JPWO2007119852A1 - 多層膜型回折格子 - Google Patents
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Abstract
多層膜をラミナー型回折格子表面に形成して回折効率を増したい場合、(1)最大反射率が得られる溝深さ等の条件、(2)多層膜の拡張Bragg条件、(3)入射光と回折光の方向の相関を規定する条件式、(4) ラミナー型回折格子面の凸部と凹部の幅の比の４つの条件を満たす必要があるが統一的な設計指針が与えられていなかった。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、総合的な設計指針だけでなく最適な多層膜物質対を与えるものであり、その目的は、回折格子を用いた分光が効率の低下のため困難である波長０．１〜１ｎｍの領域において、回折効率、分解能が共に高い回折格子を提供することにある。
Description
本発明は、軟X線領域で単色光を取り出したり、または、入射光を波長により分散させる、多層膜型回折格子に関する。特に、本発明は、回折格子を用いた分光が効率の低下のため困難である波長０．１〜１ｎｍの領域において、回折効率、分解能が共に高い多層膜型回折格子を提供することにある。
反射鏡の反射率を高める手段として多層膜を形成することは半世紀以上前行われている。この手段を回折格子の回折効率を高めるために利用する場合各種の条件を満たす必要があり、特に回折格子を軟X線領域で使用する場合には殆ど実用になっていない。
一般にラミナー型回折格子では、最大反射率が得られるラミナー型回折格子（図１参照）の溝深さ又は山面（又は凸部）（Ridge）の幅と格子定数（回折格子中心での溝間隔）との比（Duty比と呼ばれている）の条件があり、また多層膜をラミナー型回折格子表面に形成して回折効率を増したい場合満たすべき多層膜の拡張Bragg条件がある (例えば、非特許文献１及び２)。
上述の４つの条件は個々には研究されており、軟X線領域で通常用いられる反射面の垂線方向から測った入射角が８０度以上の所謂斜入射領域での統一的、系統的な指針は示されていなかった。
W. K. Warburton, Nucl. Instr. Meth. A 291, 278 (1990). 小池雅人, 佐野一雄、第2章3節 "真空紫外光の分光,"「第5版 実験化学講座」第10巻 物質の構造・分光下、日本化学会編、（丸善、東京、2005）, pp. 106-141.
W. K. Warburton, Nucl. Instr. Meth. A 291, 278 (1990). 小池雅人, 佐野一雄、第2章3節 "真空紫外光の分光,"「第5版 実験化学講座」第10巻 物質の構造・分光下、日本化学会編、（丸善、東京、2005）, pp. 106-141.
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、回折格子を用いた分光（単色光を取り出たり、または、入射光を波長により分散させる）が効率の低下のため困難である波長０．１〜１ｎｍの領域において、回折効率、分解能が共に高い回折格子及びそれを用いた分光装置を提供するものである。
上記課題を解決するために成された本発明は、回折格子を用いた分光装置から高効率で分光された軟X線光を取り出すため、下記の４つの条件を波長に関わらず同時に満たす分光装置の波長走査機構および回折格子の製作条件から成り立つ。
４つの条件とは、(1) 入射光、回折光の各方向、及び回折格子定数の相関を規定する回折格子の関係式の条件、(2) 最大反射率が得られるラミナー型回折格子の凸部（Ridge）の幅と回折格子定数との比（Duty比）の条件、(3) 最大反射率が得られるラミナー型回折格子の溝深さの条件、及び(4)多層膜の拡張Bragg条件である。この内、(1)と(4)の条件は「非特許文献１」に記載された条件をとることとし、その条件で(2)、(3)の条件を満たすDuty比と溝深さの溝形状をもつよう回折格子を設計すればよい。
