(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ）レーザガスを包含するレーザチャンバと、
Ｂ）前記レーザチャンバ内に配置された２つの細長い浸食可能な電極部材であって、各電極部材が浸食可能表面及び電極支持具を持ち、前記浸食可能表面が多数の放電ピーク及び多数のスパッタ空洞を有し、前記放電ピーク及びスパッタ空洞がガス流との最小限の干渉をもたらす構成で設けられている電極部材と、
Ｃ）各々が放電領域及び放電形状を形成する電気放電を生み出すために、少なくとも２ジュールの電気パルスを前記電極部材に供給するパルス電力システム手段と、
Ｄ）毎秒５メートルを超える速度で前記２つの部材の間に前記レーザガスを循環させる送風機装置と、
Ｅ）前記送風機装置及び前記放電により生み出された熱を前記レーザガスから除去する熱交換器手段と、
を含み、
前記電極部材は、寿命末期形状まで少なくとも８０億パルスに亘って前記放電形状に顕著な変化を引き起こすことなく、各電気パルスによって徐々に浸食される、
ことを特徴とする、ガス放電レーザ。
【請求項２】
前記浸食可能表面の前記多数の放電ピークは、浸食可能表面の１平方センチメートル当たり少なくとも約４００個の巨視的なピーク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３】
前記多数の放電ピークは、角錐台上で浸食可能表面の１平方センチメートル当たり少なくとも約４００個の巨視的な点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４】
前記多数の放電ピークは、浸食可能表面の１平方センチメートル当たり少なくとも約５、０００個の非常に多くの微視的ピーク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】
前記多数のスパッタ空洞は、浸食可能表面の１平方センチメートル当たり少なくとも約２００、０００個の微視的スパッタ空洞を含む非常に多数のスパッタ空洞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６】
前記多数の放電ピークはまた、非常に多数の微視的ピーク及び非常に多数の微視的スパッタ空洞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７】
前記微視的放電ピーク及び微視的スパッタ空洞は、希ガスで無フッ素のガス環境において前記電極部材から放電を引き起こすことにより形成されることを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項８】
前記放電ピーク及びスパッタ空洞は、細い針金のアレーを使用して形成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項９】
前記アレーの前記細い針金は、約２５ミクロンから約５００ミクロンの範囲にある太さを持つことを特徴とする請求項８に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記電極部材間の前記放電は、放電方向を定め、前記細い針金は、前記放電方向に並べられることを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記部材は、長さ方向を定め、前記細い針金は、前記長さ方向と平行に並べられることを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記電極部材間のガス流は、流れの方向を定め、前記針金は、前記流れ方向に並べられることを特徴とする請求項９に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記電極部材の少なくとも１つの前記浸食可能表面に隣接して装着され、前記放電領域のガス乱流を減少させるように形成される少なくとも１つの絶縁スペーサー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１４】
前記電極部材の少なくとも１つは、前記放電面の両側に隣接面を含み、前記隣接面上に配置された絶縁層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１５】
前記絶縁層は、アルミナから成ることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記絶縁層は、金属フッ化物から成ることを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１７】
前記浸食可能表面の少なくとも１つは、その電極支持具に対して小さな杭で結合され、レーザガスが前記浸食可能表面と前記電極支持具との間を流れることを可能にすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１８】
前記電極部材の少なくとも１つは、前記放電面の両側に沿って縦方向に走るトレンチ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１９】
前記トレンチは、少なくとも部分的に絶縁体材料で充填されることを特徴とする請求項１８に記載のレーザ。
【請求項２０】
前記絶縁体材料は、アルミナ及び金属フッ化物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記電極部材の少なくとも１つは、高いコンダクタンスを形成する高い電気的コンダクタンスを持って放電面を形成する第１の非絶縁材料と、前記高いコンダクタンスの７０パーセント未満のコンダクタンスを持つ第２の非絶縁材料と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２２】
低い電気的コンダクタンスを持つ前記材料は、損失のある電極材料であることを特徴とする請求項２１に記載のレーザ。
【請求項２３】
前記電極部材の少なくとも１つは、放電面を形成し、前記放電面の両側に配置された絶縁シー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２４】
