(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体円筒と両端の金属電極で構成される放電管と、電極の外側に共振器を構成する反射鏡または透過鏡とを有し、放電電極には駆動回路から高電圧のパルス放電用電圧が印加されるＦ2レーザ装置であって、発振するレーザ光の光軸と主放電電流が同一経路を通る軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、放電管内の全ガス圧が１０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下の範囲にあり、且つ全ガスに対するＦ2ガス濃度が０．２％以上２．０％以下の範囲にあることを特徴とする低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置。
【請求項２】
放電管内の全ガス圧が３５Ｔｏｒｒ以上４５Ｔｏｒｒ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置。
【請求項３】
軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、レーザ発振に関わる下準位の寿命が長いことに起因するレーザ光の吸収を回避するため、放電電圧または容量を変化させて励起密度を制御し利得の持続時間を制御することを特徴とする請求項１または２の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置。
【請求項４】
軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、利得長を短くすることによって共振器の長さを１０ｃｍ以上３０ｃｍ以下と短くして光の往復時間を短縮させ、共振器を十分に効かせることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、半導体露光装置の光源等に有用な、低圧で発振する小型且つ高効率で低コストの低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
従来より、半導体プロセスの微細化の進展に伴って、半導体露光装置に使用されるレーザの露光波長が短波長化されており、クリプトンフッ素（ＫｒＦ：２４８ｎｍ）やアルゴンフッ素（ＡｒＦ：１９３ｎｍ）等のエキシマレーザが実用化され、さらに次世代の光源として真空紫外線領域で発振するＦ2レーザ（Ｆ2：１５７ｎｍ）が期待されている。またＦ2レーザは光子エネルギーが約７．９ｅＶと大きく、石英のようなバンドギャップの大きい物質でも吸収係数が大きいため、これまで加工が難しいとされてきた材料への新しい応用も期待されている。
【０００３】
また、Ｆ2レーザで用いるガスはＨｅとＦ2の単純な混合ガスであり、ＮｅやＸｅのような高価なガスを使用せず、またＡｒのように放電を局在しやすい成分を含んでいないため安定な放電が得やすいというメリットを有している。
【０００４】
さらにまた、既にＦ2レーザの研究において約２６０ｍＪ／ｐｕｌｓｅまでの発振が得られており、高出力化に適した側面が示されているため、Ｆ2レーザが実用化されれば様々な分野に応用可能なレーザとなることが期待される。
【０００５】
上記のように、Ｆ2レーザは大きな長所を持った短波長レーザであるが、従来からの、放電電流方向とレーザ光の方向が垂直となる横方向励起方式且つ紫外線予備電離方式のＦ2レーザを採用している現状では多くの問題を抱えており、これまでの考え方ではその克服は困難であると考えられてきた。
【０００６】
まず第１に、Ｆ2レーザには高いガス圧力が必要であり、最低３気圧、高い場合には１０気圧もの圧力が必要であり、そのために強度の高い大型の筐体を使用する必要があると考えられて来たため、装置全体が大きくまた高価なものとなっていた。
【０００７】
第２に、高い繰返し動作を行うためには速い流速でガスを流す必要があり、たとえば５ｋＨｚを超える繰返しで動作させるためには、数十ｍ／ｓを超える流速でガスを流す必要があると考えられて来たため、送風機の駆動に要する電力が２０ｋＷを超えるなどという問題が生じていた。
【０００８】
さらに、ガス寿命と呼ばれる現象があり、レーザを作動させていると出力が比較的早い時間で低下し、レーザガスを頻繁に交換しなければ出力が維持できないという事態を招いていた。このガス寿命に関しては、その原因となる物質がどのような機構でレーザ出力を減少させているのか不明のまま、ガスの交換を行うことで対処されてきた。
【０００９】
またＦ2レーザでは放電の自爆電圧が高く放電が不安定になりやすいため、横方向励起方式レーザにおいて電極間隔を約１０ｍｍにとるのであるが、その約１０ｍｍという狭い電極間隔で発生させる均一放電に対する理解が不十分である。この種のレーザにおいて放電が形成される１０ｎｓ程度の時間では電子ですら電極間を横断できずほとんど動かないにもかかわらず、均一な放電を発生させる必要がありその均一放電の発生条件を経験的に探ってきたのがこれまでの開発の経緯であった。
