JP2005116331A - レーザープラズマ発生装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡潔な構造からなり、プラズマ発生量が多く、エネルギー変換効率が高く、デブリレスのレーザープラズマ発生装置を提供することを主な目的とする。
【解決手段】間歇的に噴射されるターゲット材料に対しパルスレーザー光を照射することによりプラズマを発生させ、該プラズマにより高エネルギーフォトンを発生させるための装置であって、パルスレーザー集光用レンズの中心部に開口を設け、該開口を通過するターゲット材料の噴射ノズルの軸とレンズ軸とを一致させたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置；
および上記のレーザープラズマ発生装置を用いて高エネルギーフォトンを発生させる方法において、ターゲット材料が、ガス、液体、または微粒子を含むガス流である方法。
【選択図】図６
【解決手段】間歇的に噴射されるターゲット材料に対しパルスレーザー光を照射することによりプラズマを発生させ、該プラズマにより高エネルギーフォトンを発生させるための装置であって、パルスレーザー集光用レンズの中心部に開口を設け、該開口を通過するターゲット材料の噴射ノズルの軸とレンズ軸とを一致させたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置；
および上記のレーザープラズマ発生装置を用いて高エネルギーフォトンを発生させる方法において、ターゲット材料が、ガス、液体、または微粒子を含むガス流である方法。
【選択図】図６
Description
本発明は、レーザー光をターゲット材料に照射することにより、プラズマを発生させるレーザープラズマ発生装置およびこの装置を用いて高エネルギーフォトンを発生させる方法に関する。
なお、「特許請求の範囲」および本明細書においては、真空紫外線からX線、γ線にわ
たる短波長な光を「高エネルギーフォトン」という。
たる短波長な光を「高エネルギーフォトン」という。
レーザープラズマ光源は、パルスレーザー光を物質に照射して、レーザープラズマを発生させ、このプラズマを利用するものである。集光照射したパルスレーザー光の集光強度に依存するが、ターゲット材料としては、固体或いは液体だけでなく、ガス状物質を選択できることがわかっている。このレーザープラズマからの発光は、パルス状であり、その波長は、赤外線、可視光、紫外線およびX線にまで及ぶ。特に、真空紫外線よりも短波長
である光は、従来のエキシマ光源では発生が困難であるため、産業的にもその開発が期待されている。例えば、次世代半導体技術を実現するためのEUV光源は、波長約13.5nm（光
子エネルギー約92eV）を効率的に発生させる必要があり、レーザープラズマ光源によるその実現が切望されている（非特許文献４に最近の動向が記載されている。）
高輝度な（すなわち、エネルギー変換効率の高い）レーザープラズマ光を発生させるためには、ターゲット材料としては固体が適している。しかしながら、固体ターゲットには、プラズマ化した材料物質が飛散し、再び固体に戻る際に容器や光学系を汚染する飛散粒子（デブリ）となるという問題がある。パルスレーザー成膜法（Pulsed Laser Deposition）は、この粒子を積極的に利用した成膜方法であるが、光源として利用する際には、デ
ブリの少ない（デブリフリー）ガス状物質をターゲットとしたレーザープラズマが好適である。しかし、ガスターゲットは固体（または液体）ターゲットと比べて、プラズマを生成するための照射強度が大きく、エネルギー変換効率が低いのが難点である。これは、ガスが固体（または液体）に比べて原子密度が低いことに起因している。また、ガスのレーザープラズマから発生する光が、周囲のプラズマ化していないガス（雰囲気ガス）により吸収されて利用しにくいということも、問題である。この問題を克服するために、高密度のガス（または液体）をノズルから噴射する方法が提案されている。この方法では、ターゲット材料として、ガス（または液体）の噴射とレーザーの照射とのタイミングを同期させる必要があり、そのために精密な制御機構を必要とする。なお、「特許請求の範囲」および本明細書においては、ガスターゲットとは、レーザープラズマを発生させるために、ノズルから噴射されるガス、液体、または微粒子を含むガス流などを意味する。
