JP4653360B2

JP4653360B2 - パルス発振型ガスレーザ装置

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Publication number: JP4653360B2
Application number: JP2001276778A
Authority: JP
Inventors: 隆志斎藤; 弘司柿崎
Original assignee: Gigaphoton Inc
Current assignee: Gigaphoton Inc
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003086874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス発振型ガスレーザ装置における、衝撃波の影響を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、エキシマレーザ装置等のパルス発振型ガスレーザ装置において、パルス放電の際に衝撃波や音響波（以下、衝撃波として総称する）が発生することが知られている。この衝撃波により、レーザガスのガス密度に揺らぎが生じ、レーザ光のビームプロファイルが不安定になる。
これを防止するための技術が、例えば特開平４−３２８８８９号公報に開示されている。図４は、同公報に開示されたエキシマレーザ装置の構成図を表しており、以下図４に基づいて従来技術を説明する。
【０００３】
図４において、フッ素（Ｆ2）を含むレーザガスを封止したレーザチャンバ１２の内部には、一対の放電電極１４，１５が対向して配置されている。上側のカソード１５は、絶縁性のカソードベース３６に固定され、カソードベース３６はレーザチャンバ１２に固定されている。また、下側のアノード１４は、レーザチャンバ１２に電気的に接続されたアノードベース４０上に搭載されている。
図示しない高圧電源から、放電電極１４，１５間に高電圧を印加し、放電空間３７にパルス放電を起こすことにより、パルス状のレーザ光（図示せず）を発生させている。
【０００４】
このとき、パルス放電により、放電空間３７から衝撃波４１が発生する。この衝撃波４１が、アノードベース４０やカソードベース３６等の、放電電極１４，１５近傍の部品に反射して、放電空間３７に戻ってくることにより、放電空間３７のレーザガスの密度が変動する。その結果、パルス放電が不安定になったり、レーザ光のビームプロファイルが乱れたりする。
これを防止するために、前記公報においては、多孔体４６，４６をカソードベース３６及びアノードベース４０上にそれぞれ固定し、多孔体４６，４６によって衝撃波４１を吸収して放電空間３７に戻らないようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち、多孔体４６は表面積が大きく、レーザチャンバ１２の内部に組み込む際に、その表面に付着している有機物等の不純物を除去することが難しい。その結果、これらをレーザチャンバ１２の内部に組み込んでレーザ発振を開始すると、多孔体４６の表面から不純物がレーザガス中に混入することがあり、レーザ出力を低下させたり、光学部品の表面に付着したりして、レーザ発振を妨げる。
【０００６】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、不純物を発生させる恐れのある部品をレーザチャンバ内部に持ち込むことなく、しかも衝撃波が放電空間に与える影響を低減させたパルス発振型ガスレーザ装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、パルス発振型ガスレーザ装置において、内部に封止したレーザガスをパルス放電によって励起し、レーザ光を発振させるレーザチャンバ(12)と、レーザガスのガス温度(T)を検出する温度センサ(38)と、レーザ光の発振周波数(f)を検出するレーザコントローラ(29)と、レーザコントローラ(29)の指令に基づいてレーザガスのガス温度(T)を変化させるガス温度変更手段とを備え、レーザコントローラ(29)は、レーザ発振時のレーザガスのガス温度(T)におけるレーザ光のビームプロファイルが乱れる極大周波数fn(T)を予め測定したレーザガスの所定のガス温度(T0)におけるレーザ光のビームプロファイルが乱れる極大周波数fn(T0)に基づき予測し、極大周波数fn(T)がレーザ光の発振周波数(f)から所定値以上ずれるようにレーザガスのガス温度(T)を変更するようにしている。
