JP2019095494A - Blazed diffraction grating and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブレーズド回折格子及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a blazed diffraction grating and a method of manufacturing the same.
放射光施設、Ｘ線自由電子レーザー施設において、様々な物性の研究や、計測、分析などが行われている。特に軟Ｘ線領域では、回折格子を使って、高次光のカットを行ったり、ビーム照射後の、スペクトル解析において、目的の波長を取り出したりすることが行われている。近年、これらの研究によって、新たな結合状態などが分析できるようになり、化学反応の途中現象が解明されるなど、実用的な分野で役立っている。 In the synchrotron radiation facility and the X-ray free electron laser facility, various physical properties are being studied, measured, and analyzed. In particular, in the soft X-ray region, high-order light is cut using a diffraction grating, or a target wavelength is extracted in spectrum analysis after beam irradiation. In recent years, these researches have made it possible to analyze new bonding states and the like, and to elucidate the intermediate phenomena of chemical reactions, which are useful in practical fields.
これらの回折格子は、大きく分けて２種類あり、１つは、ラミナー型といわれる形状のもの、もう１つは、ブレーズド型といわれる形状のものがある。ラミナー型は、非特許文献１に示すように格子溝の断面形状が矩形構造であり、軟Ｘ線領域では、主に高次光の除去を目的とした、モノクロメーターとして使われ、またスペクトロメーターとしても用いられる。ブレーズド型は、格子溝の断面形状が鋸刃型の構造となっていて、分析対象物にＸ線を照射した後に発生する光を解析するためのスペクトロメーターとして用いられる。 These diffraction gratings are roughly divided into two types, one having a shape called a laminar type and the other having a shape called a blazed type. In the laminar type, as shown in Non-Patent Document 1, the cross-sectional shape of the grating groove is a rectangular structure, and in the soft X-ray region, it is used as a monochromator mainly for removing high-order light. Used. The blazed type has a sawtoothed cross-sectional shape of the grating groove, and is used as a spectrometer for analyzing the light generated after the X-ray is irradiated to the object to be analyzed.
このスペクトロメーターは、非特許文献１にも示すように、理論上、ＥＵＶ光よりも短い波長領域になると、ブレーズド型の方が高い回折効率が得られる。 As shown in Non-Patent Document 1, this spectrometer theoretically has higher diffraction efficiency in the blazed type when the wavelength region is shorter than that of EUV light.
ブレーズド型の場合、これまでルーリングエンジンといわれる刻線機を用いて機械加工で製作されてきた。しかしながら、加工後の形状は、工具の平坦性が低いことによる、ラティス面の平坦性が悪くなったり、工具の送り誤差によって、各々の格子間隔のばらつきが生じたりしている。これら、ラティス面の平坦性が悪いことや、送りピッチの不正確性が、回折効率の低下につながっている。したがって、ブレーズド型は、理論上の回折効率が高いのにも関わらず、回折効率がラミナー型よりも低いものしか、製作することができなかった。 In the case of the blazed type, it has hitherto been manufactured by machining using a ruled line machine called a ruling engine. However, in the shape after machining, the flatness of the lattice surface is deteriorated due to the low flatness of the tool, or the deviation of the grid spacing is caused due to the feed error of the tool. The poor flatness of the lattice surface and the inaccuracy of the feed pitch lead to the reduction of the diffraction efficiency. Therefore, although the blazed type has high theoretical diffraction efficiency, it can be produced only one having a diffraction efficiency lower than that of the laminar type.
また、上記の課題が存在することから、特許文献１、２に示すように、基板材料を斜めに傾けてイオンビームで加工する方法が知られている（図８参照）。この方法ではホログラフィック露光で感光したレジスト材料をマスクとして、斜め方向からイオンビームを照射してエッチングしている。しかしながら、この斜め方向からイオンビームを照射するのにあたって、レジストマスクが存在すると、特に、軟Ｘ線や硬Ｘ線用では、入射角が水平面に対して数度以下と浅いので、それに応じて小さいブレーズ角の反射面を製作しようとすると、当該のマスク材料が障壁となり、斜め方向からイオンビームを照射しても、基板材料までイオンが到達せず、ブレーズド構造の反射面の形状を製作することが難しかった。 Further, since the above problems exist, as shown in Patent Documents 1 and 2, there is known a method of processing a substrate material obliquely by ion beam processing (see FIG. 8). In this method, etching is performed by irradiating an ion beam from an oblique direction using a resist material exposed by holographic exposure as a mask. However, when the ion beam is irradiated from this oblique direction, if a resist mask is present, especially for soft X-ray and hard X-ray, the incident angle is shallow at several degrees or less with respect to the horizontal plane, and accordingly small When trying to fabricate a blazed reflective surface, the mask material concerned becomes a barrier, and even if the ion beam is irradiated from an oblique direction, the ions do not reach the substrate material, and the blazed reflective surface is fabricated. Was difficult.
また、特許文献３の方法では、ブレーズド構造の反射面が階段状になり、直線的ではなく、凹凸が存在するため、回折効率が下がってしまうという課題があった。また、特許文献４の方法では、レジストに対して、光の照射する面積を変えることで、レジストの重合度の違いで、エッチング速度を変えてブレーズド形状にするものである。この方法でのブレーズド構造でも階段状になってしまうためＸ線の分野においては課題があった。 Further, in the method of Patent Document 3, the reflection surface of the blazed structure has a step-like shape, and is not linear, and there is an unevenness, so there is a problem that the diffraction efficiency is lowered. Further, in the method of Patent Document 4, by changing the area irradiated with light to the resist, the etching rate is changed to be a blazed shape by the difference in the degree of polymerization of the resist. There is a problem in the field of X-rays since the blazed structure in this method also becomes stepwise.
