(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するＡｒＦエキシマレーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であることを特徴とするＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項２】
前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、前記２次電流の振動周期を前記１次電流の振動周期の３倍から６倍に設定して、
前記２次電流が重畳した前記１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成したことを特徴とする請求項１記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項３】
前記レーザパルスの出力波形の半値全幅が２０ｎｓ以上で、前記出力レーザパルスの持続時間が５０ｎｓ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項４】
共振器中のラウンドトリップ回数が５回以上であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項５】
前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも１段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサの容量Ｃｐと前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Ｃｎとの比Ｃｐ／Ｃｎが０．７５以下であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項６】
前記レーザチャンバ内のＡｒ分圧が３％以下であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザチャンバ内の全ガス圧が３．５気圧以下であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項８】
前記放電電極の電極間距離が１７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から７の何れか１項のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項９】
前記レーザチャンバ内に配置された光共振器の出力鏡の反射率が５０％以上であることを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項１０】
前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも１段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサと前記主放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが４〜８ｎＨ、前記レーザチャンバ内の全ガス圧が２．５〜３．７気圧であり、この中のフッ素分圧が０．１％以下であって、さらに、前記主放電電極に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が３０〜８０ｎｓであるとき、
前記ピーキングコンデンサの容量Ｃｐと、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Ｃｎとが、０．４５＜Ｃｐ／Ｃｎ＜０．７５の関係にあることを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項１１】
前記ピーキングコンデンサの容量Ｃｐは１０ｎＦ未満であることを特徴とする請求項１０記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項１２】
磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するフッ素レーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であることを特徴とするフッ素レーザ装置。
【請求項１３】
前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、前記２次電流の振動周期を前記１次電流の振動周期の３倍から６倍に設定して、
前記２次電流が重畳した前記１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成したことを特徴とする請求項１２記載のフッ素レーザ装置。
【請求項１４】
磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するＫｒＦエキシマレーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であることを特徴とするＫｒＦエキシマレーザ装置。
【請求項１５】
前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、前記２次電流の振動周期を前記１次電流の振動周期の３倍から６倍に設定して、
前記２次電流が重畳した前記１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成したことを特徴とする請求項１４記載のＫｒＦエキシマレーザ装置。
