JPH10509280A - 低コスト、高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザ - Google Patents
低コスト、高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザInfo
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Abstract
(57)【要約】
高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザ装置。我々はまず短いパルス存続時間を有するシードレーザビームを発生する。レーザ増幅器(24)は1011W/cm2を超える輝度レベルを発生するために緊密に焦点合わせされる増幅されたパルスレーザビームを発生するためにシードビームを増幅する。好適な実施例は1kWの範囲の平均出力を有する増幅されたパルスレーザビーム、より大きなスポツトの大きさを急速にシミユレートするように操縦され得る20μmにおいて1014ワツト/cm2を超える輝度レベルを有するパルスで12,000パルス/秒の平均パルス周波数を発生する。代替的に、(並列に配置された増幅器からの)幾つか(例えば、7個の)ビームが各々20μmに焦点合わせされかつ100〜200μmの有効スポツト大きさを作るように集団にされ得る。これらのビームはリソグラフイ用のX線源を作るのに有用である。
Description
【発明の詳細な説明】
発明の名称
低コスト、高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザ
発明の技術分野
本発明は、1995年7月18日にアメリカ合衆国特許第5434875号と
して発行されるような、1994年8月24日に出願された出願番号第08/2
95,283号、1994年11月15日に出願された出願番号第08/339
,755号および1995年4月27日に出願された出願番号第429589号
の一部継続出願である。この発明はレーザ装置に関し、特に高出力、高輝度のソ
リツドステートレーザ装置に関する。
発明の背景
X線リソグラフイ用の信頼し得る、経済的なX線源の要求が増大している。X
線源が幾つかの金属を非常に高い輝度のレーザパルスで照射することにより発生
され得ることは知られている。所定の輝度レベルは投射リソグラフイに関しては
1011ないし1013W/cm2また近接リソグラフイに関しては1013ないし1
015W/cm2の範囲にある。
代表的なX線リソグラフイ装置において、フオトレジストで被覆されかつ約3
0〜40ミクロンの厚さのX線吸収マスクで覆われる半導体ウエーハがマスクか
ら約20〜50cmに置かれた点X線源からX線が照射される。約20cmにお
いてスポツトの大きさは約100μm程度で、そして約50cmにおいてスポツ
トの大きさは一般的に大きくなり、300μm程度である。スポツトの大きさは
スポットを大きくしたときに生じる曇りと、スポツトを小さくしたときに生じる
干渉縞とを最小にするように選ばれる。現行のX線リソグラフイではチップ表面
において0.13ミクロン程度の解像度が必要とされている。
将来の工業用リソグラフイの要望に合う、平均のレーザ出力要求は投射に関し
て500ワツト、近接に関して1000ワツトである。加えてリソグラフイ工程
において約100μmないし数100μmのX線スポツト直径が必要とされる。
これらの要件に合うようにレーザを設計することは厳しい現行の問題を解決する
ことを伴う。最初の問題は熱ひずみおよびレーザロツド中の自己焦点合わせによ
る収差の補正である。この問題は現在これらの収差を除去するために振動ブリル
アン散乱(SBS)セルを利用することにより取り扱われている。SBSセル材
料は数ナノ秒またはそれ以上のレーザパルスで効果的に実施する。ナノ秒レーザ
パルスに関して、所定の輝度を達成するのに必要とされるエネルギはパルス当た
り10ないし30ジユールであり、また所定の出力を達成するのに必要とされる
反復率は100〜30ヘルツである。この高いパルスエネルギ設計はさらに2つ
の問題を引き起こす。所定の輝度および出力レベルで作動されるときソリツドタ
ーゲツト上に焦点合わせされるナノ秒パルスレーザにより発生される破片の量は
許容できない。(ルーサーフオードおよびCREOLによつてなされた研究は金
属ターゲツトからの破片レベルがパルスの存続時間に関連付けられたことを示す
。パルス存続時間が短ければ短いほど破片レベルが一層低くなる。)X線ターゲ
ツトとして固体キセノンを使用することにより破片を減少するという進行中の研
究プログラムがあるが、それは極めて早い段階でありかつコストが不確実である
。最後の問題はX線リソグラフイ装置のコストである。
X線発生で焦点合わせされるときナノ秒範囲のパルスはターゲツトが真空室中
に置かれないならばガス破壊を発生するかも知れない。真空室は複雑でかつ一般
的にはX線窓を必要とする。
フラツシユランプ作動のレーザは高い維持費を伴う。維持費は一般にダイオー
ドレーザで操作することにより減少され得る。残念ながら、1パルスあたり10
ジュールで100ヘルツのレーザに必要とされるレーザダイオードは数百万ドル
の費用を必要とする。ダイオード作動のソリツドステートレーザ装置は現在利用
し得る工業用レーザに対して効率、信頼性、簡潔性、EMI、音響雑音等の点に
おいて優れている。
必要とされるのは、X線リソグラフイの要求に合う、1)高平均出力および高
輝度、2)低い破片レベル、3)低い資本および維持費、を満足するレーザ装置
である。
発明の概要
本発明は高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザ装置を提供する。我々は
まず短いパルス存続時間を有するシードレーザビームを発生する。レーザ増幅器
はシードビームを増幅して1011ワツト/cm2以上の輝度レベルを有するパル
スを発生するためにしつかりと焦点合わせされる増幅されたパルスレーザビー
