JP2015094892A - 回折格子 - Google Patents

Abstract

【課題】全反射条件によって物質内部まで侵入できないエネルギーの軟Ｘ線領域において、表面反射膜として一般に用いられる金、白金、ニッケル等の金属膜を用いた回折格子の回折効率を改善する。
【解決手段】本発明の回折格子は、溝が刻線された所定面上に、前記溝の深さより厚い金属膜が成膜され、前記金属膜上に非晶質炭素膜が成膜されることにより、金属膜の回折効率を改善する。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属反射膜の上に炭素系薄膜を付加し、軟Ｘ線波長領域の回折効率を高める回折格子に関する。

エネルギーが約０．１ｋｅＶから２ｋｅＶ付近の軟Ｘ線（波長：０．６ｎｍ〜１２ｎｍ）を反射型回折格子で分光する場合、実用的な回折効率を得るため光を回折格子面とすれすれの方向から入射させる斜入射条件で使用する。

軟Ｘ線領域では回折格子の表面に反射膜として積層した物質の屈折率ｎは１よりわずかに小さい。高い回折効率を得るためには一般に、回折格子面に垂直な法線方向から測った入射角αが鏡面の全反射条件であるｓｉｎα≧ｎを満たすようにする。しかしながら、回折格子の溝の効果により回折される光のエネルギーは、正反射条件を満たす零次光や多くの次数光に分散されるだけでなく、表面物質内に吸収される成分も存在するため、計測に利用される１次光（または−１次光）の強度は回折格子溝のない鏡の全反射の場合の強度に比較して非常に弱くなる。このため、溝形状が矩形上のラミナー型回折格子においては、溝の深さ、凹凸の山面と谷面の面積比を最適化し、山面と谷面からの光が所望の回折次数の光の回折光方向で正の干渉を起こすように設計される。

さらに、軟Ｘ線領域で高い回折効率を得る方法として、回折格子表面に低密度物質層と、前記低密度物質層よりも密度が高い高密度物質層を交互に周期的に積層して形成された構造を具備する軟Ｘ線多層膜回折格子を用いる方法がある。この方法は高密度物質層で回折された各光が干渉し、光が強められる必要がある。このためには、入射光を多層膜の膜内部まで侵入させる必要があるが、軟Ｘ線領域の全反射条件では侵入深さが小さいために膜内部まで光が侵入できず、多層膜の効果を活かすことができなかった。このことが軟Ｘ線多層膜回折格子で高い回折効率を得ることを困難にさせていた。

軟Ｘ線反射鏡の表面物質においては、酸化等による光学的劣化を避けるために化学的に不活性で、かつ光の吸収が小さい物質を用いることが一つの選択指針として提案されているが、それは主に、異物質間（界面）の化学的変化や熱力学的変化を制限するために必要最小限の膜厚に制御することを希求したものであり、軟Ｘ線回折格子の表面物質として化学的に不活性で且つ光の吸収が小さい物質を選択して反射回折光の高効率化を試みる研究はなかった。

特開２００６-１３３２８０号公報 特開２０１１-１４１１２９号公報

柳原美広「軟Ｘ線領域における超薄膜の光学定数」放射光第９巻第１号１〜１３ページ（１９９６） 田辺隆也、山下拓哉、畑山雅俊、竹中久貴「SiC/Mg多層膜ミラーの耐湿性表面保護膜の作製と特性評価」KEK Proc., 2009-9号、372〜379ページ（２００９）

全反射条件によって物質内部まで侵入できないエネルギーの軟Ｘ線領域において、表面反射膜として一般に用いられる金、白金、ニッケル等の金属膜を用いた回折格子の回折効率を改善する。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明の回折格子は、溝が刻線された所定面上に、前記溝の深さより厚い金属膜が成膜され、前記金属膜上に非晶質炭素膜が成膜されることにより、金属膜の回折効率を改善する。

本発明では、回折格子表面の非晶質炭素膜の効果により、入射エネルギーが零次を含む反射回折光となる割合が増加するため、全反射条件によって物質内部まで侵入できないエネルギーの軟Ｘ線領域において、表面反射膜として一般に用いられる金、白金、ニッケル等の金属膜を用いた回折格子の回折効率を改善することができる。