【００１０】
加えてＦ2ガスを低圧で封入したランプでは、５０％を超えるような発光効率が数千時間に及ぶ連続点灯で得られていることから、効率の低さと短いガス寿命をもたらす原因がレーザ装置の構造自体に存在することが予想され、実際にこの発明の発明者等はここ約１０年間の研究の末、これらがほとんど単なる横方向励起方式且つ紫外線予備電離方式レーザの構造上の問題であるという結論に達した。
【００１１】
たとえばレーザ装置に高いガス圧力が必要であったのは、横方向励起方式では電極間隔が狭く、十分に予備電離がなされている状態では放電開始電圧が圧力のみの関数となって、高いガス圧を用いなければ実効作動電圧が上がらないということが考えられる。またガスを高速で流さないといけない理由も、横方向励起方式の狭い電極間隔に由来しており、残留電荷が存在していると放電が局在化してしまうために、ガスを流してこの残留電荷を除去しているものと考えられる。
【００１２】
ガス寿命に関しては、放電ガスを紫外線で予備電離する方式に関連しており、放電ガス中に蓄積される不純物がこの予備電離光を吸収することで、放電空間に届く光量が減少して予備電離不足の状態となり、放電の均一性が低下して出力が減少しているものと考えられる。
【００１３】
そこで発明者等は、レーザ装置の構造を根本的に変更することでそれらの問題を解決できるのではないかということに着目し、従来の横方向励起方式且つ紫外線予備電離方式のレーザを用いるのではなく、レーザ光の光軸と放電電流が同一経路を通る軸方向励起方式レーザを採用することにした。この軸方向励起方式レーザでは励起放電が光軸上で生じるため、電極間隔が１５ｃｍ〜３０ｃｍと広くなり低いガス圧力でも高い放電開始電圧を得ることが可能となる。従ってガス圧力が低くて良いため、レーザ装置の構造が非常に簡単となって装置の大幅な小型化が可能となるのみならず、放電空間の残留電荷が放電の均一性に影響を及ぼさないようにするための送風機も不要となる。
【００１４】
また、ガス寿命に影響していた不純物の増加に関しても、構成部品をハードシールすることにより放電管を長期にわたって封じ切って使用することも可能となり、さらにまた軸方向励起方式レーザでは予備電離に紫外線を使用せずに放電管の外側から予備電離を行うことが可能であるため、従来の横方向励起方式レーザで問題となったガス寿命がほとんど問題とならなくなる可能性を有している。実際に軸方向励起方式レーザを用いたことで、たとえば銅蒸気レーザではガスを流さないまま数百ｋＨｚの繰返しとｋＷクラスの出力が低圧のガスで得られることが判明した。
【００１５】
そこで、この発明の発明者等はＦ2レーザとしても軸方向励起方式レーザを採用し、出力の安定した高い繰返しが可能な高効率の軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置を開発した（特願２０００−２６５４３５）。
【００１６】
しかしながら、開発した軸方向励起方式Ｆ2レーザにおいては１気圧近辺の圧力でレーザが発振していたため、発明者等はさらに低圧で発振する高効率の軸方向励起方式Ｆ2レーザを可能とするべく研究を重ねた。
【００１７】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、発明者等は従来の１／２０〜１／１００の低圧で発振する、小型且つ高効率で低コストな低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置を提供することを課題としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、絶縁体円筒と両端の金属電極で構成される放電管と、電極の外側に共振器を構成する反射鏡または透過鏡とを有し、放電電極には駆動回路から高電圧のパルス放電用電圧が印加されるＦ2レーザ装置であって、発振するレーザ光の光軸と主放電電流が同一経路を通る軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、放電管内の全ガス圧が１０Ｔｏｒｒ以上１００Ｔｏｒｒ以下の範囲にあり、且つ全ガスに対するＦ2ガス濃度が０．２％以上２．０％以下の範囲にあることを特徴とする低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置を提供する。
【００１９】
第２には、この出願の発明は、放電管内の全ガス圧が、３５Ｔｏｒｒ以上４５Ｔｏｒｒ以下の範囲にあることを特徴とする低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置を提供する。
【００２０】
