(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露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置において、
前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ容量をＣｎ（ｎは磁気パルス圧縮回路の段数）として、ピーキングコンデンサの容量をＣｐとし、最終段コンデンサとレーザ放電電極により形成される第１の回路ループのインダクタンスをＬｎとし、ピーキングコンデンサとレーザ放電電極により形成される第２の回路ループのインダクタンスをＬｐとしたとき、
第１の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｎ＝２π√（Ｌｎ×Ｃｎ）と、第２の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｐ＝２π√（Ｌｐ×Ｃｐ）との関係が、
５Ｔｐ≦Ｔｎ
を満足し、かつ、
Ｔｎ＜２５０ｎｓ
の条件を満たすことによってレーザ放電電極間を流れる振動電流の２．５周期以上によってレーザ発振動作を行わせることを特徴とする露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置。
【請求項２】
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露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置において、
前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ容量をＣｎ（ｎは磁気パルス圧縮回路の段数）として、ピーキングコンデンサの容量をＣｐとし、最終段コンデンサとレーザ放電電極により形成される第１の回路ループのインダクタンスをＬｎとし、ピーキングコンデンサとレーザ放電電極により形成される第２の回路ループのインダクタンスをＬｐとしたとき、
第１の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｎ＝２π√（Ｌｎ×Ｃｎ）と、第２の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｐ＝２π√（Ｌｐ×Ｃｐ）との関係が、
３Ｔｐ≦Ｔｎ＜５Ｔｐ
を満足し、かつ、
Ｔｎ＜２５０ｎｓ
の条件を満たすことによってレーザ放電電極間を流れる振動電流の１．５周期以上によってレーザ発振動作を行わせることを特徴とする露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置。
【請求項３】
放電電極は長さ６００〜７５０ｍｍ、間隔１５〜１８ｍｍ、レーザチャンバー内の全ガス圧が２〜４気圧、この中のフッ素濃度が０．１５％以下、最終段コンデンサの容量Ｃｎが８ｎＦ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置。
【請求項４】
ピーキングコンデンサと並列かつコロナ予備電離電極と直列に予備電離用コンデンサが接続され、前記コロナ予備電離電極の静電容量と前記予備電離用コンデンサの容量との合成容量Ｃｃがピーキングコンデンサの容量Ｃｐの５％以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置。
【請求項５】
光共振器の出力鏡の反射率が４０％以上であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置に関し、特に、レーザ発振パルス幅の長いレーザ動作を行う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等の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ＫｒＦエキシマレーザ装置が露光用光源に使用されており、次世代露光用光源としては、ＡｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置が有力である。
【０００３】
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）あるいはアルゴン（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ネオン（Ｎｅ）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ー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】
これらのレーザ装置においては、放出するレーザ光のスペクトル幅が広いので、露光装置の投影光学系における色収差の問題を回避するためには、スペクトル幅を１ｐｍ以下に狭帯域化することが必要となる。スペクトル線幅の狭帯域化は、例えば拡大プリズムと回折格子からなる狭帯域化光学系をレーザ共振器内に配置することにより実現される。
【０００５】
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。
【０００６】
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。この影響は、レーザパルスのエネルギーを一定とした場合、次式で定義されるレーザパルス幅（Ｔis）に反比例する。
【０００７】
Ｔis＝（∫Ｔ（ｔ）ｄｔ）2 ／∫（Ｔ（ｔ））2 ｄｔ      ・・・（１）
ここで、Ｔ（ｔ）は時間的なレーザ形状である。
【０００８】
