放電励起ガスレーザ装置
【課題】 格段に長いパルス幅を持ちながら、高繰り返し動作時でも安定したパルス幅を出力しかつ安定なレーザ発振可能な放電励起ガスレーザ装置。
【解決手段】 一対の長尺の放電電極２、３と放電用コンデンサーＣＰと高電圧パルス発生装置４とを備え、放電電極２、３が高電圧パルス発生装置４に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置であり、少なくとも給電側の放電電極２が長手方向に複数の分割電極２1 〜２5 に分割され、複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５の給電側端子に接続され、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５は１個以上の分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して高電圧パルス発生装置４に相互に並列に接続されており、並列に接続された分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５が放電用コンデンサーＣＰを構成している。
【解決手段】 一対の長尺の放電電極２、３と放電用コンデンサーＣＰと高電圧パルス発生装置４とを備え、放電電極２、３が高電圧パルス発生装置４に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置であり、少なくとも給電側の放電電極２が長手方向に複数の分割電極２1 〜２5 に分割され、複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５の給電側端子に接続され、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５は１個以上の分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して高電圧パルス発生装置４に相互に並列に接続されており、並列に接続された分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５が放電用コンデンサーＣＰを構成している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電励起ガスレーザ装置に関し、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置等の半導体露光装置用の放電励起ガスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプが放出する光より短い波長の光を放出するガスレーザ装置が用いられる。この露光用ガスレーザ装置として、現在、放電波長２４８ｎｍの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。また、次世代を担う半導体露光用光源としては、波長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置、波長１５７ｎｍの紫外線を放出するフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置が有力である。
【０００３】
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、レーザ媒質であるレーザガスとして、フッ素（Ｆ2 ）ガスとクリプトン（Ｋｒ）ガス、及び、バッファーガスとしてネオン等の希ガスからなる混合ガスを、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、レーザ媒質として、フッ素（Ｆ2 ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガス、及び、バッファーガスとしてネオン等の希ガスネオン等の希ガスからなる混合ガスを、フッ素分子レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガスとバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガスを用いる。通常、これらレーザガスをレーザチャンバ内に数百ｋＰａで封入して使用する。
【０００４】
このような露光用ガスレーザ装置の構成例を図１に示す。レーザチャンバ１内には所定のレーザガスが満たされており、そのレーザガスを励起するための一対の放電電極２、３がレーザ発振方向と垂直な向きに所定の距離だけ離間して対向配置される。この一対の放電電極２、３には、電源（高電圧パルス発生装置）４により高電圧パルスが印加され、放電電極２、３間にかかる電圧がある値（ブレークダウン電圧）に到達すると、放電電極２、３間のレーザガスが絶縁破壊されて放電が開始する。この放電により、レーザガスが励起され、レーザ発振の元となる蛍光が発生する。すなわち、露光用ガスレーザ装置は、放電の繰り返しによるパルス発振を行い、放出するレーザ光はパルス光となる。
【０００５】
ここで、放電電極２、３間で安定な放電を実現するために、放電の前に放電電極間のレーザガスは、不図示の予備電離手段により予備電離される。予備電離の実現は、予備電離手段から紫外光を予備電離光として放電電極２、３間のレーザガスに向けて放出することによりなされる。なお、高繰り返し発振の際、放電により生じた電離物質等を次の放電前に放電空間から除去することを目的として、ＣＦＦ（クロスフローファン）５の回転によりレーザガスはレーザチャンバ１内を循環している。また、放電により生じた熱をレーザチャンバ１内から除去することを目的として、レーザチャンバ１内に冷却用熱交換器６が設置される。この冷却用熱交換器６の内部は、冷却剤が流されている。放電によって加熱されたレーザガスは、循環の際に冷却用熱交換器６を通ることにより冷却される。
【０００６】
放電により生じた蛍光は、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）７により所定の波長に選定されながら狭帯域化され、出力鏡８との間を往復することにより発振し、レーザ光として出力鏡８から取り出される。レーザ光の一部はビームサンプラー９により分けられ、レーザパルスのエネルギ、安定度、及び、パルス幅等がビームモニタ１０により測定される。
【０００７】
なお、狭帯域化モジュール７は、例えば、図１に示すように、１個以上の拡大プリズム１１とグレーティング（回折格子）１２により構成される。
【０００８】
コントローラ１３は、ビームモニタ１０からの情報に基づき、レーザパルスのエネルギや波長制御を行う。
【０００９】
例えば、波長制御は、ビームモニタ１０からの波長情報に基づき、グレーティング１２の姿勢を調節してレーザビームのグレーティング１２への入射角を制御して行われる。また、エネルギ制御は、ビームモニタ１０からのエネルギ情報に基づいて、電源４から放電電極への印加電圧を制御したり、レーザチャンバ１内のレーザガスの混合比や圧力を制御することによりなされる。
【００１０】
ここで、レーザガス制御は、例えば、レーザチャンバ１に接続されたガス供給ライン（ｇａｓ ｉｎ）１４、レーザチャンバ１及び真空ポンプ１６に接続されたガス排気ライン（ｇａｓ ｏｕｔ）１５のバルブ１７、１８の開閉を行うことによりなされる。
【００１１】
ところで、近年、露光用エキシマレーザ装置において、ますます高出力化・狭帯域化が求められている。 この傾向は、ＡｒＦエキシマレーザ装置においてさらに顕著になると考えられる。 その大きな理由として、ＡｒＦエキシマレーザでの露光で用いられるレジストはＫｒＦエキシマレーザ用のものより感度が悪いことや、高スループット・高分解能等からの要請等があげられる。
【００１２】
この高出力化により、露光用レーザ装置では光学素子の損傷が問題となっている。これは、レーザ装置の高出力化に伴い、露光機内部や、レーザ装置内部の光学素子に大きな負荷がかかり、光学素子が損傷して寿命が短くなるという問題が発生しているからである。そこで、高出力でも光学素子の寿命を延ばすために、光学素子に損傷を与えない方法が必要になる。
【００１３】
光学素子の損傷低減には、パルスストレッチ技術が有効である。それは、以下の理由による。光学素子の損傷は、レーザ光のピーク値に強く依存する。したがって、エネルギのピーク値を下げるために、同じエネルギでも、レーザのパルス幅を長くすることで、光学素子の損傷を低減することができる。このレーザパルス幅を長くする技術は、パルスストレッチ技術と呼ばれる。
【００１４】
パルスストレッチ技術には、放電式と光学式がある。放電式では、レーザ励起源である放電時間を延ばすことでパルス幅を延伸する。レーザ励起源でパルスを延伸させるため、レーザ装置内部の光学素子の負荷も軽減できる長所がある。光学式では、レーザ発振器から出た光に光路遅延をかけて重畳する。したがって、レーザ装置内部への負荷は軽減されず、また、効率を落とす欠点がある。
【００１５】
そこで、後記する本発明では、レーザ装置内部の光学素子の長寿命化も可能な放電式パルスストレッチ技術の手段を提供することとする。
【００１６】
放電式パルスストレッチ技術では、放電中のレーザ利得を均一に長時間持続することが重要になる。それは、放電時間を延ばすことによるパルスストレッチ技術では、放電の不安定性発生によるレーザ利得均一性の破壊、それによるレーザ発振の停止が問題となっているからである。レーザ利得の不均一は、放電部での集中放電の発生により生じる。特にエキシマレーザでは、電極長手方向に放電の空間不安定性が発生しやすい。それは、エキシマレーザ励起には、長い放電空間が必要であり、長い放電空間では、放電均一性が保ち難いからである。
【００１７】
従来技術は、このレーザ利得を空間的に均一に、長時間持続させることを目的に研究されてきた。放電時間を延ばしてパルスストレッチする技術としては、分割電極に安定化インダクタンスを付加したものや、スパイカーサステイナ回路、電流振動方式等がある。
【００１８】
上記の分割電極に安定化インダクタンスを付加したパルスストレッチ技術（特許文献１）を適用した際の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図を図１３に示す。一般に、長い電極と短い電極を比べれば、長い電極で放電不均一性が発生しやすい。そこで、電極を分割することで、一つ一つの電極を短いものとし、長さに起因する放電不安定性を抑制する。これにより、電極長手方向の放電空間不均一性を抑制する。さらに、１つの分割電極に過剰な電流が集中し、放電部で集中放電を発生させないために、電流制限素子（安定化素子）として、インダクタンスや電気抵抗を付加している。この技術では、後述のスパイカーサステイナ回路と比べて、小型化が可能となる。また、分割電極技術でＫｒＦエキシマレーザ装置で半値全幅６０ｎｓｅｃ、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置で半値全幅で１００ｎｓｅｃ以上の長パルスを実現できる。
【００１９】
しかしながら、分割電極に安定化素子を付加したパルスストレッチ回路では、レーザの高繰り返し動作時に、パルス幅が短くなる問題がある。比較的低い繰り返し周波数（１０００Ｈｚ以上）で、図１３（ａ）に矢印で示したような放電不安定性が発生してしまう。この方式では、１０００Ｈｚ以上では、図１３（ａ）に破線で示したように、パルスストレッチがかからなくなり、短いパルスになってしまう。
【００２０】
また、分割電極にインダクタンスを付加したパルスストレッチ回路では、高繰り返し動作時に安定化素子の動作に問題がある。安定化素子として用いられるインダクタンスや電気抵抗は、本質的に電流を消費する素子である。そのため、レーザ高繰り返し動作時には、発熱や、電気絶縁の不良、コロナ放電によるオゾンの発生等の問題が生じる。そのため、高繰り返し動作時でも安定に回路を動作させようとすると、冷却回路等が必要になる。また、そのような素子が存在することで、システムとしての信頼性を損なう恐れがある。
【００２１】
また、スパイカーサステイナ回路を用いたパルスストレッチ技術（非特許文献１）を適用した際の図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図を図１４に示す。スパイカーサステイナ回路では、放電を開始させる高電圧短パルスの電圧を印加し、その後、放電を維持させるための低電圧電流を重畳させる。これにより、放電中のレーザ利得を長時間維持することが可能になり、パルスストレッチが可能となる。この技術では、ＫｒＦエキシマレーザ装置やＡｒＦエキシマレーザ装置で１００ｎｓｅｃ以上の長パルスを実現できる。
【００２２】
しかしながら、スパイカーサステイナ回路でも、低い繰り返し周波数でしか安定してパルスストレッチができないという欠点がある。それは、電極長手方向に均一放電を発生させることが難しいことによる。パルスストレッチのための低電圧で長い時間の電圧は、低繰り返し（２０００Ｈｚ以下）では均一な放電を維持できる。しかし、それ以上の繰り返し周波数では、放電長手方向に集中放電が発生する等して、レーザ利得の不均一性を招く。したがって、繰り返し周波数を増加させると、パルスストレッチがかからなくなるという欠点を持つ。
【００２３】
また、スパイカーサステイナ技術では、装置が大型化するという欠点も持つ。パルス整形回路（Pulse Forming Network,ＰＦＮ、又は、Pulse Forming Line, ＰＦＬ）と呼ばれるインダクタンス、コンデンサーを組み合わせた回路が必要となる。そのために、電源と放電チャンバの接続部が大型化する。また、高繰り返し動作時には、各素子の冷却、電気絶縁の問題も発生するため、装置を小型化するのが難しい。
【００２４】
上記２方式の欠点として、２０００Ｈｚ以上の高繰り返し動作時に、放電不安定性が発生し、パルスが短くなってしまうことがある。そこで、この欠点をを補う方式として、電流振動発振方式がある（特許文献２、特許文献３）。この方式では、レーザチャンバの充放電部のインダクタンスを可能な限り小さくすることで、電極間にかかる電圧を振動させ、振動電流の最初の１／２周期とそれに続く少なくとも１つの１／２周期においてもレーザガスの励起を行わせてレーザ発振動作を持続させることで、長いパルスのレーザ光を発振させる方式である。図１５に図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図を示す。このように電極間にかかる電流を振動させることで、レーザ利得を比較的長時間維持できる。この技術では、ＫｒＦエキシマレーザ装置やＡｒＦエキシマレーザ装置でＴisが４０ｎｓｅｃ以上のパルス幅を４０００Ｈｚで実現できる。
【００２５】
電流振動発振方式で、高繰り返し動作時（２０００Ｈｚ以上）でも安定した長いパルスを実現できるのは、放電の時間的不安定性を抑制しているからである。電流振動方式では、電圧を正負又は０付近まで変動させる。これにより、電極は短時間に極性が変るか、電位が短時間で大幅に変動する。このように、時間的に速い変化をする電圧を印加すると、放電で起きた揺らぎがレーザ利得を乱すまでに成長する前に放電の状態をリセットすることができる。これにより、放電の不安定性も成長することなく、長時間にわたって均一なレーザ利得を持つ放電を維持できる。この技術は、時間的放電不安定性に対して強い回路であるため、高繰り返し時にもパルスストレッチが有効に働き、特に２０００Ｈｚ以上の高繰り返しでも長いパルスを生成することができる。
【００２６】
さらに、電流振動発振方式では、上記２方式のように電気回路に素子等を付加することなく実現できるため、装置がコンパクトになるという利点も持つ。
【００２７】