である光は、従来のエキシマ光源では発生が困難であるため、産業的にもその開発が期待されている。例えば、次世代半導体技術を実現するためのEUV光源は、波長約13.5nm（光
子エネルギー約92eV）を効率的に発生させる必要があり、レーザープラズマ光源によるその実現が切望されている（非特許文献４に最近の動向が記載されている。）
高輝度な（すなわち、エネルギー変換効率の高い）レーザープラズマ光を発生させるためには、ターゲット材料としては固体が適している。しかしながら、固体ターゲットには、プラズマ化した材料物質が飛散し、再び固体に戻る際に容器や光学系を汚染する飛散粒子（デブリ）となるという問題がある。パルスレーザー成膜法（Pulsed Laser Deposition）は、この粒子を積極的に利用した成膜方法であるが、光源として利用する際には、デ
ブリの少ない（デブリフリー）ガス状物質をターゲットとしたレーザープラズマが好適である。しかし、ガスターゲットは固体（または液体）ターゲットと比べて、プラズマを生成するための照射強度が大きく、エネルギー変換効率が低いのが難点である。これは、ガスが固体（または液体）に比べて原子密度が低いことに起因している。また、ガスのレーザープラズマから発生する光が、周囲のプラズマ化していないガス（雰囲気ガス）により吸収されて利用しにくいということも、問題である。この問題を克服するために、高密度のガス（または液体）をノズルから噴射する方法が提案されている。この方法では、ターゲット材料として、ガス（または液体）の噴射とレーザーの照射とのタイミングを同期させる必要があり、そのために精密な制御機構を必要とする。なお、「特許請求の範囲」および本明細書においては、ガスターゲットとは、レーザープラズマを発生させるために、ノズルから噴射されるガス、液体、または微粒子を含むガス流などを意味する。
ガスターゲットをレーザープラズマ光源とした例としては、ガスパフターゲット(gas puff target)にレーザー光を照射することにより、Ｘ線を発生させる技術が、公知である(非特許文献１に初出、詳細は非特許文献２および特許文献１を参照)。
図１は、公知のガスパフターゲットを使用する方法の概要を示す模式図である。
図１（A）は、ノズルから噴射されるターゲット材料に対し、集光レンズによりパルス
レーザー光を集光照射する様子を示している。図に示されるように、ノズルの噴射方向とレーザーの照射方向は一致していないのが通常である。集光位置がノズルから離れている場合には、ガスの密度が小さくなるので、レーザープラズマの発生位置を、ノズルの先端に近づける必要があるが、ノズルとレーザープラズマが近いとノズル先端を損傷してしまう。ノズルの損傷を避けるために、ノズルから離れたガスの密度が小さい部分にプラズマ
を発生させる場合には、照射レーザー光のエネルギーの一部はターゲット材料を透過して、照射するレーザー光の一部しか利用できないので、プラズマ発生量を増大させることにより、エネルギー変換効率を向上させる必要がある。
レーザー光を集光照射する様子を示している。図に示されるように、ノズルの噴射方向とレーザーの照射方向は一致していないのが通常である。集光位置がノズルから離れている場合には、ガスの密度が小さくなるので、レーザープラズマの発生位置を、ノズルの先端に近づける必要があるが、ノズルとレーザープラズマが近いとノズル先端を損傷してしまう。ノズルの損傷を避けるために、ノズルから離れたガスの密度が小さい部分にプラズマ
を発生させる場合には、照射レーザー光のエネルギーの一部はターゲット材料を透過して、照射するレーザー光の一部しか利用できないので、プラズマ発生量を増大させることにより、エネルギー変換効率を向上させる必要がある。
特許文献２は、ガスターゲット法技術に関連して、プラズマ生成に寄与しないレーザー光を反射部材により再入射させることにより、エネルギー変換効率を向上させる装置を提案している。しかしながら、この装置によれば、エネルギー変換効率は若干向上するものの、構造が複雑となる。
図１（B）は、ノズルの損傷防止とエネルギー変換効率の向上を達成するために、ノズ
ルを二重構造（ダブル型）にしたもので、主となるターゲット材料１をターゲット材料２により囲んでいる。ターゲット材料２は、ターゲット材料１がノズルの先端からの距離に対して、急激に密度が減少することを防止する効果を発揮する。ターゲット材料２には、主ターゲット材料１からの発光を透過できる水素、ヘリウムなどの低原子番号（低Z）ガ
