KR100446126B1 - 다층막 반사경 등의 광학 소자, 그 제조방법 및 그를이용한 장치 - Google Patents

Abstract

파면위상을 간단히 보정할 수 있는 다층막 반사경이나 그 작성방법에 관한다. 이를 위해, 다층 막에 의한 반사를 이용한 반사경으로, 이 다층막은, 반사율이 실질적으로 포화하는 그 이상의 주기수가 형성되어 있어, 다층막을 사출광(射出光)의 파면위상의 조정량에 응하여 깎아냄으로서, 파면위상을 조정하고 있다.

또, 보정 막과 반사율이 실질적으로 포화하는 그 이상의 다층막을 형성함으로 인해, 보정막의 삭제로 위상의 보정이 불가능한 경우, 다층막을 삭제함으로서 보정할 수 있으며, 보다 정밀하게 위상을 보정할 수가 있다.

Description

다층막 반사경 등의 광학 소자, 그 제조방법 및 그를 이용한 장치{Optical Element Such As Multilayer Film Reflection Mirror, Production Method Therefor And Device Using It}

도 1은 전자파 분류와 전자파 파장과의 관계를 나타낸 도면이며, 먼저 극단자외선 및 X선을 설명하겠다. 극단자외선(극 자외선, EUV : extreme ultraviolet rays)이나 진공자외선(VUV : vacuum ultraviolet rays)은, 도 1(a)전자파 분류에서 자외선보다도 파장이 짧은 전자파임을 말한다. X선이란, 도1 (a) 전자파 분류와 도 1(b)전자파 파장을 비교해 본 바와 같이, 파장이 0.001∼50nm의 전자파를 가리키며, 그 중에서 연(軟)X선은 0.5∼50nm의 X선을 말한다. 극단자외선이나 진공자외선과 연X선과의 경계는 분명히 정해져 있지 않고, 분류에서 중복되어 있는 부분도 있지만, 극단자외선, 진공자외선이나 연 X선은, 자외선과 경(硬)X선의 중간의 파장을 갖는 전자파이다. 극단자외선, 진공자외선, 연 X선은 투과력이 적고, 공기 층에서 흡수되어 버리는 성질이 있다. 그러나, 특히 빛 입자 에너지가 높기 때문에, 금속, 반도체, 유전체 등의 물질을 막론하고 표면에서 내부로 수백 nm 침입하는 투과력을나타낸다. 또, 특히 연 X선은, 물질을 구성하는 원자의 내핵 흡수가 나타나는 과정의 빛 입자 에너지를 갖고 있기 때문에, 각종의 물질을 구성하는 원자에 따라서는 확실히 흡수의 차가 생긴다. 연 X선은 높은 분해력과 함께, 각종의 물질연구에 최적이며, 생체시료를 건조나 염색 등의 처리를 하지 않는 장점을 갖고 있으므로, 살아있는 그대로의 관찰이 가능한 X선 현미경 개발연구로 발전하고 있다.

극단자외선(진공자외선)이나 X선은 가시 광에 비해서 빛 입자 에너지가 높고, 물질의 투과력이 높다. 이 때문에, 극단자외선이나 X선은 대부분의 물질에서 굴절이 거의 일어나지 않기 때문에, 렌즈를 만들기 어렵다. 따라서, 극단자외선이나 X선을 집광하거나, 상을 맺게 하기 위해서 반사경이 이용되지만, 극단자외선이나 X선에 대해서는 통상, 금속표면에서도 거의 반사하지 않는다. 유일하게, 표면에 아슬아슬한 각도로는 반사시킬 수 있으므로, 이 사입사(斜入射)를 이용한 광학계에 의존하지 않을 수 없었다.

이후, 극단자외선(진공자외선) 또는 연X선을 포함한 X선을 반사할 수 있는 「다층막경」이 크게 주목받아, 극단자외선이나 X선 결상 광학계에 직입사의 광학계를 개발하는 길을 열었다. X선에 의한 X선 현미경은 전술한 다층막경을 이용하고 있다. 이 다층막경을 도 2에서 설명하겠다.

