Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

FROM SCIENCE TO INDUSTRIAL TECHNOLOGY-- NewSUBARU's INITIATIVE -NewSUBARU Group (A. Ando1 )NewSUBARU, Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry, University of Hyogo
1-1-2 Kouto, Kamigoori-cho, Ako, Hyogo 678-1205
Abstract
The NewSUBARU synchrotron radiation facility is constructed to enhance domestic industries in Hyogo prefecturewith high technology and to develop new light sources. NewSUBARU is now pushing up activities in industrial micro
fabrication in the world and will make a breakthrough in commercial mass production with synchrotron radiation. The
negative alpha-p operation of the storage ring gives good opportunities not only for new understandings of beamphysics but also for coherent mm-wave light by very short electron bunches.

科学から産業技術へ------ ニュースバルの挑戦

１．はじめに-----momentum compaction factor を正負自由に変更でき、サイクロトロンのように等時性運転ができる。

ニュースバルは、放射光の産業利用により兵庫県下の企業の「ハイテク化」と新しい光源開発を目指
表１：Main Parameters of NewSUBARU Storage Ring
して建設された。前者の目的からリングのエネル
周長118.731mギーは、ミリメートル・オーダーの深さの微細加工
入射エネルギー1.0GeV(LIGA)が可能な 3 ˜ 6 keV の放射光が充分得られ最大エネルギー1.5GeVるように設定すると共に、時流の低エミッタンス化
自然エミッタンス
38 ( 86 )nm ( 1.5 GeV )は重点から外した。 産業利用では、全日本規模で最大蓄積電流500(>50)
mA ( Single )の共同研究が進捗しているだけでなく、具体的に商6.30 / 2.23
νx / νy
品の大量生産を念頭に置いた地元企業の進出があり、 Tune
RF 周波数
499.95MHzほぼ初期目標を達成している。放射光産業利用の超最大 RF 出力140kW
微細加工分野では、世界的にも牽引車の役割を果た挿入光源数4している。光源開発では 15 m の長直線部を２カ所
ビームライン数8 ( 11 )（含分岐）設け（図２）、レーザーなど他ビームとの相互作用を自由に行えるようにすると共に、逆偏向電磁石を導入し、極短バンチ長電子ビームの生成を目指すことにした。また「Negative Alpha-p」運転において、ビーム物理学に新しい知見をもたらす可能性があるだけでなく、全バンチ長：1mm以下のビームを安定に蓄積し、コヒーレント・ミリ波を供給できる道が開けつつある。

２．NewSUBARU 蓄積リングの概要
NewSUBARU1,[1] は SPring-8 の LINAC を入射器とする 1.5 GeV の放射光源蓄積リングを中心とする施設（図２）で、 SPring-8 の 協力の下建設され運営されている。リングは表１に主要パラメータを示すが、15 m - 長直線部２カ所と、６台の逆偏向電磁石を持つ。逆偏向部での運動量分散をこの上下流にある２台の四極電磁石 ( Q3 & Q4 )で調整し、
12

図１：ニュースバルの放射光スペクトル

E-mail : ando@lasti.u-hyogo.ac.jp
http://www.lasti.u-hyogo.ac.jp/NS/Index-J.html

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図２：NewSUBARU 施設の平面図
電子のエネルギーや偏向電磁石の磁場の強さは図１のスペクトルのように、1.5 GeV にて光子の臨界エネルギーが ~ 3 keV (2.9 keV) となるようにした。
電磁石の口径は COD を見込まないぎりぎり一杯に小さくした。（電子ビームに有効な内径：高さ± 10( 14 ) mm／偏向（四極）電磁石、幅±34 mm ）3.1 高性能な BL - 7b
図３左は本BLで得られた清浄なシリコン( 100 ) 表
面での Si-2p 内殻光電子スペクトルであるが、矢印
で示す、右の既存データでは明瞭でない dip が識別されている。

