JP3759066B2

JP3759066B2 - レーザプラズマ発生方法およびその装置

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Publication number: JP3759066B2
Application number: JP2002109587A
Authority: JP
Inventors: 孝晏望月
Original assignee: 孝晏望月
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2022-04-11
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線ビーム加工、Ｘ線リソグラフィー、又は材料分析などで必要となる高平均出力のＸ線源が得られるものであって、固体および液体の少なくとも一方でありかつ流体をなす物質をターゲット材とし、このターゲット材をノズルから柱状に噴出させてジェット流に形成される噴流ターゲットに、少なくとも一つのパルス状のレーザビームを集光照射することにより前記ターゲット材を加熱して、高温高密度プラズマを生成するレーザプラズマ発生方法およびその装置に関し、特に、ガス発生量の少ないターゲット連続供給の方法、及びターゲットから発生するＸ線の変換効率又は発生効率を向上できるレーザプラズマ発生方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高尖頭パルスレーザによりターゲットとなる物質を高温プラズマ化し、それから放射されるＸ線を利用する目的でレーザプラズマＸ線源の実用化が努力されてきた。高輝度のＸ線源を実現するには、レーザビームの集光照射点内でＸ線変換効率はできる限り高いことが望ましい。一方、高いＸ線変換効率を得るためには生成されるプラズマの密度をできるだけ高くするとよい。その場合、ターゲットを供給する手段として、ターゲットを気相または液相による流体状態で用意し、これを真空のチャンバー内に向けてノズルから噴出させて、その噴出したジェット流に上記パルスレーザビームを集光照射させる方法が開発されている。この方法では、ターゲット材を比較的容易に連続供給できるため、高繰返しパルスのレーザビームの照射による平均出力の大きいＸ線源が実現できる。
【０００３】
ここで噴出流として超音速ガスジェット流が利用される。しかし、この噴出流はガス流であるため、ノズルの上流におけるターゲット分子数密度は固体密度と比較して二桁以上低い。また、ガス流の広がり角度がほぼ３０度と大きいため、ノズルの噴射口から離れたレーザビーム集光照射点ではターゲット密度が大幅に低下する。すなわち、レーザエネルギーから発光Ｘ線エネルギーへの変換割合であるＸ線変換効率が、固体状態のターゲットの場合と比較して大幅に低下する。
【０００４】
一方、レーザ集光照射点をガス流出口のノズル先端数ｍｍに近づけて、より高密度のプラズマを生成することが試みられている。しかし、この状態では、ノズル先端の金属表面を損傷し、かつノズル材料の微粒子の蒸散が起こる。
【０００５】
この問題を解決するため、ガス状ターゲットをノズル上流で冷却しかつ分子数密度を高めて、液化寸前の状態にしてノズルから噴出させ分子クラスターを生成することが提案されている。すなわち、分子クラスターを噴出流とすることにより、ノズル出口からの噴出流の広がり角度をより小さくし、かつクラスター化により噴出流の密度を上げるものである。しかし、実際には、広がり角度は十分に小さくならない。すなわち、レーザビーム集光照射点をノズル先端から１０ｍｍ位置に設定した場合、この位置では噴出流が噴霧状態となっており、ターゲットの分子数密度は必要な強度のＸ線を得るプラズマを生成するには不十分である。
【０００６】
また、上述した超音速ガスジェット流に比べ、液滴ターゲットでは、レーザ集光照射点で材料として最少量の液体密度のターゲット材を保証している。しかしながら、レーザプラズマＸ線源の実用動作に対して、この液滴ターゲットの大きさ及び軌道の安定性に重大な問題がある。更に液滴ターゲットの高速性とパルスビームの照射に対するタイミングの正確性とが高繰返し動作のために必要である。その理由は、レーザビームパルスが集光照射点位置で液滴ターゲットを照射する際に、生成プラズマ粒子又は散乱レーザビームによって次の液滴ターゲットがヒットされ、破棄されないように液滴ターゲット間の距離は十分な大きさであると共に正しく液滴の中心にレーザビームパルスを当てるためである。このため、連続する高速の液体噴出流を使用することが、上述した問題の解決に最も素直な方法であろう。
