JP5620186B2 - レーザ駆動光源 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ駆動光源に関するものであり、特に、半導体、液晶基板およびカラーフィルタの露光工程に使用される露光装置、デジタルシネマ用の画像投影装置、並びに光分析装置の光源として使用され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、入力電力の大きな紫外線光源が使用されている。紫外線光源として多用されているのは、水銀蒸気或いは希ガスを封入した管球内で電極間にアーク放電を発生させるタイプの高圧放電ランプである。
上記製造工程においては、処理時間の一層の短縮化が要求されており、そのため、この用途に使用される高圧放電ランプには、より一層の放射輝度の向上が必要とされている。高圧放電ランプの放射輝度を向上させるためには、入力電力を増やすことが必要である。
しかし、この種の高圧放電ランプは、入力電力を増やすと、ガラス管球内の電極がアーク放電に曝されて極めて高温になって徐々に蒸発したり、また、アーク放電によって生じる高速粒子でスパッタされたりして、電極が消耗することが避けられなかった。これら蒸発ないしスパッタで生じた電極を構成する金属、一般的にはタングステンはガラス管球の内壁面に付着し、ガラス管球の紫外線の透過率を低下させ、半導体等の被処理物の表面における放射照度を低下させてしまい、処理能力の低下を招き、ランプ寿命が短くなるという問題がある。

このような高圧放電ランプの問題を解決するために、点光源管球において電極間で点灯した後にそのプラズマにレーザ光を照射することによって、連続的な高輝度光を発生させるレーザ駆動光源が提案されている。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）１１と、該チャンバ１１内の封入媒体をイオン化するための点火源である一対の電極１２、１３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１４とを備えるレーザ駆動光源１０が開示されている。
該レーザ源１４は、光ファイバ１６を介してレーザ光１５を出力するダイオードレーザである。該光ファイバ１６は、レーザ光を実質的に互いに平行にするためのコリメータ１７にレーザ光を供給する。次いで、コリメータ１７はビームエキスパンダ１８にレーザ光を向ける。ビームエキスパンダ１８は、レーザ光のビーム径サイズを拡大させ、大きなビーム径のレーザ光を生成する。また、ビームエキスパンダ１８は、光学レンズ１９にレーザ光を向ける。光学レンズ１９は、チャンバ１１のうちのプラズマ２０が存在する領域に向けられる小径レーザ光を生成するためにレーザ光１５を集光する。

このレーザ駆動光源１０は、アノード１２およびカソード１３からなる点火源によってチャンバ１３内で放電を発生させて封入媒体をイオン化し、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２１を発生するプラズマ２０を維持または生成するものである。

しかして、前記したように、この種の光源ではできるだけ小さな点光源となることが求められるが、上記従来技術においては、レーザ光の集光によって点状の小さな領域にプラズマを発生させるためには、集光立体角を大きくしてレーザ光をプラズマ容器に入射し、レーザ光のスポット径を小さくして（点光源に近づく）、大きなエネルギー密度を得る必要がある。
しかしながら、上記レーザ駆動光源においては、光学レンズで集光しているために、その立体角を大きくするには限界があった。

即ち、光学レンズで立体角を大きくすることは、高ＮＡ（開口数）にすることと同義であり、つまり、この高ＮＡを実現するためには、大きな口径で短い焦点距離の光学レンズが必要になるということである。
ところが、（１）この焦点距離は、レンズの口径半径(f≒0.5R/(n-1)、ここでＲは曲率半径、ｎは屈折率)より短くすることは困難であり、また、（２）焦点距離を短くすると光学レンズとプラズマ容器とが接近してしまい、光学レンズがプラズマ容器の熱を受けて加熱されてしまうという不具合が生ずるので、光学レンズで立体角を大きくすることは困難であるという不具合があった。

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、発光媒体が封入されたプラズマ容器と、レーザ光を該プラズマ容器内に集光させる集光手段とを備え、該集光されたレーザ光によって前記プラズマ容器内にプラズマを生成するレーザ駆動光源において、プラズマ容器に入射されるレーザ光の集光立体角を大きくして、該容器内に集光されるレーザ光のスポット径を小さくし、高エネルギー密度として、容器内の小さな領域にプラズマを生成することができるようにした構造を提供せんとするものである。

