JP2010010552A - 高繰返し高出力パルスガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数組の電極を配置して交互発振するガスレーザ装置において、レーザ光がガス密度が希薄化した部分を通ることによって生ずるエネルギー損失をなくした高繰返し高出力が可能なパルスガスレーザ装置を提供すること。
【解決手段】 レーザガスが封入されたチャンバ３０内に複数組の一対の電極３０ａ〜３０ｄと、クロスフローファン３１を設け、電極３０ａ〜３０ｄへパルス状の電圧を順次印加して放電を発生させ、リアミラー３６とフロントミラー３７で構成される共振器で共振させて、発振段レーザ１００から注入されるレーザ光を増幅して出力する。クロスフローファン３１によるレーザガスの流速は、上記電極３０ａ〜３０ｄの内の一対の電極間で放電が発生した時に生じるガス密度の希薄化部分が、次に電極間で放電が発生するまでに、該放電により生ずるレーザ光の光路外に移動するように流速とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高繰返し高出力パルスガスレーザ装置に関し、特に、露光装置用エキシマレーザ装置に関するものである。

半導体デバイスの高集積化の要求に対応するため、半導体露光装置用光源には、エキシマレーザ装置が用いられている。
近年、露光装置のスループット向上と回路パターンの超微細化のため、特許文献１、特許文献２等に示されるように、発振段用レーザ及び増幅段用レーザを備えたダブルチャンバシステムで高出力化が計られている。
今後、半導体デバイスの高集積化が進んで３２ｎｍノードプロセスになると、露光装置は液浸技術による高ＮＡ（１．３〜１．５）化とダブルパターニング等の技術の導入が必要になる。この３２ｎｍノード対応露光装置の高スループット化のため、ＡｒＦエキシマレーザには、高繰返し周波数（１０ｋＨｚ以上）かつ高出力（１００Ｗ以上）が要求されている。

ダブルチャンバシステムは、高出力化の要求に答えるため、高光品位（スペクトル性能など）、小出力のレーザ光をつくる発振段レーザと、そのレーザ光を増幅する増幅段レーザで構成されている。ダブルチャンバシステムの形態としては、増幅段チャンバに共振器ミラーを設けないＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）方式と共振器ミラーを設けるＭＯＰＯ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）方式とに大別される。

３２ｎｍノードプロセス用の露光装置用光源には１０ｋＨｚ以上の繰返し周波数が要求されている。高繰返し動作での問題は、放電安定性である。エキシマレーザは間欠的に放電を起こして、レーザガスを励起し、レーザ発振させる。この時、繰返し周波数を増加させて放電間隔を短くすると、放電は正常なグロー放電からストリーマ放電、アーク放電への変化し、不安定になる。これは、放電時の瞬間的な熱膨張によるガス密度の希薄化と、放電によって生成されるイオン、活性種、電極からの飛散ダストなどの残留によって、放電抵抗が著しく低下するためである。放電が不安定になると利得が不均一で小さくなり、エネルギーが低下する。

図８にガスレーザ装置のレーザチャンバの断面図を示す。
レーザチャンバ１０１の中には電極間にレーザガスを流すためのクロスフローファン１２１と放電したレーザガスを冷却するための熱交換器１２２と放電励起させるためのアノード１３１とカソード電極１３２とクロスフローファン１２１によって流れるレーザガスを電極間に効率よく流すための風ガイド１２３からなっている。
また、電源１３３と電極１３２の間には絶縁セラミックス１２４が設けられ、さらに、電極１３１の近くには予備電離電極１２５が設けられている。
電源１３３より、予備電離電極１２５に電圧を印加して、まず、放電空間を予備電離した後、電極１３１，１３２間にパルス電圧を印加して、カソード電極１３２とアノード電極１３２間に電流を流し、放電させる。
放電により発生したある波長の光を、共振器で選別、増幅することでエキシマレーザが発振する。

