JP5515040B2 - Plasma light source and plasma light generation method - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ光源及びプラズマ光発生方法に関し、特に、磁化同軸ガンを用いたプラズマ光源及びこれを用いたプラズマ光発生方法に関するものである。   The present invention relates to a plasma light source and a plasma light generation method, and more particularly to a plasma light source using a magnetized coaxial gun and a plasma light generation method using the same.

従来、半導体集積回路の製造等に用いる縮小露光装置等の光源として、プラズマ光源が用いられている。プラズマ光源は、高温高密度のプラズマを生成して紫外光を発生させることができるが、高温になるため、装置内の部品等の蒸発によって発生するデブリ(有害塵)が、放射される光の透過の妨げになる等の問題がある。そのため、例えば特許文献1では、デブリ防止手段を施したプラズマ光源が提案されている。   Conventionally, a plasma light source is used as a light source for a reduction exposure apparatus or the like used for manufacturing a semiconductor integrated circuit. A plasma light source can generate ultraviolet light by generating high-temperature and high-density plasma. However, because of the high temperature, debris (harmful dust) generated by evaporation of parts in the device is emitted from the emitted light. There are problems such as hindering transmission. Therefore, for example, Patent Document 1 proposes a plasma light source provided with a debris prevention means.

図1は、特許文献1に開示のプラズマ光源の構成を示す図であり、図1(a)はプラズマ光源の軸方向の断面図であり、図1(b)は図1(a)のb−b断面図である(外囲円筒54は省略してある)。図示の通り、特許文献1に開示のプラズマ光源は、キャピラリ構造体52、仕切り円筒53、外囲円筒54、電源55で主に構成されている。キャピラリ構造体52は、円筒状の構造体であり、仕切り円筒53内に配置されている。キャピラリ構造体52の同心円上に、キャピラリ(直径3mm程の貫通孔)521が多数形成されている。キャピラリ構造体52の軸は、モータ(図示せず)により駆動される回転軸522に取り付けられている。図示の通り、仕切り円筒53は、外囲円筒54内を仕切るように配置されている。仕切り円筒53には、1つの貫通孔が設けられている。また、仕切り円筒53内外には、キャピラリ構造体52を挟むように電極511及び電極512が設けられている。電極511及び電極512にも貫通孔が設けられている。仕切り円筒53、電極511及び電極512の貫通孔の中心は、任意のキャピラリ521の軸と略一致するように設けられている。外囲円筒54は、ガス導入口541及び排気口542が設けられている。ガス導入口541から仕切り円筒53内へプラズマ生成用ガスが導入され、排気口542から排気される。電源55は、電極511,512へ放電電圧を印加するものである。仕切り円筒53内に導入されたガスは、電極511,512の間のキャピラリ521内での放電により、プラズマが生成され紫外光を発生する。その際、キャピラリ構造体52は、例えば1回の放電毎に回転し、電極511,512の間には次のキャピラリ521が対向するように駆動される。キャピラリ構造体52は、放電毎に回転して放電に係わるキャピラリ521を変えるように構成されているため熱負荷を分散でき、キャピラリ521からデブリが発生するのを防止できる。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a plasma light source disclosed in Patent Document 1, FIG. 1 (a) is a sectional view in the axial direction of the plasma light source, and FIG. 1 (b) is b in FIG. 1 (a). It is -b sectional drawing (the surrounding cylinder 54 is abbreviate | omitted). As shown in the figure, the plasma light source disclosed in Patent Document 1 is mainly composed of a capillary structure 52, a partition cylinder 53, an outer cylinder 54, and a power supply 55. The capillary structure 52 is a cylindrical structure and is disposed in the partition cylinder 53. A large number of capillaries (through holes having a diameter of about 3 mm) 521 are formed on concentric circles of the capillary structure 52. The shaft of the capillary structure 52 is attached to a rotating shaft 522 driven by a motor (not shown). As illustrated, the partition cylinder 53 is arranged so as to partition the inside of the outer cylinder 54. The partition cylinder 53 is provided with one through hole. In addition, an electrode 511 and an electrode 512 are provided inside and outside the partition cylinder 53 so as to sandwich the capillary structure 52 therebetween. The electrode 511 and the electrode 512 are also provided with through holes. The centers of the through holes of the partition cylinder 53, the electrode 511, and the electrode 512 are provided so as to substantially coincide with the axis of an arbitrary capillary 521. The outer cylinder 54 is provided with a gas introduction port 541 and an exhaust port 542. Plasma generating gas is introduced into the partition cylinder 53 from the gas inlet 541 and exhausted from the exhaust port 542. The power supply 55 applies a discharge voltage to the electrodes 511 and 512. The gas introduced into the partition cylinder 53 generates plasma and generates ultraviolet light due to discharge in the capillary 521 between the electrodes 511 and 512. At that time, the capillary structure 52 rotates, for example, for each discharge, and is driven so that the next capillary 521 is opposed to the electrodes 511 and 512. Since the capillary structure 52 is configured to rotate for each discharge and change the capillary 521 related to the discharge, the heat load can be dispersed and debris can be prevented from being generated from the capillary 521.

このように構成された特許文献1に記載のプラズマ光源は、プラズマの生成にキャピラリ構造体を用い、デブリを防止するためにキャピラリ構造体を回転しなければなない。したがって、キャピラリ構造体の駆動装置やその制御装置が必要となり、構造が複雑になる。   The plasma light source described in Patent Document 1 configured as described above uses a capillary structure for generating plasma, and the capillary structure must be rotated to prevent debris. Therefore, a drive device for the capillary structure and its control device are required, and the structure becomes complicated.

このような複雑な構造が不要なものとして、本願と同一出願人による特許文献2に記載の磁化同軸ガンがある。   A magnetized coaxial gun described in Patent Document 2 by the same applicant as the present application is one that does not require such a complicated structure.

