JP2018037276A - レーザ駆動ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電媒体が封入されたプラズマ容器と、プラズマ容器内に互いに対向して配置され、前記放電媒体中で予備放電を生成させる一対の電極とを備え、レーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動ランプにおいて、前記放電媒体としてアルゴンガスと水銀を封入したときに、確実な始動を確保できるとともに、より長寿命のレーザ駆動ランプを提供するものである。【解決手段】前記プラズマ容器には、放電媒体としてアルゴンガスと水銀が封入されており、前記一対の電極には始動開始時にのみ交流の高電圧が印加されることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザ駆動ランプに関するものであり、特に、内部に一対の電極を有するプラズマ容器内にレーザ光を照射するレーザ駆動ランプに係わるものである。

近年、半導体、液晶基板およびカラーフィルタ等の被処理物の製造工程の紫外線光源として、また、半導体検査装置用の紫外線光源として、レーザ駆動光源が提案されている。特表２００９−５３２８２９号公報（特許文献１）がその一例であって、点光源管球（プラズマ容器）内において電極間で放電してプラズマを発生させ、そのプラズマにレーザ光を照射することによって、連続的な高輝度光を発生させるレーザ駆動光源である。

特許文献１には、図５に示すように、希ガス、水銀等のイオン性媒体が封入されたチャンバ（管球）２１と、該チャンバ２１内のイオン性媒体をイオン化するための点火源である一対の電極３２、３３と、連続またはパルス状のレーザエネルギーを照射するレーザ源２４とを備えるレーザ駆動光源２０が開示されている。
該レーザ源２４は、光ファイバ２６を介してレーザ光２５を出力するダイオードレーザである。該光ファイバ２６は、レーザ光２５を実質的に互いに平行にするためのコリメータ２７にレーザ光２５を供給する。次いで、コリメータ２７はビームエキスパンダ２８にレーザ光２５を向ける。ビームエキスパンダ２８は、レーザ光のサイズを拡大してレーザ光を生成する。また、ビームエキスパンダ２８は、光学レンズ２９にレーザ光を向ける。光学レンズ２９は、チャンバ２１のうちのプラズマ３０が存在する領域に向けられる小径レーザ光を生成するためにレーザ光２５を集光する。

このレーザ駆動光源２０は、アノード３２およびカソード３３からなる点火源によってチャンバ２１内で予備放電を発生させてイオン性媒体をイオン化し、次いで、イオン化された媒体にレーザエネルギーを供給して高輝度光３１を発生するプラズマ３０を維持または生成するものである。
このように、このレーザ駆動光源のランプを始動させるときは、レーザ光を照射した状態で、放電空間内に対向して配置された電極３２、３３間に直流の高電圧パルスを印加し（ＤＣイグナイタ）、絶縁破壊させる。次いで、約２ミリ秒程度の間、約１〜５アンペアのＤＣ電流(起動電流)を供給し、この期間中、レーザ光を照射する。その後、起動電流の供給を停止し、レーザ光によりエネルギーを供給することで、プラズマを維持するものである(特許文献1、段落０２０２)。

ところで、このようなランプには、従来、封入ガスとして、深紫外から近赤外までの範囲の光を放出できるキセノンガスが封入される。
このような光源を半導体検査装置用として利用する場合、用途によって波長の範囲を選択して使用される。例えば、マスクパターンの検査装置では１９０〜２６０ｎｍが選択され、膜厚測定においては２５０〜８００ｎｍが選択される。
これら検査装置は、検査時間をより短縮させることが性能価値の一つとして挙げられており、それを実現するために光源には光の強度の向上が求められている。
同じレーザパワーにおいて、例えば、１９０〜２６０ｎｍの範囲の光の強度を上げようとすれば、従来のキセノンガス（Ｘｅ）に替え、アルゴンガス（Ａｒ）を封入して封入圧を上げたほうが、プラズマの発光効率が上がることが知られている。
このように封入ガスをアルゴンガスに変更すれば、図３に示すように、プラズマの発光効率は向上する。しかし、同時にプラズマからは１９０ｎｍ以下のＶＵＶ光も放射されており、アルゴンはキセノンよりも短波長側に発光が多く、しかも光量も多い。そのため、封入ガスとしてアルゴンガスを封入した場合、バルブ内面は従来のキセノンガスよりも高いエネルギーのＶＵＶ光に曝されることになる。

