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

放射光第巻第号

(

)

トピックス

ニュースバルの到達点
安東愛之輔，服部 正，細野和彦，神田一浩，木下博雄
松井真二，銘苅春隆，新部正人，内海裕一，渡邊健夫
姫路工業大学高度産業科学技術研究所

Present Status of NewSUBARU
Ainosuke ANDO, Tadashi HATTORI, Kazuhiko HOSONO, Kazuhiro KANDA, Hiroo KINOSHITA,
Shinji MATSUI, Harutaka MEKARU, Masahito NIIBE, Yuichi UTSUMI and Takeo WATANABE
Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry, Himeji Institute of Technology
Abstract
The 1.5-GeV synchrotron radiation facility, NewSUBARU, has been open for common use from January 2000. In thisJune the storage ring achieved the designed goal. We have been producing signiˆcant results by synchrotron light in theseyears and some topics of our achievement are summarized in this report.

.

はじめに

来なかったことによる。

光源開発と産業利用を主目的とする，姫路工業大学高度

この間にも放射光利用は前進し多くの成果を積み上げて産業科学技術研究所附置の中型放射光施設「ニュースバ

いる。今後は利用しやすい体制の整備が急がれている。

ル」1)は SPring-8 の全面的な協力の下，1998年 2 月に据付

Fig. 1 に施設の平面図を示す。

を開始し，同 9 月よりビームコミッショニングを始めた。挿入光源部真空系の根本的な改善などを行い， 2000

.

蓄積リング

年 1 月より共用開始した。その後も真空排気系の増強を

ニュースバル蓄積リングの主要パラメータを Table 1

行い，放射光による真空焼き出しを継続し，2002年 6 月 9に，性能を Table 2 に示す。現在， 1 GeV 利用時は約 10日，光源としては設計値を達成した。コミッショニング開秒毎に電子ビームを入射し，300 mA に近い値で運転され

始から 4 年近く要したことになるが，主原因は，電磁石ている。

を出来るだけ小さくしたため真空チェンバー内径が非常に. 寿命と COD

小さいこと，放射線遮蔽が薄く充分な電子を一気に入射出

Figure 1.

Figure 2 に蓄積電流とそのときの減衰時間を示す。電Plane view of the NewSUBARU facility.

1205 兵庫県赤穂郡上郡町光都 1
12
姫路工業大学高度産業科学技術研究所ニュースバル 〒678
2503 FAX: 079158
2504 E-mail: ando＠lasti.himeji-tech.ac.jp
TEL: 079158――(C) 2002 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号

Table 1.

()

トロン振動数の変化から計算し，設計値と 10 以内でのMain parameters of the NewSUBARU storage ring

一致を確認している。

入射エネルギー

10 GeV

最大エネルギー周長

1.5 GeV

ニュースバル蓄積リングは他の通例のリングと同様，挿118.73 m

入光源が設置される直線部は運動量分散がないように設計

RF 周波数
ハーモニック数

499.951 MHz

臨界光子エネルギー

2.33 keV＠1.5 GeVされている。高周波加速周波数を変えた時の，電子ビーム

198の軌道の変化を解析したところ，直線部以外の運動量分散は設計通りであるが，momentum compaction factor ap は0.69 keV＠1.0 GeV

1.8 ×10－3 であることが判明した。これは運動量分散を制御する 4 極電磁石の設定に－0.35の誤差があり，直線部
Table 2.

に有意の運動量分散が生じていることによる。完全にゼロ

Characteristic of the storage ring

寿命（100 mA）
1 GeV での性能にできることは確認してあるが，利用運転においては実用

8 hrs＠1.5 GeV

上問題がないのでこのままにしている。この解析には六極磁場と測定から得られた捩れ四極磁場2)を取り込んである。

最大蓄積電流50 mA（単バンチ）
500 mA（160バンチ)

水平エミッタンス
カップリング係数

38 mm
1

モーメンタムコンパクション
ファクター

1.8×10－3

自然エネルギー広がり

0.047

ムサイズも増大する。 SR 可視光の CCD カメラでの測利用時ビーム強度～300 mA

定結果3)から蓄積電流の影響が無視できる微弱電流では，

. GeV でのビームサイズと自然エミッタンス
電子蓄積リングでは Microwave Instability によりバンチ当たりの蓄積電流と共に運動量広がりは必ず増大する。
即ち運動量分散が有意なところでは，水平（x）方向のビー

