JP2018060640A - レーザ駆動光源 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ源と、該レーザ源からのレーザ光を集光する集光手段と、集光された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有し、該プラズマ容器内に生じるプラズマからの励起光を凹面反射面から出射するレーザ駆動光源装置において、レーザ源からのレーザ出力が変動した場合にあっても、凹面反射面からの出射光に所定の光量が得られるようにした構造を提供しようとするものである。
【解決手段】前記凹面反射面の焦点が、前記レーザ光の集光点に対し、前記凹面反射面の光軸上において、前記レーザ源側に離隔して位置していることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ駆動光源に関するものであり、特に、プラズマ容器に生成したプラズマからの放射光を凹面反射面から出射するレーザ駆動光源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においては、より出力の大きな紫外線光源が求められている。そしてこのような紫外線光源として、従来の高圧放電ランプに代えて、レーザにより放電空間にエネルギーを投入し、発光ガスを励起して紫外線放射を得る技術が提案されている。特表２００９−５３２８２９号公報（特許文献１）がそれである。

特許文献１には、図８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）５１と、該チャンバ５１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６２、６３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５４とを備えるレーザ駆動光源５０が開示されている。
レーザ源５４から出射されたレーザ光５５は、光ファイバ、光学レンズ等を介して、チャンバ５１の内のプラズマが存在する領域に集光される。
このレーザ駆動光源５０は、アノード６２およびカソード６３からなる点火源によってチャンバ５１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６１を発生するプラズマ６０を維持または生成するものである。
しかして、この光源では、プラズマの温度が放射および他のプロセスによってバランスされるまで上昇し、１００００Ｋ〜２００００Ｋという極めて高温になり、高温プラズマから放射される短波長の紫外線エネルギーが増加するものである。

ところで、このようなレーザ駆動光源では、その用途に応じて発生する高輝度光の出力を調整するために、レーザ光５５の出力を調整する必要がある。レーザ光の出力の調整は、レーザ源５４への入力電力（Ｗ）を適宜調整することで行われる。
ところが、このようにレーザ源５４への入力電力（Ｗ）を調整すると、チャンバ５１内に生成されるプラズマ６０の大きさが変動することが判明した。以下説明する。

まず、レーザ光を集光することについて考察する。
図５に示すように、入射するレーザ光のパワーをＱ(仕事率の単位、例えばＷ)、レーザ光の断面積をＡ(面積の単位、例えばｍｍ^２)として、レーザパワー密度(例えばＷ／ｍｍ^２)ρ＝Ｑ／Ａとすると、レーザ光の断面積は集光点Ｃに向かって小さくなっていくため、レーザパワー密度は徐々に増加し、集光点において最大となる。集光点から離れるにつれて、レーザ光の断面積Ａが大きくなるため、レーザパワー密度集光点は低下する。

次に、発光ガスにレーザ光を集光させ、プラズマを生成させることを考える。
レーザ光によるプラズマＰは、レーザパワー密度がある値ρth以上で発生し、ρth以下では消滅する。つまり、しきい値ρth（Ｗ／ｍｍ^２）が存在する。
図６に概念的に示すように、レーザ光は集光点Ｃに向かうに従って断面積Ａが小さくなっていくため、レーザパワー密度ρは増加し、ある位置でしきい値ρthに到達する。
さらにレーザ光が進行した位置では、レーザ光のエネルギーがプラズマ内で吸収されながら伝搬する。このため、入射するレーザ光のパワーＱが減少し、レーザパワー密度も低下する。レーザパワー密度が、ρth以下になると、プラズマは消滅する。
プラズマの消滅する位置(プラズマ終端)は、多くの場合、ほぼレーザ光の集光点Ｃの位置となる。集光点Ｃを越えるとレーザ光の断面積Ａが増加に転じ、レーザパワー密度は減少する一方となる。

図７に示すように、入射するレーザ光のパワーが小さい場合（Ａ）、しきい値ρthを超える位置はレーザの集光点Ｃの位置に極めて近く、プラズマＰも小さい。
そのため、プラズマ発光の中心位置（Ｘ_０）は、実用上はほとんど集光点Ｃに一致するといって差し支えない。
一方、レーザ光のパワーが大きい場合（Ｂ）、レーザパワー密度がしきい値ρthを超える位置は、レーザ光のパワーが弱い場合に比べて、レーザ光源側（レーザ光の進行方向で上流側）に位置することになる。
そのため、プラズマＰはレーザ光源側に大きく伸びて大きくなる。この時、集光点Ｃの位置は変わらないため、プラズマ発光の中心位置（Ｘ_１）は、レーザ光源側に移動することになる。

