JPH0864892A

JPH0864892A - 放電励起型レーザ装置における充放電装置

Info

Publication number: JPH0864892A
Application number: JP20227394A
Authority: JP
Inventors: Kazu Mizoguchi; 計溝口; Hiroshi Komori; 浩小森
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1996-03-08
Anticipated expiration: 2019-06-07
Also published as: JP3535576B2

Abstract

(57)【要約】【目的】予備電離電極の消耗を低減して、レーザ光のパ
ワーの低下を防止する。【構成】１次コンデンサＣ1から放電されるパルス電流
がパルストランス２０によって昇圧されて２次コンデン
サＣ2に充電がなされる。このとき２次コンデンサＣ2の
後段に接続された磁気スイッチＳＲは飽和状態で導通状
態となっており、この磁気スイッチＳＲと直列に接続さ
れた予備電離電極６を電流が通過する。２次コンデンサ
へＣ2の電荷の移行が完了した時点より、２次コンデン
サＣ2に逆向きの放電電流が流れようとするが、磁気ス
イッチＳＲはこの逆電流を阻止する作用をなし、予備電
離放電を停止させる。これと同期してパルストランス２
０の磁芯は飽和して、２次コンデンサＣ2からピーキン
グコンデンサＣ4への電荷の移行が開始される。そして
ピーキングコンデンサＣ4の電圧が上昇し、放電開始電
圧に達し、レーザ発振がなされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、材料の加工、縮小投影
露光用の光源等に用いられる放電励起型レーザ装置に関
し、特にその充放電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】放電励起型のレーザ装置は、マーキン
グ、穴開け、アニーリングなどの材料加工のほか大規模
集積回路（ＬＳＩ）の回路パターン製作のための光リソ
グラフィー用光源として用いられている。

【０００３】ガスレーザの中でも特にエキシマレーザ
は、強力な紫外光源であり、その特性を生かして材料加
工用として主に樹脂等の有機材料へのマーキング、穴開
けなどに用いられている。また、光リソグラフィーに
は、主に縮小投影法が使われており、照明光源により照
らされた原画（レチクル）パターンの透過光を縮小投影
光学系により半導体基板上の光感光性物質に投影して回
路パターンを形成する。

【０００４】この投影像の分解能は、用いられる光源の
波長で制限されるため、光源の波長は、可視領域から紫
外領域へと次第に短波長化している。従来、この紫外領
域の光源として高圧水銀ランプから発生するｇ線（４３
６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）が使用されてきた。しか
しながら、最小パターン線幅が６４ＭＢで要求される
０．３５μｍ以下となると、ｉ線でもすでに波長として
はそろそろ限界にきている。

【０００５】この技術的限界を解決するものとして深紫
外（ＤｅｅｐＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）のレーザ光
源が有望視されている。特にエキシマレーザは高出力、
高効率で媒質ガスの組成によりＫrＦ（２４８ｎｍ）、
ＡrＦ（１９３ｎｍ）などの波長で強い発振を得ること
ができる。一方、このＤｅｅｐ―ＵＶ領域では、縮小投
影レンズ系を構成するガラス、結晶材料が非常に制約さ
れるため水銀ランプを用いた縮小投影レンズ系で用いら
れてきた色収差補正が困難となる。

【０００６】そこで、レンズ系を色収差補正するのでは
なく、レーザ共振器内に波長選択素子を配設し、出力光
のスペクトル幅をレンズ材の色収差が無視できる程度ま
で小さくすることで、その困難さを除去している。この
方法で、自然発振の場合にスペクトル幅で数ｎｍあった
出力光を数ｐｍにまで細く狭帯域化することができる。
さて、このように狭帯域化に適しているエキシマレーザ
装置のレーザの出力（パワー）は、レーザを励起するた
めにコンデンサに蓄積しておいた電気エネルギを放電空
間に投入してレーザ媒質ガス中で放電させることにより
得られる。

【０００７】図１２は、従来のエキシマレーザ装置の構
成を、そして図１３は特にその充放電回路を示してい
る。充放電回路には、一般に自動予備電離型の容量移行
型回路が、構造の簡便さから一般的に使用されている。

【０００８】すなわち、充電器によって蓄積用の１次コ
ンデンサＣ1が所定電圧まで充電され、その後にトリガ
パルス発生器２５から出力されるトリガパルスによって
サイラトロン等放電により通電がなされるスイッチ素子
Ｑが導通され、２次コンデンサ（ピーキングコンデン
サ）Ｃ2への充電（電荷移行）が開始される。この電荷
移行時にその充電電流ｉ1が主電極（レーザチャンバ内
放電電極）５の両側面に配置された数十本の予備電離電
極６に通電される。このとき予備電離放電が発生され、
自動予備電離がなされる。

【０００９】こうした予備電離放電によって発生した紫
外光によって放電空間が照射され、主放電空間に初期電
子を発生させる。そして２次コンデンサＣ2の電圧が放
電開始電圧に達すると、主放電が発生し、レーザ媒質に
反転分布が形成され、レーザ発振が生成される。

【００１０】また、レーザチャンバ４内には、熱交換器
７およびレーザ媒質ガス（以下「レーザガス」という）
を強制対流、冷却させるブロア８が組み込まれており、
数十〜数百Ｈzの高い繰返し周波数での運転を可能とし
ている。また、運転中のレーザ出力を安定化するため
に、レーザ出力を光センサでモニタし、このモニタ結果
に基づいて充電電圧を変化させて、レーザガスの劣化、
ウインドの汚損等に伴う出力低下をきたさないような出
力安定化制御を行っている。