【０００７】
例えば、特表２０００−５０９１９０号公報に開示されたＸ線放射線を発生するための方法では、図８に示されるように、ターゲット発生手段１が液体を連続的に噴出してジェット流に形成された噴流ターゲット２を発生する。噴流ターゲット２の空間的に連続した部分を集光照射点４として、集光されたレーザビーム３がヒット照射する。この結果、噴流ターゲット２がプラズマ化してＸ線を放射する。
【０００８】
他方、液体噴流レーザプラズマ源として極低温のキセノンを用いることが、例えば、ビー．エイ．エム．ハンソンほかによる文献（In Emerging Lithographic Technologies IV, Proceedings of SPIE Vol.3997, 2000）で発表されている。
【０００９】
上述した資料によれば、キセノン噴流の直径は４０μｍに制限される。その理由は、装置の排気容量の制限と恐らくは流体力学上の不安定性に起因する。一方、集光照射範囲は連続流体の範囲に留めなくてはならない。
【００１０】
固体滴又は噴流体のターゲットでは、レーザによる加熱がターゲット内部を加熱する衝撃波を引き起こす強圧インパルスを発生させる。従って、レーザビームパルスにより加熱され、外向きに蒸散するプラズマからの外側に向かう放射エネルギーのみがＸ線源として利用される。一方、衝撃波、圧縮波などの流体力学的エネルギーとして内向きに伝播するエネルギーはその周囲のターゲット材の内部で微粒子生成及び大量の蒸発の少なくとも一方を引き起こして消耗する。
【００１１】
Ｘ線変換効率の増進のため、キャビティターゲットを用いることがテストされている。そのキャビティターゲットは、キャビティの入り口穴を通して内壁を照射するパルスレーザビームによって生成されたＸ線及びプラズマ粒子の少なくとも一方をキャビティ内に閉じ込める。また、このキャビティ形状では、Ｘ線放射パルス長の延長が観察され、かつキャビティ導入口からの放射の輝度がいくらか増加することが確認されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、滴状ターゲット材は、液体密度又は固体密度を与えることができるため、ガス噴流に比べ、高いＸ線変換効率が得られる効果がある。しかしながら、滴状ターゲットの大きさ、軌道、弾道速度、及び繰返し速度を安定に制御することは困難である。更に高平均出力Ｘ線源としての高繰返しパルス運転における実用性には疑問がある。
【００１３】
一方、液体噴流ターゲットでは、消費するターゲット材の量を少なくするため円柱状噴流ターゲットの直径を小さくすることが考えられる。しかし、十分なＸ線変換効率を得るためには、この噴流ターゲットの直径を、必要とされるＸ線光源の寸法、すなわちレーザビームの集光照射点の直径と同一の寸法にする必要がある。噴流ターゲットの直径が集光照射点の直径より小さい場合には、レーザビームが十分に吸収されないうえ、レーザと相互作用する膨張プラズマのみでは、イオン密度が低い。従って、Ｘ線の発光が弱くなる。この結果、滴状ターゲットに比べて、ターゲット材の消費が多い割にはＸ線発生量が少ない。すなわち、Ｘ線の発生量の割には大量のガスがＸ線源の真空チャンバー内に発生する。
【００１４】
また、キャビティターゲットは、レーザビームのエネルギー吸収率が向上し、かつ発生したプラズマのもつエネルギーが、再度、Ｘ線輻射エネルギーに変換される効果があるため、総合のＸ線変換効率の向上が期待される。しかしながら、キャビティターゲットを連続高速供給することに疑問があるうえ、キャビティから取出せるＸ線の量は、取出し口の大きさによって制限される。つまり、キャビティの出口から取出せるＸ線エネルギーは、キャビティの内壁を加熱し蒸散させて消失するＸ線エネルギーと比較して非常に小さい。Ｘ線により駆動された内壁の蒸散はキャビティ壁内部へ進み、壁材をイオン化することによってそのエネルギーを損失する。
【００１５】
また、発生するターゲット材のガスを十分に排気できない場合にはＸ線発生のための真空チャンバーにおける真空度が低下する。そのため、使用したターゲットで生成されたレーザプラズマから放射されたＸ線は、光源の周囲に滞在する同一ターゲット材の中性ガスにより吸収される。従って、外部へ取り出せるＸ線量が著しく低下する。それを防ぐには、大排気容量の真空ポンプを必要とする。