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、レーザ光のプラズマ容器内への集光手段が、レーザ光の入射側に頂点を有する円錐鏡と、該円錐鏡によって反射された光をプラズマ容器に集光させる反射鏡と、からなることを特徴とする。
また、前記反射鏡は、放物面鏡であって、その主軸が前記円錐鏡の回転軸とは一致せず、且つ、その回転軸が前記円錐鏡の回転軸と一致していることを特徴とする。
また、前記円錐鏡の頂角は、直角であり、前記反射鏡の主軸と該円錐鏡の回転軸に対する法線とが一致することを特徴とする。
また、前記円錐鏡の回転軸は、前記レーザ光の光軸と一致していることを特徴とする。
更には、前記プラズマ容器からの放射光を反射する凹面鏡を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ源からのレーザ光は円錐鏡によって反射され、この反射光が反射鏡によって更に反射されて、プラズマ容器の内部に入射され、発光媒体を加熱する。このときのレーザ光の集光立体角は、円錐鏡を用いたことにより、従来の光学レンズを用いた場合よりも大きくすることができるので、集光位置でのレーザ光のスポット径を小さくすることになり、大きなエネルギー密度を得ることができ、小さな領域にプラズマを好適に発生させることができる。

本発明の第１実施例の説明図。 本発明の第２実施例の要部説明図。 本発明の第３実施例の要部説明図。 本発明の効果を説明するための計算条件を表す説明図。 本発明と従来例の効果の比較グラフ 本発明の効果を実証するための実験装置。 本発明の更に別の実施例の説明図。 従来技術の概略図。

図１に本発明の第１実施例が示されていて、レーザ源１からコリメータ２およびビームエキスパンダ３を経て照射されるレーザ光４に対向するように、円錐鏡５が配置されており、この円錐鏡５の頂点５ａはレーザ光入射側に向いて配置されている。その頂角は、この実施例では９０°である。即ち、この実施例では、レーザ光４の光軸と円錐鏡５の回転軸とは一致している。
そして、前記円錐鏡５を囲むように、放物面を有する反射鏡６が設けられている。この反射鏡６を構成する放物線６１の主軸６２がレーザ光４の光軸４ａに直交し、その焦点位置にプラズマ容器７が配置されている。
そして、前記反射鏡６は、この放物線６１を、前記レーザ光４の光軸４ａ、即ち、円錐鏡５の回転軸５１を回転軸６３として回転させて形成された回転面を持つ放物面鏡（以下、変則放物面鏡ということもある）である。
このような変則放物面鏡６により、前記円錐鏡５によって、同図の垂直方向（即ち、レーザ入射方向に対して直交方向）に反射されたレーザ光４１は前記変則放物面鏡６によって反射されて、その反射光４２はその焦点位置にあるプラズマ容器７に集光されて入射する。
こうしてプラズマ容器７に集光して入射するレーザ光４２によって、該容器７内の発光媒体が加熱され、プラズマが生成される。

前記プラズマ容器７を取り囲むように凹面鏡８が設けられ、前記プラズマ容器７はその焦点に位置している。該凹面鏡８は楕円鏡や放物面鏡であってよく、プラズマ容器７からのプラズマ光は該凹面鏡８に反射されて、その前方に出射される。
なお、この凹面鏡８は、楕円又は放物線の長軸又は主軸を回転中心とする通常の楕円鏡又は放物面鏡であり、この場合の前記長軸又は主軸は、レーザ光４の光軸４ａと一致する。

この実施例でのレーザ光４２の集光立体角は、従来の光学レンズを用いて集光させた場合よりも大きくすることができるので、集光位置でのレーザ光４２のスポット径を小さくすることなり、大きなエネルギー密度を得ることができて、プラズマ容器７内の小さな領域にプラズマを好適に発生させることができる。この点については、後述の実験で説明する。

上記第１実施例では、円錐鏡５の頂角２ｔが９０°の場合を説明したが、９０°に限られず任意の角度のものを採用でき、図２に、該頂角２ｔが鋭角、即ち９０°未満（２ｔ＜９０°）の場合の第２実施例が示されている。
この場合、反射鏡６を構成する放物線６１の主軸６２は、円錐鏡５の回転軸５１に対する法線５２に対して角度θ_０だけ傾斜させている。そして、この放物線６１を前記円錐鏡５の回転軸５１を回転軸として回転させて反射鏡（変則放物面鏡）６を形成するものである。
このとき、放物線６１の主軸６２と法線５２のなす角度θ_０は、円錐鏡５の頂角２ｔとの間に次式（１）の関係がある。
＜式（１）＞