エキシマレーザを高い動作周波数で動作させる場合には、放電安定性が問題となる。上記のように、エキシマレーザでは、間欠放電を起こして、レーザガスを励起し、レーザ発振させるが、繰り返し周波数を増加させると、この間欠放電が安定に生成できなくなるからである。これは、高繰り返し化を行うと、放電が正常なグロー放電ではなく、アーク放電、ストリーマ放電に変化し、放電中のレーザ利得が均一でなくなり、レーザ発振に必要な利得長が確保できなくなるからだと考えられている。
放電によって生成されるイオン、活性種などの放電生成物、電極からの飛散ダスト、デブリはガスの放電抵抗を著しく低下させる。また、放電によって、ガス希薄部が生じ、この部分は相対的にガス圧力が低いため、放電抵抗が小さい。よって、この部分（放電生成物）が、電極近傍に存在すると、次に生じる放電が、電極間ではなく、この部分に生じてしまう。
そこで、レーザガスをアノード１３１とカソード電極１３２間に放電方向に略直交する方向に流し、この放電生成物を次の放電が発生する前に電極の近傍から遠ざける必要がある。

一般に、エキシマレーザにおける、動作可能な繰返し周波数は、クリアランスレシオ（ＣＲ：Ｃｌｅａｒａｎｃｅ Ｒａｔｉｏ）と関連付けて説明される。クリアランスレシオ（ＣＲ）は電極間ガス流速をＶ、放電間隔時間をｔ、放電幅をＷとすると以下の式で表される。
ＣＲ＝Ｖｔ／Ｗ … （１）
クリアランスレシオ（ＣＲ）が大きい方が、上記放電時の瞬間的な熱膨張によるガス密度の希薄化、放電により生成するイオン、活性種、電極からの飛散ダストなどを、放電空間から遠ざけることができる。
このため、クリアランスレシオ（ＣＲ）が大きければ、安定な放電が得られる。必要なクリアランスレシオ（ＣＲ）の値は、レーザ装置の用途によって異なるが２程度以上は必要になる。露光装置用光源のように、高いエネルギー安定性が要求される用途では、大きなクリアランスレシオ（ＣＲ）が必要になる。

繰返し周波数を現状の６ｋＨｚから１０ｋＨｚに上げると放電間隔は１６７μｓｅｃから１００μｓｅｃに短くなる。６ｋＨｚ動作時と同じＣＲ値を確保するには、（１）式より電極間ガス流速（Ｖ）を１．６７倍にするか、放電幅（Ｗ）を１／１．６７にする必要がある。
特許文献３では、放電幅（Ｗ）を小さくすることにより、１０ｋＨｚ以上の高繰返し動作を達成している。この方式は、ダブルチャンバシステムにおける発振段レーザのような比較的エネルギーが小さい用途においては有効であるが、増幅段レーザのようなエネルギーが大きい用途では問題がある。ビームサイズが小さくなるため、高エネルギーではエネルギー密度が高くなり、フロントミラーやウィンドゥなどの光学素子が損傷してしまう。

他の高繰返し動作を実現する方法として、シングルスチャンバシステムにおいては特許文献４で、ダブルチャンバシステムにおいては前記特許文献３や、特許文献５で、同一共振器内に二対の電極を配置して、放電を半周期ずらして交互発振する方法が示されている。例えば、５ｋＨｚ動作で必要なＣＲ値が得られているチャンバ内に二対の電極を配置して交互発振すれば１０ｋＨｚの動作が可能になる。
この方法は、単独発振時と同じビームサイズにできるので、高エネルギーでもエネルギー密度が高くならない。このため、ダブルチャンバシステムの増幅段レーザのようなエネルギーが大きい用途にも適用可能である。

特開２００１−１５６３６７号公報 特開２００１−２４２６５号号公報 特開２００８−７８３７２号公報 特開昭６３−９８１７２号公報 米国特許第７００６５４７号明細書

上述のように、５ｋＨｚ動作で必要なＣＲ値が得られているチャンバ内に二対の電極を配置して交互発振すれば１０ｋＨｚの動作が可能である。しかし、繰返し周波数を上げると、８ｋＨｚ程度の繰返し周波数からエネルギーが下がることがわかった。
これは、二対の電極の光軸が同じために発生する。一方の電極対での放電により生成したレーザ光は、他方の電極対の放電空間を通り共振する。なお、以下では、二対の電極対によるそれぞれの放電空間を、それぞれ放電部という。

