(57)【要約】【課題】発振効率を低下させることなく高繰返しの発振が可能な狭帯域化放電励起エキシマレーザ装置を提供すること。【解決手段】ＬＭＮ３を有し、レーザチャンバ１１と該レーザチャンバ内部に、所定間隔離間して対向する一対の電極を備えた狭帯域発振段レーザ（ＭＯ）１０において、電極幅を１〜２ｍｍとし、電極幅と間隔のアスペクト比（電極の幅／電極間距離）を０．２５〜０．１２５とし、ＬＮＭ３のスリット幅を２ｍｍ以下とする。これにより、レーザチャンバの構造などのその他のパラメータに依存することなく、放電幅を設計どおりの所望の値にすることができ、また、狭帯域効率を低下させることなく、ガス流を生成するファンを駆動するモータへ供給する電力を増大させることなく、安定した１０ｋＨｚ以上の高繰返しの発振が可能となる。【選択図】          図１
2008198919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザガスが封入されたレーザチャンバと、該レーザチャンバ内部に所定間隔離間して対向する一対の電極と、拡大プリズムとグレーティングによって構成され、スリットを通過するレーザ光が入射する狭帯域化モジュールと、上記電極間を通過するレーザガスを循環させるクロスフローファンとを備え、
高電圧電源から上記一対の電極へパルス状の電圧を印加し、上記一対の電極間に放電を発生させる狭帯域放電励起レーザ装置であって
上記一対の電極の幅は１〜２ｍｍであり、電極の幅と電極間距離の比（電極の幅／電極間距離）が０．２５〜０．１２５である
ことを特徴とする狭帯域放電励起レーザ装置。
【請求項２】
上記狭帯域化モジュールのスリット幅が２ｍｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の狭帯域放電励起レーザ装置。
【請求項３】
上記一対の電極へ印加されるパルス状の電圧の繰返し周波数が１０〜２０ｋＨｚである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の狭帯域放電励起エキシマレーザ装置。
【請求項４】
請求項１，２または請求項３の狭帯域放電励起レーザ装置を、発振段レーザ（ＭＯ）と、増幅（ＰＡ）もしくは増幅段レーザ（ＰＯ）を有する２ステージレーザ装置の発振段レーザとして使用した
ことを特徴とする狭帯域放電励起レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は狭帯域放電励起エキシマレーザ装置に関し、特に、高出力が可能で高い狭帯域化効率を実現でき、さらに高繰返し周波数で発振が可能な露光装置用狭帯域放電励起エキシマレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テクノロジーノードが進むにつれて、４５ｎｍから３２ｎｍノードでは、ＡｒＦエキシマレーザを光源とする露光装置において液浸技術による高ＮＡ（１．３〜１．５）化と２重露光、ダブルパターニング等の二回露光が主力となると考えられる。
ＡｒＦレーザ露光装置用光源の要求を以下に示す。
１．高ドーズ安定性の確保と高スループット化に伴い高繰返し周波数（１０ｋＨｚ以上）かつ高平均出力（１００Ｗ以上）が要求される。
２．高ＮＡ化にともない更なる超狭帯域化（スペクトル純度９５％で０．３ｐｍ以下のスペクトル幅）が要求される。
これは、加工寸法の微細化からの要求である。現状では、ＡｒＦレーザのスペクトル線幅は、９５％純度で０．５〜０．３５ｐｍである。将来的には、この狭帯域化はさらに進み、０．２ｐｍ以下が要求されていくと考えられる。
３．露光装置のマスク上でスペックルの影響を低くするために出力レーザ光の空間コヒーレンスは低いことが要求される。
特に、二回露光では、ウエハを二回露光する必要があるため、生産性を高めるためには、光源出力を高める必要がある。
【０００３】
このような要求を満たすために、光源としてのＡｒＦエキシマレーザでは、二台のチャンバを搭載したダブルチャンバシステムが採用されている。これは、単一のレーザチャンバを使用したレーザでは、狭いスペクトル幅など良好な光性能を保ったまま高出力化することが、システムの安定稼動や、各モジュールの寿命などの制限から、実用上、非常に困難なためである。
ダブルチャンバシステムでは、発振段と呼ばれる最初のチャンバが搭載されている部分で、小出力で、高度な光性能をもったレーザをつくり、それを増幅段と呼ばれる次のチャンバが搭載されている部分で増幅することにより、上述の実用化における困難さを克服し、上記のような産業応用上の要求にこたえている。
上記したダブルチャンバシステムの形態としてはアンプ側に共振器ミラーを設けないＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｒｉｆｉｅｒ）方式と共振器ミラーを設けるＭＯＰＯ（Ｍａｓｔｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）方式とに大別される。
【０００４】
特許文献１には、ＭＯＰＡ方式のレーザ装置が開示されている。
特許文献１に記載のものは、発振段レーザ（ＭＯ）に狭帯域化するための狭帯域化モジュールを搭載し、スペクトル幅が非常に狭いレーザ光を出力し、このシード光を増幅器（ＰＡ）のチャンバの放電領域に注入してパワーを増幅することにより、超狭帯域かつ高出力を実現している。
また、特許文献２には、発振段レーザ（ＭＯ）からのシード光を、増幅段レーザ（ＰＯ）の低コヒーレンス共振器に注入するＭＯＰＯ方式のレーザ装置が提案されている。
低空間コヒーレンスのＭＯＰＯ方式を採用することにより、ＭＯＰＡ方式に比べて、ビーム品位をＭＯＰＡと同等に維持した状態で、高い増幅効率と長いパルス幅を実現している。
【０００５】
ダブルチャンバシステムである２ステージレーザ装置の概略構成例を図１２に示す。同図（ａ）はＭＯＰＡ方式を示し、同図（ｂ）はＭＯＰＯ方式を示す。
同図（ａ）（ｂ）において、発振段レーザ（ＭＯ）１００から放出されるレーザビームはシードレーザビームとして機能し、増幅段レーザ（ＰＡ）２００あるいは増幅段レーザ（ＰＯ）２１０はそのシードレーザ光を増幅する機能を有する。すなわち、発振段レーザ１００のスペクトル特性によりレーザ装置の全体のスペクトル特性が決定され、増幅段レーザ２００あるいは２１０によってレーザ装置からのレーザ出力（エネルギまたはパワー）が決定される。
同図（ａ）のＭＯＰＡ方式のレーザ装置において、発振段レーザ（ＭＯ）１００、増幅器（ＰＡ）２００は各々レーザチャンバ１０１，２０１を有し、その内部にはレーザガスが満たされており、内部には対向し、かつ所定距離だけ離間した一対の電極（図示せず）が設置され、これらの一対の電極に高電圧パルスが印加されることにより放電が発生する。
【０００６】
また、発振段レーザ１００と増幅器２００のチャンバには、レーザ発振光に対して透過性がある材料によって作られたウインド部材（図示せず）がそれぞれ設置されている。また、チャンバ１０１，２０１内には、図示しないクロスフローファンが設置されており、レーザガスをチャンバ１０１，２０１内で循環させ、上記放電部にレーザガスを送り込んでいる。
発振段レーザ１００は拡大プリズム３０１とグレーティング（回折格子）３０２によって構成された狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）３００を有し、この狭帯域化モジュール３００内の光学素子とフロントミラー１０２とでレーザ共振器を構成する。
発振段レーザ１００からのレーザビーム（シードレーザビーム）は反射ミラー等を含むビーム伝播系４００を介して増幅器（ＰＡ）２００へ導かれ注入され、増幅されて出力される。
図１２（ａ）に示すＭＯＰＡ方式では、増幅器（ＰＡ）２００には共振器ミラーが設けられていないが、図１２（ｂ）に示すＭＯＰＯ方式では、小入力でも増幅できるように増幅段レーザ２１０に、例えばリアミラー２１１、フロントミラー２１２からなる１組の光安定共振器が配置される。そして、注入されたシードレーザビームは同図の矢印のようにフロントミラー２１２、リアミラー２１１間で反射し、放電部を有効に通過してレーザビームのパワーが増大し、フロントミラー２１２からレーザ光が出力される。
