(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素を含むレーザガスが充填されているレーザチェンバを備え、このレーザチェンバ内で放電を行うことにより前記レーザガスを励起して紫外域のレーザ光を発振させるガスレーザ装置において、
前記レーザチェンバ内にフッ素濃度変化をモニターする定電流駆動のコロナ放電プローブを備えており、前記コロナ放電プローブの放電電圧変化に基づいてフッ素ガスの注入を行うことを特徴とする紫外線を放出するガスレーザ装置。
【請求項２】
前記コロナ放電プローブを電気集塵器が兼ねていることを特徴とする請求項１記載の紫外線を放出するガスレーザ装置。
【請求項３】
前記コロナ放電プローブの初期放電電圧若しくはフッ素ガス注入直後の電圧をＶＨとし、ΔＶを予め定めた値とし、前記放電電圧がＶＬ＝ＶＨ−ΔＶになったときにフッ素ガスの注入を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の紫外線を放出するガスレーザ装置。
【請求項４】
前記レーザガスがフッ素ガス、アルゴンガス及びバッファーガスからなる混合ガスであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の紫外線を放出するガスレーザ装置。
【請求項５】
前記レーザガスがフッ素ガス及びバッファーガスからなる混合ガスであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の紫外線を放出するガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線を放出するガスレーザ装置に関し、特に、レーザガスとしてフッ素ガスを用いるエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれ、投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、次世代の半導体露光用光源としてＡｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
【０００３】
ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、また、フッ素レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファーガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａでレーザチェンバ内に封入され、そのレーザチェンバ内部に所定間隔離間して対向配置された一対の主放電電極が設けられている。レーザチェンバの内部でこの主放電用電極で放電を発生されることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００４】
発振されるレーザ光のパルス幅及び発振の安定度は、レーザガス中に含まれるフッ素（以下、Ｆ2 と表記）濃度に敏感であり、Ｆ2 濃度の細かい制御が必要である。
【０００５】
ところが、Ｆ2 濃度は放電により消費されると共に、放電しない場合でも化学反応により金属と結合し消費されてしまう。このため、連続パルス発振と休止を繰り返すバースト運転では休止時間の長さによって時間当たりのＦ2 の消費量が大きく変化する。また、この他、長時間の動作において時間に対するＦ2 消費量、動作に対するＦ2 消費量が変化する。そのため、精度の良いＦ2 濃度モニターと注入方法が必要である。
【０００６】
従来、特開平１１−２７４６１０号においては、Ｆ2 濃度と放電励起回路の充電電圧との間に関数関係があるので、リアルタイム又は実質的にリアルタイムでこの充電電圧をモニターしてＦ2 濃度の変化を検知し、一定電圧変化毎にＦ2 をレーザチェンバ内に注入している。
【０００７】