さらに、第３には、軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、レーザ発振に関わる下準位の寿命が長いことに起因するレーザ光の吸収を回避するため、放電電圧または容量を変化させて励起密度を制御し利得の持続時間を制御することを特徴とする低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置を提供する。
【００２１】
また、第４には、軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、利得長を短くすることによって共振器を１０ｃｍ以上３０ｃｍ以下と短くして光の往復時間を短縮させ、共振器を十分に効かせることを特徴とする低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置をも提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置は、絶縁体円筒と両端の金属電極で構成される放電管と、電極の外側に共振器を構成する反射鏡または透過鏡とを有し、放電電極には駆動回路から高電圧のパルス放電用電圧が印加され、また発振するレーザ光の光軸と主放電電流が同一経路を通る軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置であって、放電管内の全ガス圧を１０〜１００Ｔｏｒｒの範囲とし、且つ全ガスにたいするＦ2ガス濃度を０．２〜２．０％の範囲とすることによって低圧で高効率のレーザ発振を行うことができる。特に、放電管内の全ガス圧を３５〜４５Ｔｏｒｒの範囲にすることによって、さらに高い出力を得ることができ高効率のレーザ発振が可能となる。
【００２３】
通常Ｆ2レーザの場合、Ｆ2とＨｅ等の不活性ガスの混合ガスを充填しておくことで、ガス中で励起放電が生じる。この励起放電中において、電離により発生した電子が印加された電界により加速され、放電管内のＦ2と衝突してＦ2を励起状態に上げる。この結果レーザガスはレーザ波長において光学的な利得を生じ、共振器で繰り返して反射されることによりレーザ発振を行う。
【００２４】
このようにして発振するＦ2レーザであるが、これまではガスの放電によってＨｅ（またはＮｅ等の不活性ガス）が励起され、そのＨｅとＦ2が衝突しＦ2がエネルギーを受け取ることで解離されて発光するメカニズムとなっていると考えられてきた。しかし、この発明の低圧でのＦ2レーザの発振では利得の立ち上がりが主放電の開始の直後から始まることから、Ｆ2が放電中の電子衝突により直接上準位へ励起されていることにより生じているものと考えられ、このような機構により低圧での発振が行われると考えられる。
【００２５】
上記のように低圧での発振が可能となることにより、レーザ装置における耐圧性も不要となりレーザ装置の大幅な小型化が可能となる。また、高圧ガスを使用しないため、毒性のあるＦ2ガス等を大気圧よりも低い圧力で使用できるので、装置に高圧ガス配管を施す必要がなく、毒ガスが漏れる危険性が皆無となる。
【００２６】
また、上記のような軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において、レーザ発振において下準位の寿命が長いことに起因するレーザ光の吸収を回避するために、放電電圧または容量を変化させて励起密度を制御し利得の持続時間を制御することで、高効率のレーザ発振が可能となる。
【００２７】
また軸方向励起方式Ｆ2レーザにおいて、利得長を短くすることによって共振器の長さを１０〜３０ｃｍと短くして光の往復時間を短縮し共振器を十分に効かせることで、波長幅の狭い指向性の良い発振を得ることができる。Ｆ2の場合、上準位の寿命が約３．５ｎｓと考えられるため、光の往復時間もそれ以下である必要がある。光は１ｍ当たり３．３ｎｓで走るため、走行距離で１ｍ以下、往復で０．５ｍ以下が必要条件となる。従って、従来の共振器長が０．５〜１ｍ程度であったものを、共振器長を１０〜３０ｃｍと短くすることによって光の往復時間を短縮し共振器を十分に利かせることができるのである。
【００２８】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２９】
【実施例】
＜実施例１＞
図１に、この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置の放電管の概略図及び駆動回路を示す。同図に示しているように、放電管（１）は内径５ｍｍ、長さ１５ｃｍのセラミックスのパイプで、両端にミラーホルダを兼ねた円筒電極（２）、（３）が取り付けられている。尚、これらの円筒電極（２）、（３）にはガスの出入り口が備えられている。この両端の電極（２）、（３）に加圧型スパークギャップ（４）を用いた容量移行型の放電回路から発生された高電圧パルスが印加される。またこれらの電極（２）、（３）の外側には共振器を構成する反射鏡（５）及び透過鏡（６）とが取り付けられている。
【００３０】