本発明は、従来技術における上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より理論的な形状に近いブレーズド型の回折格子を作製することで、高い回折効率を得ることが可能なブレーズド回折格子及びその製造方法を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and an object thereof is to obtain a high diffraction efficiency by fabricating a blazed diffraction grating close to a more theoretical shape. A blazed diffraction grating and a method of manufacturing the same are provided.
本発明は、前述の課題解決のために、以下のブレーズド回折格子及びその製造方法を構成した。 The present invention comprises the following blazed diffraction grating and a method of manufacturing the same for solving the above-mentioned problems.
（１）
表面に略矩形の格子溝が付与された基板と、該基板の少なくとも前記格子溝内部に充填された表層とを少なくとも有し、
前記表層材料は、下層に位置する材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料で形成され、
前記下層材料は、少なくとも前記格子溝構造の表面を構成し、
前記基板の水平面と、前記格子溝内部に充填された表層材料の最表面とで、傾斜角が異なることを特徴とする、ブレーズド回折格子。
(1)
At least a substrate provided with a substantially rectangular lattice groove on the surface, and a surface layer filled in at least the lattice groove of the substrate,
The surface layer material is formed of a material having a higher processing speed by etching or sputtering gas than the material located in the lower layer,
The lower layer material constitutes at least a surface of the grating groove structure,
A blazed diffraction grating, wherein an inclination angle is different between a horizontal surface of the substrate and an outermost surface of a surface layer material filled in the grating groove.
（２）
前記基板と表層の間にバインダー層を設け、前記表層材料及びバインダー層材料は、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が、前記基板材料よりも速いことを特徴とする、（１）記載のブレーズド回折格子。
(2)
The blazed diffraction according to (1), wherein a binder layer is provided between the substrate and the surface layer, and the surface layer material and the binder layer material have a removal processing rate by etching or sputtering gas faster than the substrate material. lattice.
（３）
前記基板と表層の間に保護層を設け、前記表層材料は、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が、前記保護層材料よりも速いことを特徴とする、（１）記載のブレーズド回折格子。
(3)
The blazed diffraction grating according to (1), wherein a protective layer is provided between the substrate and the surface layer, and the surface layer material has a removal processing rate by an etching or sputtering gas faster than that of the protective layer material.
（４）
前記基板と表層の間に単数層又は複数層の保護層を設けるとともに、少なくとも一部の層間にバインダー層を設け、前記表層材料及びバインダー層材料は、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が、前記保護層材料よりも速いことを特徴とする、（１）記載のブレーズド回折格子。
(4)
While providing a single layer or a plurality of protective layers between the substrate and the surface layer, and providing a binder layer between at least a part of layers, the surface layer material and the binder layer material can be removed by the etching or sputtering gas at the processing speed The blazed diffraction grating according to (1), characterized in that it is faster than the protective layer material.
（５）
前記略矩形の格子溝は、ラミナー型の回折格子を基本構造としていて、略矩形の格子溝の底部の幅と、土手部の最表面の部分との幅の比率が、（土手部の最表面の幅）／（格子溝の底部幅）＜１であることを特徴とする、（１）〜（４）何れか１に記載のブレーズド回折格子。
(5)
The substantially rectangular grating groove has a laminar structure of a diffraction grating as a basic structure, and the ratio of the width of the bottom of the substantially rectangular grating groove to the portion of the outermost surface of the embankment is (the outermost surface of the embankment The blazed diffraction grating according to any one of (1) to (4), wherein a width of the bottom of the grating groove is less than 1.
（６）
前記基板材料が、Ｓｉ、ＳｉＯ２のいずれかが主成分である、（１）〜（５）何れか１に記載のブレーズド回折格子。
(6)
The blazed diffraction grating according to any one of (1) to (5), wherein the substrate material is mainly composed of Si or SiO 2 .
（７）
前記表層材料が、金属、金属酸化物又は樹脂を含む材料である、（１）〜（６）何れか１に記載のブレーズド回折格子。
(7)
The blazed diffraction grating according to any one of (1) to (6), wherein the surface layer material is a material containing a metal, a metal oxide or a resin.
（８）
前記（１）〜（７）記載のブレーズド回折格子の製造方法であって、
基板上にホログラフィックパターニングで略矩形の格子溝が付与されたラミナー型の回折格子を製作する工程と、
少なくとも前記ラミナー型回折格子の格子溝に、下層に位置する材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い表層材料を充填する工程と、
斜め方向から照射されるイオンビームによって、前記表層材料を斜め方向にエッチングするとともに、少なくとも表面が前記下層材料で構成された、前記格子溝の一方の内壁のところでエッチストップをかける工程と、
を含むことを特徴とする、ブレーズド回折格子の製造方法。
(8)
It is a manufacturing method of the blazed diffraction grating according to the above (1) to (7),
Manufacturing a laminar diffraction grating in which substantially rectangular grating grooves are provided by holographic patterning on a substrate;
Filling at least the grating grooves of the laminar type diffraction grating with a surface material having a removal processing speed higher than that of the material located in the lower layer by etching or sputtering gas;
Etching the surface layer material in an oblique direction by an ion beam irradiated from an oblique direction, and applying an etch stop at one inner wall of the lattice groove, at least the surface of which is made of the lower layer material;
A method of manufacturing a blazed diffraction grating, comprising:
本発明のブレーズド回折格子は、ホログラフィックパターンが基準刻線として存在することから、機械加工による誤差の問題が生じず、かつ、従来技術のレジストマスクを使用しないため、ブレーズド構造の反射面の傾斜角（ブレーズ角）を小さく設定でき、それにより軟Ｘ線や硬Ｘ線、ＥＵＶ光といった、従来よりも短い波長の光でも、効率良く分光ができるようになる。 In the blazed diffraction grating according to the present invention, since the holographic pattern is present as a reference ruling, there is no problem of error due to machining, and since the resist mask of the prior art is not used, the slope of the reflection surface of the blazed structure is inclined. The angle (blaze angle) can be set to be small, and this enables efficient spectroscopy even with light of a shorter wavelength than conventional, such as soft x-ray, hard x-ray, and EUV light.