前記絶縁シートは、約１／１６インチの厚みを有するアルミナであることを特徴とする請求項２３に記載のレーザ。
【請求項２５】
前記２つの電極部材のうちの一方は、主に陰極として機能して陰極を形成し、もう一方の電極部材は、主に陽極として機能して陽極を形成し、前記レーザは、少なくとも各電気パルスに続く時間間隔の間、前記陰極に対して負である電位を前記陽極に加えるバイアス回路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２６】
前記２つの電極部材の一方は、主に陰極として機能して陰極を形成し、もう一方の電極部材は、主に陽極として機能して陽極を形成し、前記レーザは、少なくとも各電気パルスに続く時間間隔の間、前記第２の導体に対して負である電位を前記陽極に加えるための、前記陽極の近くに置かれた少なくとも１つの導体を含むバイアス回路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２７】
前記２つの電極部材の一方は、主に陰極として機能して陰極を形成し、もう一方の電極部材は、主に陽極として機能して陽極を形成し、前記レーザは、前記導体構成に対して負である電位を前記陽極及び前記陰極に対して加えるための、前記陽極及び前記陰極の近くに置かれた少なくとも１つの導体構成を含むバイアス回路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】
前記導体構成は、前記陽極及び前記陰極からほぼ等距離に位置した１つ又は２つの細長い導体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２９】
前記導体構成は、前記陽極近くに置かれた１つ又は２つの細長い導体、及び、前記陰極近くに置かれた１つ又は２つの細長い導体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３０】
前記浸食可能表面は、ブレードのアレー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３１】
前記電極部材間に循環する前記レーザガスは、ガス流の方向を形成し、前記ブレードのアレーは、前記ガス流方向と平行に配置されることを特徴とする請求項３０に記載のレーザ。
【請求項３２】
前記部材間に循環する前記レーザガスは、ガス流の方向を形成し、前記ブレードのアレーは、前記ガス流方向と直角に配置されることを特徴とする請求項３０に記載のレーザ。
【請求項３３】
Ａ）レーザガスを包含するレーザチャンバと、
Ｂ）前記レーザチャンバ内に配置された２つの細長い浸食可能な電極部材であって、各電極部材が浸食可能表面及び電極支持具を持ち、前記浸食可能表面が多数の放電ピーク及び多数のスパッタ空洞を有し、前記放電ピーク及びスパッタ空洞がガス流との最小限の干渉をもたらす構成で設けられている電極部材と、
Ｃ）各々が放電領域及び放電形状を形成する電気放電を生み出すために、少なくとも２ジュールの電気パルスを１０００ヘルツを超える繰返し率で前記電極部材に供給するパルス電力システム手段と、
Ｄ）毎秒５メートルを超える速度で前記２つの電極部材の間に前記レーザガスを循環させる送風機装置と、
Ｅ）前記送風機装置及び前記放電により生み出された熱を前記レーザガスから除去する熱交換器手段と、
を含み、
前記電極部材は、寿命末期形状まで少なくとも８０億パルスに亘って前記放電形状に顕著な変化を引き起こすことなく、各電気パルスによって徐々に浸食される、
ガス放電レーザを作動する方法であって、
前記電極部材の少なくとも１つのフッ化物の蓄積を焼き払うために、通常の電極極性を周期的に逆転させる段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
Ａ）レーザガスを包含するレーザチャンバと、
Ｂ）前記レーザチャンバ内に配置された２つの細長い浸食可能な電極部材であって、各電極部材が浸食可能表面及び電極支持具を持ち、前記浸食可能表面が多数の放電ピーク及び多数のスパッタ空洞を有し、前記放電ピーク及びスパッタ空洞がガス流との最小限の干渉をもたらす構成で設けられている電極部材と、
Ｃ）各々が電極領域及び放電形状を形成する電気放電を生み出すために、少なくとも２ジュールの電気パルスを１０００ヘルツを超える繰返し率で前記電極部材に供給するように形成され、通常の電極極性を形成するパルス電力システムと、
Ｄ）毎秒５メートルを超える速度で前記２つの電極部材の間に前記レーザガスを循環させる送風機装置と、
Ｅ）前記送風機装置及び前記放電により生み出された熱を前記レーザガスから除去するのに十分な容量を有する熱交換器と、
を含み、
前記電極部材は、寿命末期形状まで少なくとも８０億パルスに亘って前記放電形状に顕著な変化を引き起こすことなく、各電気パルスによって徐々に浸食される、
ガス放電レーザを作動する方法であって、
前記電極部材の少なくとも１つのフッ化物の蓄積を焼き払うために、実質的に無フッ素状態で、少なくとも数分間、前記レーザを周期的に作動させる段階、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記実質的に無フッ素の作動は、レーザガス交換時に起こることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気放電レーザに関し、特に、長寿命電極を備えたチャンバを有するそのようなレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術ＫｒＦエキシマレーザ・チャンバの主要な構成要素が図１に示されている。このチャンバは、集積回路リソグラフィ用の光源として使用されるレーザシステムの一部である。これらの構成要素は、チャンバ・ハウジング２を含む。このハウジングは、各々が長さ約５０センチメートルで、約２０ミリメートルだけ離して設置される２つの電極８４及び８３、１０００ヘルツ又はそれ以上の範囲のパルス繰返し率で次に続くパルスに先だって、１つのパルスからの残骸を（２つの電極間の放電領域から）取り除くのに十分な速度で電極間にレーザガスを循環させる送風機４、及び、ファンにより及び電極間の電気放電によりレーザガスに加えられた熱を除去する水冷フィン付き熱交換器６を含む。