JP2017212061A - レーザ駆動ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】イオン性媒体が封入されたプラズマ容器内にパルスレーザ光を集光照射して予備放電を生成し、該予備放電によって生成されたプラズマにＣＷレーザ光を集光照射することによってプラズマ容器内にプラズマを生成・維持するレーザ駆動ランプにおいて、パルスレーザ光によって生成されたプラズマ（火種）をＣＷレーザ光によって生成・維持する際に、前記パルスレーザ光によって該火種が消滅することのないようにした構造を提供しようとするものである。【解決手段】前記プラズマ容器内でのパルスレーザ光の焦点位置と、ＣＷレーザ光の焦点位置とを離隔して、パルスレーザ光がＣＷレーザ光の焦点位置にあるプラズマに当たらないようにしたことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ駆動ランプに関するものであり、特に、プラズマ容器内にパルスレーザ光とＣＷレーザ光を集光照射してプラズマを生成するレーザ駆動ランプ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を使用されている。紫外線光源として用いられているのは、水銀蒸気或いは希ガスを封入したガラスプラズマ容器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、ガラスプラズマ容器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プラズマ容器の内壁面に付着し、ガラスプラズマ容器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、特表２００９−５３２８２９号公報（特許文献１）には、チャンバ（プラズマ容器）内にイオン性媒体を封入し、該イオン性媒体を点火源によってイオン化し、該イオン化媒体に対して連続波（ＣＷ）レーザを照射して、実質的に連続したエネルギーを供給することにより高輝度光を生成する光源が提案されている（請求項１７、３０）。
そして、イオン性媒体をイオン化するための点火源として、パルスレーザ光を用いることも開示されている（請求項２０、４３）。
この光源は、点火源によってチャンバ内で放電を発生させてイオン性媒体に点火し、次いで、イオン化媒体に実質的に連続したエネルギーを供給して高輝度光を発生するプラズマを維持または生成するものであって、プラズマの温度は、放射および他のプロセスによってバランスされるまで上昇し、１００００Ｋ〜２００００Ｋという極めて高温になる。高温のプラズマから放射される短波長の紫外線エネルギーは極めて高いものである。

しかしながら、該特許文献１においては、イオン性媒体をイオン化するための点火源としてのパルスレーザと、イオン化媒体に対して実質的に連続したエネルギーを供給するための連続波レーザとの具体的な構成、とりわけ、パルスレーザの焦点位置、及び、連続波レーザの焦点位置の関係については格別考慮されているわけではなく、図示されているわけでもない。しかして、当該従来技術における他の実施例等を参酌して、その記載から想定される構成を示すと以下のようになるものと思われる。
図９に示すように、レーザ駆動ランプ５０においては、イオン性媒体が封入されたチャンバ（プラズマ容器）５２に、該チャンバ５２内で集光するパルスレーザ光５３を照射し、該パルスレーザ光５３の焦点に生成されたプラズマ（火種）５５に対して、同様にチャンバ５２内で前記パルスレーザ光５３の焦点と同じ点に集光する連続状のレーザ光（ＣＷレーザ光）５４を照射するというものである。

しかしながら、このように、点火源に用いるパルスレーザの焦点位置と、イオン化媒体にエネルギーを供給する連続波レーザの焦点位置とが一致する構成とする場合には、パルスレーザによって一旦生成したプラズマが消滅してしまうという問題があることが判明した。このプラズマが消滅するという現象について、図１０および図１１を用いて以下に説明する。

図１０に示すように、プラズマ容器５２内のイオン性媒体をイオン化するためのパルスレーザ光５３と、該イオン化媒体のプラズマ５５に照射される連続波レーザ光（以下、ＣＷレーザ光という）５４とは重畳して照射される。
つまり、期間ｔ１において、図１１（Ａ）に示すように、パルスレーザ光５３の予備放電によってイオン化媒体のプラズマ（火種）５５を生成し、このプラズマ５５に対してＣＷレーザ光５４を照射して該プラズマ５５を維持・生成しようとするものである。
ところが、続く期間ｔ２においても、上記パルスレーザ光５３による予備放電により生成され、ＣＷレーザ光５４によって生成・維持しようとするプラズマ５５は、パルスレーザ光５３にも晒されることになる。

図１１（Ｂ）に示すように、該パルスレーザ光５３に晒されるプラズマ５５は、該パルスレーザ光５３によって急激に加熱膨張し、プラズマ５５内の荷電粒子が四方八方に飛散してプラズマが消滅されてしまう。この荷電粒子が消失した空間にＣＷレーザ光５４は印加され続けるが、荷電粒子が消失した状態とは予備電離のない状態と同じであるので、プラズマが生成されることはない。
即ち、パルスレーザ光５３による予備放電によって生成したプラズマ５５をＣＷレーザ光５４によって維持していこうとしても、同時に照射されるパルスレーザ光５３によって該プラズマ５５が消滅してしまうという問題がある。

