(57)【要約】【課題】単列構成で、パルスレーザ光の１パルス当り又は単位時間当りのエネルギーを抑えながら大きな出力を達成できる極端紫外光源用ドライバレーザを提供する。【解決手段】このドライバレーザは、（ｉ）レーザ媒質としてＣＯ２を用いてレーザ光を励起するレーザ放電管と、レーザ放電管を挟んで光共振器を構成する全反射ミラー及び部分反射ミラーと、全反射ミラーと部分反射ミラーとの間のレーザ光の経路に配置された音響光学素子とを有する発振段レーザ装置と、（ii）発振段レーザ装置において所定の繰り返し周波数を有するレーザ光のパルス列が所定の周期でバースト的に生成されるように音響光学素子を制御するレーザ制御部と、（iii）発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置とを具備する。【選択図】図２
2008270549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
レーザ媒質としてＣＯ２を用いてレーザ光を励起するレーザ放電管と、前記レーザ放電管を挟んで光共振器を構成する全反射ミラー及び部分反射ミラーと、前記全反射ミラーと部分反射ミラーとの間のレーザ光の経路に配置された音響光学素子とを有する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置において所定の繰り返し周波数を有するレーザ光のパルス列が所定の周期でバースト的に生成されるように前記音響光学素子を制御するレーザ制御部と、
前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項２】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
レーザ媒質としてＣＯ２を用いてレーザ光を励起するレーザ放電管と、前記レーザ放電管を挟んで光共振器を構成する全反射ミラー及び部分反射ミラーと、前記全反射ミラーと部分反射ミラーとの間のレーザ光の経路に配置された過飽和吸収体とを含み、所定の繰り返し周波数を有するレーザ光のパルス列を所定の周期でバースト的に生成する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項３】
前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を受けて、第１の偏光を有するレーザ光を所定の方向に出射する第１の偏光ビームスプリッタと、
所定の電圧が印加されたときに、前記第１の偏光ビームスプリッタから出射されるレーザ光の偏光を第２の偏光に変化させる光スイッチ素子と、
前記光スイッチ素子から出射されるレーザ光を受けて、第２の偏光を有するレーザ光を前記増幅段装置に出射する第２の偏光ビームスプリッタと、
をさらに具備し、前記レーザ制御部が、所定の繰り返し周波数を有するレーザ光のパルス列が所定の周期でバースト的に前記増幅段装置に出射されるように前記光スイッチ素子を制御する、請求項１又は２記載のドライバレーザ。
【請求項４】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
第１の波長を有するパルスレーザ光を所定の繰り返し周波数で生成する発振段レーザ装置と、前記発振段レーザ装置によって生成されるレーザ光に基づいて、第１の波長よりも長い第２の波長及び第３の波長を有するレーザ光を生成する第１の非線形結晶と、前記第１の非線形結晶によって生成されるレーザ光に基づいて、第２の波長及び第３の波長よりも長い第４の波長を有するレーザ光を生成する第２の非線形結晶と、前記第２の非線形結晶によって生成されるレーザ光のスペクトルを後段の増幅特性に整合させて、該レーザ光を出力するスペクトル整合器とを有する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項５】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
レーザ媒質としてＣＯ２を用いてパルスレーザ光を生成する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置によって生成されるレーザ光を受けて、第１の偏光を有するレーザ光を第１の方向に透過すると共に、第２の偏光を有するレーザ光を第１の方向と平行でない第２の方向に反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタを透過したレーザ光を受けて、第１の偏光を有するレーザ光を第１の方向に透過すると共に、第２の偏光を有するレーザ光を第１の方向と平行でない第３の方向に反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１又は第２の偏光ビームスプリッタによって反射されたレーザ光を複数回反射して前記第２の偏光ビームスプリッタに入射させ、該レーザ光を前記第２の偏光ビームスプリッタから第１の方向に出射させることにより、レーザ光のパルス幅を伸長する複数のミラーと、
前記第２の偏光ビームスプリッタから出射されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項６】
前記第１又は第２の偏光ビームスプリッタと前記複数のミラーの内の１つとの間に挿入された増幅器をさらに具備する、請求項５記載のドライバレーザ。
【請求項７】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
レーザ媒質としてＣＯ２を用いてパルスレーザ光を発生する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を複数の光路に分岐させるビーム分岐手段と、
それぞれの光路に応じて互いに異なる遅延を伴う複数のレーザ光を合成することにより、レーザ光のパルス幅を伸長するビーム合成手段と、