【０００７】
前述したように、ＡｒＦレーザ露光装置用光源の要求として、スペクトル線幅が狭いことが挙げられる。現状では、ＡｒＦレーザのスペクトル線幅は、９５％純度で０．５〜０．３５ｐｍであるが、この狭帯域化はさらに進み、０．２ｐｍ以下が要求されていくと考えられている。
しかし、狭帯域化を進めた場合に、発振効率が低下する。
現状のスペクトル純度幅０．５〜０．３５ｐｍをさらに小さくすることは、上述したように半導体露光工程からの要請であるが、現在の技術のまま、狭帯域化を進めると、エキシマレーザの発振効率、特に狭帯域効率の低下を招く。ここで、狭帯域化効率とは、狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）を搭載したときのレーザ出力と、狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）に変えて高反射ミラーを搭載したときのレーザ出力の比をいう。すなわち、狭帯域化効率は、以下の式で現される。
［狭帯域化効率］＝［ＬＮＭ搭載時のレーザ出力］／［高反射ミラー搭載出力］
【０００８】
それは、以下のような理由による。エキシマレーザの狭帯域化は、狭帯域化モジュールを用いて行われる。狭帯域化モジュール内には拡大プリズムと波長分散素子（図中では回折格子を使用）があり、この組み合わせでエキシマレーザの狭帯域化を行う。
波長分散素子は、ある特定の波長域のみの光をレーザチャンバ側に戻すことで、その光のみを増幅し、狭帯域化を進める。より狭いスペクトル幅の光を得ようとする場合は、プリズムによるビームの拡大率を大きくする必要がある。しかしながら、回折格子の長さをそのままにして、ビームの拡大率を大きくとると、増幅に使用できる放電幅は狭くなる。従って、放電幅を広くしたまま、狭帯域化を進めるために拡大率を大きくすることは、放電入力からレーザへのエネルギ効率を損なう。これは、狭帯域化効率が悪化するからである。
これまでには、狭帯域化を進めながら狭帯域化効率を悪くさせないための方策として、回折格子の長さを大きくしてきた。しかしながら、回折格子は非常に精密な部品であるため、現状よりも長い回折格子を作ることが難しくなっている。さらに、長い回折格子を使用すると、狭帯域化モジュールが大型化するなどの問題が生じる。よって、更なる狭帯域化を進めながら、狭帯域化効率の良いレーザを作ることが難しくなっている。
【０００９】
ところで、エキシマレーザは、間欠的に光を出す、いわゆるパルスレーザである。よってレーザ出力は、一パルスあたりのエネルギと繰り返し周波数の積で表される。従って、露光機における光源の高出力化には、二通りの方法が考えられる。
一つは、光源のエネルギを高める方法である。もうひとつは、繰り返し周波数を高める方法である。これらの方法は、それぞれに長所、短所がある。どちらの方法を採用するかは、実用上の困難さなどで決定される。
現在、大きな問題点として挙げられるのは、光学素子の耐久性である。深紫外光を用いた露光機では、深紫外光のフォトンエネルギが高いため、光学素子が光によって損傷する可能性が高い。そのような損傷を起こさないように、光学素子は高い耐久性能が求められ、さまざまな工夫がなされる。
素子自体の耐久性能が求められるのは当然であるが、素子への負荷を低減するための工夫もなされる。光学素子への入射光の時間、位置のピーク強度を下げることで、光学素子への損傷が低減することがわかっている。
よって、上述の、パルスエネルギを増加させて光源出力を増大する方法は、光学素子への負荷を増大させるため、光学素子の寿命の観点からは好ましくない。従って、光学素子、ひいては、露光システム全体の寿命を長く、安定したシステムを構築する観点からは、繰り返し周波数を増大させて、レーザの高出力化を図るほうが好ましいと考えられる。
【００１０】
図１３に放電励起レーザ装置のレーザチャンバの断面図を示す。
レーザチャンバ１００の中には電極間にレーザガスを流すためのクロスフローファン１２１と放電したレーザガスを冷却するための熱交換器１２２と放電励起させるためのアノード１３１とカソード電極１３２とクロスフローファン１２１によって流れるレーザガスを電極間に効率よく流すための風ガイド１２３からなっている。
電源により短い時間に予備電離電極１２５に電圧を印加して、まず、放電空間を予備電離した後、カソード電極からアノード電極に電流が流れ放電する。
また、電源１３３と電極１３２の間には絶縁セラミックス１２４が設けられ、さらに、電極１３１の近くには予備電離電極１２５が設けられている。
電源１３３より、予備電離電極１２５に電圧を印加して、まず、放電空間を予備電離した後、電極１３１，１３２間にパルス電圧を印加して、カソード電極１３２とアノード電極１３２間に電流を流し、放電させる。
放電により発生したある波長の光を、共振器で選別、増幅することでエキシマレーザが発振する。
【００１１】
エキシマレーザを高い動作周波数で動作させる場合には、放電安定性が問題となる。上記のように、エキシマレーザでは、間欠放電を起こして、レーザガスを励起し、レーザ発振させるが、繰り返し周波数を増加させると、この間欠放電が安定に生成できなくなるからである。これは、高繰り返し化を行うと、放電が正常なグロー放電ではなく、アーク放電、ストリーマ放電に変化し、放電中のレーザ利得が均一でなくなり、レーザ発振に必要な利得長が確保できなくなるからだと考えられている。
エキシマレーザにおける、高繰り返し化で、もっとも有効なのは、放電幅を狭くすることである。一般に、エキシマレーザにおける、動作可能な最大繰り返し周波数は、クリアランスレシオ（ＣｌｅａｒａｎｃｅＲａｔｉｏ：ＣＲ）と関連付けて説明される。ＣＲとは、電極間ガス流速をｖ、放電間隔時間ｔの積と放電幅Ｗとの比、すなわちＣＲ＝ｖｔ／Ｗである。ＣＲが十分大きいとき、放電は安定し、高繰り返し動作が可能となる。ＣＲが大きければ、放電は安定に生成され、レーザのエネルギ安定性も良くなる。
【００１２】
物理的な現象より、ＣＲについて説明すれば、以下のようになる。
放電によって生成されるイオン、活性種などの放電生成物、電極からの飛散ダスト、デブリはガスの放電抵抗を著しく低下させる。また、放電によって、ガス希薄部が生じ、この部分は相対的にガス圧力が低いため、放電抵抗が小さい。よって、この部分（放電生成物）が、電極近傍に存在すると、次に生じる放電が、電極間ではなく、この部分に生じてしまう。ＣＲが大きいということは、この放電生成物を、次の放電が発生するときに、電極近傍から遠ざけるということを意味する。図１４に、電極部分の断面図を示し、正常放電と異常放電の模式図を示す。同図において、１３１，１３２は電極、Ｇは電極間ギャップ、である。
必要なＣＲの値は、レーザの用途によって異なる。レーザのエネルギ安定性がそれほど要求されないアプリケーションでは、ＣＲは２程度でよい。しかし、半導体露光用光源として使われる場合、高いエネルギ安定性が要求されるため、ＣＲは３以上必要となる。従って、たとえば、放電幅が３ｍｍで、６ｋＨｚで動作させようとすると、電極間ガス流速は秒速５０ｍ程度以上の値が必要となる。
【００１３】
ここで、背景で述べたダブルチャンバについて説明する。ダブルチャンバシステムを考えた場合、増幅段に比べて発振段チャンバのほうが、高繰り返し化に対する技術的困難さは小さい。これは、通常、発振段に要求される出力、エネルギが小さく、出力ビームのエネルギ密度を小さく設計できるからである。出力ビームのエネルギ密度が高いと、出力鏡、出力窓などの光学素子に損傷を与えるため、寿命性能などの実用上の性能が達成できなくなる。放電幅を狭めることは、レーザビームの幅を小さくすることになり、同じ出力エネルギを出そうとして、放電幅を狭めていった場合、エネルギ密度が高くなることになる。発振段の場合は、出力エネルギが小さいため、許容される放電幅が狭くなるが、増幅段では出力エネルギが高いために、許容される放電幅が太くなる場合がある。これを回避するために、ダブルチャンバシステムでは、増幅段のチャンバを二台使用する場合がある。  増幅段チャンバを交互運転させることで、二倍の周波数が達成できるからである。たとえば、発振段を１０ｋＨｚで動作させ、増幅段には５ｋＨｚで動作するチャンバを、二台、交互運転させることで、１０ｋＨｚの運転が可能となる。
