JPH04101475A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、材料加工、投影露光用等の光源に用いる放電
励起型のレーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

放電励起型のレーザ装置はマーキング、切断、溶接なと
の材料加工に用いられるほか人規模集積四８（ＬＳＩ）
の回路パターンの製作のため光りソグラフィ用光源とし
て用いられる。

飼料加工用としてはＣＯ２、エキシマレーザなとか用い
られる。また光りソグラフィには主に縮小投影法か使わ
れており、この縮小投影法では照明光源により照らされ
た原画（レチクル）パタンの透過光を縮小投影光学系に
より２１′導体基板上の光感光性物質に投影して回路パ
ターンを形成する。この投影像の分解能は用いられる光
源の波長で制限される。そこで、分解能を向」ニさせる
ため光源の波長は可視領域から紫外領域へと近年次第に
短波長化してきている。従来、紫外領域の光源として高
圧水銀ランプから発生ずるｇ線（波長４６３ｎｍ）、ｉ
線（波長３６５　ｎ　ｍ）か使用されていた。しかし最
小パターンの線幅が６４ＭＢで要求される０、２５μｍ
以下となると、１線ですでに短波長化としてはそろそろ
限界に来ている。

この技術的限界を解決するものとして深紫外（Ｄｅｅｐ
　　Ｕｌｔｒａ　　Ｖｉｏｌｅｔ；以下Ｄｅｅｐ−ＵＶ
という）レー→ノ゛光源か有望視されている。

特にエキシマレーザは高出力、高効率であり、媒質ガス
の川底によりＫｒＦ（波長２４６　ｎ　ｍ）、ＡｒＦ　
（波長１９３ｎｍ）などの短波長で強い発振を得ること
ができる。」１記Ｄｅｅｐ−ＵＶ領域ては縮小投影レン
ズ系を構成するガラス、結品祠料が非常に制約されるた
め水銀ランプを用いた縮小投影レンズ系で用いられてき
た色収差補１１゛が困難となる。そこで、レンズ系を色
収差補正する替りにレーザ共振器内にエタロン等の波長
選択素子を配設し、出力光のスペクトル幅をレンズ＋４
の色収差が無視できる程度まで小さくすることにしてい
る。この方法で自然発振の場合にスペクトル幅で数ｎｍ
あった出力を数ｐｍまで細く狭帯域化することができる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

こうした狭帯域エキシマレーザは放電励起型のレーザ装
置であり、第８図に示すようにレーザチャンバ１内にＫ
ｒＦ等のレーザガスを満たして、このレーザガスをレー
ザチャンバ１の長手方向に沿って上下に配設された電極
６．７によって放電、励起してレーザ発振を行う。図面
において破線で囲まれた部分］１は放電励起領域である
。放電に伴い電極６．７の対向面６ａ、７ａが消耗し、
放電幅ＷＡが変化する。それとともに出力レーザ光４の
ビーム幅が変化する。これはビーム幅の安定化という点
て問題となる。なお、同図において同図（ｂ）は同図（
ａ）のＣ−Ｃ断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の縦断面
図である。加工用として使用する場合、このレー→ノ”
のビーム幅の変化は措モトを劣化させ、ビームの集光性
を変化させたり、出力の変化を引き起こし、実用上問題
となる。特に光リソグラフイ用の光源として使う場合に
はこのビーム幅の変化は狭帯域エキシマレーザの実用化
」−以下のような不都合を招来する。

すなわち、狭帯域化に用いる波長選択素子は角度分散特
性を持つことはよく知られている。たとえば波長選択素
子として回折格子（グレーティング）を使った場合はス
ペクトル幅を小さくするため高い次数の回折を用いるた
め、動作点での角度分散が大きくレーザの発散角がその
ままスペクトル幅に影響を及はず。ずなわち発散角が大
きいとスペクトル幅も広がってしまうという性質を持つ
。

したがって放電幅が変化し、利得領域が変化した場合レ
ーザ光のビームダイバージェンスが変化するためにスペ
クトル幅も大きく変化する。この変動を回避するために
従来アパーチュア８（第８図（ａ））を配設し、利得幅
の安定化を図るようにしていた。しかし、従来使用され
ていたいわゆるＣｈａｎｇ型電極等では電極消耗時に出
力を増加する際に不可避的に放電幅が大きく増加するた
めアパーチュア８による利得制限は出力の制御を困難と
していた。