前記ビーム合成手段から出力されるレーザ光を増幅する少なくとも１段の増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項８】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
レーザ媒質としてＣＯ２を用いて、時間と共に強度が増加するパルスレーザ光を生成する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置から出力されるパルスレーザ光を、時間と共に減少する増幅率で増幅することにより、レーザ光のパルス幅を伸長する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項９】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
レーザ光を生成する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置によって生成されるレーザ光を受けて、第１の偏光を有するレーザ光を第１の方向に出射する第１の偏光ビームスプリッタと、
所定の電圧が印加されたときに、前記第１の偏光ビームスプリッタから出射されるレーザ光の偏光を第２の偏光に変化させる光スイッチ素子と、
前記光スイッチ素子から出射されるレーザ光を受けて、第２の偏光を有する光を第２の方向に出射する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の偏光ビームスプリッタから出射されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置と、
所定のパルス幅を有するレーザ光が前記増幅段装置に出射されるように前記光スイッチ素子を制御するレーザ制御部と、
を具備するドライバレーザ。
【請求項１０】
レーザ光をターゲットに照射することにより前記ターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、
パルスレーザ光を生成する発振段レーザ装置と、
前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を励起するレーザ放電管と、前記レーザ放電管を挟んで光共振器を構成する全反射ミラー及び部分反射ミラーとを有し、前記発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を増幅すると共にレーザ光のパルス幅を伸長する少なくとも１段の増幅器を含む増幅段装置と、
を具備するドライバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光装置の光源として用いられる極端紫外（ＥＵＶ：extreme ultra violet）光源においてターゲットに光を照射するドライバレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスの微細化に伴って光リソグラフィにおける微細化が急速に進展しており、次世代においては、１００ｎｍ〜７０ｎｍの微細加工、更には５０ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになる。そのため、例えば、５０ｎｍ以下の微細加工の要求に応えるべく、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（reduced projection reflective optics）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。
【０００３】
ＥＵＶ光源としては、ターゲットにレーザ光を照射することによって生成されるプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma：レーザ励起プラズマ）光源（以下において、「ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置」ともいう）と、放電によって生成されるプラズマを用いたＤＰＰ（discharge produced plasma）光源と、軌道放射光を用いたＳＲ（synchrotron radiation）光源との３種類がある。これらの内でも、ＬＰＰ光源は、プラズマ密度をかなり大きくできるので黒体輻射に近い極めて高い輝度が得られ、ターゲット物質を選択することにより必要な波長帯のみの発光が可能であり、ほぼ等方的な角度分布を持つ点光源であるので光源の周囲に電極等の構造物がなく、２πsteradianという極めて大きな捕集立体角の確保が可能であること等の利点から、大きなパワーが要求されるＥＵＶリソグラフィ用の光源として有力であると考えられている。
【０００４】
ここで、ＬＰＰ方式によるＥＵＶ光の生成原理について説明する。真空チャンバ内に供給されるターゲット物質に対してレーザ光を照射することにより、ターゲット物質が励起してプラズマ化する。このプラズマから、ＥＵＶ光を含む様々な波長成分が放射される。そこで、所望の波長成分（例えば、１３．５ｎｍの波長を有する成分）を選択的に反射するＥＵＶコレクタミラーを用いてＥＵＶ光が反射集光され、露光器に出力される。
【０００５】
そのようなＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置においては、特に固体のターゲットを用いる場合に、プラズマから放出される中性粒子やイオンによる影響が問題となっている。ＥＵＶコレクタミラーはプラズマ近傍に設置されるので、プラズマから放出される中性粒子は、ＥＵＶコレクタミラーの反射面に付着してミラーの反射率を低下させる。一方、プラズマから放出されるイオンは、ＥＵＶコレクタミラーの反射面に形成されている多層膜を削り取る。なお、中性粒子やイオンを含むプラズマからの飛散物やターゲット物質の残骸は、デブリ（debris）と呼ばれている。ところが、最近になって、駆動用光源（ドライバレーザ）としてＣＯ２レーザを用い、ターゲット物質として固体の錫（Ｓｎ）を用いることにより、レーザ光照射によって錫から発生するデブリの量が大幅に低減されることが確認された。