例えば、５ｋＨｚ交互発振による１０ｋＨｚ動作の場合、一方の電極対での放電により生成したレーザ光は、放電から１０ｋＨｚの間隔の１００μｓｅｃしか経過していない他方の電極対の放電空間を通る。
放電時、ガスは瞬間的に過熱されて熱膨張し、ガス密度が希薄化する。このガス密度が希薄化した部分はガス流で移動するが、１００μｓｅｃでは十分に移動できないため、レーザ光がこのガス密度が希薄化した部分を通る。希薄化した部分は他より屈折率が小さいため、ここを通ったレーザ光は屈折し共振器外に出てエネルギーが低下する。
このため、５ｋＨｚ動作で必要なＣＲ値が得られているチャンバ内に二対の電極を配置して交互発振すると、１０ｋＨｚ動作は可能であるが、ある繰返し周波数からエネルギーが低下する。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、同一共振器内に複数組の電極を配置して交互発振することにより、一対の電極の時の複数倍の繰返し周波数で動作させる高繰返し高出力パルスガスレーザ装置において、ガス密度が希薄化した部分をレーザ光が通ることにより生ずる他方の放電部でのエネルギー損失をなくし、高繰返し高出力が可能なパルスガスレーザ装置を提供することを目的とする。

同一共振器内に二対の電極を配置して交互発振することにより、一対時の２倍の繰返し周波数で動作させる高繰返し高出力パルスガスレーザ装置において、他方の放電部でのエネルギー損失を抑制する方法として、以下の３つが考えられる。
（１）ガス流速を上げて、希薄化した部分を遠くに移動させる。
（２）ガス密度が希薄化する部分の幅（放電方向に対して垂直方向）を狭くする。
（３）ダブルチャンバシステムにおいて、増幅段レーザのビーム幅（放電方向に対して垂直方向）を狭くする。
本発明者は、ガス流速を上げて、希薄化した部分を遠くに移動させる方法を検討した。希薄化した部分でのエネルギーの損失を抑制するには、レーザ光のビーム幅（放電方向に対して垂直方向）をＷｂ、放電時の瞬間的な熱膨張でガス密度が希薄化する部分の幅（放電方向に対して垂直方向）をＷｈ、放電間隔をｔ（それぞれの放電の間隔、５ｋＨｚ交互発振による１０ｋＨｚ動作では２００μｓｅｃ）とすると、ガス流速を以下の（２）より算出されるＶ１以上にすれば良いことを見出した。
Ｖ１＝｛（Ｗｂ＋Ｗｈ）／２｝／（ｔ／２）…（２）
それぞれの放電に必要なガス流速Ｖ２は、ＣＲ値をＲｃとし、放電幅をＷｄとすると、前記（１）式より、以下の（３）式が得られる。
Ｖ２＝Ｒｃ×Ｗｄ／ｔ …（３）
ここで、Ｖ１とＶ２の関係は、次の（４）式となる。
Ｖ１＞Ｖ２ …（４）
これは、Ｗｂ≒Ｗｄ、Ｗｂ＜Ｗｈの関係があり、さらに、（４）式の関係が変わるほど、大きなＣＲ値を必要とするレーザ装置の用途はほとんどないためである。
以上より、同一共振器内に二対の電極を配置して交互発振することにより、一対時の２倍の繰返し周波数で動作させる方法において、放電していない他方の放電部でのエネルギー損失のない、高繰返し高出力パルスガスレーザ装置は、ガス流速をＶ１以上にすることにより達成できる。
また、ガス流速をＶ２の２倍以上に上げると、単独で２倍の繰返し周波数で動作可能であるので、交互発振する意味がない。
よって、以下の（５）式を満たすガス流速Ｖにすることにより、上記目的を達成することができる。
Ｖ１≦Ｖ＜２×Ｖ２ …（５）

