JP2000114627A - 狭帯域化パルスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】出力パルスレーザ光の狭帯域化を促進し、かつ
光学素子等の長寿命化を促進し、もって安定かつ長時間
連続パルス発振をも実現する。 【解決手段】スイッチ素子のオンを契機として、充電用
コンデンサに蓄積された電荷エネルギーを、可飽和リア
クトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を
介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のピー
キングコンデンサに並列接続されたレーザ放電部ＬＤに
供給するパルスレーザ用電源装置４０と、レーザ放電部
ＬＤの放電励起によって発振したパルスレーザ光を増幅
する共振器内の一端部に該パルスレーザ光を狭帯域化す
る狭帯域化モジュール６を設けるとともに、他端部に該
狭帯域化されたレーザ光を出力する出力ミラー５を設け
た狭帯域化パルスレーザ装置本体とを備えた狭帯域化パ
ルスレーザ装置１であって、パルスレーザ用電源装置４
０は、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤと
の間にパルス伸長部４２としてコイルＬ１を設け、レー
ザ放電部ＬＤの放電によって流れるパルスエネルギーを
時間的に伸長する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、充電用直流高圧電
源に並列接続されたコンデンサに蓄積されたエネルギー
を磁気パルス圧縮回路を介してレーザ放電部に転送供給
して放電励起されたパルスレーザ光を狭帯域化して出力
する狭帯域化パルスレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、パルスレーザ用電源装置に
は、高速、大電流、高繰り返しパルス電源を実現するた
め、磁気パルス圧縮回路を付加するものがある。この磁
気パルス圧縮回路は、鉄心等の強磁性体の磁化の飽和を
利用するものである。

【０００３】例えば、図５は磁気パルス圧縮回路を用い
た従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図であ
る。図５において、充電用直流電源４１は、例えば数十
ｋＶの直流電源であり、これに並列接続されたコンデン
サＣ０を充電する。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパ
ルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽
和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電
電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電
圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状
態となり、可飽和リアクトルＳＬ１のインダクタンスが
急激に減少して導通状態となる。この導通状態によって
コンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子Ｓ
Ｗを介し、電流Ｉ１１として流れ、コンデンサＣ１に転
送される。この電流Ｉ１１がほぼ流れ切った段階で次段
の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ
１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。こ
のコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リア
クトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２
に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰ
に転送される。そして、このピーキングコンデンサＣＰ
に転送された電荷はレーザ放電部ＬＤに印加され、放電
破壊して電流ＩＬＤ１が流れて、レーザ媒質を放電励起
して、パルスレーザ発振が行われる。。

【０００４】可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３が飽和す
る多段磁気圧縮回路の磁気スイッチの飽和時のインダク
タンスは、下流の磁気スイッチの飽和時のインダクタン
スの方が小さいのでパルス圧縮が行われる。すなわち、
図６（ａ）に示すように、可飽和リアクトルＳＬ１がオ
ンしてコンデンサＣ０の端子電圧ＶＣ０が低下し、この
電荷の転送に伴ってコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１１
が低下し、コンデンサＣ１への電荷転送が完了した時点
で可飽和リアクトルＳＬ２がオンする。可飽和リアクト
ルＳＬ２がオンすると、コンデンサＣ１に転送した電荷
がコンデンサＣ２に転送される。同様にして、コンデン
サＣ２に電荷が転送完了したときに可飽和リアクトルＳ
Ｌ３がオンし、コンデンサＣ２からピーキングコンデン
サＣＰに電荷が転送される。

【０００５】この場合、可飽和リアクトルＳＬ１のオン
から可飽和リアクトルＳＬ２のオンまでの間、可飽和リ
アクトルＳＬ２のオンから可飽和リアクトルＳＬ３のオ
ンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ３のオンからピーキ
ングコンデンサＣＰに電荷転送が完了するまでの間は、
順次短くなるように設定されるので、各電荷の転送間の
電流は図６（ｂ）に示すように順次大きな電流値とな
り、パルス圧縮が実現される。