しかしながら、電流振動発振方式では、時間的な放電不安定性のみを抑制しているため、従来例に比べてパルス幅が短いという欠点がある。よって、さらに長いパルス（パルス幅ＦＷＨＭ、若しくは、Ｔisで５０ｎｓｅｃ以上）を、高繰り返し動作（４０００Ｈｚ以上）をさせるためには、新たな技術が必要である。
【特許文献１】米国特許第４，６０１，０３９号明細書
【特許文献２】特開２００１−１５６３６７号公報
【特許文献３】特許第３，４２７，８８９号公報
【非特許文献１】IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTORONICS,VOL.5,NO.6,NOVEMBER/DECEMBER(1999),PP.1515-1521
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
従来のパルス幅が短いレーザ装置における電極間を流れる電流（ａ）とレーザパルス幅（ｂ）の関係を図１６に示す。電極間を流れる電流は、正負反転しながら流れる。普通に考えると、電流が流れている間は、放電が維持されているので、レーザ発振は持続するはずである。しかしながら、電極間に電流が流れ続けていても、実際のレーザ発振は停止してしまう。これは、いくら放電が持続していても、レーザ利得が得られていないという現象が生じていることを示している。以上のようなレーザ発振の停止は、図１６に矢印で示したような放電不安定性に起因している。すなわち、放電が持続し、電流が流れていても、放電領域のどこかで放電不安定性が発生し、その位置に放電集中が起きると、レーザ発振も停止してしまい、長いパルスが得られないということである。
【００２９】
この点を電流振動発振方式を例にあげて説明する。図１７に従来の短いパルスを持った電流振動発振方式のレーザ装置の模式的な回路図を示す。コンデンサーＣ２と磁気スイッチＳＬ２を含む高電圧パルス発生装置の出力端にピーキングコンデンサーＣＰを構成する多数の分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５が並列に接続されており、ピーキングコンデンサーＣＰの各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から流れ出た電荷は回路を通して放電電極２、３間で放電を起こす。このとき、放電電極２、３間の放電の一部で放電不均一性が発生すると、そこに各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からの電荷の流れが集中する。その理由は、放電不均一性が存在する場所は抵抗が低いからである。このとき、図１７に示すように、給電側の放電電極２は長手方向に電気的に絶縁されておらず、また、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から給電側の放電電極２への回路も実質的に分割されていないため、放電不安定性が起きた部分に全ての分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からの全電荷が集中してしまう。これにより、放電集中が増幅され、レーザ利得均一性の破壊を起こし、レーザ発振が停止する。このような状況で、短いパルスのレーザ光しか発振できなくなる。そのため、長いパルスを高繰り返し動作時に得ることができなかったと言える。
【００３０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放電不安定性に基づく放電集中を防止して、格段に長いパルス幅を持ちながら、高繰り返し動作時でも安定したパルス幅を出力しかつ安定なレーザ発振可能な放電励起ガスレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成する本発明の放電励起ガスレーザ装置は、レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続され、かつ、前記分割コンデンサーは１個以上の分岐点を介して前記高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続されており、前記並列に接続された分割コンデンサーが前記放電用コンデンサーを構成していることを特徴とするものである。
【００３２】
この場合に、一対の放電電極の中の給電側と反対側の放電電極も長手方向に、給電側の放電電極の分割に対応して複数の分割電極に分割されていることが望ましい。
【００３３】
その場合に、給電側の分割電極と対応する接地側の分割電極とが各々、単数又は複数の分割コンデンサーを介して、異なる接続線路によって接続されていることが望ましい。
【００３４】
また、複数の分割電極個々あるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々に接続された単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子間にインダクタンスのコイルが接続されているようにしてもよい。
【００３５】
本発明のもう１つの放電励起ガスレーザ装置は、レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続されており、かつ、前記単数又は複数の分割コンデンサー各々が、相互に連携して動作する複数の高電圧パルス発生装置各々の出力端に接続されており、前記単数又は複数の分割コンデンサーがそれぞれの分割電極あるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群に対する放電用コンデンサーを構成していることを特徴とするものである。
【００３６】
以上において、一対の放電電極間の放電によって流れる電流が極性が反転する放電振動電流からなり、その極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも１つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成されていることが好ましい。
【００３７】
また、レーザガスがフッ素ガスとアルゴンガスを含む混合ガスからなり、ＡｒＦエキシマレーザ装置として構成することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明においては、一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極とそれに接続される放電用コンデンサーとを分割し、その分割された分割コンデンサーを１個以上の分岐点を介して高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続するか、高電圧パルス発生装置を分割数に対応する複数のものから構成することにより、放電不安定性が放電領域のどこかで発生しても、レーザ利得の乱れはその領域に止まり放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、従来例に比較してより長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。これによって、従来は両立できなかった、長いパルス幅（Ｔis若しくは半値全幅で〜１００ｎｓｅｃ）と高繰り返し動作（４０００Ｈｚ以上）のＡｒＦエキシマレーザ装置等の放電励起ガスレーザ装置を実現することができる。さらに、本発明によると、放電安定性が格段に改善されるため、レーザエネルギの安定性が改善される。例えば、レーザガスの循環速度が低い場合でも、安定したレーザ発振が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下に、本発明の放電励起ガスレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明する。
【００４０】
本発明の放電励起ガスレーザ装置の原理は、電源の高電圧パルス発生装置の出力端に並列に接続されるピーキングコンデンサーと放電電極をそれぞれ複数に分割し、各分割コンデンサーを対応する分割電極に接続すると共に、各分割コンデンサーを１個以上の分岐点を介して高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続することにより、放電領域のどこかで放電不安定性が発生しても放電集中が起き難くして、従来は両立できなかった、長いパルス幅（Ｔis若しくは半値全幅で５０ｎｓｅｃ以上）と高繰り返し動作（４０００Ｈｚ以上）を実現するようにしたものである。
【００４１】
本発明は、電流振動発振方式の放電励起ガスレーザ装置に限定されず、種々の放電励起パルスレーザ装置に適用できるが、特許文献２で開示された電流振動発振方式のエキシマレーザ装置に本発明を適用した例に基づいて、本発明を以下に説明する。
【００４２】
この例の放電励起ガスレーザ装置は図１のように構成され、図２に示すような放電励起回路が採用される。図１の構成の説明は前記の通りである。図２の励起回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＬ０は固体スイッチＳＷ保護用のものであり、第１の磁気スイッチＳＬ１と第２の磁気スイッチＳＬ２により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【００４３】
図２に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値に調整され、磁気スイッチＳＬ０、インダクタンスＬ１を介して主コンデンサーＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサーＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は磁気スイッチＳＬ０の両端にかかるよう移り、固体スイッチＳＷを保護する。磁気スイッチＳＬ０の両端にかかる主コンデンサーＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＬ０の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ０が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサーＣ０、磁気スイッチＳＬ０、固体スイッチＳＷ、コンデンサーＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサーＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサーＣ１に充電される。
【００４４】
この後、コンデンサーＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＬ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ１が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサーＣ１、コンデンサーＣ２、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサーＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサーＣ２に充電される。
【００４５】
さらにこの後、コンデンサーＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＬ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサーＣ２、ピーキングコンデンサーＣＰ、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサーＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサーＣＰが充電される。
【００４６】
ピーキングコンデンサーＣＰの充電が進むにつれてコロナ予備電離部１９に印加される電圧が上昇し、その電圧が所定の電圧になるとのコロナ予備電離部１９にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によってコロナ予備電離部１９から紫外線が発生し、放電電極２、３間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。
【００４７】
ピーキングコンデンサーＣＰの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサーＣＰの電圧が上昇し、この電圧がある値（ブレークダウン電圧）に達すると、放電電極２、３間のレーザガスが絶縁破壊されて放電が開始し、この放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【００４８】
この後、放電によりピーキングコンデンサーＣＰの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
【００４９】
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
【００５０】
ここで、磁気スイッチＳＬ１、ＳＬ２及びコンデンサーＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、放電電極２、３間に短パルスの強い放電が実現される。
【００５１】
なお、高電圧電源ＨＶから第２の磁気スイッチＳＬ２までが図１の電源（高電圧パルス発生装置）４を構成している。
【００５２】
ここで、電流振動発振方式を実現するために、特許文献２に示されているような回路定数、レーザガスの組成、放電電流回路の浮遊インダクタンス等が選択される。
【００５３】
このような放電励起回路において、本発明に基づいて、ピーキングコンデンサーＣＰと給電側の放電電極２がそれぞれ複数（図では５個）に分割されており、ピーキングコンデンサーＣＰは並列接続された分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からなり、給電側の放電電極２は一列に整列され相互に間隔をおいて分離された分割電極２1 〜２5 からなる。そして、高電圧パルス発生装置４の給電側の出力端は、分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５それぞれの給電側端子に接続され、かつ、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５それぞれの給電側端子は給電側の放電電極２の分割電極２1 〜２5 それぞれに接続されている。
【００５４】