また、エネルギ密度が高くなる問題を回避する手段としては、電極間距離を大きくとることが挙げられる。ビーム幅を狭める分、高さを大きくすることで、レーザビームの断面を大きくでき、エネルギ密度を小さくすることができる。従来技術は、このようにして、高繰り返しレーザを設計してきた。
【００１４】
図１５に特許文献３に記載の増幅器（ＰＡ）を２台使用したＭＯＰＡ方式のレーザ装置の概略構成例を示す。同図（ａ）は側面図を示し、同図（ｂ）は増幅器（ＰＡ）の上面図を示す。
図１５に示すレーザ装置は、ＭＯＰＡ方式のレーザ装置において、１つの高繰返し発振段レーザ（ＭＯ）と、少なくも２つの増幅器（ＰＡ）で構成（同一チャンバ内に複数組の電極を配置してもよい）し、発振段レーザ（ＭＯ）１つの繰返し数が例えば４ｋＨｚ以上で、前記増幅段器（ＰＡ）の繰り返し周波数が例えば２ｋＨｚ以上で同期運転させるようにしたものである。
【００１５】
図１５において、発振段レーザ１００の繰り返し周波数は例えば４ｋＨｚ以上であり、発振段レーザ１００からのレーザビーム１４０Ａは反射ミラー２４０Ａ，２４０Ｂ等を介して増幅器（ＰＡ）２００へ導かれ注入される。
増幅器２００には、二組のペアの放電電極９０Ａ−９２Ａ，９０Ｂ−９２Ｂが配置され、例えば２ｋＨｚ以上の繰り返し周波数で交互に放電し、注入されたレーザビームは同図（ｂ）に示すように、反射ミラー２４０Ｂ，２４０Ｃ１，２４０Ｃ２で反射して、増幅され、増幅されたレーザ光が出力される。
【００１６】
ここで、前述したように、将来的には、スペクトル線幅は９０％純度で０．２ｐｍ以下が要求されている。
図１２等に示したように、狭帯域化は、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）を使用することで行う。ＬＮＭ内にはレーザビームを拡大するプリズムと、波長を選別する回折格子が配置されている。スペクトル線幅を狭くしようとする場合には、一般的に、回折格子の波長分散を改善する、レーザビームの拡大率を大きくする、などの方法がとられている。
回折格子の波長分散を改善するには、回折格子の格子密度を大きくする必要があるが、そのような回折格子を作ることは非常に難しい。また、レーザビームの拡大率を大きくした場合、回折格子の長さを大きくしないと、狭帯域化効率が低下してしまう。しかしながら、大きな回折格子を精度よく製作することは難しく。
【００１７】
現状では、ＡｒＦの波長（１９３ｎｍ）に対して反射効率がよく、精度の良い回折格子を作ろうとすると、３５０ｍｍ程度が実用上、限界である。回折格子の長さを変えずに、レーザビームの拡大率を大きくすると、スペクトル線幅は狭くなるが、狭帯域化効率は低下する。これは、レーザビームの拡大率をおおきくすることで、相対的にレーザ発振に使用するゲイン領域の幅が狭くなるためである。たとえば、回折格子の長さを変えずに、拡大率を二倍にした場合、スペクトル線幅は２／３になるが、使用するゲイン領域の幅は約半分となり、出力としては１／２程度になってしまう。
これまでは、この狭帯域化効率の低下を犠牲にして、狭帯域化を進めてきた。しかしながら、レーザチャンバ内にある電極を細くし、放電幅、すなわちゲイン幅を狭い部分に集中させることで狭帯域化効率を落とさずに、狭帯域化を進めることが可能になる。放電を狭い部分に集中させることで、狭帯域化を進めたときに、使用できない領域を減らして、狭帯域化効率を高めることができる。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／０１５４６６８号明細書
【特許文献２】国際公開第２００４／０９５６６１号パンフレット
【特許文献３】米国特許第７００６５４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
高繰り返しレーザの実用化において、一番の課題は、必要な電力である。
レーザの繰り返し周波数を増加させようとする場合、ＣＲの観点から、２つの方策が可能であると考えられる。たとえば、６ｋＨｚ動作するレーザの繰り返し周波数を１２ｋＨｚに増加させ、レーザエネルギの安定性も確保しようとした場合、ガス流速ｖを二倍にするか、放電幅を１／２にすることで、ＣＲを２〜３にすることができる。
レーザを実用可能なものとする場合、この二つの方策のうち、前者が格段に困難である。それは、ガス流速を二倍にすることで、ガス流を生成するファンを駆動するモータに必要な電力は８倍に増加するからである。現在実用化されているレーザの電力から推測すると、モータに必要な電力が２０ｋＷ以上必要となる。
これは、レーザ発振のための放電入力と匹敵する電力となり、効率の観点から実用化において許容できる範囲ではない。さらに、入力が大きいということは、装置内で発生する熱量が大きいことを示しており、装置の安定性を損なう。
【００１９】
また、ガス流速を高めるために、モータの回転数を増加させる手法は、装置の振動も増加させることになる。この振動成分も装置の安定性を損なうため、振動対策という別の課題も発生する。よって、半導体露光装置の光源など、高度な安定性を要求されるアプリケーションでは、ガス流速を増加させてレーザの高繰り返し化を実現することは現実的ではない。
よって、１０ｋＨｚ以上の高繰り返しレーザを実現するためには、モータの電力は実用範囲内に収め、放電幅を狭めてＣＲを必要な範囲に収めることが実用的である。実用的なレーザを想定した場合、現状で実現できる電極間ガス流速はおおよそ秒速５０ｍであり、ＣＲを２〜３と設定すれば、必要な放電幅は、６ｋＨｚの場合３ｍｍ程度（２．８ｍｍ〜４．２ｍｍ）、１２ｋＨｚの場合、１．５ｍｍ程度（１．４ｍｍ〜２．１ｍｍ）の幅が必要となる。
【００２０】
次の課題としては、放電幅をいかに設計値どおりに作るかということがある。たとえ同じ幅の電極を用いた場合でも、狙い通りの放電幅が得られないという問題がある。
これは、放電幅が電極間の電界に強く影響されるからである。電極間電界は、電源の性能（印加電圧、電圧の時間変化波形等）、電極表面形状、電極配置、電極材質、電極周りの構造物の配置、構造物の材質、運転ガス条件（ガス圧力、ガス組成）等で変化する。これらのパラメータが電極間電界に及ぼす影響はそれぞれ強弱があり、さらに相互作用もある。その上、レーザに要求される性能（出力、ビーム形状、ビーム発散角等）は、放電部構造に依存するため、それも考慮しながら設計する必要がある。
従って、これまでは、狭幅放電を実現するには、トライアルアンドエラーにより最適条件を探し出して放電部構造を決定してきた。そのため、放電幅としては、設計値どおりに作られることがなかった。また、放電幅が設計値どおりにならない部分を吸収するために、必要電力を上乗せして、ガス流速を高めるなどの工夫が必要だった。
【００２１】
以上のように、放電幅、すなわちゲイン幅を狭い部分に集中させることで発振効率を落とさずに、狭帯域化を進めることが可能になる。
しかし、従来においては、放電幅を狭めるためにどのような構造とするのがよいのか等の具体的な条件が明確でなかったため、トライアルアンドエラーにより最適条件を探し出して放電部構造を決定してきた。そのため、必ずしも設計値どおりの放電幅が得られなかった。
一方、前述したように、近年では更なる狭帯域化が要請されているが、狭帯域化を進めた場合に、発振効率が低下を招く。このため、狭帯域化効率のよいエキシマレーザ装置が望まれている。
ここで、狭帯域化効率とは、前述したように狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）を搭載したときのレーザ出力と、狭帯域化モジュール（ＬＭＮ）に変えて高反射ミラーを搭載したときのレーザ出力の比をいう。すなわち、狭帯域化効率は、以下の式で現される。
