放射光第 6 巻第 4 号( 1993年)に437プドI
JI 刑川ソヴ蛙隼 I̲)I '''=' 一一 | ミ当、一IHI 小型シンクロトロン放射光装置
LUNA の現状

丸下元治，大石真也，高橋光幸，

小松孝仁，寓代新一1H 1 石川島播磨重工業株式会社

ThePresentStatusof
aCompactSynchrotronRa
diationSourceLUNAofI
H
I
MotoharuMARUSHITA , MasayaOIS Hl, MitsuyukiTAKAHASHI ,TakahitoKOMATSUandS
hinichiMANDAItd.
Ishikawajima‑HarimaHeavyIndustriesCo. , LSynchrotronradiationisexpecte
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LUNA.
lshikawajima‑Harima Heavy Industries Co. , Ltd.(IHI)has devel
oped a compactsynchrotronradiatio
nsource “ LUNA" forlithographyandhassuccessfullystoredbeam
currentatfullenergy. LUNA consistsofa4SMeV linearacceleratorasanelectroninjectorandan8∞ MeV syn chrotron ぉ a storager
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edinMarch1991.Atpresentthestoredbe
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foverShours.

1.はじめに具体的になり つつある今日，とくに半導体産業にシンクロトロン放射光の科学利用，産業利用がおける X 線リソグラフィーへの適用は注目されて‑59‑(C) 1993 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 6 巻第 4438いる分野である。

(1993年)

X 線リソグラフィー用ビームラインを設置するこIH
I (石川島播磨重工業株式会社)は，昭和 61とを想定してクラス 1000 のクリーンルームとして年に放射光装置の自社開発を前提としたソフトの設計されている。シンクロトロン室と実験室豆整備，主要機器のそデル製作および性能評価を行は，放射線発生装置使用施設となっており，特にい，技術的見通しを確認した上で，昭和 62 年 4 月

シンクロト口ン室の出入口はインターロックが設けられており装置の運転中は人が立ち入れなから社内用実験装置として，

LUNA(Lithography

UseNewAccelerator)l l.2l の開発に着手した。

いようになっている o 2 階は，制御室，事務室，LUNA 開発の白的は，会議室等を配置している。図 1 に 1 階の平面図を示①放射光装置の設計，製作，運転技術の取得す。

②放射光取り出しのためのビームラインの設計，製作，

3.

flJ用技術の取得③放射光装置からの SR 光利用である。その後，平成元年 4 月に茨城県新治郡出放射光装置

3. 1 設計の方針
本装置は X 線りソグラフィー用放射光装置の設

島村の IHI 土浦実験場内に据え付けを完了し，同計，製作，運転技術の取得，年 12 月，社内用光源であることから，コンパクトで，信頼800MeV での放射光の取り出しに成功，SR 光利用を目指した

平成 3 年 3 月に当初の目標値である蓄積電流 50mA性の高い装置が重要である。このため，既存の加(800MeV) ，電子寿命 30 分を達成した。以下では速器技術をベースとして，偏向電磁石は，セク社内小型放射光装置の LUNA の概要について報告

ター型の常電導電磁石を採用しする。

形状を 4 角形とし，加速，蓄積兼用とした電子シリングはリングンクロトロンとした。入射は，社内での実績，小2. 施設の概要

型化，低コスト化より，約 10m の 45MeV 線形加IHI 放射光実験施設は，茨城県新治郡出島村に速器 (LINAC)3l を使用し，台形波多重入射方式の建設され，昭和 63 年 5 月に着工，同年 11 月に完成

低エネルギー入射を行う。また，した。昭和 63 年 10 月には，ィーに適した波長が 6 ，..._ 15 入であることから，

í 放射線障害防止

x 線リソグラフ法J に基づく科学技術庁の放射線取扱施設としてピーク波長が 9.2Å (臨界波長 2 1. 8 入)となるよの使用の許可を与えられ，平成元年 12 月には機器

