JPH03111799A

JPH03111799A - 多層膜分光器

Info

Publication number: JPH03111799A
Application number: JP24960489A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Iketaki; 慶記池滝
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1991-05-13
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JP2530029B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本願発明は、必要とする帯域のＸ線を分光するのに好適
な多層膜反射鏡に関する。

〔従来の技術〕

近年、電子蓄積リング（ＳＯＲ）やレーザープラズマ光
源の開発に伴い、真空紫外から数人程度の範囲の波長の
Ｘ線を利用した製品開発や科学研究が盛んになってきて
いる。それに従い、白色のＸ線光源から必要とする帯域
の波長のＸ線を分光して利用する機会が多（なってきて
いる。この為の分光器としては、数Å以下の波長のもの
に対しては結晶分光器が利用され、数Å以上の波長に対
しては凹面回折格子が利用されることが多い。

結晶分光器としては、例えば第１４図に示したような、
分光と結像を兼ねた湾曲結晶モノクロメータ−や、第１
５図に示したような、裾引のない（ｔａｉｌｌｅｓｓ）
角分布のＸ線束を得るために多重回の対称反射を起こさ
せる逐次的対称反射型の結晶モノクロメータ−がある。

尚、第１４図において、１は結晶から成る凹面回折格子
、２はローランド円（回折格子の凹面の曲率半径を直径
とし、該凹面の中央で接する円）であって、Ｘ線源がロ
ーランド円２内にあると回折後のＸ線はローランド円２
の円周上に結像する性質がある。又、第１５図において
、互いに平行に配置された長短の結晶から成る平板状の
回折格子である。

これらの分光器の波長分解能λ／Δλは、スリットとの
組合わせで大体１０’程度である。これらの分光器にお
いて、使用する波長、光源（Ｘ線源）及び焦点の位置関
係はブラッグ条件で規定される。即ち、光源から回折格
子の結晶面への斜入射角と回折角をθ、分光するＸ線の
波長をλ、結晶の格子間隔をｄとすると、周知のブラッ
グ条件ｎλ＝　２　ｄ　ｓｉｎθ（ｎは正整数）　　−
−−−（１）を満足する。そして、第１４図のような湾
曲結晶モノクロメータ−の場合には、波長、光源の位置
焦点の位置が式（１）の関係を満たし、且つ光源の位置
と焦点の位置がローランド円２上に位置している。従っ
て、波長を変えて分光するときは、光源の位置と焦点の
位置をローランド円２上で移動させる。一方、第１５図
のような逐次的対称反射型の結晶モノクロメータ−の場
合も各回折面で式（１）の関係を満足していて、特定の
波長に対して、光線の入射角と射出角が決定される。

又、表面に格子溝を設けて成る凹面回折格子を初めとす
る回折格子も、式（１）と同様な関係式がある。即ち、
波長λの光が入射角αで入射するとき、ｍ次の回折光の
回折角βは、格子溝間隔ｄに対して次式で与えられる。

ｍλ＝ｄ　（ｓｉｎ　α＋ｓｉｎβ）　　　−−−−（
２）このような凹面回折格子の場合も、式（２）の条件
を満足しつつ、入射スリット（光源）と射出スリット（
焦点）がローランド円上に位置している。波長分解能λ
／Δλは、詳細に理論的に考察されている（Ｔ、Ｎａｍ
１ｏｋａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　０ｐｔｉｃ
ａｌＳｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　Ｖｏｌ　
４９．Ｎｏ、５．（１９５９）４４６参照）。

となる。但し、・・・・（４）ここで、Ｒは凹面回折格子の曲率半径である。

そして、Ｒ＝　１０００ｍｍ、　　λ＝　４０．５人、
α＝８８°、β＝−８０”　、　ｄ＝　ｌ／　３６００
ｍｍの場合には、λ／Δλ＝４×１０４と計算されるが
、実際には入射スリットなどの影響でλ／Δλ’＝１０
２〜１０’程度となる。

