JP6813382B2 - パルス電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス電源装置に関する。

パルス放電に用いられるエネルギー（電力）を回収して再利用する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の装置では、一対の電極を用いてパルス放電を行い、パルス放電から反射されたエネルギーがコンデンサに反転再充電され、再充電されたエネルギーが次のパルス放電に用いられる。

特開２００５−１８５０９２号公報

このようにパルス放電に用いられた電力の一部がコンデンサに回収された後、不足分を再充電することによって次のパルス放電が行われる。しかしながら、コンデンサに回収される電力の電力量は、パルス放電ごとに異なることがある。このため、コンデンサに再充電する充電量が一定であると、パルス放電ごとに電力がばらつくおそれがある。

本発明は、パルス放電ごとの電力のばらつきを低減可能なパルス電源装置を提供する。

本発明の一側面に係るパルス電源装置は、プラズマを発生させるための一対の電極にパルス放電のための第１出力電力を供給する回路であって、電気的に直列に接続された第１出力コンデンサ及び第２出力コンデンサを有する第１電力蓄積回路と、充電電流を流し続けることにより充電を行う第１充電方式で第１出力コンデンサを充電する第１電源と、所定の周期で充電電流を流すことにより充電を行う第２充電方式で第２出力コンデンサを充電する第２電源と、を備える。第１電源は、第１出力コンデンサの一端と第１出力コンデンサの他端との間に設けられた第１コイル部を備える。第２電源は、第２出力コンデンサの他端から第２出力コンデンサの一端に向けて電流を流すように配置された第１ダイオード部を備える。第１出力コンデンサの他端と第２出力コンデンサの一端とは互いに接続されている。第１電力蓄積回路は、第１出力コンデンサの一端から一対の電極を介して第２出力コンデンサの他端に戻るように、第１出力コンデンサ及び第２出力コンデンサに蓄積された電力を第１出力電力として供給する。第２電源は、第１電源により第１出力コンデンサを充電した後に、第２出力コンデンサを充電する。

このパルス電源装置では、第１出力コンデンサと第２出力コンデンサとが直列に接続されているので、第１出力コンデンサの電荷量と第２出力コンデンサの電荷量とは同じになる。したがって、第１出力コンデンサ及び第２出力コンデンサのいずれかが充電されると、第１出力コンデンサの電荷量と第２出力コンデンサの電荷量とが同じになるように電荷が移動し、第１出力コンデンサ及び第２出力コンデンサが充電されることになる。そして、上記パルス電源装置では、第１出力コンデンサの一端から一対の電極を介して第２出力コンデンサの他端に戻るように、第１出力コンデンサ及び第２出力コンデンサに蓄積された電力が、第１出力電力として供給される。このため、第１出力電力を供給した後、第１電力蓄積回路には、供給前の電力とは極性が反対の電力が蓄積される。第１出力コンデンサの一端と他端との間には第１コイル部が設けられており、閉回路が形成されるので、第１出力コンデンサの他端から第１コイル部を介して一端に向けて電流が流れ、第１出力コンデンサが回生充電される。第２出力コンデンサの一端と他端との間には、第１ダイオード部が設けられており、閉回路が形成されるので、第２出力コンデンサの他端から第１ダイオード部を介して一端に向けて電流が流れ、第２出力コンデンサが回生充電される。このようにして第１電力蓄積回路に回生される電力の電力量は、パルス放電ごとに異なることがある。

上記パルス電源装置では、第１電源によって、充電電流を流し続けることにより充電を行う第１充電方式で第１出力コンデンサが充電された後、第２電源によって、所定の周期で充電電流を流すことにより充電を行う第２充電方式で第２出力コンデンサが充電される。第１充電方式では、充電電流を流し続けることで第１出力コンデンサの充電を行うので、第１電力蓄積回路に充電される電力（電圧）を微調整することが難しい。一方、第２充電方式では、充電電流を繰り返し流すことによって第２出力コンデンサの充電を行うので、第１電力蓄積回路が少しずつ充電されていく。このため、第２充電方式では、第１電力蓄積回路に充電される電力（電圧）を微調整することができる。したがって、たとえば、第１充電方式で、所望の電力付近まで充電を行った後で、第２充電方式で残りの電力の充電を行うことにより、第１電力蓄積回路に充電される電力を所望の電力に合わせることが可能となる。その結果、パルス放電ごとの電力のばらつきを低減することが可能となる。

第２電源は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備えてもよい。第１ダイオード部は、インバータ回路によって変換された交流電力を整流する整流回路であってもよい。この場合、インバータ回路によって生成された交流電力を整流することによって、所定の周期の充電電流を生成することができる。これにより、第２充電方式を実現することが可能となる。

インバータ回路は、半導体スイッチを備えてもよい。この場合、インバータ回路を高速に動作させることができる。これにより、第２充電方式における周期を短くすることが可能となる。

一実施形態に係るパルス電源装置は、プラズマを発生させるための別の一対の電極にパルス放電のための第２出力電力を供給する回路であって、電気的に直列に接続された第３出力コンデンサ及び第４出力コンデンサを有する第２電力蓄積回路と、第１充電方式で第３出力コンデンサを充電する第３電源と、第２充電方式で第４出力コンデンサを充電する第４電源と、を備えてもよい。一対の電極は、中心電極及び第１外部電極であってもよく、別の一対の電極は、中心電極及び第２外部電極であってもよい。第３電源は、第３出力コンデンサの一端と第３出力コンデンサの他端との間に設けられた第２コイル部を備えてもよい。第４電源は、第４出力コンデンサの他端から第４出力コンデンサの一端に向けて電流を流すように配置された第２ダイオード部を備えてもよい。第３出力コンデンサの他端と第４出力コンデンサの一端とは互いに接続されていてもよい。第２電力蓄積回路は、第３出力コンデンサの一端から一対の電極を介して第４出力コンデンサの他端に戻るように、第３出力コンデンサ及び第４出力コンデンサに蓄積された電力を第２出力電力として供給してもよい。第４電源は、第３電源により第３出力コンデンサを充電した後に、第４出力コンデンサを充電してもよい。

この場合、中心電極と第１外部電極との電極対に第１出力電力が供給され、中心電極と第２外部電極との電極対に第２出力電力が供給される。第１電力蓄積回路と同様に、第２出力電力を供給した後、第２電力蓄積回路には、供給前の電力とは極性が反対の電力が蓄積される。第３出力コンデンサの一端と他端との間には第２コイル部が設けられており、閉回路が形成されるので、第３出力コンデンサの他端から第２コイル部を介して一端に向けて電流が流れ、第３出力コンデンサが回生充電される。第４出力コンデンサの一端と他端との間には第２ダイオード部が設けられており、閉回路が形成されるので、第４出力コンデンサの他端から第２ダイオード部を介して一端に向けて電流が流れ、第４出力コンデンサが回生充電される。第２電力蓄積回路に回生される電力の電力量は、パルス放電ごとに異なることがある。また、第１電力蓄積回路に回生される電力の電力量と、第２電力蓄積回路に回生される電力の電力量とは、異なることがある。そのような場合でも、第１充電方式で、所望の電力付近まで充電を行った後で、第２充電方式で残りの電力の充電を行うことにより、第１電力蓄積回路及び第２電力蓄積回路に充電される電力を所望の電力に合わせることが可能となる。このため、第１出力電力と第２出力電力とを均一化することが可能となる。その結果、パルス放電ごとの電力のばらつきに加えて、電極対ごとの電力のばらつきを低減することが可能となる。

第１電源と第３電源とは同一であってもよい。この場合、第１電力蓄積回路及び第２電力蓄積回路に対して、１つの電源を用いて第１充電方式での充電が行われる。そして、第２電源によって、第１電力蓄積回路に充電される電力が微調整され、第４電源によって、第２電力蓄積回路に充電される電力が微調整され得る。このため、パルス電源装置が備える電源の個数を減らすことができるので、パルス電源装置の小型化が可能となる。

第２電源は、第１ダイオード部に流れる電流を制限するためのインダクタ部をさらに備えてもよい。この場合、第１ダイオード部に流れる電流が第１ダイオード部の定格を超えないように調整され得る。

