JPH05198400A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】荷電粒子ビーム装置において、単数の荷電粒子
蓄積リングに対して複数の種類のエネルギーを有する放
射光を同時に利用できるようにする。また、シンクロト
ロン放射光の照射効率を向上させる。 【構成】荷電粒子ビームを荷電粒子ビーム軌道に沿って
偏向用電磁石４で偏向させ、上記荷電粒子ビーム軌道の
接線方向にシンクロトロン放射光を発生させる荷電粒子
ビーム装置において、上記荷電粒子ビーム軌道を内側平
衡軌道２３と外側平衡軌道２２の複数段設け、複数レベ
ルのエネルギーを有する放射光を取り出すものである。
また、荷電粒子ビーム軌道を互いに独立して複数設けた
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばＬＳＩ製造工程に
おけるＸ線リソグラフィーに使用するため、電子、陽電
子などの荷電粒子を蓄積した蓄積リングから放射光を取
り出す荷電粒子ビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来の荷電粒子ビーム装置を示
す。荷電粒子ビーム装置は荷電粒子蓄積リング１を有
し、この蓄積リング１は電子、陽電子などの荷電粒子ビ
ーム（以下、単にビームと称する。）を蓄積する荷電粒
子蓄積装置として機能する。ビームは入射用予備加熱器
である荷電粒子ビーム入射器２で所定のエネルギーに加
速された後、荷電粒子ビーム輸送部３を経てインフレク
タ４から荷電粒子蓄積リング１に入射される。荷電粒子
蓄積リング１内に入射されたビームは偏向用電磁石５に
より偏向される一方、軌道調整用電磁石６により集束あ
るいはビーム軌道が調整され、高周波加熱空胴７により
加速され、荷電粒子蓄積リング１内に形成される真空ダ
クト８内を周回している。

【０００３】また、偏向用電磁石５は図１２に示すよう
に鉄心５ａの開口部に常電導コイル５ｂを巻装して構成
し、ビームを偏向して平衡軌道を形成するものである。

【０００４】放射光ビームライン９はビームを偏向用電
磁石５で偏向させ、ビーム軌道を曲げたとき、軌道屈曲
部の接線方向に放射光が放出される。この放射光はシン
クロトロン放射光（以下、ＳＯＲ光という。）と呼ば
れ、外部に取り出されてＸ線リソグラフィーなどに利用
される。一般に、放射光ビームライン９は装置の利用効
率を高めるため偏向用電磁石５に沿って多数設けられて
いるが、ここでは各偏向用電磁石５にそれぞれ１本のみ
を示し他は省略してある。

【０００５】高周波加熱空胴７は放射光の放出によるビ
ームのエネルギー損失を補償し、所定のエネルギーに加
速する。真空ダクト８はビームを長時間周回させるため
に例えば１０^-9Torr程度に真空度を保持している。な
お、荷電粒子蓄積リング１は真空ダクト８内を真空にす
る真空排気装置などを備えているが、図１１においては
省略してある。

【０００６】この荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビ
ーム入射器２により所定のエネルギーに加速されたビー
ムは、荷電粒子ビーム輸送部３を経由してインフレクタ
４から荷電粒子蓄積リング１に入射され、複数個の偏向
用電磁石５で軌道を曲げながら真空ダクト６内を周回
し、その間軌道調整用電磁石６によって集束あるいは補
正されつつ高周波加熱空胴７により加速される。そし
て、ビームは偏向用電磁石５で軌道を曲げられた時に軌
道屈曲部の接線方向にＳＯＲ光が放出される。

【０００７】図１３は従来の他の荷電粒子ビーム装置を
示す。この従来例において、荷電粒子蓄積リング１は偏
向用電磁石に超電導コイルを施した超電導偏向電磁石１
０を２個備えている。この超電導偏向電磁石１０を構成
する超電導コイル１１は図１４に示すようにレーストラ
ックコイルを偏向曲率で曲げた円弧形に形成し、高起磁
力を有しているため、鉄心を用いない空心構造となる。
なお、図１４においては、超電導コイル１１を極低温に
保持するための低温容器であるクライオスタットを省略
してある。また、その他の構成および作用は図１１に示
す荷電粒子ビーム装置と同様であるのでその説明を省略
する。

