JP2002151768A

JP2002151768A - 露光用フッ素レーザ装置

Info

Publication number: JP2002151768A
Application number: JP2000343339A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Watanabe; 英典渡邊; Koji Kakizaki; 弘司柿崎; Takashi Saito; 隆志斉藤
Original assignee: Gigaphoton Inc
Current assignee: Gigaphoton Inc
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】繰返し周波数が２ｋＨｚを越えても、低ピー
クパワーで、かつロングパルス化が可能な高効率露光用
フッ素レーザ装置。【解決手段】レーザチェンバ１とレーザ放電電極２と
ピーキングコンデンサと高電圧パルス発生装置３とを有
し、レーザ放電電極２が高電圧パルス発生装置３の磁気
パルス圧縮回路の出力端に接続され、高電圧パルス発生
装置３が発生する極性が反転する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露光用フッ素レー
ザ装置において、放電回路の定数等が定められており、
バッファーガスとしてネオンを含み、放電開始までの電
圧立ち上がり時間Ｔｄ（ｎｓ）と、ピーキングコンデン
サの容量Ｃｐ（Ｆ）とが、Ｔｄ＜３３√( Ｃｐ×１
０⁹）の関係を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体露光用の紫
外線を放出するガスレーザ装置に関し、特に、フッ素レ
ーザ装置において、ネオン（Ｎｅ）をバッファーガスと
して含み、レーザ発振パルス幅の長い（ロングパルス化
された）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、次世代を担う半導
体露光用光源として、波長１５７ｎｍの紫外線を放出す
るフッ素（Ｆ₂）レーザ装置が有力である。

【０００３】フッ素レーザ装置においては、一般に、フ
ッ素（Ｆ₂）ガスとバッファーガスとして希ガスである
ヘリウム（Ｈｅ）からなる混合ガスを用いる。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ャ
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】すなわち、レーザチェンバ内部には、レー
ザガスを励起するための一対の主放電電極が、レーザ発
振方向に垂直な方向に所定の距離だけ離間して対向配置
されている。この一対の主放電電極には高電圧パルスが
印加され、主放電電極間にかかる電圧がある値（ブレー
クダウン電圧）に到達すると、主放電電極間のレーザガ
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る。

【０００５】反射光学系を有する露光装置の光源として
フッ素レーザ装置を用いる場合は、フッ素レーザ装置が
放出するレーザ光のスペクトル線幅の狭帯域化は不要で
あるが、屈折系からなる投影光学系を有する露光装置の
光源としてフッ素レーザ装置を用いる場合は、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、
光学材料をＣａＦ₂に限定した場合、スペクトル線幅を
０．２ｐｍ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。

【０００６】このフッ素レーザ装置から放出されるレー
ザ光は、レーザ発振パルス幅（Ｔ_is）が長くても２０ｎ
ｓ程度であるため、ピークパワーが大きく、また、短波
長であることから光子エネルギーが高いという特徴があ
る。そのため、反射光学系、屈折光学系を問わず光学素
子がダメージを受けやすい。

【０００７】ここで、レーザ発振パルス幅（Ｔ_is）の定
義式は以下のとおりである。

【０００８】Ｔ_is＝［∫Ｔ（ｔ）ｄｔ］²／∫Ｔ²（ｔ）ｄｔ・・・（１）ここで、Ｔ（ｔ）は時間的なレーザ形状である。

【０００９】このレーザ発振パルス幅Ｔ_isは２光子吸収
によるダメージに関して定義されたパルス幅であるが、
１パルスのエネルギーが同じ場合、Ｔ_isが大きいと裾広
がりのパルス波形となり、Ｔ_isが小さいと矩形に近いパ
ルス波形となり、後者の場合の方がピーク値を取る時間
が長くなる。

【００１０】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が、この
半値全幅でレーザパルス幅を定義する場合、図１３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
っても半値全幅は同じ値となる。しかしながら、図１３
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く、光学素子に対するダ
メージは小さくなる。これに対して、（１) 式で定義さ
れるレーザパルス幅Ｔ_isでは、図１３に示す三角形形状
の方が矩形形状よりも長くなる。例えば図１３に示す例
では、三角形形状のレーザパルス幅Ｔ_isは、矩形形状の
レーザパルス幅Ｔ_isの２倍となる。

【００１１】したがって、ここでは、レーザパルスのピ
ークの影響によるダメージに反比例するするＴ_isの値を
レーザ発振パルス幅として用いる。

【００１２】上記したように、露光装置に搭載される光
学系のダメージを低減する１つの方法として、レーザパ
ルス幅Ｔ_isを長くするロングパルス化が求められるが、
このロングパルス化は、以下の点からも要請される。