【００１１】従来のレーザ装置に使用されているサイラ
トロンで代表される放電スイッチＱは、電極の蒸発等に
伴う消耗や動作に必要なヒータ等の消耗によって耐久性
が損なわれることがあり、実用化の面で障害がある。

【００１２】すなわち、図１４に示されるように、サイ
ラトロンＱがオフ状態からオン状態へ移行する際の導通
抵抗Ｒ（ターンオン抵抗）が高い時期に大きな電流ｉ1
が流れることで、斜線で示される大きなサイラトロン損
失（オーム損失（ｉ1）2・Ｒ；（ｉ1）2とはｉ1の２乗
を意味する）が発生し、これと同時にサイラトロンＱの
消耗が起こっていると考えられる。

【００１３】そこで、こうしたスイッチング直後の高い
ターンオン抵抗が存在する時期における導通電流を抑制
するために、可飽和リアクトルを磁気スイッチとして使
用した充放電回路を用いるようにしている。この種の技
術は、例えば、日立金属技報ｖｏｌ．８１９９２．１
「ファインメットを用いたパルスパワー用磁気スイッチ
磁芯の動特性」に記載されている。

【００１４】磁気スイッチとして使用される可飽和リア
クトルは、磁性材料の磁束の飽和現象を利用した素子で
あり、層間絶縁したＦe基またはＣｏ基アモルファス巻
磁芯、Ｆe基超微結晶磁性合金（日立金属の商標「ファ
インメット」）を用いた磁芯等が使用されている。

【００１５】ここで、磁気スイッチを用いた回路の代表
的方式である磁気パルス圧縮回路をパルスレーザのパル
ス電源に適用した場合の動作について図１５を用いて説
明する。

【００１６】図１５において、Ｃ1＝Ｃ2＝Ｃ3の条件下
でコンデンサＣ1に蓄積された電荷がすべてＣ2に転送さ
れた時点で磁気スイッチＳＲが飽和するように設計され
た場合に、コンデンサＣ1に蓄積された電荷が最も効率
的にコンデンサＣ3に転送される。この条件が満たされ
るときの主要各部の電圧、電流波形を図１６に示す。

【００１７】主スイッチＱがターンオン後、主コンデン
サＣ1に蓄積されていた電荷がすべてコンデンサＣ2に転
送されるまでの期間をτ1とする。τ1の期間、磁芯の動
作点は図１１のループ上の非飽和領域にあり、時間の経
過と共にａ点からｂ点に向かって移動する。このときの
磁気スイッチＳＲの磁芯の透磁率μrsは非常に高いた
め、出力巻き線ＮのインダクタンスＬSRuはインダクタ
ンスＬ1に比べて十分大きく出力巻き線Ｎにはほとんど
電流は流れない。したがって、磁気スイッチＳＲは、図
１６の斜線部分で示す電圧時間積の間、電流を阻止し次
式が成り立つ。

【００１８】ｖsr：磁芯印加電圧Ｎ：磁気スイッチ巻数Ａe：磁芯有効断面積 ΔＢm：最大動作磁束密度量ここで、ターンオン後の電流パルスの時間幅τ1は次式
で与えられる。

【００１９】 τ1＝π√（Ｌ1Ｃ1Ｃ2／（Ｃ1＋Ｃ2）） …（２）磁芯の動作点が図１１上のループ上のｂ点に達してから
ｃ点を経由してｄ点まで移動するとき磁芯は飽和してお
り、磁芯の透磁率μrsは、真空の透磁率μ0にほぼ等し
い。このときインダクタンスＬSRsはインダクタンスＬ1
より十分小さく、コンデンサＣ2に転送された電荷のほ
とんどが図１６に示すパルス幅τ2でコンデンサＣ3に転
送される。

【００２０】 τ2＝π√（ＬSRsＣ2Ｃ3／（Ｃ2＋Ｃ3）） …（３）転送電流ｉ2の向きが反転すると、磁芯の動作点は図１
１のループ上のｄ点からａ点に向かって移動するが、確
実にａ点に向かって移動する。ここで、τ1とτ2の比を
圧縮利得Ｇcと呼び、以下の関係がある。

【００２１】Ｇc＝τ1／τ2＝Ｉ2m／Ｉ1m …（４）Ｉ1m：ｉ1の波高値Ｉ2m：ｉ2の波高値このように磁気パルス圧縮回路を用いることにより、用
いない場合に比べて主スイッチＱを流れる電流のパルス
幅と波高値をおのおのＧc倍と１／Ｇc倍にすることがで
きる。このため、主スイッチＱのスイッチング損失を低
下させることができ、高出力化や高繰返し化が可能とな
る。また、サイラトロンなどの放電スイッチに比べ最大
順方向抵抗や、ターンオン時間が長い半導体スイッチ素
子を用いることができるようになる。そして磁気スイッ
チは、本質的に消耗部分が存在しないため半導体スイッ
チと組み合わせることによりメンテナンス不要な非常に
耐久性の高いパルス電源を実現できる。

【００２２】さて、エキシマレーザ等のガスレーザの場
合には、運転の経過とともにレーザガス中に電極摩耗に
よる不純物ガスが発生したり、成分ガスが消耗したりし
て、光取出し用の窓が汚れ、発振効率が低下し、レーザ
出力が低下する。そこで、従来はこの出力低下を補償し
一定の出力を得るために運転電圧（充電電圧）を増加さ
せて出力の安定化を行うようにしている。