ここで放電幅が広がるメカニズムについて説明する。な
お、以下、図面は電極は第８図（ｂ）のＣ−Ｃ断面で表
すものとする。放電現象を説明する巨視的現象論として
はタウンゼント理論が知られており、放電現象を理解す
る上で有用である。

この理論によればエキシマレーザに用いられるハロゲン
ガスを含む気体は負性ガスと呼ばれ、ハロゲンの大きな
電子親和力により放電中の電子の衝突電離（電離係数：
α）で生成された電子を捕捉しく電子（＝１着係数：η
）、見掛」二の電離係数（αη）を小さくし、放電を集
中させやすくしている。これらの各係数と電界強度Ｅの
関係を第９図に示す。なおＰは規格化のための定数であ
る。

第９図から明らかなように電離係数αは電界強度Ｅに強
く依存して、電子（−１着係数ηはほとんど電界強度Ｅ
に依存しないため見掛上の電離係数（α−η）はある電
界強度Ｅ以」−で急激に大きくなり、電界強度Ｅに大き
く依存する。ずなわぢ、電極の表面上の電界強度分布に
応じて放電を駆動するパラメータ（α−η）が変化する
ため放電幅が電極表面での電界強度分布の影響を大きく
受ける。このため、放電幅を確保するためには放電励起
型のレーザ装置の電極形状として電極幅方向に均一とな
る電界強度領域を、大きくとれる形状にする必要がある
。従来は理想的な条件における電界１算の解析対をもと
にＣｈａｎｇ、変形Ｃｈａｎｇ型電極などの形状が採用
されてきた。

ここで第１０図（ａ）にＣｈａｎｇ型電極の場合の電界
１算の電位分布を示す。同図（ａ）においてＬ］・・は
等電位線である。図から負高圧電位にあるカソード（上
側電極）６とアノード（下側電極）７の間の電位分布は
アノード７の載った金属板と、電流の戻し配線］−〇お
よび絶縁部祠９により大きく曲げられていることかわか
る。すなわち、実際の構成ではこうした配線や絶縁のた
め電界は理想的なＣｈａｎｇ型電界からずれていること
がわかる。

第１．０図（ｂ）にカソード電極６近傍の等電界強度線
Ｌ２・を、同図（Ｃ）にカソード電極６の表面に沿った
電界強度分布を示す。同図（ｂ）から明らかに電極６の
表面の電界強度は、電極中心点Ａから］／３程度右方向
に離間した領域では等電界強度線との交わりが少なくこ
の領域内で均一電界の部分か形成されているのがわかる
。同図（Ｃ）のラインＬ３に示すように電極中心点（Ａ
点）から電極右端点（Ｂ点）に行くにしたがって電界強
度は最初非常に緩やかに上昇し、端点に近づくにつれて
急激に上昇する様子がわかる。また同図（ｄ）にアノー
ド電極７近傍の等電界強度線Ｌ４　を示し、同図（ｅ）
にアノード電極表面に沿った電界強度の変化を示す。中
心点の電界強度をＥ。とする。これら図に示すように電
極中心点（Ａ点）から最初の約４　ｍｍの区間では電界
強度か均一であり、その後電極の右端点（Ｂ点）に行く
につれて緩やかに弱くなり１．２　ｍｍはと離れた後急
激に弱くなる様子かわかる（ラインＬ４、Ｌ５参照）。

これは前述のカソード６の場合とは逆の傾向になってい
る。放電は電極中央部で発生しているが、放電の幅を制
限している要因は中央部で電界強度が大きくなっている
アノード７側であると考えられる。

