KR20010030403A

KR20010030403A - 자외선을 방출하는 가스 레이저장치

Info

Publication number: KR20010030403A
Application number: KR1020000054244A
Authority: KR
Inventors: 가키자키고지; 사이토다카시; 와타나베히데노리
Original assignee: 다나카 아키히로; 가부시키가이샤 우시오소고기쥬츠 겐큐쇼; 니시가키 코지; 니폰덴키 가부시키가이샤
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2001-04-16
Also published as: JP2001156367A; EP1085623A2; US6847670B1; EP1085623A3; EP1085623B1; JP3552979B2

Abstract

본 발명은, 높은 반복 및 발진 동작의 자외선을 방출하는 가스 레이저장치에 있어서, 발진 펄스 폭을 긴 펄스화하기 위한 것으로서, 자기펄스압축회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버 내에 배치된 한 쌍의 레이저 방전 전극을 갖는 자외선을 방출하는 가스 레이저장치에 있어서, 방전 전극 사이를 흐르는 진동 전류의 주기를 짧게 하면서, 전류의 피크치가 크게 되도록 회로 정수를 정하는 것에 의해, 진동전류 최초의 1/2 주기와 이에 계속되는 적어도 하나의 1/2 주기에 있어서도, 레이저 가스의 여기(勵起)를 행하고, 레이저 발진 동작을 지속시키는 것에 의해 긴 펄스화를 가능하게 하는 데에 있다.

Description

자외선을 방출하는 가스 레이저장치{GAS LASER APPARATUS EMITTING ULTRAVIOLET RADIATION}

본 발명은, 자외선을 방출하는 가스레이저에 관한 것으로서, 특히, KrF 엑시머 레이저장치, ArF 엑시머 레이저장치 및 불소 레이저장치에 관한 것이다.

반도체 집적회로의 미세화, 고집적화에 의해, 그 제조용의 투영노광장치에 있어서는 해상력의 향상이 요청되고 있다. 이 때문에, 노광용 광원으로부터 방출되는 노광광(露光光)의 단파장화가 진행되고 있고, 차세대의 반도체 노광용 광원으로서, 파장이 248 nm의 KrF 엑시머레이저장치, 파장이 193 nm의 ArF 엑시머레이저장치 및 파장이 157 nm 의 불소장치 등의 자외선을 방출하는 가스 레이저장치가 유력하다.

KrF 엑시머 레이저장치에 있어서는, 불소(F₂)가스, 크립톤(Kr)가스 및 버퍼가스로서 네온(Ne) 등의 희가스(rare gas)로 이루어지는 혼합가스, 혹은 ArF 엑시머 레이저장치에 있어서, 불소(F₂)가스, 크립톤(Kr)가스 및 버퍼가스로서 헬륨(He) 등의 희가스로 이루어지는 혼합가스인 레이저가스가 수백 kPa 에서 봉입된 레이저 챔버의 내부에서 방전을 발생시키는 것에 의해, 레이저 매질인 레이저 가스가 여기(勵起)된다.

이들 가스 레이저장치는, 발진 펄스 폭(T_is)이 길어도 20 ns 정도이기 때문에, 출력광의 피크 파워가 크고, 또 단파장이기 때문에 광자에너지가 높다고 하는 특징이 있다. 이 때문에, 종래의 노광용 광원인 수은 램프에 의해 2광자 흡수의 발생 확률이 크고, 투영노광장치의 광학소자에 컴팩션(compaction, 굴절률 상승) 등의 손상이 발생하고, 투영 노광장치의 성능 저하를 초래한다는 문제가 발생한다. 여기서, 발진 펄스 폭(T_is)은 이하의 식으로 정의된다.

단, P(t)는 시간(t)에 의존한 레이저 강도이다.

따라서, 상기와 같은 문제를 회피하기 위해, 1 펄스의 에너지를 변화시키지 않고, 발진 펄스 폭을 길게(긴 펄스화)하여, 출력광의 피크 파워를 저감하는 것이 요구되고 있고, 예컨대, 30 ns 이상의 펄스 폭이 요구되고 있다.