ムを発生する。好適な実施例は1kW程度の平均出力を有し、より大きいスポツ
トをシミユレートするように迅速に操縦され得る20μm直径のスポツトが1014
ワツト/cm2を超える輝度レベルを有するパルスでの12,000パルス/
秒の平均パルス周波数を有する、増幅されたパルスレーザビームを発生する。代
替的に、幾つかの(例えば、7個の)ビームが各々20μmに焦点合わせされる
ことができそして100〜200μmの有効なスポツトの大きさを作るように集
められる。これらのビームはリソグラフイ用X線源を作るのに有用である。
1つの好適な実施例において、シードビームは光電変調器によつて減少されて
いるパルスの周波数を有するダイオードアレイにより作動されるモードロツクN
d:YAG発振器において発生される。第2の好適な実施例において、シードビ
ームはQスイツチングされかつキヤビテイ減衰用のポツケルスセルを含む。第3
の好適な実施例において、シードビーム用の短い存続時間の高周波数パルスが短
いキヤビテイ共振器のキヤビテイ減衰によつて発生される。
好適なkW装置は1kHzの周波数で150psパルスを発生するようなNd
:YAGシードレーザを使用し、シードビームは前置増幅器において増幅されそ
して増幅されたビームは、ビームスプリッタによって7個の別個のビームに分割
され、その各々が7個の並列増幅器の1つに向けられる。増幅器の出力ビームは
532nmに周波数倍増されそして各ビームは銅ターゲツト上で20μmスポツ
トに焦点合わせされかつ20μmスポツトはより大きな約150μmのスポツト
を形成するように集められる。
本出願人の実験結果は、130mJ/p1064nmNd/YAGビームを周
波数倍増することにより発生される72mJ/p532nmビームを約5cmの
焦点距離で銅および鉄ターゲツト上に緊密な焦点合わせをすることで、良好なX
線を発生することを示す。これらの結果は約10パーセントのX線変換が532
nmで約130mJ/pにおいて得られることができることを示す。自己焦点合
わせによるレーザ結晶体への損傷は1064nmで250mJ/pのエネルギレ
ベル(結晶体中の)において観察されなかつた。
従来の高輝度レーザと比較して、我々はパルス存続時間を2次あるいは3次の
オーダーで減らすことで、詳しくは数nsから100psまたはそれ以下にまで
減少することにより、また、非常に小さいスポツト上に焦点合わせすることによ
り非常に高い輝度を達成した。短いパルス存続時間は、パルス当たりのエネルギ
が低い場合、大気圧のヘリウム雰囲気中においてビームの焦点あわせを行うこと
を許容する。真空室は必要ない。
図面の簡単な説明
第1図はX線リソグラフイに有用な高輝度パルスレーザビームを発生するため
の本発明の好適な実施例の主たる特徴を示す図面である。
第1A図、第1B図および第1C図は第1図に示した実施例の種々の段階にお
けるパルス形状の定性図である。
第2図は第1図の実施例の第1部分をより詳細に示す図面である。
第3図は第1図の実施例の第2部分をより詳細に示す図面である。
第4図は第1図に示した実施例にレーザダイオードを使用する場合の増幅器作
動構成を示す図面である。
第5図はしつかりと焦点合わせされたスポツトの集合を示す図面である。
第6図は第2の好適なシードレーザ装置の詳細を示す図面である。
第7A図および第7B図は第3の好適なシードレーザ装置の詳細を示す図面で
あり、それらはポツケルスセルをオンにすることの効果を示す。
第8図はパルスを倍増するための装置を示す図面である。
第8A図および第8B図は第8図に示した装置の入力および出力パルスの定性
図である。
第9図は並列増幅器アレイを利用する第2の好適な増幅器装置の概略図である
。
第10図は熱作用補償を有する4つの通過増幅器の構成を示す図面である。
第11図はX線の出力および効率の実験データを示すグラフである。
第12図は出願人によつて組み立てられた実験装置の図面である。
好適な実施例の詳細な説明
本発明の好適な実施例が第1図、第2図および第3図に関連して説明され得る
。第1図に示されるごとく、この実施例はモードロツクNd:YAGレーザ発振
器2、パルス間隔セレクタ20、ビーム拡張器22、偏光ビームスプリツタ26
、二重通過増幅器部分24および増幅器折り畳みミラー38が取り付けられるビ
ーム操縦PZT48からなる。増幅器24の出力は可動銅テープターゲツト27
上の小さいスポツトに焦点合わせされる。第2図は実施例における、大変短い存
続時間と高い反復率を有するパルスを発生するための、シードレーザのレーザ部
分を示す。第3図および第4図は、約20μm直径のスポツトの大きさについて
1014W/cm2の範囲の輝度レベルでパルスを有する約1kWの平均出力レベ
ルを有するパルスレーザビームを発生するためにパルスを増幅する増幅部分を示
す。そして最後に、第5図は金属ターゲツト上の500μm直径の円形区域にわ
たつて幾つかの20μmスポツトの集団を発生するためのビーム操縦機構の結果
を示す。
付加的な好適な実施例が第9図に示され、該実施例は短いパルスを発生するシ
ードレーザ、およびパルス当たりのエネルギを高めるための前置増幅器からなる
。該前置増幅器からの出力ビームは次いで増幅器アレイによつて増幅されるよう
に幾つかの平行なビームに分割される。増幅されたビームの各々は周波数倍増さ
れかつ周波数倍増されたビームはX線リソグラフイに必要とされる大きさのスポ
ツトを発生するために1群のしつかりと焦点合わせされたスポツトを形成すべく
金属ターゲツト上に焦点合わせされる。
第1の好適なシードレーザ
第2図はNd:YAGモードロツク発振器型レーザ装置2の略図である。Nd
:YAGの研磨されたロツド4(直径3mm、長さ2.5cm)が5バー衝突冷
却レーザダイオードアレイ6(SDL部品番号SDL3245−J5)によつて
長手方向に作動される。ダイオードポンプアレイは擬似CWでありかつ好ましく
は20%の効率係数(約200μmオンおよび800μmオフ)、50ワツト平
均で運転される。ダイオードアレイ波長はNd:YAGにおける強力な吸収に対
