JP3818405B2 - Laser oscillator - Google Patents

Description

１０ｎｓｅｃの間、一定の光出力が得られるとして、１ＭＷのパルス光になる。実際には、図３に示すようになる。
【００１２】
実際は図３に示すようなパルス波形になっているため、光パルスの強度は２〜３ＭＷのピークパワーになることになる。間歇的に数ＭＷといった短波長の光が入射するため、レンズ材料やその表面の無反射多層膜の耐久性がきわめて厳しくなってくる。
【００１３】
また、エキシマレーザリソグラフィーの時代にはステップアンドリピート時の露光が一括で行われるわけではなく、ミラーもしくはレンズのスキャンによるスキャニング露光ということになる。毎秒１０００発程度のパルス光で、０．２秒露光ということになると一回の露光で２００パルス程度しか使えない。これで例えば２５×３５ｍｍ²エリアの露光を均一照射にしようとすると、ミラーもしくはレンズ のスキャンとパルス光の相対関係をきわめて厳しく制御しなければならず極めて複雑な制御システムが光要素に要求される。なおかつ、現状ではパルス光の出力が１０％程度ゆらいでいる。そのためにミラーもしくはレンズスキャンの制御系はきわめて複雑にならざるを得ないという問題があり、エキシマレーザ露光装置も複雑で高いものにしている。
【００１４】
さらに、従来のエキシマレーザ発振装置は次なる問題をも有している。すなわち、エキシマレーザ光の中でもＫｒＦレーザやＡｒＦレーザは、レーザガスとして反応性の高いフッ素ガスを用いるために、レーザガスを収容し、そのガスに放電エネルギーを与えるためのレーザチャンバ内でのフッ素の濃度が減少する。そこで、レーザチャンバへの供給電圧を上げて所定の出力を得られるように制御するのであるが、そのような制御でも出力が得難くなった場合には、一度発振を停止して、フッ素ガスの補充を行う。さらに、発振を続けるとフッ素の補充を行っても、所定のレーザ出力が得られなくなり、こうなると、レーザチャンバを交換しなければならない。
【００１５】
また、パルス電圧により放電を起こし、数１０ｎｓ程度発光を起こさせるエキシマレーザ発光装置の場合、発光している時間が短すぎるため、出力光の発光スペクトルの波長半値幅は、３００ｐｍ程度と広い。そのため、グレーチング等の狭帯域化モジュールによる単色化によって、はじめて、１ｐｍ以下の波長半値幅を得ている。
【００１６】
現状の技術では所定の周期毎にフッ素ガスを補充し、印加電圧を上げながら発振を行う必要がある。換言すれば、フッ素ガスが、チャンバ内表面との反応などにより、時間とともに減少している。よって、レーザチャンバの寿命という点では、いまだ十分なものではなく、特に、物品の加工等で長期間レーザを使用する場合には、チャンバの寿命は加工物品の製造スループットを向上する上で重要な要因である。
【００１７】
また、グレーチング等の狭帯域化モジュールを用いた単色化によって、１ｐｍ以下の波長半値幅を得ることが現在可能となっているが、その反面、グレーチング等を用いた狭帯域化により出力光の発光強度が減少しており、加工物品の製造スループット向上の大きな妨げとなっている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、レンズ材料やその表面への負荷が少なく、かつ、ミラーもしくはレンズスキャンの制御系を簡略にすることができ、かつエキシマレーザの寿命が十分長くなって量産の使用に耐えるレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【００１９】
さらに、出力光の強度を高くしながら、狭帯域化が実現されるレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【００２０】
参考発明は、狭帯化モジュールを用いなくとも波長幅の狭いスペクトルが達成でき、装置の小型化・簡略化が実現されたエキシマレーザ露光装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ発振装置は、レーザガスを収納するためのレーザ管からなるレーザチャンバと、該レーザチャンバを挟んで設けられた一対の反射鏡からなる光共振器とを有するレーザ発振器において、
レーザチャンバ内のレーザガスを励起するためのマイクロ波の導入手段を設けるとともに、該マイクロ波を導入する手段は、光共振器の光軸に沿って設けられ、該光軸と直交する方向に関するビーム半径の該光軸に沿った変化に応じて、該マイクロ波を導入する手段と該共振器の光軸との距離を 該光軸に沿って変化させたことを特徴とする。
【００２６】
【作用及び実施の形態】
以下に本発明の作用を発明をなすに際して得た知見及び実施の形態とともに説明する。
【００２７】
本発明においては、連続発光を行っているため、前述したミラーもしくはレンズのスキャンとパルスとの相対的関係の制御が不要となり、光学系の制御が極めて簡単になる。
【００２８】
また、本発明者が解析したように、０．１Ｗ／ｃｍ²の光であれば０．２ｓｅｃの露光で十分であり、１Ｗ／ｃｍ²の光であれば０．０２ｓｅｃとなるのであるから、光学系における光の損失等を考えると、１０Ｗ程度の出力で十分ということになり、レンズ材料やその表面の寿命を長くすることが可能となる。
さらに、次の諸々の作用が達成される。
【００２９】
第１に、ガラス等の光学材料に対するダメージが減少することである。ＫｒＦあるいはＡｒＦ等の通常のエキシマレーザは１０〜２０ｎｓｅｃという短いパルス発光であるのに対し、パルスの繰り返し周波数は１０００Ｈｚ程度に過ぎない。従って、このパルスのピークの光強度は、光学系の効率という問題を抜きにしても同じ強度で連続発光している時の１万倍以上ある。エキシマの領域で起こる材料の損傷の主原因は２光子吸収にあることが知られており、光のピーク強度の２乗に比例する現在のエキシマレーザでの光損傷は連続発光の場合より少なく見積もっても１０⁸倍厳しい。ガラス材の耐久がＡｒＦの領域で問題となっているのは以上の理由による。従って、連続発光光源の実現はＡｒＦまで含めて紫外域での材料問題を一気に解決する。
【００３０】
第２に、狭帯域の光特有の現象のスペックルの発生を抑制することが容易なことである。パルス発光の場合、ランダムな干渉縞であるスペックルを効果的に消し去るためには、一つ一つのパルスでの発光タイミングと公知のスペックル除去手段とを高精度に同期させる必要がある。これに対し、連続発振であれば特別な同期手段を必要とせず簡単な、例えば、回転拡散板のような公知の手段で容易にスペックルを除去することができる。このため光学系の構成を簡単にすることができ、コストの削減にも効果的である。
【００３１】
第３に、露光量制御が容易なことである。パルス発光のような離散的な露光を行う場合、露光量を制御する最小単位は１パルスの露光量の制御性にもよるが、基本的には、パルスの数に依存している。総合で１００パルスで露光するとした時の次の単位は９９パルスまたは１０１パルスであり、制御精度は±１％となる。もちろん、最後の１パルスの制御については種々の手段が提案されているが、制御性あるいは制御のためにはこのような離散性による分解能がなく、より細かな露光量制御が望ましい。線幅が細かくなるに従い、厳しい露光量制御が要求されているなかで、連続発光光源が与える効果は大である。
【００３２】
ところで、前述したように、従来、エキシマレーザについては、エキシマ状態にあるエネルギー準位が短い寿命なので、原子を励起準位にある程度の時間留めておくことができず、連続的な励起が不可能であると考えられており、立ち上がりの速いパルス励起を行わざるを得なかった。
【００３３】
本発明においては、レーザガスを収容するためのレーザチャンバの内面を、２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、１５７ｎｍといった所望の波長の光に対する無反射面とする。
【００３４】
レーザチャンバ内面を無反射面にする理由は、自然放出した光が同内面で反射して励起されているガスにもどってきて、ＫｒＦ^*またはＡｒＦ^*を励起状態から基底状態に遷移させることを防ぐためである。
【００３５】
ここで、無反射とは、１００％透過あるいは吸収の場合のみならず、ある程度の反射率を有していてもよい。反射率５０％以下が好ましく、２０％以下がより好ましく、５％以下がさらに好ましい。具体的装置により持続して一様なレーザ光が得られるように適宜選択すればよい。
【００３６】
さらに、レーザチャンバと反応してＦ₂が減少するのを防ぐために、レーザチャンバの内面はフッ化物で構成されている。特にＦ₂に対して安定しているステンレスの表面にＦｅＦ₂の層が形成されたもの、または金属上にニッケルを鍍金しさらにその表面にＮｉＦ₂の層が形成されたもの、またはアルミニューム合金上にＡｌＦ₃とＭｇＦ₂の層が形成されたもののいずれかで構成されている。
【００３７】
また、本発明においては、出力側の反射鏡の反射率を９０％以上とする。
【００３８】
現在の共振器構成は片側１００％反射に対し、出力側反射は１０％程度である。
【００３９】
ところで、従来のＫｒＦ^*エキシマのレーザガス組成は、例えば次の通りである 。
Ｋｒ／Ｎｅ／Ｆ₂＝０．数％：９８％：０．数％
【００４０】
Ｆ₂の濃度は１％以下と少ない。これは、Ｆ₂をあまり多くすると、電子がＦに吸引されて負のイオンとなり放電が安定しないためである。一方圧力は、３〜４気圧となっている。かかる圧力としているのはＦ₂濃度は少なくしたことを補いなるべく大量のＫｒＦ^*を作るためである。
【００４１】
連続発光の場合には１０Ｗ程度出力があればよいのである。許容される利得α₂を推察する。
【００４２】
・共振器内のレーザ光強度
飽和強度Ｉｓ程度の強度でレーザを動作させない限り、上準位のエキシマはほとんど衝突によって消滅してしまう。飽和強度は利得ｇが小信号利得ｇ₀の１／２になる強度であり、ＫｒＦエキシマの場合次のように求められる（「エキシマレーザの開発と応用技術・例」（渡部俊太郎 監著））。

ｈ：プランク定数 ６．６３×１０^-34Ｊ・ｓ
ν：振動数 ３×１０⁸／０．２４８×１０^-6＝１．２×１０¹⁵
σ：誘導放出断面積 ２×１０^-16ｃｍ²
τ：上準位寿命 ３ｎｓ
（衝突による脱励起を含む）
上準位寿命τは、ガス圧が低いと衝突が起きにくくなるので、最大で放射寿命（自由空間での寿命）まで大きくなる。この場合の寿命は６．７ｎｓであり飽和強度Ｉｓは、
Ｉｓ＝０．６ＭＷ／ｃｍ²となる。
【００４３】
・レーザの取り出し効率
単位体積から毎秒取り出される光子数と生成されるエキシマの数の比である。レーザの取り出し効率ηexは以下で求められる。
ηex＝（Ｉ／Ｉｓ）（１−（１＋Ｉ／Ｉｓ）−α_n／ｇ₀）
Ｉ：レーザ光強度
Ｉｓ：飽和強度
α_n：不飽和吸収係数
ｇ₀：少信号利得
と表される。α_n＞０なので、
ηex＜（Ｉ／Ｉｓ）／（１＋Ｉ／Ｉｓ）
レーザ光強度ＩがＩｓ以下ではレーザ発振は効率が悪くなる。例えば共振器内のレーザ光強度Ｉが５００Ｗ／ｃｍ²の時、
ηex＝１／２６００以下（レーザの取り出し効率ηexは非常に小さい。）
よって効率よくレーザ発振させるためには、飽和強度の１．３ＭＷ／ｃｍ²程度が必要である。
【００４４】
以下本発明の好ましい実施態様例を述べる。
【００４５】
（レーザガス）
本発明においてはレーザ媒質であるレーザガスは、Ｋｒ，Ａｒ，Ｎｅから選ばれた１種以上の不活性ガスとＦ₂ガスとの混合ガスからなる。
【００４６】
これらのうち、使用したい波長により適宜ガス種を組み合わせればよい。例えば、２４８ｎｍの波長の場合にはＫｒ／Ｎｅ／Ｆ₂とし、１９３ｎｍの場合にはＡｒ／Ｎｅ／Ｆ₂とし、１５７ｎｍの場合にはＮｅ／Ｆ₂とすればよい。
【００４７】
本発明においては、レーザチャンバ内にレーザガスを連続的に供給することが好ましい。そのためのより具体的なレーザガスの供給系例を図７に示す。
【００４８】
図７において２１ａ，２１ｂはガス導入口である。ガス導入口２１ａ，２１ｂはレーザチャンバ２０の両端に設けたり、また、レーザチャンバ２０の略々中央にはガス排出口２２を設けてある。なお、必要に応じガス排出口には真空ポンプ等を設けておいてもよい。レーザガスは両端のガス導入口２１ａ，２１ｂから両ガス導入口２１ａ，２１ｂで等しい流量で供給し、略々中央に設けたガス排出口２２から排出させる。その理由は、出力端の光反射板の表面保護を兼ねるからである。すなわち、光反射板の最表面は必ずフッ化膜の薄膜等で被覆してあるからＦ₂、Ｆ^*に反応することはないからである。また、ガス導入口２１ａ，２１ｂ、ガス排出口２２の形状はマイクロ波電流が流れる方向にスリット状であることが望ましい。
【００４９】
一方、図７において２５ａ，２５ｂ，２６，２７ａ，２７ｂはバルブである。レーザガスの初期導入時には、バルブ２５ａを２７ａを閉、バルブ２５ｂ，２７ｂを開とし、レーザガス源からバルブ２５ａ，２７ａ近傍までの配管内のパージを行う。配管内パージ後、バルブ２５ｂ，２７ｂを閉、２６を開としてレーザガスをレーザチャンバ２０内に導入し、一旦レーザチャンバ２０内をパージ後そのままレーザガスの導入を行いレーザ発振を行えばよい。もちろんパージ等が不要の場合は上記バルブは設ける必要はない。なお、図１９において、２８は流量をコントロールするためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）あるいは圧力フローコントローラ（ＰＦＣ）である。ＰＦＣが好ましい。２９はフィルタである。
【００５０】
本発明においては、安定した連続発振を得る上においてレーザガス中におけるＦ₂濃度は０．１原子％以上６原子％以下であり、１〜６原子％が好ましい。４〜６％がより好ましい。
【００５１】
また、レーザガスの圧力は、１０Ｔｏｒｒ〜１ａｔｍが好ましい。５０Ｔｏｒｒ〜１ａｔｍがより好ましい。すなわち、本発明においては、かかる低い圧力においても安定した放電が得られ、ひいては、安定した連続発振、連続発光が得られるのである。従来技術においては、レーザガスの圧力は３〜４気圧であった。それは、従来技術においては、Ｆ₂濃度を高めるとＦ^-となり電子がなくなってしまい放電が不安定となるためＦ₂濃度は１％以下（実際はそれよりさらに低い）とし、それを補填すべく３〜４気圧とせざるを得なかったのである。しかるに本発明においては、Ｆ₂濃度を高めてもかかるマイクロ波による安定した放電が得られ従って、圧力を高めて補填する必要がない。もちろん何らかの理由により圧力を高める必要があれば高めてもよい。
【００５２】
図２６は、反応式、ＫｒＦエキシマレーザのレーザ管内で生じる反応を示している。ここで注目すべきは▲３▼である。ＫｒＦ^*エキシマを生成するためには、Ｆ^-及びＦ₂が必要であることがわかる。一方、▲４▼より光を放出したエキシマは、基底状態の希ガス原子（Ｋｒ）とハロゲン（Ｆ）に戻りＫｒＦ*エキシマ生成に直接必要なＦ₂やＦ^-にはならない。