図2は、特許文献2の磁化同軸ガンを説明するための図であり、図2(a)は磁化同軸ガンの中心軸方向の断面図であり、図2(b)は図2(a)のb−b側面図であり、図2(c)はスフェロマックの概略斜視図である。図示の通り、磁化同軸ガンMGは、内部導体61、円筒状の外部導体62、バイアスコイルBMからなる。また、内部導体61と外部導体62は、同軸状に配置されている。内部導体61には、中空部611が形成されており、中空部611から外部導体62内にプラズマ生成用ガス(例えばヘリウムガス、アルゴンガス等)が導入される。外部導体62の内面には、リング状の凸部621が形成されている。バイアスコイルBMは、直流バイアス磁界を発生するソレノイドコイルであり、外部導体62の周囲に巻かれている。外部導体62の一端は、絶縁部材63によって仕切られ、他端は開放されている。内部導体61と外部導体62には、例えばクローバ回路からなる電源(放電電源)64が接続される。直流バイアスコイルBMは、直流電源(図示せず)により磁界Bが発生するように励磁される。内部導体61と外部導体62にクローバ回路から放電信号を印加すると、内部導体61と外部導体62の凸部621の間に放電電流が流れ、プラズマPが生成される。プラズマPは、自身の放電電流と、その電流により発生する磁界によって生じるローレンツ力とによって、開放端側へ加速される。その際、プラズマPは、自身の放電電流により発生させられる磁界とバイアスコイルBMにより発生させられる磁界Bとによって、トロイダル方向の磁界とポロイダル方向の磁界に閉じ込められた状態となる。この状態のプラズマPは、開放端まで進むとドーナツ状のスフェロマックSMとなって高速度で開放端から放出される。なお、外部導体62の凸部621を設けない場合であってもプラズマPは発生するが、凸部621を設けることにより、放電が凸部621の部分に集中して起こるため、プラズマPを安定的に発生させて開放端側へ送り出すことが可能である。   FIG. 2 is a diagram for explaining the magnetization coaxial gun of Patent Document 2, FIG. 2 (a) is a sectional view of the magnetization coaxial gun in the central axis direction, and FIG. 2 (b) is FIG. 2 (a). FIG. 2C is a schematic perspective view of the spheromak. As illustrated, the magnetization coaxial gun MG includes an inner conductor 61, a cylindrical outer conductor 62, and a bias coil BM. Further, the inner conductor 61 and the outer conductor 62 are arranged coaxially. A hollow portion 611 is formed in the inner conductor 61, and a plasma generating gas (for example, helium gas, argon gas, etc.) is introduced from the hollow portion 611 into the outer conductor 62. A ring-shaped convex portion 621 is formed on the inner surface of the outer conductor 62. The bias coil BM is a solenoid coil that generates a DC bias magnetic field and is wound around the outer conductor 62. One end of the outer conductor 62 is partitioned by an insulating member 63 and the other end is opened. A power source (discharge power source) 64 composed of, for example, a crowbar circuit is connected to the inner conductor 61 and the outer conductor 62. The DC bias coil BM is excited so that a magnetic field B is generated by a DC power supply (not shown). When a discharge signal is applied from the crowbar circuit to the inner conductor 61 and the outer conductor 62, a discharge current flows between the convex portions 621 of the inner conductor 61 and the outer conductor 62, and plasma P is generated. The plasma P is accelerated to the open end side by its own discharge current and the Lorentz force generated by the magnetic field generated by the current. At that time, the plasma P is confined in the magnetic field in the toroidal direction and the magnetic field in the poloidal direction by the magnetic field generated by its own discharge current and the magnetic field B generated by the bias coil BM. When the plasma P in this state advances to the open end, it becomes a donut-shaped spheromak SM and is emitted from the open end at a high speed. Although the plasma P is generated even when the convex portion 621 of the external conductor 62 is not provided, the discharge is concentrated on the convex portion 621 by providing the convex portion 621, so that the plasma P is stabilized. Can be generated automatically and sent to the open end side.

図2(c)に示されるように、スフェロマックSMは、プラズマPがトロイダル方向の磁界Btとポロイダル方向の磁界Bpに閉じ込められた状態のプラズマ塊である。トロイダル方向の磁界Btとポロイダル方向の磁界Bpの方向は、内部導体61と外内部導体62に印加する電源の極性とバイアスコイルBMにより発生させられる磁界の極性によって決定される。   As shown in FIG. 2C, the spheromak SM is a plasma mass in a state where the plasma P is confined in the toroidal magnetic field Bt and the poloidal magnetic field Bp. The directions of the magnetic field Bt in the toroidal direction and the magnetic field Bp in the poloidal direction are determined by the polarity of the power source applied to the inner conductor 61 and the outer inner conductor 62 and the polarity of the magnetic field generated by the bias coil BM.

特開2003−288998号公報JP 2003-288998 A 特開2006−310101号公報JP 2006-310101 A

しかしながら、特許文献2の磁化同軸ガンでは、紫外光域の光の放出が十分でなかった。したがって、半導体の製造工程において今後利用され得るEUV(極端紫外線)光源として磁化同軸ガンを用いることは難しかった。このため、紫外光域においても輝度の高い光を放出するプラズマ光源の開発が望まれていた。   However, the magnetized coaxial gun disclosed in Patent Document 2 does not sufficiently emit light in the ultraviolet region. Therefore, it has been difficult to use a magnetized coaxial gun as an EUV (extreme ultraviolet) light source that can be used in the semiconductor manufacturing process. Therefore, it has been desired to develop a plasma light source that emits light with high luminance even in the ultraviolet region.

本発明は、斯かる実情に鑑み、特に紫外光域においても高輝度な光を発生可能なプラズマ光源及びプラズマ光発生方法を提供することを目的とする。   In view of such a situation, an object of the present invention is to provide a plasma light source and a plasma light generation method capable of generating high-luminance light even in the ultraviolet light region.