［狭帯域化効率］＝［ＬＮＭ搭載時のレーザ出力］／［高反射ミラー搭載出力］
本発明は従来の上述した問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、露光装置用放電励起レーザ装置において、スペクトル線幅を狭くするための狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）のスリット幅よりも狭い放電幅を実現し、狭帯域化効率の高い露光装置用狭帯域レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前述したように、所望の放電幅を得るためには、最終的に実際のレーザチャンバを製作し確認していた。しかしその場合でも設計どおりの電極幅が得られないことがあった。
そこで、本発明者が種々実験を行い検討した結果、電極幅と電極間隔をある一定の比の範囲にすることで、放電部周りの構造物等によらず、放電幅が設計どおりに得られることを見出した。また、これに加えレーザ諸性能を満足することができることができることが分かった。
以下、これについて説明する。
高い狭帯域化効率や、高繰り返し化のために放電幅を狭める場合には、電極の電界計算を行い、放電幅を推定し電極の幅、形状を決定する。このときに適正な電極間距離を設定する必要がある。
これは、放電の広がりを抑制するためである。一般的に、放電は、電界の強い場所をなぞって発生する。同じような電界強度があった場合には、電極間を最短距離で結ぶように放電が発生する。従って、エキシマレーザ電極の形状設計では、電極間の電界分布を、極力均一とし、放電が広がらないように設計する。
【００２３】
しかし、目標とする放電幅が３ｍｍ以下となるような場合、電極間距離を大きくしすぎると、電極間、特に電極間の中間部あたりで、放電が膨らんでしまう。これは、放電幅を３ｍｍ以下にしようとする場合、電極の端部効果が無視できなくなり、全体に均一な電界を生成することが難しくなるためである。
これを解消するためには、より強い電界強度を電極間に発生させ、電極間を最短距離で放電が発生するように設計する必要がある。
電極間の電界強度を強めるためには、電極間距離を小さくとることが、もっとも有効である。
図５に電界計算の一例を示す。同図は、電極幅を２ｍｍとし、電極間距離を変更したときの電極間の電界強度の空間分布の計算結果を示したものである。同図の縦軸は電極間における距離（ｍｍ）を示す。また、電界強度は最大電界強度で規格化しており、線の密度で電界強度の大まかな値を示している。
同図から、電極間距離を小さくすることで電極間の電界強度が大きくなっていることがわかる。図５中の丸で囲んだ部分について説明する。電界は、電極から離れるにつれて、弱くなっており、放電への束縛力が低下する。１６ｍｍの電極幅のものでは、丸で囲んだ部分では、相当量低下し、放電が膨らみやすくなる。これに対し、１３ｍｍの電極間距離のものは、電界強度があまり低下せずにつながるため、放電への束縛力が強いままである。このため、放電幅が広がらず、放電幅が設計どおりに狭くなる。
【００２４】
図６は、電極幅を２ｍｍ及び１ｍｍとし、電極間距離を変更した時の光学的測定法で得られた放電幅と、放電電極間距離の測定結果を示す。なお、同図は、レーザガスを循環させるためのクロスフローファンとして駆動電力が５ｋＷ以下のものを用い、高電圧電源から上記一対の電極へ、周波数が１０ｋＨｚ以上、電圧が１０〜２０ｋＶのパルス状の電圧を印加した場合の測定結果を示している。
図６から、電極間距離を変更するだけで、放電幅を変動させることができることがわかる。また、電極間距離を小さくしてゆくと、放電幅は飽和傾向にあり、ある電極間距離以下にしても、放電幅は狭くならない。また、周辺構造が違うレーザを比較した場合でも同じ傾向が見られた。（図中白丸○と黒三角▲で図示）すなわち、放電幅は、電極間距離に強く依存しており、電極間距離をある適正値にとることで、その他の要因を排除して、期待通りの放電幅を実現できることが示されている。
【００２５】
ここで、上記放電幅は、具体的には、以下のようにして計測することができる。
図７にマッハツェンダ法による放電幅Ｗを計測するシステムの構成例を示す。
コヒーレントなパルスレーザ４０１からの光束をミラー４０２を介してビームエキスパンダ４０３に入射させ、ビームエキスパンダ４０３によりレーザ４００の放電領域以上にビーム拡大する。
ハーフミラー４０４によりレーザチャンバ４０５を通る光束と通らない光束とに等量に２分し、一方をレーザチャンバ４０５に入射し、他方を高反射ミラー４１０を介してハーフミラー４０８に入射する。
レーザチャンバ４０５内には放電電極４０６が設けられ、放電電極４０６に放電電圧を印加し放電させることにより、レーザチャンバ４０５内に入射した光は放電電極４０６間の放電領域を通過し出力する。
レーザ４００の出力光は高反射ミラー４０７で反射してハーフミラー４０８に入射し、上記高反射ミラー４１０を介してハーフミラー４０８に入射した光と重ね合わせられ、重ね合わせられた光は、干渉フィルタ４０９を介してＣＣＤカメラ４１１に入射する。
【００２６】
これら二つの光束は、レーザチャンバ４０５を通る光束と通らない光束の間で両光束は干渉し干渉縞を発生する。すなわち。パルスレーザの波長をλとすれば、光路差Δが半波長λ／２の奇数倍であれば、二つの光束の山と谷が重なって互いに弱め合い暗い縞を生じ、 偶数倍であればお互いに強め合って明るい縞を生じる。光路差Δが像面全体で同じであれば、像は一様な明るさになる。
ここで、図７（ｂ）に示すように、カソード電極４０６ａとアノード電極４０６ｂ間で放電すると電子密度が高くなり、放電部の屈折率が変化する。したがって、この干渉縞が歪む領域の幅を放電幅Ｗとしてこの干渉計により計測できる。
また、放電幅を計測する簡便な方法としては、図８に示すように、レーザチャンバ４０５のフロント側にＯＣ４１２（出力結合ミラー）とリア側にリアミラー４１３を配置し、レーザ発振させてＯＣ４１２の位置のビームプロファイルを、ＣＣＤカメラ４１６で撮像し計測することで、ビーム幅を計測することにより代用してもよい。
なお、転写レンズ４１５はＯＣ４１２の位置でのビームをＣＣＤカメラ４１６上に結像させて計測する。放電幅の定義としては、例えばピーク強度の１／ｅまたは１／ｅ２としてもよい。
【００２７】
次に計算から算出した電界強度（図５）と、実際に計測された放電幅（図６）から、実用的な好ましい放電幅の範囲を決定するが、いくつかの制限がある。
以下、電極間距離の上限、下限について考える。
現行のレーザ（スペクトル純度幅０．５〜０．３５ｐｍ）では狭帯域化効率が１０％程度である。このときの放電幅は３〜３．５ｍｍである。実用的なレーザとして、電力、装置の大きさ、レーザ寿命を勘案すると、狭帯域化効率を８％以下にすることは避けたい。後述するように、スペクトル純度幅を狭めていったときの狭帯域化効率は、放電幅と密接な関係があり、狭帯域化効率は、スペクトル純度幅に応じて、ＬＮＭに装備されるスリット幅と放電幅の比で決定される。以下、電極間距離の上限を決定するために、放電幅と狭帯域化効率がどのようになっているかを述べる。
現行のレーザ（スペクトル純度幅０．５〜０．３５ｐｍ）では、狭帯域化効率が１０％程度である。図６でいうと放電幅としては、３〜３．５ｍｍにあたる。実用的なレーザとして、電力、装置の大きさ、レーザ寿命を勘案すると、狭帯域化効率をこれ以上低下させることは困難である。
さらに、高繰り返し化されたレーザでは、更なる狭帯域化が望まれ、回折格子の長さが飛躍的に伸びない現状では、使用できる放電幅は狭まる傾向がある。
【００２８】
高解像力４５ｎｍ以下の解像力を達成するために、前述したように露光装置の投影レンズの高ＮＡを１以上にして、水による液浸露光装置用レーザ光源要求されている。
この投影レンズの高ＮＡ化にともなって、色収差の影響が無視できるように、レーザ光源のスペクトル線幅の要求値はさらに厳しくなっている。
たとえば、全スペクトルエネルギの９５％エネルギが入るスペクトル幅（Ｅ９５）は、０．３５ｐｍ以下（従来の液浸を使用しない露光装置の要求Ｅ９５幅は０．５０ｐｍ以下）を要求している。
