(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーガスを収容する為のレーザーチャンバと、該チャンバ内に設けられた一対の電極と、該一対の電極に電圧を印加して該レーザーガスを励起する為の電圧印加回路とを有するエキシマレーザー発振装置において、
前記電圧印加回路は前記一対の電極間に第１の向きの電流を流す為の第１の電荷蓄積手段と前記第１の向きとは逆の第２の向きの電流を流す為の第２の電荷蓄積手段とを有し、
該第１の電荷蓄積手段と該第２の電荷蓄積手段は前記一対の電極に接続されており、
前記第１の電荷蓄積手段は、複数の容量と、磁気スイッチとを備える回路であり、
前記第２の電荷蓄積手段は、直列に接続されたスパークギャップと容量に、直列に接続されているコイルと抵抗とが、前記コイルを前記スパークギャップ側とし、前記抵抗を前記容量側として接続され、さらに、前記コイルと前記抵抗との間と前記スパークギャップとを接続してなる回路であるとともに、前記容量に充電を行うための電源を有していることを特徴とするエキシマレーザー発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、各種物品の加工等に用いられるエキシマレーザー発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザーは、紫外域で発振する唯一の高出力レーザーとして注目されており電子産業や化学産業やエネルギー産業において応用が期待されている。
【０００３】
具体的には金属、樹脂、ガラス、セラミクス、半導体等の加工や化学反応等に利用されている。
【０００４】
エキシマレーザー光を発生する装置はエキシマレーザー発振装置として知られている。例えば、その構成を図１６に示す。
【０００５】
５１はレーザーガスを収容する為のレーザーチャンバであり、このチャンバ５１内に一対の電極５４，５５が設けられている。この一対の電極５４，５５には電圧を印加してレーザーガスを励起する為の電圧印加回路が接続されている。
【０００６】
マニホルド内に充墳されたＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，ＫｒＦ，ＡｒＦ等のレーザーガスを放電により励起状態にする。すると、励起された原子は基底状態の原子と結合して励起状態でのみ存在する分子を生成する。この分子がエキシマと呼ばれるものである。エキシマは不安定な為、直ちに紫外光を放出して基底状態に落ちる。これをボンドフリー遷移というが、この遷移よってえられた紫外光を一対のミラーで構成される光共振器内で増倍してレーザー光として取り出すものがエキシマレーザー発振装置である。
【０００７】
エキシマレーザーの中でもＫｒＦレーザーやＡｒＦレ−ザーは、レーザーガスとして反応性の高いフッ素のガスを用いる。レーザー発振を続けるとレーザーチャンバ内でのフッ素の濃度が減少する。そこで、レーザーチャンバへの供給電圧を上げて所定の出力を得るように制御するのであるが、そのような制御でも出力が得難くなった場合には、一度発振を停止して、フッ素の補充を行う。
【０００８】
更に、発振を続けるとフッ素の補充を行っても、所定のレーザー出力が得られなくなり、こうなるとレーザーチャンバを交換しなければならない。
【０００９】
図１３は従来知られているレーザー発振回路の一例である。発振を開始させるスイッチにサイラトロンを用いると、図１３に示すような容量Ｃpのアフターリンギングが生じる。そこで、図１４に示すように、レーザー発振回路のサイラトロンを半導体素子であるサイリスタに置換することでアフターリンギングを抑制してレーザーの寿命を延ばすことが考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、それでも、図１５に示されているように、所定の周期毎にフッ素を補充し、印加電圧を上げながら発振を行う必要がある。換言すれば、フッ素濃度が何らかの理由で時間と共に減少することに変わりはない。よって、レーザーチャンバーの寿命という点では、いまだ充分なものではなく特に物品の加工等で長期間レーザーを使用する場合には、チャンバーの寿命は加工物品の製造スループットを向上させる上で重要な要因である。
【００１１】
本発明は、上述した技術的課題に鑑みなされたものであり従来よりより長期間レーザー発振を繰り返し行って、所望のレーザー出力が得られるレーザー発振装置を提供することを主たる目的とする。
【００１２】
本発明の別の目的は、フォトリソグラフィーのような半導体装置の製造に好適なレーザー発振装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のエキシマレーザー発振装置は、レーザーガスを収容する為のレーザーチャンバと、該チャンバ内に設けられた一対の電極と、該一対の電極に電圧を印加して該レーザーガスを励起する為の電圧印加回路とを有するエキシマレーザー発振装置において、
前記電圧印加回路は前記一対の電極間に第１の向きの電流を流す為の第１の電荷蓄積手段と前記第１の向きとは逆の第２の向きの電流を流す為の第２の電荷蓄積手段とを有し、