放電を開始してからＩ　Ｘ　１０８シヨツト後に消耗し
た電極中央部における電極の形状を測定し、この形状測
定データを用いて消耗した電極中央部における電界強度
分布をシミュレーション解析の手法により計算した。こ
のシミュレーション結果を横軸を電極中心点Ａからの右
方向離間距離、縦軸を中心点Ａの電界強度Ｅ。に対する
電界強度Ｅの変化率へＥ　／　Ｅ　ｏとして第１１図に
示す。同図（ａ）はカソード６を、同図（ｂ）はアノー
ド７を示ず。白丸印は放電開始前を、黒丸印は１×１０
８ンヨット後を示している。これら図からも明らかなよ
うにＩ　Ｘ　１０８ショット後では消耗が進行してスタ
ート時よりも中央部分において均一電界部分が広がって
いる。この均一電界部分の幅は観測されたビーム幅とほ
ぼ対応している。これは強電界である均一電界部分に電
流か集中し消耗か進み、結果的に広い均一電界部分が形
成されたものと考えられる。このように従来の電極では
レーザ装置の運転が開始されると時間の経過とともに電
極が消耗して、均一電界部分か拡大されこれに応じて出
力レーザ光のビーム幅が変動してしまうことになる。こ
れは放電幅が電極の幅よりも小さいことに起因している
。

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、電
極消耗によるビーム幅の変動を少なくすることかできる
レーザ装置を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明では、レーサチャンハの長手方向に沿って
上下に対向して配設された２つの電極間で放電を行い、
前記レーザチャンバ内のレーザガスを励起してレーザ光
を発生させるレーザ装置において、前記２つの電極のう
ち少なくとも一方の電極の幅を放電幅と略一致させるよ
うにしている。

〔作用〕

すなわち、かかる構成によればｈ′ｉ、型幅が電極幅の
大きさて規定される一定幅となる。このため出力レーザ
光のビーム幅が一定となり、レーザ装置が安定して運転
される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ装置の実施例
について説明する。実施例ではレーザ装置として狭帯域
発振エキシマレーザを想定している。実施例装置は先に
第８図に示したものと基本的には同一構成のものであり
、電極６．７の替りに後述する電極１２．１３を用いて
いる。レーザチャンバ１内にはＫ　ｒ　Ｆ等のレーザカ
スがｌ＋Ｙｊたされていて、このレーザガスをレーザチ
ャンバ１の長手方向に沿って」−下に配設された電極］
２（カソード電極）、電極１３（アノード電極）によっ
て放電、励起してレーザ発振を行う。レーザ光は１ル −ザチャンバ］とフロントミラー２と波長選択素子であ
るグレーティング５とて構成された光共振器で共振され
、フロントミラー２から６効なレーザ光４として出力さ
れる。グレーティング゛５は発振光を狭帯域化するとと
もにリアミラーとして機能するものであり、いわゆるり
ドロー配置をとっている。図面において破線で囲まれた
部分１１は放電励起領域であり、８はアパーチュア、９
は絶縁部材、１０はアノード電流戻り配線である。

ＷＡは放電幅を示す。電極１３はレーザチャンバ１の長
手方向に垂直な断面、つまり横断面の外部ラインのうち
、電極］２に対向するラインを楕円状にしたことを特徴
としている。電極１２．１３の横断面は左右対称であり
、したがってレーザ装置運転中の電位分布は横断面中心
軸に関して左右対称である。そこて電極１２、］゛３の
右側部分のみを代表させて電位分布を第１図に示す。

同図において」二側は半径１−３　ｍｍの円弧状の対向
面１２　ａを持つカソード電極１２てあり、下側は電極
幅が８　ｍｍで、グ・Ｊ白面１３ａが」二連するように
楕円状に形成されたアノード電極１Ｂである。この実施
例ではアノード電極１３の横幅は楕円の長径の長さと一
致し、かつ断面中心軸か楕円の短径軸と一致するように
形成されている。これらカッド電極］２とアノード電極
１３の電極間隔は２５　ｍｍであるものとする。ずなわ
ぢ、電極の幅は電極間隔以下となっている。

同図（ａ）はアノード電極１３の対向面１３ａの楕円の
短長径比（ｒ−短径／長径）がｒ＝１の場合、つまり対
向面１３　ａが円弧の場合のシミュレーション解析結果
である。また同図（ｂ）は短長径７比ｒ＝２の場合、同
図（Ｃ）は短長径比ｒ＝４の場合のシミュレーション解
析結果である。なお、以下第５図までの図面において（
ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ短長径比ｒ−１，
２および４の各場合をそれぞれ示すものとする。全体の
等電位線の傾向は第１０図（ａ）に示す従来のものと似
ているが、アノード］３近傍の等電位線が棒状の電極に
より押し」二げられ電極上端部分（中心軸部分）での電
位傾度か大きくなっている。この様子はアノ−１＜’　
１　Ｂ　（＝１近を拡大した第２図でよくわかる。

