JP4573455B2 - 高電圧パルス発生装置及び露光用放電励起ガスレーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧パルス発生装置及び露光用放電励起ガスレーザ装置に関し、更に詳細には、エネルギー移行効率が高く、コンパクトで、繰り返し周波数の高いＡｒＦエキシマレーザ装置やフッ素レーザ装置等に使用される高電圧パルス発生装置及び露光用放電励起ガスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。
このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプから波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。さらに、次世代の半導体露光用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、フッ素レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００３】
以下、従来のＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置における高電圧発生回路について説明する。
（１）ＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置
ＫｒＦエキシマレーザ装置において、上記したようにレーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるための高電圧パルス発生装置の例を図８に示す。
図８の高電圧パルス発生装置は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＲ１、ＳＲ２、ＳＲ３を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。
磁気スイッチＳＲ１はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子である固体スイッチＳＷでのスイッチングロスの低減用のものであり、磁気アシストとも呼ばれる。第１の磁気スイッチＳＲ２と第２の磁気スイッチＳＲ３により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【０００４】
図８に従って回路の構成と動作を以下に説明する。
まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値Ｖｉｎに調整され、主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる。磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＲ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷのループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。 なお、ここでは、回路ループのインダクタンスとコンデンサＣ０の寄生インダクタンスを合成したものをインダクタンスＬL として表している。また、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷがなすループをパルス発生回路、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループを昇圧回路と呼ぶことにする。
【０００５】
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して磁気スイッチＳＲ２が動作し、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
さらにこの後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＲ３の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ３が飽和して磁気スイッチＳＲ３が動作し、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
予備電離のためのコロナ放電は、第１電極１１が挿入されている誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チューブ１２の外周面に発生するが、ピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖｐが上昇し、Ｖｐが所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。
【０００６】
このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線が発生し、主放電電極Ｅ、Ｅ間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖｐが上昇し、この電圧Ｖｐがある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極Ｅ、Ｅ間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
この後、主放電によりピーキングコンデンサＣｐの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。ここで、磁気スイッチＳＲ２、ＳＲ３及びコンデンサＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極Ｅ、Ｅ間に短パルスの強い放電が実現される。
【０００７】
上記回路において、回路パラメータの具体例は以下の通りである。
(a) 主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間（すなわち、パルス発生回路、昇圧回路を流れる電流パルスの１／２周期）ｔ0 は、Ｃ１＝（ｎp ／ｎs ）2 ・Ｃ０ であるとき、次の（１）式となる。
ここで、ＳＲ１（ｓａｔ）は磁気スイッチＳＲ１が飽和したときのインダクタンスである。数値例としてはｔ0 ＝２μｓである。
(b) 固体スイッチＳＷを流れる最大電流Ｉｐは次の（２）式となる。
【０００８】
【数１】
【０００９】
(c) 繰返し周波数は２ｋＨｚである。
(d) 入力エネルギーＥｉｎは３〜４Ｊである。
(e) ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）は、１３５ｎｓである。
【００１０】
（２）ＡｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置
ＡｒＦエキシマレーザ装置において、上記したようにレーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるための高電圧パルス発生装置の例を図９に示す。
ＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置例との相違点は、スイッチが２個並列に接続されている点（ＳＷ１，ＳＷ２）、及び、磁気パルス圧縮回路（ＭＰＣ）が３段（コンデンサＣ３、磁気スイッチＳＲ４が追加）となった点である。尚、基本的な回路動作は、ＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置例と同様である。
ＡｒＦエキシマレーザ装置が放出するレーザ光の波長は、ＫｒＦエキシマレーザ装置が放出するレーザ光の波長より短く、放電空間に投入するエネルギーは、ＫｒＦエキシマレーザ装置よりＡｒＦエキシマレーザ装置の方が大きい。
また、次世代の露光用光源として期待されるＡｒＦエキシマレーザ装置は、スループットの増大や、露光量の安定化のため、ＫｒＦエキシマレーザ装置よりも高繰返し発振（例えば、繰返し周波数４ｋＨｚ以上）が期待される。放電空間に投入エネルギーが大きくするには、入力エネルギーＥｉｎを大きくする必要がある。ＡｒＦエキシマレーザ装置の入力エネルギーＥｉｎの数値は、例えば、４．５Ｊ以上（具体的には、４．５〜６Ｊ）である。よって、コンデンサＣ０の容量は大きくなり、その結果、最大電流ＩＰが大きくなる。
【００１１】
ここで、図９において、スイッチＳＷ２を２個並列としたのは以下の理由による。
最大電流ＩＰが大きくなった分だけスイッチにかかる負荷も大きくなる。また、高繰返し発振化のため、スイッチにおける発熱量も増加することになる。そこで、スイッチを２個並列にした回路を構成することにより、最大電流ＩＰを分流することによって、各固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２への負荷を低減している。
また、図９において磁気パルス圧縮回路を３段としたのは、以下の理由による。
４ｋＨｚ以上の高繰返し化が要請されていること、レーザ媒質がＡｒＦエキシマレーザ用レーザガスとなったことにより、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）を短くする必要がある。（例えば、ｔｒ（Ｃｐ）≦１００ｎｓ）
Ｃｐへの充電時間が短くない場合、すなわち、主放電電極Ｅ、Ｅへ加えられる電圧の立上りが早くない場合、放電開始電圧Ｖｂが小さいうちに主放電電極Ｅ、Ｅ間で放電が発生するのでレーザ出力が小さくなる。
また、ピーキングコンデンサＣｐに移行しきれない余剰電流が磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ（図９ではコンデンサＣ３）から放電空間へ流れ込むが、この余剰電流はレーザ発振に寄与しない。よって、放電パルスの後半部で電界集中等により放電が不均一となって次回のパルス放電に悪影響を及ぼす履歴が残る。
【００１２】
先に述べたように、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、投入エネルギーが大きくこの余剰電流の影響もＫｒＦエキシマレーザ装置よりも大きくなるので、Ｃｐへの充電時間をより短くする必要がある。
また、繰返し周波数が高くなるとパルス間隔が短くなるので、前回のパルス放電の履歴の影響を受けないようにするには、Ｃｐへの充電時間をできるだけ短くする必要がある。
一方、主コンデンサＣ０に高電圧電源ＨＶから印加される電圧の値が、ＫｒＦエキシマレーザ装置の場合と同様、Ｖｉｎであるとき、投入エネルギーＥｉｎが、例えば、３〜４Ｊから４．５〜６Ｊへと大きくなった分、主コンデンサＣ０の容量をより大きくする必要がある。
したがって、前記（１）式から明らかなように、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなる。
具体的な数値例としては、例えば、ｔ0 ＝２．５μｓである。すなわち、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなる一方で、磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間ｔｒ（Ｃｐ）を短くしなければならないので、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくする必要がある。
圧縮比を大きくするには、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数を減らし、コアの断面積を大きくする必要がある。
【００１３】
図８に示したＫｒＦエキシマレーザ装置の場合のように、２段の磁気パルス圧縮回路の場合、パルス圧縮のための段数が少ないので、各段での圧縮比が大きくなる。そのため、上記したように各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数が減って、コアの断面積が大きくなる。
一方、図９に示す高電圧パルス発生装置のように、３段の磁気パルス圧縮回路の場合、パルス圧縮のための段数が２段より多いので、各段での圧縮比が２段の場合と比較して小さくてすみ、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積も２段の場合と比較して小さくてよい。
しかしながら段数が１段増えるので、磁気スイッチとコンデンサの分だけ（図９の磁気スイッチＳＲ４とコンデンサＣ３）、２段のときと比較すると大型化する。
【００１４】
２段の磁気パルス圧縮回路と３段の磁気パルス圧縮回路とを比較すると次のようになる。