そして、プラズマ容器７は、該反射鏡（変形放物面鏡）６、即ち、前記放物線６１の焦点に一致した位置に設けられる。
なお、当然のことながら、前記反射鏡６は、円錐鏡５でレーザ光４を反射したときに、その反射光４１が投射される領域に設けられる。

次に、円錐鏡５の頂角２ｔが鈍角、即ち９０°超過した（２ｔ＞９０°）場合についての第３の実施例が図３に示されている。
前記第２実施例の場合と同様に、反射鏡６を構成する放物線６１の主軸６２は、円錐鏡５の回転軸５１に対する法線５２に対して角度θ_０だけ傾斜させている。ただ、この場合、前記第１実施例の場合とはその傾斜方向が逆方向になる。
即ち、この実施例での主軸６２の傾き角度θ_０と円錐鏡５の頂角（２ｔ）は、次式（２）で表される。
＜式（２）＞

本発明のレーザ駆動光源で得られる集光立体角と、従来のレンズを用いたレーザ駆動光源での集光立体角とを比較してみる。
上述した第１〜３の実施例からの集光立体角が、従来のレンズによる集光立体角よりも大きくなることを示すため、次のような手順で集光立体角を幾何学的に計算により求めた。
＜本発明の計算条件＞
この検証では、本発明のように円錐鏡５と反射鏡（変則放物面鏡）６を用いた場合、図４に示すように、反射鏡６を構成する放物線６１の焦点Ｆと該放物線６１の頂点Ｙとの距離をＰ（ｍｍ）、反射鏡６の焦点Ｆから、円錐鏡５おけるレーザ光４の反射する領域までの最短距離ｘ_０（ｍｍ）、レーザ光４のビーム径をＤ（ｍｍ）としたとき、レーザ光を集光する集光立体角Ω_１は、定義に基づいて次式（３）から求めることができる。計算は少し煩雑ではあるが、入射角と反射角は等しい事、幾何学の対頂角、錯角、同位角の関係を用いて計算すると、
＜式（３）＞

＜従来例の計算条件＞
この検証では、従来のレンズを用いた場合の集光立体角Ω_０(sr)は、レーザ光のビーム径をＤ（ｍｍ）、レンズの焦点距離をＦ（ｍｍ）としたとき、次式（４）から求めることができる。
＜式（４）＞

＜検証１の結果＞
検証１では、実施例１のレーザ駆動光源での立体角と、従来に係るレーザ駆動光源での集光立体角とを比較した。
まず、従来例での立体角Ω_０(sr)は、式（４）に、Ｄ＝２２ｍｍ、Ｆ＝４３ｍｍを代入して求めた。
次に、実施例１の立体角Ω_１(sr)は、式（３）に、θ_０＝０°、Ｄ＝２２ｍｍ、Ｐ＝７０ｍｍを代入し、そして、ｘ_０（ｍｍ）に約８０ｍｍまでを代入して、その変化を求めた。
そして、検証１においては、従来の立体角Ω_０(sr)に対して、実施例１のΩ_１(sr)がどのように変化しているかを見るため比をとって図示したのが、図５（ａ）である。
図５（ａ）においては、横軸が実施例１でのｘ_０（ｍｍ）を示しており、縦軸が比Ω_１／Ω_０を示している。
図５（ａ）に示すように、ｘ_０（ｍｍ）がいずれの場合においても、実施例１の立体角Ω_１(sr)は、従来の立体角Ω_０(sr)よりも大きくすることができる。
さらに、ｘ_０（ｍｍ）が焦点に近づくにつれて（プラズマ容器と円錐鏡とを近づけるにつれて）、実施例１の立体角Ω_１(sr)は、大きくなることが分かる。

