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ありあてっちがわら
5 years ago
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1 6.7 極端紫外光源の開発 () 研究の背景と目的半導体デバイスの微細化進展に伴って LSI 製造プロセス中のリソグラフィ用光源は可視光領域から水銀ランプの g 線 ( 波長 :λ=436nm) I 線 (λ=365nm) を経て KrF エキシマレーザ (λ=48nm) ArF レーザ (λ=93nm) とより短い波長へ推移してきた ITRS (International technology roadmap for semiconductor) によれば年に hp (half pitch) 回路線幅 45nm の LSI を量産可能なリソグラフィ技術の開発が求められているその候補として F レーザ ( 波長 :λ=57nm) や EPL(Electron projection lithography) が研究されてきたが最近 ArF エキシマレーザの液浸 (Immersion) 露光により hp 65nm の解像度が達成され次世代の hp 45nm ノードへの適用が有力視されているしかし液浸露光技術を駆使しても hp 45nm が限界であり次々世代の量産リソグラフィ工程ではさらに短い波長の極端紫外 (: Extreme ultra-violet) 光の利用が最有力候補とされ現在その実用化研究が活発に実施されているすなわち回路線幅が hp 45nm 以細 (3nm 等 ) の半導体製造プロセスにおいては従来の微細化技術の限界を打破するために ArF エキシマレーザの / 以下の波長である 3.5nm の光を利用した露光技術の開発が切望されている波長 3.5nm の光を生成する手段としてはパルスレーザ照射や放電あるいは両者の複合によってターゲットをプラズマ化することにより極端紫外 () 光を得る方法が最有力であるリソグラフィは従来のレンズを用いた露光機とは異なり光を透過する材料がないことから光学系とマスクは全て反射型となる光源露光光学系マスクレジストおよびステージなど露光機の構成要素全てが大気による吸収を避けるため真空チャンバー内に設置される光源の開発は露光システム全体を考えながら進められており様々な光発生方法が提案されてきたしかしリソグラフィ用の実用光源において必要な出力は表のとおり中間集光点において 5W 以上とされているが現状はそれより一桁小さい出力でしか光が発生できていないさらに光発生時にターゲットからの飛散粒子による光学系の汚染が大きな課題となっている固体ターゲットを用いる場合飛散粒子は主にプラズマが冷却されて再凝固した固体粒子でありその他のターゲットではイオン, 中性原子, クラスター, 周辺機器からのスパッター粒子などの飛散粒子が問題となるこれらは総称してデブリと呼ばれている本研究はより高効率な光の生成と同時に光学系汚染の原因となるデブリの低減を図る新しい手法の光源の開発を目的としている具体的には固体の錫 (Sn) ターゲットの貫通孔内に高強度ナノ秒レーザを集光照射して生成したプラズマへさらにパルスレーザのパワーを注入し続けることで高温のプラズマに励起し放射される光を貫通孔を通して後方から取り出すことによりクリーンで高輝度な光源の研究開発を行った表 6.7. 次々世代の量産リソグラフィ用光源への要求仕様 ( 抜粋 ) 項目要求仕様中心波長 3.5nm 出力 ( 中間集光点,% バンド幅 ) 5W 以上繰り返し周波数 7kHz 以上エタンデュ 3.3mm str 以下

() 円錐貫通孔ターゲットによるレーザプラズマ生成と発光の時間分解計測 [6.7-,] 本研究で用いる錫 (Sn) は 3.

変換効率を評価してきた本節では円錐貫通孔中心軸に集束した高温高密度プラズマからのを次々世代の半導体リソグラフィ用光源として利用するため貫通孔ターゲットに繰り返しレーザ照射を試み計測された発光強度から光源特性を評価した結果について述べる図 6.7.

のように厚み.mm 頂角 45 で裏面に直径 9μmの貫通孔を持つAl 合金板の孔表面を蓋するようにSn 薄膜をスライドガラスにより保持してパルスレーザを照射し円錐孔壁面にSnをデポジションした図 6.7. (c) のデポジション前後の観察結果からAl 板厚の約半分 (.

