JPS63224198A - 補正コイル付き偏向電磁石 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、荷電粒子を閉軌道上で回転させて加速あるい
は蓄積する荷電粒子加速蓄積装置とし士の蓄積リングす
なわちＳＯＲ露光装置の偏向電磁石の構造に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来のシンクロトロンや蓄積リングは高エネルギー物理
実験（主に電子と陽電子、陽子と反陽子との衝突実験に
よる素粒子の相互作用および新粉子の発見等のための実
験）のために製作されており、概して大型であった（直
径数十ｍ〜数十ｋｍ）。

これに対して、最近、電子あるいは陽電子が周回する時
に放出されるＳＯＲ光を光電子分光等の゛表面分析や半
導体ＬＳＩを製造する時のＸ線リソグラフィー用光源と
して利用することが注目されている。これら半導体産業
にこのＳＯＲ光源が導入されるためには従来よりも小型
で専用に設計された蓄積リングが必要となる。このため
世界中で蓄積リングを小型化しようとする試みが行なわ
れている。

小型化の１つの有力な方向は、偏向電磁石を超電導化し
、１つの偏向電磁石で１８０度電子を偏向し、電子の軌
道半径を数十ｃｍ程度のオーダにする方向である。これ
は、例えば［ホイバーガ著、固体工学、９３頁、１９８
６．２月（Ａ、　Ｈｅｕｂｅｒｇｅｒ＋　Ｓｏｌ　１ｄ
Ｓｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋ｐ、９３．Ｆｅｂ
ｒｕａｒｙ　１９８６）Ｊに記載されている。しかし、
必要な磁場の均一度を電子の通る軌道軸に沿ってそれに
垂直な平面の広い領域に確保する具体的な磁石構造は未
だ実現されていない。

一方、蓄積リングを小型化する試みの中で、電子を円形
リングの中で３６０度偏向させようという試みもある。

これは、例えば「高橋著２日本学術振興会、結晶加工と
評価技術第１４５委員会。

Ｂ分科会（放射光利用）、第９会研究会資料１７頁」に
記載されている。しかし、この例では、円形構造である
ことに起因して、技術的に解決すべき問題点が多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

１８０度偏向電磁石においては、磁石端部におけるフリ
ンジ磁場（偏向電磁石の出口付近で電子軌道軸に沿って
磁場の強度が徐々に下がっていく部分の磁場）により生
ずるＣ、０．Ｄ　（電子の平衡軌道の設計中心軌道から
のずれ）が大きいという問題が重要である。上記ホイバ
ーガ（Ａ、　Ｈｅｕｂｅｒ−ｇｅｔ）の１８０度偏向型
では内側コイルと外側出イルの間隔が１０ｃｍ程度と狭
く、従って、渡りの部分のコイルがフリンジ磁場に及ぼ
す影響が小さく、それほど大きなＣ，Ｏ，Ｄは発生しな
いが、磁場の均一な広い領域を確保しようとして内側コ
イルと外側コイルの間隔を広げていくと、渡りの部分の
コイルからの影響が大きくなり、フリンジ磁場のだれが
大きくなるという問題がある。

従来の偏向電磁石における補正コイルは、偏向電磁石内
部の均一度を補正したり、個々の偏向電磁石の固体差に
起因する磁場の大きさのばらつきを補正するために、主
要偏向電磁石内部のコイルに沿ってそれに平行に置かれ
るのが通常であり、フリンジ磁場そのものを整形し、Ｃ
，Ｏ，Ｄを補正するためにフリンジ磁場の中に補正コイ
ルを置くことはなされていなかった。

以上のことから、従来の問題点は、蓄積リングの小型化
と電子軌道に沿っての均一な磁界分布とが実現されてい
ないということである。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、半導体産業用に小型化したＳＯ
Ｒ露光装置のための偏向電磁石を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、荷電粒子軌
道上する主要偏向電磁石のフリンジ磁場付近に主要偏向
電磁石内部の荷電粒子軌道上に形成する偏向磁場とは逆
向きの磁場を発生するように一対以上の補正コイルを設
置したものである。