(a) 圧縮比を大きくするため可飽和リアクトルのコアが大型化すると、コアでの損失が大きくなり電荷の移行効率が下がる。上記したように、２段の磁気パルス圧縮回路の場合、各段での圧縮比が３段の場合と比較して大きく、コアも大型化する。よって、１段あたりの移行効率は、２段の磁気パルス圧縮回路の方が３段の磁気パルス圧縮回路よりも低い。
(b) 電荷の移行効率を低下させる損失の要因である可飽和リアクトルのコアの数は３段の磁気パルス圧縮回路の方が多いので、コアの大きさが仮に同じならば、３段の磁気パルス圧縮回路の方が２段のものと比べて、主コンデンサＣ０からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行効率は低くなる。
(c) 上記したように、パルス発生部でｔ0 ＝２．５μｓのとき、ｔｒ（Ｃｐ）が１００ｎｓ以下となるようにパルス圧縮する場合は、圧縮比が大きいので、２段の磁気パルス圧縮回路の各段の可飽和リアクトルのコアの断面積が大きくなり、コアの数が少ないにもかかわらず、主コンデンサＣ０からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行効率は、２段の磁気パルス圧縮回路の方が、３段の磁気パルス圧縮回路より低下した。よって、この例では、４ｋＨｚ以上の高繰返しＡｒＦエキシマレーザにおける磁気パルス圧縮回路を３段とした。
【００１５】
（３）フッ素レーザ装置の高電圧パルス発生装置
フッ素レーザ装置の高電圧パルス発生装置例も図９と同じである。
フッ素レーザ装置が放出するレーザ光の波長は、ＡｒＦエキシマレーザ装置、ＫｒＦエキシマレーザ装置が放出するレーザ光の波長よりさらに短く、放電空間に投入するエネルギーは、さらに大きくなる。フッ素レーザ装置の入力エネルギーＥｉｎの数値は、例えば、７Ｊ以上である。
よって、コンデンサＣ０の容量は大きくなり、その結果、最大電流ＩＰが大きくなる。また、ＡｒＦエキシマレーザ装置と同様、フッ素レーザ装置もスループットの増大や、露光量の安定化のため、高繰返し発振（例えば、繰返し周波数４ｋＨｚ以上）が期待される。
したがって、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）も、ＡｒＦエキシマレーザ装置の場合〔例えば、ｔｒ（Ｃｐ）≦１００ｎｓ〕と同様、もしくは、それより短くする必要がある。
一方、主コンデンサＣ０に高電圧電源ＨＶから印加される電圧の値が、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置の場合と同様、Ｖｉｎであるとき、投入エネルギーＥｉｎが３〜４Ｊ（ＫｒＦエキシマレーザ装置の場合の例）から７Ｊ以上へと大きくなった分、主コンデンサＣ０の容量をより大きくする必要がある。
よって、前記（１）式から明らかなように、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなる。
【００１６】
具体的な数値例としては、例えば、ｔ0 ＝３．０ｎｓである。ＡｒＦエキシマレーザ装置のより圧縮比が大きくなる上記のような条件では、２段の磁気パルス圧縮回路では対応できず、３段の磁気パルス圧縮回路を採用することになる。この場合、ＡｒＦエキシマレーザ装置のときより各段での圧縮比が大きくなるので、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数が減って、コアの断面積が大きくなる。さらに、２段のときと比較すると、段数が１段増えるので、磁気スイッチとコンデンサの分だけ（図９の磁気スイッチＳＲ４とコンデンサＣ３）２段のときと比較すると大型化する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置の高電圧パルス発生装置は、繰返し周波数の増大という要請に答え、かつ、投入エネルギーの増大およびピーキングコンデンサの立上り速度の増大に対応するためには、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を増大する必要がある。
圧縮比を増大させるには、上記したように２つの方法がある。
一つは、磁気パルス圧縮回路の段数は増大させず（例えば、２段）、各段での圧縮比を増大させる方法である。すなわち、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数を減らして、コアの断面積が大きくする。
もう一つは、磁気パルス圧縮回路の各段の圧縮比はそのままか、あまり増大させず（例えばＫｒＦエキシマレーザ装置のときと同程度）、段数を増やす方法である。
前者の方法では、可飽和リアクトルのコアの断面積が増大するので、磁気パルス圧縮回路が大型化する。
一方、後者の方法では、各段の圧縮比は増大しないので各段個別には大型化しないが、段数が増える分、磁気スイッチとコンデンサのセットの数が増大するので、結局、磁気パルス圧縮回路が大型化する。いずれにしても磁気パルス圧縮回路が大型化することにより、メンテナンスも大掛かりなものとなり、また、磁気パルス圧縮回路そのものの材料コストが増加する。
本発明は以上のような事情に鑑み成されたものであって、その目的は、エネルギーの移行効率が高く、かつ、コンパクトで、繰返し周波数の高い高電圧パルス発生装置および該高電圧パルス発生装置を用いた露光用放電励起ガスレーザ装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）高電圧パルス発生装置において、高電圧に充電される主コンデンサと、可飽和リアクトルからなる磁気アシストと、スイッチ手段とが昇圧トランスの１次側に直列に接続され、上記昇圧トランスの２次側にコンデンサが接続された回路要素を複数設ける。
そして、複数の昇圧トランスの一次側に接続された上記スイッチ手段を同時にオンオフするように構成し、上記複数の昇圧トランスのコアと上記複数の磁気アシストのコアとを共通化し、該複数の昇圧トランスの２次側に接続された各コンデンサを並列に接続し、上記コンデンサの出力端に磁気スイッチを接続して磁気パルス圧縮回路の初段を形成する。さらに上記磁気パルス圧縮回路の初段の出力端にコンデンサと磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮回路のパルス圧縮段を少なくとも１つ接続し、この磁気パルス圧縮回路の最終段より高電圧パルスを出力する。
（２）上記（１）の高電圧パルス発生装置を、パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、このレーザチェンバー内に配置した繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有し、高繰返し発振を行う露光用放電励起ガスレーザ装置に適用し、上記一対のレーザ放電電極に高電圧パルスを印加する。
（３）上記（２）において、上記複数の回路要素を構成する各主コンデンサへ投入されるエネルギーの総和が４．０Ｊ以上であって、高繰返し発振周波数が４ｋＨｚ以上であり、上記高電圧パルス発生装置の最終段のコンデンサから上記ピーキングコンデンサへの電荷の移行時間が１００ｎｓ以下である露光用放電励起ガスレーザ装置に適用する。
【００１９】
本発明においては、高電圧パルス発生装置を上記（１）のように構成したので磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくしなくても、繰返し周波数の増大、投入エネルギーの増大およびピーキングコンデンサの立上り速度の増大という要請に対応することができる。
また、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積を小型化し、電荷の移行効率が上げることができる。さらに、２段の磁気パルス圧縮回路を採用することが可能となり、小型化・低コスト化が可能となる。
また、並列接続したパルス発生回路の昇圧トランスのコアを共通化することにより、レーザ装置の効率を向上させることができ、また装置の小型化を図ることができる。
またさらに、複数の磁気アシストのコアを共通化することにより、複数設けた磁気アシストのコアのばらつき、スイッチ手段の動作にばらつきがあっても、複数の磁気アシストの動作タイミングを一致させることができる。このため、複数の磁気アシストに流れる電流パルスを一致させることが可能となり、次段の磁気スイッチのコアが大型化することがない。
また、上記（１）の高電圧パルス発生装置を、パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、このレーザチェンバー内に配置した繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有する露光用放電励起ガスレーザ装置に適用することにより、高繰り返し発振が可能でコンパクトな露光用放電励起ガスレーザ装置を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（１）実施例１
ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に適用される本発明の第１の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を図１に示す。
図１に示す高電圧パルス発生装置は、パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、このレーザチェンバー内に配置した繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置等の、入力エネルギーが大きく高繰り返し周波数の露光用放電励起ガスレーザ装置に適用され、上記レーザ放電電極に高繰り返しの高電圧パルスを印加して、レーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるものである。
図１において、前記図９に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、図１が図９と異なる部分は、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、固体スイッチＳＷ、昇圧トランスＴｒ１、コンデンサＣ１からなる回路構成を、複数（図１では２個）並列に接続するとともに、２個の昇圧トランスのコアを共通化した点である。
すなわち、図１に示す第１の実施例は、主コンデンサＣ０１、磁気スイッチ（磁気アシスト）ＳＲ１１および固体スイッチＳＷ１を昇圧トランスＴｒ１の１次側に直列接続し、昇圧トランスＴｒ１の２次側に並列にコンデンサＣ１１を接続した回路構成Ｃｉ１（パルス発生回路と昇圧回路）と、主コンデンサＣ０２、磁気スイッチ（磁気アシスト）ＳＲ１２を、固体スイッチＳＷ２を昇圧トランスＴｒ２の１次側に直列接続し、昇圧トランスＴｒ２の２次側に並列にコンデンサＣ１２を接続した回路構成Ｃｉ２（パルス発生回路と昇圧回路）とを設け、コンデンサＣ１１の出力側とコンデンサＣ１２の出力側で並列に接続するとともに、昇圧トランスＴｒ１とＴｒ２のコアを共通化したものである。
【００２１】
次に、図１に従って回路の動作を説明する。
まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値Ｖｉｎに調整され、主コンデンサＣ０１並びに主コンデンサＣ０２が充電される。このとき、固体スイッチＳＷ１並びに固体スイッチＳＷ２はオフになっている。
主コンデンサＣ０１並びに主コンデンサＣ０２の充電が完了し、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンとなったとき、固体スイッチＳＷ１の両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１１の両端にかかるように移る。また、固体スイッチＳＷ２の両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１２の両端にかかるように移る。
磁気スイッチＳＲ１１の両端にかかる主コンデンサＣ０１の充電電圧Ｖｉｎの時間積分値が磁気スイッチＳＲ１１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１１が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０１、磁気スイッチＳＲ１１、インダクタンスＬL1、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷ１のループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１１に充電される。なお、ここでは、回路ループのインダクタンスとコンデンサＣ０１の寄生インダクタンスを合成したものをインダクタンスＬL1として表している。