これにより、パルス放電の際に、以前に発生した衝撃波を放電空間からずらすことができるので、レーザ光のビームプロファイルの乱れを防止できる。
【０００８】
また本発明によれば、レーザチャンバ内部にレーザガスを冷却する熱交換器を備え、
前記温度変更手段が、熱交換器を流れる冷媒の温度又は流量を変更することによってレーザガスの温度を変更している。
熱交換器は、大出力のパルス発振型ガスレーザ装置には備わっていることが多く、新たな構成をつけ加えることなく、容易にガス温度の変更が可能である。
【０００９】
また本発明によれば、レーザコントローラは、極大周波数をレーザ光の発振周波数から少なくとも５０Ｈz以上ずらすようにしている。
実験より、極大周波数を５０Ｈz以上ずらせば、衝撃波の影響が低減されることがわかっており、確実にレーザ光のビームプロファイルの乱れを防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成図を示している。図１において、エキシマレーザ装置１１は、フッ素を含むレーザガスを封止したレーザチャンバ１２を備えている。レーザチャンバ１２の内部には、対向した一対の放電電極１４，１５と、放電電極１４，１５間にレーザガスを送り込む貫流ファン２４と、放電電極１４，１５間のパルス放電によって熱せられたレーザガスを冷却する熱交換器１３とが設置されている。矢印４７は、レーザガスの流れを示している。
【００１１】
放電電極１４，１５のうち、上側のカソード１５は、絶縁性のカソードベース３６に固定され、カソードベース３６はレーザチャンバ１２に固定されている。また、下側のアノード１４は、レーザチャンバ１２に電気的に接続されたアノードベース４０上に搭載されている。
図示しない高圧電源から、放電電極１４，１５間に高電圧を印加し、放電空間３７にパルス状のパルス放電を起こすことにより、パルス状のレーザ光（図示せず）を発生させている。このレーザ光は、図１中紙面と垂直に出射し、図示しない露光機等に入射して、露光用光となる。
【００１２】
このとき、カソードベース３６の下部には、カソード１５を取り囲むようにして、ヒダ部４２が一体に形成されている。これは、カソード１５とレーザチャンバ１２との間で沿面放電が起きて、パルス放電が不安定になるのを、防止するためのものである。
【００１３】
熱交換器１３には、内部を流れる冷媒３５を冷却するチラー３９が接続されている。チラー３９は、レーザコントローラ２９の指示に基づいて、冷媒３５の設定温度を変更自在となっており、これによってレーザチャンバ１２内部のガス温度を制御できる。
また、レーザチャンバ１２には、温度センサ３８が付設されている。温度センサ３８は、レーザコントローラ２９と電気的に接続されており、レーザコントローラ２９は、温度センサ３８の出力信号に基づいて、レーザチャンバ１２内部のガス温度Ｔを計測できるようになっている。
【００１４】
従来技術の項で説明したように、放電電極１４，１５間でパルス放電を起こした際に、放電空間３７から衝撃波４１が発生する。この衝撃波４１が、アノードベース４０やカソードベース３６等の、放電電極１４，１５近傍の部品に反射して、放電空間３７に戻ってくることにより、放電空間３７のレーザガスの密度分布が乱される。
【００１５】
このとき、貫流ファン２４によって、放電空間３７のレーザガスは、常に入れ替わっている。従って、パルス放電の際に、以前に起きたパルス放電によって発生した衝撃波４１が放電空間３７に届いていなかったり、放電空間３７を通り過ぎてから所定時間経過していた場合には、放電空間３７のレーザガスの乱れは軽減される。
即ち、衝撃波４１の速度Ｖを、速くするか遅くするかすることにより、パルス放電の際に、以前に発生した衝撃波４１が、放電空間３７を通過するか、或いは放電空間３７にまだ届かないようにすることが可能である。
尚、上記の以前に起きたパルス放電とは、直前のものだけではなく、それよりも前に起きたものも含んでいる。
【００１６】
このとき、衝撃波４１の速度Ｖは、ガス温度Ｔの平方根に略比例することが知られている。従って、ガス温度Ｔを変えることによって、衝撃波４１の速度Ｖを変え、衝撃波４１の戻ってくるタイミングをパルス放電からずらすことが可能である。
その結果、衝撃波４１によってビームプロファイルが乱れるのを、防止することができる。
【００１７】
