(57)【要約】【課題】  レーザのパルス発振繰り返し数に応じてファン回転数を調整し、各パルス放電タイミングにおけるクロスフローファンのブレードと放電空間との位置関係をほぼ一定にする。【解決手段】  パルス発振繰り返し数指令値Freq(Rep)とクロスフローファンブレード枚数Nbladeとクロスフローファン回転数Freq(CFF)とがFreq(CFF)＝Freq(Rep)／Nblade×ｋ（ｋは自然数）をほぼ満たす範囲のFreq(CFF)で回転させる。【選択図】  図２
2006114689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともレーザチャンバと、その内部に封入されるレーザガスと、前記レーザチャンバ内に所定の距離をおいて配置される少なくとも一対のカソード電極およびアノード電極とからなる放電電極と、前記レーザガスを還流して前記放電電極間の放電空間内へレーザガスを送り込むクロスフローファンと、前記放電電極へパルス状の電流を供給する高電圧電源と、クロスフローファンの回転数Freq（CFF）、放電の繰り返し周波数Freq（Rep）、前記クロスフローファンのブレードの枚数Nblade、ｋを自然数整数としたときに、関係式Freq（CFF）=Freq（Rep）/Nblade×ｋを満たすクロスフローファンの回転数Freq（CFF）の±１０％の範囲内で回転する放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項２】
クロスフローファンの回転数は前記関係式Freq（CFF）=Freq（Rep）/Nblade×ｋを満たすクロスフローファンの回転数Freq（CFF）の±５％の範囲内で回転する請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【請求項３】
クロスフローファンの回転数は前記関係式Freq（CFF）=Freq（Rep）/Nblade×ｋを満たすクロスフローファンの回転数Freq（CFF）で回転する請求項１記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス発振する放電励起ガスレーザ装置の出力特性改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
エキシマレーザ装置や炭酸ガスレーザ装置等のパルス発振放電励起ガスレーザ装置においては、レーザガスを封入するレーザチャンバ内に対向配置する主電極間の放電空間に高電圧を印加してパルス放電を生じさせ、レーザガスを励起してレーザ光を発振させる。その際に生じる衝撃波や音響波はレーザチャンバ内部にある様々な構造部材から放電領域へ向けて反射して放電空間のレーザガスのガス密度が揺らぎ、レーザ光のビームプロファイル（強度分布）や出力レーザ光エネルギーレベルが不安定になるため、これを改善する発明考案が多数特許出願等されてきている。従って、そうした構造部材の凹凸を可能な限り無くすことが望ましく、例えば主放電電極周囲の壁面を平坦にして音響波反射源を減らす発明が特許文献１に開示されている。
【０００３】
しかし、レーザチャンバ内部にあるクロスフローファンはレーザガスを連続して流すために多数の羽を持っていて、それらが音響波反射源となっている。これを防止するための技術が、例えば特許文献２に開示されている。
【０００４】
図及び図は特許文献２記載のファンの形状、構造である。図のファン２６０ではそのブレード２６４が、曲げられ、又は捩られている。図のファン２００では各ブレード部材２１４は横流ファン２００の長手方向回転軸２２２と長手方向に平行で、円周２２０と同心に位置合わせされる。しかし、セクション２１０のブレード部材２１４は、隣接セクション２１０のブレード部材２１４に対して円周角φだけオフセットされる。
【０００５】
いずれのファンもレーザチャンバ内部に設置されるとその回転軸２７０と２２２は放電電極の長手方向と平行になる。従って、ファンのブレードが回転軸と平行ならば放電により生じた衝撃波、音響波の伝播波がファンのブレードに衝突して反射すると、再び前記放電電極間の空間内部へ戻り、前記の通り放電空間のレーザガスのガス密度が揺らぎ、レーザ光のビームプロファイル（強度分布）や出力レーザ光エネルギーレベルが不安定になる。しかし、図ではブレード２６４が曲げられているためブレードからの反射音響波の波面は入射音響波の波面と平行にはならず、放電空間内に生ずるレーザガスのガス密度揺らぎはレーザ光軸方向に不均一に分布する。図のブレードのように、ブレードが回転軸２２２と平行であっても、段差を持って配置されているため図と同様にブレードからの反射音響波の波面は入射音響波によって放電空間内に生ずるレーザガスのガス密度揺らぎはレーザ光軸方向に不均一に分布する。従って電極長手方向ではレーザガスのガス密度揺らぎが平均化されてビームプロファイルの乱れ、出力光エネルギーの不安定性等も緩和される。
【特許文献１】特開２００３−２９８１５５号公報
