JP5669295B2

JP5669295B2 - 多層膜光学素子

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Publication number: JP5669295B2
Application number: JP2010000588A
Authority: JP
Inventors: 孝志今園; 雅人小池; 河内　哲哉; 哲哉河内
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-01-05
Also published as: JP2011141129A

Description

本発明は、Ｘ線領域での広い波長範囲で高い反射効率や回折効率をもつ多層膜光学素子の構造に関する。

Ｘ線領域における物質（バルク材料）の反射率は極めて低く、可視光領域で利用されるようなレンズ等の屈折光学素子も殆どないことが知られている。しかし、屈折率（複素屈折率の実部）が１より僅かに小さいため、ＰｔやＡｕ等の薄い単層膜を平滑な基板上に積層させた全反射ミラーが有効で、高い反射率を得ることが可能である。単層膜の全反射ミラーの場合、入射角が全反射領域から外れると反射率は著しく低下する。これを克服する手段としては、重元素からなる層と軽元素からなる層を周期的に交互に積層した多層膜が全反射領域より高角側でも高い反射率を得られることが知られ、平滑性の高い平面基板上にこの多層膜を形成すれば、Ｘ線に対して高い反射率をもつ平面鏡となる。基板を曲面とした場合でも同様に曲面鏡を得ることができ、レンズのないＸ線領域でもこれを用いて結像光学系を構成することができる。

こうした多層膜がもつ高いＸ線反射率は、重元素からなる層と軽元素からなる層の周期的構造によるＢｒａｇｇ反射（あるいは回折）に起因する。すなわち、各層からの反射波が強めあうように入射角、波長、及び層厚が設定された場合に特に高い反射率が得られる。こうした多層膜を用いて構成されたＸ線用光学素子は、各種のＸ線光学機器（顕微鏡や望遠鏡等）において極めて有用である。

特に、この多層膜を回折格子の回折面上に形成し、回折格子における回折条件と、この多層膜におけるＢｒａｇｇ回折条件とを整合させることにより、回折効率を高めることも可能である。例えば、特許文献１に示されるように、こうした構成の多層膜ラミナー型回折格子が知られている。

しかしながら、多層膜鏡においては、入射角を固定した場合、Ｂｒａｇｇ条件を満たす波長近傍しか高い反射率が得られない。従って、この鏡を使用できる波長帯域（反射幅）は極めて狭いという問題点がある。反射幅の狭帯化はＸ線のエネルギーが高いほど（短波長ほど）顕著となる。

この点を解消するために、例えば非特許文献１に記載された多層膜スーパーミラーという技術が知られている。多層膜スーパーミラーにおいては、多層膜の上部（表面側）ほど周期長Ｄを大きく、下部（基板側）ほどＤを小さく、順次変化させることにより、長波長（低エネルギー）のＸ線は主に多層膜の上部で、短波長（高エネルギー）のＸ線は主に多層膜の下部でそれぞれ反射されるため、結果として短波長から長波長まで広い波長帯域のＸ線を反射させることができる。

Ａ．Ｅｒｃｏ等、「ＧｒａｄｅｄＸ−ｒａｙＯｐｔｉｃｓｆｏｒＳｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎＲａｄｉａｔｉｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎＲａｄｉａｔｉｏｎ、ｖｏｌ．５、ｐ２３９、１９９８年

特開２００６−１３３２８０号公報

しかしながら、上記のいずれの技術においても、これらの光学素子の製造は複雑となった。

従来の多層膜は、一般に、重元素からなる層と軽元素からなる層にそれぞれ対応した２種類のターゲット物質をスパッタリング等の方法によって基板上に交互に周期的に積層することで形成され、重元素からなる層と軽元素からなる層の厚さが上部と下部とで変わらない一定の周期長を持つ。そのため、成膜中における各物質の単位時間当たりの積層厚（成膜速度）が一定である場合には、成膜時間で積層厚を制御することができる。これに対して、非特許文献１に記載の多層膜スーパーミラーを作製する際には、各層の成膜毎に成膜時間を変化させる必要がある。そのため、一定の周期長を持つ従来の多層膜の場合に比して積層厚の制御が複雑となり、その作製は難しくなる。