＠every 10-sec injection

Natural Emittance  38 nm を得ている。また 1 mA 以下の単バンチ電子ビームを入射バンプ電磁石で削り，精度は若干劣るが，その生存率からビームサイズを求めエミッ
タンスを評価すると，36 nm という値を得た。以上から自然エミッタンスは38 nm と結論できる。
垂直（y ）方向ビームサイズは上記測定の精度以下であ る ので ， 捻れ 4 極磁 場 によ る カッ プ リン グ を 評価 した。一つは，y 方向の軌道に局所的な瘤を作り x 方向の軌
道シフトから捻れ 4 極磁場の分布を求めた。もう一つは，2 台の補正用捻れ 4 極電磁石で y 方向ビームサイズが最小になる設定を求めた。得られた分布による，カップリン
グ共鳴の励起力を，補正電磁石によるものとを比較したとずれているが，強さ（l）はほとんど同
ころ，位相は180°
一という結果を得た。即ち l ＝ 5.3 × 10－3。通常の動作点
は， D＝ nx － ny＝ 0.07 ，であるので，無補正時のカップリ
ング係数は1.1である2)。
Figure 2.

Beam lifetime v.s. stored current.

極端紫外線リソグラフィの研究（BL）.

情報機器に用いられている中央演算素子や記憶素子の高流減少と共に減衰時間が長くなるので，本図の示す減衰時

集積化は， 1970 年代より 3 年に 4 倍のペース開発が進め間は実効的に半減寿命と一致している。1.5 GeV への加速られてきた。2007年には最小線幅70 nm をもつ 64 Gbit 級

は約15分の時間をかけている。

の半導体メモリーや演算速度 10 GHz の MPU の生産が計

閉軌道の歪み（ COD ）は 1 GeV では最大ピーク値で 25画されている。このためのキー技術がリソグラフィ技術でmm まで補正し利用に供しているが， 1.5 GeV では補正電あり，微細な線幅をもつ各種パターンをシリコン基板上に磁石電源の電流容量から，水平方向では最大値で 200 mm

高精度に形成する加工技術である。現在用いられている露である。 2002 年の夏期運転停止中の電磁石巻き線増強に光装置は，波長248 nm の KrF エキシマレーザ光を光源とより本問題は解決され，最大値25 mm 以下が達せられる。

し，4 倍体のパターンを原画として用い，これをウェハ上

. Twiss parameter 及び運動量分散に縮小投影光学系により露光する方式である。縮小露光装

電子ビームの粒子光学を表す Twiss parameter の所謂 b

置の解像力は用いる光の波長に比例し，波長が短いほど微関数は，四極電磁石の励磁を微小変化させたときのベータ

細なパターンを形成できる。 KrF エキシマレーザを用い

――




放射光

第巻第号(
)る露光装置の次の世代として，波長193 nm の ArF エキシ

タン形成も可能である。 Figure 5 はマスクとウェハのス

マレーザを用いる露光装置が次世代半導体開発に準備されテージ走査によって大面積 10 mm × 10 mm の露光領域をており，更には F2 レーザ（154 nm）も検討されている。
しかしながら，屈折光学系を用いた更なる短波長化には
材料面での限界があり，その先は波長を13 nm まで短くしTable 3.

Speciˆcation of EUVL exposure tool

た極端紫外線を用いることが検討されている。この波長域

露光波長 l13.5 nmでの光はすべての物質で強く吸収されるとともに，屈折率

開口数 NA

0.1

が 1 に近いため，原理的に屈折によるレンズ作用を利用

露光フィールド
1 フィールド

することができない。そこで反射鏡を使用した縮小光学系

走査時
解像度

が開発された。 13 nm 用の反射膜としては Mo / Si の多層膜が用いられており，直入射で 65 以上の反射率が得られている。次々世代のリソグラフィ技術である極端外線露

焦点深度
ウェハ

光ではこの Mo / Si 多層膜を光学系やマスク基板に形成

マスク

30 mm×1 mm
30 mm×28 mm
70 nm
1 mm（70 nm）
8 インチまで
8 インチ，もしくは6025基板

し，反射型の縮小光学系を構成する事により，ウェハ上で70 nm 以下のパタンを形成しようとするものであり，Fig.

3 に姫路工業大学が開発した極端紫外線露光装置の概要を示す。この装置は 3 枚の非球面からなる縮小光学系，マスクとウェハの同期駆動ステージ，マスクとウェハの位置
合せ光学系，ウェハの焦点検出光学系，8 インチウェハの
ロードロック機構とからなる。露光光学系の露光領域は 1
ショットで30 mm×1 mm とし，半導体のチップサイズ例
えば 30 mm × 40 mm を露光するには，マスクとウェハを倍率を考慮して同期走査駆動させることにより行なえる。

Table 3 に装置の仕様を示す。
これまでに，上記の露光装置を用いて解像度評価のための露光実験を進めている。レジストには化学増幅系の各種
レジストならびに非化学増幅系レジストを用いている。

Figure 4 ( a )に10 mm × 1 mm の露光領域での 0.1 mm の L& S を示す。化学増幅系のネガ，ポジ，非化学増幅系ともに十分解像されており，とくに非化学増幅系の場合にはエッジもシャープである。

Figure 4(b)に80 nm のパタン特性を示す。ポジ型の化学増幅系でも十分な解像特性が得られているが更なるエッ
ジラフネスの低減が必要となる。Figure 4(c)には40 nm，Figure 4. Replicated resist pattern. (a) 0.1 mm line and space pattern, (b) 80 nm line and space pattern, (c) 40 nm line and 80 nm
space pattern.