ＶＵＶ光は、ガラスにＥプライムセンターやＮＢＯＨセンターといった欠陥を生成する。それらの欠陥は、２００〜２５０ｎｍの波長を吸収する特性があるため、点灯後早い時間で欠陥量が増えてしまい、１９０〜２６０ｎｍの光量維持率寿命が短くなるという欠点がある。
その欠点を補うため、アルゴンガスに加えて、水銀や、ハロゲン化水銀、酸素など、真空紫外域に吸収のある物質を添加することが行われる。これらの物質によってプラズマから放射されるＶＵＶ光を吸収させ、ガラスに到達するＶＵＶ光の量を減らすことにより、ガラスの欠陥生成を抑制しようとするためである。

しかしながら、アルゴンガスと水銀を封入した場合、従来のＤＣイグナイタでは、始動しにくいということが分かった。
ガスを封入したランプに従来のＤＣ方式のイグナイタで絶縁破壊させると、絶縁破壊した瞬間は、直線的な放電が発生する。
従来のキセノンガスを封入したランプであれば、電極間に発生した直線的な放電が維持され、この放電の経路とレーザ光の集光点が交差することにより、ランプが始動する。
これに対して、アルゴンガスと水銀を封入したランプの場合、絶縁破壊した瞬間は、図４（Ａ）に示すように、電極間には直線的な放電Ｙが発生するものの、瞬時に図４（Ｂ）に示すように、放電の経路Ｙが湾曲した状態や、図４（Ｃ）に示すように、放電Ｙが拡散した状態が発生し、それが維持されてしまうことが分かった。

図４（Ｂ）のように、放電の経路Ｙが湾曲したまま維持されてしまうと、放電の経路Ｙがレーザ光の集光点Ｘと交差しないため始動できない。
また、図４（Ｃ）のように、放電が拡散した状態のまま維持されてしまうと、拡散した部分は電離している粒子の密度が小さいため、放電の経路Ｙがレーザ光の集光点Ｘと交差してもプラズマが成長しにくく始動困難となる。
このように、ランプにアルゴンガスと水銀を封入した場合に陽光柱（放電）の湾曲や拡散が起こりやすい理由は、アルゴンの準安定準位と水銀の電離電圧が近いため、絶縁破壊した瞬間のアルゴン主体の陽光柱のエネルギーでその周囲の水銀が電離される結果、陽光柱が湾曲したり拡散したりし易くなるためと考えられる。

また、特許文献１のように、絶縁破壊させた後に、電極間に一定期間だけＤＣ電流を流し続けて始動する方法では、電極の先端を大型にして熱負荷を緩和せねばならないが、電極によりプラズマからの励起光を遮ることになり、光の利用率が低下する。電極を細くすれば、その先端が電流により加熱、損耗し、発光管の早期黒化の原因となる。

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、放電媒体が封入されたプラズマ容器と、プラズマ容器内に互いに対向して配置され、前記放電媒体中で予備放電を生成させる一対の電極とを備え、レーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動ランプにおいて、前記放電媒体としてアルゴンガスと水銀を封入したときに、確実な始動を確保できるとともに、より長寿命のレーザ駆動ランプを提供するものである。

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ランプは、前記プラズマ容器には、放電媒体としてアルゴンガスと水銀が封入されており、前記一対の電極には始動開始時にのみ交流の高電圧が印加されることを特徴とする。
また、前記電極間には、交流の高電圧の印加後に、起動電流を流さないことを特徴とする。

本発明によれば、アルゴンガスと水銀を封入したレーザ励起ランプにおいて、始動時に電極間に交流の高電圧を印加することにより、ＤＣイグナイタを用いたときに放電の経路の湾曲や拡散が発生する場合であっても、このような湾曲や拡散の状態を維持する前に放電を休止させ、間欠的に複数回、放電の経路を発生させることができる。
このため、放電の経路とレーザ集光点が交差する機会を増やすことができ、確実な始動特性を確保することができる。
また、交流の高電圧の印加後に、起動電流を流さないので、電極先端が不必要に加熱されることがなく、発光管の早期の黒化を防止できる。