【００５３】
しかも▲５▼よりハロゲン原子（Ｆ）がハロゲン分子（Ｆ₂）を生成する反応は非常に遅いのである。
【００５４】
以上のことから、放電空間内で光を放出して基底状態に戻ったハロゲン原子をハロゲンイオン（Ｆ^-）やハロゲン分子（Ｆ₂）で置換することが大切になる。
【００５５】
（レーザ管）
レーザ管４０（図８、図９）は、レーザチャンバを構成する管であり、マイクロ波を導入するための窓部４４を有している。レーザ管４０はその窓部４４側において導波管４２と接続される。レーザ管４０の内部と導波管４２の内部とはシールされており、シールは絶縁板４１をレーザ管４０の窓部４４に設けることにより行われる。絶縁板４１については後述する。
【００５６】
プラズマ励起部の終端の断面形状すなわちレーザチャンバを構成するレーザ管４０の断面形状は、図８に示すように、略半円筒状（あるは半楕円状）（図８（ａ））、円筒状（図８（ｂ））、楕円状（図８（ｃ））等とすることができる。
【００５７】
さらに、より好ましい形状は、図９（ａ）に示す楕円形状であり、この楕円の短径方向はマイクロ波の導入方向となっている。従って、図９（ａ）に示す断面形状の場合には、マイクロ波はレーザ管内のレーザ媒質であるレーザガスに万遍なく導入される。また、単位面積あたりより密度の高いレーザを得ることができ、また外部に出力することができる。
【００５８】
さらに、レーザ管４０の窓部４４は図９（ｂ）に示すように、レーザ管４０側が広がるテーパを設けてもよい。テーパは逆に付けてもよい。
【００５９】
レーザ管４０と導波管４２との接続は、例えば、図８あるいは図９に示すように、両者にフランジ部を設けてシール締め付けを行えばよい。
【００６０】
本発明においては、レーザ管４０の内部には、電極等の部品を内蔵する必要がない。すなわち、後に電極等を内部に組み込む必要がない。従って、作製行程によって絶縁板４１をレーザ管４０予めに取り付けておいてもよい。絶縁板４１の取付は、例えば、焼嵌めにより行えばよい。なお、図９（ｂ）に示す場合においては絶縁板４１はレーザ管４０の内部側から嵌め込めばよい。
【００６１】
なお、このレーザ管４０はレーザチャンバを構成するものであり、前述した通りその最表面はＦ^*，ＫｒＦ^*，ＡｒＦ^*との反応を抑えるためフッ化物で構成される。
【００６２】
また、レーザ管４０の母体の材質を金属とすることにより、作製が容易となり、冷却効率がよくなる。特に、温度変化により光共振器長が変化するのを防止する為に熱膨張係数がほとんど零の金属を使用することが好ましい。加えて、その内表面にはマイクロ波の表皮深さ（ｓｋｉｎ ｄｅｐｔｈ）より少なくとも厚くして、銅や銀の様に電気伝導度の高い金属をメッキなどの手段により設けることが望ましい。
【００６３】
絶縁板４１の好適な実施態様としては、少なくともプラズマに接する側の面（レーザ管４０側の面）には多層膜（例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂、ＭｇＦ₂、ＬａＦ₂膜）がコートされ、最表面にはフッ化物の薄膜（例えば、ＣａＦ₂ 、ＭｇＦ₂、ＬａＦ₂、その他のフッ化物の薄膜）が形成されている例を挙げられる。
【００６４】
さらに、絶縁板４１は、その材料の要件として供給するマイクロ波に対して圧倒的に損失が少なく、機械的に丈夫であり、水に溶けない等の条件を備えている。
【００６５】
また、その厚さは、マイクロ波の波長（管内波長）の半波長の整数倍又は略々整数倍の厚さになっていればよい。
【００６６】
（マイクロ波）
本発明では、レーザガスの励起手段としてマイクロ波を用いる。マイクロ波を用いることにより、レーザガスを連続的に励起し、連続発光を達成する。
【００６７】
マイクロ波の供給源としては例えば商品名ジャイロトロンを用いればよい。
【００６８】
マイクロ波の周波数、電力は、レーザガスの成分ガスの分圧などにより適宜決定すればよい。一般的にはマイクロ波の周波数は１ＧＨｚ〜５０ＧＨｚが好ましく、５〜４０ＧＨｚがより好ましく、２０〜３５ＧＨｚがさらに好ましい。また、マイクロ波の電力は数１００Ｗ〜数ｋＷが好ましい。
【００６９】
励起用のマイクロ波の周波数ωを、例えば、３５ＧＨｚとすると、プラズマ励起ガスの主体となるＮｅの電子との衝突断面積から決まる電子のＮｅ原子との衝突周波数ωcが励起マイクロ波周波数と等しくなるガス圧力は１６０Ｔｏｒｒとなる。
【００７０】
この状態の時、同一電力によるプラズマ励起は最も効率よくなる。
【００７１】
Ｋｒ／Ｎｅ／Ｆ₂（３％／９２％／５％）のガス圧力を大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）にすると、衝突周波数は励起マイクロ波の略々４．５倍となり、励起周波数の一周期中に電子は４．５回Ｎｅ原子と衝突する。
【００７２】
したがって、この状態は、Resistive Plasmaの条件となっており、
δ＝（２／ωμ0σ）1/2
から決まる表皮深さがプラズマ励起が効率よく起こる深さである。ωはマイクロ波の角周波数、μ0は真空透磁率、σはプラズマの導電率である。
【００７３】
３５ＧＨｚのマイクロ波でガス圧１６０Ｔｏｒｒ、電子密度１０14ｃｍ^-3とした場合、
ω＝２π×３５×１０⁹［ｓ-1］
μ0＝４π×１０^-7［Ｈ／ｍ］
σ＝１２．８［Ω-1ｍ-1］
となり、
δ＝７５０μｍ
となる。
【００７４】
例えば、３５ＧＨｚのマイクロ波を、高さ５ｍｍ、幅１０ｃｍのオーバーサイズ導波管で誘導する。
【００７５】
ＳｉＯ₂，ＣａＦ₂，ＭｇＦ₂等の絶縁板で導波管部とプラズマ励起部を機密遮蔽する。絶縁板の厚さは絶縁板の誘電率も考慮した管内波長λgの半分の長さの略々整数倍にする。
【００７６】
従って、１７．５ＧＨｚのマイクロ波では８０Ｔｏｒｒのガス圧で衝突周波数と等しくなる。３５ＧＨｚをプラズマ周波数とすると、その時の電子密度は、５×１０¹³ｃｍ^-3となる。３５ＧＨｚで１００Ｗ〜１ｋＷ程度の電力で、７０〜８０Ｔｏｒｒから大気圧（１気圧）程度のガスプラズマをたてれば１０¹⁴ｃｍ^-3台の濃度のＦ^*，ＫｒＦ^*，ＡｒＦ^*は確実に実現できる。
【００７７】
また、マイクロ波を供給するに際しては、プラズマ励起部に接する導波管及び絶縁板の表面は２４８ｎｍ等の波長に対して無反射板になっていることが好ましい。
【００７８】
一方、導波管と絶縁板との間隔は、図１０あるいは図１１（ａ）に示すように、λg／２としてもよいし、図１１（ｂ）に示すようにλgとしてもよい。あるいは３λg／２でもよい。
【００７９】
なお、導波管内における放電を防止する上からその中は真空とすることが好ましい。真空度としては１０^-4Ｔｏｒｒ以下程度で放電は防止できる。
【００８０】
なお、導波管４２における、レーザ管４０との接続部近傍の内面は、レーザ管４０の内面と同様に無反射面とすることが好ましい。導波管４２内面における反射光がレーザ管４０内に戻ることを防止するためである。
【００８１】
さらに、安定した放電を起こさせるために図１２に示すように電磁石あるいは永久磁石により磁場を与えることが好ましい。
【００８２】
（マイクロ波の導入手段）
また、マイクロ波の導入手段の構造例を図１３〜図１８に示す。
【００８３】
図１３に示す例では、マイクロ波の導入手段を構成するる導波管１は、スロットＳを複数有するスロット導波管である。スロット導波管１は、レーザ管２と軸方向に平行にその外周に接続されている。スロット導波管１上部より数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの電磁波が導入され、この電磁波は、電界が紙面に垂直方向を向いたＴＥ１０モードとして導波管１内を伝搬する。
【００８４】
スロット導波管１の図面上の下面には、図１４に示すように細長いスロット１１が多数開いており、電磁波は導波管１中を伝搬しながら、このスロットＳより導波管１の外部へ放出される。
【００８５】
スロットＳより放出された電磁波は、誘電体板３を介してレーザ管２内に導入され、レーザ管２内のレーザガスをイオン化してプラズマを発生させる。磁場発生部１０は、レーザ管２に垂直方向の磁界を導入するための永久磁石、または電磁石である。ここで使用する永久磁石としては強力な磁力を有する鉄バナジューム磁石又は、Ｎｂ・Ｆｅ・Ｂ磁石が適している。
【００８６】
レーザ管２内に磁場を導入することにより、プラズマ中の電子をトラップして壁面での損失を減らし、より高密度のプラズマを得ることができる。磁場強度を適切に選べば、電子サイクロトロン共鳴により更に高密度のプラズマが得られる。
【００８７】
もちろん、磁場を印加しなくても十分高密度のプラズマが得られる場合には、磁場発生部１０は必要ない。
【００８８】
レーザ管２には、例えばガス導入口８よりＫｒ、Ｎｅ、Ｆ₂ガスが導入／排出される。プラズマ発生時にガスの入れ替えが必要がない場合には、レーザ管２内にガスを封入しておけばよいため、ガス導入口８は必要ない。プラズマ中では、ＫｒＦ等の寿命が１０ｎｓｅｃ程度のラジカルが連続的に発生し、これがＫｒとＦに解離する際に光を放出する。この光は出力側鏡５と反射側鏡６で形成される光共振器内を往復しながら誘導放出を促し、また誘導放出により増幅される。出力側鏡５の反射率は９０％以上であり、この出力側鏡を透過した光は、外部にレーザ光として放出される。
【００８９】
図１３に示す例では、レーザ管本体の材質はアルミニウム合金を用いることができるが、効率を上げるためにレーザ本体内面及び誘電体３の内面には誘電体多層膜が形成されており、発振波長における反射率は無反射になっている。
【００９０】
レーザ管２や、導波管１を冷却するために、冷却水導入口９を有する冷媒容器７とこれらの間には、冷却水、大気、Ｎ₂ガス等の冷媒が流せる構造になっている。また、スロット導波管１は、導波管１内で放電が起こることを防止するために、真空にできる構造になっている。
【００９１】
図１４は、スロット導波管１を下部から見た図である。
【００９２】
図１４（ａ）は、導波管１の軸に対して垂直方向を向いたスロットＳが、導波管１内電磁波の波長と等しい間隔で並んだものである。各スロットからは、位相が揃った導波管軸方向に偏波した直線偏波の電磁波が放出される。
【００９３】
図１４（ｂ）は、導波管軸に対して４５度傾いたスロットが、導波管内電磁波の波長と等しい間隔で並んだものである。各スロットからは、位相が揃った導波管軸方向に対して４５度傾いた方向に偏波した直線偏波の電磁波が放出される。
【００９４】
図１１（ｃ）は、導波管軸に対して４５度傾き、直交した２本のスロットのペアが、導波管内電磁波の波長と等しい間隔で並んだものである。各スロットからは、位相が揃った円偏波の電磁波が放出される。
【００９５】
これらのスロットの長さは、各スロットから放出される電磁波の強度がほぼ等しくなるように、導波管内の電磁波強度分布に応じた決められる。また、スロットの角度、スロット間の間隔は上記以外であってもよい。
【００９６】
図１５の構造では、テーパー導波管１１上部より数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの電磁波が導入され、この電磁波はテーパー部で広げられた後、誘電体板３を通してレーザ管２内に導入される。図１５に示す例では、テーパー導波管１１の電磁波導入部付近では電界が紙面に水平方向を向いたＴＥ１０モードとして伝搬するが、電界が紙面に垂直方向を向いていてもよい。その他は図１３に示すものと同様である。
【００９７】
図１６と図１７はマイクロ波を表面波として導入した例であり、図１６に示す構造では、円筒形の誘電管を用いるギャップ付き導波管１２の上部から数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの電磁波が導入され、この電磁波は電界が紙面に水平方向を向いたＴＥ１０モードとして管内を伝搬する。ギャップ付き導波管１２のギャップ部から、誘電管１４の管軸方向の電界が印加される。こうして導入されたマイクロ波は誘電管１４内では、ギャップ部から左右の管軸方向に伝播する表面波となる。この表面波電界によりプラズマ中の電子が加速されて高密度のプラズマが維持される。
【００９８】
レーザ管の中央部からなだらかに減衰するモードの揃った表面波が伝播するため、局所的なマイクロ波電界の強弱が出来ない。従って、プラズマ表面で均一なプラズマ励起が行われるため、効率よく高密度プラズマが発生できる。また、マイクロ波電界をギャップ部のみに印加すればよいので、マイクロ波回路が非常に簡単である。このプラズマ発生方法では、数ｍｍ以下と細く、長い高密度プラズマを効率よく発生できるため、細いレーザを発振させるには最適といえる。誘電管１４は、図１３に示す例では、ＣａＦ₂である。可動短絡板１３は、短絡の位置調整することにより、電磁波発生部への反射を抑えるために設けられたものであるが、特に可動である必要はない。また、電磁波の周波数が高く導波管の寸法が十分に小さい場合は、導波管のギャップ部は特に必要ない。磁場発生部１０は永久磁石または電磁石であり、誘電管１４の管軸方向の磁場を発生させる。その他は図１３に示す構成と同様である。
【００９９】
図１７は誘導板１４ａを用いた例であり、円筒形の誘電管を用いる場合と原理的には同じ。幅が広く厚さが薄いプラズマを発生するのに適している。プラズマの下部分はプラズマ生成とは無関係なので、レーザ管軸と垂直方向の高速なガス流を作りやすい。
【０１００】
図１９に示す構造は、同軸変換導波管１６上部から数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの電磁波が導入され、この電磁波は電界が紙面に水平方向を向いたＴＥ１０モードとして管内を伝搬する。この電磁波は、シールド板１５と誘電管１４内プラズマとの間を伝搬する左右方向の電磁波にモードを変えて伝搬する。プラズマ表面に流れる高周波電流により高密度プラズマが生成される。その他は図１３ないし図１７に示す構成と同様である。
【０１０１】
図１８に示す構造は、同軸変換導波管１６上部から数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの電磁波が導入され、この電磁波は電界が紙面に水平方向を向いたＴＥモードとして管内を伝搬する。この電磁波は、シールド板１５と誘電管１４内プラズマとの間を伝搬する右方向の電磁波にモードを変えて伝搬する。その他は図１８に示す構造と同様である。
【０１０２】
（マイクロ波の導入手段の形状など）
