放射光第 6 巻第 4 号

403(199 3年)にヲ彦デ I 'J\型 リ 件勺~~
小型 SR 光源“NIJI ‑III"

筒井康充，江村勝治，高田博史
住友屯気工業側

山崎鉄夫
屯子技術総合研究所

冨増多喜夫(紛自由屯子 レーザー研究所

CompactSynchrotronLi
ghtSource“ NIJI ‑111"
YasomitsuTSUTSUI , Katsu
jiEMURA , HirosbiTAKADA
SumitomoElectr
icIndustr
iesLtd.

TetsuoYAMAZAKI
Electrot巴chnical L
abor
ator
y

TakioTOMIMASUFreeElectronLaserResearchlnstitute, Inc.

isasuperconductin
gcompacts
ynchrotronlightsourceforX‑rayligthography.
ntrustedt
oSumitomoEl
ect.
ricIndustriesL
td.(SEI)by
ThedevelopmentofN日ト m wasetheResearchDevelopmentCor
por
ationofJ
apa
nandwass
uccessfullycompletedw
itht
heattainment oft
hedesign goa.
lAfterthemachine study inElectrotechnicalLaboratory
NIJI‑mwastransferedtoHarimaResearchLaboratoriesofSEI in1
993and isunderreconstruction. This facilitycon
sistsofa IOOMeVelectron linac, Nl
JI‑mand exper・imentalapparatusfortheresearchonsynchrotr
onradiationapplications.Theprogr巴SS ofN IJ ト m andtheoutlin
eofSEISR‑facilttyar
edescrib巴d.
NIJ ト m‑25‑(C) 1993 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

404

1.

放射光第 6 巻第 4 号(1993 年)

2. 播磨研究所 SR 施設

はじめにシンクロトロン放射光 (SR 光)は極めて強力でNI
JI‑ill は基本的にはリソグラフィー光源とし指向性に優れた光であり，物質科学の研究だけでての要求仕様を満足するように設計されているなく，半導体フ。ロセスを中心とした産業利用の分が l にそのほかにも光励起反応を利用した薄膜プ野でも大きな期待を集めている。特に紫外線の適ロセスや，マイクロマシン技術として注目されて用限界を越える半導体リソグラフィーのための光いる LIGA フ。ロセスへの適用も可能である。播磨源として注目され，およそ 10 年前から独，英およ研究所はこの NIJI- 置を用いた SR 利用技術の研究び、日本を中心に産業用装置として実用性の高い小開発を主目的とし型 SR 装置の開発ラッシュが始まった。 SR リング

い研究施設である。一方，当研究所の北西約 3kmは高磁場の超電導偏向マグネットを用いることでには SPring- 8 が建設中であり，稼働の暁には物質偏向半径が短縮され，大幅な小型化が可能とな科学や医学，生物学など広範な分野で，最先端のる。住友電工(槻では新技術事業団の委託を受け，研究が進展するものと期待される。このような大超電導小型 SR リング“ NIJI-ill "を開発し，目標と型高輝度光源はスペクトルの広さにおいても光のする波長および強度の X 線発生と照射領域の大面強度においても小型光源をはるかに凌ぐと考えら積化に成功した。(開発期間 1986""'" 1991 年)それているが，小型光源は大電流蓄積技術が確立さして 1993 年夏より兵庫県播磨科学公園都市にあるれており，さらにビームラインを短くできるた住友電工(槻播磨研究所に移設を開始した。本稿でめ，サンプル上では真空紫外から軟 X 線の波長域はこの SR 光源の概要と開発の経緯および現状に付においてそれほど遜色ない光子密度が得られる。

いて報告する。

また，

1993 年 7 月末に竣工した新し

この波長域の利用ではノイズの原因となる

高エネルギー X 線の少ない小型光源の方が適する

F
ig.
1 Photograph of Harima Research L
abor
ator
iesofSE.
I‑26‑放射光第 6 巻第 4 号

405(1993 年)2場合もある。そして，なにより手軽に利用できる500m の加速器室に設置する。図 3 はライナックのことから，フ。ロセス研究用途には最適と言える。

概略構成であり，電子銃から出射された電子ビー研究建屋(国 1) は 50m x40m の 2 階建ての建

ムはプリパンチャ，パンチャを経て 1 本自の加速物で，建築延面積は約 3500ばである。図 2 は光源管で 50MeV ，2 本目で 100MeV まで加速される。

装置が設置される 1 階の鳥敵図であり，入射器で稼働スケジュールとしては，ある電子ライナックと SR リング“ NIJI ‑ill"を約50MeV の加速系(図 4) を立ち上げ，

1993 年末までにまずSEI SR‑Fac iIitγ

Fig.
2. LayoutofSEIS
R‑facility.