以上に基づき、本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）レーザガスが封入されたレーザチャンバと、該レーザチャンバ内部に所定間隔離間して対向する複数組の一対の電極と、それぞれの一対の電極を放電させるための電源回路と、上記電極間を通過するレーザガスを循環させるクロスフローファンとを備え、上記電源回路から上記複数組の一対の電極へパルス状の電圧を順次印加し、複数の一対の電極間に所定の時間隔で順次放電を発生させる高繰返し高出力パルスガスレーザ装置において、上記クロスフローファンによる生ずるガス流の流速を、上記一対の電極間で放電が発生した時に生じるガス密度の希薄化部分が、次に電極間で放電が発生するまでに、該放電により生ずるレーザ光の光路外に移動するように流速とする。
（２）レーザガスが封入されたレーザチャンバと、該レーザチャンバ内部に所定間隔離間して対向する複数組の一対の電極と、それぞれの一対の電極を放電させるための電源回路と、上記電極間を通過するレーザガスを循環させるクロスフローファンとを備え、上記電源回路から上記複数組の一対の電極へパルス状の電圧を順次印加し、複数の一対の電極間に所定の時間隔で順次放電を発生させる高繰返し高出力パルスガスレーザ装置において、レーザ光のビーム幅（放電方向に対して垂直方向）をＷｂ、放電時の瞬間的な熱膨張でガス密度が希薄化する部分の幅（放電方向に対して垂直方向）をＷｈ、放電間隔をｔ、放電幅をＷｄとし、ＣＲ値をＲｃとしたとき、上記クロスフローファンによる生ずるガス流の流速Ｖを、以下の（１）〜（３）式を満たすように設定する。
Ｖ１≦Ｖ＜２×Ｖ２…（１）
Ｖ１＝｛（Ｗｂ＋Ｗｈ）／２｝／（ｔ／２）…（２）
Ｖ２＝Ｒｃ×Ｗｄ／ｔ…（３）
（３）上記（１）（２）の高繰返し高出力パルスガスレーザ装置を、発振段レーザと、増幅段レーザとからなる注入同期式レーザ装置の増幅段レーザであって、レーザチャンバ内に、複数組の一対の放電電極を配置したものに適用する。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）同一共振器内に二対の電極を配置して交互発振することにより、一対時の２倍の繰返し周波数で動作させる高繰り返し高出力レーザ装置において、クロスフローファンによる生ずるガス流の流速を、一対の電極間で放電が発生した時に生じるガス密度の希薄化部分が、次に電極間で放電が発生するまでに、該放電により生ずるレーザ光の光路外に移動する流速としたので、ガス密度が希薄化した部分をレーザ光が通ることによりエネルギーが低下するのを防ぐことができる。
このため、高繰返し高出力パルスガスレーザ装置を達成することが可能となった。本発明では、１５％のガス流速アップで、放電していない他方の放電部でのエネルギー損失がなくすることができた。
（２）本発明を、発振段レーザと、増幅段レーザとからなる注入同期式レーザ装置における増幅段レーザに適用することにより、一層の高出力化を図ることができる。

図１は、本発明の５ｋＨｚ交互発振による１０ｋＨｚ動作の実施形態に係るレーザシステムの構成図である。
ＭＯＰＯ方式で、増幅段用チャンバ３０内に二対の電極が配置されたダブルチャンバシステムである。なお、図１では、本発明をダブルチャンバ方式のレーザ装置に適用した場合について示しているが、シングルチャンバのレーザ装置にも同様に適用することができる。
発振段用レーザ１００で高光品位（スペクトル性能など）、小出力のレーザ光が生成される。そして、増幅段用レーザ３００でそのレーザ光が増幅される。すなわち、発振段用レーザ１００から出力されるレーザ光の光品位（スペクトル性能など）によってレーザシステムの光品位（スペクトル性能など）が決定され、増幅段用レーザ３００によってレーザシステムのエネルギーが決定される。
発振段用レーザ１００は発振段用チャンバ１０と、発振段用高電圧パルス発生器１２と、スペクトルを狭帯域化する狭帯域化モジュール（以下ＬＮＭという）１６と、フロントミラー１７と、で構成される。
増幅段用レーザ３００は増幅段用チャンバ３０と、増幅段用高電圧パルス発生器３３、３４と、リアミラー３６と、フロントミラー３７とで構成される。

まず、発振段用レーザ１００の構成と機能について説明する。
発振段用チャンバ１０の内部には、互いの長手方向が平行であって且つ放電面が対向する一対の電極（カソード電極及びアノード電極）１０ａ、１０ｂが設けられる。この電極の間隔は、１０ｋＨｚ動作を実現するため、特許文献３に記載されるように、８ｍｍとした。発振段用チャンバ１０内にはアルゴン（Ａｒ）ガス、フッ素（Ｆ₂ ）ガスとバッファガスのネオン（Ｎｅ）が満たされている。なお、バッファガスはヘリウム（Ｈｅ）でも良い。
電極１０ａ、１０ｂに、高電圧パルス発生器１２と図示しない充電器とで構成された電源によって高電圧パルスが印加されると、電極１０ａ、１０ｂ間で放電が生じ、ＡｒＦエキシマが形成される。
そして、ＬＮＭ１６とフロントミラー１７で構成される共振器で共振し、レーザ光が発生する。ＬＮＭ１６は、拡大プリズムと波長選択素子であるグレーティング（回折格子）で構成され、レーザ光のスペクトル幅を４００ｐｍから０．３ｐｍ程度まで狭帯域化している。