また、パルス発振レーザ光のスペクトル幅とＦ2 濃度との間に関数関係があるので、このスペクトル幅を測定し、その測定結果に基づいてＦ2 をレーザチェンバ内に注入するものが特許２，６６８，４８９号において提案されており、また、パルス発振レーザ光のエネルギーのバラツキとＦ2 濃度との間に関数関係があるので、このバラツキを測定し、その測定結果に基づいてＦ2 をレーザチェンバ内に注入するものが特開平１０−１７３２７３号においてが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＦ2 濃度モニター方法は、何れもＡｒＦエキシマレーザ装置等のガスレーザ装置を実際に動作させてＦ2 濃度の変化を検知するものであり、レーザ発振動作とは独立にＦ2 濃度変化を検知するものではない。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザガスとしてフッ素ガスを用いるエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置において、レーザ発振動作とは独立に動作時間及び休止時間を考慮する必要なしに、Ｆ2 濃度変化を検知しその変化が所定値に達したときにＦ2 を補充するガスレーザ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の紫外線を放出するガスレーザ装置は、フッ素を含むレーザガスが充填されているレーザチェンバを備え、このレーザチェンバ内で放電を行うことにより前記レーザガスを励起して紫外域のレーザ光を発振させるガスレーザ装置において、
前記レーザチェンバ内にフッ素濃度変化をモニターする定電流駆動のコロナ放電プローブを備えており、前記コロナ放電プローブの放電電圧変化に基づいてフッ素ガスの注入を行うことを特徴とするものである。
【００１１】
この場合、コロナ放電プローブを電気集塵器が兼ねるように構成することもできる。
【００１２】
また、コロナ放電プローブの初期放電電圧若しくはフッ素ガス注入直後の電圧をＶＨとし、ΔＶを予め定めた値とし、その放電電圧がＶＬ＝ＶＨ−ΔＶになったときにフッ素ガスの注入を行うようにすることが望ましい。
【００１３】
なお、本発明は、レーザガスがフッ素ガス、アルゴンガス及びバッファーガスからなる混合ガスであるＡｒＦエキシマレーザ装置にも、レーザガスがフッ素ガス及びバッファーガスからなる混合ガスであるフッ素レーザ装置にも適用することができる。
【００１４】
本発明においては、レーザチェンバ内にフッ素濃度変化をモニターする定電流駆動のコロナ放電プローブを備えており、そのコロナ放電プローブの放電電圧変化に基づいてフッ素ガスの注入を行うので、レーザ発振動作とは独立に動作時間及び休止時間を考慮する必要なしに、Ｆ2 濃度変化を検知しその変化が所定値に達したときにＦ2 を補充することができ、パルス幅及び発振エネルギーの安定度の高い紫外線を放出するガスレーザ装置を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の紫外線を放出するガスレーザ装置の原理と実施例について説明する。
【００１６】
図２に本発明を適用するガスレーザ装置の例としてエキシマレーザ装置の概略の構成を示すレーザ発振方向に垂直な断面図であり、レーザチェンバ１内にはＦ2 を含むレーザガス（ＡｒＦエキシマレーザの場合は、ＡｒガスとＦ2 ガスとＮｅガスの混合ガス）が注入されており、レーザガスのガス流２を形成するためのファン３、レーザガスを励起する電極４ａ、４ｂ、熱交換器５等が設けられており、この中、電極４ａ、４ｂは、レーザチェンバ１内の上部にあって互いに対向する位置に設けられ、レーザ発振に必要な放電を行う。ファン３は、レーザチェンバ１内の下部にあって、レーザガスをレーザチェンバ１内で循環させる。電極４ａ、４ｂの放電によって加熱されたレーザガスは、ファン３によってガス流２が生起されてレーザチェンバ１内を循環し、レーザチェンバ１内の側部に設けられた熱交換器５で冷却される。
【００１７】
