JP2007163191A - 多層膜反射鏡、多層膜反射鏡を備えた光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】反射鏡面内の膜厚均一性を確保し、表面散乱を抑え、膜応力による基板変形を防ぎ、反射率の低下を抑制することが可能となるＸ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡を提供する。
【解決手段】Ｘ線領域における、真空の屈折率との差が相対的に大きい屈折率を有する低屈折率の物質による層と、相対的に小さい屈折率を有する高屈折率の物質による層とを、交互に積層して多層膜反射鏡を構成する。このような多層膜反射鏡の基板１と多層膜３との間に、Ｒｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかのペアによる層を繰り返して積層した多層構造の応力緩和層２が設けられている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層膜反射鏡、多層膜反射鏡を備えた光学系に関する。
特に、Ｘ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡、すなわち、Ｘ線レーザー、Ｘ線望遠鏡、Ｘ線リソグラフィー、Ｘ線顕微鏡等の光学系に用いられる多層膜反射鏡に関するものである。

Ｘ線波長域の光に対しては、物質の屈折率は、ｎ＝１−δ−ｉβ（δ、β：正の実数）と表され、δ、βともに１に比べて非常に小さい（屈折率の虚部βはＸ線の吸収を表す）。
従って、屈折率がほぼ１に近くなりＸ線はほとんど屈折せず、また、必ずＸ線を吸収する。
そのため、可視光領域の光のように屈折を利用したレンズはＸ線波長域の光には使用できない。
そこで、反射を利用した光学系が用いられるが、やはり屈折率が１に近いために反射率は非常に低く、大部分のＸ線は透過するか或いは吸収されてしまうこととなる。

このような問題を解決するために、つぎのような多層膜反射鏡が開発されている。
これは、使用するＸ線の波長域での屈折率と真空の屈折率（＝１）との差が大きい物質と、差の小さい物質とを交互に何層も積層する。
これにより、それらの界面による反射面を多数設け、それぞれの界面からの反射波の位相が一致するように光学的干渉理論に基づいて各層の厚さを調整した多層膜からなる反射鏡を構成する。
このような多層膜反射鏡の代表的なものとして、Ｗ（タングステン）／Ｃ（炭素）、Ｍｏ（モリブデン）／Ｓｉ（シリコン）等の組み合わせが知られている。そして、これらの多層膜はスパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ等の薄膜形成技術によって作製される。
最近においては、Ｘ線多層膜反射鏡の開発が進むに従って多層膜の評価が行われるようになり、いくつかの材料の組み合わせについて、その実用性が明らかにされつつある。
例えば、前記Ｍｏ／Ｓｉの組み合わせの多層膜は、１２３Åというシリコンの吸収端の長波長側で高い反射率を示すため、軟Ｘ線縮小投影露光装置の反射光学系に用いる多層膜反射鏡として優れていることが明らかにされている。

一方、Ｘ線レーザー、Ｘ線望遠鏡、Ｘ線リソグラフィー、Ｘ線顕微鏡等に光学素子として用いられる多層膜反射鏡においては、多層膜の膜応力による基板変形が光学系の収差を悪化させる原因となる。
これに対処する方法としては、つぎのような方法が提案されている。
例えば、特許文献１では、基板と多層膜の熱膨張係数差を鑑み、多層膜成膜後の基板変形量を低減又はキャンセルするような熱膨張係数を有する基板材料を利用する方法が提案されている。
また、例えば、特許文献２等では、多層膜ミラー中の重元素層の少なくとも一層をＲｕ、又はＲｕ／Ｍｏ／Ｒｕ構成にする方法や、多層膜中の界面に粒子線を照射し多層膜応力を低減する方法が提案されている。
また、例えば、特許文献３では、基板上に正反対の応力を有する２つの異なる多層物質の組から構成される多層膜反射鏡を付着させ多層膜成膜後の基板変形量を低減又はキャンセルする方法が提案されている。
また、例えば、特許文献４では、つぎのような応力緩和層を基板と多層膜反射鏡の間に挿入し多層膜成膜後の基板変形量を低減又はキャンセルする方法が提案されている。
この応力緩和層は、多層膜反射鏡と正反対の応力を有するＭｏ／Ｓｉ多層フィルム、Ｍｏ／Ｂｅ多層フィルム、Ｍｏ／Ｙ多層フィルム、Ｍｏ₂Ｃ／Ｓｉ多層フィルム、Ｍｏ／Ｃ多層フィルムからなる群から選ばれる多層フィルムにより構成されている。あるいは、Ｍｏ／Ｓｒ多層フィルム、Ｍｏ₂Ｃ／Ｂｅ多層フィルム、ａ−Ｓｉ、及びａ−Ｃフィルム等の群から選ばれる多層フィルムにより構成されている。
特開平９−０３３６９９号公報 特開２００１−０２７７００号公報 特表２００２−５２５６９８号公報 特表２００２−５０４７１５号公報