安定型の共振器においては、ある固定モードが形成され、そのなかで最もビーム径が小さいモードはガウス分布を有するＴＥＭ００モード（基本モード）となる。共振器を構成するためには、少なくとも基本モードを損失無く伝搬させるだけの空間が必要となる。基本モードのビーム径は、レーザ光の波長、共振器の長さ、共振器のミラーの曲率半径で規定され、図２９（ａ）に示すように、Ｌ：共振器長、Ｒ：ミラー曲率半径として、ｇパラメータｇ＝１−Ｌ／Ｒを用いて表すことができる。
【０１０３】
図２９（ｂ）は、共振器長Ｌ＝２００ｍｍを仮定し、対称安定型共振器の基本モードの共振器ミラー上（共振器端部）における１／ｅ²ビーム半径を計算したものである。横軸はｇパラメータを示している。
【０１０４】
図２９に示すようにビーム半径は光軸方向で変化している。従って、安定型共振器を用いる際には、ゲインの高い領域、すなわち、レーザーチャンバーのマイクロ波導入部直下のプラズマ密度の濃い領域が光路内に含まれないという問題が生じる。
【０１０５】
しかるに、マイクロ波を導入する手段のレーザチャンバ側の形状をビーム径に沿った形状とすることによりゲインの高い領域すなわちレーザーチャンバーのマイクロ波導入部直下のプラズマ密度の濃い領域を光路内に含ませることが可能となる。
【０１０６】
図３０（ａ）にその例を示す。図３０（ａ）において、マイクロ波を導入するための手段は、導入部３００とスロット（図３０では不図示）を有するスロット板３０３とから構成される導波管と、誘電板３０２とから構成されている。そして、光軸３５０と直交する方向に関するビーム半径の大きさの光軸３５０方向の変化に応じて、誘電板３０２と共振器の光軸３５０との距離を光軸３５０の方向に変化させている。すなわち、誘電板３０２とビーム外周との距離を一定としている。なお、３０４は、マイクロ波の導入を容易にし、導波管を小さくすることを可能たらしめるために導波管内に充填されている例えばＡｌＮからなる粉末剤である。
【０１０７】
ところで、誘電板３０２のレーザチャンバ３０５側の形状を平面ではなく図３０（ａ）に示すように曲面とした場合、レーザガスの流れに乱れ（乱流）が生じ、その結果回折損の発生をもたらす。そこで、図３０（ｂ）に示すように、レーザガスの導入口に整流板（レーザガスを層流にするための手段）３０６を設けることが好ましい。これによりレーザガスの流れを均一な層流にすることができる。
【０１０８】
この整流板３０６は発生したプラズマをれレーザチャンバ３０５内に閉じこめる作用をも有している。なお、かかる作用の点からは下流側にも整流板を設けてもよい。
【０１０９】
整流板３０６としては、そのコンダクタンスがレーザチャンバ内におけるコンダクタンスより小さいものを用いれば容易に層流が実現できる。
また、整流板として、シャワーヘッドのように蜂の巣状に穴のあいたものや、スリットが多数切ってあるものなどが好ましい。
【０１１０】
スリットは、レーザチャンバの中心付近の開口率を周辺よりも大きくすればガスを均一にかつ高速に流すことができるため好ましい。
【０１１１】
整流板３０６の少なくとも表面は、ＡｌＦ₃やＭｇＦ₂などのフッ化物から構成しておく。
【０１１２】
図３０では、マイクロ波の導入手段を一つ設ける場合を示しているが、図３１に示すように、マイクロ波の導入手段を光軸３５０に関して対称にに２個設けてもよい。２個を対称に設けた場合には１個の場合に比べ２倍を超えるゲインが得られる。
【０１１３】
なお、マイクロ波の導入手段のレーザチャンバ側の形状をビーム外周形状に沿わせる技術は、連続発光エキシマレーザ発振装置において特に有効であるがそれ以外のマイクロ波を導入してプラズマを発生させるレーザ発振装置に適用してもよい。
【０１１４】
一方、マイクロ波の導入手段を図３０、図３１に示すように、導入部３００とスロット板３０３とから構成される導波管と、誘電板３０２とから構成すると、誘電板３０２の加工・取付が複雑となる。また、加工・取付の観点から誘電板３０２をある程度以上の厚みを持たせる必要がある。
【０１１５】
しかるに、図３２（ａ）に示すように、誘電体４１０の厚みが厚い場合には、マイクロ波はレーザチャンバ４３０で広がりをもってしまう。従って、濃いプラズマを得るためには大きな電力を必要としてしまう。図３２（ｂ）は誘電体４１０は図３２（ａ）に比べ薄い場合を示しており、広がりは図３２（ａ）の場合に比べて狭い。
【０１１６】
そこで、本発明においては、図３３に示すように、誘電体板を介在させず、誘電材をスロット導波管５００のスロット５３０に埋め込む構成とすることが好ましい。このように誘電板を用いない場合には、図３２（ｃ）に示すように極めて幅の狭いマイクロ波が導入される。その結果同じマイクロ波電力を入力したときより高密度のプラズマを励起でき、レーザのゲインを大きくできる。
【０１１７】
スロット形状としては、図３４に示すように、長辺が光軸方向に延びる長方形状が好ましい。
【０１１８】
長方形は、一つの連続的な長方形（図３４（ｂ））でもよいが、間欠的に配置することが好ましい。
【０１１９】
このように、長方形の長辺を光軸方向に平行にした場合には狭いプラズマを励起でき、結果として、同じマイクロ波電力を入力したときより高密度のプラズマを励起でき、レーザのゲインを大きくできる。
【０１２０】
（レーザガスの導入形態）
図２４は本発明の別の実施形態によるエキシマレーザ発振装置を示している。マイクロ波の導入の方法及び構成は、図１３に示したエキシマレーザ発振装と同じであり、矩形導波管１を介して、不図示のマイクロ波電源であるジャイロトロンからのマイクロ波をスロット板３を介してレーザ管２内に導入する。
【０１２１】
一方、図１３を参照して説明した装置では、レーザガスをレーザ管の長手方向端部から導入し長手方向の他方の端部から排出可能な構成を採用していた。これに対して本実施形態によるエキシマレーザ発振装置では、レーザ管２の長手方向に沿って長穴を設けレーザガスの排出口２２としている。これにより、導入口２１より導入されたレーザガスはレーザ管内の放電空間を経てその両側にある排出口２２より排出される。
【０１２２】
安定的に連続発光のエキシマレーザ光を得る為には、１つにビームを細くすればよい。例えば、レーザ光強度は１．３ＭＷ／ｃｍ²で１ｋＷを得るには、直径０．３ｍｍほどの領域においてプラズマが得られればよいことがわかっている。上述した図２４の装置では、このように狭い領域にプラズマを集中して発生させることが出来るので、細いビームの連続発光のエキシマレーザ光が得られる。
【０１２３】
この時のミラー６の反射率は１００％、出力側ミラーの反射率は９９％とするとよい。
【０１２４】
又、連続発光のエキシマレーザ光を安定的に得るためには、放電空間にフッ素分子（Ｆ₂）とフッ素イオン（Ｆ^-）が存在し、エキシマ（ＫｒＦ^*）を十分に形成し得る状態にしなければならない。その為には、新鮮なフッ素ガス（Ｆ₂）を放電空間に高速で多量に導入し、レーザ光放出により基底状態に戻ったフッ素原子（Ｆ）を放電空間より排出することが望ましい。
【０１２５】
本実施の形態では、上述したレーザガスの循環置換を高速で行う為に、レーザ管の長手方向（放電空間の長手方向）と交差する方向から新しいレーザガスを導入し、又排出するようにレーザガスの導入口と排出口を設けている。
【０１２６】
又、こうしたガスの高速循環は放電空間にあるガス及びプラズマを高速で置換するので、レーザ管を冷却する効果もある。
【０１２７】
図２７は更にレーザガスの高速循環を可能にする形態を示したものであり、ガス導入口２３及びガス排出口２４に比べ放電空間ではガスの流れるところが狭くなっており、その結果放電空間において高速のガス循環・置換が行われる。
【０１２８】
又、プラズマを狭い領域に閉じこめる為の磁石１０については、図２４のようにレーザ管の長手方向を横切る磁力線が生じるように配置する構成に限らず、レーザ管の長手方向に沿って磁力線が生じるように配置することもできる。
【０１２９】
図２５は本発明の別の実施形態によるエキシマレーザ発振装置を示している。
【０１３０】
マイクロ波の導入の方法及び構成は、図１６に示したエキシマレーザ発振装置と同じであり、矩形導波管１２を介して不図示のマイクロ波電源であるジャイロトロンからのマイクロ波をギャップを介してレーザ管１４内に導入される。マイクロ波はレーザ管の壁を伝搬して長手方向に伝わり、レーザ管１４内ので放電を生じレーザガスのプラズマを生じる。
【０１３１】
図２４の装置が図１６の装置と異なる点はレーザガスの導入方法である。
【０１３２】
図１６の装置がレーザガスをレーザ管の長手方向端部から導入し、長手方向に沿ったガスの流れを形成したのに対し、図２５の装置は、レーザ管の側壁に長穴をその長手方向がレーザ管の長手方向と平行になるように２つ設けて、一方からレーザガスを導入し、他方からレーザガスを排出するように構成されている。
【０１３３】
これによりレーザガスはレーザ管内をその長手方向を横切るように流れる。このように本実施の形態においても放電空間にあるガス及び／又はプラズマを高速で置換するので放電空間においてエキシマを安定的に生成することが出来る。又、レーザ管を冷却する効果もある。
【０１３４】
こうしたガスの導入及び排出の方法は、図７〜２２を参照して説明した全ての装置に適用できる。
【０１３５】
レーザガスの導入に際しては、導入口における圧力を出口における圧力の１．２〜１．８倍とすることが好ましく、１．２〜１．５倍とすることがより好ましい。
【０１３６】
１．２倍以上とすると、レーザチャンバを抜けるレーザガスが体積膨張を起こしプラズマ励起部を冷却する。一方、１．８倍を超えると、圧力差が大きくなりすぎレーザチャンバ内における圧力分布の偏りが大きくなってしまう。
【０１３７】
（冷却）
１００Ｗ〜１ｋＷ程度のマイクロ波を入射した１０Ｗ程度のレーザ光を得るのであるから、相当の発熱が起こる。熱膨張してしまうと波長が変わるから精密な冷却が必要である。この部分に熱膨張のない金属を使って内面に銅めっき、銀めっきをするのがよい。
【０１３８】
プラズマ励起部を金属にするのは冷却効率を高めるためである。水冷は、冷却水温度・冷却水流量・冷却水圧力を制御しながら行う、例えば、図２０に示す。冷却装置により冷却を行うことが好ましく、冷却水から気体を脱気し、圧送圧力を１ｋｇ／ｃｍ²程度にすると冷却水圧送に伴う振動が発生せず好ましい。
【０１３９】
（共振器）
レーザ管の光軸上に一対の反射鏡を配置することにより、誘導放出によりレーザ光を取り出すことができる。
【０１４０】
後述するようにビームの径を細くして光強度を保つことにより連続発光のエキシマレーザ光を得る場合には、一方の反射鏡の反射率を１００％、レーザ光を取り出す出力側の反射鏡の反射率を９９．０％とすることが好適である。
【０１４１】
又、共振器内での損失を極端に小さくすることにより光強度を保つ場合には、一方の反射鏡の反射率を１００％、出力側の反射鏡の反射率を９９．５％以上より好ましくは９９．９％以上とする事が好ましいものである。
【０１４２】
図２８にプリズムを利用して両端の反射率が１００％となる共振器を構成を示した。全反射のプリズム２０２、２０３への入射角はブリュースター角となっており、入射時の光量損失は生じない。また全反射プリズム２０２、２０３内部での反射は全反射を利用しており、反射時の光量損失も生じない。したがって、共振器両端での反射率は１００％となる。出力光は、レーザチューブ２０１と全反射プリズム２０２の間に設置された出力光取出し板２０４における入射角を調整する事により反射率０％から数％まで設定できる。
【０１４３】
（露光装置）
図１はエキシマレーザ発振装置を用いた露光装置を示す。
【０１４４】
発振装置Ａ１から出射した光はミラー及びレンズＡ２を介して走査光学系に導かれる。
【０１４５】
走査光学系は走査レンズＡ４と、角度を変化し得る走査ミラーＡ３とを有している。走査光学系から出射された光はコンデンサレンズＡ５を介してマスクパターンを有するレチクルＡ６に照射される。以上が露光装置の照明光学系の構成である。
【０１４６】
レチクルＡ６により所定のマスクパターンに応じた明暗分布をもつ光は対物レンズ７を有する結像光学系によりステージ上に載置されたウエハＡ８上に結像されマスクパターンに応じた潜像がウエハＡ８表面の感光性レジストに形成される。
【０１４７】
以上のとおり、図１に示す露光装置はエキシマレーザ発振装置Ａ１、照明光学系、結像光学系、ウエハＡ８を保持するためのステージＡ９とを有している。
【０１４８】
なお、この装置においては、発振装置Ａ１と走査光学系との間に不図示の狭帯化モジュールが設けられている。また、発振装置Ａ１自体がパルス発振タイプとなっている。
【０１４９】
（露光装置の出力方法例）
連続発振エキシマレ一ザの出力光を利用をｏｎ／ｏｆｆするに下記のような方法が考えられる。
（１）エキシマレーザ装置の外部に遮断手段を設ける。
（２）連続励起手段をｏｎ／ｏｆｆする。
【０１５０】
しかしながら、（１）の方法では、エキシマレーザがＤｅｅｐＵＶ光であり、その出力が他のレーザに比べ高いことから、遮断手段への損傷が大きく遮断手段の寿命が短い。応答性の高いＡＯ素子（音響光学素子）を用いた遮断手段の寿命はとくに短い。また、出力光を遮断してもレーザ内部では発振が続いているので、レーザ内部の光学系が無用に損傷し、寿命が短かくなる。
【０１５１】
また、（２）の方法では、安定した励起状態を形成するにはある程度の時間が必要であるので、連続励起手段をｏｎしても、すぐには所望の連統発振光が得られない。
【０１５２】
本発明を図に示した実施例に基づいて詳細に説明する。
【０１５３】
図２２は本発明が連続発振エキシマレーザの概略図である。１０１は、Ｋｒ，Ｎｅ、Ｆ₂ガスが封入されたレーザチャンバ、１０２は、レーザからの光を出力するアウトプットミラー、１０３はマイクロ波をレーザチャンバに導入する誘電体、１０４はマイクロ波を導波するスロット導波管、１０５は、マイクロ波を供給するマイクロ波発振源である。１０６は、発振する波長を選択する波長選択ユニットで、一対のプリズムで構成された光束径を拡大する拡大プリズム１０６−１と、任意の波長を抽出する回折格子１０６−２で構成されている。１０７は、一対のレンズで構成されビーム整形光学系１０８のレーザ側レンズの焦点位置に設けられた空間フィルターであって、レーザからの出力光の広がり角を制御する。１０９はシャッター、１１０は、波長選択ユニット１０６、マイクロ波発振源１０５、シャッター１０９を制御する制御系である。
【０１５４】
ここで、アウトプットミラー１０２と回折格子１０６−２で、エキシマレーザの共振器を構成している。
【０１５５】
（動作の説明）
