JP2017216125A - レーザ駆動ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】放電媒体が封入されたプラズマ容器と、該プラズマ容器内に互いに対向して配置され、前記放電媒体中で予備放電を生成させる一対の電極とを備え、レーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動ランプにおいて、該電極からの電極物質や含有物質の蒸発を抑制することによって該電極の消耗を防止するとともに、プラズマ容器の透過率や反射率の低下を抑制して長寿命化を図ることができる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レーザ光線の焦点を、電極間の中心位置から離間したことにより、レーザ光によってプラズマ容器内で発生するプラズマの熱的な影響を電極に及ぼさ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、内部に一対の電極を有するプラズマ容器内にレーザ光を照射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６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）２１と、該チャンバ２１内のイオン性媒体をイオン化するための点火源である一対の電極３２、３３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２４とを備えるレーザ駆動光源２０が開示されている。
該レーザ源２４は、光ファイバ２６を介してレーザ光２５を出力するダイオードレーザである。該光ファイバ２６は、レーザ光２５を実質的に互いに平行にするためのコリメータ２７にレーザ光２５を供給する。次いで、コリメータ２７はビームエキスパンダ２８にレーザ光２５を向ける。ビームエキスパンダ２８は、レーザ光のサイズを拡大してレーザ光を生成する。また、ビームエキスパンダ２８は、光学レンズ２９にレーザ光を向ける。光学レンズ２９は、チャンバ２１のうちのプラズマ３０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２５を集光する。

このレーザ駆動光源２０は、アノード３２およびカソード３３からなる点火源によってチャンバ２３内で放電を発生させてイオン性媒体をイオン化し、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３１を発生するプラズマ３０を維持または生成するものである。
しかして、このレーザ駆動光源２０では、プラズマの温度が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り、高温プラズマから放射される短波長の紫外線エネルギーが増加するものである。

しかしながら、図６に示すレーザ駆動光源２０では、上記優位性とともに、極めて高温のプラズマによる熱の輻射、伝導および対流によってチャンバ２１内に配置された電極３２、３３が高温になり、電極構成材料であるタングステンや、電子放射性物質（エミッター）が電極から蒸発するおそれがあった。これら電極からの蒸発物は、チャンバ（管球）２１の内壁に付着してこれを変色させ、チャンバの透過率を低下させる原因となるという問題点も有している。
その原因は、当該レーザ駆動光源２０においては、アノード３２およびカソード３３の間のほぼ中心位置にプラズマ３０が生成されており、このプラズマ３０がアノード３２およびカソード３３にあまりにも近い位置に生成されていて、該プラズマ３０の高温によって電極３２、３３が過度に加熱され、蒸発が発生していることにある。

上記した問題は、電極間距離を広くすればある程度の解決は図れるものと考えられる。つまり、電極間距離を広げると、プラズマから両電極までの距離が長くなるので、該電極の温度が下がり、電極およびこれに含まれる電子放射性物質の蒸発を抑制することができるからである。
しかしながら、電極間距離を広げると、電極間に予備放電を生成するために必要な電圧が高くなるので実用的とはいえない。例えば、電極間距離が２ｍｍの場合は、予備放電を生成するために必要とされる印加電圧は１０ｋＶ以上であるが、この電極間距離を３ｍｍ、４ｍｍに広げると予備放電の生成に必要な印加電圧は２０ｋＶ以上になってしまう。このように印加電圧を増やすことは、電源回路を大型化し、配線にも耐電圧製に優れる太いケーブルを使用しなければならないため、好ましいものではない。

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、放電媒体が封入されたプラズマ容器と、プラズマ容器内に互いに対向して配置され、前記放電媒体中で予備放電を生成させる一対の電極とを備え、レーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動ランプにおいて、前記電極からの電極物質や含有物質の蒸発を抑制することによって該電極の消耗を防止するとともに、プラズマ容器の透過率の低下を抑制して長寿命化を図ることができる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レーザ光線の焦点を、電極間の中心位置から離間したことにより、レーザ光によってプラズマ容器内で発生するプラズマの熱的な影響を電極に及ぼさないようにしたことを特徴とする。

また、前記電極の中心位置がレーザ光の焦点よりもレーザ光の照射方向で後方に位置することを特徴とする。
また、前記プラズマ容器が管球形状であって、前記レーザ光の焦点が、前記プラズマ容器のほぼ中心点に位置し、前記電極間の中心位置が該プラズマ容器の中心点から離間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、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ことを特徴とする。

