プラズマを精度良く分析できるレーザー計測システム

九州大学 大学院総合理工学研究院エネルギー科学部門 電気理工学

助教 富田 健太郎

目次

・プラズマとその工学応用

・発表者の研究例（プラズマの光源応用）

・新技術（特許）の内容

・まとめと本技術の利用に関して

1

プラズマとは

2

「未来をつくるプラズママップ」http://www.jspf.or.jp/news/plasmamap.html

固体→液体→気体に次ぐ物資の第四状態。中性粒子（の一部）は電離し電子とイオンに。

自然界のプラズマ

3

落雷、オーロラ、太陽、、、

NSAS, Jet Propulsion Lab., CALTECH

Wikipedia

プラズマの工学応用

4

「未来をつくるプラズママップ」http://www.jspf.or.jp/news/plasmamap.html

何を制御するか

5

ここから

N. Marchack and J. P. Chang, J. Phys. D: Appl. Phys. 174011 (2011)

半導体プロセス用プラズマ電子温度 >> ガス温度

Γion, Γn, Γhν：

電子エネルギー分布f(ε)の関数

電子状態の把握が基本

しかし話は複雑（相乗効果がプラズマの特徴）

イオン＋原子、イオン＋紫外光 等

電子温度(eV)

∝電離の周波数

calculated by Bolsig+

何を制御するか

6

Website of The Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP)

プラズマ源

気相反応

気相・液相界面反応

生体反応

先端研究では多相間の相互作用を追求。話はより複雑に（プラズマの医療応用、農業応用）

様々な物理量計測を通じた現象の理解

電子密度、電子温度負イオン密度中性粒子温度ラジカル（原子）密度流れ

プラズマの光源応用

7

固体ターゲット

多価電離プラズマ

レーザー生成プラズマ

電子遷移放射（束縛-束縛遷移）では強い線スペクトルが得られる。

軟X線・極端紫外で容易に大光量が得られる

e-

hν

e-

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

hν

ionn+ionn+

ionn+

ionn+

free-free

(bremsstrahlung)

E0

E1

Ion bound-bound(state transition)

free-bound

(recombination)

8

8

EUVリソグラフィ光源（13.5 nm）

Beyond EUV光源(6.X nm）

Yoshida et al.,

APEX(2014)

様々な極端紫外・軟X線光源の開発

水の窓光源（2.3−4.4nm）

生きたまま細胞を観察

多価イオンプラズマ光源

Jacobsen C, Trends in cell biology,

Volume 9, Issue 2(1999)

http://www.sciencedirect.com/science/journal/09628924/9/2

9

EUVリソグラフィー

EUV lithography and GAA-FET

the world's first 5nm silicon chip

IBM, Samsung, and GlobalFoundries

https://arstechnica.com/gadgets/2017/06/ibm-5nm-chip/

Wavelength (nm)400 300 200 100 0

Hg lamp Excimer laser

G-line(436nm)

I-line(365nm)

KrF(248nm)

ArF(193nm)

ArF

emersion(134nm)

Current mass

production level

“500W-1kW sources likely needed to make EUV cost

effective.”, Intel, Ref. ASML SMALL TALK 2016, ASML

0

200

400

600

800

1000

1200

2016 2018present(2017)

80W

1kW

EU

V p

ow

er

(W)

cost

effective

コスト・稼働率に課題

EUV

13nm

1 /R k NA

最小加工線幅 R

k1 : プロセスファクター

λ: 光源波長

NA: 開口数

10

EUVリソグラフィーEUV露光の核（光源）はプラズマ

戸室他JSPS meeting

19p-H137-17

11

EUV光源の最前線

Pre-pulse 10 ps 10 ns

CE（効率） 4.7 % 3.0 %

Shadow

gra

ph

90

deg

vie

w

+50%

improvement

laser

300μm

laser

ドーム状 円盤状

300μm

Droplet Mist

Pre-pulse

LaserMain

Laser

Plasma

Step 1 Step 2 Step 3

液滴スズ+ダブルパルスレーザー

理由は？ 改善策は？限界は？光源状態の把握が急務

戸室他 JSPS meeting 19p-H137-17

12

なぜプラズマ計測か？

A. Sasaki et al.,

J. Appl. Phys. (2010)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 10 20 30 40 50

Em

issiv

ity /

Te

/10

9(W

/cm

3/e

V2/s

r)