ここで、このレーザパルス幅Ｔisの定義について説明しておく。光学素子のダメージが２光子吸収により生じると仮定すると、ダメージは、レーザ光強度の２乗に比例するため、１パルス当たり蓄積されるダメージＤは次式で与えられる。
【０００９】
Ｄ＝ｋ・∫（Ｐ（ｔ））2 ｄｔ                          ・・・（２）
ここで、ｋは物質により決まる定数、Ｐ（ｔ）は時間的なレーザ強度（ＭＷ）である。
【００１０】
レーザ強度Ｐ（ｔ）は、次式により、時間とエネルギーに分離することができる。
【００１１】
Ｐ（ｔ）＝Ｉ・Ｔ（ｔ）／∫Ｔ（ｔ’）ｄｔ’            ・・・（３）
ここで、Ｉはエネルギー（ｍＪ）、Ｔ（ｔ）は時間的なレーザ形状である。
【００１２】
Ｐ（ｔ）を時間的に積分するとＩになり、ＡｒＦエキシマレーザの場合、Ｉは例えば５ｍＪである。
【００１３】
ここで、（３）式を（２）式に代入すると、ダメージＤは以下の式で表される。
【００１４】
0003755577.tif 000002
ここで、（１）式を代入すると、
Ｄ＝ｋ・Ｉ2 ／Ｔis                                    ・・・（５）
となる。この（５）式より、ｋ・Ｉ2 は一定であるため（Ｉは一定に維持される。）、ダメージＤに反比例するパルス幅Ｔisが（１）式により定義される。
【００１５】
従来、レーザパルス幅を時間的なレーザ形状の半値全幅ＦＷＨＭで定義する場合があった。半値全幅でレーザパルス幅を定義する場合、図８のモデル図に示すように、時間的なレーザ形状が互いに異なっても同じ値となる。しかしながら、図８に示す例では、実際のレーザパルスの継続時間は、三角形形状の方が矩形形状よりも長い。一方、（１) 式で定義されるレーザパルス幅Ｔisでは、図８に示す三角形形状の方が矩形形状よりも長い。例えば図８に示す例では、三角形形状のレーザパルス幅Ｔisは、矩形形状のレーザパルス幅Ｔisの２倍となる。
【００１６】
上記のように、レーザパルスのエネルギーを一定とした場合、２光子吸収による透過率の減少、コンパクションによる分解能の減少は、（１）式で与えられるレーザパルス幅Ｔisに反比例するので、レーザパルス幅Ｔisを長くすること（ロングパルス化）が望まれている。
【００１７】
現状、商品化されている露光用狭帯域化ＡｒＦエキシマレーザ装置は、発振動作の繰返し周波数（以後、繰返し周波数と呼ぶ。）１ｋＨｚ、レーザ光出力が５Ｗのものが一般的であり、半導体露光装置に塔載される光学系のダメージを回避するためには、レーザパルス幅Ｔisは３０ｎｓ以上であることが必要とされている。
【００１８】
上記したように、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、露光装置に塔載される光学系のダメージを低減するために、レーザパルス幅Ｔisを長くするロングパルス化が求められる。このロングパルス化は、以下の点からＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置にも要請される。
【００１９】
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。
【００２０】
Ｒ＝ｋ1 ・λ／ＮＡ                                    ・・・（６）
ＤＯＦ＝ｋ2 ・λ／（ＮＡ）2                           ・・・（７）
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。
【００２１】
解像度Ｒを向上させるため、（６）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、（７）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。
【００２２】
ここで、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７９．（１９９９）１０３０〜１０３７等には、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。
【００２３】
以上のように、露光装置の光学系へ与えるダメージの回避、及び、解像度の向上のために、レーザパルス幅Ｔisのロングパルス化が必須となってきた。レーザパルス幅Ｔisは、レーザチェンバーに封入されるレーザガス中のフッ素ガス濃度に依存することが知られており（前出：Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６７９．（１９９９）１０３０〜１０３）、フッ素ガス濃度を調整することにより、レーザパルス幅ＴisをＴis≧３０ｎｓとなるようにロングパルス化することが可能となる。
【００２４】
また、特願平１１−２６１６２８号では、本発明者等により、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１つの半周期によってレーザ発振動作を行わせるように構成して、Ｔis≧３０ｎｓのレーザパルスを形成する方法が提案されている。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
現在の半導体露光用光源であるＫｒＦエキシマレーザ装置、次世代の半導体露光用光源として有力視されているＡｒＦエキシマレーザ装置あるいはフッ素レーザ装置に対し、さらなる高解像度化、高スループット化、石英に対する低ダメージ化が要請されている。
【００２６】
しかしながら、高解像度化、低ダメージ化に効果のあるロングパルス化と、高スループット化のための高繰り返し化は、放電の安定持続性の観点から相反する技術であり、両立は困難と考えられていた。特に、フッ素を使用するガスレーザ装置においては、ロングパルス化が困難であると報告されている（例えば、前田三男「エキシマレーザー」ｐ．１６３、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.5,No.6(1999),p.1515等）。