【０００６】
ところで、現在、ＥＵＶ光源に要求されている出力は、約１４０Ｗである。生産性向上の観点から、今後も出力の向上が要求される公算が高い。ＬＰＰ方式の場合に、露光に使用されるＥＵＶ光として取り出せる出力は、ドライバレーザ出力の１〜２％程度である。従って、ＥＵＶ光源に要求される出力が１４０Ｗである場合には、例えば、約１０ｋＷのドライバレーザ出力が必要となる。
【０００７】
リソグラフィ用のエキシマレーザがそうであったように、単位時間当りのウエハ処理枚数向上の要求から、光源装置に要求される出力値は次第に上昇して行くことが予想される。例えば、エキシマレーザにおいては、光源装置に要求される出力値が、導入当初には１０Ｗ程度であったのに対して、現在は４０Ｗ以上となっている。同様に、ＥＵＶ光源においても、現状の４倍以上の出力値が要求されることが容易に予想できる。その時に、ドライバレーザとしては、４０ｋＷ以上の出力が必要となる。この出力値は、さらに上昇する可能性がある。
【０００８】
ＣＯ２レーザを用いて錫（Ｓｎ）ターゲットにレーザ光を照射する場合に、文献にも拠るが、レーザ強度（インテンシティ）が１０１０Ｗ／ｃｍ２程度であるときに２％以上のＣＥ（conversion efficiency：照射レーザ光からＥＵＶ光への変換効率）が可能とされ、それ以上高いインテンシティでは、却ってＣＥが低下してしまうことが明らかになりつつある。
【０００９】
インテンシティは、次式（１）で定義される。
Ｉ＝Ｅ／（τ・Ｄ）  ・・・（１）
ここで、各符号は次のように定義される。
Ｉ：  インテンシティ（Ｗ／ｃｍ２）
Ｅ：  レーザエネルギー（Ｊ）
τ：  レーザパルス幅  （ｓ）
Ｄ：  レーザスポット径  （ｃｍ）
【００１０】
また、ＥＵＶ光源には、エタンデュに関する制限が存在する。これは、後段の露光装置光学系によって制限される性能で、ＬＰＰ方式のＥＵＶ光源においては、ＥＵＶ発光径と集光立体角に依存する。例えば、典型的に要求されるエタンデュの値は１ｍｍ２・steradianよりも小さく、それを達成するためには、ＥＵＶコレクタミラーの捕集立体角が２πsteradianである場合に、ＥＵＶ発光サイズは直径０．３ｍｍ以下である必要がある。ここで、ＥＵＶ発光径≒集光スポット径とすると、直径０．３ｍｍまでの集光スポット径が許容できる。
【００１１】
以上のことから、ＥＵＶ光源のドライバレーザという観点で考えると、レーザスポット径が０．３ｍｍ以下であり、インテンシティが、１０９Ｗ／ｃｍ２〜１０１１Ｗ／ｃｍ２、望ましくは、５×１０９Ｗ／ｃｍ２〜３×１０１０Ｗ／ｃｍ２、さらに望ましくは、ほぼ１×１０１０Ｗ／ｃｍ２であるという設計条件を満たすことが重要である。
【００１２】
一方、レーザ光のパルス幅については、入手が容易な市販のＣＯ２レーザにおいては、パルス幅が典型的に２０ｎｓ〜３０ｎｓ程度である。この様なパルス幅を達成するレーザとしては、例えば、ＴＥＡレーザやスラブレーザが存在する。あるいは、軸流型の連続発振レーザからキャビティダンプ等により上記のパルス幅を得ても良い。これらのレーザから出力されるレーザパルスのエネルギーは典型的に数μＪであるので、ＥＵＶ光を発生するために必要な数十ｍＪのエネルギーを得ようとすると、ＣＯ２レーザをオシレータとして用いて増幅器と組み合わせたＭＯＰＡ(master oscillator power amplifier)等によるレーザシステムが必要となる。ＣＯ２レーザをオシレータとして想定する場合に、例えば、パルス幅を２０ｎｓとして前述の設計条件を加味すると、ＭＯＰＡによるドライバレーザとして、レーザパルスの１パルス当りのエネルギーが１５０ｍＪ程度以下であると見積もることができる。
【００１３】
即ち、最適なインテンシティ、露光装置としてのスポットサイズの制限、及び、入手が容易なオシレータのパルス幅による制約から、１パルス当りのエネルギーが１５０ｍＪ程度以下であるという制約が課せられることになる。しかしながら、前述のように、レーザ出力としては４０ｋＷ以上が予想され、これを典型的な繰り返し周波数１００ｋＨｚで達成しようとすると、レーザエネルギーは４００ｍＪとなってしまう。
【００１４】
関連する技術として、下記の特許文献１には、高能率で安定してＥＵＶ光を発生させることができるＥＵＶ光源装置用ドライバレーザシステムが開示されている。このドライバレーザシステムは、ＭＯＰＡ方式に従って構成されており、レーザ光を発生し、該レーザ光のパルス幅が所定の値まで短くなるようにレーザ光のパルス幅を制御して、並列して配置された複数のレーザ増幅系において該レーザ光を増幅するレーザシステムと、複数のレーザ増幅系からレーザ光が順次出射するようにレーザシステムの動作タイミングを制御するレーザシステム制御装置とを含んでいる。
【００１５】
しかしながら、上記のように複数のオシレータ及び増幅器を並列に並べる構成によれば、オシレータ及び増幅器の数が増加してしまうので、コストの増大を招いてしまう。ＥＵＶ光源装置におけるレーザシステムのコスト構成比率は非常に大きく、場合によっては装置価格の８０％を越えてしまう。従って、特許文献１のレーザシステムでは、ＥＵＶ光源装置が非常に高価になってしまう。
【００１６】
また、下記の特許文献２には、複数のレーザ系列を同期動作させて、それらのレーザ系列からの出力光を重ねることにより任意のパルス波形を形成する技術が開示されている。これによれば、市販のレーザを組み合わせて任意のパルス幅を実現できる可能性がある。しかしながら、前述のように、ＥＵＶ光源におけるレーザ装置のコストは非常に高いので、オシレータを多数使用する場合には、高コストのレーザシステムしか実現できない。