従来方法の１つである、機械加工、いわゆるルーリングエンジンで製作される回折格子では加工に使用される工具先端半径Ｒが存在するため、反射面の実質的な面積が小さくなるため、回折効率が低下するが、本発明の製造方法であれば、エッチストップをかける効果によって、反射面と、内壁との間で、エッジをつけられるようになり、回折効率の低下を防ぐことができる。 In a diffraction grating manufactured by machining, a so-called ruling engine, which is one of the conventional methods, since there is a tool tip radius R used for processing, the substantial area of the reflecting surface is reduced, so that the diffraction efficiency is improved. Although it reduces, according to the manufacturing method of the present invention, the effect of applying the etch stop makes it possible to add an edge between the reflecting surface and the inner wall, thereby preventing a decrease in diffraction efficiency.
また、ルーリングエンジンによる機械加工を施した場合、微妙な温度変化によって、基板材料と、装置側とで、熱膨張係数が異なるため、刻線間隔が所定の値からずれてしまう。その結果、分光した光のコヒーレンシーが崩れてしまい、高い反射率を確保することができなくなるが、本発明の製造方法であれば、ホログラフィックパターンが基準刻線として存在することから、機械加工による誤差の問題が生じず、かつ、従来技術の樹脂マスクを使用しないため、傾斜角を小さく設定できるため、軟Ｘ線や硬Ｘ線、ＥＵＶ光といった、従来よりも短い波長の光でも、分光ができるようになる。 In addition, when machining with a ruling engine is performed, the thermal expansion coefficient differs between the substrate material and the apparatus side due to a slight temperature change, so the scribing interval deviates from a predetermined value. As a result, the coherency of the dispersed light is broken, and high reflectance can not be secured. However, according to the manufacturing method of the present invention, since the holographic pattern exists as a reference score line, it is machined. There is no problem of error, and since the resin mask of the prior art is not used, the inclination angle can be set small. Therefore, even with light of a shorter wavelength than conventional, such as soft X-ray, hard X-ray or EUV light become able to.
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は本発明のブレーズド回折格子を示し、図中符号１は基板、２は土手部、３は格子溝、４は表層、５は格子溝の底面、６は表層の最表面（反射面）、７は土手部の最表面をそれぞれ示している。 Next, the present invention will be described in more detail based on the embodiments shown in the attached drawings. 1 and 2 show a blazed diffraction grating according to the present invention, in which reference numeral 1 is a substrate, 2 is a bank portion, 3 is a grating groove, 4 is a surface layer, 5 is a bottom surface of the grating groove, and 6 is an outermost surface of the surface layer Reflective surfaces) and 7 respectively indicate the outermost surface of the bank portion.
本発明のブレーズド回折格子は、表面に略矩形の格子溝３が付与された基板１と、該基板１の少なくとも前記格子溝３内部に充填された表層４とを少なくとも有し、前記表層４の材料（表層材料）は、下層に位置する材料（下層材料）よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料で形成され、前記下層材料は、少なくとも前記格子溝３構造の表面を構成し、前記基板１の水平面（底面５、最表面７）と、前記格子溝３内部に充填された表層材料の最表面６とで、傾斜角が異なることを特徴とする。 The blazed diffraction grating of the present invention comprises at least a substrate 1 having a substantially rectangular grating groove 3 provided on the surface thereof, and a surface layer 4 filled in at least the inside of the grating groove 3 of the substrate 1. The material (surface layer material) is formed of a material whose removal processing speed is higher by etching or sputtering gas than the material located in the lower layer (lower layer material), and the lower layer material constitutes at least the surface of the lattice groove 3 structure, The angle of inclination differs between the horizontal surface (bottom surface 5, outermost surface 7) of the substrate 1 and the outermost surface 6 of the surface layer material filled in the inside of the grating groove 3.
