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発明の名称 高繰返し高気圧ガスレーザ装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−90049
公開日 平成6年(1994)3月29日
出願番号 特願平4−239826
出願日 平成4年(1992)9月8日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】富田 和子
発明者 川久保 幸雄 / 佐々木 弘治 / 久保田 善征 / 小倉 聰
要約 目的
予備電離手段で発生するスパッタ粒子が主放電の不安定性や光学窓の劣化を引き起こすことなく、かつ高繰返し動作時の予備電離作用を低下させることのない高繰返し高気圧ガスレーザ装置を提供する。

構成
大気圧あるいはそれ以上の高気圧のレーザ媒質ガスを充填するガス容器内に、一対の主放電電極と、主放電に先立ち電子を生成供給する予備電離手段と、主放電部のガスを高速で移動させるガス循環用送風機を備え、ガス容器の一部にレーザ光を透過または反射する光学窓を備えた高気圧ガスレーザ装置において、前記予備電離手段の主要部を包囲する光透過性の連通管と、本連通管内のガスを高速で移動させるガス循環用送風機を備えた高圧ガスレーザ装置である。
特許請求の範囲
【請求項1】大気圧またはそれ以上の高気圧のレーザ媒質ガスを充填するガス容器内に、一対の主放電電極と、主放電に先立って電子を生成供給する予備電離手段と、主放電部のガスを高速で移動させるガス循環用送風機とを有し、かつ、ガス容器の一部にレーザ光を透過または反射する光学窓を備えた高気圧ガスレーザ装置において、前記予備電離手段の主要部を包囲する光透過性の連通管と、この連通管内のガスを高速で移動させるガス循環用送風機とを備えたことを特徴とする高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項2】前記主放電部ガス循環用送風機の断熱ヘッド−ガス流量特性と、前記予備電離手段部ガス循環用送風機の特性が、相対的にそれぞれ低断熱ヘッド大流量型、高断熱ヘッド小流量型であることを特徴とする請求項1記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項3】前記予備電離手段が複数対のピンギャップ電極から成り、前記予備電離手段部連通管がガス流路に沿って入口側の共通大口径流路と、各電極対あるいはいくつかの電極対群に対応する複数の小口径流路と、出口側の共通大口径流路とで構成されることを特徴とする請求項1または2記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項4】前記予備電離手段部連通管の材質および厚みが、波長200nmにおいて90%以上の光透過特性を持つように構成されていることを特徴とする請求項1,2または3記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項5】前記予備電離手段部連通管の材質が、合成石英、CaF2およびMgF2から選ばれた一種であることを特徴とする請求項4記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項6】前記予備電離用ピンギャップ電極の一部または全部が、2000℃以上の融点をもつ材料で構成されていることを特徴とする請求項3,4または5記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項7】前記予備電離用ピンギャップ電極がW,Cu−W,Ag−WおよびTh−Wから選ばれた一種で構成されていることを特徴とする請求項6記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項8】前記予備電離手段部連通管内を循環するガスが、前記レーザ媒質ガスと異なるガス組成の混合ガスまたは単一ガスで、かつ、前記レーザ媒質ガスと同程度か、あるいは、やや高めのガス圧力であることを特徴とする請求項3,4,5,6,または7記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項9】前記予備電離手段部連通管と前記予備電離手段部ガス循環用送風機とを結ぶガス循環路の一部に、微粒子トラップ用フィルタを備えたことを特徴とする請求項3,4,5,6,7または8記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置。