本発明の実施の形態となる膜の反射率を示す図である。 本発明の実施の形態となる回折格子の構造を示す図である。 本発明の実施の形態となる非晶質炭素膜層またはダイヤモンドライクカーボン膜層を表面に持つ回折格子と従来の回折格子の回折効率の数値計算結果を示す図である。 本発明の実施の形態となる非晶質炭素膜の膜厚の変化に伴う回折効率の数値計算結果を示す図である。

高い反射率を呈する多層膜反射鏡を回折格子表面に積層すると高い回折効率を得ることが期待できる。そこで、軟Ｘ線多層膜回折格子の最適化について検討する。

物質の複素屈折率ｎはｎ＝（１−δ）−iβで表される。ここで、１−δは屈折率、β
は消衰係数である。入射光は表面すれすれに入射するときの鏡表面から測った臨界角θ_C
は近似式θ_C=(２δ)^１/２で表される。ここで、波長６．７６４ｎｍに対する金（Ａｕ）
、非晶質炭素（ａ−Ｃ、密度：２．１ｇ／ｍｍ^３）、及び非晶質炭素の一種であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のθ_Cを考える。ＤＬＣは、ダイヤモンド構造（ｓｐ^３
混成軌道）とグラファイト構造（ｓｐ^２混成軌道）が混在した物質で、特に、水素原子を含まないＤＬＣはテトラヘドラルアモルファスカーボン（ｔａＣ、密度：３．１ｇ／ｍｍ^３）と呼ばれる。近似式から得られるＡｕ、ａ−Ｃ、ｔａＣのθ_Cの値はそれぞれ９．９
０３°、７．６９３°、９．１０５°である。もし、入射角が視射角５．５°ならば、半無限厚のＡｕ、ａ−Ｃ、ｔａＣ反射鏡の反射率はそれぞれ、０．４９、０．８４、０．８８となる。この条件下では、どの物質に対してもθ＜θ_Cとなるため全反射条件を満足す
るものの、Ａｕのβが炭素系物質に比して約一桁大きいために炭素系物質の方がＡｕより高い反射率を示す。従って、回折格子基板としてａ−ＣまたはｔａＣを用いれば、高効率な回折格子を期待できるが、炭素系材料のエッチング速度が非常に遅いことを考慮するとエッチングによって基板表面に格子溝を直接刻線するホログラフィック回折格子への応用として当該材料を回折格子基板に用いることは実用的ではない。

そこで、ガラス（ＳｉＯ_２）基板上に３０ｎｍ厚の金を積層し、その上にａ−Ｃまたは
ｔａＣの薄膜を付加した場合を考える。図１はａ−Ｃ膜またはｔａＣ膜の膜厚による反射率を示している。図１からわかるように、双方とも膜厚がおよそ２０ｎｍ以上で概ね飽和し、４０ｎｍから５０ｎｍ程度で反射率の向上が見られなくなる。よって図１から現実的な膜厚としては５０ｎｍ以下が好ましいことがわかる。また、図１から反射率は半無限厚の時の反射率と同じ０．８４、０．８８に収束することが判る。このように炭素系材料を金属膜に付加すると、薄膜でも基板として用いた場合と同等の反射率を得ることができる。そこで、以下の実施形態では、この原理を回折格子に応用することにしたものである。

本発明の実施の一形態となるラミナー型回折格子の形態について図２を用いて説明する。直交座標系において、ｘ軸を回折格子中心Ｏでの回折格子の垂線（法線）方向、ｙ軸をＯでの回折格子面の接線方向、ｚ軸をＯにおいて紙面に垂直な軸とする。この時、ｘ軸方向から入射光の方向へ張る角度を入射角（α）とする。また、ｘ軸方向から波長（λ）の回折次数（ｍ）が１次の回折光の方向を回折角（β）とする。角度αとβの双方について符号はｘ軸から反時計廻りを正とする。

