(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルストランスを通してパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルストランスの二次側に得るパルス電流でコンデンサが充電され、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作で該コンデンサから磁気パルス圧縮した放電電流をレーザ電極に印加する磁気パルス圧縮回路と、前記レーザ電極と並列に設けられ該レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧を抑制するダイオードクランプ回路と、前記パルストランスの二次側巻線と前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサとの間に設けられ、該パルストランスの磁化状態をリセットするために必要な電圧を保持するリセット用ダイオード回路とを備えたパルス電源装置において、
前記ダイオードクランプ回路は、前記レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧で該レーザ電極が異常放電するのを抑制できる低いクランプ電圧をもつ構成とし、
前記リセット用ダイオード回路は、１直列のリセット用ダイオードに並列に抵抗器を設け、該抵抗器は前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサから印加される電圧を該リセット用ダイオードの逆耐圧以下にする抵抗値をもつ構成とし、
前記パルストランスは３次巻線を設け、この３次巻線には前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーを前記パルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ該反射エネルギーが戻ってくるタイミングでは該パルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておく構成としたことを特徴とするパルス電源装置。
【請求項２】
前記ダイオードクランプ回路と並列にリアクトルを設け、該リアクトルは前記磁気パルス圧縮回路の負荷オープン時に発生する反射電圧の極性を反転させるインピーダンス値にした構成を特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力用半導体スイッチを用いたパルス発生回路と磁気パルス圧縮回路を組み合わせ、狭幅の大電流パルスを繰り返し発生するパルス電源装置に係り、特に高い繰り返し運転ができ負荷としてのレーザ電極の消耗を抑え、寿命を延ばすための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エキシマレーザ等を駆動するパルス電源装置は、まず、電力用コンデンサを充電器にて所定の電圧まで充電した後、トリガ指令によって制御スイッチを点弧させることによってコンデンサからレーザ電極等の負荷に電流パルスを供給する。制御スイッチには、従来のサイラトロンに代わってＧＴＯやＩＧＢＴなどの電力用半導体素子を用いることが多い。その理由は、サイラトロンでは、高繰り返し運転時の寿命が短い、ミスファイヤーの発生、フィラメントのヒートアツプに時間がかかって瞬時起動ができないといった問題があるためである。
【０００３】
他方、電力用半導体素子の場合、素子単体では耐電圧やパルス電流通電能力がサイラトロンに較べて約１桁劣るため、通常はパルストランスによる昇圧と磁気スイッチを用いた磁気パルス圧縮とを併用することで、素子の能力不足を補うことが多い。
【０００４】
図４はその一例を示す。パルス発生回路１は、初段コンデンサＣ0を高圧充電器２により初期充電しておき、半導体スイッチＱ1のオン制御でコンデンサＣ0からパルストランスＴ2にパルス電流を供給する。可飽和リアクトルＴ1は半導体スイッチＱ１の責務を軽減するものである。
【０００５】
パルストランスＴ2の二次側には３段の磁気パルス圧縮回路３1〜３3が縦続接続され、初段の磁気パルス圧縮回路３1ではパルストランスＰＴで昇圧したパルス電流でコンデンサＣ1が高圧充電され、このコンデンサＣ1の充電電圧で可飽和リアクトルＴ3が磁気スイッチ動作することにより磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流を次段の磁気パルス圧縮回路３2に供給する。同様に、コンデンサＣ2，Ｃ3の高圧充電と可飽和リアクトルＴ4、Ｔ5の磁気スイッチ動作により、磁気パルス圧縮回路３2、３3でパルス幅の磁気パルス圧縮を行う。
【０００６】
磁気パルス圧縮回路３3のパルス出力は、レーザヘッドのチャンバなどの負荷４に狭幅・高電圧のパルス電流を供給し、ピーキングコンデンサＣPが一定電圧レベルまで充電されたときに、コンデンサＣPから放電電極（レーザ電極）ＬＨに放電を得る。
【０００７】
可飽和リアクトルＴ1，Ｔ3，Ｔ4，Ｔ5にはそれぞれ磁気リセット巻線を設け、これら巻線には磁気リセット回路５から直流バイアス電流を供給することで、パルストランスＴ2の鉄心の磁気飽和防止、および可飽和リアクトルＴ3〜Ｔ5の飽和動作後にそれらを逆極性に飽和させておく。
