JP2535036B2 - X線・真空紫外線用多層膜反射鏡 - Google Patents

X線・真空紫外線用多層膜反射鏡

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学装置、特にX線から真空紫外線と称され
る波長200nm以下の光を対象とし、入射角が鏡面に対し
垂直に近い正入射反射鏡に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、真空紫外と称される領域より短波長の光に対し
て、面に垂直もしくはそれに近い角度で入射したときに
高い反射率を有するような反射鏡は存在せず、垂直入射
に近い入射角でも1%以下の反射率しか得られていなか
った。
一方、比較的高い反射率を有する斜入射反射鏡でさえ
も入射角を鏡面から1゜以下もしくは2〜3゜の範囲に
調整する必要があった。そしてこれでも光束を面に対し
小さい角度で入射させるために細い光束に対しても非常
に大きな反射面を必要とし、その装置の使用は困難かつ
限定されるものであった。
また、斜入射鏡では光学系構成の自由度が少なく、反
射鏡の作製に関しても大面積にわたり高精度の平面度が
要求され実際の使用にあたっても制限が多かった。な
お、可視域から2000Åの波長域では多層薄膜の干渉を利
用した多層膜の反射鏡が提案されている。例えば第2図
に反射率特性を示したように2000Å以上の可視域ではMg
F2とZnSなどを初めとする2つの誘電体の組合せで多層
交互層を形成させてほぼ80〜100%の反射率が正入射で
得ている。
しかしながら誘電体交互層の場合には2000Å以下の波
長域では吸収が急激に増加し1000Å以下では反射鏡とし
て使用できる材料の組合せはほとんど存在しなくなる。
また第2図に特性を示しているAl、Au、Pt等の金属単層
膜でも700Åより短い波長ではλに比例して急激に反
射率が減少し、500Åさらに200Åより短い波長域では1
%以下の反射率しか正入射では得られない。
一方、異なる複素屈折率をもつ2つの金属材料を交互
に積層した金属多層膜反射鏡が試みられるようになって
いるが、X線および真空紫外光の領域ではほとんどの物
質についてその反射率は吸収を表をす虚数部分Kをもつ
複素屈折率(n+ik、以下屈折率と呼ぶ)で表わされ、
実数部分nはほぼ1.0(n=1−δ、δ=10-1〜10-3
となるため真空と物質薄膜との境界におけるフレネルの
反射率は非常に小さく0.1%以下のオーダーである。ま
た異種材料の積層薄膜の境界においても反射率は単一の
境界面あたり数%を越えることが無い。
しかるに、異種材料を交互に多層積層構造とし、各々
の層境界からの反射光が干渉により強め合い、多層膜全
体としての反射率が最大となるような膜厚構成をとるこ
とにより、高い反射率を得ることが可能となる。さらに
隣接する層間での屈折率の差が大きくなるような異種材
料の組合せを選択し、先の膜厚構成と合せて反射率の高
い反射鏡が実現できることが知られている。
現在までに多層膜の構成につき知られている材料の組
合せとしては、低屈折率材料として遷移金属があり、高
屈折率材料としての多くは炭素、シリコン等の半導体元
素を用いたものであった。代表的な例をあげると、タン
グステン(W)と炭素(C)との組合せやモリブテン
(Mo)とシリコン(Si)の組合せ等がある。
従来、この種の多層膜反射鏡において反射率を向上さ
せるために面荒さを小さくするということが重要である
ことは認識されてきた。しかしながらその評価方法が例
えばヘテロダイン干渉式面荒さ計などによる広い領域、
すなわち、数平方μmの領域を平均化する方式の面荒さ
計で評価するものでしかなかったため(精密工学Vo1.52
(1986)、No.11、pp7−10)、X線・真空紫外線の領域
で反射率を低減させる重要な原因である基板表面の面に
平行な方向に数+Å以上数千Å以下の大きさをもつ凹凸
には考慮が払われず、従ってそのような凹凸をおさえる
工夫もなされたことはなかった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来例では、広い領域すなわち数平方μmの領域
を平均化する方式で測定した面荒さは十分制御してある
にもかかわらず、期待される反射率と測定された反射率
には大きな開きがあり、多層膜反射鏡としてその反射率
が低いものしか得られないという欠点があった。例えば
基板表面の面荒さがrms値で10Åの多層膜反射鏡と20Å
のそれの反射率を比較すると、波長124Åの軟X線をル
テニウム(以下Ru)とSiの41層からなる多層膜反射鏡に
垂直に入射した時、面荒さ20Åの多層膜反射鏡の反射率
は面荒さ10Åの多層膜反射鏡の反射率の1/10程度しか得
られない。
基板表面の面荒さは、反射光の光路差には最大2倍と
なって反映される。従って、使用波長の1/8の面荒さを