本発明によれば、パルス放電ごとの電力のばらつきを低減することができる。

一実施形態に係るパルス電源装置を含むプラズマ光源の概略構成図である。 中心軸線に垂直な断面に沿った同軸状電極の断面図である。 図１に示されるパルス電源装置の概略回路図である。 図３に示されるパルス電源装置のうち、一対の電極に出力電力を供給する部分の概略回路図である。 図３に示されるパルス電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 図３に示されるパルス電源装置の第１充電方式による充電時の動作を説明するための図である。 図３に示されるパルス電源装置の第２充電方式による充電時の動作を説明するための図である。 図３に示されるパルス電源装置の放電時の動作を説明するための図である。 図３に示されるパルス電源装置の回生充電時の動作を説明するための図である。 図３に示されるパルス電源装置の変形例のうち、一対の電極に出力電力を供給する部分の概略回路図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１及び図２を参照して、一実施形態に係るパルス電源装置を含むプラズマ光源について説明する。図１は、一実施形態に係るパルス電源装置を含むプラズマ光源の概略構成図である。図２は、中心軸線に垂直な断面に沿った同軸状電極の断面図である。図１に示されるプラズマ光源１は、対向型プラズマフォーカス方式の光源であり、たとえば、半導体素子を製造するための露光装置に適用される。プラズマ光源１は、たとえば波長１３．５ｎｍの極端紫外光（ＥＵＶ光）を発生可能に構成されている。プラズマ光源１は、ＥＵＶ光を発生させることにより、微細なパターンを生成するフォトリソグラフィを可能にする。プラズマ光源１が露光装置に用いられる場合には、連続的なＥＵＶ光が必要となるので、プラズマ光源１にはパルス的に発光するＥＵＶ光を高い周波数で繰り返し出力することが要求される。

プラズマ光源１は、プラズマを発生させる一対の同軸状電極１０と、同軸状電極１０に電位差を生じさせる電圧印加装置２０と、プラズマ媒体にレーザ光を照射するレーザ装置３０と、プラズマ媒質を保持するプラズマ媒質供給部４１と、を備える。

一対の同軸状電極１０は、極端紫外光を放射するプラズマを発生し、プラズマを閉じ込める。一対の同軸状電極１０は、チャンバ２内に収容されており、互いに対向するように配置されている。一対の同軸状電極１０は、これらの間に延在する仮想の中央面Ｐに関して面対称に配置されている。一対の同軸状電極１０の間には、一定の間隔（空間）が設けられている。チャンバ２には一又は複数の排気管３が設けられており、排気管３には真空ポンプ（図示せず）が接続される。チャンバ２内は所定の真空度に維持される。チャンバ２は、接地されている。

図１及び図２に示されるように、各同軸状電極１０は、１本の中心電極１１と、複数の外部電極１２と、１つの絶縁体１３とを備える。一方の同軸状電極１０と、他方の同軸状電極１０とは、共通かつ単一の中心軸線ＡＸを有している。

中心電極１１は、中心軸線ＡＸに沿って延びる棒状の導電体である。中心軸線ＡＸは、中心電極１１の中心に位置している。中心電極１１は、高温に対して損傷され難い金属からなる。中心電極１１は、たとえばタングステン及びモリブデン等の高融点金属からなる。一対の同軸状電極１０において、中心軸線ＡＸは共通である。中心電極１１の中心軸線ＡＸは、上記した中央面Ｐに直交する。中央面Ｐに対向する中心電極１１の先端面は、たとえば半球状をなしている。中心電極１１の側面は、たとえば円錐状をなしている。

外部電極１２は、中心電極１１の周囲に配置された棒状の導電体である。外部電極１２は、高温に対して損傷され難い金属からなる。外部電極１２は、たとえばタングステン及びモリブデン等の高融点金属からなる。中央面Ｐに対向する外部電極１２の先端面は、半球状等の曲面であってもよく、平面であってもよい。

外部電極１２は、中心電極１１に対して所定の間隔を有している。複数の外部電極１２は、中心軸線ＡＸを軸とした周方向に等間隔に（すなわち回転対称に）配置されている。具体的には、プラズマ光源１には、６本の外部電極１２が設けられている。６本の外部電極１２は、中心軸線ＡＸを基準として６０°ごとに配置されている。なお、外部電極１２の本数は６本に限定されず、中心電極１１及び外部電極１２の大きさ及び形状、これらの間隔等に応じて適宜設定され得る。

中心電極１１の周りに複数の外部電極１２が配置されることにより、初期放電が、中心電極１１と外部電極１２との間に発生し得る。この初期放電は、面状放電に至る。面状放電は、電流シート又はプラズマシートとも呼ばれる。

絶縁体１３は、たとえばセラミックからなる。絶縁体１３は、たとえば円板状をなしている。絶縁体１３は、中心電極１１及び外部電極１２の各基部を支持し、これらの間隔を規定する。絶縁体１３は、中心電極１１と外部電極１２とを電気的に絶縁する。

電圧印加装置２０は、各同軸状電極１０に同極性又は逆極性の放電電圧を印加することにより、電位差を生じさせる。電圧印加装置２０は、２台のパルス電源装置２１，２１を備える。パルス電源装置２１の詳細は後述する。

レーザ装置３０は、プラズマ媒質供給部４１にレーザ光３２を照射するレーザ発生装置３１を備える。レーザ発生装置３１は、レーザ光３２の照射により、プラズマの媒体を放出させ、プラズマの初期放電（すなわち面状放電）を発生させる。レーザ発生装置３１はたとえばＹＡＧレーザであり、アブレーションを行うために基本波又は基本波の二倍波を短パルスのレーザ光として出力する。このレーザ光は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）３４及びミラー３５等の光学素子により、少なくとも２本のレーザ光３２ａ，３２ｂに分岐する。レーザ光３２ａ，３２ｂは、プラズマ媒質供給部４１に照射される。レーザ光３２ａ，３２ｂが照射されたプラズマ媒質４３の表面では、アブレーションによってプラズマ媒質４３の一部がプラズマ媒体である中性ガス又はイオン（媒質蒸気ＭＶ）となって、中心電極１１と外部電極１２との間に放出される。

レーザ光３２ａ，３２ｂの照射時には、各同軸状電極１０の中心電極１１と外部電極１２とに対し、電圧印加装置２０による放電電圧が印加されている。上述したアブレーションが発生すると、中心電極１１と各外部電極１２との間の放電が誘発され、さらに、この放電によって面状放電が形成される。複数の（少なくとも２本の）レーザ光が、中心軸線ＡＸの周方向に間隔をあけて、同時に照射されることが好ましい。レーザ光の照射箇所が少ないほど、レーザ光は、中心電極１１に対して回転対称な位置に照射されることが望ましい。プラズマ光源１では、レーザ照射点は、対向する２箇所に設定されている（図２参照）。なお、複数のレーザ光の同時照射は、ビームスプリッタ及びミラー等の光学素子を用い、光路長を合わせた複数の光路を形成することによって容易に達成され得る。

プラズマ媒質供給部４１は、プラズマ光の発生に用いられるプラズマ媒質を保持する。プラズマ媒質供給部４１は、固体又は液体であるプラズマ媒質４３と、当該プラズマ媒質４３を保持する保持部４２と、を有する。プラズマ媒質４３は、必要とされる紫外線の波長に応じて選択され得る。たとえば、１３．５ｎｍの紫外光が必要な場合は、プラズマ媒質４３は、リチウム（Ｌｉ）、キセノン（Ｘｅ）、及びスズ（Ｓｎ）等の少なくとも１つが用いられる。また、６．７ｎｍの紫外光が必要な場合は、プラズマ媒質は、ガドリニウム（Ｇｄ）、及びテルビウム（Ｔｂ）等の少なくとも１つが用いられる。

プラズマ光源１は、１個の同軸状電極１０に対して２個のプラズマ媒質供給部４１を有する。なお、プラズマ媒質供給部４１の個数は２個に限定されず、同軸状電極１０の大きさ及び形状等に応じて適宜設定され得る。一対のプラズマ媒質供給部４１は、同軸状電極１０の周囲に配置されている。

次に、図３及び図４を参照してパルス電源装置の詳細を説明する。図３は、一実施形態に係るパルス電源装置の概略回路図である。図４は、図３に示されるパルス電源装置のうち、一対の電極に出力電力を供給する部分の概略回路図である。なお、パルス電源装置２１，２１は同一の回路構成を有するので、ここでは一方のパルス電源装置２１を用いて説明する。

パルス電源装置２１は、中心電極１１と中心電極１１から離間するように配置された複数の外部電極１２（外部電極１２ａ〜１２ｆ）のそれぞれとの間にパルス放電のための出力電力を供給する装置である。なお、以下の説明において、各外部電極１２ａ〜１２ｆに対応して設けられる要素を区別する場合には、当該要素を表す符号にａ〜ｆを付して表現することがある。