2 () 円錐貫通孔ターゲットによるレーザプラズマ生成と発光の時間分解計測 [6.7-,] 本研究で用いる錫 (Sn) は 3.5nmに強い発光スペクトルのピークを示す材料である最初に円錐貫通孔を持つSnターゲット構造を提案しパルスレーザを円錐孔ターゲットに照射することよるアブレーションで中心軸に集束して生成する高密度プラズマからの発光強度の時間変化を測定したその結果円錐孔ターゲットは平板に比べて発光が強くなることが分かったさらに貫通孔出口からターゲット後方へ放射される強度の角度分布を計測し変換効率を評価してきた本節では円錐貫通孔中心軸に集束した高温高密度プラズマからのを次々世代の半導体リソグラフィ用光源として利用するため貫通孔ターゲットに繰り返しレーザ照射を試み計測された発光強度から光源特性を評価した結果について述べる図 6.7. に示すとおりプラズマ励起用パルスレーザには波長 53nm エネルギー 8mJ/pulse 半値幅 4nsのNd:YAG(Continuum Surelite Ⅲ) 倍高調波を用いたこの波長 53nmを選択的に反射する多層膜ミラーにより真空チャンバーに入射させレンズでμm 径に集光照射してレーザプラズマを生成させた真空チャンバー中心に3 傾けて設置したターゲットには図 6.7. のように厚み.mm 頂角 45 で裏面に直径 9μmの貫通孔を持つAl 合金板の孔表面を蓋するようにSn 薄膜をスライドガラスにより保持してパルスレーザを照射し円錐孔壁面にSnをデポジションした図 6.7. (c) のデポジション前後の観察結果からAl 板厚の約半分 (.5mm) の円錐壁面にSnがほぼ一様にデポジションしたこの錫 (Sn) ターゲット構造によるレーザ誘起プラズマの状態を図 6.7. に示した高速ストリークカメラにより時間空間分解計測したさらにアブレーションで生成したプルームが円錐中心軸の前方に集束して運動することから固体ターゲットを用いた光源で問題となるデブリ飛散の少ない円錐孔後方へ放射される強度を図 6.7. の真空チャンバー中に設置した検出器で評価した図 6.7. に検出器の構造を示すレーザプラズマ光源からはの他 X 線可視光など広範囲な放射が起こる波長 ~5nmのを計測するため Auミラーでと可視光を反射させると共にX 線を透過して除き図 6.7. のように3.5nmの透過率が6% のZrフィルタ ( 膜厚 5nm) により可視光をカット 3 図 6.7. (c) に示す特性を持つMo/Si 多層膜付 Siフォトダイオードで3.5nm 近傍のを検出した図に作製した円錐孔 Snターゲットの貫通孔後方 8 に設置した検出器のフォトダイオードで計測したパルスレーザ繰り返し照射毎の出力結果を示した図は発生した強度に比例するフォトダイオード出力の時間積分値をレーザ照射の繰り返し回数に対して整理した結果である初期は照射回数が増す毎に発光強度が増加し 6 回目以降はほぼ一定となった繰り返し照射実験後光学顕微鏡により貫通孔を確認したところ貫通孔径が図の9μmから図に示したように約倍に拡がっていた図 6.7.5に繰り返し照射で孔径が大きくなったターゲットに対してプラズマの可視発光を貫通孔前方から高速ストリークカメラで撮影した結果を示した右側の拡大した図からプラズマがレーザ照射後 4nsで孔中心に到達していることが分かる以上の結果から貫通孔径が小さい時にはプラズマが中心軸上で早期に衝突して密度が高くなり過ぎるのに対して繰り返し照射で孔径が大きくなると最適な密度に近づいてターゲット後方で計測さ Nd:YAG laser Beam expander 8 Nd-YAG laser.mm 45 Al Before deposition Φ9 μm After deposition High speed streak camera detector Glass Sn(5μm) Conical hole (Φ8μm:apex angle 45 ) Sn deposited Dichroic mirror Vacuum chamber Target 図 6.7. (c) 円錐貫通孔ターゲットによるレーザプラズマ生成実験の概要実験セットアップ Sn のレーザデポジション方法 (c) レーザデポジション前後のデジタル顕微鏡観察結果

Photodiode Output[V] source.5.5 detector Zr filter 3.5nm (c) Photodiode (with Mo/Si filterd) Au mirror photodiode 75 Zr filter 5 5 3 35 4 -.5 Time time[ns] Transmission 図 6.7. 検出器検出器の構造 Zr フィルタ ( 膜厚 5nm) 透過特性 (c) Mo/Si 膜付フォトダイオードの量子効率 No.