応する808nmである。ポンプダイオードの出力は筒状マイクロレンズ8のア
レイによつて平行にされる。迅速な焦点合わせレンズがNd:YAG結晶体4の
後端でポンプ光を集中させる。Nd:YAG結晶体4の後面は5mの曲率半径(
凸状)を有しており、研磨されかつ被覆で覆われることで、1064nm(Nd
:YAGレーザのレージング波長)で最大の反射(約99.8パーセント)かつ
808nm(ポンプ波長)で少なくとも85パーセントの伝達が可能となる。ポ
ンプ光は高い作動効率のために合計内部反射(光フアイバと同様)を介してレー
ザロツドに取り込まれる。Nd:YAGロツドの前面12は寄生発振を回避する
ために2度で切断され、また1064nmで最小の挿入損失となるようAR被覆
される。ブリユースター切断音響−光学モードロッカ(アメリカのブリムローズ
・コーポレイシヨン、モデルFSML−38−10−BR−1064)がそれら
がモードロツカを通過する度にすべての長手方向モードを能動的に一致させるよ
うに部分伝達ミラー16(出力カプラ)と並んで配置される。モードロツカのR
F搬送波周波数(f)およびレーザ共振器の光学的長さ(L)は以下のごとく、
すなわち、
f=c/4L
関連付けられねばならず、ここで、cは光の速度である。この実施例において、
我々は38MHzRFドライバ15によりモードロツカ14を駆動する。我々は
約6.5フイートのキヤビテイ長さを設ける。かくして、オン時間の間中76M
Hzでのモードロツクパルス列(音響−光学セルにおいて形成する定常波による
)が得られる。パルス存続時間は約100psでパルス当たりのエネルギは約0
.6μJである。200μsダイオードオン周期中のパルス間の時間間隔は約1
3nsである。各オン周期中我々は約15,200のこれらの非常に短いパルス
を得る。次いで我々は次の列の15,200の短いパルスの前に約800μSの
不感時間を有する。我々は各秒毎に1,000回のこれらのオフ−オンシーケン
スを有し、そこで結果は15,200の塊りとなるパルスにより秒当たり約15
,200,000の短い100psパルスの平均である。このパルス列の定性的
描写は第1A図に示される。急速なパルス列は各々200μsにわたつて広げら
れるパルス当たり約0.6μJのエネルギにより15,200のパルスを示しそ
して間隔は800μsの不感時間を示す。
パルス間隔セレクタ
後述されるごとく、我々は各パルスを0.6μJから約80mJに拡大し;そ
れゆえ、1kWの平均出力に関して我々は12,000パルス/秒のみを必要と
する。パルスの周波数を15.2百万/秒から12,000/秒に減少するため
に、我々はシードレーザを出ているビーム18の通路に第2図に示されるごとく
パルス間隔セレクタ20を配置する。この実施例において該パルス間隔セレクタ
20はコンオプテイクスによつて供給されるモデル305のごとき光電変調器か
らなる。このユニツトは60,000Hzの周波数で短い間隔(約10nsの存
続時間を有する間隔)の間中ビームからの光を通過させるような迅速シヤツタと
して機能する。パルスは13ns間隔でセレクタに到来しているので、パルスセ
レクタ(ビームと同期される)は単一のパルスを10ns毎に窓を通しかつ他の
すべてのパルスを遮断する。60,000Hzの我々の周波数において、我々は
それゆえ各200μsのオン周期に約12個のパルスを通過させる。我々は秒ご
とに1,000個のこれらのオン周期を有するので、我々は約12,000パル
ス/秒を得る。かくして、パルス間隔セレクタ20の出力は200μsの存続時
間にわたつて間隔が置かれた約12個のパルス(各パルスは約100psの存続
時間を有する)の塊りからなるパルス列でありそしてこれらの短いパルスの塊り
は1,000/秒の間隔で間隔が置かれている。これは12,000パルス/秒
の平均である。要約すると、パルス間隔セレクタの出力は以下の通りである、す
なわち
パルス存続時間 約100ps
パルス当たりのエネルギ 0.6μJ
パルス当たりのピーク出力 6kW
平均周波数 12,000/秒
平均出力 7.2mW
ビーム断面 0.07cm2
このパルス列の定性図は第1B図にグラフで示される。それは、オン周期中の
パルスの周波数が約1,260の係数により減少された以外、本質的に第1A図
に示した列と同一である。
ビーム拡張器
パルス間隔セレクタの出力は第2図に示される3:1ビーム拡張器22によっ
て約0.07cm2の断面から約0.6cm2の断面に拡張される。該ビーム拡張
器22はレンズの適切な組み合わせまたは1064nmNd:YAGビームのた
めに選ばれた幾つかの市場で入手し得るビーム拡張器からなる。ビーム拡張器2
2の出力は第1図に示されるごとく増幅器24に向けられる。
増幅器
この好適な実施例の拡大器24の要素は第1図に示される。2つの通過増幅が
第3図に示されそして我々の好適な作動形状が第4図に示される。増幅器はシー
ドビームエネルギをmJ/パルスレベルに高めなければならない。
第3図は増幅器作動装置以外の増幅器の主たる特徴を示す。第3図に示される
ごとく、ビーム拡張器21からの直線的に偏光させられたビーム21は薄膜偏光
ビームスプリツタ26を通ってかつ第1Nd:YAG増幅器ロツド28に次いで
半波長回転子30(熱的に誘起された二重屈折を解消するための)通って次いで
第2Nd:YAG増幅器ロツド32を通って次いで1/4波板34(90度だけ
出ていくビームの偏光を移動するための)を通過し、集光レンズ36(Ndロッ
ド中の熱的レンズィングを収集する)を通過し、そして高反射(HR)ミラー3
8から反射される。ビームは2つの通過増幅用増幅器24の要素を通って戻され
かつビームが焦点合わせされかつ第1図に示されるごとく金属ターゲツト27に
向けられる偏光ビームスプリツタ26から反射される。増幅器作動装置は第4図
に示される。この装置は808nm波長で約3kWの平均出力、20パーセント
の効率係数(200μsオン、800μsオフ)で作動する、50ワツト/モジ