パルス電源装置２１は、１つの端子２２と複数の端子２３（端子２３ａ〜２３ｆ）とを備える。端子２２は、同軸状電極１０の中心電極１１に接続され、端子２３ａ〜２３ｆは、各端子２３に対応する外部電極１２に接続されている。パルス電源装置２１は、中心電極１１の電位が外部電極１２の電位よりも高くなるように放電電圧を印加することによって、出力電力を供給する。なお、パルス電源装置２１は、中心電極１１の電位が外部電極１２の電位よりも低くなるように放電電圧を印加することによって、出力電力を供給してもよい。

パルス電源装置２１は、複数の電力蓄積回路２４（電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆ）と、単一の高圧電源２５（第１電源、第３電源）と、複数の低圧電源２６（低圧電源２６ａ〜２６ｆ）と、制御装置２７と、を備える。

電力蓄積回路２４は、プラズマを発生させるための一対の電極（中心電極１１及び外部電極１２）にパルス放電のための出力電力を供給する回路である。電力蓄積回路２４は、外部電極１２に印加するための放電電圧を出力電力として蓄積する。電力蓄積回路２４は、複数の外部電極１２のそれぞれに対応して設けられる。本実施形態では、外部電極１２の本数が６本であるので、６つの電力蓄積回路２４（電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆ）が設けられる。たとえば、電力蓄積回路２４ａ（第１電力蓄積回路）は、プラズマを発生させるための一対の電極である中心電極１１及び外部電極１２ａ（第１外部電極）にパルス放電のための出力電力を供給する回路である。電力蓄積回路２４ｂ（第２電力蓄積回路）は、プラズマを発生させるための別の一対の電極である中心電極１１及び外部電極１２ｂ（第２外部電極）にパルス放電のための出力電力を供給する回路である。電力蓄積回路２４ｃ〜２４ｆについても同様である。各電力蓄積回路２４は、コンデンサＣ１，Ｃ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、電圧計２８と、を備える。

コンデンサＣ１は、高圧電源２５によって充電される。コンデンサＣ２は、低圧電源２６によって充電される。コンデンサＣ１，Ｃ２に蓄積された電力が出力電力として出力される。ダイオードＤ１，Ｄ２は、電流Ｉ５（図８参照）の逆流防止用のダイオードである。コンデンサＣ１の一端は、ダイオードＤ１のアノードに接続されている。コンデンサＣ１，Ｃ２は、電気的に直列に接続されている。つまり、コンデンサＣ１の他端とコンデンサＣ２の一端とは互いに接続されている。コンデンサＣ２の他端は、ダイオードＤ２のカソードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、端子２２を介して中心電極１１に接続されている。ダイオードＤ２のアノードは、各電力蓄積回路２４に対応する端子２３（端子２３ａ〜２３ｆ）を介して、各電力蓄積回路２４に対応する外部電極１２（外部電極１２ａ〜１２ｆ）に接続されている。

つまり、電力蓄積回路２４ａは、電気的に直列に接続されたコンデンサＣ１（第１出力コンデンサ）及びコンデンサＣ２（第２出力コンデンサ）を有し、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２に蓄積された電力を出力電力（第１出力電力）として供給する。具体的には、電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ１の他端と電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２の一端とは互いに接続されており、電力蓄積回路２４ａは、電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ１の一端から一対の電極（中心電極１１及び外部電極１２ａ）を介して電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２の他端に戻るように、出力電力を供給する。電力蓄積回路２４ｂは、電気的に直列に接続されたコンデンサＣ１（第３出力コンデンサ）及びコンデンサＣ２（第４出力コンデンサ）を有し、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２に蓄積された電力を出力電力（第２出力電力）として供給する。具体的には、電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ１の他端と電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ２の一端とは互いに接続されており、電力蓄積回路２４ｂは、電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ１の一端から別の一対の電極（中心電極１１及び外部電極１２ｂ）を介して電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ２の他端に戻るように、出力電力を供給する。電力蓄積回路２４ｃ〜２４ｆも同様である。なお、１本の中心電極１１と１本の外部電極１２の対を電極対と呼ぶことがある。

電圧計２８は、コンデンサＣ１，Ｃ２と並列に接続されており、直列に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の両端の電圧を計測する。電圧計２８は、種々の手法によって電圧を計測する。電圧の計測は、たとえば、抵抗分圧を利用して行われる。電圧計２８は、コンデンサＣ１の一端の電位がコンデンサＣ２の他端の電位よりも高い場合を正の値（正電圧）とし、コンデンサＣ２の他端の電位がコンデンサＣ１の一端の電位よりも高い場合を負の値（負電圧）として電圧値を出力する。電圧計２８は、計測した電圧値を制御装置２７に出力する。

高圧電源２５は、充電電流を流し続けることにより充電を行う第１充電方式でコンデンサＣ１を充電する。第１充電方式は、チョッパ方式ともいう。高圧電源２５は、電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆに対して共通に用いられる。つまり、高圧電源２５は、第１充電方式で、電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ１、電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ１、電力蓄積回路２４ｃのコンデンサＣ１、電力蓄積回路２４ｄのコンデンサＣ１、電力蓄積回路２４ｅのコンデンサＣ１、及び電力蓄積回路２４ｆのコンデンサＣ１を同時に充電する。高圧電源２５は、直流電源５１と、チョッパ回路５２と、トランス５３と、複数の回生制御回路５４と、電流計５５と、コンデンサＣ１１と、を備える。

直流電源５１は、コンデンサＣ１１を充電するための電源である。直流電源５１は、コンデンサＣ１１に直流の電圧（たとえば、５５０Ｖ）を供給する。コンデンサＣ１１は、直流電源５１によって充電された電力をコンデンサＣ１に供給するための電力蓄積部である。

チョッパ回路５２は、電力変換回路であって、コンデンサＣ１１に蓄積された電力をトランス５３を介してコンデンサＣ１に供給する。本実施形態では、チョッパ回路５２は、電圧可逆チョッパ回路であり、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４と、を備える。

スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、電気的な開閉を切り替え可能な要素である。すなわち、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２の両端（コレクタ及びエミッタ）の間が導通状態であるオン状態と、遮断状態であるオフ状態と、に切り替えられる。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２としては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）及びバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチが用いられる。図４に示される例では、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、ＩＧＢＴである。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２のゲート（制御端子）には、制御装置２７から駆動信号がそれぞれ供給される。スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、制御装置２７から出力される駆動信号に応じて、オン状態及びオフ状態を切り替える。

ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２とそれぞれ電気的に並列に接続されている還流ダイオードである。具体的には、ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソードはそれぞれスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２のコレクタに接続され、ダイオードＤ１１，Ｄ１２のアノードはそれぞれスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２のエミッタに接続されている。ダイオードＤ１３，Ｄ１４は、コイル部Ｌ１１の誘起エネルギーを回生するためのダイオードである。

スイッチング素子ＳＷ１１のコレクタ及びダイオードＤ１３のカソードがコンデンサＣ１１の一端に接続され、スイッチング素子ＳＷ１２のエミッタ及びダイオードＤ１４のアノードがコンデンサＣ１１の他端に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１１のエミッタとダイオードＤ１４のカソードとは互いに接続され、スイッチング素子ＳＷ１２のコレクタとダイオードＤ１３のアノードとは互いに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１１のエミッタとダイオードＤ１４のカソードとの接続点と、スイッチング素子ＳＷ１２のコレクタとダイオードＤ１３のアノードとの接続点とは、コイル部Ｌ１１を介して接続されている。

トランス５３は、コイル部Ｌ１１と、コイル部Ｌ１２（第１コイル部、第２コイル部）と、を備える。コイル部Ｌ１１は、チョッパ回路５２を介してコンデンサＣ１１の一端と他端との間に設けられる。コイル部Ｌ１２は、各回生制御回路５４を介して各電力蓄積回路２４（電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆ）のコンデンサＣ１の一端と他端との間に設けられる。コイル部Ｌ１１及びコイル部Ｌ１２は、互いに電力を送受信する。コイル部Ｌ１１及びコイル部Ｌ１２は、同一のコアに巻き付けられた（巻き回された）導線であり、コアを介して互いに磁気的に結合されている。トランス５３によって、一次側の電圧は昇圧され、二次側の電圧（たとえば、４．９ｋＶ）が供給される。

複数の回生制御回路５４は、複数の電力蓄積回路２４のそれぞれに対応して設けられる。各回生制御回路５４は、対応する電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１に蓄積された電力の回生を制御するための回路である。回生制御回路５４は、ダイオードＤ１５と、ダイオードＤ１６と、スイッチング素子ＳＷ１３と、を備える。