【０００８】図１５は従来のさらに他の荷電粒子ビーム
装置を示す。この荷電粒子ビーム装置に用いられるバン
プ電磁石１２は、ビーム入射時に設計軌道の入射点を通
るように偏向させるためのものである。この電磁石１２
はビーム入射時にだけ励磁される。ビームは偏向部に配
置した偏向用電磁石５により偏向され閉じた軌道を形成
し、直線部に配置した四極電磁石１３と図示しない多極
電磁石によって集束作用を受けビーム形状を維持する。

【０００９】そして、ＳＯＲ光は上記のようにビームが
磁場により偏向作用を受けたときにビーム軌道の接線方
向に放出される電磁波であって、著しい指向性を有し光
強度が極めて大きい。通常、偏向用電磁石５部分の真空
ダクト８に取り出し用のポートを設け、ＳＯＲ光はこの
ポートから図示しないＳＯＲ光用真空ダクト内を経て照
射装置まで導かれＬＳＩ製造のためのＸ線リソグラフィ
ーなどの目的に供される。その他の構成および作用は図
１１に示す荷電粒子ビーム装置と同様であるのでその説
明を省略する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の荷
電粒子ビーム装置は、単数の荷電粒子蓄積リング１に対
して１種類のエネルギーを有するＳＯＲしか利用できな
いので、荷電粒子蓄積リング１を効率的に用いることが
不可能であった。

【００１１】一方、ＳＯＲ光はその特徴から産業上重要
な分野で利用されるが、光強度と空間的な拡がりの点で
問題がある。ＳＯＲ光の全光強度はビーム電流とビーム
エネルギーの４乗に比例する。したがって、ＳＯＲ光強
度を大きくするためには、ビーム電流とビームエネルギ
ーの少なくとも一方を大きくすればよい。

【００１２】ところで、一般にビームエネルギーはＳＯ
Ｒ光のスペクトルが最適な分布になるように設定してい
るので、ＳＯＲ光の強度は主にビーム電流に依存するこ
とになる。しかし、ビーム電流を荷電粒子ビーム装置固
有のある一定の値以上にするにはビーム不安定性やビー
ム寿命などにより非常に困難である。したがって、ＳＯ
Ｒ光強度についても同様のことがいえる。

【００１３】また、ＳＯＲ光の空間的な拡がりは指向性
の強い性質から荷電粒子ビーム装置内を周回するビーム
の径に依存する。荷電粒子ビーム装置内を周回するビー
ムの径は非常に小さいため、ＳＯＲ光の空間的な拡がり
も小さい。

【００１４】以上のことから、ＳＯＲ光強度もある値以
上に大きくすることができず、照射面積も小さいので、
例えばＬＳＩ製造のためのＸ線リソグラフィーに使用す
る場合には、単位時間当りのシリコンウエハーの照射枚
数、つまりスループケットあるいは照射効率を大きくす
ることが困難である。

【００１５】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、単数の荷電粒子蓄積リングに対して複数の種類
のエネルギーを有する放射光を同時に利用できる荷電粒
子ビーム装置を提供することにある。

【００１６】また、他の目的とするところは、ＳＯＲ光
の照射効率を向上させた荷電粒子ビーム装置を提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る荷電粒子ビ
ーム装置は、上述した課題を解決するために、荷電粒子
ビームを荷電粒子ビーム軌道に沿って偏向用電磁石で偏
向させ、上記荷電粒子ビーム軌道の接線方向にシンクロ
トロン放射光を発生させる荷電粒子ビーム装置におい
て、上記荷電粒子ビーム軌道を内側平衡軌道と外側平衡
軌道の複数段設け、複数レベルのエネルギーを有する放
射光を取り出すことを特徴とするものである。

【００１８】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る他の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム
を荷電粒子ビーム軌道に沿って偏向用電磁石で偏向さ
せ、上記荷電粒子ビーム軌道の接線方向にシンクロトロ
ン放射光を発生させる荷電粒子ビーム装置において、荷
電粒子ビーム軌道を互いに独立して複数設けたことを特
徴とするものである。

【００１９】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１は、荷電
粒子ビーム軌道を内側平衡軌道と外側平衡軌道の複数段
設け、複数種のエネルギーを有する放射光を取り出すの
で、ビーム蓄積リングを効率的に運用することができ
る。