このように、広い波長帯域で使用できるＸ線光学素子を単純な製造工程で得ることは困難であった。

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。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の多層膜光学素子は、基板上に、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とが交互に周期的に積層されて形成された構造を具備する多層膜光学素子であって、第１の低密度物質層と第１の高密度物質層とが交互に周期的に積層された多層膜構造が、前記第１の低密度物質層が前記多層膜構造における最上層となるように前記基板上に形成され、前記第１の低密度物質層と同じ物質で構成された第２の低密度物質層が前記多層膜構造の最上層である前記第１の低密度物質層の上に接して形成され、前記第１の高密度物質層と同じ物質で構成された第２の高密度物質層が前記第２の低密度物質層と接し前記多層膜光学素子の最上層となるように形成され、前記第１の低密度物質層と前記第１の高密度物質層を一対とする前記多層膜構造の周期長Ｄ_１に対する前記第２の低密度物質層と前記第２の高密度物質層とからなる上部積層構造の厚さＤ_２の比、Ｄ_２／Ｄ_１が１．０±０．０５の範囲内であることを特徴とする。
本発明の多層膜光学素子において、前記第１の高密度物質層の材料と前記第２の高密度物質層の材料はＷ又はＮｉであることを特徴とする。
本発明の多層膜光学素子において、前記第１の低密度物質層の材料と前記第２の低密度物質層の材料がＢ_４Ｃ、Ｂ、Ｃ、ＳｉＯ_２のいずれかであることを特徴とする。
本発明の多層膜光学素子において、前記基板は鏡面基板、回折格子基板、ゾーンプレート基板のいずれかであることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、広い波長帯域で使用できるＸ線光学素子を単純な製造工程で得ることができる。

本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡の断面構造を示す図である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において多層膜構造のみが用いられた際の構造を示す図である。多層膜構造のみが用いられた際の２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において上部積層構造付近のみが存在した際の構造を示す図である。上部積層構造付近のみが存在した際の２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡における２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において第１及び第２の低密度物質層が同一であり、その低密度物質層に４種類の材料を選択した場合について計算した２〜４ｋｅＶにおける反射率スペクトルの結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において第１及び第２の高密度物質層が同一であり、その高密度物質層として３種類の材料を選択した場合について２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において第１の高密度物質層の材料を固定し、その第２の高密度物質層として３種類の材料を選択した場合について２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において第２の高密度物質層の材料を固定し、その第１の高密度物質層として３種類の材料を選択した場合について２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡における２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルの、上部積層構造の積層総数Ｎ_２依存性を計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡における２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルの、上部積層構造の膜厚Ｄ_２依存性を計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡の２〜４ｋｅＶにおける最大反射率、最小反射率、積分反射率のＤ_２依存性を計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において、高密度物質層の材料としてＮｉを用い、エネルギー帯域を１．５〜３ｋｅＶに対応させた場合の反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において高密度物質層及び低密度物質層の材料としてＷ及びＢ_４Ｃをそれぞれ用いた場合の上部積層構造の積層総数Ｎ_２が２及び３の時の２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。本発明の実施の形態となる多層膜反射鏡において高密度物質層及び低密度物質層の材料としてＮｉ及びＢ_４Ｃをそれぞれ用いた場合の上部積層構造の積層総数Ｎ_２が２及び３の時の１〜３ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。

以下、本発明の実施の形態に係る多層膜光学素子として、多層膜反射鏡について説明する。この反射鏡は、基板上に多層膜が形成された構成を具備し、特に数ｋｅＶ領域のＸ線用反射鏡として用いることができる。図１は、この多層膜反射鏡１０の断面を示す。この多層膜反射鏡１０においては、平坦な基板１１上に多層膜構造２０が、その上に上部積層構造３０が形成されている。

ここで、基板１１としては石英（ＳｉＯ_２）等で形成された鏡面基板を用いることができる。この多層膜反射鏡１０の反射率はその表面（図１中の上側の面）の平坦度に大きく依存し、この平坦度は基板１１の表面（多層膜構造２０が形成された側の面）の平坦度に依存する。この平坦度としては、例えば、反射させるＸ線の波長と比べてその表面粗さが小さくなることが好ましい。