【００１６】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、ターゲットの初期密度が液体／固体でありながらガス発生量の少なく、しかも、ターゲットから発生するＸ線の変換効率又は発生効率を向上できるレーザプラズマ発生方法およびそのシステムを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体をなす物質をターゲット材とし、このターゲット材をノズルから柱状に噴出させてジェット流に形成される連続する噴流ターゲットに、連続パルス状のレーザビームを集光照射することによりターゲット材を加熱して、高温高密度プラズマを生成する方法及びその装置に関するものである。
【００１８】
本発明では、上記課題を解決するため、ターゲットとして中空状で壁厚を有する中空筒状ターゲット（Hollow Shell Target）を用いる。すなわち、中空筒状ターゲットを形成するため、一つはノズルの先端部で単一のターゲット材噴出口の中心部に芯材を備えて噴出口を環状に形成し、他の一つは複数のターゲット材噴出口を環状に配列している。従って、複数のノズルそれぞれから同時に噴出するターゲット材により噴流ターゲットに中空部を生成することができる。
【００１９】
中空筒状ターゲットの外径はレーザビームの集光照射点での寸法とほぼ同一とすることが望ましい。中空筒状ターゲットの壁厚は「レーザアブレーション厚」とほぼ同一か又はそれ以上とする。「レーザアブレーション厚」とは、レーザビームにより加熱され高温プラズマとなって外側に向けて噴出した際に消失するターゲット材の層の厚さである。その厚さは、ターゲット材が高温プラズマ化した際のＸ線発生量とガス発生量とを考慮して最適化される。
【００２０】
カットオフ密度領域で吸収されたレーザビームのエネルギーは、蒸散プラズマにおける外側向きのＸ線輻射として消費されるほかに、蒸散するプラズマの運動・熱エネルギー及び内側向きにターゲットを駆動する流体運動エネルギーなどに分配される。前者は、外側向きに膨張すると共に外部へ散逸する。後者の中には、衝撃波又は圧縮波で駆動されるターゲット全体の運動エネルギーが含まれている。
【００２１】
この運動エネルギーに変換される割合は、蒸散流をロケット噴射と見なす「ロケットモデル」により「ΔＭ／Ｍ」の関数として表わすことができる。ここで、「ΔＭ」は蒸散により外側向きに噴出されるターゲット材の質量、また「Ｍ」は初期の全質量である。
【００２２】
本発明では、ターゲットの壁厚を上記の「レーザアブレーション厚」程度にすることにより、パルスレーザビームが照射されている間に加熱された蒸散プラズマからのＸ線輻射を従来通り確保できると共に、ターゲットが中空のためＸ線発生に寄与しない余分な内部のターゲット材に起因するガスの発生は一切起こらない。
【００２３】
一方、中空筒状ターゲットの壁厚をアブレーション厚より大きくすることにより、蒸散で残った中空筒状ターゲットの壁厚材は蒸散の反作用でロケット状に加速された後、円筒中心軸方向に２次元的に集束し、衝突し合う。従って、上記中空筒状ターゲットの壁厚材の運動エネルギーは衝突により内部エネルギーに変換し、更に慣性により閉じ込められる。この閉じ込められて滞留している間に内部エネルギーは筒の中心軸部分で一時的に高温高密度プラズマを形成する。この結果、内部エネルギーはこのプラズマからＸ線輻射エネルギーとして放出される。
【００２４】
従来技術で説明したような通常のターゲット材では中空部分に対する加速ターゲット層を有しないので、レーザビームの吸収エネルギーの一部がレーザビームとの相互作用中にＸ線輻射エネルギーとして放出される以外には、プラズマの膨張に伴ってプラズマ粒子の運動エネルギー及び熱エネルギーとして外側に向けて直ちに散逸してしまう。それと比較して本発明によるターゲット構造では、プラズマ粒子の運動エネルギーの一部を輻射エネルギーに再度変換する機能を有している。
【００２５】
また、本発明では、中空筒状ターゲットの２次元集束の際に、密度及び温度の十分な上昇の効果を得るために、中空筒状ターゲットの中心軸に垂直な一つの面上で、レーザビームが角度方向で等間隔な方向から均一に照射することが望ましい。また、これは、レーザビームの照射により中空筒状ターゲットが照射部分の先端側でビーム照射の反対方向に屈曲するのを防止するためにも望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図面は説明の便のために描かれており、その構成相互の大きさ、配置などのディメンジョンは部分的に誇張もあるなど正確ではない。また、中空筒状ターゲットは噴出口から噴出した直後に固化した固体流であってもよい。しかし、下記実施例では説明の便を図り、中空筒状ターゲットは最も効果的な形状の円筒に形成されるものとする。
