JP4351413B2 - Laser plasma X-ray generator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学的に不活性で室温ではガス状のクライオ(低温)材を冷却して液体化から固体化まで状態を変化させるクライオターゲット材を、熱伝導率のよい円筒形側面を有して極低温に冷却される回転体の円筒形側面および底平面などの表面に吹き付けにより供給してクライオターゲット層として形成し、このクライオターゲット層に高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じたプラズマからパルスX線を発生するレーザプラズマX線発生装置に関する。
【0002】
特に、高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光の照射で発生し飛散するターゲット材による微粒子の発生量を少量に限定すると共にこの微粒子を回収することにより、連続して安定した高い平均出力のパルスX線を発生することができるレーザプラズマX線発生装置に関する。
【0003】
【従来の技術】
高い尖頭パワーを有するパルスレーザ光を直径100μm以下の点に集光して、これを固体ターゲットに照射することにより高温高密度のレーザプラズマが生成され、このレーザプラズマから高い輝度のパルスX線がレーザプラズマX線として放射されることは1970年代から知られている。そして、レーザ光のパルスエネルギーが向上すると共にその物理的特性の調査が進んでいる。
【0004】
レーザプラズマX線の応用については、医療応用として、またX線リソグラフィー用光源への応用として多くの技術の開示があった。その後、レーザ核融合研究の一部としてレーザプラズマX線は精力的に研究され、X線のスペクトル強度に対するレーザ波長、強度依存性またはターゲット元素依存性などが明らかにされた。特に、入射レーザのエネルギーからX線エネルギーへの全変換効率は数パーセントから10パーセントと極めて大きいことが判明し、数100Hzの高い繰り返し回数が可能でかつ高エネルギーのパルスYAGレーザの実現など、レーザ技術の進展に伴い高い繰り返しによる高平均出力を有するレーザプラズマX線の実用化に対する開発が行われた。
【0005】
入射レーザが集光してプラズマを発生するターゲットとしては、米国特許明細書「J.M.Forsyth etal;U.S.Patent 4,700,371号(Oct.13,1987)」に開示される円筒回転ドラムターゲットまたはテープターゲットがある。しかし、これらのターゲットはいずれも銅(Cu)、アルミニウム(Al)、金(Au)などの金属を主体とする固体材料であるため,レーザ加熱によって蒸発した集光点近傍の材料が周囲のチャンバー壁内面または放射されるレーザプラズマX線を集める高価なX線鏡の表面に堆積し、かつ飛散した微粒子がX線鏡の表面に損傷を与えるなどの問題がある。その理由は、ターゲット材の固体材料は、X線鏡の表面に堆積付着してX線を強く吸収すること及び/または結晶微粒子となってX線鏡表面を損傷することがあるため、X線鏡の反射率が減少し、使用できるX線の実効強度が時間と共に低下するためである。従って、定期的に高価なX線鏡を交換する必要がある。
【0006】
また,使用されるターゲットは、それ自体にレーザ光が繰り返し集光照射されるため、いずれも蒸発磨耗により寿命が短く、頻繁に交換する必要がある。
【0007】
従来、この種のレーザプラズマX線発生装置では、上述した問題を解決する方法として,化学的に不活性で室温ではガス状態の物質、例えばキセノン(Xe)のような希ガスを冷却して液体化または固体化したクライオ材が、クライオターゲット層に形成され用いられている。
【0008】
例えば、図13に示されるような、冷却して液体化または固体化したクライオ材によるクライオターゲットを連続供給する装置が、特開平1−6349号公報( 特許番号第2614457号)に開示されている。
【0009】
すなわち、図13に示されるように、真空チャンバー101内部には連続移動する回転無端ベルトを有するベルトコンベア102が備えられ、液体化または固体化したクライオ材が供給路103から回転無端ベルトの表面上に連続的に供給されて付着しクライオターゲット層104を形成する。
【0010】
一方、パルスレーザ光は、入射口から真空チャンバー101内に入射し、移動する回転無端ベルト表面上に付着したクライオターゲット層104上に集光照射点105を形成する。従って、集光照射点105においてクライオターゲット層104のクライオ材がプラズマ化してパルスX線を放射し、パルスX線はX線射出口を介して外部に取り出される。
【0011】
この集光照射点105でプラズマ化して穴をあけたクライオターゲット層104には移動する回転無端ベルトの表面上にクライオ材の供給路103からクライオ材が連続して供給され、クライオターゲット層104が復旧する。
【0012】
上述した回転無端ベルトを用いてクライオターゲット層をレーザ集光点に運搬するレーザプラズマX線発生装置では、回転無端ベルトは、極低温の回転体と接する際のみに冷却されるが、極低温において屈曲と延伸との作用を受けるため、回転無端ベルトの寿命が短縮されるという問題があり、更に、供給されるクライオ材の付着面の温度を安定した低温に保持することが困難であるという問題がある。
【0013】
また、クライオ材の供給路から供給を受けて回転無端ベルトに付着形成されるクライオターゲット層では表面に沿っての厚さにおいて均一性が得難いので、クライオターゲット層の表面の法線方向に対するレーザ光の集光照射点の持つ相対位置が面の場所により所定の位置から外れることがあり、発生するX線の強度が安定しないという問題もある。
【0014】
このような問題を解決するために、回転無端ベルトを用いるベルトコンベアの代わりに、例えば、特開2001−015296号公報に開示され、図14に示されるような、冷却した際に液体化または固体化の可能なクライオ材によるクライオターゲットを連続供給する装置がある。
【0015】
すなわち、図示されるレーザプラズマX線発生装置は、真空チャンバー110の内部に回転体111を有し、回転体111は、回転駆動機構により回転させられる回転軸112とクライオターゲットの表面として熱伝導率のよい円筒形表面とを有し、回転軸112を通して内部に極低温流体113を循環させ側面を極低温に冷却している。
【0016】
一方、ターゲット供給機構120は冷却して液体化または固体化される化学的に不活性で室温ではガス状の例えばキセノン(Xe)をクライオターゲット材として供給路121から回転体111の表面に供給して所定の厚さのクライオターゲット層122を形成する。
【0017】
レーザプラズマX線発生装置では、このクライオターゲット層122の集光照射点130に高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光131が集光照射され、ここにて生じたプラズマからパルスX線132が発生する。
【0018】
このように、回転体111を回転させることによって再生されたクライオターゲット層122をパルスレーザ光131の集光照射点130へ連続的に供給することができる。従って、熱伝導率のよい回転体111を極低温に冷却して表面にクライオターゲット層122を形成する際、回転体111の回転速度、回転体表面の温度、回転体表面に供給するクライオ材の供給量などの設定によりクライオターゲット層122の厚さを適切に設定できる。また、回転体111の回転によりパルスレーザの集光照射点130の位置を逐次移動できるので、パルスレーザの集光点に生じるプラズマによる回転体111の損傷を防止することができる。
【0019】
また、図示されるように、間隙をもって回転体111を囲み間隙にクライオ材の注入を受けて閉じ込める固定壁150を備え、回転体111の速度、周囲温度を含む環境条件を設定して、回転する回転体111の円筒形表面に付着したクライオ材をほぼ均一の厚さに形成しクライオターゲット層122としている。従って、回転体111の表面に液体化状態または固体化状態のクライオターゲット層を安定に形成することができると共にパルスレーザ光131の集光照射点130にプラズマを常に同様な安定した条件で発生することができる。
【0020】
しかしながら、図15に示すように、上述した回転体111の表面に形成されたクライオターゲット層122で、0.7J/20nsのパルスレーザ光131を集光照射点130に照射した場合、クライオターゲット層122の表面に30ns以内で高温高圧のプラズマが形成されかつパルスX線132が発生する。同時に、クライオターゲット層122の内部へは発生したプラズマにより駆動される衝撃波が伝搬し、その透過後、1μsからほぼ100μsまでの間にクライオターゲットとなったクライオ材が蒸発したガス134及び破砕した微粒子135が拡散して、所定の厚さのクライオターゲット層122にクレータ136を形成する。キセノン(Xe)をクライオターゲット材とした場合、このクレータ136は深さ150μm、直径400μmに達する。因みに、プラズマの形成によりパルスX線を発射するに要するクライオターゲット材の体積は、100μmの集光スポット径による面積と深さ20μmとの積、程度である。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
上述の図14を参照して説明したレーザプラズマX線発生装置では、クライオターゲット材(Xe)が直径100μmの集光照射に対して深さ150μm、直径400μmに達する量を拡散している。従って、拡散するガス及び微粒子が回転する集光照射点近辺で構成要素に損傷を与えることがなくても、これらの発生物質は真空チャンバー内に拡散する。更に、この発生物質は、真空チャンバー内に滞留することにより急激に増加し、装置の機能を低下させる危険性が高い。これを除くために、図14で示される排気装置140のような排気手段を備えて発生物質を回収し再生することができるが、拡散量が急激に増加するので、これには大きな排気量が必要とされる。
【0022】
本発明の課題は、回転体を用いてクライオターゲット層の基板としたレーザプラズマX線発生装置でのこのような問題点を解決するため、レーザ光の集光照射を受けた際に蒸散または拡散するクライオターゲット材の量を、できる限り少量に制限して発生する物質を回収する排気手段の容量を小型化すると共に、発生した物質はできる限り回収して設備およびその運用のコストを低減することができるレーザプラズマX線発生装置を提供することである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレーザプラズマX線発生装置は、化学的に不活性で室温ではガス状であり冷却した際に液化し、さらに液体状態から固体状態に変化するクライオターゲット材を、回転軸を有しこの回転軸を中心軸として回転しかつ熱伝導率のよい円筒形表面を有して極低温に冷却される回転体の側面または底面の表面に供給し、所定の厚さに形成されたクライオターゲット層をクライオターゲットとして形成し、このクライオターゲットに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射して生じたプラズマからパルスX線を発生するものである。