持つ反射鏡では反射されたX線又は真空紫外線は波長の
最大1/4の光路差のずれを持ち、反射率を低下させる。
数+Åから数千ÅのX線又は真空紫外線が干渉性を持つ
ような領域内では、面荒さによる位相ずれによって干渉
的に反射率の減少を引起す。例えば前述のRuとSiの41層
からなる多層膜反射率に124Åの軟X線を入射した場
合、透過電子顕微鏡で断面を観察したときに基板表面が
波長124Åの約1/8の15Åの面荒さを持つ多層膜反射鏡の
反射率は、ほとんど面荒さのない多層膜反射鏡の約1/4
程しか得られない。一般に面荒さが使用波長の1/15より
も大きくなると反射率は急減しはじめ、面荒さが使用波
長の1/8程になると反射率は1/4程になってしまう。
またヘテロダイン干渉式面荒さ計等のような数平方μ
mの広い領域を平均化するような方式で測定した面荒さ
は、乱反射として非干渉的に反射率を低下させる。これ
による反射率の低下は数+Å〜数千Åの荒れによる干渉
的な反射率の低下よりも若干影響が大きい。基板表面の
面荒さが波長の1/16程の反射率では、ほとんど面荒さの
ない反射率に比べて反射率が約1/2.5になる。
本発明の目的は、X線や真空紫外線に対して高い反射
率の鏡面を得て、従来にない光学特性の光学装置を提供
することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記に詳しく述べた従来技術の問題点は、互いに屈折
率の異なる物質の交互層よりなる多層構造の反射率を基
板上に有するX線・真空紫外線用多層膜反射鏡におい
て、その基板表面の面荒さ値が、ヘテロダイン干渉式面
荒さ計のrms値で使用波長の1/16以下であり、透過電子
顕微鏡による100Å以上700Å以下の厚さ試料についての
断面観察時rms値で使用波長の1/8以下であるX線・真空
紫外線用多層膜反射鏡により解決された。
以下本発明を、図面も参照しながら詳しく説明する。
第1図は本発明のX線・真空紫外線用多層膜反射鏡の
断面の模式図である。そこではヘテロダイン干渉式面荒
さ計でrms値で使用波長の1/16以下に、透過電子顕微鏡
観察による面荒さがrms値で使用波長の1/8以下に研磨さ
れた基板1、その上に互いに屈折率を異にする第1の物
質の層2,4……および第2の物質の層3,5…が交互に構成
されている。
基板1の表面には、製作された鏡面の組み込まれた光
学器械の用途に応じて、平面、凸面、凹面、非球面形状
に加工され、ダイヤモンドペーストによる研磨を経た
後、フローティング研磨法、化学研磨法、超高真空中に
おいて基板材料の融点よりわずかに低い温度における長
時間加熱または、フラッシュ加熱などにより充分な面荒
さにおさまるまで繰り返し研磨する。この過程では基板
表面に付着した不純物も除去される。
本発明のX線・真空紫外線用多層膜反射鏡が発現する
反射率は、交互層を形成する屈折率の異なる2種の物質
の屈折率の差、各層の吸収率、積層される層の数、照射
する光の波長等によって異なるが、その屈折率の差は例
えば層数を100層対とすると実用的には少なくとも0.01
以上あることが好ましい。
交互層の各層に屈折率の差をもたせるためには、本発
明で対象とするX線・真空紫外線の領域の光に対して高
屈折率の物質と低屈折率の物質とを用いて交互層を形成
すればよい。
各々の層の膜厚d1、d2、…は対象となる波長のほぼ1/
4であり、交互に同一の材質よりなる積層膜であって、
その膜厚は各層間の境界における反射光がすべて強め合
うように干渉する条件を満たすか、もしくは、各層内に
おける吸収損と位相ずれによる反射率低下を比較したと
きに多層膜全体としての反射率の低下がより少なくたる
条件を満たすかのいずれかあるいは両方により決まるも
のとする。その際、膜厚は同一材料層についてはすべて
等しくしても良いし各層毎に変化させ反射率が最大とな
るような必ずしも等しくはない厚さとしても良い。
積層の構成としては、気体または真空に接する層であ
る最終層の屈折率と気体または真空の屈折率との差が大
きくなる材料を選択することが望ましい。また基板と基
板に接する層との屈折率の差が大きくなるようにするこ
とも好ましい。
また、交互層の層数が多いほど反射率は増大するため
層数は5層対以上あることが好ましいが、あまり多くな
ると吸収層の影響が顕著となるため、作製の容易さも考
慮して200層対程度までが良い。また、最終層の上には
吸収の少ない安定な材料による保護層を設けても良い。
また、本発明のX線・真空紫外線用多層膜反射鏡を作
製する際の成膜法としては、超高真空中における電子ビ
ーム法が好ましく用いられるが、特に化合物材料を用い
る場合は、残留酸素等の量が充分少ない真空中における
スパッタリング法が有効な手法である。さらに、膜強度
の高い膜作製法としてイオンプレーティング法、半導体
超格子作製で注目を浴びている有機金属気相成長法(MO
CVD)などを用いて多層膜を形成してもよいことはいう