【００１３】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、投影光学系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。

【００１４】Ｒ＝ｋ₁・λ／ＮＡ・・・（２）ＤＯＦ＝ｋ₂・λ／（ＮＡ）² ・・・（３）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
は投影光学系の開口数である。

【００１５】解像度Ｒを向上させるため、（２）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（３）式が示す通り、焦点深度Ｄ
ＯＦ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、投影露光装置の光源としてフッ素レー
ザ装置を使用する場合、フッ素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域化が要請
される。

【００１６】ここで、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥＶｏｌ．３
６７９．（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い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。

【００１７】すなわち、解像度Ｒを向上するためには、
レーザ光のスペクトル線幅のさらなる狭帯域化が要請さ
れ、そのためにはレーザ光のさらなるロングパルス化が
必要となる。

【００１８】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、投影露光装置の場合、解像度の
向上のために、レーザパルス幅（Ｔ_is）のロングパルス
化が必須となってきた。

【００１９】しかしながら、上記したように、一般に、
従来のフッ素レーザ装置の場合、レーザ光のレーザパル
ス幅（Ｔ_is）は２０ｎｓ程度と短い。これは、以下の理
由による。

【００２０】従来のフッ素レーザ装置においては、一般
にバッファーガスとしてヘリウムを使用する。その理由
は、放電抵抗が高いヘリウムを用いることにより、主放
電の際に高ブレークダウン電圧を達成して、レーザ媒質
を短時間に強励起して高いレーザ出力を得るためであ
る。

【００２１】そのため、レーザ共振器を構成する出力鏡
の最適反射率は１０％付近の値となり、また、発振して
レーザ共振器より取り出されるレーザ光は、ＡＳＥの影
響を強く受けた２０ｎｓ程度の短いレーザパルス幅（Ｔ
_is）を持つ短パルスレーザ光となる。

【００２２】フッ素レーザ装置において、可視域の発光
の抑制、装置の長寿命化・安定化及びレーザパルス幅の
ロングパルス化を達成するのに、特開２０００−２３６
１３１では、バッファーガスを、ネオン若しくはネオン
に少量のヘリウムが混入した混合ガスとすることが提案
されている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、次世
代の半導体露光用レーザ光源として有力視されるフッ素
レーザ装置に対し、さらなる高スループット化、露光装
置に使用される光学素子に対する低ダメージ化が要請さ
れる。また、フッ素レーザ装置が投影露光装置の光源と
して使用される場合、投影露光装置の解像度の向上のた
めに、さらなるレーザ光の狭帯域化が要請される。

【００２４】しかしながら、低ダメージ化、投影露光装
置の高解像度化のための狭帯域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レーザ動作の高繰
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、前田三男編「エキシ
マレーザー」ｐ．１６３，（株）学会出版センター，１
９８３年８月２０日初版；ＩＥＥＥＪＯＵＲＮＡＬ
ＯＦＳＥＬＥＣＴＥＤＴＯＰＩＣＳＩＮＱＵＡ
ＮＴＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ｖｏｌ．５，ｎｏ．
６（１９９９），ｐ．１５１５等）。

【００２５】特開２０００−２３６１３１に記載された
技術においては、バッファーガスがヘリウムのときと比
較すればロングパルス化はされているが、レーザ動作の
繰返し周波数（以下、繰返し周波数と称する。）は２０
０Ｈｚにも満たない。また、記載されたレーザパルス波
形から求めたレーザパルス幅（Ｔ_is）も、Ｈｅをバッフ
ァーガスとして用いる従来例の２０ｎｓよりは長いもの
の、３０ｎｓ程度と決して満足できる値ではない。

【００２６】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２ｋＨｚを越えても、低ピークパワーで、かつロング
パルス化が可能な高効率露光用フッ素レーザ装置を提供
することである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の露光用フッ素レーザ装置は、少なくとも１種類以上
の希ガスからなるバッファーガスとフッ素ガスとからな
るレーザガスが封入されたレーザチェンバと、このレー
ザチェンバ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、前記レーザチェンバ内で高電圧パルス放
電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放
出させるための高電圧パルス発生装置とを有し、前記一
対のレーザ放電電極が前記高電圧パルス発生装置に搭載
される磁気パルス圧縮回路の出力端に接続された露光用
フッ素レーザ装置であって、前記高電圧パルス発生装置
が発生する極性が反転する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露光用フッ素レーザ装置
において、前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデン
サの容量が１５ｎＦ以下、ピーキングコンデンサの容量
が２〜８ｎＦ、前記ピーキングコンデンサと前記一対の
放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが３
〜８ｎＨ、前記一対の放電電極間距離が８〜１８ｍｍ、
前記バッファーガスのレーザチェンバ内圧力が２．５〜
４気圧であるとき、前記レーザガス中のバッファーガス
を構成する少なくとも１種類以上の希ガスとしてネオン
を含み、放電開始までの電圧立ち上がり時間をＴｄ（ｎ
ｓ）、ピーキングコンデンサの容量をＣｐ（Ｆ）とした
とき、Ｔｄ＜３３√( Ｃｐ×１０⁹）・・・（５）の関係を満たすことを特徴とするものである。