【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、ＡｒＦエキシマレーザ装置、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置において、レーザ発振パルス幅の長いレーザ動作を行う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、高集積化につれて、その製造用の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、現在、半導体露光用光源として水銀ランプより放出する光の波長が短いＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられ、さらに、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】
前記ガスレーザ装置では、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）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、あるいは、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、あるいは、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で封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００４】
ところで、ＡｒＦエキシマレーザ装置は、中心発振波長が１９３．３ｎｍであり、現在露光用光源として使用されているＫｒＦエキシマレーザ装置の中心発振波長２４８ｎｍより短い。このため、ステッパー等の露光装置の投影レンズ系に使用されている硝材である石英に与えるダメージがＫｒＦエキシマレーザ装置を使用した場合と比較して大きく、レンズ系の寿命が短くなるという問題がある。
【０００５】
石英のダメージとしては、２光子吸収によるカラーセンターの形成とコンパクション（屈折率上昇）がある。前者は透過率の減少、後者はレンズ系の分解能の減少として現れる。このような影響は、レーザパルス幅を長くすること（ロングパルス化）によって回避可能である。なお、このロングパルス化は、以下の点からも要請される。
【０００６】
投影露光装置において、回路パターン等が施されたマスクの像が、投影レンズを介してフォトレジストが塗布されたウエーハ等のワークに投影される投影像の解像度Ｒと焦点深度ＤＯＦは、次式で表される。
【０００７】
Ｒ＝ｋ1 ・λ／ＮＡ                                    ・・・（１）
ＤＯＦ＝ｋ2 ・λ／（ＮＡ）2                           ・・・（２）
ここで、ｋ1 、ｋ2 はレジストの特性等を反映する係数、λは露光用光源から放出される露光光の波長、ＮＡは開口数である。
【０００８】
解像度Ｒを向上させるため、（１）式から明らかなように、露光光の波長の短波長化、高ＮＡ化が進んでいるが、その分、（２）式が示す通り、焦点深度ＤＯＦが小さくなる。そのため、色収差の影響が大きくなるので、露光光のスペクトル線幅をより狭くする必要がある。すなわち、露光用光源として使用される前記したガスレーザ装置から放出されるレーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯化が要請される。
【０００９】
ここで、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７９．（１９９９）１０３０〜１０３７には、レーザパルス幅が長くなると、それに伴って、レーザ光のスペクトル線幅が狭くなって行くことが記載されており、実際、本発明者等の実験でもこれは証明された。すなわち、解像度Ｒを向上させるためには、レーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯化が要請され、そのためにはレーザパルス幅のロングパルス化が必要となる。
【００１０】
このような背景において、本出願人は、特願平１１−３６２６８８号においてロングパルス化の手段として、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するＡｒＦエキシマレーザ装置において、磁気パルス圧縮回路からピーキングコンデンサを介して放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、磁気パルス圧縮回路の最終段のピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、２次電流の振動周期を１次電流の振動周期より長く設定して、２次電流が重畳した１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成することを提案した。
【００１１】
ところで、レーザパルスの出力波形の半値全幅ＦＷＨＭ（時間的なレーザ形状の半値全幅。以下、単にパルス幅ＦＷＨＭという。）が３０ｎｓ以上となるレーザパルス波形のものとしてＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７９．（１９９９）１０５０〜１０５７の公知例がある。
【００１２】
一般的に、パルス幅ＦＷＨＭを長くすると、光共振器中のラウンドトリップ数（光共振器中でのレーザ光の往復の回数）が増加し、スペクトル幅は狭くなる。
【００１３】
