JP4392933B2 - シンクロトロン放射光計測装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は荷電粒子蓄積リング制御系あるいはシンクロトロン放射光を利用した分光器、リソグラフィ装置、Ｘ線顕微鏡などの各種装置に用いられるシンクロトロン放射光計測装置および方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
高速に加速した荷電粒子を磁場で曲げた際に発生するシンクロトロン放射光は荷電粒子の軌道面に集中したシート状のビームとして得られる。このビームは、荷電粒子の軌道面に垂直な方向には、概ねガアウシアンに近い強度分布をもっている。このビームの発散すなわちシート状ビームの厚さは、荷電粒子の加速エネルギ、磁場強度、荷電粒子ビームのサイズ、荷電粒子ビームの発散角などに依存している。
【０００３】
シンクロトロン放射光を利用して測定や加工などを行なう場合には、通常、ミラーを用いてビームを偏向または集光させて試料に照射する。試料の上に照射されるビームの集光位置や強度は、ミラーに入射するビームの位置やその広がりの大きさに依存している。試料に照射される光強度や位置を決定したり、最適値に調整したりするためには、ビームの位置やサイズを測定することが必要となる。また、ビームの位置やその広がりの大きさが所定の値に保たれるようにシンクロトロン光源を制御する際にも、ビームの位置やその広がりの大きさを測定する必要がある。
【０００４】
従来、シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズを測定する方法としては、図１７および図１８に示すような装置を用いる方法がある。この装置は、真空容器１、その中に配置され、ピンホール３４が設けられたアパーチャ板３５を前方に配置したフォトダイオード３６によるＸ線検出器、このＸ線検出器をＹ方向に駆動するステージ機構３７、大気中のステージ機構３７と真空中のＸ線検出器を機械的に結合しかつ真空を保持するためのロッド１０とベローズ機構１１、Ｘ線検出器の出力とステージ３７の駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。ここで、ＳＲビーム１５の進行方向をＺ、シート状のＳＲビーム１５の面（電子ビーム軌道面と同一）内でＺに垂直な方向をＸ、そしてＳＲビーム１５の面に垂直でＺに垂直な方向をＹと定義している。
【０００５】
この構成において、ピンホール３４を伴なうフォトダイオード３６によるＸ線検出器をＹステージ３７でスキャン移動させて、ビームプロファイルを求め、これを適当な関数、例えばガアウシアンでフィッティングして、ビームの広がり（大きさ）σおよびＹ方向位置を算出する。すなわち、図１９のように、横軸にＸ線検出器の位置Ｙをとり、縦軸にＸ線検出器の出力Ｓ（光強度）をとって測定値をプロットする。そして、この実験値とよく一致するように、実線で示すようなガアウシアンでフィッティングして、ガアウシアンのσと中心値を求める。具体的には、例えば仮定したガアウシアンと測定値との差の二乗和が最小となるようにガアウシアンのσと中心値のパラメータを決定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来例には以下のような問題がある。すなわち、この従来例によれば、高い精度でビームの位置やサイズを決定するためには、測定時に細かくＸ線検出器のＹ位置を設定して繰り返し測定を行ない、多くのデータを取得する必要がある。例えば０．１ｍｍピッチでステージを駆動し、１０ｍｍの範囲において１０１点について計測を行なう。そしてその際、１回の測定毎にステージを微小量駆動してはＸ線検出器の出力を取り込むという動作を何度も繰り返し行なう必要があるため、計測に長い時間がかかる。例えば１点の測定に０．１秒要するとしても、測定には１０秒以上の時間が必要である。シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズは短い周期で変動する場合も有り得るが、そのような短い周期の変動は、このような従来の方法では検出することができない。
【０００７】
また、ステージをスキャンしてビームプロファイルを計測する間にビームの位置やサイズが変動すると、正確にビームプロファイルを計測することができず、ビームの位置やサイズの計測値に誤差が発生する。
【０００８】
また、計測のたびにステージを駆動する必要があるため、電力消費が大きく、維持費用が嵩むという問題もある。また、シンクロトロン放射光を利用する他の計測装置などに振動等の悪影響を及ぼしやすいという問題もある。
【０００９】
また、ベローズやステージ機構には弾性変形や摩擦する部材があるため、長期間にわたって繰り返し駆動を行なうと、これらの部材が摩耗したり、破損したりする恐れがある。すなわち、これらの機械的な寿命によって計測システムの寿命が制限され、長期間使用することが難しいという問題点がある。
【００１０】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、シンクロトロン放射光計測装置および方法において、測定時間を短縮し、あるいはこれに加えて装置の電力消費を抑え、また、装置の寿命を延ばし、さらには他の計測装置などに振動等の悪影響を及ぼすのを防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としてのシンクロトロン放射光計測装置は、シンクロトロン放射光源からのビームについてその厚さ方向の全範囲にわたって積分した全強度を計測する全強度計測手段と、前記ビームの強度をその厚さ方向の位置が異なる複数点で計測する複数点強度計測手段と、前記全強度計測手段および前記複数点強度計測手段の計測結果に基づいて前記ビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する演算手段とを具備することを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい第１の実施形態においては、前記ビームの強度を測定する２点を前記ビームの厚さ方向に移動する手段または工程を有する。ただし、実際の測定時に移動することは不要である。ビームの全強度の計測は、ビームの厚さ方向の全範囲にわたって一度で受光できる受光面を有する放射光検出器により行なう。またはシンクロトロン蓄積電流値を検出することにより行なう。また、全強度の計測は前記２点で強度が計測されるビームが取り出されるビームラインとは別のビームラインから取り出されるビームについて行なうようにしてもよい。前記２点間の間隔は、ビームの厚さ方向の大きさ、例えば上述のσの１．５倍以下または２．５倍以上であるのが好ましい。
【００３６】
予め、蓄積電流値が異なる複数の条件下において、前記全強度を計測し、また前記厚さ方向に移動させながら前記２点の強度についての計測を行なって、これらの計測結果に基づいて校正関数を求めておき、実際の計測にあたっては、この校正関数を用い、全強度および２点の強度の計測値に基づいてビームの厚さ方向の位置または大きさを演算することができる。
【００３７】
さらに、本発明の好ましい第２の実施形態においては、前記ビームを測定する３点を前記ビームの厚さ方向に移動する手段または工程を有する。ただし、実際の測定時に移動することは不要である。蓄積電流値が異なる複数の条件下において、前記厚さ方向に移動させながら前記３点の強度についての計測を行なって、これらの計測結果に基づいて校正関数を求めておき、実際の計測にあたっては、この校正関数を用い、３点の強度の計測値に基づいてビームの厚さ方向の位置または大きさを演算する。
【００３８】
さらに、前記ビームを測定する３点を前記ビームの厚さ方向に移動する手段または工程を用いることなく、前記校正関数なしに前記３点のビームの強度に基づいて前記ビームの厚さ方向の位置または大きさを演算することもできる。
【００３９】
このようにしてビームの大きさや位置を求めることができるのは、次の原理による。ビームの強度分布がガアウシアンであると仮定すると、好ましい第１の形態の場合、ビームの中心位置Ｙ０、ビームの広がりσ、およびビームの厚さ方向であるＹ方向に積分した全強度Ｉ０が決まれば、ビームの強度分布は一意に決まる。また、ビームのＹ方向に積分した全強度Ｉ０、およびビーム内の特定の２点位置での強度がわかれば、ビームの強度分布は一意に決まり、ビームの中心位置Ｙ０と、ビームの広がりσも決まる。
【００４０】
好ましい第２の実施形態の場合、ビーム内の位置が異なる３つの位置での強度がわかれば、ビームの強度分布は一意に決まり、ビームの中心位置Ｙ０と、ビームの広がりσも決まる。従って、予め校正関数を決定するための計測を行わなくても、ビーム内の位置が異なる３つの位置での強度からシンクロトロン放射光ビームの位置とサイズを決定することもできる。
【００４１】
この原理を図２０、図２１および図２２を用いて説明する。図２０は、全強度が一定でビームの位置（Ｙ０）が変化したときのビームプロファイルと２個の検出器ＡおよびＢの位置との関係を示す。同図に示すように、２個の検出器ＡおよびＢが所定の間隔でビームに対して対称に位置ＹａおよびＹｂに設置されている場合において、ビームが検出器Ａの側に移動したとすれば、検出器Ａの出力が大きくなり、検出器Ｂの出力が小さくなる。逆に破線で示されるようにビームが検出器Ｂの側に移動したとすれば、検出器Ａの出力が小さくなり、検出器Ｂの出力が大きくなる。この場合には、検出器Ａおよび検出器Ｂそれぞれの出力の比Ｒ１がビームの位置を表わすパラメータとなる。
【００４２】
【数１】
また検出器ＡおよびＢ間の間隔が大きいほど、検出器ＡおよびＢそれぞれの出力の比は、ビームの位置変化に対して急激に変化する。したがって、２個の検出器ＡおよびＢ間の間隔が大きい方がビーム位置検出の感度が高くなる。
【００４３】
図２１は、全強度が一定でビームの広がり（σ）が変化したときのビームプロファイルの変化を示す。同図に示すように、２個の検出器ＡおよびＢがビームのσの２倍より大きい間隔でビームに対して対称に設置されている場合において、破線で示されるようにビームのσが大きくなったとすると、検出器ＡおよびＢの出力が両方とも大きくなる。逆に、ビームのσが小さくなったとすると、検出器ＡおよびＢの出力が両方とも小さくなる。一方、検出器Ａ’およびＢ’がビームのσの２倍より小さい間隔でビームに対して対称に位置Ｙａ’およびＹｂ’に設置されている場合において、ビームのσが大きくなったとすると、検出器ＡおよびＢの出力が両方とも小さくなる。逆にビームのσが小さくなったとすると、検出器Ａ’およびＢ’の出力が両方とも大きくなる。このように、検出器ＡおよびＢそれぞれの出力の和が、ビームの広がりを表わすパラメータとなる。
【００４４】
ただし、ビームのσが一定で、ビーム全体の強度が変化した場合においても検出器ＡおよびＢの出力の和が変化する。すなわち、検出器ＡおよびＢの出力の和が変化しても、これがビーム全体の強度が変化したためか、またはビームのσが変化したためかは区別がつかない。そこで、別の手段によってビーム全体の強度を計測し、この値で検出器ＡおよびＢの出力を規格化する。このように規格化した検出器ＡおよびＢの出力の和により、ビームの広がりを知ることができる。ビーム全体の強度を計測する方法については、実施例において詳細に述べる。
【００４５】
また、２個の検出器ＡおよびＢがビームのσの２倍の間隔でビームに対して対称に設置されている場合、ビームのσが変化しても、検出器ＡおよびＢの出力は変化しない。したがって、検出器ＡおよびＢ間の間隔がσの２倍ではビームのσを測定することができない。ビームのσを測定するためには、検出器の間隔はビームのσに近い値を避けることが必要であり、ビームのσを精度よく測定するためには、検出器の間隔はビームのσの１．５倍以下あるいは２．５倍以上が望ましい。
【００４６】
一方、検出器ＡおよびＢ間の間隔が大きい方が、ビーム位置が変動したときの検出器の出力の変化が大きい。すなわち２個の検出器ＡおよびＢ間の間隔が大きい方がビーム位置検出の感度が高い。したがって、ビームのσと位置Ｙを同時に精度よく測定するためには、２個の検出器の間隔はσの２倍より大きいことが望ましく、より望ましくは、σの２．５倍以上が適当である。
【００４７】