う電子エネルギーを 800MeV とした。本装置から調整後の施設検査(財団法人原子力安全技術センの放射光取り出しのためのビームラインポートはターによる)に合格した。

4 つ設置している。

装置本体は，平成元年 1 月から据え付けを開始し，3 月に終了した。

建屋は，

3.2 線形加速器

LUNA を収納するシンクロトロン室を

図 2 に線形加速器の構成図を示す。蓄積型のシ中心にした地上 2 階建の鉄筋コンタワート構造及

ンクロトロンにおける入射・蓄積は，入射エネルび鉄骨構造である。

1 階は，中央にシンクロト口ギーが高い方が容易となる。一方，装置をコンパ

ン室を，周囲に実験室 1 ，実験室 1 電源室，排クトにすることおよびコストの面からは，入射エ気機械&動力室，ユーティリティー室，予備実験ネルギーは低く抑えたい。これら双方の要求を考室を配置している。実験室 I は，物性研究用ビー慮して，線形加速器のエネルギーは，ムラインを設置し利用するための部屋でシンクロ定した。線形加速器は，トロン室への出入口となっている。実験室立は，ドクライストロン 2 本を高周波源として用いたパ‑60‑

45MeV と設2856MHz の大電力 S バン

放射光第 6 巻第 4 号(1993 年)

439

Building::ト story ferro “ concrete structureF
loor5pace:1stF
loor;
952m22ndF
loor;
326m2 (includingcontrolroomandoffice)IPowerSupplyRoom

E ∞.TNVentilationRoom

47.
9mo5m
SCA しEFig.
1 1stFloor しayout

KLY241・ハハuハe ハ・Uハ

特
1IP(601/5)

IP(601/s)

IP(601/s)ε 醐Gun :ElectrongunBun. :BuncherAcc. :
Acceleratingwaveguide
CM :Currentmonitor
WG :Waveg
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KlystronFig.2

し inac bloc
kdiagram‑61‑

放射光第 6 巻第 4 号

440(1993年)

主主立

∞同九円。

SYNCHROTRON

2812

Fig.
3 Layouto
fLUNA

ンチャー管 1 本を含む 4本の加速管と，電子銃，収3.3

シンクロトロン

図 3 に LUNA の構成を示す。シンクロト口ンを束電磁石，真空系，モニター系および制御系からコンパクトにし，構成されている。

x 線リソグラフィーに適した波レギュ

長 6---15Å を得るためには，小さい曲率半径すな

ラー加速管 i 本からなるシステムを試作し IHI 横浜

わち高い磁場強度を設定した上で電子エネルギー

第 1 工場にて組み立て，運転調整を行った。平成を選択すればよい。常電導電磁石の磁場強度は，元年に土浦実験場へ移設し，加速管 2 本を加えて従来の加速器では1. 5T 程度であり，全システムの組立を完了しピ…ム運転を開始し1.33T を選択した。電子エネルギーとしてた。 45MeV の定格エネルギーを達成した後，収束800MeV を選択したため，放射光スペクトルは，電磁石系，高周波電源の安定化などの調整ののち

図 4 に示すとおりとなる。

昭和 63 年までに電子銃，パンチャー管，LUNA では仕様値を達成した。加速エネルギーは，60MeV ま

シンク口トロンは，入射時に軌道を調節するたでの調整が可能であり，45MeV で、めのインフレクタ一等の入射系，電子の軌道を決200mA となっている。

ピーク電流は，定する電磁石系，電子の加速・蓄積時のエネルギーを補給する高周波加速系，真空系，モニタ一系，制御系で構成されている。
-62 一

放射光第 8 巻第 4 号(1993 年)

シンクロトロンのラティスは441

なるべくコンパ(50mA) は，達成することができる。

クトになるよう 4 角形とし偏向部はセクター型の真空系は偏向部にイオンポンプ 2 台，NEG2 台電磁石を用いた。 4 つの直線部に水平方向，垂直を，直線部に NEG1 台，インフレクタ一部にクラ方向各々の収束用 4 極電磁石を配置し，他にク口イオポンプ l 台を設けた。チタンサブリメーショ

