(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体または液体の物質をターゲットとしてこれに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集中照射して生じたプラズマからレーザプラズマＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置において、プラズマを発生させる前記パルスレーザ光を主パルスレーザ光として発生する主パルスレーザ発生装置と、ターゲット表面から放出されるターゲット材微粒子を加熱して蒸発気化させる蒸散用パルスレーザ光を発生する蒸散用パルスレーザ発生装置と、前記主パルスレーザ光に対し時間的に遅延して前記ターゲットの集光照射された表面近傍を通過する前記ターゲットを避けた光路に、前記蒸散用パルスレーザ光を導光し前記表面近傍に向けて集光する光学系部材と、前記蒸散用パルスレーザ発生装置に通知して導光される前記蒸散用パルスレーザ光の遅延時間、パルス時間幅、およびパルスエネルギーを調整する制御装置とを備えることを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
【請求項２】
請求項１において、更に、前記蒸散用パルスレーザ光の光路とほぼ同一の光路を伝搬し、前記表面近傍を通過するパルス状および連続のいずれか一方の照明光を発生する照明光源と、通過して到来した前記パルス状および連続のいずれか一方による記照明における強度および照明光中における飛来物体の映像の少なくとも一方を検出する検出器と、前記検出器から受ける信号を処理し同期信号として前記蒸散用パルスレーザ光の発生を制御する前記制御装置へ転送する信号処理装置とを備えることを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
【請求項３】
請求項１において、蒸散用パルスレーザ光の集光照射領域を空間的に掃引するために前記光路中の反射鏡の向きを揺動させる機構を備えることを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのうちの一つにおいて、前記ターゲットが、冷却して液体化および固体化の少なくとも一方となった化学的に不活性で室温ではガス状の物質であるクライオターゲットであることを特徴とするレーザプラズマＸ線発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体または液体の物質をターゲットとしてこの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レーザプラズマＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置に関し、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も、発生したレーザプラズマＸ線を集めるＸ線反射鏡がターゲット材から飛散した高速の微粒子により損傷を受けることなく、連続して安定した高い平均出力のレーザプラズマ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。
【０００２】
【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、これを固体密度の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。
【０００３】
この固体密度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。従って、レーザ加熱によって蒸発した集光点近傍のターゲット材の蒸気分子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Ｘ線鏡の表面に堆積付着する。この結果、Ｘ線鏡の表面に堆積付着したターゲット材の固体材料がＸ線を強く吸収するため、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という問題点を発生する。
【０００４】
