JP6390863B2 - レーザ駆動光源装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ発振部から放射されるビームによって点灯されるレーザ駆動光源装置に関するものであり、特に、露光装置や映写機等の光源に適用するに好適なレーザ駆動光源装置に関する。

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用いられる露光装置や、映写機用などの光源として、レーザ発振部から放射されるビームによって、プラズマ容器内に封入された発光ガスを励起させてプラズマを生成するレーザ駆動光源装置が用いられていて、そのレーザ駆動光源装置の構造が、特開平６１‐１９３３５８号公報（特許文献１）に開示されている。

図９（Ａ）にその構造が示されていて、レーザ駆動光源装置２００は、レーザ発振部２１０と、このレーザ発振部２１０からのビームを拡大する凹レンズ２２０と、この凹レンズ２２０によって拡大されたビームを平行光にする凸レンズ２３０と、その平行光になったビームを集光する凸レンズ２４０と、その集光されたビームが入射されるプラズマ容器２５０と、プラズマ容器２５０を通過したビームを集光するように反射する凹面鏡２６０と、を備えている。
前記プラズマ容器２５０の内部には、発光元素が封入されており、このプラズマ容器２５０内に集光されたビームが入射されることで、発光元素が励起されてプラズマが生成されて、励起光が得られる。

このように、レーザ発振部２１０からのビームの光路には、光学系部品２２０、２３０、２４０やプラズマ容器２５０が存在し、ビームはこれらを通過する。ビームが、これらの光学系部品２２０、２３０、２４０やプラズマ容器２５０に入射するとき、その周辺の雰囲気（例えば大気）との屈折率の違いから、ビームの極一部が反射される（図９（Ｂ）参照）。
その反射光ＲＬは、光学系部品２２０、２３０、２４０やプラズマ容器２５０におけるビームの入射面の形状にしたがって、その進む方向が決まり、反射光ＲＬの一部は、レーザ発振部２１０に向かって進むことになる。

レーザ発信部２１０に入射された反射光ＲＬは、このレーザ発信部２１０内で共振されて、その強度が徐々に増していく。レーザ発信部２１０は、励起される媒質、これにエネルギーを注入する光源、媒質が光源によって励起されたときにその励起光を共振させる共振器などを備えていて、もともと、この媒質は、励起光の共振によって加熱状態にある。これに、前記した反射光ＲＬの入射・共振による加熱が加わることによって、媒質は過剰な加熱状態となり、最終的には破損してしまうという問題がある。

ところで、ＣＲＴなどのディスプレイの分野においては、ディスプレイパネルの表面に反射防止膜（いわゆるＡＲコート（Anti-Reflection Coat））を設けることが知られている。
本発明者らは、この反射防止膜を、光学系部品２２０、２３０、２４０やプラズマ容器２５０に設けてビームの反射を防止することも検討した。ところが、特に、プラズマ容器２５０は、内部の発光元素がビームによって高温プラズマ状態を形成することで、その外面が、例えば、８００〜１０００℃以上の高温になるために、この外面に反射防止膜を設けても、この膜が蒸発してしまい、少なくとも、プラズマ容器２５０の外面においてはビームの反射を防止することができず、レーザ発振部に反射光が入射することを防止することができなかった。

特開昭６１‐１９３３５８号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、レーザ発振部と、該レーザ発振部からのビームが入射されてプラズマを生成するプラズマ容器と、を備えたレーザ駆動光源装置において、プラズマ容器の外面で反射されたビームの反射光が、再びレーザ発振部に入射することを防止したレーザ駆動光源装置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装置は、前記プラズマ容器が、前記ビームの光路に対して傾斜させた入射面を備えていることを特徴とする。
また、前記プラズマ容器は、管球形状であって、前記ビームが出射される内面に、集光面が形成されていることを特徴とする。
また、前記プラズマ容器は、管球形状であって、前記レーザ発振部が前記プラズマ容器の周辺に複数設けられ、前記プラズマ容器には、各レーザ発振部からの各ビームの光路に対して傾斜させた複数の入射面が設けられていることを特徴とする。