多層膜構造２０においては、特許文献１に記載されるものと同様に、第１の高密度物質層２１と第１の低密度物質層２２とが周期的に積層されている。第１の高密度物質層２１を構成する材料、第１の低密度物質層２２を構成する材料は、共に、単体元素であっても、化合物であってもよい。ただし、第１の高密度物質層２１と第１の低密度物質層２２の屈折率（複素屈折率の実部）の差が大きく、消衰係数（複素屈折率の虚部）がどちらの物質でも小さいことが反射率を高めるために必要である。この多層膜構造２０においては、基板１１側から順に第１の高密度物質層２１（以下、Ａと呼称）、第１の低密度物質層２２（以下、Ｂと呼称）が、ＡＢＡＢ・・・という順で周期的に積層されている。この構成は、Ｘ線光学素子（Ｘ線反射鏡等）に使用されている多層膜構造と同様である。従って、多層膜構造２０を用いることにより、Ｂｒａｇｇ反射を用いて特定の波長領域における反射率を高めることができる。その積層総数（第１の高密度物質層２１、第１の低密度物質層２２の各々で１層とする）をＮ_１とする。従来の多層膜反射鏡の場合と同様にＢｒａｇｇ反射の効率を高めるために、Ｎ_１＞＞２とされる。

同様に、上部積層構造３０においては、第２の高密度物質層３１と第２の低密度物質層３２とが積層されている。第２の高密度物質層３１、第２の低密度物質層３２を構成する材料は、それぞれ第１の高密度物質層２１、第１の低密度物質層２２と同様である。多層膜構造２０と同様に定義したその積層総数をＮ_２とすると、Ｎ_２＝２としている。また、多層膜構造２０と上部積層構造３０との界面において、第１の低密度物質層２２と第２の低密度物質層３２とが直接接するような積層順序とされる。従って、第２の高密度物質層３１の材料が第１の高密度物質層２１と同一、かつ第２の低密度物質層３２の材料が第１の低密度物質層２２と同一である場合には、図１の構造においては、下側から、ＡＢＡＢ・・・ＡＢＡＢＢＡという順序の積層構造が形成される。すなわち、最上部の２層のみの順序がこれよりも下層と異なる構造となる。

第１の高密度物質層２１、第２の高密度物質層３１を構成する材料としては、例えばタングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ)、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等が用いられる。第１の低密度物質層２２、第２の低密度物質層３２を構成する材料としては、例えば炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ホウ素（Ｂ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）等が用いられる。これらの材料は、単体元素であっても、化合物であってもよい。また、第１の高密度物質層２１と第２の高密度物質層３１、あるいは第１の低密度物質層２２と第２の低密度物質層３２とを同一の材料で構成する必要はない。更に、第１の高密度物質層２１と第２の高密度物質層３１、あるいは第１の低密度物質層２２と第２の低密度物質層３２の厚さも同一である必要はない。

多層膜構造２０、上部積層構造３０は、例えばスパッタリング法によって形成することができる。この場合、各層を構成する材料からなるターゲットを適宜切替え、各々の成膜時間を設定することで、各層の厚さを制御することが可能である。

この構造の多層膜反射鏡１０の反射率は、広い波長帯域（エネルギー帯域）において高くなる。以下では、この多層膜反射鏡の反射率スペクトル（反射率の波長依存性）について説明する。

まず、上部積層構造３０がない場合の反射率について説明する。この場合の構造は、図２に示されるように、従来より知られる多層膜反射鏡と同様である。この場合、波長λの入射光に対する反射率を最大とする条件は、図２に示された通りに入射角θを反射面の法線とのなす角度として、以下の式で示される。

ここで、Ｄ_１は多層膜構造２０の周期長であり、第１の高密度物質層２１の厚さと第１の低密度物質層２２の厚さの和に等しい。ｍはＢｒａｇｇ回折の次数となる整数（通常は１）、δは、多層膜構造２０の平均屈折率（膜厚比を考慮した第１の高密度物質層２１と第１の低密度物質層２２との複素屈折率の実部の加重平均）をｎとしてδ＝１−ｎである。なお、軟Ｘ線領域における屈折率ｎは、１よりも僅かに小さい値である。また、周期長Ｄ_１に対する第１の低密度物質層２２の厚さの比率をγ_１とする。