Pre‑buncher
BuncherAcceler
atingTubeEIectronGunAcceleratingTubeQuadrupoleMagnetKlystron

罰F

Oscillator OriverAmp.
Fig.
3 L
inacblockdiagram.

‑27‑

SR 光源シ

放射光第 6 巻第 4 号

406(1993年)

若干の改良を進め，特に超電導マグネット用クライオスタットの断熱性能向上によって，液体 He蒸発量を 6 割程度まで低減することができた。移設後のスケジュ…ルは，調整を終え，1993 年 10 月までに組立，11 月より総合運転を開始させる予定である。

以下に NIJI ‑III の概要と電子技術総合研究所でのシステム試験結果，および現状について述べるOFig.
4 Ov
erv
iewofthelinac(50MeV).

3. SR リング“ NIJI ~ 1"
3.1 装置概要と特徴ステムの調整，試験を行った後，1994 年に移設前の NIJ卜亜の外観を図 5 に，主なパラメー100MeV まで増強し，本格稼働させる予定である。

タを表 1 に示す。

100MeV システムの全長は約 10m であるが，蓄積電子エネルギーと偏向磁場強度は，SR スペ加速管部では大電力の高周波系の採用によりクトルのピーク波長をリソグラフィーに最適な波20MeVjm 以上の高勾配加速を可能としている。熱長である 0.5"_' lnm の範囲内にしかっ超電導偏陰極カソード (Y646B) 型電子銃は印加電圧を誼流向マグネットの製作上無理のないよう，それぞれ化することでビームパルスを安定化させ，さらに600MeV , 4T とした。図 6 はこのときの SR スペ

200kV という高電圧でビームの高輝度化を図っクトルであり，波長 0.7nm 付近にピークを持つ。

SR 光ビームは水平方向には一様な強度の照射領た。

SR 光の利用は図 2 に示したようにリングを取り域が得られるが，ビーム偏向面に垂直な方向の照射領域は，指向性の良さゆえに狭く，強度も一様巻く放射線遮蔽用コンクリート壁の外側の，広さ2約 870m の部屋(利用実験室と呼んでいる)で行でない。従って，半導体フ。ロセスで、求められる実う。このコンクリート壁は厚さ l .4m あり，調整や用的な露光フィールドを得るためには，垂直方向マシンスタディーなどでライナックが 25 時間/週の照射領域拡大技術が必要である。この方法とし稼働しでも，利用実験室には常時立ち入ることがては，電子ビーム軌道を垂直に揺動させる方法できる。当面は 3 本のビームラインを引き出せる(電子波動法) 2).3) ，振動ミラーで反射方向を振るように準備しており，光励起反応や微細加工など

方法4) ，被照射物を垂直に動かす方法 5) の 3 つが検のフ。ロセス技術研究の他，光電子分光などの材料討されている。特に最初の電子波動法は SR光強度特性評価への利用も予定している。ビームラインの損失がなく，機械的駆動部を持たないため制はこれらの用途に合わせて，真空紫外域の集光御，保守も容易という長所がある。

ビームラインや X 線用ビームラインなどを設計，は，この嵩子波動法を採用しており，総合システ製作中である oム試験ではその有効性を確かめることが目的の一

NIJ卜買は 1989 年より電子技術総合研究所にて組立，試験を開始し，つであった。

1991 年には開発目標を達成した。さらに播磨研究所への移設にあたって，SR 光源の性能評価において最も重要な特性の一SR光安定供給および低ランニングコスト化を目的にNIJI ‑III でつであるビームエミッタンスについては，リソグ

ラフィーのような用途ではそれほど厳しい要求は

‑28‑

放射光

第 8 巻第 4 号(1993 年)407fNIJ ト 111.
Fig.
5 Overviewo

1.
0Table1 Mainparameterso
fNIJI‑I
11StoredEnergy
BendingMagneticF
ield

4T

BendingR
adius

O.5m

StoredBeamC
urrent200mA

訣 adiation Loss

23ke
V/turn600MeV

10‑1<E.
.
.
.
、、れ』

e℃

E

10時 Z

、、

・〈CriticalWavelength

1.3nm

Emittance

0‑ mrad~2 .5 X1、、

3:

7E~

10‑3〉、
由C@c‘刷.