このように、パルスレーザ光は、その焦点付近の空間を急激に加熱膨張させてあたかも爆発のような現象を引き起こすことができるので、プラズマ容器内にイオン性媒体の予備放電を形成することに関しては有益である。しかしながら、一方では、ＣＷレーザの焦点位置とパルスレーザの焦点位置とが一致していると、該パルスレーザにより生成しＣＷレーザ光によってせっかく生成・維持されたプラズマが、今度は当該パルスレーザ光によって消滅してしまうという二律背反的な問題がある。

上記した問題は、パルスレーザ光の照射時期とＣＷレーザ光の照射時期をずらすことによって解決は図れるものと考えられる。
しかしながら、パルスレーザ光による予備放電によって生成されるプラズマ（火種）は極めてその寿命が短く、パルスレーザ光の照射を停止した後にＣＷレーザ光を照射しても、その時点ではプラズマ（火種）は消滅していて、該プラズマの維持・生成はできず、どうしても一定期間はパルスレーザ光とＣＷレーザ光とを同時的に照射する必要があるので、根本的な解決とはなりえない。

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、イオン性媒体が封入されたプラズマ容器内にパルスレーザ光を集光照射して予備放電を生成し、該予備放電によって生成されたプラズマにＣＷレーザ光を集光照射することによってプラズマ容器内にプラズマを生成・維持するレーザ駆動ランプにおいて、ＣＷレーザ光によって生成・維持されたプラズマがパルスレーザ光によって消滅することがないようにした構造を提供しようとするものである。

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ランプは、プラズマ容器内での前記パルスレーザ光の焦点位置とＣＷレーザ光の焦点位置が離隔し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ＣＷレーザ光の焦点位置が前記プラズマ容器のほぼ中心点に位置し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、該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おり、前記ＣＷレーザ光の焦点位置が、前記本体の凹面反射面の焦点位置にあることを特徴とする。
また、前記パルスレーザ光の焦点位置が前記ＣＷレーザ光の光軸上に位置することを特徴とする。

本発明によれば、パルスレーザ光の予備放電により生成されたプラズマが、ＣＷレーザ光によって、パルスレーザ光の焦点位置とは離隔した位置のＣＷレーザ光の焦点位置に移動して、当該焦点位置に存続するので、このＣＷレーザ光によって生成・維持しようとするプラズマが、パルスレーザ光によって消滅されることがなく、安定的にプラズマが維持されるという効果を奏するものである。

また、プラズマ容器を管球形状として、ＣＷレーザ光の焦点位置をプラズマ容器のほぼ中心点に位置させたので、高温のプラズマがプラズマ容器中心で存続するため、管壁への偏った熱的影響を防止できる。
また、プラズマ容器を、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、該本体の前方開口に設けられた出射窓とから構成することで、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、紫外線ひずみが生じることのないプラズマ容器を提供することができる。
また、凹面反射面とＣＷレーザ光の焦点が一致していることで、ＣＷレーザ光により維持されるプラズマから発生する励起光を、集光光や平行光としてプラズマ容器から外部に出射させることができる。
また、パルスレーザ光の焦点位置を、ＣＷレーザ光の光軸上に位置するようにすれば、パルスレーザ光によって生成されたプラズマがＣＷレーザ光の焦点位置に移行しやすいという効果がある。
更には、ダイクロイックミラーを用いてＣＷレーザ光とパルスレーザ光を同軸で同方向から入射させることで、プラズマ容器本体に設けられたレーザ光入射のための開口を１ヶ所にすることができ、ＣＷレーザ光とパルスレーザ光用の入射開口をそれぞれに設ける場合と比較して凹面反射面の面積を拡張することができるため、外部に出射される励起光の光量を増加させることができる。

本発明の第１の実施例に係るレーザ駆動ランプの説明図。 本発明の第２の実施例の説明図。 本発明の第３の実施例の説明図。 本発明のレーザ駆動ランプのプラズマの挙動説明図。 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。 従来技術から想定されるレーザ駆動ランプの説明図。 パルスレーザとＣＷレーザの照射チャート。 従来のレーザ駆動ランプのプラズマの挙動説明図。