スが望ましい。この方法により、ノズルの損傷が起こらない距離でも、エネルギー変換効率の高いレーザープラズマを発生することができる（ダブル型ターゲット材料を使用する技術については、非特許文献３に初出）。
ルを二重構造（ダブル型）にしたもので、主となるターゲット材料１をターゲット材料２により囲んでいる。ターゲット材料２は、ターゲット材料１がノズルの先端からの距離に対して、急激に密度が減少することを防止する効果を発揮する。ターゲット材料２には、主ターゲット材料１からの発光を透過できる水素、ヘリウムなどの低原子番号（低Z）ガ
スが望ましい。この方法により、ノズルの損傷が起こらない距離でも、エネルギー変換効率の高いレーザープラズマを発生することができる（ダブル型ターゲット材料を使用する技術については、非特許文献３に初出）。
しかしながら、ダブル型ターゲット材料を使用する上記方法でも、ノズルの損傷は低減できるものの、ターゲット材料中の限られた部分でしかプラズマが発生しないので、プラズマ発生量は、あまり増加しない。
H. Fiedrowicz et al, "X-ray emission from laser-irradiated gas puff targets", Appl. Phys. Lett. 62, pp.2278-2280, 31 May 1993. H. Fiedrowicz et al, "Investigation of soft X-ray emission from a gas puff target irradiated with a Nd:YAG", Optics Communications 16, pp.103-114, 1 May 1999. H. Fiedrowicz et al, Optics Communications 184, pp.161-167, 1 Oct. 2000. 特開2000-188198号公報
特開2001-143893号公報
H. Fiedrowicz et al, "X-ray emission from laser-irradiated gas puff targets", Appl. Phys. Lett. 62, pp.2278-2280, 31 May 1993. H. Fiedrowicz et al, "Investigation of soft X-ray emission from a gas puff target irradiated with a Nd:YAG", Optics Communications 16, pp.103-114, 1 May 1999. H. Fiedrowicz et al, Optics Communications 184, pp.161-167, 1 Oct. 2000.
従って、本発明は、簡潔な構造からなり、プラズマ発生量が多く、エネルギー変換効率が高く、デブリレスのレーザープラズマ発生装置を提供することを主な目的とする。
本発明者は、上記の課題を解決するために、研究を行った結果、間歇的に噴射されるターゲット材料に対しパルスレーザー光を照射することによりプラズマを発生させ、該プラズマにより高エネルギーフォトンを発生させるための装置において、パルスレーザー集光用レンズに開口を設け、ターゲット材料噴射ノズルの軸とレンズの軸とを一致させる場合には、その目的を達成しうることを見出した。
すなわち、本発明は、下記のレーザープラズマ発生装置およびこの装置を用いる高エネルギーフォトン発生方法を提供する。
１．間歇的に噴射されるターゲット材料に対しパルスレーザー光を集光照射することによりレーザープラズマを発生させ、該プラズマにより高エネルギーフォトンを発生させるための装置であって、パルスレーザー集光用レンズの中心部に開口を設け、該開口を通過するターゲット材料の噴射ノズルの軸とレンズ軸とを一致させたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
２．パルスレーザー集光用レンズが、アキシコンレンズである上記項１に記載のレーザープラズマ発生装置。
３．ターゲット材料をパルスレーザー光の照射と同期して噴射させる機構を備えた上記項１に記載のレーザープラズマ発生装置。
４．上記項１〜３のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置を用いて高エネルギーフォトンを発生させる方法において、ターゲット材料が、ガス、液体、または微粒子を含むガス流であることを特徴とする方法。
