JPH05335671A

JPH05335671A - レーザ装置用放電回路

Info

Publication number: JPH05335671A
Application number: JP16405192A
Authority: JP
Inventors: Kazu Mizoguchi; 計溝口; Junichi Fujimoto; 准一藤本; Noriaki Itou; 仙聡伊藤
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】放電励起型レーザ装置の出力特性を改善す
る。【構成】予備電離モジュール４０ａ〜４０ｎのそれぞ
れを、予備電離用コンデンサＣ₁と、このコンデンサＣ
₁に直列接続した予備電離用コンデンサＣ₂とスパーク
ギャップ１６との並列回路とから構成し、これらの予備
電離モジュール４０ａ〜４０ｎをピーキングコンデンサ
１２に並列に接続する。そして、コンデンサＣ₁、Ｃ₂
の容量値を適宜に選択することにより、スパークギャッ
プ１６の予備電離開始時期を遅らせて主放電開始時期に
近づける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイス製造用
の露光光源や機械加工用の光源などに用いられる放電に
より励起を行うレーザ装置に係り、特にＴＥＡＣＯ₂
レーザ、Ｎ₂レーザ、エキシマレーザ等のパルス放電励
起レーザ装置の放電回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】気体レーザ装置の多くは、レーザ媒質を
励起する場合、放電励起が行われている。ところで、気
体レーザ装置の一種であるエキシマレーザ装置において
は、レーザ媒質である放電ガスとして高気圧のフッ素ガ
スや塩素ガス等のハロゲンガスを使用している。これら
のハロゲンガスは高圧、かつ電気的に負性であるため、
励起に有効なグローモードの放電（主放電）を安定して
運転することが非常に困難である。このため、エキシマ
レーザ装置においては、主放電が不安定になる以前に放
電を終了させるため、放電回路のインダクタンスを小さ
くするとともに、主放電の前に予備電離と呼ばれる、主
放電の種となる電子を蒔く放電のための予備電離発生回
路が必要不可欠である。そして、特開平３−２５７９８
０号公報には、図９に示したようなエキシマレーザ装置
用放電回路が開示してある。

【０００３】図９に示した放電回路は、主放電電極１０
にピーキングコンデンサ１２と、予備電離用コンデンサ
１４と予備電離用スパークギャップ１６との直列回路と
が並列に接続してある。また、予備電離用コンデンサ１
４とスパークギャップ１６との直列回路に充電コイル２
０が並列に接続してある。充電コイル２０の一端は、さ
らに充電コンデンサ２２に接続してある。そして、充電
コンデンサ２２は、コイル２４を介して直流高圧電源２
８に接続してあるとともに、一側を接地したサイラトロ
ン３０の他側に接続してある。

【０００４】このように構成してある放電回路は、充電
コンデンサ２２がコイル２６、充電コイル２０を介して
直流高圧電源２８によって充電される。そして、充電コ
ンデンサ２２は、サイラトロン３０がトリガ信号の入力
により導通状態になると、サイラトロン３０を通して放
電し、充電コンデンサ２２に蓄えられた電荷がピーキン
グコンデンサ１２を急速に充電する。

【０００５】ピーキングコンデンサ１２が充電され、端
子電圧が予備電離用スパークギャップ１６の放電開始電
圧に高まると、スパークギャップ１６にスパークが発生
し、予備電離用コンデンサ１４がピーキングコンデンサ
１２とともに充電される。また、スパークギャップ１６
においてスパークが発生すると、スパークに伴う放電紫
外線が主放電電極１０および主放電空間を照射し、主放
電空間に存在するガスを光電離、光電効果などによって
電離し、放電空間に主放電の種となる初期電子がばらま
かれる。

【０００６】ピーキングコンデンサ１２と予備電離用コ
ンデンサ１４とが主放電電極１０の放電開始電圧まで充
電されると、スパークギャップ１６のスパークによる予
備電離によってコンディショニングされている主放電空
間にグロー放電が急速に開始し、主放電電流がパルス状
大電流として主放電電極１０、１０間に流れ、主放電が
発生する。主放電が発生するとレーザ媒質が放電励起さ
れ、レーザ媒質から誘導放出された光が共振器光学系に
よりレーザ光として取り出される。