이와 같은 가스 레이저장치의 긴 펄스화를 실현하기 위한 여기회로에 관해서는, 현재까지 특별한 제안이 없다. 그러나, 레이저 매질이 다른 엑시머 레이저장치의 긴 펄스화에 관해서는, 종래 몇가지의 제안이 되고 있다. 일반적으로, 엑시머 레이저장치에 있어서는, 주전극간을 흐르는 방전전류는 진동전류이고, 도 8에 파형도를 도시한 바와 같이, 진동전류의 최초의 1/2 주기가 레이저 발진에 기여하는 것이 알려져 있다(마에다미츠오 편저 「엑시머 레이저」 제64 페이지 (주)학회출판센터 1983년 8월 20일 초판).

종래의 기술은, 긴 펄스화를 위해서, 상기 최초의 1/2 주기의 펄스 폭을 넓게 하는 것을 의도하고 있다. 예컨대, 일본국 특개소62-2683 호에 있어서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, XeCl 엑시머 레이저장치의 여기회로에 있어서, 주방전전극의 한 쪽에 인덕턴스(L_a)를 부가하는 예가 개시되어 있다. 또, 「레이저 연구」제15권 제7호, 제63-72 페이지에는, XeCl 엑시머 레이저장치의 여기회로에 있어서, PFN(Pulse Forming Network) 회로를 적용하는 예가 개시되어 있다.

KrF 엑시머 레이저장치, ArF 엑시머 레이저장치, 불소 레이저장치에 있어서도, 상기 종래의 기술을 적용하면, 레이저장치에서 방출되는 발진펄스레이저광의 긴 펄스화를 실현하는 것이 가능하다고 생각된다.

현재, 반도체 제조용의 노광처리의 작업처리량(throughput) 향상의 견지에서, 노광용 에너지 레이저장치에는 2kHz 이상의 높은 반복 발진 동작이 요청되기 시작하고 있다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 주방전회로에 인덕턴스가 부가되고 있는 종래의 기술에 있어서는, 이와 같은 높은 반복 발진 동작에서 긴 펄스화를 실현한다고 하면, 레이저 발진 효율이 극히 나빠지게 되고, 실제로 실현하는 것이 곤란하다.

본 발명은 종래 기술의 이러한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은, 높은 반복 발진 동작의 KrF 엑시머 레이저장치, ArF 엑시머 레이저장치 및 불소 레이저장치 등의 자외선을 방출하는 가스 레이저장치에 있어서, 발진 펄스 폭을 긴 펄스화하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자외선을 방출하는 가스 레이저장치는, 자기 펄스 압축 회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버 내에 배치된 한 쌍의 레이저 방전 전극을 갖는 자외선을 방출하는 가스 레이저장치에 있어서, 극성이 반전하는 1 펄스의 방전 진동 전류 파형의 최초의 반주기와, 이에 계속하는 적어도 하나의 반주기에 의해 레이저 발진동작을 하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

그 자외선을 방출하는 가스 레이저장치는 ArF 엑시머 레이저장치인 경우, 그 자기펄스압축회로는, 제1의 자기스위치와 제1의 콘덴서로 이루어지는 직렬회로의 양단에 제2의 콘덴서가 접속되고, 제1의 자기스위치와 제2의 콘덴서와의 접속점에 제2의 자기스위치의 일단이 접속되고, 제2의 자기스위치의 타단과 제2의 콘덴서의 타단이 출력단을 구성하고 있고, 제2의 콘덴서의 용량이 12 내지 16 nF, 상기 출력단 사이에 한 쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 레이저장치의 피킹 콘덴서의 용량이 10 내지 16 nF, 피킹 콘덴서와 한 쌍의 레이저 방전전극이 형성하는 회로 루프의 인덕턴스가 5 내지 8 nH, 한 쌍의 레이저 방전전극간 거리가 15 내지 20 mm, 레이저 챔버 내의 불소분압이 레이저가스의 전압의 0.12% 미만일 때, 한 쌍의 레이저 방전전극간에 인가되는 전압의 브레이크다운(breakdown)이 발생할 때까지의 상승 시간이 80 ns 이하인 것을 특징으로 한다.