도 2(a)는, 다층막 반사경의 구성을 나타내며, 도 2(b)는, 반사막의 구성을 나타내고 있다. 도 2(a)에 있어서, 다층막 반사경은, 기판 10위에 다층막 20을 형성한 구성이며, 도 2(b)는 파장 13nm(빛 입자 에너지 97eV)부근의 연 X선에 대한 다층막의 구성의 예를 보여준다. 도 2(b)에 있어서, 다층막 20은 몰리브덴(Mo)과실리콘(Si)을 페어(pair)로 한 수십∼수백 층으로 구성되어 있다. 이 구성의 다층막 20은 도 2(a)와 같이 기판 10에 부착되어 있다. 이 구성의 다층막경에 의해, 직입사 반사율 60%의 반사가 얻어진다.

도 3은, 도2(a)의 다층막 반사경을 이용한 X선 장치의 개략 구성 예를 나타낸다. 도 3에 있어서, 중앙에 구멍을 뚫은 요면(凹面)의 기판 10에 반사 다층막 20을 붙인 반사경과, 그 정면에, 같은 요면의 기판에 반사 다층막 22를 붙인 반사경 2개로 구성되어 있다. L은 S선이며, 빛의 경로를 나타내고 있다.

이 도 3(a)의 왼쪽으로부터 물체 30을 향해 X선을 조사(照射)한 구성에서는, X선 L은 다층막 반사경 20, 22에 의해 반사되어, 확대된 물체의 상 35가 얻어진다. 이 때, 도 3(a)의 장치는 도 3(b)(1)에 나타나는 대로, 현미경 역할을 한다. 가시·자외광의 파장의 수십 분의 1이하인 X선에 의해 결상된 것이므로, 이와 같이 구성하면 원리적으로 회절이 둔해짐에 따른 해상(解像)한계를 수십 분의 1이하로 하여, 극도로 미소한 것이라도 정도(精度)를 개선할 수 있다. 이 기술은 고 정도의 X선 망원경의 개발연구로 더욱 발전하여, 초고온 플라스마(plasma)에서 발생하는 연X선의 관측에 의해 은하의 원인이나 초신성의 구조의 해명에 기여하고 있다.

또, 이 도 3(a)의 오른쪽으로부터 물체 35를 향해서 X선을 조사하면, X선 L은 다층막 반사경 22, 20에 의해 반사하여, 축소된 물체의 상 30이 찍힌다. 이때, 도 3(a)의 장치는 도 3(b)(2)에 나타나는 듯이, 마이크로 포커스나 축소 광로 장치의 구성이 된다. 이 축소투영 광로광학계의 X선 다층막경으로,차세대 초LSI제조용 장치의 심장부로서의 개발을, 미국 및 일본을 중심으로 세계적으로 다투고 있다.

이와 같이, 산업 상뿐만 아니라, 학계에서도 X선 다층막경의 다방면에서의 응용이 기대되고 있다.

이들의 X선 다용막경은, 결상 성능을 얻기 위해, 적어도 파장의 1/8이하의 파장정밀도를 얻을 필요가 있다. 그러나, 이 수치를 달성하기에는, 구면기판의 형상 정밀도의 계측과 제어, 이 기판 상에 성막할 고 반사율에서 기판을 비뚤어지지 않게 하는 다층막 형성법의 개발, 결상경에 비뚤어지지 않게 보존하는 방법, 조정법의 개발 등에 덧붙여, 최종적으로는 사용할 X선 파장에서의 파면오차의 계측과 보정법의 개발이 불가결하다.

특히, 최종적인 결상 성능을 결정짓는 파면수차의 보정법은, 보정량이 nm 오더로, 큰 어려움이 있다. 현 상태에서는, 기판을 피에조(piezo-압력)원자 구동 등에 의해 nm 정밀도에서 미소하게 변형시키는 어덥티브·옵틱스(Adaptive Optics : 보상광학)계 방식이나, 기판표면에 박판을 부가하거나 기판을 이온 에칭(ion etching)하는 방법이 제안되고 있다.

예를 들면, 반사경의 형상을 액추에이터에서 어덥티브로 수정할 시도가 있다. 이를 도 4에 나타낸 파면수차 보정장치로 설명하겠다. 도 4에 보여주는 듯이, 파면수차 보정장치는, 반사경의 기판 10에 부착한 액추에이터 60에서 기판 10에 힘을 더해 다층막경 20의 형상을 교정함으로 인해 파면을 보정한다. 이 보정장치에 있어서, 핀볼 110을 빠져나오는 연X선 L은, 빔 스플리터(beam splitter) 120에서 반사경에 이끌려, 다층막경 20에 반사한다. 이 구성에서, 빔 스플리터 120을 통과하는 L의 광로에 칼끝 130을 삽입함으로서, 2차원 검출기 150에 투영된 영상을 컴퓨터 160으로 해석하여 경면형상을 계측할 수 있다. 이 계측결과에 따라 제어회로 170에서 액추에이터 60을 동작시킨 반사경의 형상을 수정하고 있다.

