JP2004228183A

JP2004228183A - Microwave excitation gas laser equipment and exposure device

Info

Publication number: JP2004228183A
Application number: JP2003011878A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Omi; 忠弘大見; Kiwamu Takehisa; 究武久; Ichiro Takahashi; 一郎高橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-21
Also published as: JP4159889B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide microwave excitation ultraviolet laser equipment that enables continuous operation by providing a device for generating micro wave discharge in a fine and small volume in a laser gas. <P>SOLUTION: The microwave excitation gas laser equipment is provided with a wave guide for propagating a micro wave; a gas circulation route for circulating the laser gas; and a chamber constituting part of the gas circulation route, introducing the micro wave from the wave guide and generating laser light. The micro wave excitation gas laser equipment is installed so as to extend a member consisting of a material transmitting the micro wave from the inside of a chamber side edge of the wave guide to the inside of the chamber. On the member, a taper part is provided on a first part extending to the inside of the edge of the wave guide to receive the microwave propagating the wave guide, and the microwave is discharged from a second part extending to the inside of the chamber to the inside of the chamber to excite the laser gas in the inside of the chamber. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を励起源として動作するマイクロ波励起ガスレーザ装置およびそれを用いた露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外域でレーザ動作するガスレーザ（以下、紫外レーザと呼ぶ。）としては、エキシマレーザやフッ素分子レーザ（以下、Ｆ２レーザと呼ぶ。）などがあり、例えば光リソグラフィの光源として広く用いられている。これらの紫外レーザを動作させるには、一般に直流パルス電源が用いられる。すなわち、コンデンサーに蓄えられた電気的エネルギーを、チャンバ内でパルス放電させることで、パルス状のレーザ光が発生する。なお、レーザガスの成分として、フッ素分子レーザでは、フッ素ガスとＮｅ（ネオン）との混合ガスが用いられる。波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザでは、Ｆ２、Ｋｒ（クリプトン）、及びＮｅの混合ガス、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザでは、Ｆ２、Ａｒ（アルゴン）、及びＮｅの混合ガスが一般に用いられる。なお、これらの紫外レーザ、及びリソグラフィ用光源に関しては、例えば、非特許文献１において説明されている。
一方エキシマレーザに関しては、非特許文献２に示されているように、動作源としてマイクロ波を用いる場合もあった。これはマイクロ波励起エキシマレーザと呼ばれ、一般的な構造としては、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器、マイクロ波を伝播させる導波管、及びレーザガスが満たされたチャンバとで構成されている。
従来のマイクロ波励起エキシマレーザの構造としては、図１７に示したマイクロ波励起エキシマレーザ装置のように、マイクロ波発振器１０１から放射されたマイクロ波を、導波路１０２ａ、１０２ｂを通して、電極１０４ａ、１０４ｂまで導き、これらの電極１０４ａ、１０４ｂ間でマイクロ波放電を起こし、それらの間にレーザチューブ１０５を配置することで、その内部に満たされたレーザガスを励起し、レーザ動作を行っていた。また、導波路１０２ａ、１０２ｂはインピーダンス整合器１０３を通っており、マイクロ波発振器１０１とレーザチューブ１０５とのインピーダンス整合を行っている。
【０００３】
【非特許文献１】
レーザー研究、第２７巻、第７号、第４７３頁から４７８頁（１９９９年７月）
【非特許文献２】
ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．３，ｐ．１６９−１７１，１９８７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の装置では、エキシマレーザを連続的にレーザ発振させることが困難であり、一般に、パルス幅数マイクロ秒以下のパルス動作しかできなかった。すなわち、従来のマイクロ波励起紫外レーザ装置におけるマイクロ波発振器１０１には、パルス動作のものが用いられており、これを連続動作のものに換えても、連続的にレーザ光を発生させることは困難であった。
その第１の理由は、レーザの連続動作を行うには、連続的に動作するマイクロ波発振器を用い、連続的に発生するマイクロ波でレーザガスを励起する必要があるが、連続動作のマイクロ波はピークパワーが低いため、発振に必要な数百ｋＷ／ｃｍ^３以上の高い励起密度（単位体積当たりの励起パワー）で放電させることができないことから、レーザ発振が困難であったということである。すなわち、レーザガスを十分励起させるには、マイクロ波のパワーを上げる必要があるが、連続動作のマイクロ波発振器では、得られるマイクロ波のパワーはせいぜい数ｋＷ程度であり、パルス動作によって一般に得られる数百ｋＷから数ＭＷのピークパワーに比べて、２桁程度も小さいからである。したがって、低ピークパワーのマイクロ波によってレーザ動作させるためには、放電体積が十分小さい構造をとる必要があるが、従来装置の多くは、放電体積が数立方センチメートル程度と大きく、数ｋＷのマイクロ波で放電させても、励起密度は数ｋＷ／ｃｍ^３にしかならない。そのため、ピークパワー数ＭＷが大出力するパルス型マイクロ波を用いテーパールス放電させ、パルスレーザ光を発生させていた。
またレーザの連続動作が困難である第２の理由は、放電が開始すると、レーザガスに含まれるフッ素や塩素などのハロゲンが枯渇していくため、レーザ発振の基になるエキシマが生成されなくなると広く考えられていたことである。すなわち、ハロゲンが枯渇する時間は、数マイクロ秒のオーダーであると考えられていたため、マイクロ秒以内の短時間にガスを置換させることができれば、連続的にレーザ動作させることが可能と考えられていた。
これに対して、低いピークパワーのマイクロ波を励起源としてレーザ発振を行うには、レーザガスにおいて励起される体積を十分小さくして、励起密度を十分高める必要がある。この場合、体積を小さくするために光軸方向に短くするとレーザのゲインが小さくなるので、励起部の形状は光軸方向に短くするのではなく径を細くする必要がある。そこで従来の装置では、一対の電極１０４ａ、１０４ｂの間にレーザチューブ１０５を配置して、電極間で放電させる構造をとり、レーザチューブ１０５の内部体積、つまり、内径を小さくすることで、レーザガスの励起密度を高めるようにし、レーザ発振をさせていた。
ところが、レーザチューブ１０５の両側に配置された一対の電極１０４ａ、１０４ｂの構造などによって、電極１０４ａ、１０４ｂ間で放電されるマイクロ波パワーが決定されてしまうことから、レーザチューブ１０５の内部体積を小さく、すなわち内径を小さくすると、内部に注入されるマイクロ波の割合が減少してしまうため、レーザガスの励起密度を高めることが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、レーザガス内において、細く小さい体積中でマイクロ波放電を起こすことができる装置を提供することであり、それによって連続動作が可能なマイクロ波励起紫外レーザ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明のマイクロ波励起ガスレーザ装置は、マイクロ波を伝播させる導波管と、レーザガスを循環させるガス循環経路と、前記ガス循環経路の一部を構成するとともに前記導波管からマイクロ波を導入してレーザ光を発生させるチャンバとを備えたマイクロ波励起ガスレーザ装置であって、マイクロ波を透過する材料からなる部材を前記導波管のチャンバ側先端部の内部から前記チャンバ内部にわたって延在するように設置し、前記部材は前記導波管先端部の内部に伸びる第一の部分にテーパー部を設けて前記導波管を伝播するマイクロ波を受け、前記チャンバ内に伸びる第二の部分から前記チャンバ内にマイクロ波を放出させてチャンバ内のレーザガスを励起することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第二の部分の側面に導電体層を設け、マイクロ波を前記第二の部分の先端面から前記チャンバ内に放出させることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第二の部分の先端面のマイクロ波放出領域を、前記延在する部材内でのマイクロ波の波長の１／２以上の幅を有するスリット状としたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第二の部分はその前記先端面にも、前記スリット状のマイクロ波放出領域を除いて、導電体層が設けられていることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記導波管の前記チャンバ側先端部が断面矩形状の筒状管で形成されており、一方の開口から注入されるマイクロ波の進行方向に沿って徐々に開口面積が小さくなるテーパーが形成されていることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記導波管の前記チャンバ側先端部が断面矩形状の筒状管で形成されているストレート導波管であることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項５または請求項６に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第一の部分はマイクロ波の進行方向に沿って徐々に断面積が大きくなるテーパーを有することを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項７に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記チャンバと前記導波管との間に、前記チャンバのガスが前記導波管に洩れるのを防止するための手段を設けたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項８に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記防止するための手段が、前記延在する部材の前記第一の部分と前記第二の部分との間に設けられ前記延在する部材と同一の材料またはそれと同等の熱膨張率を有する材料で構成されたつば状部材を含むことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項９に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材がセラミックから成ることを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項９または請求項１０に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材と前記つば状部材とが同一材料で一体に構成されていることを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１から請求項１０に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第一の部分における前記テーパー部のうち最も大きい断面積が、前記導波管先端部の前記チャンバと接する部分の断面積とほぼ等しいことを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第二の部分がマイクロ波の進行方向において断面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする。
請求項１４記載の本発明は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記延在する部材の前記第二の部分がその先端部を除きマイクロ波の進行方向において断面積が実質的に変わらないように構成されていることを特徴とする。
請求項１５記載の本発明の露光装置は、請求項１から請求項１４のいずれかに記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置を光源に用いたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置は、マイクロ波を透過する材料からなる部材を導波管のチャンバ側先端部の内部からチャンバ内部にわたって延在するように設置し、この部材は導波管先端部の内部に伸びる第一の部分にテーパー部を設けて導波管を伝播するマイクロ波を受け、チャンバ内に伸びる第二の部分からチャンバ内にマイクロ波を放出させてチャンバ内のレーザガスを励起するものである。この構成により、導波管内の空気中を伝わってきたマイクロ波を第一の部分から部材中に入射させ、第二の部分からマイクロ波をレーザガス中に放出するので、レーザガス内において、マイクロ波放電を起こすことができ、連続動作が可能なマイクロ波励起紫外レーザ装置を実現することができる。また、部材が第一の部分にテーパー部を有するので、マイクロ波を反射無くセラミック中に入射させることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第二の部分の側面に導電体層を設け、マイクロ波を第二の部分の先端面からチャンバ内に放出させるものである。この構成により、レーザガス中で発生させるプラズマを第二の部分の先端面に集中できる。本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第二の部分の先端面のマイクロ波放出領域を、延在する部材内でのマイクロ波の波長の１／２以上の幅を有するスリット状としたものである。この構成により、細く小さい体積中で高いパワーのマイクロ波放電を起こすことができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第二の部分はその先端面にも、スリット状のマイクロ波放出領域を除いて、導電体層が設けられているものである。この構成により、細く小さい体積中で高いパワーのマイクロ波放電を起こすことができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、導波管のチャンバ側先端部が断面矩形状の筒状管で形成されており、一方の開口から注入されるマイクロ波の進行方向に沿って徐々に開口面積が小さくなるテーパーが形成されているものである。この構成により、マイクロ波を反射無くセラミック中に入射させることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１から第４の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、導波管のチャンバ側先端部が断面矩形状の筒状管で形成されているストレート導波管としたものである。この構成により、導波管として通常のストレート導波管を利用しているので安価に製作できる。
本発明の第７の実施の形態は、第５または第６の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第一の部分はマイクロ波の進行方向に沿って徐々に断面積が大きくなるテーパーを有するものである。この構成により、マイクロ波を反射無くセラミック中に入射させ、セラミックからチャンバ内に放射させることができる。
本発明の第８の実施の形態は、第７の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、チャンバと導波管との間に、チャンバのガスが導波管に洩れるのを防止するための手段を設けたものである。
本発明の第９の実施の形態は、第８の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、防止するための手段が、延在する部材の第一の部分と第二の部分との間に設けられ延在する部材と同一の材料またはそれと同等の熱膨張率を有する材料で構成されたつば状部材を含むものである。この構成により、ロウ付けする２つの部材の熱膨張係数を一致させることができるため、ロウ付けの際に延在する部材だけでなくつば状部材にもひびが入ることを防止することができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第９の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材がセラミックから成るものである。この構成により、ガスレーザとしてフッ素ガスを用いることができる。
本発明の第１１の実施の形態は、第９または第１０の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材とつば状部材とが同一材料で一体に構成されているものである。この構成により、部材間の熱膨張係数を考慮する必要が無くなる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１から第１０の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第一の部分におけるテーパー部のうち最も大きい断面積が、導波管先端部のチャンバと接する部分の断面積とほぼ等しいものである。この構成により、導波管内を進行してきたマイクロ波を延在する部材に効率よく伝播させることができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１から第１１の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第二の部分がマイクロ波の進行方向において断面積が小さくなるように構成されるものである。この構成により、高いパワー密度のマイクロ波を放出することができる。
本発明の第１４の実施の形態は、第１から第１１の実施の形態によるマイクロ波励起ガスレーザ装置において、延在する部材の第二の部分がその先端部を除きマイクロ波の進行方向において断面積が実質的に変わらないように構成されるものである。この構成により、第二の部分でのマイクロ波の損失を減らすことができる。
本発明の第１５の実施の形態による露光装置は、第１から第１４の実施の形態のいずれかのマイクロ波励起ガスレーザ装置を光源に用いたものである。この構成により、露光光源からのレーザパワーを増加しても、露光機本体内の光学部品の寿命が短くなることがない露光装置を提供することができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置を図面に基づいて説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の一実施例であるマイクロ波励エキシマレーザなどのマイクロ波励紫外域ガスレーザ装置１００の構成図である。
マイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置１００は、電源１から供給された電力によってマイクロ波を発生させるマイクロ波発振器２と、このマイクロ波発振器２で発振させたマイクロ波を伝播させる導波管３ａ、３ｂ、Ｌ字導波管６、テーパー導波管７と、レーザガスを循環させるガス循環経路９と、テーパー導波管７からマイクロ波を導入してレーザ光を発生させるチャンバ８とを備えている。マイクロ波発振器２で発振させるマイクロ波の周波数は、Ｓバンドの２．４５ＧＨｚが好ましいが、Ｌバンドの１．３ＧＨｚや、約９ＧＨｚのＸバンドを用いてもよい。また、マイクロ波発振器２の出力は、レーザを発振させるためには２〜３ｋＷで行えるが、この閾値よりできる限り大きい方が、電気効率が高くなるため、１０ｋＷ程度が好ましい。また、ＫｒＦエキシマレーザにおけるレーザガスの成分は、Ｆ２：Ｋｒ：Ｈｅ＝０．１％：５％：９４．９％であり、全圧は２気圧である。なお、バッファガスであるＨｅの代わりにＮｅを用いてもよい。
【０００９】
導波管は、導波管３ａ、３ｂ、Ｌ字導波管６、及びテーパー導波管７とから構成されている。導波管３ａは、マイクロ波発振器２とアイソレータ４とを接続し、導波管３ｂは、アイソレータ４とチューナ５とを接続し、Ｌ字導波管６とテーパー導波管７は、チューナ５とチャンバ８とを接続している。テーパー導波管７内では、マイクロ波発振器２から導波管３ａ、アイソレータ４、導波管３ｂ、チューナ５およびＬ字導波管６を経て伝わってきたマイクロ波がチャンバ８内のレーザガス中に注入されるようになっている。詳細は後述する。
テーパー導波管７が取り付けられたチャンバ８内に満たされたレーザガスは、ループ状に構成されているガス循環経路９内を循環する。ガス循環経路９は、配管によって熱交換器１１、チャンバ８、及びブロア１０とを環状に接続して構成される。熱交換器１１はチャンバ８の下流側に配置されており、マイクロ波によって加熱されたレーザガスを冷却する作用を有する。ブロア１０はレーザガスを高速に流す作用を有している。
チャンバ８内では、レーザガスはＸ軸方向に流れ、マイクロ波はＹ軸方向から注入され、発生するレーザ光Ｌ１はチャンバ８の外側に配置されたレーザミラー１２からガスの流れ方向及びマイクロ波の発振方向と直交する方向（Ｚ軸）に取り出される。
【００１０】
次に、このマイクロ波励紫外域ガスレーザ装置１００の動作について以下に説明する。電源１から供給された電力により、マイクロ波発振器２からは、マイクロ波（ここでは２．４５ＧＨｚ）が発生する。マイクロ波は、導波管３ａ、アイソレータ４、導波管３ｂ、チューナ５を順次通過し、Ｌ字導波管６で下方に曲がり、テーパー導波管７に進み、テーパー導波管７からチャンバ８内のレーザガス中に注入される。
一方、レーザガスは、ブロア１０によって、ループ状に構成されているガス循環経路９内を高速で循環し、チャンバ８内に満たされる。チャンバ８内に満たされたレーザガスは、テーパー導波管７から注入されたマイクロ波による放電によって励起されレーザ発振を行う。レーザ光Ｌ１は、チャンバ８の外側に配置されたレーザミラー１２から外部に取り出される。
【００１１】