【特許文献１】特開２００６−１２８１５７号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１１７６２０号明細書（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、単列の構成で、パルスレーザ光の１パルス当り又は単位時間当りのエネルギーを抑えながら大きな出力を達成できる極端紫外光源用ドライバレーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係るドライバレーザは、レーザ光をターゲットに照射することによりターゲットをプラズマ化して極端紫外光を発生させる極端紫外光源装置において用いられるドライバレーザであって、（ｉ）レーザ媒質としてＣＯ２を用いてレーザ光を励起するレーザ放電管と、レーザ放電管を挟んで光共振器を構成する全反射ミラー及び部分反射ミラーと、全反射ミラーと部分反射ミラーとの間のレーザ光の経路に配置された音響光学素子とを有する発振段レーザ装置と、（ii）発振段レーザ装置において所定の繰り返し周波数を有するレーザ光のパルス列が所定の周期でバースト的に生成されるように音響光学素子を制御するレーザ制御部と、（iii）発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を増幅する少なくとも１つの増幅器を含む増幅段装置とを具備する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、単列の構成で、パルスレーザ光の１パルス当り又は単位時間当りのエネルギーを抑えながら大きな出力を達成できる極端紫外光源用ドライバレーザを提供することができる。この技術は、将来のＥＵＶ光源に対する要求出力の増大にも対応可能であり、長期間に亘って低価格なＥＵＶ光源を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明に係るドライバレーザが適用されるＥＵＶ光源装置の構成を示す概略図である。このＥＵＶ光源装置は、レーザ光をターゲット物質に照射して励起させることによりＥＵＶ光を生成するレーザ励起プラズマ（ＬＰＰ）方式を採用している。
【００２１】
図１に示すように、このＥＵＶ光源装置は、ＥＵＶ光の生成が行われる真空チャンバ１０と、ターゲット１を供給するターゲット供給装置１１と、ターゲット１に照射される励起用のパルスレーザ光２を生成するドライバレーザ１２と、ドライバレーザ１２によって生成されるパルスレーザ光２を集光してターゲット１に照射することによりプラズマ３を発生させるレーザ集光光学系１４と、プラズマ３から放出されるＥＵＶ光４を集光して出射するＥＵＶコレクタミラー１５と、ターゲット１を回収するターゲット回収装置１６とを備えている。
【００２２】
真空チャンバ１０には、励起用のパルスレーザ光２を導入する導入窓１８と、プラズマから放射されるＥＵＶ光の内で不要な光（ＥＵＶ光よりも波長が短い電磁波やＥＵＶ光よりも波長が長い紫外線等）を除去し、所望の波長成分（例えば、１３．５ｎｍの波長を有する成分）を通過させて露光器に導出するＳＰＦ（spectral purity filter）１９とが設けられている。なお、露光器の内部も、真空チャンバ１０の内部と同様に、真空又は減圧状態に保たれる。
【００２３】
ドライバレーザ１２は、ＭＯＰＡ方式による単列の構成であり、パルスレーザ光を出力する発振段レーザ装置（ＯＳＣ：オシレータ）１２１と、発振段レーザ装置１２１から出力されるパルスレーザ光を増幅するＮ段の増幅器ＡＭＰ（１）〜ＡＭＰ（Ｎ）を含む増幅段装置１２２と、発振段レーザ装置１２１の動作を制御するレーザ制御部１２３とによって構成される。ここで、Ｎは自然数であり、増幅段装置１２２は、少なくとも１段の増幅器を含んでいる。ドライバレーザ１２は、オシレータＯＳＣから出力されるパルスレーザ光を増幅器ＡＭＰ（１）、ＡＭＰ（２）、・・・に順次通過させることによって徐々に増幅し、ＡＭＰ（Ｎ）からＥＵＶ発生用レーザ光を出力する。
【００２４】
以下に、図１に示すドライバレーザ１２の好適な実施形態について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。第１の実施形態においては、発振段レーザ装置１２１として、高い繰り返し周波数でパルス発振可能なＣＯ２レーザが用いられる。例えば、４０ｋＷの出力を達成するために、繰り返し周波数を４００ｋＨｚとすれば、１パルス当りのエネルギーは１００ｍＪで良いことになる。このように、発振段レーザ装置１２１において高繰り返し化を行うことにより、ドライバレーザ１２を構成するオシレータ及び増幅器の数を最小限とすることができる。
【００２５】
この発振段レーザ装置１２１は、レーザ媒質としてＣＯ２を用いてレーザ光を励起するＣＯ２レーザ放電管２０と、レーザ放電管２０を挟んで共振器を構成する全反射ミラー２１及び部分反射ミラー２２と、レーザ制御部１２３（図１）の制御の下で光をスイッチングするＡＯＱスイッチ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｑ−スイッチ）等の音響光学素子２３とを含む能動モードロックレーザである。モードロックレーザにおけるパルスの繰り返し周波数ｆは、次式（２）で表される。ここで、ｃは光速を表し、Ｌは共振器長を表している。
ｆ＝ｃ／（２Ｌ）  ・・・（２）
【００２６】
式（２）によれば、Ｌ＝１ｍのときに、パルスの繰り返し周波数は１５０ＭＨｚとなる。式（２）から明らかなように、共振器長Ｌを任意に選択することにより、繰り返し周波数ｆを変えることができる。ＣＯ２をレーザ媒質として用いるＣＷ（連続波）レーザにモードロックを使用した場合には、パルス幅は１０ｎｓ〜２０ｎｓ程度となり、ＣＯ２をレーザ媒質として用いるＴＥＡ（Transversely Excited Atmospheric）レーザにモードロックを使用した場合には、パルス幅は１ｎｓ程度となる。
【００２７】
モードロックには、能動モードロック（Active Mode Locking）と、受動モードロック（Passive Mode Locking）とがある。能動モードロックにおいては、図２に示すように、共振器内にモジュレータが挿入されて、モジュレータが共振をオン／オフする。ＣＯ２レーザの波長域においては、モジュレータとして、ゲルマニウム(Ｇｅ)等の結晶を用いた音響光学素子２３が用いられる。音響光学素子２３は、結晶に音響波を印加することにより、結晶内に音響光学効果を誘起し、結晶の屈折率を変化させる。この屈折率の変化が、共振器内においてレーザ光の切り出しを行い、レーザ共振器からパルスレーザ光が出力される。