【０００８】
このように、パルス電源装置は、パルストランスＴ2による昇圧回路と磁気スイッチによるパルス圧縮回路を併用してレーザが必要とする電圧とパルス幅のエネルギーに変換して、レーザ電極に注入している。
【０００９】
ここで、レーザ電極の消耗を起こす主因は、異常放電であると云われており、特にレーザが発振した後にレーザ電極に発振時と逆極性の電圧が印加されると、その値がわずか３００Ｖ程度と、発振時の２０〜４０ｋＶに対して桁違いに低くても影響を受けるといわれている。
【００１０】
このため、レーザ電極に逆極性の電圧が現れるのを抑制する方法が、例えば特開平１１−２５１６７５号公報で提案されている。この方法では、レーザ逆極性電圧（ここでは、レーザ発振時には負極性の電圧パルスのため、正極性となっている）の抑制とパルストランスＴ2での磁化の初期化までの時間を両立させるために、図４に示すように、ダイオードクランプ回路６として抵抗またはツェナーダイオードを組み合わせた回路を設ける。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平１１−２５１６７５号公報にも記述されるように、パルストランスＴ2の初期化を短時間で済ませるためには、クランプ回路６のクランプ電圧を高くする必要があるが、この高いクランプ電圧はレーザ電極の寿命に対しては好ましくない残留電圧となる。
【００１２】
現在、リソグラフィー装置の光源用としてのエキシマレーザば、生産性の向上のため繰り返し運転周波数をより高くしていくことが求められている。前記の特開平１１−２５１６７５号公報の提案時期では、パルスの繰り返し周波数は１ｋＨｚであったが、現在では２ｋＨｚを経て４ｋＨｚに移行しようとしている。さらに研究開発レベルでは６〜８ｋＨｚも着手されつつある。
【００１３】
こうした高繰り返し運転が必要になると、パルストランスＴ2の磁化の初期化に必要な時間はさらにいっそうの短縮化が求められる。結果として特開平１１−２５１６７５号公報のクランプ回路方式では、パルストランスＴ2の高速初期化と電極寿命の延命は両立が難しくなっている。
【００１４】
そこで、その対策法の一例として、図５に示すように、図４の回路におけるクランプ回路６中の抵抗あるいは定電圧ダイオードをなくしてクランプ電圧を下げる代わりに、パルストランスＴ2の磁化状態をリセットするために必要な電圧が保持できるように、パルストランスＴ2の二次側巻線の一方とコンデンサＣ1との接続部の間にリセット用ダイオード回路ＤLを介挿させる方法が考えられる。
【００１５】
このダイオード回路ＤLには、パルス発生時にコンデンサＣ0→Ｃ1への負荷移行に伴って、高レベルのパルス電流が流れる。また、コンデンサＣ1に完全に電荷が移行（極性はアースに対して負方向）すると、２０〜４０ｋＶの電圧が印加される。この電圧はコンデンサＣ1→Ｃ2への負荷移行が始まると徐々に下がり、Ｃ2へ完全に移行すれば０電圧になる。
【００１６】
しかし、ダイオード回路ＤLは、短時間であるが２０〜４０ｋＶの高電圧が印加されるため、多数のダイオードの直列接続が必要で、しかもクランプ回路６のダイオードと違って、個々のダイオードは前述のようにコンデンサＣ0→Ｃ1への負荷移行に際して数μ秒で数百乃至２〜３０００Ａピークの大電流が流れるため、通電容量の大きいものが必要である。さらに、図示省略するが、個々のダイオードには電圧分担をとるためにコンデンサと抵抗から成るスナバ回路が必要になるため、ダイオード回路ＤLは全体として極めて大きなスペースを必要とし、コスト的にも不利であり、実用性に劣る。
【００１７】
本発明の目的は、高い繰り返し運転のためのパルストランスの初期化時間の短縮とレーザ電極の寿命を延ばすことができるパルス電源装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、レーザ電極への放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧を抑制するクランプ回路のクランプ電圧を低くすることでレーザ電極の寿命を延ばし、パルストランスの二次側巻線と磁気パルス圧縮回路のコンデンサとの間にリセット用ダイオード回路を介挿させることでパルストランスの磁化状態をリセットするために必要な電圧を保持するにおいて、
リセット用ダイオード回路に並列に抵抗器を設けることで、磁気パルス圧縮回路のコンデンサが高い充電電圧になるも、リセット用ダイオード回路のダイオードに印加される電圧を１直列のリセット用ダイオードの逆耐圧以下にし、さらに、パルストランスに３次巻線を設け、この３次巻線には磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーをパルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ反射エネルギーが戻ってくるタイミングではパルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておくことで、パルストランスを通してリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止するもので、以下の構成を特徴とする。