그러나, 이들의 방법은 원리적으로 몇 가지 광학적으로 반사면을 제어하기 위해, 1nm이하의 미 소량의 계측·제어가 필연적으로 요구되기 때문에, 많은 어려움이 있다.

이 발명은, 다층막에 의한 반사를 이용한 반사경 등의 광학소자에 관하며, 특히 다층막 반사경의 사출광의 파면위상보정에 관한 것이다.

도 1은, 전자파 분류와 전자파 파장을 나타내는 도면이다.

도 2(a)는, 다층막경의 구성을 나타내는 그림이며, (b)는 Mo-Si 다층막을 나타내는 도면이다.

도 3은, 다층막 반사경을 이용한 X선 장치의 개략구성을 나타내는 도면이다.

도 4는, 액추에이터(Actuator)에서 기반에 힘을 가해 다층막경의 형상을 교정함으로서 파면을 보정하는 파면수차보정장치를 나타내는 도면이다.

도 5는, 반사를 하는 다층막을 많게 한 경우의 반사율을 나타내는 그래프이다.

도 6은, 반사율이 포화한 이상의 다층막을 삭제한 경우의 위상과 반사율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시형태의 다층막경의 구성을 나타내는 도면이다.

도 8은, 다른 실시형태에 있어서의 다층막경의 보정의 절차를 나타내는 도면이다.

도 9는, 보조막과 반사율이 포화하는 이상의 주기수를 갖는 다층막을 위에서부터 깎은 경우를 나타내는 그래프이다.

도 10은, 본 발명의 다층막을 이용한 부드러운 X선 현미경 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 11은, 본 발명의 다층막을 이용한 부드러운 X선 망원경 시스템의 구성을 나타내는 그림이다.

본 발명의 목적은, 파면위상을 간단히 보정할 수 있는 구조의 다층막 반사경 등의 광학소자를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 다층막에 의한 사출광의 위상 및 진폭을 제어하는 광학소자이며, 전기의 다층막을 사출광의 파면위상의 조정량에 의해서 깎아냄으로서, 파면위상을 조정할 수가 있다. 이 삭취(깎아냄)의 제어를 다층막을 형성하는 복수의 물질의 상이를 검출함으로써 행할 수가 있다.

X선용이나 극단자외선(진공자외선)용의 현미경, 노광(露光)장치, 망원경, 마이크로 프로브(micro probe), 분석장치 등에 상술한 다층막 반사경을 이용함으로서, X선이나 극단자외선(진공자외선)에 대한 위상 차를 다층막 등을 삭제하여 제어할 수 있기 때문에, 손쉽게 원하는 결상 성능을 얻을 수가 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관하여 도면을 이용하여 상세히 설명하겠다.

도 5는, 도 2(a)에 나타난 바와 같이 다층막을 이용한 반사경에 있어서, 다층막의 막의 수인 주기수(반사 다층막을 구성하고 있는, 반사율이 높은 물질의 막과 낮은 물질의 막에 의한 짝의 반복 수)와 반사율과의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 막의 두께는, 각각 1/4파장의 두께이다. 도 5에는, 루테늄(Ru)과 실리콘(Si)에 의한 다층막, 로듐(Rh), 실리콘(Si)에 의한 다층막, 몰리브덴(Mo)과 실리콘(Si)에 의한 다층막, 루테늄(Ru)과 탄소(C)에 의한 다층막, 및, 로듐(Rh)과 탄소(C)에 의한 다층막의 주기수와 반사율과의 관계가 나타내지고 있다.

이 도 5에 나타낸 그래프에서 알 수 있듯이, 다층막의 주기수가 커지면 반사율은 포화하여, 다층막을 반복해도 반사율이 변화하지 않게 된다.