該第１の電荷蓄積手段と該第２の電荷蓄積手段は前記一対の電極に接続されており、
前記第１の電荷蓄積手段は、複数の容量と、磁気スイッチとを備える回路であり、
前記第２の電荷蓄積手段は、直列に接続されたスパークギャップと容量に、直列に接続されているコイルと抵抗とが、前記コイルを前記スパークギャップ側とし、前記抵抗を前記容量側として接続され、さらに、前記コイルと前記抵抗との間と前記スパークギャップとを接続してなる回路であるとともに、前記容量に充電を行うための電源を有していることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態に係るエキシマレーザー発振装置のレーザーチャンバ内の放電用の一対の電極間に流れる電流を説明する為の模式図である。
【００１６】
図１のＡは、一方の向きの第１の電流ｉ1が流れた直後に他方の向きで且つ電流値がほぼ等しい第２の電流ｉ2が流れるようすを示している。又、図１のＢは、一方の向きの第１の電流ｉ1が流れた後所定の期間ＩＮＴをおいてから他方の向きで且つ電流値がほぼ等しい第２の電流ｉ2が流れることを示している。
【００１７】
このように、一対の放電電極間に流れる電流の向きが所定の周期で変化するように電圧を印加する為の駆動回路の構成について説明する。
【００１８】
図２は、本発明の好適な実施の形態によるレーザ発振装置の回路構成図である。１は１ｋＶの高圧電源、２は充電用の抵抗、３は電荷蓄積のための容量、４はパルス幅を狭くするための磁気スイッチ、５はレーザ発振を開始するためのサイリスタである。これら、電源１、抵抗２、容量３、磁気スイッチ４、サイリスタ５で変圧器６の一次コイル側が構成されている。変圧器６の巻数比は例えば１：２０で、巻線の方向は逆である。容量３および磁気スイッチ４と同じ回路をパルス幅をより狭くするために多段に接続してもよい。
【００１９】
変圧器６の二次コイル側には、容量８，９、Ｃpと、磁気スイッチ７とが接続されている。容量８，９、Ｃpと、磁気スイッチ７とからなる回路１６はレーザチャンバ１０の放電電極１０ａ，１０ｂに接続されている。１１は放電を安定に起こすために用いられるプレイオナイザーである。
【００２０】
そして、本発明の特徴はスパークギャップ１２、容量Ｃi、コイル１３、抵抗１４、高圧電源１５で構成される回路１７を設けた点である。
【００２１】
図３は、回路１７のないレーザ発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形（Ａ）と、本発明による回路１７を有するレーザ発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形（Ｂ）とを示す。
【００２２】
以下、図２、図３を参照して本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置の動作について説明する。
【００２３】
まず初めに、電荷蓄積用容量３に高圧電源１を用いて１ｋＶまで充電する。また、電荷蓄積用容量Ｃiに高圧電源１５を用いて１５ｋＶまで充電する。その後、サイリスタ５にトリガを入れ、サイリスタを導通させると、容量３に充電されていた電荷が放電される。このときコンデンサ８の両端には、−１５ｋＶ程度のパルス電圧が印加されることになる。
【００２４】
また、容量Ｃpの両端には、磁気スイッチ７でパルス幅が１５０ｎｓ程に短縮された電圧が図３に示すように現れる。容量Ｃｐの両端にかかる電圧が−１５ｋＶから０Ｖに変化する際、まず、プレイオナイザー１１が放電を開始し、レーザチャンバ内に１０6−１０7ｃｍ-3程度の密度を有した自由電子を生成する。
【００２５】
その後、放電電極１０ａ，ｂ間に均一な放電が起こりレーザーが発振する。回路１７がない場合には、図３（A）に示すように−１５ｋＶから０Ｖまで電圧が上昇するだけであるが、回路１７がある場合図３（B）に示すように＋１５ｋＶまで電圧が上昇する。
【００２６】
このときの動作について以下説明する。
【００２７】
容量Ｃpの両端にかかる電圧が急激に変化した際、その高周波電圧は、コイル１３にほとんどかかる。これは、コイル１３のインピーダンスを抵抗１４に比べ大きく設定しているためである。そして、コイル１３の両端に大きな電圧がかかることによりスパークギャップ１２がスパークし導通する。これにより、容量Ｃiに充電されていた電荷が放電され、放電電極１０ａ，ｂ間にかかる電圧は１５ｋＶ程度まで上昇する。このとき、放電電極１０ａ，ｂ間に放電が再び、今度は電流の向きが逆方向で起こる。
【００２８】
以上のとおり、本発明では回路１７を有するが故に、回路１７のない装置に比べて、以下に述べる効果がある。
【００２９】
まず、電流が正負交互に流れることにより、放電電極の劣化が上下対象となり、電極の劣化を従来の装置に比べ抑えられる。その結果、レーザの出力量に対する寿命が２倍以上となる。また、単位時間当りのレーザ出力量も約２倍得られる。
【００３０】