ユール(公称)レーザダイオードアレイ40の64モジュールを含んでいる。こ
の実施例において16セツトが第4図に示されるように配置される(周部の方向
に示される4個および図示されない、直線方向に4個)。ダイオードレーザの出
力は筒状レンズ42によりNd:YAGロツド28および32に向けられそして
ロツドは第4図に示されるごとく水ジヤケツト44によつて水冷される。
増幅器24は入力ビーム(2XDL以下またはそれに等しい、ほぼ回折限定ビ
ーム)の良好な維持により入力ビームの1.3×105増幅を提供する。かくし
て、増幅器24の出力は以下の特性を有するパルスレーザビームである。
パルス存続時間 約100ps
パルス当たりのエネルギ 80mJ/パルス
パルス当たりのピーク出力 800MW
平均周波数 12,000パルス/秒
平均出力 1kW
ビーム直径 9mm
輝度(出力/パルス) 2.5×1014ワツト/cm2
(20μm直径スポツト)
増幅器の出力の定性図は第1C図に示される。それは、パルスが約133,0
00の係数によりエネルギ増幅される以外第1B図に示されたパルス列と本質的
に同一である。我々は次いでビームをターゲツト上で20μmのスポツトに焦点
合わせする。
近接リソグラフイ用X線源の好適な大きさは直径数100μm(例えば、50
0μm)ないし直径約1mmの範囲である。20μm直径パルスからシミユレー
トされた500μmスポツトは第5図に示される。上述した装置により適正なス
ポツトの大きさを達成するために、我々は種々のスポツト(例えば、500μm
区域50にわたつて広げられた多数の20μmスポツト52)でターゲツトに合
致するようにしなければならない。このことはこの実施例において第1図に示さ
れるごとく、所定区域にわたって僅かにビームを操縦する迅速2軸PZT48に
ミラー38を取り付けることにより達成される。
上記装置は非常に良好なX線変換を提供する。しかしながら、幾らか良好なX
線変換はより高い周波数ビームにより達成され得る。ローレンス・リヴモア・ラ
ボラトリーズの研究において、レーザ波長が1064nsのとき10パーセント
の変換効率が観察されたのに対して、レーザ波長が532ns(1064nsを
倍増)のとき15パーセントの変換効率が観察された。532nmでのより高い
X線変換効率を利用するために増幅器からの出力ビームに二重結晶体(図示せず
)が配置され得る。
第2の好適なシードレーザ
シードレーザ(ナノセカンド以下のパルス存続時間および1000パルス/秒
より高いシードレーザ)に対する追加のアプローチとしてQスイツチモードロツ
ク形状またはキヤビテイ減衰を有するQスイッチモードロック形状(第6図)に
することができる。μ−レンズ63を有するレーザダイオードアレイ61は好適
な実施例に記載されるようにNd:YAGロツド67の端部作動用レンズ65に
よつて焦点合わせされる。偏光器ビームスプリツタ71はレーザS偏光を反射し
て、前述されたごときモードロツカ75、音響光学Qスイツチ73、およびキヤ
ビテイ減衰用の1041FV−106および5046ドライバ(フアースト・パ
ルス・テクリロジーズ)のごときλ/4光電ポツケルス・セル69を含む組み合
わされたキヤビテイ(共振器)を形成する。
Qスイツチ73が共振器を損なうので、Ndロツドがレーザダイオードアレイ
61によつて作動されているときNdロツド中で利得が増加する。Qスイッチが
開くと、モードロックパルスが増加する。レーザ放射線はS偏光において高い共
振器QによりS偏光され、そして高い反射率のミラー77とNdロツド67の背
面上の高い反射率の被覆との間で共振器に取り込まれる。取り込まれたモードロ
ツクパルスがその最大強度に増加するので、ポツケルス・セル69はλ/4遅延
を付与するようにオンする。左方に伝搬するモードロツクパルスは、右方に伝搬
するパルスが変調器を出た後に生じるP偏光の結果として生じる2倍のλ/4の
遅延受ける。偏光器ビームスプリツタ71(P偏光を非常に透過する)は次いで
出力シードビーム79を提供するためにパルスを伝達する。このシードレーザは
第1図に示される発振器2およびパルス間隔セレクタ20に置き換えられ得る。
出力はビーム拡張器22に向けられ、ビーム通路の残りは第1図に示される。N
dに蓄えられた全部のエネルギが短いパルス(約100ps)出力ビームを発生
するのに使用されるので、数mJ/パルス(第1の好適なシードレーザに記載さ
れたような0.6μJ/pに対して)のエネルギがこの形状から得られることが
できる。
かかる装置の利点は次の2点、すなわちa)ソリツドステートレーザの自由運
転において引き起こされる典型的な緩和発振がQスイツチモードに存在しない、
およびb)蓄積された全エネルギがパルス当たり非常に高いエネルギを結果とし
て生じる所望のモードロツクパルス(不使用のレーザエネルギがない)に変換さ
れるので、利得と増幅器を通過するパルスを低減することができる。
第3の好適なシードレーザ
第3の好適なシードレーザの図面が第7A図および第7B図に示される。これ
は1000パルス/秒以上でナノセコンド以下のパルス存続時間のレーザビーム
を発生するシードレーザである。この装置においてレーザキヤビテイは高い反射
率のミラー91およびNd:YAG結晶体5の背面に塗布される被覆により形成
される。偏光ビームスプリツタ89および短く迅速なλ/2ポツケルス・セル8
7がキヤビテイ減衰を許容する。第7A図に示される発振ビーム97は偏光器8
9の方向により紙面においてP偏光される。高い電圧がポツケルス・セル87に
印加されるとき、該セルはビームの偏光を左方に90度(紙面に対して垂直)だ
け回転する。これが発生する度に、偏光ビームスプリツタ89が第7B図に示さ
れるごとく垂直偏光を反射する。結果は距離L(ポツケルスセル87と被覆83
との間の)の長さの2倍に等しいパルスが、発振器2およびパルス間隔セレクタ
20以外の第1図に示された装置であつても良い増幅器装置96に向けられる。
Lを2ないし4cmにすることは容易である。パルスの時間存続は、
t=2L/c