【００２２】
一方、同時のタイミングで磁気スイッチＳＲ１２の両端にかかる主コンデンサＣ０２の充電電圧Ｖｉｎの時間積分値が磁気スイッチＳＲ１２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１２が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０２、磁気スイッチＳＲ１２、インダクタンスＬL2、昇圧トランスＴｒ２の１次側、固体スイッチＳＷ２のループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ２の２次側、コンデンサＣ１２のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０２に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１２に充電される。ここでは、回路ループのインダクタンスとコンデンサＣ０２の寄生インダクタンスを合成したものを、上記と同様にインダクタンスＬL2として表している。
並列に接続されている、コンデンサＣ１１を含む回路構成Ｃｉ１と、コンデンサＣ１２を含む回路構成Ｃｉ２とは、回路パラメータが等しいように設計されている。よって、コンデンサＣ１１、コンデンサＣ１２における電圧Ｖ１の時間積分値は等しくなる。
この時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ２のループおよびコンデンサＣ１２、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１１およびコンデンサＣ１２に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
その後の動作は、前記図８で説明したＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置と同様である。
【００２３】
本実施例の高電圧パルス発生装置の特徴は以下の通りである。
(a) 主コンデンサＣ０１からコンデンサＣ１１に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ01１、及び、主コンデンサＣ０２からコンデンサＣ１２に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ02２は、
Ｃ１１＝（ｎp ／ｎs ）2 ・Ｃ０１
Ｃ１２＝（ｎp ／ｎs ）2 ・Ｃ０２
であるとき、以下の（３）式、（４）式となる。
【００２４】
【数２】
【００２５】
ここで、ＳＲ１１（ｓａｔ）、ＳＲ１２（ｓａｔ）は、磁気スイッチＳＲ１１、ＳＲ１２が飽和したときのインダクタンスである。
(b) コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２は並列に接続されているので、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に移行した電荷は全てコンデンサＣ２に移行する。よって、主コンデンサＣ０１、Ｃ０２の容量は図９の従来の高電圧パルス発生装置における主コンデンサＣ０の容量の１／２でよい。すなわち、以下の通りになる。
Ｃ０１＝（１／２）・Ｃ０
Ｃ０２＝（１／２）・Ｃ０
(c) また、上記の通り主コンデンサＣ０１、Ｃ０２の容量が従来より小さくなったので、主コンデンサＣ０１、Ｃ０２の寄生インダクタンスも従来より小さくなる。すなわち、以下の通りとなる。
ＬL1＜ＬL
ＬL2＜ＬL
(d) 以上により、図９の従来の高電圧パルス発生装置における主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ0 と、主コンデンサＣ０１からコンデンサＣ１１に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ01とを比較すると、以下の（５）〜（７）式のようになる。ここで、ＳＲ１１（ｓａｔ）は磁気スイッチＳＲ１１が飽和したときのインダクタンス、ＳＲ１２（ｓａｔ）は磁気スイッチＳＲ１２が飽和したときのインダクタンスであるとし、ＳＲ１１（ｓａｔ）＝ＳＲ１２（ｓａｔ）＝ＳＲ１（ｓａｔ）とする。
【００２６】
【数３】
【００２７】
また、同様に、主コンデンサＣ０２からコンデンサＣ１２に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ02とを比較すると、以下の（８）〜（１０）式のようになる。
【００２８】
【数４】
【００２９】
以上のように磁気パルス圧縮回路の初段のコンデンサＣ１１、Ｃ１２への電荷（エネルギー）の移行時間は、図９の従来の高電圧パルス発生装置における磁気圧縮回路の初段のコンデンサＣ１への電荷（エネルギー）の移行時間より短くなる。
よって、磁気パルス圧縮回路で圧縮する前の電流パルスの周期が従来より短くなるので、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を小さくすることができる。
そのため、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積を大きくすることなく、２段の磁気パルス圧縮回路でパルス圧縮をすることができる。また、コアの断面積が小さくなった分、電荷の移行効率も高くなる。
また、当然ながら、３段の磁気パルス圧縮回路より段数が少ないので小型化・低コスト化が可能となり、また電荷の移行効率も３段の時期パルス圧縮回路よりも高くなる。
【００３０】
本実施例の高電圧パルス発生装置を、下記条件において、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に適用したところ以下の結果を得た。
条件（１）投入エネルギーＥｉｎ
ＡｒＦエキシマレーザ装置：４．５〜６Ｊ
フッ素レーザ装置：７Ｊ以上
条件（２）繰返し周波数
両装置とも４ｋＨｚ
結果：コンデンサＣ１１、Ｃ１２への移行時間：両装置とも１．２μｓ以下
：ピーキングコンデンサＣｐへの移行時間ｔｒ（Ｃｐ）：両装置とも８０ｎｓ以下
上記したように、ＫｒＦエキシマレーザ装置と比べてＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置は、４ｋＨｚ以上の高繰返しが要請される。また、投入エネルギーＥｉｎも４Ｊ以上と大きくなり、主コンデンサＣ０の容量をより大きくすることによりそれに対応している。よって、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなるが、その一方で、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）の高速化（８０ｎｓ以下）が必要とされる。
このようなＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に、本実施例の高電圧発生回路を適用すると、上記したように、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１１、Ｃ１２への移行時間が１．２μｓ以下と短くできる。すなわち、磁気パルス圧縮回路で圧縮する前の電流パルスの周期を短くすることができる。よって、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくする必要がないので、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積も従来と比べ小型になって、コアでの損失が小さくなり電荷の移行効率が上がる。
また、２段の磁気パルス圧縮回路を採用することが可能となり、小型化・低コスト化が可能となる。
【００３１】
本実施例においては、並列に接続されるパルス発生回路において、昇圧トランスＴｒ１、Ｔｒ２のコアを共通化している。
昇圧トランスのコアを共通化することにより、以下の効果が得られる。
昇圧トランスのコアを分離した場合は、昇圧トランスを２個（Ｔｒ１，Ｔｒ２）使用するので、トランスのコアでの損失が大きくなるが、昇圧トランスを共通化すれば、使用するコアが１個で済むので、昇圧トランスのコアを共通化しない場合と比較して、損失が少なくなる。すなわち、レーザ装置の効率を向上させることができる。また、コアが１個で済むので、装置の小型化を図ることができる。
なお、性能面では、昇圧トランスを分離した場合は、パルス発生回路それぞれに昇圧トランスがあるので、固体スイッチＳＷ１と昇圧トランスＴｒ１と磁気スイッチＳＲ１１の実装時の配線、配置等を、回路ループのインダクタンスが最小となるように行うことができる。同様に、固体スイッチＳＷ２と昇圧トランスＴｒ２と磁気スイッチＳＲ１２の実装時の配線、配置等を、回路ループのインダクタンスが最小となるように行うことができる。すなわち、インダクタンスＬL1、インダクタンスＬL2を小さくすることができ、パルス発生回路における電流パルスの１／２周期ｔ01、ｔ02が短くなる。
一方、昇圧トランスを共通化した場合は、１つの昇圧トランスＴｒ１に、固体スイッチＳＷ１、磁気スイッチＳＲ１１、固体スイッチＳＷ２、磁気スイッチＳＲ１２を実装することになるので、回路ループのインダクタンスが最小となるように、配線、配置等を行うことが昇圧トランスを分離した場合に比べ、難しくなる。
すなわち、昇圧トランスを分離した場合と比べると、インダクタンスＬL1、インダクタンスＬL2を小さくすることができず、パルス発生回路における電流パルスの１／２周期ｔ01、ｔ02が若干長くなる。このため、磁気パルス圧縮回路の圧縮比が同じである場合、昇圧トランスを分離した場合の方が、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）を短くすることができる。
以上のように、昇圧トランスのコアを共通化することにより、レーザ装置の効率を向上させることができ、また、装置の小型化を図ることができが、性能面では、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）が長くなる可能性がある。しかし、この性能面での問題は、回路配置を工夫することにより、改善を図ることが可能である。
【００３２】
（２）実施例２
図２に本発明の第２の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を示す。本実施例の高電圧パルス発生装置も、第１の実施例と同様、高繰返し発振を行うＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に適用され、上記レーザ放電電極に高繰り返しの高電圧パルスを印加して、レーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるものである。
本実施例と前記図１に示した第１の実施例との違いは、並列に接続されるパルス発生回路において、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチングロスの低減用の磁気スイッチのコアを共通化（図２の磁気スイッチＳＲ１）した点にある。なお、本実施例においては、昇圧トランスＴｒ１，Ｔｒ２のコアを共通化していないが、第１の実施例と同様に、昇圧トランスＴｒ１，Ｔｒ２のコアを共通化してもよい。
図１に示した第１の実施例において、同時にＯＮ、ＯＦＦ動作するよう設計されている固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の動作にバラツキがあり、また、磁気スイッチＳＲ１１、ＳＲ１２の可飽和リアクトルのコアにバラツキがある場合を考える。
【００３３】
図３に、第１の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作し、また、飽和時に磁気スイッチＳＲ１１が磁気スイッチＳＲ１２より早く動作する場合の波形を示す。
図３（ａ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１１を流れる電流波形を示す。図３（ｂ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１２を流れる電流波形を示す。図３（ｃ）は、図１において、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流波形、すなわち、磁気スイッチＳＲ１１を流れる電流の波形と磁気スイッチＳＲ１２に流れる電流の波形が合成された電流波形を示す。