510•ない。

しかしながら，ビームラインの短い小型リングではクォーターミク口ン級の微細加工になる
ム}

10

ビームサイズで決まる半影ボケが無視できなくなり，

叩 50.
11.
010

100 1000

Wavelength (A)ビーム断面の広がり σ はおよそ lmm 以下であることが必要になる。さらに，物質特性評価

Fig.
6 CalculatedSRspectrumofNIJI‑I
11.などへ用途を拡大するためには光源の輝度はますます重要になり，小型光源においても低エミッタンス化が求められる。

NIJ
I E では，リソグラフ亜の典型的な動作条件でのビームサイズ計算値でS 京発光点である偏向部において σ<ィーからの要求 (0< lmm) ならびに，他の利用へあり，の適用を考慮し，エミッタンスの十分小さい電磁0.5mm が得られる。また，自由度の高いオペレー石配列(マグネットラティス)を採用した。図 7ションを可能にするため，超電導マグネットのフ90 。偏向超電導マク。ネット 4ィールドインデックス (n 値)は独立に変化させがリング構成であり，台と 3 種類の四極マグネット 8 台からなる四角形状ることができ，のマグネットラティスとなっている。図 8 は NIJI-て様々なパターンのラティス関数(ベータトロン‑29‑

四極マグネットの励磁比と合わせ

408

放射光第 6 巻第 4 号(1993 年)

QuadrupoleSeW

B I -し bending magnets
0 1 -ト quadrupole magnets
Sl S
I‑ 3 :sextupole , octu
polemagnets
Se :septummagnet
K:kickermagnet:rfcavit
y:wobblingmagnet

ー 15・耐 10‑505‑

1015r(cm)B̲̲̲ S2 KDipolecoilouterl
ayer

Fig.7 Schematicconfigurationo
fNIJI‑III

2.0

E=600MeV

Dipolecoilinnerl
ayer

EEbQ)

・31.0Ec'dQ)

田0.
0Ouadrupolecoil
BMOFBM

OF 00 OFFig.8 Calculatedbeams
izes.
Fig.9 Crosssectiono
ftheupperhal
fandtopview
of one halfo
f the winding heads of the.
tsuperconductingbendingmagne関数，エネルギ一分散関数)を選ぶことができる。特に，小型リングでありながら直線部のエネルギ一分散関数を零にでき，入射などビーム蓄積蓄積できなくなることがビームトラッキングよりにおいて有利な条件が得られる。

明らかになった。そこで端部形状を修正し，逆符最も重要なコンポーネントである超電導マグネ号の六極成分を作って相殺させることにより十分ットは高い磁場精度が求められるため，磁極の磁なダイナミックアパーチャーが得られるように設気特性に影響されず，磁場均一性に優れる空心の計した 7) 。また，cose 型コイルを採用した 6) 。国 9 がこのコイルの徴としては，国 10 に示されるようにビームダクト概略形状で，中央断面では cos e 型コイル配位がが超電導コイルと共に液体 He で冷却されており，形成され，磁場測定では直径 60mm の範囲で約 6

このダクト壁のクライオポンピング効果で大きな4

このマグネットのもう一つの特X 10- の均一度が得られて，磁場計算備とも良い真空排気能力が得られていることである。モデル

一致を示した 7) 。しかしながら，直線部との境界チャンバーでの排気速度評価によれば\超電導マであるコイル端部はコイル配位が cos e 型から崩

グネット 4 台で N 2 および、 H 2 ガスに対してそれぞれれるので強い非線形磁場が発生する。特にこのコ20000Q/s , 44000Q/s の排気速度が得られること

イルの場合 6 極成分が強く，補正をしないと極端が判った 8) 。にダイナミックアパーチャーが狭められ，ビーム‑30‑

NIJト盟の運転制御は図 11 のように，オベレー

放射光第 6 巻第 4 号

409(1993年)

D
lpolecoll
Innerlayer
Dlpolecollouterlayer
Quadrupolecoll

Fig.
10Sectionalstructureofcoldbore and ab 田sorber.
Fig.
11 8lockdiagramofthecontrolsystem.
タが全システムを集中的にコントロールするマス

ターコント口…ラと

2.
0

1:1 光データ伝送により各機器を制御するリングコント口一ラを N:N トーγx 2.
22γy 1.
20E、剛"内μhv

eAHuw

内au.
21.0iてスタートボタンーつで行うことができる。

<lhu

HH明
M

大にする入射系の最適化，エネルギー上昇など全nEUVり，後者では各機器の ON/OFF や，蓄積効率を最C

ヨu動モード"と定常運転時の“自動モード"があ。

ーステムで行う。制御モードは調整時のための“手c.
.
oiクンリング方式の光データウェイで結んだ制御シcoω‘園。

aωQ0.
03.2 総合システム試験

81

日283

84

Fig.
12 Dispersionfunction.