３．産業利用と材料物性評価
産業利用を目指した研究 [2] は大きく３分野に分かれる。（１）ビームライン（BL）6，7a＆7b での表面改質を中心とする新素材開発。ここでは光化学反応と物性評価が不可欠であり、産業利用の基礎的知見を与えるものである。（２）BL - 3, 9, 10 での極端紫外光縮小投影露光による超 LSI 開発。ここでは光学素子の反射率絶対値測定や縮小光学系の歪み・精度測定・評価がともなう。（３）BL - 2 ＆11での LIGA。ミクロン精度での大面積露光及び深さ1mm に迫るエッチングが基本であるが、更にマスク・パターン製作のみならず、金型への転写及び製品成形も重要である。
以下実例に従って産業利用を紹介する。

図３：( 100 )表面での Si-2p 内殻光電子スペクトル
3.2 PTFE（テフロン）の表面改質
本研究は微細加工と組み合わせて局所的に表面物性を制御したナノパーツ製作を目標として、エンジ
ニアリングプラスチックの代表例として PTFEの表133

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面改質を実施した。 BL-6 で基板温度とガス雰囲気を変えた照射を行い、照射前後の顕微鏡観察と BL7b でのＸ線光電子分光から、低温領域での親水性増加反応と高温での疎水性増加反応の存在を示した。
電気配線分野などで有用な接触性表面実現へ向け更に実験を続けている。

10 mm
100 nm L&S

1 0 nm

４．本格的産業利用

60 nm L&S

本稿で紹介する研究は、中小企業から全日本規模での大企業を取り込んだ共同研究で、国の施策とも大いに関係し、商品の大量生産を視野に入れている。
図５：大面積転写パターン

4.1 EUVL（極端紫外光縮小投影露光）
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集積化は、 1970年代より3 年に4倍のペース開発が進められてきた。 2007 年には最小線幅 70nmをもつ64 Gbit級の半導体メモリーや演算速度10GHzのMPUの生産が計画されている。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高精度に形成する加工技術である。ここでは、波長を13 nmまで短くした極端紫外線の反射鏡縮小光学系を用いる。
高度研が開発した装置により、図４に示すように、線幅（Ｌ）： 40nm、間隔（Ｓ）： 80nmのパタンを形成した。レ
ジストには ZEP520 を用いており、レジスト膜は0.1 μｍである。
40nmの孤立パタン形成も可能である。図５はマスクとウェハのステージ走査によって大面積 10mm x10mm
図４：微細転写パターンの露光領域を得たものである。垂直方向は60nmまでクリアに転写できているが、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能の向上が重要である。
本装置ではマスクパターンを反射鏡光学系で１／５に縮小しているが、反射鏡表面の一様性が決定的に重要であり、直径３０ｃｍに対して、１ナノメートル平方の領域毎に０．１ナノメートルの精度で測定できるシステムも開発中である。またマスク上やミラー面への不純物付着を極力押さえるため、付着のメカニズム及び除去法の研究も進展している。平
行して多層膜の反射率の絶対測定系も確立されつつある。これらは、超ＬＳＩ開発だけではなく、精密光学機器商品の品質検査ラインとして有用であり、これを前提とした企業と共同研究中である。
4.2 LIGA
高度研では、放射光にてレジストの加工を行うのみならず、パターンの生成から、（樹脂）成形・大量生産に到るプロセスを一つのものとして研究を進めている。
ＩＴ機器の普遍化・携帯化の進捗から、単一部品の小型化のみならず、システムとしての小型化と消費電力の低減が大きな課題 となっている。そこ でターゲットをこの課題に絞り、商品化を前提にした部品の製造に着手している。図６は、液晶表示パネルにて、明るい明瞭なディスプ
図６：ライティング・レイを実現するに不可欠パネルの径~10µm 構造な、ライティングパネル（大きさ５ｃｍ角）を高度研にて製作したものである。従来の機械加工で製作されたものに比べ、消費電力を１／３に低減できた。最低限Ａ４サイズの量産化を目指し、国及び県の助勢のもと企業との共同研究が進んでおり、主企業はニュースバルの近隣に研究所・工場を建設た。
図７：チョークコイル
BL-2 は本計画のもと、

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設計され建設され、正に商品大量生産に向け Standby している。。
図７はスパイラル構造を持つチョークコイルでり、金型から成形し必要な加工を施した完成部品である。