であり、ここでcは光の速度である。
ポンプビームはCWまたは擬似CWであつても良い。ポツケルス・セルドライ
バの反復率は出力パルス反復率を決定し、長さLはパルス存続時間を決定する。
結晶体長さが非常に小さいので、ポツケルス・セルは被覆83に近接され得る。
それゆえ、L=1.5cmにより、パルス存続時間は約100psの範囲に減少
され得る。
多重パルス
モードロックパルス列に対して高い反復率で単一パルスを発生するシードレー
ザに関して、我々は自己焦点合わせ限界(B−積分)および飽和作用の両方に合
致するためにパルス列を外部的に発生させる必要があるかも知れない。これは第
8図に示される多重装置を使用してなされ得る。この場合に各短いパルスは2X
パルス(Xは整数)のパルス列に複合され得る。シードレーザ(第8A図)から
の単一直線偏光パルスはビームスプリツタ80によつて2つのビームに分割され
、遅延(100ps<t<10ns)が反射されたビームに導入される。ミラー
82および84が遅延されたビームをビームスプリツタ86に向ける。第2遅延
通路である2tがミラー88および92によつて形成される。最終遅延列は最終
偏光器ビームスプリツタ94においてすべてのビームを再結合させてパルス列(
第8B図)を形成するようにλ/2波板90を有する。4t,8t等の追加の遅
延通路をパルス列中のパルスを増加させるために追加することもできる。
幾つかの装置は2つのレーザパルスが同一のスポツトで正確にターゲツトに合
致しない(X線の消滅を回避またはより大きいX線スポツトを投射するために)
ことを必要とするかも知れない。これはビームの僅かな角度的誤配列を有する同
様な複合装置により達成され得る。
第2の好適な増幅器装置
第9図は出願人および彼らの同僚の作業員等により作られた第2の好適な増幅
器装置を示す。シードレーザ200は我々の第2の好適なシードレーザとして記
載されたシードレーザと同一である。それは約1mJ/pおよび約150psの
存続時間のパルスを発生する。シードレーザは20パーセント効率係数でダイオ
ード作動されるので、それは約1000Hzで作動する潜在能力を有する。増幅
器からの効率的なエネルギ抽出である約250mJ/pを得るために我々は約1
0mJ/p程度の入力ビームを必要とする。それゆえ、前置増幅器202(上記
された増幅器と一致し得る)が必要とされる。ビームスプリツタ204は7個の
ダイオードで作動される並列の増幅器アレイに前置増幅器出力を分割する。
出願人等によつて作られかつ第10図に詳細に示されるダイオード作動の増幅
器208は熱補償用の2つのヘツドから構成される。各ヘツドは約2.5kWの
ピーク出力で作動される。Nd:YAGロツドが直径6.3mmおよび長さ約4
cmである(2つのヘツドを通る単一通過増幅は約5である)。4つの通過増幅
器208が利得およびこの増幅器を最大にするために構成された。水平偏光入力
ビームが偏光スプリツタ(PBS)220を通過し、フアラデイ回転子222に
おいて+45度の回転をかつ半波板224において−45度の回転を受ける。水
平偏光ビームは熱ひずみ副屈折補償のために90度の回転によりNd:YAGロ
ツドにおいて増幅されるようにPBS226を通って進む。負のレンズ236は
熱レンズ補償にそして1/4波板234はミラー238からの戻りビーム用の9
0度回転に使用される。垂直偏光ビームはNd:YAGロツドにおいて第2通過
増幅を受ける。ビームは次いでPBS226から反射しそして第3および第4通
過に関してミラー240により反射される。右方から到来する水平偏光ビームは
PBS226を通過し、波板224により+45度の回転、かつフアラデイ回転
子222において追加の+45度の回転を受ける。今や垂直に偏光されたビーム
は増幅器モジユールから出るようにPBS222から反射する。
7個の増幅器208の各々からの出力は非直線結晶体210において532に
倍増されかつ第9図に示されるごとく個々のビームからの焦点の塊りから構成さ
れる、ターゲツト上に、有効なスポツトの大きさを形成するために互いに僅かな
角度で操縦される。
実験結果は532nmで約150mJ/pが近接リソグラフイの高いX線変換
効率に必要とされることを示す。加えて、出願人等は約6mmの直径のNd:Y
AGロツド中において1064nm約250mJ/p(532nmで約150m
J/p)の短いパルスが自己焦点合わせまたは使用される光学系に対して他のど
のような損傷も発生しないことを示した。
実験結果
本発明の利点を示すために、我々は第12図に示されるごとく第2の好適なシ
ードレーザ、第2の高調波発生器、4つの通過増幅器、および金属ターゲツト室
を使用する実験Nd:YAG装置を作った。シードレーザ2(第6図に示されか
つまた第12図にブロツク形状で示される)の出力は約125psの存続時間の
短いパルスである。増幅器103は工業用Nd:YAGレーザ(ルノニクス社、
モデルHY400)からのみのレーザヘツドである。増幅器は単一のフラツシユ
ランプ104および2つのNd:YAGロツド102からなる。我々は4つの通
過増幅器としてレーザヘツドを使用する。シードビームは該シードビームが拡張
し、増幅器の開口を満たすことができるように凹レンズ96によつて僅かな拡散
を受ける。偏光器ビームスプリツタ(PBS)98はP偏光シードビームを伝達
し、Nd:YAGロツドにおいて増幅されたビームが次いでL/4波板106(
ミラー108は反射率の高いミラーである)を通る二重通過において90度偏光
回転を受ける。Nd:YAGロツドを通る第2増幅通過後、今やS偏光されたビ
ームは第2ロツドを通る2つ以上の増幅通過に関してPBS98、図示の2つの
ミラーおよびPBS100から反射する。増幅されたビームは1064nmから
532nmへKTP非直線結晶体112によつて2倍にされる。我々はグリーン
(532)に対して55パーセントの変換を獲得する。残りの1064nmは2
色性ミラー110から吸収面(減衰)114へ反射される一方532nmは2色
性ミラーを通って伝達される。ビームは次いでステツパモータによつて回転する