このスペクトル幅要求仕様を満たすため以下の課題が発生した。
スペクトル線幅を狭くするために、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）に配置されているグレーティングを大きくし、かつ、ＬＮＭに配置されているプリズムビームエキスパンダのビーム拡大率を大きくする必要が発生した。
【００２９】
スペクトル線幅を狭くする手段として以下のようにＬＮＭの性能を向上させる手段がある。
（１）グレーティングの溝方向の幅を大きくする。
しかし、グレーティングは、非常に高精度なグレーティングであるため、製作可能なグレーティングの大きさには限界がある。
（２）プリズムによるビームの拡大率を大きくする。
グレーティングの大きさには限界があるため拡大率を大きくするとＬＮＭの有効スリット幅がレーザの放電幅よりも狭くなる。その結果、ＬＮＭの有効スリット幅よりも広い放電はスリットによって光がケラレ、狭帯域化効率が大きく低下していた。これにより、２ステージレーザシステム（ＭＯＰＡ又はＭＯＰＯ方式）を採用したとしても、発振段レーザ（ＭＯ）の電源の投入エネルギが非常に高くなり、発振段レーザ（ＭＯ）の寿命に大きな影響を及ぼしていた。
【００３０】
図９に、スペクトル線幅が狭いレーザ光を出力する放電励起式狭帯域レーザの光学配置例を示す。
（ａ）は放電励起狭帯域レーザ装置の上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は図９（ｂ）におけるＡ−Ａ断面からみた放電とＬＮＭのスリットの開口の関係を示す。
狭帯域レーザ装置は、外部にレーザビーム出力し、レーザ共振器にフィードバック光を戻す機能をするＯＣ１４（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｃｏｕｐｌｅｒ）とレーザガスを励起するための放電電極１ａが搭載されたレーザチャンバ１１とスペクトルを選択するためのプリズムビームエキスパンダ３ａとグレーティング３ｂを搭載した狭帯域化モジュール３（ＬＮＭ）とからなる。ここでは、ＬＮＭの分散方向とレーザチャンバ１１の放電電極１ａの方向に対して垂直な方向が略一致するように配置している。ＬＮＭ３のスリット１３は、放電方向に対しては電極間以下となるような開口で配置し、放電方向に対して垂直な方向はＬＮＭの波長選択幅に合わせて設定されている。
【００３１】
レーザチャンバ１１の放電電極１ａに高い電圧をパルス状に印加することにより、放電電極１ａの間で放電が発生し、レーザガスを励起する。
発光した光はウインド１２ｂを介して、ＬＮＭ３のスリット１３に入射する。このスリット１３を透過したビームがプリズムビームエキスパンダ３ａによりビームが拡大率Ｍで拡大されて、グレーティング３ｂにブレーズ角に近い角度で入射する。
このグレーティング３ｂはリトロー配置で設置されており、入射角度と同じ回折角度の波長の光が再びプリズムビームエキスパンダによりビームが圧縮され、スリット１３を透過する。そして、ウインド１２ｂを介して放電電極１ａ間の放電空間を透過して、増幅される。この増幅された光はウインド１２ａを介して、ＯＣ１４に到達し、一部の透過光は出力光としレーザ光として出力され、反射光はフィードバック光として再びウインドを介して、放電空間を透過増幅し、ＬＮＭ３のスリット１３に入射して、同様な工程を繰り返す。
図９（ｃ）にＡ−Ａ方向からみたＬＮＭ３のスリット１３の開口部（破線）と放電エリア（実線）と放電電極の関係を示す。ＬＮＭ３のスリット１３の１の開口部と放電エリアの比が実質的に有効に利用されるレーザビームとなり、スリットで遮光される放電部はレーザ発振に寄与せず、損失となる。
【００３２】
図１０に図９のレーザ装置で試験したＬＮＭ３のスリット幅とスペクトル線幅（Ｅ９５）の関係の試験結果を示す。
この実験結果は以下の条件で測定したものである。
（１）レーザチャンバの放電幅  約３ｍｍである。
（２）ＬＮＭ３に搭載されているグレーティングは、９４本／ｍｍ、ブレーズ角７８．９度、長さ３６０ｍｍである。
（３）プリズムビームエキスパンダの倍率とスリット幅水準については、スリット幅１から３ｍｍに変化させるにともなって、プリズムのビームエキスパンダの倍率を７０倍から２３倍に変化させて高分解能分光器によりスペクトルプロファイル計測をおこなった。
【００３３】
図１０の試験結果に示されるように、スリット幅１ｍｍ（倍率７０）からスリット幅３ｍｍ（倍率２３）の範囲ではスペクトル幅Ｅ９５は０．２ｐｍから０．６ｐｍに単調に増加した。
ここで、目標のスペクトル線幅Ｅ９５が０．３５ｐｍ以下となるためにはＬＮＭ３のスリット幅を２ｍｍ以下にする必要がある。
以上のように目標のスペクトル線幅Ｅ９５を０．３５ｐｍ以下とするには、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）のスリット幅を２ｍｍ以下とする必要がある。スリット幅を２ｍｍ以下とし、放電幅を２ｍｍ以下とすれば、スリットを全てのレーザビームが透過できることとなり、狭帯域効率を向上させることができる。
【００３４】
前述したように、現行機のスペクトル純度幅は、０．５〜０．３５ｐｍであるので、図１０より、ＬＮＭのスリット幅は２〜２．７ｍｍとなる。このときの放電幅としては、３〜３．５ｍｍであり、狭帯域効率１０％を達成できる。よって、放電幅が３〜３．５ｍｍであれば、０．３５ｐｍの狭帯域化、すなわちＬＮＭのスリット幅が２ｍｍであることを、実用上許容できることと、本件では、０．３５ｐｍ以下を狙った狭帯域化を行うことを目的としていることより、電極間距離の上限値が決定できる。すなわち、放電幅の上限を３〜３．５ｍｍとすると、電極幅が２ｍｍの場合、図６から電極間隔は１６ｍｍが上限となる。
以上のことから、放電幅の上限を１〜１．２とすると電極幅が２ｍｍの場合、図６から電極間隔は１６ｍｍが上限となる。
以上のように、放電の安定性、発振効率を考慮すると、電極間距離の上限は、電極幅が２ｍｍの場合は１６ｍｍ、電極幅が１ｍｍの場合は８ｍｍとするのが望ましいと考えられる。
【００３５】
次に電極間距離の下限について考える。図６からわかるように、電極間距離を短くすることで、放電幅は細くなり、理想に近づいてゆく。また、放電領域開始電圧が一定であれば電極間の電界強度も比例して大きくなる。よって、電極間距離を小さくすればするほど良いように見えるが、実際はそうではない。
第一に、電極間距離を小さくしていっても、図６からわかるように、放電幅はある一定値に近づいており、極端に電極間隔を小さくしても、意味がない。よって、ある程度の適正値があることが予測される。第二に、レーザの出力が得られなくなる問題がある。
レーザ出力は、基本的に放電断面積に比例する。よって、あまりに電極間隔を小さくすると、所望のエネルギが取り出せなくなる問題がある。第三に、電極間の通気抵抗の問題がある。あまりに電極間距離を小さくすると、電極間を流れるガスが通りにくくなり、所望のガス流速が得られなくなる。よって、電極間距離を小さくしすぎることは、ガス流速を低下させ、高繰り返し時の放電安定性が損なわれ、当初目的に対して逆効果となる。
【００３６】
電極幅が２ｍｍの場合、図６から分かるように電極間距離を８ｍｍ以下にしても、放電幅はさほど変わらない。したがって、レーザ出力、ガスの電極間通気抵抗を考慮すると、電極間距離は８ｍｍ以上とするのが望ましい。
また、図６には示されていないが、電極幅が１ｍｍの場合は、電極間距離を４ｍｍ以下にしても、放電幅はさほど変わらないことが実験により確認された。したがって、レーザ出力、ガスの電極間通気抵抗を考慮すると、電極幅が１ｍｍの場合は、電極間距離を４ｍｍ以上とするのが望ましい。
なお、以上の説明では、電極幅が１ｍｍの場合、２ｍｍの場合について述べたが、電極幅が１ｍｍ〜２ｍｍの間にある場合にも同様な傾向にあると考えられる。
【００３７】