【0024】
その特徴とする一つは、パルスレーザ光を集光照射した際にプラズマ化してX線を放出するに必要な最小限のクライオターゲット材の量を確保可能なサイズの幅と厚さとを有する一周以上のクライオターゲットを回転体表面に帯状の円を環状に形成して備えることである。このようなクライオターゲット帯は回転体表面上に厚さをもって形成されても、また回転体表面に深さを有する溝により形成されてもよい。勿論、クライオターゲット帯は浅い溝の上に形成されることもできる。
【0025】
この場合のクライオターゲット材の供給口は、予め冷却され液体状態に近い濃度のクライオターゲット材を回転体表面に噴出し、回転体表面で直ちに固化させて結晶微粒子状態のクライオターゲット帯を形成するクライオターゲット供給ノズルであることが望ましい。
【0026】
また、クライオターゲット帯は回転体表面において、側面に回転軸方向に平行に、また底面に同心円で、それぞれが形成されてもよい。また、これに追加される特徴は、回転走行する回転体のクライオターゲット帯に対して固定配備され、回転体表面に密着摺動してクライオターゲット帯の周辺で回転体表面に付着したクライオターゲット材を掻き集めてクライオターゲット帯に押し込み、所定のサイズを有するクライオターゲット帯を作成する圧集壁を備えることである。
【0027】
また、パルスレーザ光により集光照射されている間にプラズマ化しつつ蒸散するクライオターゲット材の量は、例えばキセノン(Xe)では厚さ20μm〜30μm程度である。このように、上記クライオターゲット帯の幅及び厚さまたは深さを、レーザ光の集光照射により蒸散する量、すなわち集光スポット径と蒸散の深さとに見合う値に設定することにより、クライオターゲット材の蒸散はターゲット溝の幅方向で制限され回転体基板の表面に拡大されることはない。特に、圧集壁を用いて幅方向の寸法を限定した場合、幅方向の余分な蒸散を生じることはない。
【0028】
また、クライオターゲット溝が回転体基板表面と接する部分で飛散した高温プラズマ粒子により回転体基板を損傷することのないように、クライオターゲット溝の開口部分は、中央部分に対して広く、断面が凹型に形成されることが望ましい。
【0029】
また、更に、上記プラズマによる回転体基板の損傷を避けるため、緩衝層となるガス、例えば炭酸ガス(CO)を液体化から固体化して回転体表面に緩衝層を形成し、キセノン(Xe)などのクライオターゲット材を最小とすることができる。この場合、緩衝層となるガスを供給する緩衝材供給ノズルは、クライオターゲット材供給ノズルより上流側の位置に配置されることとなる。
【0030】
また、他の一つの特徴は、パルスレーザ光の集光照射によりこの集光照射点から噴出した前記クライオ材の結晶微粒子およびその気化ガスを、集光照射点から回転体回転方向、かつクライオターゲット帯上で収集排気する排気ノーズを更に備えることである。この特徴は、上記特徴と組合せることが望ましいが、独立して効果を発揮することもできる。特に、集光照射点から回転体表面に対してほぼ垂直方向に飛散する微粒子は、回転体の回転方向、すなわち円形のクライオターゲット帯の接線方向で斜めに配置される排気ノーズにより自然に収集されることが可能になる。従って、クライオターゲット材の回収が容易となり、真空チャンバー内部でガス化されたクライオターゲット材の残留を大幅に低減することができる。
【0031】
【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。図の形状もしくは形体または相対寸法などについては説明の理解を助けるために作成されているので参照のみにとどめて頂きたい。
【0032】
図1は本発明の実施の一形態を示す説明用の縦断面概要図である。
【0033】
図1のレーザプラズマX線発生装置では、真空チャンバー10、円筒形の回転体11、回転体11の回転軸12、および内部にあって回転体11を冷却する極低温流体13が主要構造を形成する。レーザ光のターゲットとなるクライオ材を供給するターゲット材供給部20は回転体11の表面にクライオ材を供給するクライオターゲット材供給ノズル21を有し、クライオ材は回転体11の表面でクライオターゲット層22に形成される。
【0034】
パルスレーザ光31は、回転体11の表面のクライオターゲット層22にある集光照射点30に集光してプラズマを発生させ、パルスX線32を放射する。パルスX線32の放射を出力方向で平行光とするためX線鏡33が設けられる。プラズマ発生の衝撃により、真空チャンバー10内に発生したクライオ材のガスは排気装置40が収集し回収層41に回収される。固定壁50は、回転体11の表面と間隙を有して設けられ、この間隙にクライオ材の注入を受けて閉じ込めるものであり、上述した公開公報で開示されるように、回転体11の表面上に液体化状態または固体化状態で安定した厚さのクライオターゲット層22を形成する。
【0035】
更に、本発明の特徴として従来と大きく相違する点は、クライオ材を供給するクライオターゲット材供給ノズル21が回転体11の表面にクライオ材を噴射することであり、クライオ材をその表面で直ちに固化させて結晶微粒子状態で付着させることである。また更に、ターゲット溝51、圧集壁52、および排気ノーズ53が設けられていることである。ここで、クライオターゲット材供給ノズル21、圧集壁52、および排気ノーズ53は上記固定壁50に固定されているものとする。また、ターゲット溝51は内部にクライオ材を埋め込み、上述したクライオターゲット帯を形成するものである。なお、固定壁50は、真空チャンバー10の高真空度を保つため、比較的圧力の高い噴射部分とクライオターゲット帯周囲とを真空から隔離するために必要である。
【0036】
また、図では、回転軸受け、回転体11の回転および移動を駆動する回転駆動機構および軸方向駆動機構、並びに極低温流体13の導入管および排気管、などが示されている。従って、例えば軸方向駆動機構は、回転体11を軸方向にステップ移動させることにより、複数の上述したクライオターゲット帯を形成することができる。
【0037】
次に、図1を参照して各構成要素の機能について説明する。
【0038】
真空チャンバー10の内部には、円筒形表面を有し中空で冷却槽となる熱伝導率のよい回転体11が水平面に垂直な回転軸12を有して設けられている。回転軸12は真空チャンバー10に設けられた回転軸受けにより支持されている。回転軸12は熱伝導係数の小さい材質が好ましい。
【0039】
また、回転軸12は、上部の部分で、液体窒素、液体アルゴン、または液体ヘリウムなどの低温液化ガスを極低温流体13として回転体11の中空内部に外部から導入する導入管と、極低温流体13の気化ガスを排出回収する排気管とを同軸状にそれぞれ備えている。従って、極低温流体13は、回転体11内部の中空内部に液体として蓄積され、回転体11の熱伝導を利用して回転体11の表面をクライオターゲット層22となるクライオ材の液化温度以下に冷却する。
【0040】
一方、クライオ材は例えばキセノンでありレーザプラズマを発生させるレーザ光31の集光照射対象であるターゲットの材料である。クライオ材は、流体化されて回収槽41に外部から補給されると共に内部に貯蔵される。また、クライオ材は、温度制御されたクライオターゲット材供給ノズル21により、冷却された回転体11の表面に設けられるターゲット溝51部分の周辺に、液体状態に近い濃度で噴射供給され、結晶微粒子の状態でターゲット溝51の内部を埋めると共に回転体11の表面にクライオターゲット層22を形成する。
【0041】
ここで、図2および図3に図1を併せ参照して図1に示すターゲット溝51およびその表面に形成されるクライオターゲット層22について説明する。
【0042】
回転体11は、例えば表面を高融点金属のタングステン合金などにより被覆保護された銅(Cu)を用いており、円筒形のターゲット基板であり、ターゲット溝51の深さを充たすに十分な厚さを有している。
【0043】
図2に示されるように、図1で示されるターゲット溝51は、回転軸12に垂直な面で回転軸を中心とした環形状をなしている。パルスX線32が連続的に発生できるように、回転体11の一周の間にクライオターゲット層の形成とパルスX線の生成とが交互に発生することは好ましい。しかし、必要があれば、ターゲット溝51は、円筒形回転体11の円筒側面では上述した軸方向駆動機構と相まって回転軸12の方向に複数の平行線を形成することができる。更に、別のターゲット溝は、円筒形または円盤形の回転体の円形底面に設けることもできる。この場合、複数のターゲット溝は回転軸を中心とする複数の同心円を形成することとなる。
【0044】
ターゲット溝51の断面の大きさは、例えば、深い部分で深さ100μmおよび幅150μmであり、浅い部分で深さ15μmおよび幅300μmであれば十分である。このターゲット溝51の大きさは、パルスレーザ光31が直接加熱する蒸散現象で、基板材である回転体11に損傷を与えないだけの容積を有する。
【0045】
従って、クライオターゲット材供給ノズル21から噴射されたクライオ材は、極低温に冷却された熱伝導率のよい回転体11のターゲット溝51を埋めたうえ、例えば円筒形表面に厚さ10μmのクライオターゲット層22を形成することになる。この場合、回転体11の回転速度、円筒形表面の温度、円筒形表面に供給するクライオ材の供給量など、環境条件の設定によりクライオターゲット層22の厚さを適切に形成することができる。
【0046】
ターゲット溝51は、ターゲット溝51と回転体11の基板表面とが接する部分で基板材を損傷することのないように、浅い部分と深い部分との2段を形成しているが、別の形状、例えば、断面を漏斗形状または半円形状としてもよい。
【0047】
すなわち、ターゲット溝の断面が図示されるような階段状ではなく凹面構造をとすることは、ターゲット溝の内側表面で反射された反射衝撃波がターゲット溝の中心部に収束されるため、ターゲット溝の周囲に拡散して周囲のターゲット材を広範囲に脱離または剥離することがないので、望ましい。
【0048】
ここで、また図1に戻り説明を続ける。
【0049】
