JPS60180100A - シンクロトロン放射光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は放射強度が、大きく、照射面積の広いシンクロ
トロン放射光を発生させる装置に関するものである。

（背景技術） 超’ＬｓＩの微細化に伴い、サブミクロンのパターンを
大量に且つ高速に転写するＸｆｆｍ１）ングラフィ技術
が注目されてきている。とくに、最近、Ｘ線リングラフ
用の光源として、極めて強力なＸ線を放射するシンクロ
トロン放射光（ＳＯＲ光）が脚光を浴びている。このＳ
ＯＲ光は（ａ）光強度が大きい、（６）光の平行性が良
い、などＸ線露光用光源として理想的な特性を持ってい
る反面、Ｘ線露光に不可欠な照射面積の広い光を得るの
が困難とされてきた。本発明はかかる欠点を無くすため
に成されたものである。

従来、高強度のＸ線を発生させる装置として、ウィグラ
・アンジュレータが用いられている。これらの装置の構
成は同じであり、ただその動作条件が異なるのみである
ので、ここではウィグラ・アンジ−レークを総称してウ
ィグラと呼ぶことにする。図１にウィグラによるＳＯＲ
光の発光原理を示す。図２・図３にウィグラ磁石を示す
。図２・図３は磁石による磁場の方向が逆になっている
だけで構成上本質的な差はない。図２・図３の磁石をビ
ーム軸（Ｚ軸）にそって並べると、図４に示すように、
通常のウィグラの１周期分が構成できる。放射光強度を
高めるだめに、通常は、この１周期分の構成を複数用い
る。図１は、このようにして構成した従来のマルチボー
ルウィグラである。１は放射光を利用する試料面、２は
試料面上で放射光が照射される部分、３は周期磁界を発
生させる複数の磁石群で、通常、ウィグラと呼ばれる装
置、４はウィグラを構成する磁石、５は電子の軌道、６
はウィグラによって生じる磁界である。

ビーム軸をＺ軸とし、それに垂直々２つの軸をＸ軸、Ｙ
軸とする。ウィグラ内では、図に示すように、周期的に
磁界の方向が変化するようになっている。電子ビームが
ウィグラに入射すると、ローレンツ力によって電子はＹ
−Ｚ面に平行な向きに力を受ける。磁界の向きが周期的
に変化しているので、電子の受ける力も周期的に変化し
、電子はＹ−Ｚ面内を周期的に蛇行運動をする。との時
、電子は加速度を受けるので、ＳＯＲ光を放射する。

ＳＯＲ光は電子の進行方向に、栖めて狭角度（Ｊ／γ程
度、但し、γ−Ｅ／ｍＣ２、Ｅは電子のエネルギー、ｍ
は電子の質量、Ｃは光速である）に放射されるので、ウ
ィグラから離れた所にある試別面における光の照射領域
は図１に示すように、Ｙ軸方向には電子の蛇行運動によ
り広がっているが、Ｘ軸方向には、１／γで決定される
非常に狭い分布となる。例えば、ウィグラと試料面との
距離を５ｍｓ電子のエネルギをＩ　ＧｅＶとすると、試
料面における光の拡がりは、Ｙ軸方向に５０１１１７１
１．　Ｘ軸方向に５　ｍｍ程度となる。Ｘ線露光におい
ては、少なくともＬＳＩの１チップ分（１０献×１０ｍ
ｍ程度）の面積を均一に照射する必要があるので、この
寸までは、Ｘ線露光には用いる事が出来ない。

そこで、照射面積の広いＳＯＲ光を得るために、次の方
法が提案されている。

（α）Ｘ線鏡を動力・シてＳＯＲ光を走査する。

（ｂ）蓄積リング内の電子ビームを時間的に変化する電
磁界を用いて偏向させ、ＳＯＲ光が放射される方向を変
化させて照射面積の拡大をはかる。

（Ｃ）　ウィグラの側面に１段の偏向磁石を配置し、ビ
ーム軌道を一方向にスライドさせる。

これらの従来の技術については下記の文献に記されてい
る。

（ｉ）Ｖ、　、７Ｖ、　Ｊ（ｏｒｃｈｕｇａｎｏｖ　ｅ
ｔ、ａｌ、、　ＮｕｃｌｅａｒＪｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
　、ａｎｃｌ　Ｍｅｔｈｏｄ、　２０８＋　１１（１９
８３）（ｉｊ）　ｉｆ、　’Ｊ’ａｎｉｎｏ　ｅｔ、　
ａｌ、７’ｈａ　１５ｔｌＬＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ
　５ｏｌｏｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　
Ｍａｔｅｒｉａｌ。

Ｃ−３−２ＬＨ（１９８３）。

（ｉｉｌ）　Ｈ，Ｂｅｔｚ　ｅｔ、　ａｌ、、　Ｐｒｏ
ｃ、　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔ、　Ｃｏｎｆ。