また第３図は電界強度分布図を、第４図はアット電極１
３近傍の電界強度分布の詳細を、第５図は電極１３表面
における電界強度Ｅの変化の様子をそれぞれ示す。これ
ら図から明らかに（ａ）の真円の場合には電極上端部分
（中心部分）で電界強度が大きく右端に行くに従い急激
に弱くなって尖った分布になっている。（ｂ）の楕円（
短長径比１：２）の場合には」二端部てやや窪みを持ち
平坦な均−電界強度幅が約６　ｍｍの電界分布になって
いる。さらに上端部の電界強度の絶対値をみると（ａ）
、（ｂ）、（ｃ）の順で強く、楕円形状が偏平になるに
したがって中央の電界強度は小さくなり、均一電界強度
領域の肩の部分の電界が逆に強くなるのがわかる。

今、仮にレーザ装置の運転を開始すべくオペレタが操作
スイッチをオン側に投入して、（ｂ）の楕円（短長径比
１：２）の状態から放電が始まったものとする。電界が
かなり均一で、放電ははほ電極］３の楕円部分１３ａ全
面にわたり広がっているため電極１３の消耗は電極楕円
部分１３ａ全而にイったり同時に進行する。第５図（ｂ
）かられかるように中央の電界の強い部分に局所的に放
電電流がより多く流れるためこの部分がより早く消耗す
る。やがて（ｃ）の状態に近づき中心点Ａイ：ｊ近の電
界か弱くなり消耗が少なくなる。今度はＩＩ央円周辺部
の電界か強まり、電界の強いこの周辺部りに放電電流が
より多く流れ、より早く消耗する。こうし７て再び（ｂ
）の状態に戻る。こうして（ｌ〕）、（Ｃ）の間のある
安定な形状に放電部形状が落ち着くこととなる。こうし
た一種の負のフィードバック機構による自己形状維持機
構が働くため均一電界の領域を一定に維持しつつ放電幅
ＷＡを変化させることなく長期間安定に運転させること
か可能となる。以」−のことはシミ、レーンヨン結果よ
り明らかになった。

一方、実験的には短長径比ｒか小さいと電界強度Ｅが電
極中心点Ａ近傍で強く、中央部周辺に行くに従い急激に
弱くなるため放電は中央の狭い領］５ 域に集まる。一方、短長径比ｒを増やし過ぎると中央周
辺部での電界強度Ｅが増加し、放電は電極の周辺部分に
集中しやすくなる。すなわち短長径比ｒには放電が局所
的に集中しないある最適値が存在する。実験の場合には
短長径比ｒ＝２としたときに電極］３の対向面１．３　
ａのほぼ全域において電界強度が一定となり、電極幅の
長さとほぼ同し長さの放電幅ＷＡを得ることができた。

このように最適な短長径比で電極１３の対向面１３　ａ
が形成されて、レーサ運転が行われると、放電はほぼ電
極構内部分１．３　ａ全面にわたり広がり消耗は電極構
内部分１３　ａ全面にわたり同時に進行する。

たとえ局所的に電界の強い部分があったとしてもそこに
放電電流がより多く流れ、そこがより早く消耗する。や
がてその部分の電界が弱くなり消耗が少なくなる一種の
負のフィードバック機構が働く。このため長期間均一電
界領域が一定となり放電幅が変化しない安定した運転を
行うことが可能となった。こうした実験結果は上記シミ
ュレーション結果とほぼよい一致を示している。

］　に の実施例では短長径比ｒ＝２で電極構内部分１、３　ａ
全面において一定の電界強度を得て、電極幅と同じ大き
さの放電幅ＷＡを得るようにしたが、この最適値の値は
全体の電極の幅、電極間間隔、幾何学的な配置、絶縁部
の誘電率、放電媒質ガスの性質で変化するため、状況に
応して最適値を求める必要かある。