【００２３】しかしながら、磁気圧縮回路を用いた場合
には、運転電圧を増加させると電流阻止時間が短くな
り、圧縮のタイミングがずれてしまい、エネルギー転送
効率が悪化し、レーザ出力が逆に低下してしまう。すな
わち、図１０に示すように最大エネルギー転送効率をη
maxとして、効率がその１／２となる電圧の最大値と最
小値をそれぞれＶmax、Ｖminとすると、この範囲Ｖm
（Ｖmin〜Ｖmax）を越えると、エネルギー効率的にもほ
とんど実用性が無くなってしまう。したがって、最適の
運転電圧範囲Ｖmin〜Ｖmaxというものが存在しており、
この電圧範囲を維持する電圧制御を行うようにしてい
る。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】このように放電励起型
のレーザ装置は、産業用光源として広範に応用されてお
り、充放電回路についても耐久性向上のための種々の改
良がなされている。

【００２５】しかし、上述したように、運転の経過とと
もにレーザガス中に電極摩耗による不純物ガスが発生し
たり、成分ガスが消耗したりして、光取出し用の窓が汚
れ、発振効率が低下し、レーザ出力が低下するといった
問題点は依然として解決されていない。

【００２６】特にアーク放電によって紫外線を発生さ
せ、主放電領域の予備電離を行うＵＶ予備電離方式で
は、電極表面上のアーク放電足部でのホットスポット発
生による予備電離電極の蒸発が活発におこる。このた
め、部品の耐久性の低下を招くとともにレーザ発振効率
の低下の原因となっている。この予備電離電極における
蒸発量は、電極を通過する電流値に大きく依存する。

【００２７】そこで、特開平３ー２５７９８０号公報に
みられるように、従来の回路では、主放電用コンデンサ
と予備電離放電用コンデンサとを並列に接続し、両者を
分離するとともに、予備電離用のコンデンサ容量をでき
るだけ小さく調整し、電極消耗量を抑えるようにしてい
る。しかし、予備電離コンデンサの容量を過度に小さく
した場合には、主放電に悪影響が及び、レーザ出力が低
下したり、放電が不安定になる等の問題を引き起こす。
すなわち、コンデンサの容量の調整だけで電極の消耗量
を低減させることには、限界があった。

【００２８】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、予備電離電極を通過する電流の値を小さくし
て、電極の耐久性の向上およびレーザ出力低下の防止を
図ることができる充放電装置を提供することを目的とす
るものである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の第１発
明では、電源と、該電源の電圧を予備電離電極および主
放電電極に印加させる主スイッチと、該主スイッチと前
記予備電離電極および前記主放電電極との間に介在され
た複数段のコンデンサを有し、前記主スイッチを作動さ
せることにより、前記電源によって初段コンデンサに蓄
積された電荷を第２段以降のコンデンサに移行させて、
最終段コンデンサの蓄積電荷に応じて前記予備電離電極
間の予備電離放電および前記主放電電極間の主放電を行
わせる充放電装置を具え、前記主放電電極間の主放電に
よってレーザガスを励起し、レーザ光を発振、出力させ
るようにした放電励起型レーザ装置における充放電装置
において、１次側巻線と直列に前記初段コンデンサが接
続されるととともに、２次側巻線と直列に第２段コンデ
ンサが接続され、初段コンデンサから放電されるパルス
電流を昇圧して第２段コンデンサに充電させるパルスト
ランスを設けるとともに、前記第２段コンデンサの後段
に該第２段コンデンサから放電される電流を阻止する磁
気スイッチを接続し、該磁気スイッチと直列に前記予備
電離電極を接続し、前記第２段コンデンサおよび前記２
次側巻線と、前記磁気スイッチおよび前記予備電離電極
と、最終段の第３段コンデンサと、前記主放電電極とを
それぞれ並列に接続するようにしている。

【００３０】また、本発明の第２発明では、同様な構成
の充放電装置において、パルストランスの１次側巻線と
直列に前記初段コンデンサを接続するととともに、前記
パルストランスの２次側巻線を２つの第１および第２の
巻線に分離し、前記第１の巻線と予備電離電極用の第２
段コンデンサとを有した予備電離放電励起回路と、前記
第２の巻線と主放電電極用の第２段コンデンサとを有し
た主放電励起回路とを分離している。

【００３１】

【作用】かかる第１発明の構成によれば、初段コンデン
サから放電されるパルス電流がパルストランスによって
昇圧されて第２段コンデンサに充電がなされる。このと
き第２段コンデンサの後段に接続された磁気スイッチは
飽和状態で導通状態となっており、この磁気スイッチと
直列に接続された予備電離電極を電流が通過する。この
通過電流は、蓄積コンデンサである第２段コンデンサを
パルス充電する際の充電電流であり、ピーク値が小さ
い。

【００３２】第２段コンデンサへの電荷の移行が完了し
た時点より、第２段コンデンサに逆向きの放電電流が流
れようとするが、磁気スイッチはこの逆電流を阻止する
作用をなし、予備電離放電を停止させる。これと同期し
てパルストランスの磁芯は飽和して、第２段コンデンサ
からピーキングコンデンサである最終段の第３段コンデ
ンサへの電荷の移行が開始される。そしてピーキングコ
ンデンサの電圧が上昇し、放電開始電圧に達し、レーザ
発振がなされる。このように予備電離電極を通過する電
流は値が小さく、しかも予備電離放電は、磁気スイッチ
の作用により迅速に終了し主放電へと移行する。よっ
て、予備電離電極の摩耗が低減される。

【００３３】また、上記第２発明の構成によれば、初段
コンデンサから放電されるパルス電流がパルストランス
によって昇圧されて予備電離電極用の第２段コンデンサ
に充電がなされ、この充電電流が予備電離電極を通過す
る。この通過電流は、パルス充電する際の充電電流であ
り、ピーク値が小さい。