Ｃ１ｒｃｕｉｔ　Ｃｏｍｐｕｔ、　１９８０．５４３　
（１９８０）。

ＧＶ）　Ｈ，Ｔａｎ１ｎｏ　ａｎｄ、　Ｋ、　Ｈｏ１ｙ
　Ｊ７）ｎ、　Ｊ、　Ａ７）７）ｌ−Ｐｈ’！１８．、
２２．　Ｚ、７１８　（１９８３）。

方炙（α）はＸ線鏡による光の損失が大きく、また、鏡
および鏡の駆動系のコストが高いという欠点があった。

また、機械的に鏡を動かすため、その制御性におとり、
また、その応答速度も遅く、高速描画を狙いとするＸ線
リングラフィには不適轟であった。方式（ｂ）では、電
子ビームを偏向させるだめの偏向コイルとコイルを駆動
する鋸波電流発生装置が使われている。リングラフィの
スループットを高めるだめにはこの鋸波電流発生装置の
応答速度を高める必要があるが、高速・大電流鋸波電流
発生装置は高価であり、また応答速度に技術的限界があ
り、リングラフィのスルーブツト向上に大きな制限を与
える。首た偏向コイルも大きなものを必要とし、蓄積リ
ングの直線部の一部を占めるため、ウィグラ等を設置す
る場所がせ寸くなり、ウィグラの長さ・極数に制限を与
え、これによって放射される光強度が小さく々るという
問題が生じる。また、ビーム偏向量が時間的に変化する
ので、蓄積リングの他のポートの装置に対して、光源の
位置を動かす結果となシ、問題となっていた。

また、時間的に変化する磁界を用いているので、渦電流
を生じこれが消費電力を増大させるだけではなく、発熱
も生じさせる。また、渦電流によって磁界が発生し、こ
の磁界が蓄積リングおよびその制御装置・電源装置の動
作に悪影響を与える恐れもあった。これらの欠点をなく
すために（Ｃ）が提案されている。しかし、この手法は
、ウィグラ磁石の側面に、１組の偏向磁石を追加する必
要があるため製造コストが高くなり、部品点数が多くな
るので装置の信頼性が低下し、まだ、偏向磁石を配置す
るだめの空間を確保しなければならず、寸法が大きくな
るという欠点がある。また、近年の半導体物性研究の著
しい進展とともに、よシ短い波長のＳＯＲ光がめられて
おり、このためには、ウィグラ磁石によって生じる磁界
の強度を高めたり、磁石の空間周期を短くすることが必
須となるが、磁場強度を高めたり周期を短くするにはウ
ィグラ磁極間隙を小さくする必要があシ、磁極間隙が小
さいとウィグラ側面に配置された偏向磁石による磁場が
電子ビームの存在する領域に到達しにくくなり、極めて
偏向磁石の効率が悪くなるという問題もあった。

（発明の課題） 本発明は、前記の欠点を除去するために、放射光を発生
する周期磁石を、微少な角度をθとして、±θあるいは
１８０°±θの角をなすように配置し、磁石を傾斜する
′事によって生じる横方向磁界を利用して電子ビームを
偏向させ、放射されるＸ線の照射領域を拡大できるよう
にしたものである。

（発明の構成および作用） 図５に本発明によるウィグラ磁石の配置を示す。

図２・図３の磁石をそれぞれ＋θ、−θずつ傾けて配置
し、これをウィグラの１周期分の構造としたものである
。本発明による作用をみるために、図５の構成における
電子軌道を考える。簡単のため、各磁石で生じるビーム
軸上の磁界は一定であると仮定する。軸近傍における電
子軌道は線形の微分方程式で記述される。入射時におけ
る電子の位置・傾斜がそれぞれＱ、　１ｋＢｏλｕｃＯ
ｓθ／４とすると、構成図５の出射口における電子の位
置・傾斜は 位置ニー１ｔ１３ｏλｙ２ｓｉｎθ／２〔１〕傾斜ニー
ｋＢｏλｌ５ｉｎθ／２＋１ｋ１３ｏλｕｃｎｓθ／４
　［２）但し、 １／２ ｋ　＝　（ｅ　／２ｍＶｏ　（１＋　ｔＶｏ　）　）ε
＝ｅ／２ｍＣ２ −ｅ：電子の電荷、ｍ：電子の質量、Ｃ：光速、ＶＯ：
電子のエネルギー、 λＵ：図４の構成の周期の長さ、 ｉ：虚数単位、ＢＯ：磁場の強さ で表される。なお、電子の位置、傾斜は複素数で表現し
、その実数部及び虚数部はそれぞれ電子のＸ座標・Ｘ座
標に関するものを表している。電子ビームの入射条件と
して、Ｙ方向の傾斜をｉｋ’／３゜λｕｃｏｓθ／４　
としだが、これは、１周期分の磁石対における電子軌道
に対し、周期条件を満足させるためである。上記の条件
の電子ビームを得るには、た七えば図７で示したように
、λｕ／４分の長さを持つ磁石を用いれば可能である。