図１に本発明の第１の実施例のレーザ駆動ランプ１が示されていて、プラズマ容器２内には希ガス、水銀等のイオン性の発光媒体が封入されている。このプラズマ容器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。
このプラズマ容器２には、図示しないパルスレーザ源からパルスレーザ光３が該プラズマ容器２内で焦点３ａに集光するように照射されている。
一方で、同様に図示しないＣＷレーザ源からＣＷレーザ光４が、プラズマ容器２内に集光照射されていて、該ＣＷレーザ光４の焦点４ａは、前記パルスレーザ光３の焦点３ａとは離隔した位置にある。
そして、この実施例では、前記パルスレーザ光３の焦点３ａはＣＷレーザ光４の焦点４ａに対して、該ＣＷレーザ光４の光軸５上の前方側（ＣＷレーザ光の進行方向の手前側）に位置しており、また、前記ＣＷレーザ光４の焦点４ａは前記プラズマ容器２のほぼ中心点に位置している。

図２に他の実施例が示されており、この例ではパルスレーザ光３の焦点３ａは、ＣＷレーザ光４の焦点４ａに対して光軸５上の後方側（ＣＷレーザ光の進行方向の先方側）に位置していて、その他の構成については上記図１の実施例と同様である。

図３に更に他の実施例が示されていて、この例では、パルスレーザ光３の焦点３ａがＣＷレーザ光４の光軸５上にはなく、光軸５とは所定距離だけ離れた位置にある。

上記構成において、図４（Ａ）に示すように、パルスレーザ光３がプラズマ容器２内に集光照射されると、該プラズマ容器２内の焦点３ａの付近に予備放電が生成され、火種７が生成される。そして、この状態でＣＷレーザ光４が前記火種７の近傍に集光照射されると、図４（Ｂ）に示すように、前記火種７が該ＣＷレーザ光４の焦点４ａに移動し、該ＣＷレーザ光４の照射によりプラズマ８が生成され、その後、パルスレーザ光３の照射を停止するとともに、ＣＷレーザ光４を継続的に照射することにより該プラズマ８は維持される。
なお、図１〜３の実施例は、パルスレーザ光とＣＷレーザ光が直交して入射するものであるが、その角度は任意のものであってよい。

図５〜８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５は第４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。前記本体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。これら凹面反射面１１を有する本体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おり、この密閉空間内に発光元素が封入されていて、プラズマ容器２が構成されている。

上記構成のプラズマ容器２に対して、パルスレーザ光３とＣＷレーザ光４は、共に当該プラズマ容器２内で集光するが、その焦点３ａと焦点４ａとは離隔した位置にある。ただし、ＣＷレーザ光４の焦点４ａは、プラズマ容器２の凹面反射面１１の焦点位置と一致している。そして、この実施例では、パルスレーザ光３の焦点３ａは、ＣＷレーザ光４の光軸５上においてその焦点４ａから前方側（ＣＷレーザ光の進行方向の手前側）に離隔している。
このような配置を実現する構成の一例が図５に示されていて、ＣＷレーザ光４の光路中にダイクロイックミラー２０が配置されている。このダイクロイックミラー２０は、ＣＷレーザ光４は透過して、パルスレーザ光３は反射するものである。

ＣＷレーザ光４は、集光レンズ１７によって集光されつつ、ダイクロイックミラー２０を透過してプラズマ容器２の入射窓１２から入射し、凹面反射面１１の焦点位置Ｆに集光する。つまり、ＣＷレーザ光４の焦点４ａは、凹面反射面１１の焦点Ｆと一致している。
一方、パルスレーザ光３は、集光レンズ１８によって集光されつつ、ダイクロイックミラー２０に対して、図５の下方から照射され、これにより反射されて光路を変えて入射窓１２からプラズマ容器２内に入射する。
このパルスレーザ光３の焦点位置３ａは、上記したように、ＣＷレーザ光４の光軸５上においてその焦点４ａの前方側に離隔している。
プラズマ容器２内でＣＷレーザ光４により生成・維持されるプラズマによって励起された励起光ＥＬは、凹面反射面１１によって反射されて出射窓１３を介して外部に出射される。

図６に更に他の第５の実施例が示されていて、この例では、ＣＷレーザ光はプラズマ容器の後方から入射し、パルスレーザ光は前方から入射する例である。
つまり、ＣＷレーザ光４が、プラズマ容器２の入射窓１２を介して入射するが、このＣＷレーザ光４の焦点４ａは、凹面反射面１１の焦点Ｆ位置に一致するように配置されていて、ＣＷレーザ光４は、凹面反射面１１の焦点Ｆ位置に集光する。
そして、プラズマ容器２の前方（出射側）には、ダイクロイックミラー２０が配置されていて、このダイクロイックミラー２０は、パルスレーザ光３を反射し、プラズマ容器２からの励起光ＥＬを透過するものである。