또, 한 쌍의 레이저 방전전극간에 브레이크다운이 발생하는 때의 전압이 18 내지 28 kV 이고, 그 전압의 상승 시간이 40 ns 이상인 것이 바람직하다.

이상과 같이, 극성이 반전하는 1 펄스의 방전진동전류파형의 초기의 반주기와, 이에 계속하는 적어도 하나의 반주기에 의해 레이저 발진 동작을 하도록 구성하는 것에 의해, 반복 주파수 2kHz 이상, 발진 펄스 폭 30 ns 이상의 높은 반복 및 긴 펄스화 KrF 엑시머 레이저장치, ArF 엑시머 레이저장치 및 불소 레이저장치를 실현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 부분적으로 자명하고 부분적으로 명세서로부터 명백해진다.

본 발명은 따라서 구조의 특징, 부재의 결합, 및 이후 기술하는 구조를 예시하는 부품의 배열을 포함하며, 본 발명의 범위는 클레임에 지시된다.

도 1은 본 발명의 ArF 엑시머 레이저장치의 원리를 설명하기 위한 파형도,

도 2는 본 발명을 적용하는 ArF 엑시머 레이저장치의 일례의 레이저 발진방향에 수직한 단면도,

도 3은 본 발명에 기초한 일례의 여기회로를 도시하는 회로도,

도 4는 도 3의 여기회로의 각 콘덴서 위치에 발생하는 전압 파형의 일례를 도시하는 도면,

도 5는 브레이크다운(breakdown) 전압까지의 상승 시간에 대한 레이저 펄스 폭과 레이저 출력 엑시머의 관계를 조사한 결과를 도시하는 도면,

도 6은 상승 시간의 정의를 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명에 기초한 일 실시예의 방전전극간 전압과 방전전극간에 흐르는 전류와 레이저 출력광파형을 도시하는 도면,

도 8은 종래의 엑시머 레이저장치에 있어서 방전전류와 레이저광 강도를 도시하는 도면.

도 9는 종래의 긴 펄스화를 위한 엑시머 레이저장치의 여기회로를 도시하는 회로도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 레이저 공동 2 : 레이저가스

2' : 레이저가스흐름 3, 4 : 주방전전극

6 : 자외선 10 : 코로나 예비 전리부

11 : 제1 전극 12 : 유도체 튜브

13 : 제2 전극 13' : 엣지

SL0 : 고체 스위치 보호용 자기스위치

SL1 : 제1의 자기스위치 SL2 : 제2의 자기스위치

HV : 고전압전원 L1 : 임피던스

SW : 고체 스위치 C0 : 주콘덴서

Cp : 픽킹 콘덴서

이하, 본 발명의 원리와 그 실시예에 관해서, 도면을 기초로 설명한다.

본 발명자등은, 종래와 완전히 다른 접근 방법에 의해, ArF 엑시머 레이저장치의 높은 반복 및 긴 펄스화를 실현하는 것에 성공했다. 우선, 이하에 그 원리를 설명한다.

발명자들은, 예의 검토한 결과, 방전전극간을 흐르는 진동전류의 주기를 짧게하면서, 전류의 피크치가 크게 되도록 회로 정수를 정하는 것에 의해, 긴 펄스화를 실현하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.