【００３４】そして、予備電離放電励起回路と、主放電
励起回路とが分離しており、独立なので、主放電電極の
放電タイミングへ影響を与えることなく、予備電離電極
の放電タイミングを調整することができ、レーザ発振を
安定して行うことができる。このように予備電離電極を
通過する電流は値が小さく、しかも予備電離放電のタイ
ミングを最適に調整できるので、予備電離電極の摩耗が
低減されるとともに、レーザ発振を安定して行わせるこ
とができる。

【００３５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る放電励起
型レーザ装置の充放電装置の実施例について説明する。

【００３６】図１は、実施例におけるレーザ装置の構成
を示している。なお、従来装置と重複する構成要素には
同一符号を付しており、すでに説明した内容についての
重複した説明は省略する。

【００３７】同図に示すように、実施例装置は、大きく
は、主電極５、５間における放電を行わせる充放電回路
１と、レーザガスが供給、充填され、主電極５、５間の
放電によってレーザガスの励起、レーザ光Ｌaの発振が
行われるレーザチャンバ４と、レーザチャンバ４にレー
ザガスを供給し、チャンバ４内からレーザガスを排気す
る給・排気回路２と、後述する図９に示されるように圧
力センサ１３の出力等に基づいて充放電回路１および給
・排気回路２を制御する制御器３とから構成されてい
る。

【００３８】すなわち、希ガスボンベ９には、希ガス
（Ｘe、Ｋr、Ａr等）が充填され、ハロゲンガスボンベ
１０には、ハロゲンガス（Ｆ2、ＨＣｌ等をバッファガ
スによって希釈したガス）が充填され、バッファガスボ
ンベ１１には、バッファガス（Ｈe、Ｎe等）が充填され
ている。これら各ボンベ９、１０、１１とレーザチャン
バ４との間は、各バルブ１４ａ〜１４ｆおよび排気ポン
プ１２を介して配管がなされており、制御器３から各バ
ルブ１４ａ〜１４ｆに対してバルブ開閉信号Ｓ1が出力
されるとともに排気ポンプ１２に対してポンプ駆動信号
Ｓ2が出力されることによって、レーザチャンバ４への
レーザガスの供給およびチャンバ４内からのガス排気が
制御される。

【００３９】圧力センサ１３は、レーザチャンバ４内の
ガス圧Ｐを検出し、その検出出力Ｐを制御器３に入力さ
せる。

【００４０】レーザチャンバ４内でレーザガスが放電励
起され、これによって発光した光が図示されていない共
振器によって共振されることによりレーザ発振が行われ
る。発振レーザ光Ｌａは図示されていない、ウインド
ウ、フロントミラー等を介して出力される。

【００４１】出力されたレーザ光Ｌaは、光出力検出器
１５に入力され、この光出力検出器１５によってレーザ
出力（パワー）Ｅが検出され、該検出出力Ｅが制御器３
に入力される。なお、光出力検出器１５は、たとえばピ
ンフォトダイオードのピーク値をホールドすることによ
りレーザ出力Ｅを検出するものである。さて、光出力検
出器１５としては、光パワーを直接的に検出するもので
もよく、ハロゲンガス濃度、希ガス濃度等光パワーに関
連するパラメータを検出することによって、間接的に光
パワーを検出するものであってもよい。

【００４２】また、光出力検出器１５で光が検出される
毎にこれをカウントするカウンタ（図示せず）が設けら
れている。このカウンタによってレーザ光Ｌaの発振パ
ルス数Ｎがカウントされ、このカウンタの出力Ｎが制御
器３に入力される。

【００４３】充放電回路１は、直流高圧電源１７を駆動
源として主電極５、５間で放電を行わせる。この電源１
７の充電電圧Ｖも図示されていない電圧検出器によって
検出され、制御器３に入力される。

【００４４】制御器３は、光出力検出器１５で検出した
レーザ出力Ｅ、圧力センサ１３で検出したガス圧Ｐ、上
記パルスカウンタで検出したカウント数Ｎおよび上記電
圧検出器で検出した電源１７の充電電圧Ｖに基づいて電
源１７に指令電圧Ｖaを出力し、該電源１７の充電電圧
Ｖが指令した電圧値Ｖaになるように充電電圧の制御を
行う。

【００４５】・充放電回路の第１の構成例図１は充放電回路の第１の構成例を示している。

【００４６】すなわち、充放電回路１は、磁気アシスト
（可飽和リアクトル）１９が付設された主スイッチであ
るＧＴＯサイリスタ１８がオンされることにより動作す
る。制御器３は、充放電回路１を動作させるための駆動
信号Ｓ3を駆動回路１６に送出し、これに応じて駆動回
路１６がオン信号Ｓ4を主スイッチ１８に加えることに
より充放電回路１が動作する。

【００４７】なお、主スイッチ１８は、ＧＴＯサイリス
タを使用しているが、他の半導体スイッチ（例えば通常
のサイリスタ、ＩＧＢＴ）あるいは放電管素子（例えば
サイラトロン、クロサトロン）を使用することができ
る。充放電回路１は、パルストランス（可飽和トラン
ス）２０を有した磁気圧縮回路で構成されており、図３
の等価回路に示すように、パルストランス２０の１次側
巻線２０ａと直列に１次コンデンサＣ1が接続されると
とともに、２次側巻線２０ｂと直列に２次コンデンサＣ
2が接続されている。パルストランス２０は、１次コン
デンサＣ1から放電されるパルス電流を昇圧して２次コ
ンデンサＣ2を充電させる作用をなす。

【００４８】２次コンデンサＣ2の後段には、該２次コ
ンデンサＣ2から放電される電流を阻止する磁気スイッ
チ（可飽和リアクトル）ＳＲが接続されており、この磁
気スイッチＳＲと直列に予備電離電極６が複数配列され
ている。複数の予備電離電極６には、それぞれ安定化用
のインダクタ２１が直列に接続されている。