극단자외선 혹은 연X선, X선 등의 흡수막 물질을 다층막의 요소로서 사용하는 파장의 영역에서는, 포화반사율은, 100%에는 달하지 않고, 15%에서 80%정도의 값을 갖는다. 이 포화상태에 있어서는, 포화이상으로 형성된 다층막은, 진폭의 증가에는 기여하지 않지만, 반사광의 위상의 변화를 불러일으킨다.

이 때문에, 반사율이 실질적으로 포화하는 그 이상의 주기수의 다층막을 형성함으로 인해, 포화되는 범위의 다층막을 삭제함에 따라, 파면위상의 보정을 할 수가 있다. 이것은, 예를 들면 X선이나 극단 자외선(진공자외선)에 대한 다층막경에서는, 각 경계면에서의 반사는 극히 드물고, 적층수는 수십 층에서 수백 층을 요한다. 이론해석에 의하면 반사는 실질적으로 다층막 전체에서 물리 광학적으로 발생한다. 이 때문에, 표면부의 다층막은 실질적으로 투과막으로서 기능하고 있다.

본 발명은, 다층막으로서 반사율이 실질적으로 포화하는 그 이상의 주기수를 갖는 것을 형성하여, 다층막을 사출광의 표면위상의 조정량에 응하여 깎아냄으로서, 파면위상을 조정한다. 보정량이 비교적 적은 경우, 다층막을 깎아냄으로서 위상을 보정할 수 있으며, 후에 설명할 보정막을 추가하여 형성할 경우에 비해, 반사율의 변동을 줄일 수 있다.

도 6에, 반사율이 포화하는 그 이상으로 형성한 다층막을 삭제하여, 위상이나 반사율의 변화를 계측한 예를 보여준다. 계측한 연X선의 파장은 12.78nm이며, 다층막은, Mo/Si로 구성되어, 각각 1/4파장의 두께를 갖고 있으며, 121층을 형성하고 있다. 파장 12.78nm의 연X선에 대한, 다층막을 형성하고 있는 실리콘(Si)의 반사계수 nSi 및 몰리브텐(Mo)의 반사계수 nMo은,

nSi ＝ 1.00276-0.0015i

nMo ＝ 0.9324-0.00598i

이다. 이 다층막에 의한 반사율은, 76.4%이다. 이것을 상부부터 삭제해 가며, 위상(a) 및 상대적 반사율(b)의 변화를 각각 나타내고 있다. 이 그래프에서 알 수 있듯이, 반사율이 포화하는 그 이상으로 형성한 다층막을 삭제해도, 반사율의 변화는 일어나지 않지만, 반사광의 위상의 변화는 발생한다.

도 6의 그래프에 나타나 있는 위상의 변화 스텝은, 다층막의 1주기의 밀링(milling)으로 생긴다. 다시 말해, Mo의 막의 삭제로 감소하여, Si의 막에서 약간 증가하는 위상변화가 생긴다. 도 6에서, Mo/Si 다층막의 경우, 각층은 4nm정도 두께의 막으로, Mo 1층의 삭제는 위상 각으로 하여 5도의 감소에 상당한다. 이 값은, 기판의 형상 오차로 고치면,

(13nm/2)*(5도/360도)＝0.09nm

이며, 기판의 형상오차를 1주기의 밀링에 의해, 0.9A에서 디지털 적으로 제어할 수있음을 나타낸다. 바꿔 말하면, 표면의 소정의 부분을 어떤 보정량에서 밀링하고자 할 경우, 표면에 나타나는 물질이 Mo에서 Si로 변했을 때 밀링을 멈추게 됨으로서, 밀링의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.

밀링에 의한 물질의 변화는, 밀링에서 방출되는 물질을 모니터하는 방법, 이차전자의 방출 수율(yield)의 물질에 의한 변화를 이용하는 전자적인 방법, 게다가, 가시광의 공학정수의 변화 등의 광학적인 특성변화를 이용하는 반사율 측정법, 에리프 소메트리 등의 방법도 간단히 사용할 수 있다. 이들의 방법은, 삭제량을 시간적으로 안정시켜서, 삭제시간에 밀링 깊이를 제어하는 가장 일반적인 방법에 용이하게 겸용될 수 있다. 이 들의 특징은, 위상보정이 다층막의 표면에 가해지는 1주기 이상의 밀링에서도 늘어지기 때문에 오는 특징이다.