また、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７９．（１９９９）１０３０〜１０３７には、同じパルス幅において、パルスの後半部の強度を相対的に大きくすることでスペクトル幅がさらに狭くなることが記載されている。この文献では、フッ素濃度変化によるレーザパルス波形形状の変化とスペクトル幅の関係を記載している（ただし、ＦＷＨＭが２０ｎｓ台の波形において）。
【００１４】
上記のロングパルス化とは別に、０．４ｐｍ以下に狭帯域化する方法として、エタロンカップラーを光共振器に用いることが特開平１１−８４３１号において提案されている。
【００１５】
なお、フッ素レーザ装置のパルス幅ＦＷＨＭは１２ｎｓ以下のものが公知である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７９．（１９９９）１０３０〜１０３７に開示されたＡｒＦエキシマレーザ装置においては、パルス幅ＦＷＨＭが２０ｎｓ台であり、線幅を０．４ｐｍ以下にするには発振効率が低下する。また、フッ素濃度を小さくすると出力が低下するので、フッ素濃度によりロングパルスを狭帯域化するには限界がある。
【００１７】
また、特開平１１−８４３１号のもののように、エタロンカツプラーを使用すると、中心波長の制御が困難になる等の技術障壁が高い。
【００１８】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、本出願人によって提案したロングパルス化の手段にレーザパルス波形形状を変化させる手法を導入して、パルス幅の半値全幅が２０ｎｓ以上で、パルスの持続時間が５０ｎｓ以上で、スペクトル幅の半値全幅が０．３５ｐｍ以下のものが可能な露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置、並びに、前記手法の導入によって従来よりロングパルス化されてＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置は、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するＡｒＦエキシマレーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であることを特徴とするものである。
【００２０】
この場合に、前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、前記２次電流の振動周期を前記１次電流の振動周期の３倍から６倍に設定して、
前記２次電流が重畳した前記１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成することが望ましい。
【００２１】
また、前記レーザパルスの出力波形の半値全幅は、２０ｎｓ以上で、前記出力レーザパルスの持続時間が５０ｎｓ以上であることが望ましい。
【００２２】
また、共振器中のラウンドトリップ回数が５回以上であることが望ましい。
【００２３】
また、前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも１段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサの容量Ｃｐと前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Ｃｎとの比Ｃｐ／Ｃｎが０．７５以下であることが望ましい。
【００２４】
また、前記レーザチャンバ内のＡｒ分圧が３％以下であることが望ましい。
【００２５】
また、前記レーザチャンバ内の全ガス圧が３．５気圧以下であることが望ましい。
【００２６】
また、前記放電電極の電極間距離が１７ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
また、前記レーザチャンバ内に配置された光共振器の出力鏡の反射率が５０％以上であることが望ましい。
【００２８】
また、以上において、より具体的に、前記磁気パルス圧縮回路は、半導体スイッチと少なくとも１段以上のコンデンサ及び磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮部を備え、
前記ピーキングコンデンサと前記主放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが４〜８ｎＨ、前記レーザチャンバ内の全ガス圧が２．５〜３．７気圧であり、この中のフッ素分圧が０．１％以下であって、さらに、前記主放電電極に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が３０〜８０ｎｓであるとき、
前記ピーキングコンデンサの容量Ｃｐと、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサの容量Ｃｎとが、０．４５＜Ｃｐ／Ｃｎ＜０．７５の関係にあることが望ましい。
【００２９】
また、前記ピーキングコンデンサの容量Ｃｐは１０ｎＦ未満であることが望ましい。
【００３０】
本発明のフッ素レーザ装置は、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するフッ素レーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であることを特徴とするものである。
【００３１】
この場合に、前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、前記２次電流の振動周期を前記１次電流の振動周期の３倍から６倍に設定して、