【００４９】そして、２次コンデンサＣ2および２次側
巻線２０ｂと、磁気スイッチＳＲおよび複数の予備電離
電極６と、ピーキングコンデンサＣ4と、主放電電極５
とがそれぞれ並列に接続されている。

【００５０】直流高圧電源１７によって１次コンデンサ
Ｃ1が充電される。その後、主スイッチ１８がオンさ
れ、主スイッチ１８が導通状態になると、磁気アシスト
１９によって一定時間だけ立ち上がり電流が阻止された
後、１次コンデンサＣ1から放電されるパルス電流がパ
ルストランス２０によって昇圧されて２次コンデンサＣ
2に充電される。このとき、２次コンデンサＣ2の後段に
接続された磁気スイッチＳＲは、飽和状態であり、導通
状態となっており、この磁気スイッチＳＲと直列に接続
された複数の予備電離電極６を電流が通過することで、
充電が行われる。ここで、コンデンサＣ1からコンデン
サＣ2への電荷の移行時間は、１μ〜数μ秒であり、２
次側の充電電流のピーク値は数百Ａである。

【００５１】このように予備電離電極６を通過する電流
は、蓄積コンデンサである２次コンデンサＣ2をパルス
充電する際の充電電流であり、ピーク値は小さいもので
あることがわかる。

【００５２】２次コンデンサＣ2への電荷の移行が完了
した時点より、２次コンデンサＣ2に逆向きの放電電流
が流れようとするが、磁気スイッチＳＲはこの逆電流を
阻止する作用をなし、事実上予備電離電極６を通過する
電流は停止し、予備電離放電は停止することになる。こ
れと同期してパルストランス２０の磁芯は飽和し、実効
的な透磁率は極めて小さくなるため、２次コンデンサＣ
2とピーキングコンデンサＣ4は直結された状態となり、
コンデンサＣ2からコンデンサＣ4への電荷の移行が開始
される。ここで、コンデンサＣ2からコンデンサＣ4への
電荷の移行時間は１００ｎｓ〜数百ｎｓ、ピーク電流は
数ｋＡである。

【００５３】こうした電荷の移行とともに、ピーキング
コンデンサＣ4の電圧が上昇し、やがて主電極５間の電
圧が放電開始電圧に達する。すると、コンデンサＣ4に
蓄積されたエネルギーおよびコンデンサＣ2に残留する
エネルギーが放電空間に注入され（移行時間１０ｎｓ〜
数十ｎｓ、ピーク電流は１０ｋＡ〜数十ｋＡ）、この結
果、放電により形成された反転分布によってレーザの発
振が開始される。

【００５４】このように予備電離電極６を通過する電流
は値が小さく、しかも予備電離放電は、磁気スイッチＳ
Ｒの作用により迅速に終了してしまい主放電に迅速に移
行される。このため複数の予備電離電極６の摩耗が低減
され、レーザガスが不純物によって汚れることがなく、
レーザ出力の低下を防止することができる。

【００５５】なお、この第１の構成例において、パルス
トランス２０を可飽和でないトランスとすることもでき
る。また、インダクタ２１の代わりに可飽和リアクトル
を使用してもよく、省略してもよい。

【００５６】・充放電回路の第２の構成例図２は、充放電回路１の第２の構成例を示しており、図
４はその等価回路を示している。

【００５７】図１の構成と異なる点は、予備電離電極６
と主放電電極５との間に、従来技術で説明した磁気スイ
ッチ（可飽和リアクトル）ＳＲを有した磁気圧縮回路２
２を介在させた点である。この場合、コンデンサＣ4へ
の電荷の移行は、上記第１の構成例と同様に行われ、コ
ンデンサＣ4からピーキングコンデンサであるコンデン
サＣ5への電荷の移行は、電流が磁気圧縮回路２２によ
り磁気パルス圧縮されることにより行われる。

【００５８】・充放電回路の第３の構成例図５は、充放電回路１の第３の構成例を示しており、図
７はその等価回路を示している。

【００５９】上記第１の構成例と異なる点は、パルスト
ランス２０の２次側巻線を２つの第１の巻線２０ｃと第
２の巻線２０ｂに分離し、第１の巻線２０ｃと予備電離
電極用の２次コンデンサＣ2´とを有した予備電離放電
励起回路２４´と、第２の巻線２０ｂと主放電電極用の
２次コンデンサＣ2とを有した主放電励起回路２４とに
分離した点である。

【００６０】つぎに作用について説明する。

【００６１】直流高圧電源１７によって１次コンデンサ
Ｃ1が充電されると、その後、主スイッチ１８がオンさ
れ、主スイッチ１８が導通状態になる。すると、磁気ア
シスト１９によって一定時間だけ立ち上がり電流が阻止
された後、１次コンデンサＣ1から放電されるパルス電
流がパルストランス２０によって昇圧されて主放電電極
用の２次コンデンサＣ2に充電がなされる。

【００６２】これと同時に、予備電離放電励起回路２４
´の２次コンデンサＣ2´が充電され、予備電離放電例
起回路２４´中に接続された磁気スイッチ（可飽和リア
クトル）ＳＲによって一定時間だけ電流が阻止された後
に、複数の予備電離電極６に電流が流れ始め、予備電離
放電が開始される。この充電の速度は、パルストランス
２０の２次側巻線２０ｃに直列接続されたインダクタ２
１´のインダクタンス値により調整され、主放電とのタ
イミングを調整することができる。

【００６３】一方、このとき、主放電励起回路２４の２
次コンデンサＣ2の後段に接続された磁気スイッチＳＲ
は、飽和状態で導通状態となっており、この磁気スイッ
チＳＲを介して充電が行われる。ここで、コンデンサＣ
1からコンデンサＣ2への電荷の移行時間は、１μ〜数μ
秒であり、２次側の充電電流のピーク値は数百Ａであ
る。