このような問題点を解決するため、Ａ.Ｌ.Ｈｏｆｆｍａｎ，他により「Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ３(１)，ｐｐ．２５８，１９８５年」において、図４に示されるような、Ｘ線鏡の表面までの空間に機械的なシャッターを設ける技術が提案されている。また更に、Ｎ．Ｋａｎｄａｋａ，他により「Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ３７，Ｌ１４７，１９９８年」において、図５に示されるような、ガスセルによる密度の大きなバッファー（衝突）ガス領域を配置するなどの手段を用いて、上述した蒸発ガス分子がＸ線鏡まで流れることを阻止している。しかし、一般にＸ線鏡までの距離が大きいので、Ｘ線を集める立体角度を大きくとることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような液体または固体のクライオ材を用いるレーザプラズマＸ線発生装置では、ターゲット材が粉砕されて生じた微粒子の速度、すなわち運動エネルギーが大きい場合、この発生した微粒子が衝突することによってＸ線鏡の表面の多層膜に回復不能な機械的損傷を与えるという問題点がある。
【０００６】
その理由は、高尖頭パワーのパルスレーザ光によるレーザプラズマ生成ののち、ターゲット材からは温度の比較的高い中性ガス分子の蒸発に遅れてターゲット材が破砕されて生じた微粒子または破片が放出されるためである。特に、微粒子の直径が５μｍ以上、速度が毎秒１ｋｍ程度以上ではＸ線鏡表面の多層膜に損傷が発生する。上述した第２のガスセルの例では、運動量の大きな高速微粒子に対してガスによる阻止効果が弱い。他方、第１の機械式シャッターの例では、要求される応答速度を実現することはできても、集光できる立体角度を大きくとることはできない。
【０００７】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、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も、発生したレーザプラズマＸ線を集めるＸ線反射鏡を含むＸ線光学素子がターゲット材から飛散した高速の微粒子により損傷を受けることなく、連続して安定した高い平均出力のレーザプラズマＸ線を発生することができるレーザプラズマＸ線発生装置を提供することである。
【０００８】
【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、固体または液体の物質をターゲットとしてこれに高尖頭パワーを有する繰り返しパルスレーザ光を集中照射して生じたプラズマからレーザプラズマＸ線を発生するレーザプラズマＸ線発生装置において、プラズマを発生させる前記パルスレーザ光を主パルスレーザ光とし手発生する主パルスレーザ発生装置と、ターゲット表面から放出されるターゲット材微粒子を加熱して蒸発気化させる蒸散用パルスレーザ光を発生する蒸散用パルスレーザ発生装置と、前記主パルスレーザ光に対し時間的に遅延して前記ターゲットの集光照射された表面近傍を通過する前記ターゲットを避けた光路に、前記蒸散用パルスレーザ光を導光し前記表面近傍に向けて集光する光学系部材と、前記蒸散用パルスレーザ発生装置に通知して導光される前記蒸散用パルスレーザ光の遅延時間、パルス時間幅、およびパルスエネルギーを調整する制御装置とを備えることを特徴としている。
【０００９】
このような手段により、高尖頭パワーの主パルスレーザ光によるレーザプラズマＸ線が発生した後、ターゲットから温度の比較的高い中性ガス分子が蒸発する時点より遅れて飛散する微粒子または破片を、蒸散用パルスレーザ光によりレーザ加熱して蒸発気化することができる。
【００１０】
更に、上述したレーザプラズマＸ線発生装置は、前記蒸散用パルスレーザ光の光路とほぼ同一の光路を伝搬し、前記表面近傍を通過するパルス状および連続のいずれか一方の照明光を発生する照明光源と、通過して到来した前記パルス状および連続のいずれか一方による記照明における強度および照明光中における飛来物体の映像の少なくとも一方を検出する検出器と、前記検出器から受ける信号を処理し同期信号として前記蒸散用パルスレーザ光の発生を制御する前記制御装置へ転送する信号処理装置とを備えることができる。このような手段により、蒸散用パルスレーザ光が適切に制御できるので飛来微粒子を照射・加熱を効果的に実効することができる。
【００１１】
また、上述したレーザプラズマＸ線発生装置は、蒸散用パルスレーザ光の集光照射領域を空間的に掃引するために前記光路中の反射鏡の向きを揺動させる機構を備えてもよい。更に、上述したレーザプラズマＸ線発生装置は、前記ターゲットに、冷却して液体化および固体化の少なくとも一方となった化学的に不活性で室温ではガス状の物質であるクライオターゲットを充てている。
【００１２】
すなわち、主パルスレーザ光に遅延して別の蒸散用パルスレーザ光を高速微粒子の発生源の表面空間に、ターゲット表面の接線方向から集光することにより、飛来する高速微粒子を照射加熱して蒸散させている。また、放出点の近傍で蒸散させることができるので、Ｘ線光学素子を放出点の近くに配置することができる。遅延時間は、実験により最適値を定めることもできるが、実時間で微粒子の発生を観測し、これに同期して蒸散用パルスレーザ光のレーザパラメータをパルスのショット毎に制御することも可能である。