図２における入射角θを８８°、反射するＸ線のエネルギーを３．６ｋｅＶと設定する。第１の高密度物質層２１としてＷ（複素屈折率の実部の１との差分：２．３０９６５×１０^−４）、第１の低密度物質層２２としてＢ_４Ｃ（同：３．８２４２４×１０^−５）を用い、γ_１＝０．５とすると、δ＝１．３４６０４×１０^−５となり、（１）式から反射率を最大とする周期長Ｄ_１は５．６ｎｍである。積層総数Ｎ_１を４０、基板１１をＳｉＯ_２とした際の入射エネルギー２〜４ｋｅＶに対する反射率スペクトルを計算した結果が図３である。ここで、基板１１、第１の高密度物質層２１、第１の低密度物質層２２はいずれも平坦である（その凹凸が反射率に与える影響が無視できる）としている。

この反射率スペクトルにおいては、３．５ｋｅＶ程度にピークがあり、このピークの半値全幅（約０．５ｋｅＶ）の範囲にわたり２０％以上の反射率が得られている。しかしながら、低エネルギー側（２．５ｋｅＶ近傍）においては、反射率は５％程度まで低下し、ピーク反射率の１／５程度である。すなわち、この構造において高い反射率が得られるエネルギー帯域は極めて狭い。これは、従来より知られる多層膜反射鏡の一般的な特性である。なお、図３における２．３ｋｅＶ、２．６ｋｅＶの箇所には、第１の高密度物質層２１として用いられたＷの内殻吸収端の影響による反射率の低下が見られる。

次に、多層膜構造２０上に上部積層構造３０が形成された場合の上部付近の反射率について説明する。ここで、単純化のために、第２の高密度物質層３１の材料及び厚さは第１の高密度物質層２１と等しく、第２の低密度物質層３２の材料及び厚さは第１の低密度物質層２２と等しいものとする。従って、上部積層構造３０の厚さＤ_２＝５．６ｎｍ、Ｄ_２に対する第２の低密度物質層３２の厚さの比率γ_２＝０．５となる。

この上部付近の構造として、最上部の４層（上部積層構造３０とその下の２層）のみからなる構造の反射率を上記と同様に算出した。すなわち、この構造は、具体的には、下側から、２．８ｎｍ厚のＷ層（第１の高密度物質層２１）、２．８ｎｍ厚のＢ_４Ｃ層（第１の低密度物質層２２）、２．８ｎｍ厚のＢ_４Ｃ層（第２の低密度物質層３２）、２．８ｎｍ厚のＷ層（第２の高密度物質層３１）となり、図４に示される構成となっている。ここで、中間の２つの低密度物質層（Ｂ_４Ｃ層）は一体化されるため、この構造は実質的にはＷ（２．８ｎｍ）／Ｂ_４Ｃ（５．６ｎｍ）／Ｗ（２．８ｎｍ）の３層構造となる。

この３層構造に対して図３と同様条件での反射率スペクトルを計算した結果が図５である。この反射率は、図３の結果とは大きく異なり、鋭いピークが見えず、特に図３で高反射率が得られなかった低エネルギー側（２．５ｋｅＶ付近）で２０％以上となっている。これは、実質的にこの３層構造を周期長８．４ｎｍの多層膜とみなすことができるためであり、この場合に（１）式からＢｒａｇｇ反射の効果が発現するエネルギーを見積ると、約２．６ｋｅＶとなることから理解することができる。すなわち、積層数N_２を小さくすることでN_２＞＞２とした場合に比してピーク反射率は低いが反射幅が広くなる多層膜反射鏡の一般的な特徴を利用している。一方、図３で高反射率が得られた３．６ｋｅＶでの反射率が極めて低い。これは、この３層構造が、このエネルギーのＸ線を反射させずによく透過させることを意味している。これらの特徴が広帯域化に大きく寄与している。