また、発振段用チャンバ１０の内部には、前記図８に示したようにクロスフローファン１１と、図示しない熱交換器、温度センサとウィンドウが設けられる。
クロスフローファン１１は、チャンバ内のレーザガスを循環させ、放電時の瞬間的な熱膨張によるガス密度の希薄化の部分、放電により生成するイオン、活性種、電極からの飛散ダストなどを、放電空間から遠ざける。熱交換器は、発振段用チャンバ１０内の排熱を行う。
温度センサは、ガス温度によりエネルギーが変化するため、所望の温度に制御するためのモニタである。ウィンドウは、レーザ光の光軸上にあって発振段用チャンバ１０の出力部分に設けられる。ウィンドウの材質は、レーザ光の波長１９３ｎｍに対して透過性があるＣａＦ₂ である。

次に、増幅段用レーザ３００について説明する。
基本的な構成と機能は発振段用レーザ１００と同じである。違いは二対の電極３０ａと３０ｂおよび３０ｃと３０ｄを交互に放電することにより高繰返し動作を実現している点である。
それぞれの電極対の間隔は１６ｍｍと発振段用レーザ１００より広くし、高エネルギーでもエネルギー密度が高くならないようにした。
増幅段用チャンバ３０内には発振段用チャンバ１０と同様にアルゴン（Ａｒ）ガス、フッ素（Ｆ₂ ）ガスとバッファガスのネオン（Ｎｅ）が満たされている。なお、バッファガスはヘリウム（Ｈｅ）でも良い。

増幅段用チャンバ３０の内部には、発振段用レーザと同様、前記図８に示したように、クロスフローファン３１と、図示しない熱交換器、温度センサとウィンドウが設けられる。クロスフローファン３１は、前述したようにチャンバ内のレーザガスを循環させ、放電時の瞬間的な熱膨張によるガス密度の希薄化の部分、放電により生成するイオン、活性種、電極からの飛散ダストなどを、二対の電極３０ａ，３０ｂ及び３０ｃ，３０ｄ間のそれぞれの放電空間から遠ざける。
熱交換器は、発振段用チャンバ１０内の排熱を行う。また、温度センサは、所望の温度に制御するためのモニタである。ウィンドウは、レーザ光の光軸上にあって増幅段用チャンバ３０の出力部分に設けられる。

電極３０ａ、３０ｂに、高電圧パルス発生器３３と図示しない充電器とで構成された電源によって高電圧パルスが印加されると、電極３０ａ、３０ｂ間で放電が生じ、ＡｒＦエキシマが形成される。このＡｒＦエキシマ形成に合わせて、発振段用レーザ１００からレーザ光を注入する。
注入されたレーザ光は、リアミラー３６とフロントミラー３７で構成される共振器で共振し、増幅される。
次に電極３０ｃ、３０ｄに、高電圧パルス発生器３４と図示しない充電器とで構成された電源によって高電圧パルスが印加されると、電極３０ｃ、３０ｄ間で放電が生じ、ＡｒＦエキシマが形成される。このＡｒＦエキシマ形成に合わせて、発振段用レーザ１００からレーザ光を注入する。注入されたレーザ光は、リアミラー３６とフロントミラー３７で構成される共振器で共振し、増幅される。この二対の電極３０ａと３０ｂ、３０ｃと３０ｄでの放電を交互に繰り返す。

発振段用レーザ１００のフロントミラー１７と増幅段用レーザ３００のリアミラー３６との間には、ビームエキスパンダ２０と、高反射ミラー２１、２２と、モニタモジュール１９とが設けられる。
フロントミラー１７を透過したレーザ光は、ビームエキスパンダ２０により、少なくとも放電方向に拡大され、高反射ミラー２１でビーム方向を変え、モニタモジュール１９に案内される。モニタモジュール１９ではレーザ光のエネルギーをモニタしている。
その後、高反射ミラー２２でビーム方向を変え、リアミラー３６から増幅段用レーザ３００に注入される。
注入されたレーザ光は、リアミラー３６とフロントミラー３７で構成される共振器で共振して増幅され、フロントミラー３７側から出射する。増幅段用レーザ３００の出射側にはモニタモジュール３９が設けられ、出力レーザ光がモニタされる。