さらに、第３の検出器Ｃがビームの中心付近に設置されているとする。図２２に全強度が一定でビームの広がり（σ）が変化したときのビームプロファイルの比較を示す。同図に示すように、ビームのσが大きくなったとすると、検出器Ｃの出力が小さくなる。逆に、ビームのσが小さくなったとすると、検出器Ｃの出力が大きくなる。同図では、ビームの積分速度が一定としているが、実際にはビームの積分強度は変動する。そこで、検出器Ｃの出力と、検出器Ａ，Ｂの和との比Ｒ２をパラメータにとると、このパラメータはビームの広がりσを反映する。
【００４８】
【数２】
すなわち、ビームのσが大きくなった場合には、Ｒ２が小さくなり、逆にビームのσが小さくなったとすると、Ｒ２が大きくなる。本発明のシンクロトロン放射光ビームの位置とサイズを測定する装置は、シンクロトロン放射光ビームのＹが異なる３点でビームの強度を計測する手段、３個の出力値からビームの位置とサイズを演算する手段から構成される。また、この装置を予め校正するためのＹ方向に移動可能なステージ機構を備えている。
【００４９】
これらの原理に基づき、本発明の好ましい第１の実施形態では、ビームの大きさや位置を計測するための準備として、ビームの大きさが異なった条件（例えば蓄積電流値が異なった条件）でＹスキャンさせながらビームの全強度と２点での強度を計測し、これらの計測値の比をＹとσの関数として算出する。具体的な校正の手段については実施例の中で詳細に説明する。そして、校正を終えた後は、ビームが２つの計測点のほぼ中間に入射するように調整し、全強度Ｉ０と２点での強度ＩＡおよびＩＢを計測し、これらの比の値を先の校正によって決定した校正関数に代入してビームの太さσおよび位置Ｙを算出する。
【００５０】
また、本発明の好ましい第２の実施形態では、校正は、前記したビームの大きさが異なった条件で、ビームの厚さ方向に移動させながら３個の検出器の出力値を計測し、３個の検出器の出力の比をＹとσの関数として算出する。具体的な校正の手順については実施例の中で詳細に説明する。そして、校正を終えた後は、ビームが３つの計測点のうち、中央の計測点に入射するようにＹ方向に移動可能なステージ機構を固定し、３個の検出器の出力を測定する。測定されたＳ１、Ｓ２、Ｓ３の値を先の校正によって決定した校正関数に代入し、ビームの太さσおよび位置Ｙを算出する。また、ビームの厚さ方向に移動させることなく、校正関数も使用せず、ビームのσとＹを算出する方法については実施例の中で詳細に説明する。
【００５１】
この上述した算出は、計測手段の出力をアナログ−デジタル変換器を用いて数値化し、コンピュータで処理することによって、きわめて短時間に行なうことができる。
【００５２】
【実施例】
［実施例１］
図２は本発明の第１の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図１はその要部を示す斜視図である。この装置は３個のフォトダイオードを用いてシンクロトロン放射光によるビームの位置やサイズを測定するものである。これらの図に示すように、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、この中に配置され、２個のピンホール２と１個のＹ方向に長い縦スリット４が設けられたアパーチャ板５、この背後に配置され、３個のフォトダイオード７および８を有するＸ線検出器、このＸ線検出器をＹ方向に駆動するためのステージ／コントローラ９、大気中のステージ／コントローラ９と真空容器１による真空中のＸ線検出器を機械的に結合し、かつ真空を保持するためのロッド１０とベローズ機構１１、Ｘ線検出器の出力とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録するための検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２および演算装置１３などで構成されている。
【００５３】
Ｘ線検出器は金属製のシールドケース１４に納められ、不要な可視光や光電子がフォトダイオード７や８に照射されるのを防止している。さらにシールドケース１４は真空容器１に入れられ、真空容器１は排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。アパーチャ板５はシールドケース１４の最上流側に設けてある。また、アパーチャ板５は銅板製であり、シンクロトロン放射光の熱負荷による温度上昇を抑えるために水冷されている。アパーチャ板５に設けられたピンホール２の直径は０．５ｍｍ、２つのピンホール２間のＹ方向間隔は８ｍｍである。縦スリット４は幅が１ｍｍ、Ｙ方向の長さが２０ｍｍである。測定対象であるシンクロトロン放射光ビーム１５の広がりσは２ｍｍ程度であり、縦スリット４の長さはビームの広がりσに対して充分な大きさをもっている。また、ピンホール２のＹ方向間隔はσの約４倍に設定されている。なお、ピンホール２の開口の形状は円形でなくても構わない。例えば長方形等でもよい。また、ピンホール２および縦スリット４の各開口は１枚の金属板に設けられている必要はなく、１個の開口があいたアパーチャ板を３枚組み合わせたものであってもよい。
【００５４】
アパーチャ板５の下流側には放射線による損傷防止と、ＳＲ光１５に含まれる可視光の遮蔽のために金属箔製のフィルタ１６、例えば厚さ数百μｍのアルミニウム箔を設けてある。２個のフォトダイオード７および１個のフォトダイオード８は、フィルタ１６の下流において、アパーチャ板５の２個のピンホール２および１個の縦スリット４に対応する位置に設けてある。ピンホール２の下流に設けられたフォトダイオード７は直径５ｍｍの円形受光面を有し、縦スリット４の下流に設けられたフォトダイオード８は幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍの長方形の受光面をもっていて、ピンホール２および縦スリット４の各アパーチャを通過した光はそれぞれ全てフォトダイオード７および８の受光面に入射する。
【００５５】
フォトダイオードは、シンクロトロン放射光から出射されたビームをフィルタを通して直接受光する。フォトダイオードに入射する光は、シンクロトロン放射光の中の短波長成分の割合が高まっている。シンクロトロン放射光から直接出射されたビームの強度プロファイルは観測する光の波長に応じて異なるが、プロファイルの変化には各波長で相関があるので、フィルタを通った光を観測しても、シンクロトロン放射光源から直接出射されたビームの強度プロファイルの変化を正確に知ることができる。
【００５６】
なお、本明細書においてシンクロトロン放射光源からのビームを直接受光するとは、このように経由前後で強度プロファイルの変化に各波長で相関があるフィルタのような部材、経由前後で強度プロファイルが実質的な変化を起こさない部材、を通った後で受光する場合も含むものである。
【００５７】
ステージ／コントローラ９は真空容器１の外に設けられたＹステージを有し、このＹステージは真空容器１中のシールドケース１４とロッド１０でつながれている。ベローズ１１の一端はロッド１０に、他端はチャンバ１に溶接され、これによりロッド１０は真空を保持しながら、Ｙ方向に駆動することができる。
【００５８】
次に校正の手順について説明する。校正の際には、ビームサイズが異なった条件で、ＹステージによりＹスキャンしながら３つの検出器７および８の出力値を計測することが必要である。予めビームサイズを知ることはできないが、ビームサイズに影響を及ぼす他のパラメータを変えて測定を行なえばよい。例えば、ビームサイズは蓄積電流値に依存して変化する。そこで、異なる電流値において、Ｙスキャンしながら３つの検出器の出力値を計測すればよい。
【００５９】
ある電流値のとき、ピンホール２を伴なったフォトダイオード７の出力をそれぞれＳ１およびＳ２とし、縦スリット４を伴なった全強度を計測するためのフォトダイオード８の出力をＳ０とする。そして、Ｙスキャン時の素子出力比Ｒ１およびＲ２をＹの関数として算出する。ここで、Ｒ１およびＲ２は次式で表される。
【００６０】
【数３】
次に２個の検出器の出力Ｓ１およびＳ２をＹの関数としてガアウシアンでフィッティングし、ビームのＹ方向の太さσを求める。以上のデータ処理によって、σとＹの関数としてＲ１およびＲ２を求める。
【００６１】
電流値が異なる条件でＹスキャンを繰り返し、σ、Ｙ、Ｒ１、Ｒ２のテーブルを蓄積し、校正関数を決定する。例えば、蓄積ビーム電流値が１００ｍＡから１００ｍＡ毎に１Ａまでの１０点でスキャンを行なう。本実施例ではσおよびＹを、Ｒ１およびＲ２の多項式としてフィッティングする。例えば、次式のように置いて、実測されたσやＹとの差の２乗和が最小になるように、各係数を求める。
【００６２】
【数４】
Ｒ１としては出力Ｓ１とＳ２との比を反映するパラメータであればよいので、例えばＳ１とＳ２との比の対数、Ｒ１＝ｌｏｇ（Ｓ１／Ｓ２）や、Ｓ１とＳ２の差とＳ０との比、Ｒ１＝（ＳＡ−ＳＢ）／Ｓ０、等を用いて同様に校正を行なってもよい。
【００６３】
２個の検出器の感度が異なる場合には、係数をかけてピーク出力が等しくなるように規格化する。すなわち、出力Ｓ１の最大値がＳ１ｍａｘ、出力Ｓ２の最大値がＳ２ｍａｘであった場合、Ｓ１／Ｓ１ｍａｘおよびＳ２／Ｓ２ｍａｘをそれぞれ規格化した検出器出力として、Ｒ１およびＲ２を求めて校正を行なえばよい。校正を終えた後は、ビームが２個のピンホール２のほぼ中間に入射するようにＹステージを固定し、３個のフォトダイオード７および８の出力を測定する。測定されたＳＡ、ＳＢおよびＳ０の値から、次式によりＲ１およびＲ２を算出する。
【００６４】
【数５】
そして、これを先の校正によって決定した次の校正関数に代入して、ビームの太さσおよび位置Ｙを算出する。
【００６５】
【数６】
ただし、Ｒ１として、Ｒ１＝ｌｏｇ（Ｓ１／Ｓ２）やＲ１＝（ＳＡ−ＳＢ）／Ｓ０等を用いて校正を行なった場合には、これらのパラメータを校正で得た関数に代入する。
【００６６】
これらの計算は、フォトダイオード７および８の出力をアナログ−デジタル変換器１２を用いて数値化し、コンピュータ１３で処理することによって、きわめて短時間に行なうことができる。
【００６７】
この計測方法によれば、計測中はステージ駆動が不要であり、ある時刻のフォトダイオードの出力を演算することにより、直ちにビームの位置と広がりを求めることができる。このため、短時間の変動も正確に測定することができる。また計測時にはＹステージを移動する必要がないため、他の装置に振動等の悪影響を及ぼすことがない。また、電力の消費が少なく、装置の寿命も長い。
【００６８】
［実施例２］
図３は本発明の第２の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図４はその要部を示す斜視図である。この装置では、２本のワイヤおよび別のビームラインの全強度モニタを用いてシンクロトロン放射光によるビームの位置やサイズを測定する。これらの図において、１８はシンクロトロン放射光１５の検出器を構成する２本の金属ワイヤ、９は金属ワイヤ１８をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ、１９は他のビームラインに設けた全強度検出器、１３はＸ線検出器の出力とステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置である。図３および図４において、図１および２と同一の要素には同一の符号を付した。
【００６９】
ワイヤ１８は真空容器１に入れられ、真空容器１は排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はまた、シンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。２本のワイヤ１８はセラミック等の絶縁物２０によってビーム１５面と平行に保持される。絶縁物２０は真空容器１の外のステージ／コントローラ９のＹステージと機械的に結合され、Ｙ方向に駆動される。ワイヤ１８としては、金がメッキされたタングステンワイヤ等が用いられる。太さは例えば０．１〜１ｍｍ程度である。ワイヤ１８は真空容器１外のバイアス印加回路／電流電圧変換回路２１のバイアス印加回路に導線で接続され、真空容器１に対して数Ｖから数百Ｖの電圧が印加される。このとき、ワイヤ１８にシンクロトロン放射光１５が照射されると、光電子が発生し、これが印加電圧による電場によって移動するので、ワイヤ１８に電流が流れる。この電流を検出するため、ワイヤ１８はバイアス印加回路／電流電圧変換回路２１の電流−電圧変換回路にも接続されている。電流−電圧変換回路の出力は、検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２のアナログ−デジタル変換回路を経て演算装置１３に取り込まれる。
