JP2017220319A - レーザ駆動光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ容器を透過したレーザ光が、プラズマ容器から発する光と共に出射することを回避することにより、ワークの加工精度や視聴者等の安全性に配慮したレーザ駆動光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】凹面反射鏡４と、凹面反射鏡４の焦点位置に配置されたプラズマ容器２と、プラズマ容器２に対してレーザ光を照射するレーザ源３と、を備えるレーザ駆動光源装置１において、プラズマ容器２が発する光を透過する基板１１と、基板１１上に設けられ、プラズマ容器２が発する光を透過すると共にレーザ光を遮蔽する光線遮蔽層１２とで構成される光線遮蔽部材１０が、プラズマ容器２を透過したレーザ光の光路上に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ駆動光源装置に関し、特に、半導体、液晶基板若しくはカラーフィルタの露光装置やデジタルシネマ用の画像投影装置に使用されるレーザ駆動光源装置に係わるものである。

近年、半導体、液晶基板若しくはカラーフィルタの露光には、入力電力の大きな紫外線光源を使うことにより、処理時間の短縮化や、大面積の被処理物への一括露光等が進められている。また、デジタルシネマ用の画像投影装置の分野においては、スクリーンの輝度を高いものとすることが要求されている。これに伴い、上記用途の光源には、より高輝度の光を放射することが求められている。しかし、プラズマ容器への入力電力を単純に大きくすれば、プラズマ容器の内部に配置された放電用の電極への負荷が増大してその蒸発物が原因となって、プラズマ容器の黒化や短寿命が発生する、といった問題があった。

このような問題に対して、従来から様々な対策が検討されている。例えば、特表２００９−５３２８２９号公報（特許文献１）に示されるレーザ駆動光源装置では、チャンバ（石英バルブ）内に封入されたガスに外部からレーザ光を集光して、レーザ光による励起で封入ガスの高温プラズマを発生させることにより、封入ガスの成分組成に応じたスペクトル分布の安定した発光強度が得られ、更には、発光中心位置が、外部からのレーザ光の焦点位置で定まるために常に安定に維持できる光源として期待されている。

図８、９にその従来技術の概略構造が示されている。 図８において、レーザ駆動光源装置３０は、レーザ源３１と、チャンバ（プラズマ容器）３２とからなり、このチャンバ３２にはこれを取り囲むよう放物面などの凹面反射鏡３３が設けられている。 レーザ源３１からのレーザ光Ｌは、集光光学系３４によって集光されて、凹面反射鏡３３の後部開口に設けられた入射窓３５を介して、チャンバ３２に集光入射する。 これにより、チャンバ３２内にプラズマＰが生成され、封入された水銀やキセノンなどの発光元素が励起されて、該発光元素に応じた波長の励起光ＥＬが放射される。

また、図９には他の実施形態が開示されていて、チャンバ３２には点火源として一対の電極３２ａ、３２ｂが配置されていて、この一対の電極３２ａ、３２ｂ間で予備放電がなされ、ここにレーザ光Ｌが照射されることでプラズマＰが発生するものである。

しかして、これらのレーザ駆動光源装置は、チャンバ内に封入された発光ガスに外部からレーザ光を集光して高温プラズマを生成するものであるが、レーザ光の全てがプラズマの生成に寄与している訳ではなく、チャンバを透過したレーザ光がチャンバから発した励起光と共にそのまま出射されることが頻繁にあった。 そして、このチャンバを透過したレーザ光の強度は、チャンバから発する励起光に対して無視することができない位に高いことが確認された。しかしながら、上記のレーザ駆動光源装置においては、高温プラズマの生成に寄与することなくチャンバを透過したレーザ光についての対策が検討されていなかった。

そのため、上記のレーザ駆動光源装置を露光装置若しくは画像投影装置における光源として使用した場合は、チャンバを透過したレーザ光がチャンバから発した励起光と共に出射されることにより、例えば半導体基板等のワークの加工精度が低下したり、あるいは、光学部品に対して悪影響を与えたり、更には、視聴者および作業者の皮膚や目にとって有害であったりする、といった問題があった。