【０００７】上記した放電回路は、ピーキングコンデン
サと予備電離用コンデンサとを分離して作動させるた
め、スパークギャップ１６を形成している予備電離電極
の電流を主放電電流と独立に変化させ得る特長を有して
いる。そして、南アフリカ大学のH.M.Bergmann等は、こ
の放電回路によれば、出力エネルギーに余り影響を与え
ることなく予備電離用コンデンサ１４の容量をピーキン
グコンデンサ１２の１／１０程度にすることができ、こ
れによって予備電離電極の寿命を著しく延ばすことがで
きる旨を報告している（"High Repetition Rate High P
ower Excimer La-sers";SPIE Vol.1023 Eximer Laser a
nd Application(1988)）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の放電回路は、出力への影響が小さいと言うもの
の、H.M.Bergmann等が上記の文献に示したように、特に
ＫｒＦガスを用いた装置において、小出力の領域におけ
る出力特性の悪化が著しく、またＸｅＣｌガスを用いた
場合、大出力の装置において出力特性の悪化が大きくな
るという不具合がある。

【０００９】しかも、上記の放電回路は、ショット毎の
パルスエネルギーの変動が大きくなるという不具合も発
生していた。さらに、上記の回路は、主放電電極１０の
主放電開始電圧とスパークギャップ１６の予備電離スパ
ーク開始電圧とが独立に動作するため、長期間の運転を
行うと、電極の消耗などにより、それぞれの放電開始電
圧が変化し、予備電離と主放電とのタイミングがずれ、
装置の性能が劣化する欠点がある。このため、従来は、
レーザチャンバを定期的に分解し、電極の交換および電
極間隔の調整等を行わなければならず、メンテナンスが
容易でなく、稼働率を低下させる原因ともなっていた。

【００１０】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、出力特性を改善することができ
るレーザ装置用放電回路を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】ハロゲンガスを用いたエ
キシマレーザにおいては、ガスの電子付着効果が大き
く、予備電離によって生成した電子がある速度でハロゲ
ンガスに捕らえられてしまう。従って、エキシマレーザ
においては、予備電離光の存在による電子の発生速度と
ハロゲンガスによる電子の捕捉速度との競合により主放
電開始時の初期電子密度が決定し、レーザ出力の特性を
大きく左右する。すなわち、主放電開始時の初期電子密
度が大きいほど、出力の悪化を改善でき、出力の変動も
小さくなって出力特性を向上することができる。

【００１２】一方、電子の生成に寄与する予備電離スパ
ーク電流の大きさは、予備電離用コンデンサの容量と予
備電離用コンデンサの充電時間により決まる。しかし、
予備電離用コンデンサの容量を過剰に大きくしたり充電
時間を長くすると、スパークギャップ電極の消耗を早め
て寿命が短くなり、また発生させた電子の利用効率が小
さくなって出力特性を低下させ、さらに主放電の繰り返
し間隔が長くなるなど、装置の性能を低下させる。

【００１３】そこで、発明者等は、レーザ装置の出力特
性を改善するために、種々の実験を行った結果、予備電
離用コンデンサを複数に分割し、この分割したコンデン
サの一部にスパークギャップを構成する予備電離電極を
並列接続すると、コンデンサの容量を変えることによ
り、主放電に影響を与えることなくスパークギャップに
よるスパークの開始時期を主放電の開始時期に近づける
ことができ、出力特性を改善することができることを見
出した。

【００１４】本発明は、上記の知見に基づいてなされた
もので、主放電電極にピーキングコンデンサが並列接続
してあるレーザ装置用放電回路において、直列接続した
複数の予備電離用コンデンサと、これらの予備電離用コ
ンデンサの一部と並列に接続した予備電離電極とを有す
る予備電離モジュールを、前記ピーキングコンデンサに
並列接続したことを特徴としている。

【００１５】複数の予備電離用コンデンサの少なくとも
１つは、容量を変えられるものであることが望ましい。
また、複数の予備電離用コンデンサの少なくとも１つは
貫通コンデンサとし、予備電離電極を、貫通コンデンサ
の貫通端子とスリーブ端子とに接続することができる。
そして、ピーキングコンデンサには、予備電離モジュー
ルの複数を並列接続することができる。さらに、複数の
予備電離電極は、主放電電極の両側に千鳥状に配置する
とよい。

【００１６】

【作用】上記の如く構成した本発明は、スパークギャッ
プを構成する予備電離電極と並列接続または直列接続し
た予備電離用コンデンサのいずれか一方または両方の容
量を変えると、予備電離モジュールの両端に印加される
電圧が同じであっても、予備電離電極間に印加される電
圧が変化する。