〔作用〕

本発明においては、小型蓄積リングの実現および電子軌
道に沿って均一な磁界の分布の実現を図るこ生ができる
。

〔実施例〕

まず、本発明の特徴について述べる。本発明は、主要偏
向電磁石および補正コイルにより、全体で電子を１８０
度偏向させる。すなわち、一対の主要な偏向電磁石で電
子をほぼ１８０度偏向させ、フリンジ磁場付近に一対以
上の補正コイルを付加させることにより、主要偏向電磁
石自身が形成するフリンジ磁場を急峻な階段状の分布に
整形し、Ｂｌ積（電子軌道軸に沿って磁場の大きさＢを
積分した量）を成る一定の値に調節することにより、全
体で１８０度電子を偏向させる。

こうして、主要偏向電磁石のみでは非常に大きなＣ，０
，Ｄを発生する所を、補正コイルにより小さく神さえ、
同時に主要偏向電磁石内部のフリンジ付近の磁場の均一
度も改善したことを最も主要な特徴とする。

第１図〜第４図は、本発明による補正コイル付き偏向電
磁石の配置構造である。図中の大きなバナナ型をした主
要偏向電磁石ｌ　（これにより電子をほぼ１８０度偏向
する）に対して、フリンジ部付近の電子軌道軸に近い部
分に、磁場の方向が主要偏向電磁石ｌとは逆向きの補正
コイル２を左右両側に３対ずつ配置しである。第１図〜
第４図において、３は渡りの部分のコイルである。第２
図に、主要偏向電磁石ｌおよび補正コイル２中の電流パ
スＰＩおよびＰ２．Ｐ３の方向を矢印で示す。

補正コイル２は、偏向電磁石内部の偏向磁場とは逆向き
の磁場を発生する。

第５図〜第７図は、主要偏向電磁石１に関して切詰めた
形状の例を示す配置図である。補正コイル２はこれら主
要偏向電磁石ｌのフリンジ部分に設置される。これら補
正コイル２による大きな２つの効果を、第１図〜第４図
の実施例について詳細に示す。

まず、Ｂ１積の低減効果について説明する。第８図はバ
ナナ型主要偏向電磁石１のみによる電子軌道軸に沿った
一５０ｃｍ≦ｙ≦σｃｍの範囲内にある磁場の２方向成
分の分布を示す。また、第９図は主要偏向電磁石と補正
コイル群とが第８図と同様の領域に形成する磁場の２方
向成分の分布と３対の補正コイルの位置Ａ１〜Ａ３を示
している。

第８図から明らかなように、主要偏向電磁石のみでは偏
向電磁石の端部付近の磁場（フリンジ磁場）のだれが著
しく、非常に大きなＣ，Ｏ，Ｄが生ずる。これを低減す
るためにはバナナ型主要偏向電磁石１の内側コイルと外
側コイルを結ぶ渡りの部分のコイル３を＋ｙ方向へ平行
移動して切り詰めたり、あるいはｚ軸の回りに正の方向
へ回転させる等の工夫をして、磁場のいわゆるＢ１積を
低減しなければならない（第５図〜第７図参照）。

しかし、そうすることによってＣ，Ｏ，Ｄは低減できて
も、偏向電磁石内部の磁場の均一度が悪化することが容
易に予想される。そこで、第１図〜第４図に示すような
補正コイル２をフリンジ部付近に配置した。これにより
、第９図に示すように、フリンジ磁場のだれを急峻に低
減させ、はぼ階段状に変化する磁場分布を得ることがで
きた。

さらに、第９図から分かるように、どうしても僅かに残
る偏向電磁石外部へのだれを補償するため、曲線Ｓ１に
示すように故意にアンダーシュートを形成してやり、そ
れ以降はＯに戻るように補正コイル配置を適性化した。

゛ 次に、主要偏向電磁石内部の磁場均一度の改善効果につ
いて述べる。Ｂ１積の低減効果とは別に、この補正コイ
ル２により、主要偏向電磁石内部のフリンジ部付近の磁
場の均一度も大幅に改良された。それを第１０図、第１
１図に示す。

第１０図は、補正コイルは無くバナナ型主要偏向電磁石
１のみが存在する時の磁場の均一度を示しており、第１
１図は、補正コイルが存在する時の偏向電磁石内部の磁
場の均一度を示している。

