JPS6180800A - 放射光照射装置 - Google Patents

放射光照射装置

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JPS6180800A
JPS6180800A JP20148084A JP20148084A JPS6180800A JP S6180800 A JPS6180800 A JP S6180800A JP 20148084 A JP20148084 A JP 20148084A JP 20148084 A JP20148084 A JP 20148084A JP S6180800 A JPS6180800 A JP S6180800A
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JP
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magnet
electron beam
action
synchrotron radiation
deflection
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JP20148084A
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妻木 孝治
健治 宮田
正嗣 西
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Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、シンクロトロン軌道放射光を用いて半導体ウ
ェハなどの被照射物を照射する装置に関するものである
〔発明の背景〕
シンクロトロン軌道放射光は、第24図に模式的に示す
ように、光速に近い電子eが磁界Hによって軌導を曲げ
られるときに放射される電磁波で、軌道の接線方向に強
い指向性を有しているので各種の用途が有り、例えば電
子部品の微細パターン転写用の線源としても非常に有用
である。
この放射光を用いて露光の為の照射を行う場合、第24
図に示すように横方向(本図において左右)には十分な
一様の露光が得られるが、縦方向(本図においてZ方向
)には1 / rラジアン程度のひろがりしか得られな
い。ただしγは電子エネルギーと電子の静止質量との比
であり、電子エネルギーが500MeVの場合r=10
00である。したがってこの場合縦方向の放射角は1ミ
リラジアン程度となり発光点から5m地点では5簡の露
光幅しか得られない。一方、被照射物として例えばウェ
ハの場合、通常10α以上の直径を有し、これらの被照
射物上に微細パターンを転写する場合、大きい露光面積
を得るために放射光束の拡大(光束の径の拡大)が必要
となる。
従来放射光を拡大する方法としては、光学的に放射光ビ
ームを拡大する方法、蓄積電子の軌道を変化させるもの
がある。光学的に放射光ビームを拡大する方法としては
、揺動ミラーで放射光を反射させるものがある。しかし
ミラーの反射係数が低いため露光時間が長゛くなるとい
う欠点がある。
蓄積電子の軌道を変化させるものとしては、ステアリン
グマグネットの弱い横磁場によシ軌道を上下にふる方法
がある。しかしこの方法はある磁場強度以上の磁場を印
加すると電子ビームが失われてしまい放射光サイズを十
分拡大できない。又動的磁場を加えるため電子ビームが
不安定になりやずいという欠点がある。又この方法は主
に電子ビームの軌道の傾きを変化させて放射光の出射方
向を変化させるものであるため十分離れないと露光面積
が得られない。たとえばこの方法による最大     
i露光幅は10m地点で約3画であるが5m地点にな、
ると1.7cn1程度となる。しかし電子ビームサイズ
自身を拡大すれば発光点から離れなくても露光面積は大
きくでき、又軌道を傾けて放射光の出射方向を変化させ
る方法と組みあわせれば幅広い露光面積が得られる。し
たがって、このシンクロトロン軌道放射光を工業生産面
で有効に利用するためには、そのビームサイズを拡大す
ることが重要な課題となる。
シンクロトロン軌道放射光のビームサイズを拡大する方
法については、雑誌6日本の科学と技術“′84超微細
加工特集(財団法人日本科学技術振興財団発行25−2
28−7.8月)中、阿刀田伸央氏の7次代を担うリン
グラフィ技術の本命”に詳しいが、この方法によると電
子ビームを偏向させる為の磁石の他に電子ビームを拡大