回折格子溝はラミナー型と一般に称される矩形波状であり、図２において符号１で示されるＳｉＯ_２等の基板材質の表面（本願でいう「所定面」の一例である。所定面は基板上に形成された樹脂表面であってもよい。）に、溝周期である格子定数（σ）、溝の山部の長さ（ａ）、溝深さ（ｈ）の格子溝が形成されている。その上に２層の金属膜が形成されているとし、溝に接する金属膜２（以下、第１金属膜２という）の厚さをｄ₁、第１金属
膜２の上に積層される金属膜３（以下、第２金属膜３という）の厚さをｄ₂とする。第１
金属膜２と第２金属膜３は異なる物質であるとする。第２金属膜３の上に本実施形態の特徴である非晶質炭素膜４（ａ−Ｃ膜またはｔａＣ膜）を厚さ（ｄ₃）で付加する。第１金
属膜２の厚さｄ₁は、軟Ｘ線の透過を抑制できる厚さであり、例えば、溝深さよりも厚く
、より好ましくは溝深さに対して十分厚くすることが望ましい。なお、金属膜は２層に限られず、単層であってもよく、また異なる物質からなる層で構成された多層膜であってもよい。また、金属膜が異なる物質からなる２層以上の膜であれば、回折効率の改善に有効な場合がある。

図３は、波長５〜１２ｎｍ（エネルギー１０３〜２４８ｅＶ）における回折効率の計算結果を示したものである。回折格子基板１として、σ＝８３３．３３ｎｍ（＝１/１２０
０ｍｍ）、ａ/σ＝０．３、h＝１６ｎｍのＳｉＯ_２製回折格子を考える。ここで、α＝８７．０°、ｍ＝＋１とした。数値計算にはM.G. Moharamらに基づく方法（“Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings,” J. Opt. Soc. Am. 72, 1386 (1982) 及び“Rigorous coupled-wave analysis of metallic surface- relief gratings,” J. Opt. Soc. Am. A3, 1780 (1986)）を用いた。

実施例のＣａｓｅ１では、上記回折格子基板１上に、第１金属膜２として厚さ３０ｎｍのＡｕ膜（密度:１９．３ｇ／ｃｍ^３）、第２金属膜３として厚さ３０ｎｍのＮｉ膜（密
度:８．９０ｇ／ｃｍ^３）を積層し、第２金属膜３の上に厚さ１６ｎｍのａ−Ｃ膜を非晶
質炭素膜４（密度：２．１ｇ／ｃｍ^３）として形成した回折格子を考える。

比較例のＣａｓｅ２では、上記回折格子基板１と同等の基板上に、金属膜として３０ｎｍ厚のＡｕ膜のみを付加した場合を考える。また、比較例のＣａｓｅ３では、上記回折格子基板１と同等の基板上に、３０ｎｍ厚のＡｕ膜及び３０ｎｍ厚のＮｉ膜を付加した場合を考える。図３からわかるように、Ｃａｓｅ１の回折効率が最大となる波長において、Ｃａｓｅ２及びＣａｓｅ３の場合と比較して、Ｃａｓｅ１の回折効率はそれぞれ約１．２倍及び約１．３倍に増加している。

実施例のＣａｓｅ４では、上記回折格子基板１上に、第１金属膜２として３０ｎｍ厚の
Ａｕ膜、第２金属膜３として３０ｎｍ厚のＮｉ膜を積層し、第２金属膜３の上に１６ｎｍ厚のｔａＣ膜を非晶質炭素膜４（密度：３．１ｇ／ｃｍ^３）として形成した回折格子を考える。図３からわかるように、Ｃａｓｅ４の回折効率が最大となる波長において、Ｃａｓｅ２及びＣａｓｅ３の場合と比較して、Ｃａｓｅ４の回折効率はそれぞれ約１．６倍及び約１．８倍に増加している。

実施例のＣａｓｅ５では、上記回折格子基板１上に、単層の金属膜として３０ｎｍ厚のＡｕ膜を積層し、金属膜の上に１６ｎｍ厚のａ−Ｃ膜を非晶質炭素膜４（密度：２．１ｇ／ｃｍ^３）として形成した回折格子を考える。図３からわかるように、Ｃａｓｅ５の回折効率が最大となる波長において、Ｃａｓｅ２及びＣａｓｅ３の場合と比較して、Ｃａｓｅ５の回折効率はそれぞれ約１．３倍及び約１．４倍に増加している。