プラズマからの励起光を反射鏡によって出射するレーザ駆動光源においては、多くの場合、レーザ光の集光点の位置と反射鏡の焦点の位置は一致させてあるため、レーザ光の出力（パワー）を変更すると、プラズマの大きさが変動し、プラズマ発光の中心位置が反射鏡の焦点からずれてしまい、反射鏡からの出射光が減少して所定の光量が得られなくなるという問題がある。

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、レーザ源と、該レーザ源からのレーザ光を集光する集光手段と、集光された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有し、該プラズマ容器内に生じるプラズマからの励起光を凹面反射面から出射するレーザ駆動光源において、レーザ源からのレーザ出力が変動した場合にあっても、凹面反射面からの出射光に所定の光量が得られるようにした構造を提供しようとするものである。

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光源は、前記凹面反射面の焦点が、前記レーザ光の集光点に対し、前記凹面反射面の光軸上において、前記レーザ源側に離隔して位置し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。

また、前記プラズマ容器は、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、前記レーザ光の出力に応じて、前記凹面反射面の焦点が、前記レーザ光の集光点に対し、前記凹面反射面の光軸上において、前記レーザ源側に離隔して位置するように制御することを特徴とする。
また、前記凹面反射面からの出射光の強度に応じた信号を出力する光検出部を有し、前記凹面反射面の焦点と前記レーザ光の集光点とを相対的に移動させて前記信号が最大になるように制御する制御部を有することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ源からのレーザ光の出力に応じて、凹面反射面の焦点位置を前記レーザ光の集光点から、前記凹面反射面の光軸上で前記レーザ源側に離隔して位置しているので、前記凹面反射面からの出射光に所定の光量が得られるという効果を奏する。
また、凹面反射面からの出射光の強度に応じて、前記凹面反射面の焦点と前記レーザ光の集光点とを相対的に移動させて、出射光の強度が最大となるように制御するので、レーザ光の出力が変動した場合にあっても、常に適正な出射光強度が得られるものである。

本発明の第１の実施例の断面図（Ａ）、その要部拡大図（Ｂ）。 第２の実施例の断面図。 第３の実施例の断面図。 制御部を備えたレーザ駆動光源。 集光レーザ光のパワー密度の説明図。 レーザ光パワー密度とプラズマ生成の説明図。 レーザ光の出力変動によるプラズマの挙動説明図。 従来のレーザ駆動光源の説明図。

図１に本発明のレーザ駆動光源１が示されていて、レーザ駆動光源１は、プラズマ容器２と、レーザ源３と、集光光学系（集光レンズ）４とからなる。レーザ源３からのレーザ光Ｌは、集光レンズ４により集光されてプラズマ容器２内に入射する。
プラズマ容器２は、円柱形状の本体５を有しており、その内面に凹面反射面６が形成されている。この凹面反射面６は、出射光を集光光とするか、平行光とするかに応じて、楕円形状、放物面形状等適宜に選択される。また、この凹面反射面６は、本体５の凹面部にアルミニウムなどが蒸着された金属蒸着膜や、あるいは、誘電体多層膜によって形成されている。
本体５には後方開口５ａと前方開口５ｂが形成されていて、後方開口５ａに対応して入射窓７が設けられ、前方開口５ｂに対応して出射窓８が設けられている。なお、ここで、後方とは、レーザ光Ｌの進行方向で手前側（上流側あるいはレーザ源側）をいい、前方とは、レーザ光Ｌの進行方向で先方側（下流側あるいは反レーザ源側）をいう。

そして、本体５の後方開口５ａに対応した入射窓７、および、前方開口５ｂに対応した出射窓８は、それぞれ、金属製の弾性的なリング部材１０、１２と銀ロウなどのロウ付けにより接合され、一方、本体５の外周面の前後端部にはそれぞれ金属製の窓取付け筒体１１、１３がロウ付けにより接合されている。そして、前記リング部材１０、１２と窓取付け筒体１１、１３とが、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接などにより溶接接合されている。
なお、本体５には、多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックス材料を採用することができ、その場合は、該本体５の前後端部の外周面をメタライズ加工して、金属製の窓取付け筒体１１、１３をロウ付けする。また、入射窓７および出射窓８は水晶やサファイアなどの結晶材からなり、その外周面も同様にメタライズ加工されていて、金属製のリング部材１０、１２とロウ付けされる。

