JP5322217B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体や液晶基板、更には、カラーフィルタ等の製造工程で利用される露光装置用の光源装置に関わり、特に、紫外線波長域の光を放射する光源に対してエネルギービームを供給する手段を備えた光源装置に関する。

近年、半導体や液晶基板、更には、カラーフィルタ等の製造工程においては、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。これに伴い、紫外線光源である高圧放電ランプには、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、高圧放電ランプへの入力電力を単純に大きくすれば、放電容器内部に配置された電極への負荷が増大し、電極からの蒸発物が原因となって、高圧放電ランプ内が黒化し、短寿命化の原因となる。

このような問題を解決するために、種々の提案がなされており、例えば、特許文献に１には、希ガスや水銀が封入された放電容器を配置し、該放電容器の内部空間に配置された種火生成用の一対の電極間の中心に対して連続状又はパルス状のレーザービームを照射するためのレーザー源を備えた光源が開示されている。この特許文献１に開示されている光源によれば、レーザービームによってプラズマが高温状態になるよう加熱され、この高温状態になったプラズマから高輝度の紫外光を放射させることができる。

上記の光源は、チャンバー内に照射されたレーザービームによって、チャンバー内に対向して配置された一対の電極間に生じる高温プラズマ（Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ、以下ＤＰＰともいう）とは独立に、高温プラズマ（Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｐｌａｓｍａ、以下ＬＰＰともいう）が生成される。しかしながら、この高温プラズマ（ＬＰＰ）は、レーザービームの光軸に沿って振動して、高温プラズマ（ＬＰＰ）がレーザービームの光軸方向に沿って位置変動するという問題があった。特に、放電容器内に水銀及びキセノンガスが封入されている場合は、高温プラズマ（ＬＰＰ）の位置変動が顕著であった。そのため、光源から放出される光にチラツキが生じるという不具合があった。なお、上記特許文献１には、放電容器内のどこにレーザービームを入射するかについては明らかにされていない。

米国特許２００７／０２２８３００号公報

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、高温プラズマ（ＬＰＰ）が光軸方向に沿って継続的に振動していても光源のチラツキを防止することのできる光源装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、一対の電極が対向して配置されると共に、放電媒体が封入された放電ランプと、前記一対の電極間に向けてエネルギービームを照射するエネルギービーム照射手段とを備えた光源装置であって、前記エネルギービーム照射手段は、前記電極に給電して前記放電ランプが点灯している状態のときに前記電極の先端付近に形成される輝点に向けて、前記放電ランプの管軸に対し直交する方向からエネルギービームを照射することを特徴とする光源装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記エネルギービーム照射手段の位置を調整する位置調整手段を備え、該位置調整手段は、前記放電ランプを点灯させたとき、前記エネルギービーム照射手段から照射されるエネルギービームを前記電極の先端付近に形成される輝点に向けて照射するように調整することを特徴とする光源装置である。

本発明によれば、入射される高温プラズマ（ＬＰＰ）等のエネルギービームが継続的に振動していても光源のチラツキを防止することができる。また、放電ランプの電極間に形成される高温プラズマ（ＤＰＰ）の輝点と高温プラズマ（ＬＰＰ）等のエネルギービームとを重複させることにより、極めて高輝度のプラズマを得ることができる。

本発明の第１の実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る光源装置の概略構成を示す斜視図、図２は、図１に示した光源装置の直流点灯方式で点灯する場合の放電ランプの構成を示す正面断面図である。
図１に示すように、本実施形態の発明に係る光源装置は、放電ランプ１と、放電ランプ１を取り囲むように配置された集光反射鏡２と、レーザービーム等のエネルギービームを照射するエネルギービーム照射手段３と、エネルギービーム照射手段３を可動してエネルギービームの照射位置を調整するためのエネルギービーム位置調整手段４とを備えている。

放電ランプ１は、図２に示すように、例えば、発光媒体として水銀が封入されたショートアーク型の高圧水銀ランプである。同図に示すように、直流点灯方式では、放電ランプ１が、略球状の発光部１１とその両端に続く封止部１２からなる発光管１３で構成され、発光部１１内に陽極１４及び陰極１５が対向配置されており、陽極１４と陰極１５との間に直流電圧を印加することによって点灯駆動するものである。発光管１３は、石英ガラス等の紫外線を透過する材料で構成され、発光部１１内には、水銀、キセノンガス等の放電媒体が封入されている。陽極１４は、円錐台形状を有する先端部１４１とこれに続く円柱状の胴部１４２とで構成され、胴部１４２の根元部分が封止部１２で保持されている。陰極１５は、先端部に形成される鋭利な尖頭部１５１とこれに続く円柱状の胴部１５２とで構成され、胴部１５２の根本部分が封止部１２で保持されている。陽極１４及び陰極１５は、例えば、タングステン等の高融点材料で構成される。

