JP2019021432A - レーザ駆動光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振部と、放電媒体が封入されたプラズマ容器とを備え、前記レーザ発振部からのレーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動光源装置において、大出力のＣＷレーザ発振部を用意せずとも、黒体放射のスペクトルの形状を大出力のＣＷレーザを入射した場合と相似形状に保って、真空紫外領域とそれ以外の領域の比率を変えずに真空紫外線を効率よく得られるレーザ駆動光源装置を提供しようとするものである。【解決手段】前記レーザ光は、数μsec〜数msecのオン時間、及び、プラズマが消滅しない時間のオフ時間となるようにオンオフ制御されてその出力が変調されていることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ駆動光源装置に関するものであり、特に、プラズマ容器内にレーザ光を間欠的に照射するレーザ駆動光源装置に係わるものである。

近年、半導体、液晶基板およびカラーフィルタ等の被処理物の製造工程においては、入力電力の大きな紫外線光源を使用されている。
このような高出力の紫外線、特に、短波長側の紫外線を出力する光源として、点光源管球において電極間で点灯した後にそのプラズマにレーザ光を照射することによって、連続的な高輝度光を発生させるレーザ駆動光源が提案されている。例えば、特表２００９−５３２８２９号公報（特許文献１）に開示されている。

この特許文献１には、図５に示すように、希ガス、水銀等のイオン性媒体（放電媒体）が封入されたチャンバ（管球）２１と、該チャンバ２１内のイオン性媒体をイオン化するための点火源である一対の電極３２、３３と、連続またはパルス状のレーザエネルギーを照射するレーザ発振部２４とを備えるレーザ駆動光源２０が開示されている。
該レーザ発振部２４は、光ファイバ２６を介してレーザ光２５を出力するダイオードレーザである。該光ファイバ２６は、レーザ光２５を実質的に互いに平行にするためのコリメータ２７にレーザ光２５を供給する。次いで、コリメータ２７はビームエキスパンダ２８にレーザ光２５を向ける。ビームエキスパンダ２８は、レーザ光のサイズを拡大してレーザ光を生成する。また、ビームエキスパンダ２８は、光学レンズ２９にレーザ光を向ける。光学レンズ２９は、チャンバ２１のうちのプラズマ３０が存在する領域に向けられる小径レーザ光を生成するためにレーザ光２５を集光する。

このレーザ駆動光源２０は、陽極３２および陰極３３からなる点火源によってチャンバ２１内で放電を発生させてイオン性媒体をイオン化し、次いで、イオン化された媒体にレーザエネルギーを供給して高輝度光３１を発生するプラズマ３０を維持または生成するものである。
しかして、このレーザ駆動光源２０では、プラズマの温度が放射および他のプロセスによってバランスされるまで上昇し、１００００Ｋ〜２００００Ｋという極めて高温になり、高温プラズマから放射される短波長の紫外線エネルギーが増加するものである。
また、上記特許文献１には、点火源として、上記一対の電極を利用する以外に、パルスレーザ光を利用することも記載されている（請求項４３）。

このような点火源としてパルスレーザ光を利用する場合、ピークのエネルギーがメガワット(MW)のオ−ダーであり、パルス幅がフェムト秒(fs)〜ナノ秒(ns)程度であり、また、繰り返しの周期がミリ秒(ms)程度のパルスレーザ光が使用される。
ところが、パルスレーザ光は、ピークのエネルギーは大きいが、パルス幅が極めて短く、繰り返し周期も短くできないため、時間平均したエネルギーは低くなる。そのため、パルスレーザ光の照射で、チャンバ内にプラズマ(火種)を生成することができても、パルスレーザ光のみを繰り返すだけでは、生成されたプラズマを定常的に維持することができない。
そこで、この種の光源の始動(点火)の際には、図６（Ａ）で示すように、ＣＷレーザ光（Continuous Wave Laser）を照射するとともにパルスレーザ光(Pulse Laser)を重畳して照射し、図６（Ｂ）に示すように、パルスレーザ光の照射で発生したプラズマ(火種)を、ＣＷレーザ光から供給されるエネルギーで維持する方法がとられる。