用語「残骸」は、本明細書では、レーザパルス後のガスの任意の物理的条件を定めるために使用され、この物理的条件は、前記パルス以前のガスの条件とは異なっている。チャンバはまた、チャンバの空気力学的形状を改善するバッフル及びベーンを含んでもよい。レーザガスは、フッ素約０．１パーセント、クリプトン約１．０パーセント、及び、残りがネオンである混合ガスから成る。各パルスは、パルス電源８を使用して、各電極に亘って極めて高電圧の電位を加えることにより生み出され、それは、電極間の約３０ナノ秒続く放電に高さ約２０ミリメートル、幅約３ミリメートル、長さ約５００ミリメートルの利得領域を生み出させる。その放電は、この利得領域中へ約２．５ジュールのエネルギを落とす。レーザ発振は、図２に示すように、出力カプラ２Ａ、及び、リトロー構成で配置される３プリズムビーム拡大器、同調ミラー、及び、回折格子を備える回折格子ベースのライン・ナローイング・ユニット（不釣合いに大きく図示されている、ライン・ナローイング・パッケージ、すなわち、ＬＮＰと呼ばれる）２Ｂにより形成される共振空洞内で生み出される。この従来技術ＫｒＦリソグラフィレーザにおける出力パルス３のエネルギは、一般に、約１０ミリジュールである。
【０００３】
電気放電レーザの産業上の応用途は多い。１つの重要な用途は、集積回路リソグラフィ機械の光源用としてのそれである。そのようなレーザ光源の１つは、約２４８ナノメートルで狭帯域パルス化された紫外光ビームを生み出す上記のライン・ナロードＫｒＦレーザである。これらのレーザは、一般的に、パルス繰返数約１０００から４０００ヘルツのパルス・バーストで作動する。各バーストは、例えば約８０パルスなどの多くのパルスから成り、１つのバーストは、リソグラフィ機械が各ダイ区間の間で照射をずらす１秒の何分の１かの休止時間によって分離された各バーストを使用してウェーハ上の１つのダイ区間を照射する。それとは別に、新しいウェーハが装填される時の数秒の休止時間がある。従って、生産稼働中、例えば、２０００ヘルツのＫｒＦエキシマレーザは、約３０パーセントの使用率で作動し得る。作動は、１日２４時間、１週７日、１年５２週である。２０００ヘルツで「四六時中」３０パーセントの使用率で作動するレーザは、毎月１５億を超えるパルスを蓄積する。また、いかなる製造の中断も極めて高くつく可能性がある。これらの理由から、リソグラフィ産業用に設計された従来技術のエキシマレーザは、保守点検での停止時間を最小限にするようにモジュール方式になっている。
【０００４】
これらのレーザから生み出されるレーザビームを高品質に維持することは、これらのレーザ光源が使用されるリソグラフィシステムが０．２５ミクロン未満の形態を有する集積回路を作りだすことが現在必要とされ、また形態寸法が年毎に一層小さくなってきていることから、非常に重要である。その結果、レーザビームに設定された仕様は、個々のパルスエネルギの変動、一連のパルスの集積エネルギの変動、レーザ波長の変動、及び、レーザビームの帯域幅の大きさを制限する。
【０００５】
図１に示すような電気放電レーザの通常の作動は、電極浸食を引き起こす。これら電極の浸食は、放電形状に影響を与え、それは続いてレーザ効率のほか、出力ビームの品質に影響を与える。そこで、放電と同じ幅を有する突出部分を電極上に設けることによって浸食の影響を最小限にすることを意図する電極設計が提案されている。いくつかの例は、日本国特許第２６３１６０７号に記述されている。これらの設計は、しかしながら、ガス流に対して悪影響を生み出す。これらのガス放電レーザでは、各パルスの全ての影響を次のパルスに先だって放電領域から吹き飛ばすことが非常に重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
必要なものは、浸食可能な電極を有するガス放電レーザであって、それは、ガス流に悪影響を与えず、レーザビーム品質に悪影響を与えることなく何十億ものパルスに対して耐え得るものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、放電ピーク及びスパッタ空洞の最適アレーを有する放電区域を各々が持つ２つの細長い電極部材を備えるレーザチャンバを持つガス放電レーザを準備する。スパッタ空洞は、電極間のプラズマに寄与するスパッタ金属イオンを供給し、グロー型の放電をサポートする。このピークは、極めて多くのフィラメント型放電を生み出す極めて高い電界をもたらす。電極は徐々に浸食されるけれども、放電領域が放電ピーク及びスパッタ空洞のアレーに閉じ込められているので、放電の形状は、何十億のパルスに対してもほぼ一定のままである。パルス電力システムは、少なくとも１キロヘルツの繰返数で少なくとも２ジュールの電気パルスを供給する。送風機は、電極間にレーザガスを少なくとも５メートル／秒の速度で循環させ、熱交換器は、送風機及び放電によって生み出された熱を除去するために設けられる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
パルス電源システム
ガス放電レーザにおいて電気放電を生み出すためのパルス電力を供給する電気回路８の主要構成要素を図３に示す。このパルス電力システムは、標準２０８ボルトの３相電源で作動する。整流器２２、インバータ２４、変圧器２６、及び、整流器３０を使用する電源は、充電コンデンサＣ0４２をレーザ制御プロセッサ（図示しない）からの指令通りに約５００から１２００ボルトの間の電圧レベルに充電する。レーザ制御プロセッサは、パルスが必要とされる場合、ＩＧＢＴスイッチ４６の閉を指令し、それは、Ｃ0のエネルギをパルス電力システムの継続部分の中へ放電させる。Ｃ0の電荷は、インダクタ４８を通って引き続きコンデンサバンクＣ1５２に、次に、可飽和インダクタ５４を通り、電圧変圧器５６を通ってコンデンサバンクＣP-1６２に、次に、可飽和インダクタ６４を通ってピーキング・コンデンサ・バンクＣP８２へと伝達される。図３に示すように、ピーキング・コンデンサ・バンクＣPは、電極８４及び８３に対して電気的に並列に接続される。
