JP4049347B2 - 放電励起式レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャンバ内で主放電電極間の放電によりレーザ用ガスを励起してレーザを発振する放電励起式レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エキシマレーザ装置などの放電励起式レーザ装置は半導体ウエハ上のＩＣチップを露光するための光源として使用されている。
【０００３】
この放電励起式レーザ装置のレーザ用ガスは放電により励起される。
【０００４】
図１０（ａ）は従来の放電励起式レーザ装置の主放電電極及びコロナ予備電離電極を示す概略図である。
【０００５】
放電励起式レーザ装置の長手方向は図１０（ａ）では紙面に対し垂直方向であり、主放電電極２５とこの主放電電極２５の近傍に設けられる予備電離電極２６は長手方向に沿って配置されている。
【０００６】
この放電励起式レーザ装置では主放電電極２５の材料として主に金属が用いられており、また予備電離電極２６の外周面上に発生するコロナ放電の紫外光により、主放電電極２５間にあるレーザ用ガス全体には均一かつ豊富な予備電離電子が生成されている。ここで主放電電極２５間の電圧がレーザ用ガスの絶縁破壊強度を越えると主放電電極２５間では均一な放電が行われ、レーザ用ガスが励起される。
【０００７】
図１０（ｂ）は特公平７−４６７４０号公報に開示された放電励起式レーザ装置の主放電電極及びコロナ予備電離電極を示す概略図である。
【０００８】
この放電励起式レーザ装置では陰極の陽極側表面の長手方向にＶ字状の溝が複数形成されており、この溝に予備電離電極が配置されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放電励起式レーザ装置では予備電離を制御することで主放電の制御を行い、レーザ出力の安定化を図っていた。
【００１０】
しかしながら、金属電極間による主放電を行うと電極表面上に放電が集中し、金属電極表面とガス中のフッ素との化学変化やスパッタリングにより金属電極が劣化し主放電電極間のインピーダンスが変化してしまう。
【００１１】
また、スパッタリングによりレーザチャンバ内にダストが生じ、レーザ光が吸収及び散乱されてしまい、レーザ発振効率が低下する。
【００１２】
以上の現象によりレーザ出力の安定化が図れないという問題があった。
【００１３】
図１０（ｂ）の放電励起式ガスレーザ装置では陰極の陽極側表面にコロナ予備電離電極２９が配置されている。このコロナ予備電離電極２９が配置された陰極の表面部分、すなわち陰極の溝の部分２８ｂ，２８ｄとこの部分に対向する陽極の部分２７ｂ，２７ｄとでは主放電は発生しない。しかし、他の陰極部分２８ａ，２８ｃ，２８ｅと陽極部分２７ａ，２７ｃ，２７ｅとで放電が発生してしまう。したがって、陰極及び陽極の電極表面とガス中のフッ素との化学変化やスパッタリングにより電極の劣化が生じてしまうという点で前記図１０（ａ）の構成と相違がない。
【００１４】
これらのことから、レーザ用ガスの励起を放電で行う場合に主放電電極が劣化する現象を改善し、レーザ出力の向上及び安定化を図ることが重要な課題となっていた。
【００１５】
そこで、本発明では、上記課題を解決して、レーザ用ガスの励起を放電で行う場合に主放電電極が劣化する現象を改善することによりレーザ出力の向上及び安定化を図ることができる放電励起式レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また、この発明は、主放電電極周辺の構造を簡略化することができる放電励起式レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、レーザチャンバ内のレーザ用ガスを放電により励起するために、レーザチャンバの長手方向に沿って配置され対向する一対の主放電電極を有する放電励起式レーザ装置において、内部に背後電極を配置した中空状の誘電体パイプを前記対の主放電電極の少なくとも一方に接触させ、前記誘電体パイプによって前記一方の主放電電極を他方の主放電電極に対して隠蔽させ、前記主放電電極と前記背後電極との間に高電圧を印加することにより前記誘電体パイプの外表面に発生するコロナ放電によりプラズマを発生させ、このプラズマを介して主放電させるようにしたことを特徴とする。
【００１８】
