JP2003086874A

JP2003086874A - パルス発振型ガスレーザ装置

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Publication number: JP2003086874A
Application number: JP2001276778A
Authority: JP
Inventors: Takashi Saito; 隆志斎藤; Koji Kakizaki; 弘司柿崎
Original assignee: Gigaphoton Inc
Current assignee: Gigaphoton Inc
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP4653360B2

Abstract

(57)【要約】【課題】衝撃波が放電空間に与える影響を低減させた
パルス発振型ガスレーザ装置を提供する。【解決手段】内部に封止したレーザガスをパルス放電
によって励起し、レーザ光を発振させるレーザチャンバ
(12)と、レーザガスのガス温度(T)を検出する温度セン
サ(38)と、レーザ光の発振周波数(f)を検出するレーザ
コントローラ(29)と、レーザコントローラ(29)の指令に
基づいてレーザガスのガス温度(T)を変化させるガス温
度変更手段とを備え、レーザコントローラ(29)は、ガス
温度(T)に基づいてレーザ光のビームプロファイルが乱
れる極大周波数(fn)を予測し、レーザガスのガス温度
(T)を変更して、極大周波数(fn)をレーザ光の発振周波
数(f)からずらすようにしたことを特徴とする、パルス
発振型ガスレーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルス発振型ガス
レーザ装置における、衝撃波の影響を低減する技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、エキシマレーザ装置等のパル
ス発振型ガスレーザ装置において、パルス放電の際に衝
撃波や音響波（以下、衝撃波として総称する）が発生す
ることが知られている。この衝撃波により、レーザガス
のガス密度に揺らぎが生じ、レーザ光のビームプロファ
イルが不安定になる。これを防止するための技術が、例
えば特開平４−３２８８８９号公報に開示されている。
図４は、同公報に開示されたエキシマレーザ装置の構成
図を表しており、以下図４に基づいて従来技術を説明す
る。

【０００３】図４において、フッ素（Ｆ2）を含むレー
ザガスを封止したレーザチャンバ１２の内部には、一対
の放電電極１４，１５が対向して配置されている。上側
のカソード１５は、絶縁性のカソードベース３６に固定
され、カソードベース３６はレーザチャンバ１２に固定
されている。また、下側のアノード１４は、レーザチャ
ンバ１２に電気的に接続されたアノードベース４０上に
搭載されている。図示しない高圧電源から、放電電極１
４，１５間に高電圧を印加し、放電空間３７にパルス放
電を起こすことにより、パルス状のレーザ光（図示せ
ず）を発生させている。

【０００４】このとき、パルス放電により、放電空間３
７から衝撃波４１が発生する。この衝撃波４１が、アノ
ードベース４０やカソードベース３６等の、放電電極１
４，１５近傍の部品に反射して、放電空間３７に戻って
くることにより、放電空間３７のレーザガスの密度が変
動する。その結果、パルス放電が不安定になったり、レ
ーザ光のビームプロファイルが乱れたりする。これを防
止するために、前記公報においては、多孔体４６，４６
をカソードベース３６及びアノードベース４０上にそれ
ぞれ固定し、多孔体４６，４６によって衝撃波４１を吸
収して放電空間３７に戻らないようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術には、次に述べるような問題がある。即ち、多孔
体４６は表面積が大きく、レーザチャンバ１２の内部に
組み込む際に、その表面に付着している有機物等の不純
物を除去することが難しい。その結果、これらをレーザ
チャンバ１２の内部に組み込んでレーザ発振を開始する
と、多孔体４６の表面から不純物がレーザガス中に混入
することがあり、レーザ出力を低下させたり、光学部品
の表面に付着したりして、レーザ発振を妨げる。