【００１７】すなわち、予備電離電極間の放電開始電圧
（予備電離開始電圧）を一定に保持した場合、予備電離
用コンデンサの容量を変化させることにより、予備電離
が開始する時点での予備電離モジュール両端の電圧を変
化させることができ、予備電離用コンデンサの充電開始
電圧を主放電開始電圧に近づけることができる。例え
ば、図２（Ａ）のように２つのコンデンサＣ_A、Ｃ_Bを
直列に接続し、コンデンサＣ_Bと並列にスパークギャッ
プ１６を形成し、このスパークギャップ１６の放電開始
電圧を８ｋｖに設定したとき、Ｃ_A＝２０ｐＦ、Ｃ_B＝
６．７ｐＦであるとすると、放電開始時のＡＢ間の電圧
Ｖ_ABは約３ｋｖとなる。従って、ＡＣ間の端子電圧Ｖ_AC
は、Ｖ_ABとＶ_BCとの和であるから、約１１ｋｖとなる。

【００１８】また、図２（Ｂ）のように、Ｃ_A＝２０ｐ
Ｆ、Ｃ_B＝１１ｐＦ、Ｖ_BC＝８ｋｖとすると、Ｖ_AB≒４
ｋｖとなり、Ｖ_AC≒１２ｋｖとなる。そして、図２
（Ｃ）に示したように、Ｃ_A＝２０ｐＦ、Ｃ_B＝１７ｐ
Ｆとし、Ｖ_BC＝８ｋｖとすると、Ｖ_AB≒７ｋｖとなり、
Ｖ_AC＝１５ｋｖとなる。すなわち、Ｃ_Bの容量を大きく
するほど、スパークギャップ１６が予備電離を開始した
ときのＡＢ端子間の電圧は大きくなり、図３に示したよ
うに、予備電離の開始時期が遅くなって主放電の開始時
期に近づく。

【００１９】この結果、予備電離用コンデンサは、より
高い電圧で高速に充電されるとともに、スパークギャッ
プ１６を流れる放電電流が大きくなって強い放電紫外線
が発生し、かつ予備電離が行われたあとの電子の付着が
起こる時間が短くなって、電子の付着損失も小さく抑え
ることができるため、主放電開始時の初期電子密度を大
きくでき、レーザ出力の悪化を改善できるとともに、放
電が安定して出力の変動も小さくでき、レーザ装置の出
力特性を向上することができる。

【００２０】予備電離モジュール内の予備電離用コンデ
ンサの少なくとも１つを可変容量型にすると、予備電離
電極の消耗に伴い、予備電離開始電圧が変化して予備電
離のタイミングと主放電のタイミングとがずれたとき
に、可変容量コンデンサの容量を調節することにより両
者のタイミングを合わせることができ、レーザチャンバ
を分解することなく長期間所定の性能を維持することが
でき、メンテナンスの間隔を延ばして装置の稼働率を向
上できる。また、予備電離モジュールの予備電離用コン
デンサの１つを貫通コンデンサにし、このコンデンサの
貫通端子とスリーブ端子とに予備電離電極を取り付ける
と、構造を簡素化することができる。そして、主放電電
極の両側に配置した予備電離電極を、両側で交互に、す
なわち千鳥状に配置すると、主放電領域に発生させる電
子の密度を比較的均一にすることができる。

【００２１】

【実施例】本発明に係るレーザ装置用放電回路の好まし
い実施例を、添付図面に従って詳説する。図１は、本発
明に係るレーザ装置用放電回路の一実施例を示したもの
である。

【００２２】図１において、充電コンデンサ２２は、一
方の端子がコイルＬ_Sを介してサイラトロン３０に接続
してある。そして、充電コンデンサ２２の他方の端子
は、ピーキングコンデンサ１２の一側とコイルＬ₁とに
接続してある。ピーキングコンデンサ１２の他側は、サ
イラトロン３０とともに主放電電極１０の下側の電極に
接続してあり、この下側主放電電極１０とともに接地し
てある。

【００２３】一側が充電コンデンサ２２とピーキングコ
ンデンサ１２とに接続してあるコイルＬ₁の他側は、コ
イルＬ₂を介して上側主放電電極１０に接続してある。
そして、コイルＬ₁とコイルＬ₂との間には、ピーキン
グコンデンサ１２と並列となっている複数の予備電離モ
ジュール４０ａ〜４０ｎの一側が接続してある。

【００２４】各予備電離モジュール４０ａ〜４０ｎは、
同一の構造をしており、予備電離用コンデンサＣ₁、Ｃ
₂を直列接続したコンデンサ対と、コンデンサＣ₂に並
列接続した予備電離電極によって形成した予備電離用の
スパークギャップ１６とから構成してある。そして、予
備電離用コンデンサＣ₂は容量調整用であって、可変容
量コンデンサからなり、静電容量を変化させることがで
きるようにしてある。また、複数のスパークギャップ１
６は、主放電電極１０の両側に等間隔で配置してある。
なお、一側が上側の主放電電極１０に接続され、他側が
接地してあるコイル２０は、充電コイルである。