3 Photodiode Output[V] source.5.5 detector Zr filter 3.5nm (c) Photodiode (with Mo/Si filterd) Au mirror photodiode 75 Zr filter Time time[ns] Transmission 図 6.7. 検出器検出器の構造 Zr フィルタ ( 膜厚 5nm) 透過特性 (c) Mo/Si 膜付フォトダイオードの量子効率 No. No. No. 3 No. 4 No. 5 No. 6 No. 7 No. 8 No. 9 No. No. No. No.3 No.4 No.5 No.6 図繰り返し照射毎のフォトダイオード出力結果出力の時間変化計測強度値の繰り返し回数による変化 Wavelength [nm] intensity[v ns] Quantum Efficiency[e/ph] Wavelength wavelength[nm] 5 5 Number of repeated operation れた強度が増大したものと考えられるすなわち貫通孔径が小さい時はパルスレーザでアブレーションした分子が中心軸で早期に衝突して前方に吹き出しレーザ吸収が孔前方で起きるためにが貫通孔後方にまで透過し難い状態になったと考えられる 9μm 8μm 一方貫通孔が大きくなると最適なタイミングと密図繰り返し照射前後の貫通孔裏面の度でレーザによりプラズマが励起されてが後方光学顕微鏡観察結果へ放射されるためその計測強度が増大したものと推測できる高性能光源として円錐貫通孔ターゲットへのパルスレーザ集光照射で生成するプラズマからのをデブリに汚染されない後方から取り出しリソグラフィ光源として利用する方式を提案した円錐プラズマをパルスレーザの集光照射により生成し光源としての特性を評価し錫平板ターゲットの場合と比較した結果円錐孔ターゲットの貫通孔後方へ放射される強度は平板ターゲットと同程度であったがレーザの繰り返し照射による放射強度の増大が認められた強度が増大したターゲットの円錐が加工されて円筒型に変化していたことから次にストレートな円筒型の貫通孔を持つターゲットを用いて円筒型プラズマを生成させ放射される極端紫外光の特性の評価を試みた. mm μm 7nsec 4nsec 図高速ストリークカメラによるプラズマ可視発光の円錐貫通孔ターゲット前方からの撮影結果とプラズマ発光初期の拡大図

(3) 円筒型貫通孔ターゲットによるレーザプラズマ生成と放射特性の計測 [6.7-3,4] 高性能なレーザ生成プラズマ光源を実現する方法として円錐孔ターゲットの実験結果から錫 (Sn) にストレートな円筒型の貫通孔を持つターゲット構造を新たに提案した 5 種類の異なる厚さ (.3,.6,.8,.,.mm) の錫 (Sn) 板に直径 φμm のマイクロドリルを用いて作成した円筒型の貫通孔ターゲットを真空容器の中心に置きパルスレーザを図 6.

A. は.3 に相当 ) で集光照射し発生した発光強度を図 6.7.8(c) に示すパワーメータで計測した強度の検出には Mo/Si 膜コーティングをされた 3.

7.6 貫通孔への集光照射による Sn 円筒 YAG Laser Concave Lens CameraLens Laser Electronics Oscilloscope BT 5 図 6.7.7 実験に用いた貫通孔ターゲット (c) Power meter Laser plasma light source Soft X-ray Visible light 75 Au mirror Incidence angle75 (> critical angle @3.