【００２８】この場合、ネオンガス濃度が５０％以上で
あることが望ましい。

【００２９】また、バッファーガスが少なくともネオン
ガス並びにキセノンガスの混合ガスであって、そのキセ
ノンガス濃度が５〜１５ｐｐｍであることが望ましい。

【００３０】また、レーザチャンバを内部に含むように
配置された光共振器の出力鏡の反射率が３０％以上であ
ることが望ましい。

【００３１】本発明においては、上記のような構成であ
るので、放出されるレーザ光が低ピークパワー、ロング
パルス化され、露光用光源として相応しいフッ素レーザ
装置を実現することができる。

【００３２】

【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。

【００３３】本発明者等は、上記のようなフッ素レーザ
装置への要請に対応するため、高繰返しレーザ発振動作
に対応し、放出するレーザ光がロングパルス化されてい
る励起回路を形成することにより、繰返し周波数が２ｋ
Ｈｚ以上でも安定に動作可能であって、レーザパルス幅
（Ｔ_is）≧４０ｎｓとなるロングパルス露光用フッ素レ
ーザ装置を開発した。

【００３４】その原理は、以下の通りである。すなわ
ち、本発明者等は鋭意検討した結果、図１に波形図を示
すように、主放電電極間を流れる振動電流の周期を短く
し、かつ、電流のピーク値が大きくなるように、励起回
路の回路定数を定めること（具体的な回路構成、回路定
数は後述する。）、及び、レーザガス混合比、混合ガス
圧力を定めることにより、振動周期の最初の１／２以降
の期間と、それに続く少なくとも２つの１／２周期にお
いてもレーザ励起を行い、高繰返し周波数条件下でも、
フッ素レーザから放出されるレーザ光の低ピークパワー
化、かつ、ロングパルス化することに成功した。

【００３５】以下、本発明のフッ素レーザ装置とその励
起回路の具体例を示す。

【００３６】図２は、本発明の露光用フッ素レーザ装置
の構成例を示す例であり、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。

【００３７】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主放電電極２、２が設けら
れ、高電圧パルス発生装置３（図３に示す励起回路を含
む。）により高電圧パルスを印加して主放電電極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内に配置され
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。

【００３８】このレーザガス循環により、主放電電極
２、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。

【００３９】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。

【００４０】例えば、投影露光装置の光源として使用す
る場合、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に配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。

【００４１】出力鏡６より放出されたフッ素レーザ光の
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Ｔ_isを算出する。

【００４２】このようなフッ素レーザ装置の主放電電極
２、２の間に、図３に示すような放電回路により主放電
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、その接触位置は、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
に設定されている。

【００４３】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Ｓ
Ｌ０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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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、Ｖ
３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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】以上説明した通り、本発明におけるフッ素
レーザ装置は、図１、図３に示すように、磁気パルス圧
縮回路の出力端に接続され、レーザチャンバ内に配置さ
れた一対のレーザ放電電極を有し、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
ことを特徴とするものである。

【００５３】ところで、半導体露光用光源としてのフッ
素レーザ装置の場合、露光に必要な出力エネルギー（≧
５ｍＪ／パルス）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間の間隔も
８〜１８ｍｍ程度ある必要がある。また、そのレーザ出
力エネルギーはピーキングコンデンサＣｐの容量で決ま
るので、半導体露光用の光源として必要なピーキングコ
ンデンサＣｐの容量は２〜８ｎＦである。

【００５４】ここで、上記したように、本発明に基づい
て、図３において、主放電電極２、２間を流れる振動電
流の極性が反転する最初の１／２周期以降においても、
レーザ発振を持続させるためには、まず、振動電流の最
初の１／２周期のピーク値が大きくなるように回路定数
を定める必要がある。電流のピーク値を大きくするため
には、主電極２、２間で放電が開始する電圧（ブレーク
ダウン電圧）Ｖｂを高くする必要がある。すなわち、放
電開始電圧Ｖｂは主放電電極２、２間に加えられる電圧
の立ち上がりに依存し、立ち上が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。

