JP2015060840A - レーザ作動光源 - Google Patents

Abstract

【課題】均質性が向上した光を発生することができるレーザ作動光源を提供する。【解決手段】レーザ作動光源は、イオン性気体を収容するためのチャンバと、プラズマを発生させるためにチャンバ内の気体をイオン化するための点火源と、を包含する。光源は更に、プラズマにレーザエネルギを入力するためのレーザを包含し、レーザ放射の影響のもとでプラズマが有用な光を発して、これが光源の出力信号を形成するようになっている。有用な光を少なくとも１つの転送光ファイバに結合するための手段が提供される。本発明に従った光源の場合、光ファイバ又は複数の光ファイバに少なくとも１つのモードスクランブラが割り当てられている。【選択図】図１

Description

本発明は、一般にレーザ作動光源に関する。

レーザ作動光源は、分光又は表面検査において広く知られ、例えば測定の目的のために用いられている。いくつかの例において、これらのレーザ作動光源は、プラズマを発生させるために用いられる気体媒体を収容するチャンバを含むことができる。プラズマは、レーザ放射を照射されることに応じて放射を発することができ、これは半導体業界及び他の業界において様々なプロセスと関連付けて使用可能である。

これらのような用途において用いるために、均質性が向上した光を発生することができる技術に対する要望がある。

本発明の実施形態はレーザ作動光源を提供する。

レーザ作動光源は、イオン性気体を収容するためのチャンバと、プラズマを発生させるためにチャンバ内のイオン性気体をイオン化するための点火源と、プラズマにレーザエネルギを入力するためのレーザと、を包含する。レーザエネルギの影響のもとで、プラズマは有用な光（例えば４００ｎｍから９５０ｎｍの波長を有する）を発する。１つ以上の光ファイバが、プラズマが発した光を、プロセスと関連付けて用いるための位置に伝送するように構成されている。１つ以上の光ファイバに少なくとも１つのモードスクランブラが割り当てられている。

いくつかの実施では、少なくとも１つのモードスクランブラが、１つ以上の光ファイバを第１の曲げ半径に曲げるように構成された第１のモードスクランブラと、１つ以上の光ファイバを第２の曲げ半径に曲げるように構成された第２のモードスクランブラと、を含む。第１の曲げ半径は、第２の曲げ半径とは異なる（例えばこれよりも大きい）場合がある。

以下では簡潔に光源とも称するレーザ作動光源は、例えば希ガスとすることができるイオン性気体を収容するためのチャンバを包含する。光源は更に、プラズマを発生させるためにチャンバ内のイオン性気体をイオン化するための点火源を包含する。点火源は例えば電極対によって形成することができる。しかしながら、他の点火源も可能である。光源は更に、プラズマにレーザエネルギを入力するためのレーザを包含し、レーザ放射の影響のもとでプラズマが有用な光を発して、これが光源の出力信号を形成するようになっている。例えば分光又は表面検査の場合は下流プロセスに有用な光を転送するために、光源は、有用な光を転送光ファイバに結合するための手段を包含する。これは例えばファイバ結合器によって形成することができる。

簡潔に述べると、アーキテクチャにおいて、特に光源の一実施形態は以下のように実施することができる。レーザ作動光源は、イオン性気体を収容するためのチャンバと、プラズマを発生させるためにチャンバ内の気体をイオン化するための点火源と、プラズマにレーザエネルギを入力するためのレーザであって、レーザ放射の影響のもとでプラズマが有用な光を発し、これが光源の出力信号を形成するようになっているレーザと、有用な光を少なくとも１つの転送光ファイバに結合するための手段と、を有する。光ファイバ及び複数の光ファイバに、少なくとも１つのモードスクランブラが割り当てられている。

典型的な実施において、モードスクランブラは、１つ以上の光ファイバにおいてモードミキシングを誘導するデバイスである。更に具体的には、典型的な実施において、モードは１つ以上の光ファイバを物理的に曲げるように構成されている。モードスクランブラは、例えば本出願の図２及び図３に示し本明細書において論じる構成を含む多種多様な異なる物理的な構成を有することができる。