즉, 상기한 바와 같이, 종래는, 진동전류의 최초의 1/2 주기만이 레이저 발진에 기여한다고 생각하였지만, 실제, 진동전류의 최초의 1/2주기 이후의 기간에 있어서는 레이저 발진동작을 행하고 있지 않지만, 도 1에 파형도를 도시하는 바와 같이, 방전전극간을 흐르는 진동전류의 주기를 짧게 하면서, 전류의 피크치가 크게 되도록 회로정수를 정하는 것에 의해(구체적인 회로구성, 회로정수는 후술한다.), 진동전류의 최초의 1/2 주기와 이에 계속하는 적어도 하나의 1/2 주기에 있어서도, 레이저 가스의 여기를 행하여, 레이저발진동작을 지속시키는 것에 의해 긴 펄스화가 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 ArF 엑시머 레이저장치와 그 여기회로의 구체예를 도시한다.

도 2는 ArF 엑시머 레이저장치의 레이저 발진 방향에 수직한 단면도이고, 레이저 공동(1) 내에 레이저가스(2)(Ar 가스, F₂가스 및 Ne 가스의 혼합가스)가 채워져 있고, 그 레이저가스(2)를 여기하기 위한 주방전전극(3, 4)이 레이저 발진방향에 수직한 방향으로 대향 배치되어 있다. 이 대향하는 주방전전극(3, 4) 사이에 가스흐름(2')을 형성하도록 팬(도시 생략)에 의해 레이저가스(2)가 순환되고 있다. 한 쪽의 주방전전극(4)을 따라 평행하게 레이저가스(2)의 흐름(2')의 상류와 하류에 코로나 예비전리부(10)가 배치되어 있고, 주방전전극(3, 4) 사이에 주방전을 발생하는 펄스 전압이 가해지기 직전에 코로나 방전 동작을 하여, 자외선(6)을 주방전전극(3, 4) 사이의 레이저 가스(2)에 조사하여 약전리시켜, 주방전전극(3, 4)에 의한 여기를 촉진시킨다.

이 예에 있어서, 코로나 예비 전리부(10)는, 제1 전극(11)이 고순도 알루미나 세라믹 등의 유도체 물질제의 단측개방의 튜브(12) 내에 원주 형상 전극을 삽입하여 구성되고, 제2 전극(13)이 사각 판 형상체의 전극으로 구성되고, 제2 전극(13)의 판 형상체는 그 하나의 직선상의 엣지(13') 근방에서 굴곡되어 있고, 그 엣지(13')에 있어서 제1 전극(11)의 유도체 튜브(12)의 외면에 평행하게 선접촉하고 있다. 그리고, 제2 전극(13)은 사각 판 형상체의 적어도 엣지(13') 이외의 부분에 복수의 개구를 설치하게 되는 것이다. 또, 제2 전극(13)의 엣지(13')의 제1 전극(11) 주변의 유도체 튜브(12)의 외면으로의 접촉 위치는, 주방전전극(3, 4) 사이의 레이저 여기(勵起) 공간을 볼 수 있는 위치에 설정되어 있다.

이와 같은 ArF 엑시머 레이저장치의 주방전전극(3, 4) 사이에 도 3에 도시하는 바와 같이 여기회로에 의해 주방전전압이, 또, 코로나 예비전리부(10)의 전극(11, 13) 사이에 예비 방전전압이 인가된다.

도 3의 여기회로는, 가포화 리액터(reactor)로 이루어진 3개의 자기스위치(SL0, SL1, SL2)를 이용한 2단의 자기 펄스 압축회로로 구성되어 있다. 자기스위치(SL0)는 고체 스위치(SW) 보호용의 것으로, 제1의 자기스위치(SL1)와 제2의 자기스위치(SL2)에 의해 2단의 자기 펄스 압축회로를 구성하고 있다.