【０００９】
図４Ａは、コンデンサバンクＣ0、Ｃ1、ＣP-1、及び、ＣPの電位をスイッチ４２の閉からその後の９マイクロ秒の間の時間の関数として示す。図４Ｂは、放電直前及び直後８００ナノ秒の時間スライスを示す。ピーキング・コンデンサ・バンクＣPが放電直前に約−１５、０００ボルトに充電されることに注意されたいい。放電は、約３０ナノ秒継続する。放電の間の電子の流れは、最初、上部電極の陰極８４から下部接地電極の陽極８３に向かう。電流の「オーバーシュート」がＣPを正の値の約＋６、０００ボルトに充電し、その時点で電子の下向きの流れが逆転し、その後は、最後の約１５ナノ秒の放電の間、電子の流れは下部接地電極から上部電極となり、全ては図４Ｂに示す通りである。
【００１０】
新しい電極
図１に示すタイプの新しく製造された従来技術電極の表面は、非常に滑らかである。しかし、高出力顕微鏡の下で見た場合、その表面は、電極の長さに亘って走り、約１から２ミクロンだけ間隔が空き、交互する隆起と谷でその谷底は隆起の頂上から約１から２ミクロン低くなっている、縦方向の列から実際は成っている。顕微鏡下の表面は、機械加工作業による結果、長く細く耕された田畑のように見える。
【００１１】
バーンインされた電極
新規レーザシステムの組み立て、又は、レーザチャンバ再構築の場合、一般的な従来技術の方法は、チャンバが約５億のパルスに対して作動される「バーンイン」段階にチャンバを曝すことである。これは、２０００ヘルツでは、約７０時間必要である。この段階の間、各電極の放電面に十分なスパッタリングが発生する。放電面は、各電極上で幅約３．０ミリメートル及び長さ約５００ミリメートルである。各電極の放電面上で発生するスパッタリング及び電極間の放電は、表面の放電部分において電極表面を十分に変える。「耕された列」は、「バーンイン」された後ではもはや見られないものの、ほとんどは、比較的不規則に間隔が空いた、一般に深さ約５ミクロン及び幅約３から１０ミクロンの、しみ状の浅いくぼみによって置き換えられる。これらのしみ状のくぼみ、つまりクレーターは、互いに近い間隔で（または、少し重なり合って）陰極上に位置する。それらは、一般に陽極上では幾分更に離れており、従って、陽極と比較した場合、クレーターは、陰極上では単位面積当たり約４倍ほど多くある。
【００１２】
浸食
本出願人は、電極の浸食は両方の電極上に発生するが、接地された電極（陽極８３）の浸食速度が高電圧電極（陰極８４）のそれの約４倍であることを発見した。また、作動させると、通常、陽極の部分に非常に緩やかに蓄積される金属フッ化物の絶縁層をもたらす。場合によっては、電極寿命の最後近くで、その層によって覆われた放電面の部分は、５０％から８０％又はそれ以上になる可能性がある。フッ化物層によって覆われた領域において、放電電流は、一般に、約５０から１００ミクロンの直径を有するほぼ円形の断面を持つ傾向がある小さな穴を通って流れる。フッ化物層によって覆われたこの表面は、かなりのそれ以上の浸食に侵されることはないが、浸食速度は、覆われていない表面領域が減少するにつれて、覆われていない放電面で増大する。（小さい穴がある場所では、覆われた表面上にいくらかの浸食があるようにみえる。）従来技術レーザにおける電極の浸食及びフッ化物の蓄積は、一般に、約５０から１００億のパルス時点でレーザビームが品質仕様書にもはや適合しなくなるほど激しくなる。この時点で、一般的にレーザチャンバは、新規電極を有するチャンバと交換される。交換チャンバは、数千ドルかかり、交換するには集積回路生産を一時的に停止することが必要である。
【００１３】
集積回路リソグラフィ用に使用される多くの電気放電レーザは、電極材料として黄銅を利用する。更に良い電極材料の発見のために多くの他の材料が試験されてきたものの、本出願人の知る限り、レーザ製造及び運転を含む全ての費用を考慮に入れる場合、黄銅に優ると証明されたものは何もない。しかし、本出願人による最近の試験では、グリッドコップ（登録商標）の下で販売され、米国ノースカロライナ州リサーチ・トライアングル・パーク所在のオー・エム・ジー・アメリカズ（ＯＭＧ  Ａｍｅｒｉｃａｓ）から入手可能なミクロン以下のＡｌ2Ｏ3塊を含有する高強度の銅材料が、従来技術の黄銅電極よりも十分にゆっくり浸食することを示している。他の点では優れた多くの電極材料（低いスパッタ及び蒸発損失）は、これらのチャンバの極めて反応性の高いフッ素ガスと適合しない。
【００１４】
スパッタリングされた金属イオン−放電の重要部分
良好なレーザ活性媒体を作りだすには、均一な放電プラズマが電極間に作り出される必要がある。最初に電極間の空隙におけるガスは、図１に示す予備電離装置１２によって予備電離される。電極上の電圧が上昇するにつれ、陰極に近い領域におけるプラズマのかなりの部分は、電極材料のイオンスパッタリングによって生み出される。電極からスパッタリングされた金属原子は、ほとんどが蒸気の状態であって、金属原子のかなりの部分はイオン化されており、陰極の表面にすぐ隣接して正イオン陰極「降下」領域を形成するのを助け、陰極からの電子の流れに寄与し得る、また陰極を離れる電子を加速する極めて大きな電界を作り出す。この処理は、各パルスの最初の部分の間、陰極８４に対して最初に施される。しかし、図４Ｂに示すように、パルスを通してほぼ中央で電極の極性が逆転するので、この影響は、その時点で陰極（すなわち、負の電極）として機能している陽極８３でも発生する。急速に変化する電界の条件に応じて、パルスの間及び後の両方において、金属イオンは電極に引き付けられて戻り得るが、追い出された電極材料のいくらかがガス流境界層を超えて運ばれるために、その多くは、循環するレーザガスによって吹き飛ばされる。本出願人は、陽極における浸食損失を１０億パルス当たり約３グラム、すなわち、１パルス当たり約２．８×１０13原子に相当する１パルス当たり約３×１０-9グラムであると推定する。陽極上に約１５００平方ミリメートルの放電面があるので、損失は、約１．２×１０10原子／平方ミリメートル／パルスである。黄銅電極の各原子層は、１平方ミリメートル当たり約３×１０13の原子を含有するので、約２、２５０パルス（２、０００ヘルツのパルス繰返数で１秒を少し超える）で電極から１つの原子層が失われる。１００億パルスの後では約４４０万の原子層が失われ、電極の放電面の垂直位置における約０．５ミリメートルの減少に相当する。図１に示すタイプの従来技術の電極において、この減少は、特に陽極である電極表面上の放電領域の拡大、放電の拡大、転位、又は、分割、及び、陽極放電面の各部分でのフッ化物層の蓄積を伴う。このことは、通常、レーザによって生み出されるレーザビームの品質に対して実質的に悪影響である。