【０００６】本発明は、上記の問題に着目してなされた
ものであり、不純物を発生させる恐れのある部品をレー
ザチャンバ内部に持ち込むことなく、しかも衝撃波が放
電空間に与える影響を低減させたパルス発振型ガスレー
ザ装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、本発明は、パルス発振型ガスレー
ザ装置において、内部に封止したレーザガスをパルス放
電によって励起し、レーザ光を発振させるレーザチャン
バと、レーザガスのガス温度を検出する温度センサと、
レーザ光の発振周波数を検出するレーザコントローラ
と、レーザコントローラの指令に基づいてレーザガスの
温度Ｔを変化させるガス温度変更手段とを備え、レーザ
コントローラは、ガス温度に基づいてレーザ光のビーム
プロファイルが乱れる極大周波数を予測し、レーザガス
のガス温度を変更して、極大周波数をレーザ光の発振周
波数からずらすようにしている。これにより、パルス放
電の際に、以前に発生した衝撃波を放電空間からずらす
ことができるので、レーザ光のビームプロファイルの乱
れを防止できる。

【０００８】また本発明によれば、レーザチャンバ内部
にレーザガスを冷却する熱交換器を備え、前記温度変更
手段が、熱交換器を流れる冷媒の温度又は流量を変更す
ることによってレーザガスの温度を変更している。熱交
換器は、大出力のパルス発振型ガスレーザ装置には備わ
っていることが多く、新たな構成をつけ加えることな
く、容易にガス温度の変更が可能である。

【０００９】また本発明によれば、レーザコントローラ
は、極大周波数をレーザ光の発振周波数から少なくとも
５０Ｈz以上ずらすようにしている。実験より、極大周
波数を５０Ｈz以上ずらせば、衝撃波の影響が低減され
ることがわかっており、確実にレーザ光のビームプロフ
ァイルの乱れを防止できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
に係る実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態
に係るエキシマレーザ装置の構成図を示している。図１
において、エキシマレーザ装置１１は、フッ素を含むレ
ーザガスを封止したレーザチャンバ１２を備えている。
レーザチャンバ１２の内部には、対向した一対の放電電
極１４，１５と、放電電極１４，１５間にレーザガスを
送り込む貫流ファン２４と、放電電極１４，１５間のパ
ルス放電によって熱せられたレーザガスを冷却する熱交
換器１３とが設置されている。矢印４７は、レーザガス
の流れを示している。

【００１１】放電電極１４，１５のうち、上側のカソー
ド１５は、絶縁性のカソードベース３６に固定され、カ
ソードベース３６はレーザチャンバ１２に固定されてい
る。また、下側のアノード１４は、レーザチャンバ１２
に電気的に接続されたアノードベース４０上に搭載され
ている。図示しない高圧電源から、放電電極１４，１５
間に高電圧を印加し、放電空間３７にパルス状のパルス
放電を起こすことにより、パルス状のレーザ光（図示せ
ず）を発生させている。このレーザ光は、図１中紙面と
垂直に出射し、図示しない露光機等に入射して、露光用
光となる。

【００１２】このとき、カソードベース３６の下部に
は、カソード１５を取り囲むようにして、ヒダ部４２が
一体に形成されている。これは、カソード１５とレーザ
チャンバ１２との間で沿面放電が起きて、パルス放電が
不安定になるのを、防止するためのものである。

【００１３】熱交換器１３には、内部を流れる冷媒３５
を冷却するチラー３９が接続されている。チラー３９
は、レーザコントローラ２９の指示に基づいて、冷媒３
５の設定温度を変更自在となっており、これによってレ
ーザチャンバ１２内部のガス温度を制御できる。また、
レーザチャンバ１２には、温度センサ３８が付設されて
いる。温度センサ３８は、レーザコントローラ２９と電
気的に接続されており、レーザコントローラ２９は、温
度センサ３８の出力信号に基づいて、レーザチャンバ１
２内部のガス温度Ｔを計測できるようになっている。

【００１４】従来技術の項で説明したように、放電電極
１４，１５間でパルス放電を起こした際に、放電空間３
７から衝撃波４１が発生する。この衝撃波４１が、アノ
ードベース４０やカソードベース３６等の、放電電極１
４，１５近傍の部品に反射して、放電空間３７に戻って
くることにより、放電空間３７のレーザガスの密度分布
が乱される。