図１のように、多層膜構造２０上に上部積層構造３０を形成した場合には、高い反射率が得られる帯域をこれらの相乗効果によって広げることができる。図６は、図１の構造の多層膜反射鏡１０を上記の設定とした場合の反射率スペクトルを計算した結果である。同図中には、図３、図５の結果も同時に示してある。この反射率スペクトルにおいては、図３の場合ほどピーク反射率は高くないものの、２〜４ｋｅＶの広い帯域で、反射率が１０〜１７％（平均反射率１４．３％）となっている。すなわち、高い反射率が得られる帯域を広げることができる。

図１の構造を製造するに際し、特に第２の高密度物質層３１の材料及び厚さを第１の高密度物質層２１と等しく、かつ第２の低密度物質層３２の材料及び厚さを第１の低密度物質層２２と等しくした場合には、これらの成膜条件はそれぞれ同一となる。従って、２種類の成膜順序を替えるだけで図１の構造（多層膜構造２０上に上部積層構造３０を形成した構造）を得ることができる。従って、この構造を極めて容易にかつ高い制御性で作製することができる。これに対して、従来より知られる多層膜スーパーミラーの場合には、上部から下部に渡って順次周期長を変化させながら成膜する必要があるため、積層厚の制御が複雑で、その作製は難しくなる。

また、上記の結果は、第１の高密度物質層２１、第１の低密度物質層２２、第２の高密度物質層３１、第２の低密度物質層３２の材料に大きく依存しない。図７は、第１の低密度物質層２２及び第２の低密度物質層３２の材料をＢ_４Ｃ（前記の場合）、Ｂ、Ｃ、ＳｉＯ_２の４種類とし、他は前記と同様にした場合の多層膜反射鏡１０の反射率スペクトルを計算した結果である。この図においては、縦軸（反射率）を図６よりも拡大して示している。吸収の影響は主に高密度物質層の材料によるために、反射率スペクトルの定性的傾向は低密度物質層の材料によらず同様であり、広帯域化の効果も明らかである。すなわち、上記の効果は、低密度物質層の材料によらずに得られる。

一方、図８は、第１の高密度物質層２１及び第２の高密度物質層３１の材料をＷ（前記の場合）、Ｐｔ、Ｃｏの３種類とし、他は図６の場合と同様にした場合の多層膜反射鏡１０の反射率スペクトルを計算した結果である。Ｗ、Ｐｔを用いた場合には、広帯域化が達成できていることが確認できる。ただし、Ｐｔの場合には、特に２．１〜２．２ｋｅＶにおける反射率の低下が見られる。これは、ＰｔのＭ吸収端の影響である。

一方、Ｃｏの場合には、３．４ｋｅＶ付近のピークが顕著であり、それ以外のエネルギー域で積層総数Ｎ_１が少ないため反射率が振動している。この振動はＮ_１＞２００程度で消失し、結果的に反射率スペクトルは包絡線となる。すなわち、こうした振動のないスムーズな反射率スペクトルを得るためにはＮ_１が大きいことが好ましい。Ｗ、Ｐｔを用いた場合と比べて広帯域化の効果は小さいものの、Ｎ_１＝４０でさえ、低エネルギー側で７％以上の反射率が得られており、広帯域化の効果が得られる。すなわち、Ｃｏの場合、多層膜構造２０だけの時の２〜３ｋｅＶの反射率が３％以下であり、図５に示したＷの場合に比べ低いことが反射率の広帯域化の効果を弱めている主な要因である。このように、この多層膜反射鏡１０においては、低密度物質層の材料よりも、高密度物質層の材料の影響は比較的大きい。

また、製造工程は上記の場合よりは複雑になるものの、多層膜構造２０と上部積層構造３０の材料系を変えることもできる。この場合においても、比較的影響が大きいのは高密度物質層の材料である。図９は、第２の高密度物質層３１の材料をＷ（前記の場合）、Ｐｔ、Ｃｏの３種類とし、第１の高密度物質層２１の材料をＷ、他は図６の場合と同様とした場合の反射率スペクトルを計算した結果である。Ｐｔ、Ｃｏを用いた場合には、多層膜構造２０と上部積層構造３０における高密度物質層のみが異なる。どの材料を第２の高密度物質層３１に用いた場合でも、広帯域化がなされているが、その効果はＷを用いた場合が一番高い。ただし、Ｃｏを用いた場合であっても、反射率が１０％以上となる領域は充分に広い。

