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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
E  h 
hc

1.24 106
[m] 
E[eV]
話題
• 自己収縮するプラズマ
効率のよいエネルギー変換システム
• EUVリソグラフィ
次世代半導体リソグラフィ光源
• 軟Ｘ線顕微鏡
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
B
J
100 kAの電流のつくる磁場
r (mm)
100
10
1
0.1
B (T)
0.2
2
20
200
1 atm = 105 Pa
B2/2m0 (Pa)
1.6×104
1.6×106
1.6×108
1.6×1010
Ｚピンチへのエネルギー入力
プラズマの半径方向の運動方程式は
m0 I 2
d 2r
m 2 
dt
2r
プラズマに入る運動エネルギーは
m0 I 2 R
m  dr 
ln
  
2  dt 
2
a
2
電流２乗のスケーリングが得られる
入力エネルギー
R  10 [mm], a  1 [mm],   10 [mm]
電流
エネルギー
200 kA
180 J
2 MA
18 kJ
20 MA
1.8 MJ
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
2003
2004
2005
2006
2007
DRAM(nm)
100
90
80
70
MPU(nm)
107
90
80
70
2008
2009
2010
2011
2012
2013
65
45
35
32
65
50
35
32
KrF
248 nm
ArF
193 nm
液浸露光技術
EUV
13.5 nm
ITRS2003（International Technology Roadmap for Semiconductors）
国際半導体技術ロードマップ
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
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
e
 nx
これが1/2になるｘが半価層である
ln 2
x
n
蛇足２
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
 H O  2 H   O
2
数密度nは質量密度、分子量A、質量単
位uとしたとき

n
Au
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/
「プラズマ科学」で検索できます

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