図６に電子軌道のＸ−Ｚ面およびＹ−Ｚ面への射影を示
す。近軸軌道の解析結果より、図５の構成によって、電
子ビームはＹ方向には蛇行しなからＸ方向に偏向される
ことがわかる。また、出射時における位置・傾斜のＹ成
分は入射時のそれぞれのＹ方向成分と同じである。した
がって、図５の構成をＺ軸にそって複数個配置しても、
最終的な出射場所における位置・傾斜のＹ方向成分は図
５の構成と同じである。θを小さい角度とすると、ｓｉ
ｎθ〜θ、ｃＯ３θ〜１の近似が成立し、軌道のＹ−Ｚ
面への射影はθ−〇つまり通常のウィグラ内の軌道と充
分の精度で一致し、且つＸのマイナス方向には角度ｓｉ
ｎθに比例じて偏向されていくことになる。したがって
、図５の構成をＺ軸にそって多数配置すると、電子ビー
ムはＹ方向には従来のウィグラの場合と同様に蛇行運動
しながら、Ｘ方向にはゆっくり偏向される。ＳＯＲ光は
、電子ビーム軌道の接線に沿って放射されるので本発明
によって、図１で示される放射領域は−Ｘ方向に広がシ
、照射面積の広い高強度のＳＯＲ光を得ることができる
。

図５の構成を繰シ返し配置したものでは、電子ビームが
だんだんビーム軸がち離れていき、蓄積リングの安定な
動作に重大な影響を与える。′！また、放射光の強度均
一度もち−ｔ、ｂ良いものが得られない場合も生じる。

しかし、図５の磁石とともに、図５と同様の構成で、磁
石の極性を変えたものや磁石の傾きの方向即ち角度θの
符号を変えたもの、あるいは角度θの異なるものを適宜
組み合わして配列することにより、前記の欠点は回避で
きる。

図７にその一つの実施例を示す。図７の実施例では、１
１個の磁石を用いてマルチポールウィグラを構成してい
る。表１に各磁石の傾斜角度、磁石の長さ、磁石によっ
て生じる磁場の方向を示す。

（工又千＃色） このウィグラでは、ウィグラを軸上傾斜ゼロで入射した
電子は、同条件でウィグラを出射していくので、蓄積リ
ングの安定性に与える影響は小さくできる。図７におい
ては、ウィグラ全体の前後にθ＝０、長さλｕ／４の磁
石を設置しているが、これは、軸上を傾斜ゼロで入射し
た電子を、同条件でウィグラを出射させるだめに必要な
ものであって、従来のウィグラにおいても使用されてい
る。

ヌ１５の構成に於ける電子ビーム軌道のＸ方向の位置・
傾斜は、磁石の傾きθで決定されるから、設計の際には
、必要とするＳＯＲ光の照射面積、照射均一度、蓄積リ
ングの安定性等を考慮して磁石のなす角度θや磁場の強
さ’ｆ３．ｏを、符号も含めて最適設定すれば良い。た
とえば、図７のウィグラで、５ｍ離れた点でＸ方向のＸ
線照射範囲を１ｃｒｎにするには、電子エネルギーをＩ
　ＧＩＩＶ、磁場の強さをＩＴ、λｕ−１０Ｃｍ１　θ
＝４°とすれば良い。この時、Ｘ線照射領域のＹ方向へ
の広がりは５０である。図７のウィグラで得られる、照
射面におけるＸ線の照射均一度が十分でない場合には、
磁石数を増して、傾斜角を小さくすれば良い。

以上の計算では簡単のため、各磁石内での磁場は一定と
しだが、磁場が一定でない分布を持つ場合でも同様の効
果が得られる。

実際の磁石の磁場強度には、磁石間でバラツキが存在す
る。また磁石の傾斜角度θにも製作誤差を生じる。これ
らの誤差によって、磁場のビーム軸にそって行った積分
はゼロではなくなり、ウィグラ出射口で電子軌道は軸に
対して傾斜を持つ。

したがって、実際の装置ではウィグラの入射部あるいは
出躬部あるいはその両方に補正用磁石を配置する。本発
明によるウィグラにおいては、Ｘ・Ｙ両方向の補正が必
要である。この補正には図２で示すような構成で、磁石
の磁場強度が変化でき、且つＺ軸を回転軸として回転可
能な磁石を用いれば、最少の磁石で補正が可能となる。