マティシティ補正用 6 極電磁石を 4 台，結合定数をンポンプは予備排気系として設け，粗排気用とし変えるためのスキュー 4 極電磁石を 2 台，また軌道調整用電磁石を水平方向用 8 台，垂読方向用 4 台
8配置している。

10RF 周波数は，パワー源の供給，信頼性，パンチビーム不安定

178.5MHz (ハーモニック数 14) とした。
入射方式については，45MeV で入射した電子ビームを 300MeV まで加速したのち l 秒程度保持し，放射減衰を待って再び、 45MeV まで、落とし次の入射パルスを導入し蓄積電流値を増大させる，これを繰り返し，充分電流がたまったところで，800MeV まで加速するという台形波励磁方式の試験を行っている。ただしこの方式を用いなくてdd性への影響，制御系の使い易さなどを総合して(og\%gE\ωcωocgvc
一一 ozsb〈\長からの要求，加速空洞の大きさ，510designedresultEnergy(injection)

45MeV

45MeV

(operation)

800MeV

800MeVStoredcurrent

50mA80mA

Lifetime30min>
5hoursVacuumpressure

7

10‑ Pa

10‑8PaCriticalw
avelength

21.8A

21.8A

Peakw
avelength

9.2A

9.2A

Bendingang
le90deg.

90deg.

Bendingf
ield1.
33T

1.
3
3T(horizontal)

1.7
5

1.7
5‑
2.
00(vertical)

0.
7
50.
7
5‑1.00Circumference23.5m

23.
5m

RFfrequency

1
78.
5MHz

178.
5MHz

1414HarmonicNumber

1000Fig.
4 Spectrum ofsynchrotron radiationin LUNA(Beamcurrent50mA)

Table1 S
peci
ficationofSynchrotron

Tune

100

Wavelength(A)もお MeV で入射した電子ビームをそのまま800MeV まで加速する方法により当初の仕様値

10‑63‑放射光第 6 巻第 4 号

442(1993 年)

Fig.
5 Overviewo
fLUNAConcrete Wall
Test2345687910Distance (m)Fig.
6 LUNAB し 1 beamlinelayoutてターボ分子ポンプを設けである。現在，50 の方向に l 本のビームライン (BL- l)をリソグラ

800MeV 蓄積時 10→ Pa 台の真空が得られている。

フィー用として実験室立に導いており ，シンクロトロンの主要パラメーターを表 1 に，図 5

向に l 本のビームライン (BL ーのを実験室 I に導に LUNA の外観を示す。

色物性研究用として利用可能である。偏向電磁45 の方
0BMR02 から 0。の方向に 1 本のビームライン

3.4(BL‑3) を ，ビームライン放射光取り出しのために最大，10 の方向に 1 本のビームライン (BL04) を設置している O

4 本のビームラ

ビームライン BL … 1 の基本構成を図 6 に示す。

インが設置可能である。偏向電磁石 BMROl から‑64‑

放射光第 6 巻第 4 号

443(1993年)

主XP.
一 :CALC.

RUA(raytracing)
一 :CALC.

(spectrum)

守η/
日(d..
『g一bのC250〉一混ω一江

441

4254EEnunu
Haoヒbggco一(〈」EBωω一\・Oωωhvgo[x10叶ハU円/』

104

103

DOSE(mA'min)o5Verticalposition(mm)Fig.
7 Gasdesorptionrateo
fCVDωSiC mirror

Fig.
8 ThebeamprofileatSRmonitor
S寂光は，

LUNA の偏向部上流 50 よりの光を巾

0.9。まで利用できる。本ビームラインは全長 12m

1.13 ド• :IC 芭 OFF

で，発光点、からミラーまで 5m である。アブソー

パー，SR 光モニターは同一構造とし，両者の機能を兼ね備えている。また，アブソーパーは，をo:ICEON

1.12 いSR 光εε

く際マスクの機能も有する。高速遮断弁b(FCV)，高速ゲートバルブ (FGV) は，各々閉時間

1.11 ト

10msec と 100msec である。
アフソーパー，

1.1 ト

ミラー等の構成機@'布川

器の光枯らしを実施し，無酸素銅，。

CVD-SiC 等の脱ガスデータを得ている。図 7 に CVD … SiC の斜入射での枯らし結果を示す。又，マシンスタデ
ィ及び SR 光特性評価のため，2030Beamc
urrent(mA)。。よ初