後述するように、圧集壁52がクライオターゲット材をターゲット溝51の内部に埋め込むため、クライオ材は回転体11の表面で結晶微粒子状態に在ることが望まれる。従って、クライオ材の供給は、低温制御されたクライオターゲット材供給ノズル21によりクライオ材を冷却された回転体11の表面に吹き付けて急速冷却し結晶微粒子の生成を確実にしている。また、クライオターゲット材供給ノズル21の先端が圧集壁52の内側に位置することにより、噴射されたクライオ材は回転体11表面の広範囲に飛散することを防止できる。この結果、クライオターゲット帯形成の効率が向上する。
【0050】
また、クライオターゲット層22がプラズマ化された際にガス状となったクライオ材は、排気装置40により真空チャンバー10の外へ排出回収され、クライオ材の回収槽41へ送られ、冷却により再び低温化されて引き続き真空チャンバー10内で回転体11の表面にクライオターゲット材供給ノズル21を介して供給される。更に、排気装置40は、真空チャンバー10の内部を133×10−3Pa以下の圧力に保持するように稼動している。
【0051】
他方、パルスレーザ光31は集光機構を介して真空チャンバー10のレーザ入射口から照射されクライオターゲット層22の集光照射点30に到達する。次いで、集光照射点30で発生したプラズマから生じたパルスX線32がX線鏡33により平行光に成形されX線出射口から射出される。
【0052】
次に、図4および図5に示されるように、圧集壁52は、ターゲット溝51の上部で、回転体11の回転走行方向で、集光照射点30の手前に位置する。排気ノーズ53は、ターゲット溝51の上部で、回転体11の回転走行方向、かつ円形のターゲット溝51の接線方向で、集光照射点30の先方に位置する。排気ノーズ53は図示されるように排気装置40に結合され、収集された排気材は回収槽41に回収される。
【0053】
図4で示される例では、圧集壁52および排気ノーズ53は、真空チャンバー10の内部で間隙をもって円筒形の回転体11を囲む固定壁51に固着されている。しかし、圧集壁52および排気ノーズ53が真空チャンバー10自体に直接固定されてもよいことは勿論である。また、図4は回転軸12に垂直な断面を示す図であり、ターゲット溝51部分から外されている。
【0054】
次に、図1に図4から図8までを併せ参照して本発明による主要な動作手順について説明する。
【0055】
まず、回転体11の円筒形表面がクライオ材を充分に結晶微粒子化するだけの温度に冷却された後、クライオ材が回転体11の有するターゲット溝51を含む表面にクライオターゲット材供給ノズル21から噴射される。この結果、クライオ材は回転体11の表面で直ちに固化して結晶微粒子化される。この結晶微粒子化されたクライオ材によるクライオターゲット層22は、図4に示されるように、回転体11の回転走行方向に形成される。クライオターゲット層22は回転体11の表面に、例えば、10μmから50μmの厚さで形成される。
【0056】
次いで、図5および図6に示されるように、圧集壁52は、回転体11の表面を摺動して、表面に堆積したクライオターゲット層22の結晶微粒子状クライオ材を掻き集め、ターゲット溝51に詰め込み圧縮してクライオターゲット帯23を成形する。
【0057】
クライオターゲット帯23へ入射されるパルスレーザ光31の光源は、高い尖頭パワーと高い繰り返し型のパルスレーザ光源であり、パルスレーザ光31はクライオターゲット帯23の表面に集光照射点30として約100μmのスポット径で集光照射される。この場合、クライオターゲット帯23の表面上でのレーザ強度は約1012W/cmとなる。
【0058】
パルスレーザ光31の集光照射により集光照射点30を中心にクライオターゲット帯23にプラズマ24を発生する。発生したプラズマが消滅した後、クライオ材が、気化ガス34を発生し、また微粒子(デブリ)35を生成する。この後にはクライオターゲット帯23にクレーター状の痕跡36が発生する。この痕跡36は、集光照射点30の周囲でターゲット溝51を露出させる。しかし、約100μmの集光スポット径を有するパルスレーザ光31がプラズマとして直接飛散させるクライオ材の厚さは、キセノン(Xe)によるクライオターゲット材の場合で、実験的に測定されているアブレーションレート式から求めると、約30μmまでの深さである。実際にこれより大きな深さのクレータが生じるのはプラズマによる伝導加熱と衝撃波とのためである。従って、クライオターゲット材がプラズマとして気化した後に残されるクライオターゲット層の厚さが衝撃波に対して十分に厚ければ、基板材である回転体11の例えばタングステン合金で覆われた銅の表面は損傷を受けることはない。
【0059】
一方、パルスレーザを繰り返し周波数300Hz〜6000Hzで動作させ、安定なパルスX線32を得るには1パルス毎に新しいクライオターゲット帯23の面を照射する必要がある。そのため、クライオターゲット帯23の面上での集光照射点30から次の集光照射点までの距離、並びに回転体11の半径および角速度から回転体11の回転速度として毎分の回転数が求められる。
【0060】
すなわち、上述した痕跡36には再度使用するためクライオターゲット材供給ノズル21からクライオ材の補充がある。従って、補充に必要な時間と一周のクライオターゲット溝51上におけるクライオターゲット材供給ノズル21の数との関係で、必要な場合には、回転体11を回転軸により回転させるだけでなく回転の軸方向へ往復移動させることによってクライオターゲット帯23の表面で同じ場所を短時間内に重複してパルスレーザ光31が照射しないようにしている。すなわち、図示される回転体11の側面には複数のターゲット溝51が形成されている。装置は、回転体11の回転中、クレータ状の痕跡36にクライオターゲット材供給ノズル21からクライオ材を吹き付け、痕跡36を直ちに修復するように構成されている。
【0061】
また、図7に示されるように、回転体11の角速度ωと表面までの半径rとの積から、クライオターゲット帯23の表面速度υ(=ω×r)が求められる。一方、パルスレーザ光31の照射により回転体11の表面に垂直方向に速度υで発散する微粒子(デブリ)は、クライオターゲット帯23の表面速度υにより、(υ +υ1/2 の合成速度を有することとなり、表面速度υの方向に傾いて移動する。
【0062】
一方、排気ノーズ53はこの位置に口を開けている。すなわち、排気できるガス量Qは排気速度Sと真空度(圧力)Pとの積に等しいが、上述したように、真空チャンバー10内の圧力は10−3Torr以下のオーダーにする必要がある。一方で、排気ノーズ53内の圧力は10−2Torr程度であり、図1で示す排気装置40が吸気するので、排気ノーズ53に吸入された微粒子及びガスは効率よく排気される。
【0063】
次に、図9および図10を併せ参照して上述とは別の実施の形態について説明する。
【0064】
この実施の形態と上述したものとの相違は、ターゲット溝がない回転体61と先端に切欠きを有する圧集壁62とである。圧集壁62は、回転体61の表面を摺動して、表面に堆積したクライオターゲット層22の結晶微粒子状クライオ材を掻き集め、圧縮してクライオターゲット帯63を成形する。従って、圧集壁62の内壁は先端の切欠きに向かって狭まる形状を有しており、その切欠きの形状がクライオターゲット帯63の断面形状を決定している。
【0065】
成形されたクライオターゲット帯63は、上述したように、少なくともレーザ光の集光スポット径の幅と、プラズマ化により蒸散および拡散するクライオターゲット材の量に見合う厚さとを有することとなる。また、クライオターゲット帯63は、その断面がクライオ材のガス化を最小にできる裾野を有する小山であるように、圧集壁62により形成される。
【0066】
ここでは、回転体基板にターゲット溝がない形体を説明したが、浅いターゲット溝を設けてクライオターゲット層を形成することが安定したクライオターゲット帯を形成する上で望ましい。
【0067】
また、上記図8を参照した際に説明されたように、クライオターゲット材がプラズマとして気化した後に残されるクライオターゲット層の厚さが衝撃波に対して十分に厚ければ、基板材である回転体11の表面は損傷を受けることはないが、必要あれば、回転体11の表面に更に緩衝材を挿入することが考えられる。
【0068】
次に、図11および図12を併せ参照して緩衝材を用いた上述とは別の実施の形態について説明する。
【0069】
この実施の形態と上述したものとの基本的な相違は、回転体71の表面とクライオターゲット帯74との間に、プラズマによる回転体71の基板の損傷を避けるため、ガス、例えば炭酸ガス(CO)を液体化から固体化してドライアイスによる緩衝層73を形成していることである。この結果、クライオターゲット帯74となるキセノン(Xe)などのクライオターゲット材の量を最小にすることができるので、クライオターゲット材が蒸散してガス化および微粒子化する量を抑制することができる。従って、発生するパルスX線32が真空チャンバー内で減衰させられることがなくなる。
【0070】
すなわち、図示されるように、緩衝層73となるガスを供給する緩衝材供給ノズル70は、クライオターゲット帯74上において、クライオターゲット材供給ノズル21より上流側の位置に配置されることとなる。
【0071】
また、緩衝層73がクライオターゲット帯74と回転体71の基板表面との間に厚さを形成できるように、回転体71の表面には、断面が凹面をなすターゲット溝72が形成されている。
【0072】
また、圧集壁75は、回転体71の表面を摺動して、表面に堆積したクライオターゲット層74の結晶微粒子状クライオ材を掻き集め、圧縮してクライオターゲット帯76を成形する。圧集壁76の内壁は先端の切欠きに向かって狭まる形状を有しており、その切欠きの形状がクライオターゲット帯76の断面形状を決定している。クライオターゲット帯76は上述したと同様その断面が裾野を有する小山構成である。
【0073】
緩衝層73となるガス材は液体化、固体化の温度がキセノンのようなクライオ材と比較して大きく異なるので、両者の分離が容易である。
【0074】
上記説明では、回転体の側面で回転軸方向に平行に、また底面で回転軸を中心として同心円状に複数のクライオターゲット帯を設けるとしたが、クライオターゲット帯をスパイラル状とすることもできる。この場合、圧集壁および排気ノーズ先端の位置を固定または回転体の軸方向もしくは軸に垂直な方向に移動調整することとなる。
【0075】