ところで、半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、露光用紫外線光源の短波長化が進められている。特に波長２００ｎｍ以下の真空紫外光（ＶＵＶ光）は、半導体露光はもちろん、これ以外の様々な分野でも用いられている。例えば、フォトレジストによるパターン形成工程を用いずに、ＶＵＶ光とマスクを用いて、直接光で化学反応を引き起こして自己組織化単分子膜をパターニングする技術にも応用される。
プラズマから放射される光は、黒体からの輻射と考えることができ、放射スペクトルはプランクの式に従う。この式では、プラズマ温度が上昇すると、短波長側の成分が大きいスペクトルに変化する。

このようなレーザ駆動光源において、プラズマ容器から放射されるプラズマ光に含まれる短波長の紫外線の成分を増やそうとすれば、プラズマ容器内に形成されるプラズマに投入するレーザのパワー(時間あたりエネルギー；ワット)を増やすことが考えられる。
図７は、このことを概念的に示す図である。レーザパワーがＰ１の時のプラズマ温度をＴ１とし、レーザパワーがＰ２の時のプラズマ温度をＴ２とすると、レーザパワーがＰ１＜Ｐ２の時、プラズマ温度はＴ１＜Ｔ２である。
このとき、黒体輻射の分光スペクトルにおいて、ある紫外線の波長λ以下の面積Ａを、レーザパワーがＰ１とＰ２の場合で比較すれば、Ａ１＜Ａ２となっている。
これは、プラズマに投入するレーザパワーＰを上げれば、単に光出力が大きくなるだけでなく、プラズマ温度Ｔが高くなることにより、黒体輻射のスペクトルが短波長側にシフトすることに由来し、その結果、短波長側の紫外線成分（光出力全体に対する紫外線出力の割合）を増やすことができて効率的である。

しかしながら、短波長側の紫外線成分の増加を目的としてレーザパワーを増大させるためには、大出力のＣＷレーザ源を用意しなければならず、装置が大掛かりとなり多大なコストがかかる。
また、大出力のレーザパワーをチャンバ（バルブ）内に入力することになり、チャンバに過剰な熱負荷をかけバルブ破損の原因にもなる。
であるからといって、始動時に用いられるパルスレーザをプラズマ維持のために使用しようとすれば、前述したように、パルスレーザは１つのパルスにより、大きなエネルギーを投入できるが、パルス幅がnsec、繰り返しの周期がmsec程度のオーダーであって、パルスレーザだけでは、プラズマを維持することができないという問題もある。

特表２００９−５３２８２９号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、レーザ発振部と、放電媒体が封入されたプラズマ容器とを備え、前記レーザ発振部からのレーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動光源装置において、大出力のＣＷレーザ発振部を用意せずとも、黒体放射のスペクトルの形状を大出力のＣＷレーザを入射した場合と相似形状に保って、真空紫外領域とそれ以外の領域の比率を変えずに真空紫外線を効率よく得られるレーザ駆動光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明に係わるレーザ駆動光源装置は、前記レーザ光が、数μsec〜数msecのオン時間、及び、プラズマが消滅しない時間のオフ時間となるようにオンオフ制御されてその出力が変調されていることを特徴とする。
また、前記レーザ発振部は、ポンピング器と、レーザ共振器と、これに給電する給電装置と、該給電装置を制御する制御部とからなり、前記制御部は前記給電装置を、数μsec〜数msecのオン時間、及び、プラズマが消滅しない時間のオフ時間となるようにオンオフ制御することを特徴とする。
また、前記プラズマ容器が、凹面反射面を有する本体と、該本体の後方開口に設けられた入射窓と、該本体の前方開口に設けられた出射窓とからなり、前記本体と前記入射窓と前記出射窓によって密閉空間が形成されていて、該密閉空間内に前記放電媒体が封入されてなり、前記レーザ源からのレーザ光は、前記入射窓から前記プラズマ容器内に導入されていることを特徴とする。

