放射光第 6 巻第 4 号( 1993年)

413〉万診 ドJ\型リ州 マ~~Super-札IS の現状

細川照夫，中島雅之，山 田浩治

NTTLSI 研究所

Pr
esentStatusofSuper‑ALISIM AandKohjiYAMADA
TeruoHOSOKAWA , MasayukiNAKAJ
NTT LSILabor
ator
iesNi
pponTelegraphandTelephoneCorporation(NTT)star
tedX‑
rayli
thogr
aphyr
esearchin mid‑1970
sby dev
elopingmasks , steppers , and X‑raysources.On thebasiso
ftheirT thenstartedtoc
onstructt
hesuperconducti
ng c
ompac
ts
torage ring,
results , NT
Super-A Ll S , fornano・tech no l ogies in1985 , andbeganu
singitin1989todevelopfutur巴low‑power‑cons
umpt
ion telecommuni
cationLSls. This paperin
troduces NTT's SRfacilityanditsapp
1icatio
ns10LSItechnologies , incl
udingthelatestresults.

1.

はじめにNTTLS I 研究所で は ，世界 に 先駆 け て I

1970年頃に紫外線露光方式の波長限界 を打 ち破る 将来の LSI パタ ー ン転写技術 と し て I

X 線 を利S R リソ

グラフィ を主目 的と し た SR 施設の建設を 1 985 年に開始し I

1 988 年 か ら将来の通信用低消費屯力用する 手法が提案された 。日本屯信也話株式会社

LS I の開発に向け使用開始してい る 。 S R 施設が稼(NTT) に お い て も 1 970 年中頃から X 線リソグラフ

働 し て 今年で 5 年を経過した。 こ こでは Iィの研究 に若手し I

SR 施設の概要を紹介す ると共に，X 線マスク ・ ステッパ ・ X 線源等を開発してきた。しかし，従来の光源の強度NTTその発展経過や現状を最近の研究成果も含めて述べる。

や清浄性が生産技術 と して見た場合， 大き な 問題であ っ た。 これ らの問題 を一挙 に解決する X 線光源 と し て SR に注目し I

1983 年からフォ ト ンファ

クトリの ビームラ イン を利用して，SR リ ソグ ラ フ

ィの研究 に 着手した。これらの研究に基づ き，

2. N'ITSR 施設の概要
図 1 に NTT SR施設の平面図を示す。施設は 2台の電子蓄積リング ，Super-ALIS II • NA R2)と l 台の入射用線形加速器 3\および これ らを結ぶ 3 系‑35‑(C) 1993 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光414第 6 巻第 4(1993 年)

NTT'sSRF
acilityE ∞mu60mFig.
1 NγTs SRF
acility.Thetwo 繍 story SRbuildingisburiedunderground.

Fig.
2 A photograph ofthe Super-A Ll S , showing SB し 2 through SBL‑4(righttoleft).Thesebeaml
inesareintroducedint
othecleanroom.

‑36‑

放射光第 6 巻第 4(1993 年)

415

Table1 BasicParameterso
fSuper‑ALlSandNAR
Super‑ALISNAREnergy

600MeV

800MeV

CriticalWavelength17 .3 λ20.2ﾁ

InjectionEnergy

15MeV(LEI)

15MeV

520MeV(HEI)
M
agneticflu
xdensity

3T

1.44T

BendingR
adiu
s0.66m

1.85m

νx

1.5
653.
1
5νy0.
556

1.46

HarmonicNumber

722

RampingTime

13sec(min.
)

1sec(min.
)RFfrequency124.
855MHz124.
985MHzRFVoltage

40kV

60kV

BeamL
ife

4.
8hat500mA

5hat1
20mA

VacuumPressure(Noload)orr
2X 10 10 T

0
‑10 Torr
5X 1

Circumfer
ence

16.
8m

52.
78m

AchievedBeamCurrent

200mA(LEI , 600MeV)

120mA(LEI , 800MeV)

BetatronNumber“740mA(日記1 ， 600 MeV)
1215mA(HEI , 520MeV)

丁able 2BasicMeasuredParameterso
ftheLlNAC

統のビーム輸送系で構成している。建物は地下 2階構造であり，地上部は駐車場として使用している。

Super-ALIS は地下 1 階部に，NAR と線形加速器は地下 2 階部に設置しており，1 階部と 2 階部の高低差は 6m である。偏向磁石電源など速度の遅い電源等は電源室に集中的に配置している。高周波系・パルス磁石系・真空系の電源類は各加速器

BeamEnergy
AcceleratingFrequency
BeamPulsew
idth
BeamCurrent
EnergySpread
BeamSizeTransverseE
mittanceRepetitionF
requency

15MeV
2856.
65MHz
2.0μsec

270mA
1%(FW , withECS)
3.0mmﾘ2.
1X 10‑6 nmrad
3Hzmax.