【００２８】
結晶に印加される音響波の周波数は、ｃ／（２Ｌ）であるが、ＥＵＶ光源として実用的な繰り返し周波数、例えば、４００ｋＨｚを実現しようとすると、共振器長Ｌが３７５ｍとなってしまう。これでは実現可能性が低いので、本実施形態においては、音響波をバースト状に発生させるようにする。例えば、共振器長Ｌを１ｍとしてレーザパルスの繰り返し周波数を１５０ＭＨｚに設定し、図３に示すように、繰り返し周波数が１５０ＭＨｚのレーザパルス列を２．５μｓ毎に発生させてバースト波形とする。
【００２９】
その場合には、１バースト内で発生する繰り返し周波数が１５０ＭＨｚのパルスレーザ光は、プラズマ発生において、ほぼ連続光とみなせるので、実質的に、繰り返し周波数が４００ｋＨｚのレーザ光を得ることができる。バースト間隔を変化させたり、又は、１バースト内におけるパルス数を変化させたりすることによって、容易に高繰り返し化が可能であり、また、実質的なパルス幅も任意に変更できる。このようにオシレータを構成することにより、任意の繰り返し周波数やパルス幅を得ることができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。図４に示す発振段レーザ装置は、図２に示す発振段レーザ装置において音響光学素子２３を過飽和吸収体２４に変更することにより、受動モードロックレーザを構成したものである。
【００３１】
受動モードロックレーザにおいては、レーザ共振器内に、上準位緩和時間の短い過飽和吸収体２４が挿入される。過飽和吸収体２４は、レーザ強度が大きいほど透過率が高く、光ゲートとして機能する。即ち、式（２）において、整数倍の強い縦モードが選択されてパルスとなり、レーザ共振器が発振動作を行う。過飽和吸収体２４としては、ＳＦ６、又は、ＳＦ６の混合ガス等が用いられる。その場合には、過飽和吸収体２４の混合比やガス圧を調整することにより、繰り返し周波数が調整される。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、先に説明した第１の実施形態又は第２の実施形態を改良したものである。
図５は、本発明の第３の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置周辺の構成を示す概略図である。図２に示す発振段レーザ装置においては、ＣＯ２レーザ放電管２０のゲインが高い場合に、音響光学素子２３によるバースト休止時にもレーザ光が連続して発生してしまうことがある。これを防止するために、偏光ビームスプリッタ２５及び２６と、電気光学効果により光をスイッチングするポッケルスセル２７とを組み合わせることにより、バースト休止時に発生してしまうレーザ光を後段の増幅器に出力しないようにしている。
【００３３】
ポッケルスセル２７は、所定の電圧が印加されることによって、入射される光の位相をλ／２だけ回転させて出射する。ここで、λは光の波長を表している。これにより、Ｐ偏光のレーザ光はＳ偏光となり、Ｓ偏光のレーザ光はＰ偏光となる。例えば、偏光ビームスプリッタ２５及び２６がＰ偏光のレーザ光を透過する場合には、Ｐ偏光のレーザ光がポッケルスセル２７に入射し、ポッケルスセル２７に所定の電圧が印加されていない状態においては、ポッケルスセル２７から出射されるＰ偏光のパルスレーザ光が偏光ビームスプリッタ２６を透過する。一方、ポッケルスセル２７に所定の電圧が印加されている状態においては、ポッケルスセル２７から出射されるＳ偏光のパルスレーザ光が偏光ビームスプリッタ２６によって反射され、矢印の方向に出射される。
【００３４】
ポッケルスセル２７の動作タイミングは、音響光学素子２３の動作タイミングと同期されており、レーザ制御部１２３（図１）が、音響光学素子２３をバースト的にオンする間に、ポッケルスセル２７をオンさせることにより、必要なパルスレーザ光だけが後段の増幅器に出力される。なお、音響光学素子２３の替わりに過飽和吸収体２４を用いる場合にも、同様の構成とすることができる。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態においては、発振段レーザ装置を、固体レーザと複数の非線形結晶とを組み合わせた構成としている。
図６は、本発明の第４の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。図６に示すように、この発振段レーザ装置１２１は、高い繰り返し周波数でパルスレーザ光を出力することが可能な固体レーザ３１と、非線形結晶３２（非線形結晶Ａ）と、非線形結晶３３（非線形結晶Ｂ）と、スペクトル整合器３４とによって構成される。
【００３６】
固体レーザ３１としては、例えば、６６０ｎｍ〜９００ｎｍ付近の波長域で発振するチタンサファイヤレーザが用いられる。また、非線形結晶Ａとしては、例えば、ＢＢＯ（ベータ・バリウム・ボライト：βＢａＢ２Ｏ４）が用いられる。この非線形結晶Ａを、固体レーザ３１の発振波長λ１に対して位相整合することにより、１／λ１＝１／λ２＋１／λ３の関係に従って、非線形結晶Ａから、波長λ２を有する波長成分（波長成分λ２）と、波長λ３を有する波長成分（波長成分λ３）とが出力される。
【００３７】
それらの波長成分λ２及びλ３に対して、非線形結晶Ｂを位相整合することにより、波長成分λ２と波長成分λ３との差周波に相当する波長λ４を有する波長成分（波長成分λ４）が得られる。非線形結晶Ｂとしては、例えば、ＡｇＧａＳ２やＨｇＧａ２Ｓ２が用いられ、それにより、波長成分λ４として、９μｍ〜１２μｍの波長を有する広帯域なレーザ光が得られる。スペクトル整合器３４は、非線形結晶Ｂによって生成されるレーザ光のスペクトルを増幅段装置１２２（図１）の増幅特性に整合させて、該レーザ光を出力する。
【００３８】