いくつかの実施において、本明細書に開示する概念は、レーザ作動光源からの光の光学的品質を向上させることができる。更に具体的には、典型的な実施において、品質の向上は高度の均質性（例えば角度の均質性）によって具現化することができる。角度の均質性は一般に、例えば最終工程（例えば表面検査プロセス）に送出される光強度のある角度範囲にわたる均一性の程度を指す。角度範囲は、例えば光が送出される開口のサイズ及び構成に応じて、用途ごとに変動する場合がある。一例では、角度範囲は約１４度（例えば約１０度から２０度）であるが、むろん他の角度範囲も可能である。

本明細書に開示する概念の１つ以上は、レーザ作動光源によって発せられて例えば分光又は表面検査の場合に下流プロセスの要求によって測定される光が充分な角度の均質性を有しないために、レーザ作動光源の特徴が実際には負の影響を受けることが多いという認識に基づいている。従って本発明は、光源が発する光の角度の均質性を改善するという考えに基づく。この目的のため、本発明は、光源が発した光を下流プロセスに転送する光ファイバに、少なくとも１つのモードスクランブラを割り当てて提供する。

モードスクランブラを用いることで、特に有利な特徴が得られることがわかった。

本発明の顕著な利点は、モードスクランブラを用いることによって著しく向上した角度の均質性及び光の均質性の安定性が得られるので、光の不均質性に基づいた測定プロセスに対する負の影響及び光源の光学的品質に対する負の影響が回避されるか又は少なくとも低減されることである。これは、例えば半導体業界における下流プロセスの品質に極めて良い効果を与える。

本発明の更に別の利点は、適切なモードスクランブラを、比較的簡単かつ費用対効果の大きい構成要素として、部分的には標準的な構成要素として得ることができ、このため比較的少量の機器を用いて光源の機能的信頼性の向上を達成可能であることである。

一方では、モードスクランブラを用いることで、角度の均質性、従って異なる角度のもとで光ファイバが発した光ビームの強度に関する均一性が向上する。他方で、プラズマのばらつきに対する角度の均質性の感度は低減する。

本発明によれば、原則に従って、光ファイバに個々のモードスクランブラを割り当てることで充分である。光の均質性を更に向上させるために、本発明の更に別の有利な成果は、少なくとも第１のモードスクランブラ及び少なくとも第２のモードスクランブラをファイバ方向に連続して光ファイバに割り当てて提供することである。モードスクランブラの形状、サイズ、及び設計は、幅広い範囲内で各要求に従って選択することができる。この点で、本発明の更に別の有利な成果は、光ファイバの第１のモードスクランブラが大きい第１の曲率半径を備える湾曲を光ファイバに与え、第２のモードスクランブラが小さい第２の曲率半径を備える湾曲を光ファイバに与えるように提供することである。このようにして光の均質性を更に向上させることが可能であることがわかった。

モードスクランブラの実施形態に関して、本発明の更に別の有利な成果は、モードスクランブラの少なくとも１つを捲回デバイスとして具現化して提供することであり、ファイバ方向に交互の湾曲を発生させるために捲回デバイスの周りに光ファイバ又は複数の光ファイバを複数回巻くことができるか又は巻いている。かかる捲回デバイスは、簡単かつ費用対効果の高い方法で生成することができ、所望の目的すなわち光の均質化の点で大きな効果を有する。

本発明の更に別の有利な成果は、少なくとも１つのモードスクランブラ、特に第２のモードスクランブラを、２つの締め付け板を備える締め付けデバイスとして具現化して提供することであり、締め付け板の間で光ファイバ又は複数の光ファイバを締め付けることで光ファイバ又は複数の光ファイバに蛇行進路が与えられているか又は与えられる。かかるモードスクランブラも、比較的簡単かつ費用対効果の高い方法で生成することができ、大きな効果を有する。

本発明の極めて有利な別の成果は、第１のモードスクランブラを、大きい第１の曲率半径を備える湾曲を光ファイバ又は複数の光ファイバに与える捲回デバイスとして具現化して提供することであり、第２のモードスクランブラは、光の伝搬方向において第１のモードスクランブラの下流に配置されると共に締め付けデバイスとして具現化され、小さい第２の曲率半径を備える湾曲を光ファイバ又は複数の光ファイバに与える。このようにして特に良好な光の均質性を達成可能であることがわかる。しかしながら原則に従って、上述の構成におけるモードスクランブラを交換することも可能であり、捲回デバイスとして具現化されたモードスクランブラを、締め付けデバイスとして具現化されたモードスクランブラの下流に配置することも可能である。