상기에서, 도 6에 있는 Mo/Si 다층막의 예에서, 1주기마다 밀링을 할 경우, 1주기에서 기판 형상오차 0.1nm의 정밀도를 낼 것을 설명했다. 그러나, 1주기의 밀링을 상세히 보면,

1. Si 층의 밀링은, 위상이 거의 변화하지 않는 (굴절률이 겨우 1보다 크므로, 실제로는 약간 증가하고 있다.)

2. 그와 동시에, Si층의 밀링은, 상대 강도 반사율은 거의 변하지 않는 평탄한 상황이 된다(간섭에 의한 진동변화의 낮은 부분).

3. 한편, Mo층의 밀링은, 위상이 감소하고, 반사율이 변화한다.

는 것을 알 수 있다. 따라서, 상술한 디지털적 밀링에서는, 항상 각 Si의 막부분에서 밀링을 멈추면, 위상만 일정각도씩 (6도 정도)변하고, 반사율은 변하지 않는다.구체적으로는, Mo층을 깎아서 Si가 나왔을 때 멈추면 좋기 때문에, 밀링을 정지할 타이밍에 큰 폭으로 여유가 생긴다. 구체적으론, Si 막 두께 3.5nm 정도의 범위 내에서 적어도 ＋1nm의 여유가 생긴다. 또, 이 성질을 이용해서, 반사율의 변화를 간단히 1% 이내로 할 수 있다.

그런데, 다층막의 복소(複素)진폭 반사율을 복소 평면상에서 생각하면, 동경(動經)이 진폭에 동등하게, 편각이 같은 점이 되어, 다층막의 삭제로 인해, 복소 진폭 반사율은, 실질적으로 중심이 원점에 일치한 원주상을 움직이게 된다.

이론적으로, 표면에서 깎아 나가는 경우, 진폭반사율의 변화를 요구하는 경우의 위상과 진폭 계산의 기준은, 항상 다층막의 최상표면에 있다. 따라서, 표면에서 어떤 부분을 깎는 효과를 계산하는 데는, 깎기 전에 다층막의 표면을 위상의 기준면으로 할 필요가 있다. 이 목적을 만족시키기 위해서, 어떤 두께 d를 깎았을 때, 가상적으로 진공의 층을 두께 d만 쌓는 것으로 하여 계산할 필요가 있다. 이에 따라, 기준면을 항상 깎기 전의 위상에 고정할 수가 있으며, 소정의 위상 및 진폭의 깎아내기에 따른 효과를 정확하게 산출할 수 있다.

도7에, 본 발명의 반사경의 다른 구성을 나타낸다. 도7에 있어서, 기판 10위에 실질적으로 포화하는 그 이상으로 형성한 다층막 20위에, 보정막 50을 형성한 구성을 갖고 있다.

예를 들어, X선이나 극단 자외선(진공 자외선)에 대한 다층막경에서는, 각 경계면의 반사는 극히 드물며, 적층 수는 수십 층에서 수백 층을 요한다. 이론해석에 의하면 반사는 실질적으로 다층막 전체에서 물리 광학적으로 일어난다. 따라서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 실질적으로 포화하는 이상의 다층막 20의 최상표면에 위상 보정층 50을 부가하면, 투과형의 위상 보정막으로서 기능시킬 수 있다. 단지, 이 파장 영역에서 투명한 물질은 존재하지 않기 때문에, 위상 보정 막을 구성할 수 있는 물질에는, 굴절률 n과 함께 소쇠(消衰)계수 k의 조건도 만족시킬 필요가 있다.

보정막을 구성하는 막 물질은, 굴절률 차(1-n)가 크고, 소쇠계수 k가 작을수록 위상 보정량을 크게 갖는다. 따라서, 광학적인 물질선택 기준은, 단위 두께에 의한 위상변화량과 흡수에 의한 진폭감쇠의 비로 판단할 수 있으며, 굴절률 차(1-n)/소쇠계수 k가 큰 물질이 적합하다.