【特許文献２】特開２００３−５００８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザチャンバを小型化して放電空間とファンとを近づけて配置するとファンから放電空間内へ音響波反射が生ずるおそれがある。この問題は特許文献２のファンによって緩和することができる。しかし、特許文献２にも明記されているように図のファンは製造が難しく、かつ高価になる。図のファンはブレードの段差配置の位置決め処理等が難しい可能性がある。
【０００７】
そこで、ファンの個々のブレードが回転軸に対して同一直線上にあり、且つ回転軸に平行となるいわゆる従来から使われていたファンを用いて音響波の影響を減らすことが望ましい。
【０００８】
そこで、発明者はクロスフローファンとエネルギー安定性の関係を検討したのでその内容を説明する。
【０００９】
図４はレーザチャンバ内部の構成の概要を示すものである。主放電電極であるカソード電極とアノード電極、クロスフローファン（ＣＦＦ）、放電で加熱したレーザガスを冷却するためのラジエータを有する。近年レーザ装置の小型化が進み、それに伴い放電空間とクロスフローファンの距離が近づいてきているためクロスフローファンから反射する音響波の影響は大きくなっている。
【００１０】
エキシマレーザから出た光の評価指標の一つであるエネルギー安定性（σ）は、所定数のパルスエネルギーの標準偏差を計算することにより得られる。連続した所定数のパルスエネルギーを高速フーリエ変換し、周波数成分に分解してみるとパルス発振繰返し周波数、クロスフローファンの回転数、ブレードの枚数に応じてエネルギー安定性に複数の特異なピークがあることが発明者の実験により明らかとなった。
【００１１】
この実験で明らかとなった現象の発生メカニズムについてはまだ詳細にはわかっていない。しかし現段階では、次のように推測している。既に述べた通り、電極間で放電が開始すると音響波（圧力の粗密）が発生することが知られている。この音響波はレーザガス中を音速で進み、チャンバ内の壁面等で反射する。放電空間とチャンバ壁面等が一定の位置関係にあるときには、反射された音響波は常に一定の時間や強度、反射方向で放電空間に戻り、次の放電の瞬間、あるいはそれ以降に続いて生ずる放電の瞬間に放電空間に圧力の粗密を生じる。しかし、クロスフローファンは回転しているため、放電空間で発生した音響波を放電空間へ反射するクロスフローファンと放電空間とが一定の位置関係に無く、クロスフローファンの回転しているブレードから様々な角度で反射し、放電空間に戻ってきたために、エネルギー安定性を悪化させたものと考えている。これについて図１と図５を用いて説明する。
【００１２】
図５は音響波の発生、進行、反射の様子をクロスフローファンとの関係のみに着目して示している。レーザチャンバ内のカソード電極とアノード電極との間で放電が生じ、クロスフローファンの方向へ音響波が図５の矢印で示すように進行する。その音響波はクロスフローファンで反射し、図５の矢印で示すように放電空間へ戻ってゆく。ただし、クロスフローファンのどの箇所に当って反射しているのかは現段階では明確にはわかっていない。
【００１３】
図５ではクロスフローファンからの反射として考えられる３つの経路を図示した。（ａ）放電空間に近いブレードで反射するもの、（ｂ）ファンのシャフトで反射するもの、（ｃ）放電空間に遠いブレードで反射するものである。この他にも、図６に矢印で示したように（ｄ）クロスフローファンで反射された音響波がチャンバ壁に当りさらにそこで反射して放電空間に戻る経路も考えられる。また図７に矢印で示したように（ｅ）クロスフローファンを通り抜けチャンバ壁で反射してまた放電空間に戻ってくる経路も考えられる。（ａ）〜（ｅ）のうちのどれか、あるいはそのうちの複数が原因となりエネルギー安定性を悪化させていると考えられる。
【００１４】
前記したようにクロスフローファンは回転しているため、放電空間で発生した音響波を放電空間へ反射するクロスフローファンと放電空間とが一定の位置関係に無く、上記（ａ）乃至（ｅ）のいずれの経路で音響波が反射してくるにしても、クロスフローファンの回転しているブレードの影響で様々な角度から放電空間に反射してくると考えられる。
【００１５】
図１は、パルス発振繰り返し数が４ＫＨｚ、クロスフローファンを所定の回転数で回転させた場合の放電空間内レーザガス圧力変動を示している。所定の回転数とは、放電で発生した生成物を、次の放電までの時間内に放電空間から排除するに必要なガス流速を得る回転数をいう。横軸は時間、縦軸は放電空間のレーザガスの規格化した圧力である。４ＫＨｚであるから０．２５ミリ秒毎にパルス放電が生じ、そのタイミングを記号□で図示してある。放電により生ずる音響波がクロスフローファンで反射し、放電空間へ戻ってくるのであるが、音響波を反射する時点でのクロスフローファンの姿勢（放電空間に対するブレードの角度等）は、各放電タイミングによって一定ではないため、図５、図６、図７の前記説明で述べたようにクロスフローファンの回転しているブレードの影響で音響波は様々な角度から様々な強度で放電空間に反射してくると考えられる。その反射音響波が放電空間へ入射する角度や強度の影響で放電空間内レーザガスの圧力も変動するため、図１の各記号□の位置が様々な圧力にばらついている。
【００１６】