モードスクランブラの実施形態に関わらず、本発明の別の有利な成果は、第１のモードスクランブラを光の伝搬方向において第２のモードスクランブラの上流に配置して提供することである。

本発明の更に別の極めて有利な成果は、モードスクランブラ又は複数のモードスクランブラが割り当てられた２つの光ファイバが提供され、これらの光ファイバの上流にもっと直径が大きい別の光ファイバが接続されていることである。驚くべきことに、このようにして、特に角度分布に関して光の均質性を更に著しく向上させることが可能であることがわかった。一方では光ファイバの上流に別のファイバが接続され、他方では捲回デバイスとして具現化されたモードスクランブラが最初に割り当てられ、その後に締め付けデバイスとして具現化されたモードスクランブラが光の伝搬方向において連続して光ファイバに割り当てられている配置である。

本発明の他のシステム、方法、特性、及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を検討することによって当業者には明らかとなろう。全てのそのような追加のシステム、方法、特性、及び利点は、この記載内に包含され、本発明の範囲内に包含され、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。

本発明に従った光源の例示的な実施形態を示す高度に図式化した同封の図面を用いて、本発明について以下で更に詳細に説明する。図面に示され特許請求の範囲において請求される記載した特性は全て、単独で又は相互に適宜組み合わせされて、特許請求の範囲におけるそれらの組み合わせには関わらず、それらの従属性（dependency）には関わらず、更には記載又は図面における図示には関わらず、本発明の主題を形成する。

以下の図面を参照することで、本発明の多くの態様についていっそう理解することができる。図面における構成要素は必ずしも一定の縮尺通りではなく、本発明の原理を明確に示す際には強調されている。更に、図面において、いくつかの図を通して同様の参照番号は対応する部分を示す。

本発明に従った光源の例示的な実施形態を高度に図式化しブロック図として示す概略図である。 図１による光源の場合に用いられる第１のモードスクランブラの例示的な実施形態を高度に図式化して示す概略図である。 図１による光源の場合に用いられる第２のモードスクランブラの例示的な実施形態を高度に図式化して示す概略図である。

本発明に従ったレーザ作動光源２の例示的な実施形態は、この例示的な実施形態の場合は可視光線波長範囲内の有用な光を発生するように機能し、図１において高度に図式化して示されている。一般に、本明細書で用いる場合、「有用な光」等の語句は、光を送出するプロセスに有用であるいかなるタイプの光も含むように広義に解釈されるものとする。その例には半導体業界における様々なプロセスが含まれる。典型的な実施において、特定のプロセスに光が有用であると見なすことができるのは、光が高度に（例えば意図する目的に適した角度範囲にわたって）均質である場合、意図する目的のために充分な強度を有する場合、及び意図する目的に適した波長範囲内に概ね収まる場合である。いくつかの実施では、例えば意図する目的に適した波長範囲は約４００ｎｍから９５０ｎｍである。いくつかの実施では、意図する目的に適した波長範囲は４００ｎｍから７６５ｎｍである。

光源は、図示する例示的な実施形態の場合はキセノンによって形成されるイオン性気体を収容するためのチャンバ４を包含する。光源２は更に、図において図式化して示されているプラズマ６を発生させるためにチャンバ４内の気体をイオン化するための点火源を包含する。この例示的な実施形態の場合、点火源は１対の電極８、１０によって形成される。光源２は更に、プラズマ６にレーザエネルギを入力するためのレーザ１２も包含しており、レーザ放射の影響のもとでプラズマが有用な光を発し、これが光源２の出力信号を形成するようになっている。

前述の例示的な実施ではチャンバ４の内部の気体としてキセノンを開示するが、他の実施においてはキセノンの代わりの気体又はキセノンに追加した気体も用いることができる。一般に、チャンバ４の内部の気体は、適切な条件のもとでレーザ放射に応じて有用な光を発するプラズマを発生させることができるいかなるタイプの気体とすることも可能である。いくつかの実施では、気体は１つ以上の希ガスを含む場合がある。