本発明によれば、高いエネルギーのレーザパワーを連続的に投入する場合に比べて、プラズマに投入される平均エネルギーを低く維持しつつも、瞬間的に高エネルギーのレーザパワーを投入することで、その結果得られる分光強度のプロファイルを、連続した高いエネルギーのレーザパワーを投入した場合と同等のものとすることができ、短波長の紫外線領域の発光強度を増加させることができる。
これにより、大掛かりなレーザ発振部を必要とすることなしに効率的な紫外線領域をもった発光が得られる。

本発明の実施例に係るレーザ駆動光源装置の説明図。 本発明に用いられるプラズマ容器の一例の断面図。 本発明でのレーザ光の強度分布を示す説明図。 本発明による効果の説明図。 従来のレーザ駆動光源装置の説明図。 従来技術における入射レーザ光とプラズマの説明図。 従来技術におけるレーザ光の強度と分光分布の説明図。

図１に本発明のレーザ駆動光源装置が示されていて、プラズマ容器１内には希ガス、水銀等のイオン性の放電媒体が封入されている。
このプラズマ容器１には、レーザ発振部１２からのレーザ光が集光レンズ１１によって集光されて入射される。
レーザ発振部１２は、レーザ共振器１３と、ポンピング器１４と、これに給電する給電装置１５、および、これを制御する制御部１６とが接続されている。

レーザ共振器１３は、部分反射鏡と全反射鏡からなる一対の反射鏡を有し、その内部の光路上にレーザ媒質が配置される。
レーザ共振器１３には、このレーザ媒質を励起するポンピング器１４が配置される。このポンピング器１４としては、レーザ媒質を励起させる光を供給するものが用いられ、例えば複数のレーザダイオード（ＬＤ）や、ランプなどが用いられる。
そして、ポンピング器１４には、制御部１６によって制御される給電装置１５が接続される。
制御部１６は、ファンクションジェネレータからの信号、例えば一定周期のサイン信号や矩形波信号などに応じ、給電装置１５からポンピング器１４への給電を調整する。ポンピング器１４は、給電装置１５からの給電に応じたエネルギーでレーザ共振器１３を励起する。

図２にプラズマ容器１の一詳細例が示されていて、プラズマ容器１は、セラミックス材料などからなる柱状の本体２と、その前後面に設けられた光出射窓３と、光入射窓４とからなる。
そして、この胴体部２の前面側には凹面反射面５が形成されるとともに、その中心にはこれを光軸方向に貫通するレーザ光通過孔６が穿設されている。このレーザ光通過孔６の後端側、即ち、入射側は面取りされてテーパー部６ａが形成されている。このテーパー部６ａは、集光されたレーザ光が光入射窓４を経て導入されてレーザ光通過孔６に導かれるときに、このレーザ光通過孔６の入射側で蹴られて遮断されるがないようにしたものである。
前記凹面反射面５は、放物線形状や楕円形状によって構成され、この実施例では放物線形の反射面として記載されている。この凹面反射面５には、アルミニウムなどが蒸着された金属蒸着膜や、あるいは、誘電体多層膜が被覆形成されている。

前記凹面反射面５の前方に設けられる光出射窓３は紫外光透過性であり、後方の光入射窓４はレーザ光透過性であって、ともに水晶、サファイア、石英ガラスなどの硝材からなる。
そして、外周面がメタライズされた光出射窓３は、弾性的なリング部材７と銀ロウなどによりロウ付けにより接合され、一方、本体２のメタライズされた前端部には金属筒体８がロウ付けにより接合されている。そして、前記リング部材７と金属筒体８とが、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接などにより溶接接合されている。これにより、本体２の前方開口に光出射窓３が取り付けられる。