【００１９】
（１）初期充電されるコンデンサから半導体スイッチのオン制御でパルストランスを通してパルス電流を発生するパルス発生回路と、前記パルストランスの二次側に得るパルス電流でコンデンサが充電され、可飽和リアクトルの磁気スイッチ動作で該コンデンサから磁気パルス圧縮した放電電流をレーザ電極に印加する磁気パルス圧縮回路と、前記レーザ電極と並列に設けられ該レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧を抑制するダイオードクランプ回路と、前記パルストランスの二次側巻線と前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサとの間に設けられ、該パルストランスの磁化状態をリセットするために必要な電圧を保持するリセット用ダイオード回路とを備えたパルス電源装置において、
前記ダイオードクランプ回路は、前記レーザ電極での放電後に該レーザ電極に逆極性で現れる電圧で該レーザ電極が異常放電するのを抑制できる低いクランプ電圧をもつ構成とし、
前記リセット用ダイオード回路は、１直列のリセット用ダイオードに並列に抵抗器を設け、該抵抗器は前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサから印加される電圧を該リセット用ダイオードの逆耐圧以下にする抵抗値をもつ構成とし、
前記パルストランスは３次巻線を設け、この３次巻線には前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーを前記パルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ該反射エネルギーが戻ってくるタイミングでは該パルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておく構成としたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、前記の構成において、ダイオードクランプ回路に並列にリアクトルを設けることで、負荷オープンによる反射電圧でリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止するもので、以下の構成を特徴とする。
【００２３】
（２）前記ダイオードクランプ回路と並列にリアクトルを設け、該リアクトルは前記磁気パルス圧縮回路の負荷オープン時に発生する反射電圧の極性を反転させるインピーダンス値にした構成を特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す回路図である。同図が図５と異なる部分は、リセット用ダイオード回路ＤLに代えて、１直列のダイオードＤｘと、これに並列接続した抵抗器Ｒｘで構成したリセット用ダイオード回路７とした点にある。また、パルストランスＴ2には、３次巻線を設け、この３次巻線にはコンデンサＣ1からの反射エネルギーをコンデンサＣ0に初期充電方向で回生するためのダイオードＤRCを設けた構成としている。
【００２５】
本実施形態におけるダイオード回路７の構成で、ダイオードＤｘとして、一般的な耐電圧１２００〜２５００Ｖ級のものが１直列でよい理由を以下に説明する。
【００２６】
前記のように、ダイオードＤｘに逆電圧が印加されるのはパルス発生時にコンデンサＣ0からＣ1への電圧移行が終了した後、可飽和リアクトルＴ3が飽和してコンデンサＣ1からＣ2への電圧移行が終了するまでの時間である。この時間は、パルス圧縮回路の設計にも依るが、通常１μ秒以下である。
【００２７】
このタイミングでの等価回路を図２に示す。ここでは理想的にスイッチＱ1のオン抵抗を０、コンデンサＣ0の残留電圧も０とする。ここで、可飽和リアクトルＴ1とパルストランスＴ2の励磁インダクタンスは、コアが非飽和時の値となるため、一般的にその数値が高く、実機で実測してみると、それぞれ３３ｍＨ、６ｍＨであった。ここで，上記の１μ秒を半周期とする角周波数を計算すると、３．１４ＭＨｚになり、Ｔ１，Ｔ２の励磁インピーダンスとしては、それぞれ１０４ｋΩ、１８ｋΩに相当する。したがって、ダイオードＤｘと並列に抵抗器Ｒｘを仮に３００Ωつなぐとすると、コンデンサＣ1の電圧のピーク値が４０ｋＶとしても、ダイオードに印加される逆電圧は、４０ｋＶ×３００／（１０４ｋΩと１８ｋΩの並列インピーダンス）＝７８０Ｖになり、ダイオードＤｘの耐圧としては１２００Ｖ級のものを１直列で充分なことが分かる。
【００２８】
次に、図５と図１では負荷で反射されたエネルギーの処理方法が違っているが、その理由を説明する。負荷からの反射エネルギーはコンデンサＣ3→Ｃ2→Ｃ1と移行してくるが、各コンデンサの電圧の極性は負荷にエネルギーを供給するときとは反対の極性になる。すなわち、図５や図１において、アース電位とは逆の部位が＋の極性方向で順次、電圧が移行する。ここで、図５の場合、Ｑ１はオン状態を持続しているため、反射されて戻ってきたＣ1電圧は、パルストランスＴ2の二次（高圧）巻線→一次（低圧）巻線を介して可飽和リアクトルＴ1→コンデンサＣ1→Ｃ0のループでコンデンサＣ0に移行する。
【００２９】