【００２７】
図１は本発明装置におけるノズル部分の実施の一形態を断面で示す説明図である。
【００２８】
図１に示されるレーザプラズマ発生方法では、まず、真空チャンバーの内側で、ノズル１０から液体および／または半固体、例えば粘性の高い流体のターゲット材２０を噴射させて中空筒状ターゲット２１を形成する。次いで、この中空筒状ターゲット２１に連続パルス状のレーザビーム３０を集光照射することにより、この集光照射点４０にプラズマを発生している。
【００２９】
ノズル１０は、中心軸部分に円筒空間を有するものとし、その先端にターゲット噴出口１１、及び内部に整流器１２を備えている。ノズル１０の円筒空間には、ターゲット噴出口１１を先端として断面を円形とする楔型の芯材５０が、整流器１２により固定されている。従って、ターゲット噴出口１１の軸に垂直方向の断面形状はドーナッツ形状と同様で環形をなしている。
【００３０】
ノズル１０の円筒空間はターゲット材２０の噴射のためターゲット噴出口１１付近で狭く形成されている。従って、ノズル１０は、円筒空間内のターゲット材２０を、整流器１２の駆動によりターゲット噴出口１１から、外形を柱状に形成したジェット流として噴出する。整流器１２は、中空筒状ターゲット２１を生成するのに必要な流速を得るように圧力を与え、ターゲット材２０を連続して噴出するように稼働する。
【００３１】
芯材５０も、芯材先端部５１でターゲット噴出口１１の内面と対向する外面を中心軸から外側に角度θをもってターゲット噴出口１１を狭めて中空筒状ターゲット２１の形成に役立たせている。従って、中空筒状ターゲット２１は壁厚部２２及び中空部２３を有する円筒状を形成するジェット噴流となる。
【００３２】
すなわち、ターゲット材２０が流動するターゲット噴出口１１の内面と芯材５０の外面とは表面の粗さが可能な限り滑らかであることが必要である。更に、これらの面の傾斜角等を含む噴出口付近の形状は、整流器１２によるターゲット材２０の噴出速度にも依存するが、同一径の中空筒状状を連続して長距離を維持できるように形成される。
【００３３】
ここで、ターゲット噴出口から噴出された流体のターゲット材は表面気化熱により冷却され、直ちに固体化して流動しても構わない。本発明における中空筒状ターゲットの成形過程は押出し成形といえる。Ｘ線リソグラフィー用光源としては、光源の直径は、３００〜１０００μｍと想定されている。従って、中空筒状ターゲットを直径０．３〜１．０ｍｍに成形する。ここで、この中空筒状ターゲットを１０ｎｓ程度のパルス幅で照射強度１０^１１〜１０^１２Ｗ／ｃｍ^２を与えるパルスレーザビームにより照射する。一方アブレーション厚は約２０μｍなので、中空筒状ターゲットの壁厚を３０〜４０μｍとする。すなわち、アスペクト比（半径／壁厚）は「１０〜２５」とする。従って、消費されるガス化されるターゲット材の量は、中空でない場合の１００分の１以下である。
【００３４】
ここで、図１を参照して、ノズルと芯材とに必要な形状及びその相対位置関係について説明する。
【００３５】
ノズル１０及び芯材５０の各部分は、噴射により所定のサイズの中空筒状ターゲット２１を形成するため、必要な温度制御がなされている。得られた中空筒状ターゲット２１が固体化される場合には、中空又はガス入りのファイバーを射出成形したものと類似している。
【００３６】
上述したように、芯材５０の先端部５１では、角度θを有して緩くテーパ状に広がっている。すなわち、ジェット流体である壁厚部２２により形成される中空部２３が流体の表面張力でつぶされないように、噴出流体に中心軸に対して外側方向に運動量を与えている。これは、真空チャンバー内部の残留ガスによるガス圧が在る場合に特に有効である。
【００３７】
次に、図２を参照して図１に示したものより更に安定した中空筒状ターゲット２１の形成について説明する。図２における図１との相違は芯材６０の構造にある。
【００３８】