又、この他に第１６図に示した如き軟Ｘ線多層膜反射鏡
の開発が進み、この軟Ｘ線多層膜反射鏡も分散素子とし
ての性能を有しているので、分光素子として利用する動
きもある。この多層膜反射鏡は、基板５上に層厚ｄ、の
物質ａの層と層厚ｄ２の物質すの層から成る厚さｄの層
対を多数積層して形成して成るものである。図中、６は
入射スリット、ψは入射角、７は反射点、８は射出スリ
ットである。

ここで、物質ａ、ｂの組合わせとしてＷ（タングステン
）／Ｃ（炭素）を選び、１２８層対、入射角４５°とし
た場合の波長に対する反射率依存性（Ｔ、Ｎａｍ１ｏｋ
ａ　Ｒｅｖｕｅ　Ｐｂｙｓ、Ａｐｐｌ、Ｖｏｌ、２３（
１９８８）１７１１〜１７２６参照）を第１７図に示す
。この図によれば、λ／Δλ：６０程度の波長分解能を
有していることが分かる。大体この値は格子線数が６０
０本／ｆｆ１ｆ１１程度の市販の凹面回折格子の分光器
の波長分解能に相当する。

ところで、従来の湾曲結晶モノクロメータ−或は凹面回
折格子を用いたＸ線分光器においては、光源或は入射ス
リット、焦点或は射出スリット。

回折面の位置が常にローランド円上にあり、且つ上記条
件式（１）或は（２）を満たす必要がある。

従って、これらの分光器は、分光する波長が変わると、
光源９回折面、焦点の位置をローランド円上で移動させ
て条件式（１）或は（２）を満たすようにその都度調整
する必要がある。そして格子溝形の凹面回折格子を有す
るものの調整方式としては、例えば第１８図に示した如
く、スリットＳ８２を固定しておいて、これらが常にロ
ーランド円上に位置するように凹面回折格子Ｇを回転さ
せる方式（定偏角トロイダル回折格子モノクロメータ−
光学系）や、第１９図に示した如く、検出側のスリット
Ｓｌを固定しておいて、ローランド円が常にスリットＳ
、　　Ｓ、を通るように凹面回折格子Ｇ及び入射側のス
リットＳｌを動かす方式（ボダール・モノクロメータ−
）や、第２０図に示した如く、入射側のスリットＳ１及
び凹面回折格子Ｇを固定しておき、検出側のスリットＳ
２をローランド円に沿って動かす方式（ラントン・モノ
クロメータ−）がある。又、湾曲結晶モノクロメータ−
の場合も同様な調整方式が採用される。

第１８図乃至第２０図において、αは入射角、βは回折
角である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記調整方式のものは、何れも回転運動を実
現するために、機械系が大変高精度であることが要求さ
れ、複雑な構造になってしまうという欠点があった。特
に、第１９図に示した方式のものは、スリットＳ１及び
凹面回折格子Ｇの両方を動かさなければならないので大
変である。又、第２０図に示した方式のものは、実際に
はローランド円２の中心０を支点として動（棒の先にネ
ジ部９を設け、該ネジ部９に螺合するナツト１０に直角
に取付けた棒の先にスリットＳ２を装着しておき、前記
棒の回転角に合わせてナツトｌＯを進退させて位置合せ
をするため、位置合せ機構が極めて複雑になる。そして
、その結果製造コストも著しく高（なってしまうという
問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、機械系が極めて簡単であ
り、製造コストも安い分光器となる多層膜反射鏡を提供
することを目的としている。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明による多
層膜反射鏡は、所定の入射角の入射光に対して反射点を
変えた時異なる波長番こおいて反射率が最大となるよう
にして成ること（こより、入射スリット及び射出ス１ル
ソトを固定しつつ多層膜反射鏡をスライドさせるだけで
かなりの波長域に亘って分光が行なわれるようにしたも
のである。