【００２７】
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、繰返し周波数が４ｋＨｚを越えてもロングパルス化が可能な露光用ＡｒＦキシマレーザ装置、並びに、繰返し周波数が２ｋＨｚを越えてもロングパルス化が可能な露光用ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置（露光用レーザ装置）を提供することである。
【００２８】
【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露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及び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露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置において、
前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ容量をＣｎ（ｎは磁気パルス圧縮回路の段数）として、ピーキングコンデンサの容量をＣｐとし、最終段コンデンサとレーザ放電電極により形成される第１の回路ループのインダクタンスをＬｎとし、ピーキングコンデンサとレーザ放電電極により形成される第２の回路ループのインダクタンスをＬｐとしたとき、
第１の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｎ＝２π√（Ｌｎ×Ｃｎ）と、第２の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｐ＝２π√（Ｌｐ×Ｃｐ）との関係が、
５Ｔｐ≦Ｔｎ
を満足し、かつ、
Ｔｎ＜２５０ｎｓ
の条件を満たすことによってレーザ放電電極間を流れる振動電流の２．５周期以上によってレーザ発振動作を行わせることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明のもう１つの露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及び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露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置において、
前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ容量をＣｎ（ｎは磁気パルス圧縮回路の段数）として、ピーキングコンデンサの容量をＣｐとし、最終段コンデンサとレーザ放電電極により形成される第１の回路ループのインダクタンスをＬｎとし、ピーキングコンデンサとレーザ放電電極により形成される第２の回路ループのインダクタンスをＬｐとしたとき、
第１の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｎ＝２π√（Ｌｎ×Ｃｎ）と、第２の回路ループによる振動電流波形の周期Ｔｐ＝２π√（Ｌｐ×Ｃｐ）との関係が、
３Ｔｐ≦Ｔｎ＜５Ｔｐ
を満足し、かつ、
Ｔｎ＜２５０ｎｓ
の条件を満たすことによってレーザ放電電極間を流れる振動電流の１．５周期以上によってレーザ発振動作を行わせることを特徴とするものである。
【００３０】
これらにおいて、放電電極は長さ６００〜７５０ｍｍ、間隔１５〜１８ｍｍ、レーザチャンバー内の全ガス圧が２〜４気圧、この中のフッ素濃度が０．１５％以下、最終段コンデンサの容量Ｃｎが８ｎＦ以上であることが望ましい。
【００３１】
また、ピーキングコンデンサと並列かつコロナ予備電離電極と直列に予備電離用コンデンサが接続され、そのコロナ予備電離電極の静電容量と予備電離用コンデンサの容量との合成容量Ｃｃがピーキングコンデンサの容量Ｃｐの５％以下であることが望ましい。
【００３２】
また、光共振器の出力鏡の反射率が４０％以上であることが望ましい。
【００３３】
以上の本発明においては、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次電流との重畳において、２次電流の振動周期を１次電流の振動周期の５倍以上、あるいは３倍以上５倍未満と設定し、かつ、２次電流の振動周期を２５０ｎｓ未満と設定することによって、２次電流が重畳した１次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４つの半周期あるいは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ので、繰返し周波数４ｋＨｚ以上の場合において、半導体露光用の高繰返しロングパルス化狭帯域ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することができる。また、繰返し周波数２ｋＨｚ以上の場合において、半導体露光用の高繰返しロングパルス化狭帯域ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置を実現することができる。
【００３４】
【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。
【００３５】
本発明者は、上記のような要請に対応するために、レーザ放電回路において高繰返し動作に対応するロングパルス化回路を形成することにより、繰返し周波数が４ｋＨｚ以上でも、安定に動作可能なＴis≧５０ｎｓとなるロングパルス露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置を開発した。