マイクロ波発振源１０５からのマイクロ波は、スロット導波管１０４によって導波され、誘電体３を介してレーザチャンバ１０１内のエキシマレーザガスを連続励起する。励起されたエキシマレーザガスからの光は、拡大プリズム１０６−１を介して、回折格子１０６−２に入射する。回折格子から所定の波長領域の光のみが、再び拡大プリズム１０６−１を介してレーザチャンバ１０１に戻り、励起されたエキシマレーザガスで誘導励起発光し、その光がアウトプットミラー１０２と回折格子１０６−２で構成される光共振器内を往復しながら順次誘導放出することにより、回折格子により選択された所定の波長領域の光のみが増幅する。そして、増幅された光の一部がアウトプットミラー１０２を介して出力される。
【０１５６】
次に連続発振エキシマレーザの出力光の利用をｏｎ／ｏｆｆする為の動作について説明する。
【０１５７】
連続発振エキシマレーザの出力光を遮断する場合、制御系１１０は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、シャッター１０９を作動させてエキシマレーザガスからの光がアウトプットミラー１０２に行くのを遮断するようにシャッターを閉める。すると光共振器内で発振していた光が発振できなくなり、急激に、連続発振エキシマレーザからの出力光が遮断できる。
【０１５８】
また、連続発振エキシマレーザの出力光を再度利用をする場合、制御系１１０は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、シャッター９を作動させてエキシマレーザガスからの光がアウトプットミラー１０２に行くようにシャッターを開く。エキシマレーザガスで自然発光している光が即座に安定して光共振器内で発振し、連続発振エキシマレーザから安定した出力光が応答性良く得られる。
【０１５９】
次に連続発振エキシマレーザの出力光の利用をｏｎ／ｏｆｆする為のもう一つの動作について説明する。
【０１６０】
連続発振エキシマレーザの出力光を遮断する場合、制御系１１０は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、回折格子１０６−２を回動させる。すると回折格子により選択された所定の波長領域の光が変更され、変更された波長領域の光のみが、再び拡大プリズム１０６−１を介してレーザチャンバ１０１に戻る。この時、変更された波長領域は、エキシマレーザガスで決まる発振可能領域の波長とことなるようにしてあるため、励起されたエキシマレーザガスで誘導励起発光せず、よって光が発振できなくなり、急激に、連続発振エキシマレーザからの出力光が遮断できる。その現象を図２４を用いて説明する。
【０１６１】
通常、エキシマレーザはそのガスによって波長に対する利得が決まっている。その関係が図２３の利得曲線ＧＣである。このとき、利得がある波長領域（λ−δλ〜λ＋δλ）の光（Ｇ）が励起されたエキシマレーザガスに入射されると、誘導励起発光し、エキシマレーザは発振する。一方、利得がある波長領域（λ−δλ〜λ＋δλ）と異なる領域（ＮＧ）の光が励起されたエキシマレーザガスに入射されると、誘導励起発光せず、エキシマレーザは発振しない。本実施例では、その現象を利用して、連続発振エキシマレーザの出力光を遮断する場合、回折格子１０６−２によって、レーザチャンバに戻す光として、利得がある波長領域（λ−δλ〜λ＋δλ）と異なる領域の光を選択している。
【０１６２】
このとき、発振はしていないが自然発光分の光が出力されるが、その光は、指向性がないため、空間フィルター１０７によってほとんど遮断される。
【０１６３】
また、連続発振エキシマレーザの出力光を再度利用をする場合、制御系１１０は、マイクロ波の供給を連続して行いながら、回折格子１０６−２を回動させて、回折格子により発振可能領域の波長が選択され、その光のみが、再び拡大プリズム１０６−１を介してレーザチャンバ１０１に戻る。すると、即座に励起されたエキシマーレーザガスで誘導励起発光し、光共振器内で発振し、連続発振エキシマレーザから安定した出力光が応答性良く得られる。
【０１６４】
【実施例】
図２０に本実施例で使用した連続発光エキシマレーザ発振装置を示す。
【０１６５】
本例では、光共振器として円筒状のものを用いた。
【０１６６】
その内面には、無反射膜を形成した。なお、最表面はフッ化物により形成した。
【０１６７】
その外周には、ジャケット状の冷却装置を設けた。その最表面は断熱材で覆い、流入冷却水の温度を雰囲気温度より低くかつ流出冷却水の温度に略一致させるように制御するための手段を設けた。これにより光共振器の温度変動を非常に小さくすることができた。
【０１６８】
導波管としては、図１７に示したもの（高さ５ｍｍ、幅１０ｃｍのオーバーサイズ導波管）を用いており、その内部は１０^-4Ｔｏｒｒレベルの真空にした。
【０１６９】
一方、本例でも磁石により磁界を形成し安定したプラズマ励起を図った。
【０１７０】
絶縁板４４は、共振器側は、ＣａＦ₂、ＭｇＦ₂からなる多層コートの無反射膜を形成した。最表面はフッ化物よりなる膜を形成した。
【０１７１】
マイクロ波は、商品名ジャイロトロンを用い、その供給周波数は３５ＧＨｚとし、ガス組成は、Ｋｒ／Ｎｅ／Ｆ₂（３％：９２％： ５％）とした。
【０１７２】
圧力は大気圧とした。従って、ωc＝４．５ωとなり、励起周波数の一周期中に電子は４．５回衝突する。
ωc：光電子の衝突角周波数
【０１７３】
本例では、さらに、図２０に示すように、レーザチャンバ２０の両端側にガス導入口２１ａと２１ｂとを設け、さらにその中央部にガス排出口２２を設けた。これにより供給するレーザガスを中央に向かって流す構成とした。その理由は、前述した通り、出力端光反射板の表面保護を兼ねるためである。すなわち、光反射板の最表面は必ずフッ化膜の薄膜等で被覆してあるからＦ₂、Ｆ^*に反応することをなからしめるためである。
【０１７４】
光反射板の反射率は９９％以上とした。
【０１７５】
本例では、マイクロ波電界とほぼ垂直の方向に直流磁場がかかるように、磁石５１を配置してあり、放電開始及び放電維持は極めて安定に行える。
【０１７６】
光発振器は、内径が数ｍｍ〜数ｃｍの金属円筒からなる。金属円筒の内表面は無反射多層膜を被覆した。その最表面にはフッ化物膜を形成した。
【０１７７】
光反射板３１とレーザチャンバを構成するレーザ管（本例では金属円筒３１）とのシール接合は、図２１に示すように行った。
【０１７８】
すなわち、光反射板３１と金属円筒３２のフランジ３２ａとの間にテフロン板リング３３ａを介在せしめるとともに、光反射３１の外側はテフロン板リング３３ｂ、金属板リング３５を介在させて、ボルト３４により締め付けることにより圧接した。なお、Ｏリング３６によりシールを行った。もちろんボルト３４を用いることなく、ベアリングを用いたスクリューにより取り付けてもよい。
【０１７９】
以上の構成により発光を行ったところ十分な出力を有する連続発光が達成された。
【０１８０】
また、この連続発光エキシマレーザ発振装置置を用いてステッパを構成したところ構成が簡略化され、また、レンズ材料等の寿命が向上した。
【０１８１】
（他の実施例）
図２４、図２５に示す装置を用いて、共振器内の損失を極端に小さくすることによって、安定した連続発光のエキシマレーザ光を得ることが出来た。
【０１８２】
例えば、レーザガスの圧力を６５Ｔｏｒｒとしガスによるエネルギーの損失を１％に抑えた。これとともに、一方の反射光の反射率を１００％出力側の反射鏡の反射率を９９．５％以上として安定共振器を構成した。これにより、レーザ発振のために必要とされる利得を往復で２％以上とし、利得を損失より大きくなるようにできた。
【０１８３】
なお、マイクロ波エネルギーとして３５ＧＨｚを用い、レーザ管内の圧力を１６０Ｔｏｒｒにする場合には、ガスによる損失が若干増えるので出力側の反射鏡の反射率を９９．９％以上にする事が望ましい。
【０１８４】
【発明の効果】
本発明によれば、レンズ材料やその表面への負荷が少なく、かつ、ミラーもしくはレンズスキャンの制御系が簡略にすることができる連続発光レーザ発振装置を提供することができる。
【０１８５】
第１に、ガラス等の光学材料に対するダメージが減少することである。ＫｒＦあるいはＡｒＦ等の通常のエキシマレーザは１０〜２０ｎｓｅｃという短いパルス発光であるのに対し、パルスの繰り返し周波数は１０００Ｈｚ程度に過ぎない。従って、このパルスのピークの光強度は、光学系の効率という問題を抜きにしても同じ強度で連続発光している時の１万倍以上ある。エキシマの領域で起こる材料の損傷の主原因は２光子吸収にあることが知られており、光のピーク強度の２乗に比例する現在のエキシマレーザでの光損傷は連続発光の場合より少なく見積もっても１０⁸倍厳しい。ガラス材の耐久がＡｒＦの領域で問題となっているのは以上の理由による。従って、連続発光光源の実現はＡｒＦまで含めて紫外域での材料問題を一気に解決する。
【０１８６】
第２に、狭帯域の光特有の現象のスペックルの発生を抑制することが容易なことである。パルス発光の場合、ランダムな干渉縞であるスペックルを効果的に消し去るためには、一つ一つのパルスでの発光タイミングと公知のスペックル除去手段とを高精度に同期させる必要がある。これに対し、連続発振であれば特別な同期手段を必要とせず簡単な、例えば、回転拡散板のような公知の手段で容易にスペックルを除去することができる。このため光学系の構成を簡単にすることができ、コストの削減にも効果的である。
【０１８７】
第３に、露光量制御が容易なことである。パルス発光のような離散的な露光を行う場合、露光量を制御する最小単位は１パルスの露光量の制御性にもよるが、基本的には、パルスの数に依存している。総合で１００パルスで露光するとした時の次の単位は９９パルスまたは１０１パルスであり、制御精度は±１％となる。もちろん、最後の１パルスの制御については種々の手段が提案されているが、制御性あるいは制御のためにはこのような離散性による分解能がなく、より細かな露光量制御が可能となる。線幅が細かくなるに従い、厳しい露光量制御が要求されているなかで、連続発光光源が与える効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】エキシマレーザ露光装置の概念図である。
【図２】パルス状態を示す概念図である。
【図３】実際のパルス状態を示す概念図である。
【図４】自然発光の減衰状態を示す図である。
【図５】利得幅とモード状態を示す図である。
【図６】エキシマレーザにおける光の集束の様子を示すグラフである。
【図７】レーザチャンバへのガス供給系を示す概念図である。
【図８】レーザ管の形状例を示す断面図である。
【図９】レーザ管の他の形状例を示す断面図である。
【図１０】導波管との終端と絶縁板との間隔を示す斜視図である。
【図１１】導波管の終端と絶縁板との間隔を示す斜視図である。
【図１２】磁場の印加を示す斜視図である。
【図１３】マイクロ波の供給装置を有する連続発光エキシマレーザ発振装置例の横断面図及びＡ−Ａ断面図である。
【図１４】図１３における導波管１の下面図である。
【図１５】マイクロ波供給装置を有する連続発光エキシマレーザ発振装置の横断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図１６】マイクロ波供給装置を有する連続発光エキシマレーザ発振装置の横断面図である。
【図１７】マイクロ波供給装置を有する他の連続発光エキシマレーザ発振装置の横断面図である。
【図１８】マイクロ波供給装置を有する連続発光エキシマレーザ発振装置の横断面図である。
【図１９】マイクロ波供給装置を有する連続発光エキシマレーザ発振装置の横断面図である。
【図２０】実施例に係るエキシマレーザ発振装置の側面図及び正面図である。
【図２１】実施例に係るエキシマレーザ発振装置における光反射板とレーザ管（金属円筒）とのシール構造を示す断面図である。
【図２２】本発明の実施態様例に係るエキシマレーザの概念図である。
【図２３】本発明の実施態様例に係るエキシマレーザにおける利得曲線を示すグラフである。
【図２４】本発明の実施形態に係るエキシマレーザ発振装置の概念図である。
【図２５】本発明の他の実施形態に係るエキシマレーザ発振装置の概念図である。
【図２６】エキシマの反応式を示す図である。
【図２７】マイクロ波供給装置を有する他の連続発光エキシマレーザ発振装置の横断面図である。
【図２８】プリズムを利用して両端の反射率が１００％となる共振器の正面図及び側面図である。
【図２９】ビーム径の変化を示すグラフである。
【図３０】（ａ）、（ｂ）ともレーザ発振装置の断面図である。
【図３１】（ａ）、（ｂ）ともレーザ発振装置の断面図である。
【図３２】スロット部近傍を示す概念図である。
【図３３】スロット導波管の一例を示す断面図である。
【図３４】スロット形状例を示す平面図である。
【符号の説明】
Ａ１ 発振装置、
Ａ３ 走査ミラー、
Ａ４ 走査レンズ、
Ａ５ コンデンサレンズ、
Ａ６ レチクル、
Ａ７ 対物レンズ、
Ａ８ ウエハ、
Ａ９ ステージ、
１ スロット導波管、
２ レーザ管、
３ 誘電体板、
５ 出力側鏡、
６ 反射側鏡、
８ ガス導入口、
９ 冷媒容器、
１０ 磁場発生部、
１１ スロット、
１２ ギャップ付き導波管、
１４ 誘電管、
１４ａ 誘電板、
１３ 可動短絡板、
１５ シールド板、
１６ 同軸変換導波管、
２０ レーザチャンバ（レーザ管）、
２１ａ，２１ｂ ガス導入口、
２２ ガス排出口、
２５ａ，２５ｂ，２６，２７ａ，２７ｂ バルブ、
２８ ＭＦＣ，ＰＦＣ、
２９ フィルタ、
３１ 反射鏡、
３２ 金属円筒（レーザ管）、
３２ａ フランジ、
３３ａ、３３ｂ テフロン板リング、
３４ ボルト、
３５ 金属板リング、
３６ Ｏリング、
４０ レーザ管、
４１ 絶縁板、
４２ 導波管、
５０ 温度制御装置、
５１ 磁石、
１０１ レーザチャンバ、
１０２ アウトプットミラー、
１０３ 誘電体、
１０４ スロット導波管、
１０５ マイクロ波発振源、
１０６ 波長選択ユニット、
１０６−１ 拡大プリズム、
１０６−２ 回折格子、
１０７ ビーム整形光学系、
１０８ 空間フィルター、
１０９ シャッター、
１１０ 制御系、
３０１ レーザ管、
３０２ 誘電板、
３０３ スロット板、
３０４ 粉末剤、
３０５ レーザチャンバ、
３０６ レーザガスを層流とするための手段（整流板）、
３０７ 冷却水、
３５０ 光軸、
４００ スロット、
４１０ 誘電板、
４２０ 導波管、
４３０ レーザチャンバ、
５００ 導波管、
５１０ 誘電材、
５２０ 真空シール、
５３０ スロット。[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
  The present invention enables continuous light emission.Nare-The oscillation equipmentIn placeRelated.