【００５５】ピーキングコンデンサＣｐに対する第２の
コンデンサＣ２の容量が大きければ大きい程、その電圧
の立ち上がりは急激になり望ましいが、一方で、第２の
コンデンサＣ２の容量を大きくすればする程、レーザ装
置全体を駆動するために必要なエネルギーが大きくな
り、レーザ装置の効率が低下してしまうので、第２のコ
ンデンサＣ２の容量には限界があり、半導体露光用の光
源としてのフッ素レーザレーザ装置の場合、１５ｎＦ以
下に設定される。

【００５６】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
わせるためには、レーザガスの電気抵抗を小さくする必
要がある。レーザチェンバ１内のバッファーガスの圧力
が低い程、また、バッファーガスとして一般的に用いら
れているヘリウム（Ｈｅ）の代わりに、ネオン（Ｎｅ）
あるいはネオン（Ｎｅ）を含む混合ガスを用いること
で、放電抵抗を小さくすることができる。なお、レーザ
チェンバ１内のバッファーガスの圧力が２．５気圧より
小さい場合、放電によりレーザ媒質に注入できるエネル
ギーが小さくなりすぎ、露光装置に必要な出力エネルギ
ーを得られなくなる。逆に、レーザチェンバ１内のバッ
ファーガスの圧力が４気圧より大きい場合は、電気抵抗
が大きくなりすぎ、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ことが困難になる。よって、レー
ザチェンバ１内のバッファガスの圧力は２．５〜４気圧
であることが望ましい。

【００５７】さらに、前記のように、主放電電極２、２
間を流れる振動電流の最初の１／２周期以降の周期を短
くすることも、２番目以降の１／２周期においてもレー
ザ発振を持続させるための必要な条件である。この周期
が長いと、２番目の１／２周期の後半において放電の空
間的な集中が発生して、必要な均一な励起が効率よく行
われなくなるからである。２番目以降の１／２周期の周
期を決めるパラメータは、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間が形成するループ
（放電電流回路）中の容量Ｃ_Lと浮遊インダクタンスＬ
_d、及び、レーザガスにおける電気抵抗Ｒ_dであり、そ
の周期Ｔ_dは以下で記述される。

【００５８】Ｔ_d∝［（Ｌ_dＣ_L）^-1−（Ｒ_d／２Ｌ_d）²] ^-1/2 ・・・（４）したがって、その周期Ｔ_d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Ｌ_d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Ｌ _d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３
〜８ｎＨ程度より小さくはできない。

【００５９】以上のようなパラメータ範囲に選んだ条件
下で、放電体積を放電幅３〜５ｍｍ×電極間距離８〜１
８ｍｍ、長さ５５０〜７００ｍｍとして、バッファガス
としてネオン（Ｎｅ）を含んだレーザガスにおけるレー
ザ発振特性の具体例を示す。

【００６０】図４に、第２のコンデンサＣ２の容量１４
ｎＦ、ピーキングコンデンサＣｐの容量４．６、６、
７．４ｎＦ、放電電流回路の浮遊インダクタンスＬ
_d７．５ｎＨ、主放電電極間距離１６ｍｍ、有効放電長
５５０ｍｍ、フッ素（Ｆ₂）濃度０．０８６％、レーザ
チェンバ１内のバッファーガスの圧力３．５気圧、繰返
し周波数２０００Ｈｚにおいて、バッファーガスをヘリ
ウム（Ｈｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスとして、混合
比Ｎｅ／（Ｎｅ＋Ｈｅ）を１００％、８３％、６２％、
５９％と変えた場合の放電電流（振動電流）波形を示
し、図５に、それらの場合のレーザ発振パルス波形を示
す。各混合比において、レーザ媒質への投入エネルギー
は同一であり、このときのブレークダウン電圧Ｖｂは、
略変わらず３１．５ｋＶであった。

【００６１】図４から明らかなように、バッファーガス
におけるネオン（Ｎｅ）の割合を増加させることによ
り、放電電流の振動周期は短くなり、電流のピーク値は
大きくなった。この理由は、バッファーガスとしてヘリ
ウム（Ｈｅ）のみを使用した場合と比較して、ヘリウム
（Ｈｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスをバッファーガス
として用いることで放電抵抗が小さくなり、始めの１／
２周期に消費されなかったエネルギーが次の１／２周
期、さらにその次の１／２周期へと移行し、レーザ発振
に寄与しためであると考えられる。

【００６２】図６に、上記諸条件下で、バッファーガス
をヘリウム（Ｈｅ）とネオン（Ｎｅ）の混合ガスとし
て、混合比Ｎｅ／（Ｎｅ＋Ｈｅ）を１００％、８３％、
５９％、０％と変えた場合に得られたレーザパルス幅
（Ｔ_is）と、レーザ出力を示す。ここで、レーザ出力は
上記混合比が０％（すなわち、ヘリウム１００％）のと
きのレーザ出力値で規格化してある。