【請求項10】請求項1,2,3,4,5,6,7,8または9記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置を、材料表面のアニールに用いることを特徴とするレーザ応用プロセス装置。
【請求項11】請求項1,2,3,4,5,6,7,8または9記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置を、半導体リソグラフィ用光源に用いることを特徴とするレーザ応用プロセス装置。
【請求項12】請求項1,2,3,4,5,6,7,8または9記載の高繰返し高気圧ガスレーザ装置を絶縁材料または金属材料表面のマーキングに用いることを特徴とするレーザ応用プロセス装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高気圧で動作するガスレーザ装置に係り、特に、予備電離手段部で発生する不純物微粒子がレーザ出力低下に及ぼす影響を防止するに好適なレーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】エキシマレーザ装置や大気圧動作CO2レーザ装置等では、レーザ発振に不可欠なグロー状の安定なパルス放電を得るために、一般に予備電離手段が備えられており、これにより主放電に先立って放電の種となる電子を主放電空間に生成供給している。その予備電離手段の一つに、多数のピンギャップ電極を主放電電極に沿って配置する方法がある。これは、簡便で確実な方法として広く採用されている。これは微小ギャップ間でのアーク放電中の紫外光による光電離を利用するものである。ところで、このようなピンギャップ電極のアーク放電では、電極材料の一部がスパッタリングにより主放電空間に飛び出し、主放電空間における放電の不安定性の一因になったり、レーザ光を取り出す光学窓に付着して、出力低下をもたらす等の問題があるため、特開平4−43687号公報に記載されているように、各予備電離ギャップ電極をそれぞれ個別のガラス管で囲い、予備電離ギャップで発生するスパッタ粒子が主放電空間へ飛び出すのを防止する方法が採用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、繰返し数が数Hz程度においては効果が見られるものの、数十Hz以上の高繰返し動作時には、前のパルス放電による残留プラズマ粒子やスパッタ粒子あるいは種々の放電生成不純物の影響で、ピンギャップ電極間の耐電圧が低下し、したがって、予備電離作用が弱まり、レーザ出力が低下するという問題がある。
【0004】本発明の目的は、予備電離手段で発生するスパッタ粒子あるいは種々の放電生成不純物が主放電の不安定性や光学窓の劣化を引き起こすことなく、かつ、高繰返し動作時の予備電離作用を低下させることのない高繰返し高気圧ガスレーザ装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、大気圧あるいはそれ以上の高気圧のレーザ媒質ガスを充填するガス容器内に、一対の主放電電極と、主放電に先立って電子を生成供給する予備電離手段と、主放電部のガスを高速で移動させるガス循環用送風機とを備え、ガス容器の一部にレーザ光を透過または反射する光学窓を備えた高気圧ガスレーザ装置において、前記予備電離手段の主要部を包囲する光透過性の連通管と、この連通管内のガスを高速で移動させるガス循環用送風機を備えたものである。
【0006】なお、ガス容器内に充填されるレーザ媒質ガスの圧力は、大気圧またはそれ以上の圧力とされる。ここで、大気圧は、実質的に大気圧とされる気圧をも含むものである。
【0007】
【作用】レーザ装置内の予備電離手段の主要部を光透過性の連通管で包囲し、本連通管内のガスを高速で移動させるガス循環用送風機を備えているので、予備電離手段で発生するスパッタ粒子あるいは種々の放電生成不純物による主放電の不安定性や光学窓の劣化を防止するとともに、高繰返し動作時の予備電離作用の低下を防止することができる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1から図3までの図面に基づいて説明する。
【0009】図1および図2において、レーザ装置1は、ガス容器2内に、一対の主放電電極3A,3aおよびこれとほぼ平行に配置した予備電離手段4を備えている。予備電離手段4は、複数対のピンギャップ電極5A,5a,5B,・・・からなる。これらのピンギャップ電極対5A,5a,5B,・・・は、光透過性の連通管6内に設置される。連通管6内の予備電離放電用ガス7は、主放電部のレーザ媒質ガス8と隔離された状態で、外部のガス循環用送風機9で高速循環される。