する為に4個以上の収束用四重極磁石が必要となり、こ
のため装置全体が複雑で大形となり、又、調整が複雑に
なるという欠点が有る。
一方、前記の電子ビーム偏向用磁石に半径方向の磁場強
度変化を持たせることにより偏向・収束の両機能、又は
偏向・発散の両機能を付与し、これら複数種類の磁石を
交互に配列した強収束シンクロトロンも公知である。こ
の装置に於ては偏向磁石部でビームサイズを最大にする
ことはできるが、半径方向の撮動が発散するため蓄積リ
ングとしては使えないという問題がある。
〔発明の目的〕
本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、電子ビー
ムから放出される放射光のサイズを拡大することができ
、しかも構造が簡単で、小形に構成することができる放
射光照射装置を提供しようとするものである。
〔発明の概要〕
上記目的を達成する為、本発明の放射光照射装置は、電
子加速用の高周波加速空胴、電子ビームの偏向用磁石、
同収束用磁石、同発散用磁石及び真空チェンバを有する
電子蓄積リングと、被照射物を設置する設置ステーショ
ンと、前記電子蓄積リングの放射光発生点から被照射物
まで放射光を導くビームラインとを設けた放射光照射装
置において、前記の電子ビーム偏向用磁石はその一部に
電子ビームの偏向作用と収束作用とを果たす個所を設け
るとともに、他の一部に電子ビームの偏向作用と発散作
用とt果たす個所を設け、かつ、その他の部分は電子ビ
ームの偏向作用のみを果たすように構成して、収束専用
磁石及び発散専用磁石の設置を省略したことを特徴とす
る。
〔発明の実施例〕
次に、本発明の一実施例を第1図乃至第8図について説
明する。
この実施例は(第2図参照)加速器500で加速された
電子を蓄積する蓄積リング510に導入して放射された
光によって半導体ウェハ531を照射するように構成し
た放射光照射装置の1例である。
本実施例の放射装置は、電子を加速する加速器500、
加速された電子を蓄積する蓄積リング設置ステーション
530よυなる。
tfit’)ングは第3図に示すように、電子ビームを
偏向および収束させる偏向収束電磁石600、加速器5
00からの電子を偏向させ蓄積リング510に導き入れ
るセプタム磁石610、電子軌道を歪めて入射を容易に
するキツカー磁石6201電子を加速する高周波加速空
胴6301電子ビームの位置をモニターするビームモニ
ター640、リングの真空チェンバー650を高真空に
する真空ポンプ660などからなる。
ビームライン520は、第7図及び第8図に示すように
放射光を遮断するアブソーバ7001設置ステーシヨン
530などでの真空洩れがあった場合、高真空のリング
650(第3図)内に気体が侵入しないようリング側と
ステーション側との間を遮断する高速遮断パルプ710
、加速器500から蓄積リング510に電子を打ち込む
場合、設置ステーション側への放射線の侵入を阻止する
と−ムシャツタ−720などからなる。
設置x+−−y″′には・′s9図′示す1うにX1線
マスク800、X線に感光するXiレジスト810、お
よび半導体ウェハー820などを設置する。
電子■は加速器により所定のエネルギーまで加速され(
第3図)、蓄積リング510に入射される。入射された
電子は偏向収束磁石600により定められた一定の軌道
400を中心に振動しなから&’MIJング内を回転し
続ける。この中心軌道を閉軌道400といい、この軌道
のまわりの振動運動をベータトロン振動という。この振
動運動は鉛直方向2および水平方向Xの振動に分解でき
、電子ビームがある大きさを持つ原因となる。このベー
タトロン振動は偏向収束電磁石600(第3゜第7図)
により損幅が調整され、適当なビームサイズとなる。
加速器500からの電子は偏向収束電磁石600(第3
図)間の直線部に設けられたセプタム磁石610により
曲げられ、リング内の閉軌道400に乗せられる。この
とき閉軌道650はキツカー磁石620により第3図の
破線に示す400′の如く曲げられる。蓄積リングに入
射された電子はこのままでは数回リング内を周回した後
、再びセプタム磁石610に衝突してしまうためキツカ
ー磁石620を下げ、閉軌道650をもとの軌道400
にもどす。電子はリング内を周回している間に偏向磁石
部600で加速度運動をうけ、光を放出する。この光は
放射光と呼ばれ幅の広いスペクトル分布を持つ。この放
射光を放出するためにベータトロン振動は減衰し、ある