５ｋＨｚ交互発振による１０ｋＨｚ動作を、他方の放電部（交互発振しているうちの放電していない方の放電部）でのエネルギー損失のなく達成するには、クロスフローファン３１による必要なガス流速は前記（２）式より５２ｍ／ｓになる。
なお、算出に必要なレーザ光のビーム幅（放電方向に対して垂直方向）Ｗｂと、放電時の瞬間的な熱膨張でガス密度が希薄化した部分の幅（放電方向に対して垂直方向）Ｗｈは以下のように求めた。
ビーム幅（放電方向に対して垂直方法）Ｗｂは、レーザを蛍光板にあて蛍光させ、その蛍光をＣＣＤカメラで観察し算出した。図２（ａ）に、ＣＣＤカメラで観察したビーム幅の概念図を示す。同図のＷｂがビーム幅である。
また、ガス密度が希薄化した部分の幅（放電方向に対して垂直方向）Ｗｈは、マッハ・ツェンダー干渉法により、放電時の瞬間的な熱膨張によるガス密度変化を計測し、その計測結果から算出した。図２（ｂ）にマッハ・ツェンダー干渉法により観察した希薄化した部分の概念図を示す。同図のＷｈは、観察したガス密度が希薄化した部分の幅である。
同様に（３）式よりガス流速Ｖ２を算出すると４５ｍ／ｓであり、（４）式と同様の大小関係であった。本実施形態では、５２ｍ／ｓのガス流速はクロスフローファン３１の回転数を上げることにより実現した。回転数は、ガス流速を４５ｍ／ｓから５２ｍ／ｓにするため１５％アップした。

図３にマッハ・ツェンダー干渉法により放電幅Ｗを計測するシステムの構成例を示す。 コヒーレントなパルスレーザ４０１からの光束をミラー４０２を介してビームエキスパインダ４０３に入射させ、ビームエキスパンダ４０３によりレーザ４００の放電領域以上にビーム拡大する。
ハーフミラー４０４によりレーザチャンバ４０５を通る光束と通らない光束とに等量に２分し、一方をレーザチャンバ４０５に入射し、他方を高反射ミラー４１０を介してハーフミラー４０８に入射する。
レーザチャンバ４０５内には放電電極４０６が設けられ、放電電極４０６に放電電圧を印加し放電させることにより、レーザチャンバ４０５内に入射した光は放電電極４０６間の放電領域を通過し出力する。
レーザ４００の出力光は高反射ミラー４０７で反射してハーフミラー４０８に入射し、上記高反射ミラー４１０を介してハーフミラー４０８に入射した光と重ね合わせられ、重ね合わせられた光は、干渉フィルタ４０９を介してＩＣＣＤカメラ４１１に入射する。

これら二つの光束は、レーザチャンバ４０５を通る光束と通らない光束の間で両光束は干渉し干渉縞を発生する。すなわち。パルスレーザの波長をλとすれば、光路差Δが半波長λ／２の奇数倍であれば、二つの光束の山と谷が重なって互いに弱め合い暗い縞を生じ、 偶数倍であればお互いに強め合って明るい縞を生じる。光路差Δが像面全体で同じであれば、像は一様な明るさになる。
ここで、カソード電極４０６ａとアノード電極４０６ｂ間で放電すると電子密度が高くなり、放電部の屈折率が変化する。したがって、この干渉縞が歪む領域の幅を放電幅Ｗとしてこの干渉計により計測できる。

図４に、ガス流速を５２ｍ／ｓとした本実施形態の場合と、４５ｍ／ｓとした従来技術の場合の１０ｋＨｚまでのエネルギー変化を示す。
本発明の実施形態では、１０ｋＨｚまでエネルギーの低下はみられない。しかし、従来技術では８ｋＨｚ以降、エネルギーの低下が見られる。よって（５）式を満たすガス流速Ｖにすることで、同一共振器内に二対の電極を配置して交互発振することにより、一対時の２倍の繰返し周波数で動作させる方法において、他方の放電部でのエネルギー損失のない、高繰返し高出力パルスガスレーザ装置を達成できる。

以上、本実施形態は、ＭＯＰＯ方式の構成で行ったが、図５に示す様なＭＯＰＡ方式のレーザ装置にも適用可能である。
ＭＯＰＡ方式の場合は、増幅段用チャンバ３０にリアミラー３６とフロントミラー３７を設けない構成になる。
その他の構成は前記図１に示したものと同様であり、発振段用レーザ１００は発振段用チャンバ１０と、発振段用高電圧パルス発生器１２と、スペクトルを狭帯域化する狭帯域化モジュール（以下ＬＮＭという）１６と、フロントミラー１７とで構成される。
発振段用レーザ１００のフロントミラー１７と増幅段用レーザ３０１との間には、ビームエキスパンダ２０と、高反射ミラー２１、２２と、モニタモジュール１９とが設けられる。