このように、上記記載では、図面それぞれを参照し適切な条件を示して説明しているが、図示され説明された形状大きさおよび相互位置などの構成並びに組み合わせについては、環境条件と共に相互に関連があるが上述した機能を満たす限り自由であり、本発明は上記記載に限定されるものではない。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、極低温流体などにより冷却された熱伝導効率のよい回転体の表面に結晶微粒子状のクライオターゲット材を圧集壁により掻き集めて押し込んだクライオターゲット帯を形成し、その中心にパルスレーザ光の集光照射点を置いている。クライオターゲット帯は、その内部で発生したプラズマが回転体基板の壁を損傷しない程度の寸法を有しているので、クライオターゲット帯を形成するクライオターゲット材のみを蒸散および飛散している。従って、プラズマによる伝導加熱および衝撃波による必要以上のクライオターゲット材の蒸散および飛散を回避することができる。
【0077】
この結果、真空チャンバーの内部でクライオ材のガス放出量が大幅に低減するので発生したX線の吸収が減少し、この結果、排気装置のパワーを大幅に縮小できるので経済的効果が大きい。特に、プラズマX線発生直後の微粒子回収はこのような効果を更に向上させるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における縦断面概要の実施の一形態を示す図である。
【図2】図1の回転体側面における溝部分の実施の一形態を示す図である。
【図3】図2における部分断面の実施の一形態を示す図である。
【図4】図1における回転体主要部分断面の実施の一形態を示す図である。
【図5】図4の集光照射点周辺における展開平面およびその断面の実施の一形態を示す図である。
【図6】図5の圧集壁に係る横断面および正面断面の実施の一形態を示す図である。
【図7】図5の排気ノーズに係る実施の一形態を示す図である。
【図8】本発明のX線発生の過程に係る説明の実施の一形態を示す図である。
【図9】図5とは別の集光照射点周辺における展開平面およびその断面の実施の一形態を示す図である。
【図10】図9の圧集壁に係る横断面および正面断面の実施の一形態を示す図である。
【図11】図4とは別の回転体主要部分における断面の実施の一形態を示す図である。
【図12】図11のクライオターゲット帯部分における断面の実施の一形態を示す図である。
【図13】従来の一例を示す斜視図である。
【図14】従来における縦断面概要の一例を示す図である。
【図15】従来のX線発生の過程に係る説明の一例を示す図である。
【符号の説明】
10 真空チャンバー
11、61、71 回転体
12 回転軸
13 極低温流体
20 ターゲット材供給部
21 クライオターゲット材供給ノズル
22、74 クライオターゲット層
23、63、76 クライオターゲット帯
30 集光照射点
31 パルスレーザ光
32 パルスX線
33 X線鏡
34 気化ガス
35 微粒子(デブリ)
36 痕跡
40 排気装置
41 回収槽
50 固定壁
51、72 クライオターゲット溝
52、62、75 圧集壁
53 排気ノーズ
70 緩衝材供給ノズル
73 緩衝層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention has a cylindrical side surface with good thermal conductivity for a cryo-target material that changes its state from liquefaction to solidification by cooling a chemically inert and gaseous cryo (low temperature) material at room temperature. The surface of the rotating body cooled to a very low temperature, such as the cylindrical side and bottom plane, is supplied by spraying to form a cryo-target layer, and the repetitively pulsed laser light with high peak power is focused on this cryo-target layer. The present invention relates to a laser plasma X-ray generator that generates pulse X-rays from plasma generated by irradiation.
[0002]
In particular, the amount of fine particles generated by the target material that is generated and scattered by the irradiation of repetitively pulsed laser light having a high peak power is limited to a small amount, and the fine particles are collected to continuously and stably generate high average output pulses. The present invention relates to a laser plasma X-ray generator capable of generating X-rays.
[0003]
[Prior art]
A pulse laser beam having a high peak power is focused on a point having a diameter of 100 μm or less and irradiated to a solid target to generate a high-temperature and high-density laser plasma. Has been known as a laser plasma X-ray since the 1970s. And the pulse energy of the laser beam is improved and the physical characteristics are being investigated.
[0004]
Regarding the application of laser plasma X-rays, many techniques have been disclosed as medical applications and as applications to light sources for X-ray lithography. Later, as part of laser fusion research, laser plasma X-rays were studied vigorously, revealing the laser wavelength, intensity dependence, or target element dependence of the X-ray spectral intensity. In particular, the total conversion efficiency from incident laser energy to X-ray energy was found to be extremely high, from several percent to 10 percent, and lasers such as the realization of high-energy pulsed YAG lasers capable of high repetition rates of several hundred Hz are possible. With the advancement of technology, development for practical use of laser plasma X-rays having high average output due to high repetition was carried out.
[0005]
US Pat. No. 4,700,371 (Oct. 13, 1987) discloses a target for generating plasma by focusing an incident laser. There are cylindrical rotating drum targets or tape targets. However, since these targets are solid materials mainly composed of metals such as copper (Cu), aluminum (Al), and gold (Au), the material in the vicinity of the condensing point evaporated by laser heating is in the surrounding chamber. There are problems such as deposition on the inner surface of the wall or the surface of an expensive X-ray mirror that collects the emitted laser plasma X-rays, and the scattered fine particles damage the surface of the X-ray mirror. The reason is that the solid material of the target material is deposited and adhered to the surface of the X-ray mirror and strongly absorbs X-rays and / or may become crystal fine particles and damage the surface of the X-ray mirror. This is because the reflectivity of the mirror decreases and the effective intensity of usable X-rays decreases with time. Therefore, it is necessary to periodically replace expensive X-ray mirrors.