[0002]
[Prior art]
Excimer lasers are attracting attention as the only high-power lasers that oscillate in the ultraviolet region, and are expected to be applied in the electronics, chemical, and energy industries.
[0003]
Specifically, it is used for processing, chemical reaction, etc. of metals, resins, glass, ceramics, semiconductors and the like.
[0004]
An apparatus that generates excimer laser light is known as an excimer laser oscillation apparatus. Ar, Kr, Ne, F filled in manifold₂A laser gas such as is excited by electron beam irradiation or discharge. Then, the excited F atom becomes an inactive KrF in the ground state.^*, ArF^*Combines with atoms to create molecules that exist only in the excited state. This molecule is called an excimer. Since excimer is unstable, it immediately emits ultraviolet light and falls to the ground state. This is called bond-free transition or spontaneous light emission. Excimer laser oscillation is the one that uses this excited molecule to amplify it as phase-matched light in an optical resonator composed of a pair of reflectors and extract it as laser light. Device.
[0005]
By the way, conventionally, it is considered that excimer laser oscillators have a very short excimer life of a laser medium, so that continuous excitation is impossible, and a pulse current (about 10 nsec) with a fast rise is intermittently applied. Pulse excitation is applied.
[0006]
Therefore, the electrode in the conventional excimer laser oscillation device has a life of about half a year.
[0007]
In addition, when a chemically amplified resist is exposed using a pulsed oscillation type continuous-emitting excimer laser oscillation apparatus having a repetition rate of 100 Hz to 1 kHz in a semiconductor processing process, the lifetime of the lens material and the non-reflective multilayer film on the surface thereof is reduced. There is a problem that it is extremely short.
[0008]
This point will be described in detail below.
[0009]
The sensitivity of chemically amplified resist is 20 mJ / cm²Degree. Therefore, 0.1 W / cm²For example, 0.2 sec exposure is sufficient. 1W / cm²Is 0.02 sec. Considering a considerable loss in the optical system, a light output of about 10 W is sufficient.
[0010]
However, in the current pulse emission (1 kHz), pulse light of about 10 nsec is generated about 1,000 times per second. If the exposure time is 0.2 sec, 200 pulses and 20 mJ / cm²It will be necessary. If the energy drops to 1/100 due to loss due to the optical system, etc., the emission intensity I of each pulse in consideration of the pulse duty as shown in FIG.₀Is as follows.
[0011]

Assuming that a constant optical output is obtained for 10 nsec, the pulse light becomes 1 MW. Actually, it is as shown in FIG.
[0012]
Since the pulse waveform is actually as shown in FIG. 3, the intensity of the optical pulse is a peak power of 2 to 3 MW. Since light having a short wavelength of several MW is incident intermittently, the durability of the lens material and the non-reflective multilayer film on the surface thereof becomes extremely severe.
[0013]
Further, in the era of excimer laser lithography, exposure during step-and-repeat is not performed all at once, but scanning exposure by scanning a mirror or lens. With pulse light of about 1000 shots per second and 0.2 second exposure, only about 200 pulses can be used in one exposure. This is for example 25 x 35 mm²In order to make the exposure of the area uniform, the relative relationship between the scan of the mirror or lens and the pulsed light must be controlled very strictly, and an extremely complicated control system is required for the optical element. At present, the output of the pulsed light fluctuates by about 10%. Therefore, there is a problem that the control system of the mirror or the lens scan has to be extremely complicated, and the excimer laser exposure apparatus is also complicated and expensive.
[0014]
Furthermore, the conventional excimer laser oscillation device has the following problems. That is, among excimer laser light, KrF laser and ArF laser use highly reactive fluorine gas as the laser gas, so that the concentration of fluorine in the laser chamber for containing the laser gas and giving discharge energy to the gas is high. Decrease. Therefore, it is controlled to increase the supply voltage to the laser chamber so that a predetermined output can be obtained. If it is difficult to obtain an output even with such control, the oscillation is stopped once and the fluorine gas is Replenish. Furthermore, if oscillation continues, even if fluorine replenishment is performed, a predetermined laser output cannot be obtained. If this happens, the laser chamber must be replaced.
[0015]
In addition, in the case of an excimer laser light emitting device that emits light by pulse voltage and emits light for about several tens of ns, the light emission time is too short. For this reason, a wavelength half-value width of 1 pm or less is obtained for the first time by monochromatization using a narrowband module such as grating.
[0016]
In the current technology, it is necessary to oscillate while increasing the applied voltage by replenishing fluorine gas every predetermined period. In other words, the fluorine gas decreases with time due to reaction with the inner surface of the chamber. Therefore, in terms of the lifetime of the laser chamber, the lifetime of the chamber is important for improving the manufacturing throughput of the processed article, particularly when the laser is used for a long period of time for processing the article. It is a factor.
[0017]
In addition, it is now possible to obtain a half-value width of 1 pm or less by monochromatization using a narrowing band module such as grating. On the other hand, emission of output light by narrowing band using grating or the like. The strength has decreased, which has been a major impediment to improving the manufacturing throughput of processed articles.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention has a small load on the lens material and its surface, can simplify the mirror or lens scanning control system, and has a sufficiently long excimer laser life to withstand mass production use.Laser oscillatorThe purpose is to provide.
[0019]
  Furthermore, narrowing of the bandwidth is achieved while increasing the intensity of the output light.Laser oscillatorThe purpose is to provide.
[0020]
  referenceSUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an excimer laser exposure apparatus that can achieve a spectrum with a narrow wavelength width without using a narrowband module, and can achieve downsizing and simplification of the apparatus.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  Of the present inventionA laser oscillation apparatus includes a laser chamber including a laser tube for storing a laser gas, and an optical resonator including a pair of reflecting mirrors provided so as to sandwich the laser chamber.
A microwave introducing means for exciting the laser gas in the laser chamber is provided, and the means for introducing the microwave is provided along the optical axis of the optical resonator and has a beam radius in a direction perpendicular to the optical axis. The distance between the means for introducing the microwave and the optical axis of the resonator was changed along the optical axis in accordance with the change along the optical axis.It is characterized by that.
[0026]
[Operation and embodiment]
The operation of the present invention will be described below together with the knowledge and embodiments obtained in making the invention.
[0027]
In the present invention, since continuous light emission is performed, it is not necessary to control the relative relationship between the scan of the mirror or lens and the pulse described above, and the control of the optical system becomes extremely simple.
[0028]
  Further, as analyzed by the inventor, 0.1 W / cm²Exposure of 0.2 sec is sufficient, and 1 W / cm²Because it is 0.02 sec if the light ofsystemConsidering the loss of light and the like, an output of about 10 W is sufficient, and the life of the lens material and its surface can be extended.
  Furthermore, the following functions are achieved.
[0029]
First, damage to optical materials such as glass is reduced. A normal excimer laser such as KrF or ArF emits a short pulse of 10 to 20 nsec, whereas the pulse repetition frequency is only about 1000 Hz. Therefore, the light intensity at the peak of this pulse is 10,000 times or more that of continuous light emission at the same intensity even if the problem of the efficiency of the optical system is excluded. It is known that the main cause of material damage that occurs in the excimer region is two-photon absorption, and the light damage in the current excimer laser, which is proportional to the square of the light peak intensity, is estimated to be less than in continuous light emission. Even 10⁸Twice as severe. The durability of the glass material is a problem in the ArF region for the above reasons. Therefore, the realization of the continuous light emission light source solves the material problems in the ultraviolet region including ArF at a stretch.
[0030]
  Second, the narrow band of lightphenomenonIt is easy to suppress the generation of speckle. In the case of pulsed light emission, in order to effectively erase speckles which are random interference fringes, it is necessary to synchronize the light emission timing of each pulse with known speckle removing means with high accuracy. On the other hand, if it is continuous oscillation, the speckle can be easily removed by a known means such as, for example, a rotating diffusion plate, without requiring any special synchronizing means. Therefore, the configuration of the optical system can be simplified, and the cost can be reduced.
[0031]
Third, exposure amount control is easy. When performing discrete exposure such as pulsed light emission, the minimum unit for controlling the exposure amount basically depends on the number of pulses, although it depends on the controllability of the exposure amount of one pulse. When the exposure is performed with 100 pulses in total, the next unit is 99 pulses or 101 pulses, and the control accuracy is ± 1%. Of course, various means have been proposed for the control of the last pulse, but for controllability or control, there is no resolution due to such discreteness, and finer exposure control is desirable. As the line width becomes narrower, the continuous light source has a great effect in spite of demanding strict exposure control.
[0032]
By the way, as described above, conventionally, in the excimer laser, since the energy level in the excimer state is short in life, it is impossible to keep atoms at the excitation level for a certain period of time, and continuous excitation is impossible. Therefore, pulse excitation with a fast rise was unavoidable.
[0033]
In the present invention, the inner surface of the laser chamber for housing the laser gas is a non-reflecting surface for light having a desired wavelength such as 248 nm, 193 nm, and 157 nm.
[0034]
The reason why the inner surface of the laser chamber is made a non-reflecting surface is that the spontaneously emitted light returns to the gas excited by being reflected by the inner surface, and KrF^*Or ArF^*This is to prevent the transition from the excited state to the ground state.
[0035]
Here, the term “non-reflection” refers to not only 100% transmission or absorption but also a certain degree of reflectance. The reflectance is preferably 50% or less, more preferably 20% or less, and further preferably 5% or less. What is necessary is just to select suitably so that a uniform laser beam can be obtained continuously with a specific apparatus.
[0036]
Furthermore, F reacts with the laser chamber.₂In order to prevent the decrease of the laser beam, the inner surface of the laser chamber is made of fluoride. Especially F₂On the surface of stainless steel that is stable against₂Or a nickel-plated metal on the surface of NiF.₂Or AlF on an aluminum alloy_ThreeAnd MgF₂It is composed of any of the above-mentioned layers formed.
[0037]
In the present invention, the reflectance of the output-side reflecting mirror is 90% or more.
[0038]
The current resonator configuration is 100% reflection on one side, while the output side reflection is about 10%.
[0039]
By the way, conventional KrF^*The laser gas composition of excimer is, for example, as follows.
Kr / Ne / F₂= 0. Several%: 98%: 0. number%
[0040]
F₂The concentration of is as low as 1% or less. This is F₂If too much is used, electrons are attracted by F to become negative ions, and the discharge is not stable. On the other hand, the pressure is 3 to 4 atmospheres. The pressure is F₂As much as possible KrF to compensate for the reduced concentration^*Is to make.
[0041]
In the case of continuous light emission, an output of about 10 W is sufficient. Allowable gain α₂I guess.
[0042]
・ Laser intensity in the resonator
Unless the laser is operated at an intensity of the saturation intensity Is, the upper level excimer is almost extinguished by collision. For saturation intensity, gain g is small signal gain g₀In the case of a KrF excimer, it is calculated as follows ("Excimer laser development and applied technology / example" (supervised by Shuntaro Watanabe)).

h: Planck's constant 6.63 × 10^-34J ・ s
ν: Frequency 3 × 10⁸/0.248×10^-6= 1.2 × 10¹⁵
σ: Stimulated emission cross section 2 × 10^-16cm²
τ: upper level lifetime 3 ns
(Including de-excitation due to collision)
Since the upper level lifetime τ is less likely to cause collision when the gas pressure is low, the maximum level lifetime τ increases up to the radiation lifetime (free space lifetime). In this case, the lifetime is 6.7 ns, and the saturation intensity Is is
Is = 0.6 MW / cm²It becomes.
[0043]
・ Laser extraction efficiency
This is the ratio of the number of photons extracted per second from the unit volume to the number of excimers generated. The laser extraction efficiency ηex is obtained as follows.
ηex = (I / Is) (1− (1 + I / Is) −α_n/ G₀)
I: Laser light intensity
Is: saturation intensity
α_n: Unsaturated absorption coefficient
g₀: Small signal gain
It is expressed. α_n> 0, so
ηex <(I / Is) / (1 + I / Is)
When the laser light intensity I is less than Is, the laser oscillation becomes inefficient. For example, the laser beam intensity I in the resonator is 500 W / cm.²time,
ηex = 1/2600 or less (laser extraction efficiency ηex is very small)
Therefore, for efficient laser oscillation, the saturation intensity of 1.3 MW / cm²A degree is necessary.
[0044]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0045]
(Laser gas)
In the present invention, the laser gas that is a laser medium is one or more inert gases selected from Kr, Ar, and Ne, and F.₂It consists of a gas mixture with gas.
[0046]
Among these, gas types may be appropriately combined depending on the wavelength to be used. For example, in the case of a wavelength of 248 nm, Kr / Ne / F₂In the case of 193 nm, Ar / Ne / F₂In the case of 157 nm, Ne / F₂And it is sufficient.
[0047]
In the present invention, it is preferable to continuously supply the laser gas into the laser chamber. A more specific example of a laser gas supply system for this purpose is shown in FIG.
[0048]
In FIG. 7, reference numerals 21a and 21b denote gas inlets. The gas introduction ports 21 a and 21 b are provided at both ends of the laser chamber 20, and a gas discharge port 22 is provided at approximately the center of the laser chamber 20. If necessary, a vacuum pump or the like may be provided at the gas discharge port. Laser gas is supplied from the gas inlets 21a and 21b at both ends at the same flow rate through the gas inlets 21a and 21b, and is discharged from a gas outlet 22 provided substantially in the center. The reason is that it also serves as surface protection for the light reflecting plate at the output end. That is, since the outermost surface of the light reflecting plate is always covered with a thin film of a fluoride film, F₂, F^*It is because it does not react to. Further, it is desirable that the gas inlets 21a and 21b and the gas outlet 22 have a slit shape in the direction in which the microwave current flows.
[0049]
On the other hand, in FIG. 7, 25a, 25b, 26, 27a, 27b are valves. When the laser gas is initially introduced, the valve 25a is closed 27a, the valves 25b and 27b are opened, and the piping from the laser gas source to the vicinity of the valves 25a and 27a is purged. After purging the pipe, the valves 25b and 27b are closed and 26 is opened to introduce the laser gas into the laser chamber 20. After purging the laser chamber 20, the laser gas is introduced as it is to perform laser oscillation. Of course, when purging or the like is unnecessary, the above valve need not be provided. In FIG. 19, 28 is a mass flow controller (MFC) or pressure flow controller (PFC) for controlling the flow rate. PFC is preferred. 29 is a filter.
[0050]
In the present invention, in order to obtain stable continuous oscillation, F in the laser gas is used.₂The concentration is 0.1 atomic percent or more and 6 atomic percent or less, and preferably 1 to 6 atomic percent. 4 to 6% is more preferable.