検証２では、実施例２及び３のレーザ駆動光源での集光立体角と、従来例のレーザ駆動光源での集光立体角とを比較した。
まず、従来の立体角Ω_０(sr)は、式（４）に、Ｄ＝２２ｍｍ、Ｆ＝４３ｍｍを代入して求めた。
次に、実施例２および３の立体角Ω_２（３）(sr)は、式（３）に、Ｄ＝２２ｍｍ、Ｐ＝７０ｍｍを代入し、そして、ｘ_０（ｍｍ）に約８０ｍｍまでを代入して、その変化を求めた。θ_０＝１５°の場合を示す。
そして、検証２においても、従来の立体角Ω_０(sr)に対して、実施例２および３のΩ_１(sr)がどのように変化しているかを見るため比をとって図示したのが、図５（ｂ）である。
図５（ｂ）に示すように、ｘ_０（ｍｍ）が７０ｍｍ以下の場合に、実施例２及び３の立体角Ω_２（３）(sr)は、従来の立体角Ω_０(sr)よりも大きくすることができる。さらに、ｘ_０（ｍｍ）を近づけるにつれて（プラズマ容器と円錐鏡とを近づけるにつれて）、実施例２及び３の立体角Ω_２（３）(sr)は、大きくすることができる。

最後に、第１の実施例の立体角が、従来の立体角より大きくなることにより、プラズマ容器に入射されるレーザ光のエネルギー密度が大きくなることを確認する実験を行なった。
実験では、図６のようなレーザ駆動光源を用いた。
そして、実験条件については、図６を用いて次の（１）〜（４）に示す。
（１）レーザ
レーザ源からの出力はφ０．４５ｍｍのファイバに取り込まれ、そのファイバからの出力を拡大器に通しφ２２ｍｍの略ガウシアンビームのレーザ光を円錐鏡５に照射する。
レーザ波長は９７０ｎｍで、レーザ出力は１ｋＷでレーザ光を出射させた。ここでレーザ光は、略ガウシアンビームであり、光の強度が１/e^２(=0.14)となる時の直径を、レーザ光のビーム直径２ｒ_０とし、ファイバでのレーザ光の導光経路はそのビーム直径２ｒ_０より大きく取ってある。
その理由としては、レーザの径方向において、ｒ_０より外側では、レーザビームパワーの１４％を占める。例えば、１ＫＷのレーザパワーでは、１４０Ｗがｒ_０より外側にある。半径ｒ_０の導光経路とすれば、ｒ_０より外側の光が、光路に沿う機器にレーザ光が当り、損傷を受ける。したがって、導光経路はレーザビーム半径ｒ_０より大きく取る必要がある。

（２）円錐鏡
円錐鏡５は、頂角９０度、高さ２２．５ｍｍの大きさで、表面には金コートが施こされている。円錐鏡の底面の直径は４５ｍｍで、レーザビーム径より大きい。
（３）反射鏡（変則放物面鏡）
アルミニウム製の反射鏡６の反射面は、ｙ＝ｘ^２/２８０の２次曲線（放物線）の円錐鏡５の回転軸５１を回転中心とした回転体（変則回転放物体）の一部であり、出射側の開口部の直径は１３５ｍｍ、入射側の直径は８２ｍｍ、深さは６５ｍｍである。
（４）プラズマ容器
前記放物線により構成される反射鏡６の焦点は出射側開口部から２５ｍｍの位置にあり、その焦点位置に、プラズマ容器７内の電極間の中央が来るようにプラズマ容器を配置する。
プラズマ容器７は、石英ガラス製のバルブから成り、その中に希ガスなど発光媒体が封入されている。このプラズマ容器７内には、プラズマ発生始動用の一対の対向する電極７１、７２を備えている。この電極７１、７２間に電流を流す事で、放電プラズマが形成される。これにレーザ光を入射すると、この放電プラズマを火種として、レーザ駆動プラズマが形成される。
（５）
前記計算条件で示した図４の距離ｘ_０（ｍｍ）を、図６の装置において、２０〜４５ｍｍの間で変化させて、そのときの立体角とスポット直径を測定した。
なお、レーザ光は、そのビーム径において、中心から外周に向かうに従って、徐々にビーム強度が低下する。そして、ここでいうスポット直径は、ビーム強度の最大値から半分になるまでの部分の幅のことをいう。
このスポット直径が定まると、該スポット直径からレーザ光の強度を計算から求めることができる。
第１の実施例の装置における測定したスポット直径は、次の表１のようになる。なお、比較として、Ｆ＝４３ｍｍのレンズを用いたときの従来の装置における立体角とスポット直径を示している。また、表１では、第１の実施例の装置におけるビーム強度は、従来にかかる装置におけるビーム強度に対する相対値として示している。