次にチャンバ８内に取り付けられたテーパー導波管７の構造について、図２から図４を用いて説明する。図２は、テーパー導波管７およびその内部に配置されるテーパー状セラミック棒２１の斜視図である。テーパー導波管７は断面矩形状の筒状管で形成されており、一方の開口から注入されるマイクロ波Ｍの進行方向に沿って徐々に開口面積が小さくなるようにテーパーが形成されている。図２では、マイクロ波ＭはＹ方向に注入される場合を示しており、テーパーはＸ方向に形成されている場合を示しているが、Ｚ方向あるいはＸ方向とＺ方向の両方にテーパーが形成されるようにしてもよい。
テーパー状セラミック棒２１はマイクロ波の進行方向に沿って徐々に断面積が大きくなるテーパーを有するテーパー部２２および表面に金属層を形成したメタライズ部２３を有しており、テーパー状セラミック棒２１自体がテーパー導波管を形成している。テーパー部２２はテーパー導波管７内に収納され、メタライズ部２３は図１で説明したチャンバ８内に挿入される。テーパー部２２はマイクロ波Ｍが進行する方向に沿ってＸ軸およびＺ軸の両方向において徐々に断面積が大きくなるようなテーパーを有している。テーパー状セラミック棒２１の材質としてセラミックを用いる理由は、紫外域で動作するガスレーザではフッ素ガスを用いる場合が多いので、フッ素に耐性を有する材料が好ましいからである。テーパー状部材２１の材料としては、マイクロ波を透過する材料であれば、フッ素に耐性を有する他の誘電体でもよく、またフッ素ガスを用いない場合はセラミック以外のマイクロ波を透過する材料を用いることができる。
【００１２】
テーパー状セラミック棒２１のメタライズ部２３側の先端部には、スリット部２４が形成されている。図３にスリット部２４の斜視図を示す。スリット部２４は、メタライズ部２３の先端部のメタライズをスリット状に剥離してテーパー状セラミック棒２１のセラミックをスリット状に露出させて構成する。スリット部２４の幅Ｗは、テーパー状部材２１の材料、たとえばセラミック、中でのマイクロ波の波長の１／２以上の必要がある。すなわち、スリット部２４のスリット形状が長方形の場合は、長辺がカットオフ波長の１／２以上で、短辺の長さＬをこれより短くする。マイクロ波の発振周波数が工業用として広く利用されている２．４５ＧＨｚの場合、セラミックの比誘電率が約１０であることから、テーパー状部材２１の材料、たとえばセラミック、中でのマイクロ波の波長λｃ＝３９ｍｍになる。したがって、スリット部２４の幅Ｗは約１９．５ｍｍ以上の必要がある。スリット部２４の幅Ｗを１９．５ｍｍ以下にすると、マイクロ波を放出できなくなる。スリット部２４の長方形の断面形状において、幅Ｗがλｃ／２以上であれば、もう一方の辺の長さＬがいかに小さくてもマイクロ波を伝播させることが可能である。したがって、長さＬの寸法を十分小さくすることで、高いパワー密度のマイクロ波をレーザガス中に放出させることができる。
【００１３】
図４は、テーパー導波管７およびテーパー状セラミック棒２１とチャンバ８との連結部の断面図で、（ａ）は図１におけるＺ軸方向から見たＺ軸断面図、（ｂ）は図１におけるＸ軸方向から見たＸ軸断面図である。
テーパー導波管７内をＹ軸方向に、紙面では上方から下方に伝わってきたマイクロ波Ｍは、テーパー状セラミック棒２１に当ることで、伝わる媒体が空気から徐々にセラミックに移っていく。マイクロ波Ｍが全てセラミック内に伝わる（つまり導波管内が全てセラミックで満たされる）位置にチャンバ８の一部であるチャンバボディ３０が結合されている。テーパー導波管７の端部にはフランジ部７０が形成され、フランジ部７０とチャンバボディ３０がボルト２６で連結される。
テーパー状セラミック棒２１は、空気で満たされているテーパー導波管７とレーザガスで満されているチャンバ８との両方の内部空間にまたがって配置され、これら２つの空間を仕切る位置に、中央部に穴を有する穴空き板２５が配置される。テーパー状セラミック棒２１は穴空き板２５の穴内を貫通しており、両者はロウ付けにより固定されている。穴空き板２５にはテーパー導波管７のフランジ部７０と接する面にメタライズが施されている。穴空き板２５はチャンバボディ３０に対してＯリング２７でシールされており、穴空き板２５の上側のつばの部分がテーパー導波管７のフランジ部７０で押さえつけられる。チャンバボディ３０内におけるテーパー状セラミック棒２１の４つの側面のメタライズ部２３には、セラミック製のブロック２９がロウ付けされている。
【００１４】
次に、テーパー状セラミック棒２１、穴空き板２５、及びブロック２９の一体部品としての製作方法について説明する。図５において、テーパー状セラミック棒２１の先端のテーパー表面にメタライズ面３１が形成される。メタライズ面３１は図２に示したメタライズ部２３に相当する。穴空き板２５の穴３４の内表面にはメタライズ面３２が、一主面（図５では上面）にはメタライズ面３３が形成される。ブロック２９のテーパー状セラミック棒２１に接する側の面にはメタライズ面３５が形成される。テーパー状セラミック棒２１のメタライズ面３１が形成された部分を穴空き板２５の穴３４に挿通してブロック２９で挟持し、各々のメタライズ面３１、３２、３５をロウ付けにより固定する。ロウ付けに用いられるロウとしては耐フッ素ガス性の金ロウが好ましい。その理由は、紫外域レーザでは、レーザガス中にフッ素ガスが含まれることが多く、フッ素ガスと反応する銀ロウは好ましくないからである。
【００１５】
穴空き板２５とブロック２９の材質としては、テーパー状セラミック棒２１と同じ種類のセラミックまたはこれと同等の線膨張率を有するチタンなどの金属を用いるのが望ましい。この場合は、テーパー状セラミック棒２１、穴空き板２５およびブロック２９の材質の線膨張率を一致ないし近い値とすることで、ロウ付け時に穴空き板２５およびブロック２９にひびが入りにくくなる。穴空き板２５とブロック２９の材質としてセラミック以外の材料、たとえば、フッ素耐性を有し安価であるステンレスを用いると、線膨張率がセラミックの７．９×１０^−６／Ｋに対し１４．７×１０^−６／Ｋと２倍程度あるためロウ付けが困難である。これは、ロウ付けの際に、最高１２００度を越える高温になるため、ロウ付け後室温まで冷やされる際に生じる材料寸法の変形量が、テーパー状セラミック棒２１と穴空き板２５およびブロック２９の線膨張率の差により大きく異なってしまうからである。
なお、穴空き板２５の材料として、テーパー状セラミック棒２１と同じセラミックを用い、両者を一体構造として構成するのも好ましい。この場合、テーパー状セラミック棒２１の中央部（チャンバと導波管との間の部分）につば状部材が突出した構造になる。なお、このような一体化構造において、その材料としてはセラミックに限らず、先に述べた通り他の誘電材料としてもよい。
穴空き板２５の一主面に形成されたメタライズ面３３は、図４（ａ）、（ｂ）に示すようにテーパー導波管７のフランジ部７０と接触する面であり、このメタライズ面３３によりテーパー導波管７のフランジ部７０と穴空き板２５とが電気的に接触するため、テーパー導波管７の内部を伝播してくるマイクロ波Ｍをリーク無しにテーパー状セラミック棒２１内に進ませることができる。したがって、マイクロ波Ｍはテーパー状セラミック棒２１の先端部のスリット部２４から効率的に外部へ放出させることができる。
図４および図１に示すように、テーパー導波管７内にマイクロ波Ｍが注入されると、マイクロ波Ｍはテーパー導波管７からテーパー状セラミック棒２１に伝播し、テーパー状セラミック棒２１の先端のスリット部２４から高いパワー密度のマイクロ波が放出される。このマイクロ波はチャンバ８に注入され、チャンバ８内のレーザガスを励起してプラズマ２８を発生する。このプラズマ２８から紫外レーザ光Ｌ１がＺ軸方向に取り出される。
【００１６】
プラズマ２８の発生領域は、テーパー状セラミック棒２１の構成およびブロック２９の有無により変化する。その様子を図６を用いて説明する。図６は、図４（ａ）におけるブロック２９を省略した図である。図６のように、ブロック２９が無い場合、テーパー状セラミック棒２１とチャンバボディ３０との間に僅かでも隙間が生じると、その隙間内にマイクロ波によってプラズマが発生し、テーパー状セラミック棒２１の長さ方向に沿ってプラズマ２８が広がってしまう。これはプラズマ２８が金属面に沿って広がりやすいからである。プラズマ２８の発生がテーパー状セラミック棒２１とチャンバボディ３０の隙間に広がると、プラズマ２８によるレーザガスの励起効率が減少し、派生発生する紫外レーザ光Ｌ１のパワーが小さくなってしまう。この現象はチャンバ８内におけるテーパー状セラミック棒２１がメタライズ部２３を有しているか否かにかかわらず発生する。
一方、図４（ａ）、（ｂ）のように、チャンバ８内におけるテーパー状セラミック棒２１の４つの側面のメタライズ部２３にセラミック製のブロック２９をロウ付けすると、プラズマ２８はテーパー状セラミック棒２１の先端のスリット部２４付近に集中して細く発生し、チャンバ８内に広がることはない。したがって、プラズマ密度を高くできるので、紫外レーザ光Ｌ１を高いパワーでＺ軸方向に取り出すことができ、レーザの連続動作に必要な高い励起密度を達成することができる。また、後に図１０や図１１で述べるようなストレート構成にするのも効果がある。
【００１７】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置の導波管とテーパー状セラミック棒の構成を示す斜視図である。図２と同一部分には同一符号を付与する。図２と異なる部分は、導波管がテーパー導波管ではなくテーパーを有しないストレート導波管４１を使用した点である。
本実施例において、ストレート導波管４１内におけるテーパー状セラミック棒２１はテーパー部２２を有しているので、ストレート導波管４１内のマイクロ波の伝播媒体である空気経路の断面積はマイクロ波の進行方向に徐々に小さくなり、一方テーパー状セラミック棒２１による伝播媒体であるセラミックの断面積はマイクロ波の進行方向に徐々に大きくなる。したがって、ストレート導波管４１に注入されたマイクロ波は図２における場合と同様にストレート導波管４１からテーパー状セラミック棒２１に伝播する。その他の構成および動作は図２の場合と同様であるので説明を省略する。
本実施例によれば、導波管として通常のストレート導波管４１を利用しているので安価に製作できる。
【００１８】
（実施例３）
図８は、本発明の実施例３によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置の導波管とテーパー状セラミック棒の構成を示す斜視図である。図７と同一部分には同一符号を付与する。図７と異なる部分は、テーパー状セラミック棒４２のテーパー部４３の形状がＸ方向の一方向のみテーパー状に形成され、Ｚ方向にはテーパー形成されていない点である。
本実施例においても、ストレート導波管４１内におけるテーパー状セラミック棒４２はＸ方向に形成されたテーパーを有するテーパー部４３を有しているので、ストレート導波管４１内のマイクロ波の伝播媒体である空気経路の断面積はマイクロ波の進行方向に徐々に小さくなり、一方テーパー状セラミック棒４２による伝播媒体であるセラミックの断面積はマイクロ波の進行方向に徐々に大きくなる。したがって、ストレート導波管４１に注入されたマイクロ波は図２、図７における場合と同様にストレート導波管４１からテーパー状セラミック棒４２に伝播する。その他の構成および動作は図２の場合と同様であるので説明を省略する。
本実施例によれば、実施例２と同様に、導波管として通常のストレート導波管４１を利用しているので安価に製作できる。
【００１９】
（実施例４）
図９は、本発明の実施例４によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置の導波管とテーパー状セラミック棒の構成を示す斜視図である。
本実施例では、ストレート導波管４１にテーパー状セラミック棒４５のテーパー部２２が挿入されている。テーパー状セラミック棒４５のチャンバ８側のメタライズ部４６はほとんどテーパーになっておらず、実質的にストレート状に形成されている。その結果、テーパー状セラミック棒４５におけるマイクロ波が進む断面部のマイクロ波の進行方向に対して面積が小さくならないため、テーパー状セラミック棒４５内部でのマイクロ波パワー密度が抑制され、テーパー状セラミック棒４５のマイクロ波耐性が高い特徴がある。
テーパー状セラミック棒４５は、図１０に示すように、チャンバ８側で導波管を形成するメタライズ部４６の外側にアルミナ面４７を溶着させる。アルミナ面４７には、テーパー状セラミック棒４５の先端部においてテーパー状セラミック棒４５のセラミックが露出するようにスリット４８が形成されており、このスリット４８からマイクロ波が放出される。メタライズ４６部の外側にアルミナ面４７を溶着させることにより、スリット４８から放出されるマイクロ波により発生するプラズマが左右方向に広がらなくなりプラズマ密度を高くできる。スリット４８の寸法等の構成は、図３を参照して説明したスリット部２４と同じである。また、実施例１、２、３において、チャンバ８側のテーパー状セラミック棒２１、４２のメタライズ部２３の表面にアルミナ層４７を付着させても効果がある。
【００２０】
（実施例５）
図１１は、本発明の実施例５によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置のテーパー導波管７とチャンバ８の一部を示したＺ軸断面図である。本実施例におけるテーパー状セラミック棒５１は、図４（ａ）、（ｂ）に示したテーパー状セラミック棒２１と穴空き板２５が一体化した形状になっている。すなわち、テーパー状セラミック棒５１の中央部に全周にわたって突起させたツバ部が形成され、そこにＯリング５２が当たってシールする構造になっている。
本実施例の特徴は、実施例１、実施例４のように穴空き板２５をロウ付けする必要がなく製作が容易になることである。穴空き板２５をロウ付けする場合には、テーパー状セラミック棒２１の表面にニッケルを蒸着してメタライズを施す必要があるが、ニッケルは金属の中では導電性があまり高くなく、その電気抵抗は１００℃において１０．３／Ωｍであるため、テーパー状セラミック棒２１の表面に流れる電流が小さくなるので内部を伝播するマイクロ波の損失が大きくなる傾向にある。ところが、本実施例ではロウ付が不要になったことから、テーパー状セラミック棒５１のメタライズとして金ペースト５３を溶着させて作成することが可能である。金の電気抵抗は１００℃において２．８８／Ωｍであり、ニッケルの１／３以下と小さいことから、金ペースト５３をセラミック表面に直接溶着することによりその表面を電流が流れやすくなり、テーパー状セラミック棒５１の内部に伝播するマイクロ波の損失を低減させることができる。なお、金ペーストの代わりに、他の電気伝導度の高い金属、例えば同程度に電気伝導度が高くより安価な銅を用いてもよい。
なお、金ペースト５３が溶着された部分においてチャンバボディ５４の内部に対向する位置にさらにアルミナを溶着することによって、マイクロ波により発生するプラズマ５５が広がらないようにすることができる。
【００２１】
（実施例６）
図１２は、本発明の実施例６によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置のテーパー導波管７とチャンバ８の一部を示した図で、（ａ）はＺ軸断面図、（ｂ）はＸ軸断面図である。
本実施例では、テーパー状セラミック棒６１のマイクロ波を放出させる端部がマイクロ波の進行方向Ｙに直交するＺ軸方向から見た場合に、図１２（ａ）のようにＴ字型に形成されている。Ｔ字型の端部はＴ字型の先端面の少なくとも一部を露出させて穴空き部材６２で覆われている。また、この穴空き部材６２がテーパー導波管７のフランジ部７０と接する面（上の面）にはメタライズ（図示省略）が施されている。穴空き部材６２はチャンバボディ３０に対してＯリング６３でシールされている。穴空き部材６２の上側のつばの部分はテーパー導波管７の端部のフランジ部７０で押さえつけられており、フランジ部７０はボルト６４によってチャンバボディ３０に固定される。
テーパー状セラミック棒６１のＴ字部の先端から放出されたマイクロ波によってチャンバ８内のレーザガスが励起され、プラズマ６５が発生し、ここから紫外のレーザ光がＺ軸方向に取り出される。
【００２２】
図１３は、テーパー状セラミック棒６１と穴空き部材６２とを一体部品として製作する方法を説明する概念図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＺ軸断面図である。テーパー状セラミック棒６１のチャンバ側の端部はＺ軸方向から見た場合にＴ字型部６６が形成され、一方穴空き部材６２に形成される穴は、テーパー状セラミック棒６１のＴ字型部６６と嵌合する形状の貫通穴６７が形成されている。Ｔ字型部６６の表面および貫通穴６７の内面にはメタライズ面６８、６９が形成され、テーパー状セラミック棒６１のＴ字型部６６を穴空き部材６２の貫通穴６７に挿入し、両者のメタライズ面６８、６９をロウ付けにより固定して一体部品として形成する。
【００２３】
テーパー状セラミック棒６１におけるＴ字型部６６の寸法は、図１４に示したように、Ｔ字型部６６の足の長さＨをそこを通過するマイクロ波の管内波長λｇの１／４倍にすることが好ましい。また、Ｔ字型部６６の横の長さをＤ１、足の長さをＤ２、先端部のスリット長さをＤ３とすると、Ｄ３をＤ１とＤ２の積の平方根に近い値にすることにより、テーパー状セラミック棒６１内をチャンバ側に伝播するマイクロ波の反射を抑制することができる。すなわち、このＴ字型部６６をλｇ／４形変成器として作用させることができる。λｇ／４形変成器とは、異なる長さの２つの導波管（長さｂ１と長さｂ２とする。）を整合させるために、それらの間にｂ１とｂ２の積の平方根の長さを有し、かつ長さＨがλｇ／４の導波管を設けることである。本実施例では長さＤ３のスリットがｂ２の長さの導波管と考えることができるため、前記寸法のＴ字型部６６を設けることで、マイクロ波を反射無くＴ字型部を通過させることができる。
たとえば、Ｄ１＝１６ｍｍ、Ｄ３＝０．４ｍｍとすると、Ｄ２＝２．５ｍｍになる。また、Ｈ＝λｇ／４＝１２ｍｍになる。
Ｔ字型部６６の各部の長さＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、正確に前記条件通りに設定する必要はなく、Ｄ３の大きさがＤ１とＤ２の間であれば、多少前記条件値からずれてもマイクロ波の整合器として機能し、反射を抑制することができる。ただし、足の長さＨはλｇの１／４前後における整合作用を有する範囲内である必要がある。たとえば、足の長さＨがλｇの１／２まで大きくなると、逆に反射波が増大してしまう。したがって、本実施例では、足の長さＨはλｇの１／８から３／８（１／４の前後）倍とすることが好ましい。実験によれば常に正確にλｇ／４が最適ではなく、λｇ／４よりも１ｍｍ前後短くする方が、実際にはマイクロ波の放出効率が高い場合が多い。これは、実際のマイクロ波の伝播特性は、公式的な寸法とは多少異なる場合が多いからであり、最適寸法はマイクロ波の導波特性を実測してから決定するのが好ましい。
テーパー状セラミック棒６１は、マイクロ波を放出させるために、Ｔ字型部６６の先端面に、Ｄ３の長さでセラミックが剥き出しになっている。すなわち、Ｄ３の長さの外側までメタライズ６８で覆われている。Ｄ３の長さだけメタライズ６８を剥す作業としては、はじめにＴ字型部６６の先端面全面をメタライズ６８で覆ってから、Ｄ３の長さだけメタライズ６８を切削する。また、テーパー状セラミック棒６１を製作する際に、Ｔ字型部６６の先端面にあらかじめＤ３の長さだけ１ｍｍ程度突起を残すように仕上げて、その突起も含めてＴ字型部６６の先端面全面にメタライズ６８を形成してから突起を取り外すようにしてもよい。後者の手法にすると、メタライズ６８が剥されたＤ３の長さをより正確に作り出すことができる。
本実施例のように、テーパー状セラミック棒６１のマイクロ波出射側をＴ字型にし、穴空き部材６２でＴ字部を覆うようにすることができる。この結果、テーパー状セラミック棒６１と穴空き部材６２とをロウ付けする際に、ロウが流れ落ちることが無いためロウ付けしやすくなる。
【００２４】
（実施例７）
図１５は、本発明の実施例７によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置におけるマイクロ波をレーザチャンバ内に導く部分の斜視図である。本実施例においては、図１に示したＬ字型導波管６の出口に長さが管内波長λｇのほぼ１／４のストレート導波管７１を接続し、その次に小型のテーパー導波管７２を接続する。テーパー導波管７２の内部には、図１２〜図１４で説明した先端部がＴ字型をしたテーパー状セラミック棒７３がはめられている。Ｔ字型の先端は狭い幅のスリット状にメタライズが剥されており、Ｌ字型導波管６から導波管７１、テーパー導波管７２、テーパー状セラミック棒７３を経て進行したマイクロ波７５ａは、Ｔ字型の先端のスリットからマイクロ波７５ｂとして放出される。
本実施例では、Ｌ字型導波管６にＬ字型導波管６の断面部よりも小さい断面部を有するストレート導波管７１がつながっており、その長さが管内波長λｇのほぼ１／４であるため、λｇ／４変成器として機能している。したがって、入射するマイクロ波７５ａはほとんど反射せずに進むことができる。このようにλｇ／４変成器を適用することで、テーパー導波管７２とテーパー状セラミック棒７３の断面寸法を小さくできる。その結果、チャンバ８内に放出させるマイクロ波７５ｂの断面積をさらに小さい断面積とすることができるので、単位面積当たりのマイクロ波パワーが増大し、高密度プラズマを発生しやすくなる。また、テーパー状セラミック棒７２の長さを短くできるので、テーパー状セラミック棒７２中でのマイクロ波の損失を減らせるようになり、マイクロ波の伝送効率が向上する。
【００２５】
（実施例８）
次に、図１に示した本発明のマイクロ波励起エキシマレーザ装置１００を露光光源として用いた露光装置の一実施例に関して、図１６を用いて説明する。
図１６は、露光装置２００の構成図である。露光装置２００では、図１に示したマイクロ波励起エキシマレーザ装置１００が露光光源８１として使われている。露光装置２００を構成する露光光源８１と露光機本体８２は、グレーチング８３上に設置されている。
露光光源８１から取り出された紫外域のレーザ光Ｌ１は、露光機本体８２内に進み、ミラー８４ａで反射して上方に進み、均一化光学系８５内を進む。これによってビーム断面内の光強度分布が均一化されたレーザ光Ｌ２が作られ、ミラー８４ｂで反射して整形光学系８６に進み、ビームが拡大される。ここを出射したレーザ光Ｌ３は、ミラー８４ｃで反射して、コンデンサレンズ８７を通過し、レチクル８８に入射する。レチクル８８から出射したレーザ光Ｌ４は、縮小投影レンズ８９を通過してレーザ光Ｌ５となり、このレーザ光Ｌ５はレジストが塗布されたウエハー９０を照射する。この際に、レチクル８８上でのパターンを有する光が、ウエハー９０上に転写されることで、パターン状に露光される。なお、ウエハー９０は、ステージ９１上に乗せられており、露光のショットごとにウエハー９０が瞬時に移動できるようになっている。
本実施例では、マイクロ波励起エキシマレーザ装置１００が、露光光源８１として用いられていることから、利用されるレーザ光Ｌ１は連続波である。したがって、均一化光学系８５、整形光学系８６、コンデンサレンズ８７、縮小投影レンズ８９などの光学部品にダメージが生じない。特に、露光光源８１であるマイクロ波励起エキシマレーザ装置１００では、従来装置に比べて効率良く、マイクロ波のパワーをプラズマの生成に利用できるため、レーザ光の出力が向上している。その結果、露光装置２００としての露光処理速度も向上する。従来のパルス型のエキシマレーザを露光光源に用いた場合、レーザ出力の増加は前述した種々の光学部品へのダメージを増加させて、寿命を減らすことがあったが、本実施例によれば、露光光源８１からのレーザパワーを増加しても、露光機本体８２内の光学部品の寿命が短くなることはない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロ波を伝播させる導波管とレーザガスが満たされるチャンバとの両方の内部空間にまたがってテーパー状セラミック棒を配置し、このセラミック棒のチャンバ側にマイクロ波の出射口以外の表面にメタライズを施すことにより、導波管内の空気中を伝わってきたマイクロ波をテーパー状セラミック棒中に入射させ、出射口から放出されるマイクロ波によってレーザガスを細く小さい領域でのみ励起することができる。したがって、十分高いパワー密度のマイクロ波を放出でき、レーザの連続動作に必要な高い励起密度を達成することができる。
また、テーパー状セラミック棒をセラミックと同等の熱膨張率を有する材料の穴空き板にロウ付けしてチャンバに取り付けることにより、ロウ付けする２つの部材の熱膨張率を一致させることができ、ロウ付けの際に、テーパー状セラミック棒だけでなく穴空き板にもひびが入ることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるマイクロ波励起エキシマレーザ装置の全体構成図