これらの図は、上から電子軌道軸に沿ってθＸ方向に０
度（Ｘ軸）〜９０度（ｙ軸）までの１０度ごとの各断面
について、磁場の均一度（Ｕｎｉｆｏｒｍｉ−ｔｙ、以
下ｒＵＪと略称する）を示している（θＸについては第
６図（ａ）参照）。図中横軸は均一度Ｕを表わし、縦軸
は電子の軌道軸に垂直な断面をとった時の動径方向の位
置を示している（ｃｍ単位）。

実線、鎖線、一点鎖線、二点鎖線は、電子軌道軸に垂直
な方向の高さｚ＝Ｑｃｍ、１ｃｍ、　　２ｃｍ、３ｃｍ
の位置パラメータに対する均一度Ｕを示す。ここで均一
度Ｕとは、縦軸とパラメータで決定される位置における
磁場の２成分ＢＺＯ値と、ｚ−Ｑｃｍで電子の平衡軌道
の位置にあたるＢＺの値ＢＺＯとから次の式で定義され
る量である。

Ｕ＝　（ＢＺ−ＢＺＯ）／ＢＺＯ’ 第１図〜第４図図の横軸の均一度Ｕは真中がＯであり、
１目盛が±ＩＸＩ（Ｉ３である。また、縦軸の太線は±
５Ｘ１０−’を表わす。すなわち、第１１図は、電子の
軌道軸に沿ってそれに垂直な１０ｃｍＸ６ｃｍ（高さ方
向については系の対称性からｚ＝３ｃｍｘ２−Ｏｃｍ）
の広い領域において０度を除く全断面でほぼ±５Ｘ１０
−’の均一度を達成していることを示している。この値
は、従来の電子蓄積リングの偏向電磁石に要求されてい
る磁場精度（均一度）とほぼ同等の値である。

一方、第１０図は、補正コイルのない場合の均一度であ
り、１０度、２０度の断面においてかなり均一度の劣化
が認められる。これが第１１図において格段に改善され
ているのが明らかである。

これらの計算はビオ・サバールの法則を用いた厳密な３
次元の磁場解析の結果であり、上記のコイル配置もこの
プログラムによるパラメータサーベイの結果得られた値
である。

次に、主要偏向電磁石１．補正コイル２ともにリターン
ヨークが付いた場合について説明する。

第１２図、第１３図は本発明に係わる補正コイル付き偏
向電磁石の第２の実施例を示す配置図であり、鉄のリタ
ーンヨーク４が付いた場合を示す。

この第２の実施例は、鉄のリターンヨーク４が付いたこ
とと、主要偏向電磁石１の配置が第１図〜第４図の第１
の実施例の場合と少しことなることとを除けば、補正コ
イル２の位置、起磁力（コイルに流れる電流値とターン
数との積）等は全く第１の実施例と同様である。この第
２の実施例についても、第１の実施例と同様に、２つの
大きな効果を次に示す。

まず、Ｂ１積の低減効果について説明する。第１４図は
、第１の実施例と同様にバナナ型主要偏向電磁石１のみ
による電子軌道軸に沿った磁場の２方向酸分の分布を示
す。また第１５図は、バナナ型主要偏向電磁石ｌと補正
コイル２が形成する電子軌道軸に沿った磁場の２方向酸
分の分布を示す。第１４図から明らかなように、主要偏
向電磁石ｌのみでは偏向電磁石のフリンジ磁場のだれが
著しく、非常に大きなＣ，Ｏ，Ｄが生ずる。そこで、第
１１図、第１２図に示すような補正コイル２をフリンジ
部付近に配置した。これにより、第１５図に示すように
、フリンジ磁場のだれを急峻に低減させ、はぼ階段状に
変化する磁場分布を得ることができた。さらに、第１５
図から分かるように、どうしても僅かに残る偏向電磁石
外部へのだれを補償するため、曲線Ｓ１で示すように故
意にアンダーシュートを形成してやり、それ以降はＯに
戻るように補正コイル配置を適性化した。