80 nm の L & S パタンを示す。レジストには ZEP520を用いており，レジスト膜は 0.1 mm である。 40 nm の孤立パ

Figure 3.

Figure 5.

Exposure tool (ETS1) at HIT.

――

Large ˆeld exposure pattern.

放射光第巻第号()

得たものである。垂直方向は60 nm までクリアに転写でき研究展開が待たれている領域である。 Figure 6 に BL 6ているが，走査方向に垂直なパタンは同期精度の誤差で十のサンプル位置における光フラックスの計算値を，また，分解像していない。このように大面積化ではステージの性

Fig. 7 に BL 7 の光源であるアンジュレータスペクトル能の向上が重要である。

を示した。 BL 7B は物性評価用のラインとして吸収端近

詳しくは文献 4)～16)を参照されたい。

傍 X 線吸収微細構造スペクトル（NEXAFS ）を測定できるほか，半径150 mm の半球型エネルギー分析器を用いた

.

新素材開発ビームライン（BL
,BL
）

光 電子 分 光ス ペク トル （ PES ） の測 定が 可 能で ある 。

新素材開発分野では放射光とナノテクノロジーを融合しFigure 8 に金のフェルミ端近傍の光電子分光スペクトル

た放射光ナノテクノロジーによる新物質創製および評価をを示す。分解能 E / DE ＝～ 2700 が得られており，ほぼ計研究目的とし，光励起反応用のビームライン（ BL 6 ）と算値に近い性能が達成されている。

新物質創製用のビームライン（BL 7）を有している。BL

本稿では研究成果の例として SOG（スピンオングラス）6 は，偏向電磁石を光源とし，BL7 はアンジュレータをの微細加工を紹介する18) 。現在，半導体デバイスの開発

光源として，多層膜鏡分光器を備えた高輝度ビームライン

において配線幅は小さくなり，多層膜配線が進行している（7A）と回折格子分光器を備えた高エネルギー分解能ビーが，一方で， RC （ resistance-capacitance ）カップリング

ムライン（7B）の 2 つのブランチラインで構成され，50

によるクロストークノイズや配線遅延等の影響が多くなっ

800 eV のアンジュレータ光を時分割利用することができており，これを防ぐために層間絶縁膜の誘電率を下げる方

る17) 。この 3 種のラインの有機的な結合により，新物質向に開発が進んでいる。最近の低誘電率（Low-k）材料の探索の強力な装置システムを形成している。50800 eV は傾向としては，SiLKTM や FLARETM などの有機系やフッ化学試料として重要である第 2 周期の元素（C, N, O ）の素系などの Low-k 材料が用いられてきているが，スピン1s 軌道のエネルギー，もしくは半導体として重要な Si のオングラス（Spin On Glass: SOG，主成分 SiO2）系にポー

2p のエネルギーに相当し，新物質創製研究に非常に重要

ラス状の空孔を入れることにより，誘電率を 1.5 まで下げなエネルギー領域であるが，適した窓材がないことや高輝ることが可能になっている。また， Low-k 材料の性能を度の光源がないためにこれまでの研究例が少なく，今後のFigure 6.

Figure 7.

Figure 8.

Brightne of BL6.

Photo-electron spectrum near Fermi edge of Au.

Measured spectra of short undulator at 1GeV the ordinates are linear in orbitary unit.