【００７０】
本実施例では、測定を行なうビームライン１５には全強度検出器を設けず、代わりに、他のビームラインに設けた全強度検出器１９の出力を用いるが、それ以外については、実施例１の場合と同様にしてビーム１５の位置やサイズを測定することができる。
【００７１】
一般に、シンクロトロン放射光光源では多数のビームラインが設置され、多数のビームラインでビーム位置やビームサイズの計測を行なうことがある。このような場合において本実施例の装置を用いる際には、各ビームラインに２個の検出器を設け、さらに１本のビームラインだけに全強度を測定する検出器を設ける。この方法によれば、検出器の個数を最小限に減らすことができ、その分だけ信号処理装置も減らすことができる。したがって、システム全体の費用を下げることができる。
【００７２】
［実施例３］
図５は本発明の第３の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図６はその要部を示す斜視図である。この装置では、シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズを測定するために、イオンチャンバおよびシンクロトロン蓄積電流値を用いている。この装置は、２個のピンホールが設けられたアパーチャ板２２、これに対応する位置に位置された２個のイオンチャンバ２３、アパーチャ板２２をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、シンクロトロン放射光光源２４の蓄積電流値を測定するための手段、イオンチャンバ２３の出力、シンクロトロン放射光光源２４の蓄積電流値２８およびステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３等で構成される。
【００７３】
この計測装置は、大気中でシンクロトロン放射光の計測を行なう。ベリリウム窓２６を通って大気中に導かれたシンクロトロン放射光１５を２個のピンホールが設けられたアパーチャ板２２で遮り、ピンホールを通過したＸ線を２個のイオンチャンバ２３で測定する。アパーチャ板２２はステージ／コントローラ９のＹステージに固定されており、Ｙ方向に駆動することができる。イオンチャンバ２３はＹステージではなく床面に対して固定されている。イオンチャンバ２３の受光面は２０ｍｍ程度の大きさがあり、アパーチャ板２２がＹ方向に移動しても、ピンホールを通ったＸ線は常にイオンチャンバ２３に入射する。
【００７４】
シンクロトロン放射光の全強度は、加速エネルギや磁場強度が一定であれば、電子蓄積リングの蓄積電流値に比例する。本実施例では、全強度検出器による全強度の代わりに電子蓄積リングの蓄積電流値のデータ２８を用いる。蓄積電流値は通常、電流トランス、ＤＣＣＴ等によって精度よく計測することができる。
一般に、シンクロトロン放射光光源では多数のビームラインが設置され、多数のビームラインでビーム位置やビームサイズの計測を行なうことがある。このような場合において本実施例の装置を用い、各ビームラインに２個の検出器を設け、電流トランスによって測定したビーム電流の情報を多数の計測装置で共通に用いることにより、検出器の個数を最小限に減らすことができ、その分だけ信号処理装置も減らすことができる。したがって、システム全体の費用を下げることができる。また、本実施例では計測装置は大気中にあり、真空容器や排気ポンプ等が不要なので、装置費用を低減することができる。さらに本実施例では、Ｙステージが駆動する部材はアパーチャ板２２だけであり、軽量なので、小型のステージを用いることができるため、さらに装置費用を低減することができる。
【００７５】
［実施例４］
図７は本発明の第４の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図８はその要部を示す斜視図である。この装置では、シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズを測定するために、４枚の金属板の光電効果を用いている。この装置は、長方形の穴があいたアパーチャ板３０、この後方の対応する位置に配置され、アパーチャ板３０を通過したシンクロトロン放射光１５のＸ方向の範囲を規制する２枚の金属板３１、同様にＹ方向の範囲を規制する２枚の金属板３２、アパーチャ板３０と金属板３１および３２をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、金属板３１および３２の光電流値とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。
【００７６】
本実施例では、シンクロトロン放射光１５を複数の金属板３１および３２に照射し、そこからの光電子を計測する。計測装置全体は真空容器１に納められている。最上流にアパーチャ板３０が設けてあり、これによりシンクロトロン放射光ビーム１５のＸ方向の幅を規制する。アパーチャ板３０のアパーチャ３３のＹ方向の幅はビームの幅より充分大きく、シンクロトロン放射光ビーム１５のＹ方向の幅は規制されない。アパーチャ３３の後方にＸ方向を規制する２枚の金属板３１、さらにその下流にＹ方向を規制する２枚の金属板３２が設けられている。
金属板３１にはビーム１５のＹ方向全体が照射されるので、これらからの光電流はビーム１５の全強度に比例する。したがって、金属板３１は全強度検出器として用いることができる。金属板３２にはビーム１５のＹ方向の一部が照射される。したがって、金属板３２からの光電流をＹが異なる位置に設置された２つの検出器の出力として用いることができる。
【００７７】
本実施例によれば、ビーム１５の中心部分は検出器に遮られず、そのまま通過するので、他の測定や材料加工等に用いることができる。
【００７８】
［実施例５］
図９は本発明の第５の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図１０はその要部を示す斜視図である。この装置は、３個のフォトダイオードを用いてシンクロトロン放射光によるビームの位置やサイズを測定するものである。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、３個のピンホール３９が設けられたアパーチャ板３８、これに対応する位置に位置された３個のフォトダイオード４０を有するＸ線検出器、このＸ線検出器をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、大気中のステージ／コントローラ９と真空容器１による真空中のＸ線検出器を機械的に結合し、かつ真空を保持するためのロッド１０とベローズ機構１１、Ｘ線検出器の出力とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録するための検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２および演算装置１３などで構成されている。
【００７９】
本実施例では、Ｘ線検出器は金属製のシールドケース１４に納められ、不要な可視光や光電子がフォトダイオード３９に照射されることを防止している。さらにシールドケース１４は真空容器１に入れられ、排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。シールドケース１４の最上流側にはアパーチャ板３８が設けてあり、アパーチャ板３８には図９の様に３個のピンホール３９が等間隔にあけてある。アパ−チャ板３８は銅板製であり、シンクロトロン放射光の熱負荷による温度上昇を抑えるために内部が水冷されている。ピンホール３９の直径は０．５ｍｍ、Ｙ方向の間隔は４ｍｍである。本実施例のシンクロトロン放射光ビーム１５の位置やサイズを測定する装置が測定しようとするビームの広がりσは２mm程度であり、ピンホール３９の間隔はＹ方向にσの約２倍に設定されている。
【００８０】
アパーチャ板３８上のピンホール３９の形状は、円形でなくても構わない。例えば、長方形等でもよい。また各開口は１枚の金属板に設けられている必要はなく、１個の開口があいた３枚のアパーチャ板３８を組み合わせてもよい。
【００８１】
アパーチャ板３８の下流側には放射線による損傷防止と、ＳＲ光１５に含まれる可視光遮蔽のために金属箔製のフィルタ１６、例えば厚さ数百μｍのアルミニウムを設けてある。均一な厚さのフィルタ１６を用いた場合、３個あるフォトダイオード４０のうち、中央のフォトダイオード４０はビーム１５の中心に近いので他の２個のフォトダイオード４０に比較して強いＸ線が照射される。このため、放射線による損傷が起りやすい。そこで、中央のフォトダイオード４０のみに更に１枚フィルタ１６を付加し、３個のフォトダイオード４０に入射するＸ線の強度がほぼ等しくなるようにしてある。こうすることで、センサの寿命を長くすることができる。本実施例では、１枚の均一な厚さのフィルタ１６に加え、中央のフォトダイオードのみに更に１枚フィルタ１６を付加してあるが、このほかに中央部分のみの厚さが厚くなった１枚のフィルタ１６を用いても同様の効果が得られる。
【００８２】
フィルタ１６の下流にはアパーチャ板３８の３つの開口に対応する位置に検出器を構成する３個のフォトダイオード４０が設けてある。ピンホール３９の下流に設けられたフォトダイオード４０は直径５ｍｍの円形受光面を持っていて、ピンホール３９を通過した光は全てフォトダイオード４０の受光面に入射する。
【００８３】
真空容器１の外にはＹステージが設けてあり、真空容器１中のシールドケース１４とロッド１０でつながれている。ベローズ１１の一端にロッド１０が、もう一方の端がチャンバ１に溶接され、真空を保持しながら、Ｙ方向に駆動することができる。
【００８４】
次に校正の手順について説明する。校正の際には、ビームサイズが異なった条件で、Ｙスキャンしながら３つのフォトダイオード４０の出力値を計測することが必要である。予めビームサイズを知ることはできないが、ビームサイズに影響を及ぼす他のパラメータを変えて測定を行えばよい。例えば、ビームサイズは蓄積電流値に依存して変化する。そこで、電流値が異なる時に、Ｙスキャンしながら３つのフォトダイオード４０の出力値を計測すればよい。
【００８５】
ある電流値のとき、ピンホール３９を伴ったフォトダイオード４０のＹ方向に離れたそれぞれの出力を各々Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３とする。そして、Ｙスキャン時の素子出力比Ｒ１、Ｒ２をＹの関数として算出する。ここで、Ｒ１およびＲ２は次式で表される。
【００８６】
【数７】
次に３個のフォトダイオード４０の出力Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３をそれぞれＹの関数としてガアウシアンでフィッティングし、ビームのΥ方向の太さ＝σ１、σ２、 σ３を求め、これの平均値をビームの太さσとする。以上のデータ処理によって、σとＹの関数としてＲ１、Ｒ２を求める。
【００８７】
電流値が異なる条件でＹスキャンを繰り返し、σ、Ｙ、Ｒ１、 Ｒ２のテーブルを蓄積し、校正関数を決定する。例えば、蓄積ビーム電流値が１００ｍＡから１００ｍＡ毎に１Ａまでの１０点でスキャンを行う。本実施例ではσ、 Ｙを、Ｒ１、Ｒ２の多項式としてフィッティングする。例えば、次式のように置いて、実測されたσやＹとの差の２乗和が最小になるように、各係数を求める。
【００８８】
【数８】
Ｒ１としては、Ｓ１とＳ２との比を反映するパラメータならよいので、例えば、次式のように、Ｓ１とＳ２との比の対数等を用いて同様に校正を行ってもよい。
【００８９】
【数９】
３個のフォトダイオード４０の感度が異なる場合には、係数をかけてピーク出力が等しくなるように規格化する。すなわち、Ｓ１の出力の最大値がＳ１ｍａｘ、Ｓ２の出力の最大値がＳ２ｍａｘ、Ｓ３の出力の最大値がＳ３ｍａｘ、であった場合、Ｓ１／Ｓ１ｍａｘ、Ｓ２／Ｓ２ｍａｘ、Ｓ３／Ｓ３ｍａｘ、をそれぞれ規格化した検出器出力として、Ｒ１、 Ｒ２、Ｒ３を求めて校正を行えばよい。校正を終えた後は、ビーム１５の中心が３個のピンホール３９のうち、中央のピンホールに入射するようにＹステージを固定し、３個のフォトダイオード４０の出力を測定する。測定されたＳ１、Ｓ２、Ｓ３の値から数５によるＲ１、Ｒ２を算出し、これを先の校正によって決定した次の校正関数に代入し、ビームの太さσ、位置Ｙを算出する。