【００６３】図５、図６から明らかなように、ネオン
（Ｎｅ）の割合を増加させていくに従い、低ピークパワ
ー化かつロングパルス化されている。この結果より、ロ
ングパルス化するためには、少なくともネオン（Ｎｅ）
の割合は５０％以上とすることが望ましい。

【００６４】また、図４と図５の結果から、Ｈｅ／Ｎｅ
混合バッファーガスにおけるネオン（Ｎｅ）の含有割合
を大きくしていくにつれて、放電開始（ブレークダウ
ン）からレーザ発振までの時間が延長され、レーザパル
スの尖頭出力が減少するので、ヘリウム（Ｈｅ）のみを
バッファーガスに使用したときと比較して弱励起状態と
なり、ＡＳＥの割合を減少させることができ、レーザ光
が狭帯域化光学系を通過する割合が高くなり、その結
果、より狭帯域化される。

【００６５】一方、図６から明らかなように、レーザパ
ルスのロングパルス化とレーザ出力とは相補的な関係に
ある。そのため、Ｈｅ／Ｎｅ混合バッファーガスにおけ
るネオン（Ｎｅ）の含有割合を大きくして、ヘリウム
（Ｈｅ）のみをバッファーガスに使用したときと同程度
のレーザ出力を得るためには、例えば、高い放電開始電
圧Ｖｂが必要になる。露光用フッ素レーザにおいて必要
とされるレーザ出力エネルギーは５ｍＪ以上と言われて
おり、そのためには、放電開始電圧Ｖｂがある所定電圧
値以上である必要がある。

【００６６】レーザチェンバ内のバッファーガスのガス
圧を高く設定することによって放電開始電圧（ブレーク
ダウン電圧）Ｖｂを高くすることも可能だが、その反
面、放電抵抗が大きくなるので、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周期においてもレ
ーザ発振を行わせることが困難になる。したがって、先
に述べたように、ロングパルス化されたレーザ光を得る
ためには、バッファーガスの圧力は２．５〜４気圧が望
ましいが、この圧力範囲においては、必ずしも５ｍＪ以
上のレーザ出力エネルギーを得るための放電開始電圧Ｖ
ｂを得られるとは限らない。

【００６７】先に述べたように、放電開始電圧Ｖｂは主
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、立ち上がり時間が高速である場合に放電開始電圧Ｖ
ｂが高くなる（過電圧の発生）。よって、ロングパルス
化されていて、かつ、所定の出力のレーザ光を得るに
は、上記立ち上がり時間を高速にして、放電開始電圧Ｖ
ｂをある所定電圧値以上に高くすることが有効である。

【００６８】ここで、ブレークダウン電圧Ｖｂまでの立
ち上がり時間の定義は、図８に示すように、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に至るまでの時間である。

【００６９】図７に、ピーキングコンデンサＣｐの容量
を４．６、６、７．４ｎＦとした場合の、一対の主放電
電極２、２間にブレークダウンが発生するまでの放電立
ち上がり時間Ｔｄ（ｎｓ）に対するレーザ出力エネルギ
ー特性を示す。ここで、第２のコンデンサＣ２の容量は
１４ｎＦであり、放電電流回路の浮遊インダクタンスＬ
_dは７．５ｎＨ、主放電電極間距離は１６ｍｍ、有効放
電長は５５０ｍｍ、フッ素（Ｆ₂）濃度０．０８６％、
レーザチェンバ１内のバッファーガスの圧力は３．５気
圧、Ｈｅ／Ｎｅ混合バッファーガスにおけるネオン（Ｎ
ｅ）の混合比は９１％である。

【００７０】なお、上記の立ち上がり時間Ｔｄの調整
は、主コンデンサＣ０に充電した電圧は一定だが、ピー
キングコンデンサＣｐへの充電効率を変化させることに
より行った。

【００７１】図７から明らかなように、ピーキングコン
デンサＣｐの容量が４．６ｎＦの場合には、立ち上がり
時間Ｔｄが７２ｎｓ以下のとき、露光用フッ素レーザに
おいて必要とされるレーザ出力エネルギーは５ｍＪ以上
となる。同様に、ピーキングコンデンサＣｐの容量が６
ｎＦの場合は、立ち上がり時間Ｔｄが８０ｎｓ以下のと
き、ピーキングコンデンサＣｐの容量が７．４ｎＦの場
合には、立ち上がり時間Ｔｄが８９ｎｓ以下のとき、レ
ーザ出力エネルギーは５ｍＪ以上となる。