しかしながら、多層膜反射鏡における多層膜の膜応力による基板の変形を防止する上記従来例の方法は、つぎのような問題を有している。
例えば、上記特許文献１の基板の熱膨張係数を選別する方法では、基板材料の種類に制限があるため基板変形量を十分に低減することは困難である。
また、上記特許文献２等の多層膜反射鏡中にＲｕ、もしくはＲｕ／Ｍｏ／Ｒｕを挿入する方法や、界面に粒子線を照射する方法等では、多層膜反射鏡の反射率低下が生じやすく、反射鏡面内の膜厚均一性を確保することが困難である。
同様に、上記特許文献３の基板上に正反対の応力を有する２つの異なる多層物質の組から構成される多層膜反射鏡を付着させる方法においても、多層膜反射鏡の反射率低下が生じやすいという問題を有している。
また、上記特許文献４の基板と多層膜反射鏡の間に多層膜反射鏡と正反対の応力を有する応力緩和層を挿入する方法においては、応力緩和層の応力が十分に強くないため応力緩和層の膜厚が多層膜反射鏡部分と同程度もしくはそれ以上必要となる。
そのため、膜表面の粗さが増大し、多層膜反射鏡の表面散乱を増加させ、これにより反射率を低下させるという問題を有している。

本発明は、上記課題に鑑み、反射鏡面内の膜厚均一性を確保し、表面散乱を抑え、膜応力による基板変形を防ぎ、反射率の低下を抑制することが可能となるＸ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡の提供を目的とするものである。
また、本発明は、このような多層膜反射鏡を備えた光学系を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した多層膜反射鏡、多層膜反射鏡を備えた光学系を提供するものである。
本発明は、多層膜反射鏡をつぎのように構成したことを特徴としている。
本発明の多層膜反射鏡は、Ｘ線領域における、真空の屈折率との差が相対的に大きい屈折率を有する低屈折率の物質による層と、相対的に小さい屈折率を有する高屈折率の物質による層とを、交互に積層した多層膜を基板上に有している。
そして、本発明はこのような多層膜反射鏡において、前記基板と多層膜との間に、Ｒｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかのペアによる層を繰り返して積層した多層構造の応力緩和層が設けられていることを特徴としている。
また、本発明の多層膜反射鏡は、前記Ｒｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかのペアによる層において、Ｒｕによる層の厚さが１〜３ｎｍ、Ｓｉ及びＢ₄Ｃによる層の厚さが０．５〜２ｎｍとされていることを特徴としている。
また、本発明の多層膜反射鏡は、前記応力緩和層の多層構造における積層数が、前記低屈折率の物質による層と前記高屈折率の物質による層とを交互に積層した多層膜における積層数より、少ない積層数とされていることを特徴としている。また、本発明の多層膜反射鏡は、前記低屈折率の物質による層が、Ｍｏによって構成され、前記高屈折率の物質による層が、Ｓｉによって構成されていることを特徴としている。
また、本発明の光学系は、上記したいずれかに記載の多層膜ミラーを備えていることを特徴としている。

本発明によれば、Ｘ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡及び光学系において、反射鏡面内の膜厚均一性を確保し、表面散乱を抑え、膜応力による基板変形を防ぎ、反射率の低下を抑制することが可能となる。

上記構成により、反射鏡面内の膜厚均一性を確保し、表面散乱を抑え、膜応力による基板変形を防ぎ、反射率の低下を抑制することが可能となるＸ線用多層膜ミラーを実現することができるが、それは本発明者らのつぎのような知見に基づくものである。
それは、Ｒｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかの繰り返しからなる多層構造の応力緩和層を、Ｘ線用ミラーを構成する多層膜とミラー基板との間に挿入させることで、反射率の低下を抑制することができることを見出したことによる。