以下、この点について詳細に説明する。

軟Ｘ線多層膜反射鏡は、第１６図に示すよう（こ屈折率
差が大きい２種類の物質ａ、ｂの薄膜を夫々層厚ａ、、
ｄ２で交互に積層した構造になっている。この層対の厚
み（周期厚）をｄとしてＸ線の入射角をψとすれば、ブ
ラ・ソゲ条件に従（溝、（よぼ λ＝２ｄｓｉｎ　　（π／２−ψ）　　　　　−−−−
（５）を満たす条件で、特定の波長λのＸ線の反射率力
（最大となる。即ち、入射角を固定した場合、次式にほ
ぼ従うように周期ｄを選択し、反射角ψの方向に射出スリットを置けば、波長λのＸ線を分光できる
。従来方式では基本的には角度ψを変化させることで分
光を行っていたが、上記のことは、ｄを何らかの方法で
変化させれば、光源、入射スリット、射出スリット、検
出器等を固定したまま分光できることを示している。そ
こで、本発明では、同一基板上に周期厚が連続的又段階
的に変化する多層膜を被覆した軟Ｘ線多層膜反射鏡を提
案している。

第１図は、長さｌの基板５の上に周期厚を線型に変化さ
せた多層膜を被覆した多層膜反射鏡の概念図を示してい
る。

断面Ａにおける周期厚をｄ、断面Ｂにおける周期厚をｄ
′とし、断面ＡよりＸだけ離れた断面Ｃにおける周期厚
をｄ８とすると、！と書ける。ここで、式（６）のｄをｄ、で置き換えるλ
＝２＋ｉ＋　（ｒ／２ φ）・（−ｘ　＋　ｄ　１・・・・（８）となる。式（８）は、ψが固定であっても、Ｘを変化さ
せて適当に反射点７を選べば、波長λのＸ線を固定した
スリットから取り出せることを意味している。第１図に
おいては、多層膜反射鏡の法線に対して角度ψで入射ス
リット６と射出スリット８を設置したようすを示してい
る。この図では、多層膜反射鏡の反射面にかなりの角度
のついているように描かれているが、実際にはＸ線領域
でのｄ′とｄの差は大きくても数μｍ程度であって、殆
ど反射面に角度がつかないのに等しいので、反射点を移
動させることでブラッグ条件は崩れない。

第２図は、多層膜反射鏡の反射率の物質の組合わせに対
する依存性を示している（Ｔ、　Ｎａｍ１ｏｋａＲｅｖ
ｕｅ　Ｒｈｙｓ、Ａｐｐｌ、Ｖｏｌ、２３（１９８８）
　１７１１−１７２６参照）。ここで、各元素名の添字
り、　Ｋは夫々各元素のし殻、に殻に対応する吸収端を
表わしている。

又、多層膜反射鏡の総厚は３６６０人となっている。

この図によれば、特定の物質の組合わせでは、特定の波
長領域のみでしか十分な反射率が得られないことが判る
。即ち、多層膜反射鏡において、広い波長領域に対して
有効な分光素子を一種類の材料の組合わせで実現するこ
とは困難であることが判る。従って、第３図のように同
一基板５の上に、異なる材料の組合わせの多層膜を数種
類異なる位置に被覆してできるだけ広い波長域のＸ線を
分光できるようにする工夫が必要である。第３図は、４
種類の物質の組合わせ（ａｌ／ｂｔｌａ２／　ｔ）ｚ　
、　　ａｓ　／　ｂｓ　、　　ａｔ　／　ｂ４）の多層
膜Ｌ〜Ｌ４を異なる位置に被覆して成る多層膜反射鏡の
断面を示している。