５．パルスレーザー光の照射条件が、強度105〜1012W、パルス幅10-6-10-14sec、波長100〜20000nmである上記項４に記載の方法。
１．間歇的に噴射されるターゲット材料に対しパルスレーザー光を集光照射することによりレーザープラズマを発生させ、該プラズマにより高エネルギーフォトンを発生させるための装置であって、パルスレーザー集光用レンズの中心部に開口を設け、該開口を通過するターゲット材料の噴射ノズルの軸とレンズ軸とを一致させたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
２．パルスレーザー集光用レンズが、アキシコンレンズである上記項１に記載のレーザープラズマ発生装置。
３．ターゲット材料をパルスレーザー光の照射と同期して噴射させる機構を備えた上記項１に記載のレーザープラズマ発生装置。
４．上記項１〜３のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置を用いて高エネルギーフォトンを発生させる方法において、ターゲット材料が、ガス、液体、または微粒子を含むガス流であることを特徴とする方法。
５．パルスレーザー光の照射条件が、強度105〜1012W、パルス幅10-6-10-14sec、波長100〜20000nmである上記項４に記載の方法。
本発明によれば、ターゲット材料の噴射方向とレーザー光の照射方向とを一致させることにより、簡略化された装置を用いてプラズマを発生させることができる。特に、パルスレーザー照射機構としてアキシコンレンズを使用する場合には、従来法では達成できなかった大容量のプラズマ生成が可能となる。
その結果、従来のプラズマ源に比して、より高輝度の高エネルギーフォトンを発生させることができる。
この技術の応用は、従来の光源で主として研究されている減圧中のレーザープラズマ光源に限らない。ガスや液体である雰囲気に、ノズルから噴射するターゲット材料のレーザープラズマから発生した強力な高エネルギーフォトンを照射することも可能である。
この技術の応用は、従来の光源で主として研究されている減圧中のレーザープラズマ光源に限らない。ガスや液体である雰囲気に、ノズルから噴射するターゲット材料のレーザープラズマから発生した強力な高エネルギーフォトンを照射することも可能である。
より具体的には、例えば、液体中の微生物を殺菌する紫外光源としても利用することが可能である。この実施形態による本方法は、液体中にパルスレーザー光を集光照射し、発生したレーザープラズマを利用した殺菌方法とは異なる（特開2000-153268号公報に開示
された「液体処理方法及び装置」を参照）。
された「液体処理方法及び装置」を参照）。
以下、本発明の実施形態の概略を示す面図を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
図２は、本発明によるレーザープラズマ発生機構の概略を示す断面図である。図示の機構においては、ターゲット材料噴射ノズルの軸とレーザー集光用レンズとは、同軸に配置されている。
図３は、本発明によるレーザープラズマ発生機構の照射構造を示す断面図である。レーザー光とノズルから噴射されるターゲット材料とをともに直進させることは困難である。従って、（A）レーザー光の進行方向を曲げるとともに、ガスノズルからのターゲット材料
を直進させる場合と（B）ガスノズルからのターゲット材料の進行方向を曲げるとともに
、レーザー光を直進させる場合とが考えられる。
図３は、本発明によるレーザープラズマ発生機構の照射構造を示す断面図である。レーザー光とノズルから噴射されるターゲット材料とをともに直進させることは困難である。従って、（A）レーザー光の進行方向を曲げるとともに、ガスノズルからのターゲット材料
を直進させる場合と（B）ガスノズルからのターゲット材料の進行方向を曲げるとともに
、レーザー光を直進させる場合とが考えられる。
図４は、本発明によるレーザープラズマ発生機構の他の実施形態を示す断面図である。（A）はダブル型ノズルを使用する構造を示し、（B）は凸レンズの代わりにアキシコンレンズを使用する構造を示す。
本発明によるプラズマ発生装置においては、レーザー集光用レンズの中心部に開口を設け、ターゲット材料噴射ノズルの軸とレーザー集光用レンズとを同軸に配置することを特徴とする。
ターゲット材料噴射機構は、特に限定されず、公知の気体および液体用のノズル型噴射装置を使用することができる。
パルスレーザー照射機構も、特に限定されず、公知のパルスレーザー照射を使用することができる。