このような構成であるので、高電圧電源ＨＶから第２の磁気スイッチＳＬ２までからなる電源（高電圧パルス発生装置）４より印加されるパルス状の電圧は、高電圧パルス発生装置４の給電側の出力端から分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５それぞれに印加される。このとき、電流は給電側の出力端、分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を通り、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５に充電される。給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２5 ）と接地側の放電電極３の間に十分な電圧がかかると、給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２5 ）と接地側の放電電極３の間で絶縁破壊が起こり、ピーキングコンデンサーＣＰ（分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５）から電流が流れる。電流は各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から接続線路に沿って対応するそれぞれの分割電極２1 〜２5 へ流れる。このとき、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からの電流は、それぞれに対応する分割電極２1 〜２5 以外のループに流れることはない。その理由は、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から対応する分割電極２1 〜２5 へは分岐点を介することはなく最短ルートで接続されており、一方、対応しない分割電極２1 〜２5 へは１個以上の分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して最短ルートより長いルートで接続されている。分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から分割電極２1 〜２5 への接続ルートには、電気抵抗や浮遊（寄生）インダクタンスが存在し、複数の接続ルートがある場合に、インダクタンスを含む抵抗の最も小さいルートに沿って流れようとするから、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からは、分岐点を介することはなく最短ルートで対応する分割電極２1 〜２5 へ電流が流れ、他の対応しない分割電極２1 〜２5 へは実質的に電流は流れない。
【００５５】
一度給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２5 ）と接地側の放電電極３の間で放電が起こった後、放電で消費され切れずに残った電荷は、再度分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５に充電される。その後、再充電した電流が流れるが、この電流も他の対応しない分割電極２1 〜２5 へは流れることなく、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５個々とそれぞれに対応した分割電極２1 〜２5 各々とで形成される各分割ブロックに限定されて流れることになる。
【００５６】
このようにして、電流は個々の分割ブロック（例えば、分割コンデンサーＣＰ１と分割電極２1 と放電電極３とを結ぶ閉ループからなる）を独立に流れるため、相互に干渉することなく、レーザ励起放電を作り出す。そして、ピーキングコンデンサーＣＰを分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５で構成しているために、何れかの分割ブロックの分割電極２1 〜２5 に放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはそのブロックだけに止まり、放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【００５７】
特許文献１に開示された従来の分割電極に安定化素子を付加したパルスストレッチ回路方式と本発明の方式が本質的に異なるのは、電流を制限する安定化素子を放電回路中に用いないことである。実際には、電気回路には浮遊インダクタンス成分が含まれるが、この浮遊インダクタンス成分は放電回路中に直列には含まれず、また、従来技術と比べると格段に小さい。従来の安定化素子に使われるコイルのインダクタンス容量は、１個当たり数百ｎＨであるが、本発明の方式の場合、浮遊インダクタンスとしては、数ｎＨ程度になる。
【００５８】
また、本発明の方式においては、従来のパルスストレッチ回路に比べて、格段に小型化可能である。これは、従来の分割電極に安定化素子を付加した方式とは異なり、放電安定化素子を用いることなく、電気回路構造による分布定数を利用し、パルスストレッチ回路を実現するためである。さらには、そのような放電安定化素子を用いないため、高繰り返し時の発熱、電気絶縁の破壊等も起きない。そのため、従来のパルスストレッチ方式に比べて、高繰り返し動作時に高い信頼性を持つという特長を持つ。
【００５９】
このように、本発明の放電励起ガスレーザ装置は、従来の比して格段に長いパルス幅を持ちながら、高繰り返し動作時でも安定したパルス幅を出力し、かつ、安定なパルスレーザが発振が可能となる。
【００６０】
本発明の方式を適用するに当たり、放電電極を分割するのは、電源給電側の放電電極を分割するのが最も効果的であり、なおかつ、欠かすことができない。なぜならば、放電の不安定性が最も高い点は電流給電側であるためである。以下に、具体的な放電電極、ピーキングコンデンサー等の分割方法について説明する。
【００６１】
ＡｒＦエキシマレーザ装置を例にとると、実際の放電電極は２００ｍｍから１０００ｍｍ程度の長さであるが、分割数は５分割以上が好ましい。すなわち、分割された放電電極のそれぞれ（分割電極）の長さは５ｍｍから２００ｍｍ程度がよい。好ましくは、分割された電極の１つの長さは３０ｍｍから１００ｍｍ程度で安定的にパルスストレッチが可能となる。また、分割電極間の間隔は、電気絶縁の確保の観点より０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましい。しかしながら、その間隔を大きくとって電気絶縁を確保しようとすると、レーザ全体の利得を損なう。したがって、好ましい電極間間隔としては１ｍｍ程度が望ましい。
【００６２】
また、このときの放電励起回路の条件としては、ピーキングコンデンサ容量は４〜１０ｎＦ、放電回路のインダクタンスは４〜８ｎＨ、電圧の立ち上がり時間は６０〜８０ｎｓｅｃ程度、放電電極間にかかる電圧は２０〜３０ｋＶである。
【００６３】
次に、図１に示したような放電励起ガスレーザ装置における放電電極とピーキングコンデンサーの分割に関する実施例を説明する。図３はその１実施例の放電部の光軸に沿った断面図であり、図４は図３の直線Ａ−Ａ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図であり、図５は図３の直線Ｂ−Ｂ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図である。この実施例においては、給電側の放電電極２は簡単のため４分割されているが、実際には、上記のように５分割以上にすることが好ましい。
【００６４】
この放電励起ガスレーザ装置において、給電側の放電電極（この例では、カソード）２は分割電極２1 〜２4 に４分割されている。そして、レーザチャンバー１を構成する金属性の筐体２１の上部の開口に放電空間の長手に沿うように気密に長尺の絶縁板２２が嵌め込まれており、その絶縁板２２の下側（レーザチャンバー１内側）に、同様に分割された導電性の電極ホルダー２３を介して、相互に間隔２４をおいて１列に整列するようにこの分割電極２1 〜２4 が取り付けられている。
【００６５】
また、接地側の放電電極（この例では、アノード）３は長尺の連続した電極からなる。そして、絶縁板２２の両側の筐体２１の下面に放電電極２の両側に沿うように複数（この例では片側３本）の棒状の支持兼通電部材２５が取り付けられており、支持兼通電部材２５の先端間に導電性で長尺の電極ホルダー２６が放電電極２と平行に張り渡されており、電極ホルダー２６の上の給電側の放電電極２に対向する位置にこの接地側の放電電極３が取り付けられている。放電電極３に沿った両側の放電空間を見込む位置には、コロナ予備電離部１９が取り付けられている。
【００６６】
絶縁板２２の両側の筐体２１の上面に放電電極２の両側に沿うように取り付けられた一対の導電性のピーキングコンデンサー接地板２７により、筐体２１の上側に電源（高電圧パルス発生装置）４が取り付けられており、電源４から下方に突き出た出力端子２８は、導電性のピーキングコンデンサー取り付け板２９の上辺に接続されいる。
【００６７】
ピーキングコンデンサー取り付け板２９は、絶縁板２２の上面であって一対のピーキングコンデンサー接地板２７の間に、放電電極２と平行に取り付けられており、一対のピーキングコンデンサー接地板２７の間の空間を２分している。
【００６８】
このピーキングコンデンサー取り付け板２９は、図３から明らかなように、長尺で矩形形状をしており、分割電極２1 〜２4 間の間隔２４に対応する数（この例では３個）のスリット３０が絶縁板２２側の辺から長尺の矩形形状を略等分するように反対側（出力端子２８側）の辺近傍まで設けられており、その反対側の辺と各スリット３０の間に連結部３１を残している。スリット３０で分けられた部分を分割電極２1 〜２4 と同じ順序で取り付け板部分２９1 〜２９4 とする。
【００６９】
取り付け板部分２９1 〜２９4 と分割電極２1 〜２4 が対応する電極ホルダー２３との間の絶縁板２２中には貫通するように電極給電線３２が埋め込まれており、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 と分割電極２1 〜２4 の電極ホルダー２３との間を電気的に接続している。
【００７０】
また、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 と両側のピーキングコンデンサー接地板２７との間には、それぞれ同様な分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂの８個の分割コンデンサーが配置されており、分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂの一方の端子は取り付け板部分２９1 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続され、分割コンデンサーＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂの一方の端子は取り付け板部分２９2 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続され、分割コンデンサーＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂの一方の端子は取り付け板部分２９3 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続され、分割コンデンサーＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂの一方の端子は取り付け板部分２９4 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続されている。
【００７１】
このような構成であるので、電源４よりパルス状の電圧が印加されると、出力端子２８からピーキングコンデンサー取り付け板２９の上辺の取り付け板部分２９2 と２９3 の間近傍からピーキングコンデンサー取り付け板２９に電流が流れ込み、取り付け板部分２９2 と２９3 の間の連結部３１で両側に分かれる。したがって、この連結部３１は図２の分岐点Ｐ１に対応する。その電流は、分岐点Ｐ１の両側の取り付け板部分２９2 と２９3 に流れ込むと同時に取り付け板部分２９1 と２９2 の間及び取り付け板部分２９3 と２９4 の間の連結部３１でさらに分かれて取り付け板部分２９1 と２９4 に流れ込む。したがって、これらの連結部３１は図２の分岐点Ｐ２、Ｐ３に対応する。
【００７２】
ピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 に流れ込んだ電流は、それらに接続されている分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂに流入してこれらの分割コンデンサーを充電する。その充電によって給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２4 ）と接地側の放電電極３の間に十分な電圧がかかると、給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２4 ）と接地側の放電電極３の間で絶縁破壊が起こり、ピーキングコンデンサーＣＰ（分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ）から電流が流れる。電流は各分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂからピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 と電極給電線３２及び電極ホルダー２３に沿って対応するそれぞれの分割電極２1 〜２4 へ流れる。このとき、各分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂからの電流は、それぞれに対応する分割電極２1 〜２4 以外のループに流れることはない。
【００７３】
一度給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２4 ）と接地側の放電電極３の間で放電が起こった後、放電で消費され切れずに残った電荷は、再度分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂに充電される。その後、再充電した電流が流れるが、この電流も他の対応しない分割電極２1 〜２4 へは流れることなく、分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ個々とそれぞれに対応した分割電極２1 〜２4 各々とで形成される各分割ブロックに限定されて流れることになる。
【００７４】
このようにして、電流は個々の分割ブロックを独立に流れるため、相互に干渉することなく、レーザ励起放電を作り出す。そして、ピーキングコンデンサーＣＰを分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂで構成しているために、何れかの分割ブロックの分割電極２1 〜２4 に放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはそのブロックだけに止まり、放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【００７５】
ところで、図３〜図５の実施例では、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の両側に分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ２ａ、ＣＰ３ａ、ＣＰ４ａと分割コンデンサーＣＰ１ｂ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ｂを配置し、１個の分割電極に２個の分割コンデンサーを対応させているが、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の片側にのみ配置し、１個の分割電極に１個の分割コンデンサーを対応させる（図２）ようにしてもよい。あるいは、２個より多い数の分割コンデンサーを１個の分割電極に対応させるようにしてももちろんよい。
【００７６】