【００３４】
図３（ａ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮ後、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧が急激に降下し、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間Ｔ１後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ01である。図３（ｂ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間ｔｄ１だけ遅れて固体スイッチＳＷ２がＯＮして固体スイッチＳＲ２にかかる電圧が急激に降下すること、および、固体スイッチＳＷ２がＯＮの時点から、時間Ｔ２後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ02でありｔ02＝ｔ01である。
なお、この例では上記時間Ｔ２は時間Ｔ１より長く、その差はｔｄ２である。
上記時間ｔｄ１は、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をドライブするドライブ回路のバラツキにより発生する時間である。また、上記時間ｔｄ２は、磁気スイッチＳＲ１１、ＳＲ１２にかかる電圧の時間積分値のバラツキにより発生する時間である。
図３（ｃ）に示すように、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流の１／２周期はｔ01＋ｔｄ１＋ｔｄ２（＝ｔ02＋ｔｄ１＋ｔｄ２）となり、ｔ01（＝ｔ02）より増加する。よって、このようなジッタを考慮した分だけ磁気パルス圧縮回路の次段の可飽和リアクトルのコアが大型化する。
【００３５】
一方、図２に示す高電圧パルス発生装置について考える。
図２では、各パルス発生回路における固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の動作のバラツキはあり得るが、磁気スイッチＳＲ１が共通のため、第１の実施例のような、コアのばらつきの影響は生じない。図４に、第２の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作する場合の波形を示す。
図４（ａ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１を流れる電流波形を示す。
図４（ｂ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１を流れる電流波形を示す。
図４（ｃ）は、図４において、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流波形、すなわち、磁気スイッチＳＲ１を流れる電流の電流波形を示す。
【００３６】
図４（ａ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮ後、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧が急激に降下し、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間Ｔ１後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ01である。
図４（ｂ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間ｔｄ１だけ遅れて固体スイッチＳＷ２がＯＮすること、また、先に固体スイッチＳＷ１がＯＮしたので、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧が固体スイッチＳＷ２がＯＮする時点まで上昇して、その後、固体スイッチＳＷ２がＯＮした後、急激に降下すること、さらに、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間Ｔ１後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ02でありｔ02＝ｔ01である。
すなわち、並列に接続されるパルス発生回路において、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチングロスの低減用の磁気スイッチＳＲ１を共通化したので、磁気スイッチＳＲ１は、先にＯＮした固体スイッチＳＷ１によって動作を開始する。
このため、固体スイッチＳＷ２のＯＮ動作の遅れは、磁気スイッチＳＲ１の動作に影響を与えない。さらに上記したように、磁気スイッチＳＲ１が共通のため、コアのばらつきの影響は生じない。したがって、図４（ｃ）に示すように、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流の１／２周期はｔ01（＝ｔ02）となる。
すなわち、本実施例によれば、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２のジッタ分を考慮しなくてよい。
【００３７】
なお、図２の高電圧パルス発生装置において、以下に示す図５のように、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続するのが望ましい。
上記した図４（ｂ）に示したとおり、例えば、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間ｔｄ１だけ遅れて固体スイッチＳＷ２がＯＮする場合、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧は固体スイッチＳＷ２がＯＮする時点まで上昇して、その後、固体スイッチＳＷ２がＯＮした後、急激に降下する。ここで、時間ｔｄ１が長くなると、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧が大きくなり、場合によっては、固体スイッチＳＷ２の耐圧を超えてしまう恐れがある。
そこで、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続する。これにより、時間ｔｄ１が長くなっても、図６（ｂ）に示すように、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧の上昇スピードが緩やかになり、電圧が固体スイッチＳＷ２の耐圧を超えてしまう前に固体スイッチＳＷ２がＯＮして急激に降下する。
このため、固体スイッチＳＷ２が保護される。固体スイッチＳＷ２が先にＯＮした場合には、固体スイッチＳＷ１が同様に保護される。
【００３９】
また、前記第１、第２の実施例では、主コンデンサ、磁気スイッチ（磁気アシスト）、固体スイッチが昇圧トランスの１次側に直列接続された回路を２回路並列に接続しているが、本発明はこれに限るものではなく、入力エネルギーＥｉｎの増大、ピーキングコンデンサＣｐへの移行時間ｔｒ（Ｃｐ）の短縮化に応じて、３回路以上並列接続することも可能である。
さらに、主コンデンサ、磁気スイッチ（磁気アシスト）、固体スイッチが昇圧トランスの１次側に直列接続された回路を２回路並列に接続するにあたって、磁気スイッチ（磁気アシスト）のコアを共通化した例を第２の実施例で示したが、入力エネルギーＥｉｎの増大、ピーキングコンデンサＣｐへの移行時間ｔｒ（Ｃｐ）の短縮化に応じて、上記構成の並列２回路を１ユニットの回路として、このユニットを複数並列に接続してもよい。
図７に上記並列２回路を１ユニットの回路として、このユニットを複数並列に接続した回路例を示す。
図７の回路は、昇圧トランスＴｒ１，Ｔｒ２のコアを共通化した前記図２に示した高電圧パルス発生装置を並列接続したものであり、その動作は前記図２に示したものと同じである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）主コンデンサ、磁気スイッチ（磁気アシスト）、固体スイッチが昇圧トランスの１次側に直列接続された回路を複数並列に接続したので、投入エネルギーの増大という要請に対し、所定の充電電圧のとき、主コンデンサの容量を大きくしなくとも対応することが可能となる。
そのため、磁気パルス圧縮回路で圧縮する前の電流パルスの周期を短くすることが可能となった。さらに、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくしなくても、繰返し周波数の増大、投入エネルギーの増大およびピーキングコンデンサの立上り速度の増大という要請に対応することができる。
また、上記したように、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくする必要がないので、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積も従来と比べ小型になって、コアでの損失が小さくなり電荷の移行効率が上がった。
さらに、２段の磁気パルス圧縮回路を採用することが可能となり、小型化・低コスト化が可能となる。
（２）並列接続したパルス発生回路の昇圧トランスのコアを共通化したので、昇圧トランスのコアを共通化しない場合と比較して、損失が少なくすることができ、レーザ装置の効率を向上させることができる。また、コアが１個で済むので、装置の小型化を図ることができる。
（３）並列回路に設けた複数の磁気アシストのコアを共通化することにより、複数設けた磁気アシストのコアのばらつき、スイッチ手段の動作にばらつきがあっても、複数の磁気アシストの動作タイミングを一致させることができる。このため、複数の磁気アシストに流れる電流パルスを一致させることが可能となり、次段の磁気スイッチのコアが大型化することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明の第２の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を示す図である。
【図３】 第１の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作する場合の波形例を示す図である。
【図４】 第２の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作する場合の波形例を示す図である。
【図５】 第２の実施例において固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続した場合を示す図である。
【図６】 固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続した場合の波形例を示す図である。
【図７】 並列２回路を１ユニットの回路として、このユニットを複数並列に接続した回路例を示す図である。
【図８】 ＫｒＦエキシマレーザ装置における高電圧パルス発生装置の回路例を示す図である。
【図９】 ＡｒＦエキシマレーザ装置における高電圧パルス発生装置の回路例を示す図である。
【符号の説明】
ＨＶ 高電圧電源
ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２ 固体スイッチ
ＳＲ１〜ＳＲ４ 磁気スイッチ
ＳＲ１１，ＳＲ１２ 磁気スイッチ
ＬL ，ＬL1〜ＬL4 インダクタンス
Ｔｒ１，Ｔｒ２ 昇圧トランス
Ｃ０ 主コンデンサ
Ｃｐ ピーキングコンデンサ
Ｃ１〜Ｃ３，Ｃｃ コンデンサ
Ｃ１１〜Ｃ１４ コンデンサ
Ｃ０１〜Ｃ０４ コンデンサ
Ｅ，Ｅ 主放電電極
１１ 第１電極
１２ 誘電体チューブ
１３ 第２電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧パルス発生装置及び露光用放電励起ガスレーザ装置に関し、更に詳細には、エネルギー移行効率が高く、コンパクトで、繰り返し周波数の高いＡｒＦエキシマレーザ装置やフッ素レーザ装置等に使用される高電圧パルス発生装置及び露光用放電励起ガスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。
このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプから波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。さらに、次世代の半導体露光用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、フッ素レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００３】
以下、従来のＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置における高電圧発生回路について説明する。
（１）ＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置
ＫｒＦエキシマレーザ装置において、上記したようにレーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるための高電圧パルス発生装置の例を図８に示す。
図８の高電圧パルス発生装置は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＲ１、ＳＲ２、ＳＲ３を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。
磁気スイッチＳＲ１はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子である固体スイッチＳＷでのスイッチングロスの低減用のものであり、磁気アシストとも呼ばれる。第１の磁気スイッチＳＲ２と第２の磁気スイッチＳＲ３により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【０００４】
図８に従って回路の構成と動作を以下に説明する。
まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値Ｖｉｎに調整され、主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる。磁気スイッチＳＲ１の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＲ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷのループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。 なお、ここでは、回路ループのインダクタンスとコンデンサＣ０の寄生インダクタンスを合成したものをインダクタンスＬL として表している。また、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、インダクタンスＬL 、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷがなすループをパルス発生回路、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１のループを昇圧回路と呼ぶことにする。
【０００５】
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して磁気スイッチＳＲ２が動作し、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
さらにこの後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＲ３の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ３が飽和して磁気スイッチＳＲ３が動作し、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＲ３のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
予備電離のためのコロナ放電は、第１電極１１が挿入されている誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チューブ１２の外周面に発生するが、ピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖｐが上昇し、Ｖｐが所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。
【０００６】
このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線が発生し、主放電電極Ｅ、Ｅ間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖｐが上昇し、この電圧Ｖｐがある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極Ｅ、Ｅ間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
この後、主放電によりピーキングコンデンサＣｐの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。ここで、磁気スイッチＳＲ２、ＳＲ３及びコンデンサＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極Ｅ、Ｅ間に短パルスの強い放電が実現される。
【０００７】
上記回路において、回路パラメータの具体例は以下の通りである。
(a) 主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間（すなわち、パルス発生回路、昇圧回路を流れる電流パルスの１／２周期）ｔ0 は、Ｃ１＝（ｎp ／ｎs ）2 ・Ｃ０ であるとき、次の（１）式となる。
ここで、ＳＲ１（ｓａｔ）は磁気スイッチＳＲ１が飽和したときのインダクタンスである。数値例としてはｔ0 ＝２μｓである。
(b) 固体スイッチＳＷを流れる最大電流Ｉｐは次の（２）式となる。
【０００８】
【数１】
(c) 繰返し周波数は２ｋＨｚである。
(d) 入力エネルギーＥｉｎは３〜４Ｊである。
(e) ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）は、１３５ｎｓである。
【００１０】
（２）ＡｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置
ＡｒＦエキシマレーザ装置において、上記したようにレーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるための高電圧パルス発生装置の例を図９に示す。
ＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置例との相違点は、スイッチが２個並列に接続されている点（ＳＷ１，ＳＷ２）、及び、磁気パルス圧縮回路（ＭＰＣ）が３段（コンデンサＣ３、磁気スイッチＳＲ４が追加）となった点である。尚、基本的な回路動作は、ＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置例と同様である。
ＡｒＦエキシマレーザ装置が放出するレーザ光の波長は、ＫｒＦエキシマレーザ装置が放出するレーザ光の波長より短く、放電空間に投入するエネルギーは、ＫｒＦエキシマレーザ装置よりＡｒＦエキシマレーザ装置の方が大きい。
また、次世代の露光用光源として期待されるＡｒＦエキシマレーザ装置は、スループットの増大や、露光量の安定化のため、ＫｒＦエキシマレーザ装置よりも高繰返し発振（例えば、繰返し周波数４ｋＨｚ以上）が期待される。放電空間に投入エネルギーが大きくするには、入力エネルギーＥｉｎを大きくする必要がある。ＡｒＦエキシマレーザ装置の入力エネルギーＥｉｎの数値は、例えば、４．５Ｊ以上（具体的には、４．５〜６Ｊ）である。よって、コンデンサＣ０の容量は大きくなり、その結果、最大電流ＩＰが大きくなる。
【００１１】
ここで、図９において、スイッチＳＷ２を２個並列としたのは以下の理由による。
最大電流ＩＰが大きくなった分だけスイッチにかかる負荷も大きくなる。また、高繰返し発振化のため、スイッチにおける発熱量も増加することになる。そこで、スイッチを２個並列にした回路を構成することにより、最大電流ＩＰを分流することによって、各固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２への負荷を低減している。
また、図９において磁気パルス圧縮回路を３段としたのは、以下の理由による。
４ｋＨｚ以上の高繰返し化が要請されていること、レーザ媒質がＡｒＦエキシマレーザ用レーザガスとなったことにより、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）を短くする必要がある。（例えば、ｔｒ（Ｃｐ）≦１００ｎｓ）
Ｃｐへの充電時間が短くない場合、すなわち、主放電電極Ｅ、Ｅへ加えられる電圧の立上りが早くない場合、放電開始電圧Ｖｂが小さいうちに主放電電極Ｅ、Ｅ間で放電が発生するのでレーザ出力が小さくなる。
また、ピーキングコンデンサＣｐに移行しきれない余剰電流が磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサ（図９ではコンデンサＣ３）から放電空間へ流れ込むが、この余剰電流はレーザ発振に寄与しない。よって、放電パルスの後半部で電界集中等により放電が不均一となって次回のパルス放電に悪影響を及ぼす履歴が残る。
【００１２】
先に述べたように、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、投入エネルギーが大きくこの余剰電流の影響もＫｒＦエキシマレーザ装置よりも大きくなるので、Ｃｐへの充電時間をより短くする必要がある。
また、繰返し周波数が高くなるとパルス間隔が短くなるので、前回のパルス放電の履歴の影響を受けないようにするには、Ｃｐへの充電時間をできるだけ短くする必要がある。
一方、主コンデンサＣ０に高電圧電源ＨＶから印加される電圧の値が、ＫｒＦエキシマレーザ装置の場合と同様、Ｖｉｎであるとき、投入エネルギーＥｉｎが、例えば、３〜４Ｊから４．５〜６Ｊへと大きくなった分、主コンデンサＣ０の容量をより大きくする必要がある。
したがって、前記（１）式から明らかなように、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなる。
具体的な数値例としては、例えば、ｔ0 ＝２．５μｓである。すなわち、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなる一方で、磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間ｔｒ（Ｃｐ）を短くしなければならないので、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくする必要がある。
圧縮比を大きくするには、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数を減らし、コアの断面積を大きくする必要がある。
【００１３】
図８に示したＫｒＦエキシマレーザ装置の場合のように、２段の磁気パルス圧縮回路の場合、パルス圧縮のための段数が少ないので、各段での圧縮比が大きくなる。そのため、上記したように各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数が減って、コアの断面積が大きくなる。
一方、図９に示す高電圧パルス発生装置のように、３段の磁気パルス圧縮回路の場合、パルス圧縮のための段数が２段より多いので、各段での圧縮比が２段の場合と比較して小さくてすみ、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積も２段の場合と比較して小さくてよい。
しかしながら段数が１段増えるので、磁気スイッチとコンデンサの分だけ（図９の磁気スイッチＳＲ４とコンデンサＣ３）、２段のときと比較すると大型化する。
【００１４】
２段の磁気パルス圧縮回路と３段の磁気パルス圧縮回路とを比較すると次のようになる。
(a) 圧縮比を大きくするため可飽和リアクトルのコアが大型化すると、コアでの損失が大きくなり電荷の移行効率が下がる。上記したように、２段の磁気パルス圧縮回路の場合、各段での圧縮比が３段の場合と比較して大きく、コアも大型化する。よって、１段あたりの移行効率は、２段の磁気パルス圧縮回路の方が３段の磁気パルス圧縮回路よりも低い。
