2017, Feb.
No.

347
CONTENTS
繰返しパルスによる光学素子のレーザー損傷
2016 International Symposium
on Extreme Ultraviolet Lithography
主な学会等報告予定【表紙写真】石英ガラス内部損傷の様子

繰返しパルスによる光学素子のレーザー損傷
レーザー技術開発室

本越伸二

ミラー、レンズなどの光学素子に高強度を持つレーては、すでに多くの論文等で報告されている。また、国ザー光を照射すると、破壊現象を引き起こすことがあ際標準（ISO）規格にも「S-on-1試験」（Sはパルス数）としる。これを「レーザー損傷」と称し、高出力レーザー装て試験方法が標準化されている。

置の性能を制限する大きな要因になっている。多くの本稿では、繰返しパルスによるレーザー損傷耐性試

研究機関、光学素子メーカーでは、レーザー損傷の発生験を行うに当たり、2パルスのレーザー光を用いた基する最低エネルギー密度（レーザー損傷しきい値）を上礎研究について紹介する。

げる努力が日々行われている。レーザー技術総合研究●繰返しパルスによる損傷過程

所では、レーザー損傷耐性試験を実施し、高耐力光学素1パルスによるレーザー損傷しきい値に比べて、繰返子開発の支援を行っている。現在、多くの試験は１パしパルスでは低いしきい値となる。しきい値の低下は、ルスレーザー光によって行われているが、産業応用で繰返し周波数、照射パルス数に依存し、半分程度にまでは繰返しレーザーパルスが使用されている。そのため、下がることが報告されている。その原因については、繰返しパルスによるレーザー損傷耐性試験への要求も熱の蓄積、応力や歪み、微小損傷、欠陥生成など、さまざあり、準備を進めている。

まな議論がされている。ナノ秒パルスレーザーの研究繰返しパルスによる光学素子のレーザー損傷についでは、薄膜材料の吸収係数や熱伝導率の違いが損傷し次ページへつづく繰返しパルスによる光学素子のレーザー損傷
きい値の低下と関係があることから、熱蓄積によるも生時のHe-Neレーザー光の散乱の様子を示している。のとまとめている。しかしながら、近年、急速に利用が●2パルス照射による損傷しきい値進んでいるフェムト秒パルスレーザーにおいても、繰

図1に 2パルス照射により測定された損傷しきい値の返しパルスにより損傷しきい値が低下することが報告結果を示す。横軸には、2パルスの時間間隔、縦軸のレーされている。フェムト秒パルスレーザーは、高いパルス

ザー損傷しきい値は、あらかじめ測定した１パルスの強度を持つが平均エネルギーは低いため、上記のよう損傷しきい値で規格化している。2パルスによる損傷しな熱の蓄積はないと考えられる。熱以外の損傷しきいきい値は、パルス時間間隔が短くなるに従い低下した。

値低下原因を明らかにするために、時間間隔を変えた 2

この低下は、純度の異なった石英ガラスにおいても確パルスによるレーザー損傷しきい値を評価した。

認された。わずか 2パルスですら損傷しきい値が低下

照射レーザー光源には、波長193nm、パルス幅10nsのすることから、熱の蓄積や、応力によるひずみが原因でA r Fエキシマレーザー装置を用いた。評価試料には、はないと考えられる。また、１パルス目で微小損傷が発合成石英ガラス（20×30×30 m m ）を用意した。合成

生したとすると、2パルス目にはその照射時間にかか石英ガラスのバンドギャップエネルギーが 8～ 9 e Vでわらず同じエネルギー密度で損傷が発生しなければなあるのに対して、193n mの光子エネルギーは 6.4e Vでらない。そのため、微小損傷が損傷しきい値低下の原ある。そのため、2光子で容易に伝導帯に電子を励起因ではないと結論づけられる。この結果より、レーザーすることができる。レーザー光は焦点距離100 m mの照射による欠陥生成が 2パルス照射時のしきい値低下レンズを用いて、石英ガラス内部に集光照射する。損の原因と考えられる。