上述した本発明の目的を達成するために、本発明のプラズマ光源は、内部導体と、内部導体に同軸状に配置され一端が開放される筒状の外部導体と、外部導体の周囲に巻かれるバイアスコイルと、内部導体と外部導体との間に電源を供給する電源回路と、をそれぞれ有するスフェロマックを生成する一対の磁化同軸ガンであって、一対の磁化同軸ガンの中心軸が一致し外部導体の開放端が対向するように配置される、一対の磁化同軸ガンと、一対の磁化同軸ガンの外部導体の開放端がそれぞれ結合される対向する一対のガン結合開口部と、光を取り出す窓部とを有する磁束保持容器と、を具備するものである。   In order to achieve the above-described object of the present invention, a plasma light source of the present invention is wound around an inner conductor, a cylindrical outer conductor that is coaxially disposed on the inner conductor and that is open at one end, and the outer conductor. A pair of magnetized coaxial guns that generate a spheromak each having a bias coil and a power supply circuit that supplies power between an inner conductor and an outer conductor, the central axes of the pair of magnetized coaxial guns coincide with each other and the outer conductor A pair of magnetized coaxial guns, a pair of opposed gun coupling openings to which the open ends of the outer conductors of the pair of magnetized coaxial guns are respectively coupled, and a window portion for extracting light And a magnetic flux holding container.

ここで、一対の磁化同軸ガンは、それぞれ生成されるスフェロマックのトロイダル方向の磁界の方向が逆になり、ポロイダル方向の磁界の方向が同じ又は逆になるように、バイアスコイルと電源回路により制御されれば良い。   Here, the pair of magnetized coaxial guns are controlled by the bias coil and the power supply circuit so that the direction of the magnetic field in the toroidal direction of each spheromak is reversed and the direction of the magnetic field in the poloidal direction is the same or reversed. Just do it.

また、一対の磁化同軸ガンの電源回路は、連続パルス信号を内部導体と外部導体との間に印加するようにしても良い。   Further, the power supply circuit of the pair of magnetized coaxial guns may apply a continuous pulse signal between the inner conductor and the outer conductor.

また、本発明のプラズマ光発生方法は、中心軸が一致するように外部導体の開放端が対向配置される一対の磁化同軸ガンの開放端を、それぞれ磁束保持容器の一対のガン結合開口部に接続し、一対の磁化同軸ガンによって生成されるスフェロマックをそれぞれ磁束保持容器内へ放出して衝突させて光を発生させるものである。   Further, the plasma light generation method of the present invention is configured so that the open ends of the pair of magnetized coaxial guns whose open ends of the outer conductors are opposed to each other so that the central axes coincide with each other are respectively connected to the pair of gun coupling openings of the magnetic flux holding container. Spheromaks generated by a pair of magnetized coaxial guns are connected to each other to emit light into the magnetic flux holding container to generate light.

ここで、発生される光は紫外光であっても良い。   Here, the generated light may be ultraviolet light.

本発明のプラズマ光源及びプラズマ光発生方法には、特に紫外光域においても高輝度な光を発生可能であるという利点がある。また、デブリについても低減可能であるという利点もある。   The plasma light source and the plasma light generation method of the present invention have an advantage that high-luminance light can be generated particularly in the ultraviolet light region. There is also an advantage that debris can be reduced.

図1は、従来のプラズマ光源の構成を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a conventional plasma light source. 図2は、従来の磁化同軸ガンの構成を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of a conventional magnetized coaxial gun. 図3は、本発明のプラズマ光源の構成を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the plasma light source of the present invention. 図4は、本発明のプラズマ光源と、単体の磁化同軸ガンを用いたプラズマ光源とを比較した発光波長分布特性を表すグラフである。FIG. 4 is a graph showing emission wavelength distribution characteristics comparing the plasma light source of the present invention with a plasma light source using a single magnetized coaxial gun. 図5は、本発明のプラズマ光源の電源回路の連続パルス信号のデューティ比を変えたときの電源回路の放電電流出力の時間変化を表すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the change over time of the discharge current output of the power supply circuit when the duty ratio of the continuous pulse signal of the power supply circuit of the plasma light source of the present invention is changed. 図6は、本発明のプラズマ光源において、電源回路の出力のデューティ比を変化させたときの発光強度の時間変化特性を表すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the temporal change characteristic of the emission intensity when the duty ratio of the output of the power supply circuit is changed in the plasma light source of the present invention. 図7は、本発明のプラズマ光源の一対の同軸磁化ガンのポロイダル方向の磁界の方向の違いによる発光特性を説明するためのグラフである。FIG. 7 is a graph for explaining the light emission characteristics due to the difference in the magnetic field direction in the poloidal direction of the pair of coaxial magnetization guns of the plasma light source of the present invention.

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図3は、本発明のプラズマ光源の構成を説明するための図であり、図3(a)はプラズマ光源の中心軸方向の断面図であり、図3(b)は図3(a)のb−b断面図であり、図3(c)はスフェロマックの概略斜視図である。図示の通り、本発明のプラズマ光源は、一対の磁化同軸ガンMG1,MG2と、磁束保持容器3とから主に構成されている。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described together with illustrated examples. 3 is a diagram for explaining the configuration of the plasma light source of the present invention, FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of the plasma light source in the central axis direction, and FIG. 3 (b) is a diagram of FIG. 3 (a). It is bb sectional drawing, FIG.3 (c) is a schematic perspective view of a spheromak. As shown in the figure, the plasma light source of the present invention is mainly composed of a pair of magnetization coaxial guns MG 1 and MG 2 and a magnetic flux holding container 3.

以下、一対の磁化同軸ガンMG1,MG2の説明をするにあたり、基本的な構成は共通であるため、参照符号は磁化同軸ガンMG1のものを用いて説明し、磁化同軸ガンMG2のものは括弧書きで示す。スフェロマックを生成する磁化同軸ガンMG1(MG2)は、内部導体11(21)と、外部導体12(22)と、バイアスコイルBM1(BM2)と、電源回路14(24)とから主に構成されている。外部導体12(22)は、内部導体11(21)に同軸状に配置されるものであり、一端が開放される筒状のものである。なお、開放端の他端は、絶縁部材13(23)で仕切られている。また、バイアスコイルBM1(BM2)は、外部導体12(22)の周囲に巻かれるものである。バイアスコイルBM1(BM2)は、直流バイアス磁界を外部導体12(22)の内部に提供するものである。電源回路14(24)は、内部導体11(21)と外部導体12(22)との間に電源を供給するものである。ここで、電源回路14(24)は、例えばコンデンサを用いて構成されるものであり、電源回路14(24)の出力は、例えばコンデンサの直流的な放電電圧やそのときに導体間に流れる放電電流である。   Hereinafter, since the basic configuration is common in the description of the pair of magnetization coaxial guns MG1 and MG2, the reference numerals will be described using the magnetization coaxial gun MG1, and the magnetization coaxial gun MG2 is written in parentheses. It shows with. The magnetization coaxial gun MG1 (MG2) that generates the spheromak is mainly composed of an inner conductor 11 (21), an outer conductor 12 (22), a bias coil BM1 (BM2), and a power supply circuit 14 (24). Yes. The outer conductor 12 (22) is disposed coaxially with the inner conductor 11 (21), and has a cylindrical shape with one end opened. The other end of the open end is partitioned by an insulating member 13 (23). The bias coil BM1 (BM2) is wound around the outer conductor 12 (22). The bias coil BM1 (BM2) provides a DC bias magnetic field inside the outer conductor 12 (22). The power supply circuit 14 (24) supplies power between the inner conductor 11 (21) and the outer conductor 12 (22). Here, the power supply circuit 14 (24) is configured using, for example, a capacitor, and the output of the power supply circuit 14 (24) is, for example, a DC discharge voltage of the capacitor or a discharge flowing between conductors at that time. Current.