また、同様に外周面がメタライズされた光入射窓４は、金属ブロック９にロウ付けにより接合され、本体２のメタライズされた後端部には金属筒体１０がロウ付けにより接合されていて、前記金属ブロック９と金属筒体１０とが溶接接合されている。これにより、本体２の後方開口に光入射窓４が取り付けられる。
このようにして組み立てられた本体２と、光出射窓３および光入射窓４とによってプラズマ容器１が構成され、その内部には密閉空間Ｓが形成され、該密閉空間Ｓ内には放電媒体としてキセノンガス、クリプトンガス、アルゴンガス等の希ガスや水銀ガスなどの発光ガスが発光波長に合わせて封入されている。

そして、レーザ発振部１２からのレーザ光は、集光レンズ１１によって集光されつつ、プラズマ容器１の光入射窓４から入射して、凹面反射面５の焦点位置Ｆに集光する。これにより当該焦点位置Ｆを中心としてプラズマが生成され、放電媒体が励起されて生じる励起光は、凹面反射面５により反射されて、光出射窓３から外部に出射されていく。

しかして、始動(点火)の際には、従来技術と同様に、図３に示すように、レーザ発振部１２からＣＷレーザ光を照射するとともにパルスレーザ光を重畳して照射し、パルスレーザ光の照射でプラズマ(火種)を発生させる。このプラズマ（火種）は、同時に照射されているＣＷレーザ光のエネルギーによって維持される。
本発明においては、このプラズマを維持するＣＷレーザ光の出力を制御するものであって、制御部１６によって給電装置１５が、所定のオン時間とオフ時間となるようにオンオフ制御されて、前記レーザ発振部１２からのＣＷレーザ光の出力が変調されている。
このオン時間は、数μsec〜数msecであって、オフ時間はプラズマが消滅しない時間となるように制御される。
なお、このオン時間は、パルスレーザ光のパルス幅が〜ｎｓ程度であることを勘案すれば、少なくとも１０００倍以上の幅を有するものである。
ところで、本発明では、間欠的にレーザ光を照射するものであるので、用語のみを勘案したとき厳密には「連続（ＣＷ）レーザ光」とはいえないかもしれないが、従来技術におけるＣＷ（連続）レーザ光を供給する場合に、オン時間とオフ時間を設けて間欠的に供給するものであって、本明細書では、これをパルスレーザ光との対比において、（ＣＷ）レーザ光の出力を変調すると表現しているものである。

このように、本発明においては、プラズマを維持するＣＷレーザ光の出力は変調されているものであるが、その効果について図４に基づいて説明する。
プラズマには間欠的にレーザ光が照射されているため、レーザ光が照射されていない時間（オフ時間）も入れてレーザパワーを平均すると、連続的に照射される場合と比べてその強度は低くなる。
つまり、照射されるレーザパワーをＰとして、レーザ光が照射されている時間（オン時間）をＴonとし、レーザ光が照射されていない時間（オフ時間）をＴoffとすると、平均エネルギーはＰa＝Ｐ×Ｔon／（Ｔon＋Ｔoff）となる。
このとき、オン時のレーザパワーＰは同じなので、プラズマ温度は同じとなり、プラズマからの発光スペクトルの形状は同じとなる。

ＣＷレーザ光のレーザパワーをＰとしたときのスペクトルにおける波長λ以下の領域の面積をＳ１、λ以上の領域の面積をＳ２とし、ＣＷレーザ光を変調したときの波長λ以下の領域の面積をＳ３、λ以上の領域の面積をＳ４とすると、
Ｓ１：Ｓ２＝Ｓ３：Ｓ４である。
即ち、例えば、λ＝２００ｎｍとしたとき、真空紫外領域（２００ｎｍ以下）と、それ以外の領域（２００ｎｍ以上）の面積比率は同様である。
このように、間欠的な入力とすることで、平均レーザパワーを小さくしても、大入力を連続的に入力するときに得られるスペクトルと同様なプロファイルを持ったスペクトルが得られる。