スペクトル整合器３４としては、例えば、再生増幅器が利用される。非線形結晶Ｂの出力としては広帯域のレーザ光が得られるが、これを増幅段装置１２２に入射しても、高い増幅効率は得られない。増幅段装置１２２のレーザ媒質（ゲイン媒質）が、離散的な利得スペクトルを有しているからである。そこで、例えば、再生増幅器を利用して、広帯域のレーザ光にレーザ媒質を何度も通過させることによって、広帯域のスペクトルから、増幅段装置１２２の離散的な利得スペクトルに整合するスペクトル成分を成長させる。そのようにして得られたレーザ光を増幅段装置１２２に入射させることにより、高い増幅効率を得ることができる。
【００３９】
本実施形態は、チタンサファイヤレーザのように、広帯域発振が可能なレーザ装置を用いる場合に実現することができる。チタンサファイアレーザは、数十ｋＨｚ〜数十ＭＨｚ程度の繰り返し周波数でレーザ光を出力することが可能であり、この構成により、発振段レーザ装置の高繰り返し化が可能となる。例えば、λ１＝９５０ｎｍとした場合に、λ２＝１４００．８８ｎｍ、λ３＝１６１４．２１ｎｍとすることにより、λ４＝１０６００ｎｍ（１０．６μｍ）を得ることができる。
【００４０】
以下の実施形態においては、ドライバレーザにおいて４０ｋＷ以上の出力を達成するために、入手が容易なオシレータを利用しつつ、オシレータ又はその付近でパルス幅を伸長することにより、単位時間当りのエネルギーが抑えられて、設計制約が緩和される。例えは、パルス幅を１００ｎｓとすれば、レーザエネルギーは、７５０ｍＪまで許容される。オシレータは１台で良く、それに繋がる増幅システムも単列で済むため、レーザコストを非常に低く抑えることができる。パルス幅を伸長する手段は、光路遅延的手法によるものと、レーザ共振器の内部又は外部に光スイッチ素子を配する手法と、それらを組み合わせた手法とがある。それらの手法を用いることにより、パルス幅を伸長してレーザエネルギーの制限を緩和しつつ、最小限のコストでドライバレーザシステムを構成することができる。
【００４１】
本発明の第５及び第６の実施形態について説明する。第５及び第６の実施形態によれば、図１に示すドライバレーザ１２において、発振段レーザ装置１２１と増幅段装置１２２との間にパルス伸長光学系を挿入して、レーザ光のパルス幅を伸長することにより、１パルス当りのレーザエネルギーの制限を緩和することができる。
【００４２】
図７は、本発明の第５の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられるパルス伸長光学系の構成を示す概略図である。図７に示すパルス伸長光学系１２４は、光学素子として、２つのビームスプリッタ４１及び４２と、４つのミラー４３〜４６とを含んでいる。このような光学系１２４において、ビームスプリッタ４１に入射したレーザ光の一部は、ビームスプリッタ４１を透過し、他の一部は、ミラー４３の方向に反射される。ビームスプリッタ４１によって反射された反射光は、距離的に透過光よりも長い遅延光路を通ることにより遅延され、ビームスプリッタ４２において透過光と結合される。遅延光路としては、例えば、ビームスプリッタ４１→ミラー４３→ミラー４４→ビームスプリッタ４２の光路や、ビームスプリッタ４１→ミラー４３→ミラー４４→ミラー４５→ミラー４６→ミラー４３→ミラー４４→ビームスプリッタ４２の光路が存在する。
【００４３】
また、ビームスプリッタ４１からビームスプリッタ４２に入射したレーザ光の一部は、ビームスプリッタ４２を透過し、他の一部は、ミラー４５の方向に反射され、遅延光路を通ることにより遅延される。遅延光路としては、例えば、ビームスプリッタ４２→ミラー４５→ミラー４６→ミラー４３→ミラー４４→ビームスプリッタ４２の光路が存在する。そのようなことを繰り返すと、光学的に遅延された光が、透過光に時間的遅れをもって重ね合わされるため、結果として、パルス幅の長いレーザ光が得られる。ここで、光学素子間の距離を矢印の方向に調整することにより、任意のパルス幅が得られる。さらに、ビームスプリッタの反射率を調整するによって、パルス波形をある程度調整することが可能である。
【００４４】
図８は、本発明の第６の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられるパルス伸長光学系の構成を示す概略図である。図８に示すパルス伸長光学系１２６は、第５の実施形態におけるパルス伸長光学系１２４に、増幅器４７を組み合わせたものである。増幅器４７を用いることにより、パルス伸長と同時にパルス整形を行うことができるので、第５の実施形態よりも自由度が高いという利点がある。
【００４５】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。第７の実施形態においては、１つの発振段レーザ装置から出力されるレーザ光を複数の光路に分岐させて、光路差により互いに異なる遅延を持たせた複数のレーザ光を合成するようにしている。
【００４６】
図９は、本発明の第７の実施形態に係るドライバレーザの構成を示す図である。ドライバレーザ１２は、パルスレーザ光を出力する発振段レーザ装置（ＯＳＣ：オシレータ）１２１と、発振段レーザ装置１２１から出力されるパルスレーザ光を複数の光路に分岐させるビーム分岐手段としてのビームスプリッタ５１ａ〜５１ｃ及びミラー５２と、光路に応じて互いに異なる遅延を伴う複数のパルスレーザ光を合成するビーム合成器５３ａ〜５３ｃと、ビーム合成器５３ｃから出力されるパルスレーザ光を増幅するＮ段の増幅器ＡＭＰ（１）〜ＡＭＰ（Ｎ）を含む増幅段装置１２２とを含んでいる。ここで、Ｎは自然数である。
【００４７】
図１０の（ａ）に示すように、発振段レーザ装置１２１から出力されるレーザ光のパルス幅は約３０ｎｓであり、観測点１Ａ〜１Ｄにおいて、順次遅延されたタイミングでパルスが観測される。ビームスプリッタ５１ａ〜５１ｃ及びミラー５２からそれぞれ出力される複数のパルスレーザ光をビーム合成器５３ａ〜５３ｃによって順次合成することにより、図１０の（ｂ）に示すように、観測点２〜４において観測されるようなパルスを得ることができる。さらに、ビーム合成器５３ｃから出力されるパルスレーザ光を増幅段装置１２２によって増幅することにより、観測点５において、ほぼ一定の強度で１００ｎｓオーダーのパルス幅を有する矩形状パルスが得られる。