近傍に配置している。 Super-ALIS • NAR および線形加速器の基本パラメータを表 1 ・表 2 に示す。

また，ビームラインの構成を表 3 に示す。再リン加速し，加速終了後そのまま蓄積状態に保つ方式

グは低エネルギー(1 5MeV) 入射方式 (LEI)を採用を採用している。この方式により，高価で占有面している。すなわち，線形加速器で発生させた積の大きいブースター加速器が不用となり，15MeV の電子をリングに直接入射し，ステムの小型・経済化が図れる。入射用の線形加リングの中で最終エネルギー (600MeV および 800MeV) まで速器は両リングで共用している。

‑37‑SR シSuper-ALIS は放射光第 6 巻第 4 号

416(1993 年)

Table3 BeamL
inesinNTISRFacility
Super側ALIS

NAR

SBL‑1

ABL‑2ADoublecrystaltypemonochorometerusingmulti‑
layermirrors(6幅 15 ﾃ)

SBL‑2

SS 欄2 (SRStepper)

SBL‑3SS‑l(SRStepper)

ABL‑2B

Multi引lrpose BL(variablestructure)

SBL‑4XRS200m(SRStepper)

ABL‑3BGrasshoppermonochrometer(60・250λ)

SBL・5SBLω6(reservedforSRmonitors)

ABL‑5SS心 (SR Stepper)

SBL‑7underconstruction

ABL・6A(SRStepper, Fujitsu)

SBL‑8underconstruction

ABL‑6Boshiba)
TOXS‑1(SRStepper, T

SBL‑9SBL鮒 10SR リソグラフィ専用に開発した超電導小型電子蓄

予備加速し，予備加速した電子を NAR から取り出積リングである。一方，して，NAR は多目的加速器であSuper孔LIS に入射する。直線部には QD­り，挿入光源を配置するための 2 簡所の長直線部

QF-QD の 4 極子，6 極子，8 極子，ビーム動揺機を持つ蓄積リングであるとともに，通常のシンク

構，125MHz の高周波加速空胴，2 組の入射系ロトロンでもあり，加速した電子をりング外に取(HEI 用と LEI 用) ，電流モニタ( FastCT &り出す機能を有している。したがって，リソグラ

DCCT)，プロファイルモニタを配寵している。偏

フィ以外の SR 応用研究にも広く対応できるととも

向磁石の超電導線材は NbTi である。低温部は超電に，Super-ALIS に対するブースタや，高エネル導コイル周辺のみであり，真空ダクトや鉄磁極はギー電子実験用の電子シンクロトロンとしても使常温である。磁極には残留磁化の小さい材料を採え，将来の高エネルギー粒子ビーム・フォトン用し，入射時における誤差磁場を小さくしてダイビーム技術を開拓するための有力なツールとなっナミックアパーチャを確保することにより，多くている。 NAR は外部のユーザにも有償で開放しての電子を捕獲できるようにした。超電導磁石の設いる。現在，株式会社富士通研究所と株式会社東計には 3 次元磁場解析コードを用いて，偏向磁石芝がピ…ムラインを設置しており，それぞれ自社だけではなく偏向磁石近傍に配置する多極子磁石開発のステッパを利用してリソグラフィ研究を推を構成する磁性体の影響も含めて解析した。

進している。

軌道に沿った最大磁場強度は 3T である。最大磁場立上げ速度は 0.23T/sec であり，最短 13 秒で 3T に<Super-ALIS の概要〉励磁できる。各偏向磁石には 5 本の SR 取り出し

SupeトALIS は 2 台の 180 度偏向の超電導磁石をポートがあり，光反応なと、のハイパワー実験が可対向させ，その間を 2 本の誼線部で結合したレー能となるよう，水平方向角度 10 度の SR が取り出

ストラック'型の電子蓄積リングである。

Super­せる構造とした。 He 冷凍設備は装置直下の別室にALIS は LEI に加えて高エネルギー入射 (H日)モー配置している。真空系としては，直線部およびドを備えている。 HEI モードでは線形加速器からビームポート部はイオンポンプ，チタンゲッタポの電子ビームを NAR を用いて 200 ，_ 600MeV までンプを使用し偏向磁石内は NEG を使用してい‑38‑

