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レーザー生成スズプラズマ放射光により誘起された水素プラズマの電子密度・温度計測に関する研究

神家, 幸一郎 KOGE, Koichiro コウゲ, コウイチロウ 九州大学

2021.09.24

概要

2000 年以降, 極端紫外(Extreme ultraviolet; EUV)露光に用いる光源装置(EUV 光源装置)の研究開発が盛んに行われている. EUV 光源装置は, 固体もしくは液体のスズ(Sn)にレーザー照射して生成した EUV 光源プラズマ(Sn-LPP; Laser produced Sn plasma)の発光を, 大口径の狭帯域鏡を用いて集光し, 後続の EUV 露光装置へ伝送している. Sn-LPP は, EUV と同時にイオン, 原子, 微粒子の形態のデブリを発生させる為, それらから狭帯域鏡を保護する事が EUV 光源装置の開発において重要となる. 狭帯域鏡の保護には, 狭帯域鏡にデブリを付着させないこと, 狭帯域鏡に付着したデブリを除去する事が必要である. デブリを付着させない為に, バッファガスとして水素が EUV 光源装置内に導入されている. また付着したデブリは，RF 放電で生成された水素プラズマに暴露することで，効率的に除去可能であることがわかっている．一方, Sn-LPPの発光には水素の電離に十分なエネルギーの波長の光(<80 nm)が含まれるため, バッファガスとして導入された水素は Sn-LPP 生成の度に電離される. この EUV 光源装置内部で発生する光電離水素プラズマの存在は指摘されていたが, その特性には不明な点が多く, デブリ除去に有効であるのか否かは明らかになっていない. 本研究では Sn-LPP の発光により誘起された光電離水素プラズマの電子温度(Te)および電子密度 (ne)の時空間分布を計測し, その特性を明らかにすると共に, 光電離水素プラズマのデブリ除去能力を評価する事を目的とした. この光電離水素プラズマは, 微小なSn-LPP の放射光により生成される事から空間的な分布を持ち, また, ごく短時間(1~100 ns)のSn-LPP 発光に誘起されるので, その状態が速やかに変化すると考えられる. このような背景の下, 本研究では ne, Te の計測手法としてレーザートムソン散乱(LTS)法を用いた. この計測を通じ, Sn-LPP 発光誘起水素プラズマの ne, Te の時空間分布の観測に初めて成功し, その典型的な値が ne ~ 1017 m-3, Te ~ 1 eV である事を明らかにした. さらに, この観測結果から, Sn-LPP 発光誘起水素プラズマにデブリ除去機能が期待できる事を初めて明らかにした.

本論文はこれらの研究をまとめたものであり, 5 章から構成される.
第 1 章では, 本研究の背景と目的, および本論文の構成について述べた.

第 2 章では, EUV 光源プラズマ発光誘起水素プラズマの概要を述べた. 次に, LTS 法や Hα 発光計測の原理を概説した. 最後に, LTS 法適用で留意すべき Sn-LPP の可視発光の存在と, その対処法を述べた.

第3 章では, EUV 光源プラズマ発光誘起水素プラズマのHα 発光計測について述べた. 計測対象の水素プラズマは, 別途生成した Sn-LPP の発光を狭帯域 EUV 鏡(反射波長範囲 13.5 nm +/-2%)により反射, 水素雰囲気(40 Pa)中で集光し生成した. 狭帯域EUV 鏡はEUV 光のみならず, Sn-LPP のブロードな発光を紫外~赤外に渡って反射する為, Hα 発光計測の障害となるが, EUV 光路中にジルコニウム薄膜フィルタ(透過率 50%, 透過波長範囲 6-14 nm)を配置し, EUV 光のみが計測領域に到達するよう工夫を施した. 水素プラズマ生成点での EUV 光はエネルギー0.1-0.7 μJ, パルス幅 15 ns (Full width half maximum (FWHM))であり, 集光径は 0.73 mm (FWHM)であった. 計測は EUV 光路と直交する方向から行った. バンドパスフィルタ (semrock FF01-650/13-25, 透過波長 650 +/-13 nm)を介してEUV 集光点周辺 20 × 20mm をICCD カメラで観測し, Hα 発光の 2 次元発光像を取得した. EUV 光の光路に沿って Hα 発光が観測され, その強度は EUV 光強度に比例した.観測された Hα 光強度は, 水素分子の光電離・光解離断面積, EUV 光子数から推定した値と矛盾が無かった. また, Hα発光の時間半値幅は 21 ± 1 ns であり, 想定する光電離過程によるものとして矛盾が無い. 従って, 観測された Hα 光は EUV 光により誘起された水素プラズマのものと考えられる.この結果から, Sn-LPP からの発光によって, 1016 m-3 程度の水素プラズマが発生する可能性があると言える.