尚、衝撃波４１は、レーザチャンバ１２内部の、放電空間３７からの距離がそれぞれ異なる様々な部位で反射するため、様々なタイミングで放電空間３７に戻ってくる。そのため、すべての衝撃波４１の戻ってくるタイミングを、パルス放電に対してずらすことは困難である。
しかしながら、発明者の実証試験の結果、カソード１５とカソードベース３６との間に生じた溝や、カソードベース３６のヒダ部４２内部で反射した衝撃波４１が、放電空間３７に対して最大の影響を及ぼし、ビームプロファイルが最も大きく乱れることがわかった。これに対して、レーザチャンバ１２の内壁等、放電空間３７から離れた部位で反射した衝撃波４１は、途中で減衰されるために、パルス放電に及ぼす影響は少ない。従って、前記溝やヒダ部４２内部で反射した衝撃波４１の速度Ｖを変化させることにより、ビームプロファイルが乱れるのを、防止することができる。
【００１８】
図２に、ガス温度Ｔを変えることによって衝撃波４１の速度Ｖを変化させ、以前に発生し、ビームプロファイル乱れに大きな影響を及ぼす衝撃波４１が、パルス放電の際に放電空間３７に返ってくるのを防止する手順の一例を、各ステップ番号にＳを付したフローチャートで示す。
【００１９】
まず予め、さまざまな発振周波数ｆでエキシマレーザ装置１１を発振させ、あるガス温度Ｔ０において、どのような発振周波数ｆの際に、ビームプロファイルが乱れるかを測定する（ステップＳ１１）。
これは、温度センサ３８によってガス温度Ｔを測定し、これが略一定値Ｔ０になったところで、レーザ光の発振周波数ｆを変化させていく。そして、その都度ビームプロファイルを測定して、これが大きく乱れる周波数ｆを検出することにより、求められる。
【００２０】
図３に、あるガス温度Ｔ０でエキシマレーザ装置１１を運転した場合の、周波数ｆとビームプロファイルの乱れ具合との関係を示す。横軸が周波数ｆであり、縦軸が、例えば正常な状態のビームプロファイルに比較した、ビームプロファイルの乱れの大きさを示す指標である。このような指標は、例えばビームプロファイルの強度分布について、正常なビームプロファイルに対する相関を取ることによって求めることができる。
【００２１】
図３に示すように、このエキシマレーザ装置１１をガス温度Ｔ０で運転した場合、周波数ｆ１(Ｔ０)，ｆ２(Ｔ０)，ｆ３(Ｔ０)，ｆ４(Ｔ０)……において、最もビームプロファイルの乱れが激しくなっている。このとき、以前のパルス放電で発生した衝撃波４１の反射波のうち、パルス放電への影響が大きい成分が、パルス放電時に、ちょうど放電空間３７に戻ってくるものと推測できる。これらの周波数ｆ１(Ｔ０)，ｆ２(Ｔ０)，ｆ３(Ｔ０)，ｆ４(Ｔ０)……を、極大周波数ｆｎ(Ｔ０)と呼ぶ。
【００２２】
次に、レーザ発振を開始する。（ステップＳ１２）。そして、温度センサ３８によって、ガス温度Ｔ１を測定し（ステップＳ１３）、このガス温度Ｔ１に相当する極大周波数ｆｎ(Ｔ１)を演算によって求める（ステップＳ１４）。
上述したように、衝撃波４１の速度Ｖは、ガス温度Ｔの平方根に略比例する。従って、極大周波数ｆｎ(Ｔ０)，ｆｎ(Ｔ１)もガス温度Ｔ０，Ｔ１の平方根にそれぞれ略比例するため、次の数式１が成り立つ。
ｆｎ(Ｔ１)＝ｆｎ(Ｔ０)・（Ｔ１／Ｔ０）^(1/2) …………（１）
但し、（Ｔ１／Ｔ０）^(1/2)は、（Ｔ１／Ｔ０）の平方根を示すものである。
従って、ステップ１４において、数式１よりガス温度Ｔ１における極大周波数ｆｎ(Ｔ１)を求めることができる。
【００２３】
次に、レーザコントローラ２９は、発振周波数ｆを検出する（ステップＳ１５）。発振周波数ｆは、例えば図示しない露光機からレーザコントローラ２９に指示される場合もあれば、レーザコントローラ２９が設定する場合もある。
そして、この発振周波数ｆを極大周波数ｆｎ(Ｔ１)と比較し（ステップＳ１６）、発振周波数ｆが極大周波数ｆｎ(Ｔ１)に対して、所定値以上離れていれば、ステップＳ１３に戻る。また、ステップＳ１６で、発振周波数ｆと極大周波数ｆｎ(Ｔ１)との差が所定値以下であれば、レーザコントローラ２９はチラー３９に指令を出力して、ガス温度Ｔ１をＴ２に変更する（ステップＳ１７）。
【００２４】
実験により、極大周波数ｆｎ(Ｔ)と発振周波数ｆとの差が５０Ｈz以上であれば、以前に生じた衝撃波４１が、パルス放電の際に放電空間３７の乱れが許容範囲内であるということが判明している。従って、ステップＳ１６における所定値は、例えば５０Ｈzとするか、或いは５０Ｈzよりも大きな値とするのがよい。
【００２５】
また、ステップＳ１７においては、新しいガス温度Ｔ２に対する極大周波数ｆｎ(Ｔ２)が、発振周波数ｆに対して、５０Ｈz以上離れるようにする必要がある。
