続時間は、約８ｎｓＦＷＨＭから３１ｎｓＦＷＨＭに増加される。残念ながら、８ｎｓＦＷＨＭ値は、２Ｘプログラムに対する基本ではない。比較のために、図１は、２Ｘプログラム基本性能に対する１６．８ｎｓＦＷＨＭパルス持続時間を示す。
【０１１７】
セクション４の結果は、ＣＯＭが効率的に１９３ｎｍ光学パルス持続時間を２倍にすることができることを示す。ラインナロードスペクトル性能、エネルギ安定性、及び電極侵食などの他の性能判断基準も同等に重要である。このセクションは、ＣＯＭを使用するラインナロードレーザシステムの性能測定を含む。高度にラインナローイングされたＡｒＦシステムには現在存在する未制御変数が多いために、ＫｒＦ構成が使用された。
【０１１８】
ＣＯＭが所定の位置にある状態のラインナローイング後の効率は、図２３Ｑに示すように、事実上ＣＯＭなしのものと全く同じである。出力エネルギ対作動電圧は、低い作動電圧では小さな欠点を示すだけであり、高い作動電圧では差は全く示していない。ＦＷＨＭスペクトル性能測定値を図２３Ｒに示す。ＣＯＭを使用すると、結果的にＦＷＨＭスペクトルが若干低くなり、また、全作動範囲に亘ってスペクトルの一貫性が増す。ＣＯＭ使用時のスペクトルの一貫性は、ＣＯＭを使用しなければパルス形状の劇的な変化があるのに対して、ＣＯＭの使用時にはパルス形状が作動電圧の範囲に亘って変化しないことに起因する可能性が最も高い。
【０１１９】
９５％スペクトル性能を図２３Ｓに示す。両方の構成とも、作動電圧低下による９５％スペクトル積分の減少が見られる。この効果は公知であり、作動電圧低下に対する空洞利得の減少によると考えられている。空洞利得を小さくすると、弱くレージングするスペクトルの「ウィング」は、レージング閾値にはるかに接近することから、スペクトルの本体よりもその影響を大きく受ける。また、パルス持続時間が長くなるほど９５％スペクトル積分が小さくなることも十分に理解されている。ＣＯＭなしの通常の場合に対して、スペクトルウィングの抑圧及びパルス持続時間というこれら２つの条件は、パルス持続時間が低い作動電圧に対して短くなり、ウィング抑圧とは逆に９５％スペクトル積分を増大させる傾向があるので相容れないものである。ＣＯＭは、作動電圧のほぼ全範囲に亘って一定のパルス形状を維持することから、スペクトルウィングの抑圧は、１００％の効果を達成することができる。９５％スペクトル積分の改善は、作動電圧が低いほど極端なものになる可能性がある。例えば、１０ｍｊ出力レベルでは、ＣＯＭを使用すると、９５％スペクトル積分における４５％の低減をもたらす。
【０１２０】
エネルギの安定性は、広帯域及びラインナロード作動のいずれの場合にも別の重要な性能パラメータである。レーザの光エネルギ安定性及びそれを測定することができる多くの作動モードを指定する方法が幾つかある。歴史的には、これらの様々な方法の全ては、一定の電圧モードでの作動中のエネルギの標準偏差σの単純な測定とある程度類似することがわかっている。図２３Ｔは、ラインナロードＫｒＦ作動に対する一定電圧モードにおけるエネルギ変動の測定値を示す。ＣＯＭの低繰返し率性能は、ＣＯＭなしの場合よりも若干悪いが、実質的に悪いということはない。理由はこの時点では不確かであるが、エネルギ安定性性能は、１５００ＨＺを上回る繰返し率の場合にはＣＯＭがあると劣化する。
【０１２１】
高繰返し率でのエネルギ安定性性能の劣化の可能性が高まった状態で、主放電後にＣＯＭインダクタに残っているエネルギによってストリーマー活動が引き起こされる。ＣＯＭインダクタは、電流の流れを通じてエネルギを蓄えることから、放電が終わり開回路になると、ＣＯＭインダクタに亘る電圧は、まだ存在している可能性があるいかなる電流の流れをも維持しようと試みてスパイク状に急上昇することになる。ＣＯＭインダクタに亘る、従って電極に亘る十分に大きな電圧スパイクは、雪崩を再開することになるが、今回は非均一な予備イオン化不良のガス媒体になり、アーク又はストリーマーをもたらす。これらのストリーマーは、主放電と比較して非常に低いエネルギ、即ち、２〜５Ｊと比較して１ｍｊのエネルギを有する可能性がある。
【０１２２】
これらのエネルギは小さいが、それらは、ストリーマーのエネルギ密度が主放電よりはるかに高くなるように非常に狭い領域に集中する。エネルギ密度が高いこのような狭い領域により、アーク領域から出る超過圧力波の形で音響エネルギが生じる。低い繰返し率では、この音響エネルギは、次のレーザパルスの前に消散することができ、従って、レーザ作動にほとんど影響を及ぼさない。高い繰返し率ではかなりの音響エネルギが残り、得られる圧力変動は、放電品質を乱す可能性がある。更に、高い繰返し率は、チャンバ容積の第１高調波共振に近づき、ストリーマーからの音響増加は、これらの共振にエネルギを注いでチャンバ内に音響定常波を形成する可能性がある。
【０１２３】
ＣＯＭ使用時のストリーマー密度の増加の更なる証拠は、フッ素消費量の比較に見出される。ＣＯＭによる注入の間隔が短くなると、フッ素消費量が３３％増えると考えられ、従って、電極侵食速度の同等な増加となる。「Ｃｙｍｅｒ」は、電極侵食が、電極間に発生するストリーマーの大きさ、量、及び頻度に大きく関係することを発見した。ＣＯＭを使用するとストリーマー活動が増えるようであり、チャンバ寿命に悪影響が及ぶことが予想される。
【０１２４】
パルス倍率器
パルス持続時間を延ばすための別の技術は、各パルスを２つ又はそれ以上の部分に分割し、第１の部分以外の全てを遅延させ、次に、それらを再び１つに結合させることである。１つのこのような技術は、本明細書において引用により組み込まれる、出願人の雇用主に譲渡された米国特許第６，０６７，３１１号で説明されている。別のこのような技術は、本明細書において引用により組み込まれる、２００１年１１月２９日出願の米国特許出願一連番号第１０／００６，９１３号で説明されている。その出願から抜粋された図２４Ａ、図２４Ｂ、及び図２４Ｃは、この技術を説明するものである。図２４Ａ及び図２４Ｃは、パルス拡大の前後の結果を示す。
【０１２５】