【００６４】このように予備電離電極６を通過する電流
は、蓄積コンデンサである予備電離電極用の２次コンデ
ンサＣ2´をパルス充電する際の充電電流であり、ピー
ク値は小さいものであることがわかる。

【００６５】主放電電極用の２次コンデンサＣ2への電
荷の移行が完了した時点より、２次コンデンサＣ2に逆
向きの放電電流が流れようとするが、主放電励起回路２
４中の磁気スイッチＳＲはこの逆電流を阻止する作用を
なす。

【００６６】これと同期してパルストランス２０の磁芯
は飽和し、実効的な透磁率は極めて小さくなるため、２
次コンデンサＣ2とピーキングコンデンサＣ4は直結され
た状態となり、コンデンサＣ2からコンデンサＣ4への電
荷の移行が開始される。ここで、コンデンサＣ2からコ
ンデンサＣ4への電荷の移行時間は１００ｎｓ〜数百ｎ
ｓ、ピーク電流は数ｋＡである。

【００６７】こうした電荷の移行とともに、ピーキング
コンデンサＣ4の電圧が上昇し、やがて主電極５間の電
圧が放電開始電圧に達する。すると、コンデンサＣ4に
蓄積されたエネルギーおよびコンデンサＣ2に残留する
エネルギーが放電空間に注入され（移行時間１０ｎｓ〜
数十ｎｓ、ピーク電流は１０ｋＡ〜数十ｋＡ）、この結
果、放電により形成された反転分布によってレーザの発
振が開始される。

【００６８】このように複数の予備電離電極６を通過す
る電流は値が小さいので、複数の予備電離電極６の摩耗
が低減され、不純物によってレーザガスが汚れることが
なく、レーザ出力の低下を防止することができる。

【００６９】また、予備電離放電励起回路と、主放電励
起回路とが分離しており、独立なので、主放電電極の放
電タイミングへ影響を与えることなく、予備電離電極の
放電タイミングを調整することができ、レーザ発振を安
定して行うことができる。なお、この構成例では、予備
電離放電励起回路２４´中に磁気スイッチ（可飽和リア
クトル）ＳＲが挿入されているので、予備電離後のリン
ギングが防止され、不要な予備電離が抑制され、予備電
離電極の劣化が防止されるという効果が得られる。な
お、この磁気スイッチＳＲは場合によっては省略しても
よい。

【００７０】また、上記第１の構成例と同様に、パルス
トランス２０を可飽和でないトランスとすることもでき
る。また、インダクタ２１の代わりに可飽和リアクトル
を使用してもよく、省略してもよい。

【００７１】・充放電回路の第４の構成例図６は、充放電回路１の第４の構成例を示しており、図
８はその等価回路を示している。

【００７２】図５の第３の構成例と異なる点は、主放電
例起回路２４中の２次コンデンサＣ2と主放電電極５と
の間に、２段の磁気圧縮回路２３を介在させた点であ
る。

【００７３】この場合、コンデンサＣ2への電荷の移行
は、上記第３の構成例と同様に行われ、コンデンサＣ2
からコンデンサＣ3を介してピーキングコンデンサであ
るコンデンサＣ4への電荷の移行は、電流が磁気圧縮回
路２３により磁気パルス圧縮されることにより行われ
る。

【００７４】つぎに、図９を参照して制御器３が行う制
御について説明する。

【００７５】レーザ装置の運転開始にあたり、まず真空
ポンプによって所定のガス圧になるまで排気が行われ、
レーザチャンバ４内の旧ガスが排気される。つぎにバル
ブ１４ａ…が所要に開閉され、圧力センサ１３の出力Ｐ
が所定の設定値になるまで、希ガス、ハロゲンガスおよ
びバッファガスのそれぞれが順次注入される。

【００７６】こうしたレーザガスのチャンバ４内への注
入がなされると、その後チャンバ４内のガス循環用のブ
ロア８の起動、電源１７のウオームアップ等といったシ
ーケンシャルな制御が順次実行されていき、レーザ装置
の運転が可能な状態となる。そこで、レーザ装置の運転
に先だって、まず、図９のステップ１０１に示されるよ
うに、目標レーザ出力Ｅc、ハロゲンガス注入パルス数
間隔Ｎc、充電電圧変化量ΔＶ、希ガスについての１回
分の補給ガス量ΔＧ1、ハロゲンガスについての同補給
ガス量ΔＧ2、バッファガスについての同補給ガス量Δ
Ｇ3および１回分の排気ガスの排気量ΔＧ4、限界ガス圧
力（Ｐmax、Ｐmin）が予め設定されるとともに、パルス
数カウンタのリセット（Ｎ＝０）が行われる。

【００７７】その後、レーザ装置の運転が開始される
と、光出力検出器１５によって検出されたレーザ出力
Ｅ、圧力センサ１３によって検出されたチャンバ内圧力
Ｐおよび電圧検出器によって検出された充電電圧Ｖが制
御器３に逐次取り込まれる。ただし、充電電圧Ｖは、指
令電圧Ｖaで代用することもできる（ステップ１０
２）。

【００７８】制御器３は、検出レーザ出力Ｅを目標レー
ザ出力Ｅcと比較し（ステップ１０３）、Ｅ＜Ｅcであれ
ば、充電電圧Ｖを上記微小電圧ΔＶだけ増加させて指令
充電電圧Ｖaとし（ステップ１０５）、Ｅ＝Ｅcであれ
ば、検出電圧Ｖをそのまま指令充電電圧Ｖaとし（ステ
ップ１０４）、Ｅ＞Ｅcであれば、検出充電電圧Ｖを上
記微小電圧ΔＶだけ下げて指令充電電圧Ｖａとする（ス
テップ１０６）。