このように、請求項１に係る発明では、主放電が発生する部分が金属電極ではなく、誘電体パイプの外表面に発生するプラズマであるため放電集中による金属電極の劣化やスパッタリングによるダストは生じない。よってレーザ出力の向上及び安定化を図ることができる。
【００１９】
なおかつ、このプラズマ電極は主放電電極の機能と予備電離電極の機能を兼ね備えているため、従来のように予備電離電極を別に設ける必要がなくなり、主放電電極の周囲の構造を簡略化することができる。
【００２１】
また、請求項２に係わる発明は、前記誘電体パイプの長手方向垂直切断断面形状が、対向する主放電電極側に向かって徐々に細く、かつ同パイプに接触する主放電電極を、対向する主放電電極に対して隠蔽することができるようなことを特徴とする。
【００２２】
このように、請求項３に係る発明では、誘電体パイプを対向する主放電電極に向かって徐々に細くすることで、予備電離及び主放電を誘電体パイプの先端部分付近に集中させることができる。このため予備電離及び主放電の高効率化及び安定化を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態を示す放電励起式レーザ装置を示す概略構成図である。
【００２５】
同図に示す放電励起式ガスレーザ装置は、レーザチャンバ内にレーザ用ガスを封入し、このレーザ用ガスを主放電によって励起させてレーザ発振を行う装置である。このとき均一な主放電を行うために主放電電極間のレーザ用ガス中には均一かつ豊富な予備電離電子を発生させておく必要がある。
【００２６】
ここで、この放電励起式レーザ装置は、従来のように主放電を金属電極同士で行うのではなく、金属電極の代わりとして誘電体パイプの外表面に発生するプラズマを利用することに特徴がある。プラズマを電極に使用する理由は、金属電極の劣化に伴う主放電電極間のインピーダンスの変化や、金属電極のスパッタリングによるレーザチャンバ内のダストが生じることを防止するためである。
【００２７】
同図に示す放電励起式レーザ装置は、主放電電極１，２と、コロナ発生用の誘電体パイプ３，４と、コロナ発生用の背後電極５，６と、パルスパワー回路７と、主放電電極用コンデンサＣｐと、コロナ発生用コンデンサＣｐ´により構成されている。
【００２８】
陰極側の構造として、中空部内に背後電極６が挿入された誘電体パイプ４と主放電電極２とは接触点または接触面を有し、主放電電極２は対向する主放電電極からみると誘電体パイプ４によって隠蔽されるように配置されている。
【００２９】
陽極側の構造として、中空部内に背後電極５が挿入された誘電体パイプ３と主放電電極１とは接触点または接触面を有し、主放電電極１は対向する主放電電極からみると誘電体パイプ３によって隠蔽されるように配置されている。
【００３０】
主放電電極１，２の材料としては、銅とニッケルの合金、純銅などがあげられる。また誘電体パイプ３，４の材料としては、アルミナセラッミクス、サファイヤ、フッ化物ガラスなどがあげられる。
【００３１】
次にこの装置の動作について説明する。
【００３２】
まずパルスパワー回路によりコンデンサＣｐ、Ｃｐ´の電圧を上昇させる。図１（ｂ）はこのときの主放電電極間の電気力線を示す図である。
【００３３】
このとき主放電電極２と背後電極６との間には電位差が生じ、その電位差が所定のコロナ放電開始電圧に達すると、主放電電極２と誘電体パイプ４の接触部分を起点として誘電体パイプ４の外周面にコロナ放電が発生する。ここで発生する紫外光によって主放電間のレーザ用ガスが予備電離される。
【００３４】
同様に、主放電電極１と背後電極５との間には電位差が生じ、その電位差が所定のコロナ放電開始電圧に達すると、主放電電極１と誘電体パイプ５の接触部分を起点として誘電体パイプ３の外周面にコロナ放電が発生する。ここで発生する紫外光によって主放電間のレーザ用ガスが予備電離される。
【００３５】
図１（ｂ）はこのときの主放電電極間の電気力線を示す図である。陽極側の主放電電極２から出る電気力線は陰極側に向かうと同時に背後電極６にも向かう。しかし、陰極側の背後電極からも電気力線が出てきているため誘電体パイプ３を回り込むように陽極側の主放電電極１へ入りこんでいる。この状態では放電が発生しにくい。
【００３６】
この後、コンデンサＣｐの電圧が上昇し、このＣｐの電圧が所定の主放電開始電圧に達すると、主放電電極間のレーザ用ガスが絶縁破壊を起こし、主放電が開始され均一な放電が発生する。
【００３７】