放射光第 6 巻第 4 号(1993 年)417る。総排気量は 11230 1/s である 4 )。直線部の側面を考案したが，構成がより単純な受動回路系を採と上面は鉛とポりエチレン製の放射線遮蔽で囲っ用して 200mA 蓄積を達成した。しかし受動回路ている。偏向磁石部は鉄磁極が放射線遮蔽の役割系ではシールド温度の変動に対応できないため，をしているので，リン変動に伴う補正残が蓄積電流を 200mA に制限してグ本体直近まで近寄ることが可能である。ただいる。能動回路系ではこの問題が無くなって補正しビーム入射時は大量の高エネルギー電子が効果も高まるため，蓄積電流の増加が期待できビーム輸送系とリング内で失われて大量の放射線る。能動回路系の製作は既に終えており，今後，が発生するので，機会を見て実験する予定である。

ビーム蓄積中であっても，リング室から退去する必要があ

リソグラフィ光源としての目標電流値 (300mA)る。

を早期に実験するために，く Super-ALIS の発展経過〉

1992 年 4 月から HEI 実

験を再開し，同年 11 月には，1989 年 2 月 3 自に 15MeV 入射方式によりどームした。

500mA 蓄積を実現

NAR からの電子ビーム取り出し周期が初蓄積に成功した。電流は 13mA と少なかった

13sec と通常のシンクロトロンと比較しでかなり長が，超電導小型リングとしては世界で初めてのいが，ビーム蓄積であった。その後，電流増加を目的が良いので，図 3 に示すように 500mA 蓄積に要すに，1991 年 2 月

る時間は 10 分程度であり実用上の問題は無い。図には 200mA を越えるビーム蓄積電流を達成した。

4 にビーム電流と寿命の関係を示す。 500mA 時のしかし，その後，寿命は 4.8 時間である。

どーム入射・加速の研究を進め，

15MeV 入射方式では，これ以上1 入射当りの入射電流が 10mA 程度と効率600MeV での最大蓄積電の蓄積電流は達成できていない。これは 15MeV 入流は 740mA である。このとき入射時 (520MeV) の射方式の限界ではなく，超電導磁石の欠陥がその電流は 760mA であり，加速中のビーム損失は主原因である。

2.6% と非常に小さい。高周波加速電力不足により電子を加速する際の磁場ランプアップ時に超電導磁石内各部に渦電流が流れ，これが磁場誤差となり電子加速を阻害する。そこで，設計段階にお600MeV における電流は制限される。 Super-ALISで蓄積した最大電流は 1215mA である。この時のエネルギーは 520MeV であり，ビームは 1215mAいて，これらの渦電流量を評価し，その影響が無視できるように材質や構造などを設計した。特に熱シールドは無酸素銅製であり，磁石冷却時600て大きくなる。そこで，(《g)wcohEh冊。出
コQ(30 0 K) の電気抵抗が小さく，渦電流の影響は極めこの渦電流を防止するために，熱シールドとして閉回路が形成されない構造を採用した。しかしなんらかの原因で一方の磁石のみに閉回路が形成されたと推測され，2台の偏向磁石間の渦電流量に大差を生じ，これによSuper-ALIS, HighEnergyInjectioll

500400300200100る磁場誤差が加速初期における大きなどーム損失。

を誘起し，600MeV 時の蓄積電流を制限した。そ。

Time(sec)

こで，磁場誤差の影響を低減するために，磁石外部に補正回路を付加する方法を考案した 5) 。補正0000 500 6
100 200 300 4

Fig.
3 I
njectedelectron beamsi
ntheSuper‑
ALlS.

Beamenergyi
s520MeV.

回路としては，受動回路系と能動回路系の 2 方式

‑39‑

放射光

418‑.

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(1993年)切のωヨ亡芯E)MC(《』O』コωE 伺om円‘ー 同町長

第 6 巻第 4 号

115Time(hour)urrent and beam lifeoftheFig.
4 Stored beam clS.
Super‑AL

時においても安定であった。ビーム電流を制限しているのは真空ダクト (CT 部のセラミックダク
ト)の発熱である。 1215mA 時におけるダクト温度は 300 0C に達し，装置損傷の危険を避けるた

atternsw
ithSR lithography.
Fig.
5 Demonstrativep
High‑aspect‑ratio 0.2μm patterns areformedonanunevens
ubstrate.