電子温度 (eV)

ni=5×1023 m-3

EUV発光量（ni, Te）

電子状態：出力と直結

EUV光放射：電子遷移

多層膜反射率~70%

13

計測に求められる条件

・非接触（乱さない）

・空間分解（≦50 μm）

・時間分解（≦ 5 ns）

レーザー散乱法（トムソン散乱法）

スズドロップレットターゲット例

1.3μs

CO2レーザー（~20ns）

200 µm

・ne, Te, Z

14

レーザー散乱法

透過・干渉（密度）

反射（密度）

散乱（密度・温度）

レーザーとプラズマの相互作用を利用

Plasma入射波

分光器作製の様子

15

EUV image

(line-integrated)

ShadowgraphΔλ

(pm

)

x (µm)0-200 200

0100

-100

high

lowThomson

scattering

K.Tomita+ Sci. Rep.(2017)@Hiratsuka branch, Japan

実験配置

16

Probe

laser

0

10

20

30

40

50

1.E+23

1.E+24

1.E+25

1.E+26

-400 -200 0 200 400

ne(m-3)

Te(eV)

x (μm)

スリット方向

K.Tomita+ Sci. Rep.(2017)

初期ターゲット

3.1% 4.0% 2.8%（EUV変換効率）

効率変化の原因は？

プラズマ条件

17

100Probe

laser 0

μm

50

200

300

2.0 μs-plasma

2次元計測

18

1.3 μs-

plasma

19

非効率な構造

200 μm

laser

EUV発光

ne

(×1025 m-3)2.0

1.6

1.0

0.2

1.8

1.41.2

0.40.60.8

0

50

42

30

14

46

3834

182226

10

(eV)

Te

laser

ne, Te Emissivityreconstructed

image

K. Tomita et al., Sci. Rep.(2017)

ne, TeからEUV発光を説明周囲に大量の低温Snイオン（改善の余地大）

プラズマ構造

20

新技術の内容（高精度レーザー計測）

21

1

10

100

1000

10000400倍以上の感度向上

inte

nsity (

log

scale

)• レーザー散乱法自体は伝統的手法• しかしその産業応用には抜本的な検出感度の向上

が必要（空間・時間分解能・適用範囲の拡大）• 分光技術の困難さから対象外であった「イオン項

スペクトル」の高い信号強度に着目。• 新たな分光システムを開発。従来比400倍の感度

達成。実用レベルのEUV光源の構造を解明。• 光源の出力に直結するプラズマパラメータを高精

度に計測可能とした。

従来（発光・影絵）

新技術（核心情報）

EUV発光分布

まとめと本技術の利用に関して

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•光源プラズマの開発（特に短波長光源）

プラズマの温度・密度構造をデザインするまったく新しい開発が可能

•各種プラズマ装置 （計測実績多数）

消弧室内

可動電極固定電極

Arc 放電

SF6

ノズル

電力・エネルギー機器（プラズマ遮断現象・SF6に代わる代替ガスの模索・新規電極材料の模索）

電気推進システム（宇宙推進イオンエンジンの高効率化研究）

大気圧プラズマ（非平衡プラズマによる特殊反応場の生成・制御）

本技術の要素

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lens

plasma

spectrometer

detector

photomultiplier-

tube

intensified-CCD

analyzer

(custom-made)

probe laser

scattered

light

•レーザーと分光システム

分光システム

24

G1

G2

G3

G4

G5

G6

G1～G6: grating(2400/mm)

Entrance Slit 20μm

・spectral resolution（10pm）

・stray light rejection(±14pm)

K. Tomita et al. APEX(2015)

Y. Sato et al. JJAP(2017)

~0.2 nm

0

(±14pm)

企業への期待

•プラズマ光源（特に軟X線、極端紫外光、真空紫外光など短波長）の生成技術を持つ、企業との共同研究を希望。

•また、短波長光源（特に軟X線から極端紫外光）を開発中の企業、X線検査装置・EUV検査装置分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

発明の名称：プラズマ分析システム

出 願 番 号：特願2019-015291

出 願 人：九州大学

発 明 者：富田健太郎、山形幸彦

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お問い合わせ先

九州大学学術研究・産学官連携本部

知的財産グループ

ＴＥＬ 092-802-5137

ＦＡＸ 092-802-5145

e-mail transfer@airimaq.kyushu-u.ac.jp

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