また、前記プラズマ容器が、凹面反射面を有する本体と、該本体の後方開口に設けられた入射窓と、前記本体の前方開口に設けられた出射窓とからなり、前記本体と前記入射窓と前記出射窓によって密閉空間が形成されているとともに、前記入射窓は、前記ビームの光路に対して傾斜させた入射面を備えていることを特徴とする。
また、前記レーザ発振部と前記プラズマ容器の入射面との間の光路上に、外表面に反射防止膜が設けられた集光手段が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振部からのビームがプラズマ容器に入射するとき、入射面がビーム光路に対して傾斜しているので、この入射面での反射光は、ビーム光路とは異なる方向に向かうことになり、この反射光がレーザ発振部に戻って入射することがない。
また、管球形状のプラズマ容器の内面に集光面が形成されていることにより、ビームの集光手段をプラズマ容器の外部に設けた場合と比較したとき、ビームの集光点と集光面との距離を短くすることができるので、集光点における立体角を大きくすることができる。これにより、高温プラズマ状態を良好に推持できて、励起光ＥＬの点灯開始を良好に行うことができる。

また、レーザ発振部を複数備える場合においても、プラズマ容器に備えた複数の入斜面がそれぞれのビームの光路に対して傾斜しているので、各々の入射面での反射光が各ビームの光路とは異なった方向に向かうことになり、この反射光がレーザ発振部に入射することを防止できる。
また、プラズマ容器を、本体部と光入射窓と光出射窓とで構成することで、これら本体部や入射窓や出射窓に石英ガラス以外のセラミックスや金属を使用することができ、プラズマからの高出力のＵＶ光やＶＵＶ光の照射を受けても、プラズマ容器に紫外線ひずみが生じることがないという利点がある。そして、この入射窓での入射面をビーム光路に対して傾斜さているので、ここでの反射光がレーザ発振部に戻ることがない。
また、併せて、ビームの光路上の集光手段に反射防止膜を設けることで、この集光手段でのビームの反射がなくなり、プラズマ容器へのビームの有効活用が図られるとともに、該集光手段からの反射光がレーザ発振部に入射することを防止できる。

本発明の第１の実施例に係るレーザ駆動光源装置の説明図。 本発明の第２の実施例の説明図。 集光手段の位置と立体角の関係の説明図。 本発明の第３の実施例の説明図。 本発明の第４の実施例の説明図。 本発明の第５の実施例の説明図。 本発明の第６の実施例の説明図。 本発明の第７の実施例の説明図。 従来のレーザ駆動光源装置の説明図。

図１に本発明の第１の実施例のレーザ駆動光源装置１が示されていて、レーザ駆動光源装置１は、プラズマ容器２と、レーザ発振部３と、集光手段４とを備える。前記集光手段４は、例えば、集光レンズからなり、レーザ発振部３からプラズマ容器２への光路上の間に設けられていて、その表面には反射防止膜５が形成されている。
前記プラズマ容器２は、種々の形態を採用できるが、この実施例では、管球形状をしている。ここで、管球形状とは、ランプ技術における、略球形状や略楕円回転体形状などの発光管形状を意味する。
レーザ発振部３から発振されたビームＢは、集光手段４によって集光されてプラズマ容器２に入射して、その内部で集光する。

プラズマ容器２の内部には、発光元素が封入されるが、その用途によって、様々な発光元素が用いられる。例えば、露光用の光源としては、発光元素として水銀が用いられる。また、例えば、映写機用の光源としては、発光元素としてキセノンガスが用いられる。

このプラズマ容器２は、レーザ発振部３からのビームＢが入射すると共に、発光元素からの励起光ＥＬを出射することから、レーザ発振部３からのビームＢを透過し、且つ、発光ガスの励起光ＥＬを透過する部材で構成される。具体的には、例えば露光用光源の場合は、レーザ発振部３からのビームＢの波長が１０６４ｎｍであって、発光元素が水銀で、その励起光ＥＬのうち波長３６５ｎｍを利用する場合においては、プラズマ容器２は、１０６４ｎｍの波長を透過し、且つ、３６５ｎｍの波長を透過する、例えば石英ガラスで構成される。

そして、プラズマ容器２の外面には、ビームＢが入射する入射面２１が形成されており、この入射面２１は、ビームＢの光路（光軸）ＬＡに対して傾斜している。これにより、入射面２１の法線は、ビームＢの光軸ＬＡと不一致となる。