有用な光に加えて、プラズマは迷放射を発する可能性があるが、これは本明細書で考察する本発明に従った状況では重要でないので、本明細書において詳細には検討しない。迷放射を阻止するために、光源２は、例えばそのランプ筐体１４において対応する手段を包含する場合がある。

明確さのために、特にレーザ放射及び発した光のビーム方向制御及びビーム形成のために機能する、例えばレンズ及びミラーの形態である光源２の光学部品は、図１では省略している。

本明細書に開示する光源はレーザ作動光源であるが、いくつかの実施では、レーザ作動でない他の光源を用いることも可能である。光源２は更に、有用な光を転送光ファイバ機構１６に結合するための手段も包含する。前記手段はファイバ結合器１８を包含するが、これは図示する例示的な実施形態の場合には模式的にのみ示している。

有用な光を転送するために、光ファイバ機構１６は光ファイバ２０、２０’を包含し、これらは相互に平行に誘導されて、同一の有用な信号を、可能な場合には実質的に同一の均質性及び強度で誘導する。これは、例えば下流のプロセスにおいて極めて重要である場合がある。いくつかの実施では、光ファイバを誘導する。他の実施では、それらは単に、実質的に平行な経路をとるように相互に配置される。

図１に示す配置において、２つの光ファイバ２０、２０’は第１及び第２のモードスクランブラ２２、２４を通過する。第１及び第２のモードスクランブラ２２、２４を通過する光ファイバの数は変動する場合がある。例えばいくつかの実施では、１つのみの光ファイバが第１及び第２のモードスクランブラ２２、２４を通過することがある。いくつかの実施では、３つ以上の光ファイバ２０、２０’が第１及び第２のモードスクランブラ２２、２４を通過する場合がある。

典型的な実施において、第１及び第２のモードスクランブラ２２、２４を通過する光ファイバ（例えば２０、２０’）は相互に実質的に同様である。例えば典型的な実施では、これらの光ファイバの各々が他方と実質的に同一の直径を有する。

この例に従って、少なくとも１つのモードスクランブラを光ファイバ２０、２０’に割り当てる。図示する例示的な実施形態の場合、第１のモードスクランブラ２２を光ファイバ２０、２０’に割り当て、これに対して光の伝搬方向において第２のモードスクランブラ２４を割り当てる。

図示する例示的な実施形態の場合、第１のモードスクランブラ２２は、大きい第１の曲率半径を備える湾曲を光ファイバ２０、２０’に与え、第２のモードスクランブラ２４は、小さい第２の曲率半径を備える湾曲をファイバ２０、２０’に与える。一般に、大きい第１の半径は小さい第２の半径よりも大きい。大きい第１の半径及び小さい第２の半径の実際の寸法は、例えば光ファイバのサイズに応じて決めることができる。１つの例示的な実施では、大きい半径は約１５０ｍｍであり、小さい半径は２〜３ｍｍ（例えば３ｍｍ）である。むろん、これらの具体的な値は変動する場合がある。いくつかの実施では、例えば大きい半径は１２５ｍｍから１７５ｍｍの範囲とすることができ、小さい半径は１ｍｍから５ｍｍの範囲とすることができる。

図示する例示的な実施形態の場合、第１のモードスクランブラ２２は捲回デバイスとして具現化される。ファイバ方向に交互の湾曲を発生させるために、この捲回デバイスの周りに光ファイバ２０、２０’を複数回巻くことができる。いくつかの実施では、各光ファイバを捲回デバイスの周りに２回以上巻くことができる。更に、いくつかの実施では、一方のファイバを捲回デバイスの周りに第１の方向（例えば時計回り）に巻き、他方のファイバを捲回デバイスの周りに第１の方向と逆の第２の方向（例えば反時計回り）に巻くことができる。

図２は対応する捲回デバイス２６の例示的な実施形態を示しており、これはウェブ２８を介して相互に接続された２つの捲回要素３０、３０’を包含する。いくつかの実施では、捲回デバイス２６は単一の物理的な部品として形成される。いくつかの実施では、捲回デバイスは相互に物理的に取り付けられた異なる部品から形成される。図２から、明確さのために図２では単一の光ファイバとして示される光ファイバ２０、２０’は、捲回デバイス２６の周りに交互の湾曲で巻くことができることがわかる。明確さのため、図２には１回のみの捲回を示す。実際は、光ファイバ２０、２０’は捲回デバイス２６の周りに複数回巻かれている。