更に具体的には、本発明のブレーズド回折格子は、図１に示すように、基板１上に所定間隔で土手部２を残して矩形型の格子溝３が付与されているラミナー型の回折格子をベースに用いて、表層４が、前記略矩形の格子溝３内部に充填されていて、当該格子溝３の底面５と、充填された表層４の最表面６（反射面６）とで、傾斜角が異なるような構造となっている。つまり、当該格子溝３の底面５を基準とした場合、充填された表層４の最表面６の角度は、ある所定の角度（ブレーズ角）になっている。ここで、前記格子溝３は、矩形であることが好ましいが、楔形であってもよい。そして、前記格子溝３が矩形である場合、前記底面５は水平面となる。尚、図中符号８はラミナー型回折格子の格子溝３の内壁（表層４が厚い側、表層４の触れる面積が大きい側）、９はラミナー型回折格子の格子溝３の内壁（尿層４が薄い側、表層４の触れる面積が小さい側）である。 More specifically, as shown in FIG. 1, the blazed diffraction grating according to the present invention is a laminar diffraction grating in which rectangular grating grooves 3 are provided on the substrate 1 leaving the bank portions 2 at predetermined intervals. The surface layer 4 is filled in the substantially rectangular lattice groove 3 by using the base as a base, and the bottom surface 5 of the lattice groove 3 and the outermost surface 6 (reflection surface 6) of the surface layer 4 filled with The structure has a different inclination angle. That is, when the bottom surface 5 of the lattice groove 3 is used as a reference, the angle of the outermost surface 6 of the filled surface layer 4 is a predetermined angle (blaze angle). Here, the grating groove 3 is preferably rectangular, but may be wedge-shaped. When the grating groove 3 is rectangular, the bottom surface 5 is a horizontal surface. In the figure, reference numeral 8 denotes the inner wall of the grating groove 3 of the laminar diffraction grating (the side where the surface layer 4 is thick and the side where the surface layer 4 touches) and 9 denotes the inner wall of the grating groove 3 of the laminar diffraction grating (the urine layer 4 Is the thin side and the side where the surface layer 4 touches is small).
図２は、図１に示したブレーズド回折格子の変形例であり、前記土手部２の最表面７の上にも前記表層材料が位置し、該表層材料が格子溝３内部から連続して延びている構造である。 FIG. 2 shows a modification of the blazed diffraction grating shown in FIG. 1. The surface layer material is also located on the outermost surface 7 of the bank portion 2, and the surface layer material extends continuously from the inside of the grating groove 3. Structure.
本発明に係るブレーズド回折格子の製造方法は、基板１上にホログラフィックパターニングで略矩形の格子溝３が付与されたラミナー型の回折格子を製作する工程と、少なくとも前記ラミナー型回折格子の格子溝３に、下層に位置する材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い表層４の材料を充填する工程と、斜め方向から照射されるイオンビームによって、前記表層材料を斜め方向にエッチングするとともに、少なくとも表面が前記下層材料で構成された、前記格子溝３の一方の内壁９のところでエッチストップをかける工程と、を含むことを特徴とする。つまり、前記ラミナー型回折格子の少なくとも格子溝３の内部に、表層４の材料が充填された状態で、従来と同様に斜め方向からイオンビームを照射して、表層材料を斜め方向に除去加工し、目的のブレーズド構造を製作するのである。実際には、ラミナー型回折格子の上に、前記格子溝３が埋まるように均一に表層４を成膜し、斜め方向からのイオンビーム照射にて、格子溝３や土手部２の外形をエッチストップの基準として表層材料の除去加工を行うのである。 The method of manufacturing a blazed diffraction grating according to the present invention comprises the steps of manufacturing a laminar diffraction grating having a substantially rectangular grating groove 3 formed by holographic patterning on a substrate 1, and at least a grating groove of the laminar diffraction grating. (3) filling the material of the surface layer 4 whose removal processing speed is higher than that of the material located in the lower layer by the etching or sputtering gas, and etching the surface layer material in the oblique direction by the ion beam irradiated from the oblique direction. And E. applying an etch stop at one inner wall 9 of the grating groove 3 at least the surface of which is composed of the lower layer material. That is, in a state where the material of the surface layer 4 is filled in at least the grating groove 3 of the laminar diffraction grating, an ion beam is irradiated from an oblique direction as in the conventional case to remove and process the surface material in the oblique direction. , To produce the desired blazed structure. In practice, the surface layer 4 is uniformly deposited on the laminar diffraction grating so that the grating groove 3 is embedded, and the outer shape of the grating groove 3 and the bank portion 2 is etched by ion beam irradiation from an oblique direction. The removal process of the surface layer material is performed as a reference of the stop.
このような構造にすることの効果について説明する。例えばＸ線用途においては、反射率を高くするために、入射角が数１０ｍｒａｄ以下で使用される。この時、標準的な分光に用いられる回折格子は、１ｍｍあたり１０００本から２０００本の刻線数での、格子間ピッチは５００ｎｍ〜１μｍとなる。入射角が仮に５０ｍｒａｄ（約２．９°）であったとして１０００本／ｍｍであれば、回折格子の段差を５０ｎｍ以下にしないと、Ｘ線ビームが反射できない。 The effect of making such a structure will be described. For example, in X-ray applications, the incident angle is used at a few tens of mrad or less in order to increase the reflectance. At this time, in the diffraction grating used for standard spectroscopy, the inter-grating pitch is 500 nm to 1 μm with 1000 to 2000 rulings per 1 mm. Assuming that the incident angle is 50 mrad (about 2.9 °) and 1000 beams / mm, the X-ray beam can not be reflected unless the step of the diffraction grating is 50 nm or less.