4 (3) 円筒型貫通孔ターゲットによるレーザプラズマ生成と放射特性の計測 [6.7-3,4] 高性能なレーザ生成プラズマ光源を実現する方法として円錐孔ターゲットの実験結果から錫 (Sn) にストレートな円筒型の貫通孔を持つターゲット構造を新たに提案した 5 種類の異なる厚さ (.3,.6,.8,.,.mm) の錫 (Sn) 板に直径 φμm のマイクロドリルを用いて作成した円筒型の貫通孔ターゲットを真空容器の中心に置きパルスレーザを図のように集光照射して貫通孔内に Sn 円筒プラズマを生成させた図は作成した貫通孔を入り口 ( パルスレーザ入射側 ) から観察した顕微鏡写真は貫通孔断面の SEM 写真である図に実験のセットアップを示す円筒型貫通孔プラズマからの放射と比較するために平板ターゲットを用いて同様の計測を行った図が平板による実験のセットアップである真空チャンバー外側は貫通孔に対する実験と同様のセットアップであるプラズマの生成励起用レーザは Nd:YAG の倍高調波 ( ガウシアン波形 [ 時間半値幅 4ns] 波長 53nm エネルギー 8mJ/pulse) を用いたパルスレーザを貫通孔の入り口端面の中心に直径 8μm(N.A. は.3 に相当 ) で集光照射し発生した発光強度を図 6.7.8(c) に示すパワーメータで計測した強度の検出には Mo/Si 膜コーティングをされた 3.5nm 近傍の波長 ~5nm に量子効率を持つフォトダイオードを使用したこの際 Zr フィルタにより可視光を遮断し Au ミラー枚を用いて X 線を取り除いているパワーメータはの貫通孔に対して 8 ~4 の平板の場合には 5 ~75 の角度まで 5 毎に回転させながら設置し放射の角度分布を計測した Laser Target Abrasion Laser Plasma μm μm 図貫通孔への集光照射による Sn 円筒 YAG Laser Concave Lens CameraLens Laser Electronics Oscilloscope BT 5 図実験に用いた貫通孔ターゲット (c) Power meter Laser plasma light source Soft X-ray Visible light 75 Au mirror Incidence angle75 (> critical Reflectivity Al box Block visible light Absorbing soft X -ray 3 photodiode Zr filter(5nm) High Speed Streak Camera D.C.Power Source Power meter Telescopic Lens 8 ~4 Target 5 ~75 PC 3 Harmonic Separator Camera Lens (For 53nm) N.A.=.3 Power meter Vacuum Chamber 3 図実験セットアップ概略図

5 この際の計測角度にはレーザ入射側に向かう貫通孔軸方向を反対の出口後方に向かう貫通軸方向を 8 とした表示を用いている貫通孔 ( 厚み.3,.6,.8,.,.mm 孔直径 φμm) ターゲットにレーザを照射したデータの中から厚み.6mm の貫通孔ターゲットに対してパワーメータを用いて計測した結果を図に示す図はパワーメータの実測データでありは出力の時間積算値で強度に比例する量と計測角度との関係を示しているここで各角度で計測した結果は線形の角度分布関数で近似でき図 6.7. に示されるとおり貫通孔の軸に対称な光源を仮定して放射エネルギーを評価するとエネルギーは 8.4[mJ] と評価できる他の厚みを持つターゲットに対しても同様に実験を行った結果からエネルギーを同様に見積って表にまとめた表 6.7. に示すとおり厚み.6mm の Sn 板を貫通する孔において生成したレーザプラズマから最も高い出力が得られたこの円筒型貫通孔の場合と比較するために平板においても図のセットアップで同様に放射分布を計測し放射エネルギーを求めた結果.9[mJ] と評価されたここで平板における放射角度分布は平板ターゲットの法線方向を θ= として図 6.7. のとおり余弦 (cosθ 分布で近似し法線方向 (θ= ) に対する軸対称分布を仮定して放射エネルギーを求めた貫通孔ターゲット ( 厚み.6mm) に対する計測結果は平板ターゲットと比較してエネルギーでおよそ 3 倍出力の時間積算値の最大計測強度では約 6 倍に増加することが明らかになった Photodiode Output[V] integrated value[v ns] F(θ) =.7885θ time[ns] - measured angle[degree] 図パワーメータの計測結果実測データ出力の時間積算値と角度の関係 Laser Target 35 5 Detector 65 power meter intensity [V ns] -5 cosθ 図 6.7. 貫通孔プラズマからの放射計測結果表 6.7. 放射エネルギーの板厚による違い Target thickness [mm] total energy [mj] laser intensity[v ns] target 図 6.7. 平板ターゲットで生成した -6 レーザプラズマからの放射計測結果と放射エネルギー導出で仮定 -75 した余弦分布 -9