適用範囲を変更することなく、本発明に対して様々な変更を行うことができる。当業者は、多くの他の可能な変形を認識するであろう。本システムは、約３０００Ｈｚから最大６０００Ｈｚ又は８０００Ｈｚまで範囲内の任意の繰返し率のような４０００Ｈｚ以外の高パルス繰返し率を対象にして設計することができるであろう。８０００Ｈｚを超える繰返し率であれば、恐らく異なる送風機システムが必要になることになる。上述したレーザシステム、特にＫｒＦに対するシステムは、ガス混合気を変更し、１９３ｎｍ作動に対してＬＮＰ及び波長計を変更することにより、ＡｒＦレーザとして利用することができるであろう。好ましくは、電極間隔は、１６．５ｍｍから１３．５ｍｍに短縮される。例えば、帯域幅の能動フィードバック制御は、図２２Ａに示す曲げ機構を調節するためにモータ駆動装置を使用してラインナローイング格子の曲率を調節することにより行うことができる。または、格子の曲率を制御するために圧電装置を使用すれば、はるかに高速の帯域幅制御をもたらすことができるであろう。他の熱交換器設計は、本明細書で示した１つの構成の明白な変更例となるはずである。例えば、４つのユニットの全てを組み合わせて単一のユニットすることができるであろう。レーザのバーストモード作動の結果として発生す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上にはるかに大型のフィンを使用することには、顕著な利点があり得る。極めて高いパルス繰返し数では、パルスエネルギ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を制御するのに十分な速さである必要はないことが理解されるべきである。例えば、特定パルスのパルスエネルギ測定値が第２又は第３の後続パルスの制御に使用される制御技術を提供することができるであろう。波長計エタロン及び回折格子データを波長値に変換するためのアルゴリズムの多くの変形及び変更が可能である。例えば、本出願人は、非常に小さな誤差がエタロン光学系での集束誤差から生じ、これによってライン幅の測定値が実際よりも大きくなることを発見している。この誤差は、測定されるエタロン縞の直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、測定された縞がウィンドウを出る時の段階的な変化に注意することによって補正することができる。次に、ウィンドウ内の測定された縞の位置に基づいて補正係数を判断することができる。従って、以上の開示内容は、限定的であることを意図しておらず、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】
【０１２６】
【図１】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す図である。
【図２】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す図である。
【図２Ａ】従来技術によるレーザシステムの特徴を示す図である。
【図３】従来技術によるパルスパワーシステムの回路図である。
【図４Ａ】本発明の好ましい実施形態の正面図である。
【図４Ｂ】好ましい実施形態のレーザチャンバの横断面を示す図である。
【図５】好ましいパルスパワーシステムの電気回路図である。
【図６Ａ】２つの好ましい共振電源の１つを示す図である。
【図６Ｂ】２つの好ましい共振電源の１つを示す図である。
【図７】パルスパワー構成要素を冷却するための技術を示す図である。
【図７Ａ】パルスパワー構成要素を冷却するための技術を示す図である。
【図８】パルスパワー構成要素を冷却するための技術を示す図である。
【図９Ａ】可飽和インダクタの図である。
【図９Ｂ】可飽和インダクタの図である。
【図１０】パルス変成器を示す図である。
【図１０Ａ】パルス変成器コアを示す図である。
【図１１】第１の可飽和インダクタを冷却するための技術を示す図である。
【図１２】第２の可飽和インダクタを冷却するための技術を示す図である。
【図１２Ａ】第２の可飽和インダクタを冷却するための技術を示す図である。
【図１２Ｂ】第２の可飽和インダクタを冷却するための技術を示す図である。
【図１３】好ましい実施形態のチャンバにおける放電領域の図である。
【図１３Ａ】好ましい実施形態のチャンバにおける放電領域の図である。
【図１４】好ましい実施形態のログアウトを示す図である。
【図１４Ａ】波長及び帯域幅の計算を説明する図式である。
【図１４Ｂ】波長及び帯域幅の計算を説明する図表である。
【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】波長及び帯域幅モニタリングに使用されるエタロンの図である。
【図１４Ｆ】波長及び帯域幅モニタリングに使用されるエタロンの図である。
【図１４Ｇ】波長及び帯域幅モニタリングに使用されるエタロンの図である。
【図１４Ｈ】波長及び帯域幅モニタリングに使用されるエタロンの図である。
【図１５】波長及び帯域幅の計算に使用される構成要素を示すブロック図である。
【図１６】レーザビームの波長及びパルスエネルギを制御するの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」同調ミラーを制御するための技術を示す図である。
【図１６Ｂ１】「ＬＮＰ」同調ミラーを制御するための技術を示す図である。
【図１６Ｂ２】「ＬＮＰ」同調ミラーを制御するための技術を示す図である。
【図１６Ｃ】同調ミラーの圧電制御の効果を示す図である。
【図１６Ｄ】波長制御アルゴリズムを示す図である。
【図１６Ｅ】波長制御アルゴリズムを示す図である。
【図１７】格子面をパージするための技術を示す図である。
【図１７Ａ】格子面をパージするための技術を示す図である。
【図１７Ｂ】格子面をパージするための技術を示す図である。
【図１７Ｃ】格子面をパージするための技術を示す図である。
【図１８】２モータ送風機制御システムを示す図である。
【図１８Ａ】送風機ブレード構造体を示す図である。
【図１９】好ましいＮ2パージシステムの特徴を示す図である。
【図１９Ａ】好ましいＮ2パージシステムの特徴を示す図である。
【図１９Ｂ】好ましいＮ2パージシステムの特徴を示す図である。
【図２０】好ましいシャッタの特徴を示す図である。
【図２０Ａ】好ましいシャッタの特徴を示す図である。
【図２０Ｂ】好ましいシャッタの特徴を示す図である。
【図２１】好ましい水冷フィン付き熱交換器の特徴を示す図である。
【図２１Ａ】好ましい水冷フィン付き熱交換器の特徴を示す図である。
【図２２Ａ】チャンバをレーザキャビネットの所定の位置に設置する方法を示す図である。
【図２２Ｂ】チャンバをレーザキャビネットの所定の位置に設置する方法を示す図である。
【図２２Ｃ】チャンバをレーザキャビネットの所定の位置に設置する方法を示す図である。
【図２２Ｄ】チャンバをレーザキャビネットの所定の位置に設置する方法を示す図である。
【図２２Ｅ】第１のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｆ】第１のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｇ】第１のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｈ】第１のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｉ】第２のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｊ】第２のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｋ】第２のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｌ】第２のベローズ設計の特徴を示す図である。