この回路には主放電回路とは並列に、放電管（１）を予備電離するためのキャパシタも接続されている。電源回路の容量は、主放電回路のキャパシタ（７）が５．４ｎＦ、ピーキングキャパシタ（８）が５６０ｐＦ、予備電離回路のキャパシタ（９）が５０ｐＦである。予備電離は放電管（１）の外周に巻き付けられた銅箔（１０）に高電圧が印加されることにより、低圧の放電管（１）内の壁面に弱いコロナ放電が発生することで自動的に行われるようになっている。この放電管（１）にＨｅと、約５％のＨｅに希釈したＦ2ガスを封入してレーザ発振を得る。
【００３１】
まずこの例の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置（１１）の最適条件を探るため利得測定を行った。
【００３２】
Ｆ2レーザ等の真空紫外域でのパルスレーザの利得測定には困難が伴うため、まず放電管をガスの取り扱いが簡単で大気中を伝播できるＮ2レーザとして作動させ利得計測のシステムと計測手法を完成させた。
【００３３】
その利得計測装置の構成を図２に示す。発振器には長さ３０ｃｍの横方向励起方式Ｆ2レーザ用放電管（１２）を用い、初めにＮ2ガスを入れて発振させ、その光を同軸放電管（増幅器）（１３）に通してその出力を計測した。各々のレーザ装置にはギャップスイッチがあり、通常は同期をとることが困難であるため両方のスイッチのジッターを利用し、お互いの発振時刻を測定して入射光のタイミングとする手法を採用した。
【００３４】
この方式では、一方のスイッチの圧力を変えて粗い時刻を決め、お互いのジッターでふらつく時間差を入射時刻の広がりとして用いることができるため、簡単な操作で正確な利得の時間依存性が求められる。
【００３５】
この利得計測法をＮ2レーザで確立した後、Ｆ2レーザの利得測定を行った。尚、大気中の酸素によるレーザ光の吸収を防止するため、レーザ光の通過するパスを窒素ガス置換して測定を行った。ここで、Ｆ2レーザの放電管の放電長は１５ｃｍであり、使用電圧は２０ｋＶである。
【００３６】
上記のような方法で測定したＦ2レーザの利得の時間波形と、実測した電圧波形、回路計算により求めた電流波形を図３に示す。図３中のＶは電圧波形、Ｉは電流波形、Ｇは利得の時間波形で、ａは増幅器のみの出力、ｂは発振器と増幅器の合計出力を表している。また図４（ａ），（ｂ）にはピークの利得係数のＦ2分圧依存性および全圧依存性を示す。
【００３７】
この測定の結果、高圧の場合と異なり利得の立ち上がりは主放電の開始からほとんど遅れていないことが判明した。また、増幅器の放電開始から６０ｎｓ程度遅れた時間帯では、増幅器を透過して出てくる出力は増幅器単体の蛍光増幅（ＡＳＥ光）出力に近い値となり、発振器からのレーザ光が増幅器を透過していない。この現象はＮ2レーザの場合にも見られるのもので、レーザの下準位の分布が大きくなり、レーザ光の吸収が生じているといえる。
【００３８】
これまでＦ2レーザでは多くの利得計測がなされてきたが、このような強い吸収を計測した結果は見られなかった。その理由としては従来の計測ではパルスの後半にはあまり注意が向けられていなかったこと或いは数気圧に及ぶ高圧では下準位の衝突脱励起が生じていることが考えられる。ただし、１気圧での利得計測でも同様の強い吸収が見られることから前者の可能性が高い。
【００３９】
また測定の結果、放電管の放電長が１５ｃｍであり使用電圧が２０ｋＶの場合では、図４に示しているように最大の利得係数は１３．５％／ｃｍでこの時の全ガスに対するＦ2ガス濃度（Ｆ2の分圧）と全圧力は、１．５％（０．６Ｔｏｒｒ）および４０Ｔｏｒｒであった。この利得係数は放電管に高圧（１気圧）且つよりＦ2ガス濃度の小さい混合ガス（０．２５％）を入れた場合の利得係数１１％／ｃｍよりも高い値となっている。図４に示しているように、広い範囲での振る舞いをみると利得は高気圧の状態から減圧するに従って減少するが、４０Ｔｏｒｒ近辺で再度上昇する。この時Ｆ2の分圧は０．６Ｔｏｒｒであり、従ってＦ2の濃度は１．５％程度が最適となっている。利得の時間的な立ち上がりも、高圧の場合は１５ｎｓ程度遅れるのに対し低圧では遅れ時間は見られず利得の持続時間も長くなっていた。
＜実施例２＞
上記のように、この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置において利得測定で低圧のガス中で高い利得が得られたため、発振実験に移行した。放電管の放電長及び使用した電圧は実施例１と同様に、放電長が１５ｃｍで使用電圧が２０ｋＶである。当初は増幅実験で用いた増幅器の入射側窓を全反射鏡に交換して発振を試みたが、アルミ蒸着ミラーを用いたため、表面のＭｇＦ2の保護コーティングから空気が微量ではあるが漏れ、発振がうまく行えなかった。そこでミラーを透過窓の外に置き、その部分も窒素パージすることで発振実験を行った。
【００４０】
従って、窓が一枚余分に入っていることと、出射窓にはＣａＦ2の窓材を使用しているため、共振器は最適条件からは大きく外れていると予想される。