【００９０】
【数１０】
ただし、Ｒ１として、Ｒ１＝ｌｏｇ（Ｓ１／Ｓ２）等を用いて校正を行った場合には、これらのパラメータを校正で得た関数に代入する。
【００９１】
これらの計算は、フォトダイオード４０の出力を検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２のアナログ−デジタル変換器を用いて数値化し、コンピュータ１３で処理することによって、きわめて短時間に行うことができる。
【００９２】
本実施例によれば、計測中はステージ駆動が不要で、ある時刻のフォトダイオード４０の出力を演算することで、直ちにビーム１５の位置と広がりを求めることができる。このため、短時間の変動も正確に測定することができる。また、計測時はＹステージを移動する必要がないので、他の装置に振動等の悪影響を及ぼすことがない。電力の消費が少なく、また装置の寿命が長い。
【００９３】
［実施例６］
図１１は本発明の第６の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、 図１２はその要部を示す斜視図である。この装置では、３本の金属ワイヤを検出器としてシンクロトロン放射光の位置やサイズを測定する。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、シンクロトロン放射光１５の検出器を構成する３本の金属ワイヤ４１、金属ワイヤ４１をＹ方向に駆動するステージコントローラ９、Ｘ線検出器の出力とステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。図１１および図１２において、図３および図４と同一の要素には同一の符号を付した。
【００９４】
本実施例では、シンクロトロン放射光１５の検出器として３本の金属ワイヤ４１を用いる。ワイヤ４１は真空容器１に入れられ、排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。３本のワイヤ４１はセラミック等の絶縁物でビーム１５面と平行に保持される。絶縁物は真空容器１の外のＹステージと機械的に結合され、Ｙ方向に駆動される。第１と第２のワイヤ４１の間隔はビーム１５のＹ方向のサイズの約２倍で、ビーム計測時はビーム１５に対しほぼ対称な位置にある。第３のワイヤ４１は、第１と第２のワイヤの中間位置からビームのＹ方向のサイズの約１．５倍に等しい距離だけＹ方向に離れている。
【００９５】
ワイヤ４１としては金がメッキされたタングステンワイヤ等が用いられる。太さは例えば０．０１〜０．５ｍｍ程度である。ワイヤ４１は真空容器１外のバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２のバイアス印加回路に導線で接続され、真空容器１に対して数Ｖから数百Ｖの電圧が印加される。このワイヤ４１にシンクロトロン放射光１５が照射されると、光電子が発生し、印加電圧による電場によって移動するので、ワイヤ４１に電流が流れる。この電流を検出するため、ワイヤ４１はバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２の電流−電圧変換回路にも接続されている。電流−電圧変換回路の出力は検出器アンプ／アナログデジタル変換回路１２のアナログ−デジタル変換回路を経て演算装置１３に取り込まれる。
【００９６】
予め、第５の実施例と同様な手順で校正関数の算出を行い、その後は、この校正関数に測定値を代入してビーム１５の位置やサイズを算出する。
【００９７】
［実施例７］
図１３は本発明の第７の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、 図１４はその要部を示す斜視図である。この装置では、３本の金属ワイヤを検出器としてシンクロトロン放射光の位置やサイズを測定する。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、シンクロトロン放射光１５の検出器を構成する３本の金属ワイヤ４１、Ｘ線検出器の出力とステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。図１３および図１４において、図１１および図１２と同一の要素には同一の符号を付した。
【００９８】
本実施例では、シンクロトロン放射光の検出器として３本の金属ワイヤ４１を用いる。ワイヤ４１は真空容器１に入れられ、排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。３本のワイヤ４１はセラミック等の絶縁物でビーム１５面と平行に保持される。ワイヤ４１としては金がメッキされたタングステンワイヤ等が用いられる。太さは例えば０．０１〜０．５ｍｍ程度である。ワイヤ４１は真空容器１外のバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２のバイアス電圧印加回路に導線で接続され、真空容器１に対して数Ｖから数百Ｖの電圧が印加される。このワイヤ４１にシンクロトロン放射光１５が照射されると、光電子が発生し、印加電圧による電場によって移動するので、ワイヤ４１に電流が流れる。この電流を検出するため、ワイヤ４１はバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２の電流−電圧変換回路にも接続されている。電流−電圧変換回路の出力は検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２のアナログ−デジタル変換回路を経て演算装置１３に取り込まれる。
【００９９】
本実施例では、校正関数を用いず、測定値よりガウス関数を直接算出する。強度分布関数はガウス分布関数で近似出来る。すなわち、次式のように表現できる。
【０１００】
【数１１】
ここでＩ０はビームの全強度、Ｙ０はビームの中心位置、σはビームの広がりである。
【０１０１】
本実施例のビーム計測装置では、３つの異なるＹに対し、ビーム強度観測値が３点ある。すなわちＹとＩのデータが３組得られる。Ｉ０とＹ０とσを３つの未知数に対して連立方程式を解いてＩ０とＹ０とσを算出する。この方法では予め校正関数を求める必要がなく、真空中の検出器を移動するための駆動機構やベローズ機構などが不要で、装置構成が単純なため、価格が低くなり、信頼性も向上する。
【０１０２】
［実施例８］
図１５は本発明の第８の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、 図１６はその要部を示す斜視図である。この装置では、シンクロトロン放射光の位置やサイズを測定するために、２枚の金属（電極）板と１本の金属ワイヤの光電効果を用いている。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、長方形の穴（矩形開口４７）があいたアパーチャ板４６、この後方の対応する位置に配置され、アパーチャ板４６を通過したシンクロトロン放射光１５のＹ方向の範囲を規制する２枚の電極板４４、１本の金属ワイヤ４３、アパーチャ板４６と電極板４４および金属ワイヤ４３をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、電極板４４とワイヤ４３の光電流値とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。図１５および図１６において、図９および図１０と同一の要素には同一の符号を付した。
【０１０３】
本実施例ではシンクロトロン放射光を２枚の電極板４４と１本のワイヤ４３に照射し、それからの光電子を計測する。計測装置全体は真空容器１に納められている。最上流に長方形の穴（矩形開口４７）があいたアパーチャ板４６が設けてあり、矩形開口４７によりシンクロトロン放射光ビーム１５のＸ方向の幅を規制する。アパーチャ板４６に設けられた矩形開口４７のＹ方向の幅はビーム１５の幅より充分大きく、シンクロトロン放射光ビーム１５のＹ方向の幅は規制されない。アパーチャ板４６の後方にＹ方向を規制する２枚の電極板４４のＣ，Ｄが設けられている。
【０１０４】
電極板４４Ｃ，Ｄ、および金属ワイヤ４３にはビーム１５のＹ方向の一部が照射されるので、これからの光電流をＹが異なる位置に設置された３個の検出器の出力として用いることができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シンクロトロン放射光源からのビームを複数の受光手段で直接受光して得た複数のビーム強度の情報に基づいてビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する、あるいはシンクロトロン放射光源からのビームの複数のビーム強度の計測情報に基づいてシンクロトロン照射光源から直接出射されたビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する、ようにしたことで、きわめて短時間にプロファイル特定のためのパラメータ、例えばビームの太さσ、位置Ｙを計測することができる。このため、従来の技術では知りえなかった短時間の変動を正確に計測することが可能となる。また本発明によれば、校正の時を除いて、計測中はステージを駆動することが必須でない。このため、電力消費が小さく、維持費用が低く抑えられる。また、シンクロトロン放射光を利用する他の計測装置などに振動等の悪影響を及ぼすことが少ない。また、ステージを駆動するのは校正の時等に限られるので、べローズやステージ機構等の装置の損耗が少なく、装置の寿命を非常に長く延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図２の装置の要部を示す斜視図である。
【図２】 本発明の第１の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明の第２の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 図３の装置の要部を示す斜視図である。
【図５】 本発明の第３の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図６】 図５の装置の要部を示す斜視図である。
【図７】 本発明の第４の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図８】 図７の装置の要部を示す斜視図である。
【図９】 本発明の第５の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】 図９の装置の要部を示す斜視図である。
【図１１】 本発明の第６の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】 図１１の装置の要部を示す斜視図である。
【図１３】 本発明の第７の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】 図１３の装置の要部を示す斜視図である。
【図１５】 本発明の第８の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】 図１５の装置の要部を示す斜視図である。
【図１７】 従来のシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】 図９の装置の要部を示す斜視図である。
【図１９】 従来例に係るビームの広がりσおよびＹ方向位置を算出する方法を示すグラフである。
【図２０】 本発明のシンクロトロン放射光測定装置の測定原理を示すグラフである。
【図２１】 本発明のシンクロトロン放射光測定装置の測定原理を示す他のグラフである。
【図２２】 本発明のシンクロトロン放射光測定装置の測定原理を示す他のグラフである。
【符号の説明】