特表２００９−５３２８２９号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、レーザ源と、該レーザ源からのレーザ光が入射されてプラズマを生成するプラズマ容器とを備えたレーザ駆動光源装置において、プラズマ容器を透過したレーザ光が、プラズマ容器から発する励起光と共にそのまま出射されてしまうことを防止することにより、ワークの加工精度や視聴者等に安全性に配慮したレーザ駆動光源装置を提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、この発明に係わるレーザ駆動プラズマ容器は、プラズマ容器が発する励起光を透過し、レーザ光を遮蔽する光線遮蔽部材が、前記プラズマ容器を透過したレーザ光の光路上に配置されていることを特徴とする。 また、前記光線遮蔽部材が、前記プラズマ容器が発する励起光を透過する基板と、該基板上に形成され、前記励起光を透過すると共に前記レーザ光を遮蔽する光線遮蔽層とで構成されていることを特徴とする。 また、前記光線遮蔽層が、前記基板の両面に形成されていることを特徴とする。

また、前記光線遮蔽層は、前記レーザ光の透過率が０．１％以下であることを特徴とする。 また、前記プラズマ容器が管球形状であり、該プラズマ容器を取り囲む凹面反射鏡が設けられていることを特徴とする。 また、前記プラズマ容器が、凹面反射面を有する本体と、該本体の後方開口に設けられた入射窓と、前記本体の前方開口に設けられた出射窓とからなり、前記本体と前記入射窓と前記出射窓によって密閉空間が形成されていることを特徴とする。

本発明においては、プラズマ容器を透過したレーザ光の光路上に光線遮蔽部材を備えているので、プラズマ容器から発せられた励起光は透過し、プラズマ容器を透過したレーザ光を遮蔽することができる。 したがって、プラズマ容器を透過したレーザ光がプラズマ容器から発する光と共にそのまま出射することが防止されるので、半導体基板などのワークの加工精度を低下させることがなく、また、視聴者および作業者の安全性が高いものとなる。また、１枚の基板の両面に光線遮蔽層を形成することで、簡単な構造の光線遮蔽部材によって効率的なレーザ光遮断効果が期待できる。

本発明の第１実施例の概略図。 図１のＡ部拡大図。 本発明の第２実施例の概略図。 本発明の第３実施例の概略図。 本発明の第４実施例の概略図。 本発明の第５実施例の概略図。 本発明の第６実施例の概略図。 従来例１の概略図。 従来例２の概略図。

図１は、本発明のレーザ駆動光源装置の第１実施例の構成の概略を示す図である。 レーザ駆動光源装置１は、プラズマ容器２と、該プラズマ容器２にレーザ光Ｌを照射するレーザ源３とからなり、プラズマ容器２にはこれを取り囲むように放物面形状や楕円面形状などの凹面反射鏡４が設けられている。なお、このプラズマ容器２は、種々の形態を採用できるが、この実施例では、管球形状をしている。ここで、管球形状とは、ランプ技術における、略球形状や略楕円回転体形状などの発光管形状を意味する。 この管球形状のプラズマ容器２は、例えば、石英ガラスからなり、その内部には発光媒体として、例えば、希ガス、水銀等が封入されている。これらの発光媒体は、使用波長に応じて適宜に選択される。 また、このプラズマ容器２は、その中心点が前記凹面反射鏡４の焦点Ｆに位置するように配置されることが好ましい。

そして、前記凹面反射鏡４の光軸（回転中心軸）は、前記レーザ光Ｌの光路と一致しており、この凹面反射鏡４には、レーザ光Ｌが入射する後方開口４ａと、プラズマ容器２から発せられる励起光ＥＬが出射する前方開口４ｂが形成されている。 このプラズマ容器４の後方開口４ａには入射レンズ（入射窓）５が設けられており、レーザ源３からのレーザ光Ｌが、集光レンズ７によって集光され、更にこの入射レンズ５によって集光されてプラズマ容器２に入射する。このとき、プラズマ容器２内で集光するレーザ光Ｌの焦点は、前記凹面反射鏡４の焦点Ｆと一致するように配置されている。なお、前記入射レンズ５と集光レンズ７とは、いずれか一方を省略することもできる。

