JP2005083862A - 光学薄膜およびこれを用いたミラー - Google Patents

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Abstract

【課題】 光学薄膜を形成したＸ線用ミラー表面にＸ線を照射した際に生じる光学薄膜での熱を効率よく放出する光学薄膜構成を提供する。
【解決手段】 自然同位体比率よりも高い同位体純度で形成された光学薄膜を形成ミラー上に形成し、光学薄膜自体の熱伝導度をあげ、薄膜に蓄積される熱を速やかに系外に放出する。これにより光学薄膜の微細構造が破壊されず、高反射率なミラーが得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学薄膜およびこれを用いたミラーに関するものであり、より詳しくは軟Ｘ線領域での多層膜ミラーに関する。
軟Ｘ線領域では、光は全ての物質で強く吸収されると共に、屈折率が１に近い為、原理的には屈折によるレンズ作用を利用する事が出来ない。そこでミラーを利用して光学系を組む事になるが、通常の単層膜を形成した反射鏡の直入射反射率はほとんどゼロに近く、機能しない。ところが比較的吸収の少ない材料を用いた多層膜が、直入射ミラー光学素子として機能できるため、その効果を利用した反射光学系を用いる事が可能になっている。
上記の様なミラーなどの光学素子を作るために、Ａ，Ｂ二種類の物質を交互に数十層以上積層させ、さらに、それらの界面である反射面を多数形成して各々の界面からの反射波の位相が一致するような光学的干渉理論に基づいた波長オーダーの厚さである極薄膜を持つ多層膜からなる反射鏡が開発された。高反射率を得る為にはＡ，Ｂ物質の組み合わせとして、吸収係数が出来るだけ小さく、屈折率ｎＡとｎＢの差が大きい２つの物質を選ぶ必要がある。入射波が軟Ｘ銭領域での波長である１１ｎｍ〜１４ｎｍの範囲で最も高反射率が得られる物質対としてＭｏとＳｉの交互多層膜である（例えば、特許文献１参照。）。この多層膜はマグネトロンスパッタ・ＥＢ蒸着・イオンビームスパッタ等の薄膜形成技術によって形成する事が出来る。
上記の手法でＭｏとＳｉの多層膜を作製する際、成膜中心部と周辺部では温度差があり、温度ムラが生じる。それによって多層膜中でも拡散等の起こり具合も異なり、膜ムラが生じる。
さらにこの多層膜を形成した軟Ｘ線用ミラーにおいては、入射した軟Ｘ線のうち反射条件を満たす波長を持つＸ線のみを反射し、それ以外の波長を有するものについてはほとんど吸収していた。すなわち、多層膜ミラーに強力な軟Ｘ線を入射させると、多層膜に吸収されたＸ線のエネルギーによりこの多層膜が加熱される。多層膜の温度上昇は、反射ミラーに入射する軟Ｘ線の強度や、多層膜のＸ線の吸収率にも依存するが、シンクロトロン放射光の場合、数百℃程度に達すると予想される。多層膜が加熱されると、その微細構造が破壊され、変化してしまう。
一般に、多層膜に大きな膜ムラが生じたり、その微細構造が壊れたりすると、反射率は低下してしまう。熱が多層膜中に局所的に滞在する事や破壊される事の無い為には、熱の伝達により、多層膜内部から熱を放出しなければならない。このような多層膜を形成した軟Ｘ線ミラーは露光装置の構成として用いる際は真空中に設置される。真空中では空気中の様なガスによる熱の伝達が生じないため、加熱された多層膜の熱は多層膜を通して基板へ移動させていかなければならない。
そこで、熱の伝達が起こりやすい多層膜ミラーを形成する方法が考えられてきた。従来は多層膜を冷却する冷却機構を設ける事で多層膜から熱を放出していた（例えば、特許文献２参照。）。また、多層膜と接するように熱伝導性の高い物質（伝熱層）を設けるようにし、多層膜から熱を放出する方法も考えられてきた（例えば、特許文献３参照。）。
特登録３１０１６９５号公報 特開平０５−１１９２０８号公報 特開平０５−３３３１９９号公報
上記従来の多層膜の熱放出方法では多層膜自体の熱放出性については考慮をしていない。多層膜自体の熱伝導率を上げていかなければ、熱は多層膜中に滞在する。本発明は、多層膜自体の熱伝導率を上げることで、多層膜中の熱を分散および放出することで耐熱性を向上させた光学薄膜およびそれを用いたＸ線ミラーを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る光学薄膜は自然同位体比率よりも高い同位体純度の組成からなることを特徴とする。
請求項２に係る光学薄膜は互いに異なる組成からなる交互層が１組以上形成された光学薄膜であって、前記交互層のうち少なくとも一方の層が請求項１の光学薄膜からなることを特徴とする。
請求項３に係る光学素子は、請求項１または２の光学薄膜を形成する事を特徴とする。
請求項４に係るＸ線用ミラーは、請求項２記載の光学薄膜を形成することを特徴とする。
