Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 TUP071

蓄積リング自由電子レーザーによる高平均出力 EUV 光発生の検討
A STUDY OF HIGH AVERAGE POWER EUV FREE ELECTRON LASER ON THE
STORAGE RING
宮本修治#, A), 橋本 智 A), 木下 博雄 A), 田中 隆次 B), 矢橋 牧名 B), 石川 哲也 B)
Shuji Miyamoto #, A), Satoshi HashimotoA), Hiroo KinoshitaA), Takashi TanakaB), Makin YhshiA), Tetuya IshikawaA)A)
LASTI, University of Hyogo
B)
RIKEN, SPring-8 center

Abstract
Extreme ultra violet lithography (EUVL) is expected as a next generation semiconductor manufacturing technology.
We have been studied a projection optics of EUVL, developments of resist and mask inspections systems atNewSUBARU synchrotron light facility. Reliable high-power source of EUV light is the critical issue at present for
EUVL practical use. Research and development of an electron accelerator light source are considered as thiscountermeasure. Recently, a team in Shanghai proposed a probability of high power EUV light source using PEHG
(Phase-merging Enhanced Harmonic Generation) by the storage ring. We start to consider the possibility of this PEHG FEL testing by NewSUBARU storage ring.

1.

はじめにNewSUBARU放射光施設では、建設当初から、研究開発課題の１つとして、極端紫外線リソグラフィー(EUVL)技術開発[1]を目標とした。このため、当初の縮小投影露光光学系の実証につづき、放射光のコヒーレント成分を用いた多層膜ミラーの干渉計測、干渉露光システムを用いたレジスト（感光保護膜材料）開発、多層膜ミラー上に描画される集積回路マスクパタンの検査システム開発等を実施してきた。
EUVLは今後の16nm線幅の量産技術として予定されており、2020年には10nm線幅の量産技術として期待されている。このようななかで、EUV光源の高出力化と安定化が最大の課題と考えられている。現在
までにEUV光源として、錫ドロップレットをCO2 Figure 1: Structure of the EUV stepper system. (courtesy
レーザーで照射する、レーザー・プラズマ光源が開 of EUVA)
発されており、中間集光点での出力が100W程度がコンウェハのリソグラフィー加工を行う。マスクか達成できており、最新ステッパーでは24時間で1000ら投影画像は４：１に縮小され、マスクとウェハは枚を超えるシリコンウェハの露光が実現できている同期してスキャンする。反射光学系は、マスクも含が、今後250W、さらに1kWを超えるEUV光源出力めてSiMo多層膜ミラーが使われる。SiMo多層膜ミと、安定な稼働率が求められている。
ラーのEUV光(波長13.5nm)に対する、直入射反射率
現在レーザー・プラズマEUV光源での高出力化のは70％程度であるが、照射光学系、投影光学系などためのブレークスルーが見通せない状況のなか、安で、約15枚の多層膜ミラーを用いるため、ウェハ上定な運転が期待できる加速器ベースのEUV光源の可でのEUVパワーは、約1/200になる。一方、シリコン能性の検討が初められている。EUVL用光源は、露ウェハ上に塗布される保護膜が光感光性レジストで光光学系に用いるSiMo多層膜ミラーの特性のため波あるが、描画する回路パターンが微細化するととも長が13.5nm±1%に制限されている。に、露光感度は低下する傾向にある。
Figure 1に光源を除いた、EUVL露光システムの概このような露光システムの構成上、EUV 光源パワーの略図を示す。EUVステッパーシステムの構成は、要求が高くなっている。さらに将来は EUV 光波長以下まEUV光源からの光を照射光学系により反射マスクにでの描画を目指しており、そのために光学系ミラーの増当てる。反射マスク上に、目的の集積回路パターン加と、さらなる光源パワーの増強が求められる。また生産が描画されており、このパターンを縮小投影光学系性に関しても、露光時間の短縮が求められ、実用段階でによりウェハ上のレジストに転写することで、シリは 1 時間に 100 枚のウェハ処理が必要と言われており、___________________________________________
EUV
光源への要求はさらに高くなる見込みである。
# miyamoto@lasti.u-hyogo.ac.jp- 1056 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2016 TUP071超える次数の高調波を発生できている。この手法で発生した、コヒーレント EUV 光を用いて、SiMo 多層膜マスク
初期には、EUVL 光源として放射光も検討された。放の内部欠陥を、レンズレス顕微鏡（コヒーレントスキャトロ
射光光源は安定で、分光器を用いることでのぞみの波メトリー）で観察することに成功している。
長領域を利用でき、また、アンジュレータ光源では高い近年、加速器の電子ビームにレーザーでエネルギースペクトル輝度を得ることが出来る。このため、EUV 露光
変調を与え、電子バンチを短パルスレーザーでスライス光学系の試験、レジストの開発、マスク検査システムの実したり、高次高調波を発生させる提案や実験が報告され証など、EUVL 技術開発の多くの部分が放射光施設をている。そのなかで、上海のグループが理論計算を報告利用して行われてきた。しかしながら、光源装置としてスしている PEHG[5]（Phase-merging Enhanced Harmonic
テッパーに組み込むには、装置が大型なことに加え、放Generation）法は、蓄積リングで高出力コヒーレント EUV射線管理が必要なことから、半導体製造工場で利用す発生が可能であると提案している。
る光源としては別種の小型光源の開発競争が世界的にPEHG による高次高調波の発生スキームは、以下のよ行われた。この間、半導体製品の微細化の進展に従い、うになっている。まず、リング内に大きな分散領域を作る。
EUV 光源パワーのへの要求が増大してきた。このような長直線部両端に、Dog-leg を 2 個挿入した形である。こ光源への要求から、また将来の拡張性から、再び加速のながい分散部に変調アンジュレータ(Modulator)、横方器光源の検討が行われるようになった。これは、X 線自向傾斜アンジュレータ(TGU)、分散シケイン（DS)、放射由電子レーザー(XFEL)の稼働[2]や、エネルギー回収アンジュレータ(Radiiator)を入れた構成である。変調アン型線形加速器(ERL)での高出力赤外 FEL[3]の実証など、ジュレータに、EUV 光（13.5nm）の 20 倍の波長のパルス
加速器光源技術の急速な進歩が、将来のイノベーションレーザー光を入射し、蓄積リングの電子バンチにエネルの鍵となると期待されていることもあり、次世代コヒーレンギー変調を与える。この時、変調の深さは、0.1%程度で、ト光源への開発課題でもある。
蓄積リングでの電子のエネルギー広がり程度である。こ加速器光源とは別に、超短パルスレーザーによる高れに分散方向に磁場を傾斜させたアンジュレーターで、次高調波発生で、コヒーレント EUV 光の発生も行われてエネルギー変調に Phase-merging 効果を与え、分散シケきた[4]。これは、超短パルスのチタン・サファイヤレーインでのバンチングの高次成分を増強する。
ザーをガス中で収束させ、非線形相互作用で、50 次を2.