スイッチング素子ＳＷ１３は、電気的な開閉を切り替え可能な要素である。すなわち、スイッチング素子ＳＷ１３の両端（コレクタ及びエミッタ）の間が導通状態であるオン状態と、遮断状態であるオフ状態と、に切り替えられる。スイッチング素子ＳＷ１３としては、たとえばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ及びバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチが用いられる。図４に示される例では、スイッチング素子ＳＷ１３は、ＩＧＢＴである。スイッチング素子ＳＷ１３のゲート（制御端子）には、制御装置２７から駆動信号が供給される。スイッチング素子ＳＷ１３は、制御装置２７から出力される駆動信号に応じて、オン状態及びオフ状態を切り替える。

ダイオードＤ１５は、回生電流（図９の電流Ｉ６）の逆流防止用のダイオードである。ダイオードＤ１６は、スイッチング素子ＳＷ１３と電気的に並列に接続されている還流ダイオードである。具体的には、ダイオードＤ１６のカソードはスイッチング素子ＳＷ１３のコレクタに接続され、ダイオードＤ１６のアノードはスイッチング素子ＳＷ１３のエミッタに接続されている。

ダイオードＤ１５のカソードは、スイッチング素子ＳＷ１３のコレクタに接続され、スイッチング素子ＳＷ１３のエミッタは、各電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１の一端に接続されている。ダイオードＤ１５のアノードは、コイル部Ｌ１２を介して各電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１の他端に接続されている。

電流計５５は、各電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１の他端とコイル部Ｌ１２との間に直列に設けられており、コンデンサＣ１の他端から一端に向かう電流を計測する。電流計５５は、種々の手法によって電流を計測する。電流の計測は、たとえば、ＣＴ方式、ホール素子方式、及びロゴスキーコイル方式等によって行われる。電流計５５は、各電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１の他端から一端に向かう電流を正として計測した値を、電流値として制御装置２７に出力する。

各低圧電源２６は、所定の周期で充電電流を流すことにより充電を行う第２充電方式でコンデンサＣ２を充電する。第２充電方式は、高周波充電方式ともいう。各低圧電源２６は、高圧電源２５によりコンデンサＣ１が充電された後に、コンデンサＣ２を充電する。低圧電源２６は、複数の外部電極１２のそれぞれに対応して設けられる。本実施形態では、外部電極１２の本数が６本であるので、６つの低圧電源２６（２６ａ〜２６ｆ）が設けられる。低圧電源２６ａ（第２電源）は、高圧電源２５により電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ１が充電された後に、第２充電方式で電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２を充電する。低圧電源２６ｂ（第４電源）は、高圧電源２５により電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ１が充電された後に、第２充電方式で電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ２を充電する。低圧電源２６ｃ〜２６ｆについても同様である。低圧電源２６ａ〜２６ｆは、同一の構成を有するので、ここでは低圧電源２６ａについて説明する。

低圧電源２６ａは、直流電源６１と、インバータ回路６２と、トランス６３と、整流回路６４（第１ダイオード部）と、回生制御回路６５と、電流計６６と、コンデンサＣ２１と、を備える。

直流電源６１は、コンデンサＣ２１を充電するための電源である。直流電源６１は、コンデンサＣ２１に直流の電圧（たとえば、１００Ｖ）を供給する。コンデンサＣ２１は、直流電源６１によって充電された電力をコンデンサＣ２に供給するための電力蓄積部である。

インバータ回路６２は、コンデンサＣ２１から供給される直流電力を交流電力に変換する回路である。本実施形態では、インバータ回路６２は、フルブリッジインバータであり、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４と、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４と、を備える。

スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４は、電気的な開閉を切り替え可能な要素である。すなわち、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４の両端（ドレイン及びソース）の間が導通状態であるオン状態と、遮断状態であるオフ状態と、に切り替えられる。スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４としては、たとえばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ及びバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチが用いられる。図４に示される例では、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４のゲート（制御端子）には、制御装置２７から駆動信号がそれぞれ供給される。スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４は、制御装置２７から出力される駆動信号に応じて、オン状態及びオフ状態を切り替える。

スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２３のドレインはコンデンサＣ２１の一端に接続され、スイッチング素子ＳＷ２２，ＳＷ２４のソースはコンデンサＣ２１の他端に接続されている。スイッチング素子ＳＷ２１のソースとスイッチング素子ＳＷ２２のドレインとは互いに接続され、スイッチング素子ＳＷ２３のソースとスイッチング素子ＳＷ２４のドレインとは互いに接続されている。スイッチング素子ＳＷ２１のソースとスイッチング素子ＳＷ２２のドレインとの接続点と、スイッチング素子ＳＷ２３のソースとスイッチング素子ＳＷ２４のドレインとの接続点とは、コイル部Ｌ２１を介して互いに接続されている。

ダイオードＤ２１〜Ｄ２４は、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４とそれぞれ電気的に並列に接続されている還流ダイオードである。具体的には、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４のカソードはそれぞれスイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４のドレインに接続され、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４のアノードはそれぞれスイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４のソースに接続されている。

トランス６３は、コイル部Ｌ２１と、コイル部Ｌ２２と、を備える。コイル部Ｌ２１は、インバータ回路６２を介してコンデンサＣ２１の一端と他端との間に設けられる。コイル部Ｌ２２は、整流回路６４及び回生制御回路６５を介してコンデンサＣ２の一端と他端との間に設けられる。コイル部Ｌ２１及びコイル部Ｌ２２は、互いに電力を送受信する。コイル部Ｌ２１及びコイル部Ｌ２２は、同一のコアに巻き付けられた導線であり、コアを介して互いに磁気的に結合されている。トランス６３によって、一次側の電圧は変換され、二次側の電圧（たとえば、１００Ｖ）が供給される。

整流回路６４は、トランス６３を介してインバータ回路６２から供給された交流電力を整流する回路である。本実施形態では、整流回路６４は、ブリッジ方式の全波整流回路であり、ダイオードＤ２５〜Ｄ２８を備える。

ダイオードＤ２５のアノード及びダイオードＤ２６のカソードは互いに接続され、ダイオードＤ２７のアノード及びダイオードＤ２８のカソードは互いに接続されている。ダイオードＤ２５のアノードとダイオードＤ２６のカソードとの接続点Ｐ１と、ダイオードＤ２７のアノードとダイオードＤ２８のカソードとの接続点Ｐ２とは、コイル部Ｌ２２を介して互いに接続されている。ダイオードＤ２５，Ｄ２７のカソードは、回生制御回路６５を介して電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２の一端に接続され、ダイオードＤ２６，Ｄ２８のアノードは、電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２の他端に接続されている。

回生制御回路６５は、コンデンサＣ２に蓄積された電力の回生を制御するための回路である。回生制御回路６５は、ダイオードＤ２９と、スイッチング素子ＳＷ２５と、を備える。

スイッチング素子ＳＷ２５は、電気的な開閉を切り替え可能な要素である。すなわち、スイッチング素子ＳＷ２５の両端（コレクタ及びエミッタ）の間が導通状態であるオン状態と、遮断状態であるオフ状態と、に切り替えられる。スイッチング素子ＳＷ２５としては、たとえばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ及びバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチが用いられる。図４に示される例では、スイッチング素子ＳＷ２５は、ＩＧＢＴである。スイッチング素子ＳＷ２５のゲート（制御端子）には、制御装置２７から駆動信号が供給される。スイッチング素子ＳＷ２５は、制御装置２７から出力される駆動信号に応じて、オン状態及びオフ状態を切り替える。スイッチング素子ＳＷ２５のコレクタは、ダイオードＤ２５，Ｄ２７のカソードに接続され、スイッチング素子ＳＷ２５のエミッタは、電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２の一端に接続されている。

ダイオードＤ２９は、スイッチング素子ＳＷ２５と電気的に並列に接続されている還流ダイオードである。具体的には、ダイオードＤ２９のカソードはスイッチング素子ＳＷ２５のコレクタに接続され、ダイオードＤ２９のアノードはスイッチング素子ＳＷ２５のエミッタに接続されている。

電流計６６は、コンデンサＣ２の他端とダイオードＤ２６のアノード及びダイオードＤ２８のアノードとの間に直列に設けられており、コンデンサＣ２の他端から一端に向かう電流を計測する。電流計６６は、種々の手法によって電流を計測する。電流の計測は、たとえば、ＣＴ方式、ホール素子方式、及びロゴスキーコイル方式等によって行われる。電流計６６は、コンデンサＣ２の他端から一端に向かう電流を正として計測した値を、電流値として制御装置２７に出力する。

制御装置２７は、高圧電源２５及び低圧電源２６を制御するコントローラである。制御装置２７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、並びに、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory)等のメモリといったハードウェアを含むコンピュータである。メモリに記憶されているコンピュータプログラムに基づくＣＰＵの制御のもとで各ハードウェアを動作させることにより、制御装置２７の機能が実現される。