この実施例とは逆に、１個の分割コンデンサーに２個以上の分割電極を対応させるようにしてもよい。その場合の図３と同様の断面図を図６に示す。ただし、この場合は、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の片側にのみ分割コンデンサーＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、ＣＰ４、ＣＰ１を配置してあるものとする。この例では、給電側の放電電極２は分割電極２1 〜２8 に８分割しており、それに対して、ピーキングコンデンサーＣＰは分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ４に４分割しており、取り付け板部分２９1 〜２９4 それぞれに電極給電線３２と電極ホルダー２３を介して２つの分割電極２1 〜２2 、２3 〜２4 、２5 〜２6 、２7 〜２8 を接続するようにしている。このような構成でも、図３〜図５の実施例と同様に、放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはその分割電極と隣の分割電極からなるブロックだけに止まり、放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【００７７】
図７は、図３〜図５の実施例の変形例を示す図３と同様の図であり、この実施例では、接地側の放電電極３も、給電側の放電電極２に対応して同様に、間隔３３をおいて相互に１列に整列するように分割電極３1 〜３4 に４分割されており、電極ホルダー２６も分割電極３1 〜３4 に対応して分割されている。そして、各分割電極３1 〜３4 と分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂの他方の端子との間を電気的に接続するピーキングコンデンサー接地板２７も、同様の分割数のピーキングコンデンサー接地板部分２７1 〜２７4 に分割され、また、その機能の一部を担う支持兼通電部材２５も、各分割電極３1 〜３4 の両側にそれぞれ対応して片側４本の支持兼通電部材２５1 〜２５4 が配置される。そして、この例では、これら分割されたピーキングコンデンサー接地板部分２７1 〜２７4 とそれらそれぞれ対応する支持兼通電部材２５1 〜２５4 はそれぞれ一対一に絶縁板２２を通して接続されるようになっている（図示省く）。
【００７８】
このように、給電側だけでなく接地側の放電回路の電流経路を分割する理由は次の通りである。放電不安定性は放電内部の現象なので外部の回路の影響は小さい。しかし、ピーキングコンデンサーＣＰ（ＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ）の接地側は回路の電流経路であるため、長手方向の放電不安定性に影響を与える。この影響を最小限に抑制するためには、ピーキングコンデンサー接地板２７を分割することが望ましい。また、放電不安定性は主に給電側で発生するが、電流振動発振方式では、電極の極性は反転する。そのため、電源給電側でない放電電極３でも放電不安定性が発生する。そこで、接地側の放電電極３も分割することが望ましい。分割数は給電側の放電電極２と同じが好ましい。しかし、給電側の放電電極２より多くても少なくても効果はある。さらに、接地側の放電電極３の放電不安定性をさらに抑制するため、支持兼通電部材２５も接地側の放電電極３の分割数と同じにする。また、放電電極２、３間の組み立て精度を向上させるため等の目的で、接地側の放電電極３の電極ホルダー２６の長手方向が筐体２１に接触される場合もある。この経路は電気抵抗が小さく、放電の余計な経路になり得る。電極ホルダー２６を同時に分割することはこの影響を低減する効果も持つ。
【００７９】
次に、図８、図９に、図７の接地側の放電回路の電流経路を分割する構成に加えて、電源４側も同様に分割してさらに放電不安定性の影響を少なくする実施例を示す。図８の場合は、電源（高電圧パルス発生装置）４として、予め放電電極２、３の分割数（図の場合は４分割）に応じた出力端子２８1 〜２８4 を持たせておき、一方、ピーキングコンデンサー取り付け板も、その分割数に応じて取り付け板部分２９1 ’〜２９4 ’に完全に分割しておき、電源４を除き、放電回路を全て並列な分割ブロックに分割するようにしたものであり、いわば放電励起回路における分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３（図２）を電源４側に追いやって分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂからより遠くに離すことで、各分割ブロックの分離度を高めて放電不安定性の影響をより少なくする構成である。
【００８０】
図９の場合は、図８の構成をさらに進め、電源（高電圧パルス発生装置）も放電電極２、３の分割数（図の場合は４分割）に応じて別々で連携して動作する複数の電源４1 〜４4 とし、各電源４1 〜４4 の出力端子２８1 ’〜２８4 ’を別々に完全に分かれている取り付け板部分２９1 ’〜２９4 ’に接続するようにしたものであり、この場合は、放電励起回路が完全に分かれた分割ブロックとなり、各分割ブロックは略独立になり、放電不安定性の影響は最も少なくなる構成である。この構成は、１つのレーザ装置に対して、２分割から５分割がよく、分割電極２1 〜２4 、３1 〜３4 の長さは５０ｍｍから２００ｍｍ程度が望ましい
図１０は別の実施例を示す図２と同様の図である。この実施例においては、分割ブロック（分割コンデンサーＣＰ１と分割電極２1 と放電電極３とを結ぶ閉ループ等）間の分離度を高めるために、図２のような電気抵抗や浮遊（寄生）インダクタンスに加えて、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５の給電端子間に微小なインダクタンスのコイルＬＯ１〜ＬＯ４を接続することで、最短ルート以外のルートの電気抵抗やインダクタンスをより大きくして、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から対応しない分割電極２1 〜２5 へ電流がより流れないようにし、放電不安定性の影響をより少なくするようにした例である。この場合のコイルＬＯ１〜ＬＯ４それぞれのインダクタンスは、数ｎＨから５０ｎＨ程度に選ばれる。
【００８１】
次に、本発明に基づく放電励起ガスレーザ装置の具体例と比較例を示す。この放電励起ガスレーザ装置はＡｒＦエキシマレーザ装置として構成されており、構成に関する詳細は次の通りである。
【００８２】
具体例 比較例
○放電電極の分割の有無 あり なし
○放電電極総長さ ６００ｍｍ 同左
○放電電極間間隔 １６ｍｍ 同左
○分割した放電電極 給電側（カソード） −
接地側分割なし
○電極分割数 １８ ０
○分割電極１個の長さ 端部５９．５ｍｍ（端部２個） −
その他２９ｍｍ（その他部分１６個）
○分割電極間の隙間 １ｍｍ −
○その他 １個のピーキングコンデンサー −
（１８個）を１個の分割電極に接続
○動作条件
ＡｒＦエキシマレーザガス アルゴン３．５％、フッ素０．１％、 同左
キセノン１０ｐｐ、残りネオン
印加電圧 ２３ｋＶ 同左
ガス圧力 ３０００ｈＰａ 同左
繰り返し周波数 ４０００Ｈｚ 同左
ピーキングコンデンサ容量 ８ｎＦ 同左
放電回路のインダクタンス ５ｎＨ 同左
電圧の立ち上がり時間 ７０ｎｓｅｃ 同左 。
【００８３】
上記の本発明の具体例と比較例とのＡｒＦエキシマレーザ装置のレーザ発振波形は図１１に示す通りであり、放電電極の分割を行っていない比較例においては、パルスの長さを表すパラメータＴis（特許文献２）が４３．９８ｎｓｅｃであり、放電電極の分割の有無を除いて同じ条件の本発明の具体例においては、パラメータＴisが５４．２７ｎｓｅｃとなり、本発明に基づくパルスストレッチ技術が有効であることが分かる。なお、図１１の波形図から、本発明の具体例においては、ピークが３つあることから振動電流の最初の１／２周期とそれに続く４つの１／２周期においてもレーザ発振動作が持続しており、これに対して比較例では、ピークが２つしかないことから振動電流の最初の１／２周期とそれに続く２つの１／２周期においてしかレーザ発振が持続していないことが分かる。
【００８４】
以上、本発明の放電励起ガスレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形をすることが可能である。
【００８５】
なお、最後に、パルスストレッチに関して、本発明と従来例を模式的に比較して示すと、図１２のようになる。図１２（ａ）は電流振動発振方式における１パルスの放電電極間を正負反転しながら流れる電流を示しており、従来例においては、その１パルスの振動電流が流れている間に、図１２（ｂ）に矢印で示したような放電不安定性が放電領域のどこかで発生し、その位置に放電集中が起きてレーザ発振も停止してしまい、長いパルスが得られない。これに対して、本発明の方式によると、このような放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはその領域に止まり放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、図１２（ｃ）に示すように、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、本発明の方式に基づけば、従来例に比較してより長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明を適用する放電励起ガスレーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に基づく放電励起回路の基本構成を示す図である。
【図３】図１に示したような放電励起ガスレーザ装置における放電電極とピーキングコンデンサーの分割に関する１実施例の放電部の光軸に沿った断面図である。
【図４】図３の直線Ａ−Ａ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図である。
【図５】図３の直線Ｂ−Ｂ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図である。
【図６】別の実施例の図３と同様の断面図である。
【図７】図３〜図５の実施例の変形例を示す図３と同様の断面図である。
【図８】図７の構成に加えて電源側も同様に分割する実施例の構成を示す図３と同様の断面図である。
【図９】図７の構成に加えて電源側も同様に分割する別の実施例の構成を示す図３と同様の断面図である。
【図１０】さらに別の実施例を示す図２と同様の図である。
【図１１】本発明の具体例と比較例とのＡｒＦエキシマレーザ装置のレーザ発振波形を示す図である。
【図１２】本発明と従来例を模式的に比較して示す図である。
【図１３】従来の分割電極に安定化インダクタンスを付加したパルスストレッチ技術を適用した際の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図である。
【図１４】従来のスパイカーサステイナ回路を用いたパルスストレッチ技術を適用した際の図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図である。
【図１５】従来の電流振動発振方式を用いたパルスストレッチ技術を適用した際の図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図である。
【図１６】従来のパルス幅が短いレーザ装置における電極間を流れる電流（ａ）とレーザパルス幅（ｂ）の関係を示す図である。
【図１７】従来の短いパルスを持った電流振動発振方式のレーザ装置の模式的な回路図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…レーザチャンバ
２…給電側放電電極
２1 〜２8 …給電側放電電極の分割電極
３…接地側放電電極
３1 〜３4 …接地側放電電極の分割電極
４、４1 〜４4 …電源（高電圧パルス発生装置）
５…ＣＦＦ（クロスフローファン）
６…冷却用熱交換器
７…狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）
８…出力鏡
９…ビームサンプラー
１０…ビームモニタ
１１…拡大プリズム
１２…グレーティング（回折格子）
１３…コントローラ
１４…ガス供給ライン（ｇａｓ ｉｎ）
１５…ガス排気ライン（ｇａｓ ｏｕｔ）
１６…真空ポンプ
１７、１８…バルブ
１９…コロナ予備電離部
２１…筐体
２２…絶縁板
２３…電極ホルダー
２４…間隔
２５、２５1 〜２５4 …支持兼通電部材
２６…電極ホルダー
２７…ピーキングコンデンサー接地板
２７1 〜２７4 …ピーキングコンデンサー接地板部分
２８、２８1 〜２８4 、２８1 ’〜２８4 ’…電源の出力端子
２９…ピーキングコンデンサー取り付け板
２９1 〜２９4 …取り付け板部分
２９1 ’〜２９4 ’…取り付け板部分
３０…スリット
３１…連結部
３２…電極給電線
ＳＬ０…固体スイッチ保護用磁気スイッチ
ＳＬ１…第１の磁気スイッチ
ＳＬ２…第２の磁気スイッチ
ＨＶ…高電圧電源
Ｌ１…インダクタンス
ＳＷ…固体スイッチ
Ｃ０…主コンデンサー
Ｃ１…第１のコンデンサー
Ｃ２…第２のコンデンサー
ＣＰ…ピーキングコンデンサー
ＣＰ１〜ＣＰ５、ＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ…分割コンデンサー
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…分岐点
ＬＯ１〜ＬＯ４…微小なインダクタンスのコイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電励起ガスレーザ装置に関し、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置等の半導体露光装置用の放電励起ガスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、半導体露光用光源として、従来の水銀ランプが放出する光より短い波長の光を放出するガスレーザ装置が用いられる。この露光用ガスレーザ装置として、現在、放電波長２４８ｎｍの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。また、次世代を担う半導体露光用光源としては、波長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置、波長１５７ｎｍの紫外線を放出するフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置が有力である。
【０００３】
ＫｒＦエキシマレーザ装置においては、レーザ媒質であるレーザガスとして、フッ素（Ｆ2 ）ガスとクリプトン（Ｋｒ）ガス、及び、バッファーガスとしてネオン等の希ガスからなる混合ガスを、ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、レーザ媒質として、フッ素（Ｆ2 ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガス、及び、バッファーガスとしてネオン等の希ガスネオン等の希ガスからなる混合ガスを、フッ素分子レーザ装置においては、フッ素（Ｆ2 ）ガスとバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）やネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガスを用いる。通常、これらレーザガスをレーザチャンバ内に数百ｋＰａで封入して使用する。
【０００４】