【００１５】
問題点
フッ素含有レーザガスを使用する電気放電リソグラフィレーザのためのより良い電極を開発する上で対処すべき以下の５つの重要な問題点がある。
１）電極浸食は、ビーム品質に深刻な影響を与える、
２）電極浸食は、現在のところレーザチャンバの寿命を制限する、
３）陽極浸食は、陰極浸食の約４倍である、
４）陽極上のフッ化物層の蓄積は問題である、及び
５）良好なガス流条件を放電空隙に維持することは非常に重要である。
【００１６】
本明細書に説明される本発明の様々な実施形態は、これらの問題点に対処する。電極は、以下の基準を満足させる。
１）電極は、実質的にビーム品質に影響を与えない浸食を伴って、数１０億のレーザパルスに亘りゆっくり浸食する浸食表面を含む、
２）浸食表面は、放電領域のフッ化物絶縁の蓄積に抵抗する、及び
３）電極は、放電領域又は放電領域にすぐ隣接するよどみ帯域におけるかなりの乱流なしで、１、０００ヘルツから６、０００ヘルツ又はそれ以上の繰返し率を可能にする改良ガス流を供給するように設計される。
【００１７】
第１の好ましい実施形態
（微視的ピーク及び空洞）
本出願人の１人は実験を行い、フッ素を含有しない（約３気圧で約１％のアルゴンと残りがネオンである混合ガスを有する）新しいＡｒＦレーザチャンバ（新規電極を有する）を約３億パルスの期間で作動させた。実験の目的は、電極浸食がどの程度までガス内のフッ素によるかを判断することであった。フッ素がない場合、電極間のプラズマは、１ミリ秒を超える間、高度に導電性を持ったままであり、電子流は、ＣP電圧のオシロスコープグラフである図５に示すように、電極間で入ったり来たり環状に動く。振動の周期は、陰極８３及び交互に陰極として機能する陽極８４を使用して放電を開始した後で約５７ナノ秒である。このグラフを図４Ｂに示すＣPのグラフと比較することを強く勧めたい。ガス中にフッ素があると、環状の動きが１サイクルの後で実際上抑圧されることに注意されたい。
【００１８】
微視的クレーター及びピーク
本出願人が、無フッ素のＡｒＮｅ混合において３億パルスの後に電極を調べてみると、陰極及び陽極両方の放電面は、著しく均一なスパッタクレーターと放電ピークとのマトリックスを発達させることが観察された。図５Ａは、表面上のピークの頂上近くに焦点を合わせた高出力顕微鏡の下で、陰極放電面の２００ミクロン×２００ミクロン区域において観察された形態を示す図である。非常に小さな焦点深度のために、より多くのクレーターが不鮮明になっている。図５Ｂは、図５Ａの５Ｂで示す図５Ａ画像の小さな区域の微視的画像の図であり、顕微鏡の焦点をクレーターの頂上近くに合わせてあり、クレーターの縁を示している。縁の下方約５から１０ミクロンに焦点を合わせると、焦点の合った形態は、縁の円周の中心近くに位置する小さな点のように見える。陽極及び陰極両方のクレーターは、幅約５から１０ミクロン、及び、深さ約５から１０ミクロン、ピークは、幅約２５から３０ミクロン、及び、高さ約２５から３０ミクロンである。ピークによっては、その頂上にほとんどクレーターを持っていない。各ピークは、陰極では約５０ミクロンほど離され、陽極ではそれよりも更に離される。陽極では５０ピーク／平方ミリメートル、陰極上では５００ピーク／平方ミリメートルであるように見える。大雑把に言って、陽極及び陰極両方の各ピークには５０個のクレーターがある。すなわち、処理済み陰極の１５００平方ミリメートルの放電領域は、約７５０、０００個のピークと約３７００万個のクレーターとを持ってもよく、陽極の１５００平方ミリメートルの放電領域には、約７５、０００個のピークと約３７０万個のクレーターとがある。
【００１９】
本出願人は、これらの観察に基づいて、幅が５から１０ミクロンで深さが５から１０ミクロンのクレーターは、電極の表面近くに非常に高い電位が存在する場合、イオンスパッタリングによって引き起こされると結論した。陰極上のスパッタリングは、陰極が陽極に対して負に荷電される主にパルスサイクルの半分の間でおそらく発生し、陽極上のスパッタリングは、陽極が陰極として機能する主に極性逆転後の時間の間でおそらく発生する。各電極が陰極として機能している場合、スパッタリングされた銅及び亜鉛原子の多くは正イオンであり、電極に向けて加速され、陰極降下領域の形成を助けるが、極性が移動し始めるにつれて、正の金属イオンは「陰極」表面から、表面に対して直角の方向に追い払われる。
本出願人は、これらの微視的クレーター及びピークが形成される機構に関して確信があるわけではないが、クレーター及びピークの両方が電界強化放出を通して電極の性能改善に寄与するものと考える。
【００２０】
無フッ素混合ガスを使用して作りだされたクレーター及びピークを発見した後で、本出願人は、通常のＦ2、Ｋｒ、及び、Ｎｅと、Ｆ2、Ａｒ、及び、Ｎｅとの各混合ガスで最初に作動された電極を調べ、様々な作動期間の後で取り出された電極上に類似のクレーター及びピークを発見したが、そのクレーター及びピークは、ほとんどそれほどはっきり形成されてはいなかった。事実、それらは非常に貧弱に形成されており、顕微鏡の下で表面を見る観察者の多くがピーク及びクレーターを識別することが困難であるほどであった。フッ素は、電極の均一な放電面の形成を抑制する。しかし、一旦この均一な構造が形成されると、たとえフッ素があってもそれは持続する。
【００２１】