すなわち、芯材６０は、その先端部にガス噴出口６１、またその中央内部に管状のガス供給路６２それぞれを備えている。ガス供給路６２ではガス７０が、他端部から軽い圧力を加えて吹き込まれ、先端部のガス噴出口６１から噴出ガス７１として流出してターゲット材噴出口１１から噴出されたターゲット材２０の中空部２３を形成する。
【００３９】
すなわち、噴出ガス７１は、中空筒状ターゲット２１の中空部２３で、内部から外側に向け静圧を与えている。従って、中空筒状ターゲット２１は、ターゲット材２０による表面張力、又はチャンバー内ガス圧力が原因で中空部２３がつぶれることを防止でき、中空筒状ターゲット２１の形状を安定化させている。勿論このガス７０は中空筒状ターゲット２１の温度以下の液化点を必要としている。
【００４０】
上記を実施する際の一つのパラメータは、例えば、ノズル上流部の内圧１〜１０ＭＰａ、流速１〜１００ｍ／ｓ、ノズル噴出口の内径・中空筒状ターゲットの外径０．３〜１．０ｍｍ、芯材の外径・中空筒状ターゲットの内径０．２〜０．９ｍｍ、ガス供給管の内径３０〜３００μｍ、及びノズルの長さ１〜１０ｍｍである。ここで、ノズルの長さは整流器１２より噴出口側にあってジェット流を形成するのに有効な部分の長さである。例えば、ターゲット材がキセノンの液体又は固体の場合には低温ヘリウムガスを噴出ガスとして用いることが望ましい。
【００４１】
次に、図３及び図４を併せ参照して上述した中空筒状ターゲット２１にレーザビームを照射した場合の一実施例について説明する。
【００４２】
図３に示される例では、中空筒状ターゲット２１の中心軸に垂直な一つの面上で、紙面では左右の対称する方向からレーザビーム３１，３２が壁厚部２２の集光照射点に集光照射（手順Ｓ１）している。この結果、壁厚部２２のターゲット材が左右両方向から加熱され高温高密度のプラズマが生成されて、Ｘ線が四方に放射（手順Ｓ２）される。
【００４３】
次いで図４に示されるように、壁厚部２２の一部が蒸散加速されて得たエネルギーをＸ線輻射エネルギーとして放出させるため、加速された壁厚部２２の残存ターゲット材２２ａを中空部２３ａに集束（手順Ｓ３）させることが望ましい。この結果、高温高密度のプラズマを内部で再び形成することができる。
【００４４】
このようにして更に高密度のプラズマを得るためには、図示されるような二方向からだけではなく、壁厚部２２を回転角方向にできる限り均一にレーザビームで照射加熱して、中心軸に向かって一様な２次元圧縮を実現する必要がある。すなわち、例えば対向する相互に反対方向から照射する３対のレーザビームを角度的に等間隔のそれぞれ６０度間隔で配置する。更に、より均一なレーザ加熱を行う場合には、対称位置にある対となるレーザビームの組を増加させることにより実現できる。
【００４５】
なお、プラズマで散乱するレーザビームが対向する集光光学系の光路に入り込み、対向するレーザビーム源に損傷を与えないように対向位置にせず、奇数のレーザビームを等角度間隔に配列して均一な照射加熱を実現することも望ましい。
【００４６】
また、流体ジェット流がノズルから真空中に射出された後、気化熱により固体化して中空筒状ターゲットが固体ファイバー状となった場合、プラズマ化した部分の外縁部分にあるファイバー状ターゲットにターゲットの中心軸と垂直方向にせん断応力が働く。このような場合、このせん断応力は連続してノズルから噴射されて流動するファイバー状ターゲットの弾道又は軌道を曲げる効果を与える。すなわちこのファイバー状ターゲットに一つのレーザビームを照射する際には、集光照射点がプラズマ化して消散した部分に隣接するファイバー状ターゲットの中心軸には垂直方向のせん断応力が働く。従って、このせん断応力により、続いて送られる部分がせん断応力方向に軌道を曲げ、集光照射点を外れる。この結果、次のレーザビームパルスによるプラズマの生成ができない。従って、特にファイバー状ターゲットの場合には、レーザビームの照射位置はこのファイバー状ターゲットの中心軸と垂直な一つの面上で対称位置にあることが必要となる。対称に照射することにより合成されたせん断応力を実効的にゼロにすることができる。また、上述した２次元圧縮を有効に起こすことができる。
【００４７】
次に図１に図５及び図６を併せ参照して、Ｘ線放射の発生過程について詳細を説明する。図５には、レーザビームの照射に伴なうターゲット材の時間に対する動きが流線で示されている。
【００４８】
図１により生成される中空筒状ターゲット２１はその壁厚部２２の表面のターゲット材が手順Ｓ１のレーザビーム３０の照射により加熱されプラズマ化する。手順Ｓ２では、ここで生成された高温高密度プラズマからＸ線が輻射される。