[0051]
The laser gas pressure is preferably 10 Torr to 1 atm. 50 Torr to 1 atm is more preferable. That is, in the present invention, a stable discharge can be obtained even at such a low pressure, and thus stable continuous oscillation and continuous light emission can be obtained. In the prior art, the pressure of the laser gas was 3 to 4 atmospheres. In the prior art, it is F₂When the concentration is increased, F^-Because the electrons disappear and the discharge becomes unstable, F₂The concentration was 1% or less (actually lower than that), and it had to be 3-4 atm to compensate for it. However, in the present invention, F₂Even if the concentration is increased, a stable discharge by such microwaves can be obtained. Therefore, it is not necessary to compensate by increasing the pressure. Of course, if it is necessary to increase the pressure for some reason, it may be increased.
[0052]
FIG. 26 shows a reaction formula, a reaction occurring in the laser tube of a KrF excimer laser. Noteworthy here is (3). KrF^*To produce an excimer, F^-And F₂Is necessary. On the other hand, the excimer emitting light from (4) returns to the rare gas atom (Kr) and halogen (F) in the ground state and is directly required for the production of KrF * excimer.₂Or F^-It will not be.
[0053]
Moreover, from (5), the halogen atom (F) becomes a halogen molecule (F₂) Is very slow.
[0054]
From the above, halogen atoms that have returned to the ground state by emitting light in the discharge space are converted to halogen ions (F^-) And halogen molecules (F₂) Is important.
[0055]
(Laser tube)
The laser tube 40 (FIGS. 8 and 9) is a tube constituting a laser chamber and has a window portion 44 for introducing a microwave. The laser tube 40 is connected to the waveguide 42 on the window 44 side. The inside of the laser tube 40 and the inside of the waveguide 42 are sealed, and sealing is performed by providing an insulating plate 41 on the window 44 of the laser tube 40. The insulating plate 41 will be described later.
[0056]
As shown in FIG. 8, the cross-sectional shape of the end of the plasma excitation unit, that is, the cross-sectional shape of the laser tube 40 constituting the laser chamber is substantially semi-cylindrical (or semi-elliptical) (FIG. 8A), cylindrical (FIG. 8B), elliptical shape (FIG. 8C), etc.
[0057]
Furthermore, a more preferable shape is the elliptical shape shown in FIG. 9A, and the minor axis direction of this ellipse is the microwave introduction direction. Therefore, in the case of the cross-sectional shape shown in FIG. 9A, the microwave is uniformly introduced into the laser gas that is the laser medium in the laser tube. In addition, a laser with higher density per unit area can be obtained and output to the outside.
[0058]
Further, the window 44 of the laser tube 40 may be provided with a taper that widens the laser tube 40 side as shown in FIG. 9B. The taper may be reversed.
[0059]
For the connection between the laser tube 40 and the waveguide 42, for example, as shown in FIG. 8 or FIG.
[0060]
In the present invention, it is not necessary to incorporate components such as electrodes inside the laser tube 40. That is, it is not necessary to incorporate an electrode or the like inside later. Therefore, the insulating plate 41 may be attached to the laser tube 40 in advance by a manufacturing process. The insulating plate 41 may be attached by shrink fitting, for example. In the case shown in FIG. 9B, the insulating plate 41 may be fitted from the inside of the laser tube 40.
[0061]
The laser tube 40 constitutes a laser chamber, and its outermost surface is F as described above.^*, KrF^*, ArF^*It is made of fluoride to suppress the reaction with.
[0062]
Further, when the base material of the laser tube 40 is a metal, the fabrication becomes easy and the cooling efficiency is improved. In particular, it is preferable to use a metal having almost zero thermal expansion coefficient in order to prevent the optical resonator length from changing due to temperature change. In addition, it is desirable that the inner surface be made at least thicker than the skin depth of the microwave and provided with a metal having high electrical conductivity such as copper or silver by means such as plating.
[0063]
As a preferred embodiment of the insulating plate 41, a multilayer film (for example, SiO 2) is formed on at least the surface in contact with plasma (the surface on the laser tube 40 side).₂, Al₂O_Three, CaF₂, MgF₂, LaF₂The outermost surface is coated with a fluoride thin film (for example, CaF).₂ , MgF₂, LaF₂And other fluoride thin films) are formed.
[0064]
Furthermore, the insulating plate 41 has conditions such that it is extremely small in loss with respect to the microwave supplied as a material requirement, is mechanically strong, and does not dissolve in water.
[0065]
Moreover, the thickness should just be the integral multiple of the half wavelength of the wavelength (in-tube wavelength) of a microwave, or the thickness of an integral multiple approximately.
[0066]
(Microwave)
In the present invention, microwaves are used as laser gas excitation means. By using microwaves, the laser gas is continuously excited to achieve continuous light emission.
[0067]
As a microwave supply source, for example, a trade name gyrotron may be used.
[0068]
The frequency and power of the microwave may be appropriately determined depending on the partial pressure of the component gas of the laser gas. Generally, the frequency of the microwave is preferably 1 GHz to 50 GHz, more preferably 5 to 40 GHz, and further preferably 20 to 35 GHz. The microwave power is preferably several hundred watts to several kW.
[0069]
When the frequency ω of the excitation microwave is, for example, 35 GHz, the collision frequency ωc of the electron with the Ne atom determined from the collision cross section with the electron of Ne that is the main component of the plasma excitation gas is equal to the excitation microwave frequency. The gas pressure is 160 Torr.
[0070]
In this state, plasma excitation with the same power is most efficient.
[0071]
Kr / Ne / F₂When the gas pressure (3% / 92% / 5%) is set to atmospheric pressure (760 Torr), the collision frequency is approximately 4.5 times that of the excitation microwave, and the electrons are 4.5 times in one cycle of the excitation frequency. Collides with Ne atoms.
[0072]
Therefore, this state is a condition of Resistive Plasma,
δ = (2 / ωμ0σ) 1/2
The skin depth determined by is the depth at which plasma excitation occurs efficiently. ω is the microwave angular frequency, μ 0 is the vacuum permeability, and σ is the plasma conductivity.
[0073]
35GHz microwave pressure 160Torr, electron density 1014cm^-3If
ω = 2π × 35 × 10⁹[S-1]
μ0 = 4π × 10^-7[H / m]
σ = 12.8 [Ω-1m-1]
And
δ = 750 μm
It becomes.
[0074]
For example, a 35 GHz microwave is guided by an oversized waveguide having a height of 5 mm and a width of 10 cm.
[0075]
SiO₂, CaF₂, MgF₂The waveguide portion and the plasma excitation portion are confidentially shielded by an insulating plate such as an insulating plate. The thickness of the insulating plate is set to be approximately an integral multiple of the half length of the guide wavelength λg in consideration of the dielectric constant of the insulating plate.
[0076]
Therefore, in the 17.5 GHz microwave, the gas pressure of 80 Torr is equal to the collision frequency. Assuming that 35 GHz is the plasma frequency, the electron density at that time is 5 × 10 5.¹³cm^-3It becomes. If a gas plasma of about 70 to 80 Torr and an atmospheric pressure (1 atm) is generated with a power of about 100 W to 1 kW at 35 GHz, then 10¹⁴cm^-3F of table density^*, KrF^*, ArF^*Can certainly be realized.
[0077]
In addition, when supplying the microwave, it is preferable that the surfaces of the waveguide and the insulating plate in contact with the plasma excitation portion are non-reflective plates with respect to a wavelength such as 248 nm.
[0078]
On the other hand, the interval between the waveguide and the insulating plate may be λg / 2 as shown in FIG. 10 or 11A, or may be λg as shown in FIG. 11B. Alternatively, 3λg / 2 may be used.
[0079]
In order to prevent discharge in the waveguide, a vacuum is preferably used in the waveguide. The degree of vacuum is 10^-FourDischarge can be prevented at about Torr or less.
[0080]
Note that the inner surface of the waveguide 42 in the vicinity of the connection portion with the laser tube 40 is preferably a non-reflective surface, similar to the inner surface of the laser tube 40. This is to prevent the reflected light on the inner surface of the waveguide 42 from returning into the laser tube 40.
[0081]
Further, in order to cause a stable discharge, it is preferable to apply a magnetic field by an electromagnet or a permanent magnet as shown in FIG.
[0082]
(Microwave introduction means)
Moreover, structural examples of microwave introduction means are shown in FIGS.
[0083]
In the example shown in FIG. 13, the waveguide 1 constituting the microwave introduction means is a slot waveguide having a plurality of slots S. The slot waveguide 1 is connected to the outer periphery of the laser tube 2 in parallel to the axial direction. An electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the slot waveguide 1, and this electromagnetic wave propagates in the waveguide 1 as a TE10 mode in which the electric field is directed perpendicular to the paper surface.
[0084]
As shown in FIG. 14, a number of elongated slots 11 are opened on the lower surface of the slot waveguide 1 in the drawing, and electromagnetic waves propagate through the waveguide 1. Is released.
[0085]
The electromagnetic wave emitted from the slot S is introduced into the laser tube 2 through the dielectric plate 3, and the laser gas in the laser tube 2 is ionized to generate plasma. The magnetic field generator 10 is a permanent magnet or an electromagnet for introducing a vertical magnetic field to the laser tube 2. As the permanent magnet used here, an iron vanadium magnet or an Nb / Fe / B magnet having a strong magnetic force is suitable.
[0086]
By introducing a magnetic field into the laser tube 2, electrons in the plasma can be trapped to reduce loss on the wall surface, and a higher density plasma can be obtained. If the magnetic field strength is selected appropriately, a higher density plasma can be obtained by electron cyclotron resonance.
[0087]
Of course, when a sufficiently high density plasma can be obtained without applying a magnetic field, the magnetic field generator 10 is not necessary.
[0088]
For example, Kr, Ne, F are introduced into the laser tube 2 from the gas inlet 8.₂Gas is introduced / exhausted. If it is not necessary to replace the gas when the plasma is generated, the gas inlet 8 is not necessary because the gas only needs to be sealed in the laser tube 2. In plasma, radicals such as KrF having a lifetime of about 10 nsec are continuously generated, and light is emitted when dissociated into Kr and F. This light promotes stimulated emission while reciprocating in the optical resonator formed by the output side mirror 5 and the reflection side mirror 6, and is amplified by stimulated emission. The reflectance of the output side mirror 5 is 90% or more, and the light transmitted through the output side mirror is emitted to the outside as laser light.
[0089]
  In the example shown in FIG. 13, an aluminum alloy can be used as the material of the laser tube main body, but a dielectric multilayer film is formed on the inner surface of the laser main body and the inner surface of the dielectric 3 to increase the efficiency.waveThe reflectivity in the length is non-reflective.
[0090]
In order to cool the laser tube 2 and the waveguide 1, a coolant vessel 7 having a cooling water inlet 9 and a cooling water, air, N₂It has a structure that allows refrigerant such as gas to flow. The slot waveguide 1 has a structure that can be evacuated in order to prevent discharge from occurring in the waveguide 1.
[0091]
FIG. 14 is a view of the slot waveguide 1 as viewed from below.
[0092]
In FIG. 14A, slots S oriented in a direction perpendicular to the axis of the waveguide 1 are arranged at an interval equal to the wavelength of the electromagnetic wave in the waveguide 1. From each slot, linearly polarized electromagnetic waves polarized in the axial direction of the waveguide with the same phase are emitted.
[0093]
In FIG. 14B, slots inclined by 45 degrees with respect to the waveguide axis are arranged at intervals equal to the wavelength of the electromagnetic wave in the waveguide. Each slot emits a linearly polarized electromagnetic wave polarized in a direction inclined by 45 degrees with respect to the waveguide axis direction having the same phase.
[0094]
FIG. 11C shows a pair of two slots inclined at an angle of 45 degrees with respect to the waveguide axis and arranged at intervals equal to the wavelength of the electromagnetic wave in the waveguide. From each slot, circularly polarized electromagnetic waves with uniform phases are emitted.
[0095]
The lengths of these slots are determined according to the electromagnetic wave intensity distribution in the waveguide so that the intensity of the electromagnetic wave emitted from each slot becomes substantially equal. Further, the angle of the slot and the interval between the slots may be other than the above.
[0096]
In the structure of FIG. 15, an electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the tapered waveguide 11, and the electromagnetic wave is spread at the tapered portion and then introduced into the laser tube 2 through the dielectric plate 3. In the example shown in FIG. 15, the electric field propagates in the TE10 mode in the vicinity of the electromagnetic wave introduction portion of the tapered waveguide 11 in the horizontal direction on the paper surface. However, the electric field may face in the vertical direction on the paper surface. Others are the same as those shown in FIG.
[0097]
FIGS. 16 and 17 are examples in which microwaves are introduced as surface waves. In the structure shown in FIG. 16, electromagnetic waves of several GHz to several tens GHz are introduced from the upper part of the waveguide 12 with a gap using a cylindrical dielectric tube. The electromagnetic wave propagates in the tube as a TE10 mode in which the electric field is directed horizontally to the paper surface. An electric field in the tube axis direction of the dielectric tube 14 is applied from the gap portion of the waveguide 12 with a gap. The microwave thus introduced becomes a surface wave propagating in the left and right tube axis directions from the gap portion in the dielectric tube 14. Electrons in the plasma are accelerated by this surface wave electric field, and a high-density plasma is maintained.
[0098]
Since a surface wave with a mode that gently attenuates propagates from the center of the laser tube, the local microwave electric field cannot be strengthened or weakened. Therefore, since uniform plasma excitation is performed on the plasma surface, high-density plasma can be generated efficiently. Further, since the microwave electric field only needs to be applied to the gap part, the microwave circuit is very simple. This plasma generation method can be said to be optimal for oscillating a thin laser because it can efficiently generate a long, high-density plasma as thin as several mm or less. In the example shown in FIG. 13, the dielectric tube 14 is CaF.₂It is. The movable short-circuit plate 13 is provided in order to suppress reflection to the electromagnetic wave generation unit by adjusting the position of the short-circuit, but need not be particularly movable. Further, when the frequency of the electromagnetic wave is high and the waveguide dimension is sufficiently small, the gap portion of the waveguide is not particularly necessary. The magnetic field generator 10 is a permanent magnet or an electromagnet, and generates a magnetic field in the tube axis direction of the dielectric tube 14. Others are the same as the structure shown in FIG.
[0099]
FIG. 17 shows an example using a guide plate 14a, which is the same in principle as when a cylindrical dielectric tube is used. Suitable for generating plasma with wide width and thin thickness. Since the lower part of the plasma has nothing to do with plasma generation, it is easy to create a high-speed gas flow perpendicular to the laser tube axis.
[0100]
In the structure shown in FIG. 19, an electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the coaxial conversion waveguide 16, and this electromagnetic wave propagates in the tube as a TE10 mode in which the electric field is directed in the horizontal direction on the paper surface. This electromagnetic wave is propagated by changing the mode to a left-right electromagnetic wave propagating between the shield plate 15 and the plasma in the dielectric tube 14. High-density plasma is generated by the high-frequency current flowing on the plasma surface. The other configuration is the same as that shown in FIGS.