【図２】本発明の第１の実施例におけるテーパー導波管およびその内部に配置されるテーパー状セラミック棒の斜視図
【図３】本発明の第１の実施例におけるテーパー状セラミック棒のスリット部の斜視図
【図４】本発明の第１の実施例におけるテーパー導波管およびテーパー状セラミック棒とチャンバとの連結部の断面図
【図５】本発明の第１の実施例におけるテーパー状セラミック棒、穴空き板、及びブロックの一体部品としての製作方法を説明する概念図
【図６】本発明の第１の実施例におけるプラズマの発生領域を説明するためのテーパー導波管およびテーパー状セラミック棒とチャンバとの連結部の断面図
【図７】本発明の実施例２によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置の導波管とテーパー状セラミック棒の構成を示す斜視図
【図８】本発明の実施例３によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置の導波管とテーパー状セラミック棒の構成を示す斜視図
【図９】本発明の実施例４によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置の導波管とテーパー状セラミック棒の構成を示す斜視図
【図１０】本発明の実施例４によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置のテーパー状セラミック棒とチャンバとの連結部の一部の断面図
【図１１】本発明の実施例５によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置のテーパー導波管とチャンバの一部を示した断面図
【図１２】本発明の実施例６によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置のテーパー導波管とチャンバの連結部の一部の断面図
【図１３】本発明の実施例６によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置のテーパー状セラミック棒と穴空き部材とを一体部品として製作する製作方法を説明する概念図
【図１４】図１３の一部拡大図
【図１５】本発明の実施例７によるマイクロ波励起紫外域ガスレーザ装置におけるマイクロ波をレーザチャンバ内に導く部分の斜視図
【図１６】本発明のマイクロ波励起エキシマレーザ装置を露光光源として用いた露光装置の一実施例における構成図
【図１７】従来のマイクロ波励起紫外レーザ装置の構成図
【符号の説明】
２マイクロ波発振器
３、３ａ、３ｂ導波管
４アイソレータ
５チューナ
６Ｌ字導波管
７、７２テーパー導波管
８チャンバ
９ガス循環経路
１０ブロア
１１熱交換器
２１、４２、４５、５１、６１、７３テーパー状セラミック棒
２２、４３テーパー部
２３、４６メタライズ部
２４スリット部
２５穴空き板
２７、５２、６３Ｏリング
２８、５５、６５プラズマ
２９ブロック
３０、５４チャンバボディ
３１、３２、３３、３５、６８、６９メタライズ面
４１、７１ストレート導波管
４７アルミナ面
４８スリット
５３金ペースト
６２穴空き部材
６６Ｔ字型部
７０フランジ部
８１露光光源
８２露光機本体
８３グレーチング
８４ａ、８４ｂミラー
８５均一化光学系
８６整形光学系
８７コンデンサレンズ
８８レチクル
８９縮小投影レンズ
９０ウエハー
９１ステージ
１００マイクロ波励起エキシマレーザ装置
２００露光装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microwave-excited gas laser device that operates using a microwave as an excitation source and an exposure apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
Examples of gas lasers that operate in the ultraviolet region (hereinafter, referred to as ultraviolet lasers) include excimer lasers and fluorine molecular lasers (hereinafter, referred to as F2 lasers), and are widely used, for example, as light sources for optical lithography. In order to operate these ultraviolet lasers, a DC pulse power supply is generally used. In other words, pulsed laser light is generated by pulse-discharging the electric energy stored in the capacitor in the chamber. As a component of the laser gas, a mixed gas of fluorine gas and Ne (neon) is used in a fluorine molecular laser. For a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm, a mixed gas of F2, Kr (krypton) and Ne is generally used, and for an ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm, a mixed gas of F2, Ar (argon) and Ne is generally used. Note that these ultraviolet lasers and lithography light sources are described in Non-Patent Document 1, for example.
On the other hand, as for an excimer laser, as described in Non-Patent Document 2, a microwave may be used as an operation source in some cases. This is called a microwave-excited excimer laser, and has a general structure including a microwave oscillator for generating a microwave, a waveguide for transmitting the microwave, and a chamber filled with a laser gas.
As a structure of a conventional microwave-excited excimer laser, as in the microwave-excited excimer laser device shown in FIG. 17, a microwave radiated from a microwave oscillator 101 is passed through waveguides 102a and 102b to form electrodes 104a and 104b. By causing microwave discharge between these electrodes 104a and 104b and arranging a laser tube 105 between them, a laser gas filled in the inside is excited to perform a laser operation. The waveguides 102a and 102b pass through an impedance matching device 103, and perform impedance matching between the microwave oscillator 101 and the laser tube 105.
[0003]
[Non-patent document 1]
Laser Research, Vol. 27, No. 7, pp. 473-478 (July 1999)
[Non-patent document 2]
OPTICS LETTERS, Vol. 12, No. 3, p. 169-171, 1987
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional apparatus, it is difficult to continuously oscillate an excimer laser, and generally only a pulse operation with a pulse width of several microseconds or less can be performed. That is, the microwave oscillator 101 in the conventional microwave pumped ultraviolet laser device uses a pulse operation, and it is difficult to continuously generate a laser beam even if the operation is changed to a continuous operation. Met.
The first reason is that in order to perform continuous operation of the laser, it is necessary to use a continuously operating microwave oscillator and to excite the laser gas with continuously generated microwaves. Several hundred kW / cm required for oscillation due to low peak power ³ Since it is impossible to discharge at the above high excitation density (excitation power per unit volume), laser oscillation is difficult. That is, in order to sufficiently excite the laser gas, it is necessary to increase the power of the microwave. However, in a continuous-operation microwave oscillator, the microwave power obtained is at most several kW at most, and the power generally obtained by the pulse operation is obtained. This is because a peak power of 100 kW to several MW is smaller by about two digits. Therefore, in order to perform a laser operation with a microwave having a low peak power, it is necessary to adopt a structure having a sufficiently small discharge volume. However, many of the conventional devices have a large discharge volume of about several cubic centimeters and a microwave of several kW. Even when discharged, the excitation density is several kW / cm ³ I can only do it. For this reason, a pulse-type microwave having a large peak power number MW is used to generate a taper-Loss discharge to generate a pulsed laser beam.
The second reason that continuous operation of the laser is difficult is that when discharge starts, halogens such as fluorine and chlorine contained in the laser gas are depleted, so that excimer which is the basis of laser oscillation is no longer generated. That is what was thought. That is, the time for depletion of halogen was considered to be on the order of several microseconds, and it was considered that continuous laser operation would be possible if gas could be replaced in a short time within microseconds. Was.
On the other hand, in order to perform laser oscillation using a microwave having a low peak power as an excitation source, it is necessary to sufficiently reduce the volume excited by the laser gas and sufficiently increase the excitation density. In this case, if the length is shortened in the direction of the optical axis in order to reduce the volume, the gain of the laser is reduced. Therefore, it is necessary to reduce the diameter of the excitation section instead of shortening it in the direction of the optical axis. Therefore, in the conventional apparatus, the laser tube 105 is disposed between the pair of electrodes 104a and 104b, and a structure is formed in which the discharge is performed between the electrodes. By reducing the internal volume, that is, the inner diameter of the laser tube 105, the laser gas is discharged. The laser was oscillated by increasing the excitation density.
However, since the microwave power discharged between the electrodes 104a and 104b is determined by the structure of the pair of electrodes 104a and 104b arranged on both sides of the laser tube 105, the internal volume of the laser tube 105 is reduced. That is, when the inside diameter is reduced, the ratio of microwaves injected into the inside decreases, so that it is difficult to increase the excitation density of the laser gas.
[0005]
An object of the present invention is to provide a device capable of generating a microwave discharge in a small and small volume in a laser gas, and thereby to provide a microwave pumped ultraviolet laser device capable of continuous operation. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The microwave-excited gas laser device according to the first aspect of the present invention includes a waveguide that propagates a microwave, a gas circulation path that circulates a laser gas, and a part of the gas circulation path, and the waveguide forms a part of the gas circulation path. A microwave-excited gas laser device comprising: a chamber for introducing a microwave to generate a laser beam, wherein a member made of a material that transmits microwaves is provided inside the chamber from the chamber-side tip of the waveguide. The member is provided with a tapered portion at a first portion extending inside the waveguide tip portion, receives a microwave propagating through the waveguide, and extends into the chamber. A microwave is emitted from the second part into the chamber to excite a laser gas in the chamber.
According to a second aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first aspect, a conductor layer is provided on a side surface of the second portion of the extending member, and the microwave is applied to the second portion. Is discharged into the chamber from the front end surface of the chamber.
According to a third aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the second aspect, a microwave emission region of a distal end surface of the second portion of the extending member is provided within the extending member. Characterized in that it has a slit shape having a width of 1/2 or more of the wavelength of the microwave.
According to a fourth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the third aspect, the second portion of the extending member has the slit-shaped microwave emission region also at the tip end surface thereof. Except for this, a conductive layer is provided.
According to a fifth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to any one of the first to fourth aspects, the distal end of the waveguide on the chamber side is formed of a cylindrical tube having a rectangular cross section. And a taper whose opening area gradually decreases along the traveling direction of the microwave injected from one of the openings.
According to a sixth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to any one of the first to fourth aspects, the distal end of the waveguide on the chamber side is formed of a cylindrical tube having a rectangular cross section. Characterized in that it is a straight waveguide.
According to a seventh aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the fifth or sixth aspect, the first portion of the extending member has a gradually increasing cross-sectional area along a traveling direction of the microwave. Is characterized by having a taper that increases.
According to an eighth aspect of the present invention, in the microwave excited gas laser device according to the seventh aspect, between the chamber and the waveguide, the gas in the chamber is prevented from leaking to the waveguide. Means are provided.