上記の観察及び電極試験チャンバにおけるいくつかの追加試験に基づいて、本出願人は、電極性能が実質的に無フッ素の軽及び重希ガス（ネオンとクリプトン、又は、ネオンとアルゴンなど）環境において約５、０００万から３億個のパルスから成る前処理によって十分に改善されると判断した。この処理は、大雑把に言って１００、０００個の微視的ピーク及び５００万個の微視的クレーターを陰極上に、また、大雑把に言って１０、０００個の微視的ピーク及び５０万個のクレーターを陽極上に生み出す。本出願人は、これらの微視的ピーク及びクレーターが性能を改善する正確な機構をはっきりとは知らないが、その機構が各ピークの極めて近傍における極めて大きな電界に関係すると類推する。本出願人はまた、クレーターの形状が陰極スパッタリングの制御を助け、スパッタリングによって通常引き起こされる陰極からの金属損失の低減をもたらすと類推する。５から１０ミクロンの直径は、イオンが電極表面から追い払われている約２８ナノ秒の間にスパッタリングされたイオンが移動する距離と相関し得る。その場合であれば、クレーターの壁から追い払われたイオンは、電極が極性逆転のために再び引力になる時、反対側の壁近くに位置してもよい。クレーターの底部から追い払われた多くのイオンは、おそらくクレーターから失われるので、クレーターの深さは、クレーター底部の電界が低部からのスパッタリングが比較的重要でなくなるのに十分なほど減少するまで増大する。レーザチャンバの３気圧のガス圧力に基づくこれらの小さな浅い空洞は、従来の技術の節において参照した中空陰極の古典的空洞よりも約１０倍ほど大きい。しかし、本出願人は、中空陰極効果に類似する効果が空洞の強化スパッタリング及びスパッタリングされた金属原子の強化捕捉を生み出してもよいと類推する。状況によって、中空陰極のアレーは、滑らかな陰極に比較して５０分の１の浸食の減少をもたらすことができる。本出願人は、高さ約２５から３０ミクロンのピークがかなり小さな不規則に発生するピークから発達してもよく、この発達したピークが放電点になり、次に、非常に大きな引力電界がピーク近くに存在する放電の間、正にスパッタリングされた金属イオンを引き付けることができると類推する。本出願人は、ピークが大きくなり過ぎたら、それらは蒸発させられて（増大した電流の熱によって）約２０から３０ミクロンの平衡サイズまで下げられるであろうと類推する。電極が極端に化学的に活性なフッ素の存在なしで作動される場合、表面は、大きく低減した浸食速度で自動的に平衡サイズまで徐々に変化する。
【００２２】
実際の電極放電条件を模擬するように設計された電極試験チャンバにおいて行われた本出願人の試験によると、無フッ素前処理は、大きな改善を示した。９９％Ｎｅ及び１％Ａｒで前処理された電極試料は、９８．９％Ｎｅ、１％Ａｒ、及び、０．１％Ｆｌの混合ガスにおいて従来技術的に前処理された電極と比較された。前処理の後、電極試料は、両方とも全く等しい条件の下で１００億パルスに等しい時間をかけて試験された。いくつかの異なる実験によって確認された結果は、無フッ素ガスを用いて前処理された電極に対する浸食の約５０％の減少であった。
これらの実験の結論は、放電面上に無フッ素状態では自然に発達する小さなピーク及びクレーターを設けるために、滑らかな電極表面に前処理を施すことにより電極浸食が劇的に改善できるということである。フッ素がある場合には、金属フッ化物構造が電極表面上に散発的に発達し、レーザガス放電の均一性を大きく低減する。
【００２３】
第２の好ましい実施形態
（巨視的ピーク及び空洞）
本出願人によって製作及び試験された第２の好ましい実施形態は、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、及び、図６Ｅを参照して説明することができる。この実施形態においては、約７、０００個の角錐のアレーが従来技術の電極表面上に機械加工された。角錐は、次に、先端を切り取られ、７、０００個の角錐台を生み出した。図６Ａは、電極の側面図であり、図６Ｃは、電極の１つの端部区域及び角錐の各位置を示す平面図である。図６Ｄは、角錐の先端が切り取られる前の断面図であり、図６Ｅは、角錐の一般形状を示す。図６Ｂは、角錐台の列の中心を通って切られた断面図である。角錐の先端を切り取ることは、各角錐に４つの高電界放電点を生み出し、高電界巨視的放電点の数を約７、０００から約２８、０００へと増大することに注意されたい。約２８、０００という数は、上記の特別処理された陽極で観察された微視的ピーク数のかなりの部分を占め、特別処理された陰極のスパッタ空洞の小さな部分を占める。これらの電極に関しては試験が行われてきており、現在までの試験は、優れた放電パターンを呈示している。
好ましい実施形態において、本節で上述したように製造された電極は、前節で記述されたように前処理され、巨視的ピーク及び空洞の上に微視的ピーク及び空洞を置く。別のアプローチは、角錐の先端を切断しない方法である。
【００２４】
第３の実施形態
（ブレード電極）
電極の放電面を形成するために、ブレード電極を設けてもよい。これらのブレードは、ブレード先端のすぐ近傍に非常に高い電界を生み出し、その高電界は、ブレード先端に放電を集中させることになる。ブレードは、図９に示すように電極の縦軸線に平行であってもよく、又は、図１０に示すように流れの方向に平行であってもよい。ブレードは、図９及び図１０に示すように電極ベースの上面の上方に延びてもよく、又は、図９Ａ及び１０Ａに示すように電極ベースの上面の下に切り込んでもよい。あるいは、ブレードは、その表面の上方及び下方の両方に延びることができるであろう。図９及び図９Ａの場合において、ブレードは、幅約０．０１から０．０２０インチで、それらの間の間隔が約０．００５から０．０１０インチであることが好ましい。各ブレードのアレーは、好ましくは、幅が約２から５ミリメートルあることが必要である。図１０及び図１０Ａのタイプのブレードに対して、厚み、ブレード間の間隔、及び、ブレードアレーの厚みは、好ましくは、縦方向ブレードに関して上記で説明したのと同じ範囲であろう。図９の場合において、ブレードを超える流れを改善するために絶縁スペーサーを設けてもよい。図９Ａ及び図１０Ａの実施形態の場合、電極ベースの各隣接面は、図７Ｂ、図７Ｃ、及び、図７Ｄに示すように、放電面の有意な広がりのいかなるものも更に防止するために絶縁材料で覆うことができるであろう。
【００２５】
他の実施形態