現在までに，

一Fig.
9 Relationofbeamprofileandbeamcurren.
tSR モニターで SR光を測定している。図 8 に SR 光を SR モニターで計測した結果を示す。 ビームサイズ σ は SR モニタ一位置で約1. 1mm である。点、線は軌道解析からの効果は蓄積電流が増加する程顕著であり，求められるビームサイズに基づき光線追跡した結ン化したガスが除去され，果である。実線はこの光線追跡の光線 1 本ごとにいている事がわかる。

イオ

ICE の効果が大きく効対してモニタ一位置でのスペクトル計算を行った結果である。国 9 は，同様な測定での蓄積電流値

4. 現状と SR モニタ一位置でのどームサイズ σ との関係を示したものであり，

イオン掃引電極(I C巳)に電庄を印加した場合と印加しなかった場合を示した。
このように，800MeV 蓄積に成功し，当初の白標性能である蓄積電流 50mA ，寿命 30 分を達成した。その後，ビームラインを設置し，放射光利用実験に使用しつつ，ICE に電圧を印加することによりビームサイズが小さくなっていることが判る。

45MeV 入射，、.，..

」岬

マシンスタディを行っている。現在までに，当初の設計仕様を上回る初期電‑65‑

放射光第 6 巻第 4 号

444

流 80mA ，l/e 寿命は約 5 時間を達成できた。

(199 3年)

文献1) S.M
andaietal., Rev.
Sci.Instrum.
60 , 1975(1989).

5.

2)S. Mandai , inProceedingso
fthe14thInternational結びConferenceonHighEnergyAccelerator.Tsukuba.

低エ ネルギー入射 (4SMeV) による電子の加速 ・蓄積に成功するとともに，台形波多重入射の有効性も実証することができ，常屯導小型シンクロト

ロン放射装誼の X 線リソグラフィー用放射光源とJapan , Aug.22-26 , 1
989.
3) N.K
anekoetal., inProceedingsofthe1
991ParticleanFrancisco.USA.
AcceleratorConference , S4) M.Oishi伎 al.， TopicalConferenceonVacuumDesign

しての技術的見通しが得られた。

ource.ANL, IIlinois.USA.1
990.
ofSynchrotron しighl S5) M.T
akahashietal.4thInternationalConferenceon
SynchrotronRadiationlnslrumentation.Chester. UK ,19916) M. I
daet al., ThirdEuropeanPartic
Je A∞elerator
Conference.Berlin.Gerrnany, 1992.

さいねーど

イ オン婦引電極(100 ClelU租g Electlゆde)

蓄積リングのビームの通り道であるチェンパーは超台形波多重入射
低エネルギーで人射した電子ビームを充分放射減衰

この中に 10- ''''''' 1 0- 'Pa程度の残留するエネルギーまでもってゆき放射減去を待って再びこのガス分子が蓄積リングの中を周囲入射エネルギーまで落とし，次の入射電子ビームを蓄するビームによりイオン化する。電子蓄積リングの場

積リングに導入し蓄積電流値を増大させる入射方式。

合ビームが負の電荷を持つため，このイオンが蓄積これを繰り返し充分電流がたまったところで，蓄積ビームの作るポテンシャルに捕獲される。このイオンエネルギーまで加速する。

高真空にされるが，ガスが存在し，化した残留ガスとビームが衝突し.エネルギーを失い，また真空チェンパーと衝突しビーム軌道から失われるため，ビーム寿命は短縮される。この捕聾されたイオンを除くために小型リングにイオン掃引電極(lCE)が取り付けられる。

‑66‑