According to a ninth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the eighth aspect, the prevention means is provided between the first portion and the second portion of the extending member. And a brim-shaped member made of the same material as the extending member or a material having a coefficient of thermal expansion equivalent thereto.
According to a tenth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the ninth aspect, the extending member is made of ceramic.
According to an eleventh aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the ninth or tenth aspect, the extending member and the collar member are integrally formed of the same material. And
According to a twelfth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser apparatus according to any one of the first to tenth aspects, the largest cross-sectional area of the tapered portion in the first portion of the extending member is the largest. It is characterized in that it is substantially equal to the cross-sectional area of the portion of the waveguide tip that contacts the chamber.
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to any one of the first to eleventh aspects, the second portion of the extending member has a cross-sectional area in a microwave traveling direction. It is characterized in that it is configured to be small.
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to any one of the first to eleventh aspects, the second portion of the extending member excluding a tip portion of the microwave travels. The cross-sectional area is not substantially changed in the direction.
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided an exposure apparatus using the microwave-excited gas laser device according to any one of the first to fourteenth aspects as a light source.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the microwave-excited gas laser device according to the first embodiment of the present invention, a member made of a material that transmits microwaves is installed so as to extend from inside the chamber-side tip portion of the waveguide to inside the chamber. The member is provided with a tapered portion at the first portion extending inside the waveguide tip, receives microwaves propagating through the waveguide, and emits microwaves into the chamber from the second portion extending into the chamber. This is to excite the laser gas in the chamber. With this configuration, the microwave transmitted in the air in the waveguide is made incident on the member from the first portion and the microwave is emitted from the second portion into the laser gas. And a microwave pumped ultraviolet laser device capable of continuous operation can be realized. Further, since the member has a tapered portion in the first portion, the microwave can be made to enter the ceramic without reflection.
According to a second embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first embodiment, a conductor layer is provided on a side surface of a second portion of the extending member, and the microwave is applied to the second portion. From the tip surface of the chamber into the chamber. With this configuration, the plasma generated in the laser gas can be concentrated on the distal end surface of the second portion. According to a third embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first embodiment, the microwave emission region on the distal end surface of the second portion of the extending member is formed within the extending member. In the form of a slit having a width of 1/2 or more of the wavelength of the microwave. With this configuration, a high-power microwave discharge can be generated in a small and small volume.
According to a fourth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the third embodiment, the second portion of the extending member has a slit-shaped microwave emission region also on the tip surface thereof. And a conductor layer is provided. With this configuration, a high-power microwave discharge can be generated in a small and small volume.
According to a fifth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first to fourth embodiments, the front end of the waveguide on the chamber side is formed of a cylindrical tube having a rectangular cross section. The taper is formed such that the opening area gradually decreases along the traveling direction of the microwave injected from one of the openings. With this configuration, the microwave can be made to enter the ceramic without reflection.
The sixth embodiment of the present invention is directed to a microwave-excited gas laser device according to the first to fourth embodiments, wherein the front end of the waveguide on the chamber side is formed by a cylindrical tube having a rectangular cross section. It is a waveguide. With this configuration, since an ordinary straight waveguide is used as the waveguide, it can be manufactured at low cost.
According to a seventh embodiment of the present invention, there is provided a microwave-excited gas laser device according to the fifth or sixth embodiment, wherein the first portion of the extending member has a gradually increasing cross-sectional area along the traveling direction of the microwave. Has a larger taper. With this configuration, the microwave can be made incident on the ceramic without reflection and emitted from the ceramic into the chamber.
An eighth embodiment of the present invention is directed to a microwave-excited gas laser device according to the seventh embodiment, which is provided between a chamber and a waveguide to prevent gas in the chamber from leaking into the waveguide. Means are provided.
According to a ninth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the eighth embodiment, the preventing means is provided between the first portion and the second portion of the extending member. It includes a brim-like member made of the same material as the provided and extending member or a material having a thermal expansion coefficient equivalent to the material. With this configuration, the thermal expansion coefficients of the two members to be brazed can be matched, so that it is possible to prevent the brim-shaped member from being cracked as well as the member extending during brazing.
According to a tenth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the ninth embodiment, the extending member is made of ceramic. With this configuration, a fluorine gas can be used as the gas laser.
An eleventh embodiment of the present invention is the microwave-excited gas laser device according to the ninth or tenth embodiment, wherein the extending member and the brim-like member are integrally formed of the same material. . With this configuration, it is not necessary to consider the coefficient of thermal expansion between members.
According to a twelfth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first to tenth embodiments, the largest cross-sectional area of the tapered portion in the first portion of the extending member is equal to the waveguide. The cross-sectional area is almost equal to the cross-sectional area of the portion of the tube tip that contacts the chamber. With this configuration, the microwave traveling in the waveguide can be efficiently propagated to the extending member.
According to a thirteenth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first to eleventh embodiments, the second portion of the extending member has a smaller cross-sectional area in the direction in which the microwave travels. It is configured in. With this configuration, microwaves with a high power density can be emitted.
According to a fourteenth embodiment of the present invention, in the microwave-excited gas laser device according to the first to eleventh embodiments, the second part of the extending member is cut in the traveling direction of the microwave except for its tip. The structure is such that the area does not substantially change. With this configuration, microwave loss in the second portion can be reduced.
An exposure apparatus according to a fifteenth embodiment of the present invention uses the microwave-excited gas laser device according to any one of the first to fourteenth embodiments as a light source. With this configuration, it is possible to provide an exposure apparatus in which the life of optical components in the exposure apparatus main body is not shortened even when the laser power from the exposure light source is increased.
[0008]
【Example】
Hereinafter, a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Example 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a microwave-excited ultraviolet gas laser device 100 such as a microwave-excited excimer laser according to an embodiment of the present invention.
The microwave-excited ultraviolet gas laser device 100 includes a microwave oscillator 2 that generates a microwave using power supplied from a power supply 1, and waveguides 3a and 3b that propagate the microwave oscillated by the microwave oscillator 2. An L-shaped waveguide 6, a tapered waveguide 7, a gas circulation path 9 for circulating a laser gas, and a chamber 8 for generating a laser beam by introducing microwaves from the tapered waveguide 7 are provided. The frequency of the microwave oscillated by the microwave oscillator 2 is preferably 2.45 GHz in the S band, but may be 1.3 GHz in the L band or the X band of about 9 GHz. The output of the microwave oscillator 2 can be 2 to 3 kW in order to oscillate the laser, but it is preferable to be about 10 kW if the output is larger than this threshold value because the electric efficiency becomes higher. The component of the laser gas in the KrF excimer laser is F2: Kr: He = 0.1%: 5%: 94.9%, and the total pressure is 2 atm. Note that Ne may be used instead of He as the buffer gas.
[0009]
The waveguide includes waveguides 3a and 3b, an L-shaped waveguide 6, and a tapered waveguide 7. The waveguide 3a connects the microwave oscillator 2 and the isolator 4, the waveguide 3b connects the isolator 4 and the tuner 5, and the L-shaped waveguide 6 and the tapered waveguide 7 connect the tuner 5 to the tuner 5. And the chamber 8 are connected. In the tapered waveguide 7, the microwave transmitted from the microwave oscillator 2 via the waveguide 3 a, the isolator 4, the waveguide 3 b, the tuner 5 and the L-shaped waveguide 6 is introduced into the laser gas in the chamber 8. It is to be injected. Details will be described later.
The laser gas filled in the chamber 8 to which the tapered waveguide 7 is attached circulates in a loop-shaped gas circulation path 9. The gas circulation path 9 is configured by connecting the heat exchanger 11, the chamber 8, and the blower 10 in a ring shape by piping. The heat exchanger 11 is arranged downstream of the chamber 8 and has a function of cooling the laser gas heated by the microwave. The blower 10 has a function of flowing a laser gas at a high speed.