比較のため、図８に特許文献１にあるような従来のレジストマスクを用いる回折格子の製造方法を示す。図８は、基板１００の表面にレジストマスク１０１を形成し、斜め方向からイオンビーム１０２を照射して加工する様子を模式的に示している。ところが、仮に最大深さ５０ｎｍのブレーズド回折格子を作るためには、できるだけブレーズド領域を確保しようとして、Ｄｕｔｙ比１／１０にしたとしても、そのレジスト膜厚は最も高いところで約５.５ｎｍ以下に設定しないと、幾何学的にも加工することができない。つまり、前記レジストマスク１０１で影となる部分１０３は加工することができない。通常、レジストの膜厚は数百ｎｍ〜数μｍ程度であり、５〜６ｎｍを全面均一にスピンコートで形成することは非常に難しく、仮に形成できても薄すぎて例えばＣＨＦ３などの反応性イオンエッチングではマスクとしての機能が発揮できない。結果的に、従来法ではＸ線用途のブレーズド回折格子を作ることは難しかった。 For comparison, FIG. 8 shows a method of manufacturing a diffraction grating using a conventional resist mask as described in Patent Document 1. As shown in FIG. FIG. 8 schematically shows a process in which a resist mask 101 is formed on the surface of a substrate 100 and the ion beam 102 is irradiated from an oblique direction for processing. However, in order to make a blazed diffraction grating with a maximum depth of 50 nm, the resist film thickness is set to about 5.5 nm or less at the highest position even if the duty ratio is 1/10 in order to secure the blazed region as much as possible. If not, it can not be processed geometrically. That is, the portion 103 to be shaded by the resist mask 101 can not be processed. Usually, the resist film thickness is several hundred nm~ number μm approximately, it is very difficult to form the entire surface uniformly spin coated 5 to 6 nm, if reactive, such as too thin even be formed for example CHF 3 The ion etching can not exhibit the function as a mask. As a result, it has been difficult to make a blazed diffraction grating for X-ray applications by the conventional method.
一方で、本発明の製造方法であれば、従来のようなレジストマスクによる影は存在しないため、１００ｍｒａｄ以下の浅い角度でイオンビームを照射しても、目的の構造を作製することができるのである。 On the other hand, according to the manufacturing method of the present invention, since a shadow due to a conventional resist mask does not exist, the target structure can be manufactured even by irradiating the ion beam at a shallow angle of 100 mrad or less. .
前記略矩形の格子溝３は、ラミナー型の回折格子を基本構造としていて、略矩形の格子溝３の底面５の幅と、土手部２の最表面７の部分との幅の比率が、（土手部２の最表面７の幅）／（格子溝３の底面５の幅）＜１であることを特徴とする。好ましくは、（土手部２の最表面７の幅）／（格子溝３の底面５の幅）＜０．５、より好ましくは（土手部２の最表面７の幅）／（格子溝３の底面５の幅）＜０．１である。比率が小さくなればなるほど、表層材料の最表面、つまり反射面６がより直線的になるため、回折効率が高くなる。 The substantially rectangular grating groove 3 has a laminar structure of a diffraction grating as a basic structure, and the ratio of the width of the bottom surface 5 of the substantially rectangular grating groove 3 to the width of the outermost surface 7 of the bank portion 2 is It is characterized in that the width of the outermost surface 7 of the bank portion 2 / (the width of the bottom surface 5 of the grating groove 3) <1. Preferably, (width of outermost surface 7 of bank portion 2) / (width of bottom surface 5 of lattice groove 3) <0.5, more preferably (width of outermost surface 7 of bank portion 2) / (grid groove 3) The width of the bottom surface 5) <0.1. As the ratio becomes smaller, the outermost surface of the surface layer material, that is, the reflection surface 6 becomes more linear, and the diffraction efficiency becomes higher.
前記表層材料は、金属、金属酸化物又は樹脂を含む材料であり、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が、基板材料よりも速いことを特徴とする。基板材料は、ＳｉもしくはＳｉＯ２が望ましい。一般的に、Ｘ線用途の光学系材料は、熱伝導率や、形状安定性の高さから、ＳｉやＳｉＯ２で主に製作されており、本発明においても当該材料に回折格子を製作する。また、表層材料は、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ａｌといった金属材料であることが好ましい。 The surface layer material is a material containing a metal, a metal oxide or a resin, and is characterized in that the removal processing rate by the etching or sputtering gas is faster than the substrate material. The substrate material is preferably Si or SiO 2 . Generally, optical materials for X-ray applications are mainly made of Si or SiO 2 from the viewpoint of thermal conductivity and shape stability, and in the present invention, diffraction gratings are manufactured using the materials. . The surface layer material is preferably a metal material such as Ag, Au, Cu, Pd, Ni, Co, Cr, Fe or Al.
Ａｒイオンによるスパッタリングレートは、例えば基板１の材料をＳｉにし、表層４の材料を、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ａｌといった金属材料とした場合、その比は大きく異なる。例えば、Ａｇを使った場合、Ａｒイオンによるスパッタリングレートは、（基板材料：Ｓｉ）／（表層材料：Ａｇ）＝１／８であるされ、そのレートの差により、図１に示す構造で内壁９のところで、エッチストップ（スパッタストップ）がかかるようになる。 For example, when the material of the substrate 1 is Si and the material of the surface layer 4 is a metal material such as Ag, Au, Cu, Pd, Ni, Co, Cr, Fe, Al, the ratio is large. It is different. For example, in the case of using Ag, the sputtering rate by Ar ions is (substrate material: Si) / (surface layer material: Ag) = 1/8, and the inner wall 9 with the structure shown in FIG. At this point, the etch stop (sputter stop) will be applied.