【００１５】このとき、貫流ファン２４によって、放電
空間３７のレーザガスは、常に入れ替わっている。従っ
て、パルス放電の際に、以前に起きたパルス放電によっ
て発生した衝撃波４１が放電空間３７に届いていなかっ
たり、放電空間３７を通り過ぎてから所定時間経過して
いた場合には、放電空間３７のレーザガスの乱れは軽減
される。即ち、衝撃波４１の速度Ｖを、速くするか遅く
するかすることにより、パルス放電の際に、以前に発生
した衝撃波４１が、放電空間３７を通過するか、或いは
放電空間３７にまだ届かないようにすることが可能であ
る。尚、上記の以前に起きたパルス放電とは、直前のも
のだけではなく、それよりも前に起きたものも含んでい
る。

【００１６】このとき、衝撃波４１の速度Ｖは、ガス温
度Ｔの平方根に略比例することが知られている。従っ
て、ガス温度Ｔを変えることによって、衝撃波４１の速
度Ｖを変え、衝撃波４１の戻ってくるタイミングをパル
ス放電からずらすことが可能である。その結果、衝撃波
４１によってビームプロファイルが乱れるのを、防止す
ることができる。

【００１７】尚、衝撃波４１は、レーザチャンバ１２内
部の、放電空間３７からの距離がそれぞれ異なる様々な
部位で反射するため、様々なタイミングで放電空間３７
に戻ってくる。そのため、すべての衝撃波４１の戻って
くるタイミングを、パルス放電に対してずらすことは困
難である。しかしながら、発明者の実証試験の結果、カ
ソード１５とカソードベース３６との間に生じた溝や、
カソードベース３６のヒダ部４２内部で反射した衝撃波
４１が、放電空間３７に対して最大の影響を及ぼし、ビ
ームプロファイルが最も大きく乱れることがわかった。
これに対して、レーザチャンバ１２の内壁等、放電空間
３７から離れた部位で反射した衝撃波４１は、途中で減
衰されるために、パルス放電に及ぼす影響は少ない。従
って、前記溝やヒダ部４２内部で反射した衝撃波４１の
速度Ｖを変化させることにより、ビームプロファイルが
乱れるのを、防止することができる。

【００１８】図２に、ガス温度Ｔを変えることによって
衝撃波４１の速度Ｖを変化させ、以前に発生し、ビーム
プロファイル乱れに大きな影響を及ぼす衝撃波４１が、
パルス放電の際に放電空間３７に返ってくるのを防止す
る手順の一例を、各ステップ番号にＳを付したフローチ
ャートで示す。

【００１９】まず予め、さまざまな発振周波数ｆでエキ
シマレーザ装置１１を発振させ、あるガス温度Ｔ０にお
いて、どのような発振周波数ｆの際に、ビームプロファ
イルが乱れるかを測定する（ステップＳ１１）。これ
は、温度センサ３８によってガス温度Ｔを測定し、これ
が略一定値Ｔ０になったところで、レーザ光の発振周波
数ｆを変化させていく。そして、その都度ビームプロフ
ァイルを測定して、これが大きく乱れる周波数ｆを検出
することにより、求められる。

【００２０】図３に、あるガス温度Ｔ０でエキシマレー
ザ装置１１を運転した場合の、周波数ｆとビームプロフ
ァイルの乱れ具合との関係を示す。横軸が周波数ｆであ
り、縦軸が、例えば正常な状態のビームプロファイルに
比較した、ビームプロファイルの乱れの大きさを示す指
標である。このような指標は、例えばビームプロファイ
ルの強度分布について、正常なビームプロファイルに対
する相関を取ることによって求めることができる。