までもない。
〔実施例〕
実施例1 面精度λ/20(λ=6328Å)に加工したシリコン基板
(2″φ、10mmt)をダイヤモンドペーストにより研磨
し、ヘテロダイン干渉式面荒さ計で測定したところ第3
図(a)の通り面荒さがrms値で7.89Åで使用波長124Å
の1/16より大きかった。同一ロットの基板を透過電子顕
微鏡用サンプルとして300Å程度の厚さにし、5万倍で
断面観察を行ったところ面荒さがrms値で28.0Åで使用
波長124Åの1/8より大きかった。これはこのまゝでは本
発明に使用できないので、これをさらにフローティング
研磨を行い、その後アンモニア、過酸化水素水を含む75
℃に加熱したエッチング液で化学研磨を行ったところ第
3図(b)に示したようにヘテロダイン干渉式面荒さ計
でrms値で面荒さが4.40Åとなり、サンプル厚さ(300Å
程度)の試料で5万倍で透過電子顕微鏡観察を行った結
果、面荒さはrms値で10.5Åとなり、ヘテロダイン干渉
式面荒さ計での面荒さが使用波長の1/16以下、透過電子
顕微鏡観察での面荒さが使用波長の1/8以下となった。
このようにして得られた基板を、第4図に模式図を示
した装置の基板ホルダーのヒーター面にセットし、真空
度を1×10-10torrとした。蒸着に先だってあらかじめ1
400℃まで加熱(2時間)した。その後放置して冷却し
た。
第4図に示した装置には電子ビームの蒸発源2台が基
板に対して対称の位置に配置され、各々の電子銃ハース
に99.9%のRuと99.999%のSiをセットしておいた。真空
度が3×10-10torrに回復するまで待った後、蒸着を開
始した。
セットしたRu、Si共にあらかじめ電子ビームで予備加
熱をしておき(各ハース上のシャッター、及びメインシ
ャッター閉)30分から1時間予熱後、各々の蒸着レート
が3Å/min、5Å/minになるよう各ハース近傍に設置し
た水晶振動子(図には描いていない)で上記した蒸着レ
ートが保持できるようにフィードバックした。この後各
ハースのシャッターを交互に開け、第1図における第1
物質をRu、第2物質をSiとしてそれぞれの膜厚を27.2
Å、36.2Åとし、かつ全部で41層の成膜を行った。成膜
中の真空度は8×10-10torrを保持した。
こうして作製した多層膜反射鏡に、波長124Åの軟X
線を面に対して垂直な軸から10゜の傾きで入射したとこ
ろ反射率36.7%が得られた。
この値は市販のシリコンウェハーを基板とし、上記実
施例と同じ膜厚だけ蒸着し、軟X線を同じ方法で反射し
た場合に比較して約3倍の反射率であった。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明のX線・真空紫外線用多
層膜反射鏡はその基板において、特許請求の範囲に特定
した値にまで数平方μmの領域を平均化する方式により
測定した面荒さおよび多層膜表面の面に平行な方向に数
+Å以上数千Å以下の大きさをもつ凹凸に起因する面荒
さまでrms値で使用波長の1/16ないし1/8以下にしたから
鏡面の反射率を数倍から10倍まであげることができる効
果が得られた。このことは同時に、散乱光が減少したた
めに、反射鏡としての光学特性も向上したいという効果
もある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のX線・真空紫外線用多層膜反射鏡の断
面の模式図、第2図は誘電体多層、金属単層の照射光波
長に対する反射率を示す図、第3図は実施例1に用いた
シリコン基板のヘテロダイン干渉式面荒さ計による基板
の面荒さの測定結果であり、(a)はダイヤモンドペー
ストによる研磨後、(b)はそののちさらに化学研磨し
た結果を示す。第4図は本発明の実施に用いることので
きる超高真空電子ビーム蒸着装置の模式図である。 1は基板、2,4は第1物質、3,5は第2物質、6は誘電体
多層の反射率曲線、7は金属単層の反射率曲線、8は液
体窒素シュラウド、9はヒーターを備えた基板ホルダ
ー、10は基板、11はメインシャッタ、12はシャッタ、13
と15は電子銃ハースで13にRuを15にCをセットしてあ
る。16は水晶振動子を表わす。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに屈折率の異なる物質の交互層よりな
    る多層構造の反射鏡を基板上に有するX線・真空紫外線
    用多層膜反射鏡において、その基板表面の面荒さ値が、
    ヘテロダイン干渉式面荒さ計のrms値で使用波長の1/16
    以下であり、透過電子顕微鏡による100Å以上700Å以下
    の厚さ試料についての断面観察時rms値で使用波長の1/8
    以下であるX線・真空紫外線用多層膜反射鏡。
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