金属ターゲツト1上の10ミクロン直径のスポツト上に最良の焦点レンズ116
(5cmの焦点距離)によつて焦点合わせされる。ターゲツトは真空にされかつ
600torrのヘリウムガスで充填される気密封止室中に封入される。X線出
力はX線リソグラフイに関するIBM標準に較正されたX線ダイオード120に
よつて検出される。上述した装置はフラツシユ増幅器の反復率限界による10H
z最大で作動することができる。シードレーザ単体では1kHzの反復率を超え
ることができる。我々はステンレス鋼において約7パーセントかつ銅において約
3.5の2πステラジアンにX線(1ないし1.5nmの波長)変換効率を示し
た。第11図は、より高いパルスエネルギでより高い効率への見込みのある傾向
を示す銅ターゲツトからの実験データを示す。1064nmにおいて我々は装置
へのどのような損傷もなしに250mJ/p以上にパルス当たりのエネルギを増
加することができ、そして適切な倍増により、我々は532nmビームをほぼ1
30mJ/pに増加することができる。上述した実施例に関連して示されたごと
く、将来の装置はこの実験装置の10Hzより遙に大きいパルス率を有する。
上記説明は多くの特殊性を包含するけれども、読者はこれらを本発明の範囲の
限定として解釈すべきでなく、それらはその好適な実施例の単なる例示である。
当該技術に熟練した者は本発明の範囲内にある多くの他の可能な変形を想像する
。
例えば、第1の好適なシードレーザにより、我々は100psより非常に短い
パルス存続時間を選ぶことができる。これらは音響−光モードロツカに代えて受
動飽和可能な吸収体を使用して得られることができる。飽和可能な吸収体により
我々はフエムトセコンド(10-15秒)のパルスにすることが可能である。我々
の信じるところでは100psのパルスの利点は、短いパルスがプラズマを発生
するが、そのプラズマによる熱の影響がほとんどないということである。パルス
当たりのエネルギは対物レンズがターゲツトから約12cmであるとき80mJ
/p(またはそれ以上)の範囲にあることが必要である。少なくとも12cmの
距離がターゲト材料によるレンズの汚染を回避するのに推奨される。しかしなが
ら、この距離が減少されるならば所定のパルス当たりのエネルギは我々がより小
さいスポツト上に焦点合わせすることができるためしたがつて減少され得る。そ
のようにすることにより我々は約10mJ/パルスと同じ位の低さに約80mJ
/パルスからパルス当たりのエネルギの要求を減少することができる。
プレパルス形状がX線発生をさらに改善するのに使用され得る。第1レーザパ
ルスはプラズマを発生するようにターゲツトに衝突しかつ大部分のレーザパルス
が次いで短い時間ターゲツト上の同一スポツトに衝突しその後さらに効果的なX
線発生のためにプラズマを加熱する。
ソリツドステートレーザを作動するためのレーザダイオードのコストはピーク
出力要求により主として支配されかつこれはダイオードバーの数を決定する。バ
ーを20パーセントという比較的高い効率係数で作動しかつ多数のパルス/秒を
発生することにより、我々はダイオード作動装置の初期コストを最小にすること
ができる。例えば、1kWの装置はポンプダイオードから3kWの平均出力を要
求するかも知れず、20パーセント効率ダイオードアレイ装置は15kWのピー
ク出力を要求する。バー当たり700ドルの50ワツトピークバーを使用すると
、装置は210,000ドルのコストとなる。比較において、1パーセント効率
係数装置は300kWのピーク出力を要求する。そのコストは4,000,00
0ドルとなる。効率係数を20パーセント以上に増加すると、CWへのすべての
方法は実現可能であるが、すべての要因(装置寿命および複雑さを含む)をバラ
ンスさせると、我々は20パーセント程度の効率係数を好む。当該技術に熟練し
た者はフラツシユランプ作動装置がダイオード作動装置に取って代わり得ること
を認めるだろう。
Nd:YAG以外の材料としてソリッドステート材料がホスト材料となり得る
。例えば、Nd:YLF,Cr:LiSAF,Ti:S等が使用され得る。シー
ドビームをmJ/パルスレベルに高めるのに必要とされる増幅は非常に高い利得
または多重通過により満足され得る。8個までの通過が受動構成要素により達成
されることができかつ極めて多数の通過が革新的な増幅器において達成され得る
。操縦ミラーは、20μmスポツトのごとき、所望されるスポツトの大きさの塊
りを発生するのに適切である反射要素にすることも可能である。
第1の好適なシードビームパルス列周波数は10MHz〜200MHzまたは
それ以上の範囲にすることができる。平均周波数の幾らかの妥協によりパルス/
秒の数は約1,000Hzに減少され得る。
増幅器はスラブまたはロツド設計からなることもできる。ソリツドステート材
料がNd:YAG以外のホスト材料になり得る。例えば、Nd:YLF,Cr:
LiSAF,Ti;S等が使用され得る。シードビームをmJ/パルスレベルに
高めるのに必要とされる増幅は高い利得または多重通過により満足され得る。8
個までの通過が受動要素によりなされることができそして非常に多数の通過が革
新的な増幅器においてなされることが可能である。増幅器中の操縦ミラーは、2
0μmスポツトのごとき、所望されるスポツトの大きさの塊りを発生するのに適
する反射要素にすることができる。
第1の好適な実施例に関連して、パルス間隔用の光電変調器の代わりに、キヤ
ビテイ減衰または同様な光学回転遮断機のごとき装置に置き換えることも可能で
ある。パルス間隔装置は多くの用途において記載された好適な実施例におけるよ
うに第1の好適なシードビームにおいて99パーセント以上のようにパルスの非
常に大きなパーセンテージを除去する;しかしながら、我々はパーセンテージ除
去が80パーセントと同じ位低いかも知れない用途を想像する。
ピコセコンドパルス装置における低い破片発生に加えて、また、ヘリウムの破
壊(破壊はパルス存続時間の強力な作用である)なしに大気ヘリウム中にターゲ