一定のビームサイズとなる。このように一定時間後ベー
タトロン振動は減衰してビームサイズが小さくなったと
ころで再びキツカー磁石620により閉軌道を入射に都
合のよいように歪め、セプタム磁石610により加速器
からの電子ビームを入射させる。所定のビーム電流が蓄
積するまでこの動作を繰り返す。
蓄積された電子ビームはガウス分布型をしている。
X方向およびZ方向の電子ビームサイズを標準偏差であ
られすとそれぞれ欠配の式(1)、式(2)であられす
ことができる。ただし、x、z、sは第3図に示す方向
とする。
σ、=Vπ)〒ΣT   ・・・・・・・・・(1)た
だしβ8.β、はそれぞれX方向および2方向のベータ
トロン関数と呼はれ、電子軌道上の位置Sの関数である
。ηはエネルギー分散関数と呼ばれる関数である。Eは
電子のエネルギー、σ鳶は電子エネルギーの分散である
ε8.ε、はX方向および2方向のエミツタンスと呼ば
れる量で、位置Sによらず一定の値をとる。したがって
X方向のビームサイズはベータトロン関数β、およびエ
ネルギー分散関数ηが大きい場所はどビームサイズは大
きくなる。2方向はベータトロン関数β、が大きいほど
ビームサイズは大きくなる。
ベータトロン関数は偏向収束電磁石の形状と強度とによ
って決まる関数である。この偏向収束電磁石に常伝導お
よび超伝導磁石を用いた場合についてそれぞれ説明する
第1図は常伝導磁石に本発明を適用した状態を示す斜視
図である。この実施例の偏光磁石601は1組の放射装
置につき4個設置し、それぞれ90°の偏向作用を分担
する。
リソグラフィに必要とされる放射光は15人前後の波長
が良いとされている。したがって放射光のピーク波長を
15人とする。このとき偏向収束電磁石の磁場強度Bと
電子エネルギーEとの関係は次式(3)であられされる
0.935 B部          ・・・・・・・・・(3)し
たがって磁場強度を1.2Tとすると電子エネルギーは
0.883GeVとなる。
常伝導磁石601はC字型の鉄心130およびコイル1
40よシなる。磁石の鉄心は両端から一定距離Loだけ
磁極面に傾斜をつけ、残シの部分は“行′す6・傾斜0
′浜部長杯5醜       1100、Cl2Oと名
付け、平行部分をB110と名付ける。
前記A100部の垂直断面を第4図に、B110部の垂
直断面を第5図に、Cl2O部の垂直断面を第6図に、
それぞれ示す。これら第4.第5゜第6図において、図
示右方が電子の回転軌跡の外側に相当する。
前記のA部100は、外側はど磁場強度が弱くなるよう
に磁極面150が外側にむかって開いた構造とする。0
部120は上記と逆に内側の磁場強度が弱くなるように
磁極面160が内側はど開いた構造とする。そのためA
部100ではX方向。
2方向ともビームは収束する。一方C部120ではX方
向は収束するが2方向は発散する。
平行部B110の磁極間隔をd、鉄心130の長さをt
1鉄心の比透磁率をμ、コイルの電流を工、巻き数をN
とすると、起磁力NIとB、d。
t、μの間には次の関係がある。
本実施例の常伝導磁石(第1図)の磁極間隔dを10c
m、 mJFlの水平方向の長さを20m、磁石の高さ
を70cm、幅を50an、鉄心の平均長を53crr
1、軌道方向の有効長を385crnとする。A部10
0の軌道方向への有効長t、は30crn1C部120
の軌道方向への有効長t1は30crnとする。鉄心の
比透磁率は約2000であるから、式(4)よシ起磁力
は、次式(5)となる。
NI=9.6X10’ (A−T)   ・・・・・・
・・・(5)A部、B部の磁場強度の変化をあられす量
として式(6)であられされるnを定義する。
p−dB      ・・・・・・・・・(6)  d
x A部のnt−na、B部のnをrljとするとna。
n−の値を調節することによυ電子は安定に閉軌道40
0に沿って振動運動をしながら周回する。
第3図に示す直線部の長さを1.7mとしたときの軌道
の安定領域を第10図に示す。曲線aよりも下側の部分
が2方向の運動の安定領域、曲線C2dで囲まれた部分
がX方向の運動の安定領域である。したがって両方向の
安定領域900は平行斜線を付した部分となる。この領
域内の1点(n、。
n))を選び蓄積リングの動作点をきめる。n1=15
,1b=  ioを動作点とするとB = 1.2向の
ベータトロン関数は第11図のようになる。
エミツタンスε8を5X10−’(mRad)とすると
ビームサイズが最大となる点では、σmaaax”1.