上記のＲｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかの繰り返しからなる多層構造の応力緩和層は、従来用いられている多層フィルムの群から選ばれる構成を持つ応力緩和層に比較し、多層フィルムよりも１０％〜４０％程度強い応力緩和作用を有している。
このような従来用いられている多層フィルムとしては、例えば、Ｍｏ／Ｓｉ多層フィルム、Ｍｏ／Ｂｅ多層フィルム、Ｍｏ／Ｙ多層フィルム、Ｍｏ₂Ｃ／Ｓｉ多層フィルム、等が挙げられる。あるいは、Ｍｏ／Ｃ多層フィルム、Ｍｏ／Ｓｒ多層フィルム、及びＭｏ₂Ｃ／Ｂｅ多層フィルム、ａ−Ｓｉ、及びａ−Ｃフィルムの群から選ばれる多層フィルム等が挙げられる。
本発明者らにより見出された上記のＲｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかの繰り返しからなる多層構造の応力緩和層は、上記したような強い応力緩和作用を有している。
したがって、任意の応力を有する多層膜ミラーに対して、より少ない層数構成による応力緩和層にて膜応力の緩和もしくはキャンセルが可能となる。
さらに、応力緩和層の総膜厚を比較的薄く抑えることが可能となることから、膜表面の粗さが増大することも無く、多層膜ミラーの反射率低下を抑制することが可能となる。
また、Ｒｕは膜厚１〜３ｎｍ、特に膜厚２ｎｍにて引っ張り応力の最大値を示し、Ｓｉ及びＢ₄Ｃは膜厚０．５〜２ｎｍにおいて界面粗さの抑制機能を十分に発揮する。
以上のことから、本発明によればＲｕは１〜３ｎｍの膜厚、Ｓｉ及びＢ₄Ｃは０．５〜２ｎｍの膜厚として、最大の応力緩和作用（引っ張り応力）を有する構成とすることができる。
本発明によれば、このような構成を適用することで、Ｘ線レーザー、Ｘ線望遠鏡、Ｘ線リソグラフィー、Ｘ線顕微鏡等の光学系に用いられる高反射率の多層膜反射鏡を実現することが可能となる。

つぎに、本発明を適用して構成した実施例における多層膜反射鏡について説明する。
図１に、本実施例のＸ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡の概略断面図を示す。
図１において、１はミラー基板、２はＲｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかの繰り返しからなる多層構造の応力緩和層、３はＸ線レーザー、Ｘ線望遠鏡、Ｘ線リソグラフィー、Ｘ線顕微鏡等の光学系に用いられる高反射率のミラーを構成する多層膜である。本実施例の多層膜反射鏡は、図１に示されるように、ミラー基板１と、応力緩和層２と、ミラーを構成する多層膜３によって形成されている。
ここで、２の応力緩和層において、Ｒｕは１〜３ｎｍの膜厚、Ｓｉ及びＢ₄Ｃは０．５〜２ｎｍの膜厚により形成されている。

図２に、スパッタ法にてＲｕとＭｏの各単層を成膜した際の、膜厚成長に伴う膜応力の変化の様子を示す。４はＭｏ、５はＲｕの応力成長の様子である。
これは、光梃子装置により、成膜と同時に応力測定を行ったものである。
横軸は膜厚、縦軸は膜応力を示しており、膜応力は正側が引っ張り応力、負側が圧縮応力となる。
Ｍｏ、Ｒｕ共に成膜初期においては引っ張り応力を強めながら成長してゆく。
膜厚１ｎｍを超えたところから若干挙動が分離し、最大引っ張り応力を示す膜厚２ｎｍにおいてはＲｕの方が３割ほど強い引っ張り応力を示す。
その後は共に圧縮応力に転じ、ほぼ膜厚に比例して応力を強めていく。

上記のＲｕ単層応力の結果を踏まえ、Ｒｕによる応力緩和層を軟Ｘ線用多層膜ミラーに適応した本実施例の図を図３に示す。
１はミラー基板、６は使用するＸ線波長における屈折率と真空の屈折率（＝１）との差が小さい物質であるＳｉによる層、７は真空の屈折率（＝１）との差が大きい物質であるＭｏによる層、８はＲｕである。
上記の構成からなる実施例について以下に詳しく説明する。
軟Ｘ線用多層膜ミラーにおいて、Ｍｏ／Ｓｉによる多層膜が実用的な高反射率を示す物質として知られている。
しかしながら、Ｍｏ／Ｓｉによる多層膜が十分な反射率を得るためにはＭｏ／Ｓｉによるペアを４０〜６０ペア積層することが必要となり、このような膜構成のもとでは−５０〜−２００［Ｎ／ｍ］と強い圧縮応力を示し、ミラー基板の変形を招くこととなる。
このようなミラー基板の変形を防ぐために、本実施例では図１に示されるように、ミラー基板１とミラーを構成する多層膜３の間に応力緩和層２を挿入し、ミラー基板１の変形の防止を図った。
本実施例において、ミラーを構成する多層膜３として、Ｍｏ／Ｓｉを１ペアとし、このペアをスパッタ法を用いて交互に繰り返し５０ペア積層した多層膜によるミラーを用いた。
この膜応力を測定したところ、膜応力は−９７．５［Ｎ／ｍ］であった。
一方、応力緩和層２としては、Ｒｕ（２ｎｍ）／Ｓｉ（１ｎｍ）を１ペアとし、このペアを交互に繰り返し３０ペア積層した多層膜による応力緩和層の構成を採用し、この応力緩和層２を、ミラー基板１とミラーを構成する多層膜３との間に挿入した。
ＲｕはＭｏと比較すると引っ張り応力が強いため、より少ない積層にてミラーを構成する多層膜３の応力をキャンセルすることができることから、上記のように５０ペアとした多層膜３対し、これより少ない３０ペアのＲｕ（２ｎｍ）／Ｓｉ（１ｎｍ）を積層した。