【００３６】
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１周期から第３周期の前半までに、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、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４つの半周期、合計５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。
【００３７】
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。
【００３８】
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次電流の周期の５倍以上に設定する。
【００３９】
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、振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも４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。
【００４０】
補足的に説明すると、図１の重畳した振動電流（電極間の放電電流）の第１の半周期と第３の半周期と第５の半周期は同じ極性であり、上記の１次電流と２次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、第４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、第４、第５の半周期と持続させることができる。
【００４１】
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次電流の振動周期の５倍以上に設定し、２次電流が重畳した１次電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも４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≧５０ｎｓとロングパルス化が可能になり、線幅が０．４５ｐｍ（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。
【００４２】
以下、本発明の露光用レーザ装置（ＡｒＦ、ＫｒＦ、フッ素レーザ装置兼用）とその励起回路の具体例を示す。
【００４３】
図２は、本発明の露光用レーザ装置の構成例を示す図であり、図中、１はレーザチェンバーであり、両端に窓部が設けられ、フッ素ガス、アルゴンガスあるいはクリプトンガスあるいはどちらも入れず、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。
【００４４】
レーザチェンバー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。
【００４５】
レーザチェンバー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ー１内部を循環する。
【００４６】
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。
【００４７】
本発明者等はレーザチェンバー１のレーザガス循環構造、放電電極などの改良及び高電圧パルス発生装置の新規開発を行い、繰返し周波数４ｋＨｚ以上を実現した。
【００４８】
レーザチェンバー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。レーザチェンバー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。
【００４９】
出力鏡６より放出された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、前記した式（１）に従って、レーザパルス幅Ｔisを算出する。
【００５０】
このような露光用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Ｃｃ１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。そして、このコロナ予備電離部１０は、静電容量Ｃｃ２を持っている。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
ところで、半導体露光用の光源としてレーザ装置の場合、露光に必要なレーザ出力エネルギーからそれに必要な放電体積が自ずから決まり、その放電体積から主放電電極２、２間の間隔は１５〜１８ｍｍ程度、長さは６００〜７５０ｍｍ程度である必要がある。
【００６１】
また、そのレーザ出力エネルギーは一般にはピーキングコンデンサＣｐの容量で決まり（放電による入力エネルギーは１／２×Ｃｐ・Ｖｂ2 ）、Ｃｐは大きい方がエネルギーは大きいが、ピーキングコンデンサＣｐから主放電電極２、２間を流れる電流の周期を短くするにはＣｐは小さくしなけばならない。しかも、図１に関して説明したように、Ｃｐから主放電電極２、２間を電流が流れても、Ｃ２に電荷が残留しているようにするには、Ｃｐは余り大きくできない。
【００６２】