[0101]
In the structure shown in FIG. 18, an electromagnetic wave of several GHz to several tens of GHz is introduced from the upper part of the coaxial conversion waveguide 16, and this electromagnetic wave propagates in the tube as a TE mode in which the electric field is directed in the horizontal direction on the paper surface. This electromagnetic wave is propagated by changing the mode to a right electromagnetic wave propagating between the shield plate 15 and the plasma in the dielectric tube 14. Others are the same as the structure shown in FIG.
[0102]
(Shape of microwave introduction means, etc.)
In the stable resonator, a certain fixed mode is formed, and the mode with the smallest beam diameter is a TEM00 mode (fundamental mode) having a Gaussian distribution. In order to configure the resonator, a space for propagating at least the fundamental mode without loss is required. The beam diameter of the fundamental mode is defined by the wavelength of the laser beam, the length of the resonator, and the radius of curvature of the mirror of the resonator, and as shown in FIG. 29A, L: resonator length, R: mirror radius of curvature. As g parameter g = 1−L / R.
[0103]
FIG. 29B assumes the resonator length L = 200 mm, and 1 / e on the resonator mirror (resonator end) in the fundamental mode of the symmetrical stable resonator.²The beam radius is calculated. The horizontal axis shows the g parameter.
[0104]
As shown in FIG. 29, the beam radius changes in the optical axis direction. Therefore, when a stable resonator is used, there is a problem that a region having a high gain, that is, a region having a high plasma density immediately below the microwave introduction portion of the laser chamber is not included in the optical path.
[0105]
However, by making the shape on the laser chamber side of the means for introducing microwaves a shape along the beam diameter, a region with a high gain, that is, a region with a high plasma density immediately below the microwave introduction portion of the laser chamber is included in the optical path. It becomes possible.
[0106]
An example is shown in FIG. In FIG. 30A, the means for introducing the microwave is constituted by a waveguide constituted by an introduction portion 300 and a slot plate 303 having a slot (not shown in FIG. 30), and a dielectric plate 302. Has been. Then, the distance between the dielectric plate 302 and the optical axis 350 of the resonator is changed in the direction of the optical axis 350 in accordance with the change in the direction of the optical axis 350 of the beam radius with respect to the direction orthogonal to the optical axis 350. . That is, the distance between the dielectric plate 302 and the beam outer periphery is constant. Note that reference numeral 304 denotes a powder agent made of, for example, AlN filled in the waveguide in order to facilitate the introduction of the microwave and make the waveguide smaller.
[0107]
By the way, when the shape of the dielectric plate 302 on the laser chamber 305 side is not a plane but a curved surface as shown in FIG. . Therefore, as shown in FIG. 30B, it is preferable to provide a baffle plate (means for making the laser gas into a laminar flow) 306 at the laser gas inlet. Thereby, the flow of laser gas can be made into a uniform laminar flow.
[0108]
This rectifying plate 306 also has a function of confining the generated plasma in the laser chamber 305. In addition, from the point of this effect | action, you may provide a baffle plate also downstream.
[0109]
As the rectifying plate 306, laminar flow can be easily realized by using a rectifying plate having a conductance smaller than that in the laser chamber.
Moreover, as a baffle plate, a thing with a hole like a honeycomb like a shower head, or a thing with many slits cut | disconnected are preferable.
[0110]
The slit is preferable because the gas can flow uniformly and at high speed if the aperture ratio in the vicinity of the center of the laser chamber is made larger than that in the periphery.
[0111]
At least the surface of the current plate 306 is made of AlF_ThreeAnd MgF₂It consists of fluorides such as.
[0112]
FIG. 30 shows a case where one microwave introduction means is provided, but two microwave introduction means may be provided symmetrically with respect to the optical axis 350 as shown in FIG. When two are provided symmetrically, a gain more than twice as compared with the case of one is obtained.
[0113]
Note that the technique of aligning the shape of the microwave introduction means on the laser chamber side with the outer peripheral shape of the beam is particularly effective in a continuous emission excimer laser oscillation apparatus, but laser oscillation that introduces other microwaves to generate plasma. You may apply to an apparatus.
[0114]
On the other hand, as shown in FIGS. 30 and 31, when the microwave introduction means is constituted by the waveguide constituted by the introduction part 300 and the slot plate 303 and the dielectric plate 302, the processing / attachment of the dielectric plate 302 is performed. Becomes complicated. In addition, the dielectric plate 302 needs to have a certain thickness or more from the viewpoint of processing and mounting.
[0115]
However, as shown in FIG. 32A, when the dielectric 410 is thick, the microwave spreads in the laser chamber 430. Therefore, a large amount of electric power is required to obtain a dense plasma. FIG. 32B shows a case where the dielectric 410 is thinner than that in FIG. 32A, and the spread is narrower than that in the case of FIG.
[0116]
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 33, it is preferable to embed a dielectric material in the slot 530 of the slot waveguide 500 without interposing a dielectric plate. Thus, when a dielectric plate is not used, a very narrow microwave is introduced as shown in FIG. As a result, a higher density plasma can be excited when the same microwave power is input, and the gain of the laser can be increased.
[0117]
As the slot shape, as shown in FIG. 34, a rectangular shape whose long side extends in the optical axis direction is preferable.
[0118]
The rectangle may be one continuous rectangle (FIG. 34 (b)), but is preferably arranged intermittently.
[0119]
In this way, when the long side of the rectangle is parallel to the optical axis direction, a narrow plasma can be excited. As a result, a higher density plasma can be excited than when the same microwave power is input, and the laser gain is increased. it can.
[0120]
(Laser gas introduction mode)
FIG. 24 shows an excimer laser oscillation apparatus according to another embodiment of the present invention. The microwave introduction method and configuration are the same as those of the excimer laser oscillation apparatus shown in FIG. 13, and a microwave from a gyrotron (not shown) as a microwave power source is passed through the rectangular waveguide 1 to the slot plate. 3 is introduced into the laser tube 2.
[0121]
On the other hand, the apparatus described with reference to FIG. 13 employs a configuration in which laser gas can be introduced from the end portion in the longitudinal direction of the laser tube and discharged from the other end portion in the longitudinal direction. On the other hand, in the excimer laser oscillation device according to the present embodiment, a long hole is provided along the longitudinal direction of the laser tube 2 to serve as a laser gas discharge port 22. As a result, the laser gas introduced from the introduction port 21 is discharged from the discharge ports 22 on both sides thereof through the discharge space in the laser tube.
[0122]
In order to obtain a stable continuous emission excimer laser beam, the beam may be narrowed into one. For example, the laser beam intensity is 1.3 MW / cm²In order to obtain 1 kW, it has been known that plasma may be obtained in a region having a diameter of about 0.3 mm. In the above-described apparatus shown in FIG. 24, plasma can be generated in such a narrow area, so that excimer laser light of continuous emission with a narrow beam can be obtained.
[0123]
At this time, the reflectance of the mirror 6 is preferably 100%, and the reflectance of the output side mirror is preferably 99%.
[0124]
In addition, in order to obtain a continuous emission excimer laser beam stably, fluorine molecules (F₂) And fluorine ions (F^-Excimer (KrF)^*) Must be sufficiently formed. For that purpose, fresh fluorine gas (F₂) Is introduced into the discharge space in a large amount at high speed, and fluorine atoms (F) that have returned to the ground state by the emission of laser light are preferably discharged from the discharge space.
[0125]
In this embodiment, in order to perform the above-described circulation replacement of the laser gas at a high speed, a new laser gas is introduced from a direction intersecting with the longitudinal direction of the laser tube (longitudinal direction of the discharge space), and the laser gas is introduced so as to be discharged. There is a mouth and an outlet.
[0126]
In addition, such high-speed circulation of gas replaces the gas and plasma in the discharge space at high speed, and thus has an effect of cooling the laser tube.
[0127]
FIG. 27 shows a mode that enables further high-speed circulation of laser gas. Compared with the gas inlet 23 and the gas outlet 24, the gas flow is narrower in the discharge space. Gas circulation and replacement are performed.
[0128]
Further, the magnet 10 for confining the plasma in a narrow region is not limited to the configuration in which the magnetic field lines crossing the longitudinal direction of the laser tube are generated as shown in FIG. 24, but the magnetic field lines are generated along the longitudinal direction of the laser tube. It can also be arranged.
[0129]
FIG. 25 shows an excimer laser oscillation apparatus according to another embodiment of the present invention.
[0130]
The microwave introduction method and configuration are the same as those of the excimer laser oscillation device shown in FIG. 16, and microwaves from a gyrotron, which is a microwave power source (not shown), are passed through a gap through a rectangular waveguide 12. Are introduced into the laser tube 14. The microwave propagates along the wall of the laser tube and travels in the longitudinal direction, and discharge occurs in the laser tube 14 to generate laser gas plasma.
[0131]
The apparatus shown in FIG. 24 is different from the apparatus shown in FIG. 16 in the laser gas introduction method.
[0132]
The apparatus of FIG. 16 introduced laser gas from the longitudinal end of the laser tube to form a gas flow along the longitudinal direction, whereas the apparatus of FIG. 25 has a slot in the side wall of the laser tube in the longitudinal direction. Are arranged so as to be parallel to the longitudinal direction of the laser tube, the laser gas is introduced from one side, and the laser gas is discharged from the other side.
[0133]
As a result, the laser gas flows through the laser tube so as to cross its longitudinal direction. As described above, also in the present embodiment, the gas and / or plasma in the discharge space is replaced at high speed, so that the excimer can be stably generated in the discharge space. It also has the effect of cooling the laser tube.
[0134]
Such gas introduction and discharge methods can be applied to all the apparatuses described with reference to FIGS.
[0135]
When introducing the laser gas, the pressure at the inlet is preferably 1.2 to 1.8 times, more preferably 1.2 to 1.5 times the pressure at the outlet.
[0136]
If it is 1.2 times or more, the laser gas exiting the laser chamber causes volume expansion and cools the plasma excitation part. On the other hand, if it exceeds 1.8 times, the pressure difference becomes too large, and the pressure distribution in the laser chamber becomes uneven.
[0137]
(cooling)
Since a laser beam of about 10 W that receives a microwave of about 100 W to 1 kW is obtained, considerable heat generation occurs. Precise cooling is necessary because the wavelength changes when it expands. It is better to use copper or silver plating on the inner surface using a metal with no thermal expansion.
[0138]
The reason why the plasma excitation part is made of metal is to increase the cooling efficiency. Water cooling is performed while controlling the cooling water temperature, the cooling water flow rate, and the cooling water pressure, for example, as shown in FIG. Cooling is preferably performed by a cooling device, gas is degassed from the cooling water, and the pumping pressure is 1 kg / cm.²If it is set to about, vibration associated with cooling water pumping does not occur, which is preferable.
[0139]
(Resonator)
By arranging a pair of reflecting mirrors on the optical axis of the laser tube, the laser light can be extracted by stimulated emission.
[0140]
As will be described later, when obtaining a continuously emitting excimer laser beam by reducing the beam diameter and maintaining the light intensity, the reflectance of one of the reflecting mirrors is 100%, and the reflecting mirror of the output side that extracts the laser beam is used. The reflectivity is preferably 99.0%.
[0141]
Also, in the case where the light intensity is maintained by extremely reducing the loss in the resonator, the reflectance of one of the reflecting mirrors is preferably 100% and the reflectance of the reflecting mirror on the output side is more preferably 99.5% or more. Is preferably 99.9% or more.
[0142]
FIG. 28 shows a configuration of a resonator in which the reflectance at both ends is 100% using a prism. The incident angle to the total reflection prisms 202 and 203 is a Brewster angle, and no light loss occurs at the time of incidence. Further, the reflection inside the total reflection prisms 202 and 203 uses total reflection, and no light loss occurs at the time of reflection. Therefore, the reflectance at both ends of the resonator is 100%. The output light can be set to reflectivity from 0% to several percent by adjusting the incident angle at the output light extraction plate 204 installed between the laser tube 201 and the total reflection prism 202.
[0143]
(Exposure equipment)
FIG. 1 shows an exposure apparatus using an excimer laser oscillation apparatus.
[0144]
The light emitted from the oscillation device A1 is guided to the scanning optical system via the mirror and the lens A2.
[0145]
The scanning optical system has a scanning lens A4 and a scanning mirror A3 whose angle can be changed. Light emitted from the scanning optical system is irradiated onto a reticle A6 having a mask pattern via a condenser lens A5. The above is the configuration of the illumination optical system of the exposure apparatus.
[0146]
Light having a light and dark distribution corresponding to a predetermined mask pattern is formed on the wafer A8 placed on the stage by the imaging optical system having the objective lens 7 by the reticle A6, and a latent image corresponding to the mask pattern is formed on the wafer A8. It is formed on the photosensitive resist on the surface.
[0147]
As described above, the exposure apparatus shown in FIG. 1 includes the excimer laser oscillation apparatus A1, the illumination optical system, the imaging optical system, and the stage A9 for holding the wafer A8.
[0148]
In this device, a narrowing module (not shown) is provided between the oscillation device A1 and the scanning optical system. The oscillation device A1 itself is a pulse oscillation type.
[0149]
(Example of exposure device output method)
The following methods can be considered to turn on / off the use of the output light of the continuous oscillation excimer.
(1) A blocking means is provided outside the excimer laser device.
(2) Turn on / off the continuous excitation means.
[0150]
However, in the method (1), since the excimer laser is Deep UV light and its output is higher than that of other lasers, damage to the blocking means is large and the life of the blocking means is short. The life of the blocking means using the highly responsive AO element (acousto-optic element) is particularly short. Further, since the oscillation continues inside the laser even if the output light is cut off, the optical system inside the laser is unnecessarily damaged and the life is shortened.
[0151]
In the method (2), since a certain amount of time is required to form a stable excited state, the desired continuous oscillation light cannot be obtained immediately even if the continuous excitation means is turned on.
[0152]
The present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
[0153]
FIG. 22 is a schematic view of a continuous wave excimer laser according to the present invention. 101 is Kr, Ne, F₂A laser chamber in which gas is sealed, 102 is an output mirror that outputs light from the laser, 103 is a dielectric that introduces microwaves into the laser chamber, 104 is a slot waveguide that guides microwaves, and 105 is A microwave oscillation source for supplying microwaves. Reference numeral 106 denotes a wavelength selection unit that selects a wavelength to oscillate. The wavelength selection unit 106 includes a pair of prisms, an enlargement prism 106-1 that expands the beam diameter, and a diffraction grating 106-2 that extracts an arbitrary wavelength. Reference numeral 107 denotes a spatial filter that includes a pair of lenses and is provided at the focal position of the laser side lens of the beam shaping optical system 108, and controls the spread angle of the output light from the laser. Reference numeral 109 denotes a shutter, and 110 denotes a control system that controls the wavelength selection unit 106, the microwave oscillation source 105, and the shutter 109.