パルスレーザ光３は、集光レンズ１８によって集光されつつ、ダイクロイックミラー２０に対して、図６の上方から照射され、このダイクロイックミラー２０で反射されて光路を変更し、プラズマ容器２の出射窓１３から入射し、内部で集光する。このパルスレーザ光３の焦点３ａは、ＣＷレーザ光４の光軸５上において、ＣＷレーザ光４の焦点４ａ（凹面反射面１１の焦点Ｆ）に対して後方側（ＣＷレーザ光の進行方向の先方側）に離隔している。
そして、ＣＷレーザ光４により生成・維持されるプラズマによって励起された励起光ＥＬは、凹面反射面１１によって反射されて出射窓１３を介して出射され、ダイクロイックミラー２０を透過して外部に出射される。

図７、図８には、ＣＷレーザ光４がプラズマ容器２の前方から入射し、パルスレーザ光３が後方から入射する例が示されている。
図７に示す第６の実施例においては、プラズマ容器２の前方に、ＣＷレーザ光４を反射し、励起光ＥＬを透過するダイクロイックミラー２０が配置されている。
パルスレーザ光３は、プラズマ容器２の入射窓１２から入射して、焦点３ａに集光する。この焦点３ａは、プラズマ容器２の凹面反射面１１の焦点Ｆとは異なる位置にある。
一方、ＣＷレーザ光４は、集光レンズ１７によって集光されつつ、ダイクロイックミラー２０に照射されて、ここで反射され、光路を変更してプラズマ容器２の出射窓１３からプラズマ容器２内に入射する。このとき、ＣＷレーザ光４の焦点４ａは、凹面反射面１１の焦点Ｆ位置に一致するように配置されていて、ＣＷレーザ光４は、凹面反射面１１の焦点Ｆ位置に集光する。
そして、ＣＷレーザ光４により生成・維持されるプラズマによって励起された励起光ＥＬは、凹面反射面１１によって反射されて出射窓１３を介して出射され、ダイクロイックミラー２０を透過して外部に出射される。

図７の実施例はＣＷレーザ光４が集光されつつプラズマ容器２に入射するものであるのに対して、図８の第７の実施例では、ＣＷレーザ光４は集光されることなく平行光としてプラズマ容器２に入射する例である。
ダイクロイックミラー２０によって反射されて平行光としてプラズマ容器２に入射したＣＷレーザ光４は、凹面反射面１１によって反射されて、その焦点Ｆに集光する。つまり、この場合も、ＣＷレーザ光４の焦点４ａと凹面反射面１１の焦点Ｆとは一致していることになる。
その他の構成については上記図６の第５の実施例と同様である。
この実施例によれば、ＣＷレーザ光４を集光する集光レンズ１７を省略することができるという利点がある。

上記のように、本発明においては、プラズマ容器内でのパルスレーザ光の焦点位置とＣＷレーザ光の焦点位置が離隔しているので、パルスレーザ光の焦点近傍に生成される予備電離に伴うプラズマの火種が、ＣＷレーザ光の焦点位置に移動してプラズマを生成するため、パルスレーザ光がこのプラズマに当たることがなく、せっかく生成されたプラズマがパルスレーザ光によって消滅させられるようなことがなく、安定的にプラズマを生成・維持することができる。

１ レーザ駆動ランプ
２ プラズマ容器
３ パルスレーザ光
３ａ パルスレーザ光の焦点
４ ＣＷレーザ光
４ａ ＣＷレーザ光の焦点
５ ＣＷレーザ光の光軸
７ プラズマ（火種）
８ プラズマ
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
１７ （ＣＷレーザ光の）集光レンズ
１８ （パルスレーザ光の）集光レンズ
２０ ダイクロイックミラー
Ｆ 凹面反射面の焦点
ＥＬ 励起光

Claims (4)

1. イオン性媒体が封入されたプラズマ容器内にパルスレーザ光を集光照射して予備放電を生成し、該予備放電によって生成されたプラズマにＣＷレーザ光を集光照射することによってプラズマ容器内にプラズマを生成・維持するレーザ駆動ランプにおいて、
   前記パルスレーザ光の焦点位置と前記ＣＷレーザ光の焦点位置が離隔していることを特徴とするレーザ駆動ランプ。
2. 前記プラズマ容器は、管球形状であって、前記ＣＷレーザ光の焦点位置が前記プラズマ容器のほぼ中心点に位置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ランプ。
3. 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、該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おり、
   前記ＣＷレーザ光の焦点位置が、前記本体の凹面反射面の焦点位置にあることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動ランプ。
4. 前記パルスレーザ光の焦点位置が前記ＣＷレーザ光の光軸上に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ駆動ランプ。
   
   
   

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