レーザチェンバ１内の側部には、電気集塵器６が配置され、ガス流２がこの中を流れてレーザガス中のダストが除去される。
【００１８】
図１は以下に詳細に示す図２に対応する本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置の１実施例のシステム構成図である。この実施例のＡｒＦエキシマレーザ装置は、従来と同様に、図１のような構成のレーザチェンバ１と、図１の電極４ａ、４ｂ間に放電を生起させてレーザガスを励起するための高電圧を発生させる高電圧パルス発生装置７、レーザ光を１ｐｍ以下に狭帯域化するための狭帯域化モジュール８、高電圧パルス発生装置７、狭帯域化モジュール８等を制御するコントローラ９、出力モニター１０、波長モニター１１を備えている。このような構成において、レーザチェンバ１より放出されたレーザ光の一部はビームスプリッタにより分岐され、出力モニター１０、波長モニター１１に導かれ、レーザ出力を出力モニター１０により検出し、この検出に従ってコントローラ９を介して高電圧パルス発生装置７への充電電圧を制御することで、レーザ出力を一定に安定化している。また、レーザ出力波長は波長モニター１１で検出され、その検出信号はコントローラ９に送られそこで所望の波長と比較され、その誤差信号に基づいて狭帯域化モジュール８を駆動制御することで、レーザ出力波長を一定に安定化している。
【００１９】
ところで、本発明のガスレーザ装置に用いられる電気集塵器６の１例を図３に示す。図３（ａ）は電極部長手方向断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の線Ａ−Ａ’に沿った電極部断面図であり、中心部の放電電極２１と、それを取り囲む円筒状の集塵電極２２と、放電電極２１と集塵電極２２の間に電圧を印加してコロナ放電を生起させる定電流電源２３とから構成されている。
【００２０】
この電気集塵器６の基本的な作用としては、集塵電極２２内を通過したレーザガスのガス流２中のダストが、負コロナ放電により負イオン化し、集塵電極２２に蓄積され除去されるものである。
【００２１】
ここで、本発明において重要なのは、このような定電流駆動の電気集塵器６において、放電電極２１と集塵電極２２の間に生じる放電電圧Ｖ（定電流電源２３の出力端子に発生する電圧）は、レーザガスのＦ2 濃度に依存することである（図５参照）。したがって、本発明においては、この電気集塵器６をＦ2 濃度変化モニターとして利用するものである。そして、この電気集塵器６からの放電電圧Ｖをコントローラ９に送り、その電圧に基づいてコントローラ９は間欠的にガス導入排気装置１２中のＮｅ希釈Ｆ2 を注入するバルブＶ１、Ｖ２を開閉してＮｅと共にＦ2 をレーザチェンバ１内に所定量注入するようにするものである。
【００２２】
以下、具体例に基づいて説明する。前記したようにレーザ光のパルス幅及び発振の安定度（バラツキ）は、レーザガス中に含まれるＦ2 濃度に敏感であり、Ｆ2 濃度の細かい制御が必要である。図４はＡｒＦエキシマレーザ装置のＦ2 濃度とパルス幅の関係を示した図である。ＫｒＦエキシマレーザ装置に比べて短波長であるＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、露光装置の光学系の長寿命化を図るために、レーザパルス幅はできる限り長い方（ピーク強度が低い方）が有利である。図４より、５０ｎｓ以上のレーザパルス幅を維持するためには、Ｆ2 濃度が０．２５ｋＰａから０．３５ｋＰａの間にある必要がある。
【００２３】
これに対し、図３のような構成の電気集塵器６の放電電圧Ｖ（定電流電源２３の電流１ｍＡで一定）とＦ2 濃度の関係は、図５のようになる。レーザガス全圧が４００ｋＰａの場合、Ｆ2 濃度が０．２５〜０．３５ｋＰａである範囲は、１．８４ｋＶから１．８９ｋＶの間の約５０Ｖである。この範囲に電気集塵器６の電圧が保持されていれば、Ｆ2 濃度は常に前述の範囲（０．２５〜０．３５ｋＰａ）になり、レーザパルス幅が５０ｎｓ以上に維持されていることになる。