ツト室を有することができ、それは外界へのX線伝達窓を簡単化し、かつさらに
ターゲツトからの破片による汚染を減少する。
X線リソグラフイに加えてこの開示に記載された装置に関してはX線顕微鏡検
査、生物学/放射線生物学、微小電気機械装置製造、通常の電子衝撃源に代わる
ような明るいX線源、セルおよびDNAX線結晶学、材料汚染検出用X線発光、
レーザ除去技術等のごとき幾つかの他の潜在的な用途がある。
したがつて読者は、付与された例によつてでなく、添付の請求の範囲およびそ
れらの適法な同等物によつて本発明の範囲を決定することが要求される。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),JP,KR,SG
(72)発明者 フォスター,リチャード・エム
アメリカ合衆国 カリホルニア,マンハッ
タン・ビーチ,エイス・ストリート 325
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.高平均出力、高輝度ソリツドステートパルスレーザ装置において、 a)1000パルス/秒を超えるパルス周波数で各パルスが1ns以下の存続 時間を有する第1パルスレーザビームを発生するためのシードレーザ副装置手段 と、 b)前記第1パルスレーザビームを増幅して高い周波数のパルスを有する増幅 されたパルスレーザビームを発生するためにするためのレーザ増幅手段で、前記 増幅されたパルスレーザビームが10ワツトを超える平均出力を有するレーザ増 幅手段と、 c)前記増幅されたパルスレーザビームをターゲツト上の小さいスポツトの大 きさに焦点合わせするための焦点合わせ手段で、前記スポツトの大きさが1011 W/cm2を超える輝度レベルを発生するのに十分小さいことを特徴とする焦点 合わせ手段と、 からなることを特徴とする高平均出力、高輝度ソリツドステートパルスレーザ装 置。 2.前記シードレーザ副装置手段が前記第1パルスレーザビームを発生するた めにレーザビームのパルスの80パーセント以上を除去するためのパルス間隔セ レクタ手段を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のパルスレーザ装 置。 3.さらに前記小さいスポツトより大きいスポツトの大きさをシミユレートす るように前記ターゲツトに対して前記増幅されたパルスレーザビームを急速に操 縦するためのビーム操縦手段を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載 のパルスレーザ装置。 4.前記ビーム操縦手段がミラーに取着されたPZTを有することを特徴とす る請求の範囲第2項に記載のパルスレーザ装置。 5.前記ビーム操縦手段が前記増幅されたパルスレーザビームに対して前記タ ーゲツトを動かすための手段を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載 のパルスレーザ装置。 6.レーザ手段がモードロツクレーザビームを発生するためのモードロツク手 段を有するモードロツクレーザ発振器を備えていることを特徴とする請求の範囲 第2項に記載のパルスレーザ装置。 7.前記モードロツク手段が音響−光学モードロツカであることを特徴とする 請求の範囲第6項に記載のパルスレーザ装置。 8.前記パルスセレクタ手段が光電変調器を有することを特徴とする請求の範 囲第2項に記載のパルスレーザ装置。 9.前記レーザ増幅器手段がポンピング手段によつて作動される多重通過Nd :YAGレーザ増幅器を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のパル スレーザ装置。 10.前記ポンピング手段が複数のレーザダイオードアレイを有することを特 徴とする請求の範囲第9項に記載のパルスレーザ装置。 11.前記ポンピング手段がフラツシユランプを有することを特徴とする請求 の範囲第9項に記載のパルスレーザ装置。 12.前記レーザ増幅器手段が複数のレーザダイオードアレイによつて作動さ れるNd:YAG研磨ロツドを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載 のパルスレーザ装置。 13.前記レーザダイオードアレイがCW作動するようにプログラムされるこ とを特徴とする請求の範囲第12項に記載のパルスレーザ装置。 14.前記複数のレーザダイオードアレイが100パーセント未満の効率係数 で作動するようにプログラムされることを特徴とする請求の範囲第12項に記載 のパルスレーザ装置。 15.前記効率係数は約20パーセントであることを特徴とする請求の範囲第 14項に記載のパルスレーザ装置。 16.前記増幅されたパルスレーザビームは一連の周期的に間隔が置かれた高 い周波数のパルスからなることを特徴とする請求の範囲第15項に記載のパルス レーザ装置。 17.さらに前記小さいスポツトでの照射時X線の発生のためのターゲツトを 有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のパルスレーザ装置。 18.前記ターゲツトが金属から構成されることを特徴とする請求の範囲第1 7項に記載のパルスレーザ装置。 19.前記金属が銅および鉄から構成されるグループから選ばれることを特徴 とする請求の範囲第18項に記載のパルスレーザ装置。 20.前記シードレーザ副装置は共振器を画成しかつQスイツチからなるモー ドロツクレーザを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のパルスレー ザ装置。 21.前記Qスイツチが通過当たり10を超える利得を有する高利得Qスイツ チでありそして前記共振器が4インチより短い共振器であることを特徴とする請 求の範囲第20項に記載のパルスレーザ装置。 22.前記シードレーザ副装置がさらにキヤビテイ減衰器を有することを特徴 とする請求の範囲第20項に記載のパルスレーザ装置。 23.