【００２０】本発明の請求項２は、複数の軌道から放射
されたＳＯＲ光を光学系により同一の被照射体上の同一
部位に導くことにより、ＳＯＲ光強度が増大する。ま
た、同じ被照射体上の異なる部位、あるいは被照射体上
に導くことにより、照射面積が増大する。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２２】図１は本発明に係る荷電粒子ビーム装置の
第１実施例を示す。なお、従来の構成と同一または対応
する部分には図１１と同一の符号を用いて説明する。

【００２３】図１に示すように、荷電粒子ビーム装置は
荷電粒子蓄積リング１を有し、この荷電粒子蓄積リング
１内にビームを入射させる荷電粒子ビーム入射器２を入
射用予備加速器として備えている。この荷電粒子ビーム
入射器２はビームを所定のエネルギーに加速した後、荷
電粒子蓄積リング１に荷電粒子ビーム輸送部３、インフ
レクタ４を経て入射させる。そして、荷電粒子蓄積リン
グ１内に入射されたビームは、ビームを偏向して平衡軌
道を形成するための偏向用電磁石５により偏向される一
方、軌道調整用電磁石６により集束あるいはビーム軌道
が調整され、高周波加熱空胴７によりエネルギー損失が
補償され、所定のエネルギーに加速され、荷電粒子蓄積
リング１内に形成される真空ダクト８内を周回する。

【００２４】この真空ダクト８はビームを長時間周回さ
せるために超高真空で環状に形成され、その周囲にはイ
ンフレクタ４、偏向用電磁石５、軌道調整用電磁石６お
よび高周波加速空胴７がそれぞれ所定位置に配設されて
いる。放射光ビームライン９はビームを偏向用電磁石５
で偏向させ、ビーム軌道を曲げたとき、軌道屈曲部の接
線方向にＳＯＲ光が放出される。

【００２５】また、荷電粒子ビーム輸送部３の途中には
荷電粒子ビーム分岐用の振分け電磁石２０が設けられ、
この振分け電磁石２０はビームを外側平衡軌道２２に供
給するかあるいは内側平衡軌道２３に供給するかを切り
換える。この外側平衡軌道２２と内側平衡軌道２３は軌
道調整用電磁石２１によりビーム軌道が調整されて段差
が設けられる。

【００２６】さらに、偏向用電磁石５には図２および図
３に示すように内側ギャップ２４、外側ギャップ２５の
近傍の鉄心２６にそれぞれ内周コイル２７、外周コイル
２８が巻装され、磁束Φを発生させている。

【００２７】次に、本実施例の作用を説明する。

【００２８】荷電粒子ビーム入射器２から放射されたビ
ームは、荷電粒子ビーム輸送部３を通り振分け電磁石２
０にて軌道が偏向され、インフレクタ４を経て荷電粒子
蓄積リング１における外側平衡軌道２２上に入射され
る。この外側平衡軌道２２上に入射されたビームは複数
個の偏向用電磁石５で軌道を曲げられながら、真空ダク
ト６内を周回し、その間複数個の軌道調整用電磁石６に
よって収束され、高周波加速空胴７によって加速され、
真空ダクト８内を周回する。

【００２９】他方、荷電粒子ビーム入射器２からのビー
ムを振分け電磁石２０で軌道を偏向させない場合には、
荷電粒子蓄積リング１における内側平衡軌道２３上に入
射される荷電粒子軌道となる。

【００３０】また、図２および図３に基づいて本実施例
の原理を説明する。

【００３１】図２は常電導の偏向用電磁石５の平面図、
図３は図２のＡ−Ａ線断面図を示す。図２において、外
側平衡軌道２２の曲率半径をρ1 とすると、外側平衡軌
道２２のビームエネルギーＰ1 、内側平衡軌道２３のビ
ームエネルギーＰ2 は以下の式で与えられる。

【００３２】

【数１】 Ｐ1 ＝ｅＢ1 ρ1 Ｐ2 ＝ｅＢ2 ρ2 …… 但し、Ｂ1 ：内側ギャップ２４に発生する磁界 Ｂ2 ：外側ギャップ２５に発生する磁界 ｅ ：電子の電荷

【００３３】今、ρ1 ，ρ2 はρ2 ＞ρ1 の大小関係に
ある。そこで、Ｂ1 ＝Ｂ2 とすると、

【数２】Ｐ2 ＞Ｐ1 …… の大小関係になる。

【００３４】また、例えばρ1 ＝１ｍ ρ2 ＝１．５
ｍとし、外周コイル２８、内周コイル２７の起磁力（巻
数×電流）をそれぞれ調整することにより、Ｂ1 ＝１．
５（Ｔ）、Ｂ2 ＝１（Ｔ）の磁界を発生させると、式
より、