【００１３】
すなわち、主パルスレーザ光の集光照射点近傍の空間をターゲット表面に沿った方向から照明光ビームにより照明し、その透過光または反射光を検出することによって微粒子が照明領域に現れたことをモニターして遅延時間を計測し、これを同期信号として上述した蒸散用パルスレーザ光を発生させることにより主レーザパルス光を無駄にすることなく、飛散して空間を横切る高速の微粒子に同期してこの微粒子を照射蒸散している。
【００１４】
特に、クライオターゲットから飛散する氷状の微粒子は、弱いファンデルワース力（分子間力）のみで結ばれた原子分子の集合体であるため、固体金属ターゲットから飛来する飛散微粒子に比べて少ないレーザ加熱で容易に蒸散気化している。
【００１５】
また、必要な蒸散速度を得るためのレーザ強度が上記蒸散用パルスレーザ光の集光スポット内で十分な大きさであっても、集光されたレーザビームの直径が集光照射点から放出される微粒子の角度分布で決まる円錐台形の空間寸法に比べて小さい場合には、上記蒸散用パルスレーザ光の方向を振動する鏡などにより変化させ、その結果、上記円錐台形の空間全体を微粒子の通過する時間と比較して十分に高速にレーザビームを掃引することによって、全ての高速微粒子を逃さずに蒸散させている。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は本発明の実施の一形態を示す説明用の概要図である。
【００１８】
図１に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１１１、液体または固体のターゲット材１１２、プラズマ生成用の主パルスレーザ光を発生する主パルスレーザ発生装置１２１、およびターゲットから飛散する微粒子を蒸散させる蒸散用パルスレーザ光を発生する蒸散用パルスレーザ発生装置１３１を主要構成要素として備えている。
【００１９】
主パルスレーザ発生装置１２１には光学系部材として、主パルスレーザ光を導く反射鏡１２２と入射窓ガラス１２４を通してターゲット表面に集光照射させる集光レンズ１２３とが備えられている。また、蒸散用パルスレーザ発生装置１３１の光学系部材として、蒸散用パルスレーザ光を導く反射鏡１３２と入射窓ガラス１３４を通して微粒子が飛散する場所の近傍に集光する集光レンズ１３３とが備えられている。また、蒸散用パルスレーザ光の集光照射領域を空間的に掃引するために上記反射鏡１３２の向きを揺動させる機構として揺動器１３５が備えられている。
【００２０】
更に、主パルスレーザ発生装置１２１から受ける同期信号に対し、制御された時間だけ遅延させて蒸散用パルスレーザ発生装置１３１を制御して蒸散用パルスレーザ光を発光させる制御装置１２５、ターゲット表面上の集光照射点近傍の空間で微粒子により散乱される照明光を発生する照明光源１４１、散乱または透過する照明光を検出する検出器１４２およびその信号処理器１４３、並びにＸ線出射口１１３を備えている。
【００２１】
ターゲットの集光照射点１１０へ入射される主パルスレーザ光は、高い尖頭パワーと高い繰返し型のものである。
【００２２】
例えば、あるレーザプラズマＸ線発生装置は、レーザ波長１μｍ、パルスエネルギー０．７Ｊ〜１．０Ｊ、パルス幅１５ｎｓ、および繰返し周波数１０Ｈｚ〜１ｋＨｚを有する主パルスレーザ光を主パルスレーザ発生装置１２１から放射している。この主パルスレーザ光はターゲットの表面に集光照射点１１０としてほぼ１００μｍの集光径で集光照射される。この場合、ターゲット表面上でのレーザ強度（電力密度）はほぼ１０１２Ｗ／ｃｍ２となる。放射されたＸ線はＸ線出射口１１３から取り出される。この光強度により、プラズマ化したターゲット材１１２からＸ線が放射される。主パルスレーザ光を繰返し周波数１０Ｈｚ〜１ｋＨｚで動作させ、安定なパルスＸ線（レーザプラズマＸ線）を得るためには、１パルス毎に新しいターゲット表面を回転円筒または無端回転ベルトなどにより集光照射点１１０に連続して供給している。
【００２３】
次に、図２に図１を併せ参照して主パルスレーザ光の発光に対する集光照射点１１０周辺の状況について説明する。
【００２４】
主パルスレーザ光の集光照射点１１０を中心に生成されたターゲットプラズマにより集光照射点１１０周辺は加熱される。この加熱により、集光照射点１１０周辺のターゲット材１１２から中性の原子および分子が気化する。この気化の後、１μｓ程度の遅延時間でターゲット材の微小破片、すなわちターゲット材の微粒子が放出される。この微粒子の速度は１ｋｍ／ｓ以下であり、その高速微粒子の直径は１０μｍ以下である。
【００２５】
高速微粒子がターゲット表面からほぼ１ｍｍ離れた空間に到達するまでに要する飛行時間はほぼ１μｓである。従って、主パルスレーザ光のパルスよりほぼ２μｓ遅れて蒸散用パルスレーザ光をターゲット表面に沿って２μｓ〜６μｓの間だけ入射させた場合、上記高速微粒子を同期して照射することができる。