파장 13nm의 연X선을 예로 든 경우, 연X선 영역에서의 막 굴절률n과 진공의 굴절률 1과의 차(1-n)가 0.1 정도 이하가 되는 몰리브텐(Mo)막 (굴절률차 0.065, 소쇠계수 0.0065)을 이용하면, 물리 광학적인 위상차의 제어는, 굴절률 차 (1-n)가 1/15정도이기 때문에, 기하학적인 막 두께의 제어가 1/15정도의 분해력에서 이루어질 수 있다. 즉, 몰리브덴 막에서 15nm의 막 두께의 제어에서 실효적인 X선 다층막 결상경의 파면제어 1nm을 달성하여, 원하는 결상 성능을 얻을 수 있다. 따라서, 보정량은 상술한 바와 같이, 굴절률 차(1-n)와 막의 두께 d의 변화량 Δd와의 값이므로, 위상오차를 0.1nm의 정밀도에서 보정하기 위해서는 보정막 두께를 1.5nm의 정밀도에서 깎으면 된다.

또, 보정막에 의한 반사율 변화는, 막 두께 변화나 다층막의 간섭을 고려한 계산이 필요하지만, 반사율의 감소율은 단순한 계산에서도 1nm 당 1.2%정도이며,반사율 60%의 경에서는 0.7%정도 감소하는데 지나지 않는다.

보정막으로 인해 충분한 보정을 할 수 없는 경우는, 실질적으로 포화하는 그 이상 다층막을 깎음으로서, 한층 더 보정을 할 수가 있다.

몰리브덴 이외에, 연X선에 대해서, 굴절률 차(1-n)가 크고, 소쇠계수 k가 작은 물질로서는, 루테늄, 로듐, 베릴륨이 있다. 연 X선에 대한 보정막으로서는, 몰리브덴을 포함하는 이들의 물질의 중 하나 또는 이들의 물질을 조합하여 구성할 수가 있다.

도 8은, 도 7에 나타낸 보정막 및 다층막에 의한 보정의 방법에 대한 설명이다.

도 8(a)과 같이 기판 10위의 다층막 경 20에 충분히 두꺼운 보정막 50을 미리 성막하여 두고, 밀링 등에서 보정막 50을 필요량만 깎는다(도8 (b)참조). 이 보정막 50의 삭제에서 충분히 보정할 수 없는 경우는, 다층막을 삭제한다(도8 (c) 참조).

이 방법에 의하여, 밀링된 보정막 등의 최상표면은 거칠어지지만, 진공과의 굴절률 차가 적기 때문에, 투과파면은 성김의 영향을 거의 받지 않는다.

도 7 및 도 8에서 설명한 바와 같이, 다층막을, 실질적으로 포화하는 이상의 주기수를 형성하여, 그 위에 보정막을 형성한 후, 보정막이나 다층막을 위에서부터 삭제하여, 파면위상의 변화를 계측한 예를 나타낸 그래프가 도 9이다. 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, Mo / Si 의 다층막을 121주기 형성 후, 몰리브덴(Mo)에 의한 보정막을 300Å형성한 것을 위에서부터 삭제한다. 파장 12.78nm의 연 X선에 대한, 다층막을 형성하고 있는 실리콘(Si)의 반사계수 nSi 및 몰리브덴 (Mo)의 반사계수 nMo는,

nSi ＝ 1.00276-0.0015i

nMo ＝ 0.9324-0.00598i

이다. 또, 보정막 300Å 및 121층의 다층막에 의한 반사율은, 56.2%이다.

이와 같은 구성의 보정막 및 다층막을 위에서부터 삭제한 경우를, 도9(b)에 나타내고 있다. 도9(b)에 있어서는, 파장 12.78nm의 연 X선에 대한 상대 반사율(삭제하지 않은 때를 1 : 오른 눈금)과 파면위상의 변화(삭제하지 않은 때를 0 : 왼 눈금)를 나타내고 있다. 보정막을 삭제할 때, 위상이나 반사율의 변화가 리니어(linear 직선)로 변동하지 않는 이유는, Mo막의 간섭에 의한다. 또, 다층막을 삭제하고 있을 때의 위상변동이나 반사율 변화의 주기는, 주기막의 주기와 일치한다. 다층막 부분을 삭제할 시의 반사율의 변동은, 보정막을 삭제할 시의 변동과 비교하면 작다.

보정막을 삭제한 후의 도9(b)의 그래프에서 알 수 있듯이, 다층막을 삭제함에 따라서도, 위상을 변화시킬 수 있다. 그러나, 보정막을 삭제할 때 보다, 삭제량에 대하여 위상보정을 할 수 있는 양은 적다.