6 (c) Target thickness.6 [mm] total energy 8.4 [mj] 6 5 Target thickness.8 [mm] total energy 4.7 [mj] Target thickness. [mm] total energy 5.9 [mj] intensity [V ns] intensity [V ns] intensity [V ns] 図 6.7. 円筒型貫通孔プラズマからの放射計測結果の板厚による違い図 6.7. に円筒型貫通孔プラズマからの放射計測結果の板厚による違いを示したとおり貫通孔プラズマから放射された強度の角度分布を計測した結果はいずれの板厚においても貫通孔から出口後方に放射されるに指向性があり貫通孔の軸方向 (8 ) の輝度が高いこのような放射特性であればリソグラフィ光源として集光を省略できるメリットがあるものと考えられる次に厚み.8mm のターゲットに対しつの貫通孔へ繰返しレーザ集光照射を試み出力を計測した結果を図に示す図は縦軸に図のパワーメータ出力の時間積算値をとり横軸に照射回数をとって放射強度の繰返しレーザ照射による変化を調べた結果である図より複数回の照射に対して安定した出力が得られているこのことより貫通孔ターゲットはリソグラフィ用光源として繰返し使用できる可能性があるといえる No. No.3 No.5 No. No.4 No Photodiode Output[V] No.7 No.9 No. No.3 No.5 No.7 No.9 No.8 No. No. No.4 No.6 No.8 No. intensity[v ns] time[ns] 5 5 pulse number 図貫通孔への繰返しレーザ集光照射によるフォトダイオード出力の計測データ (Sn 板厚 :8μm) 図貫通孔への繰返しレーザ集光照射による放射強度 ( 時間積算値 ) の計測結果 ( 板厚 :8μm)

slit Time sweep. mm plasma 7ns φμm ns 図 6.7.5 高速ストリークカメラによるプラズマ可視発光の円筒型貫通孔ターゲット前方からの撮影結果とプラズマ発光初期の拡大図さらに円筒型貫通孔ターゲットにレーザをパルス照射し貫通孔入り口方向から孔内部のプラズマ可視発光を高速カメラでストリーク撮影した結果を図 6.7.5 に示す図 6.7.5 の横軸は時間掃引縦軸はスリット開口方向の長さである図 6.

最適なタイミングと密度でパルスレーザがプラズマを励起しが出口方向へ放射されたため計測強度が増大できたと考えられる (4) 総括と今後の展望次世代半導体デバイス製造のためのリソグラフィ装置で用いる中心波長 3.

7 slit Time sweep. mm plasma 7ns φμm ns 図高速ストリークカメラによるプラズマ可視発光の円筒型貫通孔ターゲット前方からの撮影結果とプラズマ発光初期の拡大図さらに円筒型貫通孔ターゲットにレーザをパルス照射し貫通孔入り口方向から孔内部のプラズマ可視発光を高速カメラでストリーク撮影した結果を図に示す図の横軸は時間掃引縦軸はスリット開口方向の長さである図中に示した拡大した図からレーザによって貫通孔内壁からアブレーションしたプラズマはレーザパルスが終了する 4ns において中心軸まで到達していないことが分かるすなわち図のような円筒状の貫通孔の軸方向に長い高温プラズマが発生して結果そのプラズマから放射されるが重なり合って貫通孔裏面方向へと放射されることにより高出力が実現されたと考えられるすなわち本実験では最適なタイミングと密度でパルスレーザがプラズマを励起しが出口方向へ放射されたため計測強度が増大できたと考えられる (4) 総括と今後の展望次世代半導体デバイス製造のためのリソグラフィ装置で用いる中心波長 3.5nm の (Extreme Ultraviolet) 光源は集光点で 5W 以上の光パワーが供給できる高輝度と 7kHz 以上の繰り返しでショット以上という長寿命が要求されている特にショット当たり mj 以上という高いエネルギー出力の実現のために新技術の開発が切望されている本研究で用いた錫 (Sn) は 3.5nm 近傍に強い発光スペクトルのピークを示す物質である本研究を推進する中で新たに円筒型の貫通孔を持つ Sn ターゲット構造を提案しパルスレーザの集光照射によるアブレーションで生成する円筒状プラズマからの発光強度の時間変化を測定した結果平板に比べて発光が強くなることが明らかになった貫通孔からターゲット後方へ放射される強度の角度分布を計測して変換効率を評価し円筒状プラズマからのをリソグラフィ用光源として利用するために貫通孔ターゲットに繰り返しレーザ照射を試みたところ発光強度の計測結果がほぼ一定値となり繰り返し使用できる可能性を示した以上の成果から高性能光源として貫通孔へのパルスレーザ集光照射で生成する円筒状プラズマからのをデブリに汚染されない難い後方から取り出しリソグラフィ光源として利用する新しい回転ターゲット方式のレーザプラズマ光源を提案し特許出願を行った以下に本報告を要約する [6.7-5]

