VUV光源の種類と比較｜D2ランプ・エキシマ・RF励起・HHG (高次高調波)・レーザープラズマの違い
1. VUV(真空紫外域)とは
VUV波長とはVacuum Ultra Violet、200nm以下の真空紫外の帯域を指します。真空とある通り、大気環境下では光が吸収されてしまうため、使用するためには真空環境を用意する必要があります。400nm以下のUVA、UVB、UVC波長と異なり実験環境を整備するハードルが高いため、様々なアプリケーションでの使用が検討されながら実用できていないケースが多く存在します。
最も代表的な光源としてはD2ランプが挙げられますが、VUV領域を発光する光源は他にも多数存在します。本記事では以下の光源の特徴と適したアプリケーションについて解説していきます。
- D2ランプ
- RF励起プラズマ光源
- エキシマランプ
- HHG (高次高調波)
- レーザープラズマ
2. 各VUV光源の動作原理 /特徴/ アプリケーション
D2ランプ
D2ランプ(Deuterium Lamp)は、重水素ガス(D2)の放電を利用して、紫外〜真空紫外領域の連続スペクトル(115~400nm)を発生させる光源です。
市場ではおもにバルブ+電源のセットもしくは筐体内にバルブと電源を内蔵し、SMAファイバーの接続ポートがある光源が存在します。
本記事ではVUV光源として紹介していますが、一般的にはハロゲンランプが放出しないDUV~UV波長域を使用するために選択されることが多いです。
動作原理
内部に低圧の重水素ガス(D2)が封入されています。高電圧を印加すると放電が発生し、励起されたD2分子が基底状態へ戻る際に発光します。
特徴とデメリット
- 連続スペクトル
- 安定した出力
- 比較的安価
- 光量が高くない
主なアプリケーション
- UV分光
- VUV分光
- 吸光度測定
- モノクロメーター用光源
- 分析機器
RF励起プラズマ光源
RF励起プラズマ光源はガス種を選択することにより特定のピークの光を高効率に放射します。電極が内部に存在しないことにより、電極劣化の発生を懸念する必要がなく、長寿命を実現した光源といえます。またCFフランジを備えた光源が多く、真空チャンバーに直接設置することが可能です。
動作原理
内部に希ガス（He, Ne, Ar, Kr, Xe)、H2、N2などが封入されています。そこへRF電力を印加するとガスが電離してプラズマ状態になります。プラズマ内では原子励起、分子励起、イオン再結合などが発生し、VUV~UV光が放射されます。
特徴とデメリット
- 特定ピーク波長の発光
- 安定した出力
- 長寿命
- 電極レス
- RF電源でシステムが大きくなる
主なアプリケーション
- VUV分光
- 表面分析
- 光電子分光
- 材料評価
- 半導体研究
エキシマランプ(誘電体バリア放電)
エキシマランプは希ガスまたは希ガスハロゲン分子をDBD (誘電体バリア放電)によりエキシマ状態にし紫外〜真空紫外（VUV）光を発生させる光源です。
- 172nm
- 222nm
などの波長を高効率で出力できることが特徴です。
発生する疑問点としてはすでに解説したRF励起プラズマ光源はエキシマなのでは？という点ですが、エキシマは発光方法を指しています。RFは励起方法を指しており、エキシマでRF励起のものはあります。既述のRF励起プラズマ光源にもエキシマ発光を利用したものが含まれています。市場ではエキシマランプ(誘電体バリア放電)という形で呼ばれているため今回は別立てといたしました。
動作原理
内部に希ガス（He, Kr, Ar)が封入されています。エキシマランプは、励起された希ガス原子が一時的にエキシマ分子を形成し、基底状態へ戻る際にUV/VUV光を放射する光源です。多くは誘電体バリア放電（DBD）で駆動され、面照射に優れます。
特徴とデメリット
- 特定波長(172nm、222nm)を生成
- 面照射、大面積処理に最適
- 水銀レス
- 電極レス
- 高輝度集光、点光源化が難しい
- RF励起方式より安定性で劣る
主なアプリケーション
- UV洗浄（有機物除去)
- 表面改質・表面活性化
- フィルム・樹脂の密着性向上
- 半導体・フォトマスク洗浄
- 殺菌・除菌
- 親水化処理
HHG (高次高調波発生)
HHG（高次高調波発生）は、
超短パルスレーザーをガスへ集光することで、レーザー波長の整数倍となる高エネルギー光を生成する技術です。
主に
- VUV
- EUV
- 軟X線
領域の光源として利用されます。
動作原理
フェムト秒レーザーXe、Ar、Neなどのガスへ高強度集光すると強電場によって電子が原子から引き離されます。
電離→電子加速→電子再結合→高エネルギー光放出が発生しレーザー周波数の整数倍となる光が発生します。
特徴とデメリット
- VUV~EUV生成可能
- 非コヒーレント光源
- 超短パルス
- システムが大型・高価
- 光学的アライメントの難易度が高い
主なアプリケーション
- アト秒科学
- 超高速分光
- 光電子分光(ARPES)
- EUVイメージング
- ナノ計測
- 材料科学
レーザープラズマ光源
レーザーを物質へ高強度照射し、生成された高温プラズマからUV〜EUV〜X線を放射させる光源です。
主に
- 高輝度VUV
- EUV
- 軟X線
領域の光源として利用されます。
動作原理
高出力レーザーを
- 固体(金属など)
- 液滴(Snが代表、EUVで主流)
- ガス(Xeなど）
などへ集光します。
レーザー照射→急速加熱→プラズマ化→電子励起・電離が発生し光が照射されます。
特徴とデメリット
- 高出力
- 高輝度
- 点光源化しやすい
- 高NA光学と相性が良い
- システムが大型・高価
- デブリ発生
主なアプリケーション
- EUV露光
- 軟X線研究
- 材料分析
- プラズマ研究
- 高分解能イメージング
3. VUV光源-比較表
| 光源 | 波長域 | 輝度 | コヒーレンス性 | 点灯 |
|---|---|---|---|---|
| D2ランプ(重水素ランプ) | 115~400nm | 低 | 低 | CW |
| RF励起プラズマ光源 | 115~400nm(ガス種による) | 中 | 低 | CW-like |
| エキシマランプ | 126/172nm | 中 | 低 | quasi-CW |
| HHG | EUVまで | 非常に高い | 高い | 超短パルス |
| レーザープラズマ | VUV-EUV | 高い | 中 | パルス |