本発明によれば、電極間で発生した予備放電によるプラズマが、これとは離間する異なる位置のレーザ光の焦点に移動して存続するので、プラズマが電極から離れ、当該電極への熱的影響を少なくすることができる。それにより、該電極がそれほど高温にはならず、電極からの電極物質や含有物質の蒸発を抑制することができて、電極の消耗を防止するとともに、蒸発物によるプラズマ容器の汚染を防止し、その透過率の低下を抑制できるという効果を奏するものである。

また、電極間の中心位置を、レーザ光の焦点よりもレーザ光の照射方向で後方に位置するようにしたので、焦点を通過し広がったレーザ光が後方に位置する電極に照射されるとしても、該電極にはプラズマ生成によりエネルギーを失ったレーザ光が照射されるだけであるので、該電極へのダメージが少なくて済むという効果もある。
また、プラズマ容器を管球形状として、レーザ光の焦点位置を管球のほぼ中心点に位置させたので、高温のプラズマが管球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、本体部と光入射窓と光出射窓と構成することで、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。

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。 本発明の第４の実施例の説明図。 本発明の第５の実施例の説明図。 従来のレーザ駆動ランプの説明図。

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放電媒体が封入されているとともに、対向する一対の電極３、４が配置されている。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。
そして、前記電極３、４の中心位置５は、管球形状のプラズマ容器２の中心点よりずれた位置に配置されている。
一方、プラズマ容器２に照射されるレーザ光６は、集光レンズなどの適宜手段によって該プラズマ容器２内で集光され、その焦点７はプラズマ容器２のほぼ中心点に位置する。これにより、レーザ光６の焦点７と、電極３、４の中心位置５とは互いに離間した位置関係になっている。

そして、この実施例では、電極３、４の中心位置５は、レーザ光６の焦点７より、該レーザ光の照射方向で後方に位置している。

上記構成において、電極３、４間での予備放電によりプラズマ８が生成されるが、このプラズマ８は、レーザ光６により、その焦点７位置に移動させられる（プラズマ９）。こうして移動させられたプラズマ９はこの焦点位置で継続的に存続し、高輝度光を発生するものである。
電極３、４間で発生したプラズマ８がレーザ光６の焦点位置７に移動した後には、電極３、４間への電力供給を遮断するが、その後もレーザ光６の焦点位置７にあるプラズマ９が消滅することはない。

このような構成とすることにより、プラズマ９は電極３、４から離れて位置するので、電極３、４への熱的な影響は少なくて済む。
また、焦点を通過し広がったレーザ光６が後方に位置する電極３、４に照射されるとしても、該電極３、４にはプラズマ９の生成によりエネルギーを失ったレーザ光６が照射されるだけであるので、該電極３、４へのダメージが少なくて済むものである。

図２に示す第２の実施例では、電極３、４の位置とレーザ光６の焦点７の位置関係が図１のものとは反対になっているものが示されている。
図２において、電極３、４間の中心位置５は、レーザ光６の焦点７に対して、レーザ光６の照射方向で前方に位置している。なお、レーザ光６の焦点７が管球形状のプラズマ容器２のほぼ中心点に位置することは上記図１の実施例と同様である。
この実施例の場合も、当初、電極３、４間で発生したプラズマ８は、レーザ光６の焦点７位置にプラズマ９として移動する。その後は、電極３、４間への電力供給を遮断するが、レーザ光６の焦点位置７にあるプラズマ９が存続し続けることは図１の場合と同様である。

図３に示す第３の実施例では、レーザ光６の照射方向が電極３、４に沿った方向、即ち、プラズマ容器２の管軸方向に沿った方向とされている。そして、その焦点位置５がプラズマ容器（管球）２のほぼ中心点に位置することは上記実施例と同様である。
この実施例の場合にも、電極３、４間で発生したプラズマ８はレーザ光６の焦点７位置に移動し、また、その後に電極３、４間への電力供給を遮断してもレーザ光６の焦点位置７にあるプラズマ９が存続し続けることは同様である。
なお、この実施例では、レーザ光６を電極３、４に沿った管軸方向に照射するものとしたが、同図において、紙面に垂直な方向で照射するものであってもよく、更には、管軸方向に沿った平面内で任意の角度方向であってもよい。

図４、５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４において、図４（Ａ）は断面図であり、図４（Ｂ）はその側面図であって、プラズマ容器２は、凹面反射面１０ａを有する本体１０と、この本体１０の後方開口に設けられた入射窓１１と、前記本体１０の前方開口に設けられた出射窓１２とからなり、これらの本体１０と入射窓１１と出射窓１２とにより密閉空間が形成されていて、この密閉空間内に放電媒体が封入されている。
そして、前記本体１０には一対の電極３、４が対向配置されているとともに、その一対の電極３、４間の中心位置５は、入射窓６を介して入射してくるレーザ光６の焦点７とはずれた位置に配置されている。この実施例では、電極間中心位置５は、レーザ光６の焦点位置７よりも、レーザ光６の照射方向で後方に位置している。