本発明のレーザ駆動ランプの断面図。 本発明における電極間の放電の説明図。 ＡｒとＸｅの発光波長の説明図。 従来例における電極間の放電の説明図。 従来のレーザ駆動ランプの説明図。

図１に本発明のレーザ駆動ランプ１の全体構造が示されていて、発光部（プラズマ容器）２内には対向する一対の電極３、４が配置されていて、この発光部２には、その両端に延びる封止部５、５が設けられている。電極３、４は、金属箔６、７によって封止部５、５内で封止されている。
プラズマ容器である発光部２は、石英ガラス、水晶、サファイアなどを使用することができ、２００ｎｍ以下の真空紫外光を利用する場合は、合成石英ガラスを使用することができる。
そして、この発光部２内には放電媒体として、アルゴンガス（Ａｒ）と水銀（Ｈｇ）とが封入されている。また更に、ＶＵＶ光の吸収のためにハロゲンガスを封入することもある。

アルゴンガスを入れる理由は、前述したように、レーザ駆動ランプの大光量化の開発がすすめられており、ＵＶ光量をアップさせるためには、封入物をキセノンガスからアルゴンガスに変更することが必要であって、キセノンガスよりもアルゴンガスのほうが、同じレーザパワーで高いＵＶ光量を得ることができるからである。
しかしながら、アルゴンガスによりプラズマのＵＶ発光量が増えると、プラズマ容器のガラス内面の欠陥生成を助長する不要なＶＵＶ量も増え、所望の波長帯の透過率劣化が増加する。
その透過率劣化を軽減するため、水銀やヨウ化水銀をアルゴンガスとともに封入している。これらは動作中に不要なＶＵＶ光をランプ内で吸収する作用として働く。
このような封入物質は必要な吸収波長域によって選択して使用される。

このような構成のレーザ駆動ランプ１の電極３、４間には、始動時にのみ交流の高電圧が印加される。そして、この交流高電圧の印加後には、起動電流を流すことはしない。

図２に示すように、この交流の高電圧の印加により、電極３、４間では幾通りもの直線的な放電の経路Ｙが形成され、電極間に集光するレーザ光の集光点Ｘが、この放電経路Ｙに交差する機会が多くなり、集光点Ｘと放電経路Ｙが一致したとき、プラズマが形成される。こうしてプラズマが形成されて点灯が開始されると、交流の高電圧の印加が停止され、その後、起動電流が流されることはなく、レーザ光によりプラズマの維持がなされる。
プラズマが形成され、これが維持されると、真空紫外から赤外まで広がりをもつ光が出射される。用途により適宜範囲の波長の光が利用され、分析用、半導体の検査用には、例えば、波長１９０〜２６０ｎｍの範囲の光が利用される。

上記のように、この発明のレーザ駆動ランプでは、プラズマ容器には、放電媒体としてアルゴンガスと水銀が封入され、プラズマ容器内の一対の電極には始動開始時にのみ交流の高電圧が印加されることから、電極間に幾通りの多数の放電経路が形成され、この放電経路とレーザ光の集光点とが一致する可能性が向上して、プラズマの形成が的確に開始される。プラズマの形成がなされると、その後は起動電流を流すことなく、レーザ光によりプラズマが維持される。

１ レーザ駆動ランプ
２ プラズマ容器（発光部）
３、４ 電極
５ 封止部
６、７ 金属箔
Ｘ レーザ光の集光点
Ｙ 放電経路

Claims (2)

1. 放電媒体が封入されたプラズマ容器と、プラズマ容器内に互いに対向して配置され、前記放電媒体中で予備放電を生成させる一対の電極とを備え、レーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動ランプにおいて、
   前記プラズマ容器には、放電媒体としてアルゴンガスと水銀が封入されており、前記一対の電極には始動開始時にのみ交流の高電圧が印加されることを特徴とするレーザ駆動ランプ。
2. 前記電極間には、交流の高電圧の印加後に、起動電流を流さないことを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動ランプ。
   
   
   

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