レーザ源３としては、パルス駆動、ＣＷ駆動、あるいはそれらを併用する駆動方式のレーザ光を使用することができる。 また、レーザ源３は、プラズマ容器２から発する励起光ＥＬのうち、主用途の波長以外の波長域にピークを有するレーザ光Ｌを発する。例えば、励起光ＥＬとして、プラズマ容器２が水銀の発光である波長３６５ｎｍの紫外光を発する場合は、レーザ源３から発するレーザ光Ｌの波長は、３６５ｎｍ以外であることが好ましく、例えば、８０９ｎｍ、または１μｍ以上の赤外波長域にピークを有するものである。

そして、前記凹面反射鏡４の光軸、即ち、レーザ光Ｌの光路上の前方には、光線遮蔽部材１０が配置されている。この光線遮蔽部材１０は、図２に詳細が示されるように、プラズマ容器２から発した励起光ＥＬを透過する透光性材料（例えば、石英ガラス、フッ化マグネシウムあるいはサファイア）からなる平板状の基板１１と、該基板１１上に形成された誘電体多層膜よりなる光線遮蔽層１２とで構成されている。 この光線遮蔽層１２は、誘電体多層膜における積層数および材質をそれぞれ適宜選択することにより、プラズマ容器２から発した励起光ＥＬを透過し、プラズマ容器２を透過したレーザ光Ｌａを反射する特性を有する。 ここで、光線遮蔽層１２を構成するそれぞれの誘電体多層膜は、レーザ光Ｌａの透過率が０．１％以下となるように積層数および材質がそれぞれ適宜選択されていることが好ましい。

図３に、光線遮蔽部材１０に関して第２実施例が示されていて、この実施例では、光線遮蔽層１２、１２が、基板１１の両面に形成されている。こうすることで、１枚の光線遮蔽部材１０という簡単な構造で極めて有効な光線遮蔽機能が期待できる。 光線遮蔽層１２のレーザ光の透過率を０．１％とした場合、両面で２度の遮蔽機能を受けるため、全体の透過率は、０．０１％となり、非常に高い程度でのレーザ光の遮蔽が可能となる。

図１において、レーザ源３は、凹面反射鏡４の後方開口４ａに固定された入射レンズ（入射窓）５に向けてレーザ光Ｌを発する。このレーザ光Ｌは、入射レンズ５により集光され、凹面反射鏡４の焦点位置Ｆに配置されたプラズマ容器２に照射される。このプラズマ容器２の容器内に封入された発光媒体は、レーザ光Ｌによって励起され、高温プラズマＰを生成する。 高温プラズマＰによって発光媒体が励起され、その励起光ＥＬはプラズマ容器２を出射し、凹面反射面４によって反射され、凹面反射鏡４の光軸と平行となって前方開口４ｂから外部に向けて出射して、凹面反射鏡４の光軸上（レーザ光Ｌの光路上）に配置された光線遮蔽部材１０に入射する。この光線遮蔽部材１０は励起光透過性であることから、プラズマ容器２からの励起光ＥＬは、この光線遮蔽部材１０を透過して、該光線遮蔽部材１０の先に位置する光学素子１４に入射する。

以上のように、レーザ光Ｌは、プラズマ容器２内でプラズマＰの生成を行うが、そのすべてがプラズマ生成に寄与するわけではなく、その一部はそのままプラズマ容器２を透過する。このプラズマ容器２を透過したレーザ光Ｌａは、図２に示すように、励起光ＥＬとともに、前記光線遮蔽部材１０に入射する。 ここで、このレーザ光Ｌａは、光線遮蔽層１２によって９９．９％以上が反射され、透過するレーザ光は殆どない。なお、ここで、図３に示す第２実施例のように、基板１１の両面に光線遮蔽層１２，１２を形成したものを採用すれば、更に遮蔽率が高まり、透過量は０．０１％以下となり、実質的に０％となって、先に位置する光源素子１４にダメージを与えることがない。 なお、ランプ１を透過したレーザ光Ｌａが出射する場所は特定の場所に決定されるため、光線遮蔽層１２は、ランプ１を透過したレーザ光Ｌａが入射する部位のみに対応するように設けることができる。