レーザー集光用レンズの形状は、所定の機能を発揮する限り特に限定されない。図５に示すような両凸レンズ（A）、平凸レンズ（B）、メニスカスレンズ（C）、アクロマティ
ックレンズ（D）、アキシコンレンズ（E）、凸面または凹面を持つ回転体の形状をもつレンズ（FおよびG）或いはこれらの組み合わせも使用できる。大容量のプラズマを発生させるためには、レーザー集光用レンズとして、アキシコンレンズを使用することがより好ましい。以下においては、レーザー集光用レンズとしてアキシコンレンズを使用する実施態様により、本発明をより具体的に説明する。
ックレンズ（D）、アキシコンレンズ（E）、凸面または凹面を持つ回転体の形状をもつレンズ（FおよびG）或いはこれらの組み合わせも使用できる。大容量のプラズマを発生させるためには、レーザー集光用レンズとして、アキシコンレンズを使用することがより好ましい。以下においては、レーザー集光用レンズとしてアキシコンレンズを使用する実施態様により、本発明をより具体的に説明する。
図6は、本発明によるレーザープラズマ発生装置の一例を示す模式的断面図である。
この装置は、ターゲット材料噴射機構と、パルスレーザー照射機構と、中心部に貫通孔を設けたレーザー集光用レンズ（アキシコンレンズ）とを主な構成要素としている。
この装置は、ターゲット材料噴射機構と、パルスレーザー照射機構と、中心部に貫通孔を設けたレーザー集光用レンズ（アキシコンレンズ）とを主な構成要素としている。
本発明装置における上記主要な構成要素は、通常、外的条件による影響を避けるために、限定空間(以下、「密閉容器」という)内に設置して使用される。下記のターゲット材料の噴霧に際して、この密閉容器内の状態は、大気、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気、真空状態、加圧状態或いは水などの液体充填状態などの状態とすることができる。生成したプラズマから発生する高エネルギーフォトンの利用効率を高めるためには、密閉容器内を103Pa以下に減圧した状態とすることが、より好ましい。
ノズルから噴出するターゲット材料はガスだけでなく、液体や微粒子を含むガス流などを例示することができる。微粒子の材料としては、EUV光源として好適なスズ（Sn）など
が例示される。微粒子の粒径は、10μm以下とすることが好ましい（第64回応用物理学会
学術講演会予稿集（30 Aug. 2003、福岡大学）, pp.616-621,；M. Richardson et al, "Mass-limited, debris-free laser-plasma EUV source", Optics Communication 145, pp.109-112, 1 Jan 1998などを参照）。
また、ターゲット材料を噴射する媒質としては、大気、加圧または減圧中のガスや液体中などを選択できるが、真空紫外線を利用する場合には減圧中のガスが好ましい。
が例示される。微粒子の粒径は、10μm以下とすることが好ましい（第64回応用物理学会
学術講演会予稿集（30 Aug. 2003、福岡大学）, pp.616-621,；M. Richardson et al, "Mass-limited, debris-free laser-plasma EUV source", Optics Communication 145, pp.109-112, 1 Jan 1998などを参照）。
また、ターゲット材料を噴射する媒質としては、大気、加圧または減圧中のガスや液体中などを選択できるが、真空紫外線を利用する場合には減圧中のガスが好ましい。
入射用パルスレーザー光としては、エキシマレーザー、チタンサファイアレーザー、YAGレーザー、炭酸ガスレーザーなどが例示される。
本発明装置を用いてプラズマを発生させる場合には、アキシコンレンズの中心部に設けられたガス流路を経て先端のノズル部(開口)から、ターゲット材料が間歇的に噴霧される。一方、入射パルスレーザー光は、プリズム、ミラーなどにより進行方向を変換され、ガスの流動方向と同軸方向にかつガス噴射と同期して、レーザー集光用レンズを経て、ターゲット材料に対し直接照射される。その結果、ターゲット材料が効果的に絶縁破壊されて、プラズマが大量に生成され、このプラズマにより、エネルギー変換効率が著しく向上する。
ターゲット材料の噴射とレーザー光との同期は、公知のコントローラーを用いて、行うことができる。通常、ターゲット材料をノズルから噴射した後、予め設定された時間間隔を置いて、パルスレーザー光を照射する。