め，これ以上の電流蓄積実験は行っていない。

ビーム寿命は l 時間であった。短寿命の原因はダクト発熱に伴う真空度低下であり，局所的に 10-7していたが，過去の実績として深夜に実験を行うユーザが皆無に近かったので，Torr 台まで低下した。

安全のために12:00p.m. にビームをゼロにおとしている。

4 月下旬 """'5 月上旬と 12 月中旬 "'1 月中<SUpeI、ALIS の現在の運用形態〉
Super-ALIS は現在 5 週を 1 単位として運用しており，4週をユーザ日，ている。

1 週をマシン実験日に当て

5 日/週運転で，土曜日・日曜日・祝祭

句まで，He 液化装置を含めて装置を停止し設備の定期点検を実施している。この期間以外は He 液化装置は連続運転を行っており，日は運転を停止し保守・点検・修理・開始してから 1993

整・物品搬出入・清掃等，42600 時間であり，に当てている。

SR を必要としない作業

ビーム入射は通常 l 回/日であ1988 年に運転を7 月までの総運転時間は

He 冷凍設備の運転記録としては非常に長い値である。

り，通常 9:00a.m. までに終了する。 9:00a.m. から12:00p.m. がユーザ時間で、ある。通常は初期電流

3. LSI 技術への応用
Super-ALIS には 3 台のステッパが設置されてい500mA で運用している。ユーザからの要望によ

1 台は XRS200II1 (カール・ズース社製)でり，再入射を行うこともある。この場合，残ったる。

電子ビームを蓄積したままエネルギー 600MeV か他の 2 台 (SS-l ・ SS-2) は NTT が開発したものであら 520MeV まで下げて，継ぎ足し入射を行う。昨る。

年度までは，翌朝のフ :OOa.m. までをユーザ時間とる。図 5 は露光したテストパターンの走査電子顕‑40‑

これらを用いてデバイス試作研究を行ってい放射光第 6 巻第 4 号

419(1993 年)

イ LSI である 8) 0 0.5μm LSI と比較して，10 倍の集積密度でありながら，消費電力を 1/10 に押さえたものである。

圧 2V 時で，1 段当りの伝播遅延時閣は動作電30ps/stage と高速である。

4. SR リソグフィの将来
SR リソグラフィ研究もテストデバイスができる程度にかなり進んだものといえる。数年以内には，実験室レベルで 1Gbit-DRAM クラスデバイスの完動品が試作できると考えている。しかしこの技術を実用レベルにもっていくにはまだ装置として改良すべき点がある。光源に関しては，超電リングも 500mA 程度のビームが蓄積できる事が示され，

Fig.
6 Fabricatedtest LSI chipwit
hasizeof12-mmωsquare and aminimumfeaturesizeo
f0.18μm， including2milliontransistorson

これは実用上充分な値である。ビームラインは，その透過効率がまだ数%であり，改善する必要がある。 X 線ミラーの反射率はほぼ理論限界に近い備が実現できている 9) ので，改善の余地は少ない。改善すべき点としてミラー系や取出し窓の構成・窓材料・窓厚等の最適化がある。ま微鏡写真である。下地に大きな段差が有るにも関た，大電流 SR 照射に対する取出し窓の耐久性につわらず，高いアスペクト比の 0.2μm パターンが単いても改良が必要である。ステッパは単体で純な一層レジストで形成できており，

SR リソグラ

ね合わせ精度としては土 0.02μm と良いものが実フィ技術の優位性の一つを端的に示している。国 6

現できているが，実際のヂバイス製作環境でこのは 4 層に SR リソグラフィを使用した 12mm 角，最程度の性能を出すことが必要である。マスク精度

小パターン寸法 0.18μm のテスト LSI チップの写は電子ビーム露光装置の精度で決っており，真である札 7) 。このチップに含まれるトランジススク描画用露光装置の開発が必要であろう。まタ数は約 200 万個である O 化学増感型のレジスト

た，マスク製作フ。口セスを改善して，マスク欠焔である SAL601-ER7 (ネガ型)・ EXP( ポジ型)の数もゼ、ロに低減する必要がある。

SR マ

単層レジストを使用した。線巾変化:t 10% に対する露光余裕は 20% と大きく，SR リソグラフィの5.