前記２次電流が重畳した前記１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成することが望ましい。
【００３２】
本発明のＫｒＦエキシマレーザ装置は、磁気パルス圧縮回路の出力端に接続され、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とその一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するフッ素レーザ装置において、
レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であることを特徴とするものである。
【００３３】
この場合に、前記磁気パルス圧縮回路から前記ピーキングコンデンサを介して前記放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の前記ピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから前記放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、前記２次電流の振動周期を前記１次電流の振動周期の３倍から６倍に設定して、
前記２次電流が重畳した前記１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成することが望ましい。
【００３４】
本発明においては、レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であるので、ロングパルス化したＡｒＦエキシマレーザ装置において、スペクトル幅の半値全幅が０．３５ｐｍ以下に狭帯域化した露光用のものを実現することができる。また、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置においては、従来のものよりロングパルス化が可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理とその実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３６】
まず、本出願人による特願平１１−３６２６８８号で提案したロングパルス化の手段の内容を結論に限定して説明する。詳細は、特願平１１−３６２６８８号参照。
【００３７】
その原理としては、ロングパルス化回路の具体的な動作として、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサから放電空間に流れる１次電流の立上りを速く、かつ、ピーク値を高くし、さらに、その周期を短くし、放電を安定持続しやすくすると共に、ピーキングコンデンサから放電空間に流れる１次電流の第２周期に、磁気パルス圧縮回路のピーキングコンデンサ充電用のコンデンサに残留している電荷（放電までにピーキングコンデンサに移行せずに残った分）を合わせて流れるようにすることによって、１次電流極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするようにすることである。
【００３８】
この状態の概念図を図１に示す。ピーキングコンデンサから流れる１次電流の立上りが速く、ピーク値が高く、その周期が短くなるように回路定数を定めることにより（具体的な回路構成、回路定数は後述する。）、放電を安定持続しやすくする。
【００３９】
一方、放電開始時に、磁気パルス圧縮回路のピーキングコンデンサ充電用のコンデンサ（最終段のコンデンサ）に電荷が残留するように回路定数を定めて（具体的な回路構成、回路定数は後述する。）、その残留電荷が放電空間に流れる２次電流の周期を１次電流の周期より長く（例えば３倍以上６倍以下）に設定する。
【００４０】
そして、放電電極間に流れる電流をこの１次電流と２次電流とが重畳したものとして、図１のように、重畳した電流の極性が反転する振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うようにする。
【００４１】
補足的に説明すると、図１の重畳した振動電流の第１の半周期と第３の半周期は同じ極性であり、電流が重畳して強度が大きくなっており、その間に放電空間に注入されるエネルギーは、２次電流がない従来の場合に比較して大きくなっており、発振エネルギーも大きくなる。しかし、振動電流の第２の半周期においては、電流値は逆に小さくなるため、注入されるエネルギーは少なくなるが、この間も第１の半周期に続いて放電空間内で極性は反転するものの放電が持続していて効率的にエネルギーが注入されるので、レーザ発振動作は第１の半周期から第２の半周期、そして第３の半周期と持続させることができる。
【００４２】
このように、磁気パルス圧縮回路からピーキングコンデンサを介して放電電極へエネルギーを注入する１次電流と、磁気パルス圧縮回路のピーキングコンデンサ充電用のコンデンサから放電電極へエネルギーを注入する２次電流とを重畳させ、かつ、２次電流の振動周期を１次電流の振動周期より長く設定し、２次電流が重畳した１次電流の極性が反転する放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期とによって１パルスのレーザ発振動作を行うように構成することにより、Ｔis≧４０ｎｓとロングパルス化が可能になり、線幅が０．５ｐｍ（半値）より狭くなり、解像度が向上し、また、そのロングパルス化によりピーク光強度が低下したことにより、石英材料のダメージを軽減することもできる。
【００４３】
ここで、パルス幅Ｔisは次の式（３）で定義されるものである。
【００４４】