具体的には、制御装置２７は、各電圧計２８によって計測された電圧値、及び各電流計５５，６６によって計測された電流値に基づいて、高圧電源２５及び低圧電源２６を制御する。たとえば、制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１３を制御することによって、第１充電方式でコンデンサＣ１を充電する。制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２５を制御することによって、第２充電方式でコンデンサＣ２を充電する。制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１３を制御することによって、コンデンサＣ１に蓄積されている電力の極性を反転させる回生処理を行う。制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２５を制御することによって、コンデンサＣ２に蓄積されている電力の極性を反転させる回生処理を行う。なお、コンデンサＣ１，Ｃ２の他端の電位が一端の電位よりも高い状態でコンデンサＣ１，Ｃ２に蓄積されている電力の極性を、コンデンサＣ１，Ｃ２の他端から一端に電流を流すことによって反転させ、コンデンサＣ１，Ｃ２の一端の電位が他端の電位よりも高くするための充電を回生充電という。

次に、図５〜図９を参照して、パルス電源装置２１の動作を説明する。図５は、図３に示されるパルス電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。図６は、図３に示されるパルス電源装置の第１充電方式による充電時の動作を説明するための図である。図７は、図３に示されるパルス電源装置の第２充電方式による充電時の動作を説明するための図である。図８は、図３に示されるパルス電源装置の放電時の動作を説明するための図である。図９は、図３に示されるパルス電源装置の回生充電時の動作を説明するための図である。

プラズマ光源１の動作を開始したとき、各電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１，Ｃ２には電力が蓄積されていない。そこで、まず、パルス電源装置２１は、コンデンサＣ１を充電する。具体的に説明すると、制御装置２７が、まずスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１３をオン状態とすることで、高圧電源２５により第１充電方式でコンデンサＣ１の充電が開始される（時刻ｔ０）。すると、図６に示されるように、コンデンサＣ１１の一端からスイッチング素子ＳＷ１１、コイル部Ｌ１１、及びスイッチング素子ＳＷ１２を順に通ってコンデンサＣ１１の他端に戻る経路に電流Ｉ１が流れる。コイル部Ｌ１１に電流Ｉ１が流れると、電磁誘導によってコイル部Ｌ１２に誘導起電力が生じ、コンデンサＣ１の他端から、コイル部Ｌ１２、ダイオードＤ１５、及びスイッチング素子ＳＷ１３を順に通ってコンデンサＣ１の一端に戻る経路に充電電流Ｉ２が流れる。この状態が維持されることにより、充電電流Ｉ２が流れ続け、コンデンサＣ１の一端の電位が他端の電位よりも次第に高くなる。このようにして、第１充電方式によるコンデンサＣ１の充電が行われる。

パルス電源装置２１では、各電力蓄積回路２４において、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とが直列に接続されているので、コンデンサＣ１の電荷量とコンデンサＣ２の電荷量とは同じになる。したがって、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２のいずれかが充電されると、コンデンサＣ１の電荷量とコンデンサＣ２の電荷量とが同じになるように電荷が移動し、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２が充電されることになる。

コンデンサＣ１の充電を行っている間、制御装置２７は、各電圧計２８のうちの少なくとも１つによって計測される電圧値が、切替閾値に達したか否かを判定する。この電圧値は、電力蓄積回路２４の電圧ＶＰを電圧計２８によって計測した値である。電圧ＶＰは、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧であり、具体的にはコンデンサＣ２の他端の電位を基準とした、コンデンサＣ１の一端とコンデンサＣ２の他端との間の電圧である。切替閾値は、第１充電方式から第２充電方式に切り替えるための電圧の閾値である。切替閾値は、後述の規定値よりも低い値に設定され、たとえば、４．９ｋＶに設定される。この判定は、電圧値が切替閾値に達するまで定期的に繰り返される。そして、電圧値が切替閾値に達したと判定されると、制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１３をオフ状態とし、第１充電方式によるコンデンサＣ１の充電を停止する（時刻ｔ１）。

続いて、制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ２５をオン状態とする。そして、制御装置２７は、インバータ回路６２の状態を、スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２４をオン状態とするとともにスイッチング素子ＳＷ２２，ＳＷ２３をオフ状態とする第１状態と、スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２４をオフ状態とするとともにスイッチング素子ＳＷ２２，ＳＷ２３をオン状態とする第２状態と、で周期的に切り替える。この切替周期は、たとえば、５０マイクロ秒程度である。

図７に示されるように、第１状態では、コンデンサＣ２１の一端からスイッチング素子ＳＷ２１、コイル部Ｌ２１、及びスイッチング素子ＳＷ２４を順に通ってコンデンサＣ２１の他端に戻る経路に電流Ｉ３が流れる。第２状態では、まず、コイル部Ｌ２１の誘導起電力によって、第１状態と同じ方向にコイル部Ｌ２１に電流が流れようとする。このため、コンデンサＣ２１の他端からスイッチング素子ＳＷ２２、コイル部Ｌ２１、及びスイッチング素子ＳＷ２３を順に通ってコンデンサＣ２１の一端に戻る経路に電流Ｉ３が流れる。その後、コイル部Ｌ２１の誘導起電力がなくなり、コイル部Ｌ２１には反対方向に電流が流れる。つまり、コンデンサＣ２１の一端からスイッチング素子ＳＷ２３、コイル部Ｌ２１、及びスイッチング素子ＳＷ２２を順に通ってコンデンサＣ２１の他端に戻る経路に電流Ｉ３が流れる。

その後、インバータ回路６２が第１状態にされると、コイル部Ｌ２１の誘導起電力によって、第２状態と同じ方向にコイル部Ｌ２１に電流が流れようとする。このため、コンデンサＣ２１の他端からスイッチング素子ＳＷ２４、コイル部Ｌ２１、及びスイッチング素子ＳＷ２１を順に通ってコンデンサＣ２１の一端に戻る経路に電流Ｉ３が流れる。このような動作が繰り返されることによって、インバータ回路６２は、コンデンサＣ２１に蓄積されている直流電力を交流電力に変換する。この動作により、コイル部Ｌ２１には、交流の電流Ｉ３が流れる。つまり、電流Ｉ３の波形は正弦波状となる。

そして、コイル部Ｌ２１に交流の電流Ｉ３が流れると、電磁誘導によってコイル部Ｌ２２に交流の誘導起電力が生じる。この誘導起電力により、整流回路６４では、コンデンサＣ２の他端からダイオードＤ２８、コイル部Ｌ２２、ダイオードＤ２５、及びスイッチング素子ＳＷ２５を順に通ってコンデンサＣ２の一端に戻る経路と、コンデンサＣ２の他端からダイオードＤ２６、コイル部Ｌ２２、ダイオードＤ２７、及びスイッチング素子ＳＷ２５を順に通ってコンデンサＣ２の一端に戻る経路と、に交互に充電電流Ｉ４が流れる。この充電電流Ｉ４の波形は、正弦波の負の半周期が正側に折り返された波形、つまり正弦波の正の半周期が繰り返される形状となる。正弦波の正の半周期を１周期とすると、充電電流Ｉ４の周期は、切替周期（電流Ｉ３の周期）の半分になる。つまり、充電電流Ｉ４の周波数は、電流Ｉ３の周波数の２倍になる。充電電流Ｉ４が交互に流れることにより、コンデンサＣ２の一端の電位が他端の電位よりも次第に高くなる。このようにして、コンデンサＣ２の他端からコンデンサＣ２の一端に高周波で繰り返し充電電流Ｉ４を流すことにより、第２充電方式によるコンデンサＣ２の充電が行われる。

第２充電方式によるコンデンサＣ２の充電を行っている間、制御装置２７は、各電圧計２８によって計測される電圧値が、規定値に達したか否かを判定する。規定値は、放電に用いられる規定電力が電力蓄積回路２４に充電された場合のコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧値であり、たとえば、５ｋＶに設定される。この判定は、電圧値が規定値に達するまで定期的に繰り返される。そして、電圧値が規定値に達したと判定されると、制御装置２７は、その電力蓄積回路２４に対応する低圧電源２６のスイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２５をオフ状態とし、第２充電方式によるコンデンサＣ２の充電を停止する（時刻ｔ２）。すべての低圧電源２６による充電が停止されるまで、上記処理が繰り返される。

このとき、パルス電源装置２１は、中心電極１１と外部電極１２との間に出力電力を供給している。つまり、パルス電源装置２１は、中心電極１１と外部電極１２との間に放電電圧を印加している。そして、制御装置２７は、放電（プラズマ光の放射）が行われたか否かを判定する。