１：真空容器、２：ピンホール、４：縦スリット、５：アパーチャ板、７，８：フォトダイオード、９：ステージ／コントローラ、１０：ロッド、１１：ベローズ機構、１２：検出器アンプ／アナログデジタル変換器、１３：演算装置、１４：シールドケース、１５：ビーム、１６：フィルタ、１７：排気ポンプ、１８：金属ワイヤ、１９：全強度検出器、２０：絶縁物、２１：バイアス印加回路／電流電圧変換回路、２２：アパーチャ板、２３：イオンチャンバ、２４：シンクロトロン放射光光源、２６：ベリリウム窓、２８：蓄積電流値、２９，３０：アパーチャ板、３１，３２：金属板、３３：アパーチャ、３４：ピンホール、３５：アパーチャ板、３６：フォトダイオード、３７：ステージ機構、３８：アパーチャ板、３９：ピンホール、４０：フォトダイオード、４１：金属ワイヤ、４２：バイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路、４３：金属ワイヤ、４４Ｃ，４４Ｄ：電極板、４５，４６：アパーチャ板、４７：アパーチャ（矩形開口）。
【発明の属する技術分野】
本発明は荷電粒子蓄積リング制御系あるいはシンクロトロン放射光を利用した分光器、リソグラフィ装置、Ｘ線顕微鏡などの各種装置に用いられるシンクロトロン放射光計測装置および方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
高速に加速した荷電粒子を磁場で曲げた際に発生するシンクロトロン放射光は荷電粒子の軌道面に集中したシート状のビームとして得られる。このビームは、荷電粒子の軌道面に垂直な方向には、概ねガアウシアンに近い強度分布をもっている。このビームの発散すなわちシート状ビームの厚さは、荷電粒子の加速エネルギ、磁場強度、荷電粒子ビームのサイズ、荷電粒子ビームの発散角などに依存している。
【０００３】
シンクロトロン放射光を利用して測定や加工などを行なう場合には、通常、ミラーを用いてビームを偏向または集光させて試料に照射する。試料の上に照射されるビームの集光位置や強度は、ミラーに入射するビームの位置やその広がりの大きさに依存している。試料に照射される光強度や位置を決定したり、最適値に調整したりするためには、ビームの位置やサイズを測定することが必要となる。また、ビームの位置やその広がりの大きさが所定の値に保たれるようにシンクロトロン光源を制御する際にも、ビームの位置やその広がりの大きさを測定する必要がある。
【０００４】
従来、シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズを測定する方法としては、図１７および図１８に示すような装置を用いる方法がある。この装置は、真空容器１、その中に配置され、ピンホール３４が設けられたアパーチャ板３５を前方に配置したフォトダイオード３６によるＸ線検出器、このＸ線検出器をＹ方向に駆動するステージ機構３７、大気中のステージ機構３７と真空中のＸ線検出器を機械的に結合しかつ真空を保持するためのロッド１０とベローズ機構１１、Ｘ線検出器の出力とステージ３７の駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。ここで、ＳＲビーム１５の進行方向をＺ、シート状のＳＲビーム１５の面（電子ビーム軌道面と同一）内でＺに垂直な方向をＸ、そしてＳＲビーム１５の面に垂直でＺに垂直な方向をＹと定義している。
【０００５】
この構成において、ピンホール３４を伴なうフォトダイオード３６によるＸ線検出器をＹステージ３７でスキャン移動させて、ビームプロファイルを求め、これを適当な関数、例えばガアウシアンでフィッティングして、ビームの広がり（大きさ）σおよびＹ方向位置を算出する。すなわち、図１９のように、横軸にＸ線検出器の位置Ｙをとり、縦軸にＸ線検出器の出力Ｓ（光強度）をとって測定値をプロットする。そして、この実験値とよく一致するように、実線で示すようなガアウシアンでフィッティングして、ガアウシアンのσと中心値を求める。具体的には、例えば仮定したガアウシアンと測定値との差の二乗和が最小となるようにガアウシアンのσと中心値のパラメータを決定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来例には以下のような問題がある。すなわち、この従来例によれば、高い精度でビームの位置やサイズを決定するためには、測定時に細かくＸ線検出器のＹ位置を設定して繰り返し測定を行ない、多くのデータを取得する必要がある。例えば０．１ｍｍピッチでステージを駆動し、１０ｍｍの範囲において１０１点について計測を行なう。そしてその際、１回の測定毎にステージを微小量駆動してはＸ線検出器の出力を取り込むという動作を何度も繰り返し行なう必要があるため、計測に長い時間がかかる。例えば１点の測定に０．１秒要するとしても、測定には１０秒以上の時間が必要である。シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズは短い周期で変動する場合も有り得るが、そのような短い周期の変動は、このような従来の方法では検出することができない。
【０００７】
また、ステージをスキャンしてビームプロファイルを計測する間にビームの位置やサイズが変動すると、正確にビームプロファイルを計測することができず、ビームの位置やサイズの計測値に誤差が発生する。
【０００８】
また、計測のたびにステージを駆動する必要があるため、電力消費が大きく、維持費用が嵩むという問題もある。また、シンクロトロン放射光を利用する他の計測装置などに振動等の悪影響を及ぼしやすいという問題もある。
【０００９】
また、ベローズやステージ機構には弾性変形や摩擦する部材があるため、長期間にわたって繰り返し駆動を行なうと、これらの部材が摩耗したり、破損したりする恐れがある。すなわち、これらの機械的な寿命によって計測システムの寿命が制限され、長期間使用することが難しいという問題点がある。
【００１０】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点に鑑み、シンクロトロン放射光計測装置および方法において、測定時間を短縮し、あるいはこれに加えて装置の電力消費を抑え、また、装置の寿命を延ばし、さらには他の計測装置などに振動等の悪影響を及ぼすのを防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面としてのシンクロトロン放射光計測装置は、シンクロトロン放射光源からのビームについてその厚さ方向の全範囲にわたって積分した全強度を計測する全強度計測手段と、前記ビームの強度をその厚さ方向の位置が異なる複数点で計測する複数点強度計測手段と、前記全強度計測手段および前記複数点強度計測手段の計測結果に基づいて前記ビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する演算手段とを具備することを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい第１の実施形態においては、前記ビームの強度を測定する２点を前記ビームの厚さ方向に移動する手段または工程を有する。ただし、実際の測定時に移動することは不要である。ビームの全強度の計測は、ビームの厚さ方向の全範囲にわたって一度で受光できる受光面を有する放射光検出器により行なう。またはシンクロトロン蓄積電流値を検出することにより行なう。また、全強度の計測は前記２点で強度が計測されるビームが取り出されるビームラインとは別のビームラインから取り出されるビームについて行なうようにしてもよい。前記２点間の間隔は、ビームの厚さ方向の大きさ、例えば上述のσの１．５倍以下または２．５倍以上であるのが好ましい。
【００３６】
予め、蓄積電流値が異なる複数の条件下において、前記全強度を計測し、また前記厚さ方向に移動させながら前記２点の強度についての計測を行なって、これらの計測結果に基づいて校正関数を求めておき、実際の計測にあたっては、この校正関数を用い、全強度および２点の強度の計測値に基づいてビームの厚さ方向の位置または大きさを演算することができる。
【００３７】
さらに、本発明の好ましい第２の実施形態においては、前記ビームを測定する３点を前記ビームの厚さ方向に移動する手段または工程を有する。ただし、実際の測定時に移動することは不要である。蓄積電流値が異なる複数の条件下において、前記厚さ方向に移動させながら前記３点の強度についての計測を行なって、これらの計測結果に基づいて校正関数を求めておき、実際の計測にあたっては、この校正関数を用い、３点の強度の計測値に基づいてビームの厚さ方向の位置または大きさを演算する。
【００３８】
さらに、前記ビームを測定する３点を前記ビームの厚さ方向に移動する手段または工程を用いることなく、前記校正関数なしに前記３点のビームの強度に基づいて前記ビームの厚さ方向の位置または大きさを演算することもできる。
【００３９】
このようにしてビームの大きさや位置を求めることができるのは、次の原理による。ビームの強度分布がガアウシアンであると仮定すると、好ましい第１の形態の場合、ビームの中心位置Ｙ０、ビームの広がりσ、およびビームの厚さ方向であるＹ方向に積分した全強度Ｉ０が決まれば、ビームの強度分布は一意に決まる。また、ビームのＹ方向に積分した全強度Ｉ０、およびビーム内の特定の２点位置での強度がわかれば、ビームの強度分布は一意に決まり、ビームの中心位置Ｙ０と、ビームの広がりσも決まる。
【００４０】
好ましい第２の実施形態の場合、ビーム内の位置が異なる３つの位置での強度がわかれば、ビームの強度分布は一意に決まり、ビームの中心位置Ｙ０と、ビームの広がりσも決まる。従って、予め校正関数を決定するための計測を行わなくても、ビーム内の位置が異なる３つの位置での強度からシンクロトロン放射光ビームの位置とサイズを決定することもできる。
【００４１】
この原理を図２０、図２１および図２２を用いて説明する。図２０は、全強度が一定でビームの位置（Ｙ０）が変化したときのビームプロファイルと２個の検出器ＡおよびＢの位置との関係を示す。同図に示すように、２個の検出器ＡおよびＢが所定の間隔でビームに対して対称に位置ＹａおよびＹｂに設置されている場合において、ビームが検出器Ａの側に移動したとすれば、検出器Ａの出力が大きくなり、検出器Ｂの出力が小さくなる。逆に破線で示されるようにビームが検出器Ｂの側に移動したとすれば、検出器Ａの出力が小さくなり、検出器Ｂの出力が大きくなる。この場合には、検出器Ａおよび検出器Ｂそれぞれの出力の比Ｒ１がビームの位置を表わすパラメータとなる。
【００４２】
【数１】
【００４３】
図２１は、全強度が一定でビームの広がり（σ）が変化したときのビームプロファイルの変化を示す。同図に示すように、２個の検出器ＡおよびＢがビームのσの２倍より大きい間隔でビームに対して対称に設置されている場合において、破線で示されるようにビームのσが大きくなったとすると、検出器ＡおよびＢの出力が両方とも大きくなる。逆に、ビームのσが小さくなったとすると、検出器ＡおよびＢの出力が両方とも小さくなる。一方、検出器Ａ’およびＢ’がビームのσの２倍より小さい間隔でビームに対して対称に位置Ｙａ’およびＹｂ’に設置されている場合において、ビームのσが大きくなったとすると、検出器ＡおよびＢの出力が両方とも小さくなる。逆にビームのσが小さくなったとすると、検出器Ａ’およびＢ’の出力が両方とも大きくなる。このように、検出器ＡおよびＢそれぞれの出力の和が、ビームの広がりを表わすパラメータとなる。
【００４４】
ただし、ビームのσが一定で、ビーム全体の強度が変化した場合においても検出器ＡおよびＢの出力の和が変化する。すなわち、検出器ＡおよびＢの出力の和が変化しても、これがビーム全体の強度が変化したためか、またはビームのσが変化したためかは区別がつかない。そこで、別の手段によってビーム全体の強度を計測し、この値で検出器ＡおよびＢの出力を規格化する。このように規格化した検出器ＡおよびＢの出力の和により、ビームの広がりを知ることができる。ビーム全体の強度を計測する方法については、実施例において詳細に述べる。
【００４５】
また、２個の検出器ＡおよびＢがビームのσの２倍の間隔でビームに対して対称に設置されている場合、ビームのσが変化しても、検出器ＡおよびＢの出力は変化しない。したがって、検出器ＡおよびＢ間の間隔がσの２倍ではビームのσを測定することができない。ビームのσを測定するためには、検出器の間隔はビームのσに近い値を避けることが必要であり、ビームのσを精度よく測定するためには、検出器の間隔はビームのσの１．５倍以下あるいは２．５倍以上が望ましい。
