2016 Fiscal Year Annual Research Report
レーザー駆動極端紫外（ＥＵＶ）光源による対材料耐力試験の可能性の実証
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16J40173
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
田中 のぞみ 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 特別研究員(RPD)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | EUV光源 / デブリ抑制 / 表面改質 / EUV光モニタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で用いているEUV光源はレーザー駆動Xeプラズマから放射されるEUV領域の光を回転楕円鏡1枚で集光していた。この場合光源や集光系由来のデブリがサンプル上に堆積し、EUV光利用の研究を応用に進めていくにあたり大きな障害となっていた。そこで2枚の回転楕円鏡と、中間集光点が通過するピンホール板を用いた集光系を新たに採用することにした。集光されたEUV光でSiサンプルをアブレーション、対向にデブリ粒子検出板としてサファイア(Al2O3)を設置し、元素の存在比を求めた。従来の光学系ではデブリが全体の70%を占めていたのに対し、本研究で構築した光学系では有意なデブリは検出されなかった(<0.01%)。
材料耐性試験装置としては、EUV光パラメータの制御と記録が必要であるため、市販の写真白黒印画紙が紫外線に対して強く感光する特性を利用し、EUV光を白黒印画紙に照射してバーンパターンを記録、2次元等高線図により数値化する段階まで研究を進めた。EUV光により十分感光し、かつコントラストが得られることから、EUV光モニタとしての可能性が示された。
議論の対象とする材料中領域の指針を示し、EUV光特有の特性を確認するため、表面に金属ナノ粒子を担持したポリマー材料にEUV光を照射し、表面状態の変化を従来光照射の場合と比較した。EUV光照射の場合のみ薄いワインレッド色の変色が見られ、担持されたナノ粒子の粒径拡大が確認された。粒径の拡大によって表面プラズモン共鳴が発現し変色が起こったと考えられる。同フルエンスで248 nm、1064 nmで照射したサンプルには変色や粒径変化が確認されなかった。EUV光の吸収長は230 nm程度であり、表面から極浅い領域にエネルギーが集中付与される一方、他の波長の光はPDMSへの吸収が非常に少ないため、表面近傍へのエネルギー付与が殆ど無く、変化が起こらなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
EUV光源と照射系におけるデブリ抑制はEUV光を応用利用する上で一つの大きな要となる。新たに2枚の回転楕円鏡とピンホール板を用いたEUV集光系を考案したが、新しい光学系導入に際し、集光特性やエネルギーの低下が懸念された。しかし光線追跡計算の結果や実験により、実験に十分なエネルギーのEUV光(<30 mJ)を集光することができた。更に従来は金や銅などのデブリが全体の70%をも占めていたのに対し、本研究で考案した光学系では有意なデブリは検出されなかった(<0.01%)ことから、相当のデブリ抑制効果が得られたと評価できる。以上より、EUV光と同じ軌道を取る反射およびスパッタ粒子が存在することから、当初計画では磁場やガスカーテンとの併用が必要となる可能性も懸念していたが、劇的な清浄度改善が得られ、かつサンプル位置で十分なEUV光エネルギーを得られたため、当初計画で期待した以上の進展が得られた。
EUV光照射スポットのモニタに関しては、当初フィルター上に投影されるEUVスポットのX線ピンホールカメラによる撮像や、LiF結晶などの利用も視野に入れていたが、通常Nd:YAGレーザーのバーンパターン記録に用いている白黒印画紙が、蛍光灯の紫外線に感光することに着目し、EUV光モニタへの応用を着想した。結果、必要十分なコントラストが得られ、2次元等高線図で数値化することに成功し、EUV光照射スポットの記録方法の簡略化と低コスト化となったため、当初の計画以上の進展が得られたと言える。
金属ナノ粒子担持ポリマー材料の表面改質に関する研究により、従来の赤外から可視光源との比較においてEUV光を照射した材料界面の詳細観測から、EUV光による表面処理における光化学、熱伝搬ならびに材料相互作用プロセスを理解するための研究手法を開発できたことは当初計画に沿った進展であったと評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本EUV光源におけるEUV光(10-20 nmの連続光)に対する白黒印画紙の感度校正を行う。フィルムの黒化度と、照射するEUV光のエネルギーとの相関をとり、フィルムのガンマ曲線に相当する校正曲線を導く。また、ショット数に対する依存性も明らかにする。EUV光集光の原理上、照射スポットは扇型になることは必至であるため均一な照射スポットは実現できない。従ってこの方法によりEUV光の空間的エネルギー分布を求めることで照射パラメータを定量評価することが可能になる。同時にEUV光のエネルギーの制御が必要となる。光源に照射する駆動レーザーの照射強度を変化させると、放射されるEUVスペクトルが変化してしまうため、放射されたEUV光を制御する方が好ましい。光線追跡計算により考案したEUV光路を一部塞ぐ方法を実験的に試験し、極力EUVスペクトル形状を変化させないエネルギー制御法を確立する。
現実にEUV光環境にある有機材料としてポリイミドなどの有機材料へのEUV光照射に着手する。EUV光照射によるポリマー鎖の切断などにより材料の劣化が表面近傍に集中して起こることが予測され、それによる変形や破損、断熱効果の低下などがEUV光により促進されるのかを明らかにする為、マクロ的物性の分析を中心に分析手法を確立する。
宇宙環境や高温プラズマ環境において考えられる代表的な負荷として、放射熱と粒子の相乗効果が考えられる。ヒーターやレーザーによる熱負荷、高速粒子によるスパッタなどの複合負荷試験も行い、熱や粒子による相乗効果があるか否か、どのような影響を及ぼしているかを系統的に明らかにする。また、最終年度には、金属等の主に熱核融合炉に用いられる無機材料に対するEUV光照射を行い、表面形状の変化などの有無を明らかにし、炉壁材料劣化の懸念要素にEUV光が含まれるか否かを検証することに挑戦する。
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Research Products
(5 results)