――




放射光

第巻第号()上げるためにプラズマ処理をしたり，ポーラスの Low-k

SOG 材料の放射光照射前後の様子を X 線光電子分光

材料にプラズマ酸化を行ったり， Low-k 材料を電子ビー（X-ray photoelectron spectroscopy: XPS）により調べた。

ムによりキュアを行って吸湿を防いだりする研究が行われX 線源 は Mg Ka で ある。 その 結果 を Fig. 12 に示す 。

ている。しかし， Low-k 材料に放射光を照射して改質をUSG50 は炭素分を含まないにも関わらず，C1s のピーク

こころみた研究はまだない。そこで，本研究では代表的なが放射光照射前後で確認された。この C1s ピークは SOG

層間絶縁膜材料である SOG に放射光を照射したときの特表面上の炭素汚染分であると考えられる。放射光照射後の性を調べた。

USG50はこの炭素汚染分による C1s のピークの増加がみ

試 料 の SOG は Honeywell 社 製 の Accuglass512B とられ，Si2s, Si2p, O1s のピークが照射前に比べて33減少

USG 50 を用いた。 Accuglass512B は， Fig. 9 ( a )に示すしている。しかし，これらの相対的割合が変化していない

よ う な 構 造 を も ち （ R ＝ CH3 ）， 主 成 分 は シ ロ キ サ ン

ことから USG50の化学組成は変化していないと考えられ（ siloxane ）で14の炭素分を含む。USG 50 は同図(b)にる。USG50では放射光照射前後で化学組成比が変化して示すような構造をもち，主成分はシリケイト（ silicate ）いないことから，加工は酸素および SiO の脱離によってで炭素分は含まない。これらの SOG サンプルは，1 cm 角進行したものと考えられる。一方， Accuglass512B の方の Si 基板上に 3000 rpm で回転塗布し， 300 °C で 1 h キュは Si2s, Si2p, C1s のピーク強度は放射光の照射前後でほアを行った。キュア後の膜厚は Accuglass512B では 500

ぼ一定であるが，O1s のピーク強度は照射後で26減少しnm で，USG50では300 nm であった。

ている。これは化学組成比に変化が生じ酸素が少なくなっ

放射光照射実験は BL 6 にて，試料基板温度室温であていることを示している。このことから Accuglass512B

り，照射中のチェンバー真空度は～ 1 × 10－5 Pa で行っの加工は酸素と SiO の脱離によって進行するが，酸素のた。金メッシュをマスクとして Accuglass512B にドーズ

脱離の影響がより大きいと考えられる。 Accuglass512B

量 150 mAh の放射光を照射した結果を Fig. 10 に示す。

は R ＝ CH3 のアルキル基が添加されており，これによっ

同図(a )の光学顕微鏡写真では，金メッシュで放射光が遮て SOG の束縛エネルギーが弱くなり加工速度が速くなる断された部分が白くなっている。また，（a)の矢印の断面と考えられる。

を Dektak で測定した結果を( b )に示す。この結果から

以上のように USG50の加工は化学組成を変えずに酸素

SOG 材料は室温で放射光照射により加工できることが分や SiO の脱離により進行するが， Accuglass512B ではア

か っ た 。 加 工 深 さ の Dose 量 依 存 性 を Fig. 11 に 示 す 。

USG50に比べて炭素分の含有率の大きい Accuglass512B
では加工深さも大きい。炭素分が SOG の加工を促進していると考えられる。

Figure 11.

Etched depth of SOG vs. radiation dose.

Figure 9. (a) Accuglass512B, main component: siloxane, R＝CH3. (b) USG50, main component: silicate.

Figure 10. Surface modiˆcation of Accuglass512B. (a) picture of
optical microscope, (b) cross section of (a).

――

Figure 12.

Photo-electron spectra of PTFE.

放射光第巻第号()

Figure 13.

Schematic diagram of beam line (BL9) at the NewSUBARU long undulator.

ルキル基の影響で酸素の脱離速度が上がり，加工速度が上昇する。アルキル基を SOG 材料に含有させることで，放射光照射による加工速度と酸素の脱離の増速を生じさせることがわかった。
新 素材 ビー ムラ イン では この 他に 放射 光照 射に よる

PTFE の表面改質研究19,20)や放射光誘起屈折率変化を利用した光導波路研究21) など放射光を利用した機能性表面の開発研究に成果を上げている。今後，内殻電子励起による選択的反応を用いた新物質創製研究や蛍光 X 線分光装置を利用したより詳細な物性探索研究を行っていく予定である.

）
長尺アンジュレータと点回折干渉波面計測（BL. 長尺アンジュレータとビームライン

Figure 14. Photo ionization spectrum of the gas-phase Kr 3d5/2, 3/2→np transition. The dotted line represents the data of the present
measurement, and the solid line represents the data from previous
reports by SX700/II in BESSY.