加速器を用いた EUV 光源

Figure 2: NewSUBARU electron storage ring. Insertion graph is an example of dispersion function of the PEHG beamline.

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この手法には、EUV 光を発生するための 1GeV 程 レータ内での変調レーザーパワーは、PL=100MW 程度度の電子エネルギーと、ある程度長い直線部が必要 が必要となる。
フェムト秒パルス出力の超短パルスレーザーでは、比である。国内の電子蓄積リングでは、NewSUBARU
較的容易な出力であるが、高いEUV 出力を得るために電子蓄積リングの構成が、この試験に適しているとは、レーザーパルス幅も電子ビームパルス幅（σp〜60ps）考えられる。そこで、PEHG による EUV 高調波発生程度以上が望ましい。時間コヒーレンスの長い出力 EUVの可能性を調べることを目的として、NewSUBARU光となるため、コヒーレント EUV 応用にも有利である。
電子蓄積リング（Figure 2)で可能な試験配置を元に、レーザーは電子パルスに同期した安定なパルス列が必必要なパラメーターや改造の可能性を検討するため、 要で、モード同期発振レーザーパルスを用いる。光陰極シミュレーションによるパラメーター検討を始めた。 RF 電子銃の励起レーザーなどにも利用されており、Table 1 にニュースバル電子蓄積リングのパラメー 100MHz 程度の繰り返し周波数のピコ秒パルス列を得る
ターを示す。
ことが出来るが発振器では、出力パルスエネルギーは数10nJ であるので、増幅して用いることになる。レーザー波
Table 1: Parameters of NewSUBARU
長 270nm とするには、近赤外域のレーザーの高調波を0.5GeV1.5GeV用いる。
Electron Energy
必要なレーザー出力は、繰り返し周波数を、電子の周(injection : 1 GeV)
回周波数（T=2.5MHz)とした場合、
max.: 500 mA
Storage Current