図１（ｃ）はこのときの主放電電極間の電気力線を示す図である。陰極側、陽極側ともにコロナ放電が進むと誘電体パイプ３，４の外表面周辺にプラズマが発生する。プラズマは導体であるため背後電極５，６は静電遮蔽され電気力線は外部へ出てこない。
【００３８】
このとき金属製の主放電電極２は対向する主放電電極からみると誘電体パイプ４によって隠蔽されるような構造であるため、対向する主放電電極との間で直接放電が発生することはない。一方誘電体パイプ４の外周面に発生するプラズマは導体であるため、このプラズマと対向する主放電電極との間で主放電が発生する。このとき主放電電極２と誘電体パイプ４の外周面に発生したプラズマとは電気的に接続された状態であるため、主放電電極２はプラズマを介して対向する主放電電極との間で放電を行うといえる。
【００３９】
同様に、金属製の主放電電極１は対向する主放電電極からみると誘電体パイプ３によって隠蔽されるような構造であるため、対向する主放電電極との間で直接放電が発生することはない。一方誘電体パイプ３の外周面に発生するプラズマは導体であるため、このプラズマと対向する主放電電極との間で主放電が発生する。このとき主放電電極１と誘電体パイプ３の外周面に発生したプラズマとは電気的に接続された状態であるため、主放電電極１はプラズマを介して対向する主放電電極との間で放電を行うといえる。
【００４０】
上述してきたように、プラズマを電極として使用することにより下記に示す効果が得られる。
【００４１】
（１）レーザ出力の向上及び安定化を図ることができる。
【００４２】
（２）従来の予備電離電極が必要なくなり主放電電極周辺が簡略化できる。
【００４３】
なお、陰極及び陽極の両電極にプラズマを利用する実施の形態を述べてきたが、プラズマを陰極または陽極のどちらかに使用した場合においても所定の効果が得られる。
【００４４】
図２は陽極側に電極としてプラズマを利用する実施の形態を示す放電励起式レーザ装置を示す概略構成図である。陽極側の誘電体パイプ４の外表面に発生するコロナ放電によって主放電電極間に予備電離電子が生成され、陽極側の誘電体パイプ４の外表面周辺に発生するプラズマと陰極側の電極８とで主放電が発生する。
【００４５】
図３は陰極側に電極としてプラズマを利用する実施の形態を示す放電励起式レーザ装置を示す概略構成図である。陰極側の誘電体パイプ３の外表面に発生するコロナ放電によって主放電電極間に予備電離電子が生成され、陰極側の誘電体パイプ３の外表面周辺に発生するプラズマと陰極側の電極９とで主放電が発生する。
【００４６】
次に誘電体パイプの構造について説明する。
【００４７】
図４は誘電体パイプの断面形状図である。実施の形態として図４（ａ）は楕円の形状であり、図４（ｂ）は三角の形状である。いずれの形状も対向する主放電電極に向かって細くなっていき、かつ主放電電極を対向する主放電電極から隠すことが可能となっている。
【００４８】
この誘電体パイプ１０，１１をプラズマの電極に使用すると、この誘電体パイプ１０，１１の主放電側の細くなっている先端部分の周辺に放電が集中するため、レーザ出力の向上及び安定化を図ることができる。
【００４９】
なお、誘電体パイプは上述した形状に限る訳ではなく、対向する主放電電極に向かって細くなっていき、かつ主放電電極を対向する主放電電極から隠蔽することができるような構造であれば所定の効果は得られる。
【００５０】
図５から図７においては誘電体パイプの絶縁構造を示す図である。
【００５１】
図５（ａ）に示す誘電体パイプ１２の両端にはフィン１３が設けられている。このフィン１３の対向する主放電電極側の部分は射出するレーザ光を妨げることがないように誘電体パイプの外表面の部分まで削られている。
【００５２】
このフィン１３は碍子の役割を果たすため、主放電電極１，２と背後電極５，６との沿面距離を設けることができ、絶縁することができる。
【００５３】
なお、このフィン１３の数は特に限定するものではない。
【００５４】
図５（ｂ）に示す誘電体パイプ１４の両端にはフィン１５が設けられている。このフィン１５の対向する主放電電極側の部分は射出するレーザ光を妨げることがないようにレーザ光の幅に合わせて切り込みが入れられている。
【００５５】
このフィン１５は碍子の役割を果たすため、主放電電極１，２と背後電極５，６との沿面距離を設けることができ、絶縁することができる。
【００５６】
なお、このフィン１５の数は特に限定するものではない。
