JP2941341B2

JP2941341B2 - ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP2941341B2
Application number: JP7540890A
Authority: JP
Inventors: 直人西田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1999-08-25
Anticipated expiration: 2014-08-25
Also published as: JPH03276686A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、ガスレーザ媒質を放電励起してレーザ光を
出力させるガスレーザ装置に関する。

（従来の技術）ガスレーザ装置には種々のガスレーザ媒質が用いられ
ており、その１つとして、Ne、Kr、およびF₂の３種類の
ガスからなる混合ガスを用いたKrFエキシマレーザが知
られている。このKrFエキシマレーザでは、長時間運転
が行われると、ガスレーザ媒質中のF₂ガスが、放電に伴
い電子と衝突して解離する。そして、F₂ガスが漸減し
て、３種類の混合ガス比が最適値からずれてくるため、
レーザ発振効率（レーザ出力／放電入力）が徐々に低下
する。

そして、このようにF₂ガスの減少を原因としてレーザ
出力が低下することを防止するため、従来は次のような
手段を講じられていた。

つまり、ガスレーザ装置から発振されるレーザ光の出
力をセンサによって監視し、第４図に示すように、レー
ザ発振効率の低下に合わせて放電回路の主コンデンサに
供給する電気エネルギを上げて、レーザ入力を増大させ
る。

さらに、放電回路主コンデンサに供給される電気エネ
ルギが、電源自体の上限値、あるいは放電がアーク状態
に移行しないよう制限される上限値に達したときに、F₂
ガス供給ラインの電磁弁を瞬間的に開き、少量のF₂ガス
をガスレーザ媒質に注入する。

このようにして行われる少量のF₂ガスの注入により、
ガスレーザ媒質の混合比は初期値に近づき、レーザ発振
効率も初期値近くまで復旧し、これらのことに伴って充
電電圧も初期値程度まで低下する。そして、電気エネル
ギの上昇とF₂ガスの補充とを繰り返すことで、レーザ出
力を長時間に亘って一定に保つことができる。

ここで、第４図中のＡはレーザ出力の変化を示してお
り、Ｂはレーザ出力の変化に伴って増減する充電電圧を
示している。さらに、第４図中のＣは充電電圧の上限値
を示しており、矢印Ｄ…はF₂ガスの注入のタイミングを
示している。

（発明が解決しようとする課題）ところで、上述のように、レーザ発振効率の低下に合
わせて放電回路主コンデンサの充電電圧を上昇させ、こ
の充電電圧が上限値に達した時にF₂ガスを注入してレー
ザ出力を維持するようにしたものでは、例えばミラー類
の汚染や光共振器のアライメントのずれ等を原因として
レーザ出力が低下した場合にも、F₂ガスの注入が行われ
る。

つまり、従来のガスレーザ装置では、実際にはガスレ
ーザ媒質の混合比が最適値からずれていない場合に、F₂
の注入が行われことがある。その結果、最適混合比より
もF₂ガスの量が多くなり、発振効率が低下し、この発振
効率の低下に合わせて更に余分なF₂ガスが供給される。
そして、このように悪循環が繰り返され、発振効率が一
層低下してしまう。

そして、F₂の比率が最適値に対して大きくずれ、放電
がグロー放電からアーク放電に移行し、放電電極やサイ
ラトロン等にダメージが生じ、さらに、レーザ出力は零
となる。

そして、このように予期せぬ時期にレーザ出力が零と
なって中断されることは、特に半導体製造ラインの露光
工程等にガスレーザ装置を用いた場合などにおいてプロ
セス中の１ロットの全ての半導体基板を使用不可能にし
てしまうことがあるため、決して容認できることではな
い。

本発明の目的とするところは、ガスレーザ媒質の所定
のガス成分の減少を確実に検出して所定のガス成分の注
入を最適な時期に行うことができ、安定した出力のレー
ザ光を供給することが可能なガスレーザ装置を提供する
ことにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段および作用）上記目的を達成するために請求項１の発明は、密閉容
器内に放電励起部を含む光共振器が構成されているガス
レーザ装置本体と、このガスレーザ装置本体に電力を供
給する電源と、所定の混合比率のガス成分を有するガス
レーザ媒質を上記密閉容器内に供給するとともにこのガ
スレーザ媒質中の所定のガス成分を上記密閉容器内に補
充可能なガス供給手段と、上記光共振器から出射したレ
ーザ光の出力を監視する出力モニタと、この出力モニタ
の監視結果における上記レーザ光の出力の変動幅に基づ
いて上記所定の混合比率となるように上記所定のガス成
分の補充を行わせる制御部とを具備したことを特徴とす
るガスレーザ装置にある。