このように、光線遮蔽部材１０の光路上の先方に位置する光学素子１４に対して、実質的にプラズマ容器２から発した励起光ＥＬのみを照射することができる。 したがって、本実施例の光源装置を露光装置若しくは画像投影装置の光源として使用した場合は、半導体基板等のワークの加工精度が高いものとなり、また、視聴者の目や皮膚の安全を確保することができる。

図４に示す第３実施例では、プラズマ容器２にレーザ光Ｌを照射するレーザ源３の配置が、図１の第１実施例とは異なる。 即ち、この実施例では、レーザ源３は、凹面反射鏡４の前方４ｂ側に位置していて、当該前方開口４ｂからプラズマ容器２にレーザ光Ｌを照射するものである。その他の構成については、凹面反射鏡４の後方開口４ａに設けられた入射レンズ５が取り付けられていないことを除いて、図１の第１実施例と同様である。

また更に、図５に示す第４実施例では、光線遮蔽部材１０はレーザ光Ｌの光路上において、該光路に対して傾斜して設けられている。レーザ源３からのレーザ光Ｌは、一旦、光線遮蔽部材１０に照射される。レーザ光Ｌはここで反射されて、光路を変更されて、凹面反射鏡４に入射する。そして、この凹面反射鏡４によって反射されてその焦点位置Ｆに集光する。つまり、プラズマ容器２の中心位置に集光する。 前記図１の第１実施例と同様に、プラズマ容器２内では集光するレーザ光によりプラズマＰが生成され、発生した励起光ＥＬは、凹面反射鏡４の前方開口４ｂから外部に放射される。

一方、凹面反射鏡４により反射されてプラズマ容器２に入射したレーザ光Ｌは、その一部Ｌａがプラズマ容器２を透過し、凹面反射鏡４により反射されて前方開口４ｂから外部に出射される。 こうして、プラズマ容器２から出射した励起光ＥＬとレーザ光Ｌａは、ともに光線遮蔽部材１０に至る。 ここで、励起光ＥＬはそのまま当該光線遮蔽部材１０を透過し、レーザ光Ｌａは反射され、励起光ＥＬのみが後置された光学素子に至るものである。

図６、７には、プラズマ容器２が管球形状以外の構造を持つ実施例が示されている。
図６の第５実施例においては、プラズマ容器２は、凹面反射鏡４と、この後方開口４ａに設けられた入射窓５と、前方開口４ｂに設けられた出射窓６とから構成されていて、これら凹面反射鏡４と、入射窓５と、出射窓６とによって密閉空間が形成されていて、この密閉空間内に発光媒体が封入されている。 不図示のレーザ源からのレーザ光Ｌは、入射窓５からプラズマ容器２内に入射し、凹面反射鏡４の焦点Ｆ位置に集光する。ここで生成されたプラズマＰが発光媒体を励起して励起光ＥＬを生成し、この励起光ＥＬは出射窓６から外部に出射する。 同時に、プラズマ容器２を透過したレーザ光Ｌａも励起光ＥＬと共に出射する。これらの励起光ＥＬとレーザ光Ｌａが、プラズマ容器２の先に配置された光線遮蔽部材１０によって、一方の励起光ＥＬが透過し、他方のレーザ光Ｌａが反射されることは、上記実施例と同様である。

図７には、管球形状以外の構造を持つ他のプラズマ容器の実施例が示されている。
図７は第６実施例の断面図であり、プラズマ容器２は、円柱形状の本体２０を有しており、その内面に凹面反射面２１が形成されている。この凹面反射面２１は、楕円形状、放物面形状等適宜に選択される。
本体２０には後方開口２０ａと前方開口２０ｂが形成されていて、後方開口２０ａに対応して入射窓２２が設けられ、前方開口２０ｂに対応して出射窓２３が設けられている。
そして、本体２０の後方開口２０ａに対応した入射窓２２は、金属製の窓枠部材２４に装着されていて、この窓枠部材２４が、金属筒体２５によって本体２０に取り付けられている。これら本体２０と、入射窓２２と、出射窓２３とによって密閉空間が形成されていて、この密閉空間内に発光媒体が封入されている。