レーザ発振部３は、励起される媒質、これにエネルギーを注入する光源、媒質が光源によって励起されたときにその励起光を共振させる共振器などを備えており、このレーザ発振部３からのビームＢは、集光手段４によって集光されつつプラズマ容器２の入射面２１から該プラズマ容器２内に入射し、その内部で集光位置Ｆに集光する。
なお、ビームＢの集光位置Ｆはプラズマ容器２の中心点に限定されるわけではなく、その内部の任意の位置であってよい。ただ、集光位置Ｆがプラズマ容器２の中心位置にあることで、プラズマ容器２の壁面に対するプラズマの熱的な影響が局所的に偏ることがなく、均一なものとなることが期待できる。

ビームＢが入射面２１からプラズマ容器２に入射する際、この入射面２１はビームＢの光路（光軸）ＬＡに対して傾斜していることから、当該入射面２１で反射される反射光ＲＬは、入射面２１の法線を対象軸として、ビームＢの入射方向に対して線対称な方向に向かって反射される。
こうして、入射面２１での反射光ＲＬが、ビームＢの光路とは異なる方向に反射されるので、この反射光ＲＬがレーザ発振部３に戻って入射することがない。

図２には、ビームＢの立体角を大きくする実施例が示されている。
この第２の実施例では、レーザ発振部３とプラズマ容器２との間に集光手段４は設けられておらず、プラズマ容器２の入射面２１から入射したビームＢのプラズマ容器内部への出射内面に、内部に対して凸形状の集光面２２が形成されている。
レーザ発振部２からのビームＢは、入射面２１からプラズマ容器２に入射し、内面の集光面２２によって集光されて、該プラズマ容器２内部で集光する。
このように、プラズマ容器２の内面に集光面２２を形成するので、図１の第１の実施例のように、集光手段４をプラズマ容器２の外部に設けた場合よりも、ビームＢの立体角を大きくすることができる。
なお、入射面２１で反射された反射光ＲＬが、ビームＢの光軸ＬＡに向かうことがないことは、第１の実施例と同様である。

ここで、図３を参照して、ビームＢの立体角を大きくすることの意義について説明する。
図３において、プラズマ容器２から遠い位置に第１の集光手段４１を配置した場合と、これよりもプラズマ容器２に近い位置に第２の集光手段４２を配置した場合を比較する。第１の集光手段４１と第２の集光手段４２は、ともに、プラズマ容器２内部の同一の集光位置Ｆで集光するものとして比較する。
第２の集光手段４２は、その焦点距離が第１の集光手段４１の焦点距離よりも小さいので、第２の集光手段４２による立体角ＳＡ２は、第１の集光手段４１による立体角ＳＡｌよりも大きくなる。

プラズマ容器２の内部に封入された発光元素は、ビームＢのエネルギー密度がある闇値以上になると、電離されて高温プラズマ状態を形成する。この高温プラズマ状態の領域は、電離したイオンや電子が飛散しやすく、これらが飛散してしまうと高温プラズマ状態を維持することが困難になる。従って、高温プラズマ状態は高密度であるほど、その維持を良好に行なうことができ、励起光ＥＬの点灯開始を良好にすることができる。

図３において、エネルギー密度が発光元素を電離する闘値以上になる位置をみると、第２の集光手段４２による位置ＴＥ２の方が、第１の集光手段４１による位置ＴＥｌに比べて集光位置Ｆに近接し、高温プラズマ状態の領域（閾値以上になる位置から集光位置までの領域）を小さくすることができる。これは、第２の集光手段４２の立体角ＳＡ２が、第１の集光手段４１の立体角ＳＡｌよりも大きくなっているためである。
このように、立体角を大きくすることによって、高温プラズマを形成する領域は小さくなり、高温プラズマ状態を高密度にすることができ、高温プラズマ状態を良好に推持されることになって、励起光ＥＬの点灯開始を良好に行なうことができる。

しかして、図２の第２の実施例における、プラズマ容器２の集光面２２による焦点位置と、図１の第１の実施例における集光手段４による焦点位置とが同一としたとき、図２の第２の実施例では、その集光面２２が集光位置に近接するために、図１の第１の実施例の集光手段４の場合に比べて立体角を大きくすることができる。これにより、上述のように、高温プラズマ状態を形成する領域を小さくでき、高温プラズマ状態を高密度にすることができるので、高温プラズマを良好に維持することができ、プラズマ容器２内からの励起光ＥＬの点灯開始を良好に行なうことができるものである。