【００７２】ちなみに、上記条件の下、図９に、ピーキ
ングコンデンサＣｐの容量を６ｎＦとした場合の、放電
立ち上がり時間Ｔｄ（ｎｓ）に対するブレークダウン電
圧Ｖｂ特性を示す。この場合、上記した通り、レーザ出
力エネルギーが５ｍＪ以上となる立ち上がり時間Ｔｄが
８０ｎｓ以下であるので、必要なブレークダウン電圧Ｖ
ｂは約３０ｋＶ以上となる。

【００７３】さて、図７に示す結果から、レーザ出力エ
ネルギーが５、６、７ｍＪとなる場合のピーキングコン
デンサＣｐの容量と立ち上がり時間Ｔｄの関係を調べ
た。その結果を図１０に示す。解析の結果、ピーキング
コンデンサＣｐの容量をＣｐ（Ｆ）、立ち上がり時間を
Ｔｄ（ｎｓ）としたとき、レーザ出力エネルギーが５ｍ
Ｊの場合、ピーキングコンデンサＣｐの容量Ｃｐ（Ｆ）
と立ち上がり時間Ｔｄ（ｎｓ）との関係は、Ｔｄ＝３３
√（Ｃｐ×１０⁹）と近似できた。

【００７４】同様に、レーザ出力エネルギーが６ｍＪの
場合は、Ｔｄ＝３０√（Ｃｐ×１０ ⁹）、レーザ出力エ
ネルギーが７ｍＪの場合は、Ｔｄ＝２７√（Ｃｐ×１０
⁹）と近似できた。

【００７５】したがって、ピーキングコンデンサの容量
Ｃｐ（Ｆ）と立ち上がり時間Ｔｄ（ｎｓ）との間に以下
の関係が成立するとき、レーザ出力エネルギーは半導体
露光に必要な５ｍＪ以上となることが分った。

【００７６】Ｔｄ＜３３√( Ｃｐ×１０⁹）・・・（５）なお、図４の場合、何れも放電立ち上がり時間Ｔｄは６
０ｎｓであり、その場合の図５のレーザ発振パルス波形
のレーザ出力エネルギーは、Ｎｅ／（Ｎｅ＋Ｈｅ）が１
００％の場合は６．２ｍＪ、８３％の場合は７．２ｍ
Ｊ、６２％の場合は７ｍＪ、５９％の場合は７．２ｍＪ
であり、何れも上記の式（５）の条件を満たしている。

【００７７】ところで、ネオン（Ｎｅ）をバッファーガ
スに含むフッ素レーザ装置は放電抵抗が小さくなるた
め、ヘリウム（Ｈｅ）のみをバッファーガスに使用した
ときと比較して弱励起状態となり、レーザゲインの減少
を招く。そのため、レーザ共振器における最適出力鏡反
射率は、ヘリウム（Ｈｅ）をバッファーガスに用いた場
合と比較して、高反射側にシフトする。

【００７８】図１１に、第２のコンデンサＣ２の容量１
４ｎＦ、ピーキングコンデンサＣｐの容量６ｎＦ、放電
電流回路の浮遊インダクタンスＬ_d７．５ｎＨ、主放電
電極間距離１６ｍｍ、有効放電長５５０ｍｍ、フッ素
（Ｆ₂）濃度０．０８６％、レーザチェンバ１内の全ガ
ス圧３．５気圧、Ｈｅ／Ｎｅ混合バッファーガスにおけ
るネオン（Ｎｅ）の混合比９１％、繰返し周波数２００
０Ｈｚのときの、レーザ出力、パルス幅の出力鏡反射鏡
依存性を示す。ここで、レーザ出力は出力鏡反射率が３
０％のときのレーザ出力値で規格化してある。

【００７９】従来のヘリウムのみをバッファーガスとし
て使用した場合の最適出力鏡最適反射率が１０％付近の
値であったのに対し、図１１から明らかなように、出力
鏡反射率３０〜５０％においてレーザ出力が最大となっ
た。なお、共振器内の損失が増加すると共に、この最適
値はさらに高反射側にシフトする。そして、高反射率の
出力鏡を用いることによりレーザ共振器内のレーザエネ
ルギー密度が上がるため、図１１のように、さらにロン
グパルス化される。したがって、望ましくは出力鏡反射
率は３０% 以上である。