請求項５に係るＸ線用ミラーは、交互層の一方の層がＭｏを含む層であり、他方の層がＳｉを含む層からなる請求項２記載の光学薄膜を形成したことを特徴とする。
本発明によれば光学薄膜を自然同位体比率よりも高い同位体純度を有する組成による膜とすることで光学膜の熱伝導率を上げ、光学膜内部に滞る熱を膜外部に移動、放出する事で光学膜の耐熱性を上げることができる。
またこのような光学膜を形成した軟Ｘ線多層膜ミラーはＸ線照射によっても多層膜の微細構造が破壊されず、高反射率な特性を有する。
以下、図面を参照しながら本発明の具体的実施例を説明する。
図１は本発明に係る軟Ｘ線多層膜ミラーの断面模式図である。
軟Ｘ線多層膜ミラー９は、マグネトロンスパッタリング法により、基板１上にＳｉ層３とＭｏ層４を交互に積層させた多層膜２を成膜する。この多層膜ミラー２を保持するホルダ６は、その内部に水などの冷却媒体５が流れている。また、この冷却媒体５がホルダ６外に漏れるの防ぐＯリング７を有している。これによって軟Ｘ線８が入射して温度が上昇しやすい多層膜２を冷却する事が可能になっている。
基板１の材質としては熱伝導率が高いものが好ましく、例えばＳｉ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇなどが良い。
基板１の表面にＳｉ層３を成膜する際は自然状態より同位体純度の高いＳｉをターゲットとしてスパッタを行った。
同様にＭｏ層４を成膜する際は自然状態より同位体純度の高いＭｏをターゲットとしてスパッタを行った。
このようにして基板１の表面にＳｉ層３とＭｏ層４の交互層を形成した。
同位体純度が高いターゲットを得る方法としては、遠心分離法で元素質量別（同位体別）に抽出する方法を用いた。
形成されたＳｉ層３は２８Ｓｉが存在率９９％から成る膜であった。このとき、Ｓｉ層３の熱伝導率は約０．３２ｃａｌ／ｃｍ ｄｅｇであり、Ｓｉの自然熱伝導率０．２０ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇを大幅に上回った。
Ｓｉ層３の熱伝導率が上昇したのは次のような理由による。
自然状態のＳｉでは質量が各々２８、２９、３０と異なる三種類の同位体が混在している。異なる同位体間では、振動の伝わり方が変化する。そのため熱伝導率が悪くなり温度が下がりにくい。同一質量の原子のみを集めることができれば、より効率よく原子の振動を伝えることができる。自然状態では９２．２３％の存在率を示す２８Ｓｉの純度をさらにあげ、９９．９２％という存在率を有する単結晶２８Ｓｉとすると、自然状態のＳｉに比べ、熱伝導率が６０％も高くすることができる。
Ｍｏの場合も同様に、特定の同位体の純度を上げることで熱伝導率は向上する。
Ｍｏ層４は９８Ｍｏが存在率９０％から成るものを用いた。
このように形成した多層膜をミラー表面に形成した場合、多層膜内部の熱は基板を伝わって放出される。この方法により、Ｍｏ／Ｓｉ多層膜の耐熱性は上がり、多層膜の微細構造が破壊されない、高反射率を有する軟Ｘ線多層膜ミラーが実現できた。
次に本発明に係る第２の実施の形態である軟Ｘ線多層膜ミラーについて説明する。
軟Ｘ線多層膜ミラーは、第１の実施の形態と同様マグネトロンスパッタリング法により、熱伝導率の高い基板１上に、Ｓｉ層３とＭｏ層４を交互に積層させた多層膜２を成膜する。Ｍｏ層４は、自然同位体比率を有するＭｏの層で０．３４ｃａｌ／ｃｍ・ｄｅｇの熱伝導率を有する。一方、Ｓｉ層３は２８Ｓｉが９９％以上から成り、その熱伝導率が約０．３２ｃａｌ／ｃｍ ｄｅｇであり、Ｍｏ層の熱伝導率に近い値を有する。このようにして多層膜全体が均一に近い熱伝導率を持つ様にしたので、多層膜内部の熱を基板１へ伝わりやすくする事ができた。これによりＭｏ／Ｓｉ多層膜の耐熱性は上がり、多層膜の微細構造が破壊されない、高反射率を有する軟Ｘ線多層膜ミラーが実現できた。
本発明の実施形態に係る軟Ｘ線ミラーの断面模式図
符号の説明
１ 基板
２ 多層膜
３ Ｍｏ層
４ Ｓｉ層
５ 冷却媒体
６ ホルダの一部
７ Ｏリング
８ 軟Ｘ線
９ 軟Ｘ線多層膜ミラー

Claims (5)

  1. 自然同位体比率よりも高い同位体純度の組成からなることを特徴とする光学薄膜。
  2. 互いに異なる組成からなる交互層が１組以上形成された光学薄膜であって、前記交互層のうち少なくとも一方の層が請求項１の光学薄膜からなることを特徴とする光学薄膜。
  3. 請求項１または２記載の光学薄膜を形成することを特徴とする光学素子。
  4. 請求項２記載の光学薄膜を形成することを特徴とするＸ線用ミラー。
  5. 前記交互層の一方の層がＭｏを含む層であり、他方の層がＳｉを含む層からなる請求項２記載の光学薄膜を形成することを特徴とするＸ線用ミラー。
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