【００２５】上記の如く構成した実施例においては、各
予備電離モジュール４０ａ〜４０ｎの予備電離用コンデ
ンサＣ₁、Ｃ₂の静電容量値を適宜に選択することによ
り、前記したようにスパークギャップ１６の放電開始時
期を遅らせ、主放電電極１０の放電開始時期に近づける
ことができる。このため、コンデンサＣ₁、Ｃ₂の充電
時間が短くなり、スパークギャップ１６間を流れるスパ
ーク電流が大きくなって、スパークギャップ１６におい
て発生する放電紫外線の輝度が高くなり、主放電電極１
０、１０間の主放電空間における予備電離生成速度が大
きくなる。しかも、予備電離開始から主放電開始までの
時間が従来より短いため、予備電離により生成された電
子のハロゲンガスによる捕捉も少なく、主放電開始時の
初期電子密度を大幅に高めることができる。

【００２６】このように、実施例においては、初期電子
密度が大きくなるため、小出力の領域においても出力特
性の改善を図ることができ、また大出力の装置において
も出力特性の悪化をなくすことができる。しかも、主放
電開始時の初期電子密度が大きくなったことにより、シ
ョット毎のパルスエネルギーの変動をなくすことができ
る。そして、実施例は、予備電離用コンデンサＣ₂を可
変容量コンデンサによって構成してあるため、スパーク
ギャップ１６を形成している予備電離電極が消耗し、予
備電離のタイミングと主放電のタイミングとがずれた場
合であっても、コンデンサＣ₂の容量を調節することに
より両者のタイミングを合わせることができ、電極間隔
の調整や電極の交換等のメンテナンス間隔を延長するこ
とが可能となって、メンテナンスの煩雑さが大幅に減少
するとともに、装置の稼働率を向上することができる。

【００２７】なお、前記実施例においては、予備電離用
コンデンサＣ₂の容量を変化させる場合について説明し
たが、コンデンサＣ₁の容量を変化させてもよいし、コ
ンデンサＣ₁、Ｃ₂の両方の容量を変化させてもよい。
そして、前記実施例においては、１つの予備電離モジュ
ールを構成する予備電離用コンデンサが２つである場合
について説明したが、予備電離用コンデンサは３つ以上
であってもよい。

【００２８】図４は、他の実施例を示したものである。
この図４に示した実施例は、ピーキングコンデンサ１２
に並列接続した予備電離モジュール４０の予備電離用コ
ンデンサＣ₂が貫通コンデンサ５０によって構成してあ
る。この貫通コンデンサ５０は、図５に示したように、
貫通端子５２の周囲にＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂などのセラ
ミックからなる誘電体５４が設けてあり、この誘電体５
４の外周面に円筒状のスリーブ端子５６が装着してあ
る。また、貫通端子５２とスリーブ端子５６とには、ス
パークギャップ１６を形成している予備電離電極５８、
５９が取り付けてある。予備電離電極５８、５９は、対
向して配置され、予備電離電極５９がアーム６０を介し
てスリーブ端子５６に電気的に接続してある。

【００２９】このように構成した図４の実施例において
は、貫通コンデンサ５０の貫通端子５２とスリーブ端子
５６とに予備電離電極５８、５９を取り付けたことによ
り、予備電離のタイミングとレーザチャンバ内に配設す
べき予備電離電極５８、５９への給電とを兼ねさせるこ
とができ、回路、構造の簡素化が図れる。また、貫通コ
ンデンサ５０の容量値をコンデンサＣ₁の容量値の５％
以上であれば、前記実施例と同様に、スパークギャップ
１６による予備電離の開始時期の遅延効果を期待するこ
とができる。

【００３０】図６は、さらに他の実施例を示したもの
で、１つの貫通コンデンサ５０に複数対の予備電離電極
を取り付けたものである。すなわち、貫通コンデンサ５
０の貫通端子５２には、所定の間隔を隔てて予備電離電
極５８ａ、５８ｂが電極固定板６２を介して取り付けて
ある。また、スリーブ端子５６に接続したアーム６０の
先端には、電極固定板６４が取り付けてあり、この電極
固定板６４に、予備電離電極５８ａ、５８ｂと対向した
予備電離電極５９ａ、５９ｂが固定してある。このよう
に１つの貫通コンデンサ５０に複数対の予備電離電極を
取り付けると、コンデンサの数を減少させることがで
き、構造をより簡素にすることができる。