【００４９】
レーザビーム３０の集光照射により中空筒状ターゲット２１の外部表面からターゲット材が蒸散する反作用で壁厚部２２の内側のターゲット材には内部空間の中空部２３への加速応力が働き、中心部分に向かってターゲット材の集束と圧縮とが行われる。この結果、手順Ｓ３として、中空筒状ターゲット２１の中心軸位置でいわゆる爆縮という現象が発生し、中心部分で圧縮されかつ高温の滞留プラズマ２４を形成する。
【００５０】
この爆縮には次の二つのモードがある。
【００５１】
一つは、蒸散爆縮と呼ばれるものである。すなわち、ターゲットの壁厚が十分に厚く外側表面からプラズマが蒸散する場合、この反作用で内側のターゲット材が低温のまま中心軸方向にいわゆるロケット加速し圧縮されていく。
【００５２】
残る一つは、衝撃爆縮と呼ばれる。すなわち、ターゲットの壁厚が比較的薄く、レーザビームの強度が十分に高い場合、ターゲットの壁厚部全体のターゲット材が瞬時に高温プラズマ化し、内部の空間へ向かう求心衝撃波が発生する。この衝撃波はガス化したターゲット材を中心軸に向けて加熱し圧縮する。
【００５３】
上述した手順Ｓ３において２次元圧縮されたターゲット材は、中空筒状ターゲット２１の中心軸部分で慣性閉じ込め効果により、高温高密度の滞留プラズマ２４を形成する。従って、手順Ｓ４として、この滞留プラズマ２４からＸ線が輻射される。
【００５４】
次に、Ｘ線変換効率について簡単な試算を行う。
【００５５】
波長１μｍで１０^１２〜１０^１４Ｗ／ｃｍ^２の強度を有するレーザビームにより照射されて固体ターゲットから発生するプラズマでは、輻射により放出されるエネルギーの割合である輻射変換効率η_Ｒは３０％程度であることが実験で判明している。その中で、波長１３〜１４ｎｍで波長幅（ＢＷ）２％のＸ線の変換効率η_Ｘはほぼ１％である。これらは、入射レーザビームエネルギーに対する時間積分された割合であるが、おおよその目安として正しい。一方、反射レーザビームエネルギー、プラズマ粒子エネルギーとして散逸する割合は、それぞれ２０％及び５０％である。
【００５６】
圧縮されて中心部分で形成された高温高密度プラズマが慣性閉じ込め効果により輻射するに必要な時間以上に存在した場合には、そのプラズマ中でプラズマ粒子エネルギーからＸ線輻射エネルギーへの変換が生じる。爆縮されて中心部に形成されたプラズマ粒子の持つ、圧縮効率で決まるエネルギーの割合は、全プラズマ粒子エネルギーのほぼ半分とすると、中空部のプラズマ粒子が有するエネルギーは０．２５Ｅ_Ｌと表わされる。このエネルギーの４０％が輻射エネルギーになるとした場合、１３〜１４ｎｍ帯でＢＷ２％へのＸ線変換効率η_Ｘは１．３％（＝0.01+0.25×0.4×0.01/0.3）となり、１．３倍にも増える。これらは、レーザの波形、強度などのレーザパラメータと、ターゲットの材料及び寸法によって最適値が存在するのはいうまでもない。
【００５７】
すなわち、図６に示されるように、レーザビームの一つのパルス幅Τ_Ｌに対してＸ線の出力は時間的に長引き、爆縮時間Τimpの後に２番目の出力ピークを発生する。
【００５８】
上記説明では、ノズルのターゲット材噴出口の形状が円環をなすとしたが、眞円でなくとも噴出されたターゲット材が中空筒状ターゲットを形成するものであれば、その効果を十分発揮することができる。
【００５９】
次に、図７を参照して図１及び図２を参照して説明したものとは別のノズル８０の構造とターゲット材噴出口８１の形状とについて説明する。
【００６０】
図７（Ａ）に示されるノズル先端部８０には、複数のターゲット材噴出口８１が環状に等間隔に配置されている。すなわち、複数のターゲット材噴出口８１から噴出噴流するターゲット材を空中で合流合体させ、中空筒状ターゲットに近似的に形成している。
【００６１】
このような複数のターゲット材噴出口８１は断面が扇形を有する複数の同一形状を有する細分化ノズル８２による組立て構造でもよい。図示される細分化ノズル８２それぞれが一つのターゲット材噴出口８１を有している。
【００６２】
また、図７（Ｂ）に示されるノズル先端部８０Ｂは上記同様の配置で複数のターゲット材噴出口８１Ｂが環状に等間隔に配置されている。しかし、細分化ノズル８２Ｂそれぞれは、ほぼ台形を有し、中心線位置の中心部円柱８３に抱き合わせられた構成を有している。
【００６３】
図７でターゲット材噴出口は、その形状が環状方向に広いほぼ矩形の断面を有し、細分化ノズルの中央部分に配置されている。しかし、図７（Ｂ）で参照されるように、中心部円柱にターゲット材噴出口のための溝を接する構造でもよい。