第４図及び第５図は、何れも分光の際必要な反射点の移
動方式の原理を示す図である。何れも、本発明の趣旨に
従い、入射スリット６、射出スリット８が固定され、機
械的操作が極めて簡単なものになっている。第４図のも
のは本発明による多層膜反射鏡１１を一次元の位置決め
ステージ１２の上に搭載したものであり、反射点７の移
動は簡単に一次元の移動で事足りる。尚、１３は反射点
７のみを露出させるためのマスクである。又、第５図は
本発明による多層膜反射鏡１１をディスク１２′上に設
け、そのディスク１２′を回転させることで反射点７の
移動を実現したものを示している。これらの方式の機構
は、従来のボダール・モノクロメータ−（第１９図）や
ラントン・モノクロメータ−（第２０図）の機構と比較
して大変簡単なものとなっている。又、従来の定偏角ト
ロイダル回折格子モノクロメータ−光学系（第１８図）
のような高精度な凹面回折格子Ｇの回転操作が不用とな
る。

尚、第１図に示したような連続的に膜厚の変化した多層
膜の作製も比較的簡単であり、これは第６図に示すよう
に、蒸着の際に基板５を蒸発源に対して傾けて設置すれ
ば、連続的に膜厚が変化した多層膜が作製できる。即ち
、真空槽１４の下部に薄膜材料１５を載置する蒸発源１
６が上部に、基板５と膜厚計１７が夫々設けられている
と共に、基板５と蒸発源１６との間に挿脱自在であって
挿入された時に薄膜材料が基板５に届くのを妨げるシャ
ッタ１８が設けられており、電流導入端子１９から蒸発
源１６に電流を加えると薄膜材料１５が蒸発して基板５
に付着するが、基板５を傾けておくと、薄膜材料１５が
存在する蒸発源１６の中心点から基板５に対する単位放
射角当りの蒸発量が等しいとすれば、基板５の蒸発源１
６の中心点から遠い部分の方が近い部分よりも面積が大
となるので膜厚が薄（なるのである。

又、実際、多層膜反射鏡の周期厚、各物質の膜厚を設計
する場合、Ｘ線も多層膜反射鏡境内で光路長が変化する
ので、厳密には式（５）のブラッグ条件を満足しない。

従って、その都度最適化設計が必要である。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づき本発明の詳細な説明する
。

第７図は本発明による多層膜反射鏡の一実施例の光学的
モデルを示しており、これは、ＮｉとＴｉ、ＮｉとＣか
ら構成される多層膜反射鏡である。軟Ｘ線領域の多層膜
反射鏡の設計と評価に対してはプレネルの漸化式が可視
光域のものに対する場合と同じく有効である。Ｒ□−１
は（ｍ−１）層まで積層して製膜した時の複素振幅反射
率を示し、Ｎ□−１は（ｍ−１）層の複素屈折率を示し
ている。この場合、フレネルの漸化式を利用すれば、更
に複素屈折率Ｎ□を有する物質を厚みｄ、、、で積層し
た時の複素振幅反射率Ｒ４は次式（波間　武昭和６０年
度科学研究費研究成果報告書「軟Ｘ線リソグラフィの開
発参照）で表現できる。

・・・・（９）ここで、ｒｆｆｉは新しく積層した第ｍ層の真空に対す
るフレネル係数である。そして、Ｐ偏光成分に対しては
、Ｓ偏光成分に対しては、である。但し、φはＸ線が真空から多層膜へ入射すると
きの入射角であり、φ□は複素屈折角である。又、δ□
は第ｍ％内ｌ往復の位相差であり、波長λとすれば、 δ。（２π／λ）Ｎ、ｄユＣＯ３φ□　・・・・（口と
書ける。

従って、基板をｍ＝ｏ層として、順次第ｍ層まで式（９
）を利用してＲｆｆｉを求めれば、目的とする多層膜反
射鏡の反射率が計算できる。そして、ｄ４について最適
化設計をすれば、与えられた物質と入射角に対する最大
反射率が得られる。

又、Ｘ線領域における複素屈折率は以下の式（青木貞雄
　光学Ｖｏ１．１３　Ｎｏ、　１（１９８４０８参照）
で与えられる。

・・・・（１３ここで、ｆｌは原子散乱因子の実部、ｆ２は原子散乱因
子の虚部、ｒ、は電子古典半径、ｎ、は単位体積当りの
原子数である。又、ｆｌとｆ２については、Ｂ、Ｈｅｎ
ｋｅ（Ｂ、Ｈｅｎｋｅ　Ａｔｏｍｉｃ　ｄａｔａ　＆ｎ
ｏｃｌｅａｒ　ｄａｔａ　ｔａｂｌｅｓ　２７．１−１
４４（１９８２）参照）によって各元素について測定さ
れている。