【００３１】図７は、貫通コンデンサ５０の容量を可変
にした実施例の構造を示したものである。本実施例にお
ける貫通コンデンサ５０は、図７（Ａ）に示したよう
に、スリーブ端子５６が複数のリング６６ａ、６６ｂ、
６６ｃ、……からなっている。図７（Ｂ）に図示したよ
うに、各リング６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、……を代表す
るリング６６は、軸方向に沿ってスリット６８が形成し
てあり、誘電体５４への着脱が容易に行えるようにして
ある。このような構成をとることにより、貫通コンデン
サ５０の容量を容易に調整することができる。

【００３２】図８は、予備電離電極の配置例を示したも
のである。この実施例においては、主放電電極１０の長
手方向の両側に配置した予備電離電極５８、５９が、主
放電電極１０の両側において交互に、すなわち千鳥状を
なすように配列してある。予備電離電極５８、５９をこ
のように配置することにより、主放電電極１０の長手方
向と幅方向とにおける主放電開始時の初期電子密度のば
らつきを小さくすることができる。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、ピーキングコンデンサに並列接続した予備電離モジ
ュールを、直列接続した複数の予備電離用コンデンサ
と、これらコンデンサの一部に並列接続した予備電離電
極とから構成したことにより、予備電離電極による予備
電離の開始時期を遅らせ、主放電開始時期との間隔を小
さくできることにより、主放電開始時の初期電子密度が
大きくなって、レーザ出力の悪化を改善できる。さら
に、放電が安定して出力の変動も小さくでき、レーザ装
置の出力特性を向上することができる。

【００３４】そして、予備電離モジュール内の予備電離
用コンデンサの少なくとも１つを可変容量型にすると、
予備電離電極の消耗に伴う予備電離のタイミングと主放
電のタイミングとがずれたときに、可変容量コンデンサ
の容量を調節することにより、レーザチャンバを分解す
ることなく両者のタイミングを合わせることができ、メ
ンテナンス間隔を長くして装置の稼働率を向上できる。

【００３５】また、予備電離モジュールの予備電離用コ
ンデンサの１つを貫通コンデンサにし、このコンデンサ
の貫通端子とスリーブ端子とに予備電離電極を取り付け
ると、構造を簡素化することができる。そして、主放電
電極の両側に配置した予備電離電極を、両側で交互に、
すなわち千鳥状に配置すると、主放電領域に発生させる
初期電子密度を比較的均一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るレーザ装置用放電回路の
回路図である。

【図２】本発明の原理の説明図である。

【図３】コンデンサの容量値を変えることにより、予備
電離の開始時期が変化する様子を示す図である。

【図４】貫通コンデンサを用いた実施例の回路図であ
る。

【図５】実施例に係る貫通コンデンサの詳細説明図であ
る。

【図６】貫通コンデンサに複数対の予備電離電極を取り
付けた実施例の説明図である。

【図７】可変容量型の貫通コンデンサの説明図である。

【図８】実施例に係る予備電離電極の配置状態を示す図
である。

【図９】従来のレーザ装置用放電回路の回路図である。

【符号の説明】

１０主放電電極５０貫通コ
ンデンサ１２ピーキングコンデンサ５２貫通端
子１６スパークギャップ５６スリー
ブ端子２０充電コイル５８，５９
予備電離電極２２充電コンデンサ３０サイラトロン４０ａ〜４０ｎ予備電離モジュールＣ₁、Ｃ₂ 予備電離用コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主放電電極にピーキングコンデンサが並
列接続してあるレーザ装置用放電回路において、直列接
続した複数の予備電離用コンデンサと、これらの予備電
離用コンデンサの一部と並列に接続した予備電離電極と
を有する予備電離モジュールを、前記ピーキングコンデ
ンサに並列接続したことを特徴とするレーザ装置用放電
回路。
【請求項２】前記複数の予備電離用コンデンサの少な
くとも１つは、容量が可変であることを特徴とする請求
項１に記載のレーザ装置用放電回路。
【請求項３】前記複数の予備電離用コンデンサの少な
くとも１つは貫通コンデンサからなり、前記予備電離電
極は、貫通コンデンサの貫通端子とスリーブ端子とに接
続してあることを特徴とする請求項１または２に記載の
レーザ装置用放電回路。
【請求項４】前記予備電離モジュールの複数を前記ピ
ーキングコンデンサに並列接続したことを特徴とする請
求項１ないし３のいずれか１に記載のレーザ装置用放電
回路。
【請求項５】前記予備電離電極は、前記主放電電極の
両側に千鳥状に配置したことを特徴とする請求項４に記
載のレーザ装置用放電回路。