【0010】連通管6は、合成石英、CaF2またはMgF2等、紫外域において高い透過率をもつガラス材で構成され、さらに、そのガラス材の厚みは、内外の封入ガス圧力差に十分耐える機械強度を持ち、かつ、高い光透過率が得られる程度に薄く構成されている。連通管6のガラス材の紫外域での透過率の目安としては、波長200nmにおいて90%以上が選定されている。また、連通管6は、ガス流に沿って、予備電離電極側から見て入口側の共通大口径ガス流路10、予備電離用の各ピンギャップ電極対に対応する小口径ガス流路11a,・・・、出口側の共通大口径ガス流路12から成る。さらに、連通管6と送風機9を含むガス流路内には、微粒子フィルタ13が備えられている。
【0011】さらに、ガス容器2内には、主放電部のレーザ媒質ガス8を高速で移動させるガス循環用送風機14および放電で加熱されたレーザ媒質ガスを冷却する熱交換器15が備えられている。主放電部ガス循環用送風機14の断熱ヘッド−ガス流量特性と、予備電離手段部ガス循環用送風機9の断熱ヘッド−ガス流量特性は、図3に示すように、相対的にそれぞれ低断熱ヘッド大流量型の特性曲線C1、高断熱ヘッド小流量型の特性曲線C2になっている。予備電離用ピンギャップ電極の少なくとも放電にさらされる部分を含んで、その一部または全部は、W、Cu−W、Ag−W、Th−W等の高融点材料で構成されている。融点の目安としては、2000度C以上が選定されている。予備電離手段部連通管内には、レーザ媒質ガスと異なる組成の混合ガスまたは単一ガス、例えば、He等の希ガスが主放電部のレーザ媒質ガスと、同程度のガス圧力で封入されている。
【0012】一方、ガス容器外部には、レーザ媒質ガスを放電励起するためのパルス高電圧充電電源16、サイラトロン等の高電圧スイッチング素子17、充電コンデンサ18、充電用コイル19等が配置接続される。これらは、ガス容器2内部の主放電電極3、予備電離電極5、ピーキングコンデンサ20等に接続され、全体として、放電励起回路21を構成している。また、図示されてはいないが、ガス容器2の一部には、レーザ光を透過または反射する一対の光学窓(図示せず)が、レーザ光軸に沿って対向して備えられている。レーザ光軸に沿って光学窓の外側には、レーザ光のほぼ100%を反射する全反射鏡、および一部を反射し一部を透過しレーザ光として取り出す出力鏡から成る光共振器(図示せず)が配置されている。場合によっては、前記光学窓は、これら全反射鏡または出力鏡を兼ねることができる。
【0013】以上の構成において、放電励起回路21により、主放電電極3A,3a間にパルス高電圧が印加されると、予備電離電極5からの光電離の効果により、主放電電極3A,3a間には、グロー状の一様なパルス放電が発生する。この場合、予備電離電極は、ガラス材から成る連通管で包囲されているが、ガラス材の紫外域での透過率が高いために、主放電部に対する光電離作用の効果が損なわれることはない。この主放電部のパルス放電により励起され発生したレーザ光は、前記光共振器を構成する全反射鏡と出力鏡の間を往復反射し、出力鏡から取り出される。放電励起回路21において、高電圧スイッチング素子17を所定の繰返し数で制御動作させることにより、繰返し動作のパルス放電励起が行われ、それにより、繰返し動作のパルスレーザ出力が得られる。
【0014】ところで、エキシマレーザのレーザ媒質ガスには、0.1%〜0.2%程度と微量ながら、非常に反応性の強いハロゲン系ガスが用いられる。ハロゲン系ガスとして、例えば、XeClエキシマレーザではHClガス、ArFエキシマレーザやKrFエキシマレーザではF2ガスが用いられる。このようなハロゲン系ガスを含むレーザ媒質ガスを用いて主放電電極間で放電が行われると、この空間には、放電が終わった後も、過渡的に、金属スパッタ物、金属ハロゲン化物、その他のハロゲン化合物等の放電生成不純物や残留プラズマ等が存在し、レーザ発振を阻害したり、次のパルス放電そのものを不安定にする。