【００２１】図３に示すように、このエキシマレーザ装
置１１をガス温度Ｔ０で運転した場合、周波数ｆ１(Ｔ
０)，ｆ２(Ｔ０)，ｆ３(Ｔ０)，ｆ４(Ｔ０)……におい
て、最もビームプロファイルの乱れが激しくなってい
る。このとき、以前のパルス放電で発生した衝撃波４１
の反射波のうち、パルス放電への影響が大きい成分が、
パルス放電時に、ちょうど放電空間３７に戻ってくるも
のと推測できる。これらの周波数ｆ１(Ｔ０)，ｆ２(Ｔ
０)，ｆ３(Ｔ０)，ｆ４(Ｔ０)……を、極大周波数ｆｎ
(Ｔ０)と呼ぶ。

【００２２】次に、レーザ発振を開始する。（ステップ
Ｓ１２）。そして、温度センサ３８によって、ガス温度
Ｔ１を測定し（ステップＳ１３）、このガス温度Ｔ１に
相当する極大周波数ｆｎ(Ｔ１)を演算によって求める
（ステップＳ１４）。上述したように、衝撃波４１の速
度Ｖは、ガス温度Ｔの平方根に略比例する。従って、極
大周波数ｆｎ(Ｔ０)，ｆｎ(Ｔ１)もガス温度Ｔ０，Ｔ１
の平方根にそれぞれ略比例するため、次の数式１が成り
立つ。ｆｎ(Ｔ１)＝ｆｎ(Ｔ０)・（Ｔ１／Ｔ０）^(1/2) …………（１）但し、（Ｔ１／Ｔ０）^(1/2)は、（Ｔ１／Ｔ０）の平方
根を示すものである。従って、ステップ１４において、
数式１よりガス温度Ｔ１における極大周波数ｆｎ(Ｔ１)
を求めることができる。

【００２３】次に、レーザコントローラ２９は、発振周
波数ｆを検出する（ステップＳ１５）。発振周波数ｆ
は、例えば図示しない露光機からレーザコントローラ２
９に指示される場合もあれば、レーザコントローラ２９
が設定する場合もある。そして、この発振周波数ｆを極
大周波数ｆｎ(Ｔ１)と比較し（ステップＳ１６）、発振
周波数ｆが極大周波数ｆｎ(Ｔ１)に対して、所定値以上
離れていれば、ステップＳ１３に戻る。また、ステップ
Ｓ１６で、発振周波数ｆと極大周波数ｆｎ(Ｔ１)との差
が所定値以下であれば、レーザコントローラ２９はチラ
ー３９に指令を出力して、ガス温度Ｔ１をＴ２に変更す
る（ステップＳ１７）。

【００２４】実験により、極大周波数ｆｎ(Ｔ)と発振周
波数ｆとの差が５０Ｈz以上であれば、以前に生じた衝
撃波４１が、パルス放電の際に放電空間３７の乱れが許
容範囲内であるということが判明している。従って、ス
テップＳ１６における所定値は、例えば５０Ｈzとする
か、或いは５０Ｈzよりも大きな値とするのがよい。

【００２５】また、ステップＳ１７においては、新しい
ガス温度Ｔ２に対する極大周波数ｆｎ(Ｔ２)が、発振周
波数ｆに対して、５０Ｈz以上離れるようにする必要が
ある。例えば、ガス温度Ｔが３０３Ｋ（３０゜Ｃ）の場
合に、３５００Ｈzのところに極大周波数ｆｎがあると
する。この場合には、ガス温度Ｔを３１１．７Ｋ（３
８．７゜Ｃ）にすれば、極大周波数ｆｎを約５０Ｈzシ
フトさせ、３５５０Ｈzとすることができる。これによ
り、発振周波数を３５００Ｈzにしても、衝撃波４１が
放電空間３７に悪影響を与えることがなく、ビームプロ
ファイルの乱れが少ない。さらに、ガス温度Ｔ２を上昇
させるか下降させるかの選択は、温度Ｔ１と温度Ｔ２と
の差が、より小さくなるように選択するのがよい。