【００４６】
一方、検出器ＡおよびＢ間の間隔が大きい方が、ビーム位置が変動したときの検出器の出力の変化が大きい。すなわち２個の検出器ＡおよびＢ間の間隔が大きい方がビーム位置検出の感度が高い。したがって、ビームのσと位置Ｙを同時に精度よく測定するためには、２個の検出器の間隔はσの２倍より大きいことが望ましく、より望ましくは、σの２．５倍以上が適当である。
【００４７】
さらに、第３の検出器Ｃがビームの中心付近に設置されているとする。図２２に全強度が一定でビームの広がり（σ）が変化したときのビームプロファイルの比較を示す。同図に示すように、ビームのσが大きくなったとすると、検出器Ｃの出力が小さくなる。逆に、ビームのσが小さくなったとすると、検出器Ｃの出力が大きくなる。同図では、ビームの積分速度が一定としているが、実際にはビームの積分強度は変動する。そこで、検出器Ｃの出力と、検出器Ａ，Ｂの和との比Ｒ２をパラメータにとると、このパラメータはビームの広がりσを反映する。
【００４８】
【数２】
【００４９】
これらの原理に基づき、本発明の好ましい第１の実施形態では、ビームの大きさや位置を計測するための準備として、ビームの大きさが異なった条件（例えば蓄積電流値が異なった条件）でＹスキャンさせながらビームの全強度と２点での強度を計測し、これらの計測値の比をＹとσの関数として算出する。具体的な校正の手段については実施例の中で詳細に説明する。そして、校正を終えた後は、ビームが２つの計測点のほぼ中間に入射するように調整し、全強度Ｉ０と２点での強度ＩＡおよびＩＢを計測し、これらの比の値を先の校正によって決定した校正関数に代入してビームの太さσおよび位置Ｙを算出する。
【００５０】
また、本発明の好ましい第２の実施形態では、校正は、前記したビームの大きさが異なった条件で、ビームの厚さ方向に移動させながら３個の検出器の出力値を計測し、３個の検出器の出力の比をＹとσの関数として算出する。具体的な校正の手順については実施例の中で詳細に説明する。そして、校正を終えた後は、ビームが３つの計測点のうち、中央の計測点に入射するようにＹ方向に移動可能なステージ機構を固定し、３個の検出器の出力を測定する。測定されたＳ１、Ｓ２、Ｓ３の値を先の校正によって決定した校正関数に代入し、ビームの太さσおよび位置Ｙを算出する。また、ビームの厚さ方向に移動させることなく、校正関数も使用せず、ビームのσとＹを算出する方法については実施例の中で詳細に説明する。
【００５１】
この上述した算出は、計測手段の出力をアナログ−デジタル変換器を用いて数値化し、コンピュータで処理することによって、きわめて短時間に行なうことができる。
【００５２】
【実施例】
［実施例１］
図２は本発明の第１の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図１はその要部を示す斜視図である。この装置は３個のフォトダイオードを用いてシンクロトロン放射光によるビームの位置やサイズを測定するものである。これらの図に示すように、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、この中に配置され、２個のピンホール２と１個のＹ方向に長い縦スリット４が設けられたアパーチャ板５、この背後に配置され、３個のフォトダイオード７および８を有するＸ線検出器、このＸ線検出器をＹ方向に駆動するためのステージ／コントローラ９、大気中のステージ／コントローラ９と真空容器１による真空中のＸ線検出器を機械的に結合し、かつ真空を保持するためのロッド１０とベローズ機構１１、Ｘ線検出器の出力とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録するための検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２および演算装置１３などで構成されている。
【００５３】
Ｘ線検出器は金属製のシールドケース１４に納められ、不要な可視光や光電子がフォトダイオード７や８に照射されるのを防止している。さらにシールドケース１４は真空容器１に入れられ、真空容器１は排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。アパーチャ板５はシールドケース１４の最上流側に設けてある。また、アパーチャ板５は銅板製であり、シンクロトロン放射光の熱負荷による温度上昇を抑えるために水冷されている。アパーチャ板５に設けられたピンホール２の直径は０．５ｍｍ、２つのピンホール２間のＹ方向間隔は８ｍｍである。縦スリット４は幅が１ｍｍ、Ｙ方向の長さが２０ｍｍである。測定対象であるシンクロトロン放射光ビーム１５の広がりσは２ｍｍ程度であり、縦スリット４の長さはビームの広がりσに対して充分な大きさをもっている。また、ピンホール２のＹ方向間隔はσの約４倍に設定されている。なお、ピンホール２の開口の形状は円形でなくても構わない。例えば長方形等でもよい。また、ピンホール２および縦スリット４の各開口は１枚の金属板に設けられている必要はなく、１個の開口があいたアパーチャ板を３枚組み合わせたものであってもよい。
【００５４】
アパーチャ板５の下流側には放射線による損傷防止と、ＳＲ光１５に含まれる可視光の遮蔽のために金属箔製のフィルタ１６、例えば厚さ数百μｍのアルミニウム箔を設けてある。２個のフォトダイオード７および１個のフォトダイオード８は、フィルタ１６の下流において、アパーチャ板５の２個のピンホール２および１個の縦スリット４に対応する位置に設けてある。ピンホール２の下流に設けられたフォトダイオード７は直径５ｍｍの円形受光面を有し、縦スリット４の下流に設けられたフォトダイオード８は幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍの長方形の受光面をもっていて、ピンホール２および縦スリット４の各アパーチャを通過した光はそれぞれ全てフォトダイオード７および８の受光面に入射する。
【００５５】
フォトダイオードは、シンクロトロン放射光から出射されたビームをフィルタを通して直接受光する。フォトダイオードに入射する光は、シンクロトロン放射光の中の短波長成分の割合が高まっている。シンクロトロン放射光から直接出射されたビームの強度プロファイルは観測する光の波長に応じて異なるが、プロファイルの変化には各波長で相関があるので、フィルタを通った光を観測しても、シンクロトロン放射光源から直接出射されたビームの強度プロファイルの変化を正確に知ることができる。
【００５６】
なお、本明細書においてシンクロトロン放射光源からのビームを直接受光するとは、このように経由前後で強度プロファイルの変化に各波長で相関があるフィルタのような部材、経由前後で強度プロファイルが実質的な変化を起こさない部材、を通った後で受光する場合も含むものである。
【００５７】
ステージ／コントローラ９は真空容器１の外に設けられたＹステージを有し、このＹステージは真空容器１中のシールドケース１４とロッド１０でつながれている。ベローズ１１の一端はロッド１０に、他端はチャンバ１に溶接され、これによりロッド１０は真空を保持しながら、Ｙ方向に駆動することができる。
【００５８】
次に校正の手順について説明する。校正の際には、ビームサイズが異なった条件で、ＹステージによりＹスキャンしながら３つの検出器７および８の出力値を計測することが必要である。予めビームサイズを知ることはできないが、ビームサイズに影響を及ぼす他のパラメータを変えて測定を行なえばよい。例えば、ビームサイズは蓄積電流値に依存して変化する。そこで、異なる電流値において、Ｙスキャンしながら３つの検出器の出力値を計測すればよい。
【００５９】
ある電流値のとき、ピンホール２を伴なったフォトダイオード７の出力をそれぞれＳ１およびＳ２とし、縦スリット４を伴なった全強度を計測するためのフォトダイオード８の出力をＳ０とする。そして、Ｙスキャン時の素子出力比Ｒ１およびＲ２をＹの関数として算出する。ここで、Ｒ１およびＲ２は次式で表される。
【００６０】
【数３】
【００６１】
電流値が異なる条件でＹスキャンを繰り返し、σ、Ｙ、Ｒ１、Ｒ２のテーブルを蓄積し、校正関数を決定する。例えば、蓄積ビーム電流値が１００ｍＡから１００ｍＡ毎に１Ａまでの１０点でスキャンを行なう。本実施例ではσおよびＹを、Ｒ１およびＲ２の多項式としてフィッティングする。例えば、次式のように置いて、実測されたσやＹとの差の２乗和が最小になるように、各係数を求める。
【００６２】
【数４】
【００６３】
２個の検出器の感度が異なる場合には、係数をかけてピーク出力が等しくなるように規格化する。すなわち、出力Ｓ１の最大値がＳ１ｍａｘ、出力Ｓ２の最大値がＳ２ｍａｘであった場合、Ｓ１／Ｓ１ｍａｘおよびＳ２／Ｓ２ｍａｘをそれぞれ規格化した検出器出力として、Ｒ１およびＲ２を求めて校正を行なえばよい。校正を終えた後は、ビームが２個のピンホール２のほぼ中間に入射するようにＹステージを固定し、３個のフォトダイオード７および８の出力を測定する。測定されたＳＡ、ＳＢおよびＳ０の値から、次式によりＲ１およびＲ２を算出する。
【００６４】
【数５】
【００６５】
【数６】
【００６６】
これらの計算は、フォトダイオード７および８の出力をアナログ−デジタル変換器１２を用いて数値化し、コンピュータ１３で処理することによって、きわめて短時間に行なうことができる。
【００６７】
この計測方法によれば、計測中はステージ駆動が不要であり、ある時刻のフォトダイオードの出力を演算することにより、直ちにビームの位置と広がりを求めることができる。このため、短時間の変動も正確に測定することができる。また計測時にはＹステージを移動する必要がないため、他の装置に振動等の悪影響を及ぼすことがない。また、電力の消費が少なく、装置の寿命も長い。
【００６８】
［実施例２］
図３は本発明の第２の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図４はその要部を示す斜視図である。この装置では、２本のワイヤおよび別のビームラインの全強度モニタを用いてシンクロトロン放射光によるビームの位置やサイズを測定する。これらの図において、１８はシンクロトロン放射光１５の検出器を構成する２本の金属ワイヤ、９は金属ワイヤ１８をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ、１９は他のビームラインに設けた全強度検出器、１３はＸ線検出器の出力とステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置である。図３および図４において、図１および２と同一の要素には同一の符号を付した。
【００６９】
ワイヤ１８は真空容器１に入れられ、真空容器１は排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はまた、シンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。２本のワイヤ１８はセラミック等の絶縁物２０によってビーム１５面と平行に保持される。絶縁物２０は真空容器１の外のステージ／コントローラ９のＹステージと機械的に結合され、Ｙ方向に駆動される。ワイヤ１８としては、金がメッキされたタングステンワイヤ等が用いられる。太さは例えば０．１〜１ｍｍ程度である。ワイヤ１８は真空容器１外のバイアス印加回路／電流電圧変換回路２１のバイアス印加回路に導線で接続され、真空容器１に対して数Ｖから数百Ｖの電圧が印加される。このとき、ワイヤ１８にシンクロトロン放射光１５が照射されると、光電子が発生し、これが印加電圧による電場によって移動するので、ワイヤ１８に電流が流れる。この電流を検出するため、ワイヤ１８はバイアス印加回路／電流電圧変換回路２１の電流−電圧変換回路にも接続されている。電流−電圧変換回路の出力は、検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２のアナログ−デジタル変換回路を経て演算装置１３に取り込まれる。
【００７０】
本実施例では、測定を行なうビームライン１５には全強度検出器を設けず、代わりに、他のビームラインに設けた全強度検出器１９の出力を用いるが、それ以外については、実施例１の場合と同様にしてビーム１５の位置やサイズを測定することができる。
【００７１】