【０００６】さらに、ピーキングコンデンサＣＰに転送
された電荷は、レーザ放電部ＬＤに印加され、レーザ放
電部ＬＤ間の端子電圧ＶＬＤ１が最大値に近い所定値以
上に達するとレーザ放電部ＬＤ間は放電破壊され、図６
（ｂ）に示すように電流ＩＬＤ１が流れる。その後、ピ
ーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとを含む閉
回路では、共振状態となって数回放電が繰り返される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
放電部ＬＤ間を流れる電流ＩＬＤ１の先頭値は非常に大
きな値であり、この大きな先頭値をもつ放電エネルギー
に対応した時間プロファイルでパルスレーザ発振出力も
生じるため、図５に示すパルスレーザ用電源装置を用い
たパルスレーザ装置の共振器を構成する光学素子等の寿
命を低下させるという問題点があった。

【０００８】一方、狭帯域化パルスレーザ装置では、パ
ルスレーザ発振出力されたレーザ光のスペクトル線幅の
狭帯域化が要望されるのは言うまでもなく、高速パルス
レーザ発振を行う場合、共振器の一端部に設けらたグレ
ーティング素子等の波長選択素子の調整のみでは限界が
あるという問題点もあった。

【０００９】特に、半導体露光装置に連続発振パルスレ
ーザ光を用いる場合、高精度で均一な露光を達成するた
めに、スペクトル線幅の狭帯域化が強く要望される。

【００１０】そこで、本発明は、かかる問題点を除去
し、出力パルスレーザ光の狭帯域化を促進し、かつ光学
素子等の長寿命化を促進し、もって安定かつ長時間連続
パルス発振をも実現することができる狭帯域化パルスレ
ーザ装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段および効果】本発明は、充
電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサ
に蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネ
ルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リア
クトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を
介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコン
デンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルス
レーザ用電源手段と、前記レーザ放電部の放電励起によ
って発振したパルスレーザ光を増幅する共振器内の一端
部に該パルスレーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュー
ルを設けるとともに、他端部に該狭帯域化されたレーザ
光を出力する出力ミラーを設けた狭帯域化パルスレーザ
装置本体とを備えた狭帯域化パルスレーザ装置におい
て、前記パルスレーザ用電源手段は、前記レーザ放電部
の放電によって流れるパルスエネルギーを時間的に伸長
するパルス伸長手段を具備したことを特徴とする。

【００１２】本発明では、前記レーザ放電部で放電され
るエネルギー波形を時間的に伸長され、放電励起された
パルスレーザ光も時間的に伸長されるので、前記共振器
内でのパルスレーザ光の往復回数が増大して、狭帯域化
を促進することができる。

【００１３】また、パルスレーザ光の時間的伸長に伴っ
て、パルスエネルギーのピーク値が低下し、狭帯域化モ
ジュール内の光学素子等に与えるダメージを低減できる
ことから、該光学素子等の寿命を延ばすことができ、レ
ーザ部品を交換することなく長期に渡り安定発振を可能
とする。さらに、光学素子等に与えるダメージが低減で
きることは、他の光学素子の選択範囲が広がることにな
り、柔軟性のある設計が可能となり、ひいては小型軽量
化も図ることができる。

【００１４】第１の発明では、前記パルス伸長手段は、
前記最終段のコンデンサと前記レーザ放電部とからなる
最終エネルギー転送閉回路内に直列接続され、該最終段
のコンデンサから該レーザ放電部に転送されるパルスエ
ネルギーを時間的に伸長することを特徴とする。

【００１５】これにより、第１の発明では上述した本発
明と同様な作用効果を奏するとともに、その構成を簡易
に実現することができる。

【００１６】第２の発明では、第１の発明において、前
記パルス伸長手段は、インダクタンス、または並列接続
された抵抗とキャパシタンスとからなる所定の時定数を
有した回路であることを特徴とする。

【００１７】これにより、第２の発明では、第１の発明
を具体的に実現することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施の形態である狭帯域
化パルスレーザ装置の構成を示す図である。図１におい
て、狭帯域化パルスレーザ装置１は例えばエキシマレー
ザ装置であり、レーザチャンバ２は、紙面に垂直な方向
に陽極および陰極が対向して配設された放電電極として
のレーザ放電部ＬＤを有し、レーザチャンバ２内に充填
されたハロゲンガス、希ガス、バッファガス等からなる
レーザ媒質ガスをレーザ放電部ＬＤ間の放電によって励
起させてレーザ発振を行う。