Ｔis＝（∫Ｔ（ｔ）ｄｔ）2 ／∫（Ｔ（ｔ））2 ｄｔ      ・・・（３）
ここで、Ｔ（ｔ）は時間的なレーザ形状である。
【００４５】
図２は、後記の本発明の露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置の構成例を示す図であり、図中、１はレーザチェンバであり、両端に窓部が設けられ、フッ素ガス、アルゴンガス及びバッファーガス（例えばネオンガス）からなる混合ガスであるレーザガスが封入されている。
【００４６】
レーザチェンバ１の内部には、所定間隔だけ離間して対向した一対の放電電極２、２が設けられ、高電圧パルス発生装置３より高電圧パルスを印加して放電電極２、２間に放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。  レーザチェンバ１内に設置されたファン４によって、レーザガスはレーザチェンバ１内部を循環する。
【００４７】
このレーザガス循環により、放電電極２間のレーザガスは、放電発生後、次の放電が発生する前に新しいガスに置換されるので、次の放電は安定な放電となる。
【００４８】
本発明者等はレーザチェンバ１のレーザガス循環構造、ファン４の形状等の改良を行い、繰返し周波数２ｋＨｚ以上を実現した。
【００４９】
レーザチェンバ１の一方の端部側には、レーザ光のスペクトル幅を狭帯域化するための狭帯域化光学系を有する狭帯域化モジュール５が設けられる。狭帯域化モジュール５は、例えば、１個以上のプリズムからなるビーム径拡大光学系とリトロー配置の反射型回折格子とから構成される。レーザチェンバ１の他方の端部側には出力鏡６が設けられ、この出力鏡６と狭帯域化モジュール５に設置された狭帯域化光学系によりレーザ共振器が構成される。
【００５０】
出力鏡６より放出されたＡｒＦエキシマレーザ光の一部はビームサンプラー７により取り出され、レーザ光の時間的波形を検出する波形検出手段８に導かれる。波形検出手段８、例えば、フォトダイオード又は光電子増倍管を光電変換手段として備えている。波形検出手段８で得られた波形データは、パルス幅算出手段９に送られる。パルス幅算出手段９は、受け取ったパルス幅データに基いて、式（３）に従って、レーザパルス幅Ｔisを算出する。
【００５１】
このようなＡｒＦエキシマレーザ装置の主放電電極２、２の間に図３に示すような励起回路により主放電電圧が、また、コロナ予備電離部１０の電極１１と１３の間に予備電離用コンデンサＣｃを介して予備放電電圧が印加される。なお、この例において、コロナ予備電離部１０は、例えば、第１電極１１が高純度アルミナセラミックス等の誘電体物質製の片側開放のチューブ１２内に円柱状電極を挿入して構成され、第２電極１３が矩形の板状体電極から構成され、第２電極１３の板状体はその１つの直線状のエッジ近傍で屈曲されており、そのエッジにおいて第１電極１１の誘電体チューブ１２の外面に平行に線接触してなり、その接触位置が、主放電電極２、２の間のレーザ励起空間を見込むことができる位置の一方の主放電電極２に近接して配置されてなるものである。
【００５２】
図３の励起回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＬ０は固体スイッチＳＷ保護用のものであり、第１の磁気スイッチＳＬ１と第２の磁気スイッチＳＬ２により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【００５３】
図３に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値に調整され、磁気スイッチＳＬ０、インダクタンスＬ１を介して主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は磁気スイッチＳＬ０の両端にかかるよう移り、固体スイッチＳＷを保護する。磁気スイッチＳＬ０の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＬ０の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ０が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＬ０、固体スイッチＳＷ、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。
【００５４】
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＬ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ１が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
【００５５】
さらに、この後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＬ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
【００５６】
図３の説明から明らかなように、予備電離のためのコロナ放電は、誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チューブ１２の外周面に発生するが、図３のピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖ３が上昇し、Ｖ３が所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線が発生し、主放電電極２、２間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。