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傷しきい値は、照射位置を固定し、低いエネルギーか紫外光照射によるガラス材料の欠陥生成についてら徐々にエネルギーを増加し、損傷が発生するエネルは、ダークニング、カラーセンターと呼ばれ、多くの論ギー密度として求めた（N - o n -1試験）。通常は、照射１

文等でも紹介されている。通常は、長時間照射することパルス毎に損傷の有無を確認しつつエネルギーを増加により、紫外－可視領域の透過率の低下、蛍光の発光とするが、今回は時間間隔10 m s ～ 1 sを空けた 2パルスして確認される。欠陥生成は、レーザー損傷しきい値

を 1セットとして、損傷の有無を確認した。損傷の確認より十分に低いエネルギー密度でも起こり、照射を中は、照射時の石英ガラス内部からのプラズマ発光と、エ止すると時間とともに緩和することが特徴である。しキシマレーザーと同軸にアラインメントされたH e - N e

かし、欠陥生成とレーザー損傷との関係については、明レーザー光の散乱により行った。表紙写真は、損傷発らかにされていない。

【図1】2パルスレーザー照射によるレーザー損傷しきい値【図2】2パルス目照射中の石英ガラス内部の電子密度計
算結果

●欠陥生成と電子放出モデル

由電子密度を 10 20 個/cm3と仮定し、図1の実験結果を元欠陥生成がレーザー損傷に影響を及ぼすモデルを検にレート方程式を立てて、2パルス目照射前に必要な討した。一つは欠陥準位による吸収、もう一つは欠陥残留電子密度を求めた。図2には、パルス間隔を 10～生成と同時におこる自由電子の放出である。欠陥が生1000m sとした場合に 2パルス目照射中に増加する電子成されると透過率が減少し蛍光を発することから、照密度を示してある。レーザー照射密度はそれぞれのパ射前には存在しなかった欠陥準位が形成され、容易にルス間隔時のレーザー損傷しきい値で計算を行った。

紫外レーザー光を吸収し損傷を引き起こす。しかし、その結果、緩和時間約20msの時に、絶縁破壊臨界密度近赤外域のレーザーパルスでも繰返し照射で損傷しきに至ることがわかった。

い値が低下することから、生成された欠陥準位が十分●今後の展開に低いエネルギー準位であり、近赤外域においても吸繰返しレーザー照射時のレーザー損傷しきい値の低収する必要がある。これまでの欠陥生成の報告から、下要因について検討し、欠陥生成と同時に放出される吸収が現れる波長域は 500nm以下であることから、吸自由電子が寄与していることを紹介した。この研究は、収による損傷ではないと考えられる。

まだ初期段階であり、今後、異なった材料を用いた試験

欠陥生成時に放出された電子は、欠陥の緩和過程時や、レーザー照射条件の変更等により、レーザー損傷のに再結合し、初期の状態に戻る。繰返しパルスの場合、さらに詳細な物理を検討していく。本研究結果は、高次のパルスが入射するまでに緩和できずに残留した電耐力かつ長寿命の光学素子開発に有益な知見をもたら子は、レーザー光からエネルギーを得て、衝突電離を繰すものであり、実際の素子開発にもその成果を生かし返し、絶縁破壊に至る。このモデルに必要なのは、欠陥ていく予定である。の緩和時間である。石英ガラスの絶縁破壊に必要な自REPORT2016 International Symposium
on Extreme Ultraviolet Lithography
理論・シミュレーション研究チーム■EUVリソグラフィーに関する国際会議

砂原淳のレベルで長時間安定して稼働できていることが報告

極端紫外リソグラフィー（E U V L i t h o g r a p h y）の国された。また、ギガフォトン社からは世界最高の 5%の際会議が 2016年10月24日〜26日まで広島平和記念公

EUV変換効率で光源の安定稼働が報告され、レーザー園内の広島国際会議場で開催された。本会議は極端紫外リソグラフィーの全分野をカバーし、年一回、世界各国から関係者が集まり議論する会議である。これまで極端紫外リソグラフィーの課題とされてきたE U V 光源出力の低さが克服されつつあり、５年以内の半導体製造への導入の見通しが高まるなかで開催された今年の会議には、アジアパシフィック211名、欧州56名、米国62名の計329名が出席し、例年以上の盛り上がりを見せた。会議参加者数は一昨年が 267名、昨年が 303名であり、ここ数年のE U Vリソグラフィーの盛り上がりは会議参加者数を見ても明らかであるといえる。