発振段用レーザ１００からのレーザ光は、ビームエキスパンダ２０により、少なくとも放電方向に拡大され、高反射ミラー２１でビーム方向を変え、モニタモジュール１９を介して高反射ミラー２２に入射し、ここでビーム方向を変え、増幅段用レーザ３０１に注入される。増幅段用レーザ３０１は、前述したように二対の電極３０ａと３０ｂおよび３０ｃと３０ｄを有し、これを交互に放電させることにより高繰返し動作を実現している。
増幅段用レーザ３０１に注入されたレーザ光は、増幅段用レーザ３０１で増幅され、出射する。増幅段用レーザ３００の出射側にはモニタモジュール３９が設けられ、出力レーザ光がモニタされる。
発振段用レーザ１００、増幅段用レーザ３０１のチャンバ１０、３０内には、前述したようにクロスフローファン１１，３１が設けられ、クロスフローファン３１によるガス流速は、前記（２）式により設定される。
なお、ＭＯＰＡ方式では、光が増幅段用チャンバ３０内を通過する回数は１回であるが、これに限るものではない。例えば、折り返しミラーを設けて、増幅段用チャンバを複数回通過させてもよい。このように構成することにより、より高い出力のレーザ光を取り出すことが可能となる。

発振段レーザ１００のレーザ光の注入は、図１に示したように増幅段レーザ３００のリアミラー３６側に限定されるものではなくフロントミラー３７側から注入してもよい。
図６にフロントミラー側から注入した場合の構成例を示す。同図（ａ）は側面図を示し、同図（ｂ）は増幅段用レーザ３００の上面図を示し、レーザ光の注入方法を変えた点を除き、前記図１に示したものと同様である。
前述したように、発振段用レーザ１００は発振段用チャンバ１０と、発振段用高電圧パルス発生器１２と、スペクトルを狭帯域化する狭帯域化モジュール（以下ＬＮＭという）１６と、フロントミラー１７とで構成される。
発振段用レーザ１００のフロントミラー１７と増幅段用レーザ３００との間には、ビームエキスパンダ２０と、高反射ミラー２１、２２と、モニタモジュール１９とが設けられる。

発振段用レーザ１００からのレーザ光は、ビームエキスパンダ２０により少なくとも放電方向に拡大され、高反射ミラー２１でビーム方向を変え、モニタモジュール１９を介して高反射ミラー２２に入射する。
高反射ミラー２２で反射したレーザ光は、図６（ｂ）に示すように高反射ミラー２３、２４で反射して、フロントミラー３７側から増幅段用レーザ３００のフロントミラー３７とリアミラー３６で構成される共振器内に注入される。増幅段用レーザ３００は、前述したように二対の電極３０ａと３０ｂおよび３０ｃと３０ｄを有し、これを交互に放電させることにより高繰返し動作を実現している。
増幅段用レーザ３００に注入されたレーザ光は、フロントミラー３７とリアミラー３６で構成される共振器内で増幅され出射する。増幅段用レーザ３００の出射側にはモニタモジュール３９が設けられ、出力レーザ光がモニタされる。
発振段用レーザ１００、増幅段用レーザ３００のチャンバ１０、３０内には、前述したようにクロスフローファン１１，３１が設けられ、クロスフローファン３１によるガス流速は、前記（２）式により設定される。

さらに、本発明の適用例は、ダブルチャンバシステムに限定されるものではなく、シングルチャンバシステムにも適用可能である。図７にシングルチャンバシステムに適用した場合の構成例を示す。
基本的な構成と機能は図１の増幅段レーザと同様であり、二対の電極４０ａと４０ｂおよび４０ｃと４０ｄを交互に放電することにより高繰返し動作を実現している。
電極４０ａ、４０ｂに、高電圧パルス発生器４３と図示しない充電器とで構成された電源によって高電圧パルスが印加されると、電極４０ａ、４０ｂ間で放電が生じ、ＡｒＦエキシマが形成される。レーザ光は、リアミラー４６とフロントミラー４７で構成される共振器で共振し、増幅され、フロントミラー４７側から出射する。レーザ４００の出射側にはモニタモジュール４９が設けられ、出力レーザ光がモニタされる。
レーザ４００のチャンバ４０内には、前述したようにクロスフローファン４１が設けられ、クロスフローファン４１によるガス流速は、前記（２）式により設定される。