【００２４】
実際には、Ｆ2 注入の場合のＦ2 は１００％のものではなく、Ｎｅで希釈した１％程度の濃度であるため、Ｎｅ希釈Ｆ2 を注入するとＮｅの増加によって放電電圧Ｖが増加する。このため、このＮｅ増加による放電電圧Ｖの増加分を補正する必要がある。
【００２５】
Ｎｅの場合は、１０ｋＰａの増加に対して、放電電圧Ｖの増加は約３０Ｖである。ここでは、Ｆ2 濃度を０．２８から０．３２ｋＰａの間に保つ場合について考察する。まず、初期状態において、Ｆ2 濃度が０．３２ｋＰａ（全圧４００ｋＰａ）であるとすると、放電電圧Ｖは、１．８７５ｋＶになる。放電等によるＦ2 消費により、Ｆ2 濃度が０．２８ｋＰａになると、放電電圧Ｖは約２０Ｖ低下し、１．８５５ｋＶになる。ここで、１％Ｆ2 （Ｎｅ希釈）を４ｋＰａ注入すると（Ｆ2 注入は、ガス圧力をモニターすることにより行う。）、Ｆ2 濃度は０．３２ｋＰａになり、放電電圧Ｖは、Ｎｅの注入分を含め、３２Ｖ増加し、１．８８７ｋＶに増加する。
【００２６】
このように、放電電圧Ｖは、徐々に増加する傾向にある。これを補正するために、目標Ｆ2 濃度の最大値（上記の場合、０．３２ｋＰａ）における放電電圧ＶをＶＨ、目標Ｆ2 濃度の最小値（上記の場合、０．２８ｋＰａ）における放電電圧ＶをＶＬ、このＶＨとＶＬの差をΔＶと置き、電圧がＶＬ（ＶＨ−ΔＶ）になったときに、Ｆ2 注入を行うようし、かつ、上記のＶＬの値を次式のように規程する。
【００２７】
ＶＬ（ｉ＋１）＝ＶＨ（ｉ）−ΔＶ                      ・・・（１）
ここで、ΔＶ：定数（上記の場合、２０Ｖ）、ｉ：Ｆ2 注入回数、ＶＨ（ｉ）：
ｉ回目のＦ2 注入直後の放電電圧の測定値、ＶＬ（ｉ＋１）：次回のＦ2 注入を行うための放電電圧の設定値とする。ここで、ΔＶの値は変わらない。
【００２８】
消費されるのはＦ2 のみであるという関係から、上記（１）式が成り立つ。このように設定することにより、ＶＬは常に更新されることになり、Ｎｅの増加による電圧の増加を補正することが可能となる。
【００２９】
図６は、このように定電流駆動の電気集塵器６の放電電圧Ｖの一定電圧変化毎にＮｅ希釈Ｆ2 をレーザチェンバ内に注入して、発振されるレーザ光のパルス幅及び発振の安定度を図る場合のＦ2 注入回数と放電電圧Ｖの関係を示す図である。なお、この図中、前回のＦ2 注入から今回のＦ2 注入までの間の放電電圧Ｖの変化の勾配は模式的なものであり、その間の運転状況、休止状況等により大きき変わるものである。
【００３０】
また、図７に、このようなＦ2 注入のための動作制御のフローチャートを示す。図７において、ステップＳＴ１において、レーザガスを交換後、パラメータΔＶを設定してスタートし、ステップＳＴ２において、タイマーを０に設定し、電気集塵器６の放電電圧ＶＨ（０）を測定すると共に、上記（１）式に基づいてＶＬ（１）を設定する。次いで、ステップＳＴ３において、タイマーが一定時間（測定間隔）Δｔ経過毎に放電電圧Ｖを測定する。その測定後、ステップＳＴ４において、測定された放電電圧ＶがＶＬ（１）以下になったか否かを判定する。この判定結果、放電電圧ＶがＶＬ（１）より大きい限り、ステップＳＴ３とステップＳＴ４のループを継続する。放電電圧ＶがＶＬ（１）以上になると、ステップＳＴ５において、１回目のＦ2 注入を行う。以後、ステップＳＴ２からステップＳＴ５を繰り返し、２回目以降のＦ2 注入を間欠的に行う。
【００３１】
この制御方式により、レーザ装置のレーザ発振動作に関係なく、リアルタイムにＦ2 濃度変化をモニターし、Ｆ2 注入動作を繰り返すことができる。
【００３２】
なお、パラメータΔＶの値は、電気集塵器６の形状、状態、Ａｒ濃度、レーザガス全圧等に依存するので、動作開始前にＦ2 濃度変化に対する放電電圧Ｖの変化を測定し、ΔＶの値を更正するようにすることが望ましい。
【００３３】