請求項２の発明は、密閉容器内に放電励起部を含む光
共振器が構成されているガスレーザ装置本体と、このガ
スレーザ装置本体に電力を供給する電源と、ガスレーザ
媒質を上記密閉容器内に供給するとともにこのガスレー
ザ媒質を上記密閉容器内に補充可能なガス供給手段と、
上記光共振器から出射するレーザ光の出力を監視する出
力モニタと、この出力モニタの監視結果における上記レ
ーザ光の出力の変動幅に基づいてガスレーザ媒質の補充
を行わせる制御部とを具備したことを特徴とするガスレ
ーザ装置にある。

こうすることによって本発明は、ガスレーザ媒質の所
定のガス成分の減少を確実に検出して所定のガス成分の
注入を最適な時期に行い、安定した出力のレーザ光を供
給できるようにしたことにある。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図に基づいて
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、図中１は、
ガスレーザ装置としてのKrFエキシマレーザ装置（以
下、レーザ装置と称する）である。

このレーザ装置１は、ガスレーザ装置本体２の内側に
気密的に形成された密閉容器３を配置している。さら
に、レーザ装置１は密閉容器３の内部に、後述するガス
レーザ媒質を励起する放電励起部４、および、一対に配
設された高反射ミラー５と出力ミラー６とからなり励起
されたガスレーザ媒質から発生したレーザ光を増幅して
密閉容器３の外部へ発振する光共振器７を有している。

また、レーザ装置１は、出力調節が可能な電源８を有
している。そして、レーザ装置１は、この電源８によっ
て放電励起部４に電気エネルギを供給し、上記ガスレー
ザ媒質を励起して、レーザ光９を出力するようになって
いる。

また、レーザ装置１にはガス供給手段としてのガス供
給装置10が設けられている。このガス供給装置10は、所
定のガス成分としてのNeガス、Krガス、およびF₂ガスの
供給源をそれぞれ独立に有するもので、Neライン11、Kr
ライン12、および、F₂ライン13の３つの供給ラインを介
して密閉容器３に接続されている。そして、ガス供給装
置10は、図示しない電磁弁等をON・OFFされて各供給ラ
イン11〜13を開閉し、３種のガス成分を密閉容器３内へ
所定の割合で個別に供給してガスレーザ媒質を形成す
る。

さらに、レーザ装置１には出力モニタ14が設けられて
いる。この出力モニタ14は密閉容器３の外側に配置され
ている。そして、出力モニタ14は、密閉容器３から出射
されたのちビームスプリッタ15によって一部反射された
レーザ光9aを入力され、このレーザ光9aを常に監視する
ようになっている。そして、出力モニタ14は、レーザ光
9aの出力エネルギを１パルス毎に測定し、測定結果を制
御部16へ順次送るようになっている。

上記制御部16は、電源８とガス供給装置10とに接続さ
れている。そして、制御部16は電源８の出力電圧を、第
３図中に示すようにレーザ出力の平均が一定となるよう
制御する。

また、制御部16は、出力モニタ14から送られた測定結
果をA/D変換し、レーザ光の出力エネルギを例えば100パ
ルス毎に集計して、順次送られた100個のパルスエネル
ギの平均値と標準偏差とを求める。さらに、制御部16
は、ここで得られた標準偏差を上記平均値で除し、その
値を算出する。

そして、制御部16は、100パルス毎に（標準偏差）／
（平均値）の値を算出し、（標準偏差）／（平均値）の
値が例えば３％以下になったときに、ガス供給装置10
に、F₂ガス供給ライン13の所定時間の開放を指令し、F₂
ガスの注入を行わせる。

ここで、（標準偏差）／（平均値）の値の大小に応じ
てF₂ガス供給ライン13の開弁時間およびF₂ガスの供給量
等を決定するようにしてもよい。

また、第２図は上述した制御部16の動作を示してい
る。

さらに、第３図中のＥは所定期間におけるレーザ出力
の変動幅を概略的に示しており、矢印Ｄ、ＤはF₂のガス
の注入のタイミングを示している。

つまり、F₂ガスは電気陰性度が大きく、放電プラズマ
中において電子を付着させ、次のような反応で解離す
る。

F₂＋ｅ→F^-＋Ｆそして、レーザ媒質中のF₂の混合比が最適混合比に比
べて高い場合、放電ストリーマの発達のために十分な量
の電子が必要であることに反して、数多くの電子がF₂に
より捕獲されてしまい、放電が不安定となり、このこと
に伴ってレーザ出力の変動も激しくなる。