【００８０】上記実施例においては、バッファーガスと
してネオン（Ｎｅ）若しくはネオン（Ｎｅ）とヘリウム
（Ｈｅ）との混合ガスを用いた例を示したが、これに限
るものではなく、さらに他の不活性ガスを混合してもよ
い。図１２は、第２のコンデンサＣ２の容量を１４ｎ
Ｆ、ピーキングコンデンサＣｐの容量を６ｎＦ、放電電
流回路の浮遊インダクタンスＬ_dを７．５ｎＨ、主放電
電極間距離を１６ｍｍ、有効放電長を５５０ｍｍ、フッ
素（Ｆ₂）濃度を０．０８６％、レーザチェンバ１内の
全ガス圧を３．５気圧、Ｈｅ／Ｎｅ混合バッファーガス
におけるネオン（Ｎｅ）の混合比を９１％として、キセ
ノン（Ｘｅ）を６ｐｐｍ添加したときの、繰返し周波数
とレーザ出力との関係を調べたものである。ここで、レ
ーザ出力は繰返し周波数が１００Ｈｚのときのレーザ出
力値で規格化してある。

【００８１】繰返し周波数が高くなるにつれ、レーザ出
力が落ち込んでいるが、図１２から明らかなように、キ
セノン（Ｘｅ）を６ｐｐｍ添加したことにより、キセノ
ンを添加しない場合に比べて、高繰返し周波数時のレー
ザ出力の落ち込みが緩和されている。この理由は、キセ
ノンは予備電離電子源として作用し、ブレークダウンに
先立つ予備電離電子の増加によって初期放電が安定し、
放電後半まで均一な放電が持続したためであると考えら
れる。

【００８２】ここで、キセノン添加量は５〜１５ｐｐｍ
程度が望ましい。その理由は、キセノン添加量を５ｐｐ
ｍより小さくすると、高繰返し周波数時のレーザ出力の
落ち込み緩和効果はほとんど得られず、キセノン添加量
を１５ｐｐｍより大きくすると、レーザ出力自体の低下
を招くことが、本発明者等の実験により明らかになった
ためである。

【００８３】なお、図１２は、繰返し周波数を１００Ｈ
ｚから１ｋＨｚまで変化させた場合について示したが、
繰返し周波数がさらに増大しても、キセノンが予備電離
電子源として作用する状況に変化はないので、上記のよ
うな効果は得られる。

【００８４】以上のように、本発明に基いて、従来のよ
うにバッファーガスを単にネオンとするという技術のみ
ではなく、新規な技術であるロングパルス化放電回路の
新たな考案により、繰返し周波数２ｋＨｚ以上、レーザ
パルス幅Ｔ_isが４０ｎｓ以上の高繰返しロングパルス化
フッ素レーザ装置を実現することに成功した。

【００８５】特に、レーザ共振器の出力鏡反射率を５０
％以上としたとき、従来技術では成し得なかったレーザ
パルス幅Ｔ_isが５０ｎｓ以上というロングパルス化を実
現できた。

【００８６】以上、本発明の露光用フッ素レーザ装置を
その原理と実施例に基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。

【００８７】なお、将来、露光用フッ素レーザ装置とし
て、注入段レーザ装置と増幅段レーザ装置とからなる注
入同期方式のものが採用された場合、ロングパルス化は
注入段レーザ装置にのみ必要になり、そのときの注入段
レーザ装置の必要エネルギーは１ｍＪ以下になると考え
られる。この場合には、装置小型化の観点から、磁気パ
ルス圧縮回路の最終段のコンデンサ（２段の磁気パルス
圧縮回路の場合、図３におけるコンデンサＣ２）の容量
をできるだけ小さくし、ピーキングコンデンサの容量を
２ｎＦ付近にし、電極間距離を８ｍｍ付近と短くし、有
効放電長も短くすることになる。

【００８８】本発明者等が実験したところ、このように
レーザ主力エネルギーが１ｍＪ以下でロングパルス化さ
れたレーザ光を得るために小型化する場合にも、理由は
明らかではないが、上記した（５）式の関係Ｔｄ＜３３
√( Ｃｐ×１０⁹）に基づいて放電開始までの電圧立ち
上がり時間Ｔｄ（ｎｓ）を定めることが有効であった。