【００４８】
増幅器ＡＭＰ（１）〜ＡＭＰ（Ｎ）の増幅特性を考慮して、増幅器ＡＭＰ（１）の入力において、図１０の（ｂ）に示す観測点４におけるようなパルス波形にすることが望ましい。これは、観測点１Ａ〜１Ｄにおけるパルス強度に、図１０の（ａ）に示すような強度差を持たせることにより実現できる。そのような強度差を設定するためには、ビームスプリッタ５１ａ〜５１ｃの反射率を徐々に低くなるようにすれば良い。
【００４９】
例えば、ビームスプリッタ５１ａの反射率を９５％、ビームスプリッタ５１ｂの反射率を８５％、ビームスプリッタ５１ｃの反射率を５５％とすると、観測点１Ａにおけるエネルギーは、発振段レーザ装置１２１から出力されるエネルギーの５％となり、観測点１Ｂにおけるエネルギーは、発振段レーザ装置１２１から出力されるエネルギーの１０％となり、観測点１Ｃにおけるエネルギーは、発振段レーザ装置１２１から出力されるエネルギーの３０％となり、観測点１Ｄにおけるエネルギーは、発振段レーザ装置１２１から出力されるエネルギーの５５％となるので、図１０の（ａ）に示すような強度比をほぼ達成することができる。本実施形態によれば、遅延のための光路長とビームスプリッタの反射率によって、レーザ光の波形を整形することが容易であり、また、整形後の波形が把握し易い。
【００５０】
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。第８の実施形態においては、ドライバレーザにおいて、レーザ増幅における飽和現象を利用して、レーザ光のパルス幅を伸長している。即ち、所定の値以上の強度を有する光を増幅段装置に入力すると、増幅率が一定値に漸近する現象が起こるので、これをパルス整形に利用している。
【００５１】
図１１は、本発明の第８の実施形態に係るドライバレーザの構成を示す概略図である。ドライバレーザ１２は、時間と共に強度が増加するパルスレーザ光を出力する発振段レーザ装置（ＯＳＣ：オシレータ）１２７と、発振段レーザ装置１２７から出力されるパルスレーザ光を、時間と共に減少する増幅率で増幅するＮ段の増幅器ＡＭＰ（１）〜ＡＭＰ（Ｎ）を含む増幅段装置１２８とを含んでいる。ここで、Ｎは自然数である。
【００５２】
例えは、発振段レーザ装置１２７は、図１２に示す観測点１における波形のように、パルス幅（ＦＷＨＭ）が３０ｎｓ程度で、裾野が１００ｎｓ程度で、時間と共に強度が増加するパルスを発振する。これは、キャビティダンプ等の光スイッチ素子によるパルス切り出しを行うレーザにおいては、その立上り時間を調整することにより比較的容易に実現できる。例えば、Ｃｄ／Ｔｅ等の結晶に印加する電圧波形を調整することによって、このようなパルス波形を簡単に形成することができる。
【００５３】
そのような波形を有するパルスを、飽和増幅となるように励起強度を調整した増幅器に通すと、パルス前半部は、エネルギーが低いので高い増幅率で増幅され、パルス後半部は、増幅器が飽和してしまうので低い増幅率で増幅される。この現象を利用すると、パルスの裾野部分を選択的に増幅させることができる。増幅器ＡＭＰ（１）〜ＡＭＰ（Ｎ）において、これを繰り返せば、観測点２〜４におけるようにパルス幅が順次増加して、最終的には、１００ｎｓオーダーのパルス幅を有するパルスを得ることができる。本実施形態によれば、増幅器の容量を小さくすることが可能であり、制御要素も少なく、比較的簡単な構成で低コストのレーザシステムが可能となる。
【００５４】
次に、本発明の第９の実施形態について説明する。第９の実施形態においては、発振段レーザ装置の外部に光スイッチ素子を配することにより、パルス幅が伸長される。
図１３は、本発明の第９の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置周辺の構成を示す概略図である。図１３に示すように、この発振段レーザ装置１２１は、ＣＷ励起又はパルス励起のレーザ放電管２８と、レーザ放電管２８を挟んで共振器を構成する全反射ミラー２１及び部分反射ミラー２２とを含んでいる。さらに、発振段レーザ装置１２１には、偏光ビームスプリッタ２５及び２６と、ポッケルスセル２７とが組み合わされている。
【００５５】
ポッケルスセル２７は、所定の電圧が印加されることによって、入射される光の位相をλ／２だけ回転させて出射する。ここで、λは光の波長を表している。これにより、Ｐ偏光のレーザ光はＳ偏光となり、Ｓ偏光のレーザ光はＰ偏光となる。例えば、偏光ビームスプリッタ２５及び２６がＰ偏光のレーザ光を透過する場合には、Ｐ偏光のパルスレーザ光がポッケルスセル２７に入射し、ポッケルスセル２７に所定の電圧が印加されていない状態においては、ポッケルスセル２７から出射されるＰ偏光のパルスレーザ光が偏光ビームスプリッタ２６を透過する。一方、ポッケルスセル２７に所定の電圧が印加されている状態においては、ポッケルスセル２７から出射されるＳ偏光のパルスレーザ光が偏光ビームスプリッタ２６によって反射され、矢印の方向に出射される。
【００５６】
これにより、ＣＷ励起のレーザ発振器から偏光を利用してレーザ光を切り出し、任意のパルス波形を得ることができる。パルス幅は、共振器の長さによって制限されることがあるので、所望のパルス幅に対して十分な共振器長を取っておく。ＣＷ発振器から発振した光は、偏光ビームスプリッタ２５及び２６とポッケルスセル２７とによって、ポッケルスセル２７がオンする時のみ、矢印方向に取り出すことができる。この時間間隔により、レーザ光のパルス幅が調整される。
【００５７】
次に、本発明の第１０の実施形態について説明する。第１０の実施形態においては、発振段レーザ装置の内部に光スイッチ素子を配することにより、パルス幅が伸長される。
図１４は、本発明の第１０の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。図１４に示すように、この発振段レーザ装置１２１は、ＣＷ励起又はパルス励起のレーザ放電管２８と、レーザ放電管２８を挟んで共振器を構成する全反射ミラー２１ａ及び２１ｂと、偏光ビームスプリッタ２５と、ポッケルスセル２７ａと、λ／４波長板２９と、ミラー３０とを含んでいる。