ガス放電レーザ用の長寿命電極を実現するために、本発明の原理を使用して、多くの他の電極構成が可能である。図７Ａから図７Ｉまでは、それら他の例を示し、放電ピーク及びスパッタ空洞は、安定で均一な放電を促進するのに必要な多くの高電界放電点及びスパッタ金属イオン化を準備する一方で、ガス流との最小限の干渉をもたらす構成で設けられている。
図７Ａは、陰極が図６Ａから図６Ｅに示すものに類似しているものの、陽極が２センチメートルの間隔を空けた小さな杭の上の陽極支持具の上方に吊され、ガスが放電面を含む陽極区域の下を流れることを可能にする。角錐は、陰極及び陽極の両方に設けられる。
【００２６】
図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ、図７Ｅ、及び、図７Ｆは、電極が角錐のアレーで覆われた放電面を設けられ、放電面が絶縁体で覆われた表面で境界を定められる実施形態を示す。特に、図７Ｅの実施形態では、放電面の両側に沿って縦方向に走るトレンチが設けられ、そのトレンチに少なくとも部分的に絶縁材料が充填されている。図７Ｇ、図７Ｈ、及び、図７Ｉに示す実施形態における放電面は、約２５ミクロンから約５００ミクロンの範囲の直径を持つ極端に細い金属針金のアレーで形成される。この針金の材料は、黄銅又は銅など、任意の良好な電極材料であり得る。図７Ｇにおいて、この針金は垂直に並べられ、図７Ｈにおいて、それらは電極の長さ方向に並べられ、そして、図７Ｉにおいて、それらは流れの方向に並べられる。各アレーは、互いに及び電極ベースに対して蝋付けされるのが好ましい。各針金の間隔は、放電空洞をもたらし、針金自身は、局所的高電界放電ピークをもたらす。図８は、放電ピークを有する良好な導電材料が、低い導電率を有する損失のある電極材料からできた電極支持具に装着される例を示している。
【００２７】
金属フッ化物問題の対処法
上記の通り、本出願人は、金属フッ化物層が電極寿命に亘って非常にゆっくりと陽極に蓄積することを知った。フッ化物層は、陰極には蓄積されない。この材料（フッ化銅及びフッ化亜鉛）は絶縁体であり、放電に干渉する。しかし、その干渉は完全なものではなく、理由は、約０．１から１．０ミリメートルの間隔で小さな穴が層に出現し、電流がそれらの穴を出入りして流れるためである。更に、フッ化物層は、それが覆っている表面の更なる浸食を防止する。しかし、明らかに、フッ化物で覆われた区域の穴を通る電流の流れは、覆われていない放電面区域の電流の流れほど効率的ではない。これらの発見により本出願人は、陽極に関するフッ化物問題に対するいくつかの解決方法を開発した。
【００２８】
陽極を絶縁すること
１つの解決方法は、陽極を絶縁被覆を使用して製作し、しかし、その絶縁層を通して多くの放電空洞を設けることである。穴は非常に小さく、２００ミクロン未満でなければならず、約０．５ミリメートルだけ間隔を空けることが好ましい。
【００２９】
電極極性を交替する
陽極のフッ化物問題に対する別の解決方法は、２つの電極の極性を周期的に切り替えることである。これはかなり簡単に、図３に示すパルス変圧器５６からの導線を切り替え、バイアス回路１２０及び１２６が適切に配置されていることを確認することにより容易に達成できる。極性は、好ましくは、約１億パルス以下の間隔で切り替えられる必要があり、それにより、いかなる陽極蓄積も極性切換の間で最小化されることになる。この手法により、電極が主に陽極として機能している時の電極の少量のフッ化物蓄積は、その電極が陰極として機能している時に焼き払われる。しかし、この方法は、無フッ素で初期運転された時に発達した構造までには電極表面を完全に回復させることはない。
【００３０】
陽極に負のバイアスを加える
フッ化物蓄積に対する別の解決方法は、陽極に負のバイアスを加えることであり、それにより、少なくともパルスの直後には陽極は負に荷電される。これは、パルス後にフッ素イオン（一般に負のイオンである）に対して反発力を加える効果を持つことになり、陽極のフッ化物蓄積を十分に減少させることになる。この負のバイアスはまた、スパッタリングされたごく普通の金属イオンをパルス直後に陽極に再捕捉するのを助けることになり、従って、陽極の浸食速度のかなりの低減に寄与する。図３に示す回路に対する簡単な変更例が図１１に示されている。約１から１０キロボルトの正のバイアス電圧が６０で示すように加えられる。ＣP-1よりもかなり大きい静電容量を有する阻止コンデンサは、バイアス電圧が放電パルスと干渉するの妨ぎ、バイアス回路の大きな電気抵抗は、放電の間のバイアス電流の流れを制限する。図１４は、放電パルスに対するビーム回路の効果を示し、修正されたパルスは点線で示されている。
【００３１】
無フッ素での周期的作動
フッ化物層の蓄積を減少させる可能性のある別の方法は、無フッ素でレーザを短時間作動させることである。本出願人は、レーザの無フッ素での作動（すなわち、僅かな割合だけＫｒ又はＡｒを有するネオンのみ）が十分に整えられた電極放電面をもたらし、その後の浸食速度を減少させることを示す実験を行った。通常作動の間、レーザガスは、周期的（約３日又は４日毎に１度）に交換される。Ｆ2なしの数分間の作動は、工場作業を実質的に邪魔することなく、おそらく達成できるであろう。無フッ素の場合は上記の通り、両方の電極が交替的に陰極として機能するのに伴い、放電が電極の間で入ったり来たり何サイクルも環状に動く。この作動は、以前のガス交換以来陽極に蓄積した可能性がある薄いフッ化物層を焼き払う筈である。改善をもたらすと期待される一方、この方法は、前処理の方法を使用して得られた放出表面構造を完全に回復することはできない。
【００３２】
２次電極電界
フッ化物蓄積の問題を解決し、浸食を減少させるための別のアプローチは、少なくともパルスにすぐ続く短時間の間、電極から離れて行く負のイオン流を引き起こし、また、電極に向かう正のイオン流を引き起こすことになる、２次電界を確立することである。これは、１つ又はそれ以上の電極を陽極放電面近くではあるが放電領域の外側に設置し、負のフッ素イオンを陽極から追い払って正の金属イオンを引き付けることになる電界を作り出すためにその電極を正の値に荷電することにより達成することができる。そのような回路が図１５に示されている。＋５０００ボルトなどの正の高電圧が、接地電位にある陽極の両側の部分的に絶縁された各電極に加えられる。近似的な電界線の表示が図１３の６２で示されている。この回路は、連続して「オン」に維持することができるし、又は、通常のパルスに重畳するか又は素早く続くために、短い間隔でオンにすることもできるであろう。