【００６４】
また、複数のターゲット材噴出口を有するノズルとしては、細いターゲット材噴出口を有する円筒状の細い細分化ノズルを中心部円柱の周囲に詰めて形成することもできる。
【００６５】
従って、このような複数のターゲット材噴出口を有するノズルでは、同一形状の細分化ノズルを詰めて成形されるので、環状の噴射口を容易に形成でき、中空筒状ターゲットの形成に対して、より安定した動作が得られる。
【００６６】
上述した各種のターゲット材噴出口の形状は、流体としてのターゲット材の特性、例えば、粘性、表面張力など、及び必要とする外形寸法、流速などによって決められる。
【００６７】
このように、上記記載では、図面それぞれを参照し、かつ適切なデータを示して説明している。しかし、図示され説明された形状、大きさおよび相互位置、数量などの構成、並びに組合せについては、相互に関連を有してはいるが上述した機能を満たす範囲で変更可能であり、本発明は上記記載に限定されるものではない。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、レーザビームの照射ターゲットを中空筒状ターゲットとしているので集光照射点におけるターゲット材の量が縮小され、通常のＸ線発生に伴なうターゲット材のガス放出が著しく低減されるため、真空チャンバー内における残留ガスの排気及びターゲット材の回収、それぞれの装置規模を小型化することができる。
【００６９】
更に、中空筒状ターゲットをレーザビームにより２次元均一照射することにより、爆縮されて中心軸部分に形成されたコアプラズマからのＸ線放射も利用できる。従って、Ｘ線変換効率は実効的に向上する。すなわち、Ｘ線源としての強度が向上するので、ドライバーレーザを小型化することができる。
【００７０】
この結果、装置全体としてコンパクトで設備費及び運転コストの低いレーザプラズマＸ線発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の関連構造部分における実施の一形態を断面で示す説明図である。
【図２】図１の一部を改良した実施の一形態を示す図である。
【図３】図１の集光照射点の近傍におけるレーザビーム照射時点でのターゲット断面の一形態を示す図である。
【図４】図３に示される状態から続く状態を説明する図である。
【図５】図１の集光照射点においてレーザビーム照射時点からのターゲット材の流れを時系列で示す図である。
【図６】図５に対応して発生するＸ線の強度を時系列で示す図である。
【図７】図１とは別の複数のターゲット材噴出口を有するノズル先端部分における正面の一形態を示す図（Ａ）、及びこれに中心部円柱を利用したノズル先端部分における正面の一形態を示す図（Ｂ）である。
【図８】従来の流体ターゲットを用いたＸ線発生構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ノズル
１１、８１、８１Ｂターゲット材噴出口
１２整流器
２０ターゲット材
２１中空筒状ターゲット
２２壁厚部
２３中空部
２４滞留プラズマ
３０、３１、３２レーザビーム
４０集光照射点
５０、６０芯材
５１芯材先端部
６１ガス噴出口
６２ガス供給路
７０ガス
７１噴出ガス
８０，８０Ｂノズル先端部
８２、８２Ｂ細分化ノズル
８３中心部円柱

Claims

固体および液体の少なくとも一方でありかつ流体をなす物質をターゲット材とし、該ターゲット材をノズルから柱状に噴出させてジェット流に形成される一つの噴流ターゲットに連続パルスによりレーザビームを集光照射することにより前記ターゲット材を加熱して高温高密度プラズマを生成するものであって、前記ノズルは前記噴流ターゲットを生成する一つまたは複数のターゲット材噴出口を有しそのターゲット材噴出口中心部に芯材を備え、該芯材により前記ノズルから噴出する前記噴流ターゲットに中空部を生成して単一の中空筒状ターゲットを形成することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項１において、前記ノズルは単一の円形ターゲット材噴出口であり、その単一のターゲット材噴出口中心部に芯材を備え、該芯材により前記ノズルから噴出する単一の前記噴流ターゲットに中空部を生成して単一の円筒状ターゲットを形成することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