도 3을 참조로 회로의 구성과 동작을 이하에 설명한다. 먼저, 고전압전원(HV)의 전압이 소정의 값으로 조정되어, 자기스위치(SL0), 인덕턴스(L1)를 통해 주 콘덴서(C0)가 충전된다. 이 때, 고체 스위치(SW)는 오프되어 있다. 주 콘덴서(C0)의 충전이 완료되고, 고체 스위치(SW)가 온될 때, 고체 스위치(SW) 양단에 걸리는 전압은 자기스위치(SL0)의 양단에 걸리도록 전달되고, 고체 스위치(SW)를 보호한다. 자기스위치(SL0)의 양단에 걸리는 주 콘덴서(C0)의 충전 전압(V0)의 시간 적분치가 자기스위치(SL0)의 특성을 결정하는 한계치에 도달하면, 자기스위치(SL0)가 포화하여 자기스위치가 들어가고, 주 콘덴서(C0), 자기스위치(SL0), 고체스위치(SW), 콘덴서(C1)의 루프에 전류가 흘러, 주 콘덴서(C0)에 저장된 전하가 이행하여 콘덴서(C1)에 충전된다.

그 후, 콘덴서(C1)에서 전압(V1)의 시간적분치가 자기스위치(SL1)의 특성을 결정하는 한계치에 도달하면, 자기스위치(SL1)가 포화하여 자기스위치가 들어가고, 콘덴서(C1), 콘덴서(C2), 자기스위치(SL2)의 루프에 전류가 흘러, 콘덴서(C1)에 저장된 전하가 이행하여 콘덴서(C1)에 충전된다.

또한, 그 후, 콘덴서(C2)에서 전압(V2)의 시간적분치가 자기스위치(SL2)의 특성을 결정하는 한계치에 도달하면, 자기스위치(SL2)가 포화하여 자기스위치가 들어가, 콘덴서(C2), 픽킹콘덴서(C_P), 자기스위치(SL2)의 루프에 전류가 흘러, 콘덴서(C2)에 저장된 전하가 이행하여 픽킹콘덴서(C_P)에 충전된다.

도 2의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 예비전리를 위한 코로나 방전은, 유도체 튜브(12)와 제2 전극(13)이 접촉하고 있는 지점을 기점으로 유도체 튜브(12)의 외주면에 발생하지만, 도 3의 픽킹콘덴서(C_P)의 충전이 진행됨에 따라 그 전압(V3)이 상승하고, V3가 소정의 전압이 되면 코로나 예비전리부의 유도체 튜브(12) 표면에 코로나 방전이 발생한다. 이 코로나방전에 의해 유도체 튜브(12)의 표면에 자외선(6)이 발생하여, 주 방전전극(3, 4) 사이의 레이저 매질인 레이저 가스(2)가 예비 전리된다.

픽킹콘덴서(C_P)의 충전이 더 진행됨에 따라, 픽킹콘덴서(C_P)의 전압(V3)이 상승하고, 이 전압(V3)이 일정치(브레이크다운 전압)(V_b)에 도달하면, 주 방전전극(3, 4) 사이의 레이저 가스(2)가 절연 파괴되어 주 방전이 개시하고, 이 주 방전에 의해 레이저 매질이 여기되어, 레이저광이 발생한다.

그 후, 주 방전에 의해 픽킹콘덴서(C_P)의 전압이 급속히 저하하여, 드디어 충전개시 이전의 상태로 복귀한다.

이와 같은 방전 동작이 고체스위치(SW)의 스위칭 동작에 의해 반복적으로 행해짐에 따라, 소정의 반복 주파수에서의 펄스 레이저 발진이 행해진다.

여기서, 자기스위치(SL1,SL2) 및 콘덴서(C1, C2)로 구성되는 각 단의 용량이행형 회로의 인덕턴스를 후단으로 진행함에 따라 작게 되도록 설정하는 것에 의해, 각 단을 흐르는 전류 펄스의 펄스 폭이 순차적으로 좁게 되도록 펄스 압축 동작이 행해지고, 주 방전전극(3, 4) 사이에 짧은 펄스의 강한 방전이 실현된다.

도 4는 상기와 같은 여기회로의 콘덴서(C1, C2), 픽킹 콘덴서(C_p)의 위치에 발생하는 전압파형의 일례를 도시한다. 도 4에서 펄스 폭이 순차적으로 압축되어 가는 모습이 잘 나타내져 있다.