【００２０】レーザチャンバ２の両レーザ出射口にはウ
ィンドウ４が設けられている。また、レーザチャンバ２
のレーザ光出力側にはフロントミラー５が設けられてい
る。

【００２１】狭帯域化モジュール６は、フロントミラー
５に対向するレーザ出射口側に設けられ、この場合、ビ
ーム拡大光学系７と、ミラー９と、角度分散型波長選択
素子であるグレーティング９と、波面調整器１０とで構
成される。

【００２２】従って、フロントミラー５とグレーティン
グ９との間で光共振器が構成されることになる。この場
合、波面調整器１０はグレーティング９をグレーティン
グ９に張り付けられた温調素子によって物理的に曲げる
ことによって、結果的にグレーティング９に入射される
波面を調整する。この波面調整器１０による波面調整を
含むグレーティング９の波長選択調整は、コントローラ
ＣＴの制御のもとに行われ、このコントローラＣＴの制
御は、後述するモニタモジュール２０によるレーザ出力
光のモニタ結果に基づいて行われる。

【００２３】レーザチャンバ２内で発振したレーザ光
は、狭帯域化モジュール６に入射され、ビーム拡大光学
系７に入射されてその放電方向に垂直な方向のビーム幅
に拡大される。さらに、レーザ光はグレーティング９に
入射されて回折されることにより、所定の波長成分のレ
ーザ光のみが入射光と同じ方向に折り返される。グレー
ティング９で折り返されたレーザ光は、ビーム拡大光学
系７でビーム幅が縮小された後、レーザチャンバ２に入
射される。レーザチャンバ２を通過して増幅されたレー
ザ光は、フロントミラー５を介してその一部が出力光と
して取り出されると共に、残りが再度レーザチャンバ２
に戻って増幅される。このようにして、レーザ光が光共
振器すなわちフロントミラー５とグレーティング９との
間を往復する回数をラウンドトリップ数ｎという。

【００２４】一方、レーザ光の出力側には、フロントミ
ラー５から出力されたレーザ光の一部をビームスプリッ
タ１１が設けられ、このビームスプリッタ１１で取り出
されたレーザ光はモニタモジュール２０に入力される。

【００２５】モニタモジュール２０は、入力されたレー
ザ光の線幅、出力強度、必要があればビームプロファイ
ルを検出し、コントローラＣＴに送出し、コントローラ
ＣＴは、この検出結果をもとに狭帯域化モジュール６お
よびパルスレーザ用電源装置４０の制御を行う。

【００２６】ここで、図２および図３を参照して、パル
スレーザ用電源装置４０の構成および動作について説明
する。図２において、このパルスレーザ用電源装置４０
は、図５に示すパルスレーザ用電源装置と同様に、充電
用直流電源４１を有し、スイッチ素子ＳＷと、直列接続
された充電用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＬ１
と転送用のコンデンサＣ１とがこの充電用直流電源４１
に並列接続される。また、直列接続された可飽和リアク
トルＳＬ２およびコンデンサＣ２はコンデンサＣ１に並
列接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクト
ルＳＬ３およびピーキングコンデンサＣＰはコンデンサ
Ｃ２に並列接続される。また、ピーキングコンデンサＣ
Ｐには、並列接続されたレーザ放電部ＬＤおよびコイル
Ｌと、コイルＬ１とが直列接続される。この図２に示す
パルスレーザ用電源装置４０は、図５に示すパルスレー
ザ用電源装置にコイルＬ１を付加した構成であり、これ
が、図１に示すパルス伸長部４２に相当する。