【図２２Ｍ】出力ビーム列の高ＵＶフラックス領域をパージするためのパージ技術の特徴を示す図である。
【図２３Ａ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｂ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｃ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｄ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｅ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｆ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｇ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｈ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｉ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｊ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｋ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｌ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｍ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｎ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｏ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｐ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｑ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｒ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｓ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２３Ｔ】パルス伸長技術を説明する図である。
【図２４Ａ】別のパルス伸長技術を説明する図である。
【図２４Ｂ】別のパルス伸長技術を説明する図である。
【図２４Ｃ】別のパルス伸長技術を説明する図である。
【図３】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２Ｂ】
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【図１４】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【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２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２３Ｅ】
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【図２３Ｆ】
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【図２３Ｇ】
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【図２３Ｈ】
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【図２３Ｉ】
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【図２３Ｊ】
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【図２３Ｋ】
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【図２３Ｌ】
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【図２３Ｍ】
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【図２３Ｍ−１】
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【図２３Ｍ−２】
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【図２３Ｍ−３】
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【図２３Ｍ−４】
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【図２３Ｎ】
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【図２３Ｎ−１】
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【図２３Ｎ−２】
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【図２３Ｎ−３】
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【図２３Ｏ】
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【図２３Ｐ】
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【図２３Ｑ】
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【図２３Ｒ】
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【図２３Ｓ】
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【図２３Ｔ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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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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