以上の計算結果と実験結果から、高電圧電源から上記一対の電極へ、周波数が１０〜２０ｋＨｚ、電圧が１０〜２０ｋＶのパルス状の電圧を印加し、上記一対の電極間に放電を発生させる高繰返し狭帯域放電励起エキシマレーザ装置において、上記一対の電極の幅を１〜２ｍｍとしたとき、望ましい電極間距離と電極幅は、以下のような範囲であると結論できる。
電極間距離としては、電極幅２ｍｍに対しては８〜１６ｍｍの電極間距離が有効であり、設計放電幅１ｍｍに対しては４〜８ｍｍの電極間距離が有効である。
また、電極幅が１ｍｍ〜２ｍｍの間にある場合、あるいは、電極幅が１ｍｍ以下、２ｍｍ以上の場合も同様な傾向にあると考えられるので、電極幅と電極間距離の比（アスペクト比という）で表すと、アスペクト比は２：８〜２：１６（０．１２５〜０．２５）となる。
すなわち、図１１（ａ）に示す斜線の範囲内に入るように電極幅と電極間隔を選定する。ここでいう電極幅とは、放電を意図する曲線の幅とする。すなわち、電極幅は、放電面（放電が発生することが予測できる部分、もしくは放電発生を意図する部分）の幅とする。例を図１１（ｂ）に示す。同図に示す形状例の場合、Ｄを電極幅としている。また、エキシマレーザ装置における電極では、陰極側と陽極側の電極幅が異なる場合がある。その際には、電極幅は太い側を電極幅とする。
【００３８】
ここで、電極間ギャップを適正に設計することは、当初目的である高繰り返し時の放電安定化にも大きく寄与する。それは、電極間距離と電極幅の比を適切に設定することで、放電幅に対する放電抵抗を最適化でき、ガス流速不足など、ある程度の擾乱があっても、放電を設計どおりの形状に発生させることが可能になるということがある。以下に、これを説明する。
図１４に示したとおり、放電近傍に放電生成物が存在すると、放電電極間に放電が生成されず、異常放電となり、レーザのエネルギ安定性が損なわれる。このとき、放電が電極間に設計どおり生成されるか、放電生成物が存在する領域に生成されて異常放電となるかは、両者の放電抵抗の違いに依存する。
よって、放電生成物がある領域よりも、電極間領域の放電抵抗が小さければ、ＣＲが小さい場合、すなわち、放電生成物が電極近傍に存在する場合でも、安定な放電が生成できる。電極間距離を小さくし、電極間電界強度を高めるということは、放電抵抗を下げることに他ならず、高繰り返し化において、レーザの出力安定化に有効な手段である。
【００３９】
ここで注意しなければならないのは、電極幅の選び方である。電極幅を狭くして、高繰り返し特性および、狭帯域化時の発振効率を高めることは有効であるが、その際のデメリットは電極寿命である。
電極寿命は、レーザチャンバの寿命を決定しており、電極が寿命に達すると、レーザチャンバごと交換する必要がある。レーザチャンバは一般的に高価なものであり、交換にも時間を要する。従って、産業機械としては、電極、すなわちレーザチャンバの寿命は装置の性能を決定する大きな要因である。
投入エネルギを一定とした場合、電極寿命は電極幅に反比例する。現状のエキシマレーザの電極寿命は、アノード電極の損傷によって決定されている。アノード電極は、レーザのショット数に比例して、フッ素により化学変化を起こして損傷してゆく。損傷深さがある一定値に達すると、電極としての機能を失い、レーザの発振効率が低下する。
【００４０】
投入エネルギ同じで、ショット数も同じである場合ならば、化学変化を起こす体積が一定であるため、電極幅を狭くすると、広い電極幅に比べて深い損傷深さとなる。従って、電極寿命の観点からは、太い電極を用いるほうが望ましい。たとえば、放電幅を０．６ａｕにしたい場合、電極幅を１ｍｍ幅とし、電極間間隔を１６ｍｍとすることで達成可能であるが、電極幅２ｍｍ幅とし、電極間隔を８ｍｍとすることでも達成できる。そのような場合は、後者のほうが、電極寿命としては２倍の性能を持つため、望ましい。よって、電極の幅、電極間隔を決定する際にはターゲットとする、動作繰り返し周波数、スペクトル線幅を勘案し、望ましい電極幅を算出し、その後、図１１に示した斜線に入るような、最大の電極幅を選ぶことが、装置寿命の観点から重要である。
【００４１】
以上に基づき、本発明においては、前記課題を次のように解決する。
（１）レーザガスが封入されたレーザチャンバと、該レーザチャンバ内部に所定間隔離間して対向する一対の電極と、拡大プリズムとグレーティングによって構成され、スリットを通過するレーザ光が入射する狭帯域化モジュールと、上記電極間を通過するレーザガスを循環させるクロスフローファンとを備え、高電圧電源から上記一対の電極へパルス状の電圧を印加し、上記一対の電極間に放電を発生させる狭帯域放電励起レーザ装置において、上記一対の電極の幅は１〜２ｍｍであり、電極の幅と電極間距離の比（電極の幅／電極間距離）を０．２５〜０．１２５とする。
（２）上記（１）において、狭帯域化モジュールのスリット幅が２ｍｍ以下とする。
（３）上記（１）（２）において、一対の電極へ印加されるパルス状の電圧の繰返し周波数を１０〜２０ｋＨｚとする。
（４）上記（１）〜（３）の狭帯域放電励起レーザ装置を、発振段レーザ（ＭＯ）と、増幅（ＰＡ）もしくは増幅段レーザ（ＰＯ）を有する２ステージレーザ装置の発振段レーザとして使用する。
【発明の効果】
【００４２】
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）電極幅を１〜２ｍｍとし、電極幅と間隔のアスペクト比を０．２５〜０．１２５とすることにより、放電幅を設計どおりの所望の値にすることができる。
このため、狭帯域化効率を低下させることなく、安定した高繰返しの発振が可能となる。また、ガス流を生成するファンを駆動するモータへ供給する電力を増大させる必要もないる。
（２）電極幅と間隔のアスペクト比を０．２５〜０．１２５とすることで、放電幅に対する放電抵抗を最適化でき、ガス流速不足など、ある程度の擾乱があっても、放電を設計どおりの形状に発生させることが可能になる。このため高繰り返し時の放電安定化にも大きく寄与する。
（３）本発明の放電励起レーザ装置を、発振段レーザ（ＭＯ）と、増幅（ＰＡ）もしくは増幅段レーザ（ＰＯ）を有する２ステージレーザ装置の発振段レーザとして使用することにより、発振段レーザ（ＭＯ）を狭帯域効率を低下させることなく、１０ｋＨｚ以上の周波数で安定に動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。まず、ダブルチャンバシステムであるＭＯＰＯ方式レーザ装置に本発明を適用した場合の構成例を図１に示す。
同図に示すように、ＭＯＰＯ方式レーザ装置は、スペクトル線幅の狭いレーザ光を出力する発振段レーザ（ＭＯ）１０と発振段レーザ（ＭＯ）１０のレーザ光を光共振器により増幅発振させるための増幅段レーザ（ＰＯ）２０とを有する。ＭＯレーザ光は、放電ギャップ方向に拡大するビームエキスパンダ４と、２枚の高反射（ＨＲ）ミラー６ａ，６ｂを介して増幅段レーザ２０に注入される。
発振段レーザ（ＭＯ）１０はプリズムビームエキスパンダ３ａとグレーティング（回折格子）３ｂを搭載した狭帯域化モジュール３（以下、ＬＮＭ３ともいう）を有し、この狭帯域化モジュール３内の光学素子と出力結合ミラー（ＯＣ：Ｏｕｔｐｕｔ  Ｃｏｕｐｌｅｒ）１４とでレーザ共振器を構成する。
また、チャンバ１１内に一対の放電電極１ａを備え、電極１ａには、１０ｋＨｚ以上、例えば１２ｋＨｚのパルス電圧を発生する電源１５が接続される。
【００４４】
増幅段レーザ（ＰＯ）２０は、出力結合ミラー（ＯＣ）２４とレーザチャンバ２１とリアミラー２５で構成される安定共振器を有し、チャンバ２１内に一対の電極２ａおよび一対の電極２ｂからなる２組の一対の電極を有する。２組の一対の電極２ａ，２ｂには、それぞれ例えば６ｋＨｚのパルス電圧を発生する電源２５ａ，２５ｂが接続される。
上記のように、増幅段レーザ（ＰＯ）２０に２組の一対の電極を配置し、交互にそれぞれの一対の電極ペア２ａ，２ｂで放電させることにより、増幅段レーザ（ＰＯ）２０の各電極における放電の繰返し周波数を発振段レーザ（ＭＯ）１０の繰返し周波数の１／２にすることができ、その放電電極のうちの１組の放電電極による放電断面積も発振段レーザ（ＭＯ）１０のそれと比べ、大きくすることができる。このため、増幅段レーザ（ＰＯ）２０のＰＯ共振器に使用される光学素子のエネルギ密度を低減することが可能となる。