また、このようにそれぞれ構成された一対の磁化同軸ガンMG1,MG2を、一対の磁化同軸ガンMG1,MG2の中心軸が一致し、外部導体12,22の開放端が対向するように配置されている。   Further, the pair of magnetized coaxial guns MG1 and MG2 configured as described above are arranged so that the central axes of the pair of magnetized coaxial guns MG1 and MG2 coincide and the open ends of the outer conductors 12 and 22 face each other. Yes.

そして、磁束保持容器3は、対向する一対のガン結合開口部31,32と、窓部33とを有するものである。より具体的には、図示例の磁束保持容器3は、例えば円筒状の金属容器であり、一対のガン結合開口部31,32が円筒の側面部に設けられ、窓部33が円筒の頂部に設けられている。また、対向する一対のガン結合開口部31,32の中心軸は、磁束保持容器3の中心軸と一致していることが好ましい。一対のガン結合開口部31,32には、一対の磁化同軸ガンMG1,MG2の外部導体12,22の開放端がそれぞれ結合される。窓部33は、発生する光を取り出す部分である。なお、図示例では窓部33は1個のものを示したが、本発明はこれに限定されず、窓部は複数設けられても良い。また、磁束保持容器3についても、円筒状のものに限定されるものではなく、例えば4角形、6角形等の筒状体であっても良いし、円球状体、楕円球状体等の球体であっても良い。また、ガン結合開口部31,32についても、図示例のようにスリーブ状のものには限定されず、単に磁束保持容器の側面部に開口が開けられたものであっても良い。   The magnetic flux holding container 3 has a pair of gun coupling openings 31 and 32 and a window 33 that face each other. More specifically, the magnetic flux holding container 3 in the illustrated example is a cylindrical metal container, for example, and a pair of gun coupling openings 31 and 32 are provided on the side surface of the cylinder, and the window 33 is formed on the top of the cylinder. Is provided. Moreover, it is preferable that the central axes of the pair of opposing gun coupling openings 31 and 32 coincide with the central axis of the magnetic flux holding container 3. The open ends of the outer conductors 12 and 22 of the pair of magnetization coaxial guns MG1 and MG2 are coupled to the pair of gun coupling openings 31 and 32, respectively. The window 33 is a part for extracting generated light. In the illustrated example, one window portion 33 is shown, but the present invention is not limited to this, and a plurality of window portions may be provided. Further, the magnetic flux holding container 3 is not limited to a cylindrical shape, and may be a cylindrical body such as a quadrangular shape or a hexagonal shape, or may be a spherical shape such as a spherical shape or an elliptical shape. There may be. Also, the gun coupling openings 31 and 32 are not limited to sleeve-like ones as shown in the drawings, and may be simply opened in the side surface of the magnetic flux holding container.

ガン結合開口部31,32には、一対の磁化同軸ガンMG1,MG2の外部導体12,22の開放端がそれぞれ結合されている。即ち、一対の磁化同軸ガンMG1,MG2は、磁束保持容器3を挟んで対向する位置関係にある。   The open ends of the outer conductors 12 and 22 of the pair of magnetization coaxial guns MG1 and MG2 are coupled to the gun coupling openings 31 and 32, respectively. That is, the pair of magnetization coaxial guns MG1 and MG2 are in a positional relationship facing each other with the magnetic flux holding container 3 interposed therebetween.

このように構成された本発明のプラズマ光源を用いて、プラズマ光を発生させる過程を説明する。まず、プラズマ生成ガス(例えばヘリウムガス、アルゴンガス等)が、内部導体11(21)の例えば中空部111(211)から外部導体12(22)内に導入される。電源回路14(24)により内部導体11(21)と外部導体12(22)との間に電源が供給される。そして、バイアスコイルBM1,BM2は、直流電源(図示せず)により、例えば図示のように同方向の磁場B1,B2を発生するように励磁される。   A process of generating plasma light using the plasma light source of the present invention configured as described above will be described. First, plasma generation gas (for example, helium gas, argon gas, etc.) is introduced into the outer conductor 12 (22) from, for example, the hollow portion 111 (211) of the inner conductor 11 (21). The power supply circuit 14 (24) supplies power between the inner conductor 11 (21) and the outer conductor 12 (22). The bias coils BM1 and BM2 are excited by a DC power source (not shown) so as to generate magnetic fields B1 and B2 in the same direction as shown, for example.