8 . パルスレーザ照射によるアブレーションで円錐と円筒型のプラズマを生成する方法を提案した円錐孔ターゲットを用いることによって中心軸で高温高密度な状態を実現できる可能性があり円錐プラズマ生成で放射される特性を評価した強度の正確な計測のために X 線と可視光を除去するフィルタの設置を工夫し波長 ~5nm のみに感度を有するフォトダイオードを用いた検出器を作製した. 本研究で提案した円錐と円筒型の貫通孔ターゲットの利点は孔形状によりプラズマの発生を空間的に制御できデブリの飛散し難い後方に放射されるを利用することで高輝度でクリーンな光源を実現できることにある円錐プラズマをパルスレーザの集光照射により生成し光源としての特性を評価し錫平板ターゲットの場合と比較した結果円錐孔ターゲットの貫通孔後方へ放射される強度は平板ターゲットと同程度であったがレーザの繰り返し照射による放射強度の増大が認められた 3. 強度が増大したターゲットの円錐が加工されて円筒型に変化していたことから最初からストレートな円筒型の貫通孔を持つターゲットを用いて円筒型プラズマを生成させ放射される極端紫外光の特性を評価したその結果平板ターゲットに比べて高い出力が得られさらに繰り返しレーザを照射しても強度が低下しないことを確認し円筒型貫通孔ターゲットの有用性が示された以上に記したように新しい高性能レーザプラズマ光源の開発を目的として円筒型貫通孔ターゲットへのパルスレーザ集光照射で生成するプラズマからのをデブリに汚染されない後方から取り出しリソグラフィ光源として利用する方式を提案したさらにターゲットを回転させることで光源として実用化できると考えこの成果を特許出願した今後よりクリーンで高輝度な光源の開発を目指して改良を続けていく研究発表 [6.7-] Takaya YOSHIKAWA, Yuko OTANI, Motohiro NAKANO, Toshihiko KATAOKA, Haruyuki INOUE and Yasushi OSHIKANE, Development of High Performance Light Source by Laser Produced Plasma Target Design and Evaluation of Conversion Efficiency, Extended Abstracts of International st Century COE Symposium on Atomistic Fabrication Technology (Osaka), P37, pp (6) [6.7-] 中野元博吉川隆弥大谷祐子井上晴行押鐘寧片岡俊彦, 高性能レーザプラズマ (Extreme-ultraviolet) 光源の開発繰り返し発光特性の評価, 7 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, H79, pp (7) [6.7-3] Yasuyuki SANDA, Yuko OTANI, Motohiro NAKANO, Haruyuki INOUE, Yasushi OSHIKANE and Toshihiko KATAOKA, Development of High Performance Light Source by Laser Produced Plasma,, Extended Abstracts of International st Century COE Symposium on Atomistic Fabrication Technology (Osaka), P63, pp.5-6 (7) [6.7-4] 中野元博大谷祐子三田泰之井上晴行押鐘寧片岡俊彦, スズ貫通孔ターゲットを用いたレーザ生成プラズマ光源の開発, 7 年秋季第 68 回応用物理学会学術講演会講演予稿集, No., 6a-V-, p.7 (7) 研究成果による工業所有権の出願 [6.7-5] 工業所有権の名称 : レーザプラズマ光源発明者 : 中野元博片岡俊彦権利者 : 国立大学法人大阪大学工業所有権の種類 : 特許番号 : 特願 7-33 出願年月日 : 平成 9 年 8 月日

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<4D F736F F D C82532D E8B5A95F18CB48D655F5F8E878A4F90FC C2E646F63> 技術紹介 6. イオンビームスパッタリング法によるエキシマレーザ光学系用フッ化物薄膜の開発 Development of fluoride coatings by Ion Beam Sputtering Method for Excimer Lasers Toshiya Yoshida Keiji Nishimoto Kazuyuki Etoh Keywords: Ion beam sputtering