電子技術総合研究所でのシステム試験における最大の課題は超電導マグネット磁場のクオリティーを実際のビームで評価することであった。こた。その結果，超電導マグネットへの置換で軌道れは 3 次元的に複雑な形状をしたコイル端部におのズレは増大したものの，いて，測定した六極磁場成分の大きさが設計とはむしろ向上し，ダイナミックアパーチャーが設干異なっており，このようなコイル製作上の誤差計どうり十分広いことが確認された。こうして軌がビームに及ぼす影響を確認する必要があったた道の調整を進め，めである。そこで磁場分布の制御が容易な常電導ネットに置換してビーム蓄積に成功した。図 12 はマグネットと比較する方法を取り，最初は超電導エネルギー分散関数の測定例であり，長躍線部でマグネットと等価な常電導マグネットを用いてシエネルギ一分散関数がほぼ零になっており，線形ステム調整を行い，その後 l 台ずつ超電導マグネ計算で求めた計算値とほぼ一致していることからットに置換してビーム挙動の変化を観測していっも，非線形磁場補正が良好であったことが判る。

‑31‑

ビーム寿命や蓄積効率

1990 年 8 月には全て超電導マグ

410

放射光第 8 巻第 4 号(1993 年)

その後，最高蓄積電流は 450mA を越えたが，蓄総合システム試験のもう一つの目的である積電流が増加するにつれてビームサイズも増大

波動法の検証では，波動マグネットと呼んでいるしかっ時間的に変動する現象が観測された。こ交流ニ極マグネットにて水平方向に最高 20Hz の三れは rf 空胴の高次モードに起因する縦方向パンチ角波磁場を印加し，軌道を垂直方向に振らせて，結合不安定性によることが判り，この抑制にサイ照射領域の拡大とビームに及ぼす影響を調査しドバンド空服を用いたデカップリング法 9) を試みた。図 14 は波動マグネットで士 8mrad のビーム偏た。これはパンチごとに加速電圧が異なる第 2 の向(キック)を与えたときの照射領域の変位を示

高周波加速系を導入してシンクロト口ン振動数にした例で，広がりを持たせ，パンチ間の結合を切り放すもの

50mm スキャンされている。ビーム寿命に与えるで，サイド、バンド空腕としてはスペース等の関係影響を調べたところ，図 15 のようにキック角

上，共振周波数 2 xffr
f : rf 周波数，rf‑ fr (fr : 周

8mrad を越えるまでは寿命の変化は観測されなか廻周波数)のリエントラント空胴を用いた。悶 13った。図 16 は電子波動させたときの垂菌方向のはビ…ム信号をスペクトラムアナライザで観測しビーム軌道変位を調べたもので，計算値と測定値た一例で，縦方向パンチ結合不安定性が発生してはよく一致している。これによれば，いるときには n xfr (n は正整数)の両側にシンク

ック角では偏向部で最大約土 25mm 軌道変位してロト口ンサイドバンドが強く見られるが，サイドおり，この状態まで寿命の変化がないことは，ダバンド空胴を動作させると見事に抑制されている

イナミックアパーチャーが設計通り十分広いことことが判る。実際，を物語っている。

を観測すると，

このときビームプロファイル

ビームサイズ、が縮小し，そのふらこの場合光源点から 4m の位置で約8mrad のキ入射はエネルギー 180MeV ，...._， 300MeV で行い，つきも止まって安定化することが確認された。こワング内で定格の 600MeV まで加速したが，超電のデカップリング法の長所は，ランダウ空胴と異導マグネットと四極マグネットの励磁電流比を一なり蓄積電流値に合わせた精密な位相調整が不要

定にした制御では動作点のシフトが発生した。図であることで，運転自動化が必要なプ口セス用光17 がエネルギーに対するベータト口ンチューンシ

源としてはうってつけの手法であると言える。

フトの例であり，水平方向のチュ…ンシフトムハ(a) Side band cavity(SBC) onFig.
13(b) SBC off

Fre司 uency spectrum ofthe coherent mode of the synchrotronoscillation(thecenterfre司 uency; 462.6MHz , 50kHz/div).