【００３３】
本発明は、好ましい実施形態の観点から特殊性を持って上記のように説明されてきたが、多くの変形及び変更が本発明の精神から逸脱することなく成され得ることを理解して認識されたい。次の来るパルスに先だって放電残骸がある空隙を清浄にするため、電極間の空隙に良好な流れの状態を維持することは重要である。１０００ヘルツにおいて、流れは、少なくとも５メートル／秒又はそれ以上、好ましくは、それを十分に超えることが必要である。２０００ヘルツにおいて、流れは、約２５メートル／秒であることが好ましい。本発明の原則は、例えばＡｒＦレーザやＦ2レーザなど、ＫｒＦレーザ以外の他の多くのガス放電レーザに適用することができるであろう。バイアス回路は、直流である必要はない。巨視的ピークの数は、上記の説明の数からかなり変動することができるが、好ましくは、その数は大きいことが必要である。巨視的な放電点に対して、本出願人は、少なくとも約４００個／平方センチメートルを推奨する。表面が微視的ピークを作り出すように準備される場合、好ましい密度は、浸食可能な表面上で少なくとも５、０００ピーク／平方センチメートルである。微視的なスパッタ空洞の好ましい集中度は、少なくとも２００、０００クレーター／平方センチメートルである。従って、本発明の範囲は、添付請求項及びその法的同等表現によって判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のガス放電レーザチャンバの断面図である。
【図２】従来技術レーザの他の形態を示す図である。
【図３】従来技術のガス放電レーザのパルス電力システムの主要形態を示す図である。
【図４Ａ】図３のパルス電力システムに関する電気パルス形状を示す図である。
【図４Ｂ】図３のパルス電力システムに関する電気パルス形状を示す図である。
【図５】無フッ素チャンバ希ガスに対するオシロスコープのグラフである。
【図５Ａ】微視的なピークを示す図である。
【図５Ｂ】微視的なピークを示す図である。
【図６Ａ】好ましい実施形態を説明する図である。
【図６Ｂ】好ましい実施形態を説明する図である。
【図６Ｃ】好ましい実施形態を説明する図である。
【図６Ｄ】好ましい実施形態を説明する図である。
【図６Ｅ】好ましい実施形態を説明する図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｄ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｅ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｆ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｇ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｈ】本発明の実施形態を示す図である。
【図７Ｉ】本発明の実施形態を示す図である。
【図８】２つの異なる導電材料から成る電極を示す図である。
【図９】ブレード電極を使用する実施形態を示す図である。
【図９Ａ】ブレード電極を使用する実施形態を示す図である。
【図１０】ブレード電極を使用する実施形態を示す図である。
【図１０Ａ】ブレード電極を使用する実施形態を示す図である。
【図１１】陽極に負のバイアスを加える回路を示す図である。
【図１２】バイアスによって引き起こされる電気パルス形状の変更例を示す図である。
【図１３】Ｆ2を拒否して金属イオンを引きつけるために電極に外部電界を加える段階を示す概略図である。
【符号の説明】
２  チャンバ・ハウジング
６  水冷フィン付き熱交換器
８  パルス電源
１２  予備電離装置
２２、３０  整流器
２４  インバータ
２６  変圧器
４２  充電コンデンサ
４６  ＩＧＢＴスイッチ
５４、６４  可飽和インダクタ
５６  パルス変圧器
８３、８４  電極
１２０、１２６  バイアス回路
【図１】
0003930704.tif 000002
【図２】
0003930704.tif 000003
【図３】
0003930704.tif 000004
【図４Ａ】
0003930704.tif 000005
【図４Ｂ】
0003930704.tif 000006
【図５】
0003930704.tif 000007
【図５Ａ】
0003930704.tif 000008
【図５Ｂ】
0003930704.tif 000009
【図６Ａ】
0003930704.tif 000010
【図６Ｂ】
0003930704.tif 000011
【図６Ｃ】
0003930704.tif 000012
【図６Ｄ】
0003930704.tif 000013
【図６Ｅ】
0003930704.tif 000014
【図７Ａ】
0003930704.tif 000015
【図７Ｂ】
0003930704.tif 000016
【図７Ｃ】
0003930704.tif 000017
【図７Ｄ】
0003930704.tif 000018
【図７Ｅ】
0003930704.tif 000019
【図７Ｆ】
0003930704.tif 000020
【図７Ｇ】
0003930704.tif 000021
【図７Ｈ】
0003930704.tif 000022
【図７Ｉ】
0003930704.tif 000023
【図８】
0003930704.tif 000024
【図９】
0003930704.tif 000025
【図９Ａ】
0003930704.tif 000026
【図１０】
0003930704.tif 000027
【図１０Ａ】
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【図１１】
0003930704.tif 000029
【図１２】
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【図１３】
0003930704.tif 000031