topup : 300mA
Emittance

37 nm / 1 GeV

Circumference

118.731 m

RF frequency

499.955 MHz

Harmonic Number

198

P0＝PL*σp*T=100MW×60ps×2.5MHz=15kW•3.

PEHG 配置と電子変調評価

Figure 3 に長 直 線部の Dog-leg, Modulator, TGU,Dispersion chicane, Radiator, Dog-leg の配置を示す。まず最初の計算検討では、現在のニュースバル電磁石配置で評価してみた。また、TopUp 運転ができる条件として、電子ビームエネルギーは 1GeV としている。直線部は約 13m でそこに 設置可能なサイズとした。ニュースバ
ルの直線部は水平方向のビームサイズが比較的大きいため、0.1%のエネルギーモジュレーションで、ビームサイズ以上分散するように分散は 0.7m 程度とできるよう、Dog-leg 電磁石強度とサイズを設定した。モジュレータの共鳴波長をレーザー波長とするため、モジュレーター波長が長くなり、ピッチ数があまり取れないため、アンジュと過大になるため、繰り返しを 3 桁ほど下げて試験を行う。
Figure 3 のシステム内で、レーザー光によりエネルギー変調を受けた電子パルス内の位相に対する電子エネルギー分布を Figure 4 に示す。これは、電子ビームの水平サイズが現状の値、300µm として計算したもので、ビームサイズが大きすぎるため、Phase-merging の効果はぼやけて、分散部を通過してもあまり密度の急峻化が起こってない様に見える。電子密度分布の高調波成分を計算すると、第 20 次高調波では 0.35%となっており、高次高調波の発生は難しい。
一方、ビームサイズが 50µm として、同様な計算を行うと、Figure 5 の様に、電子ビームの中心部分は、比較的良くバンチしているように見え、電子密度分布の高調波成分でも、第 20 次高調波では６%となり、このミクロバンチ成分で、Radiator アンジュレータ内でコヒーレント放射が十分強くなると期待できる。このように、分散方向のビームサイズを小さくする必要があり、このため、垂直方向への Dog-leg 分散も提案されている。

Figure 3: Layout of the PEHG on long straight section of NewSUBARU storage ring.

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Figure 4: Example of phase-merging and bunching of the beam for beam size of 300μm.

Figure 5: Example of phase-merging and bunching of the beam for beam size of 50µm.

垂直方向のビームサイズは、ニュースバルでも [2] T. Ishikawa et al., “A compact X-ray free-electron laser
emitting in the sub-angstrom region”, Nature Photonics 6(8),50µm程度のため、垂直分散での試験も考えられるが、pp.540-544 (2012).
水平方向にアンジュレータギャップを設定する場合
http://xfel.riken.jpの、電子ビームの安定性に問題がでそうである。
[3] R. Hajima et al., “High-efficiency ultrashort pulse generation
これも加えて、PEHGコンポーネントを設置した
in a high-gain FEL oscillator near the perfect synchronism”,
Nuclear Instrum. Methods Phys. Res. A, 483, pp.113-118
場合の、蓄積リングの安定性解析を十分に行ってい(2002).
ないため、今後リングの安定性と、PEHGの最適化[4] K. Midorikawa, “Phase-matched high-order-harmonic
およびレーザー開発の準備に向けて検討を行う。
generation in a gas-filled hollow fiber”, Phys. Rev. A 59(5)参考文献[1] H. Kinoshita et al., “Soft x‐ray reduction lithography using
multilayer mirrors”, J. Vac. Sci. & Technol., B7, 1648 (1989).

(1999).
[5] C. Feng et al., “Phase-merging enhanced harmonic
generation free-electron laser”, New J. Phys., 16, 043021(2014).

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