[0006]
In addition, since the target to be used is repeatedly focused and irradiated with laser light, it has a short life due to evaporative wear and needs to be frequently replaced.
[0007]
Conventionally, in this type of laser plasma X-ray generator, as a method for solving the above-described problems, a liquid that is obtained by cooling a noble gas such as xenon (Xe) that is chemically inert and in a gaseous state at room temperature is used. A cryomaterial that has been solidified or solidified is formed and used in a cryotarget layer.
[0008]
For example, as shown in FIG. 13, an apparatus for continuously supplying a cryo target made of a cooled and liquefied or solid cryo material is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-6349 (Japanese Patent No. 2614457). .
[0009]
  That is, figure13As shown in FIG. 2, a belt conveyor 102 having a continuously moving rotating endless belt is provided inside the vacuum chamber 101, and the liquefied or solidified cryomaterial is continuously supplied from the supply path 103 onto the surface of the rotating endless belt. The cryo target layer 104 is formed by being supplied and attached.
[0010]
On the other hand, the pulsed laser light enters the vacuum chamber 101 from the entrance, and forms a focused irradiation point 105 on the cryotarget layer 104 attached on the surface of the moving rotating endless belt. Accordingly, the cryomaterial of the cryotarget layer 104 is turned into plasma at the focused irradiation point 105 and emits pulse X-rays, and the pulse X-rays are extracted outside through the X-ray exit.
[0011]
Cryo material is continuously supplied from the cryo material supply path 103 onto the surface of the moving rotating endless belt, and the cryo target layer 104 is formed in the cryo target layer 104 which has been turned into plasma at the focused irradiation point 105 and has a hole. Restore.
[0012]
In the laser plasma X-ray generator that transports the cryo-target layer to the laser focusing point using the rotating endless belt described above, the rotating endless belt is cooled only when it comes into contact with a cryogenic rotating body. Due to the action of bending and stretching, there is a problem that the life of the rotating endless belt is shortened, and furthermore, it is difficult to keep the temperature of the attached surface of the cryomaterial supplied at a stable low temperature. There is.
[0013]
In addition, since it is difficult to obtain uniformity in the thickness along the surface of the cryo target layer that is supplied from the cryo material supply path and adhered to the rotating endless belt, laser light in the normal direction of the surface of the cryo target layer is obtained. There is also a problem that the relative position of the condensed irradiation point may deviate from a predetermined position depending on the location of the surface, and the intensity of the generated X-rays is not stable.
[0014]
  In order to solve such a problem, it is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-015296 instead of a belt conveyor using a rotating endless belt.14There is an apparatus for continuously supplying a cryo target made of a cryo material that can be liquefied or solidified when cooled.
[0015]
That is, the illustrated laser plasma X-ray generator has a rotating body 111 inside a vacuum chamber 110, and the rotating body 111 has a thermal conductivity as a surface of a rotating shaft 112 and a cryo-target rotated by a rotation driving mechanism. The cryogenic fluid 113 is circulated through the rotating shaft 112 to cool the side surface to a cryogenic temperature.
[0016]
On the other hand, the target supply mechanism 120 supplies, for example, xenon (Xe), which is chemically inert and is liquefied or solidified by cooling and gaseous at room temperature, from the supply path 121 to the surface of the rotating body 111 as a cryotarget material. A cryotarget layer 122 having a predetermined thickness is formed.
[0017]
In the laser plasma X-ray generator, a focused pulsed laser beam 131 having a high peak power is focused and irradiated on the focused irradiation point 130 of the cryo target layer 122, and a pulsed X-ray 132 is generated from the plasma generated here. To do.
[0018]
Thus, the cryo target layer 122 regenerated by rotating the rotating body 111 can be continuously supplied to the focused irradiation point 130 of the pulse laser beam 131. Therefore, when the rotator 111 with good thermal conductivity is cooled to a very low temperature to form the cryo target layer 122 on the surface, the rotation speed of the rotator 111, the temperature of the rotator surface, the cryomaterial supplied to the rotator surface The thickness of the cryo target layer 122 can be appropriately set by setting the supply amount and the like. Further, since the position of the focused irradiation point 130 of the pulse laser can be sequentially moved by the rotation of the rotating body 111, damage to the rotating body 111 due to the plasma generated at the focused point of the pulse laser can be prevented.
[0019]
Further, as shown in the figure, a fixed wall 150 is provided that surrounds the rotating body 111 with a gap and receives and confines cryogenic material in the gap, and rotates by setting environmental conditions including the speed of the rotating body 111 and the ambient temperature. The cryomaterial attached to the cylindrical surface of the rotating body 111 is formed to have a substantially uniform thickness to form a cryotarget layer 122. Accordingly, a liquefied or solidified cryo-target layer can be stably formed on the surface of the rotating body 111, and plasma is always generated at the focused irradiation point 130 of the pulse laser beam 131 under the same stable condition. be able to.
[0020]
However, as shown in FIG. 15, in the case where the focused irradiation point 130 is irradiated with 0.7 J / 20 ns pulsed laser light 131 with the cryotarget layer 122 formed on the surface of the rotating body 111 described above, the cryotarget layer High-temperature and high-pressure plasma is formed on the surface of 122 within 30 ns and pulsed X-rays 132 are generated. At the same time, a shock wave driven by the generated plasma propagates inside the cryo-target layer 122, and after passing through the shock wave, the gas 134 and the crushed fine particles in which the cryo-material that has become the cryo-target is evaporated from 1 μs to almost 100 μs. 135 diffuses to form a crater 136 in the cryo-target layer 122 having a predetermined thickness. When xenon (Xe) is used as a cryotarget material, the crater 136 reaches a depth of 150 μm and a diameter of 400 μm. Incidentally, the volume of the cryo-target material required for emitting pulsed X-rays by the formation of plasma is the product of the area of the focused spot diameter of 100 μm and the depth of 20 μm.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
  Figure above14In the laser plasma X-ray generator described with reference to FIG. 5, the cryotarget material (Xe) diffuses an amount reaching a depth of 150 μm and a diameter of 400 μm with respect to a focused irradiation with a diameter of 100 μm. Therefore, these generated substances diffuse into the vacuum chamber without damaging the components in the vicinity of the focused irradiation point where the diffusing gas and fine particles rotate. Furthermore, this generated substance increases rapidly by staying in the vacuum chamber, and there is a high risk of deteriorating the function of the apparatus. To eliminate this, figure14The generated material can be collected and regenerated by using an exhaust means such as the exhaust device 140 shown in FIG. 1, but since the diffusion amount increases rapidly, this requires a large exhaust amount.
[0022]
An object of the present invention is to solve such a problem in a laser plasma X-ray generator using a rotating body as a substrate of a cryo-target layer, and to evaporate or diffuse upon receiving focused irradiation of laser light. Limit the amount of cryo-target material to be as small as possible to reduce the capacity of the exhaust means for collecting the generated material, and collect the generated material as much as possible to reduce the cost of equipment and its operation It is to provide a laser plasma X-ray generator capable of performing the above.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  The laser plasma X-ray generator according to the present invention is chemically inert, gaseous at room temperature, and when cooledLiquefy and furtherliquidStatusFrom solidChange to stateThe cryotarget material is supplied to the surface of the side surface or bottom surface of the rotating body having a rotation axis and rotating around the rotation axis and having a cylindrical surface with good thermal conductivity and being cooled to a cryogenic temperature. A cryo-target layer having a predetermined thickness is formed as a cryo-target, and pulse X-rays are generated from plasma generated by condensing and irradiating the cryo-target with a pulsed laser beam having high peak power. is there.
[0024]
One of the features is that the circuit has a width and thickness of a size that can secure a minimum amount of cryo-target material necessary for generating X-rays by generating plasma when focused with pulsed laser light. The above cryotarget is provided with a belt-like circle formed in a ring shape on the surface of the rotating body. Such a cryo-target band may be formed with a thickness on the surface of the rotator or may be formed by a groove having a depth on the surface of the rotator. Of course, the cryo-target band may be formed on a shallow groove.
[0025]
The cryotarget material supply port in this case is a cryotarget that is cooled in advance and ejects a cryotarget material having a concentration close to the liquid state onto the surface of the rotating body and immediately solidifies on the surface of the rotating body to form a cryotarget band in the form of crystal particles. A target supply nozzle is desirable.
[0026]
In addition, the cryo-target band may be formed on the surface of the rotator so as to be parallel to the rotation axis direction on the side surface and concentric on the bottom surface. In addition, a feature added to this is that the cryo-target material is fixedly arranged with respect to the cryo-target belt of the rotating body that rotates and adheres to the surface of the rotating body and adheres to the surface of the rotating body in the vicinity of the cryo-target band. And a pressure collecting wall for creating a cryotarget band having a predetermined size.