このような露光用ガスレーザ装置の構成例を図１に示す。レーザチャンバ１内には所定のレーザガスが満たされており、そのレーザガスを励起するための一対の放電電極２、３がレーザ発振方向と垂直な向きに所定の距離だけ離間して対向配置される。この一対の放電電極２、３には、電源（高電圧パルス発生装置）４により高電圧パルスが印加され、放電電極２、３間にかかる電圧がある値（ブレークダウン電圧）に到達すると、放電電極２、３間のレーザガスが絶縁破壊されて放電が開始する。この放電により、レーザガスが励起され、レーザ発振の元となる蛍光が発生する。すなわち、露光用ガスレーザ装置は、放電の繰り返しによるパルス発振を行い、放出するレーザ光はパルス光となる。
【０００５】
ここで、放電電極２、３間で安定な放電を実現するために、放電の前に放電電極間のレーザガスは、不図示の予備電離手段により予備電離される。予備電離の実現は、予備電離手段から紫外光を予備電離光として放電電極２、３間のレーザガスに向けて放出することによりなされる。なお、高繰り返し発振の際、放電により生じた電離物質等を次の放電前に放電空間から除去することを目的として、ＣＦＦ（クロスフローファン）５の回転によりレーザガスはレーザチャンバ１内を循環している。また、放電により生じた熱をレーザチャンバ１内から除去することを目的として、レーザチャンバ１内に冷却用熱交換器６が設置される。この冷却用熱交換器６の内部は、冷却剤が流されている。放電によって加熱されたレーザガスは、循環の際に冷却用熱交換器６を通ることにより冷却される。
【０００６】
放電により生じた蛍光は、狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）７により所定の波長に選定されながら狭帯域化され、出力鏡８との間を往復することにより発振し、レーザ光として出力鏡８から取り出される。レーザ光の一部はビームサンプラー９により分けられ、レーザパルスのエネルギ、安定度、及び、パルス幅等がビームモニタ１０により測定される。
【０００７】
なお、狭帯域化モジュール７は、例えば、図１に示すように、１個以上の拡大プリズム１１とグレーティング（回折格子）１２により構成される。
【０００８】
コントローラ１３は、ビームモニタ１０からの情報に基づき、レーザパルスのエネルギや波長制御を行う。
【０００９】
例えば、波長制御は、ビームモニタ１０からの波長情報に基づき、グレーティング１２の姿勢を調節してレーザビームのグレーティング１２への入射角を制御して行われる。また、エネルギ制御は、ビームモニタ１０からのエネルギ情報に基づいて、電源４から放電電極への印加電圧を制御したり、レーザチャンバ１内のレーザガスの混合比や圧力を制御することによりなされる。
【００１０】
ここで、レーザガス制御は、例えば、レーザチャンバ１に接続されたガス供給ライン（ｇａｓ ｉｎ）１４、レーザチャンバ１及び真空ポンプ１６に接続されたガス排気ライン（ｇａｓ ｏｕｔ）１５のバルブ１７、１８の開閉を行うことによりなされる。
【００１１】
ところで、近年、露光用エキシマレーザ装置において、ますます高出力化・狭帯域化が求められている。 この傾向は、ＡｒＦエキシマレーザ装置においてさらに顕著になると考えられる。 その大きな理由として、ＡｒＦエキシマレーザでの露光で用いられるレジストはＫｒＦエキシマレーザ用のものより感度が悪いことや、高スループット・高分解能等からの要請等があげられる。
【００１２】
この高出力化により、露光用レーザ装置では光学素子の損傷が問題となっている。これは、レーザ装置の高出力化に伴い、露光機内部や、レーザ装置内部の光学素子に大きな負荷がかかり、光学素子が損傷して寿命が短くなるという問題が発生しているからである。そこで、高出力でも光学素子の寿命を延ばすために、光学素子に損傷を与えない方法が必要になる。
【００１３】
光学素子の損傷低減には、パルスストレッチ技術が有効である。それは、以下の理由による。光学素子の損傷は、レーザ光のピーク値に強く依存する。したがって、エネルギのピーク値を下げるために、同じエネルギでも、レーザのパルス幅を長くすることで、光学素子の損傷を低減することができる。このレーザパルス幅を長くする技術は、パルスストレッチ技術と呼ばれる。
【００１４】
パルスストレッチ技術には、放電式と光学式がある。放電式では、レーザ励起源である放電時間を延ばすことでパルス幅を延伸する。レーザ励起源でパルスを延伸させるため、レーザ装置内部の光学素子の負荷も軽減できる長所がある。光学式では、レーザ発振器から出た光に光路遅延をかけて重畳する。したがって、レーザ装置内部への負荷は軽減されず、また、効率を落とす欠点がある。
【００１５】
そこで、後記する本発明では、レーザ装置内部の光学素子の長寿命化も可能な放電式パルスストレッチ技術の手段を提供することとする。
【００１６】
放電式パルスストレッチ技術では、放電中のレーザ利得を均一に長時間持続することが重要になる。それは、放電時間を延ばすことによるパルスストレッチ技術では、放電の不安定性発生によるレーザ利得均一性の破壊、それによるレーザ発振の停止が問題となっているからである。レーザ利得の不均一は、放電部での集中放電の発生により生じる。特にエキシマレーザでは、電極長手方向に放電の空間不安定性が発生しやすい。それは、エキシマレーザ励起には、長い放電空間が必要であり、長い放電空間では、放電均一性が保ち難いからである。
【００１７】
従来技術は、このレーザ利得を空間的に均一に、長時間持続させることを目的に研究されてきた。放電時間を延ばしてパルスストレッチする技術としては、分割電極に安定化インダクタンスを付加したものや、スパイカーサステイナ回路、電流振動方式等がある。
【００１８】
上記の分割電極に安定化インダクタンスを付加したパルスストレッチ技術（特許文献１）を適用した際の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図を図１３に示す。一般に、長い電極と短い電極を比べれば、長い電極で放電不均一性が発生しやすい。そこで、電極を分割することで、一つ一つの電極を短いものとし、長さに起因する放電不安定性を抑制する。これにより、電極長手方向の放電空間不均一性を抑制する。さらに、１つの分割電極に過剰な電流が集中し、放電部で集中放電を発生させないために、電流制限素子（安定化素子）として、インダクタンスや電気抵抗を付加している。この技術では、後述のスパイカーサステイナ回路と比べて、小型化が可能となる。また、分割電極技術でＫｒＦエキシマレーザ装置で半値全幅６０ｎｓｅｃ、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置で半値全幅で１００ｎｓｅｃ以上の長パルスを実現できる。
【００１９】
しかしながら、分割電極に安定化素子を付加したパルスストレッチ回路では、レーザの高繰り返し動作時に、パルス幅が短くなる問題がある。比較的低い繰り返し周波数（１０００Ｈｚ以上）で、図１３（ａ）に矢印で示したような放電不安定性が発生してしまう。この方式では、１０００Ｈｚ以上では、図１３（ａ）に破線で示したように、パルスストレッチがかからなくなり、短いパルスになってしまう。
【００２０】
また、分割電極にインダクタンスを付加したパルスストレッチ回路では、高繰り返し動作時に安定化素子の動作に問題がある。安定化素子として用いられるインダクタンスや電気抵抗は、本質的に電流を消費する素子である。そのため、レーザ高繰り返し動作時には、発熱や、電気絶縁の不良、コロナ放電によるオゾンの発生等の問題が生じる。そのため、高繰り返し動作時でも安定に回路を動作させようとすると、冷却回路等が必要になる。また、そのような素子が存在することで、システムとしての信頼性を損なう恐れがある。
【００２１】
また、スパイカーサステイナ回路を用いたパルスストレッチ技術（非特許文献１）を適用した際の図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図を図１４に示す。スパイカーサステイナ回路では、放電を開始させる高電圧短パルスの電圧を印加し、その後、放電を維持させるための低電圧電流を重畳させる。これにより、放電中のレーザ利得を長時間維持することが可能になり、パルスストレッチが可能となる。この技術では、ＫｒＦエキシマレーザ装置やＡｒＦエキシマレーザ装置で１００ｎｓｅｃ以上の長パルスを実現できる。
【００２２】
しかしながら、スパイカーサステイナ回路でも、低い繰り返し周波数でしか安定してパルスストレッチができないという欠点がある。それは、電極長手方向に均一放電を発生させることが難しいことによる。パルスストレッチのための低電圧で長い時間の電圧は、低繰り返し（２０００Ｈｚ以下）では均一な放電を維持できる。しかし、それ以上の繰り返し周波数では、放電長手方向に集中放電が発生する等して、レーザ利得の不均一性を招く。したがって、繰り返し周波数を増加させると、パルスストレッチがかからなくなるという欠点を持つ。
【００２３】
また、スパイカーサステイナ技術では、装置が大型化するという欠点も持つ。パルス整形回路（Pulse Forming Network,ＰＦＮ、又は、Pulse Forming Line, ＰＦＬ）と呼ばれるインダクタンス、コンデンサーを組み合わせた回路が必要となる。そのために、電源と放電チャンバの接続部が大型化する。また、高繰り返し動作時には、各素子の冷却、電気絶縁の問題も発生するため、装置を小型化するのが難しい。
【００２４】
上記２方式の欠点として、２０００Ｈｚ以上の高繰り返し動作時に、放電不安定性が発生し、パルスが短くなってしまうことがある。そこで、この欠点をを補う方式として、電流振動発振方式がある（特許文献２、特許文献３）。この方式では、レーザチャンバの充放電部のインダクタンスを可能な限り小さくすることで、電極間にかかる電圧を振動させ、振動電流の最初の１／２周期とそれに続く少なくとも１つの１／２周期においてもレーザガスの励起を行わせてレーザ発振動作を持続させることで、長いパルスのレーザ光を発振させる方式である。図１５に図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図を示す。このように電極間にかかる電流を振動させることで、レーザ利得を比較的長時間維持できる。この技術では、ＫｒＦエキシマレーザ装置やＡｒＦエキシマレーザ装置でＴisが４０ｎｓｅｃ以上のパルス幅を４０００Ｈｚで実現できる。
【００２５】
電流振動発振方式で、高繰り返し動作時（２０００Ｈｚ以上）でも安定した長いパルスを実現できるのは、放電の時間的不安定性を抑制しているからである。電流振動方式では、電圧を正負又は０付近まで変動させる。これにより、電極は短時間に極性が変るか、電位が短時間で大幅に変動する。このように、時間的に速い変化をする電圧を印加すると、放電で起きた揺らぎがレーザ利得を乱すまでに成長する前に放電の状態をリセットすることができる。これにより、放電の不安定性も成長することなく、長時間にわたって均一なレーザ利得を持つ放電を維持できる。この技術は、時間的放電不安定性に対して強い回路であるため、高繰り返し時にもパルスストレッチが有効に働き、特に２０００Ｈｚ以上の高繰り返しでも長いパルスを生成することができる。
【００２６】
さらに、電流振動発振方式では、上記２方式のように電気回路に素子等を付加することなく実現できるため、装置がコンパクトになるという利点も持つ。
【００２７】
しかしながら、電流振動発振方式では、時間的な放電不安定性のみを抑制しているため、従来例に比べてパルス幅が短いという欠点がある。よって、さらに長いパルス（パルス幅ＦＷＨＭ、若しくは、Ｔisで５０ｎｓｅｃ以上）を、高繰り返し動作（４０００Ｈｚ以上）をさせるためには、新たな技術が必要である。
【特許文献１】米国特許第４，６０１，０３９号明細書
【特許文献２】特開２００１−１５６３６７号公報
【特許文献３】特許第３，４２７，８８９号公報
【非特許文献１】IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTORONICS,VOL.5,NO.6,NOVEMBER/DECEMBER(1999),PP.1515-1521
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
従来のパルス幅が短いレーザ装置における電極間を流れる電流（ａ）とレーザパルス幅（ｂ）の関係を図１６に示す。電極間を流れる電流は、正負反転しながら流れる。普通に考えると、電流が流れている間は、放電が維持されているので、レーザ発振は持続するはずである。しかしながら、電極間に電流が流れ続けていても、実際のレーザ発振は停止してしまう。これは、いくら放電が持続していても、レーザ利得が得られていないという現象が生じていることを示している。以上のようなレーザ発振の停止は、図１６に矢印で示したような放電不安定性に起因している。すなわち、放電が持続し、電流が流れていても、放電領域のどこかで放電不安定性が発生し、その位置に放電集中が起きると、レーザ発振も停止してしまい、長いパルスが得られないということである。
【００２９】
この点を電流振動発振方式を例にあげて説明する。図１７に従来の短いパルスを持った電流振動発振方式のレーザ装置の模式的な回路図を示す。コンデンサーＣ２と磁気スイッチＳＬ２を含む高電圧パルス発生装置の出力端にピーキングコンデンサーＣＰを構成する多数の分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５が並列に接続されており、ピーキングコンデンサーＣＰの各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から流れ出た電荷は回路を通して放電電極２、３間で放電を起こす。このとき、放電電極２、３間の放電の一部で放電不均一性が発生すると、そこに各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からの電荷の流れが集中する。その理由は、放電不均一性が存在する場所は抵抗が低いからである。このとき、図１７に示すように、給電側の放電電極２は長手方向に電気的に絶縁されておらず、また、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から給電側の放電電極２への回路も実質的に分割されていないため、放電不安定性が起きた部分に全ての分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からの全電荷が集中してしまう。これにより、放電集中が増幅され、レーザ利得均一性の破壊を起こし、レーザ発振が停止する。このような状況で、短いパルスのレーザ光しか発振できなくなる。そのため、長いパルスを高繰り返し動作時に得ることができなかったと言える。
【００３０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放電不安定性に基づく放電集中を防止して、格段に長いパルス幅を持ちながら、高繰り返し動作時でも安定したパルス幅を出力しかつ安定なレーザ発振可能な放電励起ガスレーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成する本発明の放電励起ガスレーザ装置は、レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続され、かつ、前記分割コンデンサーは１個以上の分岐点を介して前記高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続されており、前記並列に接続された分割コンデンサーが前記放電用コンデンサーを構成していることを特徴とするものである。
【００３２】
この場合に、一対の放電電極の中の給電側と反対側の放電電極も長手方向に、給電側の放電電極の分割に対応して複数の分割電極に分割されていることが望ましい。
【００３３】
その場合に、給電側の分割電極と対応する接地側の分割電極とが各々、単数又は複数の分割コンデンサーを介して、異なる接続線路によって接続されていることが望ましい。
【００３４】