上記第２の実施例では、レーザ発振部３とプラズマ容器２の間に集光手段を設けることなく、プラズマ容器２の内面に集光面２２を形成したものを示したが、集光手段を配置してもよく、その場合が、図４の第３の実施例として示されている。
この実施例では、レーザ発振部３とプラズマ容器２の間に集光手段４を配置するとともに、プラズマ容器２の内面に集光面２２を形成したものである。
この場合も、集光手段４によって集光されつつプラズマ容器２に入射したビームＢは、集光面２２によってさらに集光される。このため、図２の第２の実施例と比較したとき、焦点位置Ｆが集光面２２に近くなる。これにより、第３の実施例ではビームＢの立体角は、第２の実施例よりも大きくなる。

図５に他の第４の実施例が示されていて、この実施例の場合、プラズマ容器に対して２つのレーザ発振部が設けられたものである。
図において、プラズマ容器２の周囲に２つのレーザ発振部３ａ、３ｂが設けられており、該レーザ発振部３ａ、３ｂとプラズマ容器２との間には、それぞれ集光手段４ａ、４ｂが配置されている。
そして、プラズマ容器２には、各々のレーザ発振部３ａ、３ｂからのビームＢａ、Ｂｂの光路ＬＡ１、ＬＡ２に対して傾斜した２つの入射面２１ａ、２１ｂが形成されている。
これらのレーザ発振部３ａ、３ｂと集光手段４ａ、４ｂの組合せは、該レーザ発振部３ａ、３ｂからのビームＢａ、Ｂｂが、プラズマ容器２内において同一の集光位置Ｆに集光するように配置されている。

なお、レーザ発振部は２つに限定されず、それ以上の複数であってもよいが、いずれの場合も、プラズマ容器に設ける複数の入射面は、各レーザ発振部からのビームに対してそれぞれ傾斜して形成される。
このようにレーザ発振部を複数設けることで、集光位置でのビームのエネルギーが大きくなってより発光強度の大きなプラズマが得られる。

以上の実施例においては、集光手段４は集光レンズのものを示したが、集光ミラーであってもよく、図６にその場合の第５の実施例が示されている。
レーザ発振部３とプラズマ容器２の光路上の間には、集光手段４として凹面形状の集光ミラー４１が配置されている。レーザ発振部３からのビームＢは、この集光ミラー４１によって反射・集光されてプラズマ容器２に向かう。
このプラズマ容器２には、ビームＢの光路（光軸）ＬＡに対して傾斜した入射面２１が形成されていることは、上述の各実施例と同様である。

図７、８には、プラズマ容器２が管球形状以外の構造を持つ実施例が示されている。
図７は第６の実施例の断面図であり、プラズマ容器２は、円柱形状の本体１０を有しており、その内面に凹面反射面１１が形成されている。この凹面反射面１１は、楕円形状、放物面形状等適宜に選択される。
本体１０には後方開口１０ａと前方開口１０ｂが形成されていて、後方開口１０ａに対応して入射窓１２が設けられ、前方開口１０ｂに対応して出射窓１３が設けられている。
そして、本体１０の後方開口１０ａに対応した入射窓１２は、金属製の窓枠部材１４に装着されていて、この窓枠部材１４が、金属筒体１５によって本体１０に取り付けられている。これら本体１０と、入射窓１２と、出射窓１３とによって密閉空間が形成されていて、この密閉空間内に発光元素が封入されている。
そして、上記本体１０の後方開口１０ａに対応して設けられた入射窓１２は、ビームＢの光路（光軸）ＬＡに対して傾斜した入射面２１を有している。

上記構成のプラズマ容器２における凹面反射面１１の回転中心軸Ｘは、レーザ発振部３からのビームＢの光軸ＬＡと一致していて、ビームＢはプラズマ容器２内において、凹面反射面１１の焦点位置Ｆに集光する。
レーザ発振部３からのビームＢは、集光手段４によって集光されつつ、プラズマ容器２の入射窓１２から入射して、凹面反射面１１の焦点位置Ｆに集光する。これにより当該焦点位置Ｆを中心としてプラズマが生成され、発光元素が励起されて生じる励起光ＥＬは、凹面反射面１１により反射されて、出射窓１３から外部に出射されていく。
上記において、レーザ発振部３からのビームＢが入射窓１２に入射するとき、該入射窓１２の入射面２１がビームＢの光路ＬＡに対して傾斜しているので、この入射面２１で反射された反射光ＲＬは、ビームＢの光路とは異なる方向に反射されて、この反射光ＲＬがレーザ発振部３に戻って入射することがないことは、前記各実施例と同様である。