典型的な実施においては、捲回デバイスの周りに巻かれた光ファイバの部分を取り囲む部品（図示せず）があり、光ファイバが確実に捲回デバイス２６の外形に沿って示される経路をとることを支援する。

図２に従った捲回デバイス２６の実施形態は一例に過ぎない。他の捲回デバイスも用いることができる。捲回デバイス全体が異なるサイズを有する場合もあり、捲回デバイスの部分が他の部分に対して異なるサイズを有する場合もある。捲回デバイスの全体的な形状が図２に示すものと異なる場合もある。例えばいくつかの実施では、捲回デバイスはハートの形を有することができる。いくつかの実施では、捲回デバイスは腎臓の形を有する場合がある。

図３は第２のモードスクランブラ２４の例示的な実施形態を示しており、これはこの例示的な実施形態の場合、２つの締め付け板３４、３４’を備えた締め付けデバイス３２として具現化される。これらの板の間で、明確さのために図３において単一の光ファイバとして示される光ファイバ２０、２０’を締め付けることで、小さい第２の曲率半径を備えた蛇行進路が光ファイバ２０、２０’に与えられる。

図３に矢印３６で示すように、光ファイバ２０、２０’を締め付け板３４、３４’間で締め付ける力の選択については、光ファイバ２０、２０’をどの程度変形させるか、従って第２の曲率半径がどれだけ大きいかに関して選択することができる。これは、光ファイバから下流プロセスに送出される光源２の光の均質特性の最適化を規定する。

図示した例では、上側の締め付け板の内面及び下側の締め付け板の内面の外形は、光ファイバが締め付けデバイス３２を通る方向に沿って横断面が実質的に正弦波の経路となるように形成される。上側の締め付け板の内面による正弦波の経路は、下側の締め付け板の内面による相補的な正弦波の経路と密接に噛み合うことができるように構成されている。典型的な実施では、締め付けデバイス３２の全長は約２〜３ｃｍである。例示的な構成における正弦波の経路は４つのピークを有する。しかしながら、ピークの数は例えば１つのピークから７つのピーク又はそれ以上まで変動する場合がある。様々な実施において、正弦波の経路の周期及び振幅は変動し得る。例えばいくつかの実施では、正弦波の経路の周期は約０．５ｃｍから２ｃｍとすることができる。更に、いくつかの実施では、振幅は１ｃｍまでとすることができる。更に、様々な実施では経路は正弦波でない場合があり、ノコギリ歯パターン、方形パターン等とすることができる。

図示する例示的な実施形態の場合、光ファイバ２０、２０’の上流に、更に直径が大きい別の光ファイバ３８が接続されている。典型的な実施では、光ファイバ結合器を用いて１対の光ファイバ２０、２０’に単一の光ファイバ３８を接続する。一般に、光ファイバ結合器は、１本以上の入力ファイバ及び１本又は数本の出力ファイバを有する光ファイバシステムにおいて用いられるデバイスである。

ファイバ結合器１８を介して、光源の有用な光は最初に直径が大きい別の光ファイバ３８に結合され、そこから光ファイバ２０、２０’に転送される。

２つのモードスクランブラ２２、２４と、上流に接続された直径が大きい光ファイバ３８と、が用いられる図１に示す機構においては、特に良好な光の均質性が得られることが判明しており、これは表面の均質性及び光の角度の均質性のために適用される。一般に、表面の均質性は、例えば最終工程（例えば表面検査プロセス）に送出される光強度のある角度範囲にわたる均一性の程度を指す。このように均質化された光は、例えば半導体業界における下流プロセスに供給される。図１において下流プロセスは参照番号４０で表されている。下流プロセスは、この下流プロセスに送出される光を利用する実質的に全てのプロセスとすることができる。その例には、例えば測定目的のための分光又は表面検査が含まれる。

本発明の多くの実施形態について記載した。しかしながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を実施可能であることは理解されよう。