図４は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路構成図である。図２に示した回路と異なる点は回路１７に替えて回路１８が設けられている点である。回路１８はコイル１９、容量Ｃjおよび抵抗２０により構成されている。図５は、回路１８を有するレーザー発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形を示す。
【００３１】
以下、図４、図５のレーザー発振装置の動作について説明する。
【００３２】
図２の回路構成を用いたときと同様に、まず初めに、電荷蓄積用容量３に高圧電源１を用いて１ｋＶまで充電する。その後、サイリスタ５にトリガを入れ、サイリスタを導通させると、容量３に充電されていた電荷が放電される。このときコンデンサ８の両端には、−１５ｋＶ程度のパルス電圧が印加されることになる。
【００３３】
また、容量Ｃpの両端には、磁気スイッチ７でパルス幅が１５０ｎｓ程に短縮された電圧が図３に示すように現れる。容量Ｃpの両端にかかる電圧が−１５ｋＶから０Ｖに変化する際、まず、プレイオナイザー１１が放電を開始し、レーザチャンバ内に１０6−１０7ｃｍ-3程度の密度を有した自由電子を生成する。
【００３４】
その後、放電電極１０ａ，ｂ間に均一な放電が起こりレーザーが発振する。回路１８がない場合には、図３（A）に示すように−１５ｋＶから０Ｖまで電圧が上昇するだけであるが、回路１８がある場合図５に示すように正負交互に電圧が変化しながら減衰していく。これは、容量Ｃpの両端にかかる電圧が急激に変化した際、回路１８により発振がおこるためである。その発振周波数は、コイル１９、容量Ｃj、抵抗２０により決めることが可能である。
【００３５】
以上のとおり、この参考例では回路１８を有するが故に、回路１８のない装置に比べて、以下に述べる効果がある。図２に示した回路と同様に、電流が正負交互に流れることにより、放電電極の劣化を上下対象とすることができ、電極の劣化を従来の装置に比べ抑えられる。その結果、レーザーの出力量に対する寿命が２倍以上となる。また、単位時間当りのレーザー出力量も約２倍得られる。
【００３６】
図６は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路構成図である。図４に示した回路と異なる点は回路１８が設けられていないかわりに、変圧器６の一次側に回路２１が設けられている点である。回路２１は、容量３’と磁気スイッチ４’とサイリスタ５’と変圧器の一次側コイル２５’と同じ構成である。唯一異なる点は一次側コイルの巻き方向がコイル２５とコイル２５’とで互いに異なる点である。
【００３７】
図７は、図６の回路２１を有するレーザー発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形を示す。
【００３８】
以下、図６、図７の形態に係るレーザー発振装置の動作について説明する。
【００３９】
図２の回路構成を用いたときと同様に、まず初めに、電荷蓄積用容量３、３’に高圧電源１を用いて１ｋＶまで充電する。その後、サイリスタ５’にトリガを入れ、サイリスタ５’を導通させると、容量３’に充電されていた電荷が放電される。このときコンデンサ８の両端には、−１５ｋＶ程度のパルス電圧が印加されることになる。
【００４０】
また、容量Ｃpの両端には、磁気スイッチ７でパルス幅が１５０ｎｓ程に短縮された電圧が図７に示すように現れる。容量Ｃpの両端にかかる電圧が−１５ｋＶから０Ｖに変化する際、まず、プレイオナイザー１１が放電を開始し、レーザチャンバ内に１０6−１０7ｃｍ-3程度の密度を有した自由電子を生成する。
【００４１】
その後、放電電極１０ａ，ｂ間に均一な放電が起こりレーザーが発振する。次に、高圧電源H.V.を用いて、放電により電荷のなくなった電荷蓄積用容量３’を１ｍｓ以内に１ｋＶまで充電する。今度はサイリスタ５にトリガを入れ、サイリスタ５を導通させると、容量３に充電されていた電荷が放電される。このときコンデンサ８の両瑞には、＋１５ｋＶ程度のパルス電圧が印加されることになる。
【００４２】
また、容量Ｃpの両端には、磁気スイッチ７でパルス幅が１５ｎｓ程に短縮された電圧が図７に示すように現れ、これによりレーザが発振される。以下同様に、１ｍｓ間隔でサイリスタ５，５’に、交互にトリガを入れることにより、容量Ｃpの両瑞に図７に示すようなパルス電圧を発生させることができる。
【００４３】
ただし、回路２１を加えることによりサイリスタ５，５’の耐圧は、回路２１がない場合の２倍、すなわち、この揚合最低２ｋＶ必要である。
【００４４】
以上のとおり、本発明では回路２１を有するが故に、回路２１のない装置に比べて、以下に述べる効果がある。電流を正負交互に流させることにより、放電電極の劣化を上下対象とすることができ、電極の劣化を従来の装置に比べ抑えられる。その結果、レーザーの出力量に対する寿命が２倍以上となる。
【００４５】
図８は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路構成図である。図６に示した回路と異なる点は並列に２つトランジスタ２３と抵抗２とが設けられている点である。