本体５の中心にはこれを光軸方向に貫通するレーザ光通過孔９が穿設されている。このレーザ光通過孔９は、その後端側、即ち、入射側が面取りされてテーパー部９ａが形成されている。このテーパー部９ａは、集光されたレーザ光が光入射窓７を経て導入されてレーザ光通過孔９に導かれるときに、このレーザ光通過孔９の入射側で蹴られて遮断されることを防止するものである。
こうして、これら本体５と、入射窓７と、出射窓８とによって密閉空間Ｓが形成されてプラズマ容器２とされているものであり、この密閉空間Ｓ内に、キセノンガス、クリプトンガス、アルゴンガス等の希ガスや水銀ガスなどの発光ガスが所望の発光波長に応じて封入されている。

図１（Ａ）に示されるように、レーザ源３からのレーザ光Ｌは、集光レンズ４によって集光されて、入射窓７からプラズマ容器２内に入射する。ここで、図１（Ｂ）によく示されるように、レーザ光Ｌの集光点Ｃは、プラズマ容器２の凹面反射面６の焦点Ｆには一致せず、その前方側に位置するように設定されている。
換言すると、凹面反射面６の焦点Ｆは、レーザ光Ｌの集光点Ｃに対して、該凹面反射面６の光軸上において、前記レーザ源３側（レーザ光上流側）に離隔して位置しているものである。
このような配置とすることにより、レーザ光Ｌにより生成されるプラズマＰの発光中心が前記凹面反射面６の焦点Ｆに一致するようになる。
図１（Ａ）に示されるように、プラズマＰによって励起された出射光（励起光）ＥＬは、凹面反射面６によって反射されて前方の出射窓８から出射される。

図２には、プラズマ容器の異なる形態を示す第２の実施例が示され、プラズマ容器２は、凹面反射鏡１５と、この後方開口１５ａに設けられた入射窓１６と、前方開口１５ｂに設けられた出射窓１７とから構成されていて、これら凹面反射鏡１５と、入射窓１６と、出射窓１７とによって密閉空間Ｓが形成されていて、この密閉空間Ｓ内に発光ガスが封入されている。
そして、凹面反射鏡１５の焦点Ｆが、レーザ源３からのレーザ光Ｌの集光点Ｃに対して、光軸上で前記レーザ源３側（上流側）に離隔して位置することは、図１の第１実施例と同様である。

図３には、プラズマ容器の更に異なる形態を示す第３の実施例が示され、この実施例ではプラズマ容器２は、管球形状である。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し、例えば石英ガラスなどの透光性材料からなり、その内部に発光ガスが封入されている。 このプラズマ容器２を取り囲むように前方開放の凹面反射鏡１５が設けられており、当該凹面反射鏡１５が凹面反射面を構成する。このとき、プラズマ容器２は凹面反射鏡１５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、この実施例でも、凹面反射鏡１５の焦点Ｆが、レーザ源３からのレーザ光Ｌの集光点Ｃに対して、光軸上で前記レーザ源３側（上流側）に離隔して位置していることは、図１、２の第１、第２の実施例と同様である。 凹面反射鏡１５の後方開口１５ａには入射窓１６が設けられていて、レーザ源３からのレーザ光Ｌは、この入射窓１６から凹面反射鏡１５内に入射し、プラズマ容器２に入射する。ここで生成されたプラズマＰによって励起された出射光ＥＬは、プラズマ容器２から出射して、凹面反射鏡１５により反射されて、前方開口１５ｂから出射される。

上記のように、凹面反射面の焦点位置は、レーザ光の出力に応じて、レーザ光の集光点よりもレーザ源側（上流側）に位置させるが、そのための制御部を有する構成の一例が図４に示されている。 この例では、プラズマ容器からの出射光の強度に応じて、レーザ光集光点か凹面反射面の焦点を相対的に移動させるように制御するものである。レーザ光集光点の移動は、集光レンズを移動させるものであり、凹面反射面の焦点の移動は、凹面反射面を移動させるものである。 図４では、集光レンズ４を移動させる系統が実線で表され、プラズマ容器２を移動させる系統が点線で示されている。この制御はどちらか一方を移動させるものであってもよいし、両者を相対移動させるものであってもよい。