図３は、前記基板１の上に、バインダー層１０と、基板材料と比較して、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料からなる表層４と、を積層した構造を示している。前記バインダー層１０は、基板材料と表層材料との密着性を高めるために設ける。この場合、バインダー層材料は、金属、金属酸化物又は樹脂を含む材料の中から適宜な材料が選択され、通常は下層材料、つまり基板材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料となり、イオンビーム加工によって表層材料とともに除去される。 FIG. 3 shows a structure in which a binder layer 10 and a surface layer 4 made of a material having a high processing speed for removal by etching or sputtering gas compared to the substrate material are laminated on the substrate 1. The binder layer 10 is provided to enhance the adhesion between the substrate material and the surface layer material. In this case, an appropriate material is selected from among materials containing metal, metal oxide or resin, and the material for the binder layer is usually a lower layer material, that is, a material having a higher processing speed by etching or sputtering gas than the substrate material. And removed together with the surface material by ion beam processing.
ここで、Ｓｉを基板材料にした場合、スパッタリングによる除去加工速度は、面方位によって異なる。このため、面方位によっては、基板材料の方が、表層材料よりも除去加工速度が速いケースがある。そこで、基板材料のラミナーパターンに、エッチング又はスパッタ耐性の高い（エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の遅い）、タングステンや、タンタルといった材料を、数１０ｎｍ以下程度、保護層１１として蒸着しておき、その後、表層４となるＡｇや、Ａｕを格子溝３の深さよりも厚く蒸着しておくと、基板材料がエッチング又はスパッタリングされる前に、当該の層が保護層１１として機能するようになる。ここで、前記保護層１１が、本発明の下層材料となり、前記格子溝３を備えた凹凸構造の表面を構成することになる。 Here, when Si is used as the substrate material, the removal processing rate by sputtering differs depending on the plane orientation. Therefore, depending on the plane orientation, there are cases where the substrate material has a removal processing speed faster than that of the surface layer material. Therefore, a material such as tungsten or tantalum with high etching or sputtering resistance (slow removal processing speed by etching or sputtering gas), or a few tens of nm or less, is deposited as a protective layer 11 on the laminate pattern of the substrate material. Thereafter, when Ag or Au to be the surface layer 4 is vapor-deposited to be thicker than the depth of the lattice groove 3, the layer functions as the protective layer 11 before the substrate material is etched or sputtered. Here, the protective layer 11 is the lower layer material of the present invention, and constitutes the surface of the concavo-convex structure provided with the lattice groove 3.
図４は、前記基板１の上に、バインダー層１０と、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の遅い材料からなる保護層１１と、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料からなる表層４と、を積層した構造を示している。図５は、前記基板１の上に、バインダー層１０と、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の遅い材料からなる保護層１１と、バインダー層１０と、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料からなる表層４と、を順次積層した構造を示している。尚、前記保護層１１は、前記表層材料よりも、エッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が遅い材料であれば良く、その場合は基板材料に対する制限はなくなる。また、前記保護層１１は単数層でも複数層でも良い。そして、密着性を改善するために、少なくとも一部の層間に前記バインダー層１０を形成するのである。 FIG. 4 shows a binder layer 10, a protective layer 11 made of a material having a low removal rate by etching or sputtering gas, and a surface layer 4 made of a material having a high removal rate by etching or sputtering gas. , Show a stacked structure. FIG. 5 shows a binder layer 10, a protective layer 11 made of a material having a low removal rate by etching or sputtering gas, a binder layer 10, and a material having a high removal rate by etching or sputtering gas on the substrate 1 The surface layer 4 which consists of, and the structure which laminated | stacked sequentially are shown. The protective layer 11 may be made of any material that has a slower removal rate by etching or sputtering gas than the surface layer material, and in that case there is no restriction on the substrate material. The protective layer 11 may be a single layer or a plurality of layers. Then, in order to improve the adhesion, the binder layer 10 is formed between at least a part of the layers.
前記表層４の下層に前記保護層１１を設けた結果、斜めから、非等方的な、つまり指向性のある、エッチング又はスパッタリングを行った際に、図６のように表層４がブレーズ角をもって形成された際に、回折格子の段差部のエッジがシャープになる。図６中に書き加えた白抜き線は、本発明のブレーズド回折格子の断面における輪郭の形状を模式的に示したものであり、格子溝３の内壁９でエッジストップがかけられて段差部がシャープに形成されていることがわかる。一方、当該のエッチング又はスパッタリング耐性の高い保護層１１がなければ、基板材料も加工されてしまい、図７に示すように段差部のエッジが崩れてしまう。尚、各々の材料間にはバインダー層１０となる材料、例えばＣｒを数ｎｍ蒸着しておくと、それぞれの密着性が向上し、膜剥がれがなくなる。前記バインダー層１０となる材料は、エッチング又はスパッタリング耐性は不要であるので、密着性の向上に適した材料を選択できる。 As a result of providing the protective layer 11 in the lower layer of the surface layer 4, when the etching or sputtering is performed obliquely or anisotropically, that is, directional, the surface layer 4 has a blaze angle as shown in FIG. When formed, the edge of the step portion of the diffraction grating becomes sharp. The white lines added in FIG. 6 schematically show the shape of the contour in the cross section of the blazed diffraction grating of the present invention, and an edge stop is applied to the inner wall 9 of the grating groove 3 to form a stepped portion. It can be seen that it is formed sharply. On the other hand, if the protective layer 11 having high etching or sputtering resistance does not exist, the substrate material is also processed, and the edge of the step portion is broken as shown in FIG. If several nm of a material for forming the binder layer 10, for example, Cr, is vapor-deposited between the respective materials, adhesion between the respective materials is improved and film peeling is eliminated. The material used for the binder layer 10 does not require etching or sputtering resistance, so a material suitable for improving adhesion can be selected.