図１において、集光反射鏡２は、全体として椀型形状を有する、例えば、回転楕円面反射鏡、放物反射面鏡であり、その第１焦点が放電ランプ１の電極間中心に一致するとともに放電ランプ１の周囲を取り囲むようにして配置される。集光反射鏡２は、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）とＳｉＯ_２（酸化シリコン）を交互に積層してなる多層膜や、Ｔａ_２Ｏ_５（酸化タンタル）とＳｉＯ_２（酸化シリコン）を交互に積層してなる多層膜等からなる光反射面２１で形成されており、放電ランプ１から出射した紫外光を光反射面２１で反射して光出射開口２２から出射する。また、集光反射鏡２の側面には、エネルギービーム照射手段３から放射されたレーザービーム８を集光反射鏡２内に入射させるための開口２３、及び放電寄与後のレーザービームを透過するための開口２４が形成されている。

エネルギービーム照射手段３は、放電ランプ１の一対の電極間１４、１５に向けて、例えば、レーザービームを照射するためのレーザー発振器３１を備え、レーザー発振器３１から放射されたレーザービーム８は、レーザー発振器３１の前方側に配置された光学系５によってビーム径が最適な大きさとなるように調整され、集光反射鏡２の側面に設けられた開口２３を通って放電ランプ１の一対の電極１４、１５間に照射される。エネルギービーム照射手段３から出射する、連続波レーザーとしては、半導体レーザーやファイバーレーザー、パルスレーザーとしては、ＹＡＧレーザーやＣＯ_２レーザー等を例示することができる。レーザービーム８は、例えば、波長が１０６５ｎｍであり、連続発振出力が５００Ｗのファイバーレーザーである。

図２に示すように、電極１４，１５間に直流電圧を印加して放電ランプ１を点灯駆動すると、一対の電極１４、１５間に放電が発生することにより高温プラズマ（ＤＰＰ）６が形成され、輝点６１が陰極１５の尖頭部１５１の先端付近に形成される。エネルギービーム位置調整手段４は、レーザー発振器３１をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の３次元方向に可動させ、レーザービーム８の光軸９が放電ランプ１の管軸１０に対して直交すると共にレーザービーム８が陰極１５の尖頭部１５１の先端付近の輝点６１に集光する状態となるように、レーザー発振器３１を位置決めする。なお、ここで輝点とは、極間中心を通りランプ管軸に直交する直線より陰極側の領域を指し、大凡陰極の先端付近に形成される領域である。

本発明の光源装置は、図２に示すように、レーザービーム８の光軸９が放電ランプ１の管軸１０に対して直交するように放電ランプ１の輝点６１に対して照射することによって、次のような効果が期待できる。
まず、放電ランプ１における一対の電極１４、１５間には、放電ランプ１の管軸１０に沿って伸びる高温プラズマ（ＤＰＰ）６が形成される。また、レーザービーム８を放電ランプ１の発光部１１内に入射させることによって、レーザービーム８の光軸方向に沿って高温プラズマ（ＬＰＰ）７が形成される。放電ランプ１の管軸１０とレーザービーム８の光軸９とが直交していることから、高温プラズマ（ＤＰＰ）６と高温プラズマ（ＬＰＰ）７とは互いに直交するように形成される。かくして、放電ランプ１の輝点６１は高温プラズマ（ＤＰＰ）６のうちで輝度が最も高い箇所であり、輝点６１にレーザービーム８が照射されるように高温プラズマ（ＬＰＰ）７を形成して、高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６１と高温プラズマ（ＬＰＰ）７とを重複させることにより、極めて高輝度のプラズマを得ることができる。つまり、集光反射鏡２で集光される光を利用する光源装置においては、光の取り込み領域が局所的となり、この光取り込み領域の光強度を向上させることができる。

ここで、高温プラズマ（ＬＰＰ）７がレーザービーム８の光軸方向に沿って継続的に振動したとしても、光源のチラツキを可及的に小さくすることができる。なぜなら、放電ランプ１の輝点６１において高温プラズマ（ＤＰＰ）６と高温プラズマ（ＬＰＰ）７とを重複させて形成した混合プラズマは、高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６１における輝度が極めて高く、混合プラズマ全体として見れば混合プラズマの輝度に占める高温プラズマ（ＬＰＰ）７の輝度の割合が低いために、高温プラズマ（ＬＰＰ）７の振動による光源のチラツキが殆ど問題にならないからである。