前記シードレーザ副装置が反射側を有するレーザ結晶体、λ/2ポツケ ルス・セルおよび偏光器ビームスプリツタからなりかつ前記反射側と前記ポツケ ルス・セルとの間の距離である長さLを定義することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のパルスレーザ装置。 24.前記長さLが4cmより大きくないことを特徴とする請求の範囲第23 項に記載のパルスレーザ装置。 25.前記長さLが2cmより大きくないことを特徴とする請求の範囲第24 項に記載のパルスレーザ装置。 26.前記レーザ増幅器が作動波長を定義しかつ前記シードレーザ副装置が前 記レーザ増幅器の作動波長に整合される波長を有するパルスレーザビームを発生 するレーザダイオードを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のパル スレーザ装置。 27.高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザ装置において、 a)高いパルス周波数を持つ第1パルスレーザビームを発生するためのモード ロツクNd:YAGレーザ発振器と、 b)1000パルス/秒を超える一連の周期的に間隔が置かれた高い周波数パ ルスからなる第2パルスレーザビームを発生するために前記ビーム中のパルスの 80パーセント以上を前記第1パルスレーザビームから除去するためのパルス間 隔セレクタ手段と、 c)前記拡張されたパルスレーザビームを増幅して、約1kWの範囲の平均出 力と高い周波数パルスを有する増幅されたパルスレーザビームを発生するための 、多重通過、ダイオード作動の、Nd:YAGレーザ増幅器手段と、 e)前記増幅されたパルスレーザビームをターゲツト上の小さいスポツトの大 きさに焦点合わせするための焦点合わせ手段で、前記スポツトの大きさが1011 W/cm2を超える輝度レベルを発生するのに十分小さいことを特徴とする焦点 合わせ手段と、 からなることを特徴とする高平均出力、高輝度ソリツドステートレーザ装置 28.さらに、前記小さいスポツトより大きいスポツトの大きさをシミユレー トするように前記ターゲツトに対して前記増幅されたパルスレーザビームを急速 に操縦するためのビーム操縦手段を有することを特徴とする請求の範囲第27項 に記載のパルスレーザ装置。 29.さらに、増幅されたビームの周波数を増加するために前記増幅されたビ ームに配置される周波数増加手段を有することを特徴とする請求の範囲第1項に 記載のパルスレーザ装置。 30.前記周波数増加手段が高調波発生器であることを特徴とする請求の範囲 第28項に記載のパルスレーザ装置。 31.前記シードレーザ副装置がソリツドステート結晶体、モードロツカ、Q −スイツチ、迅速光電遅延器、および偏光ビームスプリツタからなることを特徴 とする請求の範囲第1項に記載のパルスレーザ装置。 32.前記迅速光電遅延器がポツケルス・セルであることを特徴とする請求の 範囲第31項に記載のパルスレーザ装置。 33.前記シードレーザ副装置手段がダイオード作動のソリツドステートレー ザからなることを特徴とする請求の範囲第31項に記載のパルスレーザ装置。 34.前記シードレーザ副装置手段がソリツドステートサブナノセコンドパル スレーザおよびパルス列マルチプレクサからなることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のパルスレーザ装置。 35.前記パルスレーザがNd:YAGレーザであることを特徴とする請求の 範囲第34項に記載のパルスレーザ装置。 36.高平均出力、高輝度ソリツドステートパルスレーザ装置において、 a)高いパルス周波数を有する第1パルスレーザビームを発生するためのモー ドロツクNd:YAGレーザ発振器と、 b)1000パルス/秒を超える一連の周期的に間隔が置かれた高い周波数の からなる第2パルスレーザビームを発生するために前記ビーム中のパルスの80 パーセント以上を前記第1パルスビームから除去するためのパルス間隔セレクタ 手段と、 c)前記拡張されたパルスレーザビームを増幅して、約1kWの範囲の平均出 力と高い周波数パルスを有する増幅されたパルスレーザビームを発生するための 、多重通過、ダイオード作動の、Nd:YAGレーザ増幅器手段と、 e)前記増幅されたパルスレーザビームをターゲツト上の小さいスポツトの大 きさに焦点合わせするための焦点合わせ手段で、前記スポツトの大きさが1011 W/cm2を超える輝度レベルを発生するのに十分小さいことを特徴とするパル スレーザ装置と、 からなることを特徴とする高平均出力、高輝度ソリツドステートパルスレーザ装 置。 37.さらに、前記小さいスポツトより大きいスポツトの大きさをシミユレー トするように前記ターゲツトに対して前記増幅されたパルスレーザビームを急速 に操縦するためのビーム操縦手段を有することを特徴とする請求の範囲第27項 に記載のパルスレーザ装置。 38.高平均出力、高輝度ソリツドステートパルスレーザ装置において、 a)1ns以下の存続時間を有するパルスで500Hz以上かつ5000Hz 以下の周波数を有する第1パルスレーザビームを発生するためのシードレーザ副 装置手段と、 b)前記第1パルスレーザビームを複数の分割されたパルスレーザビームに分 割するためのビーム分割器手段と、 c)複数の増幅されたパルスレーザビームを発生するために前記複数の分割さ れたパルスレーザビームの各々を増幅するための並列に配置された複数のレーザ 増幅器と、 d)X線源を発生するために前記複数の増幅されたパルスレーザビームをX線 発生ターゲツト上の小さいスポツトの塊りに焦点合わせするための焦点合わせ手 段と、 からなることを特徴とするパルスレーザ装置。 39.前記シードレーザ副装置手段が前記第1パルスレーザビームを発生する ためにパルスレーザビームを増幅するためのパルスレーザ前置増幅器を有するこ とを特徴とする請求の範囲第38項に記載のパルスレーザ装置。
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