(b) 電荷の移行効率を低下させる損失の要因である可飽和リアクトルのコアの数は３段の磁気パルス圧縮回路の方が多いので、コアの大きさが仮に同じならば、３段の磁気パルス圧縮回路の方が２段のものと比べて、主コンデンサＣ０からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行効率は低くなる。
(c) 上記したように、パルス発生部でｔ0 ＝２．５μｓのとき、ｔｒ（Ｃｐ）が１００ｎｓ以下となるようにパルス圧縮する場合は、圧縮比が大きいので、２段の磁気パルス圧縮回路の各段の可飽和リアクトルのコアの断面積が大きくなり、コアの数が少ないにもかかわらず、主コンデンサＣ０からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行効率は、２段の磁気パルス圧縮回路の方が、３段の磁気パルス圧縮回路より低下した。よって、この例では、４ｋＨｚ以上の高繰返しＡｒＦエキシマレーザにおける磁気パルス圧縮回路を３段とした。
【００１５】
（３）フッ素レーザ装置の高電圧パルス発生装置
フッ素レーザ装置の高電圧パルス発生装置例も図９と同じである。
フッ素レーザ装置が放出するレーザ光の波長は、ＡｒＦエキシマレーザ装置、ＫｒＦエキシマレーザ装置が放出するレーザ光の波長よりさらに短く、放電空間に投入するエネルギーは、さらに大きくなる。フッ素レーザ装置の入力エネルギーＥｉｎの数値は、例えば、７Ｊ以上である。
よって、コンデンサＣ０の容量は大きくなり、その結果、最大電流ＩＰが大きくなる。また、ＡｒＦエキシマレーザ装置と同様、フッ素レーザ装置もスループットの増大や、露光量の安定化のため、高繰返し発振（例えば、繰返し周波数４ｋＨｚ以上）が期待される。
したがって、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）も、ＡｒＦエキシマレーザ装置の場合〔例えば、ｔｒ（Ｃｐ）≦１００ｎｓ〕と同様、もしくは、それより短くする必要がある。
一方、主コンデンサＣ０に高電圧電源ＨＶから印加される電圧の値が、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置の場合と同様、Ｖｉｎであるとき、投入エネルギーＥｉｎが３〜４Ｊ（ＫｒＦエキシマレーザ装置の場合の例）から７Ｊ以上へと大きくなった分、主コンデンサＣ０の容量をより大きくする必要がある。
よって、前記（１）式から明らかなように、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなる。
【００１６】
具体的な数値例としては、例えば、ｔ0 ＝３．０ｎｓである。ＡｒＦエキシマレーザ装置のより圧縮比が大きくなる上記のような条件では、２段の磁気パルス圧縮回路では対応できず、３段の磁気パルス圧縮回路を採用することになる。この場合、ＡｒＦエキシマレーザ装置のときより各段での圧縮比が大きくなるので、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数が減って、コアの断面積が大きくなる。さらに、２段のときと比較すると、段数が１段増えるので、磁気スイッチとコンデンサの分だけ（図９の磁気スイッチＳＲ４とコンデンサＣ３）２段のときと比較すると大型化する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置の高電圧パルス発生装置は、繰返し周波数の増大という要請に答え、かつ、投入エネルギーの増大およびピーキングコンデンサの立上り速度の増大に対応するためには、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を増大する必要がある。
圧縮比を増大させるには、上記したように２つの方法がある。
一つは、磁気パルス圧縮回路の段数は増大させず（例えば、２段）、各段での圧縮比を増大させる方法である。すなわち、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアへの巻き数を減らして、コアの断面積が大きくする。
もう一つは、磁気パルス圧縮回路の各段の圧縮比はそのままか、あまり増大させず（例えばＫｒＦエキシマレーザ装置のときと同程度）、段数を増やす方法である。
前者の方法では、可飽和リアクトルのコアの断面積が増大するので、磁気パルス圧縮回路が大型化する。
一方、後者の方法では、各段の圧縮比は増大しないので各段個別には大型化しないが、段数が増える分、磁気スイッチとコンデンサのセットの数が増大するので、結局、磁気パルス圧縮回路が大型化する。いずれにしても磁気パルス圧縮回路が大型化することにより、メンテナンスも大掛かりなものとなり、また、磁気パルス圧縮回路そのものの材料コストが増加する。
本発明は以上のような事情に鑑み成されたものであって、その目的は、エネルギーの移行効率が高く、かつ、コンパクトで、繰返し周波数の高い高電圧パルス発生装置および該高電圧パルス発生装置を用いた露光用放電励起ガスレーザ装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）高電圧パルス発生装置において、高電圧に充電される主コンデンサと、可飽和リアクトルからなる磁気アシストと、スイッチ手段とが昇圧トランスの１次側に直列に接続され、上記昇圧トランスの２次側にコンデンサが接続された回路要素を複数設ける。
そして、複数の昇圧トランスの一次側に接続された上記スイッチ手段を同時にオンオフするように構成し、上記複数の昇圧トランスのコアと上記複数の磁気アシストのコアとを共通化し、該複数の昇圧トランスの２次側に接続された各コンデンサを並列に接続し、上記コンデンサの出力端に磁気スイッチを接続して磁気パルス圧縮回路の初段を形成する。さらに上記磁気パルス圧縮回路の初段の出力端にコンデンサと磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮回路のパルス圧縮段を少なくとも１つ接続し、この磁気パルス圧縮回路の最終段より高電圧パルスを出力する。
（２）上記（１）の高電圧パルス発生装置を、パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、このレーザチェンバー内に配置した繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有し、高繰返し発振を行う露光用放電励起ガスレーザ装置に適用し、上記一対のレーザ放電電極に高電圧パルスを印加する。
（３）上記（２）において、上記複数の回路要素を構成する各主コンデンサへ投入されるエネルギーの総和が４．０Ｊ以上であって、高繰返し発振周波数が４ｋＨｚ以上であり、上記高電圧パルス発生装置の最終段のコンデンサから上記ピーキングコンデンサへの電荷の移行時間が１００ｎｓ以下である露光用放電励起ガスレーザ装置に適用する。
【００１９】
本発明においては、高電圧パルス発生装置を上記（１）のように構成したので磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくしなくても、繰返し周波数の増大、投入エネルギーの増大およびピーキングコンデンサの立上り速度の増大という要請に対応することができる。
また、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積を小型化し、電荷の移行効率が上げることができる。さらに、２段の磁気パルス圧縮回路を採用することが可能となり、小型化・低コスト化が可能となる。
また、並列接続したパルス発生回路の昇圧トランスのコアを共通化することにより、レーザ装置の効率を向上させることができ、また装置の小型化を図ることができる。
またさらに、複数の磁気アシストのコアを共通化することにより、複数設けた磁気アシストのコアのばらつき、スイッチ手段の動作にばらつきがあっても、複数の磁気アシストの動作タイミングを一致させることができる。このため、複数の磁気アシストに流れる電流パルスを一致させることが可能となり、次段の磁気スイッチのコアが大型化することがない。
また、上記（１）の高電圧パルス発生装置を、パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、このレーザチェンバー内に配置した繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有する露光用放電励起ガスレーザ装置に適用することにより、高繰り返し発振が可能でコンパクトな露光用放電励起ガスレーザ装置を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（１）実施例１
ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に適用される本発明の第１の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を図１に示す。
図１に示す高電圧パルス発生装置は、パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、このレーザチェンバー内に配置した繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有するＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置等の、入力エネルギーが大きく高繰り返し周波数の露光用放電励起ガスレーザ装置に適用され、上記レーザ放電電極に高繰り返しの高電圧パルスを印加して、レーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるものである。
図１において、前記図９に示したものと同一のものには同一の符号が付されており、図１が図９と異なる部分は、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＲ１、固体スイッチＳＷ、昇圧トランスＴｒ１、コンデンサＣ１からなる回路構成を、複数（図１では２個）並列に接続するとともに、２個の昇圧トランスのコアを共通化した点である。
すなわち、図１に示す第１の実施例は、主コンデンサＣ０１、磁気スイッチ（磁気アシスト）ＳＲ１１および固体スイッチＳＷ１を昇圧トランスＴｒ１の１次側に直列接続し、昇圧トランスＴｒ１の２次側に並列にコンデンサＣ１１を接続した回路構成Ｃｉ１（パルス発生回路と昇圧回路）と、主コンデンサＣ０２、磁気スイッチ（磁気アシスト）ＳＲ１２を、固体スイッチＳＷ２を昇圧トランスＴｒ２の１次側に直列接続し、昇圧トランスＴｒ２の２次側に並列にコンデンサＣ１２を接続した回路構成Ｃｉ２（パルス発生回路と昇圧回路）とを設け、コンデンサＣ１１の出力側とコンデンサＣ１２の出力側で並列に接続するとともに、昇圧トランスＴｒ１とＴｒ２のコアを共通化したものである。
【００２１】
次に、図１に従って回路の動作を説明する。
まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値Ｖｉｎに調整され、主コンデンサＣ０１並びに主コンデンサＣ０２が充電される。このとき、固体スイッチＳＷ１並びに固体スイッチＳＷ２はオフになっている。
主コンデンサＣ０１並びに主コンデンサＣ０２の充電が完了し、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオンとなったとき、固体スイッチＳＷ１の両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１１の両端にかかるように移る。また、固体スイッチＳＷ２の両端にかかる電圧は主に磁気スイッチＳＲ１２の両端にかかるように移る。
磁気スイッチＳＲ１１の両端にかかる主コンデンサＣ０１の充電電圧Ｖｉｎの時間積分値が磁気スイッチＳＲ１１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１１が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０１、磁気スイッチＳＲ１１、インダクタンスＬL1、昇圧トランスＴｒ１の１次側、固体スイッチＳＷ１のループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ１の２次側、コンデンサＣ１１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１１に充電される。なお、ここでは、回路ループのインダクタンスとコンデンサＣ０１の寄生インダクタンスを合成したものをインダクタンスＬL1として表している。
【００２２】