【数３】Ｐ1 ＝Ｐ2 …… が成り立つ。

【００３５】よって、，式から分るように偏向用電
磁石５で曲げられた時に軌道屈曲部の接線方向の放射光
は外側あるいは内側平衡軌道の２種類のエネルギー量、
あるいは同一のエネルギー量を有する。

【００３６】図３の磁気回路により内側ギャップ２４と
外側ギャップ２５に加わる磁界の方向は逆向きとなり、
ビームはローレンツ力を受けて曲げられるので、ビーム
周回方向は外側平衡軌道２２と内側平衡軌道２３では逆
向きとなる。なお、内側ギャップ２４と外側ギャップ２
５にはＳＯＲ光が外部に取り出せるように段差が設けら
れている。

【００３７】このように本実施例によれば、１つの荷電
粒子蓄積リング１においてビーム周回軌道を外周側と内
周側に設けることで、外側平衡軌道２２および内側平衡
軌道２３の双方の接線方向からＳＯＲ光を取り出せるの
で、荷電粒子蓄積リング１を効率的に利用できる。

【００３８】図４は本発明に係る荷電粒子ビーム装置の
第２実施例を示し、前記第１実施例と同一の部分に同一
の符号を付して説明する。

【００３９】本実施例ではビームを偏向するための電磁
石を超電導電磁石３０としてある。この超電導電磁石３
０は図５および図６に示すように外側平衡軌道形成のた
めの外周超電導コイル３１と、内側平衡軌道形成のため
の内周超電導コイル３２と、これらのコイル３１，３２
を極低温に保持するためのクライオスタット３３とから
構成されている。

【００４０】次に、本実施例の原理を説明する。

【００４１】外側平衡軌道２２の曲率半径をρ2 、内側
平衡軌道２３における曲率半径をρ1 とすると、外側平
衡軌道２２のビームエネルギーは以下の式で与えられ
る。

【数４】 Ｐ1 ＝ｅＢρ1 Ｐ2 ＝ｅＢρ2 …… 但し、Ｂ：コイル３１，３２で発生する磁界 一般に、ρ1 ，ρ2 はρ2 ＞ρ1 の大小関係にあり、

【数５】Ｐ2 ＞Ｐ1 …… となる。よって、式より超電導電磁石３０で曲げられ
た時に軌道屈曲部の接線方向から取り出されるＳＯＲ光
は、外側あるいは内側平衡軌道の２種類のエネルギー量
を有することとなる。その他の構成および作用は前記第
１実施例と同一であるのでその説明を省略する。

【００４２】図７〜図９は本発明に係る荷電粒子ビーム
装置の第３実施例を示す。なお、図１５と同一または対
応する部分には同一の符号を用いて説明する。

【００４３】本実施例は互いのビーム軌道面を垂直方向
に平行移動させた位置関係にある２つのビーム軌道を有
する場合を示している。図７に示すように、本実施例の
荷電粒子ビーム装置は、真空ダクトを挿入するために２
つの間隙を有し二極電磁石である偏向用電磁石４０、そ
れぞれの軌道に独立に設置するインフレクタ４、高周波
加熱空胴７、真空ダクト８、バンプ電磁石１２、四極電
磁石１３およびその他図示しない多極電磁石などから構
成されている。

【００４４】偏向用電磁石４０は図９に示すようにビー
ム軌道のための間隙４１，４２を有し、通常の鉄心４３
の他に、２つの間隙４１，４２には実効的に磁路長を小
さくし磁気抵抗を減少させるための磁場調整用鉄心４４
が挿入され、固定用スペーサ４５により固定されてい
る。また、偏向用電磁石４０は磁場発生用主コイル４６
の他に、磁場調整用コイル４７が図示しないコイル支持
用治具により固定されている。

【００４５】次に、本実施例の作用について説明する。

【００４６】本実施例では互いに独立した複数個のビー
ム軌道を有するので、偏向用電磁石４０に挿入した２つ
の真空ダクト６から互いに平行な２本１組のＳＯＲ光を
取り出すことができる。

