JP3159528B2

JP3159528B2 - 放電励起エキシマレーザ装置

Info

Publication number: JP3159528B2
Application number: JP17805592A
Authority: JP
Inventors: 忠明三木; 恭博嶋田; 直貴小杉; 明浩松田
Original assignee: 松下電子工業株式会社
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH0621544A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光リソグラフィや微細
加工等に応用される放電励起エキシマレーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】希ガスハロゲンエキシマレーザ装置は紫
外域で発振する高出力のガスレーザであり、半導体リソ
グラフィや化学プロセス等の広範な用途に利用されてい
る。希ガスハロゲンエキシマレーザ装置の励起方式に
は、電子ビーム励起と放電励起とがあるが、後者、比較
的容易な構成で高繰り返し発振が可能であるため広く一
般的に用いられている。

【０００３】希ガスハロゲンエキシマレーザ装置は非常
に高い励起密度を必要とするレーザであるため、主電極
の間の励起放電領域内を主放電に先立って予備電離する
ことにより励起放電の開始を容易にする手法が用いられ
ている。予備電離の方法としては、紫外光（ＵＶ光）ま
たはＸ線などのエネルギービームを励起放電領域に照射
する方法がある。

【０００４】産業用エキシマレーザ装置の予備電離方式
としては、装置の構成が容易な容量移行自動予備電離と
呼ばれる方式が多く用いられている。以下に図４を参照
して従来の容量移行自動予備電離放電励起エキシマレー
ザ装置の構成を説明する。レーザヘッド４０内には希ガ
スとハロゲンからなるレーザガス４１が高気圧（２〜６
気圧程度）充填されており、運転中は図示しない循環系
により撹拌されている。ここで、レーザヘッド４０内に
設けられた一対の主電極４２および４３との間にバルス
的な主放電４４を発生させることによって、励起放電領
域内のレーザガス４１を励起する。

【０００５】次に、図４に示す回路の動作について説明
する。スイッチ４５が開いている間に充電用コイル４６
を経由して充電用キャパシタ４７が充電される。図にお
いて、スイッチ４５を閉じると、充電キャパシタ４７の
電荷がピーキングキャパシタ４８に移行するが、この際
スイッチ４５と充電用キャパシタ４７とピーキングキャ
パシタ４８とからなる容量移行回路中に設けられた、対
向する予備電離電極１のギャップ４においてアーク放電
５が起こる。このアーク放電５から発生するＵＶ光を主
放電４４の起こる励起放電領域に照射することにより、
この領域内のレーザガス４１を予備電離する。充電キャ
パシタ４７からピーキングキャパシタ４８への容量移行
によってピーキングキャパシタ４８の端子間電圧が主電
極４２および４３間の放電開始電圧に達すると、主放電
４４が起る。これで１回のレーザ動作は終了するが、一
般にスイッチ４５にはサイラトロン等が使用され、上述
の動作を繰り返し行うようになっている。

【０００６】このような構成の放電励起エキシマレーザ
装置において安定なレーザ出力を得るために主放電４４
は、主電極４２，４３の長手（紙面に垂直）方向の全長
にわたって均一な放電であることが望ましい。このよう
な広域にわたる均一な主放電４４を実現するためには、
予備電離も全域にわたって均一に行わなければならな
い。そのため、主電極４２，４３の両側に対向する予備
電離電極４９を、主電極４２，４３近傍に例えば２０〜
４０mm間隔で並列に配設し、その長手方向すなわちレー
ザビーム方向（図示せず）に沿って配列する構成をとる
のが一般的である。このように多数配列された予備電離
電極４９の要部の構造を図５に示す。図５において、お
よそ１mmのギャップ５０を隔てて対向する予備電離電極
４９は、直系およそ３mmの耐ハロゲンガス用の材料、例
えば純ニッケルで形成されている。容量移行の開始時
に、対向する予備電離電極４９のギャップ５０は絶縁破
壊し、容量移行電流によって、主放電（図示せず）に先
行するアーク放電５１が生じる。このアーク放電５から
発生するＵＶ光のうち、図４の主放電４４領域の方向へ
放射されたものが、励起放電領域内のレーザガス４１を
予備電離する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の放電励
起エキシマレーザ装置では、アーク放電による予備電離
電極材料のスパッタリングとアーク電流の局所的集中に
よる予備電離電極材料の加熱蒸発によって予備電離電極
４９は著しく消耗する。したがって、レーザを繰り返し
動作させると、予備電離電極１の消耗によって、その予
備電離電極４９のギャップ４が拡がり、予備電離開始電
圧がしだいに上昇する。このギャップ４の拡がりは、予
備電離電極４９の各対によって一様でないので、予備電
離の開始時間およびそれから放射されるＵＶ光の強度に
ばらつきが生じるようになる。その結果、励起放電領域
内の予備電離の状態が不均一となって、レーザ出力が低
下し、長期間の安定動作を必要とする産業用レーザ装置
としては問題があった。