【0015】上に述べた装置構成においては、これらの不純物や残留プラズマは、ガス容器2内の送風機14により主放電電極間空間から高速で移動させられるので、次のパルス放電が始まる時点には、主放電電極間空間には、ほぼ初期状態と同じ清浄なレーザ媒質ガスが循環供給され、引き続き安定なパルス放電、安定なパルスレーザ出力が得られる。さらに、予備電離手段部4を光透過性の連通管6で包囲して予備電離手段部のガス7を主放電部のガス8と隔離しているので、予備電離電極からのスパッタ微粒子および放電生成不純物が主放電部を循環するガス流系に流入することがない。したがって、予備電離手段部での放電に起因する主放電の不安定性や、光学窓への微粒子付着によるレーザ出力低下の問題を排除することができる。しかも、予備電離手段部4を包囲する連通管6内のガスは、別に設けられた送風機9により高速循環させられているので、高繰返しパルス動作に対しても予備電離の特性が低下することはなく、安定したレーザ出力が得られる。特に、予備電離電極の各電極対あるいはいくつかの電極対群は、それぞれ1〜2mm程度の微小電極ギャップとほぼ等しい小口径のガス流路内に挿入配置されているので、送風機による全ガス流量が比較的少なくても、それぞれの予備電離電極ギャップにおいては高速のガス流速を得ることができる。
【0016】上記のガス流特性について、図3を用いて説明する。主放電部のガス流路には、特性曲線C1で示されるような、たとえば、貫流ファン等の低断熱ヘッド大流量型のファンが備えられている。主放電部のガス流路の圧力損失とガス流量との関係を示す負荷曲線L1と上記のファンの特性曲線C1との交点P1が実際の動作点であり、これから主放電部のガス流量Q1、Q1に対応する断熱ヘッドH1が決まる。一方、予備電離手段部のガス流路には、特性曲線C2で示されるような、たとえば、シロッコファン等の高断熱ヘッド小流量型のファンが備えられている。予備電離手段部のガス流路についても、主放電部のガス流路の場合と同様に、負荷曲線L2とファンの特性曲線C2との交点P2から実際の動作点におけるガス流量Q2、断熱ヘッドH2が決まる。以上のように、異なる特性をもつ二種類のファンを組み合わせることにより、異なる電極ギャップに対して、効率よく高速のガス流速を得ることができる。さらに、主放電部のガス流速v1に対して、予備電離手段部のガス流速v2が大きくなるように設定することも可能である。
【0017】予備電離手段部の放電は、アーク放電であり、過渡的なグロー状放電の主放電部に比べると、スパッタ等による電極の消耗が激しく、したがって、局部的な生成不純物も多く、一般には、高繰返し時の回復特性が劣るとされている。しかしながら、上述の構成を用いて予備電離手段部をより高速に設定する(v1<v2)ことにより、装置全体を大型化することなく、高繰返しに適した高気圧ガスレーザ装置を得ることができる。
【0018】また、予備電離手段部連通管内のガスについては、反応性の強いハロゲン系ガスを含むレーザ媒質ガスとは異なるガスを選定することができる。本実施例では、放電が安定で、化学反応等によるガスの劣化の恐れが少ないHe等の希ガスが選定されている。また、このように反応性の少ないガスを選ぶことと対応して、予備電離電極材料の選定においても自由度が大きくなる。すなわち、本実施例のように予備電離電極材料にW、Cu−W、Ag−W、Th−W等の高融点材料を用いているので、従来用いられているNi等の材料に比べて、長時間の累積放電に対する消耗量、スパッタ量が少なく、長時間にわたって高繰返し時の予備電離ピンギャップ電極間の耐電圧の維持が可能になる。これにより高繰返し時も安定な予備電離作用を長時間にわたって維持することができ、安定な主放電、安定なレーザ発振を得ることができる。
【0019】さらに、予備電離手段部を含むガス循環路には微粒子フィルタが備えられているので、わずかに発生する電極からのスパッタ物等の固体不純物を効率よくトラップすることができ、予備電離手段部のガスの劣化を防ぎ、最適な予備電離放電特性を長時間にわたって維持することができる。
【0020】以上述べたように、本実施例によれば、予備電離手段部で発生するガス劣化要因を主放電部から切離し、主放電の不安定性や光学窓の劣化を防止するとともに、予備電離手段部自身のガス劣化をも低減し、高繰返し時の予備電離作用を長時間にわたって維持し、安定なレーザ発振を得ることができるという効果がある。
【0021】次に、本発明による他の実施例を図4に基づいて説明する。図4では、本発明の予備電離手段部の断面図を示す。予備電離電極5から見てガス流の入口側流路10および出口側流路12は、紫外光透過性の大口径ガラス管25を隔壁26で仕切ることにより構成されている。各予備電離電極対5A,5a等は隔壁26に設けられた小口径のガス流路11a,・・・,に固定されている。
【0022】この構成において、隔壁26および小口径ガス流路11a,・・・,の材料は、必ずしも紫外光透過性のガラス材である必要はなく、紫外光に対して不透明な樹脂等であってもよい。また、隔壁26、入口側流路10、小口径ガス流路11a,・・・,および出口側流路12相互間の気密性は、各ガス流路の所定のガス流速が確保できる程度に緩和されていてもよい。本実施例によれば、前記実施例の効果に加えて、構成が簡単なため、製作、組立、メンテナンスが容易であるという効果がある。