【００５７】
ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖ３が上昇し、この電圧Ｖ３がある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極２、２間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【００５８】
この後、主放電によりピーキングコンデンサＣｐの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
【００５９】
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
【００６０】
ここで、磁気スイッチＳＬ１、ＳＬ２及びコンデンサＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極２、２間に短パルスの強い放電が実現される。
【００６１】
ところで、半導体露光用の光源としてのＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、主放電電極２、２間の間隔は１４〜１８ｍｍ程度、長さは５５０〜７５０ｍｍ程度ある必要がある。
【００６２】
そして、上記の原理のロングパルス化のためには、ピーキングコンデンサＣｐの容量は１０ｎＦ未満にする必要がある。
【００６３】
そして、主放電電極２、２に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間は、３０〜８０ｎｓの範囲にあることが重要である。ここで、ブレークダウン電圧Ｖｂまでの立上り時間の定義は、主放電電極２、２間に印加される電圧Ｖ３の最初の１／２周期の立ち上がり部の最も急峻になる部分を直線近似し、その直線が電圧０の直線と交差する点からブレークダウン電圧Ｖｂに至る点までの時間である。
【００６４】
また、図３の励起回路のピーキングコンデンサＣｐと主放電電極２、２が形成するループ（放電電流回路）中の浮遊インダクタンスは可能な限り小さくすればよいが、実際上４〜８ｎＨ程度より小さくできない。
【００６５】
また、ＡｒＦにおいては、Ａｒ＋Ｆ2 ＋Ｎｅからなる２．５〜３．７気圧のレーザガスを用いる場合に、レーザガスの全圧に対するフッ素分圧を０．１％以下にすることが望ましい。
【００６６】
また、Ｃｎを磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ（図３の場合は、コンデンサＣ２）の容量とすると、ＣｐとＣｎの比が、０．４５＜Ｃｐ／Ｃｎ＜０．７５の範囲にあることが必要である。
【００６７】
また、予備電離コンデンサ容量ＣｃはＣｐの５％以下が望ましい。
【００６８】
また、光共振器の出力鏡６の反射率を５０％以上に高くすることが望ましい。
【００６９】
また、ラウンドトリップ数（光共振器中でのレーザ光の往復の回数）を６以上にすることが望ましい。
【００７０】
このようにして、特願平１１−３６２６８８号においては、繰返し周波数２ｋＨｚ以上、式（３）で定義されるレーザパルス幅Ｔisが４０ｎｓ以上、レーザパルス幅ＦＷＨＭ２０ｎｓ以上で、持続時間（レーザパルス発振の最初から最後までの時間：図４）５０ｎｓ以上の、高繰返しロングパルス化の狭帯域ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現している。
【００７１】
さて、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置においては、上記の特願平１１−３６２６８８号のロングパルス化の手段を前提にして、スペクトル線幅のさらなる狭帯化を行うものである。
【００７２】
以下、図１〜図３に関する説明を前提にして説明する。前記したように、図１の重畳した振動電流の第１の半周期と第３の半周期は同じ極性であり、電流が重畳して強度が大きくなっており、その間に放電空間に注入されるエネルギーは、２次電流がない従来の場合に比較して大きくなっており、発振エネルギーも大きくなる。しかし、振動電流の第２の半周期においては、電流値は逆に小さくなるため、注入されるエネルギーは少なくなる。そのため、特願平１１−３６２６８８号の原理によるＡｒＦエキシマレーザ装置から発振されるレーザパルスの出力波形は、実際上、図４に示すように、前半ピークｐ１と後半ピークｐ２とからなる二山形状の波形となり、この前半ピークｐ１は、図１の重畳した振動電流の第１の半周期に対応し、後半ピークｐ２は第３の半周期に対応し、その間の谷が振動電流の第２の半周期に対応するものである。なお、この２つの大きなピークｐ１、ｐ２の波形に重畳している小さい周期の小さい波形（リップル）のピークｐｒは、ラウンドトリップに対応する出力波形ピークであり、そのラウンドトリップに対応する出力波形ピークｐｒの間隔時間は、共振器長の２倍を光速で割ったものになる。
【００７３】
さて、このような二山形状のレーザパルス波形において、その波形の発振初期から時間経過に応じた発振レーザ光のスペクトル幅ＦＷＨＭの変化を調べた結果を図５に示す。この図から明らかなように、レーザパルス波形の時間経過に伴いスペクトル幅は狭くなって行く。これは、１つのパルス中で初期に発振するレーザ光のスペクトル幅は比較的広く、時間が経つに従って狭くなって行くことを意味する。このようにスペクトル幅が時間の経過と共に減少するのは、発振レーザ光の共振器中のラウンドトリップ数が時間と共に増加するからであり、原理的に合理的に説明できる。
【００７４】
図５の関係は、図６、図７、図８のように二山形状の波形が変化しても変わらず、略時間のみに依存することが実験的に明らかになっている。