【００４５】
発振段レーザ（ＭＯ）１０と増幅段レーザ（ＰＯ）２０はともにチャンバ１１，２１内に設置された一対の電極１ａおよび２組の一対の電極２ａ，２ｂの光軸延長上両端にウインド部材１２ａ，１２ｂおよび２２ａ，２２ｂを有し、その両側には波形整形のためのスリット１３，２３がそれぞれ設置されている。
波長およびスペクトル波形モニタ３４およびパワーモニタ８は、増幅段レーザ（ＰＯ）２０から出力された光の光品位及びパルスエネルギを検出し、パワーモニタ７は、発振段レーザ（ＭＯ）１０のパルスエネルギを検出する。
波長及びスペクトル波形コントローラ３３は、上記波長およびスペクトル波形モニタ３４の出力に基づき増幅段レーザ（ＰＯ）から出射されるレーザ光の波長及びスペクトル波形を制御する。また、エネルギコントローラ３０は、パワーモニタ７，８の出力に基づき、レーザのパルスエネルギをコントロールする。
また、ガスコントローラ３２は発振段レーザ（ＭＯ）１０と増幅段レーザ（ＰＯ）２０のレーザガスをコントロールする。レーザコントローラ３１はレーザの全体を制御する。  同期コントローラ３５は、増幅段レーザ（ＰＯ）２０に接続されている２台の電源２５ａ，２５ｂと発振段レーザ（ＭＯ）１０に接続されている電源１５の放電タイミングをコントロールする。
【００４６】
発振段レーザ（ＭＯ）１０は、前述したように、スペクトル線幅を狭くするために、プリズムビームエキスパンダ３ａとグレーティング（回折格子）３ｂを搭載したＬＮＭ３とを有し、ＬＮＭ３に配置されているグレーティング（回折格子）３ｂの分散方向（＝プリズムのビーム拡大方向）は電極の放電方向に対して垂直方向に配置されている。
レーザチャンバ１１内にはバッファガスとＡｒガスとＦ２ガスが満たされており、前記図１１に示したように、レーザチャンバ１１の中には電極間にレーザガスを流すためのクロスフローファンと放電したレーザガスを冷却するための熱交換器（図示せず）が設けられている。
【００４７】
チャンバ１１内に設けられた一対の放電電極１ａに電源１５からパルス電圧を印加することにより、電極間に放電が発生し、この放電により励起されＡｒＦエキシマが形成される。このＡｒＦエキシマからＡｒガスとＦに分離する時に１９３ｎｍの波長の光を発光する。
１９３ｎｍの光をＬＮＭ３で波長選択することにより、スペクトル幅約４００ｐｍ→０．１ｐｍまで狭帯域化して、発振段レーザ（ＭＯ）１０の出力結合ミラー（ＯＣ：Ｏｕｔｐｕｔ  Ｃｏｕｐｌｅｒ）１４から出力される。発振段レーザ（ＭＯ）からは繰返し周波数１２ｋＨｚでパルス発振する。発振段レーザ（ＭＯ）のレーザの発光パルスの時間幅は約３０ｎｓである。
【００４８】
次に、発振段レーザ（ＭＯ）１０の出力光は増幅段レーザ（ＰＯ）２０の電極ギャップと同等のビーム幅となるように、ビームエキスパンダ４に入射し拡大されて出力され、２枚の高反射（ＨＲ）ミラー６ａ，６ｂを介して増幅段レーザ（ＰＯ）２０の出力結合ミラー（ＯＣ）２４とレーザチャンバ２１とリアミラー２５で構成される安定共振器に注入される。
上記２枚のミラー６ａ，６ｂの間には発振段レーザ（ＭＯ）１０のパルスエネルギをモニタするためのビームスプリッタ７ａとパワーモニタ７が配置されている。
ここで検出された発振段レーザ（ＭＯ）１０のパルスエネルギの検出値はエネルギコントローラ３０に入力される。この発振段レーザ（ＭＯ）１０のパルスエネルギの検出結果に基づいて、エネルギコントローラ３２は同期コントローラ３５を介して１２ｋＨｚ電源１５に制御信号を送る。
【００４９】
増幅段レーザ（ＰＯ）２０のレーザチャンバ２１内には２組の一対（ペア）の電極２ａ，２ｂ（以下電極ペア２ａ，２ｂともいう）が直列に配置され、それぞれの一対の電極ペア２ａ，２ｂに、おのおの電源２５ａ，２５ｂが接続されている。
発振段レーザ（ＭＯ）１０から出射した注入光が、増幅段レーザ（ＰＯ）２０の光共振器内に注入されると、同期して電源２５ａ，２５ｂを交互に運転して、交互にそれぞれの一対の電極ペア２ａ，２ｂで放電し、注入された光が光共振器内で増幅発振され、出力結合ミラー（ＯＣ）２４から増幅された光がレーザ発光し、露光装置３６に出力される。
この出力された光はビームスプリッタ８ａ，８ｂによりサンプルされ、パワーモニタ８によりパルスエネルギを検出しその結果がエネルギコントローラ３０に送られる。
エネルギコントローラ３０はこの検出結果に基づいて同期コントローラ３５を介して、増幅段レーザ（ＰＯ）２０の各６ｋＨｚ電源２５ａ，２５ｂ及び発振段レーザ（ＭＯ）１０の１２ｋＨｚ電源１５に制御信号を送る。
【００５０】
増幅段レーザ（ＰＯ）２０の出力光をビームスプリッタ８ｂにより光サンプルし、波長及びスペクトル波形モニタ３４により波長及びスペクトル波形を検出する。
この検出結果は波長及びスペクトル波形コントローラ３３に送られＬＮＭ３内にあるグレーティング３ｂの入射角度を変化させる機構（図示しない）に制御信号を送ることにより波長を制御する。
また、スペクトル波形も発振段レーザ（ＭＯ）１０のレーザ共振器内の光学素子の光波面を制御（図示しない）することにより、スペクトル波形を制御できる。さらに、ガスコントローラ３２により発振段レーザ（ＭＯ）１０のレーザチャンバ１１のＦ２ガス濃度を制御することによってもスペクトル波形を制御できる。
レーザコントローラ３１は、電源１５の印加電圧や２台の電源２５ａ，２５ｂの印加電圧及び増幅段レーザ（ＰＯ）２０及び発振段レーザ（ＭＯ）１０のパルスエネルギの経時変化から、ガスコントローラ３２にレーザガス（Ｆ２、Ａｒ及びバッファガス）の補給及び排気を徐々に行う。
【００５１】
ダブルチャンバシステムにおける発振段ＡｒＦの電極幅を２ｍｍとして、電極間距離を８ｍｍとした。また、バッファガスとしてＮｅをもちい、ガス流速を４５ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力４．５ｋＷ）として出力エネルギを１．５ｍＪとした。これにより狭帯域化効率１８％を達成しつつ、１０ｋＨｚ以上で安定して発振が可能であった。
上記構成のダブルチャンバ方式のＭＯＰＯ方式のＡｒＦレーザ装置において、本発明では、発振段レーザ（ＭＯ）１０のＬＮＭ３のスリット幅を前記したように２ｍｍ以下とするとともに、発振段レーザ（ＭＯ）１０の電極間隔ａ、電極幅ｂ、ガス流速、バッファガスを以下の図２に示すように選定して、１０ｋＨｚの発振周波数で動作させた。その結果、狭帯域効率を低下させることなく、安定した高繰返しの発振が可能であった。
（１）図２（ａ）に示すように、図１に示すダブルチャンバシステムにおける発振段ＡｒＦレーザの電極幅を２ｍｍとし、電極間距離を１３ｍｍとした。
また、バッファガスとしてＮｅ（ネオン）を用い、ガス流速を４５ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力４．５ｋＷ）として、出力エネルギを１．５ｍＪとした。これにより、安定して１０ｋＨｚの発振が可能であった。
（２）図２（ｂ）に示すように、図１に示すダブルチャンバシステムにおける発振段ＡｒＦレーザの電極幅を１ｍｍとし、電極間距離を８ｍｍとした。
また、バッファガスとしてＮｅ（ネオン）を用い、ガス流速を５０ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力４．５ｋＷ）として、出力エネルギを１ｍＪとした。これにより、安定して１２ｋＨｚの発振が可能となった。
（３）図２（ｃ）に示すように、図１に示すダブルチャンバシステムにおける発振段ＡｒＦレーザの電極幅を２ｍｍとし、電極間距離を１３ｍｍとした。
また、バッファガスとしてＨｅ（ヘリウム）を用い、ガス流速を４５ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力３ｋＷ）として、出力エネルギを１．５ｍＪとした。これにより、安定して１０ｋＨｚの発振が可能となった。
（４）図２（ｄ）に示すように、図１に示すダブルチャンバシステムにおける発振段ＡｒＦレーザの電極幅を１ｍｍとし、電極間距離を８ｍｍとした。
