高分子電解質のシャボン玉を使ってEUV（極端紫外線）発生に成功

要点

• 高分子電解質の「シャボン玉」を鋳型にしてスズ薄膜球を作成、レーザーを照射してEUV発生に成功
• EUV発生高効率化に不可欠な極低密度スズを信頼性高く、安価に合成
• 現在の13.5 nm光だけでなく、次世代の6.x nm光や他の量子線発生にも適用可能なレーザー用ターゲット

概要

東京工業大学 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　カレッジ ダブリン）、庄司俊太郎大学院生の研究グループは、高分子電解質^[用語1]を界面活性剤として用いたシャボン玉を鋳型として、レーザーの低密度ターゲットとなるスズ薄膜球を作成することに成功した。使用したスズの量は、シャボン玉１個あたり4.2 ナノグラムと少なく、原子数、サイズの制御性も高い。実際にレーザーを照射すると、金属スズと変わらない13.5 ナノメートル（nm）の極端紫外線の発光を確認できた。

高分子電解質の泡は、いわば極めて安定なシャボン玉であり、大量の製造に適している。今回開発した手法は、原理的にはスズだけでなく、他の元素にも適用できるため、レーザー式では開発が困難と考えられている6.x nmの光源や、がん治療などに用いられている炭素イオンビーム用のターゲットなどにも展開が可能である。

近年、高強度レーザー^[用語2]の開発が進む一方で、レーザーの標的（ターゲット）の開発が遅れており、特に極低密度で、大量製造が可能な、安価なターゲットが求められている。本手法はこれらの条件を満たすものであり、その発展が見込まれる。

本成果は2020年4月3日付の『Scientific Reports』電子版に掲載された。

背景

今世紀に入って、高強度レーザーの高出力化、高繰り返し化、低価格化が急速に進んでいる。こうした高強度レーザー技術を応用した量子線源の研究開発も盛んになり、EUでは大型レーザー施設の建設ラッシュが続いている。こうした高強度レーザーを集光して物質に照射すると、高温高密度状態を作ることが可能であり、この状態からは電子、イオン、X線などの量子線が高輝度に発生する。こうした方法は、レーザープラズマ方式と呼ばれる。レーザーのターゲットとしては、低密度材料の方が吸収の効率が良いため、軽石やスポンジのように穴の多い多孔質材料がしばしば用いられる。

このような大型加速器のコンパクト化を目標とした研究開発の一方で、レーザープラズマ方式の初の社会実装として、これよりも出力が弱いレーザーを用いた、13.5 nmの光源による半導体集積回路の製造が始まった。13.5 nmという波長は、X線よりもやや長波長の極端紫外線（Extreme Ultraviolet）^[用語3]の範囲にあり、一昨年からSamsongやTSMCでこれを用いた生産が始まっている。

現在実用化されているEUV光源では、液体金属スズにプレパルスを照射して低密度化させている。開発段階では、この低密度化のプロセスで確実性に問題が生じ、光源開発が大幅に遅れた経緯がある。また次世代の6.x nm光源で用いられるガドリニウムは、高融点で液体金属化が困難であり、大型加速器によるリソグラフィーが提案されている。

こうした背景から、研究グループでは長年にわたり、レーザーターゲット用の低密度材料を開発してきたが、その製造コストや大量生産性に課題があった。

研究成果

本研究では、シャボン玉という、容易かつ大量に製造できる低密度構造に着目した。シャボン玉の界面活性剤として高分子電解質を用いることで、安定性を向上させ、これを鋳型とすれば、レーザーターゲットとなる極低密度材料の大量生産を低コストで実現できることを示した。

このシャボン玉にスズナノ粒子を被覆して低密度スズ膜を形成させ、さらに重ね塗りしてスズの被覆量を増やした。こうして作成したスズ薄膜球を乾燥させたのちに、ネオジムヤグレーザーを照射した。その結果、最新の半導体リソグラフィーに用いられている13.5 nmの発光を確認することができ、発光量についても、金属スズにレーザーを照射した場合と同レベルを達成できた。

今後の展開

今回新たにシャボン玉を鋳型として作成された低密度スズ薄膜球のターゲットと、レーザーを組み合わせれば、コンパクトな13. 5 nmの光源ができる（ただし、リソグラフィーに用いるほどの高繰り返しには、デブリ除去などが技術的な課題である）。　さらに次世代の6.x nm光源の実現、さらに短い波長であるX線の高輝度化、がん治療用の炭素イオンビーム発生装置のコンパクト化も期待される。国内外の大型レーザー施設と共同研究も進めたい。

• 論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Easy-handling minimum mass laser target scaffold based on sub-millimeter air bubble ―An example of laser plasma extreme ultraviolet generation―
著者 :	Christopher S. A. Musgrave, Shuntaro Shoji, and Keiji Nagai
DOI :	10.1038/s41598-020-62858-3

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