【００７９】さて、一般に、目標値に近づける制御を行
う場合には、検出器の分解能や各種ノイズを考慮して不
感帯が設けられる。よって、上記目標レーザ出力Ｅc
は、ある幅をもっていてもよい。すなわち、目標範囲を
設定して、この目標範囲内にレーザ出力が入るような制
御を行うようにしてもよい。

【００８０】さらに、制御器３は、上記指令充電電圧Ｖ
a（現在の充電電圧Ｖ）を充電電圧制御範囲Ｖmの最大値
Ｖmaxおよび最小値Ｖminと比較し（ステップ１０７）、
Ｖａ≦ＶmaxかつＶa≧Ｖminであれば、ガス圧Ｐを現在
の圧力に維持した状態で（ステップ１０８）、つぎのス
テップ１１１に移行させる。

【００８１】しかし、指令充電電圧Ｖaが、Ｖa＞Ｖmax
のときは、希ガスボンベ９およびバッファガスボンベ１
１から所定量の希ガスΔＧ1およびバッファガスΔＧ3を
レーザチャンバ４内に補給する処理を行い、ガス圧Ｐを
微小量ΔＰだけ増加させた後ステップ１１１に移行させ
る（ステップ１１０）。また、Ｖａ＜Ｖminとのときに
は、レーザチャンバ４内のレーザガスが所定量ΔＧ4だ
け排気する処理を行い、ガス圧Ｐを微小量ΔＰだけ減少
させた後ステップ１１１に移行させる（ステップ１０
９）。

【００８２】通常は、不純物ガスの発生およびウインド
等の汚損によりレーザ出力は低下する傾向にあり、全圧
はガス補給と共に上昇するので、排気工程を省略できる
場合が多い。よってステップ１０９の処理を省略するよ
うにしてもよい。

【００８３】レーザ装置の運転中には、ハロゲンガスを
補給する制御も行われている（ステップ１１３〜１１
６）。

【００８４】すなわち、レーザ装置の運転中には、電極
蒸発物との反応等によってハロゲンガスが減少し、この
減少量は運転時間、つまり運転パルス数Ｎに比例してい
る。そこで、運転パルス数Ｎに比例した量のハロゲンガ
スを補給するために、カウントパルス数Ｎが所定の値Ｎ
cに達する毎に、ハロゲンガスを所定量ΔＧ2だけ補給し
ている。そしてハロゲンガスの補給がなされた時点でカ
ウント値Ｎが零にリセットされ、つぎの処理であるステ
ップ１１１に移行される（ステップ１１４、１１５、１
１６）。なお、この実施例では、パルス数Ｎは、光出力
検出器１５の検出信号をカウントすることによって求め
ているが、発振命令であるトリガ信号をカウントするこ
とによって求めるようにしてもよい。

【００８５】ステップ１１１では、レーザチャンバ４内
のガス圧力Ｐが所定の範囲Ｐmin≦Ｐ≦Ｐmaxにあるか否
かを判断しており、この圧力範囲を越えた場合には、レ
ーザ出力Ｅの維持が困難となるため、ガス交換あるいは
劣化部品の交換等を行うためのサービスリクエスト信号
の出力等、所要のアラーム表示あるいはエラー処理とい
った異常処理がなされる（ステップ１１２）。

【００８６】なお、この実施例では、充電電圧制御範囲
Ｖm内に入るように充電電圧Ｖを制御しているが、充電
電圧を一定のままとしレーザガスの給排気制御のみを行
うようにしてもよい。

【００８７】この場合は、ステップ１０３の処理に引き
続きステップ１０８〜１１０の処理が行われて（ステッ
プ１０４〜１０６の処理の代わりに）、ステップ１１１
に移行されることになる。

【００８８】すなわち、制御器３は、検出レーザ出力Ｅ
を目標レーザ出力Ｅcと比較し（ステップ１０３）、Ｅ
＜Ｅcであれば、レーザチャンバ４内のレーザガスが所
定量ΔＧ4だけ排気する処理を行い（ステップ１０
９）、Ｅ＝Ｅcであれば、ガス圧Ｐを現在の圧力に維持
し（ステップ１０８）、Ｅ＞Ｅcであれば、希ガスボン
ベ９およびバッファガスボンベ１１から所定量の希ガス
ΔＧ1およびバッファガスΔＧ3をレーザチャンバ４内に
補給する処理を行う（ステップ１１０）。

【００８９】また、この実施例では、定期的にハロゲン
ガスを補給する処理（ステップ１１３〜１１６）を行っ
ているが、場合によってはこれを省略してもよい。ま
た、ハロゲンガスの補給は、ステップ１１０において他
の希ガス、バッファガスの補給と併せて行うようにして
もよい。

【００９０】また、この実施例では、充電電圧Ｖを直接
検出しているが、充電電圧Ｖとレーザ光Ｌaのビーム幅
Δｗは、ほぼ比例関係にあるため、ビーム幅Δｗを検出
することによって充電電圧Ｖを検出するようにしてもよ
い。ここで、ビーム幅Δｗとは、主電極５、５間の放電
方向に垂直な方向の幅のことをいい、レーザ光をライン
センサ上に転写することによって検出することができ
る。

【００９１】また、充電電圧Ｖとレーザ光Ｌaの周波数
スペクトル分布におけるスペクトル幅Δλ、たとえば半
値幅との関係も、ほぼ比例関係にあるため、スペクトル
幅Δλを検出することによって充電電圧Ｖを検出するよ
うにしてもよい。