また、バッファガスとしてＨｅ（ヘリウム）を用い、ガス流速を５０ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力３ｋＷ）として、出力エネルギを１ｍＪとした。これにより、安定して１２ｋＨｚの発振が可能となった。
【００５２】
次に、狭帯域モジュールを備えたシングルチャンバのエキシマレーザ装置に本発明を適用した場合の構成例を図３に示す。
同図において、レーザチャンバ１１内にはレーザガスとが充填されている。電源１５からレーザチャンバ１１内に所定距離だけ離間して対向配置された一対の電極１ａ（図１では一方の電極のみが示されている）に高電圧パルスが印加され、電極１ａ間に放電が発生し、この放電部におけるレーザガスが励起される。
励起されたレーザガスよりレーザビームが発生する。レーザチャンバ１１内には、更に、クロスフローファン１６と熱交換器（図示されていない）が設置されている。レーザガスはこのファン１６によってレーザチャンバ１１内で循環し、放電により高温になったレーザガスは熱交換器で熱交換されて冷却される。
レーザチャンバ１１にはウインド部にウインド部材１２ａ，１２ｂがブリュ−スター角で設置されている。なお、電極１ａは紙面垂直方向に所定距離だけ離間して配置されたアノード電極とカソード電極から構成される。
【００５３】
レーザ共振器は、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）３に搭載されたグレーティング（回折格子）３ｂと出力ミラー０Ｃ１４（出力結合ミラー）とにより構成される。上記したレーザビームは狭帯域化モジュール３に設置されているグレーティング（回折格子）３ｂ及び拡大プリズム３ａ、放電部とＯＣ１４の間を往復しＯＣ１４からレーザビームとして取り出される。ＯＣ１４から出射されるレーザビームは、モニタモジュール３７でパルスエネルギ、中心波長等が計測される。
狭帯域化は、上記狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）３を配置することにより成され、回折格子による波長選択によりスペクトルの狭帯域化が実現される。
モニタモジュール３７で計測されたパルスエネルギは、エネルギコントローラ３０に送られる。エネルギコントローラ３０はこの検出結果に基づいて電源１５に制御信号を送る。
【００５４】
また、モニタモジュール３７で計測された波長及びスペクトル波形は、波長及びスペクトル波形コントローラ３３に送られＬＮＭ３内にあるグレーティング３ｂの入射角度を変化させる機構（図示しない）に制御信号を送ることにより波長を制御する。
また、スペクトル波形もレーザ共振器内の光学素子の光波面を制御（図示しない）することにより、制御される。さらに、ガスコントローラ３２によりレーザチャンバ１１のＦ２ガス濃度を制御することによってもスペクトル波形を制御できる。
レーザコントローラ３１は、電源１５の印加電圧パルスエネルギの経時変化から、ガスコントローラ３２にレーザガス（Ｆ２、Ａｒ及びバッファガス）の補給及び排気の制御を行なわせる。
【００５５】
図３に示すＡｒＦレーザ装置の電極幅を２ｍｍとして、電極間距離を８ｍｍとした。また、バッファガスとしてＮｅをもちい、ガス流速を４５ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力４．５ｋＷ）として出力エネルギを５ｍＪとした。これにより狭帯域化効率１８％を達成しつつ、１０ｋＨｚ以上で安定して発振が可能であった。
上記構成のＡｒＦレーザ装置において、本発明では、発振段レーザ（ＭＯ）１０のＬＮＭ３のスリット幅を２ｍｍ以下とし、電極間隔ａ、電極幅ｂ、ガス流速、バッファガスを以下の図４に示すように選定して、１０ｋＨｚの発振周波数で動作させた。その結果、安定した高繰返しの発振が可能であった。
（１）図４（ａ）に示すように、図３に示すＡｒＦレーザ装置の電極幅を２ｍｍとし、電極間距離を１３ｍｍとした。
また、バッファガスとしてＮｅ（ネオン）を用い、ガス流速を４５ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力４．５ｋＷ）として、出力エネルギを５ｍＪとした。これにより、狭帯域効率を低下させることなく、安定して１０ｋＨｚの発振が可能であった。
（２）図４（ｂ）に示すように、図３に示すＡｒＦレーザ装置の電極幅を２ｍｍとし、電極間距離を１３ｍｍとした。
また、バッファガスとしてＨｅ（ヘリウム）を用い、ガス流速を４５ｍ／ｓｅｃ（ファンモータの駆動電力３ｋＷ）として、出力エネルギを５ｍＪとした。これにより、安定して１０ｋＨｚの発振が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明が適用されるＭＯＰＯ方式レーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】図１のレーザ装置に本発明を適用した場合における電極間隔、電極幅、ガス流速等の数値例を示す図である。
【図３】本発明が適用されるシングルチャンバのレーザ装置の構成例を示す図である。
【図４】図３のレーザ装置に本発明を適用した場合における電極間隔、電極幅、ガス流速等の数値例を示す図である。
【図５】電極間の電界強度の空間分布の計算結果を示す図である。
【図６】電極幅を２ｍｍ及び１ｍｍとし、電極間距離を変更した時の光学的測定法で得られた放電幅と、放電電極間距離の測定結果を示す図である。
【図７】マッハツェンダ法による放電幅Ｗを計測するシステムの構成例を示す図である。
【図８】放電幅Ｗを計測する簡便な方法を示す図である。
【図９】スペクトル線幅が狭いレーザ光を出力する放電励起式狭帯域レーザの光学配置例を示す図である。
【図１０】図９のレーザ装置で試験した試験結果であるＬＮＭ３のスリット幅とスペクトル線幅（Ｅ９５）の関係を示す図である。
【図１１】電極幅と電極間隔が取りうる値の範囲を説明する図である。
【図１２】２ステージレーザ装置の概略構成例を示す図である。
【図１３】放電励起レーザ装置のレーザチャンバの断面図である。
【図１４】電極部分の断面と、正常放電と異常放電とを模式的に示す図である。
【図１５】増幅器（ＰＡ）を２台使用したＭＯＰＡ方式のレーザ装置の概略構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ            放電電極
２ａ〜２ｄ      放電電極
３              狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）
３ａ            プリズムビームエキスパンダ
３ｂ            グレーティング（回折格子）
４              ビームエキスパンダ
６ａ，６ｂ      高反射（ＨＲ）ミラー
７，８          パワーモニタ
１０            発振段レーザ（ＭＯ）
１１            ＭＯチャンバ
１２ａ，１２ｂ  ウインド部材
１３，２３      スリット
１５            電源
１４，２４      ＯＣ（出力結合ミラー）
２０            増幅段レーザ（ＰＯ）
２１            ＰＯチャンバ
２２ａ，２２ｂ  ウインド部材
２５            リアミラー
２５ａ，２５ｂ  電源
３０            エネルギコントローラ
３１            レーザコントローラ
３２            ガスコントローラ
３３            波長およびスペクトル波形コントローラ
３４            波長およびスペクトル波形モニタ
３５            同期コントローラ
３６            露光装置
３７            モニタモジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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