【００２６】以上説明したように本発明によれば、衝撃
波４１がビームプロファイルに影響を与えそうな発振周
波数ｆでレーザ発振を行なう場合に、レーザガスのガス
温度Ｔを変更することにより、衝撃波４１の影響を低減
している。これにより、衝撃波４１の速度が変わるため
に、パルス放電時に衝撃波４１が放電空間３７を乱すこ
とが少なく、ビームプロファイルの乱れも少なくなる。
また、従来技術のようにレーザチャンバ１２内部に多孔
体４６を配置する必要がなく、多孔体４６から不純物が
発生するようなこともない。尚、多孔体４６をベーキン
グするなどして、内部の不純物を充分に除去するなら
ば、多孔体４６を設置した上に、本発明のようにガス温
度Ｔを制御することにより、より確実に衝撃波４１によ
る放電空間３７のレーザガスの乱れを低減させられる。

【００２７】尚、レーザガスのガス温度Ｔを変化させる
ガス温度変更手段としては、チラー３９を例にとって説
明したが、例えばレーザチャンバ１２の外側にヒータや
冷却器等を接触させ、レーザチャンバ１２を介して、レ
ーザガスを熱したり冷やしたりしてもよい。また、チラ
ー３９の設定温度ではなく、冷媒３５の流量を制御して
もよい。また、上記の説明は、エキシマレーザ装置を例
にとって行なったが、フッ素分子レーザ装置等、パルス
発振型のガスレーザ装置であれば、同様に応用が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成図。

【図２】ガス温度を変える手順の一例を示すフローチャ
ート。

【図３】周波数とビームプロファイルの乱れ具合との関
係を示すグラフ。

【図４】従来技術に係わるエキシマレーザ装置の構成
図。

【符号の説明】

１１：エキシマレーザ装置、１２：レーザチャンバ、１
３：熱交換器、１４：アノード、１５：カソード、２
４：貫流ファン、２９：レーザコントローラ、３５：冷
媒、３６：カソードベース、３７：放電空間、３８：温
度センサ、３９：チラー、４０：アノードベース、４
１：衝撃波、４２：ヒダ部、４６：多孔体。

フロントページの続きＦターム(参考） 5F071 AA06 DD08 EE01 EE04 HH07 JJ05 5F072 AA06 HH02 HH07 JJ05 TT05 TT22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス発振型ガスレーザ装置において、内部に封止したレーザガスをパルス放電によって励起
し、レーザ光を発振させるレーザチャンバ(12)と、レーザガスのガス温度(T)を検出する温度センサ(38)
と、レーザ光の発振周波数(f)を検出するレーザコントロー
ラ(29)と、レーザコントローラ(29)の指令に基づいてレーザガスの
ガス温度(T)を変化させるガス温度変更手段とを備え、レーザコントローラ(29)は、ガス温度(T)に基づいてレ
ーザ光のビームプロファイルが乱れる極大周波数(fn)を
予測し、レーザガスのガス温度(T)を変更して、極大周波数(fn)
をレーザ光の発振周波数(f)からずらすようにしたこと
を特徴とする、パルス発振型ガスレーザ装置。
【請求項２】請求項１記載のパルス発振型ガスレーザ
装置において、レーザチャンバ(12)内部にレーザガスを冷却する熱交換
器(13)を備え、前記ガス温度変更手段が、熱交換器(13)を流れる冷媒(3
5)を冷却するチラー(39)であり、冷媒(35)の温度を変更することによってレーザガスのガ
ス温度(T)を変更することを特徴とする、パルス発振型
ガスレーザ装置。
【請求項３】請求項１記載のパルス発振型ガスレーザ
装置において、レーザチャンバ(12)内部にレーザガスを冷却する熱交換
器(13)を備え、前記ガス温度変更手段が、熱交換器(13)を流れる冷媒(3
5)の流量を変更することによってレーザガスのガス温度
(T)を変更することを特徴とする、パルス発振型ガスレ
ーザ装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のパルス
発振型ガスレーザ装置において、レーザコントローラ(29)は、極大周波数(fn)をレーザ光
の発振周波数(f)から少なくとも５０Ｈz以上ずらすよう
にしたことを特徴とする、パルス発振型ガスレーザ装
置。