【０００８】また、ギャップ４で生じるＵＶ光は等方的
に放射されるため、発生したＵＶ光のうちの一部、すな
わち、主放電領域の方向に照射される部分しか予備電離
に利用できない。そのため、予備電離を効果的に行えな
いという問題が生じていた。

【０００９】本発明は上記課題を解決するもので、予備
電離電極の消耗を低減し、ＵＶ光の効率的利用ができる
長期安定性に優れた高出力放電励起エキシマレーザ装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の放電励起エキシマレーザ装置は、少なくと
も対向する予備電離電極を複数対備えた放電励起エキシ
マレーザ装置において、前記予備電離電極の各対のギャ
ップに前記予備電離電極の幅よりも広い幅の絶縁体を設
け、前記ギャップにおける前記絶縁体の一部表面に前記
予備電離電極の前記絶縁体の沿面距離が最短距離となる
ように溝状の切り欠き部が設けられるとともに、前記切
り欠き部が主放電部の方向に向けられた構成としたもの
である。

【００１１】

【作用】上記構成により、予備電離放電を沿面放電によ
って行えるので、アーク放電に比べて電流密度を小さく
抑えることができる。これによって、予備電離電極のス
パッタリングと局所的加熱を軽減し、予備電離電極の消
耗を低減することができ、長期間にわたる繰り返し動作
によっても、レーザ出力は安定に保たれる。また、絶縁
体の沿面距離の最短部を主放電部の方向に向けること
で、予備電離を行うＵＶ光に指向性を持たせる（主放電
部の方向に向ける）ことができるので、予備電離密度が
向上し、レーザ出力が上昇する。

【００１２】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。

【００１３】図１は、本発明の第１の実施例における対
向する放電励起エキシマレーザ装置用予備電離電極４９
のうちの１対の要部を示しており、予備電離電極４９の
各対のギャップに絶縁体１１を挿入して構成されてい
る。この放電励起エキシマレーザ装置の構成の特徴は、
図４，図５に示す従来の放電励起エキシマレーザ装置の
対向する予備電離電極４９のギャップに絶縁体１１を配
設したことである。絶縁体１１の材料としては、耐ハロ
ゲンガス性を有する絶縁体が望ましい。そこで本発明
は、対向する予備電離電極４９のギャップに配設する絶
縁体１１の材料として純度９９．５％のアルミナセラミ
ックスを用いた。

【００１４】次に、本発明の実施例の放電励起エキシマ
レーザ装置の動作を図１にしたがって説明する。まず、
容量移行の開始と同時に絶縁体１１の表面に沿ってレー
ザガスの絶縁破壊が起こる。続いて、絶縁体１１の表面
全体に沿って沿面放電が始まり、容量移行によって予備
電離電流１２が流れる。この予備電離電流１２は、主放
電（図示せず）に先行するので、沿面放電から発生する
ＵＶ光１３は主放電に先行して励起放電領域内のレーザ
ガスを予備電離する。このとき、絶縁体１１の表面を流
れる電流は絶縁体１１の表面全体に均一に拡がるので、
空間ギャップのアーク放電に比べて単位断面積当りの電
流密度は著しく低くなる。したがって、予備電離電極４
９間で電流の局所的集中を軽減でき、予備電離電極４９
のスパッタリングおよび局所加熱の影響が低く抑えられ
ることになる。その結果、予備電離電極４９の消耗が低
減され、予備電離電極４９のギャップの間隔を長期間一
定に保つことができ、レーザ出力を安定に維持できるこ
とになる。

【００１５】次に、本発明の第２の実施例における対向
する放電励起エキシマレーザ装置の予備電離電極と、そ
の予備電離電極の各対のギャップに挿入した絶縁体とで
構成された要部を図２に示す。

【００１６】第２の実施例の予備電離電極部の構成は、
第１の実施例と同様に、対向する予備電離電極４９とそ
の予備電離電極４９の各対のギャップに挿入した絶縁体
２１を備えたものである。本実施例において、絶縁体２
１の形状は円板状で、その一部を切り欠いた構造になっ
ている。そして、対向する予備電離電極４９の各対のギ
ャップに、円板状の絶縁体２１をその中心軸と予備電離
電極４９の中心軸が一致するように挟んでいる。ここで
絶縁体２１の一部を切り欠いた部分、すなわち沿面距離
の最短部は、主放電部（図示せず）の方向に向けられて
いる。この構成において、容量移行の開始と同時に絶縁
体２１の沿面距離の最短部の表面に沿ったレーザガスだ
けが絶縁破壊を起す。つづいて、絶縁体２１の沿面距離
の最短部の表面に沿って沿面放電が発生し、容量移行に
よって予備電離電流２２が流れる。この予備電離電流２
２は、主放電（図示せず）に先行するので、沿面放電か
ら発生するＵＶ光２３は主放電に先行する。このとき、
本実施例においては、各予備電離電極４９の絶縁体２１
の沿面距離の最短部を、主放電部の方向に向けて配設し
てあるので、沿面放電によって発生するＵＶ光２３を主
放電部の方向へ集中させることができる。その結果、従
来の等方的なＵＶ光２３を発生させるアーク放電または
沿面放電に比べて予備電離効果が大きくでき、レーザ出
力も向上する。