7cmとなる。電子ビームはガウス分布で、第12図に
示す形状1220をしている。したがって電子ビームか
ら放射される放射光もガウス分布1230となる。又−
個の電子が放射光を放出する場合も出射方向は確率分布
を持ち、半値幅は次式(7)で与えられる。
ただしr = E / mo C,”で電子のエネルギ
ーと静止質量の比である。したがって発光点から一定距
離れた地点での分布も第12図に示すような分布123
0となる。放射光をウェハー820(第9図)上に照射
する場合放射光強度は一様である方が望ましい。したが
って放射光分布1230の両端をスリン)1240(第
12図)によって切りおとす。切りおとす位置は放射光
強度が1/2になる位置とすると、このときウェハー側
から見える電子ビームの有効サイズS、は2.4σ、と
なる。第13図に電子ビームサイズS、を示す。ビーム
サイズが最大となる点では、Sg+max!4crnと
なる。
発光点1200から距離りだけ離れた地点では式(7)
であられされる放射光のひろがりと、電子ビームのひろ
がりとの和となる。したがって照射高さHは次式(8)
であられされる。
H=χL+2.4σ、、、□    ・・・・・・・・
・(8)E=0.883GeVであるから式(7)より
z = 0.74ミリラジアンである。したがってL=
5m地点に、第9図に示すマスク800とウェハー82
0を設置すると照射の高さは4.5 cmとなる。
次に、超伝導磁石を用いた実施例について述べる。超伝
導磁石の磁場強度を4Tとすると式(3)よ     
  1υ電子のエネルギーは0.48306Vとなる。
偏向磁石は前記実施例の常伝導磁石の場合と同様に4分
割型とし、1つの偏向角は90°とする。
第14図は超伝導磁石を示し、260は鉄心、240は
超伝導コイルである。第15図は第14図のA′部の垂
直断面を示し、第16図は第14図の07部の垂直断面
を示す。
650は電子ビームが通過する真空チェンバー、230
は輻射シールド、240は超伝導コイル、250は冷却
用ヘリウム容器、260は鉄心、270は真空容器であ
る。前記の鉄心260は真空チェンバー650を上下方
向に挾み込んだ形状とする。
電子ビームの軌道面からコイルの中心までの距離t、を
6.6cm、真空チェンバー径d、をLOcm。
液体ヘリウム容器の内径をllCm1外径を37crr
1、真空容器内径を150z、軌道方向の有効長t。
を0.63mとする。このときコイル起磁力は約1.3
X10’  (A−T)、電流密度は260(A/f1
2)である。
前記の超伝導コイル240の平面図を第17図に、側面
図を第18図に示す。第19図は第18図のI−I断面
図、第20図は同じ< n−m断面図である。
コイルのU点から7点までをA’ 200、V点からW
点までをB’200、W点からX点までをC’220、
Y点から2点iでをD’300と名付ける。
A′部200での上下のコイル間隔をり、、07部22
0でのコイル間隔をり、、82部210でのコイル間隔
をh−1D′部でのコイル間隔をhシとする。h、hb
、h、、ha は次の関係を満たすようにする。
h、>h、=J :>h、      ・・・・・・・
・・(9)このときA′部200では外側の磁場強度は
内側よりも弱く、07部220では逆に外側の磁場強度
が内側よりも強くなシ、82部210の磁場強度は一定
である。したがって常伝導磁石の場合と同様にA′部2
00では、x、z方向とも収束、07部220ではX方
向は収束、2方向は発散する。常伝導磁石の場合と同様
にA′部でのnをN、、C’部でのn t N bとし
直線部の長さを0.5mとすると軌道の安定領域は第2
1図の斜線部1300となる。動作点をN、=6、Nb
=3このとき2方向のベータトロン関数は第22図のよ