次に、主要偏向電磁石１内部の磁場均一度の改善効果に
ついて説明する。Ｂｌ積の低減効果とは別に、この補正
コイル２により、主要偏向電磁石１内部のフリンジ部付
近の磁場の均一度も大幅に改良された。それを第１６図
、第１７図に示す。

このグラフの意味は第１の実施例の場合の第１０図、第
１１図と同様である。第１６図は補正コイルのない場合
の均一度であり、１０度、２０度の断面においてかなり
均一度の劣化が認められる。

これが第１７図において格段に改善されているのが明ら
かである。

これらの計算はビオ・サバールの法則および磁性体を含
んだ有限要素法と積分法を用いた３次元の磁場解析の結
果であり、上記の主要偏向電磁石配置も補正コイル配置
も、このプログラムによるパラメータサーベイの結果得
られた値である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、荷電粒子を偏向する主要
偏向１磁石のフリンジ磁場付近に主要偏向電磁石内部の
荷電粒子軌道上に形成する偏向磁場とは逆向きの磁場を
発生するように一対以上の補正コイルを設置したことに
より、電子を１８０度偏向させ、Ｃ，Ｏ，Ｄの発生を小
さく押さえ、フリンジ付近の磁場の均一度を改善するこ
とができるので、小型蓄積リングの実用化を図ることが
できると共に、半導体ＬＳＩのリソグラフィ一工程での
微小パターンの形成が可能になり、半導体工場で小型蓄
積リングをＳＯＲ露光装置として設置することが可能に
なるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明に係わる補正コイル付き偏向電
磁石の一実施例を示す配置図、第５図〜第７図はコイル
の切詰構造を示す配置図、第８図は主要偏向電磁石のみ
によるフリンジ磁場の電子軌道軸に沿った分布を示すグ
ラフ、第９図は主要偏向電磁石とともに３対の補正コイ
ルにより磁場分布を補正した時の電子軌道軸に沿ったフ
リンジ磁場の分布を示すグラフ、第１０図は主要偏向電
磁石のみで補正コイルが無い時の偏向電磁石内部の電子
軌道軸に沿ってそれに垂直な平面内での磁場の均一度分
布を示すグラフ、第１１図は主要偏向電磁石とともに３
対の補正コイルにより磁場分布を補正した時の偏向電磁
石内部の電子軌道軸に沿ってそれに垂直な平面内での磁
場の均一度分布を示すグラフ、第１２図、第１３図は本
発明に係わる補正コイル付き偏向電磁石の第２の実施例
を示す配置図、第１４図は第２の実施例における主要偏
向電磁石のみによるフリンジ磁場の電子軌道軸に沿った
分布を示すグラフ、第１５図は第２の実施例にお゛いて
主要偏向電磁石とともに３対の補正コイルにより磁場分
布を補正した時の電子軌道軸に沿ったフリンジ磁場の分
布を示すグラフ、第１６図は第２の実施例における偏向
電磁石内部の電子軌道軸に沿ってそれに垂直な平面内で
の磁場の均一度分布を示すグラフ、第１７図は第２の実
施例において主要偏向電磁石とともに３対の補正コイル
により磁場分布を補正した時の偏向電磁石内部の電子軌
道軸に沿ってそれに垂直な平面内での磁場の均一度分布
を示すグラフである。 １・・・主要偏向電磁石、２・・・補正コイル、３・・
・渡りの部分のコイル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）荷電粒子を偏向する主要偏向電磁石のフリンジ磁
   場付近に前記主要偏向電磁石内部の荷電粒子軌道上に形
   成する偏向磁場とは逆向きの磁場を発生するように一対
   以上の補正コイルを設置したことを特徴とする補正コイ
   ル付き偏向電磁石。
2. （２）主要偏向電磁石のコイルが３次元直交座標ｘ、ｙ
   、ｚで規定される空間のｘ＝０の面に対して面対称の形
   状を有しｚ＝０の面に対して面対称に配置される時、同
   様な対称性を持つ一対以上の補正コイルの主たる部分を
   前記主要偏向電磁石が形成するフリンジ磁場の中に設置
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の補正
   コイル付き偏向電磁石。
3. （３）主要偏向電磁石、補正コイルは、磁性体を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の補正コイ
   ル付き偏向電磁石。