【００１７】図３は、本発明の第３の実施例における対
向する放電励起エキシマレーザ装置の予備電離電極と、
その予備電離電極の各対のギャップに挿入した絶縁体と
で構成した要部を示している。

【００１８】第３の実施例の予備電離電極部の構成は、
第２の実施例と同様に、対向する予備電離電極４９とそ
の予備電離電極４９の各対のギャップに挿入した絶縁体
３１を備えたものである。本実施例において、絶縁体３
１の形状は円筒で、その外周の一部を切り欠いた構造に
なっている。そして、対向する予備電離電極１の各対の
ギャップに、円筒状の絶縁体３１をその中心軸と予備電
離電極１の中心軸が一致するように挟んでいる。ここで
絶縁体３１は、対向する予備電離電極４９の端部を絶縁
体３１の端部へ挿入する構造となっているので、この予
備電離電極４９の各対のギャップに絶縁体３１を確実に
取付けできる。さらに絶縁体３１の一部を切り欠いた部
分、すなわち沿面距離の最短部は、主放電部（図示せ
ず）の方向に向けられている。この構成において、容量
移行の開始と同時に絶縁体３１の沿面距離の最短部の表
面のレーザガスだけが絶縁破壊を起す。つづいて絶縁体
３１の沿面距離の最短部の表面に沿って沿面放電が発生
し、容量移行によって予備電離電流３２が流れる。この
とき、本発明の第３の実施例において沿面放電は、絶縁
体３１の表面全体に沿ってではなく、沿面距離の最短部
において発生するため、この沿面放電によって発生する
ＵＶ光３３は、等放的ではなく、絶縁体３１の最短部の
向けられた方向に限定して放射される。各予備電離電極
１の絶縁体３１の沿面距離の最短部は、主放電部の方向
に向けて配設されているので、沿面放電によって発生す
るＵＶ光３３を主放電部の方向へ集中させることができ
る。また、本実施例における絶縁体３１の構造は、予備
電離電極４９に円筒状の絶縁体３１をはめ込む構造にな
っているため、予備電離電極４９の消耗および機械的振
動によって絶縁体３１が予備電離電極４９から抜け落ち
ることがなくなる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の放電励起エ
キシマレーザ装置は、対向する予備電離電極を複数対備
え、その予備電離電極の各対のギャップに絶縁体を挿入
して構成したもので、予備電離電極の早期消耗を低減で
き、レーザ出力を長期間安定に保てるので、メンテナン
ス頻度が少なくなり、また、絶縁体の沿面距離の最短部
を主放電部の方向に向けて配設しているので、予備電離
を行うＵＶ光に指向性を持たせることができ、その結
果、予備電離電極部から発生するＵＶ光はすべて主放電
部に向かって放射されるので、予備電離密度が向上し、
レーザ出力の上昇を図ることができる放電励起エキシマ
レーザ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の放電励起エキシマレー
ザ装置の要部斜視図

【図２】本発明の第２の実施例の放電励起エキシマレー
ザ装置の要部斜視図

【図３】本発明の第３の実施例の放電励起エキシマレー
ザ装置の要部斜視図

【図４】従来の放電励起エキシマレーザ装置の構成図

【図５】図４の放電励起エキシマレーザ装置の要部斜視
図

【符号の説明】

１１，２１，３１絶縁体１２，２２，３２予備電離電流１３，２３，３３ＵＶ光４９予備電離電極

フロントページの続き (72)発明者松田明浩大阪府門真市大字門真1006番地松下電子工業株式会社内 (56)参考文献特開昭61−135176（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−229884（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−227073（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−228772（ＪＰ，Ａ) 実開昭55−65879（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/03 - 3/038 H01S 3/097 - 3/0979

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも対向する予備電離電極を複数
対備えた放電励起エキシマレーザ装置において、前記予
備電離電極の各対のギャップに前記予備電離電極の幅よ
りも広い幅の絶縁体を設け、前記ギャップにおける前記
絶縁体の一部表面に前記予備電離電極の前記絶縁体の沿
面距離が最短距離となるように溝状の切り欠き部が設け
られるとともに、前記切り欠き部が主放電部の方向に向
けられたことを特徴とする放電励起エキシマレーザ装
置。