EUV露光の高出力化に期待、北大が光源プラズマ流の観測に成功

実際に同分光器を用いた計測が行われたところ、プラズマの中心位置(プラズマ生成用レーザーの軸上)では、周辺部より低密度の中空様構造が形成されていることが判明。さまざまな条件で計測された結果、その中空様構造が、高効率化に重要な役割を果たしている可能性が大きいことがわかってきたという。ただし、この中空様構造が発現すると、なぜEUV放射に適した高温・高密度プラズマが比較的長時間維持されるのかはわからなかったという。

そこで研究チームはプラズマの温度、密度、その流動が重要と考え、トムソン散乱光スペクトルのドップラーシフトに着目することにしたとする。プラズマ流動の速度は光速の1万分の1程度であり、受光する散乱光の同シフトにはプラズマの流動情報が明確に現れるという。同シフトの高度な解析が行われた結果、±20μm程度の微小領域内で、プラズマ流の方向は180度反転し、流れの大きさもさまざまに変化するなど、微細な速度場構造が存在することや、それが速度の絶対値(秒速10km程度の高速な流れ)として可視化されていることが確認されたとする。

また、プラズマの中心軸上に向かう、特徴的なプラズマの流れも観測されたとする。その流れは常に存在するわけではなく、プラズマ生成条件に依存していたことから、同条件で流れを制御できることが判明したほか、プラズマ内部の温度・密度・流れ場の時間・空間変化を基に、その流れによりEUV放射の効率を高めていることが解明されたとする。

図の左から右に照射されたレーザーにより加熱されたプラズマ(EUV光源)が中心に集まる流れを持ち、特に図の明るい領域から効率よくEUV光が放出されることが判明した。中心部への流れはプラズマが周辺に拡散する速度を抑え、周辺のミラーの汚染の低減にも効果的と考えられるという (出所:北大プレスリリースPDF)

これは、中空構造発現時に生じる中心軸上に向かう流れにより、EUV発光に適したプラズマが、中心部に長時間留まる効果を有することが発見されたことを示す結果であり、この一連のプラズマ速度計測技術は、EUV光源のさらなる高出力化の鍵となると同時に、プラズマの流れを制御して光の出力を向上させるという、まったく新しい概念の可能性が示されていると研究チームでは説明している。

(a)プラズマ生成前のSnターゲットの影絵像。(b)プラズマの電子密度(上側)と電子温度(下側)のプロファイル。レーザーは図の左から右に照射されている。レーザー軸上はEUV放射に最適な温度30～40eV(1eVは約1万度)であり、密度は周辺部の方が高い中空様構造が確認された (出所:北大プレスリリースPDF)

なお、今回の研究により、EUVの高出力化には、プラズマの温度と密度の最適化が必須で、その最適な温度・密度を実現するには、プラズマの流れの制御が重要であることが示されることとなり、特に、中心方向への流れを誘起することは、効率よく光るプラズマを長時間閉じ込めることや、プラズマの保温効果があることが示されたことから、研究チームでは、この流れはまた、プラズマの運動エネルギーを抑える効果も期待できるとしている。

(a)一般的なプラズマの流れの説明。(b)今回の研究で観測された中心方向へのプラズマ流れの説明。プラズマによるレーザーエネルギーの非線形吸収過程により、レーザー強度の低い周辺部で高圧領域は形成され、プラズマ中心部への流れが形成される。一部の高温・高密度プラズマは中心部に留まることができる (出所:北大プレスリリースPDF)