２乗に比例する。 NewSUBARUの蓄積電流は最大500mA : 1.2E12 electrons/sec であるが、超電荷電子ならば、6.0E6 個：2.4 µA で同強度の放射光が得られる。
49 10-58 104 α1=1.36X107 104
6 104
5 104
FWHM=3.8ps
4 104
43 102 104
1 1040-1 104
152025５．光源開発

count

5.1 レーザー・コンプトン後方散乱 γ 線
BL-1 にて波長1mmのレーザーを1GeV 電子ビームに衝突させ最大エネルギー~ 17 MeVの γ 線を発生させ、標的の透過率から断面積を図８のように得ている。他施設の( γ , n ) 反応データと良く一致し3035time (ps)

図１０：リングで世界最短のバンチ長

６．Negative Alpha - p の世界

図９：γ 線透過像ている。また γ 線 Radiography の試みとして金とアルミニウムの棒の束を通過後の映像を観測したところ、図９のようにAl では γ 線 が収束した様な現象が見られる。

6.1 Fast Head Tail Instability
クロマティシティの大きさを１或いはそれ以下に設定し、Fast Head Tail Instability ( Transverse ModeCoupling Instability ) を調べた。これはバンチの中で先頭から尻尾へと ( NewSUBARU の場合）垂直方向にいろいろなモードの振動が生じ、２つのモードの振動数が近づくと、振幅が増大しビーム損失に到る。m=0 モードはバンチ全体が、 m=1 モードは先頭と尻尾が逆位相で、上下に振動する。

5.2 極短パルス電子ビーム

Shaked Vertical Oscillation
Single Bunch @ 1 GeV
ξy= 1.04 & VRF = 220 (kV)Single Bunch / α = ~-1.0E-3
p-90-100

VRF=77 kV, fRF = 499.962091 MHz
7.0 mA
6.05.0
4.1
3.0
2.0
1.0
0.5

2.99 mA-100
2.11 mA

Arbitary (dB)

電子ビームは放射励起のため必ず有限のエネルギー広がりを持つ。エネルギーのずれた電子のリング周回時間は、中心の（同期した）電子のそれからエネルギーのずれに対応してずれている。またこれが電子ビームの時間的広がり：パルス長を決める。
逆偏向電磁石（BI）での運動量分散を調整することにより、この周回時間のずれを任意に制御でき、パルス長を数ピコ秒まで短くできる。 NewSUBARU蓄積リング [3]はこれを正面に据えた世界初のリングであり、現在図１０の様に、半値全幅で~ 1 mm を達成している。これは実測データとしてはリングにおける世界最短電子ビームである。
バンチ長を短くすると、電子の線密度或いはピーク電流が増大しビームが不安定になるため、蓄積電流は一般に微弱となる。しかしながらバンチ長と同程度の波長の放射光からみると、個々の電子は区別できず、バンチ全体が超電荷の１電子となる。即ちこの波長の放射光はコヒーレントで強度は電子数の-1101.05 mA-1200.51 mA-105Arbitary (dB)

図８：181 Ta のγ -核反応断面積

通常の電子リングではエネルギーが大きい方にずれた電子は偏向電磁石で曲げられ難く外側の軌道を回る。即ち周回時間はエネルギーのずれに比例して大きくなる。これを Positive Alpha - p という。 α p( momentum compaction factor ) > 0. NewSUBARU 蓄積リングでは、逆方向偏向電磁石の導入によりこのα p を正負に自由に制御できる。α p < 0 ではα p > 0より耐不安定性に優れているという解析 [4] があり、極短バンチ運転に優れている可能性がある。

-110-115-130m = -1-1405m=01015f - 500522 (kHz)20-1200.2350.236
0.2370.238
ν (= f / frev-h )0.239

図１１：ベータトロン振動サイドバンドの微細構造と蓄積電流135Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)νyν (m=0)-meas.

0.237

ν (m=-1)-meas.

νy
0.24

0.236

ν y (m=0)-cal.

0.239

0.235

ν y (m=-1)-cal.