ここで、上記したように、本発明に基づいて、ピーキングコンデンサＣｐから主放電電極２、２間を流れる電流の立上りを速く（周期を短く）、かつ、電流のピーク値を高くするように回路定数を定める必要がある。電流のピーク値を大きくするには、主放電電極２、２間で放電が開始する電圧（ブレークダウン電圧）Ｖｂが主放電電極２、２間に加えられる電圧の立ち上がりに依存し、立上り時間が高速である場合に放電開始電圧Ｖｂが高くなる（過電圧の発生）ので、その印加電圧を急激に上昇するようにする必要がある。そのためには、図３に示すように、磁気パルス圧縮回路の出力端での接続に伴う磁気パルス圧縮回路側の浮遊インダクタンスをＬｆ１、その接続に伴うレーザ装置側でピーキングコンデンサＣｐより前の浮遊インダクタンスをＬｆ２とすると、磁気スイッチＳＬ２の残留インダクタンスＬ２ｓとこれら浮遊インダクタンスをＬｆ１、Ｌｆ２の和であるインダクタンスＬ２’（＝Ｌ２ｓ＋Ｌｆ１＋Ｌｆ２）を小さくしてコンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣｐに急速に充電が行われるようにする必要がある。
【００６３】
次に、ピーキングコンデンサＣｐから主放電電極２、２間を流れる電流の周期を短くして放電を安定持続しやすくするには、以下のように構成する。すなわち、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）中の容量Ｃｐと浮遊インダクタンスＬｐであり、両者の積のルートがその周期に比例する。したがって、その周期を短くするには、上記放電電流回路の浮遊インダクタンスＬｐを可能な限り小さくすればよい。しかし、この浮遊インダクタンスＬｐの大きさはレーザキャビティの断面積で決まるから、実際上３ｎＨ程度より小さくできない。
【００６４】
また、主放電電極２、２間を流れる振動電流の２番目以降の１／２周期の電流のピーク値を大きくして２番目以降の１／２周期においてもレーザ発振を行わせるには、レーザガスの電気抵抗を小さくする必要がある。レーザガスにおいてフッ素分圧が小さい程、混合ガスの抵抗が小さくなるので、レーザガスの全圧に対するフッ素分圧を０．１５％以下にすることが望ましい。なお、レーザガスの圧力が２気圧以下の場合、注入できるエネルギーが小さくなりすぎ、露光装置に必要な出力エネルギーが得られなくなる。逆に、４気圧のより大きい場合は、抵抗が大きくなりすぎ、２番目以降の１／２周期においてレーザ発振を行わせることが困難になる。
【００６５】
このような知見の下で、図２に示す露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置において、レーザ放電電極長７００ｍｍ、間隔１６ｍｍ、レーザチェンバー１内圧力を３気圧（約３００ｋＰａ）、フッ素濃度を０．０９％、アルゴン濃度３％、バッファーガスをネオンとし、また、図３のような２段の磁気パルス圧縮回路からなる励起回路により、繰返し周波数を４ｋＨｚとし、
ピーキングコンデンサＣｐから放電電極に流れる１次電流の周期Ｔｐを、
Ｔｐ＝２π√（Ｌｐ×Ｃｐ）＝２π√（５ｎＨ×８ｎＦ）＝４０ｎｓ、
最終段コンデンサＣ２から放電電極に流れる２次電流の周期Ｔ２を、
0003755577.tif 000003
になるようなＬ２ｓ、Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｐに、磁気スイッチＳＬ２及び放電部構造を設計し、ピーキングコンデンサＣｐ、最終段コンデンサＣ２の値を設定した。
【００６６】
また、予備電離用コンデンサＣｃ１容量は０．４ｎＦに設定し、コロナ予備電離部１０の静電容量Ｃｃ２が０．２ｎＦになるように構造を設計した。出力鏡６の反射率は５０％とした。なお、レーザチェンバー１内圧力はガス温度を２５℃に換算したときの値である。
【００６７】
ここで、上記Ｔ２が２５０ｎｓ以上のときは、Ｃ２から放電電極間に流れる電流がレーザ発振に有効に使用できなくなることが、実験的に求められている。一例として、Ｃ２＝１２ｎＦにおいて、Ｔ２を変化させたときの４ｋＨｚ時のレーザ出力エネルギー（Ｅ）及びパルス幅（Ｔis）を図４に示す。ここで、Ｔ２は、残留インダクタンスＬ２ｓの異なる磁気スイッチＳＬ２を用いて磁気パルス圧縮回路を形成して、Ｌ２ｓを変化させて変化させた。これは、レーザ発振のゲインが得られる均一放電の持続時間に上限が有り、時間の経過に伴い集中放電へ移行してゲインを失うためであると考えられる。
【００６８】
図５に、上記のパメータ設定時に波形検出手段８で得られた時間的なレーザ形状である波形データを示す。このとき、パルス幅算出手段９により求められたレーザパルス幅Ｔisの値は６２ｎｓであった。
【００６９】
以上の実施例から明らかなように、以下の条件を満たすことにより、繰返し周波数が４ｋＨｚ以上でも、安定に動作可能なＴis≧５０ｎｓとなるロングパルス露光用ＡｒＦエキシマレーザ装置が実現される。
【００７０】
（１）放電電流の立ち上がりを速くし、かつ、放電を安定持続させるために、１次電流の周期Ｔｐを５０ｎｓ以下に短くする。
【００７１】
（２）放電開始電圧を高めて、放電電流ピークを大きくするために、２次電流の周期Ｔ２を２５０ｎｓ以下に短くする。
【００７２】
（３）５Ｔｐ≦Ｔ２（５ＴｐがＴ２を越えないこと。近い方が発振効率が良い。）とし、ピーキングコンデンサＣｐから電極間に流れる電流の第２周期、第３周期前半に、最終段コンデンサＣ２に残留した電荷による電流を重ねて流れるようにする。
【００７３】
これらの結果、（１）、（２）により放電の安定持続性が高まり、その持続中に（３）によりエネルギーが注入されるため、効率良いロングパルス発振が可能となる。
【００７４】
なお、５Ｔｐ≦Ｔ２が実現困難な場合であっても、３Ｔｐ≦Ｔ２＜５Ｔｐの条件を満たすことによって、図６に図１と同様の図を示すように、放電電極間を流れる振動電流の１．５周期以上によってレーザ発振動作を行わせることができる。すなわち、放電電極間に流れる電流を、ピーキングコンデンサＣｐから流れる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Ｃ２から流れる２次電流とを重畳したものとして、図６のように、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ことにより、ロングパルス発振が可能となる。この場合も、上記と同様に、３ＴｐがＴ２に近い方がレーザの発振効率は高くなる。