一般に、シンクロトロン放射光光源では多数のビームラインが設置され、多数のビームラインでビーム位置やビームサイズの計測を行なうことがある。このような場合において本実施例の装置を用いる際には、各ビームラインに２個の検出器を設け、さらに１本のビームラインだけに全強度を測定する検出器を設ける。この方法によれば、検出器の個数を最小限に減らすことができ、その分だけ信号処理装置も減らすことができる。したがって、システム全体の費用を下げることができる。
【００７２】
［実施例３］
図５は本発明の第３の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図６はその要部を示す斜視図である。この装置では、シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズを測定するために、イオンチャンバおよびシンクロトロン蓄積電流値を用いている。この装置は、２個のピンホールが設けられたアパーチャ板２２、これに対応する位置に位置された２個のイオンチャンバ２３、アパーチャ板２２をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、シンクロトロン放射光光源２４の蓄積電流値を測定するための手段、イオンチャンバ２３の出力、シンクロトロン放射光光源２４の蓄積電流値２８およびステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３等で構成される。
【００７３】
この計測装置は、大気中でシンクロトロン放射光の計測を行なう。ベリリウム窓２６を通って大気中に導かれたシンクロトロン放射光１５を２個のピンホールが設けられたアパーチャ板２２で遮り、ピンホールを通過したＸ線を２個のイオンチャンバ２３で測定する。アパーチャ板２２はステージ／コントローラ９のＹステージに固定されており、Ｙ方向に駆動することができる。イオンチャンバ２３はＹステージではなく床面に対して固定されている。イオンチャンバ２３の受光面は２０ｍｍ程度の大きさがあり、アパーチャ板２２がＹ方向に移動しても、ピンホールを通ったＸ線は常にイオンチャンバ２３に入射する。
【００７４】
シンクロトロン放射光の全強度は、加速エネルギや磁場強度が一定であれば、電子蓄積リングの蓄積電流値に比例する。本実施例では、全強度検出器による全強度の代わりに電子蓄積リングの蓄積電流値のデータ２８を用いる。蓄積電流値は通常、電流トランス、ＤＣＣＴ等によって精度よく計測することができる。
一般に、シンクロトロン放射光光源では多数のビームラインが設置され、多数のビームラインでビーム位置やビームサイズの計測を行なうことがある。このような場合において本実施例の装置を用い、各ビームラインに２個の検出器を設け、電流トランスによって測定したビーム電流の情報を多数の計測装置で共通に用いることにより、検出器の個数を最小限に減らすことができ、その分だけ信号処理装置も減らすことができる。したがって、システム全体の費用を下げることができる。また、本実施例では計測装置は大気中にあり、真空容器や排気ポンプ等が不要なので、装置費用を低減することができる。さらに本実施例では、Ｙステージが駆動する部材はアパーチャ板２２だけであり、軽量なので、小型のステージを用いることができるため、さらに装置費用を低減することができる。
【００７５】
［実施例４］
図７は本発明の第４の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図８はその要部を示す斜視図である。この装置では、シンクロトロン放射光ビームの位置やサイズを測定するために、４枚の金属板の光電効果を用いている。この装置は、長方形の穴があいたアパーチャ板３０、この後方の対応する位置に配置され、アパーチャ板３０を通過したシンクロトロン放射光１５のＸ方向の範囲を規制する２枚の金属板３１、同様にＹ方向の範囲を規制する２枚の金属板３２、アパーチャ板３０と金属板３１および３２をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、金属板３１および３２の光電流値とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。
【００７６】
本実施例では、シンクロトロン放射光１５を複数の金属板３１および３２に照射し、そこからの光電子を計測する。計測装置全体は真空容器１に納められている。最上流にアパーチャ板３０が設けてあり、これによりシンクロトロン放射光ビーム１５のＸ方向の幅を規制する。アパーチャ板３０のアパーチャ３３のＹ方向の幅はビームの幅より充分大きく、シンクロトロン放射光ビーム１５のＹ方向の幅は規制されない。アパーチャ３３の後方にＸ方向を規制する２枚の金属板３１、さらにその下流にＹ方向を規制する２枚の金属板３２が設けられている。
金属板３１にはビーム１５のＹ方向全体が照射されるので、これらからの光電流はビーム１５の全強度に比例する。したがって、金属板３１は全強度検出器として用いることができる。金属板３２にはビーム１５のＹ方向の一部が照射される。したがって、金属板３２からの光電流をＹが異なる位置に設置された２つの検出器の出力として用いることができる。
【００７７】
本実施例によれば、ビーム１５の中心部分は検出器に遮られず、そのまま通過するので、他の測定や材料加工等に用いることができる。
【００７８】
［実施例５］
図９は本発明の第５の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、図１０はその要部を示す斜視図である。この装置は、３個のフォトダイオードを用いてシンクロトロン放射光によるビームの位置やサイズを測定するものである。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、３個のピンホール３９が設けられたアパーチャ板３８、これに対応する位置に位置された３個のフォトダイオード４０を有するＸ線検出器、このＸ線検出器をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、大気中のステージ／コントローラ９と真空容器１による真空中のＸ線検出器を機械的に結合し、かつ真空を保持するためのロッド１０とベローズ機構１１、Ｘ線検出器の出力とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録するための検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２および演算装置１３などで構成されている。
【００７９】
本実施例では、Ｘ線検出器は金属製のシールドケース１４に納められ、不要な可視光や光電子がフォトダイオード３９に照射されることを防止している。さらにシールドケース１４は真空容器１に入れられ、排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。シールドケース１４の最上流側にはアパーチャ板３８が設けてあり、アパーチャ板３８には図９の様に３個のピンホール３９が等間隔にあけてある。アパ−チャ板３８は銅板製であり、シンクロトロン放射光の熱負荷による温度上昇を抑えるために内部が水冷されている。ピンホール３９の直径は０．５ｍｍ、Ｙ方向の間隔は４ｍｍである。本実施例のシンクロトロン放射光ビーム１５の位置やサイズを測定する装置が測定しようとするビームの広がりσは２mm程度であり、ピンホール３９の間隔はＹ方向にσの約２倍に設定されている。
【００８０】
アパーチャ板３８上のピンホール３９の形状は、円形でなくても構わない。例えば、長方形等でもよい。また各開口は１枚の金属板に設けられている必要はなく、１個の開口があいた３枚のアパーチャ板３８を組み合わせてもよい。
【００８１】
アパーチャ板３８の下流側には放射線による損傷防止と、ＳＲ光１５に含まれる可視光遮蔽のために金属箔製のフィルタ１６、例えば厚さ数百μｍのアルミニウムを設けてある。均一な厚さのフィルタ１６を用いた場合、３個あるフォトダイオード４０のうち、中央のフォトダイオード４０はビーム１５の中心に近いので他の２個のフォトダイオード４０に比較して強いＸ線が照射される。このため、放射線による損傷が起りやすい。そこで、中央のフォトダイオード４０のみに更に１枚フィルタ１６を付加し、３個のフォトダイオード４０に入射するＸ線の強度がほぼ等しくなるようにしてある。こうすることで、センサの寿命を長くすることができる。本実施例では、１枚の均一な厚さのフィルタ１６に加え、中央のフォトダイオードのみに更に１枚フィルタ１６を付加してあるが、このほかに中央部分のみの厚さが厚くなった１枚のフィルタ１６を用いても同様の効果が得られる。
【００８２】
フィルタ１６の下流にはアパーチャ板３８の３つの開口に対応する位置に検出器を構成する３個のフォトダイオード４０が設けてある。ピンホール３９の下流に設けられたフォトダイオード４０は直径５ｍｍの円形受光面を持っていて、ピンホール３９を通過した光は全てフォトダイオード４０の受光面に入射する。
【００８３】
真空容器１の外にはＹステージが設けてあり、真空容器１中のシールドケース１４とロッド１０でつながれている。ベローズ１１の一端にロッド１０が、もう一方の端がチャンバ１に溶接され、真空を保持しながら、Ｙ方向に駆動することができる。
【００８４】
次に校正の手順について説明する。校正の際には、ビームサイズが異なった条件で、Ｙスキャンしながら３つのフォトダイオード４０の出力値を計測することが必要である。予めビームサイズを知ることはできないが、ビームサイズに影響を及ぼす他のパラメータを変えて測定を行えばよい。例えば、ビームサイズは蓄積電流値に依存して変化する。そこで、電流値が異なる時に、Ｙスキャンしながら３つのフォトダイオード４０の出力値を計測すればよい。
【００８５】
ある電流値のとき、ピンホール３９を伴ったフォトダイオード４０のＹ方向に離れたそれぞれの出力を各々Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３とする。そして、Ｙスキャン時の素子出力比Ｒ１、Ｒ２をＹの関数として算出する。ここで、Ｒ１およびＲ２は次式で表される。
【００８６】
【数７】
【００８７】
電流値が異なる条件でＹスキャンを繰り返し、σ、Ｙ、Ｒ１、 Ｒ２のテーブルを蓄積し、校正関数を決定する。例えば、蓄積ビーム電流値が１００ｍＡから１００ｍＡ毎に１Ａまでの１０点でスキャンを行う。本実施例ではσ、 Ｙを、Ｒ１、Ｒ２の多項式としてフィッティングする。例えば、次式のように置いて、実測されたσやＹとの差の２乗和が最小になるように、各係数を求める。
【００８８】
【数８】
【００８９】
【数９】
【００９０】
【数１０】
【００９１】
これらの計算は、フォトダイオード４０の出力を検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２のアナログ−デジタル変換器を用いて数値化し、コンピュータ１３で処理することによって、きわめて短時間に行うことができる。
【００９２】
本実施例によれば、計測中はステージ駆動が不要で、ある時刻のフォトダイオード４０の出力を演算することで、直ちにビーム１５の位置と広がりを求めることができる。このため、短時間の変動も正確に測定することができる。また、計測時はＹステージを移動する必要がないので、他の装置に振動等の悪影響を及ぼすことがない。電力の消費が少なく、また装置の寿命が長い。
【００９３】
［実施例６］
図１１は本発明の第６の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、 図１２はその要部を示す斜視図である。この装置では、３本の金属ワイヤを検出器としてシンクロトロン放射光の位置やサイズを測定する。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、シンクロトロン放射光１５の検出器を構成する３本の金属ワイヤ４１、金属ワイヤ４１をＹ方向に駆動するステージコントローラ９、Ｘ線検出器の出力とステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。図１１および図１２において、図３および図４と同一の要素には同一の符号を付した。
【００９４】