図３は、図２に示した放電ランプ１の比較例としての放電ランプ１の正面断面図である。同図に示すように、この放電ランプ１は、一対の電極１４、１５の極間中心、言い換えると、一対の電極１４、１５間に形成される高温プラズマ（ＤＰＰ）６の中心にレーザービーム８が照射されており、このような場合は、放電ランプ１から放出される光のチラツキを抑制することができない。つまり、高温プラズマ（ＤＰＰ）６のうち輝度の低い箇所にレーザービーム８が照射されて高温プラズマ（ＬＰＰ）７が形成されているため、混合プラズマ全体として見れば、混合プラズマの輝度に占める高温プラズマ（ＬＰＰ）７の輝度の割合が、図２に示した放電ランプ１のものより高い。したがって、高温プラズマ（ＤＰＰ）６と高温プラズマ（ＬＰＰ）７との混合プラズマに対する高温プラズマ（ＬＰＰ）７の振動による影響が大きくなり、光源のチラツキが大きくなるものと考えられる。

図４は、図１に示した光源装置の交流点灯方式で点灯する場合の放電ランプ１の構成を示す正面断面図である。
同図に示すように、交流点灯方式は、放電ランプ１が、略球状の発光部１１とその両端に続く封止部１２からなる発光管１３で構成され、発光部１１内に電極１６及び電極１７が対向配置されており、電極１６と電極１７との間に交流電圧を印加することによって点灯駆動するものである。発光管１３は、石英ガラス等の紫外線を透過する材料で構成され、発光部１１内には、水銀、キセノンガス等の放電媒体が封入されている。電極１６、１７は、先端部に形成される鋭利な尖頭部１６１、１７１とこれに続く円柱状の胴部１６２、１７２とで構成され、胴部１６２、１７２の根本部分が封止部１２で保持されている。電極１６、１７は、例えば、タングステン等の高融点材料で構成される。

同図に示すように、交流点灯する場合、発光部１１内に形成される高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６２，６３が、印加電圧の極性が変わる毎に各々の電極１６、１７の先端付近に形成される。エネルギービーム照射手段３から照射されたレーザービーム８は、一対の電極１６、１７のうち何れか一方の電極１６（１７）の先端付近に形成される輝点６２（６３）に向けて照射される。こうすることにより、直流点灯方式の場合と同様の理由で高温プラズマ（ＬＰＰ）７が振動して継続的に位置変動しても、光源のチラツキを防止することができる。なお、ここで輝点とは、極間中心を通りランプ管軸に直交する直線より各電極側の領域である、つまり、各電極の先端付近に形成される領域である。

本発明の第２の実施形態を図５ないし図７を用いて説明する。
図５は、本実施形態の発明に係る光源装置の概略構成を示す斜視図であり、図６は、図５に示した光源装置の直流点灯方式で点灯する場合の放電ランプの構成を示す正面断面図図７は、図５に示した光源装置の交流点灯方式で点灯する場合の放電ランプの構成を示す正面断面図である。
図５において、本実施形態の発明に係る光源装置は、図１に示した同符号の構成に対応するので、詳細な説明は省略する。なお、図５において、θ１はＸ軸の回りの回転角、θ２はＹ軸の回りの回転角、θ３はＺ軸の回りの回転角を示している。

図６に示すように、陽極１４と陰極１５間に直流電圧を印加して放電ランプ１を点灯駆動すると、電極１４，１５間に放電が発生することにより高温プラズマ（ＤＰＰ）６が形成されて、輝点６１が陰極１５の尖頭部１５１の先端付近に形成される。図５に示すように、エネルギービーム位置調整手段４は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の３次元方向、並びにＸ軸の回りにθ１、Ｙ軸の回りにθ２、及びＺ軸の回りにθ３の回転方向にレーザー発振器３１から放射されるレーザービーム８の位置を調整する。これによって、エネルギービーム位置調整手段４は、レーザービーム８の光軸９が放電ランプ１の管軸１０に対して斜交するように入射されると共にレーザービーム８が陰極１５の尖頭部１５１の先端付近の輝点６１に集光する状態となるように、レーザー発振器３１を位置決めする。