本発明で、下層に位置する材料とは、前記基板１の上に直接表層４が積層されている場合、あるいはバインダー層１０を介して表層４が積層されている場合には、基板１の材料そのものを指し、前記基板１の上に保護層１１を介して表層４が積層されている場合には、保護層１１を指している。尚、前記バインダー層材料のエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が、表層材料よりも遅ければ、該バインダー層１０が保護層１１と同じ機能を有することになり、その場合には下層に位置する材料がバインダー層１０を指すことになる。つまり、表層材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度が遅い材料によって、格子溝３の構造の表面が形成されていることが重要であり、その材料の存在によってエッチストップをかけることができる。 In the present invention, the material located in the lower layer means the material of the substrate 1 when the surface layer 4 is laminated directly on the substrate 1 or when the surface layer 4 is laminated via the binder layer 10. In the case where the surface layer 4 is laminated on the substrate 1 via the protective layer 11, the protective layer 11 is pointed out. If the removal processing rate of the binder layer material by etching or sputtering gas is slower than that of the surface layer material, the binder layer 10 has the same function as the protective layer 11, and in that case, the material located in the lower layer Will point to the binder layer 10. That is, it is important that the surface of the structure of the lattice groove 3 is formed by a material whose removal processing speed by etching or sputtering gas is slower than that of the surface layer material, and the etch stop can be applied by the presence of the material.
本発明のブレーズド回折格子は、先ず、図１に示すように、単純な全反射をする場合は、平面形状の基板表面に、集光機能も有する場合は、楕円形状、もしくは円筒形状の基板表面に作製する。何れの場合も、所定表面形状の平滑な基板を用意して、そのあと、まずラミナー型の回折格子をホログラフィックパターニングで作製する。 In the blazed diffraction grating according to the present invention, first, as shown in FIG. 1, in the case of simple total reflection, the planar surface of the substrate also has a light collecting function, the elliptical or cylindrical substrate surface. To make. In any case, a smooth substrate having a predetermined surface shape is prepared, and then, first, a laminar diffraction grating is produced by holographic patterning.
ラミナー型回折格子は、当該の基板上にレジストを塗布し、その後、二光束干渉法で、任意の周期での露光処理を行う。露光後、必要のない部分をレジスト剥離液で除去する。残存するレジストはライン＆スペース構造となっている。当該のライン＆スペース構造となった部分に垂直方向上方から、例えばＣＨＦ３による反応性イオンエッチングを施す。その後、Ｏ２プラズマにて、レジストをアッシング除去することでラミナーパターンは完成する。 In the laminar diffraction grating, a resist is applied onto the relevant substrate, and then exposure processing with an arbitrary cycle is performed by two-beam interference method. After exposure, unnecessary portions are removed with a resist stripping solution. The remaining resist has a line and space structure. For example, reactive ion etching using CHF 3 is performed on the portion having the line and space structure from above in the vertical direction. After that, the resist is ashed and removed with O 2 plasma to complete a laminar pattern.
完成したラミナーパターンの断面は、矩形（台形を含む）であっても、三角であってもよい。矩形の場合、凸となる部分（土手部２）の幅が、凹となる部分（格子溝３）の幅よりも狭いことが望ましい。また、三角である場合、凸部の頂点が形成される程度になってもよい。 The cross section of the finished laminate pattern may be rectangular (including trapezoidal) or triangular. In the case of a rectangle, it is desirable that the width of the convex portion (bank portion 2) is narrower than the width of the concave portion (grating groove 3). In addition, in the case of a triangle, the apex of the convex portion may be formed.
次に、完成したラミナーパターン上に、金属膜をコーティングする。金属膜としては、まずバインダー層１０となるＣｒを５〜１０ｎｍ蒸着した後、その後表層４となるＡｇを、格子溝が十分に埋まる程度まで蒸着する。尚、このＣｒとＡｇの間に、保護層１１となるタングステンや、タンタル膜を数１０ｎｍ程度挟んでいてもよい。尚、これらの保護層１１を蒸着した際は、Ａｇを成膜する前に、Ｃｒを成膜しておくと、Ａｇと保護層１１との密着性を高めることができる。 Next, a metal film is coated on the completed laminar pattern. As the metal film, first Cr of 5 to 10 nm to be the binder layer 10 is deposited, and then Ag to be the surface layer 4 is deposited to a degree that the lattice grooves are sufficiently filled. Note that tungsten or a tantalum film to be the protective layer 11 may be sandwiched by about several tens of nm between Cr and Ag. When these protective layers 11 are deposited, the adhesion between the Ag and the protective layer 11 can be enhanced by depositing Cr before depositing the Ag.
アルゴンイオンでのスパッタリングレートとしては、通常、ＡｇよりもＳｉのほうが遅い。タングステンも同様にＡｇよりもスパッタリングレートが遅い。このため、斜め方向からイオンビームを照射すると、Ｓｉやタングステンが障壁となって、Ａｇが選択的にスパッタリングされて、ブレーズド型の回折格子が作製される。 As a sputtering rate with argon ions, Si is usually slower than Ag. Tungsten also has a slower sputtering rate than Ag. For this reason, when an ion beam is irradiated from an oblique direction, Si or tungsten acts as a barrier, and Ag is selectively sputtered to produce a blazed diffraction grating.