ここで、プラズマ光の放射は、以下のように行われる。放電電圧が印加された状態で、レーザ装置３０によって、プラズマ媒質供給部４１のプラズマ媒質４３にレーザ光３２ａ，３２ｂが照射される。その直後、複数の外部電極１２のそれぞれと中心電極１１との間で放電が生じる（時刻ｔ３）。これにより、図８に示されるように、コンデンサＣ１の一端から、ダイオードＤ１、中心電極１１、外部電極１２、及びダイオードＤ２を順に通ってコンデンサＣ２の他端に戻る経路に電流Ｉ５（放電電流）が流れ、中心電極１１の全周に亘って分布する面状放電が得られる。なお、図８では、図面の都合上、電流Ｉ５の経路を簡略化して示しているので、電流Ｉ５は中心電極１１及び外部電極１２を経由しないように描かれているが、実際には中心電極１１及び外部電極１２を経由する。その後、面状放電は中心電極１１の先端に達したことで、その放電電流の出発点は中心電極１１の側面から先端面に移行する。この電流の移行によって、一対の面状放電に伴って移動してきたプラズマは収束し、高密度かつ高温になる。

この現象は中央面Ｐ（図１参照）を挟んだ同軸状電極１０で進行するため、初期プラズマは、一方の同軸状電極１０から他方の同軸状電極１０に向かって押し出される。その結果、初期プラズマは、中心軸線ＡＸ（図１参照）に沿う両方向からの圧力を受けて同軸状電極１０が対面する中間位置（すなわち中央面Ｐの位置）に移動し、プラズマ媒質を成分とする単一のプラズマが形成される。面状放電が発生している間は、プラズマの高密度化及び高温化が進行し、イオンの電離が進行する。その結果、プラズマからはプラズマ光が放射される。このプラズマ光はパルス的に放射されるので、上記一連の放電をパルス放電と呼ぶこともある。

このようにしてプラズマ光が放射され、コンデンサＣ２の他端の電位がコンデンサＣ１の一端の電位よりも高くなる。制御装置２７は、放電（プラズマ光の放射）が行われたか否かを判定するために、たとえば、各電圧計２８のうちの少なくとも１つによって計測される電圧値が、所定の電圧閾値よりも低くなったかを判定する。電圧閾値は、放電が終了したことを判定可能な電力蓄積回路２４の電圧値であり、たとえば、０Ｖに設定される。この判定は、電圧値が電圧閾値よりも低くなるまで定期的に繰り返される。

そして、電圧値が電圧閾値よりも低くなったと判定されると、制御装置２７は、放電が行われたと判定し得るので、タイマ（不図示）を動作させる。そして、制御装置２７は、放電の終了から所定の時間が経過したかを判定する。所定の時間は、コンデンサＣ１，Ｃ２の回生充電が行われた際の再放電を防止するための時間であり、パルス放電のパルス幅（時間幅）よりも長く設定される。パルス放電は、たとえば、２マイクロ秒程度継続される。この判定は、所定の時間が経過するまで定期的に繰り返される。

そして、所定の時間が経過したと判定されると、制御装置２７は、各高圧電源２５のスイッチング素子ＳＷ１３をオン状態とし、コンデンサＣ１の回生充電を開始するとともに、各低圧電源２６のスイッチング素子ＳＷ２５をオン状態とし、コンデンサＣ２の回生充電を開始する（時刻ｔ４）。このとき、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１〜ＳＷ２４はオフ状態のままである。これにより、図９に示されるように、高圧電源２５では、コンデンサＣ１の他端から、コイル部Ｌ１２、ダイオードＤ１５、及びスイッチング素子ＳＷ１３を順に通ってコンデンサＣ１の一端に戻る経路に電流Ｉ６（回生電流）が流れる。コンデンサＣ１の他端から一端に電流Ｉ６が流れることで、コンデンサＣ１に負電圧で充電されている電力が反転して正電圧に充電されていく。コイル部Ｌ１２に電流Ｉ６が流れると、電磁誘導によってコイル部Ｌ１１に誘導起電力が生じ、コンデンサＣ１１の他端から、ダイオードＤ１４、コイル部Ｌ１１、及びダイオードＤ１３を順に通って、コンデンサＣ１１の一端に戻る経路に電流Ｉ７が流れる。これにより、コンデンサＣ１１の回生充電も行われる。

また、各低圧電源２６では、主に、コンデンサＣ２の他端から、ダイオードＤ２８、ダイオードＤ２７、及びスイッチング素子ＳＷ２５を順に通ってコンデンサＣ２の一端に戻る経路、並びに、コンデンサＣ２の他端から、ダイオードＤ２６、ダイオードＤ２５、及びスイッチング素子ＳＷ２５を順に通ってコンデンサＣ２の一端に戻る経路に、電流Ｉ８（回生電流）が流れる。なお、ダイオードＤ２５〜Ｄ２８は同一であるので、理想的には、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２とは同電位である。しかし、実際には、ダイオードのばらつき等によって、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に電位差が生じる。この場合、コイル部Ｌ２２にも電流Ｉ８が流れる。

たとえば、ダイオードＤ２６のインピーダンスがダイオードＤ２８のインピーダンスよりも大きい場合、接続点Ｐ１の電位が接続点Ｐ２の電位よりも低くなる。このため、接続点Ｐ２からコイル部Ｌ２２を通って接続点Ｐ１に電流Ｉ８が流れる。接続点Ｐ２からダイオードＤ２７に流れる電流と、接続点Ｐ２からコイル部Ｌ２２に流れる電流とは、ダイオードＤ２７のインピーダンスと、トランス６３の２次側から見たインピーダンス及びダイオードＤ２５のインピーダンスの和との比率に応じて定まる。

一方、ダイオードＤ２８のインピーダンスがダイオードＤ２６のインピーダンスよりも大きい場合、接続点Ｐ２の電位が接続点Ｐ１の電位よりも低くなる。このため、接続点Ｐ１からコイル部Ｌ２２を通って接続点Ｐ２に電流Ｉ８が流れる。接続点Ｐ１からダイオードＤ２５に流れる電流と、接続点Ｐ１からコイル部Ｌ２２に流れる電流とは、ダイオードＤ２５のインピーダンスと、トランス６３の２次側から見たインピーダンス及びダイオードＤ２７のインピーダンスの和との比率に応じて定まる。

コンデンサＣ２の他端から一端に電流Ｉ８が流れることで、コンデンサＣ２に負電圧で充電されている電力が反転して正電圧に充電されていく。接続点Ｐ２から接続点Ｐ１に向かってコイル部Ｌ２２に電流Ｉ８が流れると、電磁誘導によってコイル部Ｌ２１に誘導起電力が生じ、コンデンサＣ２１の他端から、ダイオードＤ２２、コイル部Ｌ２１、及びダイオードＤ２３を順に通って、コンデンサＣ２１の一端に戻る経路に電流Ｉ９が流れる。これにより、コンデンサＣ２１の回生充電も行われる。

回生充電を開始した後、制御装置２７は、回生充電が終了したか否かを判定する。この判定は、たとえば、各電圧計２８のうちの少なくとも１つによって計測される電圧値の時間変化を用いて行われる。具体的には、制御装置２７は、電圧値の時間変化が、所定の第１範囲内であるか否かを判定する。回生充電が終了すると、電力蓄積回路２４の電圧変化はほとんどなくなるので、第１範囲は、回生充電が終了したと判定し得る電圧値の時間変化に設定される。制御装置２７は、電圧値の時間変化が第１範囲内であれば、回生充電が終了したと判定し、第１範囲外であれば、回生充電が終了していないと判定する。

また、制御装置２７は、各低圧電源２６の電流計５５，６６によって計測された電流値と予め定められた電流閾値とを比較することによって、回生充電が終了したか否かを判定してもよい。回生充電が終了すると、電流Ｉ６，Ｉ８はほとんど流れなくなるので、電流閾値は、回生充電が終了したと判定し得る電流値に設定される。具体的には、制御装置２７は、電流計５５，６６によって計測された電流値が電流閾値よりも小さい場合に回生充電が終了したと判定し、電流計５５，６６によって計測された電流値が電流閾値以上である場合に回生充電が終了していないと判定する。

制御装置２７は、上記電圧値を用いた判定と上記電流値を用いた判定とを組み合わせて、回生充電が終了したか否かの判定を行ってもよい。また、制御装置２７は、電圧値及び電流値から電力値を計算し、電力値に基づいて、回生充電の終了を判定してもよい。