【００５７】
図６に示す誘電体パイプ１６の両端は射出するレーザ光を妨げることがないように主放電側と逆の方向に屈折されている。また誘電体パイプ１６の屈折した端部にはフィン１７が設けられている。
【００５８】
このフィン１７は碍子の役割を果たすため、主放電電極１，２と背後電極５，６との沿面距離を設けることができ、絶縁することができる。
【００５９】
なお、このフィン１７の数は特に限定するものではない。
【００６０】
図７に示す誘電体パイプ１８の両端には凹凸状の切り込み１９がつけられている。
【００６１】
この凹凸状切り込み１９は碍子の役割を果たすため、主放電電極１，２と背後電極５，６との沿面距離を設けることができ、絶縁することができる。
【００６２】
なお、この凹凸状切り込み１９の数は特に限定するものではない。
【００６３】
図５から図７に示された構造を採用することにより放電の安定化が可能となり、レーザ出力の安定化を図ることができる。
【００６４】
図８は誘電体パイプの電気容量を変化させて、主放電の形状を変化させることができる誘電体パイプの形状である。誘電体パイプ２０，２１は対向する主放電電極側の外表面２０ａ，２１ａが削られて薄くされている。一方誘電体パイプ２２は対向する主放電電極側の内表面２２ａが削られて薄くされている。
【００６５】
誘電体パイプ２０，２１，２２をプラズマ電極に使用すると、外表面２０ａ，２１ａ及び内表面２２ａの静電容量は他の部分より大きくなるため、誘電体パイプ２０，２１，２２の外表面に発生するコロナ放電の密度分布が変化し、プラズマの分布も変化する。このことにより主放電を集中させ、レーザビーム断面形状の制御が可能となる。
【００６６】
図９は誘電体パイプの電気容量を変化させて、主放電の形状を変化させることができる誘電体パイプと背後電極の配置である。誘電体パイプ２３の中空部において対向する主放電電極側に背後電極２４が配置されている。背後電極２４と誘電体パイプ２３の内表面は接触していないが、接触させてもよい。
【００６７】
この構造をプラズマ電極に使用すると、外表面２３ａの静電容量は他の部分より大きくなるため、誘電体パイプ２３の外表面に発生するコロナ放電の密度分布が変化し、プラズマの分布も変化する。このことによりレーザ出力を変化させることが可能となる。
【００６８】
なお、この構造は誘電体パイプの加工が困難な場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で用いる放電励起式レーザ装置の概略構成図である。
【図２】陽極側にプラズマ電極を使用する実施の形態を示す放電励起式レーザ装置を示す概略構成図である
【図３】陰極側にプラズマ電極を使用する実施の形態を示す放電励起式レーザ装置を示す概略構成図である
【図４】誘電体パイプの断面図である。
【図５】誘電体パイプの絶縁構造を示す図である。
【図６】誘電体パイプの絶縁構造を示す図である。
【図７】誘電体パイプの絶縁構造を示す図である。
【図８】誘電体パイプの断面図である。
【図９】誘電体パイプの中空部における背後電極の位置を示す断面図である。
【図１０】従来の放電励起式レーザ装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１，２…主放電電極
３，４…誘電体パイプ
５，６…背後電極
１０，１１…誘電体パイプ

Claims (2)

1. レーザチャンバ内のレーザ用ガスを放電により励起するために、レーザチャンバの長手方向に沿って配置され対向する対の主放電電極を有する放電励起式レーザ装置において、
   内部に背後電極を配置した中空状の誘電体パイプを前記対の主放電電極の少なくとも一方に接触させ、前記誘電体パイプによって前記一方の主放電電極を他方の主放電電極に対して隠蔽させ、前記主放電電極と前記背後電極との間に高電圧を印加することにより前記誘電体パイプの外表面に発生するコロナ放電によりプラズマを発生させ、このプラズマを介して主放電させるようにした
   ことを特徴とする放電励起式レーザ装置。
2. 前記誘電体パイプの長手方向垂直切断断面形状が、対向する主放電電極側に向かって徐々に細く、かつ同パイプに接触する主放電電極を、対向する主放電電極に対して隠蔽することができるようなことを特徴とする請求項１記載の放電励起式レーザ装置。

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