Figure 1 に示すように，長直線部に長さ約11 m の長尺
アンジュレータ（ LU  planar 型，周期 54 mm ，周期数200 ）が設置されている。ビームライン模式図を Fig. 13に示す。分光器は Hettrick-Underwood 型マウントの定偏角不等間隔刻線平面回折格子（900 l/mm）分光器である。
この分光器は輻射光を有効利用するため入射スリットなし
であり，いわば光源を入射スリットとしている22)。M0～

M2 は球面ミラーであり，トロイダルミラーM3 は PDI
実験チャンバーの中に設置されている。分光器の出射スリットを通った光は M2, M3 により， PDI 装置の入射ピン
ホール位置に集光する。Figure 14は，Kr ガスの 3d5/2, 3/2→np 遷移による光イオン化スペクトルの測定結果を示す。

BESSY の SX700 / II 高分解能分光器で測定報告された同スペクトル23) も実線で示した。本分光器では出射スリッ
ト 50 mm の時， SX700 / II とほとんど遜色のない分解能

Figure 15. Radiation spectra (photon ‰ux density at 4WS slit) of
the LU at various undulator gaps.

が得られる。詳しい解析は十分ではないが，半値幅等から評価した分解能は，l/Dl として少なくとも1000以上ある
ものと見積もられる。（設計時の理論分解能は，この時定の検出器には， M2 ミラー下流にある感度校正した Si

2500程度である。）

フォトダイオード（ PD ）を用いた。縦軸は 4 WS 位置に本分光器を用いて測定した蓄積電子エネルギー1.0 GeV

おける光子フラックス密度（Photon/sec/mm2/100 mA ）における LU の輻射スペクトルを Fig. 15 に示す。この測である。ブリリアンスは1017（ photons / sec /mm2 /mrad2/

――




放射光

第巻第号(
)

100 mA）のオーダーであり，理論計算値とほぼ一致する。

えば 0 次の回折光は PDI マスク上の0.1 mm 径のピンホー

光子輸送効率の評価には，アンジュレータギャップを最大ルを透過し，このピンホールにより基準球面波が生成されに開いた時に得られる偏向電磁石（BM ）からのエッジ輻

る。一方， 1 次回折光は PDI マスク上の比較的大きな窓

射光強度測定を用いた。LU 光は整ったアンジュレータス

（2.7 mm ）を，テスト光学系の波面収差情報を保存した

ペクトルを示しており，線幅は波長 13 nm の 1 次光におまま透過する（テスト波面）。両者の波面を干渉させて生いて，ギャップ長35 mm に対して l/Dl～41程度となった。

じた干渉縞を CCD カメラで撮影する。また，透過型回折. At-wavelength 波面計測

格子を動かすことにより，お互いの球面波で位相差の異な結像光学系において回折限界に近い結像性能を得るため

る 5 バケットの干渉縞を撮影し，それらから波面収差をには，その光学系の使用波長（ at-wavelength ）における解析する（位相シフト法）。

波面収差を知ることが，きわめて重要である。次世代の超. PDI 実験

LSI 製造技術の候補のひとつである極紫外光リソグラフ

現在入射ピンホール位置でのビームスポットサイズは約ィー（EUVL）技術においては，回折限界に近い結像性能

80 W ×120 H(mm2) であり，ピンホールサイズに比べて 4が求められている。 EUVL 法では，光学系は 0.5 nm 以下

桁ほど大きいが，下流に K B 光学系を用いた集光系を検の波面収差になるように基板を加工したり，アライメント

討しており27)，これが実現すれば，2 桁程度の集光性能向したりする必要がある。従来，光学系の波面をこのような上を期待できる。

高精度に計測すること自体が困難であったが， '96 年ころ

透過型回折格子をビームスプリッタに用いることによ

より Lawrence Berkeley National Laboratory で，極紫外り，広い波長範囲にわたり位相差と光路長差の比が一定と光を用いて点回折干渉（PDI）法で波面計測する方法が提なり，高い単色性は必要でないことがわかった26) ので，案され24)，その技術開発が進められてきた。本研究では，

LU 光は分光せずに，分光器の 0 次光をそのまま使ってLU を用いて， at-wavelength PDI 法を学ぶとともに，

PDI 実験を行っている。アンジュレータの高次光等は多その測定精度や問題点を明らかにすることを目的として，

層膜の反射を使って除去することができ27)，線幅 l/Dl＝エンドステーションに PDI 実験装置を設置した。本研究

40 程度であっても CCD の全領域にわたって，高いコント

は，通産省プロジェクト「超先端電子技術促進事業」の一

ラストの干渉縞を得ることができた26,28)。現在，1 枚の干環として， NEDO の委託を受け，研究組合超先端電子技

渉縞の撮像時間は 5～20秒である。

術開発機構（ASET）との共同研究として行った25,26)。

回折限界性能を調べるための65 nm 径のピンホールを用

PDI 法は光が微小なピンホールを通るとき，回折で理いた場合には，0 次光透過光量が少なすぎて十分なコント

想的な球面波を生じ，これを基準波面に利用する干渉波面

ラストが得られなかったが，ピンホールを大きめの，170計測法である。 Figure 16 に PDI 法の原理をあらわす模nm 径のもので干渉実験を行い，Fig. 17 (a )に示すような式図を示す。 PDI 実験光学系は図のようにふたつのピン