この判定は、回生充電が終了するまで定期的に繰り返される。そして、回生充電が終了したと判定されると、制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ２５をオフ状態とするとともに、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２をオン状態とし、第１充電方式によるコンデンサＣ１の充電を開始する（時刻ｔ５）。このとき、スイッチング素子ＳＷ１３はオン状態のままである。そして、制御装置２７は、各電圧計２８によって計測される電圧値が、切替閾値に達したか否かを判定する。以降、上述の動作が繰り返される。

このように、複数の電力蓄積回路２４のそれぞれは、コンデンサＣ１の一端から中心電極１１及び対応する外部電極１２を介してコンデンサＣ２の他端に戻るように、電力蓄積回路２４に蓄積された電力を供給することによって出力電力を供給している。制御装置２７は、スイッチング素子ＳＷ１３をオン状態とすることによって、放電後にコンデンサＣ１に戻った電力を他端から一端に戻す回生充電を行い、スイッチング素子ＳＷ２５をオン状態とすることによって、放電後にコンデンサＣ２に戻った電力を他端から一端に戻す回生充電を行う。そして、回生充電後に電力蓄積回路２４に蓄積されている電力が規定電力となるまでコンデンサＣ１，Ｃ２を充電するように、高圧電源２５及び低圧電源２６を制御する。このとき、第１充電方式では、充電電流Ｉ２を連続的に流し続けることにより充電を行うので、電圧ＶＰを規定値に正確に合わせることができない。このため、第１充電方式で電力蓄積回路２４がある程度充電された後、第２充電方式で電圧ＶＰの微調整が行われる。

以上説明したように、パルス電源装置２１は、中心電極１１と中心電極１１から離間するように配置された複数の外部電極１２（外部電極１２ａ〜１２ｆ）のそれぞれとの間にパルス放電のための出力電力を供給するために、各外部電極１２に対して電力蓄積回路２４を備えている。つまり、パルス電源装置２１では、中心電極１１と外部電極１２ａとの電極対、中心電極１１と外部電極１２ｂとの電極対、中心電極１１と外部電極１２ｃとの電極対、中心電極１１と外部電極１２ｄとの電極対、中心電極１１と外部電極１２ｅとの電極対、及び中心電極１１と外部電極１２ｆとの電極対にそれぞれ出力電力が供給される。

パルス電源装置２１では、単一の高圧電源２５によって、各電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１が充電電流を流し続けることにより充電を行う第１充電方式で同時に充電された後、各低圧電源２６によって、対応する電力蓄積回路２４のコンデンサＣ２が所定の周期で充電電流を流すことにより充電を行う第２充電方式で充電される。

第１充電方式では、充電電流Ｉ２を流し続けることでコンデンサＣ１の充電を行うので、電力蓄積回路２４に充電される電力（電圧）を微調整することが難しい。また、高圧電源２５は、複数の電力蓄積回路２４のコンデンサＣ１を同時に充電することから、充電開始前に各電力蓄積回路２４に蓄積されている電力が異なる場合には、それぞれの電力蓄積回路２４に蓄積されている電力が同一となるように充電することはできない。一方、第２充電方式では、充電電流Ｉ４を繰り返し流すことによってコンデンサＣ２の充電を行うので、電力蓄積回路２４が少しずつ充電されていく。このため、第２充電方式では、電力蓄積回路２４に充電される電力（電圧）を微調整することができる。また、低圧電源２６は、電力蓄積回路２４ごとに設けられているので、充電開始前に各電力蓄積回路２４に蓄積されている電力が異なっていても、それぞれの電力蓄積回路２４に蓄積されている電力を所望の電力まで充電することができる。このため、たとえば、第１充電方式で、所望の電力付近まで充電を行った後で、第２充電方式で残りの電力の充電を行うことにより、電力蓄積回路２４に蓄積される電力を所望の電力に合わせることが可能となる。

具体的に説明すると、パルス電源装置２１では、各電力蓄積回路２４において、コンデンサＣ１の一端から中心電極１１及び外部電極１２を介してコンデンサＣ２の他端に戻るように、出力電力が供給される。このため、出力電力が供給された後、各電力蓄積回路２４には、供給前の電力とは極性が反対の電力が蓄積される。電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆのコンデンサＣ１の一端と他端との間には、共通のコイル部Ｌ１２が設けられている。これにより、コンデンサＣ１の他端からコイル部Ｌ１２を介してコンデンサＣ１の一端に向けて電流Ｉ６が流れ、コンデンサＣ１が回生充電される。

電力蓄積回路２４ａのコンデンサＣ２の一端と他端との間には、当該コンデンサＣ２の他端からコンデンサＣ２の一端に向けて電流を流すように配置された低圧電源２６ａの整流回路６４（第１ダイオード部）が設けられている。電力蓄積回路２４ｂのコンデンサＣ２の一端と他端との間には、当該コンデンサＣ２の他端からコンデンサＣ２の一端に向けて電流を流すように配置された低圧電源２６ｂの整流回路６４（第２ダイオード部）が設けられている。同様に、電力蓄積回路２４ｃ〜２４ｆのコンデンサＣ２の一端と他端との間には、各コンデンサＣ２の他端からコンデンサＣ２の一端に向けて電流を流すように配置された低圧電源２６ｃ〜２６ｆの整流回路６４が設けられている。これにより、各電力蓄積回路２４では、コンデンサＣ２の他端から、対応する低圧電源２６の整流回路６４を介してコンデンサＣ２の一端に向けて電流Ｉ８が流れ、コンデンサＣ２が回生充電される。

このようにして電力蓄積回路２４に回生される電力の電力量は、パルス放電ごとに異なることがある。さらに、同じパルス放電でも、電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆに回生される電力の電力量は、互いに異なることがある。そのような場合でも、各電力蓄積回路２４において、第１充電方式で、所望の電力付近まで充電を行った後で、第２充電方式で残りの電力の充電を行うことにより、電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆに充電される電力を所望の電力に合わせることが可能となる。これにより、パルス放電ごとに電極対に供給される出力電力の均一化、及び同一パルス放電における各電極対に供給される出力電力の均一化が可能となる。その結果、パルス放電ごとの電力のばらつきを低減することが可能となるとともに、同一パルス放電における電極対ごとの電力のばらつきを低減することが可能となる。

低圧電源２６では、インバータ回路６２によって生成された交流電力が、整流回路６４により整流されることによって、所定の周期の充電電流Ｉ４が生成される。これにより、第２充電方式が実現される。

インバータ回路６２では、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４が半導体スイッチで構成されている。このため、インバータ回路６２を高速に動作させることができる。これにより、第２充電方式における充電電流Ｉ４の周期を短くすることが可能となる。

各外部電極１２に対して共通の高圧電源２５が設けられている。このため、電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆに対して、１つの高圧電源２５を用いて第１充電方式で充電が行われる。そして、低圧電源２６ａ〜２６ｆによって、電力蓄積回路２４ａ〜２４ｆに充電される電力が微調整され得る。このため、パルス電源装置２１が備える高圧電源２５の個数を減らすことができるので、パルス電源装置２１の小型化及びコストの削減が可能となる。

高圧電源２５は、コイル部Ｌ１２を介してコンデンサＣ１の一端と他端とを電気的に接続し、又は電気的に切り離すためのスイッチング素子ＳＷ１３を備えている。このスイッチング素子ＳＷ１３により、コンデンサＣ１の一端と他端とをコイル部Ｌ１２を介して電気的に接続することによって、ＬＣ回路が構成される。これにより、コンデンサＣ１の回生充電を開始させることが可能となる。コンデンサＣ１の一端と他端とがコイル部Ｌ１２を介して常に接続されている場合には、パルス放電を行っている際に、コンデンサＣ１に戻った電力が回生充電されて、再放電を行う可能性がある。このため、パルス放電が開始されてから、パルス放電に要する時間よりも遅いタイミングで、制御装置２７がスイッチング素子ＳＷ１３をオン状態とすることにより、再放電を確実に防止することができる。

同様に、各低圧電源２６は、整流回路６４を介してコンデンサＣ２の一端と他端とを電気的に接続し、又は電気的に切り離すためのスイッチング素子ＳＷ２５を備えている。このスイッチング素子ＳＷ２５により、コンデンサＣ２の一端と他端とが整流回路６４を介して電気的に接続される。これにより、コンデンサＣ２の回生充電を開始させることが可能となる。コンデンサＣ２の一端と他端とが整流回路６４を介して常に接続されている場合には、パルス放電を行っている際に、コンデンサＣ２に戻った電力が回生充電されて、再放電を行う可能性がある。このため、パルス放電が開始されてから、パルス放電に要する時間よりも遅いタイミングで、制御装置２７がスイッチング素子ＳＷ２５をオン状態とすることにより、再放電を確実に防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、パルス電源装置２１は、プラズマ光源１以外にも用いられ得る。パルス電源装置２１は、パルス的に繰り返し充電し、かつ１又は複数の電極対に電圧を印加するような装置（高い繰り返し周期でパルス電力を必要とする装置）に適用可能である。