In the chamber 8, the laser gas flows in the X-axis direction, the microwave is injected from the Y-axis direction, and the generated laser light L 1 is emitted from the laser mirror 12 disposed outside the chamber 8 in the gas flow direction and the microwave oscillation. It is taken out in a direction (Z axis) perpendicular to the direction.
[0010]
Next, the operation of the microwave-excited ultraviolet gas laser device 100 will be described below. The microwave (here, 2.45 GHz) is generated from the microwave oscillator 2 by the power supplied from the power supply 1. The microwave sequentially passes through the waveguide 3 a, the isolator 4, the waveguide 3 b, and the tuner 5, bends downward in the L-shaped waveguide 6, advances to the tapered waveguide 7, and moves from the tapered waveguide 7 to the chamber. 8 is injected into the laser gas.
On the other hand, the laser gas is circulated at high speed in the gas circulation path 9 formed in a loop by the blower 10, and is filled in the chamber 8. The laser gas filled in the chamber 8 is excited by the discharge by the microwave injected from the tapered waveguide 7 and performs laser oscillation. The laser light L1 is extracted from a laser mirror 12 arranged outside the chamber 8 to the outside.
[0011]
Next, the structure of the tapered waveguide 7 mounted in the chamber 8 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view of the tapered waveguide 7 and the tapered ceramic rod 21 disposed therein. The tapered waveguide 7 is formed of a cylindrical tube having a rectangular cross section, and is tapered so that the opening area gradually decreases along the traveling direction of the microwave M injected from one opening. . FIG. 2 shows a case where the microwave M is injected in the Y direction, and shows a case where the taper is formed in the X direction. However, the taper is formed in the Z direction or in both the X direction and the Z direction. May be performed.
The tapered ceramic rod 21 has a tapered portion 22 having a taper whose cross-sectional area gradually increases along the traveling direction of the microwave and a metallized portion 23 having a metal layer formed on the surface. Form a tapered waveguide. The tapered portion 22 is housed in the tapered waveguide 7, and the metallized portion 23 is inserted into the chamber 8 described with reference to FIG. The tapered portion 22 has a taper whose cross-sectional area gradually increases in both the X-axis and the Z-axis along the direction in which the microwave M travels. The reason why ceramic is used as the material of the tapered ceramic rod 21 is that fluorine gas is often used in gas lasers operating in the ultraviolet region, so that a material having resistance to fluorine is preferable. As a material of the tapered member 21, any other dielectric material having resistance to fluorine may be used as long as it is a material that transmits microwaves, and a material that transmits microwaves other than ceramic is used when fluorine gas is not used. be able to.
[0012]
A slit portion 24 is formed at the tip of the tapered ceramic rod 21 on the metallized portion 23 side. FIG. 3 shows a perspective view of the slit section 24. FIG. The slit portion 24 is formed by stripping the metallized portion at the tip of the metallized portion 23 into a slit shape to expose the ceramic of the tapered ceramic bar 21 in a slit shape. The width W of the slit portion 24 needs to be １／ or more of the wavelength of the microwave in the material of the tapered member 21, for example, ceramic. That is, when the slit shape of the slit portion 24 is rectangular, the long side is at least half the cutoff wavelength and the length L of the short side is shorter than this. When the microwave oscillation frequency is 2.45 GHz, which is widely used for industrial purposes, since the relative dielectric constant of the ceramic is about 10, the wavelength of the microwave in the material of the tapered member 21, for example, ceramic, λc = 39 mm. Therefore, the width W of the slit portion 24 needs to be about 19.5 mm or more. If the width W of the slit portion 24 is 19.5 mm or less, microwaves cannot be emitted. In the rectangular cross-sectional shape of the slit portion 24, if the width W is equal to or more than λc / 2, it is possible to propagate the microwave no matter how small the length L of the other side is. Therefore, by sufficiently reducing the length L, a microwave having a high power density can be emitted into the laser gas.
[0013]
4A and 4B are cross-sectional views of a connecting portion between the tapered waveguide 7 and the tapered ceramic rod 21 and the chamber 8, and FIG. 4A is a Z-axis cross-sectional view as viewed from the Z-axis direction in FIG. 1 is an X-axis cross-sectional view as viewed from the X-axis direction in FIG.
The microwave M transmitted in the tapered waveguide 7 in the Y-axis direction and from the top to the bottom on the paper surface hits the tapered ceramic rod 21 so that the transmitted medium gradually moves from air to ceramic. A chamber body 30 which is a part of the chamber 8 is connected to a position where all the microwaves M are transmitted into the ceramic (that is, the waveguide is completely filled with the ceramic). A flange 70 is formed at the end of the tapered waveguide 7, and the flange 70 and the chamber body 30 are connected by the bolt 26.
The tapered ceramic rod 21 is disposed over both the internal space of the tapered waveguide 7 filled with air and the chamber 8 filled with laser gas, and is located at the center part where the two spaces are separated. A perforated plate 25 having a hole is disposed. The tapered ceramic rod 21 penetrates through the hole of the perforated plate 25, and both are fixed by brazing. The perforated plate 25 has a metallized surface that is in contact with the flange portion 70 of the tapered waveguide 7. The perforated plate 25 is sealed to the chamber body 30 by an O-ring 27, and the upper flange portion of the perforated plate 25 is pressed by the flange portion 70 of the tapered waveguide 7. Ceramic blocks 29 are brazed to the metallized portions 23 on the four side surfaces of the tapered ceramic rod 21 in the chamber body 30.
[0014]
Next, a method of manufacturing the tapered ceramic rod 21, the perforated plate 25, and the block 29 as an integral part will be described. In FIG. 5, a metallized surface 31 is formed on the tapered surface at the tip of the tapered ceramic rod 21. The metallized surface 31 corresponds to the metallized portion 23 shown in FIG. A metallized surface 32 is formed on the inner surface of the hole 34 of the perforated plate 25, and a metallized surface 33 is formed on one principal surface (the upper surface in FIG. 5). A metallized surface 35 is formed on the surface of the block 29 on the side in contact with the tapered ceramic bar 21. The portion of the tapered ceramic rod 21 where the metallized surface 31 is formed is inserted into the hole 34 of the perforated plate 25 and sandwiched by the block 29, and the metallized surfaces 31, 32, and 35 are fixed by brazing. As the brazing used for brazing, a fluorine gas-resistant gold brazing is preferable. The reason is that in an ultraviolet laser, a fluorine gas is often contained in a laser gas, and silver braze reacting with the fluorine gas is not preferable.
[0015]
As the material of the perforated plate 25 and the block 29, it is desirable to use the same kind of ceramic as the tapered ceramic rod 21 or a metal such as titanium having a linear expansion coefficient equivalent to this. In this case, by making the linear expansion coefficients of the materials of the tapered ceramic rod 21, the perforated plate 25 and the block 29 equal or close to each other, the perforated plate 25 and the block 29 are less likely to be cracked during brazing. If a material other than ceramic is used as the material of the perforated plate 25 and the block 29, for example, stainless steel which is fluorine resistant and inexpensive, the linear expansion coefficient is 7.9 × 10 of ceramic. ^-6 14.7 × 10 / K ^-6 / K, which is about twice as large, making brazing difficult. This is because, when brazing, the temperature rises to a maximum of more than 1200 ° C., and the amount of deformation of the material dimensions that occurs when the brazing is cooled to room temperature is limited by the tapered ceramic rod 21, the perforated plate 25, and the block 29. This is because the difference greatly varies depending on the difference in linear expansion coefficient.
It is also preferable that the same ceramic as the tapered ceramic rod 21 is used as the material of the perforated plate 25, and that the two are integrally formed. In this case, the structure is such that the collar member protrudes from the center of the tapered ceramic rod 21 (the portion between the chamber and the waveguide). In such an integrated structure, the material is not limited to ceramic, but may be another dielectric material as described above.
The metallized surface 33 formed on one main surface of the perforated plate 25 is a surface that comes into contact with the flange portion 70 of the tapered waveguide 7 as shown in FIGS. 4A and 4B. As a result, the flange portion 70 of the tapered waveguide 7 and the perforated plate 25 come into electrical contact with each other, so that the microwaves M propagating inside the tapered waveguide 7 are introduced into the tapered ceramic rod 21 without leaking. You can proceed. Therefore, the microwave M can be efficiently emitted to the outside from the slit portion 24 at the tip of the tapered ceramic rod 21.
As shown in FIGS. 4 and 1, when the microwave M is injected into the tapered waveguide 7, the microwave M propagates from the tapered waveguide 7 to the tapered ceramic rod 21, A microwave having a high power density is emitted from the slit portion 24 at the tip of. The microwave is injected into the chamber 8 and excites a laser gas in the chamber 8 to generate a plasma 28. Ultraviolet laser light L1 is extracted from the plasma 28 in the Z-axis direction.
[0016]