すなわち、コンデンサＣ0電圧の極性についても初期状態と反対の極性になる。半導体スイッチＱ1にＩＧＢＴを使用していると、ＩＧＢＴモジュールに内蔵された逆並列ダイオードを通じ、可飽和リアクトルＴ1が上向き（パルストランスＴ2側）の方向に飽和した後は、パルストランスＴ2の巻線間経由で昇圧された電圧がダイオードＤｘに印加される。反射されて逆極性に充電されたコンデンサＣ0電圧は初期の正極性の充電電圧に較べて、数分の１に減衰しているが、それでも元が高圧側換算で４０ｋＶあるので、その数分の１といっても数ｋＶの電圧であり、ダイオードＤｘが１２００Ｖ級のものの１直列では完全に耐圧オーバーで破損する。
【００３０】
この逆電圧印加を防止するために、半導体スイッチＱ1と直列にブロック用のダイオードを挿入すればよいが、パルス発生時に大電流が流れるため、この素子の分だけ損失が大きくなり、電源の効率を下げ、好ましい手段とはいえない。
【００３１】
そこで、本実施形態では、パルストランスＴ2に３次巻線を設け、かつ反射エネルギーが戻ってくるタイミングでは、半導体スイッチＱ1をオフ状態にしておく。これにより、反射されて戻ってきたコンデンサＣ1の電圧はパルストランスＴ2を介してその３次巻線（下向きが正の電圧が誘起）→コンデンサＣ0→ダイオードＤRCのループで電流が流れ、コンデンサＣ0に反射エネルギーが戻ってくる。このときの極性は初期状態と同一極性である。回生されたコンデンサＣ0の電圧は低圧側のダイオードＤRCでブロックされるため、パルストランスＴ2の巻線に印加されることはなく、したがって、ダイオードＤｘに印加されることなく、Ｄｘの耐圧としては１２００Ｖ級のものの１直列で充分となる。
【００３２】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態を示す。図１においては、作業ミス等で万一、負荷オープンで使用されたとき、反射エネルギーは電圧極性が反転することなく、コンデンサＣ3→Ｃ2→Ｃ1と移行してくる。パルストランスＴ2の鉄心はパルス発生時の電圧で既に励磁されているので、同一の極性で反射電圧が印加されると、鉄心が飽和しやすい。もし、飽和するとパルストランスＴ2の励磁インピーダンスが急激に下がって、ダイオードＤｘには反射されたコンデンサＣ1の電圧の大部分が印加されて、１２００Ｖ級のダイオードＤｘの１直列では耐圧オーバーで破損する。
【００３３】
これを防止するため、本実施形態では、負荷がオープンでも反射電圧の極性が必ず反転するように、ダイオードクランプ回路６に並列にリアクトルＬｐを設ける。
【００３４】
リアクトルＬｐのインピーダンス値としては、負荷４が正規に接続されているときにコンデンサＣ3のエネルギーがリアクトルＬｐに分流することなく、ピーキングコンデンサＣｐに移行するだけの値を最小限有し、かつ負荷オープン時にはコンデンサＣ3の電圧がリアクトルＬｐで反転する前に可飽和リアクトルＴ4が逆方向に飽和し、コンデンサＣ2にバックすることのないような値にする。
【００３５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、装置の高い繰り返し運転のためのパルストランスの初期化時間の短縮とレーザ電極の放電後の電圧低下のためのリセット用ダイオード回路は、その逆耐圧を低くした構成にでき、その小型化とコストダウンを図ることができる。具体的には、以下の効果がある。
【００３６】
（１）リセット用ダイオード回路に並列に抵抗器を設けるため、磁気パルス圧縮回路のコンデンサが高い充電電圧になるも、リセット用ダイオード回路のダイオードを１直列など低い逆耐圧にできる。
【００３７】
（２）パルストランスに３次巻線を設け、この３次巻線には磁気パルス圧縮回路のコンデンサからの反射エネルギーをパルス発生回路のコンデンサに初期充電方向で回生するためのダイオードを設け、かつ反射エネルギーが戻ってくるタイミングではパルス発生回路の半導体スイッチをオフ状態にしておくため、パルストランスを通してリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止できる。
【００３８】
（３）ダイオードクランプ回路に並列にリアクトルを設けることで、負荷オープンによる反射エネルギーでリセット用ダイオード回路に逆電圧が印加されるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すパルス電源装置の回路図。
【図２】実施形態におけるリセット用クランプ回路部分の等価回路図。
【図３】本発明の実施形態２を示すパルス電源装置の回路図。
【図４】従来のパルス電源装置の回路例（その１）。
【図５】従来のパルス電源装置の回路例（その２）。
【符号の説明】
１…パルス発生回路
２…高圧充電器
３1、３2、３3…磁気パルス圧縮回路
４…負荷
５…磁気リセット回路
６…ダイオードクランプ回路
７…リセット用ダイオード回路
Ｑ１…半導体スイッチ
Ｔ1，Ｔ3，Ｔ4，Ｔ5…可飽和リアクトル
Ｔ2…パルストランス
Ｒｘ…抵抗器
Ｄｘ，ＤRC…ダイオード
Ｌｐ…リアクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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