第８図はＮ　ｉ／Ｔ　ｉ、　Ｎ　ｉ　／Ｃ多層膜反射鏡
の最適化された時の反射率の波長依存性を示している。

入射角は７５°で、層数４１層である。この図から、大
体２７．４人〜４４．７人までの波長領域では、Ｎ　ｉ
　／　Ｔ　ｉの組み合わせの多層膜反射鏡が反射率が良
く、４４．７人〜７０人までの波長領域ではＮ　ｉ　／
　Ｃの組合わせの多層膜反射鏡の反射率が良いことが判
る。又、第９図は、その場合の多層膜反射鏡の最適周期
厚を示している。Ｎｉ／Ｔｉ多層膜反射鏡においては、
波長領域が２７．４人〜４４．７人の間ではＮｉ層とＴ
ｉ層の膜厚比は４０　：　６０で一定であり、Ｎ　ｉ　
／　Ｃ多層膜反射鏡においても、波長領域が４４．７人
〜６７．６人間ではＮｉ層と０層の膜厚比は２２ニア８
で一定である。

第１Ｏ図は、Ｎ　ｉ／Ｔ　ｉ、Ｎ　ｉ／Ｃ多層膜を組合
せた多層膜反射鏡（分散素子）の具体例を示している。

Ｎ　ｉ　／　Ｔ　ｉ　、　Ｎ　ｉ　／　Ｃ多層膜は共に
４１層である。Ｎ　ｉ　／　Ｔ　ｉ多層膜については、
断面Ａにおいて周期厚ｄ、は５３．７人であり、接合面
Ｂでの周期厚は８８．６人である。断面Ａと接合面Ｂの
間隔は１７．３　ｍｍである。ｄ、は７５°入射、波長
２７．４人の時の最適値（反射率５４％）であり、ｄ２
は７５°入射、波長４４．７人の最適値（反射率２４％
）である。この断面Ａより接合面Ｂまでの間の多層膜反
射鏡を利用することにより、７５゜入射の白色Ｘ線を２
７．４人〜４４．７人の間のＸ線に分光することができ
る。

一方、Ｎ　ｉ　／　Ｃ多層膜については、接合面Ｂにお
いて周期厚ｄ３は８８．３人であり、断面Ｃでの周期厚
ｄ、は１５４．７人である。接合面Ｂと断面Ｃの間隔は
２２．９　ｍｍである。ｄ、は７５°入射。

波長４４．７人の時の最適値（反射率５６％）であり、
ｄ４は７５°入射、波長６７．６人の時の最適値（反射
率３５％）である。接合面Ｂより断面Ｃの間の多層膜反
射鏡を利用することにより、７５゜入射の白色Ｘ線を４
４．７人〜６７人の間のＸ線に分光することができる。

従って、第１θ図のようなＮｉ／Ｔｉ、Ｎｉ／Ｃ多層膜
反射鏡を用いれば、波長２７．４人〜６７゜６人のＸ線
を十分な反射率で、入射角と観測角（共に７５°）を固
定したまま分光することができる。

仮に、本実施例を分光素子として第４図のような方式で
利用する場合を想定する。光源がＳＯＲの場合は大体ビ
ーム径が０．５　Ｍ程度なので、マスク１３の窓は０．
５　＋ａｍ程度の幅が適当である。そして、０．５　ｍ
ｍ／　５ｔｅｐで位置決めステージ１２を移動させると
、はぼ０，５人／５ｔｅｐピッチで分光することができ
る。