【００４７】また、本実施例では独立の２本のビーム軌
道を有するため、それぞれの軌道がビーム不安定性やビ
ーム寿命などによって制限される最大ビーム電流まで達
せられる。したがって、ビーム軌道が１本の場合と比較
すると、上記２本のＳＯＲ光を適当な光学系により被照
射体上の異なる部位に導くことにより、照射面積を２倍
にし、また同一部位に導くことにより光量を２倍にする
ことができ、その結果、照射効率は２倍になる。

【００４８】さらに、偏向用電磁石４０を用いることに
より、１本のビーム軌道を有する荷電粒子ビーム装置を
２台製造する場合と比較して製造費を低く抑えることが
できる。その他の構成および作用は前記第１実施例と同
一であるのでその説明を省略する。

【００４９】なお、上記実施例ではビーム軌道が２本で
あるが、本質的にビーム軌道の数に制限はなく、ビーム
軌道の数を３本、４本、それ以上と増やしてもよい。

【００５０】図１０は前記第３実施例の変形例を示す。
この変形例では偏向用電磁石の構造を変更しており、図
９に示したような磁場調整用鉄心４４を用いず、偏向用
電磁石４０の真空ダクト８ａを各軌道で共用させてい
る。

【００５１】この変形例によれば、前記第３実施例と比
較して偏向用電磁石４０の構造を簡略化することができ
る。その他の構成および作用は前記第３実施例と同一で
あるのでその説明を省略する。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、一台のビーム蓄積リングにおいてビーム周回
軌道を外周側と内周側に設けることで、外周側軌道およ
び内周側軌道の接線方向からＳＯＲ光を取り出せるの
で、従来例に比べて蓄積リングを効率的に利用できる。

【００５３】また、請求項２によれば、一台の装置に複
数の独立したビーム軌道を持たせることにより、製造費
を抑えつつ、ＳＯＲ光の照射効率を向上させることが可
能となる。これにより、安価で照射効率のよい産業用荷
電粒子ビーム装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る荷電粒子ビーム装置の第１実施例
を示す平面図。

【図２】図１の偏向用電磁石を示す平面図。

【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図。

【図４】本発明に係る荷電粒子ビーム装置の第２実施例
を示す平面図。

【図５】図４の超電導偏向用電磁石を示す平面図。

【図６】図４の超電導偏向用電磁石を示す正面図。

【図７】本発明に係る荷電粒子ビーム装置の第３実施例
を示す平面図。

【図８】図７に示す荷電粒子ビーム装置の正面図。

【図９】図７におけるＢ−Ｂ線断面図。

【図１０】本発明の第３実施例の変形例を示す断面図。

【図１１】従来の荷電粒子ビーム装置を示す平面図。

【図１２】図１１における偏向用電磁石を示す斜視図。

【図１３】従来の他の荷電粒子ビーム装置を示す平面
図。

【図１４】図１３の超電導偏向用電磁石を示す斜視図。

【図１５】従来のさらに他の荷電粒子ビーム装置を示す
平面図。

【符号の説明】

１ 荷電粒子蓄積リング ２ 荷電粒子ビーム入射器 ３ 荷電粒子ビーム輸送部 ４ インフレクタ ５ 偏向用電磁石 ６ 軌道調整用電磁石 ７ 高周波加速空胴 ８ 真空ダクト ９ 放射光ビームライン １２ バンプ電磁石 １３ 四極電磁石 ２０ 振分け電磁石 ２１ 軌道調整用電磁石 ２２ 外側平衡軌道 ２３ 内側平衡軌道 ３０ 超電導電磁石 ３１ 外周超電導コイル ３２ 内周超電導コイル ４０ 偏向用電磁石

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子ビームを荷電粒子ビーム軌道に
   沿って偏向用電磁石で偏向させ、上記荷電粒子ビーム軌
   道の接線方向にシンクロトロン放射光を発生させる荷電
   粒子ビーム装置において、上記荷電粒子ビーム軌道を内
   側平衡軌道と外側平衡軌道の複数段設け、複数レベルの
   エネルギーを有する放射光を取り出すことを特徴とする
   荷電粒子ビーム装置。
2. 【請求項２】 荷電粒子ビームを荷電粒子ビーム軌道に
   沿って偏向用電磁石で偏向させ、上記荷電粒子ビーム軌
   道の接線方向にシンクロトロン放射光を発生させる荷電
   粒子ビーム装置において、上記荷電粒子ビーム軌道を互
   いに独立して複数設けたことを特徴とする荷電粒子ビー
   ム装置。