The region where the plasma 28 is generated changes depending on the configuration of the tapered ceramic bar 21 and the presence or absence of the block 29. This will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram in which the block 29 in FIG. 4A is omitted. As shown in FIG. 6, when there is no block 29, if a slight gap is formed between the tapered ceramic rod 21 and the chamber body 30, plasma is generated in the gap by microwaves, and the tapered ceramic rod 21 is removed. The plasma 28 spreads along the length direction. This is because the plasma 28 tends to spread along the metal surface. When the generation of the plasma 28 spreads in the gap between the tapered ceramic rod 21 and the chamber body 30, the efficiency of exciting the laser gas by the plasma 28 decreases, and the power of the ultraviolet laser light L1 generated and generated decreases. This phenomenon occurs regardless of whether the tapered ceramic bar 21 in the chamber 8 has the metallized portion 23 or not.
On the other hand, as shown in FIGS. 4A and 4B, when the ceramic block 29 is brazed to the metallized portions 23 on the four side surfaces of the tapered ceramic rod 21 in the chamber 8, the plasma 28 becomes It is concentrated and thinly generated in the vicinity of the slit portion 24 at the tip of 21 and does not spread into the chamber 8. Therefore, since the plasma density can be increased, the ultraviolet laser beam L1 can be extracted with high power in the Z-axis direction, and a high excitation density required for continuous operation of the laser can be achieved. It is also effective to adopt a straight configuration as will be described later with reference to FIGS.
[0017]
(Example 2)
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a waveguide and a tapered ceramic rod of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 2 of the present invention. 2 are given the same reference numerals. The difference from FIG. 2 is that the waveguide is not a tapered waveguide but a straight waveguide 41 having no taper.
In this embodiment, since the tapered ceramic rod 21 in the straight waveguide 41 has the tapered portion 22, the cross-sectional area of the air path as the propagation medium of the microwave in the straight waveguide 41 is the microwave. , While the cross-sectional area of the ceramic serving as a propagation medium by the tapered ceramic rod 21 gradually increases in the direction in which the microwave travels. Therefore, the microwave injected into the straight waveguide 41 propagates from the straight waveguide 41 to the tapered ceramic rod 21 as in the case of FIG. Other configurations and operations are the same as those in FIG.
According to this embodiment, since the ordinary straight waveguide 41 is used as the waveguide, it can be manufactured at low cost.
[0018]
(Example 3)
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a waveguide and a tapered ceramic rod of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 3 of the present invention. The same parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. The difference from FIG. 7 is that the shape of the tapered portion 43 of the tapered ceramic rod 42 is tapered only in one direction in the X direction, and is not tapered in the Z direction.
Also in this embodiment, since the tapered ceramic rod 42 in the straight waveguide 41 has the tapered portion 43 having a taper formed in the X direction, the microwave propagation medium in the straight waveguide 41 is The cross-sectional area of the air path gradually decreases in the traveling direction of the microwave, while the cross-sectional area of the ceramic serving as the propagation medium by the tapered ceramic rod 42 gradually increases in the traveling direction of the microwave. Therefore, the microwave injected into the straight waveguide 41 propagates from the straight waveguide 41 to the tapered ceramic rod 42 in the same manner as in FIGS. Other configurations and operations are the same as those in FIG.
According to the present embodiment, as in the second embodiment, since the ordinary straight waveguide 41 is used as the waveguide, it can be manufactured at low cost.
[0019]
(Example 4)
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a waveguide and a tapered ceramic rod of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 4 of the present invention.
In this embodiment, the tapered portion 22 of the tapered ceramic rod 45 is inserted into the straight waveguide 41. The metallized portion 46 of the tapered ceramic rod 45 on the chamber 8 side is hardly tapered and is formed substantially in a straight shape. As a result, the area of the cross section of the tapered ceramic rod 45 where the microwaves travel does not decrease with respect to the direction of the microwave propagation, so that the microwave power density inside the tapered ceramic rod 45 is suppressed, and the tapered ceramic rod 45 45 is characterized by high microwave resistance.
As shown in FIG. 10, the tapered ceramic rod 45 has an alumina surface 47 welded to the outside of the metallized portion 46 forming the waveguide on the chamber 8 side. A slit 48 is formed in the alumina surface 47 so that the ceramic of the tapered ceramic bar 45 is exposed at the tip of the tapered ceramic bar 45, and the microwave is emitted from the slit 48. By welding the alumina surface 47 to the outside of the metallized portion 46, the plasma generated by the microwave emitted from the slit 48 does not spread in the left-right direction, so that the plasma density can be increased. The configuration such as the dimensions of the slit 48 is the same as that of the slit portion 24 described with reference to FIG. Further, in the first, second, and third embodiments, it is also effective to attach the alumina layer 47 to the surface of the metallized portion 23 of the tapered ceramic rods 21, 42 on the chamber 8 side.
[0020]
(Example 5)
FIG. 11 is a Z-axis sectional view showing a part of the tapered waveguide 7 and a part of the chamber 8 of the microwave pumped ultraviolet gas laser device according to the fifth embodiment of the present invention. The tapered ceramic rod 51 in this embodiment has a shape in which the tapered ceramic rod 21 and the perforated plate 25 shown in FIGS. 4A and 4B are integrated. That is, a flange is formed at the center of the tapered ceramic rod 51 so as to protrude over the entire circumference, and the O-ring 52 is brought into contact with the flange to seal.
The feature of this embodiment is that it is not necessary to braze the perforated plate 25 as in the first and fourth embodiments, and the manufacture is facilitated. When the perforated plate 25 is brazed, it is necessary to deposit nickel on the surface of the tapered ceramic rod 21 and metallize it. However, nickel is not very conductive among metals, and its electric resistance is low. Since it is 10.3 / Ωm at 100 ° C., the current flowing on the surface of the tapered ceramic rod 21 becomes small, and the loss of the microwave propagating inside tends to increase. However, in this embodiment, since the brazing is not required, the metallization of the tapered ceramic rod 51 can be performed by welding a gold paste 53. Since the electric resistance of gold is 2.88 / Ωm at 100 ° C., which is as small as 1/3 or less of that of nickel, current can easily flow through the surface by welding the gold paste 53 directly to the ceramic surface, and the tapered shape is obtained. The loss of the microwave propagating inside the ceramic rod 51 can be reduced. Note that, instead of the gold paste, another metal having high electric conductivity, for example, copper having high electric conductivity and a lower cost may be used.
In addition, by further welding alumina at a position facing the inside of the chamber body 54 in the portion where the gold paste 53 is welded, the plasma 55 generated by the microwave can be prevented from spreading.
[0021]
(Example 6)
FIGS. 12A and 12B show a tapered waveguide 7 and a part of a chamber 8 of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to a sixth embodiment of the present invention. FIG. It is an axial sectional view.
In this embodiment, when the end of the tapered ceramic rod 61 from which the microwave is emitted is viewed from the Z-axis direction perpendicular to the microwave traveling direction Y, it is formed in a T-shape as shown in FIG. Have been. The T-shaped end is covered with a perforated member 62 exposing at least a part of the T-shaped tip surface. The surface (upper surface) of the holed member 62 in contact with the flange portion 70 of the tapered waveguide 7 is metallized (not shown). The perforated member 62 is sealed to the chamber body 30 by an O-ring 63. The upper brim portion of the holed member 62 is pressed by a flange portion 70 at the end of the tapered waveguide 7, and the flange portion 70 is fixed to the chamber body 30 by bolts 64.
The laser gas in the chamber 8 is excited by microwaves emitted from the tip of the T-shaped portion of the tapered ceramic rod 61 to generate plasma 65, from which ultraviolet laser light is extracted in the Z-axis direction.
[0022]
FIGS. 13A and 13B are conceptual diagrams illustrating a method of manufacturing the tapered ceramic rod 61 and the holed member 62 as an integral part. FIG. 13A is a perspective view, and FIG. 13B is a Z-axis sectional view. A T-shaped portion 66 is formed at the chamber-side end of the tapered ceramic rod 61 when viewed from the Z-axis direction, while a hole formed in the holed member 62 is a T-shaped portion of the tapered ceramic rod 61. A through hole 67 having a shape that fits with the portion 66 is formed. Metallized surfaces 68 and 69 are formed on the surface of the T-shaped portion 66 and the inner surface of the through-hole 67, and the T-shaped portion 66 of the tapered ceramic rod 61 is inserted into the through-hole 67 of the holed member 62. The metallized surfaces 68, 69 are fixed by brazing to form an integral part.
[0023]
As shown in FIG. 14, the dimension of the T-shaped portion 66 of the tapered ceramic rod 61 is equal to the length H of the foot of the T-shaped portion 66 and is 足 times the guide wavelength λg of the microwave passing therethrough. Is preferable. Also, assuming that the lateral length of the T-shaped part 66 is D1, the length of the foot is D2, and the slit length at the tip is D3, D3 is set to a value close to the square root of the product of D1 and D2. The reflection of the microwave propagating in the tapered ceramic rod 61 toward the chamber can be suppressed. That is, the T-shaped portion 66 can function as a λg / 4 type transformer. A λg / 4 transformer is the length of the square root of the product of b1 and b2 between two waveguides of different lengths (length b1 and length b2) to match them. And a waveguide having a length H of λg / 4. In this embodiment, since the slit having the length D3 can be considered as a waveguide having a length of b2, the provision of the T-shaped portion 66 having the above-described size allows the microwave to pass through the T-shaped portion without reflection. be able to.
For example, if D1 = 16 mm and D3 = 0.4 mm, D2 = 2.5 mm. H = λg / 4 = 12 mm.