逆に、図１０は、多層膜構造２０における第１の高密度物質層２１をＷ（前記の場合）、Ｐｔ、Ｃｏの３種類とし、第２の高密度物質層３１をＷ、他は図６の場合と同様とした場合の反射率スペクトルを計算した結果である。やはり、どの材料の場合でも広帯域化がなされているが、最も効果が大きいのはＷであり、Ｃｏが最も効果が小さい。ただし、Ｃｏを用いた場合であっても、反射率が１０％以上となる領域は充分に広い。

以上より、有効な反射光学素子を得ることが従来困難であった２〜４ｋｅＶの帯域においては、第１の高密度物質層２１、第２の高密度物質層３１の材料として、共にＷを用いることが特に好ましい。

次に、上部積層構造３０における積層総数Ｎ_２の影響について説明する。図１１は、第１の高密度物質層２１、第１の低密度物質層２２、第２の高密度物質層３１、第２の低密度物質層３２を図６の場合と同様とし、上部積層構造３０における積層総数Ｎ_２を２（前記の場合）、４、６、８、１０とした場合の反射率スペクトルを計算した結果である。ここで、Ｎ_２＝４、６、８、１０の場合には、図１の場合と同様の順序で第２の低密度物質層３２と第２の高密度物質層３１を積層している。従って、これらの場合には、実質的に２つの多層膜構造が積層されていると考えることができる。

この結果から、Ｎ_２＝２の場合に特に顕著に広帯域化が図れることがわかる。これは、前記の通り、この多層膜反射鏡１０における広帯域化には、上層の非周期性が寄与していることに起因する。すなわち、Ｎ_２が大きくなった場合、上部積層構造３０の周期性によるＢｒａｇｇ反射の効果が高くなるために、広帯域化が図れない。

このことは、この多層膜反射鏡１０においては、特に低エネルギー領域における反射率向上に寄与する上部積層構造３０と、これと多層膜構造２０との境界にある厚い低密度物質層（第１の低密度物質層２２と第２の低密度物質層３２の融合層）との光路差が広帯域化に寄与することを示す。このため、Ｎ_２＝２、すなわち、第２の高密度物質層３１と第２の低密度物質層３２は１層ずつとすることが好ましい。

次に、多層膜構造２０における周期長Ｄ_１と上部積層構造３０（Ｎ_２＝２）の厚さＤ_２が異なる場合について説明する。図１２は、Ｄ_１＝５．６ｎｍ（前記と同じ）とし、Ｄ_２を変えた場合の反射率スペクトルを計算した結果である。ここで、Ｄ_２／Ｄ_１をパラメタとして示しており、他のパラメータ（γ_２等）は図６の場合と同様である。この結果より、反射率スペクトルの形状（広帯域化）にＤ_２／Ｄ_１依存性があり、均一な反射率を得るためにはＤ_２／Ｄ_１＝１付近が好ましいことが明らかである。

この点を更に明確にするため、図１３に、エネルギー範囲が２〜４ｋｅＶにおける反射率の最大値及び最小値、積分反射率のＤ_２依存性（あるいはＤ_２／Ｄ_１依存性）を示す。この結果から、反射率の最大値と最小値の差が最も小さくなるのは、Ｄ_２／Ｄ_１＝１．０（Ｄ_２＝Ｄ_１）の場合、すなわち、多層膜構造２０と上部積層構造３０の周期長が等しい場合であることがわかる。一方、積分反射率の最大値はＤ_２＝６．５ｎｍ付近（Ｄ_２／Ｄ_１＝１．１６付近）である。反射率の最大値と最小値の差が０．１以下とするように広帯域化をする場合には、図１３の結果より、Ｄ_２／Ｄ_１は１．０±０．０５の範囲が好ましい。この領域においては、積分反射率も、ピークの９５％以上であり、充分高い。