【００７５】
なお、最終段コンデンサ容量Ｃ２については、露光に必要なレーザ出力エネルギーからその大きさが規定され、実際上８ｎＦ以上である必要がある。
【００７６】
ところで、上記の（１）〜（３）を満たす場合であっても、予備電離コンデンサ容量Ｃｃ１とコロナ予備電離電極の静電容量Ｃｃ２の合成容量Ｃｃをピーキングコンデンサ容量Ｃｐの５％より大きくすると、予備電離回路に残留した電荷による電流が放電空間に流れるときに位相がずれることにより、Ｃｐ、Ｃ２から流れる電流の第２周期以降が妨げられる。図７の破線は、上記のパラメータ設定時、すなわち、Ｃｃ１＝０．４ｎＦ、Ｃｃ２＝０．２ｎＦ、Ｃｃ＝０．１３ｎＦ（Ｃｃ／Ｃｐ＝０．１３ｎＦ／８ｎＦ＝１．６％）の放電電極間に流れる電流波形を示すが、予備電離コンデンサ容量Ｃｃ１を２ｎＦ、コロナ予備電離電極の静電容量Ｃｃ２を１ｎＦに増加させ、合成容量Ｃｃを０．６７ｎＦ（Ｃｃ／Ｃｐ＝０．６７ｎＦ／８ｎＦ＝８．４％）にすると、図７の実線のように、Ｃｐ、Ｃ２から流れる電流の第２周期以降が大きく妨げられていることが分かる。したがって、予備電離回路の容量Ｃｃは予備電離放電に必要最低限の値にした方がよい。実験の結果、Ｃｐの５％以下が望ましいことが分かった。
【００７７】
ところで、Ｔis≧５０ｎｓのロングパルス波形においては、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）が多くなる。したがって、光共振器の出力鏡６の反射率を４０％以上に高くすると、２回目以降のラウンドトリップ数の割合が増加し、レーザ出力が増加すると共に、レーザ波形の安定性が高くなり、パルス間のエネルギー安定性も向上する。上記実施例では、反射率５０％の出力鏡を使用した。
【００７８】
以上のように、本発明に基いて、従来のようにレーザチェンバー内のフッ素濃度を調整するという技術とは異なる新規な技術である、ロングパルス化放電回路（パルス整形回路）の新たな考案という技術により、繰返し周波数４ｋＨｚ以上、レーザパルス幅Ｔisが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することに成功した。
【００７９】
以上は、主としてＡｒＦエキシマレーザ装置について説明してきたが、ガスインピーダンスの変化は回路定数に比較して大きくないので、上記の発明はネオンを希釈ガスとしたＫｒＦエキシマレーザ、及び、フッ素レーザ装置にも適用できる。
【００８０】
以上、本発明の露光用ＡｒＦ、ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置（紫外線を放出するガスレーザ装置）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。
【００８１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の露光用レーザ装置によれば、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次電流との重畳において、２次電流の振動周期を１次電流の振動周期の５倍以上、あるいは３倍以上５倍未満と設定し、かつ、２次電流の振動周期を２５０ｎｓ未満と設定することによって、２次電流が重畳した１次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４つの半周期あるいは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ので、繰返し周波数４ｋＨｚ以上の場合において、半導体露光用の高繰返しロングパルス化狭帯域ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することができる。また、繰返し周波数２ｋＨｚ以上の場合において、半導体露光用の高繰返しロングパルス化狭帯域ＫｒＦエキシマレーザ装置及びフッ素レーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく露光用レーザ装置の原理を説明するための波形図である。
【図２】本発明を適用する露光用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】放電電極に流れる２次電流の周期を変化させたときのレーザ出力エネルギー及びパルス幅の関係を調べた結果を示す図である。
【図５】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レーザ出力波形データを示す図である。
【図６】本発明に基づく露光用レーザ装置の別の形態の原理を説明するための図１と同様の図である。
【図７】予備電離回路の合成容量により放電電極に流れる電流が妨げられる様子を示す図である。
【図８】レーザパルス幅について説明するための図である。
【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
Ｃｃ１…予備電離用コンデンサ
Ｃｃ２…予備電離電極の静電容量
Ｌ２ｓ…第２の磁気スイッチの残留インダクタンス
Ｌｆ１、Ｌｆ２…浮遊インダクタンス
Ｌｐ…放電電流回路の浮遊インダクタンス
【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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