また、複数の分割電極個々あるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々に接続された単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子間にインダクタンスのコイルが接続されているようにしてもよい。
【００３５】
本発明のもう１つの放電励起ガスレーザ装置は、レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続されており、かつ、前記単数又は複数の分割コンデンサー各々が、相互に連携して動作する複数の高電圧パルス発生装置各々の出力端に接続されており、前記単数又は複数の分割コンデンサーがそれぞれの分割電極あるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群に対する放電用コンデンサーを構成していることを特徴とするものである。
【００３６】
以上において、一対の放電電極間の放電によって流れる電流が極性が反転する放電振動電流からなり、その極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも１つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成されていることが好ましい。
【００３７】
また、レーザガスがフッ素ガスとアルゴンガスを含む混合ガスからなり、ＡｒＦエキシマレーザ装置として構成することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明においては、一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極とそれに接続される放電用コンデンサーとを分割し、その分割された分割コンデンサーを１個以上の分岐点を介して高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続するか、高電圧パルス発生装置を分割数に対応する複数のものから構成することにより、放電不安定性が放電領域のどこかで発生しても、レーザ利得の乱れはその領域に止まり放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、従来例に比較してより長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。これによって、従来は両立できなかった、長いパルス幅（Ｔis若しくは半値全幅で〜１００ｎｓｅｃ）と高繰り返し動作（４０００Ｈｚ以上）のＡｒＦエキシマレーザ装置等の放電励起ガスレーザ装置を実現することができる。さらに、本発明によると、放電安定性が格段に改善されるため、レーザエネルギの安定性が改善される。例えば、レーザガスの循環速度が低い場合でも、安定したレーザ発振が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下に、本発明の放電励起ガスレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明する。
【００４０】
本発明の放電励起ガスレーザ装置の原理は、電源の高電圧パルス発生装置の出力端に並列に接続されるピーキングコンデンサーと放電電極をそれぞれ複数に分割し、各分割コンデンサーを対応する分割電極に接続すると共に、各分割コンデンサーを１個以上の分岐点を介して高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続することにより、放電領域のどこかで放電不安定性が発生しても放電集中が起き難くして、従来は両立できなかった、長いパルス幅（Ｔis若しくは半値全幅で５０ｎｓｅｃ以上）と高繰り返し動作（４０００Ｈｚ以上）を実現するようにしたものである。
【００４１】
本発明は、電流振動発振方式の放電励起ガスレーザ装置に限定されず、種々の放電励起パルスレーザ装置に適用できるが、特許文献２で開示された電流振動発振方式のエキシマレーザ装置に本発明を適用した例に基づいて、本発明を以下に説明する。
【００４２】
この例の放電励起ガスレーザ装置は図１のように構成され、図２に示すような放電励起回路が採用される。図１の構成の説明は前記の通りである。図２の励起回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＬ０は固体スイッチＳＷ保護用のものであり、第１の磁気スイッチＳＬ１と第２の磁気スイッチＳＬ２により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【００４３】
図２に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値に調整され、磁気スイッチＳＬ０、インダクタンスＬ１を介して主コンデンサーＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサーＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は磁気スイッチＳＬ０の両端にかかるよう移り、固体スイッチＳＷを保護する。磁気スイッチＳＬ０の両端にかかる主コンデンサーＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＬ０の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ０が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサーＣ０、磁気スイッチＳＬ０、固体スイッチＳＷ、コンデンサーＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサーＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサーＣ１に充電される。
【００４４】
この後、コンデンサーＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＬ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ１が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサーＣ１、コンデンサーＣ２、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサーＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサーＣ２に充電される。
【００４５】
さらにこの後、コンデンサーＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＬ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサーＣ２、ピーキングコンデンサーＣＰ、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサーＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサーＣＰが充電される。
【００４６】
ピーキングコンデンサーＣＰの充電が進むにつれてコロナ予備電離部１９に印加される電圧が上昇し、その電圧が所定の電圧になるとのコロナ予備電離部１９にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によってコロナ予備電離部１９から紫外線が発生し、放電電極２、３間のレーザ媒質であるレーザガスが予備電離される。
【００４７】
ピーキングコンデンサーＣＰの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサーＣＰの電圧が上昇し、この電圧がある値（ブレークダウン電圧）に達すると、放電電極２、３間のレーザガスが絶縁破壊されて放電が開始し、この放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【００４８】
この後、放電によりピーキングコンデンサーＣＰの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
【００４９】
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
【００５０】
ここで、磁気スイッチＳＬ１、ＳＬ２及びコンデンサーＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、放電電極２、３間に短パルスの強い放電が実現される。
【００５１】
なお、高電圧電源ＨＶから第２の磁気スイッチＳＬ２までが図１の電源（高電圧パルス発生装置）４を構成している。
【００５２】
ここで、電流振動発振方式を実現するために、特許文献２に示されているような回路定数、レーザガスの組成、放電電流回路の浮遊インダクタンス等が選択される。
【００５３】
このような放電励起回路において、本発明に基づいて、ピーキングコンデンサーＣＰと給電側の放電電極２がそれぞれ複数（図では５個）に分割されており、ピーキングコンデンサーＣＰは並列接続された分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からなり、給電側の放電電極２は一列に整列され相互に間隔をおいて分離された分割電極２1 〜２5 からなる。そして、高電圧パルス発生装置４の給電側の出力端は、分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５それぞれの給電側端子に接続され、かつ、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５それぞれの給電側端子は給電側の放電電極２の分割電極２1 〜２5 それぞれに接続されている。
【００５４】
このような構成であるので、高電圧電源ＨＶから第２の磁気スイッチＳＬ２までからなる電源（高電圧パルス発生装置）４より印加されるパルス状の電圧は、高電圧パルス発生装置４の給電側の出力端から分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５それぞれに印加される。このとき、電流は給電側の出力端、分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を通り、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５に充電される。給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２5 ）と接地側の放電電極３の間に十分な電圧がかかると、給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２5 ）と接地側の放電電極３の間で絶縁破壊が起こり、ピーキングコンデンサーＣＰ（分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５）から電流が流れる。電流は各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から接続線路に沿って対応するそれぞれの分割電極２1 〜２5 へ流れる。このとき、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からの電流は、それぞれに対応する分割電極２1 〜２5 以外のループに流れることはない。その理由は、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から対応する分割電極２1 〜２5 へは分岐点を介することはなく最短ルートで接続されており、一方、対応しない分割電極２1 〜２5 へは１個以上の分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を介して最短ルートより長いルートで接続されている。分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から分割電極２1 〜２5 への接続ルートには、電気抵抗や浮遊（寄生）インダクタンスが存在し、複数の接続ルートがある場合に、インダクタンスを含む抵抗の最も小さいルートに沿って流れようとするから、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５からは、分岐点を介することはなく最短ルートで対応する分割電極２1 〜２5 へ電流が流れ、他の対応しない分割電極２1 〜２5 へは実質的に電流は流れない。
【００５５】
一度給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２5 ）と接地側の放電電極３の間で放電が起こった後、放電で消費され切れずに残った電荷は、再度分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５に充電される。その後、再充電した電流が流れるが、この電流も他の対応しない分割電極２1 〜２5 へは流れることなく、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５個々とそれぞれに対応した分割電極２1 〜２5 各々とで形成される各分割ブロックに限定されて流れることになる。
【００５６】
このようにして、電流は個々の分割ブロック（例えば、分割コンデンサーＣＰ１と分割電極２1 と放電電極３とを結ぶ閉ループからなる）を独立に流れるため、相互に干渉することなく、レーザ励起放電を作り出す。そして、ピーキングコンデンサーＣＰを分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５で構成しているために、何れかの分割ブロックの分割電極２1 〜２5 に放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはそのブロックだけに止まり、放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【００５７】
特許文献１に開示された従来の分割電極に安定化素子を付加したパルスストレッチ回路方式と本発明の方式が本質的に異なるのは、電流を制限する安定化素子を放電回路中に用いないことである。実際には、電気回路には浮遊インダクタンス成分が含まれるが、この浮遊インダクタンス成分は放電回路中に直列には含まれず、また、従来技術と比べると格段に小さい。従来の安定化素子に使われるコイルのインダクタンス容量は、１個当たり数百ｎＨであるが、本発明の方式の場合、浮遊インダクタンスとしては、数ｎＨ程度になる。
【００５８】
また、本発明の方式においては、従来のパルスストレッチ回路に比べて、格段に小型化可能である。これは、従来の分割電極に安定化素子を付加した方式とは異なり、放電安定化素子を用いることなく、電気回路構造による分布定数を利用し、パルスストレッチ回路を実現するためである。さらには、そのような放電安定化素子を用いないため、高繰り返し時の発熱、電気絶縁の破壊等も起きない。そのため、従来のパルスストレッチ方式に比べて、高繰り返し動作時に高い信頼性を持つという特長を持つ。
【００５９】
このように、本発明の放電励起ガスレーザ装置は、従来の比して格段に長いパルス幅を持ちながら、高繰り返し動作時でも安定したパルス幅を出力し、かつ、安定なパルスレーザが発振が可能となる。
【００６０】
本発明の方式を適用するに当たり、放電電極を分割するのは、電源給電側の放電電極を分割するのが最も効果的であり、なおかつ、欠かすことができない。なぜならば、放電の不安定性が最も高い点は電流給電側であるためである。以下に、具体的な放電電極、ピーキングコンデンサー等の分割方法について説明する。