【００２７】図３において、充電用直流電源１によって
印加される直流高電圧によってコンデンサＣ０がゆっく
りと充電され、コンデンサＶＣ０の電圧が＋Ｅボルトま
で充電される。この場合、コイルＬを介した閉回路が直
流的に構成されることになる。スイッチ素子ＳＷのゲー
トＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにす
ると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０
による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設
定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ
１は飽和状態となり、可飽和リアクトルＳＬ１のインダ
クタンスが急激に減少して導通状態となる。この導通状
態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイ
ッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１として流れ、コンデンサ
Ｃ１に転送される。この電流Ｉ１がほぼ流れ切った段階
で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデ
ンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送され
る。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽
和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデン
サＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデン
サＣＰに転送される。ここまでのエネルギー転送動作
は、図５に示すパルスレーザ用電源装置と同じ動作であ
る。

【００２８】その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送
された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤとし
て印加され、印加電圧ＶＬＤが所定電圧になった時点で
レーザ放電部ＬＤは放電破壊し、電流ＩＬＤが急激に流
れ、チャンバ２内のレーザ媒質を放電励起して、パルス
レーザ発振が行われる。

【００２９】この電流ＩＬＤは、コイルＬ１のインダク
タンスによって、パルスストレッチが行われ、時間的に
伸長したパルス電流となって、図６に示すようにコイル
Ｌ１がないときのパルス電流ＩＬＤに比べてピーク値が
低く、平坦な波形となる。但し、コイルＬ１によるエネ
ルギー消費を除けば、全体のエネルギー値は同じであ
る。

【００３０】ここで、このパルス電流ＩＬＤによって放
電励起されたパルスレーザ光は、パルス電流ＩＬＤとほ
ぼ同様な時間波形をもった強度分布をなし、光共振器間
を往復することになるが、例えばエキシマレーザの場
合、１から２回程度の往復を行って出力される。すなわ
ち、ラウンドトリップ数ｎは最大でも数回程度の値とな
り、狭帯域化モジュール６によるレーザ光の狭帯域化に
限度が生じることになる。しかし、このパルスストレッ
チを行って発光したレーザ光は、時間的に伸長されて発
生するため、共振器間におけるレーザ光の往復回数、す
なわち最大ラウンドトリップ数ｎの値が伸長された時間
に対応して大きくなる。この関係は、次式で示される。
すなわち、 Δλｆ＝Δλ／ｎ＾（１／２） である。ここで、Δλｆは最終スペクトル線幅であり、
Δλは共振器内１回の往復によるスペクトル線幅であ
る。また、「＾」はべき乗を示す。

【００３１】従って、最終スペクトル線幅Δλｆは、ラ
ウンドトリップ数の２分の１乗に逆比例して狭くなるこ
とになり、ラウンドトリップ数ｎが増大すればするほ
ど、狭帯域化が図れることになる。

【００３２】この結果、パルスストレッチを行った放電
励起を狭帯域化パルスレーザ装置に適用することによ
り、狭帯域化を一層容易に行うことができる。

【００３３】しかも、パルスストレッチによって、パル
スレーザ光のピーク値も低減されて発光するため、共振
器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメー
ジが小さくなり、光学素子等の長寿命化が促進され、レ
ーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発
振および長期間のパルスレーザ発振を実現することにな
る。また、狭帯域化パルスレーザ装置に用いる光学素子
等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を可能に
することができる。

【００３４】なお、上述した実施の形態では、コイルＬ
１を、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷がレ
ーザ放電部ＬＤに伝達される閉回路上の点Ｐ１に直列配
置する構成を示したが、これに限らず、この閉回路上に
コイルＬ１が配置されれば、この閉回路を流れるパルス
電流ＩＬＤが時間的に伸長されることになるため、この
閉回路上のいずれの位置に配置してもよい。例えば、ピ
ーキングコンデンサＣＰの下部である点Ｐ２、上部であ
る点Ｐ３、レーザ放電部ＬＤのカソード側の点Ｐ５、ア
ノード側の点Ｐ６、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ
放電部ＬＤのカソード側との間の点Ｐ４のいずれの位置
にコイルＬ１を配置してもよく、これらを組み合わせた
コイル配置としてもよいのは言うまでもない。

【００３５】また、例えば図４に示すように、コイルＬ
１の代わりに、コンデンサＣと抵抗Ｒとからなる所定の
時定数をもったパルス伸長回路４２を設けるようにして
もよい。この場合は、抵抗Ｒによるエネルギーロスが少
なからず生じることになる。