さらに、F₂の混合比が高い状態から長時間の放電を続
けると、F₂ガスの量は解離に伴って徐々に減少し、放電
が安定化し、レーザ出力の変動も小さくなる。

そして、逆に言えば、十分な期間におけるレーザ出力
の変動幅の大小を調べてこれらを集計することにより、
F₂の相対量を知ることができる。そして、上記変動幅が
全体的に大きいときにはF₂ガスが過多であることが分か
るとともに、上記変動幅が過度に小さいときには、F₂ガ
スが不足していることが分かる。

すなわち、前述のように出力エネルギの所定期間（10
0パルス）毎における標準偏差と平均値を求め、標準偏
差を平均値で除した値を順次求めることにより、F₂ガス
を減少を確実に検出することができる。そして、（標準
偏差）／（平均値）の値が所定値（３％）に達した時を
F₂ガスの注入タイミングとして判断することができる。

さらに、上記値が所定値に達したときにF₂ガスを注入
しているから、F₂ガスの補充を適確に行うことができ、
F₂ガスの多量注入を防止することができる。そして、F₂
ガスの多量注入を原因となるレーザ出力の停止、或い
は、放電電極やサイラトロンの損傷等を未然に防ぐこと
ができる。

なお、本実施例では、100パルス毎に出力エネルギを
集計し、さらに、（標準偏差）／（平均値）の値が３％
以下になったときにF₂ガスの注入を行うようにしてい
が、本発明はこれに限定されるものではなく、出力エネ
ルギの集計に用いられるパルス数、および、F₂ガス注入
の判断に用いられる（標準偏差）／（平均値）の値を、
任意に設定することが可能である。

また、本実施例では、KrFレーザなどのようにF₂を用
いる放電形のレーザにおいてレーザ出力の変動に最も顕
著な影響を及ぼすF₂ガスを例として説明したが、この他
にXeClレーザなどのように塩素系ガスを用いる放電形の
レーザにおいて塩素系のガスを、レーザ出力の変動を基
にして補充するようにしてもよい。

また、ガスレーザ媒質のガス成分とレーザ出力との間
に同様の関係を有するものであれば、KrFエキシマレー
ザ装置以外のタイプのガスレーザ装置にも適用可能であ
る。

［発明の効果］以上説明したように本発明は、気密容器内に放電励起
部と光共振器とを有するガスレーザ装置本体と、このガ
スレーザ装置本体に接続され放電励起部に電気エネルギ
を供給する電源と、所定のガス成分により構成されるガ
スレーザ媒質を密閉容器内に供給するとともにガスレー
ザ媒質中の漸減するガス成分を任意の注入タイミングで
密閉容器内に補充可能なガス供給手段と、レーザ出力を
監視する出力モニタと、出力モニタの監視結果を入力さ
れ、所定期間におけるレーザ出力の変動に基づいてガス
成分注入のタイミングを判断し、ガス供給手段に不足し
たガス成分の補充を行なわせる制御部とを備えたもので
ある。

したがって本発明は、ガスレーザ媒質の所定のガス成
分の減少を確実に検出して所定のガス成分の注入を最適
な時期に行うことができ、安定した出力のレーザ光を供
給できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示すもので、第１
図は概略構成図、第２図は制御部の動作を示すフローチ
ャート、第３図は時間に伴うレーザ出力の変化を示すグ
ラフ、第４図は従来例を示すもので、レーザ出力と充電
電圧との関係を示すグラフである。１……KrFエキシマレーザ装置（ガスレーザ装置）、２
……ガスレーザ装置本体、３……気密容器、４……放電
励起部、７……光共振器、８……電源、10……ガス供給
装置（ガス供給手段）、14……出力モニタ、16……制御
部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉容器内に放電励起部を含む光共振器が
構成されているガスレーザ装置本体と、このガスレーザ
装置本体に電力を供給する電源と、所定の混合比率のガ
ス成分を有するガスレーザ媒質を上記密閉容器内に供給
するとともにこのガスレーザ媒質中の所定のガス成分を
上記密閉容器内に補充可能なガス供給手段と、上記光共
振器から出射したレーザ光の出力を監視する出力モニタ
と、この出力モニタの監視結果における上記レーザ光の
出力の変動幅に基づいて上記所定の混合比率となるよう
に上記所定のガス成分の補充を行わせる制御部とを具備
したことを特徴とするガスレーザ装置。
【請求項２】密閉容器内に放電励起部を含む光共振器が
構成されているガスレーザ装置本体と、このガスレーザ
装置本体に電力を供給する電源と、ガスレーザ媒質を上
記密閉容器内に供給するとともにこのガスレーザ媒質を
上記密閉容器内に補充可能なガス供給手段と、上記光共
振器から出射するレーザ光の出力を監視する出力モニタ
と、この出力モニタの監視結果における上記レーザ光の
出力の変動幅に基づいてガスレーザ媒質の補充を行わせ
る制御部とを具備したことを特徴とするガスレーザ装
置。