パルス軟Ｘ線光源とその応用

Development and Application of Pulsed Soft X-Ray Source

高杉 恵一

量子科学フロンティア ２０１５年１１月５日

光のエネルギーと波長

hchE

]eV[

1024.1]m[

6

E

話 題

• 自己収縮するプラズマ

• EUVリソグラフィ

• 軟Ｘ線顕微鏡

効率のよいエネルギー変換システム

次世代半導体リソグラフィ光源

生体組織を生きた状態で観察

１．自己収縮するプラズマ

プラズマ状態

身の回りのプラズマたち

落雷 ネオン管

炎

宇宙のプラズマたち

太陽 Ｈａｌｅ-Ｂｏｐｐ彗星

オーロラ

プラズマに共通した性質

• 温度が高い

• 電気伝導度がよい

• 流動性が高い

⇒ しゃへい（空間的・時間的）

⇒ 磁力線の凍りつき

⇒ ピンチ効果

自己収縮するプラズマたち

落雷 スパーク

かに星雲

電流のつくる磁場

J

B

100 kAの電流のつくる磁場

r (mm) B (T) B2/2m0 (Pa)

100

10

1

0.1

0.2

2

20

200

1.6×104

1.6×106

1.6×108

1.6×1010

1 atm = 105 Pa

Ｚピンチへのエネルギー入力

r

I

dt

rdm

m

2

2

0

2

2

a

RI

dt

drmln

22

2

0

2

m

プラズマの半径方向の運動方程式は

プラズマに入る運動エネルギーは

電流２乗のスケーリングが得られる

入力エネルギー

電流 エネルギー

200 kA 180 J

2 MA 18 kJ

20 MA 1.8 MJ

[mm] 10 [mm], 1 [mm], 10 aR

SHOTGUN Ｚピンチ装置

電流波形と軟Ｘ線、ＥＵＶ光

Ｚピンチプラズマの収縮過程

ホットスポットの発生

Johansson型結晶分光器を用いた軟Ｘ線分光測定

軟Ｘ線スペクトル

軟Ｘ線の発生機構

• Ｈｅ様共鳴線 (1s2p – 1s2)

基底状態からの衝突励起

• Ｌｉ様サテライト線 (1s2p2 – 1s22p)

Ｈｅ様イオンからの二電子性再結合

ＥＵＶ領域の分光測定

ArイオンのＥＵＶスペクトル

SnイオンのEUVスペクトル

Xe Ｚピンチ

Xe 100% He:Xe=500:1

Ｚピンチプラズマからの軟Ｘ線放射

• ホットスポット

⇒高温のプラズマから放射されるHe様イオン線

• バルクプラズマからの放射

⇒持続時間の長いＥＵＶ領域のスペクトル線

• 雲状構造

⇒周囲の金属蒸気から放射されるＫα線

軟Ｘ線放射の空間構造

軟Ｘ線の応用

• 次世代半導体リソグラフィ

⇒波長13 nmにおける単色光源

• Ｘ線顕微鏡

⇒Water Window（2.3-4.4 nm）における光源

• 新物質の構造解析

⇒波長（1-10Å）における単色光源

２．ＥＵＶリソグラフィ

半導体ロードマップ

EUV

13.5 nm

ArF

193 nm

KrF

248 nm

50 65 70 80 90 107 MPU(nm)

45 65 70 80 90 100 DRAM(nm)

2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003

液浸露光技術

2012 2013

ITRS2003（International Technology Roadmap for Semiconductors）

国際半導体技術ロードマップ

35 32

35 32

プロセッサーと半導体プロセス

EUV露光システム

EUVリソグラフィの光学系

LPP方式とDPP方式の比較

３．軟Ｘ線顕微鏡

軟Ｘ線の吸収

Water Window

• エネルギー280～540 eV（波長2.3～4.4 nm）

の光はOよりもCで強く吸収を受ける。

水中で有機物が際立って観測されるため、

水の窓（Water Window）とよばれる。

軟Ｘ線を用いた組織の観察

課 題

• H、CおよびOのエネルギー500 eVの光に対

する吸収断面積は表のようになっている。水

H2Oおよびポリエチレン(CH2)nの半価層（透

過率が半分になる厚み）を求めなさい。ただ

し、質量密度はそれぞれ1.00および0.90

[g/cm3]である。

元素 断面積 [cm2]

H 1.14×10-22

C 2.68×10-19

O 3.82×10-20

蛇足

xne

nx

2ln

Ｘ線の透過率は標的の数密度n、断面積、距離をxとしたとき

これが1/2になるｘが半価層である

蛇足２

OHOH 22

Aun

水分子H2Oの断面積はHおよびOの断面積をHおよびOとしたとき

数密度nは質量密度、分子量A、質量単位uとしたとき

最後に

• この講義の資料はホームページ上に置いておきます こちらからアクセスしてください

http://sg2.phys.cst.nihon-u.ac.jp/

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