【００６１】
ＡｒＦエキシマレーザ装置を例にとると、実際の放電電極は２００ｍｍから１０００ｍｍ程度の長さであるが、分割数は５分割以上が好ましい。すなわち、分割された放電電極のそれぞれ（分割電極）の長さは５ｍｍから２００ｍｍ程度がよい。好ましくは、分割された電極の１つの長さは３０ｍｍから１００ｍｍ程度で安定的にパルスストレッチが可能となる。また、分割電極間の間隔は、電気絶縁の確保の観点より０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度が好ましい。しかしながら、その間隔を大きくとって電気絶縁を確保しようとすると、レーザ全体の利得を損なう。したがって、好ましい電極間間隔としては１ｍｍ程度が望ましい。
【００６２】
また、このときの放電励起回路の条件としては、ピーキングコンデンサ容量は４〜１０ｎＦ、放電回路のインダクタンスは４〜８ｎＨ、電圧の立ち上がり時間は６０〜８０ｎｓｅｃ程度、放電電極間にかかる電圧は２０〜３０ｋＶである。
【００６３】
次に、図１に示したような放電励起ガスレーザ装置における放電電極とピーキングコンデンサーの分割に関する実施例を説明する。図３はその１実施例の放電部の光軸に沿った断面図であり、図４は図３の直線Ａ−Ａ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図であり、図５は図３の直線Ｂ−Ｂ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図である。この実施例においては、給電側の放電電極２は簡単のため４分割されているが、実際には、上記のように５分割以上にすることが好ましい。
【００６４】
この放電励起ガスレーザ装置において、給電側の放電電極（この例では、カソード）２は分割電極２1 〜２4 に４分割されている。そして、レーザチャンバー１を構成する金属性の筐体２１の上部の開口に放電空間の長手に沿うように気密に長尺の絶縁板２２が嵌め込まれており、その絶縁板２２の下側（レーザチャンバー１内側）に、同様に分割された導電性の電極ホルダー２３を介して、相互に間隔２４をおいて１列に整列するようにこの分割電極２1 〜２4 が取り付けられている。
【００６５】
また、接地側の放電電極（この例では、アノード）３は長尺の連続した電極からなる。そして、絶縁板２２の両側の筐体２１の下面に放電電極２の両側に沿うように複数（この例では片側３本）の棒状の支持兼通電部材２５が取り付けられており、支持兼通電部材２５の先端間に導電性で長尺の電極ホルダー２６が放電電極２と平行に張り渡されており、電極ホルダー２６の上の給電側の放電電極２に対向する位置にこの接地側の放電電極３が取り付けられている。放電電極３に沿った両側の放電空間を見込む位置には、コロナ予備電離部１９が取り付けられている。
【００６６】
絶縁板２２の両側の筐体２１の上面に放電電極２の両側に沿うように取り付けられた一対の導電性のピーキングコンデンサー接地板２７により、筐体２１の上側に電源（高電圧パルス発生装置）４が取り付けられており、電源４から下方に突き出た出力端子２８は、導電性のピーキングコンデンサー取り付け板２９の上辺に接続されいる。
【００６７】
ピーキングコンデンサー取り付け板２９は、絶縁板２２の上面であって一対のピーキングコンデンサー接地板２７の間に、放電電極２と平行に取り付けられており、一対のピーキングコンデンサー接地板２７の間の空間を２分している。
【００６８】
このピーキングコンデンサー取り付け板２９は、図３から明らかなように、長尺で矩形形状をしており、分割電極２1 〜２4 間の間隔２４に対応する数（この例では３個）のスリット３０が絶縁板２２側の辺から長尺の矩形形状を略等分するように反対側（出力端子２８側）の辺近傍まで設けられており、その反対側の辺と各スリット３０の間に連結部３１を残している。スリット３０で分けられた部分を分割電極２1 〜２4 と同じ順序で取り付け板部分２９1 〜２９4 とする。
【００６９】
取り付け板部分２９1 〜２９4 と分割電極２1 〜２4 が対応する電極ホルダー２３との間の絶縁板２２中には貫通するように電極給電線３２が埋め込まれており、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 と分割電極２1 〜２4 の電極ホルダー２３との間を電気的に接続している。
【００７０】
また、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 と両側のピーキングコンデンサー接地板２７との間には、それぞれ同様な分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂの８個の分割コンデンサーが配置されており、分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂの一方の端子は取り付け板部分２９1 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続され、分割コンデンサーＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂの一方の端子は取り付け板部分２９2 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続され、分割コンデンサーＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂの一方の端子は取り付け板部分２９3 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続され、分割コンデンサーＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂの一方の端子は取り付け板部分２９4 に、他方の端子はピーキングコンデンサー接地板２７に接続されている。
【００７１】
このような構成であるので、電源４よりパルス状の電圧が印加されると、出力端子２８からピーキングコンデンサー取り付け板２９の上辺の取り付け板部分２９2 と２９3 の間近傍からピーキングコンデンサー取り付け板２９に電流が流れ込み、取り付け板部分２９2 と２９3 の間の連結部３１で両側に分かれる。したがって、この連結部３１は図２の分岐点Ｐ１に対応する。その電流は、分岐点Ｐ１の両側の取り付け板部分２９2 と２９3 に流れ込むと同時に取り付け板部分２９1 と２９2 の間及び取り付け板部分２９3 と２９4 の間の連結部３１でさらに分かれて取り付け板部分２９1 と２９4 に流れ込む。したがって、これらの連結部３１は図２の分岐点Ｐ２、Ｐ３に対応する。
【００７２】
ピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 に流れ込んだ電流は、それらに接続されている分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂに流入してこれらの分割コンデンサーを充電する。その充電によって給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２4 ）と接地側の放電電極３の間に十分な電圧がかかると、給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２4 ）と接地側の放電電極３の間で絶縁破壊が起こり、ピーキングコンデンサーＣＰ（分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ）から電流が流れる。電流は各分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂからピーキングコンデンサー取り付け板２９の取り付け板部分２９1 〜２９4 と電極給電線３２及び電極ホルダー２３に沿って対応するそれぞれの分割電極２1 〜２4 へ流れる。このとき、各分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂからの電流は、それぞれに対応する分割電極２1 〜２4 以外のループに流れることはない。
【００７３】
一度給電側の放電電極２（分割電極２1 〜２4 ）と接地側の放電電極３の間で放電が起こった後、放電で消費され切れずに残った電荷は、再度分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂに充電される。その後、再充電した電流が流れるが、この電流も他の対応しない分割電極２1 〜２4 へは流れることなく、分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ個々とそれぞれに対応した分割電極２1 〜２4 各々とで形成される各分割ブロックに限定されて流れることになる。
【００７４】
このようにして、電流は個々の分割ブロックを独立に流れるため、相互に干渉することなく、レーザ励起放電を作り出す。そして、ピーキングコンデンサーＣＰを分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂで構成しているために、何れかの分割ブロックの分割電極２1 〜２4 に放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはそのブロックだけに止まり、放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【００７５】
ところで、図３〜図５の実施例では、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の両側に分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ２ａ、ＣＰ３ａ、ＣＰ４ａと分割コンデンサーＣＰ１ｂ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ｂを配置し、１個の分割電極に２個の分割コンデンサーを対応させているが、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の片側にのみ配置し、１個の分割電極に１個の分割コンデンサーを対応させる（図２）ようにしてもよい。あるいは、２個より多い数の分割コンデンサーを１個の分割電極に対応させるようにしてももちろんよい。
【００７６】
この実施例とは逆に、１個の分割コンデンサーに２個以上の分割電極を対応させるようにしてもよい。その場合の図３と同様の断面図を図６に示す。ただし、この場合は、ピーキングコンデンサー取り付け板２９の片側にのみ分割コンデンサーＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、ＣＰ４、ＣＰ１を配置してあるものとする。この例では、給電側の放電電極２は分割電極２1 〜２8 に８分割しており、それに対して、ピーキングコンデンサーＣＰは分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ４に４分割しており、取り付け板部分２９1 〜２９4 それぞれに電極給電線３２と電極ホルダー２３を介して２つの分割電極２1 〜２2 、２3 〜２4 、２5 〜２6 、２7 〜２8 を接続するようにしている。このような構成でも、図３〜図５の実施例と同様に、放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはその分割電極と隣の分割電極からなるブロックだけに止まり、放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【００７７】
図７は、図３〜図５の実施例の変形例を示す図３と同様の図であり、この実施例では、接地側の放電電極３も、給電側の放電電極２に対応して同様に、間隔３３をおいて相互に１列に整列するように分割電極３1 〜３4 に４分割されており、電極ホルダー２６も分割電極３1 〜３4 に対応して分割されている。そして、各分割電極３1 〜３4 と分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ；ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ；ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ；ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂの他方の端子との間を電気的に接続するピーキングコンデンサー接地板２７も、同様の分割数のピーキングコンデンサー接地板部分２７1 〜２７4 に分割され、また、その機能の一部を担う支持兼通電部材２５も、各分割電極３1 〜３4 の両側にそれぞれ対応して片側４本の支持兼通電部材２５1 〜２５4 が配置される。そして、この例では、これら分割されたピーキングコンデンサー接地板部分２７1 〜２７4 とそれらそれぞれ対応する支持兼通電部材２５1 〜２５4 はそれぞれ一対一に絶縁板２２を通して接続されるようになっている（図示省く）。
【００７８】
このように、給電側だけでなく接地側の放電回路の電流経路を分割する理由は次の通りである。放電不安定性は放電内部の現象なので外部の回路の影響は小さい。しかし、ピーキングコンデンサーＣＰ（ＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ）の接地側は回路の電流経路であるため、長手方向の放電不安定性に影響を与える。この影響を最小限に抑制するためには、ピーキングコンデンサー接地板２７を分割することが望ましい。また、放電不安定性は主に給電側で発生するが、電流振動発振方式では、電極の極性は反転する。そのため、電源給電側でない放電電極３でも放電不安定性が発生する。そこで、接地側の放電電極３も分割することが望ましい。分割数は給電側の放電電極２と同じが好ましい。しかし、給電側の放電電極２より多くても少なくても効果はある。さらに、接地側の放電電極３の放電不安定性をさらに抑制するため、支持兼通電部材２５も接地側の放電電極３の分割数と同じにする。また、放電電極２、３間の組み立て精度を向上させるため等の目的で、接地側の放電電極３の電極ホルダー２６の長手方向が筐体２１に接触される場合もある。この経路は電気抵抗が小さく、放電の余計な経路になり得る。電極ホルダー２６を同時に分割することはこの影響を低減する効果も持つ。
【００７９】
次に、図８、図９に、図７の接地側の放電回路の電流経路を分割する構成に加えて、電源４側も同様に分割してさらに放電不安定性の影響を少なくする実施例を示す。図８の場合は、電源（高電圧パルス発生装置）４として、予め放電電極２、３の分割数（図の場合は４分割）に応じた出力端子２８1 〜２８4 を持たせておき、一方、ピーキングコンデンサー取り付け板も、その分割数に応じて取り付け板部分２９1 ’〜２９4 ’に完全に分割しておき、電源４を除き、放電回路を全て並列な分割ブロックに分割するようにしたものであり、いわば放電励起回路における分岐点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３（図２）を電源４側に追いやって分割コンデンサーＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂからより遠くに離すことで、各分割ブロックの分離度を高めて放電不安定性の影響をより少なくする構成である。
【００８０】