以上は、レーザガス中のＦ2 濃度変化モニターとして、レーザガス中のダスト除去用の電気集塵器６を利用するものであったが、電気集塵器６を利用せずに、レーザチェンバ１内にＦ2 濃度変化モニターとしての定電流駆動のコロナ放電器（コロナ放電プローブ）を別に配置をしても、同様の機能のものを得ることができる。図８（ａ）、（ｂ）にこのようなＦ2 濃度変化モニターと使用できる定電流駆動コロナ放電器６’を例示する。図８（ａ）の場合は、同じ形状の放電電極２４、２４を対向させて配置し、放電電極２４、２４間に定電流電源２３から電圧を印加してコロナ放電を生起させるものである。図８（ｂ）の場合は、電界集中を起こして放電を起こしやすくするために、尖状の放電電極２５を対向電極２６に対して離間して配置し、放電電極２５と対向電極２６の間に定電流電源２３から電圧を印加して放電電極２５から対向電極２６に負コロナ放電を起こさせるものである。
【００３４】
このような定電流駆動コロナ放電器６’を電気集塵器６とは別に配置すると、電気集塵器６の場合は、長時間の動作によるダストの蓄積により放電電圧が変化するが、別のコロナ放電器６’を用いる場合は、ダストの少ない場所、例えば電気集塵器６の出口側に配置することにより、ダストの蓄積による特性の変化を抑えることが可能となるメリットがある。
【００３５】
以上、本発明の紫外線を放出するガスレーザ装置をＡｒＦエキシマレーザ装置を例にあげて説明してきたが、上記の基本原理は、フッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスをレーザガスとして、同様に放電励起するフッ素レーザ装置にも適用できることは明らかである。また、フッ素以外のハロゲンガスを使用するレーザ装置にも本発明を適用することができる。
【００３６】
以上、本発明の紫外線を放出するガスレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の紫外線を放出するガスレーザ装置によると、レーザチェンバ内にフッ素濃度変化をモニターする定電流駆動のコロナ放電プローブを備えており、そのコロナ放電プローブの放電電圧変化に基づいてフッ素ガスの注入を行うので、レーザ発振動作とは独立に動作時間及び休止時間を考慮する必要なしに、Ｆ2 濃度変化を検知しその変化が所定値に達したときにＦ2 を補充することができ、パルス幅及び発振エネルギーの安定度の高い紫外線を放出するガスレーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＡｒＦエキシマレーザ装置の１実施例のシステム構成図である。
【図２】本発明を適用するＡｒＦエキシマレーザ装置の概略の構成を示す断面図である。
【図３】本発明のガスレーザ装置に用いられる電気集塵器の１例の断面図である。
【図４】ＡｒＦエキシマレーザ装置のフッ素濃度とパルス幅の関係を示す図である。
【図５】図３の電気集塵器の放電電圧とフッ素濃度の関係を示す図である。
【図６】本発明に基づくフッ素注入回数と放電電圧の関係を示す図である。
【図７】フッ素注入のための１例の動作制御のフローチャートである。
【図８】定電流駆動のコロナ放電器の構成を例示する図である。
【符号の説明】
１…レーザチェンバ
２…レーザガスのガス流
３…ファン
４ａ、４ｂ…レーザガスを励起する電極
５…熱交換器
６…電気集塵器
６’…定電流駆動コロナ放電器
７…高電圧パルス発生装置
８…狭帯域化モジュール
９…コントローラ
１０…出力モニター
１１…波長モニター
１２…ガス導入排気装置
２１…放電電極
２２…集塵電極
２３…定電流電源
２４…放電電極
２５…放電電極
２６…対向電極
【図１】
0003724553.tif 000002
【図２】
0003724553.tif 000003
【図３】
0003724553.tif 000004
【図４】
0003724553.tif 000005
【図５】
0003724553.tif 000006
【図６】
0003724553.tif 000007
【図７】
0003724553.tif 000008
【図８】
0003724553.tif 000009