一方、同時のタイミングで磁気スイッチＳＲ１２の両端にかかる主コンデンサＣ０２の充電電圧Ｖｉｎの時間積分値が磁気スイッチＳＲ１２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ１２が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０２、磁気スイッチＳＲ１２、インダクタンスＬL2、昇圧トランスＴｒ２の１次側、固体スイッチＳＷ２のループに電流が流れる。
同時に、昇圧トランスＴｒ２の２次側、コンデンサＣ１２のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０２に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１２に充電される。ここでは、回路ループのインダクタンスとコンデンサＣ０２の寄生インダクタンスを合成したものを、上記と同様にインダクタンスＬL2として表している。
並列に接続されている、コンデンサＣ１１を含む回路構成Ｃｉ１と、コンデンサＣ１２を含む回路構成Ｃｉ２とは、回路パラメータが等しいように設計されている。よって、コンデンサＣ１１、コンデンサＣ１２における電圧Ｖ１の時間積分値は等しくなる。
この時間積分値が磁気スイッチＳＲ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＲ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ２のループおよびコンデンサＣ１２、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＲ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１１およびコンデンサＣ１２に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
その後の動作は、前記図８で説明したＫｒＦエキシマレーザ装置の高電圧パルス発生装置と同様である。
【００２３】
本実施例の高電圧パルス発生装置の特徴は以下の通りである。
(a) 主コンデンサＣ０１からコンデンサＣ１１に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ01１、及び、主コンデンサＣ０２からコンデンサＣ１２に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ02２は、
Ｃ１１＝（ｎp ／ｎs ）2 ・Ｃ０１
Ｃ１２＝（ｎp ／ｎs ）2 ・Ｃ０２
であるとき、以下の（３）式、（４）式となる。
【００２４】
【数２】
ここで、ＳＲ１１（ｓａｔ）、ＳＲ１２（ｓａｔ）は、磁気スイッチＳＲ１１、ＳＲ１２が飽和したときのインダクタンスである。
(b) コンデンサＣ１１とコンデンサＣ１２は並列に接続されているので、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に移行した電荷は全てコンデンサＣ２に移行する。よって、主コンデンサＣ０１、Ｃ０２の容量は図９の従来の高電圧パルス発生装置における主コンデンサＣ０の容量の１／２でよい。すなわち、以下の通りになる。
Ｃ０１＝（１／２）・Ｃ０
Ｃ０２＝（１／２）・Ｃ０
(c) また、上記の通り主コンデンサＣ０１、Ｃ０２の容量が従来より小さくなったので、主コンデンサＣ０１、Ｃ０２の寄生インダクタンスも従来より小さくなる。すなわち、以下の通りとなる。
ＬL1＜ＬL
ＬL2＜ＬL
(d) 以上により、図９の従来の高電圧パルス発生装置における主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ0 と、主コンデンサＣ０１からコンデンサＣ１１に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ01とを比較すると、以下の（５）〜（７）式のようになる。ここで、ＳＲ１１（ｓａｔ）は磁気スイッチＳＲ１１が飽和したときのインダクタンス、ＳＲ１２（ｓａｔ）は磁気スイッチＳＲ１２が飽和したときのインダクタンスであるとし、ＳＲ１１（ｓａｔ）＝ＳＲ１２（ｓａｔ）＝ＳＲ１（ｓａｔ）とする。
【００２６】
【数３】
また、同様に、主コンデンサＣ０２からコンデンサＣ１２に電荷が移行する際、流れる電流の１／２周期ｔ02とを比較すると、以下の（８）〜（１０）式のようになる。
【００２８】
【数４】
以上のように磁気パルス圧縮回路の初段のコンデンサＣ１１、Ｃ１２への電荷（エネルギー）の移行時間は、図９の従来の高電圧パルス発生装置における磁気圧縮回路の初段のコンデンサＣ１への電荷（エネルギー）の移行時間より短くなる。
よって、磁気パルス圧縮回路で圧縮する前の電流パルスの周期が従来より短くなるので、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を小さくすることができる。
そのため、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積を大きくすることなく、２段の磁気パルス圧縮回路でパルス圧縮をすることができる。また、コアの断面積が小さくなった分、電荷の移行効率も高くなる。
また、当然ながら、３段の磁気パルス圧縮回路より段数が少ないので小型化・低コスト化が可能となり、また電荷の移行効率も３段の時期パルス圧縮回路よりも高くなる。
【００３０】
本実施例の高電圧パルス発生装置を、下記条件において、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に適用したところ以下の結果を得た。
条件（１）投入エネルギーＥｉｎ
ＡｒＦエキシマレーザ装置：４．５〜６Ｊ
フッ素レーザ装置：７Ｊ以上
条件（２）繰返し周波数
両装置とも４ｋＨｚ
結果：コンデンサＣ１１、Ｃ１２への移行時間：両装置とも１．２μｓ以下
：ピーキングコンデンサＣｐへの移行時間ｔｒ（Ｃｐ）：両装置とも８０ｎｓ以下
上記したように、ＫｒＦエキシマレーザ装置と比べてＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置は、４ｋＨｚ以上の高繰返しが要請される。また、投入エネルギーＥｉｎも４Ｊ以上と大きくなり、主コンデンサＣ０の容量をより大きくすることによりそれに対応している。よって、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１に電荷が移行する時間ｔ0 が大きくなるが、その一方で、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）の高速化（８０ｎｓ以下）が必要とされる。
このようなＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に、本実施例の高電圧発生回路を適用すると、上記したように、主コンデンサＣ０からコンデンサＣ１１、Ｃ１２への移行時間が１．２μｓ以下と短くできる。すなわち、磁気パルス圧縮回路で圧縮する前の電流パルスの周期を短くすることができる。よって、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくする必要がないので、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積も従来と比べ小型になって、コアでの損失が小さくなり電荷の移行効率が上がる。
また、２段の磁気パルス圧縮回路を採用することが可能となり、小型化・低コスト化が可能となる。
【００３１】
本実施例においては、並列に接続されるパルス発生回路において、昇圧トランスＴｒ１、Ｔｒ２のコアを共通化している。
昇圧トランスのコアを共通化することにより、以下の効果が得られる。
昇圧トランスのコアを分離した場合は、昇圧トランスを２個（Ｔｒ１，Ｔｒ２）使用するので、トランスのコアでの損失が大きくなるが、昇圧トランスを共通化すれば、使用するコアが１個で済むので、昇圧トランスのコアを共通化しない場合と比較して、損失が少なくなる。すなわち、レーザ装置の効率を向上させることができる。また、コアが１個で済むので、装置の小型化を図ることができる。
なお、性能面では、昇圧トランスを分離した場合は、パルス発生回路それぞれに昇圧トランスがあるので、固体スイッチＳＷ１と昇圧トランスＴｒ１と磁気スイッチＳＲ１１の実装時の配線、配置等を、回路ループのインダクタンスが最小となるように行うことができる。同様に、固体スイッチＳＷ２と昇圧トランスＴｒ２と磁気スイッチＳＲ１２の実装時の配線、配置等を、回路ループのインダクタンスが最小となるように行うことができる。すなわち、インダクタンスＬL1、インダクタンスＬL2を小さくすることができ、パルス発生回路における電流パルスの１／２周期ｔ01、ｔ02が短くなる。
一方、昇圧トランスを共通化した場合は、１つの昇圧トランスＴｒ１に、固体スイッチＳＷ１、磁気スイッチＳＲ１１、固体スイッチＳＷ２、磁気スイッチＳＲ１２を実装することになるので、回路ループのインダクタンスが最小となるように、配線、配置等を行うことが昇圧トランスを分離した場合に比べ、難しくなる。
すなわち、昇圧トランスを分離した場合と比べると、インダクタンスＬL1、インダクタンスＬL2を小さくすることができず、パルス発生回路における電流パルスの１／２周期ｔ01、ｔ02が若干長くなる。このため、磁気パルス圧縮回路の圧縮比が同じである場合、昇圧トランスを分離した場合の方が、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）（磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサＣ３からピーキングコンデンサＣｐへの電荷の移行時間）を短くすることができる。
以上のように、昇圧トランスのコアを共通化することにより、レーザ装置の効率を向上させることができ、また、装置の小型化を図ることができが、性能面では、ピーキングコンデンサＣｐへのエネルギー移行時間ｔｒ（Ｃｐ）が長くなる可能性がある。しかし、この性能面での問題は、回路配置を工夫することにより、改善を図ることが可能である。
【００３２】
（２）実施例２
図２に本発明の第２の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を示す。本実施例の高電圧パルス発生装置も、第１の実施例と同様、高繰返し発振を行うＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素レーザ装置に適用され、上記レーザ放電電極に高繰り返しの高電圧パルスを印加して、レーザチェンバ内で放電を発生させレーザガスを励起させるものである。
本実施例と前記図１に示した第１の実施例との違いは、並列に接続されるパルス発生回路において、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチングロスの低減用の磁気スイッチのコアを共通化（図２の磁気スイッチＳＲ１）した点にある。なお、本実施例においては、昇圧トランスＴｒ１，Ｔｒ２のコアを共通化していないが、第１の実施例と同様に、昇圧トランスＴｒ１，Ｔｒ２のコアを共通化してもよい。
図１に示した第１の実施例において、同時にＯＮ、ＯＦＦ動作するよう設計されている固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の動作にバラツキがあり、また、磁気スイッチＳＲ１１、ＳＲ１２の可飽和リアクトルのコアにバラツキがある場合を考える。
【００３３】
図３に、第１の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作し、また、飽和時に磁気スイッチＳＲ１１が磁気スイッチＳＲ１２より早く動作する場合の波形を示す。
図３（ａ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１１を流れる電流波形を示す。図３（ｂ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１２を流れる電流波形を示す。図３（ｃ）は、図１において、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流波形、すなわち、磁気スイッチＳＲ１１を流れる電流の波形と磁気スイッチＳＲ１２に流れる電流の波形が合成された電流波形を示す。
【００３４】