磁化同軸ガンMG1(MG2)の内部導体11(21)と外部導体12(22)に、電源回路14(24)のコンデンサの放電電圧を印加すると、内部導体11(21)と外部導体12(22)の間に放電電流が流れ、プラズマP1(P2)が生成される。プラズマP1(P2)は、自身の電流と、その電流により発生する磁界によって、外部導体12(22)の開放端側へローレンツ力により加速される。その際、プラズマP1(P2)は、プラズマP1(P2)の放電電流による磁界と、バイアスコイルBM1(BM2)による磁場B1(B2)とによって、トロイダル方向の磁界とポロイダル方向の磁界に閉じ込められた状態となる。したがって、プラズマP1(P2)は、開放端まで進むとドーナツ状のスフェロマックSM1(SM2)となって磁束保持容器3内へ高速度で放出される。図3(c)に示されるように、放出されたスフェロマックSM1(SM2)は、プラズマP1(P2)がトロイダル方向の磁界Bt1(Bt2)とポロイダル方向の磁界Bp1(Bp2)に閉じ込められた状態のプラズマ塊である。   When the discharge voltage of the capacitor of the power supply circuit 14 (24) is applied to the inner conductor 11 (21) and the outer conductor 12 (22) of the magnetization coaxial gun MG1 (MG2), the inner conductor 11 (21) and the outer conductor 12 (22). ) During which the discharge current flows and plasma P1 (P2) is generated. The plasma P1 (P2) is accelerated by the Lorentz force toward the open end of the outer conductor 12 (22) by its own current and a magnetic field generated by the current. At that time, the plasma P1 (P2) is confined in the toroidal magnetic field and the poloidal magnetic field by the magnetic field due to the discharge current of the plasma P1 (P2) and the magnetic field B1 (B2) by the bias coil BM1 (BM2). It becomes a state. Therefore, when the plasma P1 (P2) proceeds to the open end, it becomes a donut-shaped spheromak SM1 (SM2) and is released into the magnetic flux holding container 3 at a high speed. As shown in FIG. 3 (c), the spheromak SM1 (SM2) emitted is in a state where the plasma P1 (P2) is confined to the magnetic field Bt1 (Bt2) in the toroidal direction and the magnetic field Bp1 (Bp2) in the poloidal direction. It is a plasma lump.

ここで、図3(c)に示されるように、スフェロマックSM1とスフェロマックSM2について見ると、トロイダル方向の磁界Bt1,Bt2は方向が逆になるが、ポロイダル方向の磁界Bp1,Bp2は、バイアスコイルBM1,BM2により同方向の磁場B1,B2が与えられると、方向が同じになる。即ち、本発明のプラズマ光源において、磁化同軸ガンMG1,MG2は、例えばトロイダル方向の磁界は方向が逆でありポロイダル方向の磁界は方向が同じであるスフェロマックを生成するように構成する場合には、内部導体11,21と外部導体12,22間には逆方向の電源を供給し、バイアスコイルBM1,BM2には同方向の電源を供給するように制御されれば良い。また、磁化同軸ガンMG1,MG2は、トロイダル方向の磁界は方向が逆でありポロイダル方向の磁界も方向が逆であるスフェロマックを生成するように構成する場合には、内部導体11,21と外部導体12,22間には逆方向の電源を供給し、バイアスコイルBM1,BM2にも逆方向の電源を供給するように制御されれば良い。これらは、磁束保持容器3の壁面との相互作用や使用する波長域、用途等に応じて、種々選択されれば良い。   Here, as shown in FIG. 3C, when the spheromak SM1 and the spheromak SM2 are viewed, the toroidal magnetic fields Bt1 and Bt2 are reversed in direction, but the poloidal magnetic fields Bp1 and Bp2 are bias coils BM1. , BM2 gives the same direction when the magnetic fields B1 and B2 are applied in the same direction. That is, in the plasma light source of the present invention, when the magnetization coaxial guns MG1 and MG2 are configured to generate a spheromak in which the magnetic field in the toroidal direction is opposite in direction and the magnetic field in the poloidal direction is in the same direction, Control may be performed so that power in the opposite direction is supplied between the inner conductors 11 and 21 and the outer conductors 12 and 22 and power in the same direction is supplied to the bias coils BM1 and BM2. When the magnetized coaxial guns MG1 and MG2 are configured to generate a spheromak in which the magnetic field in the toroidal direction is reversed and the magnetic field in the poloidal direction is also reversed, the inner conductors 11 and 21 and the outer conductor are formed. Control may be performed so that power in the reverse direction is supplied between 12 and 22 and power in the reverse direction is also supplied to the bias coils BM1 and BM2. These may be variously selected according to the interaction with the wall surface of the magnetic flux holding container 3, the wavelength range to be used, the application, and the like.

磁束保持容器3内へ放出されたスフェロマックSM1とスフェロマックSM2は、磁束保持容器3内において高速度で衝突する。図3(c)に示されるようなスフェロマックSM1,SM2は、その衝突の際、スフェロマックSM1,SM2のトロイダル方向の磁界Bt1,Bt2は方向が逆であるから互いに打消し合うが、ポロイダル方向の磁界Bp1,Bp2は方向が同じであるから打消し合うことはない。また、ポロイダル方向の磁界Bp1,Bp2も方向が逆となるように制御した場合には、ポロイダル方向の磁界Bp1,Bp2も互いに打消し合うことになる。そして、スフェロマックSM1,SM2は、衝突により磁気エネルギの一部が熱エネルギに変わって高温となり、高輝度な光を発生する。なお、磁束保持容器3内のスフェロマックSM1とスフェロマックSM2は、衝突により磁気再結合が生じているものと思われる。   The spheromak SM1 and the spheromak SM2 released into the magnetic flux holding container 3 collide with each other at a high speed in the magnetic flux holding container 3. Spheromac SM1 and SM2 as shown in FIG. 3 (c) cancel each other because the magnetic fields Bt1 and Bt2 in the toroidal direction of the spheromaks SM1 and SM2 are opposite in direction at the time of the collision. Since Bp1 and Bp2 have the same direction, they do not cancel each other. When the poloidal magnetic fields Bp1 and Bp2 are controlled so that their directions are reversed, the poloidal magnetic fields Bp1 and Bp2 also cancel each other. The spheromaks SM1 and SM2 generate a high-luminance light by changing a part of the magnetic energy into thermal energy due to the collision and becoming high temperature. The spheromak SM1 and the spheromac SM2 in the magnetic flux holding container 3 are considered to be magnetically re-coupled by collision.

このように、中心軸が一致するように外部導体の開放端が対向配置される一対の磁化同軸ガンの開放端を、それぞれ磁束保持容器の一対のガン結合開口部に接続し、一対の磁化同軸ガンによって生成されるスフェロマックをそれぞれ磁束保持容器内へ放出して衝突させて光を発生させることにより、高輝度な光を発生させることが可能となる。   In this way, the open ends of the pair of magnetized coaxial guns whose open ends of the outer conductors are opposed to each other so that the central axes coincide are connected to the pair of gun coupling openings of the magnetic flux holding container, respectively, and a pair of magnetized coaxial guns are connected. By emitting the spheromak generated by the gun into the magnetic flux holding container and causing them to collide, light can be generated with high brightness.