Ｓｉ基板上に形成された、ピッチ約９００ｎｍ、深さ２００ｎｍの矩形のラミナーパターンパターンの上に、Ｃｒを５ｎｍ蒸着し、その上に、保護層を２０ｎｍ蒸着し、さらにその後、２００ｎｍのＡｇを蒸着して、サンプルを作製した。当該サンプルをアルゴンイオンにて斜め方向からスパッタリングを行った。その結果、図６に示すように段差のエッジ部が明瞭なブレーズド回折格子となった。 5 nm of Cr is vapor-deposited on a rectangular laminate pattern having a pitch of about 900 nm and a depth of 200 nm formed on a Si substrate, a protective layer of 20 nm is vapor-deposited thereon, and then 200 nm of Ag is further vapor-deposited The sample was prepared. The sample was sputtered obliquely with argon ions. As a result, as shown in FIG. 6, the edge portion of the step became a blazed diffraction grating that was clear.
一方で、図７に示すように当該の保護層が存在しない場合、エッジ部が崩れていることがわかる。このことからも保護層の存在により、エッジ部が明瞭になることが分かった。 On the other hand, as shown in FIG. 7, when the said protective layer does not exist, it turns out that the edge part is destroyed. This also shows that the presence of the protective layer makes the edge clear.
本技術は、X線用の回折格子において、従来製作が困難であった、高精度回折格子の作製において有用な技術である。この回折格子は、放射光施設での、各種の分析や、化学反応の現象解明等に有用である。また、実験室単位でも、当該回折格子をマスターにした、レプリカ品を用いると、スペクトロメーターによる分析において、シグナル強度が高くなるため、分析時間の短縮につながる。 The present technology is a useful technology in the production of high-precision diffraction gratings, which was conventionally difficult to produce in diffraction gratings for X-rays. This diffraction grating is useful for various analyzes in a radiation facility, elucidation of phenomena of chemical reaction, and the like. In addition, even in the laboratory unit, when a replica product using the diffraction grating as a master is used, the signal intensity becomes high in analysis by the spectrometer, which leads to shortening of the analysis time.
１ 基板
２ 土手部
３ 格子溝
４ 表層
５ 格子溝３の底面
６ 表層４の最表面（反射面）
７ 土手部２の最表面
８ ラミナー型回折格子の格子溝３の内壁（表層４が厚い側）
９ ラミナー型回折格子の格子溝３の内壁（表層４が薄い側）
１０ バインダー層
１１ 保護層
１００ 基板
１０１ レジストマスク
１０２ 反応性イオンビーム
１０３ 影となる部分
Reference Signs List 1 substrate 2 bank portion 3 lattice groove 4 surface 5 bottom surface 6 of lattice groove 3 outermost surface of surface 4 (reflecting surface)
7 Outermost surface 8 of bank portion 2 Inner wall of grating groove 3 of laminar diffraction grating (surface 4 is thicker)
9 Inner wall of grating groove 3 of laminar diffraction grating (surface 4 is thin)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Binder layer 11 Protective layer 100 Substrate 101 Resist mask 102 Reactive ion beam 103 The part which becomes a shadow
Claims (8)
前記表層材料は、下層に位置する材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い材料で形成され、
前記下層材料は、少なくとも前記格子溝構造の表面を構成し、
前記基板の水平面と、前記格子溝内部に充填された表層材料の最表面とで、傾斜角が異なることを特徴とする、ブレーズド回折格子。 At least a substrate provided with a substantially rectangular lattice groove on the surface, and a surface layer filled in at least the lattice groove of the substrate,
The surface layer material is formed of a material having a higher processing speed by etching or sputtering gas than the material located in the lower layer,
The lower layer material constitutes at least a surface of the grating groove structure,
A blazed diffraction grating, wherein an inclination angle is different between a horizontal surface of the substrate and an outermost surface of a surface layer material filled in the grating groove.
基板上にホログラフィックパターニングで略矩形の格子溝が付与されたラミナー型の回折格子を製作する工程と、
少なくとも前記ラミナー型回折格子の格子溝に、下層に位置する材料よりもエッチング又はスパッタリングガスによる除去加工速度の速い表層材料を充填する工程と、
斜め方向から照射されるイオンビームによって、前記表層材料を斜め方向にエッチングするとともに、少なくとも表面が前記下層材料で構成された、前記格子溝の一方の内壁のところでエッチストップをかける工程と、
を含むことを特徴とする、ブレーズド回折格子の製造方法。
The method for manufacturing a blazed diffraction grating according to any one of claims 1 to 7, wherein
Manufacturing a laminar diffraction grating in which substantially rectangular grating grooves are provided by holographic patterning on a substrate;
Filling at least the grating grooves of the laminar type diffraction grating with a surface material having a removal processing speed higher than that of the material located in the lower layer by etching or sputtering gas;
Etching the surface layer material in an oblique direction by an ion beam irradiated from an oblique direction, and applying an etch stop at one inner wall of the lattice groove, at least the surface of which is made of the lower layer material;
A method of manufacturing a blazed diffraction grating, comprising:
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-
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- 2017-11-20 JP JP2017222369A patent/JP6954613B2/en active Active
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| CN113205899B (en) * | 2021-04-25 | 2023-02-28 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | X-ray refraction blazed grating and preparation method thereof |
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