[0027]
Moreover, the amount of the cryo target material that evaporates while being focused and irradiated by the pulse laser beam is, for example, about 20 μm to 30 μm in thickness for xenon (Xe). Thus, by setting the width and thickness or depth of the cryo-target band to a value suitable for the amount of transpiration by condensing irradiation of laser light, that is, the condensing spot diameter and the transpiration depth, The transpiration of the material is limited in the width direction of the target groove and is not expanded on the surface of the rotating body substrate. In particular, when the width direction dimension is limited by using the pressure collecting wall, no extra transpiration in the width direction occurs.
[0028]
In addition, the opening part of the cryo target groove is wide with respect to the central part and has a concave cross section so that the high temperature plasma particles scattered at the part where the cryo target groove is in contact with the surface of the rotor substrate will not be damaged. It is desirable to be formed.
[0029]
Furthermore, in order to avoid damage to the rotor substrate due to the plasma, a gas serving as a buffer layer, such as carbon dioxide (CO 2)2) From liquefaction to solidification to form a buffer layer on the surface of the rotator, and a cryo-target material such as xenon (Xe) can be minimized. In this case, the buffer material supply nozzle that supplies the gas serving as the buffer layer is disposed at a position upstream of the cryotarget material supply nozzle.
[0030]
Another feature is that the crystal fine particles of the cryomaterial ejected from the focused irradiation point by the focused irradiation of the pulse laser beam and the vaporized gas from the focused irradiation point to the rotating body rotation direction and the cryo target. It is further provided with an exhaust nose for collecting and exhausting on the belt. This feature is preferably combined with the above feature, but can also be effective independently. In particular, fine particles that scatter in a direction substantially perpendicular to the surface of the rotating body from the focused irradiation point are naturally collected by an exhaust nose that is arranged obliquely in the rotating direction of the rotating body, that is, in the tangential direction of the circular cryotarget band. It will be possible. Therefore, the recovery of the cryotarget material is facilitated, and the residual of the cryotarget material gasified inside the vacuum chamber can be greatly reduced.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The shape or shape of the figure, or relative dimensions, etc., are prepared to help understand the explanation, so please refer to them only.
[0032]
FIG. 1 is an explanatory longitudinal sectional schematic view showing an embodiment of the present invention.
[0033]
In the laser plasma X-ray generator of FIG. 1, a vacuum chamber 10, a cylindrical rotating body 11, a rotating shaft 12 of the rotating body 11, and a cryogenic fluid 13 that cools the rotating body 11 inside form a main structure. To do. A target material supply unit 20 that supplies a cryomaterial serving as a laser beam target has a cryotarget material supply nozzle 21 that supplies a cryomaterial to the surface of the rotating body 11, and the cryomaterial is a cryotarget layer on the surface of the rotating body 11. 22 is formed.
[0034]
The pulsed laser light 31 is condensed at a condensing irradiation point 30 in the cryo target layer 22 on the surface of the rotator 11 to generate plasma, and a pulse X-ray 32 is emitted. An X-ray mirror 33 is provided in order to make the radiation of the pulse X-ray 32 parallel light in the output direction. The cryogenic gas generated in the vacuum chamber 10 due to the impact of plasma generation is collected by the exhaust device 40 and collected in the collection layer 41. The fixed wall 50 is provided to have a gap with the surface of the rotating body 11 and receives and confines the cryo material injected into the gap. As disclosed in the above-mentioned publication, the surface of the rotating body 11 is fixed. A cryotarget layer 22 having a stable thickness in a liquefied state or a solidified state is formed thereon.
[0035]
Further, the feature of the present invention is that the cryo target material supply nozzle 21 for supplying the cryo material injects the cryo material onto the surface of the rotating body 11 and immediately solidifies the cryo material on the surface. It is made to adhere in a crystal fine particle state. Furthermore, a target groove 51, a pressure collecting wall 52, and an exhaust nose 53 are provided. Here, it is assumed that the cryo target material supply nozzle 21, the pressure collecting wall 52, and the exhaust nose 53 are fixed to the fixed wall 50. The target groove 51 is formed by embedding a cryo material therein to form the above-described cryo target band. The fixed wall 50 is necessary for isolating the spray portion having a relatively high pressure and the periphery of the cryo target band from the vacuum in order to maintain the high degree of vacuum of the vacuum chamber 10.
[0036]
In the figure, a rotary bearing, a rotation drive mechanism and an axial drive mechanism for driving the rotation and movement of the rotating body 11, an introduction pipe and an exhaust pipe for the cryogenic fluid 13, and the like are shown. Accordingly, for example, the axial drive mechanism can form a plurality of the above-described cryotarget bands by moving the rotating body 11 stepwise in the axial direction.
[0037]
Next, the function of each component will be described with reference to FIG.
[0038]
Inside the vacuum chamber 10, there is provided a rotating body 11 having a cylindrical surface and having a thermal conductivity that is hollow and serves as a cooling tank, with a rotating shaft 12 perpendicular to the horizontal plane. The rotary shaft 12 is supported by a rotary bearing provided in the vacuum chamber 10. The rotating shaft 12 is preferably made of a material having a small thermal conductivity coefficient.
[0039]
The rotating shaft 12 is an upper portion, and an introduction pipe for introducing a low-temperature liquefied gas such as liquid nitrogen, liquid argon, or liquid helium from the outside into the hollow interior of the rotating body 11 as a cryogenic fluid 13, and a cryogenic fluid. The exhaust pipes for discharging and collecting 13 vaporized gases are coaxially provided. Accordingly, the cryogenic fluid 13 is accumulated as a liquid in the hollow inside the rotating body 11, and the surface of the rotating body 11 is made below the liquefaction temperature of the cryomaterial that becomes the cryo target layer 22 using the heat conduction of the rotating body 11. Cooling.
[0040]
On the other hand, the cryomaterial is, for example, xenon, and is a target material that is an object of focused irradiation of the laser beam 31 that generates laser plasma. The cryomaterial is fluidized and replenished to the recovery tank 41 from the outside and stored inside. The cryomaterial is jetted and supplied at a concentration close to the liquid state around the target groove 51 provided on the surface of the cooled rotator 11 by the temperature-controlled cryotarget material supply nozzle 21. In this state, the inside of the target groove 51 is filled, and the cryo target layer 22 is formed on the surface of the rotating body 11.
[0041]
Here, the target groove 51 shown in FIG. 1 and the cryo target layer 22 formed on the surface thereof will be described with reference to FIGS. 2 and 3 together with FIG.
[0042]
The rotating body 11 uses, for example, copper (Cu) whose surface is covered and protected by a high melting point metal tungsten alloy or the like, is a cylindrical target substrate, and has a sufficient thickness to fill the depth of the target groove 51. have.
[0043]
As shown in FIG. 2, the target groove 51 shown in FIG. 1 has a ring shape centered on the rotation axis on a plane perpendicular to the rotation axis 12. It is preferable that the formation of the cryo target layer and the generation of the pulse X-ray are alternately generated during one rotation of the rotating body 11 so that the pulse X-ray 32 can be continuously generated. However, if necessary, the target groove 51 can form a plurality of parallel lines in the direction of the rotating shaft 12 in combination with the axial drive mechanism described above on the cylindrical side surface of the cylindrical rotating body 11. Furthermore, another target groove | channel can also be provided in the circular bottom face of a cylindrical or disk-shaped rotary body. In this case, the plurality of target grooves form a plurality of concentric circles around the rotation axis.
[0044]
The cross-sectional size of the target groove 51 may be, for example, a depth of 100 μm and a width of 150 μm at a deep portion, and a depth of 15 μm and a width of 300 μm at a shallow portion. The size of the target groove 51 is a transpiration phenomenon in which the pulse laser beam 31 is directly heated, and has a volume that does not damage the rotating body 11 that is the substrate material.
[0045]
Therefore, the cryomaterial injected from the cryotarget material supply nozzle 21 fills the target groove 51 of the rotor 11 having a good thermal conductivity cooled to a very low temperature and, for example, a cryotarget having a thickness of 10 μm on a cylindrical surface. Layer 22 will be formed. In this case, the thickness of the cryo target layer 22 can be appropriately formed by setting environmental conditions such as the rotational speed of the rotating body 11, the temperature of the cylindrical surface, and the supply amount of the cryomaterial supplied to the cylindrical surface.
[0046]
The target groove 51 is formed in two steps of a shallow portion and a deep portion so that the substrate material is not damaged at the portion where the target groove 51 and the substrate surface of the rotating body 11 are in contact with each other. For example, the cross section may have a funnel shape or a semicircular shape.
[0047]
That is, when the cross-section of the target groove is not a stepped shape as shown in the figure, the concave structure is formed because the reflected shock wave reflected on the inner surface of the target groove is converged on the center of the target groove. It is desirable because it does not diffuse into the surroundings and the surrounding target material is not detached or peeled off in a wide range.
[0048]
Here, returning to FIG. 1, the description will be continued.