図５に示す第５の実施例おいては、プラズマ容器２の本体１０は、円柱形状をなし、その内面に凹面反射面１０ａが形成されている。そして、本体１０の後方開口に対応した入射窓１１は、金属製の窓枠部材１３に装着されていて、この窓枠部材１３が、金属筒体１４によって本体１０に取り付けられている。
この例でも、本体１０と、窓枠部材１３を含めて入射窓１１と、出射窓１２とによって密閉空間を形成してプラズマ容器２を構成している。
そして、この第５の実施例の場合、電極間中心位置５は、レーザ光６の焦点位置７よりも、レーザ光６の照射方向で前方（手前側）に位置している。

図４、５に示す第４、第５の実施例においても、電極３、４間に発生したプラズマ８が、レーザ光６の焦点７位置にプラズマ９として移動し、その後は、電極３、４間への電力供給を遮断しても、レーザ光６の焦点位置７にあるプラズマ９が存続し続けることは図１〜３に示す各実施例の場合と同様である。
また、プラズマ９からの光は、凹面反射面１０ａによって反射されて、前面の光出射窓１２から外部に出射されていく。このとき、平行光として出射するか、集光光として出射するかは、用途との兼ね合いで適宜に決定される。

上記構成において、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、光入射窓１１はレーザ光透過性であり、光出射窓１２は紫外光透過性であって、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１４をロウ付けにより接合し、この金属筒体１４に金属製の窓枠部材１３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１４を溶接接合し、これに金属製の窓枠部材１３を溶接接合すればよい。

なお、これら第４の実施例および第５の実施例においては、電極からの電極物質や含有物質の蒸発による弊害としては、凹面反射面１０ａへの堆積による反射率の低下や、透過窓である入射窓１１や出射窓１２の汚染による透過率の低下がある。
これらの実施例においても、レーザ焦点位置と電極間中心位置をずらせて離間することで、電極の消耗を防止するとともに、電極からの蒸発物によるプラズマ容器の汚染を防止し、その反射率や透過率の低下を抑制できるという効果を奏するものである。

上記のように、この発明のレーザ駆動ランプでは、電極間の中心位置と、プラズマ容器内に照射されるレーザ光の焦点位置とが離間するようにしたことにより、当初電極間で生成されるプラズマがレーザ光の焦点位置に移動し、その後、該レーザ光により前記焦点位置でプラズマが生成・維持されるので、電極に対するプラズマの高温の影響が少なくなり、該電極の蒸発による損耗やプラズマ容器内壁への蒸発物の付着が減少して長寿命化が図られるものである。

また、電極の中心位置がレーザ光の焦点よりもレーザ光の照射方向で後方に位置するようにしたので、電極にはプラズマ生成でエネルギーを失ったレーザ光が当たるので、該電極へのダメージが少なくて済むという効果もある。
また、プラズマ容器を管球形状とした場合、レーザ光の焦点位置を管球のほぼ中心点に位置させることにより、プラズマも管球の中心位置に維持されて、管壁への偏った熱的影響がない。
また、プラズマ容器を、凹面反射面を有する本体と、その後方開口に設けられた入射窓と、前方開口に設けられた出射窓とから構成することで、プラズマ容器構成材料として、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、プラズマ発生容器に紫外線ひずみが生じることがなく、より高出力で長寿命のレーザ駆動ランプを実現することができる。

１ レーザ駆動ランプ
２ プラズマ容器
３、４ 電極
５ 電極間中心位置
６ レーザ光
７ レーザ光の焦点
８ 電極間のプラズマ
９ レーザ光の焦点位置のプラズマ
１０ 本体
１０ａ 凹面反射面
１１ 光入射窓
１２ 光出射窓
１３ 窓枠部材
１４ 金属筒体

Claims (4)

1. 放電媒体が封入されたプラズマ容器と、該プラズマ容器内に互いに対向して配置され、前記放電媒体中で予備放電を生成させる一対の電極とを備え、レーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動ランプにおいて、
   前記レーザ光の焦点が、前記一対の電極間の中心位置から離間していることを特徴とするレーザ駆動ランプ。
2. 前記電極の中心位置が、前記レーザ光の焦点よりもレーザ光の照射方向で後方に位置す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管球形状であって、前記レーザ光の焦点が、前記プラズマ容器のほぼ中心点に位置し、前記電極間の中心位置が該プラズマ容器の中心点から離間していることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ駆動ランプ。
4. 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ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ駆動ランプ。
   
   
   

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