【００５８】
ポッケルスセル２７ａは、所定の電圧が印加されることによって、入射される光の位相をλ／４だけ回転させて出射する。ここで、λは光の波長を表している。例えば、偏光ビームスプリッタ２５がＰ偏光のレーザ光を透過する場合に、ポッケルスセル２７ａに所定の電圧が印加されている状態においては、偏光ビームスプリッタ２５から出射されるＰ偏光のレーザ光が、ポッケルスセル２７ａ及びλ／４波長板２９を往復することによって再びＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ２６を透過する。
【００５９】
一方、ポッケルスセル２７ａに所定の電圧が印加されていない状態においては、偏光ビームスプリッタ２５から出射されるＰ偏光のレーザ光が、λ／４波長板２９を往復することによってＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ２６によって反射されて矢印の方向に出射される。このようにして、ポッケルスセル２７ａをオンしている間、光は共振器内部を往復しているが、ポッケルスセル２７ａをオフすると、レーザ光が外部に取り出される。この時間間隔により、レーザ光のパルス幅を変化させることができる。第１０の実施形態は、第９の実施形態と異なり、捨ててしまうレーザ光が少ないのでエネルギー効率が高い。
【００６０】
次に、本発明の第１１の実施形態について説明する。第１１の実施形態においては、増幅器を利用して、レーザ光のパルス幅が伸長される。
図１５は、本発明の第１１の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる増幅器の構成を示す概略図である。図１に示す増幅器（例えば、ＡＭＰ（１））において、図１５に示すように、レーザ放電管６０に設けられた入射ウインドウ６１の付近に高反射ミラー６３を配置すると共に、出射ウインドウ６２の付近に部分反射ミラー６４を配置することにより、部分反射ミラー６４を透過したレーザ光と、部分反射ミラー６４及び高反射ミラー６３に反射された光とが、同一の方向に放出されるので、それぞれの時間だけ遅延した複数のパルスレーザ光が合成されて、パルス幅が伸長される。本実施形態に係るドライバレーザは、比較的簡単、かつ、省スペースな構成である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、露光装置の光源として用いられるＥＵＶ光源においてターゲットに光を照射するドライバレーザにおいて利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るドライバレーザが適用されるＥＵＶ光源装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の出力波形を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置周辺の構成を示す概略図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。
【図７】本発明の第５の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられるパルス伸長光学系の構成を示す概略図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられるパルス伸長光学系の構成を示す概略図である。
【図９】本発明の第７の実施形態に係るドライバレーザの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態における複数のパルスのタイミング及び波形を示す図である。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係るドライバレーザの構成を示す概略図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態におけるパルスの波形を示す図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置周辺の構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の第１０の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる発振段レーザ装置の構成を示す概略図である。
【図１５】本発明の第１１の実施形態に係るドライバレーザにおいて用いられる増幅器の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６３】
１…ターゲット、２…レーザ光、３…プラズマ、４…ＥＵＶ光、１０…真空チャンバ、１１…ターゲット供給装置、１２…ドライバレーザ、１４…レーザ集光光学系、１５…ＥＵＶコレクタミラー、１６…ターゲット回収装置、１８…導入窓、１９…ＳＰＦ、２０、２８、６０…レーザ放電管、２１、２１ａ、２１ｂ…全反射ミラー、２２…部分反射ミラー、２３…音響光学素子、２４…過飽和吸収体、２５、２６…偏光ビームスプリッタ、２７、２７ａ…ポッケルスセル、２９…λ／４波長板、３０…ミラー、３１…固体レーザ、３２、３３…非線形結晶、３４…スペクトル整合器、４１、４２…ビームスプリッタ、４３〜４６、５２…ミラー、４７…増幅器、５１ａ〜５１ｃ…ビームスプリッタ、５３ａ〜５３ｃ…ビーム合成器、６１…入射ウインドウ、６２…出射ウインドウ、６３…高反射ミラー、６４…部分反射ミラー、１２１、１２７…発振段レーザ装置、１２２、１２８…増幅段装置、１２３…レーザ制御部、１２４、１２６…パルス伸長光学系
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１】
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