第１１図は、Ｎｉ／Ｔｉ多層膜反射鏡の波長３１．６人
における反射率の波長依存性を示している。

この図によれば、半値幅は２人程度であって、分解能λ
／Δλは大体１５程度であることが判る。

更に、Ｎｉ／Ｔｉ多層膜反射鏡をψ−０近くの直入射領
域に適するように設計すれば、より波長分解能が高い分
散素子を実現することができる。

第１２図は、Ｎｉ／Ｔｉ２０１層、直入射、波長３９．
８人設計の多層膜反射鏡の反射率の波長依存性を示して
いる。第１２図によれば、λ／Δλ；１００程度であり
、市販の斜入射型分光器に近い分解能を有していること
が判る。

尚、本発明による多層膜反射鏡は第１図のように周期厚
が線型に変化するのではなく、場合によっては非線型に
変化するようにしてもかまわな０゜例えば、第１３図に
示したように、同じ入射角に対して最大反射率を与える
波長が異なる即ち周期厚が異なる多層膜Ｌ１〜Ｌ、を不
連続的に基板５に被覆することにより、周期厚が非線型
に変化するように構成することもできる。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による多層膜反射鏡は、機械系が極
めて簡単であり、製造コストも安い分光器となるという
実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による多層膜反射鏡の概念を示す断面図
、第２図は多層膜反射鏡の反射率の材料の組合わせに対
する依存性を示す図、第３図は本発明多層膜反射鏡の具
体例の断面図、第４図及び第５図は何れも本発明多層膜
反射鏡の反射点の移動方式を示す図、第６図は本発明多
層膜反射鏡の多層膜の作製装置の一例を示す図、第７図
は本発明による多層膜反射鏡の一実施例の光学的モデル
を示す図、第８図及び第９図は夫々Ｎ　ｉ　／　Ｔ　ｉ
　。Ｎ　ｉ　／　Ｃ多層膜反射鏡の最適化された時の反射率
の波長依存性を示す図及びその場合の最適周期厚を示す
図、第１Ｏ図はＮ　ｉ／Ｔ　ｉ、Ｎｉ／Ｃ多層膜を組合
わせた多層膜反射鏡の具体例の断面図、第１１図はＮｉ
／Ｔｉ多層膜反射鏡の波長３１．６人における反射率の
波長依存性を示す図、第１２図はＮｉ／Ｔｉ２０１層、
直入射、波長３９．８人設計の多層膜反射鏡の反射率の
波長依存性を示す図、第１３図は本発明多層膜反射鏡の
他の具体例の断面図、第１４図及び第１５図は夫々従来
の結晶分光器の概略断面図、第１６図及び第１７図は夫
々従来の多層膜反射鏡及びその反射率の波長依存性を示
す図、第１８図乃至第２０図は夫々従来例における光源
２回折面、焦点の位置の調整方式％式％）周期厚、６・・・・入射スリット、７・・・・反射点、
９・・・・射出スリット、ψ・・・・入射角、Ｌ１〜Ｌ
、・・・・多層膜、１１・・・・多層膜反射鏡、１２・
・・・位置決めステージ、１２’・・・・ディスク、１
３・・・・マスク。第２図波長（ム）第４図第５図第６図第７図第１０図 −−−１７，３ｍｍ−−→−−−２２゜９ｍｍ　＋第１
１図３２．６３１．６　　　３０．６波長（λ）第１３図８第１４図第１５図第１６図第１７図波長（Ａ）第１８図第１９図第２ｏ図６゜補正の内−容手続補正書（自発）特許庁長官殿１、事件の表示特願平１−２４９６０４号２゜発明の名称多層膜反射鏡４゜代理人〒１０５東京都港区新橋５の１９明細書第１８頁１０〜１１行目の「そし−（、」の次に
「この分光素子の場合、１ｍｍｊ動することにより反射
率が最大となるＸ象の波長がほぼ１人変化するので、１
を挿／する。以

Claims

【特許請求の範囲】

所定の入射角の入射光に対して反射点を変えた時異なる
波長において反射率が最大となるようにして成る多層膜
反射鏡。