その結果、応力緩和層と多層膜ミラーを含めた膜応力は１．５［Ｎ／ｍ］まで低減することができた。
一方、応力緩和層２の挿入による膜粗さの増大は観測されず、ミラーを構成する多層膜３での反射率にも変化はなかった。
ＭｏよりもＲｕの方が軟Ｘ線の吸収率が大きいため、ミラーを構成する多層膜３の材料としてＲｕを用いると、一般的には反射率の低下を招く。
しかしながら、本実施例では応力緩和層２をミラーを構成する多層膜３の下部に用いたため、Ｒｕの吸収による反射率の低下も生じていない。
尚、上記応力緩和層中のＳｉは緩和層中のＲｕによる表面粗さをキャンセルする機能と、Ｒｕの応力成長を初期状態に戻す機能があり、次層のＲｕは再び引っ張り応力側に成長してゆく。
この機能はＳｉと同様にＢ₄Ｃでも現れるため、Ｓｉの変わりにＢ₄Ｃを用いてもよい。
ただし、Ｓｉ、Ｂ₄Ｃともに圧縮応力を持つため、２ｎｍ以上の膜厚になるとＲｕによる引張応力を打ち消してしまい、応力緩和層としての効果がなくなるため注意が必要である。これらの膜厚は、Ｒｕにおいては１〜３ｎｍ、Ｓｉ、Ｂ₄Ｃにおいては０．５〜２ｎｍとするのが望ましい。

本実施例に対する比較例として、応力緩和層としてＭｏ（２ｎｍ）／Ｓｉ（１ｎｍ）を用いて応力緩和層を形成した。
この比較例では、膜応力−９７．５［Ｎ／ｍ］を有するＭｏ／Ｓｉ多層膜の応力を低減するためには、緩和層は４２ペアを必要とする。
その際の応力緩和層とミラーを構成する多層膜を含めた膜応力は、−２．１［Ｎ／ｍ］であった。

以上のように、本実施例のＲｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかの繰り返しからなる多層構造を応力緩和層とする構成によれば、より少ない積層数で構成した応力緩和層によって、応力低減を図ることが可能となる。

本発明の実施例におけるＸ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡の概略断面を示す図である。 ＭｏとＲｕをスパッタ法にて成膜した際の、膜厚成長に伴う膜応力の変化を観測した結果を示す図である。横軸は膜厚、縦軸は膜応力を示しており、膜応力は正側が引っ張り応力、負側が圧縮応力となる。Ｍｏが４、Ｒｕが５で示されている。 本発明の実施例におけるＸ線（特に軟Ｘ線）領域の波長を有する光に対して用いられる多層膜反射鏡の概略断面を示す図である。

符号の説明

１：ミラー基板
２：応力緩和層
３：ミラーを構成する多層膜
４：Ｍｏ単層の応力成長の様子
５：Ｒｕ単層の応力成長の様子
６：Ｓｉ
７：Ｍｏ
８：Ｒｕ

Claims (5)

1. Ｘ線領域における、真空の屈折率との差が相対的に大きい屈折率を有する低屈折率の物質による層と、相対的に小さい屈折率を有する高屈折率の物質による層とを、交互に積層した多層膜を基板上に有する多層膜反射鏡において、
   前記基板と多層膜との間に、Ｒｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかのペアによる層を繰り返して積層した多層構造の応力緩和層が設けられていることを特徴とする多層膜反射鏡。
2. 前記Ｒｕ／Ｓｉ、もしくはＲｕ／Ｂ₄Ｃ、のいずれかのペアによる層において、Ｒｕによる層の厚さが１ｎｍ以上３ｎｍ以下、Ｓｉ及びＢ₄Ｃによる層の厚さが０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の多層膜反射鏡。
3. 前記応力緩和層の多層構造における膜厚が、前記低屈折率の物質による層と前記高屈折率の物質による層とを交互に積層した多層膜反射鏡部における膜厚より、薄い膜厚とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多層膜反射鏡。
4. 前記低屈折率の物質による層が、Ｍｏによって構成され、
   前記高屈折率の物質による層が、Ｓｉによって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多層膜反射鏡。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の多層膜反射鏡を備えていることを特徴とする光学系。

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