従って、第１の高密度物質層２１と第２の高密度物質層３１の材料及び厚さを等しくすることが製造工程を簡易にするという観点から望ましい。しかし、必ずしも第１の高密度物質層２１と第２の高密度物質層３１の材料及び厚さを同一にする必要はない。この場合、製造工程は複雑になるが、適宜、材料及び厚さを選択することで、反射率の広帯域化を図りながらも特定のエネルギー領域の反射率だけを低下させるバンドパスフィルタの役割を持たせる等、所望の反射率スペクトルを得ることができる点で本発明は応用性に富む。

上記の例では、対象とするエネルギー領域として２〜４ｋｅＶの場合を考えたが、この他のエネルギー帯域においても同様に多層膜反射鏡の広帯域化を図ることができる。例えば、第１の高密度物質層２１、第２の高密度物質層３１の材料をＮｉ、第１の低密度物質層、第２の低密度物質層の材料をＢ_４Ｃとし、Ｄ_１＝Ｄ_２＝９．４ｎｍ、γ_１＝γ_２＝０．５５、Ｎ_１＝６０、基板１１をＳｉＯ_２とした場合における、図６と同様の計算結果を図１４に示す。ここで、入射角は８８．２度である。図中には、図６と同様に、多層膜構造のみの場合の反射率、最上部４層のみの反射率も示している。この場合においては、１．５〜３．０ｋｅＶの帯域において均一に高い反射率が得られ、この領域の全てにおいて反射率が１０％を越え、平均反射率は２７．９％である。特に、１．６〜２．８ｋｅＶ（幅１．２ｋｅＶ）の領域では、反射率が２０％を越え、極めて高い。この多層膜反射鏡１０の製造工程においても、成膜時間を変えることなく、材料の積層順序を変えるだけで容易に多層膜反射鏡１０の構造を実現できる。

このエネルギー領域においては、第１、第２の高密度物質層の材料として、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ等が、第１、第２の低密度物質の材料としてＢ、Ｃ、ＳｉＯ_２等を用いることもできる。特に、第１、第２の高密度物質層の材料の吸収端のエネルギーを考慮して、所望のエネルギー範囲に対応させることが可能である。

次に、上部積層構造３０におけるＮ_２＝３の場合について説明する。図６に示したように、第１及び第２の高密度物質層２１と３１がＷ、第１及び第２の低密度物質層２２と３２がＢ_４Ｃの場合の反射率スペクトルは２ｋｅＶ近傍で反射率が低下傾向にある。同様に、図１４に示したように、第１及び第２の高密度物質層２１と３１がＮｉ、第１及び第２の低密度物質層２２と３２がＢ_４Ｃの場合の反射率スペクトルは１．５ｋｅＶ近傍で反射率が低下傾向にある。この領域の反射率を向上させるためには、一般の多層膜反射鏡の場合には積層数を大きくすればよいことが知られている。すなわち、上部積層構造３０の積層数Ｎ_２を大きくすればよいとも考えられるが、前記の通り、Ｎ_２≧４の場合では広帯域化することが出来ない。しかし、Ｎ_２＝３、すなわち上部積層構造３０において、第２の低密度物質層３２の次に第２の高密度物質層３１を積層した後、再度、第２の低密度物質層３２を積層することが有効である。ただし、その厚さは先に積層した第２の低密度物質層３２の厚さと第２の高密度物質層３１の厚さの和程度である。図１５は、第１及び第２の高密度物質層２１と３１がＷ、第１及び第２の低密度物質層２２と３２がＢ_４Ｃであり、上部積層構造３０における積層総数Ｎ_２＝３とした場合の２〜４ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。比較のため、積層総数Ｎ_２＝２の時のスペクトルも示している。このように、Ｎ_２＝３とすることによって、２ｋｅＶ近傍の反射率を向上させることができる。ただし、２．６ｋｅＶ近傍の反射率は僅かに低下するため、目的に応じてＮ_２＝２、３のどちらかを選択することが好ましい。