なお、好捷しくけ磁界のビーム軸に垂直な成分のビーム
方向への積分値がはソゼロとなるごとく磁石対を配置す
る。又磁界の傾きの調節のため妃磁石対をビーム軸のま
わりに回転可能とするととが好ましい。

（発明の効果） 本発明によれば、２次元的に広い面積を均一な光強度で
照射出来るＳＯＲ光が得られる。放射光の照射面積を広
げるための部品、例えば偏向磁石などは不要であるから
、装置がコンパクトになり、製作コストやランニングコ
ストも低減できる。本発明においては、式〔１〕、〔２
〕から理解出来るように、磁石を傾けることにより生じ
る磁界のＹ方向成分によって、Ｘ方向の偏向を得ている
。したがって、電子ビームや放射光を妨げないかぎシ磁
石の磁極間隔を小さくできるので、磁場の強度を大きく
でき、まだ磁石の周期も短くできる。本装置の動作に際
して、磁場等を時間的に変化させないので、蓄積リング
内を周回する電子は、毎回同じ軌道をとシ、ビームの位
置が時間的に変動することはない。したがって、蓄積リ
ングの他の放射光ポートにおける光源の位置の時間的変
化は無く、例えば分光器等を用いた精密測定には何隻影
響を与えることがない。また、蓄積リング内の他の場所
に配置されている素子、例えばベンディング磁石や多極
子等に与える影響も少なくできる。この効果は、高価な
蓄積リングを多目的に使用する場合には、極めて重要で
ある。動作には静的磁場しか利用していないので、磁石
としては、永久磁石を用いることができる。永久磁石を
用いた場合には、消費電力はゼロであり、まだ磁場の安
定性にも勝れ、保守も容易であシ、極めて信頼性の高い
装置と彦り半導体産業への応用には最嫡の装置となる。

永久磁石による磁場は一般に弱いが、本発明によシ、磁
石の磁極間隔を短くしてビーム軸上の磁場強度を犬きく
出来るので、永久磁石によっても大面積照射用高強度短
波長ＸｉＭの発生が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はウィグラによるシンクロトロン放射光発生の説
明図、第２図（α）及び（ｂ）と第３図（ａ）及び（ｂ
）はウィグラを構成する周期磁界のうち、半周期分の磁
界を発生させる磁石を示す図、第４図は従来のウィグラ
の１周期分に相当する磁石対を示す図、第５図（Ｗ）及
び（ｂ）は本発明の一実施例を示し、第２図（ａ）及び
（ｂ）、第３図（α）及び（ｂ）で示される磁石を互い
に傾けて配置したもので、本発明によるウィグラの１周
期分に相当する磁石対を示す図、第６図（α）及び（ｂ
）は本発明による１周期分のウィグラ磁石内での電子軌
道のＸ−Ｚ面・Ｙ−Ｚ面への射影を示す図、第７図（α
）〜（Ｃ）は軸上を傾斜ゼロで入射した電子は、同条件
で出射するようなマルチポールウィグラの一実施例と、
このウィグラ内における電子軌道のＸ−Ｚ面・Ｙ−Ｚ面
への射影を示す図である。 １；試料面 ２；ンンクロトロン放射光照射領域 ３；従来のマルチポールウィグラ ４；ウィグラ磁石 ５；電子の軌道 ６；ウィグラ磁石によって生じる磁界 ７；本発明によるウィグラ磁石 ８；本発明による１周期分のウィグラ磁石内での電子軌
道のＸ−Ｚ面への射影 ９−；本発明による１周期分のウィグラ磁石内での電子
軌道のＹ−Ｚ面への射影 １１〜２１；マルチポールウィグラを構成する磁石１〜
磁石１１ ２２：本発明によるマルチポールウィグラ内での電子軌
道のｘ−ｚ面への射影 ２３；本発明によるマルチポールウィグラ内での電子軌
道のＹ−Ｚ面への射影 特許出願人 日本電信電話公社 特許出願代理人 弁理士　山　本　恵　− 翼２閣 本３図 地４図 γ 為６図 ＃７図 ズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子ビーム軸にそって空間的に交互に逆向きの磁
   界を周期的に発生させる磁石対を配置し、磁界から電子
   がうける加速度により電子ビームの進行方向にシンクロ
   トロン放射光を発生する装置において、前記磁界がビー
   ム軸に垂直で前記磁石対による逆向きの交互磁界が平行
   な位置から傾むくごとく磁石対が配置されることを特徴
   とするシンクロトロン放射光発生装置。
2. （２）　ビーム軸に垂直な磁界成分の積分値がはソゼロ
   となるごとく前記磁石対が配置されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のシンクロトロン放射光発生
   装置、。
3. （３）前記磁石対を構成する磁石がビーム軸のまわυに
   回転可能であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のシンクロトロン放射光発生装置。