発明の目的は以上のような従来の問題点を解決するためになされたもので、レーザ装置の小型化を推進しながら音響波の影響を軽減することである。本発明はこうした目的を達成するものであるが、従来はこのような問題の対策として反射可能な壁面を加工（孔をあける、溝を彫る、傾ける）することが一般的であった。しかし本発明はそのような加工なしに、あるいはこうした加工と組み合わせて音響波の影響を一層軽減することのできることが特徴である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
レーザのパルス発振繰り返し数に応じてファン回転数を調整し、各パルス放電タイミングにおけるクロスフローファンのブレードと放電空間との位置関係をほぼ一定にする。
【発明の効果】
【００１８】
音響波がクロスフローファンから放電空間へ反射してくる角度や強度がパルス放電毎にほぼ一定となるため、音響波によって放電空間内に生ずるレーザガスのガス圧力や密度揺らぎの状況がパルス発振の度にほぼ一定となる。これによりパルス放電条件の変動を抑制するため、レーザ出力光エネルギーの安定度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
ファンのブレード等から放電空間内へ音響波が反射して、放電空間内に生ずるレーザガスのガス密度揺らぎの状況がパルス発振の度に変化することがレーザ光のビームプロファイルやエネルギー不安定性、ビームダイバージェンス変動等をもたらすという知見に基づき、ファン回転数を調整して、反射音響波によって放電空間内に生ずるレーザガスのガス密度揺らぎの状況がパルス発振の度にほぼ一定である状態の実現を目指した。
【００２０】
クロスフローファンの回転数を一定にして、放電周波数を変化させた時のエネルギー安定度σの変化を実測した。その結果を示す図２は横軸が放電の繰り返し周波数、縦軸がエネルギー安定度である。このデータはクロスフローファンの回転数を一定にし放電繰り返し周波数を1000Hzから4000Hzまで変化させて取得したものである。図２より、エネルギー安定度がある放電繰り返し周波数(図では約2800Hzと1400Hz)で最大１/2にまで良くなっていることがわかる。その理由はこの２点では各パルス放電タイミングにおけるクロスフローファンのブレードと放電空間との位置関係がほぼ一定になっているためであると考えられる。図のＡ点の繰り返し周波数はクロスフローファンの回転数にブレードの枚数を掛け合わせた数に一致する。またＢ点の繰り返し周波数はその値の半分である。この実施例より、エネルギー安定性を最小にする放電繰り返し周波数とクロスフローファンの回転数及びブレードの枚数の関係式を以下のように導くことができる。
【００２１】
Freq（CFF）=Freq（Rep）/Nblade×ｋ…式（１）
ここでFreq（CFF）はクロスフローファンの回転数、Freq（Rep）は放電の繰り返し周波数、Nbladeはブレードの枚数を表している。またｋは整数を表している。通常露光用エキシマレーザの発振周波数は露光機からの信号によって決められるが、クロスフローファンの回転数は必要に応じてレーザ装置側で決めることができる。そこで、要求された放電繰り返し周波数に応じてクロスフローファンの回転数を式（１）に従って変化させれば、常に音響波の影響を一定にしてエネルギーσを最小にすることができる。式（１）は発振周波数とクロスフローファンの周波数を同期させると、エネルギーが安定することを意味している。
【００２２】
図２のＡ点又はＢ点の繰り返し周波数での前記した図１と同様の図を図３に示す。図３では音響波の影響による変動後の放電空間内レーザガス圧力値がパルス放電毎にほぼ一定となっている。
【００２３】
以上述べてきたクロスフローファン回転数制御を図８、図９に示すタイプのファンへ適用しても、音響波提言効果を一層向上させることができる可能性もある。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、半導体リソグラフィー用光源等の出力光エネルギー安定性を求められる放電励起式ガスレーザ装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１はクロスフローファン回転数を調整しない場合の放電空間内レーザガス圧力変動を示している。
【図２】図２はクロスフローファンの回転数を一定にして、放電周波数を変化させた時のエネルギー安定度の変化である。
【図３】図３はクロスフローファン回転数を調整した場合の放電空間内レーザガス圧力変動を示している。
【図４】図４はレーザチャンバ内部構成の概要である。
【図５】図５は音響波の発生、進行、反射の様子をクロスフローファンとの関係のみに着目して示している。
【図６】図６はクロスフローファンで反射された音響波がチャンバ壁に当りさらにそこで反射して放電空間に戻る経路を示す。
【図７】図７は音響波がクロスフローファンを通り抜けチャンバ壁で反射してまた放電空間に戻ってくる経路を示す。
【図８】図８は従来のクロスフローファンである。
【図９】図９は従来のクロスフローファンである。
【図１】
2006114689.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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