【００７５】
この結果から、二山形状のレーザパルス波形において、１つのパルスの平均のスペクトル幅ＦＷＨＭは、後半ピークｐ２の面積の割合が前半ピークｐ１の面積に比して高い程狭くなることが予想される。半導体露光用の光源としてのＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、この１パルスの平均のスペクトル幅ＦＷＨＭが狭ければ狭い程、露光光学系の色収差の影響が小さくなるので、この１パルスの平均のスペクトル幅ＦＷＨＭを可能な限り狭くすることが望ましい。
【００７６】
二山形状のレーザパルス波形の前半ピークｐ１の面積と後半ピークｐ２の面積との比を表すパラメータとして、図４に示すように、前半ピークｐ１の高さ（ピーク値）をＰ1 、後半ピークｐ２の高さ（ピーク値）をＰ2 として、後半ピークｐ２の前半ピークｐ１に対する割合を以下の式で定義する。
【００７７】
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）・・・（４）
二山形状のレーザパルスの出力波形を図６、図７、図８のように変化させ、（パルス後半部の割合）に対するスペクトル幅をプロットすると図９のような関係になる。ここで、厳密には、パルス後半部の割合は、ピーク値の比Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）ではなく、面積の比で表されるべきであるが、上記の放電電極間に流れる電流を１次電流と２次電流を重畳した振動電流を流して得られるレーザパルスの場合は、上記の式（４）で近似できる。
【００７８】
図９の結果から、ＡｒＦエキシマレーザ装置からのレーザパルスの出力波形における平均スペクトル幅ＦＷＨＭを、半導体露光装置で要請される０．３５ｐｍ以下にするには、（パルス後半部の割合）を５０％以上にすることが必要なことが分かり、さらには、平均スペクトル幅ＦＷＨＭを０．３ｐｍ以下にするには、（パルス後半部の割合）を７０％以上にすることが必要なことが分かる。
【００７９】
また、次の式（５）で定義されるラウンドトリップ数が多ければ多い程、共振の効果が出てスペクトル幅ＦＷＨＭは狭くなるが、通常の露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、共振器長は１．２〜１．５ｍに設定されるので、ラウンドトリップ数の下限は５回以上となり、それより多い数に設定されるのが望ましい。
【００８０】
（ラウンドトリップ数）＝（パルス持続時間）／｛２×（共振器長）／ｃ｝・・・（５）
ところで、二山形状のレーザパルスの式（４）で定義される（パルス後半部の割合）を増加させるには、磁気パルス圧縮回路からピーキングコンデンサを介して放電電極へエネルギーを注入する１次電流によるレーザ発振割合を相対的に減少させるようにすればよい。そのために変化させるパラーメータとしては、Ｃｐ／Ｃｎ、Ａｒ濃度、レーザガスの全圧、主放電電極２、２間の間隔、光共振器の出力鏡６の反射率があげられる。以下、順に説明する。
【００８１】
Ｃｐ／Ｃｎの値は１次電流に直接関係するため、Ｃｐの値を小さくすれば１次電流が相対的に減少するので、Ｃｐ／Ｃｎが減少すると（パルス後半部の割合）が増加する。図１０に、Ａｒ濃度３％、全ガス圧３．５気圧におけるＣｐ／Ｃ２依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、（パルス後半部の割合）を５０％以上にするには、Ｃｐ／Ｃｎは０．７５以下であることが望ましいと言える。
【００８２】
Ａｒ濃度に関しては、Ａｒガス濃度が減少するとエキシマの生成量が減少するので、立ち上がり領域での発振が相対的に減少し、（パルス後半部の割合）が増加する。図１１に、Ｃｐ：９ｎＦ、Ｃ２：１２ｎＦ、全ガス圧３．５気圧におけるＡｒ濃度依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、（パルス後半部の割合）を５０％以上にするには、Ａｒ濃度は３％以下であることが望ましいと言える。
【００８３】
レーザガス全圧に関しては、全ガス圧が低くなると放電開始電圧が低くなるので、１次電流が相対的に減少する。そのため、全ガス圧が減少すると（パルス後半部の割合）が増加する。図１２に、Ｃｐ：９ｎＦ、Ｃ２：１２ｎＦ、Ａｒ濃度３％における全ガス圧依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、（パルス後半部の割合）を５０％以上にするには、全ガス圧は３．５気圧以下であることが望ましいと言える。
【００８４】
主放電電極２、２間の間隔に関しては、この間隔をｄ、全ガス圧をＰとした場合、ｄ・Ｐが同じ場合に放電開始電圧も略等しくなるので、主放電電極２、２間の間隔が狭くなれば、放電開始電圧が低くなり、１次電流が相対的に減少する。そのため、主放電電極２、２間の間隔が減少すると（パルス後半部の割合）が増加する。具体的には、特願平１１−３６２６８８号のロングパルス化に基づく１４〜１８ｍｍの範囲内で１７ｍｍ以下であることが望ましい。
【００８５】
また、光共振器の出力鏡６の反射率に関しては、その反射率が増加すると共振器中に溜まる割合が相対的に高くなり、（パルス後半部の割合）が増加する。図１３に、Ｃｐ：９ｎＦ、Ｃ２：１２ｎＦ、Ａｒ濃度３％、全ガス圧３．５気圧における出力鏡反射率依存性の実際の測定結果を示す。この測定結果から、（パルス後半部の割合）を５０％以上にするには、出力鏡反射率は５０％以上であることが望ましいと言える。
【００８６】