図９の場合は、図８の構成をさらに進め、電源（高電圧パルス発生装置）も放電電極２、３の分割数（図の場合は４分割）に応じて別々で連携して動作する複数の電源４1 〜４4 とし、各電源４1 〜４4 の出力端子２８1 ’〜２８4 ’を別々に完全に分かれている取り付け板部分２９1 ’〜２９4 ’に接続するようにしたものであり、この場合は、放電励起回路が完全に分かれた分割ブロックとなり、各分割ブロックは略独立になり、放電不安定性の影響は最も少なくなる構成である。この構成は、１つのレーザ装置に対して、２分割から５分割がよく、分割電極２1 〜２4 、３1 〜３4 の長さは５０ｍｍから２００ｍｍ程度が望ましい
図１０は別の実施例を示す図２と同様の図である。この実施例においては、分割ブロック（分割コンデンサーＣＰ１と分割電極２1 と放電電極３とを結ぶ閉ループ等）間の分離度を高めるために、図２のような電気抵抗や浮遊（寄生）インダクタンスに加えて、分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５の給電端子間に微小なインダクタンスのコイルＬＯ１〜ＬＯ４を接続することで、最短ルート以外のルートの電気抵抗やインダクタンスをより大きくして、各分割コンデンサーＣＰ１〜ＣＰ５から対応しない分割電極２1 〜２5 へ電流がより流れないようにし、放電不安定性の影響をより少なくするようにした例である。この場合のコイルＬＯ１〜ＬＯ４それぞれのインダクタンスは、数ｎＨから５０ｎＨ程度に選ばれる。
【００８１】
次に、本発明に基づく放電励起ガスレーザ装置の具体例と比較例を示す。この放電励起ガスレーザ装置はＡｒＦエキシマレーザ装置として構成されており、構成に関する詳細は次の通りである。
【００８２】
具体例 比較例
○放電電極の分割の有無 あり なし
○放電電極総長さ ６００ｍｍ 同左
○放電電極間間隔 １６ｍｍ 同左
○分割した放電電極 給電側（カソード） −
接地側分割なし
○電極分割数 １８ ０
○分割電極１個の長さ 端部５９．５ｍｍ（端部２個） −
その他２９ｍｍ（その他部分１６個）
○分割電極間の隙間 １ｍｍ −
○その他 １個のピーキングコンデンサー −
（１８個）を１個の分割電極に接続
○動作条件
ＡｒＦエキシマレーザガス アルゴン３．５％、フッ素０．１％、 同左
キセノン１０ｐｐ、残りネオン
印加電圧 ２３ｋＶ 同左
ガス圧力 ３０００ｈＰａ 同左
繰り返し周波数 ４０００Ｈｚ 同左
ピーキングコンデンサ容量 ８ｎＦ 同左
放電回路のインダクタンス ５ｎＨ 同左
電圧の立ち上がり時間 ７０ｎｓｅｃ 同左 。
【００８３】
上記の本発明の具体例と比較例とのＡｒＦエキシマレーザ装置のレーザ発振波形は図１１に示す通りであり、放電電極の分割を行っていない比較例においては、パルスの長さを表すパラメータＴis（特許文献２）が４３．９８ｎｓｅｃであり、放電電極の分割の有無を除いて同じ条件の本発明の具体例においては、パラメータＴisが５４．２７ｎｓｅｃとなり、本発明に基づくパルスストレッチ技術が有効であることが分かる。なお、図１１の波形図から、本発明の具体例においては、ピークが３つあることから振動電流の最初の１／２周期とそれに続く４つの１／２周期においてもレーザ発振動作が持続しており、これに対して比較例では、ピークが２つしかないことから振動電流の最初の１／２周期とそれに続く２つの１／２周期においてしかレーザ発振が持続していないことが分かる。
【００８４】
以上、本発明の放電励起ガスレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形をすることが可能である。
【００８５】
なお、最後に、パルスストレッチに関して、本発明と従来例を模式的に比較して示すと、図１２のようになる。図１２（ａ）は電流振動発振方式における１パルスの放電電極間を正負反転しながら流れる電流を示しており、従来例においては、その１パルスの振動電流が流れている間に、図１２（ｂ）に矢印で示したような放電不安定性が放電領域のどこかで発生し、その位置に放電集中が起きてレーザ発振も停止してしまい、長いパルスが得られない。これに対して、本発明の方式によると、このような放電不安定性が起きても、レーザ利得の乱れはその領域に止まり放電領域全体としてのレーザ利得の均一性は余り乱れず、図１２（ｃ）に示すように、レーザ光を安定して長時間発振させることが可能となる。そのため、本発明の方式に基づけば、従来例に比較してより長いパルス幅を持ったレーザ光を発振させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明を適用する放電励起ガスレーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明に基づく放電励起回路の基本構成を示す図である。
【図３】図１に示したような放電励起ガスレーザ装置における放電電極とピーキングコンデンサーの分割に関する１実施例の放電部の光軸に沿った断面図である。
【図４】図３の直線Ａ−Ａ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図である。
【図５】図３の直線Ｂ−Ｂ’に沿う光軸に垂直でその矢印方向に見た断面図である。
【図６】別の実施例の図３と同様の断面図である。
【図７】図３〜図５の実施例の変形例を示す図３と同様の断面図である。
【図８】図７の構成に加えて電源側も同様に分割する実施例の構成を示す図３と同様の断面図である。
【図９】図７の構成に加えて電源側も同様に分割する別の実施例の構成を示す図３と同様の断面図である。
【図１０】さらに別の実施例を示す図２と同様の図である。
【図１１】本発明の具体例と比較例とのＡｒＦエキシマレーザ装置のレーザ発振波形を示す図である。
【図１２】本発明と従来例を模式的に比較して示す図である。
【図１３】従来の分割電極に安定化インダクタンスを付加したパルスストレッチ技術を適用した際の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図である。
【図１４】従来のスパイカーサステイナ回路を用いたパルスストレッチ技術を適用した際の図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図である。
【図１５】従来の電流振動発振方式を用いたパルスストレッチ技術を適用した際の図１３と同様の電流波形（ａ）とパルスストレッチ波形（ｂ）の模式図である。
【図１６】従来のパルス幅が短いレーザ装置における電極間を流れる電流（ａ）とレーザパルス幅（ｂ）の関係を示す図である。
【図１７】従来の短いパルスを持った電流振動発振方式のレーザ装置の模式的な回路図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…レーザチャンバ
２…給電側放電電極
２1 〜２8 …給電側放電電極の分割電極
３…接地側放電電極
３1 〜３4 …接地側放電電極の分割電極
４、４1 〜４4 …電源（高電圧パルス発生装置）
５…ＣＦＦ（クロスフローファン）
６…冷却用熱交換器
７…狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）
８…出力鏡
９…ビームサンプラー
１０…ビームモニタ
１１…拡大プリズム
１２…グレーティング（回折格子）
１３…コントローラ
１４…ガス供給ライン（ｇａｓ ｉｎ）
１５…ガス排気ライン（ｇａｓ ｏｕｔ）
１６…真空ポンプ
１７、１８…バルブ
１９…コロナ予備電離部
２１…筐体
２２…絶縁板
２３…電極ホルダー
２４…間隔
２５、２５1 〜２５4 …支持兼通電部材
２６…電極ホルダー
２７…ピーキングコンデンサー接地板
２７1 〜２７4 …ピーキングコンデンサー接地板部分
２８、２８1 〜２８4 、２８1 ’〜２８4 ’…電源の出力端子
２９…ピーキングコンデンサー取り付け板
２９1 〜２９4 …取り付け板部分
２９1 ’〜２９4 ’…取り付け板部分
３０…スリット
３１…連結部
３２…電極給電線
ＳＬ０…固体スイッチ保護用磁気スイッチ
ＳＬ１…第１の磁気スイッチ
ＳＬ２…第２の磁気スイッチ
ＨＶ…高電圧電源
Ｌ１…インダクタンス
ＳＷ…固体スイッチ
Ｃ０…主コンデンサー
Ｃ１…第１のコンデンサー
Ｃ２…第２のコンデンサー
ＣＰ…ピーキングコンデンサー
ＣＰ１〜ＣＰ５、ＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ、ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ、ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ、ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ…分割コンデンサー
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…分岐点
ＬＯ１〜ＬＯ４…微小なインダクタンスのコイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続され、かつ、前記分割コンデンサーは１個以上の分岐点を介して前記高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続されており、前記並列に接続された分割コンデンサーが前記放電用コンデンサーを構成していることを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
【請求項２】
前記一対の放電電極の中の給電側と反対側の放電電極も長手方向に、前記給電側の放電電極の分割に対応して複数の分割電極に分割されていることを特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項３】
給電側の前記分割電極と対応する接地側の前記分割電極とが各々、前記単数又は複数の分割コンデンサーを介して、異なる接続線路によって接続されていることを特徴とする請求項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項４】
前記複数の分割電極個々にあるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々に接続された単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子間にインダクタンスのコイルが接続されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項５】
レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続されており、かつ、前記単数又は複数の分割コンデンサー各々が、相互に連携して動作する複数の高電圧パルス発生装置各々の出力端に接続されており、前記単数又は複数の分割コンデンサーがそれぞれの分割電極あるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群に対する放電用コンデンサーを構成していることを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
【請求項６】
前記一対の放電電極間の放電によって流れる電流が極性が反転する放電振動電流からなり、その極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも１つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザガスがフッ素ガスとアルゴンガスを含む混合ガスからなり、ＡｒＦエキシマレーザ装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項１】
レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続され、かつ、前記分割コンデンサーは１個以上の分岐点を介して前記高電圧パルス発生装置の出力端に相互に並列に接続されており、前記並列に接続された分割コンデンサーが前記放電用コンデンサーを構成していることを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
【請求項２】
前記一対の放電電極の中の給電側と反対側の放電電極も長手方向に、前記給電側の放電電極の分割に対応して複数の分割電極に分割されていることを特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項３】
給電側の前記分割電極と対応する接地側の前記分割電極とが各々、前記単数又は複数の分割コンデンサーを介して、異なる接続線路によって接続されていることを特徴とする請求項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項４】
前記複数の分割電極個々にあるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々に接続された単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子間にインダクタンスのコイルが接続されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項５】
レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置され相互に平行で対向配置された一対の長尺の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続された放電用コンデンサーと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置とを備え、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置の出力端に接続されてなる放電励起ガスレーザ装置において、
前記一対の放電電極の中の少なくとも給電側の放電電極が長手方向に複数の分割電極に分割され、前記複数の分割電極個々が、あるいは、隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群個々が、それぞれ単数又は複数の分割コンデンサーの給電側端子に接続されており、かつ、前記単数又は複数の分割コンデンサー各々が、相互に連携して動作する複数の高電圧パルス発生装置各々の出力端に接続されており、前記単数又は複数の分割コンデンサーがそれぞれの分割電極あるいは隣接する複数の分割電極がグループ化されてなる電極群に対する放電用コンデンサーを構成していることを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
【請求項６】
前記一対の放電電極間の放電によって流れる電流が極性が反転する放電振動電流からなり、その極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも１つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザガスがフッ素ガスとアルゴンガスを含む混合ガスからなり、ＡｒＦエキシマレーザ装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−２４６００（Ｐ２００６−２４６００Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９８９２１（Ｐ２００４−１９８９２１）
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００００１２３６）株式会社小松製作所 (1,686)
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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