項２において、前記芯材から前記中空筒状ターゲットの中心線上にガスを噴出させて柱形状の噴流ガスを生成し前記中空筒状ターゲットの中空部分の生成を助成することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項１において、前記ノズルは複数のターゲット材噴出口を環状に有し、その複数のターゲット材噴出口から同時に噴出するターゲット材が空中で一体化され中空部が生成された単一の中空筒状ターゲットを形成することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項１において、前記中空筒状ターゲットの外径を、前記レーザビームの集光照射点においてレーザビームの寸法と同一に形成することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項１において、複数のレーザビームによりパルス毎に中空筒状ターゲットの中心軸上の同一個所を同時に集光照射することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項６において、複数の前記レーザビームを備え、該レーザビームを前記中空筒状ターゲットの噴流方向に垂直な一つの面上で等間隔角度となる位置から対称に、前記中空筒状ターゲットに集光照射することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
請求項１において、前記ノズルのターゲット材噴出口付近における形状及び寸法の組合せにより、前記ターゲット材が前記レーザビームの照射によりパルス毎に蒸散する深さと同一からやや大きいまでの間の寸法に前記中空筒状ターゲットの平均壁厚を形成することを特徴とするレーザプラズマ発生方法。
固体および液体の少なくとも一方でありかつ流体をなす物質をターゲット材とし、該ターゲット材を柱状に噴出させて一つの噴流ターゲットに形成するノズルと、連続パルスにより一つの点に集光照射する少なくとも一つのレーザビームとを備え、前記レーザビームを集光照射して前記噴流ターゲットのターゲット材を加熱し、高温高密度プラズマを生成するものであって、前記ノズルは、前記ターゲット材が環形のジェット流となって噴出し前記噴流ターゲットを単一の中空筒状ターゲットに形成するように、環形をなす一つのターゲット材噴出口を備えることを特徴とするレーザプラズマ発生装置。
請求項９において、環形をなす前記ターゲット材噴出口はその中心線上に前記中空筒状ターゲットの中空部分の生成を助成する噴流ガスを噴出するガス噴出口を更に備えることを特徴とするレーザプラズマ発生装置。
固体および液体の少なくとも一方でありかつ流体をなす物質をターゲット材とし、該ターゲット材を柱状に噴出させて一つの噴流ターゲットに形成するノズルと、連続パルスにより一つの点に集光照射する少なくとも一つのレーザビームとを備え、前記レーザビームを集光照射して前記噴流ターゲットのターゲット材を加熱し、高温高密度プラズマを生成するものであって、前記ノズルは、前記ターゲット材が環状態の筒状ジェット流となってその中心軸の周囲に平行して噴出し前記噴流ターゲットを単一の中空筒状ターゲットに形成するように、環状態を形成する複数のターゲット材噴出口を備えることを特徴とするレーザプラズマ発生装置。
請求項１１において、前記ノズルは、それぞれが一つのターゲット材噴出口を有する複数の細分化ノズルにより形成され、複数の前記ターゲット材噴出口が環状態をなすように一体化されることを特徴とするレーザプラズマ発生装置。
請求項９乃至１２のいずれか一つにおいて、前記ターゲット材噴出口は、前記中空筒状ターゲットの外径を前記レーザビームの集光照射点における直径と同一に形成するような形状と寸法とを有することを特徴とするレーザプラズマ発生装置。
請求項９乃至１２のいずれか一つにおいて、前記ターゲット材噴出口は、十分な大きさを有する前記ターゲット材が前記レーザビームの照射によりパルス毎に蒸散する深さと同一かまたは大き目の寸法に前記中空筒状ターゲットの壁厚を形成するような形状と寸法とを有することを特徴とするレーザプラズマ発生装置。
請求項９乃至１２のいずれか一つにおいて、前記中空筒状ターゲットの噴流方向に垂直な一つの面上で等間隔角度により対称となる位置から同時パルスにより、前記中空筒状ターゲットを照射する複数の前記レーザビームを備えることを特徴とするレーザプラズマ発生装置。