JP2009246089A - マイクロ波励起ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良くレーザ発振できるマイクロ波励起ガスレーザ装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置１００は、略直線状の貫通孔１０ａを有する誘電体からなるマイクロ波共振器１０と、貫通孔１０ａ上に光軸を配置したレーザ共振器と、貫通孔１０ａ中に満たされたレーザガスとを備える。また、マイクロ波共振器１０は円筒状であり、貫通孔１０ａは、マイクロ波共振器１０の中心軸上に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波励起ガスレーザ装置に関し、特に紫外域のレーザ光を連続的に発生できるマイクロ波励起ガスレーザ装置に関する。

従来から、ガスレーザの励起源としてマイクロ波を用いたマイクロ波励起ガスレーザが知られている。このマイクロ波励起ガスレーザ装置としては、例えばＸｅＣｌエキシマレーザなどがある。特許文献１に記載のマイクロ波励起ガスレーザでは、マイクロ波導波管内にレーザガスを導いて共振器を構成する構造がとられている。

また、他の従来のマイクロ波励起ガスレーザでは、図８に示すように、レーザガスを満たした細長いガラスチューブ１を２枚の細長い板状の電極２で挟み、これらの電極２をマイクロ波の電源３と接続する構造をとる場合もある。このマイクロ波励起ガスレーザにおいては、一対の電極２板の間でマイクロ波放電が発生する。これによりガラスチューブ１内のレーザガスに対して電界が印加され、プラズマが発生しレーザ動作する。これに関しては、特許文献２に示されている。
米国特許第４９５５０３５号明細書 米国特許第５０６２１１６号明細書

従来のマイクロ波励起ガスレーザでは、レーザ共振器を空洞状のマイクロ波導波管あるいはマイクロ波共振器中に配置する構造になっていた。このため、マグネトロン等のマイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、レーザガスが満たされるレーザ共振器内に供給するために、マイクロ波は通過できるがレーザガスを遮断する絶縁体等から成るウインドで仕切る必要がある。しかしながら、レーザ出力を増大させるために、マイクロ波のパワーを増大させると、該ウインドが温度上昇して熱的に破壊することがあり、レーザの高出力化が困難であるという問題があった。

また、図８に示すようなガラスチューブ１を用いた場合、向かい合った一組の電極２間で形成された電界が印加される空間に対して、ガラスチューブ１内のガスが満たされた領域が占める体積の割合が小さい。このため、ガラスチューブ１内で生成させるプラズマの発生効率が悪かった。特に、細長いプラズマを形成しようとして、ガラスチューブ１の内径を小さくすると（すなわち細長いガラスチューブ１を用いると）、体積的な割合がさらに小さくなるため、プラズマの発生効率が悪化するという問題がある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、効率良くレーザ発振できるマイクロ波励起ガスレーザ装置を提供することである。

本発明の第１の態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置は、略直線状の貫通孔を有する誘電体からなるマイクロ波共振器と、前記貫通孔上に光軸を配置したレーザ共振器と、前記貫通孔中に満たされたレーザガスとを備えるものである。これにより、効率良くレーザ発振できる。

本発明の第２の態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置は、上記のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記マイクロ波共振器は円筒状であり、前記貫通孔は、前記マイクロ波共振器の中心軸上に形成されていることを特徴とするものである。これにより、貫通孔の中心軸上において、マイクロ波の電界強度を大きくすることができる。このため、強いプラズマを発生でき、より効率良くレーザ発振することが可能である。

本発明の第３の態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置は、上記のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記レーザガスとしてエキシマレーザガスを用いることを特徴とするものである。本発明は、このような場合に特に有効である。

本発明の第４の態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置は、上記のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記マイクロ波共振器は、ＴＭ０１ｐモード（ただし、ｐは０又は正の整数）で共振することを特徴とするものである。このように、マイクロ波共振器をＴＭ０１ｐモードで共振させることで、貫通孔の中心軸上において、マイクロ波の電界強度をさらに大きくすることができる。このため、強いプラズマを発生でき、より効率良くレーザ発振することが可能である。

