極端紫外線

極端紫外線 (EUV) とは？

極端紫外線（EUV、Extreme UltraViolet radiation）は、波長が10nmから121nmの電磁波です。水素のライマンα線（121.6nm）より短く、X線領域に隣接する非常に短い波長帯です。この短い波長ゆえに、EUV光子は高いエネルギー（10.26eV～124.24eV）を持ち、物質と相互作用するとき、強い電離作用や加熱作用を引き起こします。

自然界では太陽コロナからEUV放射が放出されます。一方、人工的には高温高密度プラズマ、高次高調波発生装置、シンクロトロン放射光源などによって生成されます。EUVは、大気中では非常に吸収されやすい性質を持つため、利用するには高真空環境が必要です。

EUVの生成メカニズム

EUV放射は、中性原子や凝縮系物質からは直接放出されません。まず、物質がイオン化され、多価イオンが生成される必要があります。多価イオンに結合した電子が、より高いエネルギー準位に移行する際にEUV光子が放出されます。この過程には、高いエネルギーが必要です。例えば、炭素イオンから電子を１つ取り除くには約65eVのエネルギーが必要になります。

高温高密度プラズマ中では、多価イオンが豊富に存在しEUV放射が効率的に生成されます。また、強力なレーザー光を照射することで、瞬間的に自由電子とイオンが生成され、電子が親イオンに戻る際にEUV光子が放出される高次高調波発生という現象も利用されます。

しかし、EUV光子の電場強度は、電子を高次高調波まで加速するには不十分であり、生成されたEUV光子は容易に物質に吸収（電離）されるため、EUV光の生成と吸収は常に競合関係にあります。近年では、酸化亜鉛などの結晶で高次高調波発生が観測され、固体におけるEUV生成の可能性が示されています。

EUVの調整可能な生成

シンクロトロン放射光源を用いることで、連続的に波長を調整できるEUV光を得ることができます。また、ガスセル内の四光波混合という非線形光学現象を利用すれば、狭帯域の調整可能なEUV光を生成することも可能です。

物質とEUVの相互作用

EUV光子が物質に吸収されると、光電子と二次電子が発生します。光電子は、初期運動エネルギーを持ちますが、物質中を移動する間にエネルギーを失い、イオン化やフォノンの発生を引き起こします。二次電子は光電子と同様に、さらに多くの二次電子を生成する連鎖反応を起こします。最終的に、電子は熱としてエネルギーを放出します。

この過程で生成された正孔と電子は、励起子と呼ばれる複合体を形成する可能性があり、その挙動は物質の性質に大きく依存します。

EUV光子のエネルギーは、多くの材料のバンドギャップよりも大きいため、EUV光は物質に強く吸収され、効率的に熱に変換されます。そのため、誘電体材料においては、EUV照射によるアブレーション（蒸発）が容易に起こります。

太陽活動とEUV

太陽活動の活発さは、EUV放射強度と密接に関連しています。太陽黒点の増加（太陽活動極大期）に伴い、EUV放射強度も増加します。特定の波長のEUV放射強度は、太陽極小期と極大期の間で50倍もの変動を示すことがあり、地球の成層圏の温暖化やオゾン層生成に影響を与える可能性があります。

EUVによる機器への損傷

EUV放射は、電離放射線の一種であり、物質に強い電離作用と加熱作用を引き起こすため、光学機器や半導体デバイスなどに深刻な損傷を与える可能性があります。

損傷メカニズムとしては、酸化物の脱離、トラップされた電荷によるイオン化、マルター効果による表面帯電などが挙げられます。これらの損傷は、EUVリソグラフィなどの精密な製造プロセスにおいて大きな課題となっています。

研究では、EUV放射による表面帯電が200nm以下の波長で顕著に観測され、EUV放射が照射領域から数cm離れた場所でも正帯電を引き起こすことが示されています。また、EUVフェムト秒パルスを用いた研究では、熱溶融による損傷閾値が100mJ/cm2以下であることが明らかになっています。

これらの損傷を抑制するためには、真空環境の使用や、材料の選定、表面処理などが重要となります。

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