図３（ａ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮ後、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧が急激に降下し、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間Ｔ１後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ01である。図３（ｂ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間ｔｄ１だけ遅れて固体スイッチＳＷ２がＯＮして固体スイッチＳＲ２にかかる電圧が急激に降下すること、および、固体スイッチＳＷ２がＯＮの時点から、時間Ｔ２後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ02でありｔ02＝ｔ01である。
なお、この例では上記時間Ｔ２は時間Ｔ１より長く、その差はｔｄ２である。
上記時間ｔｄ１は、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２をドライブするドライブ回路のバラツキにより発生する時間である。また、上記時間ｔｄ２は、磁気スイッチＳＲ１１、ＳＲ１２にかかる電圧の時間積分値のバラツキにより発生する時間である。
図３（ｃ）に示すように、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流の１／２周期はｔ01＋ｔｄ１＋ｔｄ２（＝ｔ02＋ｔｄ１＋ｔｄ２）となり、ｔ01（＝ｔ02）より増加する。よって、このようなジッタを考慮した分だけ磁気パルス圧縮回路の次段の可飽和リアクトルのコアが大型化する。
【００３５】
一方、図２に示す高電圧パルス発生装置について考える。
図２では、各パルス発生回路における固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２の動作のバラツキはあり得るが、磁気スイッチＳＲ１が共通のため、第１の実施例のような、コアのばらつきの影響は生じない。図４に、第２の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作する場合の波形を示す。
図４（ａ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１を流れる電流波形を示す。
図４（ｂ）において、一点鎖線は、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧を、実線は磁気スイッチＳＲ１を流れる電流波形を示す。
図４（ｃ）は、図４において、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流波形、すなわち、磁気スイッチＳＲ１を流れる電流の電流波形を示す。
【００３６】
図４（ａ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮ後、固体スイッチＳＷ１にかかる電圧が急激に降下し、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間Ｔ１後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ01である。
図４（ｂ）は、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間ｔｄ１だけ遅れて固体スイッチＳＷ２がＯＮすること、また、先に固体スイッチＳＷ１がＯＮしたので、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧が固体スイッチＳＷ２がＯＮする時点まで上昇して、その後、固体スイッチＳＷ２がＯＮした後、急激に降下すること、さらに、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間Ｔ１後に電流パルスが発生することを示している。ここで、電流パルスの１／２周期はｔ02でありｔ02＝ｔ01である。
すなわち、並列に接続されるパルス発生回路において、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２のスイッチングロスの低減用の磁気スイッチＳＲ１を共通化したので、磁気スイッチＳＲ１は、先にＯＮした固体スイッチＳＷ１によって動作を開始する。
このため、固体スイッチＳＷ２のＯＮ動作の遅れは、磁気スイッチＳＲ１の動作に影響を与えない。さらに上記したように、磁気スイッチＳＲ１が共通のため、コアのばらつきの影響は生じない。したがって、図４（ｃ）に示すように、磁気パルス圧縮回路の初段にかかる電流の１／２周期はｔ01（＝ｔ02）となる。
すなわち、本実施例によれば、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２のジッタ分を考慮しなくてよい。
【００３７】
なお、図２の高電圧パルス発生装置において、以下に示す図５のように、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続するのが望ましい。
上記した図４（ｂ）に示したとおり、例えば、固体スイッチＳＷ１がＯＮの時点から時間ｔｄ１だけ遅れて固体スイッチＳＷ２がＯＮする場合、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧は固体スイッチＳＷ２がＯＮする時点まで上昇して、その後、固体スイッチＳＷ２がＯＮした後、急激に降下する。ここで、時間ｔｄ１が長くなると、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧が大きくなり、場合によっては、固体スイッチＳＷ２の耐圧を超えてしまう恐れがある。
そこで、固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続する。これにより、時間ｔｄ１が長くなっても、図６（ｂ）に示すように、固体スイッチＳＷ２にかかる電圧の上昇スピードが緩やかになり、電圧が固体スイッチＳＷ２の耐圧を超えてしまう前に固体スイッチＳＷ２がＯＮして急激に降下する。
このため、固体スイッチＳＷ２が保護される。固体スイッチＳＷ２が先にＯＮした場合には、固体スイッチＳＷ１が同様に保護される。
【００３９】
また、前記第１、第２の実施例では、主コンデンサ、磁気スイッチ（磁気アシスト）、固体スイッチが昇圧トランスの１次側に直列接続された回路を２回路並列に接続しているが、本発明はこれに限るものではなく、入力エネルギーＥｉｎの増大、ピーキングコンデンサＣｐへの移行時間ｔｒ（Ｃｐ）の短縮化に応じて、３回路以上並列接続することも可能である。
さらに、主コンデンサ、磁気スイッチ（磁気アシスト）、固体スイッチが昇圧トランスの１次側に直列接続された回路を２回路並列に接続するにあたって、磁気スイッチ（磁気アシスト）のコアを共通化した例を第２の実施例で示したが、入力エネルギーＥｉｎの増大、ピーキングコンデンサＣｐへの移行時間ｔｒ（Ｃｐ）の短縮化に応じて、上記構成の並列２回路を１ユニットの回路として、このユニットを複数並列に接続してもよい。
図７に上記並列２回路を１ユニットの回路として、このユニットを複数並列に接続した回路例を示す。
図７の回路は、昇圧トランスＴｒ１，Ｔｒ２のコアを共通化した前記図２に示した高電圧パルス発生装置を並列接続したものであり、その動作は前記図２に示したものと同じである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）主コンデンサ、磁気スイッチ（磁気アシスト）、固体スイッチが昇圧トランスの１次側に直列接続された回路を複数並列に接続したので、投入エネルギーの増大という要請に対し、所定の充電電圧のとき、主コンデンサの容量を大きくしなくとも対応することが可能となる。
そのため、磁気パルス圧縮回路で圧縮する前の電流パルスの周期を短くすることが可能となった。さらに、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくしなくても、繰返し周波数の増大、投入エネルギーの増大およびピーキングコンデンサの立上り速度の増大という要請に対応することができる。
また、上記したように、磁気パルス圧縮回路の圧縮比を大きくする必要がないので、各磁気スイッチを構成する可飽和リアクトルのコアの断面積も従来と比べ小型になって、コアでの損失が小さくなり電荷の移行効率が上がった。
さらに、２段の磁気パルス圧縮回路を採用することが可能となり、小型化・低コスト化が可能となる。
（２）並列接続したパルス発生回路の昇圧トランスのコアを共通化したので、昇圧トランスのコアを共通化しない場合と比較して、損失が少なくすることができ、レーザ装置の効率を向上させることができる。また、コアが１個で済むので、装置の小型化を図ることができる。
（３）並列回路に設けた複数の磁気アシストのコアを共通化することにより、複数設けた磁気アシストのコアのばらつき、スイッチ手段の動作にばらつきがあっても、複数の磁気アシストの動作タイミングを一致させることができる。このため、複数の磁気アシストに流れる電流パルスを一致させることが可能となり、次段の磁気スイッチのコアが大型化することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明の第２の実施例の高電圧パルス発生装置の構成を示す図である。
【図３】 第１の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作する場合の波形例を示す図である。
【図４】 第２の実施例において固体スイッチＳＷ１が固体スイッチＳＷ２より早く動作する場合の波形例を示す図である。
【図５】 第２の実施例において固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続した場合を示す図である。
【図６】 固体スイッチＳＷ１、ＳＷ２にそれぞれ並列にコンデンサＣｓを接続した場合の波形例を示す図である。
【図７】 並列２回路を１ユニットの回路として、このユニットを複数並列に接続した回路例を示す図である。
【図８】 ＫｒＦエキシマレーザ装置における高電圧パルス発生装置の回路例を示す図である。
【図９】 ＡｒＦエキシマレーザ装置における高電圧パルス発生装置の回路例を示す図である。
【符号の説明】
ＨＶ 高電圧電源
ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２ 固体スイッチ
ＳＲ１〜ＳＲ４ 磁気スイッチ
ＳＲ１１，ＳＲ１２ 磁気スイッチ
ＬL ，ＬL1〜ＬL4 インダクタンス
Ｔｒ１，Ｔｒ２ 昇圧トランス
Ｃ０ 主コンデンサ
Ｃｐ ピーキングコンデンサ
Ｃ１〜Ｃ３，Ｃｃ コンデンサ
Ｃ１１〜Ｃ１４ コンデンサ
Ｃ０１〜Ｃ０４ コンデンサ
Ｅ，Ｅ 主放電電極
１１ 第１電極
１２ 誘電体チューブ
１３ 第２電極
Claims (3)
- 高電圧に充電される主コンデンサと、可飽和リアクトルからなる磁気アシストと、スイッチ手段とが昇圧トランスの１次側に直列に接続され、
上記昇圧トランスの２次側にコンデンサが接続された回路要素を複数有し、複数の昇圧トランスの一次側に接続された上記スイッチ手段は同時にオンオフするように構成され、
上記複数の昇圧トランスのコアと上記複数の磁気アシストのコアが共通化され、該複数の昇圧トランスの２次側に接続された各コンデンサが並列に接続されており、
上記コンデンサの出力端に磁気スイッチが接続されて磁気パルス圧縮回路の初段を形成し、
さらに上記磁気パルス圧縮回路の初段の出力端にコンデンサと磁気スイッチからなる磁気パルス圧縮回路のパルス圧縮段が少なくとも１つ接続されていて、この磁気パルス圧縮回路の最終段より高電圧パルスを出力する
ことを特徴とする高電圧パルス発生装置。 - パルス放電により励起可能なレーザガスが密封されたレーザチェンバーと、
このレーザチェンバー内に配置されており、請求項１に記載の高電圧パルス発生装置の出力端に接続されて繰返しパルス放電を行う一対のレーザ放電電極と、
上記一対のレーザ放電電極に並列に接続されたピーキングコンデンサとを有し、高繰返し発振を行う露光用放電励起ガスレーザ装置。 - 上記複数の回路要素を構成する各主コンデンサへ投入されるエネルギーの総和が４．０Ｊ以上であって、
高繰返し発振周波数が４ｋＨｚ以上であり、
上記高電圧パルス発生装置の最終段のコンデンサから上記ピーキングコンデンサへの電荷の移行時間が１００ｎｓ以下である
ことを特徴とする請求項２の露光用放電励起ガスレーザ装置。
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