■EUV光源開発状況
E U V 光源に関しては世界の二大光源開発メーカーである米国Cymer社と日本のギガフォトン社からそれぞれ発表があり、ともにEUV光源は平均で 100W以上【写真1】広島平和記念公園の慰霊碑
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総研、大阪大学など、ギガォトンと光源開発の共同研究ラフィー導入が見えてきている。現在の半導体はエキを進めてきた立場としては光源開発の進展ぶりを実感

シマレーザーを光源とした多重露光により作られていする会議ともなった。E U V 光源のピーク出力はすでるが、製造プロセス数の増大が直接的に製造コストの増に 200 Wレベルに到達しており、光源出力に関しては大につながっている。製造コストの増大を避けつつ回目標を達成しつつあるとの認識が広がっている。その路線幅の細線化が進むのか、細線化のペースは落ちた

ため目下の光源の課題は光源出力よりも装置の稼働率

ものの、ムーアの法則の流れはさらに続いていくのか、（availability）であり、availabilityをいかに高めるか

EUVリソグラフィーの導入の成否が鍵を握っている。に焦点が当てられてきている。現在のa v a i l a b i l i t yは70%程度であり、これをどこまで高められるか、光源の安定性、ドロップレットジェネレーターや光学素子の寿命、メンテナンス時間の短縮など、光源装置全体の技術力が問われてきている。

■EUVマスク技術
レジストやマスク分野も数々の進展が報告され、量産光源が現実のものとなってきている印象を大いに受けた。ただし、マスクへの粒子付着を避けるために使われるペリクル膜に関しては、量産光源で想定される200WのE U V出力レベルに耐えるものが未だできておらず、会議のサマリーにおいてもFocus areaとして発表された。高耐力ペリクル膜についての開発状況は今後注目すべき事項である。

■おわりに以上のように、E U Vリソグラフィーは未だ開発課題は多くあるものの、半導体製造現場への導入に向けての見通しは明るくなってきている。会議にはインテルやTSMC, Samsungなど世界の半導体製造メーカーも多く発表し、5ナノメートルプロセスへのE U Vリソグ

【写真2】広島平和記念公園内の平和記念資料館にある地球平和監視時計。上段の数字は広島への原爆投下からの日数、下段は最後の核実験からの日数。2017年、世界の動向はどのようになるでしょうか

主な学会等報告予定
3月7日（月）～ 9日（水）The 6 th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2017)（福井大学）
李 大治 「Terahertz radiation from a grating structure with graphene」
3月8日（水）第42回リモートセンシングシンポジウム（千葉大学）
染川智弘 「コヒーレント白色光を用いた長光路差分吸収分光法による大気中CO2の計測」
3月14日（火）～ 17日（金）応用物理学会春季講演会（パシフィコ横浜）
李 大治 「Radiation induced by graphene surface plasmon polaritons」
染川智弘 「水中レーザーリモートセンシングに向けたラマンライダーの開発」
ハイク コスロービアン 「Polarization properties of corner-cube and axicon retroreflectors」
3月16日（木）～ 19日（日）日本化学会 第97春季年会（慶應義塾大学日吉キャンパス）谷口誠治 「液中レーザーアブレーション法による還元金属ナノ粒子の作製」
4月18日（火）～ 21日（金）The 6 th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS'17)（パシフィコ横浜）
ハイク コスロービアン 「Quantitative analysis of CW-regime, multi-pass amplifier output
characteristics including optical losses」
本越伸二 「Laser-induced damage in silica glasses with double pulses irradiation」—連載終了のお知らせ−
本誌連載コラム「光と蔭（山中千代衛）」は筆者逝去のため 2016年12月号掲載分をもちまして終了させていただくこととなりました。連載232回、20年以上の長きにわたりご愛読いただきまして誠にありがとうございました。
Laser Cross No.347 2017, Feb.

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