以上のように、平均レーザパワーを小さくすることで、レーザ発振部全体の装置大型化を抑制しつつ、所定の短波長の紫外線領域（例えば、真空紫外領域）の発光強度を効率的に増加させることができる。
換言すると、連続供給の場合（従来技術）と、間欠供給の場合（本発明）で、平均レーザパワーを同等としたときには、本発明の方が、紫外線領域が増加した発光スペクトルが得られることになる。
なお、始動(点火)の際のプラズマ（火種）生成用の点火源としては、上記パルスレーザ光以外に、プラズマ容器内に一対の電極を設け、この電極間に高電圧を印加して絶縁破壊させプラズマを発生させるものであってもよい。

以下、一実施例を挙げると以下の通りである。
プラズマ容器：合成石英ガラス製の管球（点火用電極付き）
封入ガス：Ｘｅ 10atm
使用レーザ：ファイバーレーザ（M2≒1.1、ビーム径φ14ｍｍ）
波長：1070ｎｍ
集光レンズ：f=40
レーザ出力：変調ＣＷレーザ、平均出力211Ｗ
（オン時間80μs、オフ時間80μs、ピーク値419Ｗ）

上記の本発明のレーザ駆動光源装置と、レーザとして出力212ＷのＣＷレーザ(無変調）を用いた比較例との比較を行った。
ＶＵＶ（波長160〜180ｎｍ）の出力は、スペクトル積算値で、比較例では9,770（任意単位：Arbitrary Unit：a.u.）であったのに対して、本発明では11,864であり、平均レーザ出力が同じであるにも拘わらず、ＶＵＶ出力は約1.2倍に増加した。

以上のように、本発明のレーザ駆動光源装置では、プラズマ容器内のプラズマを維持するレーザ光として、数μsec〜数msecのオン時間、及び、プラズマが消滅しない時間のオフ時間となるように出力が変調されたレーザ光を照射することで、平均レーザ出力が小さいにも拘わらず、大出力で得られるスペクトルと同様なスペクトルを得られて、レーザ発振部の装置の大型化を抑制しつつ、所定の短波長以下の紫外線領域の発光強度を効率的に増加することができる。

１ ：プラズマ容器
２ ：本体
３ ：光入射窓
４ ：光出射窓
５ ：凹面反射面
６ ：レーザ光通過孔
７ ：リング部材
８ ：金属筒体
９ ：金属ブロック
１０：金属筒体
１１：集光レンズ
１２：レーザ発振部
１３：レーザ共振器
１４：ポンピング器
１５：給電装置
１６：制御部
Ｓ ：密閉空間
Ｆ ：（凹面反射面の）焦点

Claims (3)

1. レーザ発振部と、放電媒体が封入されたプラズマ容器とを備え、前記レーザ発振部からのレーザ光を前記プラズマ容器内に集光してプラズマを生成するレーザ駆動光源装置であって、
   前記レーザ光は、数μsec〜数msecのオン時間、及び、プラズマが消滅しない時間のオフ時間となるようにオンオフ制御されてその出力が変調されていることを特徴とするレーザ駆動光源装置。
2. 前記レーザ発振部は、ポンピング器と、レーザ共振器と、これに給電する給電装置と、該給電装置を制御する制御部とからなり、
   前記制御部は前記給電装置を、数μsec〜数msecのオン時間、及び、プラズマが消滅しない時間のオフ時間となるようにオンオフ制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源装置。
3. 前記プラズマ容器が、凹面反射面を有する本体と、該本体の後方開口に設けられた光入射窓と、該本体の前方開口に設けられた光出射窓とからなり、
   前記本体と前記光入射窓と前記光出射窓によって密閉空間が形成されていて、該密閉空間内に前記放電媒体が封入されてなり、
   前記レーザ発振部からのレーザ光は、前記光入射窓から前記プラズマ容器内に導入されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ駆動光源装置。
   
   
   

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