本発明のプラズマ光源は、従来のプラズマ光源のように、プラズマの生成時に発生する光を取り出すのではなく、プラズマ(スフェロマック)が衝突したときに発生する光を取り出して利用するため、プラズマ光源から直接光を取り出した場合に比べて高輝度の、即ち、発光強度の高い光を取り出すことが可能である。   The plasma light source of the present invention does not extract the light generated at the time of plasma generation as in the conventional plasma light source, but extracts and uses the light generated when the plasma (spheromak) collides. Compared with the case where light is directly extracted, it is possible to extract light with high luminance, that is, high emission intensity.

また、本発明のプラズマ光源は、磁化同軸ガンにおいてプラズマを生成させ、磁束保持容器において光を発生させるため、プラズマの生成場所と光の発生場所が分離されている。したがって、磁化同軸ガンにおいてデブリが生じたとしても、デブリは大部分が電離していないためプラズマのように磁束保持容器内へ運ばれ難く、デブリの影響が低減される。また、磁化同軸ガンにおけるデブリの飛散方向、即ち、磁化同軸ガンの軸方向と、放射光の取り出し方向、即ち、磁束保持容器の窓部の軸方向とが、直交する関係にあることによっても、デブリの影響が低減される。   In addition, since the plasma light source of the present invention generates plasma in the magnetization coaxial gun and generates light in the magnetic flux holding container, the plasma generation location and the light generation location are separated. Therefore, even if debris occurs in the magnetized coaxial gun, most of the debris is not ionized, so it is difficult to carry it into the magnetic flux holding container like plasma, and the influence of debris is reduced. Also, the debris scattering direction in the magnetized coaxial gun, that is, the axial direction of the magnetized coaxial gun, and the extraction direction of the emitted light, that is, the axial direction of the window portion of the magnetic flux holding container are orthogonal to each other. The effect of debris is reduced.

また、本発明のプラズマ光源は、主に磁化同軸ガンと磁束保持容器によって構成されるものであるため、その構造は、従来技術で挙げた特許文献1のような、キャピラリ構造体等を用いたものと比べて簡単なものである。   In addition, since the plasma light source of the present invention is mainly composed of a magnetized coaxial gun and a magnetic flux holding container, the structure used is a capillary structure as in Patent Document 1 cited in the prior art. It is simple compared to things.

ここで、本発明のプラズマ光源のように、磁化同軸ガンを対向配置させたものと、単体の磁化同軸ガンによる発光波長分布特性を比較する。図4は、本発明のプラズマ光源と、単体の磁化同軸ガンを用いたプラズマ光源とを比較した発光波長分布特性を表すグラフであり、図4(a)は単体の磁化同軸ガンを用いたプラズマ光源のグラフであり、図4(b)は対向配置させた磁化同軸ガンを用いた本発明のプラズマ光源のグラフである。   Here, the emission wavelength distribution characteristics of the single magnetized coaxial gun and the one in which the magnetized coaxial guns are opposed to each other like the plasma light source of the present invention are compared. FIG. 4 is a graph showing emission wavelength distribution characteristics comparing the plasma light source of the present invention and a plasma light source using a single magnetized coaxial gun, and FIG. 4A is a plasma using a single magnetized coaxial gun. FIG. 4B is a graph of a plasma light source of the present invention using a magnetized coaxial gun arranged to face each other.

図4(a)と図4(b)を比較すると、磁化同軸ガンを対向配置させた本発明のプラズマ光源のほうが、全体的に発光強度が高いことが分かる。1つの磁化同軸ガンと2つの磁化同軸ガンを用いている差だけであれば、2倍程度の発光強度の差になるはずだが、図示の通り、2倍以上の発光強度が得られている波長が多数存在している。特に、紫外光域においては、本発明のプラズマ光源のほうが6倍以上の発光強度が得られている波長も存在している。したがって、本発明のプラズマ光源が、高輝度な光を放射可能であり、さらに紫外光域ではこの傾向がより顕著であることが分かる。   Comparing FIG. 4 (a) and FIG. 4 (b), it can be seen that the plasma light source of the present invention in which the magnetized coaxial guns are opposed to each other has a higher emission intensity as a whole. If there is only a difference using one magnetized coaxial gun and two magnetized coaxial guns, the difference in emission intensity should be about twice, but as shown in the figure, the wavelength at which more than twice the emission intensity is obtained. There are many. In particular, in the ultraviolet region, there is a wavelength at which the emission intensity of the plasma light source of the present invention is 6 times or more. Therefore, it can be seen that the plasma light source of the present invention can emit high-luminance light, and this tendency is more remarkable in the ultraviolet region.

また、本願と同一出願人は、特願2008−189468、特願2009−171864において、電源回路の出力を、直流的な放電電流ではなく、連続パルス状の放電電流とすることにより、より発光強度が高く、デブリを制御することが可能な磁化同軸ガンを発明している。この発明は、本発明のプラズマ光源の磁化同軸ガンにも適用可能である。即ち、連続パルス信号を内部導体と外部導体との間に印加するように電源回路を構成することにより、磁化同軸ガン自体の発光強度を高めることが可能となる。したがって、発光強度が高められた一対の磁化同軸ガンを用いれば、より高輝度な光を発生させることが可能となる。   Further, the same applicant as the present application disclosed that in Japanese Patent Application Nos. 2008-189468 and 2009-171864, the output of the power supply circuit is not a direct current discharge current but a continuous pulsed discharge current, thereby increasing the emission intensity. Has invented a magnetized coaxial gun that is high and capable of controlling debris. The present invention is also applicable to the magnetization coaxial gun of the plasma light source of the present invention. That is, by configuring the power supply circuit to apply a continuous pulse signal between the inner conductor and the outer conductor, it is possible to increase the light emission intensity of the magnetization coaxial gun itself. Therefore, if a pair of magnetized coaxial guns with increased emission intensity are used, it is possible to generate light with higher brightness.