本発明の第５の態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置は、上記のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、前記マイクロ波共振器は、ＴＭ０１０モードで共振することを特徴とするものである。このように、特にマイクロ波共振器をＴＭ０１０モードで共振させることで、貫通孔の中心軸上において、マイクロ波の電界強度を極大化することができる。このため、強いプラズマを発生でき、より効率良くレーザ発振することが可能である。

本発明の第６の態様に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置は、上記のマイクロ波励起ガスレーザ装置において、複数の前記マイクロ波共振器を備え、複数の前記マイクロ波共振器の前記貫通孔が略直線状に並ぶように配置されていることを特徴とするものである。これにより、さらに効率よくレーザ発振することが可能である。

本発明によれば、効率良くレーザ発振できるマイクロ波励起ガスレーザ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置１００の構成を示す図である。また、図２は、マイクロ波励起ガスレーザ装置１００に用いられるマイクロ波共振器１０の構成を示す図である。なお、図２において、円筒状のマイクロ波共振器１０の円筒座標系において、高さ方向をｚ、半径方向をｒ、円周方向をθとする。図１に示すように、マイクロ波励起ガスレーザ装置１００は、マイクロ波共振器１０、メタルコート１１、電源１２、導線１３、金属ホルダー１４、リアミラー１５、フロントミラー１６、Ｏリング１７、注入管１８、排気管１９を備えている。

本実施の形態に用いられるマイクロ波共振器１０は、円筒状の誘電体からなる。マイクロ波共振器１０としては、例えば、アルミナセラミックで形成されたものを用いることができる。アルミナを含有することにより、マイクロ波共振器１０の誘電体損失を小さくすることができる。図２に示すように、マイクロ波共振器１０には、貫通孔１０ａが設けられている。貫通孔１０ａは略直線状であり、マイクロ波共振器１０の中心軸上に、両端面間を貫通するように設けられている。従って、本実施の形態に用いられるマイクロ波共振器１０は、円筒状の中空誘電体である。貫通孔１０ａの直径は１ｍｍ程度が望ましい。

マイクロ波共振器１０の周囲には、メタルコート１１が設けられている。メタルコート１１は、マイクロ波共振器１０の円筒の周囲面及び両端面に設けられている。メタルコート１１としては、例えば、厚さ１０μｍ以上の金コート等が適する。これにより、マイクロ波共振器１０内にマイクロ波を閉じ込めることができる。

マイクロ波共振器１０の両端面側には、リアミラー１５とフロントミラー１６とが設けられている。リアミラー１５とフロントミラー１６とはレーザ共振器を構成する。従って、マイクロ波共振器１０は、レーザ共振器間に設けられている。リアミラー１５とフロントミラー１６とからなるレーザ共振器の光軸は、マイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａ上に配置されている。

マイクロ波共振器１０とリアミラー１５との間、及び、マイクロ波共振器１０とフロントミラー１６との間には、それぞれ金属ホルダー１４がＯリング１７により密着して設けられている。金属ホルダー１４には、略直線状の貫通孔１４ａが設けられている。貫通孔１４ａは、マイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａと直線状に並ぶように配置される。従って、貫通孔１４ａは、リアミラー１５とフロントミラー１６とからなるレーザ共振器の光軸上に配置される。

また、金属ホルダー１４には、注入管１８、排気管１９が設けられている。レーザガスは、注入管１８を介してマイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａ内に注入され、排気管１９から排気される。従って、マイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａは、レーザガスにより満たされる。レーザガスとしては、例えば、ＡｒＦエキシマガスを用いることができる。ＡｒＦエキシマガスは、例えば、Ａｒ、Ｆ２（フッ素）、Ｎｅの混合ガスが好ましい。また、これらの混合比としては、例えば、Ａｒ：Ｆ２：Ｎｅ＝３：０．１：９６．９などが適する。