実施例ではＪ１側のアノード電極１３のめについて電極
幅と同じ大きさの放電幅ＷＡを得るようにしたが、第６
図に示すように両側の電極１２′１３′について電極幅
と同し大きさの放電幅ＷＡを得る実施も可能であり、実
施例と同等の効果が得られる。

実施例では対向面を楕円形状としているか本発明はこれ
に限定されることなく、楕円形状以外であっても対向面
上における電界強度分布が均一にできればよい。−例と
して第７図（ａ）の電極１４のように対向面１４　ａが
円弧と直線を組み合わせたものであってもよく、また同
図（ｂ）の電極］５のように、対向面１５　ａが楕円と
直線を糾み］７ 合わせたものであってもよい。さらには対向面をスムー
スな関数系の曲線で形成するようにしてもよい。これら
の場合には直線と直線、または曲線と直線が接続する部
分でそれらをスムースにつなげば電界集中が起こり難く
なり、沿面放電や不要放電の発生を防止することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば放電励起型のレーザ
装置を長期間にわたり放電幅を変化させることなく安定
して運転することが可能となる。

したがって飼料加工に本し−サ装置を使用すれば、長期
にわたり安定で、ビーム幅、横モードの変化のない安定
な飼料加上が可能であり、実用上きわめて有用である。

また木し−→ノ”装置の共振器内部あるいはその一部に
波長選択素子を用いることてスペクトル幅の変動が極、
めで小さい狭帯域発振レサを実現することができ、従来
レーサリソグラフィの課題となっていた発振スペクトル
幅の長期間安定化を可能とし実用上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ装置の実施例装置で使用さ
れる電極の近辺における等電位線の分布の様子を示す図
、第２図は第１図に示すアノード電極近傍の等電位線の
分布の様子を示す図、第３図は実施例装置の電界強度の
分布の様子を示す図、第４図は第３図に示すアノード電
極近傍の電界強度の分布の様子を示す図、第５図は第４
図に示すアノード電極の対向面における電界強度の変化
の様子を示す図、第６図および第７図は他の実施例にお
ける電極の形状を示す図、第８図は従来のレーザ装置の
全体構成を示す図、第９図はエキシマレーサガス放電中
の電離係数、付着係数、見掛けの電離係数の電界強度依
存性を示すグラフ、第１０図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）および（ｅ）はそれぞれ従来技術における電極を
用いた場合の画電極近傍の電位分布、カソード電極近傍
における電界強度分布、カソード電極の対向面における
電界強度の変化、アノード電極近傍における電界強度分
布、アノード電極の対向面における電界強度の変化を示
す図、第１１図は従来技術の電極を用いた場合のレーサ
運転前後における電極表面の電界強度の変化率を示すグ
ラフである。 トレーザチャンハ、２・・・フロントミラー　４・・・
レーザ光、５・・・クレーティング、１２・・カソード
電極、］３・・・アノード電極。 ヌ 一碕傭町口 ［株］暗可属田 ＃ 談 替鰺距ピロ 区 トー 培

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザチャンバの長手方向に沿って上下に対向し
   て配設された２つの電極間で放電を行い、前記レーザチ
   ャンバ内のレーザガスを励起してレーザ光を発生させる
   レーザ装置において、 前記２つの電極のうち少なくとも一方の電極の幅を放電
   幅と略一致させるようにしたことを特徴とするレーザ装
   置。
2. （２）前記少なくとも一方の電極の幅が長径の長さと一
   致し、かつ前記少なくとも一方の電極の前記レーザチャ
   ンバの長手方向に垂直な断面における鉛直中心軸が短径
   軸と一致するように前記断面の外部ラインのうち前記他
   方の電極に対向する外部ラインを楕円状に形成したもの
   である請求項（１）記載のレーザ装置。
3. （３）前記楕円の長径の長さと短径の長さの比を１から
   ４の範囲にしたものである請求項（２）記載のレーザ装
   置。
4. （４）前記電極の幅を前記２つの電極間の距離以下にし
   たものである請求項（１）記載のレーザ装置。
5. （５）前記レーザ装置は波長選択素子を有した光共振器
   が設けられ、該光共振器によって前記レーザ光の発振波
   長を狭帯域化する狭帯域発振レーザ装置である請求項（
   １）記載のレーザ装置。