ここで、電源回路の出力の連続パルス信号のデューティ比を変えることによりデブリを制御可能なことを、電極材料のスペクトル線の波長における発光強度の、デューティ比の違いによる時間変化特性を用いて説明する。なお、電源回路の出力の連続パルス信号とは、外部導体と内部導体間に印加した連続パルス電圧、又はそのときに流れる連続パルス電流を意味する。図5に、本発明のプラズマ光源の電源回路の連続パルス信号のデューティ比を変えたときの電源回路の放電電流の時間変化を表す。同図において、太い実線はデューティ比を変えない直流的な放電電流特性であり、細い実線はデューティ比が1;1の連続パルス状の放電電流特性であり、破線はデューティ比が1:4の連続パルス状の放電電流特性である。なお、本明細書中において、デューティ比1:1とは、出力のHiとLowの比が1:1であるという意味であり、デューティ比1:4とは、出力のHiとLowの比が1:4であるという意味である。   Here, the fact that the debris can be controlled by changing the duty ratio of the continuous pulse signal output from the power supply circuit is explained using the time-varying characteristics of the emission intensity at the wavelength of the spectral line of the electrode material depending on the duty ratio. To do. The continuous pulse signal output from the power supply circuit means a continuous pulse voltage applied between the outer conductor and the inner conductor or a continuous pulse current flowing at that time. FIG. 5 shows the change over time of the discharge current of the power supply circuit when the duty ratio of the continuous pulse signal of the power supply circuit of the plasma light source of the present invention is changed. In the figure, the thick solid line is a direct current discharge current characteristic without changing the duty ratio, the thin solid line is a continuous pulsed discharge current characteristic with a duty ratio of 1; 1, and the broken line is a duty ratio of 1: 4. It is a discharge current characteristic of a continuous pulse. In this specification, the duty ratio of 1: 1 means that the ratio of output Hi to Low is 1: 1, and the duty ratio of 1: 4 means that the ratio of output Hi to Low is It means 1: 4.

このような電源回路を用いてプラズマ光を発光させる。図6は、本発明のプラズマ光源において、電源回路の出力のデューティ比を変化させたときの発光強度の時間変化特性を表すグラフであり、図6(a)は電源回路の出力を直流的な放電電流とした場合、図6(b)はデューティ比1:1の連続パルス状の放電電流とした場合、図6(c)はデューティ比1:4の連続パルス状の放電電流とした場合のグラフである。ここで、図6の発光強度特性は、電極材料由来の鉄のスペクトル線である158.1nmという真空紫外域の特性である。   Plasma light is emitted using such a power supply circuit. FIG. 6 is a graph showing the temporal change characteristic of the light emission intensity when the duty ratio of the output of the power supply circuit is changed in the plasma light source of the present invention, and FIG. In the case of the discharge current, FIG. 6B shows a case of a continuous pulsed discharge current with a duty ratio of 1: 1, and FIG. 6C shows a case of a continuous pulsed discharge current of a duty ratio of 1: 4. It is a graph. Here, the emission intensity characteristic of FIG. 6 is a characteristic in the vacuum ultraviolet region of 158.1 nm, which is a spectral line of iron derived from the electrode material.

図6(a)を参照すると、電極材料由来の鉄のスペクトル線の光が存在していることから、電極材料が熱負荷により電極材料が削り取られ、電極材料由来のデブリが発生していることが分かる。そして、図6(a)と図6(b)を比較すると、発光強度のピーク値については、デューティ比1:1の特性のほうが若干高くなる。なお、発光時間としては、図6(b)の例のほうが、同一経過時間でみると若干高くなっていることが分かる。そして、図6(c)を参照すると、デューティ比1:4の場合には、発光強度が半分程度減少していることが分かる。即ち、デューティ比をコントロールすることにより、電極の熱負荷による不純物の混入を制御できることが分かる。   Referring to FIG. 6 (a), since there is light of iron spectral lines derived from the electrode material, the electrode material is scraped by a thermal load, and debris derived from the electrode material is generated. I understand. 6A and 6B, the characteristic of the duty ratio of 1: 1 is slightly higher with respect to the peak value of the emission intensity. Note that the light emission time is slightly higher in the example of FIG. 6B when viewed at the same elapsed time. Referring to FIG. 6C, it can be seen that the emission intensity is reduced by about half when the duty ratio is 1: 4. In other words, it can be seen that by mixing the duty ratio, the mixing of impurities due to the thermal load of the electrode can be controlled.

次に、本発明のプラズマ光源において、一対の同軸磁化ガンのポロイダル方向の磁界の方向を同じにした場合と逆にした場合の発光特性の違いについて説明する。図7は、本発明のプラズマ光源の一対の同軸磁化ガンのポロイダル方向の磁界の方向の違いによる発光特性を説明するためのグラフであり、図7(a)はヘリウム原子の発光強度の時間変化であり、図7(b)は一価のヘリウムイオンの発光強度の時間変化である。図中、Case1がポロイダル方向の磁界の方向が同じ場合の特性であり、Case2がポロイダル方向の磁界の方向が逆の場合の特性である。なお、何れもトロイダル方向の磁界は逆方向であり、また、放電に用いた入力パワーは同等である。図7から、総発光量はCase1のほうが高いことが分かる。また、Case2では衝突直後はイオンのスペクトルにおいて5割程度強い発光が見られることから、衝突による高い加熱効果が推定されるものの、封じ込め配位が無いため温度の低下が早く、最終的には高温領域においても同程度の発光レベルになっているものと思われる。したがって、衝突時の放電初期の高いエネルギのプラズマのみを用いるような場合には、例えばCase2のようにポロイダル方向の磁界の方向を逆にすれば良い。このとき、上述のような連続パルス信号による放電を行えば、高いエネルギのプラズマを効率良く利用可能となる。   Next, in the plasma light source of the present invention, a description will be given of the difference in light emission characteristics between the case where the poloidal magnetic field directions of the pair of coaxial magnetization guns are reversed. FIG. 7 is a graph for explaining the light emission characteristics due to the difference in the direction of the magnetic field in the poloidal direction of the pair of coaxial magnetization guns of the plasma light source of the present invention, and FIG. FIG. 7B shows the change over time in the emission intensity of monovalent helium ions. In the figure, Case 1 is a characteristic when the direction of the magnetic field in the poloidal direction is the same, and Case 2 is a characteristic when the direction of the magnetic field in the poloidal direction is opposite. In all cases, the magnetic field in the toroidal direction is in the reverse direction, and the input power used for the discharge is the same. From FIG. 7, it can be seen that the total light emission amount is higher in Case 1. Moreover, in Case 2, since about 50% of strong light emission is observed in the ion spectrum immediately after the collision, a high heating effect due to the collision is estimated, but since there is no confinement coordination, the temperature decreases quickly, and finally the high temperature It seems that the light emission level is similar in the region. Therefore, when only high-energy plasma at the beginning of discharge at the time of collision is used, the direction of the magnetic field in the poloidal direction may be reversed, for example, Case2. At this time, if discharge is performed by the continuous pulse signal as described above, high-energy plasma can be used efficiently.