本発明の光源装置は、図６に示すように、レーザービーム８の光軸９が放電ランプ１の管軸１０に対して斜交するようにレーザービーム８を放電ランプ１の輝点６１に対して照射することによって、次のような効果が期待できる。
放電ランプ１における一対の電極１４、１５間には、放電ランプ１の管軸１０に沿って伸びる高温プラズマ（ＤＰＰ）が形成され、また、レーザービーム８を放電ランプ１の発光部１１内に入射させることによって、レーザービーム８の光軸方向に沿って高温プラズマ（ＬＰＰ）が形成される。放電ランプ１の管軸１０とレーザービーム８の光軸９とが斜交していることから、高温プラズマ（ＤＰＰ）６に対して高温プラズマ（ＬＰＰ）７が斜め方向に形成される。かくして、放電ランプ１の輝点６１は高温プラズマ（ＤＰＰ）６のうちで輝度が最も高い箇所であるため、輝点６１にレーザービーム８を照射して高温プラズマ（ＬＰＰ）７を形成することによって、高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６１と高温プラズマ（ＬＰＰ）７とを重複させることにより、極めて高輝度のプラズマを得ることができる。

ここで、高温プラズマ（ＬＰＰ）７がレーザービーム８の光軸方向に沿って継続的に振動したとしても、光源のチラツキを可及的に小さくすることができる。なぜなら、放電ランプ１の高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６１と高温プラズマ（ＤＰＰ）７とを重複させて形成した混合プラズマは、高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６１における輝度が極めて高く、混合プラズマ全体として見れば混合プラズマの輝度に占める高温プラズマ（ＬＰＰ）７の輝度の割合が低くなるため、高温プラズマ（ＬＰＰ）７の振動による光源のチラツキが殆ど問題にならなくすることができる。

また、図７に示すように、交流点灯する場合、発光部１１内に形成される高温プラズマ（ＤＰＰ）６の輝点６２，６３が、印加電圧の極性が変わる毎に各々の電極１６、１７の先端付近に形成される。エネルギービーム照射手段３から照射されたレーザービームは、一対の電極１６、１７のうち何れか一方の電極１６（１７）の先端付近に形成される輝点６２（６３）に向けて斜め方向から照射される。こうすることにより、直流点灯方式の場合と同様の理由により高温プラズマ（ＬＰＰ）７が振動して継続的に位置変動しても、光源のチラツキを防止することができる。

第１の実施形態の発明に係る光源装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示した光源装置の直流点灯方式で点灯する場合の放電ランプの構成を示す正面断面図である。 図２に示した放電ランプ１の比較例としての放電ランプ１の正面断面図である。 図１に示した光源装置の交流点灯方式で点灯する場合の放電ランプ１の構成を示す正面断面図である。 第２の実施形態の発明に係る光源装置の概略構成を示す斜視図である。 図５に示した光源装置の直流点灯方式で点灯する場合の放電ランプの構成を示す正面断面図である。 図５に示した光源装置の交流点灯方式で点灯する場合の放電ランプの構成を示す正面断面図である。

符号の説明

１ 放電ランプ
１１ 発光部
１２ 封止部
１３ 発光管
１４ 陽極
１４１ 先端部
１４２ 胴部
１５ 陰極
１５１ 尖頭部
１５２ 胴部
１６、１７ 電極
１６１、１７１ 尖頭部
１６２、１７２ 胴部
２ 集光反射鏡
２１ 光反射面
２２ 光出射開口
２３ 開口
２４ 開口
３ エネルギービーム照射手段
３１ レーザー発振器
４ エネルギービーム位置調整手段
５ 光学系
６ 高温プラズマ（ＤＰＰ）
６１ 輝点
６２、６３ 輝点
７ 高温プラズマ（ＬＰＰ）
８ レーザービーム
９ 光軸
１０ 管軸

Claims (2)

1. 一対の電極が対向して配置されると共に、放電媒体が封入された放電ランプと、前記一対の電極間に向けてエネルギービームを照射するエネルギービーム照射手段とを備えた光源装置であって、
   前記エネルギービーム照射手段は、前記電極に給電して前記放電ランプが点灯している状態のときに前記電極の先端付近に形成される輝点に向けて、前記放電ランプの管軸に対し直交する方向からエネルギービームを照射することを特徴とする光源装置。
2. 前記エネルギービーム照射手段の位置を調整する位置調整手段を備え、該位置調整手段は、前記放電ランプを点灯させたとき、前記エネルギービーム照射手段から照射されるエネルギービームを前記電極の先端付近に形成される輝点に向けて照射するように調整することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。