即ち、本発明は、
λを入射光の波長、α,βをそれぞれ光の回折格子表面の垂線から計った入射光の入射角、回折光の回折角、sを回折格子の溝間隔、ｎを多層膜の平均屈折率とするとδ＝ｎ−１、mG,mCをそれぞれ回折格子の回折次数、多層膜の干渉次数、ｈを溝の深さ、g1,g2をそれぞれ凸部の幅、凹部の幅として表示すると、
１）下記式（１）で表される入射光、回折光の各方向、及び回折格子定数の相関を規定する回折格子の式と、
λを入射光の波長、α,βをそれぞれ光の回折格子表面の垂線から計った入射光の入射角、回折光の回折角、sを回折格子の溝間隔、ｎを多層膜の平均屈折率とするとδ＝ｎ−１、mG,mCをそれぞれ回折格子の回折次数、多層膜の干渉次数、ｈを溝の深さ、g1,g2をそれぞれ凸部の幅、凹部の幅として表示すると、
１）下記式（１）で表される入射光、回折光の各方向、及び回折格子定数の相関を規定する回折格子の式と、
２）下記式（２）で表される多層膜型回折格子の拡張Bragg条件とを満たし、
更に、１）及び２）の条件に加えて、
３）下記式（４）で表される最大反射率が得られる多層膜型回折格子の溝深さの条件と、
３）下記式（４）で表される最大反射率が得られる多層膜型回折格子の溝深さの条件と、
４）下記式（５）で表される最大反射率が得られる多層型回折格子の凸部の幅と格子定数の比（Ｄｕｔｙ比：D.R.）の条件とを満たし、
これら４条件を備えた多層膜型回折格子であって、前記多層膜が、２種類の物質対が多層をなしている構造を持ち、その物質対がコバルトと二酸化珪素、コバルトと炭化珪素、又はコバルトと炭素からなる多層膜型回折格子である。
また、上記ラミナー型回折格子は、感光剤を塗布した回折格子基板に２つのコヒーレント（可干渉性がある）レーザー光による干渉縞の記録を行うホログラフィック法により、Duty比、不等間隔溝制御を含めて実現することが可能であり、さらに、出来上がったラミナー型回折格子上に付加する多層膜は重元素と軽元素の組み合わせ、例えば、タングステンと炭素の蒸着膜をイオンビームスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法等により交互に形成することにより実現できる。
又、本発明は、回折格子として用いられる他に、物質対からなる多層膜を表面に付加した反射鏡で、２nm以下0.1nm以上の波長の光が反射面の垂線方向から測った入射角が８０度以上で入射するようにして用いることもできる。
本発明に係る回折格子及びそれを用いた分光装置は、波長０．１〜２ｎｍの領域において、回折効率、分解能が共に高く、このことにより同波長領域での微弱光測定等が可能となる。また、多層膜を蒸着することにより、金属単層膜を用いる場合に比較して小さな入射角でも反射率が低下しないので、同じ光束幅の光を受ける場合、刻線方向ｗ(回折格子溝の方向と直角の方向、図１で紙面の左右方向)により幅の狭い回折格子を用いることができる。上記分解能とは、（波長）／（分光器から取り出し可能な波長幅）の値で、その値が大きいほど波長分解性能が高い。
１： ラミナー型多層膜平面回折格子
２： 入射光線
３： 回折光線
２： 入射光線
３： 回折光線
本発明では、レーザー光を用いて多層膜回折格子の溝パターン形成をホログラフィック法で行い、次にこのパターンをマスクとして、イオンビームエッチング法により、ラミナー型の溝形成を行う。さらに、この表面にイオンビームスパッタリング法またはマグネトロンスパッタリング法により多層膜を形成する。
なお、請求項１の零次光とは、回折格子からは波長によって異なる方向に回折される回折光の他に、回折格子の表面を鏡と見立てたときのスネルの法則を満たす反射（正反射）の方向に進む光が存在するが、この正反射光が零次光である。