【００３６】さらに、上述したパルスストレッチはパル
スストレッチの一例を示したに過ぎず、その他のパルス
ストレッチ回路を適用できるのは言うまでもない。

【００３７】なお、上述した実施の形態におけるスイッ
チ素子ＳＷは、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素
子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲ
ート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジ
スタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用でき
る。

【００３８】また、スイッチ素子ＳＷは、複数のスイッ
チ素子を直列接続した構成として各スイッチ素子にかか
る耐圧を軽減するようにしてもよい。

【００３９】さらに、上述した実施の形態では、まず充
電用コンデンサＣ０に充電するようにしているが、この
充電用コンデンサＣ０を取り除き、充電用直流電源１が
可飽和リアクトルＳＬ１，ＳＬ２を介してコンデンサＣ
１，Ｃ２を直接充電するようにしてもよい。この場合、
コイルＬは取り除かれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である狭帯域化パルスレー
ザ装置の構成を示す図である。

【図２】図１に示すパルスレーザ用電源装置４０の構成
を示す図である。

【図３】図２に示すパルスレーザ用電源装置４０におけ
るエネルギー転送動作を示すタイミングチャートであ
る。

【図４】図１に示すパルスレーザ用電源装置４０の他の
構成を示す図である。

【図５】従来の狭帯域化パルスレーザ装置におけるパル
スレーザ用電源装置の構成を示す図である。

【図６】図５に示すパルスレーザ用電源装置におけるエ
ネルギー転送動作を示すタイミングチャートである。

【符号の説明】

１…狭帯域化パルスレーザ装置 ２…チャンバ ４…ウ
ィンドウ ５…フロントミラー ６…狭帯域化モジュール ７…ビ
ーム拡大系 ８…ミラー ９…グレーティング １０…波面調整器 １１…ビームスプリッタ ２０…モニタモジュール ＣＴ…コントローラ ４０…パルスレーザ用電源装置 ４１…充電用直流電源 ４２…パルス伸長部 ＳＷ…ス
イッチ素子 Ｇ１…ゲート ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル
Ｌ，Ｌ１…コイル Ｃ０…充電用コンデンサ Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ ＣＰ…ピーキングコンデンサ ＬＤ…レーザ放電部 ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣＰ…端子電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F071 AA06 DD08 EE01 GG03 GG05 HH02 HH07 JJ01 JJ03 5F072 AA06 GG03 GG05 HH02 HH07 JJ01 JJ03 JJ12 KK01 KK03 KK05 KK07 KK30 MM08 5H790 BA02 BB08 CC01 DD01 DD04 EA01 EA03 EA13 EA18 EB03 EB06 KK00 KK07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充電用直流電源からの電荷エネルギーを
   充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄
   積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機と
   して、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気
   パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送
   し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部
   に供給するパルスレーザ用電源手段と、 前記レーザ放電部の放電励起によって発振したパルスレ
   ーザ光を増幅する共振器内の一端部に該パルスレーザ光
   を狭帯域化する狭帯域化モジュールを設けるとともに、
   他端部に該狭帯域化されたレーザ光を出力する出力ミラ
   ーを設けた狭帯域化パルスレーザ装置本体とを備えた狭
   帯域化パルスレーザ装置において、 前記パルスレーザ用電源手段は、 前記レーザ放電部の放電によって流れるパルスエネルギ
   ーを時間的に伸長するパルス伸長手段を具備したことを
   特徴とする狭帯域化パルスレーザ装置。
2. 【請求項２】 前記パルス伸長手段は、 前記最終段のコンデンサと前記レーザ放電部とからなる
   最終エネルギー転送閉回路内に直列接続され、該最終段
   のコンデンサから該レーザ放電部に転送されるパルスエ
   ネルギーを時間的に伸長することを特徴とする請求項１
   に記載の狭帯域化パルスレーザ装置。
3. 【請求項３】 前記パルス伸長手段は、 インダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシ
   タンスとからなる所定の時定数を有した回路であること
   を特徴とする請求項２に記載の狭帯域化パルスレーザ装
   置。