그런데, 반도체 노광용의 광원으로서 사용되는 ArF 엑시머 레이저장치의 경우, 노광에 필요한 레이저 출력에너지에서 이에 필요한 방전 체적이 스스로 결정되어, 그 방전체에서 주 방전전극(3, 4) 사이의 간격도 15 내지 20 mm 정도 필요하다. 또, 그 레이저 출력에너지는 픽킹 콘덴서(C_P)의 용량을 결정하기 때문에, 반도체 노광용의 광원으로서 필요한 픽킹 콘덴서(C_P)의 용량은 10 내지 16 nF 이다.

그런데, 상술한 바와 같이, 본 발명을 기초로, 주 방전전극(3, 4) 사이를 흐르는 진동 전류의 최초의 1/2 주기 이후에 있어서도, 레이저 발진을 지속시키기 위해서는, 우선, 전류의 피크치가 크게 되도록 회로 정수를 정할 필요가 있다. 전류의 피크치를 크게 하기 위해서는, 주 방전전극(3, 4) 사이에서 방전이 개시하는 전압(브레이크다운 전압)(Vb)이 주 방전전극(3, 4) 사이에 가해지는 전압의 상승에 의존하여, 상승시간이 고속인 경우에 방전개시전압(Vb)이 높게 되기 때문에(과전압의 발생), 그 인가 전압을 급격히 상승하도록 할 필요가 있다. 픽킹 콘덴서(C_P)에 대한 제2의 콘덴서(C2)의 용량이 크면 클수록, 그 전압의 상승은 급격하게 되는 것이 바람직하지만, 한편으론, 제2 콘덴서(C2)의 용량이 크면 클수록, 레이저장치 전체를 구동하기 위해 필요한 에너지가 크게 되고, 레이저장치의 효율이 저하하기 때문에, 제2 콘덴서(C2)의 용량에는 한계가 있고, 반도체 노광용의 광원으로서 ArF 엑시머 레이저장치의 경우, 12 내지 16 nF로 설정된다.

또, 주 방전전극(3, 4) 사이를 흐르는 진동전류의 2번째 이후의 1/2 주기의 전류 피크치를 크게 하여 2번째 이후의 1/2 주기에 있어서도 레이저 발진을 행하기에는, 레이저 가스(2)의 전기 저항을 작게 하는 것이 필요하다. ArF 에 있어서는, Ar + F₂+ Ne 로 이루어지는 3 내지 4 기압의 레이저 가스를 사용한 경우에, 불소 분압이 감소할 수록 레이저의 분압이 작게 되기 때문에, 레이저 가스의 전압에 대한 불소 분압을 0.12% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기와 같이, 주 방전전극(3, 4) 사이를 흐르는 진동전류의 최초의 1/2 주기 이후의 주기를 짧게 하는 것이지만, 2번째 이후의 1/2 주기에 있어서도 레이저 발진을 지속시키기 위해 필요한 조건이다. 이 주기가 길면, 하나의 1/2 주기의 후반에 있어서 방전의 공간적인 집중이 발생하여 필요한 균일의 여기가 효율 좋게 행해지지 않으면 안된다. 2번째 이후의 1/2 주기의 주기를 결정하는 파라미터는, 도 3의 여기회로의 픽킹 콘덴서(C_P)와 주 방전전극(3, 4)이 형성하는 루프(방전전류회로) 중의 용량과 부유 인덕턴스이고, 양자의 곱의 루트가 그 주기에 비례한다. 따라서, 그 주기를 짧게 하기 위해, 상기 방전전극회로의 부유 인덕턴스를 가능한 작게 하면 좋다. 그러나, 이 부유 인덕턴스의 크기는 레이저 공동의 단면적으로 결정되기 때문에, 실제상 5 내지 8 nH 정도 보다 작게 할 수 있다.