【００２６】
次に、図３に、図１および図２を併せ参照して飛散するターゲット材の微粒子と蒸散用パルスレーザ光との関係について説明する。
【００２７】
高速微粒子１１５が集光照射点１１０から放出される角度の分布は、集光照射点１１０におけるターゲット面の法線に対し、ほぼ３０度以内の円錐形領域１１４の内側に集中している。従って、図示されるように、蒸散用パルスレーザ光は、集光照射点１１０上の空間において、ターゲット表面から１ｍｍ離れた面上に垂直に２ｍｍの幅を有し、集光照射点１１０からの垂直線に直角方向にそれぞれ１ｍｍの境界を有する正方形断面を有する角柱状の照射領域１３０の内側を、上述した遅延時間をもって照射している。飛散する高速微粒子１１５がこの照射領域１３０を横切るために必要な時間は２μｓである。
【００２８】
例えば、レーザパラメータとして、パルスエネルギー１００ｍＪ、パルス幅２μｓ、波長１μｍ〜１０μｍを有する場合には、上記２ｍｍ×２ｍｍの照射領域内に集光されたレーザ強度は１．３×１０６Ｗ／ｃｍ２となる。このレーザ強度で照射されたターゲット材の質量蒸発速度はほぼ５×１０３ｇ／ｃｍ２／ｓとなるので、レーザパルス時間幅２μｓ以内では、質量密度がほぼ３ｇ／ｃｍ３のターゲット（キセノンＸｅ）の場合、レーザ光を照射している間に直接蒸発する深さはほぼ３０μｍに達する。従って、１０μｍ以下の直径を有する高速微粒子は十分に蒸散・気化される。
【００２９】
蒸散用パルスレーザ光を発光させるタイミングは、主パルスレーザ発生装置から送信される同期信号に基づいて、制御装置１２５により遅延時間を調節されたものである。照射領域１３０を照明する照射光の透過光または反射光の光量または照射領域内に飛来する微粒子の映像を検出器１４２でモニター検出することにより、微粒子の到着時間を計測し、認知することができる。
【００３０】
また、蒸散に必要な照射強度を得るために集光された蒸散用パルスレーザ光の集光スポットの寸法が照射領域１３０の寸法に比べて小さい場合には、蒸散用パルスレーザ光導光用の反射鏡１３２の一つを電磁力またはピエゾ効果を利用した揺動器１３５で揺動させ、集光スポットの中心を微粒子１１５の通過時間のほぼ２μｓに比べて十分に短い時間で空間的に掃引することによって実効的に照射領域１３０の全域に蒸散用パルスレーザ光を照射したものと等価な状態を形成している。
【００３１】
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が、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み合わせについては、相互に関連があ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。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、レーザプラズマ生成後、ターゲットから放出された破片微粒子を時間的に調整された蒸散用パルスレーザ光で加熱し、これを蒸発・気化させることができるため、レーザプラズマＸ線を反射する高価なＸ線反射鏡の多層膜を損傷することがなく、また、蒸散用に極めて小さな空間のみしか必要としないので、Ｘ線反射鏡をターゲットに近く配置でき、プラズマＸ線を受ける明るい光学系の形成が可能となる。従って、Ｘ線反射鏡の交換を不要とし、実用的なレーザプラズマＸ線発生装置の提供を可能とするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す概要図である。
【図２】図１の主パルスレーザ光の発光に対する集光照射面近傍における状態を説明するタイムチャートである。
【図３】図１の集光照射面近傍における実施の一形態を示す説明斜視図である。
【図４】従来の一例を示す説明図である。
【図５】従来の図４とは別の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１１０    集光照射点
１１１    真空チャンバー
１１２    ターゲット材
１１３    Ｘ線出射口
１１４    円錐形領域
１１５    微粒子
１２１    主パルスレーザ発生装置
１２５    制御装置
１３０    照射領域（蒸散用パルスレーザ光）
１３１    蒸散用パルスレーザ発生装置
１３５    揺動器
１４１    照明光源
１４２    検出器
１４３    信号処理器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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