うになる。エミツタンスεm ヲ5X10−’mR,e
dとすると、ビームサイズS1は第23図のようになる
。3点からt点までが放射光の発生する部分である。ビ
ームサイズが最大の点ではσ@va*x=0.87on
である。
従ってビームの半値幅は2crnである。
既述の如く、電子のエネルギーは0.483GeVであ
るからγ=966となり、放射光のひろがりψは1.4
ミリラジアンとなる。このため、発光点から5m地点で
の照射高さHは、式(8)から29Iyr&となる。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明を適用して、シンクロトロ
ン放射光照射装置の偏向用磁石の1部に電子ビームの偏
向作用と収束作用とを果たす個所を設けるとともに、他
の一部に電子ビームの偏向作用と発散作用とを果たす個
所を設け、かつ、その他の部分拡電子ビームの偏向作用
のみを果たすように構成して、収束専用磁石及び発散専
用磁石の設置を省略すると、簡単な構成で電子ビームか
ら放出される放射光のサイズな拡大することかできると
いう優れた実用的効果を奏し、小形で露光面積の大きい
放射光照射装置の開発に貢献するとこる多大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の放射光照射装置の一実施例における常
伝導磁石の斜視図である。第2図は微細パターン転写装
置の全体図、第3図は電子の蓄積リングの正面図である
。第4図は第1図の常伝導磁石のA部所面図、第5図は
同じくB部断面図、第6図は同じくC部所面図である。 第7図は放射光ビームを半導体ウェハに導くビームライ
ンの平      1面図、第8図は同じく正面図であ
る。第9図は半導体ウェハーを設置する設置ステーショ
ンの模式図、第10図は常伝導磁石を用いた場合の蓄積
リングの安定領域をあられす図表、第11図は第10図
の安定領域で動作点をna=15.n4=10としたと
きのベータトロン関数を示す図表である。第12図は発
光点での電子ビームサイズと、発光点よりLだけ離れた
地点での放射光の鉛直方向の拡がりHとの関係をあられ
す図表、第13図は電子軌道上の各点での電子ビームサ
イズを示す図表である。第14図は前記と異なる実施例
における超伝導磁石の正面図、第15図は第14図のA
′部の断面を示す模式図、第16図は同じ<07部の断
面を示す模式図である。第17図は第14図の実施例に
おける超伝導コイルの平面図、第18図は同じく側面図
である。第19図は第18図の1−1部析面を示す模式
図、第20図は同じくU−、U断面を示す模式図である
。第21図は超伝導磁石を用いた場合の蓄積リングの安
定領域をあられす図表、第22図は第21図の安定領域
で動作点をn、=6.nb =3とした場合のベータト
ロン関数を示す図表、第23図は電子ビームの軌道上の
各点における電子ビームサイズを示す図表でおる。第2
4図は放射光の拡カリを示す模式図である。 100・・・磁極面に傾斜をつけた部分、110・・・
磁極面が平行な部分、120・・・磁極面に傾斜をつけ
た部分、130・・・鉄心、140・・・コイル、15
0・・・外側にひろがった磁極、160・・・内側にひ
ろがった磁極、170・・・平行な磁極、200・・・
上下のコイル間隔のひろがった部分、210・・・上下
のコイル間隔がひろがった部分とせばまった部分の平均
距離となっている部分、220・・・上下のコイル間隔
がせばまった部分、230・・・輻射シールド、240
・・・超伝導コイル、250・・・ヘリウム容器、26
0・・・鉄心、270・・・真空容器、400・・・電
子の閉軌道、500・・・加速器、510・・・蓄積リ
ング、520・・・ビームライン、530・・・設置ス
テーション、600・・・偏向収束電磁石、610・・