이상과 같은 파라미터 범위에서 선택된 조건하에서, 방전 체적을 방전 폭 5 내지 8 mm x 전극간 거리 15 내지 20 mm, 길이 450 내지 550 mm로서, 브레이크다운 전압(Vb)까지의 상승 시간에 대한 출력 레이저 펄스 폭(T_is)과 출력 에너지의 관계를 조사한 바, 도 5와 같은 결과가 얻어졌다. 또, 브레이크다운 전압(Vb)까지의 상승 시간의 정의는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 주 방전전극(3, 4) 사이에 인가된 전압(V3)의 최초의 1/2 주기의 상승부의 가장 급격하게 되는 부분을 직선 근사하여, 그 직선이 전압(0)의 직선과 교차하는 점에서 브레이크다운 전압(Vb)에 도달하는 점까지의 시간이다.

도 5의 결과로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 상승시간이 40 ns 보다 작으면 레이저광출력이 저하하여, 소망의 출력을 얻을 수 있다. 또, 상승시간이 80 ns 보다 큰 경우, 출력하는 레이저광 펄스 폭이 감소하고, 소망의 펄스 폭을 얻을 수 없었다. 이와 같이, 상승시간이 40 ns 보다 작은 경우에 레이저광 출력이 저하하는 것은, 코로나 예비전리가 개시하고 나서 주 방전을 개시하기 까지의 지연시간이 확보할 수 없기 때문이라고 생각된다(코로나 예비 전리는, 주 방전전극(3, 4) 사이에 가해지는 펄스 전압(V3)을 분압하여 얻은 전압을 코로나 예비전리부(10)에 인가하는 것에 의해 행하고 있다). 즉, 상승시간이 너무 짧아, 레이저 가스가 충분히 예비 전리되지 않은 채 주 방전이 개시하기 위해, 레이저 가스의 여기가 불충분하기 때문에 레이저 출력이 저하한다고 생각할 수 있다.

한편, 상승시간이 80 ns 보다 큰 경우에는 상승시간이 너무 길어, 브레이크다운 전압(Vb)의 도달치가 작기 위해서, 제2의 1/2 주기분에서 발진하지 않고, 펄스 폭이 짧게 된다고 생각할 수 있다.

일반적으로, 상승시간이 고속인 경우에는, 방전개시전압(Vb)이 높게 되고(과전압의 발생), 또, 레이저 매질의 여기 에너지인 방전입력(1/2 x C_PVb²)이 크게 되기 때문에, 발진효율이 상승한다. 상승시간이 80 ns 보다 큰 경우에는, 방전개시전압(Vb)이 크게 되지 않고, 방전이 불안정하기 쉽고, 또 방전입력이 작고, 발진효율이 작기 때문에, 도 1에 도시하는 전류파형에 있어서, 최초의 1/2 주기 이후의 기간에 있어서 맨 처음 레이저 발진에 기여할 수 없게 되고, 그 때문에 발진 펄스 폭이 감소한다고 생각할 수 있다.

이상의 검토에 있어서, 상승시간 40 ns 에서 80 ns에 있어서 필요로 하는 방전개시전압(Vb)은 18 내지 28 kV이었다.

또, 상기 상승시간의 조정에는, 제2 콘덴서(C2), 픽킹 콘덴서(C_P)의 용량, 제2의 자기스위치(SL2)의 잔류 인덕턴스, 픽킹 콘덴서(C_P)의 충전 전류회로중의 부유 인덕턴스를 조정하여 실현하였다. 도 7에, 일례로서, 제2의 콘덴서(C2)의 용량 14 nF, 픽킹 콘덴서(C_P)의 용량 12 nF, 방전전류회로의 부유 인덕턴스 6 nH, 방전전류간 거리 18 mm, 방전개시전압 26 kV, 불소분압 0.08%, 유효방전길이 500 mm로 한 경우의, 방전전극간 전압과, 방전전극 사이에 흐르는 전류와, 레이저 출력광 파형을 도시한다.