以上のＣｐ／Ｃｎ、Ａｒ濃度、レーザガスの全圧、主放電電極２、２間の間隔、光共振器の出力鏡６の反射率の条件の何れか１つ以上を選択して用いることにより、（パルス後半部の割合）を５０％以上にすることができる。
【００８７】
このような知見に基づいた実際のレーザパルス波形を図６、図７、図８に示す。これらの例においては、Ｃｐ／Ｃ２のみを変化させて、（パルス後半部の割合）を変化させている。何れも、Ａｒ濃度：３％、全ガス圧：３．５気圧、主放電電極２、２間の間隔：１６ｍｍ、出力鏡６の反射率：６０％、フッ素濃度（分圧）：０．０８５％であり、レーザパルス持続時間：７０ｎｓ、レーザパルスの出力波形の半値幅ＦＷＨＭ：４０ｎｓであるが、図６の場合は、Ｃｐ／Ｃ２＝８ｎＦ／１２ｎＦ＝０．６７で、（パルス後半部の割合）が６２％で、スペクトル幅ＦＷＨＭが０．３１ｐｍであり、図７の場合は、Ｃｐ／Ｃ２＝９ｎＦ／１２ｎＦ＝０．７５で、（パルス後半部の割合）が５０％で、スペクトル幅ＦＷＨＭが０．３５ｐｍであり、図８の場合は、Ｃｐ／Ｃ２＝１０ｎＦ／１２ｎＦ＝０．８３で、（パルス後半部の割合）が３９％で、スペクトル幅ＦＷＨＭが０．３６ｐｍであり、上記の数値限定の意味が実証される。
【００８８】
以上は、ＡｒＦエキシマレーザ装置について説明してきたが、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や、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）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をレーザガスとして、同様に放電励起するＫｒＦエキシマレーザ装置にも適用できることは明らかである。
【００８９】
以上、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置及びＫｒＦエキシマ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。
【００９０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置、、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置によれば、レーザパルスの出力波形が共振器中のラウンドトリップに対応する周期の小さい波形が重畳された前半ピークと後半ピークとからなる二山形状の波形であり、前半ピークのピーク値をＰ1 、後半ピークのピーク値をＰ2 とし、
（パルス後半部の割合）＝Ｐ2 ／（Ｐ1 ＋Ｐ2 ）×１００（％）
とするとき、（パルス後半部の割合）が５０％以上であるので、ロングパルス化したＡｒＦエキシマレーザ装置において、スペクトル幅の半値全幅が０．３５ｐｍ以下に狭帯域化した露光用のものを実現することができる。また、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置においては、従来のものよりロングパルス化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置の原理を説明するための波形図である。
【図２】本発明を適用するＡｒＦエキシマレーザ装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明に基づく一例の励起回路を示す回路図である。
【図４】１つの具体例におけるＡｒＦエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図５】二山形状のレーザパルス波形の発振初期から時間経過に応じた発振レーザ光のスペクトル幅の変化を調べた結果を示す図である。
【図６】本発明による１例のＡｒＦエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図７】本発明による別の例のＡｒＦエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図８】比較例のＡｒＦエキシマレーザ装置から得られた二山形状のレーザパルス波形を示す図である。
【図９】パルス後半部の割合に対するスペクトル幅をプロットした図である。
【図１０】パルス後半部の割合のＣｐ／Ｃ２依存性の実際の測定結果を示す図である。
【図１１】パルス後半部の割合のＡｒ濃度依存性の実際の測定結果を示す図である。
【図１２】パルス後半部の割合の全ガス圧依存性の実際の測定結果を示す図である。
【図１３】パルス後半部の割合の出力鏡反射率依存性の実際の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザチェンバ
２…放電電極
３…高電圧パルス発生装置
４…ファン
５…狭帯域化モジュール
６…出力鏡
７…ビームサンプラー
８…波形検出手段
９…パルス幅算出手段
１０…コロナ予備電離部
１１…コロナ予備電離第１電極
１２…誘電体チューブ
１３…コロナ予備電離第２電極
ＳＬ０…固体スイッチ保護用磁気スイッチ
ＳＬ１…第１の磁気スイッチ
ＳＬ２…第２の磁気スイッチ
ＨＶ…高電圧電源
Ｌ１…インダクタンス
ＳＷ…固体スイッチ
Ｃ０…主コンデンサ
Ｃ１…第１のコンデンサ
Ｃ２…第２のコンデンサ
Ｃｐ…ピーキングコンデンサ
Ｃｃ…予備電離用コンデンサ
【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】
0003775469.tif 000011
【図１１】
0003775469.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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