・セプタム磁石、620・・・キツカー磁石、630・
−・高周波加速空胴、640・・・ビームモニター、7
00・・・アブソーバ、710・・・遮断パルプ、72
0・・・ビームシャッタ、800・・・マスク、810
・・・レジスト、820・・・半導体ウェハ、900・
・・安定領域、1200・・・発光点、1210・・・
発光点から距離りだけ離れた地点、1220・・・電子
ビーム形状、1230・・・放射光ビーム形状、124
0・・・スリット、1300・・・安定領域、A・・・
常伝導の偏向磁石で磁場強度が外側はど弱まるように磁
極面に傾斜をつけた部分、B・・・常伝導の偏向磁石で
磁極面が平行な部分、C・・・常伝導偏向磁石で磁場強
度が外側はど強まるように磁極面に傾斜をつけた部分、
A′・・・超伝導の偏向磁石で磁場強度が外側はど弱ま
るように上下のコイル間隔をひろげた部分、B′・・・
超伝導の偏向磁石で、上下のコイル間隔がA′とC′と
の中間の部分、C′・・・超伝導の偏向磁石で、磁場強
度が外側はど強まるように上下のコイル間隔をせばめた
部分、D′・・・超伝導の偏向磁石で、上下のコイル間
隔がA′とC′の中間の部分。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電子を加速する高周波加速空胴、電子ビームの偏向
    用磁石、同収束用磁石、同発散用磁石及び真空チエンバ
    を有する電子蓄積リングと、被照射物を設置する設置ス
    テーションと、前記電子蓄積リングの放射光発生点から
    被照射物まで放射光を導くビームラインとを設けた放射
    光照射装置において、前記の電子ビーム偏向用磁石はそ
    の一部に電子ビームの偏向作用と収束作用とを果たす個
    所を設けるとともに、他の一部に電子ビームの偏向作用
    と発散作用とを果たす個所を設け、かつ、その他の部分
    は電子ビームの偏向作用のみを果たすように構成して、
    収束専用磁石及び発散専用磁石の設置を省略したことを
    特徴とする放射光照射装置。 2、前記の電子ビーム偏向用磁石は、鉄心とコイルとを
    有する常伝導磁石とし、かつ、前記の偏向作用と発散作
    用とを果たす個所はその磁極間隔を半径方向の外側に向
    かつて狭めた形状にするとともに、前記の偏向作用と発
    散作用とを果たす個所はその磁極間隔を半径方向の外側
    に向かつて拡げた形状とし、その他の部分は磁極間隔を
    等間隔としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の放射光照射装置。 3、前記の電子ビーム偏向用磁石は、鉄心と超伝導コイ
    ルとからなる超電導磁石とし、かつ、前記の偏向作用と
    発散作用とを果たす個所のコイルは半径方向に外側のコ
    イル間隔を同内側のコイル間隔よりも狭くするとともに
    、前記の偏向作用と収束作用とを果たす個所のコイルは
    半径方向に外側のコイル間隔を同内側のコイル間隔より
    も広くしたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
    載の放射光照射装置。
JP20148084A 1984-09-28 1984-09-28 放射光照射装置 Pending JPS6180800A (ja)

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JP20148084A JPS6180800A (ja) 1984-09-28 1984-09-28 放射光照射装置

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