本発明の実施形態に係るＭＯＰＯ方式のレーザ装置の構成図である。 ビーム幅と希薄化した部分の幅の計測結果を示す概念図である。 マッハ・ツェンダー干渉法により放電幅Ｗを計測するシステムの構成例を示す図である。 ガス流速を５２ｍ／ｓとした本実施形態の場合と、４５ｍ／ｓとした従来技術の場合の１０ｋＨｚまでのエネルギー変化を示す図である。 本発明をＭＯＰＡ方式のレーザ装置に適用した構成例を示す図である。 フロントミラー側注入の場合の本発明の実施形態に係るＭＯＰＯ方式のレーザ装置の構成図である。 本発明をシングルチャンバのレーザ装置に適用した場合の構成例を示す図である。 レーザ装置のレーザチャンバの断面図を示す図である。

符号の説明

１０ 発振段用チャンバ
１０ａ，１０ｂ 電極
１１ クロスフローファン
１２ 発振段用高電圧パルス発生器
１６ 狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）
１７ フロントミラー
１９，３９ モニタモジュール
１００ 発振段用レーザ
２０ ビームエキスパンダ
２１，２２ 高反射ミラー
２３，２４ 高反射ミラー
３０ 増幅段用チャンバ
３０ａ〜３０ｄ 電極
３１ クロスフローファン
３３，３４ 増幅段用高電圧パルス発生器
３６ リアミラー
３７ フロントミラー
３００ 増幅段用レーザ（ＭＯＰＯ方式）
３０１ 増幅段用レーザ（ＭＯＰＡ方式）
４０ チャンバ
４０ａ〜４０ｄ 電極
４１ クロスフローファン
４３，４４ 増幅段用高電圧パルス発生器
４６ リアミラー
４７ フロントミラー
４００ レーザ（シングルチャンバ）

Claims (3)

1. レーザガスが封入されたレーザチャンバと、該レーザチャンバ内部に所定間隔離間して対向する複数組の一対の電極と、それぞれの一対の電極を放電させるための電源回路と、上記電極間を通過するレーザガスを循環させるクロスフローファンとを備え、
   上記電源回路から上記複数組の一対の電極へパルス状の電圧を順次印加し、複数の一対の電極間に所定の時間隔で順次放電を発生させる高繰返し高出力パルスガスレーザ装置であって、
   上記クロスフローファンによる生ずるガス流の流速を、
   上記一対の電極間で放電が発生した時に生じるガス密度の希薄化部分が、次に電極間で放電が発生するまでに、該放電により生ずるレーザ光の光路外に移動する流速とする
   ことを特徴とする高繰返し高出力パルスガスレーザ装置。
2. レーザガスが封入されたレーザチャンバと、該レーザチャンバ内部に所定間隔離間して対向する複数組の一対の電極と、それぞれの一対の電極を放電させるための電源回路と、上記電極間を通過するレーザガスを循環させるクロスフローファンとを備え、
   上記電源回路から上記複数組の一対の電極へパルス状の電圧を順次印加し、複数の一対の電極間に所定の時間隔で順次放電を発生させる高繰返し高出力パルスガスレーザ装置であって、
   レーザ光のビーム幅（放電方向に対して垂直方向）をＷｂ、放電時の瞬間的な熱膨張でガス密度が希薄化する部分の幅（放電方向に対して垂直方向）をＷｈ、放電間隔をｔ、放電幅をＷｄとし、ＣＲ値をＲｃとしたとき、上記クロスフローファンによる生ずるガス流の流速Ｖを、以下の（１）〜（３）式を満たすように設定する
   Ｖ１≦Ｖ＜２×Ｖ２…（１）
   Ｖ１＝｛（Ｗｂ＋Ｗｈ）／２｝／（ｔ／２）…（２）
   Ｖ２＝Ｒｃ×Ｗｄ／ｔ…（３）
   ことを特徴とする高繰返し高出力パルスガスレーザ装置。
3. 請求項１または請求項２の高繰返し高出力パルスガスレーザ装置は、発振段レーザと、増幅段レーザとからなる注入同期式レーザ装置における増幅段レーザであって、
   該増幅段レーザのレーザチャンバ内に、複数組の一対の放電電極が配置されている
   ことを特徴とする高繰返し高出力パルスガスレーザ装置。

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