極紫外光による PDI 干渉縞が得られた。またその解析か

ホール（入射および PDI ピンホール）を持ち，間にテスら(b)に示すような光学系の光路差（OPD）マップを得る

ト光学系（本研究の場合 2 枚の球面反射鏡よりなることができた。ピンホールは空間周波数フィルターとして

Schwarzschild 縮小光学系）が入る。 0.65 mm 径の入射ピ働くため，大きな径のピンホールを用いた場合には低空間

ンホールから出た球面波はビームスプリッタとして働く透周波数の波面収差はピンホールを透過してしまう。今回用

過型回折格子により複数の回折光に分けられ，テスト光学

いた 170 nm 径のピンホールでは，約 2.5 cycles / NA より系を経て， PDI マスク上に集光する。集光光のうち，例

低い周波数の収差は透過しており，これ以下の低周波の成分は正確に測定できていないものと考えられる。
.

LIGA ビームライン（BL11）

. 概要LIGA （ Lithographite 〈リソグラフィー〉， Galvanoformung〈電鋳〉，Abformung〈転写成型〉）プロセスは1980
年にドイツのカールスルーエ研究所（FzK）によって提唱された29) 。このプロセスは，半導体回路パタン向けの X
線等倍リソグラフィー（ 1.5 ～ 2.5 KeV ）より高いエネル
ギー領域（ 4.0 KeV 以上）の軟 X 線の透過能を利用し，
高アスペクト比（数十以上）の mm レベルのパタンを作製するものである。このプロセスの特長として電鋳マスター
Figure 16. Schematic drawing of at-wavelength
PSPDI experiment using Schwarzscild optics.

を用いた成形プロセスにより，一回の放射光露光で大量のパタン複製が可能なことが挙げられる。最近は，UV 露光
――

放射光

第巻第号()

Figure 17.

At-wavelength interferogram and an OPD map.

Figure 18.

The outline of BL11.

によっても高さ数百 mm の高アスペクト構造体が形成可能

り水平発散角 8 mmrad で取り出した放射光を， Ni / W / C

なエポキシ系の厚膜レジストが開発されたため，LIGA プ

多層膜ミラー， Pt 蒸着円筒ミラーを用い 6 keV 以上の高ロセスは放射光によるものと，UV によるものに 2 分化しエネルギー成分を減衰した後，真空隔壁も兼ねた 200 mmて発達しているが，パタンの形成精度やプロセスの再現性

厚の Be 窓を用いて低エネルギー成分をカットし，1.5～6の 点 で 放 射 光 LIGA に は 依 然 と し て 大 き な 優 位 性 が あ

KeV の軟 X 線を選択する光学系となっている。第 2 ミ

る。世界の放射光 LIGA の研究開発対象は以下の 3 項目

ラー（Pt 蒸着の単結晶 Si 円筒形ミラー）には曲げ機構がに絞られると言って良い。

付加されている。この機構は，主に放射光の分散角を抑え

1)

高エネルギー（1.5 GeV 以上）の蓄積リングによる平行度を上げるために用いるが，放射光のスペクトルを変

X 線を用い，より深い（500 mm 以上）高アスペクト

化させずに単位面積あたりの放射光強度を変化できるた比の構造体を作製するための研究。

め，複数の感度の異なるレジストを使い分ける場合にも有2)

任意の 3 次元マイクロ立体構造を実現するための効である。

Si 固体半導体検出器（ SSD ）による本ビームラインの研究

3)

リソグラフィー以降の，電鋳，成形プロセスの高輝度スペクトルを Fig. 19 に示す（実線理論値，“◯”実 測 値 ， 左  リ ン グ 蓄 積 エ ネ ル ギ ー 1.0 GeV ， 右  1.5

度化と実用プロセスの開発。
我々は，特に進展が遅れている上記 2 ）， 3 )の項目にGeV）。光子エネルギーは，Al フィルター（20 mm 厚）か

ターゲット絞った研究開発を進めている。また， X 線にらの Ka 線（ 1.486 keV ）で較正した。図より計算値と実よるパターニング以降の，電鋳，樹脂成形工程を含めた測値で非常に良い一致が見られた。また，出力光輝度をトータル量 産技術とし てのプロセ ス開発を行 い，各種

Au 光電流モニター測定によって大まかに見積もった結IT ，バイオ関連産業の各種マイクロデバイスの開発に適

果，理論値とオーダーが一致した結果が得られ，ほぼ設計用したので一部を紹介する。

仕様を満たすビームラインの性能が得られた事が確認され)30)
. ビームライン（BLた。

Figure 18に BL11の光学系配置図を示す。偏向磁石よ――

エンドステーションの露光チェンバーは He ガスで置換




放射光

Figure 19.
GeV.