また、上記実施形態では、パルス電源装置２１は、単一の高圧電源２５を備えているが、低圧電源２６と同様に、複数の外部電極１２のそれぞれに対応して設けられた複数の高圧電源２５を備えていてもよい。

外部電極１２の本数は、６つに限られない。外部電極１２の本数は、１本でもよく、２本以上でもよい。外部電極１２の本数に応じて、端子２３の個数、電力蓄積回路２４の個数、及び低圧電源２６の個数も適宜変更され得る。外部電極１２の本数が１本である場合、他の電極対が存在しないので、同じパルス放電において各電極対に供給される出力電力の均一化はなされないが、パルス放電ごとに電極対に供給される出力電力の均一化が可能となる。その結果、パルス放電ごとの電力のばらつきを低減することが可能となる。

また、パルス電源装置２１は、中心電極１１の電位が外部電極１２の電位よりも低くなるように放電電圧を印加することによって、出力電力を供給してもよい。この場合、端子２２が電力蓄積回路２４ごとに設けられ、各ダイオードＤ１のカソードは、対応する端子２２に接続される。そして、各端子２２は、電力蓄積回路２４と対応する外部電極１２に接続される。また、パルス電源装置２１が有する端子２３の数は１つであり、各ダイオードＤ２のアノードは端子２３に接続される。そして、端子２３は中心電極１１に接続される。

パルス放電のパルス幅と比較して、コンデンサＣ１の他端から一端に電流Ｉ６が戻るのに要する時間（たとえば、数百μ秒程度）は長い。このため、パルス放電中に再放電が起こる可能性は低いので、高圧電源２５は、スイッチング素子ＳＷ１３及びダイオードＤ１６を備えていなくてもよい。同様に、各低圧電源２６は、スイッチング素子ＳＷ２５及びダイオードＤ２９を備えていなくてもよい。

上記実施形態では、電力蓄積回路２４の電圧ＶＰを用いて、第１充電方式から第２充電方式への切替、及び第２充電方式による充電の停止が行われている。つまり、各電力蓄積回路２４の電圧ＶＰを規定値に揃えることは、結果的に、各電力蓄積回路２４に蓄積されている電力を、放電に用いられる規定電力に揃えることと同じである。このため、各電力蓄積回路２４は、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２に蓄積された電力を計測する電力計を備えていてもよい。この場合、制御装置２７は、第１充電方式から第２充電方式への切替、及び第２充電方式による充電の停止を、電力計によって計測された電力に基づいて行ってもよい。また、制御装置２７は、回生充電の終了を電力計によって計測された電力に基づいて行ってもよい。

図１０に示されるように、各低圧電源２６は、インダクタ部Ｌ２３をさらに備えてもよい。インダクタ部Ｌ２３は、スイッチング素子ＳＷ２５のエミッタと、電力蓄積回路２４のコンデンサＣ２の一端との間に設けられる。インダクタ部Ｌ２３は、電流制限用の要素であって、電流のピーク値を抑える。インダクタ部Ｌ２３は、所定のインダクタンスを有する。インダクタ部Ｌ２３は、コイルでもよく、電線でもよい。この場合、ダイオードＤ２５〜Ｄ２８に流れる電流がダイオードＤ２５〜Ｄ２８の定格を超えないように調整され得る。

１ プラズマ光源
２ チャンバ
３ 排気管
１０ 同軸状電極
１１ 中心電極
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ 外部電極
１３ 絶縁体
２０ 電圧印加装置
２１ パルス電源装置
２２ 端子
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ 端子
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ 電力蓄積回路
２５ 高圧電源
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ 低圧電源
２７ 制御装置
２８ 電圧計
３０ レーザ装置
３１ レーザ発生装置
３２、３２ａ、３２ｂ レーザ光
３４ ビームスプリッタ
３５ ミラー
４１ プラズマ媒質供給部
４２ 保持部
４３ プラズマ媒質
５１ 直流電源
５２ チョッパ回路
５３ トランス
５４ 回生制御回路
５５ 電流計
６１ 直流電源
６２ インバータ回路
６３ トランス
６４ 整流回路
６５ 回生制御回路
６６ 電流計
ＡＸ 中心軸線
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ１１ コンデンサ
Ｃ２１ コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｄ１１ ダイオード
Ｄ１２ ダイオード
Ｄ１３ ダイオード
Ｄ１４ ダイオード
Ｄ１５ ダイオード
Ｄ１６ ダイオード
Ｄ２１ ダイオード
Ｄ２２ ダイオード
Ｄ２３ ダイオード
Ｄ２４ ダイオード
Ｄ２５ ダイオード
Ｄ２６ ダイオード
Ｄ２７ ダイオード
Ｄ２８ ダイオード
Ｄ２９ ダイオード
Ｌ１１ コイル部
Ｌ１２ コイル部
Ｌ２１ コイル部
Ｌ２２ コイル部
Ｐ 中央面
ＳＷ１１ スイッチング素子
ＳＷ１２ スイッチング素子
ＳＷ１３ スイッチング素子
ＳＷ２１ スイッチング素子
ＳＷ２２ スイッチング素子
ＳＷ２３ スイッチング素子
ＳＷ２４ スイッチング素子
ＳＷ２５ スイッチング素子
ＭＶ 媒質蒸気

Claims (6)

1. プラズマを発生させるための一対の電極にパルス放電のための第１出力電力を供給する回路であって、電気的に直列に接続された第１出力コンデンサ及び第２出力コンデンサを有する第１電力蓄積回路と、
   充電電流を流し続けることにより充電を行う第１充電方式で前記第１出力コンデンサを充電する第１電源と、
   所定の周期で充電電流を流すことにより充電を行う第２充電方式で前記第２出力コンデンサを充電する第２電源と、
   を備え、
   前記第１電源は、前記第１出力コンデンサの一端と前記第１出力コンデンサの他端との間に設けられた第１コイル部を備え、
   前記第２電源は、前記第２出力コンデンサの他端から前記第２出力コンデンサの一端に向けて電流を流すように配置された第１ダイオード部を備え、
   前記第１出力コンデンサの他端と前記第２出力コンデンサの一端とは互いに接続されており、
   前記第１電力蓄積回路は、前記第１出力コンデンサの一端から前記一対の電極を介して前記第２出力コンデンサの他端に戻るように、前記第１出力コンデンサ及び前記第２出力コンデンサに蓄積された電力を前記第１出力電力として供給し、
   前記第２電源は、前記第１電源により前記第１出力コンデンサを充電した後に、前記第２出力コンデンサを充電する、パルス電源装置。
2. 前記第２電源は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備え、
   前記第１ダイオード部は、前記インバータ回路によって変換された前記交流電力を整流する整流回路である、請求項１に記載のパルス電源装置。
3. 前記インバータ回路は、半導体スイッチを備える、請求項２に記載のパルス電源装置。
4. プラズマを発生させるための別の一対の電極にパルス放電のための第２出力電力を供給する回路であって、電気的に直列に接続された第３出力コンデンサ及び第４出力コンデンサを有する第２電力蓄積回路と、
   前記第１充電方式で前記第３出力コンデンサを充電する第３電源と、
   前記第２充電方式で前記第４出力コンデンサを充電する第４電源と、
   を備え、
   前記一対の電極は、中心電極及び第１外部電極であり、
   前記別の一対の電極は、前記中心電極及び第２外部電極であり、
   前記第３電源は、前記第３出力コンデンサの一端と前記第３出力コンデンサの他端との間に設けられた第２コイル部を備え、
   前記第４電源は、前記第４出力コンデンサの他端から前記第４出力コンデンサの一端に向けて電流を流すように配置された第２ダイオード部を備え、
   前記第３出力コンデンサの他端と前記第４出力コンデンサの一端とは互いに接続されており、
   前記第２電力蓄積回路は、前記第３出力コンデンサの一端から前記一対の電極を介して前記第４出力コンデンサの他端に戻るように、前記第３出力コンデンサ及び前記第４出力コンデンサに蓄積された電力を前記第２出力電力として供給し、
   前記第４電源は、前記第３電源により前記第３出力コンデンサを充電した後に、前記第４出力コンデンサを充電する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のパルス電源装置。
5. 前記第１電源と前記第３電源とは同一である、請求項４に記載のパルス電源装置。
6. 前記第２電源は、前記第１ダイオード部に流れる電流を制限するためのインダクタ部をさらに備える、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のパルス電源装置。

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