이와 같이, 본 발명에 기초하여, 종래와는 완전히 다른 신규한 사상에 기초하여 이상과 같은 구성을 채택하는 것에 의해, 반복 주파수 2 kHz 이상, 펄스 폭(T_is) 30 ns 이상의 높은 반복 및 긴 펄스화 ArF 엑시머 레이저장치를 실현하는 것에 성공하였다.

이상은, ArF 엑시머 레이저장치에 관해서 설명하였지만, 상기 기본 원리는, 불소(F₂)가스, 크립튼(Kr)가스 및 버퍼가스로서 네온(Ne) 등의 희가스로 이루어지는 혼합가스를 레이저가스로서, 동일하게 방전 여기하는 KrF 엑시머 레이저장치나 불소(F₂) 가스 및 버퍼가스로서의 헬륨(He) 등의 희가스로 이루어지는 혼합가스를 레이저가스로서 동일하게 불소 레이저장치에도 적용할 수 있다는 것은 명백하다.

이상, 본 발명의 자외선을 방출하는 가스 레이저장치를 그 원리와 실시예에 기초로 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고 각종 변형이 가능하다.

이상의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 본 발명의 자외선을 방출하는 가스 레이저장치에 의하면, 극성이 반전하는 1 펄스의 방전 진동 전류 파형의 최초의 반주기와, 이에 계속되는 적어도 하나의 반주기에 의해 레이저발진동작을 하도록 구성하는 것에 의해, 반복 주파수 2 kHz 이상, 발진 펄스 폭 30 ns 이상의 특히 반도체 노광용 광원에 적용한 높은 반복 및 긴 펄스화 협대역 자외선을 방출하는 가스 레이저장치를 실현할 수 있다.

Claims

자기펄스압축회로의 출력단에 접속되고, 레이저 챔버 내에 배치된 한 쌍의 레이저 방전 전극을 갖는 자외선을 방출하는 가스 레이저장치에 있어서,

극성이 반전하는 1 펄스의 방전 진동 전류 파형의 최초의 반주기와, 이에 계속되는 적어도 하나의 반주기에 의해 레이저 발진동작을 하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자외선을 방출하는 가스 레이저장치.
제1항에 있어서,

상기 자외선을 방출하는 가스 레이저장치는 ArF 엑시머 레이저장치로서, 상기 자기펄스압축회로는, 제1의 자기스위치와 제1의 콘덴서로 이루어지는 직렬회로의 양단에 제2의 콘덴서가 접속되고, 상기 제1의 자기스위치와 상기 제2의 콘덴서와의 접속점에 제2의 자기스위치의 일단이 접속되고, 상기 제2의 자기스위치의 타단과 상기 제2의 콘덴서의 타단이 출력단을 구성하고 있고,

상기 제2의 콘덴서의 용량이 12 내지 16 nF, 상기 출력단 사이에 상기 한 쌍의 레이저 방전전극과 병렬로 접속된 레이저장치의 피킹 콘덴서의 용량이 10 내지 16 nF, 상기 피킹 콘덴서와 상기 한 쌍의 레이저 방전전극이 형성되는 회로 루프의 인덕턴스가 5 내지 8 nH, 상기 한 쌍의 레이저 방전전극간 거리가 15 내지 20 mm, 상기 레이저 챔버 내의 불소분압이 레이저가스의 전압의 0.12% 미만일 때,

상기 한 쌍의 레이저 방전전극간에 인가되는 전압의 브레이크다운 (breakdown)이 발생할 때까지의 상승 시간이 80 ns 이하인 것을 특징으로 하는 자외선을 방출하는 가스 레이저장치.
제2항에 있어서,

상기 한 쌍의 레이저 방전전극간에 브레이크다운이 발생하는 때의 전압이 18 내지 28 kV 이고, 상기 전압의 상승 시간이 40 ns 이상인 것을 특징으로 하는 자외선을 방출하는 가스 레이저장치.