<반사경의 사용예>

도 10은, 상술한 바와 같이 간단히 파면오차를 보정할 수 있는 반사경을 이용한 연 X선 현미경 시스템을 나타내고 있다. 연 X선은 앞서 설명한 대로, 공기중에 흡수되어버리므로, 연 X선의 광로는 진공 조(槽) 200내에 있다. 또, 이 시스템을 크게 나눠서 광원, 결상광학경, 검출계, 그리고 제어계측 시스템의 4개로 나뉘어져 있어, 그들을 이용하여 시료 310을 관찰할 수 있다.

연 X선 광원으로서는, 레이저 발생장치 210, 금속 표적 300, 분광기 220 그리고 핀볼 230이 이용되고 있다. 결상광학경 240은 중앙에 구멍을 뚫은 요면(凹面)의 상술한 다층막경과, 그 정면에 철면(凸面)의 상술한 다층막경의 조합으로 구성되어 있다. 그리고, 시료 310에 조사(照射)한 연 X선을 검출하기 위한 광전면 252를 갖춘 2차원 검출기 250, 검출 데이터를 수집하거나, 시료의 위치를 제어할 컴퓨터 260이 있다.

이 구성에 있어서, 먼저, 광원(光源)으로서의 연 X선을 발생시키기 위해서, 펄스(pulse) 레이저 발생장치 210보다 강력한 적외선 펄스 레이저를 렌즈로 금속 표적 300에 집광하면, 에너지가 높은 플라스마(plasma)가 생성된다. 이 플라스마는 여러 가지 파장의 전자파를 방사한다. 거기서, 분광기 220을 이용하여 다양한 파장의 전자파 가운데에서 연 X선을 추출한다. 분광기 220으로부터 사출된 연X선은, 핀볼 230을 통과하여, 시료 310을 조사한다. 조사된 시료 310의 연 X선은 결상 광학경 240에서 시료 310의 사상(寫像)을 확대하여, 2차원 검출기 250의 광전면 252위에 결상한다. 그리고 컴퓨터 260이 2차원 검출기 250에 검출된 데이터를 수집하여, 화상화한다. 그밖에도 컴퓨터 260은 전술한 시료 310의 위치를 제어하기도 한다.

상술한 바와 같은 현미경 시스템에 이용되는 반사경에 있어서, 상술의 구성을 이용함에 따라, 1nm이하의 정밀도 및 분해도에서 광선의 파면수차보정을 할 수 있다. 이에 따라, 기판의 형상오차가 원하는 값에 달하지 않은 경우에서도, 다층막을 성막한 후에, 보정막 등을 이용하여 최종적인 X선 파면보정을 함으로서, 사용 상황에 있어서 최적의 파면 정밀도를 얻을 수도 있다.

이 보정막 등에 의한 보정에 의해, X선 망원경의 응용에서는, 사입사 원통경을 포개어 넣는 방식으로 한 네스티드 타이프의 망원경 대신, 직입사의 캐서그래인(Cassegrain) 타이프 등의 망원경을 경량, 한편 고성능으로 구성할 수 있다. 도 11에 이 망원경의 구성예를 나타낸다.

도 11은, 카메라 450에 반사형 망원경 400을 부착한 구성을 나타낸다. 이 반사형 망원경 400을 구성하는 반사경 410 및 415에, 상술에서 설명한 다층막 반사경을 이용하고 있다. 외측 통 420에 입사한 빛은, 반사경 410에 반사한 후, 반사경 415에 반사하고 배플(baffle)430으로부터, 카메라 450에 입사한다.

이 구성에 의해, 예를 들면 인공위성 탑재용의 경량 고성능 X선 망원경에서는, 다층막경의 파면수차를 감소함으로서, 종래의 망원경에서는 얻을 수 없었던 관측파장 정도라는 극한의 분해력을 기대할 수 있다.

X선 마이크로 프로브에 대해서, 상술한 다층막 반사경을 이용할 수 도 있다. X선 마이크로 프로브의 응용에서는, 종래의 수십 ㎛의 공간분해력을 0.01㎛의 영역까지 미세화할 수 있기 때문에, 각종 서브 미크론·디바이스(submicron·device)를 포함하여, X선 마이크로 프로브의 검사대상을 비약적으로 확대할 수 있다.