0.238

yy

0.234

0.237

0.233

0.236

σδ/σδ0(α p>0)-meas.
τh/τh0(α p>0)-meas.
σδ/σδ0(α p>0)-fitτh/τh0(α p>0)-fit

m=0 (meas)m=-1(meas)
m=0 (cal-15psec)
m=-1 (cal-15psec)

43.50.235
02468Bunch Current (mA/bunch)100246810

Blow up ratio

0.232

σδ/σδ0(α p<0)-meas.
τh/τh0(α p<0)-meas.
σδ/σδ0(α p<0)-fitτh/τh0(α p<0)-fit

Bunch Current (mA/bunch)

図１２：Sacherer 理論による解析
図１１はベータトロン振動のサイドバンドを細かくみたものである。（ m=1は固有振動の両側に現れるが、回転周波数に近い方の振動数を明示するためにm=-1と表記する。）図１２はその解析である。両図の比較から次のことが言える。

Arbitary (dB)１）α p > 0 では~3mA/bunchで両モードの振動数の差が~0.001となり、これ以上蓄積できない。固有振動は明瞭に存在する。Bunch Lengthening を考慮した理論とよく一致。
２）α p < 0 ではバンチ長一定とした計算と良く合うが、両モード
7.2
3.2の振動数の差が1.4
ξy= -0.5 @2003-05-17
1.1~0.001 で も 安 定
400.90.8-w
20で、 50mA/bunch0以上蓄積が可能-20である。
-40
固 有 振 動 は-60~0.8mA/bunch
で-80-0.6 -0.4-0.2
00.2
0.40.6
見えなくなり、ν
高調波を伴う新
図１３：新振動の出現
たなコヒーレン
ト振動があらわれる（図１３）。
通常のHead Tail に対しても振動は続くがビーム損失にはつながらない。
３）計算で得られる増大率は測定から予想される値よりも５０〜１００倍大きい。
6.2 Microwave Instability
バンチ内の電子は放射励起のためいろいろな振動をしているが、通常は放射減衰している。しかしバンチ電流が増大すると、真空チェンバーや加速空洞との相互作用で或る振動が増大することがある。特に縦方向振動（エネルギー振動）では、この時エネ
ルギー拡がりやバンチ長が大きくなる。これらが大きくなると電子密度が下がり増大が鈍る。電子ビー
ムはこの二つの機構が平衡するエネルギー広がりとバンチ長で安定化する。これを Microwave Instabilityと称す。図１４はα p正負での本現象を比較している（シングル・バンチ）。

32.521.5
10.505101520Ib (mA)2530

図１４：バンチ長＆エネルギー幅とビーム強度０電流でのバンチ長(τ h0:FWHM)とエネルギー広がり(σδ0:rms)はそれぞれ ~50 psec及び ~4.8E-4である。
従来はESRFやSuperACOのデータから、α p < 0 では、
α p > 0 に比べ、バンチ長増大は抑えられるが、エネ
ルギー幅が極端に増大し、シンクロトロン振動の結果バンチ長も極端に増大する、と予想されていたが、NewSUBARUでは、増大はともに Ib (Bunch Current )の1/3乗の理論通りの結果を示した。（ α p < 0 の方が増大が穏やかな理由は不明。）
理論解析では α p 正負での唯一の差はバンチの時間的構造にあるが、これが実際の Beam Dynamicsにどのように反映されるか、更に定量的に把握することは、ビーム物理学へ新たな知見を提供するであろう。

謝辞
NewSUBARU の安定な運転実現における SPring8 の関係各位の多大な協力に深く感謝致します。

参考文献[1] A. Ando, et al., " Isochronous storage ring of the New
SUBARU project ", J. Synchrotron Radiation, 5 (1998),
pp. 342-344.

[2] 安東愛之輔他、 "ニュースバルの到達点 "、放射光 第１５巻第６号(2002), pp. 336 - 346.
[3] Y. Shoji, et al., " Quasi-Isochronous Operation atNewSUBARU ", Proceedings of the 8-th Int. Conf.
on Synchrotron Radiation Instrumentation, AIP
Conference Proceedings 705 (2004), pp. 57-60.
[4] S. X. Fang, et al., " Microwave Instabilities inElectron Rings with
Negative Momentum
Compaction Factor ", KEK Preprint 94-190 (1998)

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