第巻第号()

Measured spectra of BL11. line: theoretical calculation, open circle: measured, left: 1.0 GeV and right: 1.5

し，X 線マスクとレジスト材を露光ステージ上に固定し，PC 制御により垂直に走査する。最大走査範囲は50 mm である。実際の露光は，必要とされる露光ステージの走査距
離や速度などを考慮して，制御プログラムに各種露光条件を打ち込めば自動露光されるシステムになっている。露光のスループットは現露光システムでは，PMMA シートに対して，電子ビームのエネルギー 1 GeV ，蓄積電流

200 mA では～10 mm/分であった。1.5 GeV ではこの約30倍の加工速度があり，高エネルギー X 線成分の影響が顕著なことを実験的に確認した。 X 線レジストの露光感度のエネルギー依存性については，現在分光 X 線を用いた測定を平行して行っているが，これは用いる X 線エネル
ギーに整合したレジストを選択する上で重要なデータとな

Figure 20. SEM images of PMMA, (a) squarc polcs, (b) 3D
columns made by sidewall tilting.

ると考えている。以上のようにビームライン BL11では，
スペクトル形状及び，強度において，十分な出力光特性が得られている。

る。我々は任意 3 次元形状の実現を目標に全ての方法を. 次元マイクロ立体構造形成の試み

試みている。特に b )では，専用の X 線マスクとレジスト

立体的なマイクロ構造体を作製する方法はいくつか提案

基板を別々に移動可能な 9 軸の露光ステージを開発し，されているが，大まかに分けると以下の 3 つの方法があ

立体構造形成のために基礎検討を開始したところである。

る。

X 線マスクとレジスト基板との位置合わせ精度は 0.1 mm

a)

X 線マスクを走査させながら露光を行い，走査ス

以下である。一方 c )の手法は我々が独自に開発を進めてピードや露光時間を変化させたり，多重回数の露光を来た手法であり，スループットが高い，立体構造の任意性行うことでレジストパタン上に擬似的に蓄積露光量のが高い等の特徴を有しているが，いかに吸収体厚みに 2

3 次元分布を形成する方法。
b)次元分布を持つ X 線マスクを作製するかが技術的ポイン

ビームを絞り，露光ステージを立体的に走査回

トである。我々は，電子ビーム描画装置を用い，ナノレベ

転させながら直接描画的に露光する X 線造形方法31)。

ルエリアの露光量制御によって，立体吸収体を持つ X 線c)

吸収体の厚みに 2 次元分布を持つ X 線マスクを用

マスクを高精度に作製するプロセスを開発している。以下

い， X 線の吸収の違いを用いてレジストパタン上にに立体構造体の作製例を示す。 Figure 20 ( a )には四角柱

蓄積露光量の 3 次元分布を形成する方法32)。

の片側面のみが傾斜面になっているレジスト構造体。（b)

現在最も広く用いられている方法は a )であるが，得られは q50 mm の傾斜面のついた円錐形レジスト構造体。これる立体形状に制限があり露光スループットも低い欠点があらは X 線マスクの吸収体の材質に Au を使用し，厚みを 0

――

放射光

第巻第号()

Figure 21. Photographs of microdcvices of (a): the mold master of an 8×8 optical swich, (b): the plastic microchip
for electrophoresis.

～5 mm の範囲で制御している。実際に X 線マスクの吸収
体厚みを制御し立体マイクロ構造体を形成した。構造体側
面に傾斜面を付加することは，課題となっている樹脂成形
最終工程の金型離型にも有利であると考えられる。
. 実際のマイクロデバイスへの適用
我々は， LIGA による X 線ディープリソグラフィー工
程と共に，後続工程の電鋳や樹脂成形プロセスの開発も同時に進め，既に高強度の Ni 電鋳金型，ホットエンボッシ
ングや精密射出成形装置を用いたマイクロ樹脂成形体の試作を行った。さらに IT ，バイオ産業関連のマイクロデバ
イスに適用した。具体的には次世代携帯端末の小型化に対応したマイクロ電気部品，携帯端末用の光学部品，ブロードバンドに対応した 8×8 の光スイッチ，使い捨て型の樹
脂製のマイクロ電気泳動チップの開発を行った。一例としFigure 22.

Energy spectrum vs. collimator.