The lengths D1, D2, and D3 of the respective portions of the T-shaped portion 66 do not need to be set exactly according to the above-described conditions, and if the size of D3 is between D1 and D2, the length slightly deviates from the above-described condition values. Also function as a microwave matching device and can suppress reflection. However, the length H of the foot needs to be within a range having a matching action at about １／ of λg. For example, when the length H of the foot is increased to の of λg, the reflected wave is increased. Therefore, in this embodiment, it is preferable that the length H of the foot be 1/8 to 3/8 (approximately 1/4) times λg. According to experiments, λg / 4 is not always optimal, and it is often the case that a wavelength shorter than λg / 4 by about 1 mm actually results in higher microwave emission efficiency. This is because the actual propagation characteristics of microwaves are often slightly different from the official dimensions, and it is preferable to determine the optimum dimensions after actually measuring the waveguide properties of the microwaves.
The tapered ceramic rod 61 has a length of D3 exposed at the end surface of the T-shaped portion 66 in order to emit microwaves. That is, the metallization 68 covers the outside of the length of D3. In the work of peeling the metallized 68 by the length of D3, first, the entire front end surface of the T-shaped portion 66 is covered with the metallized 68, and then the metallized 68 is cut by the length of D3. Further, when the tapered ceramic rod 61 is manufactured, the tip of the T-shaped part 66 is finished in advance so as to leave a projection of about 1 mm by the length of D3 on the tip end of the T-shaped part 66. The protrusion may be removed after the metallization 68 is formed on the entire surface. With the latter method, the length of D3 from which the metallized 68 has been removed can be more accurately created.
As in the present embodiment, the microwave emission side of the tapered ceramic rod 61 can be T-shaped, and the T-shaped portion can be covered with the holed member 62. As a result, when the tapered ceramic rod 61 and the holed member 62 are brazed, the brazing does not flow down, so that the brazing is facilitated.
[0024]
(Example 7)
FIG. 15 is a perspective view of a portion for guiding microwaves into a laser chamber in a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 7 of the present invention. In this embodiment, a straight waveguide 71 having a length of about 1/4 of the guide wavelength λg is connected to the exit of the L-shaped waveguide 6 shown in FIG. The tube 72 is connected. Inside the tapered waveguide 72, a tapered ceramic rod 73 having a T-shaped tip as described with reference to FIGS. The metallization is stripped off at the tip of the T-shape into a slit with a narrow width, and the microwave 75a travels from the L-shaped waveguide 6 through the waveguide 71, the tapered waveguide 72, and the tapered ceramic rod 73. Are emitted as microwaves 75b from the slit at the T-shaped tip.
In the present embodiment, a straight waveguide 71 having a cross section smaller than the cross section of the L-shaped waveguide 6 is connected to the L-shaped waveguide 6, and the length of the straight waveguide 71 is approximately one of the guide wavelength λg. / 4, it functions as a λg / 4 transformer. Therefore, the incident microwave 75a can travel with little reflection. By applying the λg / 4 transformer in this manner, the sectional dimensions of the tapered waveguide 72 and the tapered ceramic rod 73 can be reduced. As a result, the cross-sectional area of the microwave 75b emitted into the chamber 8 can be further reduced, so that the microwave power per unit area increases and high-density plasma is easily generated. Further, since the length of the tapered ceramic rod 72 can be reduced, the loss of microwaves in the tapered ceramic rod 72 can be reduced, and the microwave transmission efficiency can be improved.
[0025]
(Example 8)
Next, an embodiment of an exposure apparatus using the microwave-excited excimer laser apparatus 100 of the present invention shown in FIG. 1 as an exposure light source will be described with reference to FIG.
FIG. 16 is a configuration diagram of the exposure apparatus 200. In the exposure apparatus 200, the microwave-excited excimer laser apparatus 100 shown in FIG. An exposure light source 81 and an exposure machine main body 82 constituting the exposure apparatus 200 are installed on a grating 83.
The ultraviolet laser light L1 extracted from the exposure light source 81 travels into the exposure device main body 82, is reflected by the mirror 84a, travels upward, and travels through the homogenizing optical system 85. As a result, a laser beam L2 having a uniform light intensity distribution in the beam cross section is produced, reflected by the mirror 84b, advances to the shaping optical system 86, and is expanded. The laser light L3 emitted therefrom is reflected by the mirror 84c, passes through the condenser lens 87, and enters the reticle 88. The laser light L4 emitted from the reticle 88 passes through the reduction projection lens 89 to become a laser light L5, and the laser light L5 irradiates the wafer 90 coated with the resist. At this time, the light having the pattern on the reticle 88 is transferred onto the wafer 90 to be exposed in a pattern. The wafer 90 is placed on the stage 91, and the wafer 90 can be instantaneously moved for each exposure shot.
In this embodiment, since the microwave-excited excimer laser device 100 is used as the exposure light source 81, the laser light L1 used is a continuous wave. Therefore, no damage occurs to optical components such as the uniformizing optical system 85, the shaping optical system 86, the condenser lens 87, and the reduction projection lens 89. In particular, in the microwave-excited excimer laser device 100, which is the exposure light source 81, the power of the microwave can be used for generating the plasma more efficiently than in the conventional device, so that the output of the laser light is improved. As a result, the exposure processing speed of the exposure apparatus 200 is improved. When a conventional pulse-type excimer laser is used as an exposure light source, an increase in laser output increases damage to the above-described various optical components and may shorten the life, but according to the present embodiment, Even if the laser power from the exposure light source 81 is increased, the life of the optical components in the exposure machine main body 82 is not shortened.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, a tapered ceramic rod is disposed over both the internal space of the waveguide for propagating microwaves and the chamber filled with the laser gas, and the ceramic rod has a chamber side other than the microwave emission port. By applying metallization to the surface of the substrate, the microwave transmitted through the air in the waveguide is made incident on the tapered ceramic rod, and the laser gas is excited only in a small and small area by the microwave emitted from the emission port. Can be. Accordingly, microwaves with sufficiently high power density can be emitted, and a high excitation density required for continuous operation of the laser can be achieved.
Further, by brazing the tapered ceramic rod to a perforated plate made of a material having the same coefficient of thermal expansion as that of the ceramic and attaching it to the chamber, the two members to be brazed can have the same coefficient of thermal expansion. When attaching, not only the tapered ceramic bar but also the perforated plate does not crack.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a microwave-excited excimer laser device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a tapered waveguide and a tapered ceramic rod disposed inside the waveguide according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a slit portion of the tapered ceramic rod according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a connection portion between the tapered waveguide and the tapered ceramic rod and the chamber according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a method of manufacturing a tapered ceramic rod, a perforated plate, and a block as an integral part in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a tapered waveguide and a connecting portion between a tapered ceramic rod and a chamber for describing a plasma generation region according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a waveguide and a tapered ceramic rod of a microwave pumped ultraviolet gas laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a configuration of a waveguide and a tapered ceramic rod of a microwave pumped ultraviolet gas laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a waveguide and a tapered ceramic rod of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a part of a connecting portion between a tapered ceramic rod and a chamber of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a tapered waveguide and a part of a chamber of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a part of a connection portion between a tapered waveguide and a chamber of a microwave pumped ultraviolet gas laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a manufacturing method for manufacturing a tapered ceramic rod and a holed member as an integral part of a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 14 is a partially enlarged view of FIG.
FIG. 15 is a perspective view of a portion for guiding microwaves into a laser chamber in a microwave-excited ultraviolet gas laser device according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram of an embodiment of an exposure apparatus using the microwave-excited excimer laser apparatus of the present invention as an exposure light source.
FIG. 17 is a configuration diagram of a conventional microwave-excited ultraviolet laser device.
[Explanation of symbols]
2 Microwave oscillator
3, 3a, 3b waveguide
4 Isolator
5 Tuner
6 L-shaped waveguide
7,72 tapered waveguide
8 chambers
9 Gas circulation route
10 Blower
11 Heat exchanger
21, 42, 45, 51, 61, 73 Tapered ceramic rod
22, 43 Tapered part
23, 46 Metallization section
24 slit section
25 holes
27, 52, 63 O-ring
28, 55, 65 Plasma
29 blocks
30, 54 Chamber body
31, 32, 33, 35, 68, 69 Metallized surface
41, 71 straight waveguide
47 Alumina surface
48 slit
53 gold paste
62 holes
66 T-shaped part
70 Flange
81 Exposure light source
82 Exposure machine body
83 Grating
84a, 84b mirror
85 Uniform optical system
86 Shaping optics
87 condenser lens
88 reticle
89 Reduction Projection Lens
90 wafers
91 stages
100 Microwave-excited excimer laser device
200 Exposure equipment

