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高分子電解質のシャボン玉鋳型を使った薄層スズナノ粒子でEUV発生に成功 ~コンパクトな量子線源となることを期待~

 東京工業大学は2020年4月13日,同大学科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の長井 圭治准教授,クリストファー マスグレイブ特任助教(現 ユニバーシティーカレッジ ダブリン)らの研究グループが,高分子電解質のシャボン玉を鋳型(テンプレート)としてレーザーの低密度ターゲットとなるスズ薄膜球の作成に成功し,さらにレーザー照射によるEUV(極端紫外線)の発光を確認した,と発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会(JSPS)の科学研究費,および文部科学省のダイナミック・アライアンス事業の助成を受けて行われ,成果はScietific Reportsの電子版に掲載された(注).

 近年,高強度レーザー技術を応用した量子線源の研究開発が盛んである.集光した高強度レーザーをターゲットに照射するレーザープラズマ方式では,高温・高密度状態から発生する高輝度の電子,イオン,X線などの量子線が得られ,線幅7nm以下の半導体回路露光用光源として波長13.5nmのEUVの利用も始まったところである.レーザープラズマ方式に使われるターゲット材料には,高効率が得られる低密度の多孔質材料が使われることが多い.現在実用化されているEUV光源では,高温の溶融金属スズにプレパルスと呼ぶレーザーを照射してアブレーションで生じる微粒子をターゲットとし,浮遊するスズ微粒子にメインレーザーを照射してEUVを発生させるダブルパルス法が採用されているが,これには耐久性や高温液体金属を扱うという問題がある.一方,低密度材料を作成する方法にマイクロカプセルをテンプレートとし,コアを除去することで多孔質材料を得る手法が知られている.研究グループは,マイクロカプセルのコアを空気とすれば,コア除去の工程を経ずに容易に多孔質材料が得られることに気付いた.

 本研究では,ポリビニルアルコールやドデシル-トリメチルアンモニウムブロマイドの水溶液に空気を吹き込み,100から200μmの単分散シャボン玉を作りテンプレートとした.このテンプレートに,高分子電解質を使ってマイクロカプセルにナノ粒子を付着させ積層するLbL(layer by layer)法が応用された.ポリスルホン酸ナトリウムとポリアリルアミン塩酸塩を順次コートし,次いで酸化スズナノ粒子を付着させ,さらにポリアリルアミン塩酸塩をコートする.これを何度か繰り返し,スズ含有量を高めて乾燥するとターゲットが得られる.これにNd:YAGレーザー(波長1064nm)を照射し,13.5nmのEUVを発生させた.波長バンド幅2%における変換効率は0.8%で,液体金属スズを用いる従来法の効率1%に近い値が得られた.半導体用光源に応用するには未だ解決すべき課題はあるが,シャボン玉は容易にかつ大量に製造できる低密度構造であり,これをテンプレートとして極低密度材料が低コストで大量生産が可能になる.

 本研究成果は,さらなる微細化露光用光源に採用が予定される高融点金属であるガドリニウムターゲットの作成や,がん治療用炭素イオンビーム発生装置への応用が期待されるという.

(注)Christopher S. A. Musgrave, Shuntaro Shoji, and Keiji Nagai, "Easy-handling minimum mass la-ser target scaffold based on sub-millimeter air bubble ―An example of laser plasma extreme ultraviolet generation―", Scientific Reports, Vol.10, Article number: 5906 (2020), doi: 10.1038/s41598-020-62858-3; Published: 03 April 2020