上記構成のプラズマ容器２における凹面反射面２１の光軸（回転中心軸）は、レーザ源（不図示）からのレーザ光Ｌの光軸と一致している。
レーザ源からのレーザ光Ｌは集光されつつ、プラズマ容器２の入射窓２２から入射して、凹面反射面２１の焦点位置Ｆに集光する。これにより当該焦点位置Ｆを中心としてプラズマＰが生成され、発光媒体が励起されて生じる励起光ＥＬは、凹面反射面２１により反射されて、出射窓２３から外部に出射されていく。
この実施例においても、励起光ＥＬと、プラズマ容器２を透過した透過レーザ光Ｌａが、プラズマ容器２の先に配置された光線遮蔽部材１０によって、一方の励起光ＥＬが透過し、他方のレーザ光Ｌａが反射されることは、上記実施例と同様である。

上記のように、この第５実施例では、プラズマ容器２を、本体部２０と入射窓２２と出射窓２３とで構成することで、本体２０はセラミックス材料や、アルミニウムなどの金属材料を採用でき、また、入射窓２２はレーザ光透過性であり、出射窓２３は励起光透過性であって、ともに水晶やサファイアなどの結晶材を採用できる。 このように、これら本体部２０や入射窓２２や出射窓２３に石英ガラス以外のセラミックスや金属を使用することができ、プラズマからの高出力のＵＶ光やＶＵＶ光の照射を受けても、プラズマ容器２に紫外線ひずみが生じることがないという利点がある。

以上説明したように、本発明のレーザ駆動光源装置によれば、高温プラズマの生成に寄与することなくプラズマ容器を透過したレーザ光が、その光路上に配置された光線遮蔽部材に反射されることにより減衰するので、光線遮蔽部材の先に配置される光学素子に殆ど入射することがない、といった効果を期待することができる。

１ レーザ駆動光源装置 ２ プラズマ容器 ３ レーザ源 ４ 凹面反射鏡 ４ａ 後方開口 ４ｂ 前方開口 ５ 入射窓 ６ 出射窓 １０ 光線遮蔽部材 １１ 基板 １２ 光線遮蔽層 １４ 光学素子 ２０ 本体 ２０ａ 後方開口 ２０ｂ 前方開口 ２１ 凹面反射面 ２２ 入射窓 ２３ 出射窓 ２４ 窓枠部材 ２５ 金属筒体 Ｌ レーザ光 Ｌａ （透過）レーザ光 ＥＬ 励起光 Ｐ プラズマ Ｆ 焦点

Claims (6)

1. レーザ源と、該レーザ源からのレーザ光が入射されてプラズマを生成するプラズマ容器と、を備えたレーザ駆動光源装置において、 前記プラズマ容器が発する励起光を透過し、前記レーザ光を遮蔽する光線遮蔽部材が、前記プラズマ容器を透過したレーザ光の光路上に配置されていることを特徴とするレーザ駆動光源装置。
2. 前記光線遮蔽部材が、前記プラズマ容器が発する励起光を透過する基板と、該基板上に形成され、前記励起光を透過すると共に前記レーザ光を遮蔽する光線遮蔽層とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源装置。
3. 前記光線遮蔽層が、前記基板の両面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ駆動光源装置。
4. 前記光線遮蔽層は、前記レーザ光の透過率が０．１％以下であることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ駆動光源装置。
5. 前記プラズマ容器が管球形状であり、該プラズマ容器を取り囲む凹面反射鏡が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ駆動光源装置。
6. 前記プラズマ容器が、凹面反射面を有する本体と、該本体の後方開口に設けられた入射窓と、前記本体の前方開口に設けられた出射窓とからなり、前記本体と前記入射窓と前記出射窓によって密閉空間が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ駆動光源装置。

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