実施例のＣａｓｅ６では、上記回折格子基板１上に、金属膜として３０ｎｍ厚のＡｕ膜を積層し、金属膜の上に１６ｎｍ厚のｔａＣ膜を非晶質炭素膜４（密度：３．１ｇ／ｃｍ^３）として形成した回折格子を考える。図３からわかるように、Ｃａｓｅ６の回折効率が最大となる波長において、Ｃａｓｅ２及びＣａｓｅ３の場合と比較して、Ｃａｓｅ６の回折効率はそれぞれ約１．３倍及び約１．４倍に増加している。

図３からわかるように、ａ−Ｃ、ｔａＣを積層することで、従来の軟Ｘ線回折格子のようにその表面が単にＡｕのみの場合（Ｃａｓｅ２）やＮｉの場合（Ｃａｓｅ３に相当）と比較して、約６ｎｍ近傍から長波長側（１２ｎｍ）への幅広い範囲の波長において、回折効率が改善される。本実施形態の回折格子と位置敏感型Ｘ線検出器を組み合わせた軟Ｘ線分光器を用いることで、当該波長領域において高感度かつ同時分光計測が可能となる。

図４は、本発明の実施の形態となる非晶質炭素膜４の膜厚の変化に伴う回折効率の数値計算結果を示す図である。ここでは、上記非晶質炭素膜４として、ａ−Ｃ膜およびｔａＣ膜を用いた場合の計算結果を示している。詳細な計算結果によると、Ｃａｓｅ１における非晶質炭素膜４の厚さ、Ｃａｓｅ４における非晶質炭素膜４の厚さが±２０％程度変化しても回折効率は５％以内の減少に留まり、回折効率増強の効果はほぼ変化しない。回折効率が非晶質炭素膜４の膜厚の変化に対して比較的鈍感であることは工業的な量産にあたって都合の良い重要な特性である。

さらに、上記各実施例で示したＡｕ膜の膜厚が３０ｎｍの場合においては、入射角８７°のとき、透過する光の割合が１０^-４のオーダー以下になるので、透過光は事実上存在
しないとみなせる。このことは、この条件において回折効率は基板材質に依存しないことを示している。したがって、平面基板上の樹脂層の表面に格子溝が刻線されているレプリカ回折格子においても上記実施例と同じ回折効率が得られる。レプリカ回折格子は格子溝が基板表面に直接刻線されているマスター回折格子に比較して安価に製作できるため、このことも工業的な量産にあたって都合の良い重要な特性である。

これまで非特許文献１、２に述べられているように、酸化を防ぐ保護膜として炭素系またはフッ素系の薄膜を軟Ｘ線光学素子表面に形成することは考えられてきたが、この膜を反射率、回折効率を増すために利用しようとする試みは見られなかった。本発明は湿気のある大気中においても安定な炭素系の薄膜付加により保護膜としての効果のみならず、回折格子にとって根幹的な性能である回折効率の増加を広いエネルギー帯域においてもたらされること、膜厚の公差は大きくてよいことを明らかにしたもので、工業的な有用性が高い。

１ 回折格子基板
２ 第１金属膜
３ 第２金属膜
４ 非晶質炭素膜

Claims (8)

1. 溝が刻線された所定面上に、前記溝の深さより厚い金属膜が成膜され、前記金属膜上に非晶質炭素膜が成膜された回折格子。
2. 前記所定面が基板表面であって、前記溝が前記基板表面に直接刻線されている請求項１に記載の回折格子。
3. 前記所定面が基板上に形成された樹脂の表面である請求項１に記載の回折格子。
4. 前記金属膜が、異なる物質からなる層で構成された多層膜である請求項１から３のいずれか一項に記載の回折格子。
5. 前記非晶質炭素膜が５０ｎｍ以下の厚さである請求項１から４のいずれか一項に記載の回折格子。
6. 前記非晶質炭素膜がダイヤモンドライクカーボン膜である請求項１から５のいずれか一項に記載の回折格子。
7. 軟Ｘ線の分光に用いられる請求項１から６のいずれか一項に記載の回折格子。
8. 前記非晶質炭素膜の密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上である請求項１から７のいずれか一項に記載の回折格子。