【００４１】
実際に、発振実験を行い、ガス混合比とガスの全圧を変化させて出力エネルギーを測定した。その結果を図５に示す。放電長が１５ｃｍで２０ｋＶの電圧の場合、出力の最高値は１．２５％のＦ2濃度でＦ2の分圧が０．５Ｔｏｒｒであり全圧が４０Ｔｏｒｒの場合であって約１４０μＪが得られ、この値は高圧の軸方向励起方式Ｆ2レーザの場合の１００μＪを上回っている。
【００４２】
また、発振波形と電圧波形の時間的な関係を図６に示す。図中でＶは電圧波形、Ｌは低圧での発振波形、Ｈは高圧での発振波形となっている。電圧波形は低圧の場合のものを示してあり、高圧の発振波形は放電開始時刻を合わせて記入されている。
【００４３】
図６に示しているように、発振の時刻は高圧と低圧では大きく異なっており、低圧では放電開始からの遅れ時間がほとんどないのに対し、高圧では１５ｎｓの遅れを生じていた。
【００４４】
上記のような結果から、この低圧での発振はＦ2が放電中の電子衝突により直接上準位へ励起されていることにより生じているものと推定され、従来の高いガス圧を用いた場合とはＦ2が励起される機構が大きく異なっているものと考えられる。また、パルスの後半で強い吸収が生じることが確認されたことと、より強励起の場合にはパルス幅が４ｎｓまで短くなることから、他のエキシマの場合とは異なり、Ｆ2レーザでは下準位の分布を考慮しながらレーザ装置を設計する必要がある。
【００４５】
また実施例の軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置では、構造が簡単であるためハードシールを施しやすく、残留電荷が存在していても放電が劣化しにくい。逆に、残留電荷が予備電離を兼ねることができるため、高い繰返し動作に適している。また、既にＮ2レーザでは封じ切り動作が可能であること、ガスを流さずに１００Ｈｚの連続発振が可能であること、極短時間であれば１ｋＨｚに相当する動作が可能であることなどが確認されており、そのままＦ2レーザにも適用できると思われる。
【００４６】
また軸方向励起方式レーザでは、予備電離に紫外線を使用していないため、従来の横方向励起方式レーザで問題となったガス寿命がほとんど問題とならなくなる可能性を有しており、今後の開発によっては飛躍的な性能向上と過酷な産業界での実用に耐え得るようなレーザ装置が実現されるものと考えられる。
【００４７】
上記のような実験で、真空紫外域で発振するＦ2レーザが非常に簡便なＮ2レーザと同じ特性を有していることが判明したため、これまでＮ2レーザで実現されてきた、封じ切り技術、高繰返し動作、高電圧スイッチを用いないスイッチレス動作等が容易に適用できるものと考えられる。しかしＦ2ガスそのものが反応性を有しているために、Ｎ2レーザのように放電管の寿命を完全な封じ切りで済ませることは困難かもしれないが、簡単なＦ2の補給だけで発振を継続できる装置は実現できる可能性が高い。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、従来の１／２０〜１／１００の低圧で発振する、小型且つ高効率で低コストの低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置の概略及び駆動回路を例示した図である。
【図２】この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置の利得計測系の構成を例示した図である。
【図３】この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置の利得の時間波形と電圧・電流波形を示したグラフである。
【図４】この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置の利得係数のＦ2分圧および全圧依存性を示したグラフである。
【図５】この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置のレーザ出力のガス圧依存性を示したグラフである。
【図６】この発明の低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置のレーザ発振の遅れ時間を示したグラフである。
【符号の説明】
１  放電管
２，３  円筒電極
４  スパークギャップ
５  反射鏡
６  透過鏡
７  主放電回路のキャパシタ
８  ピーキングキャパシタ
９  予備電離回路のキャパシタ
１０  銅箔
１１  低圧軸方向励起方式Ｆ2レーザ装置
１２  横方向励起方式Ｆ2レーザ用放電管
１３  同軸放電管（増幅管）
【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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