[0154]
Here, the output mirror 102 and the diffraction grating 106-2 constitute an excimer laser resonator.
[0155]
(Description of operation)
The microwave from the microwave oscillation source 105 is guided by the slot waveguide 104 and continuously excites the excimer laser gas in the laser chamber 101 via the dielectric 3. The light from the excited excimer laser gas enters the diffraction grating 106-2 via the magnifying prism 106-1. Only light in a predetermined wavelength region from the diffraction grating returns to the laser chamber 101 again through the magnifying prism 106-1, and undergoes induction excitation light emission with the excited excimer laser gas, and the light is output mirror 102 and the diffraction grating 106-. By sequentially stimulated emission while reciprocating in the optical resonator constituted by 2, only light in a predetermined wavelength region selected by the diffraction grating is amplified. A part of the amplified light is output via the output mirror 102.
[0156]
Next, the operation for turning on / off the use of the output light of the continuous wave excimer laser will be described.
[0157]
When blocking the output light of the continuous wave excimer laser, the control system 110 operates the shutter 109 while continuously supplying the microwave to block the light from the excimer laser gas from going to the output mirror 102. Close the shutter as shown. Then, the light oscillated in the optical resonator can no longer oscillate, and the output light from the continuous wave excimer laser can be cut off rapidly.
[0158]
When the output light of the continuous wave excimer laser is reused, the control system 110 operates the shutter 9 while continuously supplying the microwave, and the light from the excimer laser gas goes to the output mirror 102. Open the shutter so that. Light spontaneously emitted by the excimer laser gas is immediately and stably oscillated in the optical resonator, and stable output light can be obtained from the continuous wave excimer laser with good response.
[0159]
Next, another operation for turning on / off the use of the output light of the continuous wave excimer laser will be described.
[0160]
When blocking the output light of the continuous wave excimer laser, the control system 110 rotates the diffraction grating 106-2 while continuously supplying the microwave. Then, the light in the predetermined wavelength region selected by the diffraction grating is changed, and only the light in the changed wavelength region returns to the laser chamber 101 again through the magnifying prism 106-1. At this time, since the changed wavelength region is set to be the wavelength of the oscillating region determined by the excimer laser gas, the excited excimer laser gas does not emit induced excitation light, and thus light cannot oscillate. Output light from the continuous wave excimer laser can be blocked. This phenomenon will be described with reference to FIG.
[0161]
Normally, the excimer laser has a gain with respect to wavelength determined by the gas. The relationship is the gain curve GC of FIG. At this time, when light (G) in a wavelength region with a gain (λ−δλ to λ + δλ) is incident on the excited excimer laser gas, stimulated excitation light is emitted, and the excimer laser oscillates. On the other hand, when light in a region (NG) different from a wavelength region with a gain (λ−δλ to λ + δλ) is incident on the excited excimer laser gas, stimulated excitation light is not emitted and the excimer laser does not oscillate. In this embodiment, when the output light of the continuous wave excimer laser is cut off by utilizing this phenomenon, the wavelength region (λ−δλ to λ + δλ) having a gain as the light returned to the laser chamber by the diffraction grating 106-2. Choose a different area of light.
[0162]
At this time, although light is not oscillated, light corresponding to spontaneous emission is output, but the light is not directional, and is almost blocked by the spatial filter 107.
[0163]
Further, when the output light of the continuous wave excimer laser is reused, the control system 110 rotates the diffraction grating 106-2 while continuously supplying the microwaves, and the oscillation grating can be oscillated by the diffraction grating. The wavelength is selected and only that light returns again to the laser chamber 101 via the magnifying prism 106-1. Then, stimulated excitation light is emitted by the immediately excited excimer laser gas and oscillates in the optical resonator, and stable output light can be obtained from the continuous wave excimer laser with good responsiveness.
[0164]
【Example】
FIG. 20 shows a continuous emission excimer laser oscillation apparatus used in this example.
[0165]
In this example, a cylindrical optical resonator is used.
[0166]
An antireflective film was formed on the inner surface. The outermost surface was made of fluoride.
[0167]
A jacket-like cooling device was provided on the outer periphery. The outermost surface was covered with a heat insulating material, and means for controlling the temperature of the inflowing cooling water to be lower than the ambient temperature and to substantially match the temperature of the outflowing cooling water was provided. As a result, the temperature fluctuation of the optical resonator can be made extremely small.
[0168]
As the waveguide, the one shown in FIG. 17 (oversized waveguide having a height of 5 mm and a width of 10 cm) is used.^-FourA Torr level vacuum was applied.
[0169]
On the other hand, in this example as well, a stable magnetic excitation was achieved by forming a magnetic field with a magnet.
[0170]
The insulating plate 44 has a CaF on the resonator side.₂, MgF₂A non-reflective film having a multi-layer coating was formed. A film made of fluoride was formed on the outermost surface.
[0171]
The microwave uses the trade name Gyrotron, the supply frequency is 35 GHz, and the gas composition is Kr / Ne / F.₂(3%: 92%: 5%).
[0172]
The pressure was atmospheric pressure. Therefore, ωc = 4.5Ω, and the electrons collide 4.5 times during one period of the excitation frequency.
ωc: Photoelectron collision angular frequency
[0173]
In this example, as shown in FIG. 20, gas inlets 21 a and 21 b are provided at both ends of the laser chamber 20, and a gas outlet 22 is further provided at the center thereof. Thus, the laser gas to be supplied is made to flow toward the center. The reason is that, as described above, it also serves as the surface protection of the output end light reflecting plate. That is, since the outermost surface of the light reflecting plate is always covered with a thin film of a fluoride film, F₂, F^*This is to make it easier to react to the above.
[0174]
The reflectance of the light reflecting plate was set to 99% or more.
[0175]
In this example, the magnet 51 is arranged so that a DC magnetic field is applied in a direction substantially perpendicular to the microwave electric field, and discharge start and discharge maintenance can be performed extremely stably.
[0176]
The optical oscillator is made of a metal cylinder having an inner diameter of several mm to several cm. The inner surface of the metal cylinder was coated with an antireflective multilayer film. A fluoride film was formed on the outermost surface.
[0177]
Seal bonding between the light reflection plate 31 and the laser tube (in this example, the metal cylinder 31) constituting the laser chamber was performed as shown in FIG.
[0178]
That is, a Teflon plate ring 33a is interposed between the light reflecting plate 31 and the flange 32a of the metal cylinder 32, and the outside of the light reflecting 31 is tightened by a bolt 34 with a Teflon plate ring 33b and a metal plate ring 35 interposed. Was pressed. Sealing was performed with an O-ring 36. Of course, you may attach with the screw using a bearing, without using the volt | bolt 34. FIG.
[0179]
When light was emitted with the above configuration, continuous light emission with sufficient output was achieved.
[0180]
Further, when the stepper was constructed using this continuous emission excimer laser oscillation device, the construction was simplified and the life of the lens material and the like was improved.
[0181]
(Other examples)
By using the apparatus shown in FIG. 24 and FIG. 25 and making the loss in the resonator extremely small, it was possible to obtain a stable continuous emission excimer laser beam.
[0182]
For example, the pressure of the laser gas is 65 Torr, and the energy loss due to the gas is suppressed to 1%. Along with this, a stable resonator was constructed by setting the reflectance of one reflected light to 100% and the reflectance of the reflecting mirror on the output side to 99.5% or more. As a result, the gain required for laser oscillation can be made 2% or more in a round trip, and the gain can be made larger than the loss.
[0183]
Note that when 35 GHz is used as the microwave energy and the pressure in the laser tube is set to 160 Torr, the loss due to the gas slightly increases, so it is desirable to set the reflectance of the output-side reflecting mirror to 99.9% or more.
[0184]
【The invention's effect】
  According to the present invention, the load on the lens material and its surface is small, and the mirror or lens scan control system can be simplified.Hikari-The oscillation equipmentPlaceCan be provided.
[0185]
First, damage to optical materials such as glass is reduced. A normal excimer laser such as KrF or ArF emits a short pulse of 10 to 20 nsec, whereas the pulse repetition frequency is only about 1000 Hz. Therefore, the light intensity at the peak of this pulse is 10,000 times or more that of continuous light emission at the same intensity even if the problem of the efficiency of the optical system is excluded. It is known that the main cause of material damage that occurs in the excimer region is two-photon absorption, and the light damage in the current excimer laser, which is proportional to the square of the light peak intensity, is estimated to be less than in continuous light emission. Even 10⁸Twice as severe. The durability of the glass material is a problem in the ArF region for the above reasons. Therefore, the realization of the continuous light emission light source solves the material problems in the ultraviolet region including ArF at a stretch.
[0186]
  Second, the narrow band of lightphenomenonIt is easy to suppress the generation of speckle. In the case of pulsed light emission, in order to effectively erase speckles which are random interference fringes, it is necessary to synchronize the light emission timing of each pulse with known speckle removing means with high accuracy. On the other hand, if it is continuous oscillation, the speckle can be easily removed by a known means such as, for example, a rotating diffusion plate, without requiring any special synchronizing means. Therefore, the configuration of the optical system can be simplified, and the cost can be reduced.
[0187]
Third, exposure amount control is easy. When performing discrete exposure such as pulsed light emission, the minimum unit for controlling the exposure amount basically depends on the number of pulses, although it depends on the controllability of the exposure amount of one pulse. When the exposure is performed with 100 pulses in total, the next unit is 99 pulses or 101 pulses, and the control accuracy is ± 1%. Of course, various means have been proposed for the control of the last pulse, but there is no resolution due to such discreteness for controllability or control, and finer exposure amount control is possible. As the line width becomes narrower, the continuous light source has a great effect in spite of demanding strict exposure control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an excimer laser exposure apparatus.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a pulse state.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an actual pulse state.
FIG. 4 is a diagram illustrating a decay state of spontaneous light emission.
FIG. 5 is a diagram illustrating a gain width and a mode state.
FIG. 6 is a graph showing how light is focused in an excimer laser.
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a gas supply system to a laser chamber.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a shape example of a laser tube.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing another example of the shape of a laser tube.
FIG. 10 is a perspective view showing the distance between the end of the waveguide and the insulating plate.
FIG. 11 is a perspective view showing the distance between the end of the waveguide and the insulating plate.
FIG. 12 is a perspective view showing application of a magnetic field.
FIGS. 13A and 13B are a cross-sectional view and a cross-sectional view taken along line AA of an example of a continuous light emitting excimer laser oscillation device having a microwave supply device. FIGS.
14 is a bottom view of the waveguide 1 in FIG.
FIGS. 15A and 15B are a cross-sectional view and a BB cross-sectional view of a continuous light emitting excimer laser oscillation device having a microwave supply device. FIGS.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a continuous light emitting excimer laser oscillation device having a microwave supply device.
FIG. 17 is a cross-sectional view of another continuous light excimer laser oscillation device having a microwave supply device.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a continuous light emitting excimer laser oscillation device having a microwave supply device.
FIG. 19 is a cross-sectional view of a continuous light emitting excimer laser oscillation device having a microwave supply device.
FIG. 20 is a side view and a front view of an excimer laser oscillation device according to an example.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a seal structure between a light reflection plate and a laser tube (metal cylinder) in the excimer laser oscillation apparatus according to the embodiment.
FIG. 22 is a conceptual diagram of an excimer laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a graph showing a gain curve in an excimer laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a conceptual diagram of an excimer laser oscillation device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a conceptual diagram of an excimer laser oscillation device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a diagram showing a reaction formula of excimer.
FIG. 27 is a cross-sectional view of another continuous emission excimer laser oscillation device having a microwave supply device.
FIGS. 28A and 28B are a front view and a side view of a resonator in which the reflectance at both ends becomes 100% using a prism. FIGS.
FIG. 29 is a graph showing changes in beam diameter.
30A and 30B are cross-sectional views of the laser oscillation device.
FIGS. 31A and 31B are cross-sectional views of the laser oscillation device.
FIG. 32 is a conceptual diagram showing the vicinity of a slot portion.
FIG. 33 is a cross-sectional view showing an example of a slot waveguide.
FIG. 34 is a plan view showing a slot shape example.
[Explanation of symbols]
A1 oscillator,
A3 scanning mirror,
A4 scanning lens,
A5 condenser lens,
A6 reticle,
A7 objective lens,
A8 wafer,
A9 stage,
1 slot waveguide,
2 laser tube,
3 dielectric plate,
5 Output mirror
6 Reflective side mirror,
8 Gas inlet,
9 Refrigerant container,
10 Magnetic field generator,
11 slots,
12 waveguide with gap,
14 Dielectric tube,
14a dielectric plate,
13 Movable short-circuit plate,
15 Shield plate,
16 coaxial conversion waveguide,
20 laser chamber (laser tube),
21a, 21b gas inlet,
22 Gas outlet,
25a, 25b, 26, 27a, 27b valves,
28 MFC, PFC,
29 filters,
31 Reflector,
32 metal cylinder (laser tube),
32a flange,
33a, 33b Teflon plate ring,
34 volts,
35 Metal plate ring,
36 O-ring,
40 laser tube,
41 insulation plate,
42 waveguides,
50 temperature control device,
51 magnets,
101 laser chamber,
102 output mirror,
103 dielectric,
104 slot waveguide,
105 microwave oscillation source,
106 wavelength selection unit,
106-1 magnifying prism,
106-2 diffraction grating,
107 beam shaping optical system,
108 spatial filter,
109 shutter,
110 control system,
301 laser tube,
302 dielectric plate,
303 slot plate,
304 powder,
305 laser chamber,
306 Means (rectifying plate) for making laser gas into a laminar flow,
307 cooling water,
350 optical axes,
400 slots,
410 dielectric plate,
420 waveguide,
430 laser chamber,
500 waveguide,
510 dielectric material,
520 vacuum seal,
530 slots.

Claims (6)

In a laser oscillator having a laser chamber composed of a laser tube for housing laser gas, and an optical resonator composed of a pair of reflecting mirrors sandwiching the laser chamber ,
Provided with a means for introducing microwaves for exciting the laser gas in Les Zachanba, means for introducing the microwaves are provided along the optical axis of the optical resonator, the beam half with respect to the direction perpendicular to the optical axis depending on the variation along the optical axis of the diameter, the laser oscillation device, wherein a distance between the optical axis of the means and the resonator for introducing the microwaves is varied along the optical axis. It said means for introducing a microwave, laser oscillation apparatus according to claim 1, wherein the so as to sandwich the optical axis are provided a pair. Upstream of the means for supplying the laser gas, the laser oscillation apparatus according to claim 1, wherein providing the means for the laser gas to laminar flow. Means for introducing a microwave, the slot and the waveguide, any one of claims 1 to 3, characterized in that it is composed of allowed and a dielectric plate interposed forth between the laser chamber having a slot Laser oscillation device. 4. The laser oscillation device according to claim 3 , wherein the means for introducing the microwave comprises a slot waveguide having a slot and a dielectric material embedded in the slot portion. The slot is laser oscillating apparatus according to claim 4 or 5, wherein it is a continuous or intermittent rectangular slots the optical axis direction is the longitudinal direction.

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