同様に、図１６は、第１及び第２の高密度物質層２１と３１がＮｉ、第１及び第２の低密度物質層２２と３２がＢ_４Ｃであり、上部積層構造３０における積層総数Ｎ_２＝２、３とした場合の１〜３ｋｅＶの反射率スペクトルを計算した結果である。１．８ｋｅＶ近傍の反射率は僅かに低下するものの、１．５ｋｅＶ近傍だけでなくより低エネルギー側の反射率を向上させることが出来る。この系の場合、Ｎ_２＝３とした際の低エネルギー側の反射率に与える効果は大きい。このように、上部積層構造３０における積層総数Ｎ_２＝３の場合でも広帯域化は可能であるが、Ｎ_２＝２の時に比べ反射率が低下する領域もあるため、Ｎ_２＝２、３のうち、所望の反射率スペクトルを得る値を選択すれば良い。この点からも本発明は応用に富む。ただし、前述の通り、Ｎ_２＝４以上の場合には反射幅の広帯域化は望めない。

なお、上記の例では、多層膜構造２０におけるＮ_１＝４０としたが、これ以外の場合でも、Ｎ_１＞＞２、かつ、多層膜構造２０においてＢｒａｇｇ反射が充分に起こる場合であれば、上記と同様の結果が得られることは明らかである。また、基板１１としてＳｉＯ_２を用いていたが、多層膜鏡の原理より、他の材料からなる基板であっても同様であることは明らかである。また、多層膜構造２０と基板１１との界面には第１の高密度物質層２１が存在するとしたが、Ｎ_１が十分大きく、多層膜構造２０における第１の低密度物質層２２と上部積層構造３０における第２の低密度物質層３２が直接接しさえすれば、基板１１との界面は第１の低密度物質層２２であっても良い。これらの順序は、基板１１との密着性や製造のし易さ等から適宜選択される。

更に、上記の例では、多層膜光学素子の具体例として、平坦度の高い基板１１を用いた反射鏡について説明したが、同様の多層膜構造２０及び上部積層構造３０を、他種類の基板上に形成すれば、他の光学素子が得られる。この際、上部積層構造３０を形成することは、多層膜構造２０（あるいは従来の多層膜反射鏡等に用いられている多層膜構造）と同様に行うことができる。すなわち、従来の多層膜構造が用いられている光学素子であれば、その上に上部積層構造３０を形成することができ、これを用いてＸ線領域における適用波長を広帯域化した光学素子が得られる。

例えば、特許文献１と同様に、基板１１として、回折格子を形成する溝が形成された回折格子基板（ラミナー型回折格子）を用いてこれらを形成すれば、広い波長帯域で高い回折効率をもつ多層膜ラミナー型回折格子として使用することができる。同様に、薄膜上に所望のパターンが形成された構造をもつゾーンプレート基板を基板１１として用いることもでき、その適用波長範囲を広げることも可能である。

１０多層膜反射鏡（多層膜光学素子）
１１基板
２０多層膜構造
２１第１の高密度物質層
２２第１の低密度物質層
３０上部積層構造
３１第２の高密度物質層
３２第２の低密度物質層

Claims

基板上に、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とが交互に周期的に積層されて形成された構造を具備する多層膜光学素子であって、
第１の低密度物質層と第１の高密度物質層とが交互に周期的に積層された多層膜構造が、前記第１の低密度物質層が前記多層膜構造における最上層となるように前記基板上に形成され、
前記第１の低密度物質層と同じ物質で構成された第２の低密度物質層が前記多層膜構造の最上層である前記第１の低密度物質層の上に接して形成され、前記第１の高密度物質層と同じ物質で構成された第２の高密度物質層が前記第２の低密度物質層と接し前記多層膜光学素子の最上層となるように形成され、
前記第１の低密度物質層と前記第１の高密度物質層を一対とする前記多層膜構造の周期長Ｄ_１に対する前記第２の低密度物質層と前記第２の高密度物質層とからなる上部積層構造の厚さＤ_２の比、Ｄ_２／Ｄ_１が１．０±０．０５の範囲内であることを特徴とする多層膜光学素子。
前記第１の高密度物質層の材料と前記第２の高密度物質層の材料がＷ又はＮｉであることを特徴とする請求項１に記載の多層膜光学素子。
前記第１の低密度物質層の材料と前記第２の低密度物質層の材料がＢ_４Ｃ、Ｂ、Ｃ、ＳｉＯ_２のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層膜光学素子。
前記基板は鏡面基板、回折格子基板、ゾーンプレート基板のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の多層膜光学素子。