例えば、ガス温度Ｔが３０３Ｋ（３０゜Ｃ）の場合に、３５００Ｈzのところに極大周波数ｆｎがあるとする。この場合には、ガス温度Ｔを３１１．７Ｋ（３８．７゜Ｃ）にすれば、極大周波数ｆｎを約５０Ｈzシフトさせ、３５５０Ｈzとすることができる。これにより、発振周波数を３５００Ｈzにしても、衝撃波４１が放電空間３７に悪影響を与えることがなく、ビームプロファイルの乱れが少ない。
さらに、ガス温度Ｔ２を上昇させるか下降させるかの選択は、温度Ｔ１と温度Ｔ２との差が、より小さくなるように選択するのがよい。
【００２６】
以上説明したように本発明によれば、衝撃波４１がビームプロファイルに影響を与えそうな発振周波数ｆでレーザ発振を行なう場合に、レーザガスのガス温度Ｔを変更することにより、衝撃波４１の影響を低減している。
これにより、衝撃波４１の速度が変わるために、パルス放電時に衝撃波４１が放電空間３７を乱すことが少なく、ビームプロファイルの乱れも少なくなる。
また、従来技術のようにレーザチャンバ１２内部に多孔体４６を配置する必要がなく、多孔体４６から不純物が発生するようなこともない。尚、多孔体４６をベーキングするなどして、内部の不純物を充分に除去するならば、多孔体４６を設置した上に、本発明のようにガス温度Ｔを制御することにより、より確実に衝撃波４１による放電空間３７のレーザガスの乱れを低減させられる。
【００２７】
尚、レーザガスのガス温度Ｔを変化させるガス温度変更手段としては、チラー３９を例にとって説明したが、例えばレーザチャンバ１２の外側にヒータや冷却器等を接触させ、レーザチャンバ１２を介して、レーザガスを熱したり冷やしたりしてもよい。また、チラー３９の設定温度ではなく、冷媒３５の流量を制御してもよい。
また、上記の説明は、エキシマレーザ装置を例にとって行なったが、フッ素分子レーザ装置等、パルス発振型のガスレーザ装置であれば、同様に応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成図。
【図２】ガス温度を変える手順の一例を示すフローチャート。
【図３】周波数とビームプロファイルの乱れ具合との関係を示すグラフ。
【図４】従来技術に係わるエキシマレーザ装置の構成図。
【符号の説明】
１１：エキシマレーザ装置、１２：レーザチャンバ、１３：熱交換器、１４：アノード、１５：カソード、２４：貫流ファン、２９：レーザコントローラ、３５：冷媒、３６：カソードベース、３７：放電空間、３８：温度センサ、３９：チラー、４０：アノードベース、４１：衝撃波、４２：ヒダ部、４６：多孔体。

Claims

パルス発振型ガスレーザ装置において、
内部に封止したレーザガスをパルス放電によって励起し、レーザ光を発振させるレーザチャンバ(12)と、
レーザガスのガス温度(T)を検出する温度センサ(38)と、
レーザ光の発振周波数(f)を検出するレーザコントローラ(29)と、
レーザコントローラ(29)の指令に基づいてレーザガスのガス温度(T)を変化させるガス温度変更手段とを備え、
レーザコントローラ(29)は、レーザ発振時のレーザガスのガス温度(T)におけるレーザ光のビームプロファイルが乱れる極大周波数fn(T)を予め測定したレーザガスの所定のガス温度(T0)におけるレーザ光のビームプロファイルが乱れる極大周波数fn(T0)に基づき予測し、
極大周波数fn(T)がレーザ光の発振周波数(f)から所定値以上ずれるようにレーザガスのガス温度(T)を変更することを特徴とする、パルス発振型ガスレーザ装置。
請求項１記載のパルス発振型ガスレーザ装置において、
レーザチャンバ(12)内部にレーザガスを冷却する熱交換器(13)を備え、
前記ガス温度変更手段が、熱交換器(13)を流れる冷媒(35)を冷却するチラー(39)であり、
冷媒(35)の温度を変更することによってレーザガスのガス温度(T)を変更することを特徴とする、パルス発振型ガスレーザ装置。
請求項１記載のパルス発振型ガスレーザ装置において、
レーザチャンバ(12)内部にレーザガスを冷却する熱交換器(13)を備え、
前記ガス温度変更手段が、熱交換器(13)を流れる冷媒(35)の流量を変更することによってレーザガスのガス温度(T)を変更することを特徴とする、パルス発振型ガスレーザ装置。
請求項１〜３のいずれかに記載のパルス発振型ガスレーザ装置において、レーザコントローラ(29)は、極大周波数fn(T)をレーザ光の発振周波数(f)から少なくとも５０Ｈz以上ずらすようにしたことを特徴とする、パルス発振型ガスレーザ装置。