本実施例では、シンクロトロン放射光１５の検出器として３本の金属ワイヤ４１を用いる。ワイヤ４１は真空容器１に入れられ、排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。３本のワイヤ４１はセラミック等の絶縁物でビーム１５面と平行に保持される。絶縁物は真空容器１の外のＹステージと機械的に結合され、Ｙ方向に駆動される。第１と第２のワイヤ４１の間隔はビーム１５のＹ方向のサイズの約２倍で、ビーム計測時はビーム１５に対しほぼ対称な位置にある。第３のワイヤ４１は、第１と第２のワイヤの中間位置からビームのＹ方向のサイズの約１．５倍に等しい距離だけＹ方向に離れている。
【００９５】
ワイヤ４１としては金がメッキされたタングステンワイヤ等が用いられる。太さは例えば０．０１〜０．５ｍｍ程度である。ワイヤ４１は真空容器１外のバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２のバイアス印加回路に導線で接続され、真空容器１に対して数Ｖから数百Ｖの電圧が印加される。このワイヤ４１にシンクロトロン放射光１５が照射されると、光電子が発生し、印加電圧による電場によって移動するので、ワイヤ４１に電流が流れる。この電流を検出するため、ワイヤ４１はバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２の電流−電圧変換回路にも接続されている。電流−電圧変換回路の出力は検出器アンプ／アナログデジタル変換回路１２のアナログ−デジタル変換回路を経て演算装置１３に取り込まれる。
【００９６】
予め、第５の実施例と同様な手順で校正関数の算出を行い、その後は、この校正関数に測定値を代入してビーム１５の位置やサイズを算出する。
【００９７】
［実施例７］
図１３は本発明の第７の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、 図１４はその要部を示す斜視図である。この装置では、３本の金属ワイヤを検出器としてシンクロトロン放射光の位置やサイズを測定する。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、シンクロトロン放射光１５の検出器を構成する３本の金属ワイヤ４１、Ｘ線検出器の出力とステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。図１３および図１４において、図１１および図１２と同一の要素には同一の符号を付した。
【００９８】
本実施例では、シンクロトロン放射光の検出器として３本の金属ワイヤ４１を用いる。ワイヤ４１は真空容器１に入れられ、排気ポンプ１７によって超高真空に排気される。真空容器１はシンクロトロンリングとゲートバルブを介して接続される。３本のワイヤ４１はセラミック等の絶縁物でビーム１５面と平行に保持される。ワイヤ４１としては金がメッキされたタングステンワイヤ等が用いられる。太さは例えば０．０１〜０．５ｍｍ程度である。ワイヤ４１は真空容器１外のバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２のバイアス電圧印加回路に導線で接続され、真空容器１に対して数Ｖから数百Ｖの電圧が印加される。このワイヤ４１にシンクロトロン放射光１５が照射されると、光電子が発生し、印加電圧による電場によって移動するので、ワイヤ４１に電流が流れる。この電流を検出するため、ワイヤ４１はバイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路４２の電流−電圧変換回路にも接続されている。電流−電圧変換回路の出力は検出器アンプ／アナログデジタル変換器１２のアナログ−デジタル変換回路を経て演算装置１３に取り込まれる。
【００９９】
本実施例では、校正関数を用いず、測定値よりガウス関数を直接算出する。強度分布関数はガウス分布関数で近似出来る。すなわち、次式のように表現できる。
【０１００】
【数１１】
【０１０１】
本実施例のビーム計測装置では、３つの異なるＹに対し、ビーム強度観測値が３点ある。すなわちＹとＩのデータが３組得られる。Ｉ０とＹ０とσを３つの未知数に対して連立方程式を解いてＩ０とＹ０とσを算出する。この方法では予め校正関数を求める必要がなく、真空中の検出器を移動するための駆動機構やベローズ機構などが不要で、装置構成が単純なため、価格が低くなり、信頼性も向上する。
【０１０２】
［実施例８］
図１５は本発明の第８の実施例に係るシンクロトロン放射光計測装置の構成を示すブロック図であり、 図１６はその要部を示す斜視図である。この装置では、シンクロトロン放射光の位置やサイズを測定するために、２枚の金属（電極）板と１本の金属ワイヤの光電効果を用いている。これらの図において、この装置は、シンクロトロン放射光によるビーム１５が導入される真空容器１、長方形の穴（矩形開口４７）があいたアパーチャ板４６、この後方の対応する位置に配置され、アパーチャ板４６を通過したシンクロトロン放射光１５のＹ方向の範囲を規制する２枚の電極板４４、１本の金属ワイヤ４３、アパーチャ板４６と電極板４４および金属ワイヤ４３をＹ方向に駆動するステージ／コントローラ９、電極板４４とワイヤ４３の光電流値とステージ／コントローラ９のステージ駆動量を取り込んで記録する演算装置１３などから構成される。図１５および図１６において、図９および図１０と同一の要素には同一の符号を付した。
【０１０３】
本実施例ではシンクロトロン放射光を２枚の電極板４４と１本のワイヤ４３に照射し、それからの光電子を計測する。計測装置全体は真空容器１に納められている。最上流に長方形の穴（矩形開口４７）があいたアパーチャ板４６が設けてあり、矩形開口４７によりシンクロトロン放射光ビーム１５のＸ方向の幅を規制する。アパーチャ板４６に設けられた矩形開口４７のＹ方向の幅はビーム１５の幅より充分大きく、シンクロトロン放射光ビーム１５のＹ方向の幅は規制されない。アパーチャ板４６の後方にＹ方向を規制する２枚の電極板４４のＣ，Ｄが設けられている。
【０１０４】
電極板４４Ｃ，Ｄ、および金属ワイヤ４３にはビーム１５のＹ方向の一部が照射されるので、これからの光電流をＹが異なる位置に設置された３個の検出器の出力として用いることができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、シンクロトロン放射光源からのビームを複数の受光手段で直接受光して得た複数のビーム強度の情報に基づいてビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する、あるいはシンクロトロン放射光源からのビームの複数のビーム強度の計測情報に基づいてシンクロトロン照射光源から直接出射されたビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する、ようにしたことで、きわめて短時間にプロファイル特定のためのパラメータ、例えばビームの太さσ、位置Ｙを計測することができる。このため、従来の技術では知りえなかった短時間の変動を正確に計測することが可能となる。また本発明によれば、校正の時を除いて、計測中はステージを駆動することが必須でない。このため、電力消費が小さく、維持費用が低く抑えられる。また、シンクロトロン放射光を利用する他の計測装置などに振動等の悪影響を及ぼすことが少ない。また、ステージを駆動するのは校正の時等に限られるので、べローズやステージ機構等の装置の損耗が少なく、装置の寿命を非常に長く延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図２の装置の要部を示す斜視図である。
【図２】 本発明の第１の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図３】 本発明の第２の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 図３の装置の要部を示す斜視図である。
【図５】 本発明の第３の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図６】 図５の装置の要部を示す斜視図である。
【図７】 本発明の第４の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図８】 図７の装置の要部を示す斜視図である。
【図９】 本発明の第５の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】 図９の装置の要部を示す斜視図である。
【図１１】 本発明の第６の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】 図１１の装置の要部を示す斜視図である。
【図１３】 本発明の第７の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】 図１３の装置の要部を示す斜視図である。
【図１５】 本発明の第８の実施例に係るシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】 図１５の装置の要部を示す斜視図である。
【図１７】 従来のシンクロトロン放射光測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】 図９の装置の要部を示す斜視図である。
【図１９】 従来例に係るビームの広がりσおよびＹ方向位置を算出する方法を示すグラフである。
【図２０】 本発明のシンクロトロン放射光測定装置の測定原理を示すグラフである。
【図２１】 本発明のシンクロトロン放射光測定装置の測定原理を示す他のグラフである。
【図２２】 本発明のシンクロトロン放射光測定装置の測定原理を示す他のグラフである。
【符号の説明】
１：真空容器、２：ピンホール、４：縦スリット、５：アパーチャ板、７，８：フォトダイオード、９：ステージ／コントローラ、１０：ロッド、１１：ベローズ機構、１２：検出器アンプ／アナログデジタル変換器、１３：演算装置、１４：シールドケース、１５：ビーム、１６：フィルタ、１７：排気ポンプ、１８：金属ワイヤ、１９：全強度検出器、２０：絶縁物、２１：バイアス印加回路／電流電圧変換回路、２２：アパーチャ板、２３：イオンチャンバ、２４：シンクロトロン放射光光源、２６：ベリリウム窓、２８：蓄積電流値、２９，３０：アパーチャ板、３１，３２：金属板、３３：アパーチャ、３４：ピンホール、３５：アパーチャ板、３６：フォトダイオード、３７：ステージ機構、３８：アパーチャ板、３９：ピンホール、４０：フォトダイオード、４１：金属ワイヤ、４２：バイアス電圧印加回路／電流電圧変換回路、４３：金属ワイヤ、４４Ｃ，４４Ｄ：電極板、４５，４６：アパーチャ板、４７：アパーチャ（矩形開口）。
Claims (3)
- シンクロトロン放射光源からのビームについてその厚さ方向の全範囲にわたって積分した全強度を計測する全強度計測手段と、前記ビームの強度をその厚さ方向の位置が異なる複数点で計測する複数点強度計測手段と、前記全強度計測手段および前記複数点強度計測手段の計測結果に基づいて前記ビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する演算手段とを具備することを特徴とするシンクロトロン放射光計測装置。
- シンクロトロン放射光源からのビームの強度をその厚さ方向の位置が異なる３点で計測する３点強度計測手段と、前記３点強度計測手段の計測結果に基づいて前記ビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを演算する演算手段とを具備し、
前記演算手段は、３点の強度に基づいて前記パラメータを演算するための校正関数を、前記厚さ方向に移動させながら行なう前記３点の強度についての計測の結果に基づいて求めるものであることを特徴とするシンクロトロン放射光計測装置。 - シンクロトロン放射光源からのビームについてその厚さ方向の全範囲にわたって積分した全強度を計測し、前記ビームの強度をその厚さ方向の位置が異なる複数点で計測することにより、前記全強度および前記複数点強度に基づいて前記ビームの強度プロファイルを特定するためのパラメータを計測することを特徴とするシンクロトロン放射光計測方法。
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