図４において実線で示されるように、前記レーザ源３には制御部２０が接続されており、その入力電力が制御される。また、前記集光レンズ４には前記制御部２０に接続された集光レンズ駆動部２２が設けられていて、該集光レンズ４が制御部２０からの信号に基づいてレーザ光Ｌの光軸に沿って移動される。
一方、凹面反射面６の前方には光検出部２１が配設されていて、プラズマ容器２からの出射光の強度を検知し、その光量情報信号を前記制御部２０に伝達する。
また、点線で示さるように、前記プラズマ容器２には前記制御部２０に接続された凹面反射面駆動部２３が設けられていて、該凹面反射面６（プラズマ容器２）が制御部２０からの信号に基づいてレーザ光Ｌの光軸に沿って移動される。

なお図４の実施例の説明では、凹面反射面６はプラズマ容器２と一体であり、プラズマ容器２を移動させることが凹面反射面６を移動させることになる。 一方、図３の第３の実施例では、凹面反射鏡１５自体を移動させることになる。ただし、前記したように、プラズマ容器２は、凹面反射鏡１５とは所定の相対位置関係にあるのが好ましいので、凹面反射鏡１５を移動させるときは、多くの場合、プラズマ容器２もこれとともに移動することになる。 この両者を総称して凹面反射面駆動部２３と呼んでいる。勿論、凹面反射鏡１５のみを移動させてもよい。 以上のように、プラズマ容器からの出射光の強度を検知して、その信号を制御部に送り、前記凹面反射面の焦点と前記レーザ光の集光点とを相対的に移動させて、出射光の強度信号が最大となるように制御するものである。

上記のように、この発明のレーザ駆動光源では、プラズマ容器内にプラズマを生成・維持するレーザ光の出力が変動した際に、生成されるプラズマの大きさが変動するのに対応して、レーザ光の集光点を凹面反射面の焦点よりも、光軸上においてレーザ源側（上流側）に離隔して位置させたので、生成されるプラズマの発光中心が凹面反射面の焦点に位置するようになり、レーザ出力に応じた所定の出射光量を得ることができるものである。

１ レーザ駆動光源
２ プラズマ容器
３ レーザ源
４ 集光レンズ
５ 本体
６ 凹面反射面
７ 出射窓
８ 入射窓
９ レーザ光通過孔
１０、１２ リング部材
１１、１３ 窓取付け筒体
１５ 凹面反射鏡
１６ 入射窓
１７ 出射窓
２０ 制御部
２１ 光検出部
２２ 集光レンズ駆動部
２３ 凹面反射面駆動部
Ｓ 密閉空間
Ｐ プラズマ
Ｌ レーザ光
ＥＬ 出射光（励起光）
Ｃ レーザ光の集光点
Ｆ 凹面反射面（鏡）の焦点
Ｑ レーザパワー
Ａ レーザ光の断面積

Claims (5)

1. レーザ源と、該レーザ源からのレーザ光を集光する集光手段と、集光された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有し、該プラズマ容器内に生じるプラズマからの励起光を凹面反射面から出射するレーザ駆動光源装置であって、
   前記凹面反射面の焦点が、前記レーザ光の集光点に対し、前記凹面反射面の光軸上において、前記レーザ源側に離隔して位置していることを特徴とするレーザ駆動光源。
2. 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に記載のレーザ駆動光源。
3. 前記プラズマ容器は、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に記載のレーザ駆動光源。
4. 前記レーザ光の出力に応じて、前記凹面反射面の焦点が、前記レーザ光の集光点に対し、前記凹面反射面の光軸上において、前記レーザ源側に離隔して位置するように制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源。
5. 前記凹面反射面から出射される光の強度に応じた信号を出力する光検出部を有し、前記レーザ光の集光位置と前記凹面反射面の焦点位置とを相対的に移動させて前記信号が最大になるように制御する制御部を有することを特徴とする請求項４に記載のレーザ駆動光源。
   
   
   

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