マイクロ波共振器１０には、導線１３を介して、電源１２が接続されている。電源１２としては、例えば発振周波数２．４５ＧＨｚの高周波電源を用いることができる。マイクロ波共振器１０の内部には、電源１２から導線１３を介してマイクロ波が供給され、常時、インピーダンス整合が取られている。これにより、円筒状のマイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａに満たされたエキシマガスが放電し、プラズマ２０（すなわちエキシマ）が発生してレーザ光Ｌを発振させることができる。なお、電源１２が接続されている回路中にインピーダンスマッチング素子を挿入しても良い。

このように、本発明のマイクロ波励起ガスレーザ装置では、連続的にレーザ光を発生でき、しかもレーザガスとしてエキシマガスを用いることで、波長２００ｎｍ以下の紫外域で動作できる。従って、微小な領域を拡大して光学的に検査するような検査装置の光源として最適であり、例えば、マスク検査装置やウエハ検査装置における検査光源として適している。

ここで、本実施の形態に係るマイクロ波共振器１０内に発生する電界分布について説明する。マイクロ波共振器１０内での電界分布は、以下の式で表される。

ただし、Ｊ_ｍ（ｘ）は第一種ｍ次のベッセル関数、ρ_ｍｎはｍ次のベッセル関数のｎ番目の根を示し、ｋ_ｃ＝ρ_ｍｎ／ａ、ｋ_ｚ＝ｐπ／Ｌ（ｐ＝０、１、２、・・・）である。

これらの式（１）〜（３）から分かるように、マイクロ波共振器１０をＴＭ０１ｐ（ただし、ｐは０又は正の整数）モード（Transverse Magnetic Mode）で共振させることで、貫通孔１０ａが形成されたマイクロ波共振器１０の中心軸上に置いて、マイクロ波の電界強度を極大にすることができる。図３に、マイクロ波共振器１０の中心軸を含む断面内における共振モードの電界分布を示す。図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＴＭ０１ｐモードでは、円筒の中心軸に近いほど等電位線の間隔が密になる電界が強くなる部分が存在する。これにより、マイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａの中心軸上において、マイクロ波の電界強度を極大値とすることができる。このため、強いプラズマを発生でき、より効率良くレーザ発振することが可能である。

図３（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示されるＴＭ０１１モード、ＴＭ０１２モード、ＴＭ０１３モードでは、円筒の中心軸において、等電位線の間隔が密になる部分と疎になる部分とがある。すなわち、これらのモードでは、マイクロ波共振器１０の中心軸において、電界強度が極大値となる部分と、極大値とならない部分が存在する。一方、図３（ａ）に示すように、ＴＭ０１０モードでは、マイクロ波共振器１０のｚ方向に平行な電界が発生し、円筒の中心軸に近いほど等電位線の間隔が密になり電界が強くなる。このように、特にｐ＝０で共振させることで、マイクロ波共振器１０の中心軸上の全てにわたって、電界強度を極大値とすることができる。このため、マイクロ波共振器１０の共振モードは、ＴＭ０１０モードであることが好ましい。これにより、貫通孔１０ａを形成したマイクロ波共振器１０の中心軸上の全てにわたって、マイクロ波の電界強度を極大にすることができ、強いプラズマ２０を発生させ、さらに効率よくレーザ発振することが可能となる。

ただし、以下に説明するように、マイクロ波共振器１０をＴＭ０１０モードとする場合、ｚ方向（軸方向）の長さ（すなわち円筒の長さ）を、あまり長くすることができない。ここで、図４及び図５を参照して、マイクロ波共振器１０のサイズについて説明する。図４に示すように、マイクロ波共振器１０のｚ方向の長さをＬとし、直径を２ａとする。マイクロ波共振器１０を所定のサイズに調整することにより、ＴＭ０１ｐモードの共振を実現することができる。ｆをマイクロ波の周波数、ｃをマイクロ波共振器１０中での光の速さとすると、以下の式が成り立つ。