以上説明したように、本発明によれば、特に紫外光域においても高輝度な光を発生可能となる。   As described above, according to the present invention, it is possible to generate light with high luminance, particularly in the ultraviolet region.

なお、本発明のプラズマ光源及びプラズマ光発生方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   Note that the plasma light source and the plasma light generation method of the present invention are not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

11,21 内部導体
12,22 外部導体
13 絶縁部材
14,24 電源回路
3 磁束保持容器
31,32 ガン結合開口部
33 窓部
BM1,BM2 バイアスコイル
MG1,MG2 磁化同軸ガン
SM1,SM2 スフェロマック
11, 21 Inner conductor 12, 22 Outer conductor 13 Insulating member 14, 24 Power supply circuit 3 Magnetic flux holding container 31, 32 Gun coupling opening 33 Window BM1, BM2 Bias coil MG1, MG2 Magnetized coaxial gun SM1, SM2 Spheromak

Claims (7)

光を放出するプラズマ光源であって、該プラズマ光源は、
内部導体と、内部導体に同軸状に配置され一端が開放される筒状の外部導体と、外部導体の周囲に巻かれるバイアスコイルと、内部導体と外部導体との間に電源を供給する電源回路と、をそれぞれ有するスフェロマックを生成する一対の磁化同軸ガンであって、一対の磁化同軸ガンの中心軸が一致し外部導体の開放端が対向するように配置される、一対の磁化同軸ガンと、
前記一対の磁化同軸ガンの外部導体の開放端がそれぞれ結合される対向する一対のガン結合開口部と、光を取り出す窓部とを有する磁束保持容器と、
を具備することを特徴とするプラズマ光源。
A plasma light source that emits light, the plasma light source comprising:
A power supply circuit that supplies power between the internal conductor, the cylindrical external conductor that is coaxially disposed on the internal conductor and that is open at one end, a bias coil that is wound around the external conductor, and the internal conductor and the external conductor A pair of magnetized coaxial guns for generating spheromaks, each of which is arranged such that the central axes of the pair of magnetized coaxial guns coincide with each other and the open ends of the outer conductors face each other,
A magnetic flux holding container having a pair of opposing gun coupling openings to which the open ends of the outer conductors of the pair of magnetized coaxial guns are respectively coupled, and a window for extracting light;
A plasma light source comprising:
請求項1に記載のプラズマ光源において、前記一対の磁化同軸ガンは、それぞれ生成されるスフェロマックのトロイダル方向の磁界の方向が逆になり、ポロイダル方向の磁界の方向が同じ又は逆になるように、バイアスコイルと電源回路により制御されることを特徴とするプラズマ光源。   The plasma light source according to claim 1, wherein the pair of magnetized coaxial guns are configured such that the direction of the magnetic field in the toroidal direction of each spheromak is reversed and the direction of the magnetic field in the poloidal direction is the same or reversed. A plasma light source controlled by a bias coil and a power supply circuit. 請求項1又は請求項2に記載のプラズマ光源において、前記一対の磁化同軸ガンの電源回路は、連続パルス信号を内部導体と外部導体との間に印加することを特徴とするプラズマ光源。   3. The plasma light source according to claim 1, wherein the pair of magnetized coaxial gun power supply circuits apply a continuous pulse signal between the inner conductor and the outer conductor. 中心軸が一致するように外部導体の開放端が対向配置される一対の磁化同軸ガンの開放端を、それぞれ磁束保持容器の一対のガン結合開口部に接続し、
一対の磁化同軸ガンによって生成されるスフェロマックをそれぞれ磁束保持容器内へ放出して衝突させて光を発生させる、
ことを特徴とするプラズマ光発生方法
The open ends of a pair of magnetized coaxial guns whose open ends of the outer conductors are opposed to each other so that the central axes coincide with each other are connected to the pair of gun coupling openings of the magnetic flux holding container,
Spheromaks generated by a pair of magnetized coaxial guns are each emitted into a magnetic flux holding container and collide to generate light.
Method for generating plasma light
請求項4に記載のプラズマ光発生方法において、発生される光は紫外光であることを特徴とするプラズマ光発生方法。   5. The plasma light generating method according to claim 4, wherein the generated light is ultraviolet light. 請求項4又は請求項5に記載のプラズマ光発生方法において、前記一対の磁化同軸ガンによってそれぞれ生成されるスフェロマックは、トロイダル方向の磁界は方向が逆でありポロイダル方向の磁界は方向が同じ又は逆であることを特徴とするプラズマ光発生方法。   6. The method of generating plasma light according to claim 4, wherein the spheromaks generated by the pair of magnetized coaxial guns each have a toroidal magnetic field in the opposite direction and a poloidal magnetic field in the same or opposite direction. A method for generating plasma light. 請求項4乃至請求項6の何れかに記載のプラズマ光発生方法において、前記一対の磁化同軸ガンは、連続パルス信号が印加されることを特徴とするプラズマ光発生方法。   7. The plasma light generating method according to claim 4, wherein a continuous pulse signal is applied to the pair of magnetized coaxial guns.
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JPN6010017337; 粟根毅他: 'スフェロマックプラズマ衝突時における真空紫外光強度分布' 平成21年度日本大学理工学部学術講演予稿集 , 20100122, 第1268-1269頁 *

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