【００８９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のフッ素レーザ装置によると、少なくとも１種類以上の
希ガスからなるバッファーガスとフッ素ガスとからなる
レーザガスが封入されたレーザチェンバと、このレーザ
チェンバ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、前記レーザチェンバ内で高電圧パルス放電
を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出
させるための高電圧パルス発生装置とを有し、前記一対
のレーザ放電電極が前記高電圧パルス発生装置に搭載さ
れる磁気パルス圧縮回路の出力端に接続された露光用フ
ッ素レーザ装置であって、前記高電圧パルス発生装置が
発生する極性が反転する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露光用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
の容量が１５ｎＦ以下、ピーキングコンデンサの容量が
２〜８ｎＦ、前記ピーキングコンデンサと前記一対の放
電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが３〜
８ｎＨ、前記一対の放電電極間距離が８〜１８ｍｍ、前
記バッファーガスのレーザチェンバ内圧力が２．５〜４
気圧であるとき、前記レーザガス中のバッファーガスを
構成する少なくとも１種類以上の希ガスとしてネオンを
含み、放電開始までの電圧立ち上がり時間をＴｄ（ｎ
ｓ）、ピーキングコンデンサの容量をＣｐ（Ｆ）とした
とき、Ｔｄ＜３３√( Ｃｐ×１０⁹）・・・（５）の関係を満たすように構成したので、放出されるレーザ
光が低ピークパワー、ロングパルス化され、露光用光源
として相応しい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】本発明の露光用フッ素レーザ装置の原理を説明
するための波形図である。

【図２】本発明の露光用フッ素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フッ素レーザ励起回路を
示す回路図である。

【図４】Ｈｅ／Ｎｅ混合バッファーガスにおいて、混合
比Ｎｅ／（Ｎｅ＋Ｈｅ）を変えた場合の放電電流波形の
例を示す図である。

【図５】図４の放電電流において得られたレーザ発振パ
ルス波形を示す図である。

【図６】Ｈｅ／Ｎｅ混合バッファーガスにおいて、混合
比Ｎｅ／（Ｎｅ＋Ｈｅ）を変えた場合のレーザ出力とレ
ーザ発振パルス幅の例を示す図である。

【図７】ピーキングコンデンサの容量を変えた場合のブ
レークダウンが発生するまでの放電立ち上がり時間に対
するレーザ出力エネルギー特性を示す図である。

【図８】立ち上がり時間の定義を説明するための図であ
る。

【図９】放電立ち上がり時間に対するブレークダウン電
圧特性の一例を示す図である。

【図１０】レーザ出力エネルギーを変えた場合のピーキ
ングコンデンサの容量と立ち上がり時間の関係を調べた
結果を示す図である。

【図１１】出力鏡反射率を変えた場合のレーザ出力及び
レーザ発振パルス幅の関係を調べた結果を示す図であ
る。

【図１２】バッファーガスとしてキセノンを添加した場
合及び添加しなかった場合における繰り返し周波数とレ
ーザ出力の関係を調べた結果を示す図である。

【図１３】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Ｃｃ…予備電離用コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 3/223 Ｈ０１Ｓ 3/223 Ｚ (72)発明者斉藤隆志栃木県小山市横倉新田400 ギガフォトン株式会社Ｆターム(参考） 2H097 BA02 CA13 LA10 5F046 CA04 DA27 DA30 DB03 5F071 AA04 BB01 CC06 CC10 EE04 GG05 JJ10 5F072 AA04 GG05 JJ20 KK01 YY09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１種類以上の希ガスからなる
バッファーガスとフッ素ガスとからなるレーザガスが封
入されたレーザチェンバと、このレーザチェンバ内に配
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、前
記レーザチェンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前
記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高
電圧パルス発生装置とを有し、前記一対のレーザ放電電
極が前記高電圧パルス発生装置に搭載される磁気パルス
圧縮回路の出力端に接続された露光用フッ素レーザ装置
であって、前記高電圧パルス発生装置が発生する極性が
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
発振動作をする露光用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の容量が
１５ｎＦ以下、ピーキングコンデンサの容量が２〜８ｎ
Ｆ、前記ピーキングコンデンサと前記一対の放電電極と
が形成する回路ループのインダクタンスが３〜８ｎＨ、
前記一対の放電電極間距離が８〜１８ｍｍ、前記バッフ
ァーガスのレーザチェンバ内圧力が２．５〜４気圧であ
るとき、前記レーザガス中のバッファーガスを構成する少なくと
も１種類以上の希ガスとしてネオンを含み、放電開始までの電圧立ち上がり時間をＴｄ（ｎｓ）、ピ
ーキングコンデンサの容量をＣｐ（Ｆ）としたとき、Ｔｄ＜３３√( Ｃｐ×１０⁹）・・・（５）の関係を満たすことを特徴とする露光用フッ素レーザ装
置。
【請求項２】前記ネオンガス濃度が５０％以上である
ことを特徴とする請求項１記載の露光用フッ素レーザ装
置。
【請求項３】前記バッファーガスが少なくともネオン
ガス並びにキセノンガスの混合ガスであって、前記キセ
ノンガス濃度が５〜１５ｐｐｍであることを特徴とする
請求項１又は２記載の露光用フッ素レーザ装置。
【請求項４】前記レーザチャンバを内部に含むように
配置された光共振器の出力鏡の反射率が３０％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項記載の
露光用フッ素レーザ装置。