[0049]
As will be described later, since the pressure collecting wall 52 embeds the cryotarget material in the target groove 51, it is desirable that the cryomaterial is in a crystalline fine particle state on the surface of the rotating body 11. Accordingly, the cryomaterial is supplied by spraying the cryomaterial onto the surface of the cooled rotating body 11 by the cryotarget material supply nozzle 21 controlled at a low temperature, thereby rapidly generating crystal particles. In addition, since the tip of the cryotarget material supply nozzle 21 is located inside the pressure collecting wall 52, the sprayed cryomaterial can be prevented from scattering over a wide range on the surface of the rotating body 11. As a result, the efficiency of forming the cryotarget band is improved.
[0050]
Also, the cryomaterial that has become gaseous when the cryotarget layer 22 is turned into plasma is discharged and collected out of the vacuum chamber 10 by the exhaust device 40, sent to the cryomaterial recovery tank 41, and cooled again to a low temperature. Then, it is supplied to the surface of the rotating body 11 in the vacuum chamber 10 via the cryo target material supply nozzle 21. Further, the exhaust device 40 has a 133 × 10 6 inside the vacuum chamber 10.-3It operates so as to maintain the pressure at Pa or lower.
[0051]
On the other hand, the pulse laser beam 31 is irradiated from the laser incident port of the vacuum chamber 10 through the condensing mechanism and reaches the condensing irradiation point 30 of the cryo target layer 22. Next, the pulse X-ray 32 generated from the plasma generated at the focused irradiation point 30 is shaped into parallel light by the X-ray mirror 33 and emitted from the X-ray exit.
[0052]
Next, as shown in FIGS. 4 and 5, the pressure collecting wall 52 is positioned in front of the focused irradiation point 30 in the rotational travel direction of the rotating body 11 above the target groove 51. The exhaust nose 53 is located on the upper side of the target groove 51, in the rotational travel direction of the rotating body 11, and in the tangential direction of the circular target groove 51, ahead of the focused irradiation point 30. The exhaust nose 53 is coupled to the exhaust device 40 as shown, and the collected exhaust material is recovered in the recovery tank 41.
[0053]
In the example shown in FIG. 4, the pressure collecting wall 52 and the exhaust nose 53 are fixed to a fixed wall 51 that surrounds the cylindrical rotating body 11 with a gap inside the vacuum chamber 10. However, it goes without saying that the pressure collecting wall 52 and the exhaust nose 53 may be directly fixed to the vacuum chamber 10 itself. FIG. 4 is a view showing a cross section perpendicular to the rotating shaft 12 and is removed from the target groove 51 portion.
[0054]
Next, a main operation procedure according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 8 in FIG.
[0055]
First, after the cylindrical surface of the rotator 11 is cooled to a temperature sufficient to sufficiently crystallize the cryomaterial, the cryomaterial is supplied to the surface including the target groove 51 of the rotator 11 from the cryotarget material supply nozzle 21. Be injected. As a result, the cryo material is immediately solidified on the surface of the rotator 11 to form crystal particles. As shown in FIG. 4, the cryo target layer 22 made of the crystal materialized cryo material is formed in the rotational traveling direction of the rotating body 11. The cryo target layer 22 is formed on the surface of the rotating body 11 with a thickness of 10 μm to 50 μm, for example.
[0056]
Next, as shown in FIGS. 5 and 6, the pressure collecting wall 52 slides on the surface of the rotator 11, scrapes the crystal particulate cryomaterial of the cryotarget layer 22 deposited on the surface, and the target groove 51. The cryo-target band 23 is formed by stuffing and compressing.
[0057]
The light source of the pulsed laser light 31 incident on the cryotarget band 23 is a high peak power and high repetition type pulsed laser light source, and the pulsed laser light 31 is about a focused irradiation point 30 on the surface of the cryotarget band 23. Condensed and irradiated with a spot diameter of 100 μm. In this case, the laser intensity on the surface of the cryo-target band 23 is about 1012W / cm2It becomes.
[0058]
Plasma 24 is generated in the cryo-target band 23 around the focused irradiation point 30 by focused irradiation of the pulse laser beam 31. After the generated plasma is extinguished, the cryomaterial generates a vaporized gas 34 and generates fine particles (debris) 35. After this, a crater-like trace 36 is generated in the cryo-target zone 23. This trace 36 exposes the target groove 51 around the focused irradiation point 30. However, the thickness of the cryomaterial directly scattered as plasma by the pulsed laser beam 31 having a focused spot diameter of about 100 μm is an ablation rate type that is experimentally measured in the case of a cryotarget material made of xenon (Xe). From this, the depth is up to about 30 μm. The fact that craters with a depth greater than this actually occur is due to conduction heating by plasma and shock waves. Therefore, if the thickness of the cryotarget layer remaining after the cryotarget material is vaporized as plasma is sufficiently thick against the shock wave, the surface of the copper covered with, for example, a tungsten alloy of the rotating body 11 as the substrate material is damaged. Not receive.
[0059]
On the other hand, to obtain a stable pulse X-ray 32 by operating the pulse laser at a repetition frequency of 300 Hz to 6000 Hz, it is necessary to irradiate the surface of the new cryo-target band 23 for each pulse. Therefore, the number of rotations per minute is obtained as the rotational speed of the rotating body 11 from the distance from the focused irradiation point 30 to the next focused irradiation point on the surface of the cryotarget band 23 and the radius and angular velocity of the rotating body 11. It is done.
[0060]
That is, the above-described trace 36 is replenished with cryomaterial from the cryotarget material supply nozzle 21 for re-use. Therefore, in the relationship between the time required for replenishment and the number of cryotarget material supply nozzles 21 on one circumference of the cryotarget groove 51, if necessary, not only the rotating body 11 is rotated by the rotating shaft but also the axis of rotation. By reciprocating in the direction, the same location on the surface of the cryo-target band 23 is overlapped within a short time so that the pulse laser beam 31 is not irradiated. That is, a plurality of target grooves 51 are formed on the side surface of the rotating body 11 shown in the figure. The apparatus is configured to spray the cryomaterial from the cryotarget material supply nozzle 21 onto the crater-like trace 36 during the rotation of the rotating body 11 and immediately repair the trace 36.
[0061]
Further, as shown in FIG. 7, the surface velocity υ (= ω × r) of the cryo-target band 23 is obtained from the product of the angular velocity ω of the rotating body 11 and the radius r to the surface. On the other hand, the speed υ is perpendicular to the surface of the rotating body 11 by the irradiation of the pulse laser beam 31.DThe fine particles (debris) diverging at (D 2+ Υ2)1/2  Therefore, it moves inclining in the direction of the surface speed υ.
[0062]
On the other hand, the exhaust nose 53 opens at this position. That is, the gas amount Q that can be exhausted is equal to the product of the exhaust speed S and the degree of vacuum (pressure) P, but as described above, the pressure in the vacuum chamber 10 is 10-3The order must be less than Torr. On the other hand, the pressure in the exhaust nose 53 is 10-2Since the exhaust device 40 shown in FIG. 1 sucks air, the particulates and gas sucked into the exhaust nose 53 are efficiently exhausted.
[0063]
Next, an embodiment different from the above will be described with reference to FIGS. 9 and 10 together.
[0064]
The difference between this embodiment and that described above is the rotating body 61 having no target groove and the pressure collecting wall 62 having a notch at the tip. The pressure collecting wall 62 slides on the surface of the rotating body 61, scrapes and compresses the crystal particulate cryomaterial of the cryotarget layer 22 deposited on the surface, and compresses to form the cryotarget band 63. Therefore, the inner wall of the pressure collecting wall 62 has a shape that narrows toward the notch at the tip, and the shape of the notch determines the cross-sectional shape of the cryotarget band 63.
[0065]
As described above, the molded cryo-target band 63 has at least the width of the condensing spot diameter of the laser beam and the thickness commensurate with the amount of the cryo-target material that evaporates and diffuses due to the plasmatization. Further, the cryo-target band 63 is formed by the pressure collecting wall 62 so that the cross section thereof is a small mountain having a base that can minimize the gasification of the cryo material.
[0066]
Here, the shape in which the rotor substrate has no target groove has been described, but it is desirable to form a cryotarget layer by providing a shallow target groove in order to form a stable cryotarget band.
[0067]
Further, as explained when referring to FIG. 8 above, if the thickness of the cryotarget layer left after the cryotarget material is vaporized as plasma is sufficiently thick against the shock wave, the rotating body that is the substrate material Although the surface of 11 is not damaged, it is conceivable that a buffer material is further inserted into the surface of the rotating body 11 if necessary.
[0068]
Next, an embodiment different from the above using a cushioning material will be described with reference to FIGS. 11 and 12 together.