【００９２】以上のようにこの実施例によれば、出力レ
ーザ光のパワーが目標値になるように、電源の電圧を一
定値に維持するか、あるいは一定範囲内に収まるように
電圧を制御しつつ、レーザガスの給・排気量を制御する
ようにしたので、磁気スイッチを有した充放電回路を放
電励起型のレーザ装置に適用した場合であっても、レー
ザ出力変動に対する補償を、制御性よく行うことができ
る。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、予
備電離電極を通過する電流の値を小さくするよう充放電
装置を構成したので、予備電離電極の耐久性が向上する
とともに、不純物によるレーザガスの劣化を低減するこ
とができ、レーザ出力の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る放電励起型レーザ装置の充
放電装置の第１の構成例を示す図である。

【図２】図２は本発明に係る放電励起型レーザ装置の充
放電装置の第２の構成例を示す図である。

【図３】図３は第１の構成例の等価回路を示す図であ
る。

【図４】図４は第２の構成例の等価回路を示す図であ
る。

【図５】図５は本発明に係る放電励起型レーザ装置の充
放電装置の第３の構成例を示す図である。

【図６】図６は本発明に係る放電励起型レーザ装置の充
放電装置の第４の構成例を示す図である。

【図７】図７は第３の構成例の等価回路を示す図であ
る。

【図８】図８は第４の構成例の等価回路を示す図であ
る。

【図９】図９は実施例の処理手順を示すフローチャート
である。

【図１０】図１０は、磁気圧縮回路を使用した場合にお
ける正規化運転電圧とエネルギー転送効率の関係を示す
グラフである。

【図１１】図１１は、磁気スイッチ磁芯の動作を示すグ
ラフである。

【図１２】図１２は従来のレーザ装置の構成を示す図で
ある。

【図１３】図１３は従来のレーザ装置の充放電回路の構
成を示す回路図である。

【図１４】図１４は図１３の回路における主スイッチの
電圧、電流の波形を示すグラフである。

【図１５】図１５は磁気圧縮回路を示す回路図である。

【図１６】図１６は、図１５の磁気圧縮回路の各部の電
圧、電流の波形を示すグラフである。

【符号の説明】

１充放電回路２給・排気回路３制御器４レーザチャンバ５主電極ＳＲ磁気スイッチ１５光出力検出器１７直流高圧電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｍ 9/04 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源と、該電源の電圧を予備電離電
極および主放電電極に印加させる主スイッチと、該主ス
イッチと前記予備電離電極および前記主放電電極との間
に介在された複数段のコンデンサを有し、前記主スイッ
チを作動させることにより、前記電源によって初段コン
デンサに蓄積された電荷を第２段以降のコンデンサに移
行させて、最終段コンデンサの蓄積電荷に応じて前記予
備電離電極間の予備電離放電および前記主放電電極間の
主放電を行わせる充放電装置を具え、前記主放電電極間
の主放電によってレーザガスを励起し、レーザ光を発
振、出力させるようにした放電励起型レーザ装置におけ
る充放電装置において、１次側巻線と直列に前記初段コンデンサが接続されると
とともに、２次側巻線と直列に第２段コンデンサが接続
され、初段コンデンサから放電されるパルス電流を昇圧
して第２段コンデンサに充電させるパルストランスを設
けるとともに、前記第２段コンデンサの後段に該第２段コンデンサから
放電される電流を阻止する磁気スイッチを接続し、該磁
気スイッチと直列に前記予備電離電極を接続し、前記第２段コンデンサおよび前記２次側巻線と、前記磁
気スイッチおよび前記予備電離電極と、最終段の第３段
コンデンサと、前記主放電電極とをそれぞれ並列に接続
するようにした放電励起型レーザ装置における充放電装
置。
【請求項２】前記予備電離電極と前記主放電電極
との間に、磁気圧縮回路を介在させた請求項１記載の放
電励起型レーザ装置における充放電装置。
【請求項３】電源と、該電源の電圧を予備電離電
極および主放電電極に印加させる主スイッチと、該主ス
イッチと前記予備電離電極および前記主放電電極との間
に介在された複数段のコンデンサを有し、前記主スイッ
チを作動させることにより、前記電源によって初段コン
デンサに蓄積された電荷を第２段以降のコンデンサに移
行させて、最終段コンデンサの蓄積電荷に応じて前記予
備電離電極間の予備電離放電および前記主放電電極間の
主放電を行わせる充放電装置を具え、前記主放電電極間
の主放電によってレーザガスを励起し、レーザ光を発
振、出力させるようにした放電励起型レーザ装置におけ
る充放電装置において、パルストランスの１次側巻線と直列に前記初段コンデン
サを接続するとともに、前記パルストランスの２次側巻
線を２つの第１および第２の巻線に分離し、前記第１の
巻線と予備電離電極用の第２段コンデンサとを有した予
備電離放電励起回路と、前記第２の巻線と主放電電極用
の第２段コンデンサとを有した主放電励起回路とを分離
した放電励起型レーザ装置における充放電装置。
【請求項４】前記予備電離放電励起回路の第１の
巻線と直列に、予備電離放電と主放電とのタイミングを
調整するインダクタを接続した請求項３記載の放電励起
型レーザ装置における充放電装置。
【請求項５】前記主放電電極用の第２段コンデン
サの後段に該第２段コンデンサから放電される電流を阻
止する磁気スイッチを接続し、該磁気スイッチと、最終段の第３段コンデンサと、前記
主放電電極とをそれぞれ並列に接続するようにした請求
項３記載の放電励起型レーザ装置における充放電装置。
【請求項６】前記主放電電極用第２段コンデンサ
と前記主放電電極との間に、磁気圧縮回路を介在させた
請求項３記載の放電励起型レーザ装置における充放電装
置。