図５に、比誘電率が９．８のセラミックを用いて、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を共振させる場合に関して、式（４）により計算した結果を示す。図５中、実線上ではＴＭ０１０モードで共振する。また、長鎖線上ではＴＭ０１１モード、短鎖線上ではＴＭ０１２モードで共振し、一点鎖線上ではＴＭ０１３モードで共振する。

図４に示すように、直径２ａ＝３０ｍｍ、長さＬ＝１７ｍｍのサンプルＡは、図５中Ａ点で示される。また、直径２ａ＝３０ｍｍ、長さＬ＝３０ｍｍのサンプルＢは、図５中Ｂ点で示される。サンプルＡ及びサンプルＢは、いずれもＴＭ０１０モードで共振する。直径２ａ＝４０ｍｍ、長さＬ＝３０ｍｍのサンプルＣはＣ点で示され、ＴＭ０１１モードで共振する。また、直径２ａ＝５０ｍｍ、長さＬ＝５０ｍｍのサンプルＤはＤ点で示され、ＴＭ０１２モードで共振する。

図５に示すように、Ｂ点ではＡ点と比較すると、他の共振モードが立ちやすい。このため、Ａ点のほうが、安定的にＴＭ０１０モードで共振させることができる。このように、特定のＴＭ０１ｐモードで共振している場合、一般的に長さが短いほど安定して、当該共振モードで共振することができる。このため、マイクロ波共振器１０のｚ方向の長さＬは、なるべく短いほうが好ましい。

従って、マイクロ波共振器１０としては、例えば、直径約３０ｍｍ、長さ約１７ｍｍのものを用いることができる。マイクロ波共振器１０の比誘電率が９．７であることから、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給することで、ＴＭ０１０モードで共振させることができ、効率よくレーザ発振させることができる。

ここで、マイクロ波励起ガスレーザ装置１００に用いられるマイクロ波共振器１０の他の構成について、図６を参照して説明する。図６は、円筒状のマイクロ波共振器１０'の他の構成を示す図である。図６（ａ）はマイクロ波共振器１０'の中心軸を含む面で切断した断面図、同図（ｂ）は中心軸に垂直な面で切断した断面図を示す。

図６に示すように、マイクロ波共振器１０'は、半円筒状の２枚の誘電体を組み合わせた構成を有している。それぞれの半円筒状の誘電体の対向する面には、２つの誘電体を組み合わせてマイクロ波共振器１０を形成するときにその中心軸上に貫通孔１０ａが形成されるように、凹部が設けられている。このように、円筒状の誘電体を２分割した形状の誘電体を組み合わせてマイクロ波共振器１０'を形成することにより、マイクロ波共振器１０'の中心軸上に貫通孔１０ａを形成する作業が容易になる。

また、ここでは、上述したマイクロ波共振器１０のように周囲にメタルコート１１を施す代わりに、マイクロ波共振器１０'の周囲を金属ケース２１で覆っている。つまり、２枚の半円筒状の誘電体は、凹部が形成された面が対向するように配置され、円筒状の金属ケース２１内に収められている。金属ケース２１としては、例えば、ステンレス鋼で形成されたものを用いることができる。従って、金属ケース２１の内部に配置されたマイクロ波共振器１０'は、メタルコートされていない通常のアルミナセラミックからなる。なお、金属ケース２１はステンレス鋼だけでなく、アルミニウム、銅等他の金属により形成されていてもよい。このように、凹部を有する誘電体を組み合わせて、金属ケースに収納することにより、容易に貫通孔１０ａを備えるマイクロ波共振器１０'を作製することができる。なお。誘電体の分割数は２つに限らず、さらに多くの分割数としてもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置２００について、図７を参照して説明する。図７は、本実施の形態に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置２００の構成を示す図である。実施の形態１において説明したように、マイクロ波共振器１０をレーザ発振器として利用する場合、マイクロ波共振器１０の円筒の長さが短くなると、ゲイン長が短くなる。本実施の形態では、上述の円筒状中空誘電体からなるマイクロ波共振器１０を直列に複数個並べ、レーザの高出力化を図る。