第 4 章では, EUV 光源プラズマ発光誘起水素プラズマの LTS 計測について述べた. 関連する先行研究で は, MCRS 法により EUV 光誘起光電離プラズマの絶対値を計測しているが, 光源として放電型 Xe プラズマを用い, 狭帯域EUV 鏡とバンドパスフィルタを介して in-band EUV (13.5nm +/- 1%)のみを水素雰囲気中に集光照射して生成した光電離プラズマを対象としている. この実験系では, 波長制限により EUV 光量が低い為, ne は 1015 m-3 程度と低い. それゆえ, ne, Te を同時に決定可能な LTS 法は適用不可能であると先行研究者は結論づけている. しかし, EUV 光源装置の光源プラズマである Sn-LPP の放射スペクトルは, 13.5 nmをピークとして 10-20 nm の範囲に拡がるブロードなものであり, 波長フィルタを使用しない実験系であればLTS が適用できる可能性がある. また, 実際のEUV 光源装置において光源プラズマと狭帯域鏡の間にはバッファガス以外存在せず, これを模擬する意味でも波長フィルタを使用しない事に妥当性がある. そこで本研究では, 波長フィルタを使用せず, また EUV 光源として固体 Sn と YAG レーザー基本波の組み合わせによるSn-LPP を使用した実験系を構築した. さらに, Sn-LPP の放射スペクトル, レーザー/放射光変換効率と, 水素の光電離断面積を元にしたne の事前推定により, 積算 LTS 計測が必要であると見込まれたので, Sn-LPP の繰り返し生成が可能な構成とした.

実験では, 水素雰囲気(50-400 Pa)中で固体 Sn ターゲットに生成用レーザーとして YAG レーザー基本波 (波長 1064 nm, エネルギー 200 mJ, パルス幅 11.8 ns, 繰り返し周波数 10 Hz)を集光照射してEUV 光源プラズマを生成した. 照射スポットは直径 1 mm の円形であり, 照射強度は 2.2 × 109 W/cm2 であった. 安定した繰り返し動作の為, 計測中固体 Sn ターゲットを自動精密ステージにより一定の速度(0.5 m/s)で移動させ, 一定の表面状態でレーザー照射した. この Sn-LPP の生成用レーザーから in-band EUV 光(13.5 nm +/- 1%)への変換効率は較正された EUV 光量センサを用いて計測され, 2% / 2π sr であった. LTS 計測は, Sn-LPPの周辺で光電離した水素プラズマに対し行った. 計測用レーザーとして YAG レーザー第二高調波(波長 532 nm, エネルギー 300 mJ, パルス幅 8 ns, 繰り返し周波数 10 Hz)を, 生成用レーザーと同期して入射した. 計測用レーザーは 2 枚の円柱レンズを使用して 5 mm×0.2 mm に集光し, 集光スポットでの強度は 3.8×109 W/cm2 であった. LTS 計測には差分散型 3 解析光子分光器(回折格子刻線本数：2400 本/mm, レンズ焦点距離：220 mm, スリット幅：200 μm, 迷光除去用逆スリット幅：500 μm)を使用し, 窒素ガスのレイリー散乱及びラマン散乱により感度較正・波長分散較正を行った. 事前想定通り光電離水素プラズマの電離度が低く, LTS 信号強度が低かった為, 計測用レーザー1000 ショットの信号を積算して LTS スペクトルを取得した. さらに, Sn-LPP の制動放射光が器壁散乱し LTS スペクトルに重畳して S/N 比が悪化する問題があったが, 放射光の立体角を計測用レーザーのスポット領域に制限して影響を緩和し, 明確な非協同トムソン散乱スペクトルを得て, ne, Te を決定した. 計測用レーザーの入射時刻を生成用レーザー強度ピークから 0-100 ns の範囲で掃引して光誘起水素プラズマの ne, Te の時間進展を計測し, さらに計測点と EUV 光源プラズマの相対位置を 30-90 mm の範囲で変更して空間分布を得た. 典型的な光電離水素プラズマのパラメータは ne = 1017 m-3, Te = 0.7 eV であった. 半値幅 15 ns のEUV 発光パルスに対して, ne, Te は速やかに立ち上がり, 30 ns 後に ne, Te がピークに達した. その後, Te は電子と水素分子の間の衝突による熱緩和の時間スケールで急速に低下するが, ne の減少は遅く, 100 ns 後までほぼ低下しない事が確認された. 光電離水素プラズマの空間構造は, 水素分子の吸収断面積が大きい真空紫外光の寄与を示唆した. 最後に, 本計測結果を元に検討し, この水素プラズマに反応性イオンエッチングによる効率的なデブリ除去機能があると期待できる事を示した.

第 5 章は結論であり, 本研究で得られた成果をまとめる共に, 今後の展望について述べた.

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第１章

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第４章

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