他の実施は特許請求の範囲内である。

Claims (13)

1. イオン性気体を収容するためのチャンバと、
   プラズマを発生させるために前記チャンバ内の前記気体をイオン化するための点火源と、
   前記プラズマにレーザエネルギを入力するためのレーザであって、レーザ放射の影響のもとで前記プラズマが有用な光を発し、これが前記光源の出力信号を形成するようになっている、レーザと、
   前記有用な光を少なくとも１つの転送光ファイバに結合するための手段と、
   前記光ファイバ及び前記複数の光ファイバに割り当てられた少なくとも１つのモードスクランブラと、
   を備える、レーザ作動光源。
2. 少なくとも第１のモードスクランブラ及び少なくとも第２のモードスクランブラが、ファイバ方向に連続して前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバに割り当てられている、請求項１に記載の光源。
3. 前記第１のモードスクランブラが、大きい第１の曲率半径を備える湾曲を前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバに与え、前記第２のモードスクランブラが、小さい第２の曲率半径を備える湾曲を前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバに与える、請求項２に記載の光源。
4. 少なくとも１つのモードスクランブラ、特に前記第１のモードスクランブラが、捲回デバイスとして具現化されており、ファイバ方向に連続して交互の湾曲を発生させるために前記捲回デバイスの周りに前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバを複数回巻くことができるか又は巻いている、請求項２に記載の光源。
5. 少なくとも１つのモードスクランブラ、特に前記第２のモードスクランブラが、２つの締め付け板を備える締め付けデバイスとして具現化され、前記締め付け板の間で前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバを締め付けることで前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバに蛇行進路が与えられているか又は与えられる、請求項２に記載の光源。
6. 前記第１のモードスクランブラが、前記大きい第１の曲率半径を備える湾曲を前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバに与える捲回デバイスとして具現化され、これに対して、締め付けデバイスとして具現化される前記第２のモードスクランブラが、前記第１のモードスクランブラの下流に配置され、前記小さい第２の曲率半径を備える湾曲を前記光ファイバ又は前記複数の光ファイバに与える、請求項４に記載の光源。
7. 前記第１のモードスクランブラが、前記光の伝搬方向において前記第２のモードスクランブラの上流に配置されている、請求項２に記載の光源。
8. 前記モードスクランブラ又は前記複数のモードスクランブラが割り当てられた２つの光ファイバが提供され、前記光ファイバの上流にもっと直径が大きい別の光ファイバが接続されている、請求項２に記載の光源。
9. 前記有用な光が、４００ｎｍから９５０ｎｍの波長を有する光である、請求項１に記載の光源。
10. イオン性気体を収容するためのチャンバと、
    プラズマを発生させるために前記チャンバ内の前記イオン性気体をイオン化するための点火源と、
    前記プラズマにレーザエネルギを入力するためのレーザであって、前記レーザエネルギの影響のもとで前記プラズマが４００ｎｍから９５０ｎｍの波長を有する光を発するようになっている、レーザと、
    前記プラズマが発した前記光をプロセスに伝送するように構成された１つ以上の光ファイバと、
    前記１つ以上の光ファイバに関連付けられた少なくとも１つのモードスクランブラと、
    を備える、レーザ作動光源。
11. 前記少なくとも１つのモードスクランブラが、
    前記１つ以上の光ファイバを第１の曲げ半径で曲げるように構成された第１のモードスクランブラと、
    前記１つ以上の光ファイバを第２の曲げ半径で曲げるように構成された第２のモードスクランブラと、を有し、
    前記第１の曲げ半径が、前記第２の曲げ半径とは異なる、請求項１０に記載のレーザ作動光源。
12. 前記第１の曲げ半径が、前記第２の曲げ半径よりも大きい、請求項１０に記載のレーザ作動光源。
13. 点火源によってチャンバの内部のイオン性気体に点火してプラズマを発生させることと、
    前記プラズマにレーザエネルギを入力して、レーザ放射の影響のもとで前記プラズマが光を発し、これが前記光源の出力信号を形成するようになっていることと、
    前記光を少なくとも１つの光ファイバ内に伝送することと、を含み、
    前記光ファイバが、少なくとも１つのモードスクランブラを通過する、方法。

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