＜表１＞

以上のように、本発明に係る装置は、従来に係る装置に比べて、立体角が大きくなり、その結果、スポット直径を小さくすることができ、点光源に近づけさせることができる。従って、本発明に係る装置は、スポット直径を従来に比べて小さくすることができるので、プラズマ容器に入射させるレーザ光のエネルギー密度を従来に比べて大きくでき、プラズマ容器内の小さな領域にプラズマを好適に発生させることができる。

なお、上述の実施例では、レーザ光４の光軸４ａと円錐鏡５の回転軸５１とが一致する例で説明したが、必ずしも光軸４ａと回転軸５１とは一致しなくてもかまわない。これについては、図７を用いて説明する。
図７ではレーザ光の光軸と円錐鏡の回転軸が一致する場合と、光軸と回転軸とが一致しない場合とを対比させて記載しており、一点鎖線がレーザ光の光軸と円錐鏡の回転軸とが一致する場合であって、実線が光軸と回転軸とが一致しない場合を示している。
両者いずれの場合も、レーザ光４は円錐鏡５に反射されて、反射鏡６に投射されるが、同図からも分かるように、その投射される領域はほとんど変わらない。反射鏡６の焦点に位置するプラズマ容器７に入射されるレーザ光の立体角は、前記反射鏡６に投射される領域の面積から求めることができるので、その投射される領域が殆んど変わらないということは、立体角も殆んど変わらないことを示す。従って、本発明においては、円錐鏡５の回転軸５１がレーザ光４の光軸４ａと一致しなくても、従来に比べて大きな立体角を得ることができることが分かる。

上記のように、この発明のレーザ駆動光源では、レーザ光をプラズマ容器内に集光させる集光手段を、レーザ光の入射側に頂点を有する円錐鏡と、該円錐鏡を囲む反射鏡とから構成し、レーザ源からのレーザ光を円錐鏡によって反射し、その反射光を反射鏡によって更に反射集光してプラズマ容器に入射するようにしたので、レーザ光の集光立体角を、従来の光学レンズよりも大きくすることができ、レーザ光の集光スポット径をより小さなものとすることができるので、そのエネルギー密度を大きくできるという効果を奏する。その結果、プラズマ容器内の極小な領域に好適にプラズマを生成することができるものである。
なお、プラズマ容器の点火源として電極を有するものを示したが、これに限られず、上記従来技術にも開示されているように、パルスレーザを用いることもできる。

１ レーザ源
４ レーザ光
４ａ レーザ光の光軸
４１ 円錐鏡による反射光
４２ 反射鏡による集光反射光
５ 円錐鏡
５ａ 円錐鏡の頂点
５１ 円錐鏡の回転軸
５２ 円錐鏡の回転軸に対する法線
６ 反射鏡（変則放物面鏡）
６１ 反射鏡を構成する放物線
６２ 放物線の主軸
７ プラズマ容器
８ 凹面鏡

Claims (5)

1. 発光媒体が封入されたプラズマ容器と、レーザ光を該プラズマ容器内に集光させる集光手段とを備え、該集光されたレーザ光によって前記プラズマ容器内にプラズマを生成するレーザ駆動光源において、
   前記集光手段は、レーザ光の入射側に頂点を有する円錐鏡と、該円錐鏡によって反射された光をプラズマ容器に集光させる反射鏡と、からなり、
   前記反射鏡は、放物面鏡であって、その主軸が前記円錐鏡の回転軸とは一致せず、且つ、その回転軸が前記円錐鏡の回転軸と一致していることを特徴とするレーザ駆動光源。
2. 前記円錐鏡の頂角（２ｔ）と、該円錐鏡の回転軸に対する法線と前記反射鏡の主軸とのなす角（θ_０）とは、次式の関係からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源。
   前記頂角２ｔ＞９０°のとき
   

   

   前記頂角２ｔ＜９０°のとき
   

   
3. 前記円錐鏡の頂角は、直角であり、前記反射鏡の主軸と該円錐鏡の回転軸に対する法線とが一致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。
4. 前記円錐鏡の回転軸は、前記レーザ光の光軸と一致し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。
5. 前記プラズマ容器からの放射光を反射する凹面鏡を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源。
   

Images