【００４６】
図８のレーザー発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形は図７と同じである。
【００４７】
高圧の電源電圧を２つのトランジスタ２３の一方をオン、他方をオフとして容量３に選択的に供給することで、放電電極への印加電圧の向きを選択する。
【００４８】
図９は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路構成図である。図４に示した回路と異なる点は、回路１８が無く且つ２つのスイッチ２６と互いに逆の極性の端子に接続されたサイリスタ２７とをが設けられている点である。
【００４９】
図９のレーザー発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形は図７と同じである。
【００５０】
一次コイルを共通にして、スイッチ２６の選択により容量３への充電電圧の向きを変えることができる。
【００５１】
図１０は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路溝成図である。図４に示した回路と異なる点は回路１８が無く且つ２つのスイッチ２８が設けられている点である。
【００５２】
図１０のレーザー発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形は図７と同じである。
【００５３】
図９の例が充電電圧の向きを変えたのに対し、図１０の例は容量３から一次コイルに流れる電流の向きをスイッチ２８で変えるものである。
【００５４】
図１１は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路構成図である。図１１のレーザー発振回路における容量Ｃpの両端子の電圧波形は図７と同じである。以下、図１１を参照して本発明のレーザー発振装置の動作について説明する。
【００５５】
高圧電源１より容量３１ａ，３１ｂを充電する。サイラトロン３０ｂがオンすると、容量３１ｂは放電して容量Ｃpを充電する。この電圧がしきい値に達すると、レーザーの放電電極にて放電が生じてレーザーパルスが発生する。次に、他方のサイラトロン３０ａがオンすると容量３１ａが放電して容量Ｃpを反対極性に充電するので、レーザーの放電電極に印加される電圧も逆向きになる。
【００５６】
図１２は、参考例として説明するレーザー発振装置の回路構成図であるこの構成は図１１のサイラトロン３０ａ，３０ｂを直列接続されたサイリスタ３４ａ，３４ｂで置換したものである。
【００５７】
図１２のレーザー発振回路における容量Ｃｐの両端子の電圧波形は図７と同じである。
【００５８】
この例は図１１のサイラトロン３０ａ，３０ｂに変えて、半導体素子であるサイリスタ３４ａ，３４ｂを直列に接続して耐圧を向上させたスイッチを用いた例である。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザーチャンバの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエキシマレーザー発振装置の放電電極に流れる電流の様子を説明する為の図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態によるエキシマレーザー発振装置の駆動回路を示す図である。
【図３】本発明の好適な実施の形態によるエキシマレーザー発振装置の特性を説明する為の図である。
【図４】参考例に係るエキシマレーザー発振装置の駆動回路を示す図である。
【図５】図４に示すエキシマレーザー発振装置の特性を説明する為の図である。
【図６】他の参考例に係るエキシマレーザー発振装置の駆動回路を示す図である。
【図７】図６に示したエキシマレーザー発振装置の特性を説明する為の図である。
【図８】エキシマレーザー発振装置の駆動回路の別の回路図である。
【図９】エキシマレーザー発振装置の駆動回路の別の回路図である。
【図１０】エキシマレーザー発振装置の駆動回路の別の回路図である。
【図１１】エキシマレーザー発振装置の駆動回路の別の回路図である。
【図１２】エキシマレーザー発振装置の駆動回路の別の回路図である。
【図１３】従来のエキシマレーザー発振装置の駆動回路とその特性とを示す図である。
【図１４】従来のエキシマレーザー発振装置の別の駆動回路とその特性とを示す図である。
【図１５】従来のエキシマレーザー発振装置の寿命を説明する為の図である。
【図１６】エキシマレーザー発振装置の概念図である。
【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】
0003815578.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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