[0069]
A fundamental difference between this embodiment and the above-described one is that a gas, for example, carbon dioxide gas (for example, carbon dioxide gas) is used between the surface of the rotator 71 and the cryotarget band 74 to avoid damage to the substrate of the rotator 71 due to plasma. CO2) From a liquefied state to a solid state to form a buffer layer 73 of dry ice. As a result, since the amount of the cryotarget material such as xenon (Xe) that becomes the cryotarget band 74 can be minimized, it is possible to suppress the amount of gasification and micronization of the cryotarget material by transpiration. Therefore, the generated pulse X-ray 32 is not attenuated in the vacuum chamber.
[0070]
That is, as shown in the drawing, the buffer material supply nozzle 70 that supplies the gas that becomes the buffer layer 73 is disposed on the cryotarget band 74 at a position upstream of the cryotarget material supply nozzle 21.
[0071]
In addition, a target groove 72 having a concave cross section is formed on the surface of the rotating body 71 so that the buffer layer 73 can form a thickness between the cryotarget band 74 and the substrate surface of the rotating body 71. .
[0072]
Further, the pressure collecting wall 75 slides on the surface of the rotating body 71, scrapes and compresses the crystal particulate cryomaterial of the cryotarget layer 74 deposited on the surface, and compresses to form the cryotarget band 76. The inner wall of the pressure collecting wall 76 has a shape that narrows toward the notch at the tip, and the shape of the notch determines the cross-sectional shape of the cryotarget band 76. The cryo-target band 76 has a small mountain structure in which the cross section has a skirt as described above.
[0073]
The gas material used as the buffer layer 73 has a liquefaction and solidification temperature greatly different from that of a cryomaterial such as xenon, so that the separation of both is easy.
[0074]
In the above description, the plurality of cryotarget bands are provided in parallel to the rotation axis direction on the side surface of the rotator and concentrically around the rotation axis on the bottom surface. However, the cryotarget bands may be spiral. In this case, the positions of the pressure collecting wall and the exhaust nose tip are fixed or moved and adjusted in the axial direction of the rotating body or in the direction perpendicular to the axis.
[0075]
Thus, in the above description, the appropriate conditions are shown and described with reference to the drawings. However, the configuration and combination such as the shape size and the mutual position shown and described are related to each other together with environmental conditions. However, the present invention is not limited to the above description as long as the functions described above are satisfied.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a cryo-target band is formed by scraping and pushing a crystal target cryo-target material by a pressure collecting wall on the surface of a rotating body with good heat conduction efficiency cooled by a cryogenic fluid or the like. In addition, a focused irradiation point of the pulse laser beam is placed at the center. Since the cryo-target zone has such a size that the plasma generated inside does not damage the wall of the rotor substrate, only the cryo-target material forming the cryo-target zone is transpiration and scatter. Accordingly, it is possible to avoid transpiration and scattering of the cryotarget material more than necessary due to conduction heating by plasma and shock waves.
[0077]
As a result, the amount of gas released from the cryomaterial in the vacuum chamber is greatly reduced, so that the generated X-rays are absorbed. As a result, the power of the exhaust device can be greatly reduced, resulting in a great economic effect. In particular, fine particle recovery immediately after the generation of plasma X-rays further improves such an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an outline of a longitudinal section in the present invention.
2 is a view showing an embodiment of a groove portion on a side surface of a rotating body in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a partial cross section in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a cross section of a main part of a rotating body in FIG.
5 is a diagram showing an embodiment of a development plane and its cross section in the vicinity of the focused irradiation point in FIG. 4; FIG.
6 is a view showing an embodiment of a transverse section and a front section according to the pressure collecting wall of FIG. 5;
7 is a view showing an embodiment according to the exhaust nose of FIG. 5; FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of the description relating to the process of X-ray generation according to the present invention.
9 is a diagram showing an embodiment of a development plane and its cross section in the vicinity of a focused irradiation point different from FIG.
10 is a diagram showing an embodiment of a transverse section and a front section according to the pressure collecting wall of FIG. 9;
11 is a diagram showing an embodiment of a cross section of a main part of a rotating body different from FIG.
12 is a diagram showing an embodiment of a cross section in the cryo-target band portion of FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a perspective view showing an example of the prior art.
FIG. 14 is a diagram showing an example of a conventional vertical cross-sectional outline.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a description relating to a conventional X-ray generation process;
[Explanation of symbols]
10 Vacuum chamber
11, 61, 71 Rotating body
12 Rotating shaft
13 Cryogenic fluid
20 Target material supply section
21 Cryotarget material supply nozzle
22, 74 Cryotarget layer
23, 63, 76 Cryo target zone
30 Focusing point
31 Pulsed laser beam
32 Pulse X-ray
33 X-ray mirror
34 Vaporized gas
35 Fine particles (debris)
36 Traces
40 Exhaust system
41 Recovery tank
50 fixed wall
51, 72 Cryo target groove
52, 62, 75 Pressure collection wall
53 Exhaust nose
70 Buffer material supply nozzle
73 Buffer layer

Claims (4)

化学的に不活性で室温ではガス状であり冷却した際に液化し、さらに液体状態から固体状態に変化するクライオターゲット材をガス状で、回転軸を有し当該回転軸を中心軸として回転しかつ熱伝導率のよい円筒形を有して極低温に冷却される回転体の表面に供給して付着させ、当該表面に所定の厚さに形成するクライオターゲット層が、高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集光照射する際のスポットサイズ以上の幅と前記パルスレーザ光を集光照射した際に蒸散かつ飛散する前記クライオターゲット材に相当するだけの量以上を確保した厚さとを有し、前記回転体表面上に一周を形成する環形状の一つまたは複数のクライオターゲット帯であるレーザプラズマX線発生装置において、
回転走行する前記回転体のクライオターゲット帯に対して固定配備され、前記回転体表面に密着摺動して当該クライオターゲット帯の周囲で前記回転体表面に付着したクライオターゲット材を掻き集め、所定形状に押し込んで前記クライオターゲット帯を作成する圧集壁を更に備えることを特徴とするレーザプラズマX線発生装置。
A cryo-target material that is chemically inert, gaseous at room temperature, liquefied when cooled, and changes from a liquid state to a solid state in a gaseous state, has a rotation axis, and rotates around the rotation axis. In addition, a cryo-target layer that has a cylindrical shape with good thermal conductivity and is supplied to and attached to the surface of a rotating body that is cooled to a very low temperature and has a predetermined thickness on the surface has high peak power. It has a width that is equal to or larger than the spot size when repeatedly irradiating pulsed laser light, and a thickness that secures an amount that is equal to or more than the amount of the cryotarget material that evaporates and scatters when focused and irradiated with the pulsed laser light. In the laser plasma X-ray generator, which is one or a plurality of ring-shaped cryotarget bands that form a circle on the surface of the rotating body ,
The cryo-target material of the rotating body that rotates is fixedly arranged with respect to the surface of the rotating body and scrapes the cryo-target material attached to the surface of the rotating body around the cryo-target band to form a predetermined shape. A laser plasma X-ray generator, further comprising a pressure collecting wall that is pushed in to create the cryotarget band.
請求項1において、前記クライオターゲット材の供給口は、予め冷却され液体状態に近い濃度の前記クライオターゲット材を前記回転体表面に噴出し、結晶微粒子状態の前記クライオターゲット帯を形成するクライオターゲット材供給ノズルであることを特徴とするレーザプラズマX線発生装置。  2. The cryotarget material according to claim 1, wherein the cryotarget material supply port ejects the cryotarget material having a concentration close to a liquid state, which has been cooled in advance, to the surface of the rotating body to form the cryotarget band in a crystalline fine particle state. A laser plasma X-ray generator characterized by being a supply nozzle. 請求項1において、前記クライオターゲット帯と回転体表面との間で緩衝層となる、室温ではガス状であり冷却した際に液化し、さらに液体状態から固体状態に変化する緩衝材を、回転体の表面に供給して付着させる緩衝材供給ノズルを更に有することを特徴とするレーザプラズマX線発生装置。  The buffer material according to claim 1, wherein the buffer material is a buffer layer between the cryotarget band and the surface of the rotator, which is gaseous at room temperature and is liquefied when cooled and further changes from a liquid state to a solid state. A laser plasma X-ray generator, further comprising a buffer material supply nozzle that is supplied to and attached to the surface of the substrate. 請求項1において、前記パルスレーザ光の集光照射により、この集光照射点から噴出した前記クライオターゲット材を、当該集光照射点から前記回転体の回転方向に基く前記クライオターゲット帯の接線方向上部で収集して排気する排気ノーズを更に備えることを特徴とするレーザプラズマX線発生装置。  The tangential direction of the cryotarget band according to claim 1, wherein the cryotarget material ejected from the focused irradiation point by the focused irradiation of the pulsed laser light is based on the rotation direction of the rotating body from the focused irradiation point. A laser plasma X-ray generator, further comprising an exhaust nose that collects and exhausts at an upper portion.
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