特徴を示している。総合重ね合わせ精度は:t 0.25μm

まとめSuper崎 ALIS では，(a) 超電導偏向磁石，(b) 低(3σ) で，その内訳は，マスク精度:士 0.1μm ，エネルギー (15MeV) 入射方式，を採用した。我々

ステッパのアライメント精度:土 0.19μm とまだが開発に着手した当時は，これらはいずれも極め不十分な儲である。試作デバイスの性能はほぼ設てリスキーなものとされていた。しかし計通りであり，しては，0.25μm CMOSFET のゲートアレ

イの基本ゲート遅延は 42psec/gate で，0.5μm(a) に関

Supeト ALIS をはじめ他の超電導リングにおいてもどーム蓄積に成功しており，現在では技CMOS の約 3 倍の速度を達成した。試作した最新術的に確立したとしてよい。また，のデバイスは 0.2μm の CMOS/SIMOX ゲートアレ

は，‑41‑(b) に関して

Super-ALIS において，超電導偏向磁石の欠陥

放射光第 6 巻第 4 号

420(1993 年)

200mA 蓄積ができており，この欠SR 光源はこれを実用的なものにする可能性を持っ陥がなければもっと多くの電流が蓄積できたものており，新しい加工の世界を開くと考えている。にも関わらず，と考えている。

SR が産業応用だけではなく研究用としても広く使われるには装置の低価格化ば不可欠であり，この為には 15MeV 入射方式は有望な方式であると考えている。確かに，

文献

15MeV 入射方式1) T. Hosokawa , T. Kitayama , T. Hayasaka , S. Ido , Y.

は高エネルギー入射方式に比べて，大電流蓄積とUno , A. Shibayama , 1.Nakata , K. N﨎himuraandM.

いう点では不利ではある。しかし，我々の実験結

783(1989).
Nakajima:Rev.Sc Instrum.60 , 1果から，300mA 程度は実現できると考えられ，既存の SR リングの蓄積電流を考慮すると，. Shibayama , T. Kitayama , T. Hayasaka , S. Ido , Y.
2) AUno , T. Hosokawa , 1. Nakata , K. Nishimuraand M.

この程度の蓄積電流があれば，特殊なものは除いて大多数の応用には充分対応できると思われる。また，小1989).
Nakajima:Rev.Sci.Instrum.60 , 1779 (. Hosokawa , T. Kitayama , T. Hayasaka , S. Ido , Y.
3) TUno , A. Shíbayama , 1.Nakata , K. NishimuraandM.

型リングの特徴の一つである，装置を光源に近付

Nakajima:Proc.IEEE1989ParticleAcceleratorConferｭ

けられるので SR 光の利用角度を大きくできる点

1989).
ence , 1949(や，現状のビームラインの透過効率は低く，これ4)34(9) , 693 (1991).

は改善できる余地を残している点などを考慮すれば，利用可能な SR光エネルギーを更に大きくできる可能性もある。以上の事より，

5) K.Yamada , M.NakajimaandT.Hosokawa:Prc.ofthe
2nd EuropearnParticleAcceleratorConference , 115415MeV 入射方式の 300mA 程度の小型リングは経済的な SR 光源と中島雅之，山田浩治，井戸敏，細川照夫:真空，(1990).

.Deguchí , K.Miyoshi , H.Ban , H.Kyuragi , S.Konaka6) K

して価値有るものと思われる。

.Vac.Sci.Techno l., B10(6) , 3145
andT.Matsu
da:1

Super卿 ALIS では1. 2A もの大電流蓄積を達成(1992).

し，またその時のビームも安定であった。その電.Kado , M.HaradaandT.Tsuchiya: 19937) T.Ohno , Y流制限主要因は設備定格であり，我々の実験は数Symposium onVLSITechnologyDigestofTechnical

アンペアオーダの超大電流小型 SR装置の実現可能性を示したものと言える。この様な光源は，ある5(1993).
Papers , 2. Konaka , T.Kobayashi , K.Deguchi , E.
8) H
. Kyuragi , S.OhkiandY.Yamamoto: 1992Sympoｭ
Yamamoto , S

程度の広い領域を大強度照射する応用等には最適

siumonVLSITechnolog
yDigestofTechnicalPapers ,であると思われる。例えば表面光化学反応は将来

26(1992).の超微細加工技術としては注目されているが，そ. Okada , T. Kaneko , S. Matsuo and H.
9) S. Itabashi , Iの反応速度の遅さが問題とされている。超大電流.Vac.Sci.Techno l., AI0(5) , 3312 (1992).
Yoshihara:1‑42‑