‑32‑放射光第 8 巻第 4 号(1993 年)

4
1
1‑20

ハununu。

nununU20543(EE)HCωεωoga20E}iFGE{C一一芯』一ε一ωωD40τ

‑402。

Distance(m)345678910ki
ckangle(mrad)Fig.
1
4 Dependence of displacement ofthe sy 作
chrotronradiation generated byt
h
es
tor
e
d
beamont
hed
i
st
anc
efromt
h
es
yn
c
h
r
otronradiationsource.νx=2.2 ， ν y=1.2. Thes
o
li
d.
lin
ep
lot
sthec
alculateddisplacement

ifet
ime as a functionoft
hekic
kFig.
1
5 Beam langleo
fthewobblingmagne.
t0.
1ム νy。

言、Ad‑0.
1
日182

B384

Fig.
1
6 Ve 吋 ical displacementofthewobbledbeam
or
bi.
tS
oli
dc
i
r
cle
sandt
r
i
an
g
l
e
si
n
di
cat
et
he
measuredbeamp
osi
t
i
on
sa
taki
c
kangleof
土 5mrad. Solidline
sandbrokenlin鑚 ind 卜catethe calculate
dor
bitatkic
kangles of
土 5mrad and 士 8mrad respectively.

200E(MeV)

ftuneshiftsat
Fig.
17 Beamenergydependenceo
eachstepdu
ringbeamenergyramping.

が垂直方向のムハより大きいことから，この非線

この問題はベータトロンチューンを一定にするよ

形性は水平方向のベータトロン関数ムが大きい四うな四極マグネットの励磁関数を制御システムに極マグネットで発生したと考えられる。

登録し， 制御することで回避できた。

したがって超電導マグネットで懸念されたステンレス材の600MeV では強力な SR 光が光アブソーバーにわずかな磁化や強力な電磁力によるコイルの変形照射されるため，初期には大震のガスが放出さなどは，この磁場領域では問題になっていないこ

れ，蓄積どーム寿命も 2 時間前後に制御された。とが確認された。 この動作点シフトは場合によっ

その後，運転時間とともに徐々に真空は改善さては共鳴を引き起こしどームロスをもたらすが，れ，‑33‑

蓄積電流 200mA で約 4 時間の寿命が得られる

放射光第 6 巻第 4 号

412ようになった。ただし，

この総合システム試験はSR 利用のためのルーチンオペレーションではない

文献1) K. Emura , Y. Tsutsui , F. Miura , H.TakadaandT.

Tomimasu: Proc.7thSymp.AcceleratorScience&ので，マシンスタディの目的でたびたび真空リークして計測系などの追加，調整を行ったため，真空の枯れは十分進んでいなかった。したがって播磨研究所へ移設して本格的に稼働すれば，

SR 照射Technology(RCNP , Osaka , 1989)344.
2)

臼. B
etz&G.Mhaupt:Proc.SPIE，斜8， 83(1984).

3)T.Tomimasu:Japan1.Appl.Phys. , 26 , 741(1987).
.P.Haelbich , W.D.Grobman& 1.M.
4)1.P.Silverman , R

時間の増加にともない，さらに長寿命化が図れると期待される。

(1993 年)

Warlaumon:tProc.SPIE.393 , 99(1983).
5) P. Thompson , E.Cullman , W.Vach & K.H. Mer:

93(1987).
MicroelectronicEngineering , 6, 2
4.

おわりに6)T.Okazaki , Y.Hosoda , S.Isojima , T.Keishi , C.Suzawa&T.Masuda:Proc.11thIn.
tConf.M
agnetTechnology

小型 SR 光源“NIJI- m"は X 線リソグラフィー用(Elsev
ierSciencePublishers , Tsukuba , 1989)241として設計され，その目標仕様を達成することが.Tsutsui , K.Emura , F.Miura , C.Suzawa ,7)H.Takada , Yできたが，そのシステムの拡張性や，電子波動法

T. Masuda , T. Okazaki, T. Keishi , Y.Hosoda& T.などの新たに適用した技術は，単にリソグラフ

Tomimasu:Japan1.App.
lPhys. , 30 , 1983 (1991)

ィーだけでなく他の応用にも新しい展開をひらく8)F. Miura , Y.Tsutsui& H.Takada:Proc.7th Symp.
AcceleratorScience& Technology (RCNP , Osaka ,と期待される。今後，播磨研究所でも光源としての本格稼働を急ぐとともに，新しい応用技術の探索や，光源の高度化も進めていく予定である。

1989)130.Yonehara , M.Hasumoto& T.Kinoshita:9)T.Kasuga , H
lPhys. , 27 , 1976 (1988).
Japan1.App.

最後に，多大な御指導，御支援いただきました

電子技術総合研究所をはじめとする関係各位に深謝いたします。

‑34‑