ここでは、図１，２及び３に基づいて、定量的な回折格子の設計について述べる。先ず、基本的なパラメータである回折格子の格子定数（回折格子中心での溝間隔）sを1/1200mm、また最適化する波長を0.3nmとする。また、軽元素（または軽化合物）層と重元素（または重化合物）層からなる層の組を多数回積層して生成する軟X線多層膜の周期長Ｄを6.6nmとする。軟Ｘ線多層膜は２種類の物質Ａ，Ｂで構成されるが、図１に示されるように、その物質Ａ、Ｂの膜厚の合計が周期長Ｄである。
回折効率を最大にするには
１）多層膜回折格子の回折条件
１）多層膜回折格子の回折条件
２）層膜回折格子のBragg条件
を満たす必要がある。式(2)は拡張Bragg条件と呼ばれる場合もある。ここでλは入射光の波長、α,βは光の回折格子表面の垂線から計った入射光の入射角、回折光の回折角で、左廻りを正の角度とする（図１参照）。またRα、Rβはそれぞれ
であり、且つnを多層膜の平均屈折率 (多層膜に使用される２つの物質の複素屈折率の実部の膜厚に基づく加重平均値)とするとδ＝ｎ−１である。さらに、mG,mCはそれぞれ回折格子の回折次数、多層膜の干渉次数であるが本実施例ではmG=mC=1であるとする。多層膜の物質対がCoとSiO2からなり、それぞれの層厚が2.64nm、3.96nmである場合の式(1),(2)の双方を満たす入射光の各波長に対する入射角α,回折角βの値を図１に示す。物質対をCoとSiO2とした理由は波長０．１〜１ｎｍの領域において吸収端を持たず高反射率が得られるためである。同様な物質対にはコバルトと炭化珪素、又はコバルトと炭素の組がある。
さらに、最適溝深さｈは、「非特許文献2」の式（2.63）より
となり、実施例の場合h=4.12nmとなる。
また、最適なDuty比（D.R.）は溝の深さをｈ、凸部の幅、凹部の幅をそれぞれg1,g2とすると
実施例の場合D.R.=0.44になる。この条件で製作したラミナー型回折格子に30周期（図１で示した周期長Ｄが３０層積層されている場合）の上述の多層膜を付加した多層膜回折格子の回折効率を数値計算により各波長について計算した結果を図２及び図３に示す。
図２は、本発明の実施例に係わるラミナー型多層膜平面回折格子の主要パラメータを示す表であり、実施例として示した多層膜型回折格子で最大の回折効率を得たい場合、どの方向から光を入射させ、且つ回折光を取り出したらよいかを各波長について示した表である。又、図３は、本発明の実施例に係わるラミナー型多層膜平面回折格子の回折効率を示す図であり、実施例として示した多層膜型回折格子を図２で示した条件で使用した場合得られる回折効率を示したものである。
このように本発明にかかる回折格子は金属単層膜を付加した回折格子に比較して１桁から二桁以上高い回折効率を持つことが特徴であり、その理由を簡単にまとめると、第一点は多層膜ラミナー型回折格子の溝形状を多層膜の仕様を考慮し最適化したこと、二点目は０．１〜１ｎｍの領域で高い反射率を呈する多層膜の物質対を見いたしたことによる。二点目の知見は同じ波長領域で用いるラミナー型回折格子以外の溝形状が鋸波形状のブレーズド型回折格子、あるいは単なる反射鏡に至るまで適用可能である。
Claims (3)
- 使用波長に対して入射光、回折光の角度条件が（１）回折格子の式、及び（２）多層膜型回折格子の拡張Bragg条件を同時に満足し、これらの条件に加えてさらに（３）零次光を消滅させる溝深さ及び（４）凸部の幅と格子定数との比の条件を同時に満足するよう設計された多層膜を表面に付加したラミナー型の多層型回折格子であって、前記多層膜が、２種類の物質対が多層をなしている構造を持ち、その物質対がコバルトと二酸化珪素、コバルトと炭化珪素、又はコバルトと炭素からなる、前記多層型回折光子。
- 請求項１に記載の物質対からなる多層膜を表面に付加した溝形状が鋸波形状であるブレーズド型の多層型回折格子。
- 請求項１又は請求項２に記載のラミナー型又はブレーズド型多層膜回折格子で、格子溝間隔が等間隔もしくは不等間隔である多層膜型回折格子。
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