【0023】図5は、本発明によるさらに他の実施例として、上記高繰返し高気圧ガスレーザ装置を用いたレーザ応用プロセス装置の一つであるレーザアニール装置31についてその主要構成を示したものである。
【0024】レーザ装置1から出たレーザビーム32aは、折り返し鏡33、ビーム整形光学系34を経てシリコン系半導体材料等の被加工物35に照射される。図示されていないX−Yテーブル等の被加工材駆動装置またはビームスキャナ等のレーザビーム駆動装置により、被加工物35はレーザビーム32bに対して相対的に移動しながら、表面の一部または全部をレーザビームで照射される。以上のプロセスにより、被加工物35の表面の一部または全部の品質の改良が行われる。
【0025】たとえば、シリコン系半導体材料のエキシマレーザアニールにおいては、アモルファスシリコンの多結晶化、多結晶シリコンの結晶性の向上、あるいは多結晶シリコン中にイオン注入された不純物の活性化等が可能になる。同様なアニールプロセスは、金属材料の表面改質やセラミック材料の表面組織の緻密化等にも応用される。
【0026】本実施例によれば、レーザアニール装置におけるレーザ装置の高繰返し時の予備電離作用を長時間にわたって維持し、安定なレーザ発振を得ることができるので、高品質材料を生産するレーザアニールプロセスを長時間にわたって安定に継続することができるという効果がある。
【0027】図6は、本発明によるさらに他の実施例として、上記本発明に係る高繰返し高気圧ガスレーザ装置を用いたレーザ応用プロセス装置の一つである半導体プロセスにおけるレーザリソグラフィ装置41についてその主要構成を示したものである。
【0028】レーザ装置1から出たレーザビーム32aは、縮小投影光学系42、レチクル43、結像光学系44等を経てシリコンウェーハ45上に照射される。図示されていないX−Yテーブル等の被加工材駆動装置またはレーザビーム駆動装置等により、ウェーハ45は、レーザビーム32bに対して相対的に逐次移動しながら、レチクル43上のパターンに対応した微細回路パターンがウェーハ45上の所定の位置に結像転写される。レーザ装置1には、レーザ発振波長248nmのKrFエキシマレーザや、波長193nmのArFエキシマレーザ等、ハロゲン系レーザ媒質ガスにF2ガスを用いる短波長のエキシマレーザ装置が使用される。
【0029】本実施例によれば、レーザリソグラフィ装置におけるレーザ装置の高繰返し時の予備電離作用を長時間にわたって維持し、安定なレーザ発振を得ることができるので、超微細回路パターンを転写するレーザリソグラフィプロセスを長時間にわたって安定に継続することができるという効果がある。
【0030】本発明によるさらに他の実施例として、レーザ応用プロセス装置の一つであるレーザマーキング装置を挙げることができる。
【0031】本マーキング装置の構成は、前記リソグラフィ装置とほぼ同様な構成であるので、図示を省略する。
【0032】レーザ装置から出たレーザビームは、投影光学系、パターン転写用マスク、結像光学系等を経てマーキング対象材料上に照射される。所定のシーケンスに基づいて、X−Yテーブル等の被加工材駆動装置またはレーザビーム駆動装置等により、材料は、レーザビーム32bに対して相対的に移動あるいは停止しながら、マスク上のパターンに対応した転写パターンが、材料上の所定の位置に結像転写される。本マーキング装置の対象材料としては、樹脂やガラス、セラミック等の絶縁材料だけでなく、銅やアルミニウム等、長波長のレーザ光では高反射率のためマーキングが困難とされている金属材料も適用可能である。
【0033】本実施例によれば、レーザマーキング装置におけるレーザ装置の高繰返し時の予備電離作用を、長時間にわたって維持し、安定なレーザ発振を得ることができるので、各種パターンを各種材料に転写するレーザマーキングプロセスを長時間にわたって安定に継続することができるという効果がある。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、予備電離手段で発生するスパッタ粒子および放電生成不純物による主放電の不安定性や光学窓の劣化を防止するとともに、高繰返し動作時の予備電離作用の低下を防止することができるので、出力の安定した高繰返し高気圧ガスレーザ装置を提供することができる。




 

 


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