図７に示すように、マイクロ波励起ガスレーザ装置２００は、複数個のマイクロ波共振器１０を備えている。ここでは、３個のマイクロ波共振器１０が直列に配置されている例について説明する。各マイクロ波共振器１０の貫通孔１０ａは、リアミラー１５とフロントミラー１６からなるレーザ共振器の光軸上に配置される。各マイクロ波共振器１０は、上述のようにＴＭ０１０モードで共振することができる円筒状中空誘電体と同じ構造、サイズとする。これにより、これら３個のマイクロ波共振器１０のそれぞれの中心軸上の貫通孔１０ａにおいて、強いプラズマ２０を発生させることができる。このため、レーザ光Ｌの出力を大幅に増大させることができる。

このように、本実施の形態によれば、マイクロ波共振器１０をＴＭ０１０モードとする場合においても、マイクロ波共振器１０をｚ方向に多数並べて、これらをレーザ共振器内に配置することで、利得を増大でき、効率良くレーザ発振できる。

以上説明したように、本発明によれば、共振させたマイクロ波における電界強度の強い場所にレーザガスを流すことができるため、効率良くレーザ発振できる。しかも、レーザ光が通過する空間（貫通孔１０ａ）以外に存在するマイクロ波は、誘電体（マイクロ波共振器１０）中だけである。このため、マイクロ波がレーザガス以外の気体（例えば空気）中で放電するようなことはない。

なお、上述の説明においては、円筒状のマイクロ波共振器について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、方形状のマイクロ波共振器を用い、所定の位置に貫通孔を設けることにより、同等の効果を得ることができる。

実施の形態１に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置に用いられるマイクロ波共振器の構成を示す図である。 マイクロ波共振器における各共振モードの電界分布を示す図である。 ＴＭ０１ｐモードを実現するためのマイクロ波共振器のサイズを示すチャートである。 実施の形態１に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置に用いられるマイクロ波共振器における発振モードを説明するための図である。 実施の形態１に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置に用いられるマイクロ波共振器の他の構成を説明するための図である。 実施の形態２に係るマイクロ波励起ガスレーザ装置の構成を示す図である。 従来のマイクロ波励起レーザの構成を示す図である。

符号の説明

１０ マイクロ波共振器
１０' マイクロ波共振器
１０ａ 貫通孔
１１ メタルコート
１２ 電源
１３ 導線
１４ 金属ホルダー
１５ リアミラー
１６ フロントミラー
１７ Ｏリング
１８ 注入管
１９ 排気管
２０ プラズマ
２１ 金属ケース
１００ マイクロ波励起ガスレーザ装置
２００ マイクロ波励起ガスレーザ装置
Ｌ レーザ光

Claims (6)

1. 略直線状の貫通孔を有する誘電体からなるマイクロ波共振器と、
   前記貫通孔上に光軸を配置したレーザ共振器と、
   前記貫通孔中に満たされたレーザガスとを備えるマイクロ波励起ガスレーザ装置。
2. 前記マイクロ波共振器は、円筒状であり、
   前記貫通孔は、前記マイクロ波共振器の中心軸上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
3. 前記レーザガスとしてエキシマレーザガスを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
4. 前記マイクロ波共振器は、ＴＭ０１ｐモード（ただし、ｐは０又は正の整数）で共振することを特徴とする請求項１、２又は３に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
5. 前記マイクロ波共振器は、ＴＭ０１０モードで共振することを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
6. 複数の前記マイクロ波共振器を備え、
   複数の前記マイクロ波共振器の前記貫通孔が略直線状に並ぶように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。

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