図７の第６の実施例では、レーザ発振部３からのビームＢの光軸ＬＡと、プラズマ容器２の凹面反射面１１の回転中心軸Ｘとが一致していて、入射窓１２の入射面２１がビームＢの光軸ＬＡに対して傾斜している例であるが、凹面反射面１１の回転中心軸ＸをビームＢの光軸ＬＡに対して角度を持たせることもできる。
図８の第７の実施例では、プラズマ容器２における本体１０の凹面反射面１１の回転中心軸Ｘが、レーザ発振部３からのビームＢの光軸ＬＡと角度を有して傾斜している。このとき、プラズマ容器２をビームＢの光軸上にある焦点位置（集光位置）Ｆを中心として回動することによって傾斜させる。
そして、入射窓１２は、その入射面２１が、前記凹面反射面１１の回転中心軸Ｘに対して直交するように取り付けられている。これにより、入射窓１２の入射面２１は、ビームＢの光軸ＬＡに対して傾斜したものとなる。

上記構成において、レーザ発振部３からのビームＢは、入射窓１２の入射面２１から入射するが、その際の反射光ＲＬがレーザ発振部３に向かうことがないことは、第６の実施例と同様である。そして、ビームＢは、プラズマ容器２内の凹面反射面１１の焦点位置Ｆに集光し、プラズマを生成するものである。これにより生成される励起光ＥＬは、凹面反射面１１により反射されて、該凹面反射面１１の回転中心軸Ｘに沿って出射窓１３から出射される。

なお、上記図７、８に示された第６、７の実施例においては、プラズマ容器２を構成する本体１０はセラミックス材料や、アルミニウムなどの金属材料を採用でき、また、入射窓１１はレーザ光透過性であり、出射窓１３は励起光透過性であって、ともに水晶やサファイアなどの結晶材を採用できる。
そして、本体部１０がセラミックス材料の場合、その後端の外周面をメタライズ加工して、これに金属筒体１５をロウ付けにより接合し、この金属筒体１５に金属製の窓枠部材１４を溶接接合すればよい。
また、本体部１０が金属製の場合、金属筒体１５を溶接接合し、これに金属製の窓枠部材１４を溶接接合すればよい。

以上説明したように、本発明のレーザ駆動光源装置では、プラズマ容器の入射面が、レーザ発振部からのビームの光路に対して傾斜しているので、入射面で反射されるビームが、ビーム光路とは異なる方向に向かうことになってレーザ発振部に戻って入射することがなくなり、レーザ発振部内の媒質などの部品が損壊することを防止できるものである。

１ レーザ駆動光源装置
２ プラズマ容器
２１ 入射面
２２ 集光面
３ レーザ発振部
４ 集光手段
４１ 集光ミラー
５ 反射防止膜
１０ 本体
１０ａ 後方開口
１０ｂ 前方開口
１１ 凹面反射面
１２ 入射窓
１３ 出射窓
１４ 窓枠部材
１５ 金属筒体
Ｂ （レーザ）ビーム
ＬＡ （ビームの）光路（光軸）
ＲＬ 反射光
ＥＬ 励起光
Ｆ 集光位置（凹面反射面の焦点位置）
Ｘ 凹面反射面の回転中心軸

Claims (2)

1. レーザ発振部と、該レーザ発振部からのビームが入射されてプラズマを生成するプラズマ容器と、を備えたレーザ駆動光源装置において、
   前記プラズマ容器は、前記ビームの光路に対して傾斜させた入射面を備えており、
   前記レーザ発振部と前記プラズマ容器の入射面との間の光路上に、外表面に反射防止膜が設けられた集光手段が配置されていることを特徴とするレーザ駆動光源装置。
2. 前記プラズマ容器が、凹面反射面を有する本体と、該本体の後方開口に対応して設けられた入射窓と、前記本体の前方開口に設けられた出射窓とからなり、前記本体と前記入射窓と前記出射窓によって密閉空間が形成されているとともに、
   前記密閉空間内に発光元素が封入されてなり、
   前記レーザ発振部からのビームは、前記入射窓から前記プラズマ容器内に入射し、前記後方開口を経て前記凹面反射面の焦点位置に集光するものであって、
   前記プラズマ容器を、前記レーザ発振部からのビームの光路上にある前記凹面反射面の焦点位置を中心として回動して、前記入射窓の入射面を、前記ビームの光路に対して傾斜させたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源装置。

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