パルスレーザー光の照射条件は、ターゲットガスの種類、真空度などにより異なるが、通常、強度105〜1012W(より好ましくは106〜1010W程度)、パルス幅10-6〜10-14sec(より
好ましくは10-7〜10-12sec程度)、波長100〜20000nm(より好ましくは200〜2000nm程度)で
ある。
好ましくは10-7〜10-12sec程度)、波長100〜20000nm(より好ましくは200〜2000nm程度)で
ある。
図７は、レーザー入射とガス噴射とを同軸でかつ同期して行う本発明によるレーザープラズマ発生装置を示す。この装置を用いて、大気中で以下の条件において、レーザー入射とガス噴射とを同軸で行ったところ、図７に示すように、長さ約１cmのレーザープラズマが発生した。
＊ターゲットガス：アルゴン(背圧約1MPa)
＊レーザー：YAGレーザー、波長1064nm、強度108W、（エネルギー0.8J、パルス幅 8×10-9sec）、レーザー光径8mm
＊アキシコンレンズ：BK7、頂角110°
＊ターゲットガス：アルゴン(背圧約1MPa)
＊レーザー：YAGレーザー、波長1064nm、強度108W、（エネルギー0.8J、パルス幅 8×10-9sec）、レーザー光径8mm
＊アキシコンレンズ：BK7、頂角110°
図８および図９は、図７に示すレーザープラズマ発生装置を真空容器内に収容して、以下の条件において、レーザー入射とガス噴射とを同軸でかつ同期して行った状況を2つの
方向(斜め上方および側方)から見た結果を示す写真である。
＊減圧度：104Pa
＊ターゲットガス：実施例１に同じ。
＊レーザー：実施例１に同じ。
＊アキシコンレンズ：実施例１に同じ。
方向(斜め上方および側方)から見た結果を示す写真である。
＊減圧度：104Pa
＊ターゲットガス：実施例１に同じ。
＊レーザー：実施例１に同じ。
＊アキシコンレンズ：実施例１に同じ。
Claims (5)
- 間歇的に噴射されるターゲット材料に対しパルスレーザー光を集光照射することによりレーザープラズマを発生させ、該プラズマにより高エネルギーフォトンを発生させるための装置であって、パルスレーザー集光用レンズの中心部に開口を設け、該開口を通過するターゲット材料の噴射ノズルの軸とレンズ軸とを一致させたことを特徴とするレーザープラズマ発生装置。
- パルスレーザー集光用レンズが、アキシコンレンズである請求項１に記載のレーザープラズマ発生装置。
- ターゲット材料をパルスレーザー光の照射と同期して噴射させる機構を備えた請求項１に記載のレーザープラズマ発生装置。
- 請求項１〜３のいずれかに記載のレーザープラズマ発生装置を用いて高エネルギーフォトンを発生させる方法において、ターゲット材料が、ガス、液体、または微粒子を含むガス流である方法。
- パルスレーザー光の照射条件が、強度105〜1012W、パルス幅10-6-10-12sec、波長100〜20000nmである請求項４に記載の方法。
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| JP2003348923A JP2005116331A (ja) | 2003-10-08 | 2003-10-08 | レーザープラズマ発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2005116331A true JP2005116331A (ja) | 2005-04-28 |
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| JP (1) | JP2005116331A (ja) |
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-
2003
- 2003-10-08 JP JP2003348923A patent/JP2005116331A/ja active Pending
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| WO2017037885A1 (ja) * | 2015-09-02 | 2017-03-09 | 富士機械製造株式会社 | 大気圧プラズマ発生装置 |
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