Claims

A waveguide for propagating microwaves, a gas circulation path for circulating a laser gas, and a chamber forming a part of the gas circulation path and introducing a microwave from the waveguide to generate laser light. A microwave-excited gas laser device, wherein a member made of a material that transmits microwaves is installed so as to extend from the inside of the chamber-side tip of the waveguide to the inside of the chamber, and the member is the waveguide. A first portion extending inside the tube tip is provided with a tapered portion to receive microwaves propagating through the waveguide, and emit microwaves into the chamber from the second portion extending into the chamber to form a chamber. A microwave-excited gas laser device for exciting a laser gas in the inside.

2. The micro-device according to claim 1, wherein a conductive layer is provided on a side surface of the second portion of the extending member, and microwaves are emitted into the chamber from a distal end surface of the second portion. 3. Wave-excited gas laser device.

The microwave emission region on the distal end surface of the second portion of the extending member has a slit shape having a width of １／ or more of the wavelength of the microwave in the extending member. The microwave excited gas laser device according to claim 2.

The said 2nd part of the said extending member is also provided with the electric conductor layer except the said slit-shaped microwave emission area | region also in the said front-end | tip surface, The claim | item 3 characterized by the above-mentioned. Microwave-excited gas laser device.

The chamber-side tip portion of the waveguide is formed of a cylindrical tube having a rectangular cross section, and a taper is formed in which the opening area gradually decreases along the traveling direction of the microwave injected from one opening. The microwave-excited gas laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein:

The microwave excitation according to any one of claims 1 to 4, wherein the front end portion of the waveguide on the chamber side is a straight waveguide formed of a cylindrical tube having a rectangular cross section. Gas laser device.

7. The microwave-excited gas laser device according to claim 5, wherein the first portion of the extending member has a taper whose cross-sectional area gradually increases along the traveling direction of the microwave. .

The microwave-excited gas laser device according to claim 7, wherein a means for preventing gas in the chamber from leaking into the waveguide is provided between the chamber and the waveguide.

The means for preventing is provided between the first portion and the second portion of the extending member, and is the same material as the extending member or a material having the same coefficient of thermal expansion as the extending member. The microwave-excited gas laser device according to claim 8, comprising a brim-shaped member constituted by:

The microwave-excited gas laser device according to claim 9, wherein the extending member is made of ceramic.

11. The microwave-excited gas laser device according to claim 9, wherein the extending member and the brim-shaped member are integrally formed of the same material.

2. The largest cross-sectional area of the tapered portion in the first portion of the extending member is substantially equal to a cross-sectional area of a portion of the waveguide tip that contacts the chamber. 3. The microwave-excited gas laser device according to claim 10.

The microwave excitation according to any one of claims 1 to 11, wherein the second portion of the extending member has a reduced cross-sectional area in a direction in which the microwave travels. Gas laser device.

The second portion of the extending member is configured such that its cross-sectional area does not substantially change in the traveling direction of the microwave except for a tip portion thereof, the second portion of the extending member. The microwave-excited gas laser device according to any one of the above.

An exposure apparatus using the microwave-excited gas laser device according to any one of claims 1 to 14 as a light source.