て，試作した 8 × 8 光スイッチの PMMA 金型マスターとマイクロ電気泳動チップの写真を Fig. 21 (a ), ( b )にそれ
財 新産業創造研究機構
ぞれ示した。なお本研究の一部は，

心 に お お よ そ ± 0.66 mrad., ± 0.33 mrad, ± 0.066 mrad.

（NIRO），立川商工会議所がそれぞれ新エネルギー産業に相当している。検出器は 3″
q× 3″
NaI シンチレータ検出

技術総合開発機構（NEDO）から委託された地域新生コン器を使用した。この検出器は鉛コリメーターから 1 m 下

ソーシアムの助成と科研費基盤研究 B の援助を受けて行流の所に置かれている。
レーザー源は Nd YVO4 laser (1,064 nm, max. 5 W)

われた。

で，レーザー源出口の横方向および縦方向 waist 径は0.42.

電子レーザー後方コンプトン散乱による g 線33)

mm ，角度は 3.4 mrad (full ) である。途中のレンズによる同期された，極短パルス放射光発生研究の一つとして，倍率は約 2 倍であり，衝突中心部でのレーザーの径は約 1

また電子ビーム診断の一環とし，本システムの研究を行っ

mm になる。これは，電子ビームのエミッタンスを横縦そているが，将来的には低スピン状態の励起を選択的に引きれ ぞ れ 4.02 × 10－8 mrad お よ び 4.38 × 10－9 mrad. と し起こす光反応実験に使用することを目指している。

て，衝突中心で完全に重なるように設定した。レーザー源

BL1 の長直線部（約14 m）を使用した。この長直線部を駆動できるようにして，またミラー（ M1, M2 ），コリ

は b 関数が大きく変化するため，電子レーザーの衝突

メーター位置を調整して，発生 q 線数が最大になるよう断面が必ずしも得をするわけではない。実験ホールに置かに電子ビーム軸とレーザー光軸の調整を行った。

れたレーザー源からのレーザー光は 6 枚のミラー，1 枚の電子ビームエネルギー1 GeV ，その平均電流10 mA ，レンズ（焦点距離 5 m ）で長直線部中心に focus させる。

レーザー出力を 0.36 W での，コリメータに依存したエネ

レーザー源からこの中心までの距離は 22 m である。発生

ルギースペクトルおよび制動輻射 g 線スペクトルの測定結

g 線はミラー（ M6 ）を通過して真空外へ出る。 20 mmq,

果を Fig. 22 に示す。エネルギーは 40 K の 1.461 MeV お

10 mmq, 2 mmq の鉛コリメータ（厚み90 mm ）が用意さ

よび数種の標準 g 線で校正されている。g 線の最高エネル

れており，外から制御，交換可能になっている。このコリ

ギー17.6 MeV は正面衝突での計算と一致している。

を中メーターで長直線部中心からみて，その開口角は 0 °――得られたエネルギースペクトルと EGS434)を使用したシ



放射光

ミュレーション計算と比較した。計算では，各々の衝突点
でのエネルギー分布，衝突断面の位置依存，発生 g 線のミラー，窓等通過にともなう減衰，検出器効率等を取り入れている。測定と計算との一致は非常に良い。この結果から，0.67 mrad. のコリメーションに対して，約 3×104 個/秒，
また 0.33 mrad. および 0.067 mrad. のコリメーションに対して，各々約 1×104 個/秒，約 6×103 個/秒を得た。この

g 線収量は，残留ガスでの制動輻射による大量の背景 g 線と，検出器の最大計数速度で制限されている。
これまでは検出器として NaI を使用してきたが，Ge 半導体検出器に交換し，電子電流，レーザー出力を上げて，光反応実験を行う予定である。また，検出器はリングの設
置されたトンネル内に置いているが，近い将来トンネル外に移し，この施設を一層充実させたいと考えている。
.

おわりに

SPring-8（高輝度光科学研究センターJASRI，日本原子力研究所，理化学研究所）には，ニュースバルの設計
建設立ち上げから利用運転実現において多大の御協力をいただきました。改めてここに謝意を表します。とりわけ加速器部門，施設管理部門，放射線安全管理室及び事務局の皆様にお礼申し上げます。また挿入光源の調整での理化学研究所播磨研究所の北村英男氏及び田中隆次氏のご尽力に感謝申し上げます。 PDI 研究では研究組合 ASET の五明由夫氏，杉崎克己氏及び朱郁葱氏の協力をいただきましたことに感謝いたします。
なおビームラインの詳細については冊子を用意致しております。利用に関する問い合わせも含め，希望される方は高度研事務長（電話 0791 58 0259 ）へご連絡下さい。
また以下のホームページから必要な情報やコンタクトパー
ソンも得られますのでご利用下さい。

http://www.lasti.himeji-tech.ac.jp
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