X선 분석장치에 대해서도 상술한 다층막 반사경을 이용할 수 있다. 이 X선 분석 장치에서는, 비임을 평행하게 시준(視準)하거나, 집광할 수도 있기 때문에, 각도정도가 향상함과 함께 미소시료의 관찰이 가능하게 된다. 또, 결상계와 조합하여, 2차원의 화상에서의 분석에 의한 응용에 사용할 수 있게 된다.

상술한 X선 현미경, X선 망원경, X선 마이크로 프로브, X선 분석장치 뿐만 아니라, 축소투영 광로 장치에서의 다층막 레티클·마스크(reticle mask) 및 결상경에 있어서, 반사파면에 생기는 결함을 복원할 수 있다.

그 밖에도 X선 투과형 다층막의 각종 응용에 있어서, 다층막경의 파면의 보정이 용이하게 이루어질 수 있으므로, X선의 투과 및 반사파면의 위상을 목적으로 한 값, 목적의 2차원 분포로 조절할 수가 있다.

또, 상기에 있어서는, X선을 이용한 기관으로 설명하였지만, 극단 자외선(진공 자외선)등을 사용하는 기기에 대해서도 물론 같은 방식으로 적용할 수 있다. 게다가, 본 발명의 원리는, 빛의 물리 광학적인 성질을 이용하고 있으므로, 자외선, 가시광선, 적외선, 더욱이 마이크로파 영역 등, 다층막을 이용할 모든 전자파에 대해서 유효하다. 예를 들어, 반사파면을 고 정도화하는 응용에서는, 레이저 발신기용 거울이나, 같은 방식의 퍼블리 패로용, 링, 레이저 자이로용 등의 공진기를 구성하는 거울에는 큰 효과가 있다. 또, 회절효과를 이용하여, 공간적인 파장분산 특성을 갖게 할 수가 있으며, 이에 부수하는 편광특성을 이용하면, 파장분산을 갖는 편광 소자가 생기므로, 거울 또는 비임·스플리터(beam splitter)에 사용할 수 있다. 특히, 광 자기장치의 핼프·미러(half·mirror)에는 편광특성이 유효하다.

본 발명의 다층막을 이용하여, 위상격자도 작성이 가능하다. 위상격자를 작성할 경우는, 기판의 표면에 다층막을 이용하여, 위상차 180°을 갖게 하는 두께의 구(溝) 구조를 형성한다. 이 입상격자는, 이차원 입상격자로서 기능하며, 새로운타이프의 회절격자이다. 종래의 방법에서는, 기판에 구 구조를 형성하기 위해, 기판표면이 거칠어, 그 위에 형성할 다층막의 특성이 열화된다. 또, 가공정도는, 사용할 파장의 적어도 1/20이하로 보존할 필요가 있다.

본 발명의 방법에서는, 종래의 기하학적인 반사면 위치의 제어로는 달성할 수 없었던 정도(精度)를 광로차의 제어로 달성할 수 있다. 광로차는, 다층막의 밀링 두께 d와 굴절률 차 (n-1) 의 값이며, 이 굴절률 차는 다층막의 평균 굴절률 n과 진공 (매질)의 굴절률 1과의 차이다. 두께 d의 밀링에 의한 파면보정의 정도는, n-1이 작을수록 높아진다. 정도의 향상은, 가시 광에서는 유리등의 투명물질의 경우는 1.5-1＝0.5 로 두 배이며, 연X선 영역에서는 굴절률이 1보다 약간 작고, 1-n은 0.01의 오더이기 때문에 백 배의 오더 정도향상이 예상된다.

또, 본 발명에 의한 다층막을 이용하여 진폭 변조 홀로그램(hologram)으로 사용할 수도 있다. 이 경우에는, 표면의 형상을 내면에서 2차원으로 제어하여 다층막을 삭제함으로서 홀로그램을 형성하며, 사출파면의 위상과 진폭을 정리할 수 있다.

본 발명의 다층막의 형성에 의해, 위상진폭 필터링으로서 사용할 수 있는 소자도 제작할 수가 있다. 이 경우는, 결상계과 조합함으로서, 공간 주파수 공간에서의 각종의 필터링을 수행하는 새로운 수단을 제공한다.

이상의 방법에서, 더욱 광학적인 두께(광로 길이)를 시간적으로 변조함으로서, 새로운 화상 디스플레이·패널(display·panel)등을 실현하는 새로운 작성방법을 제공할 수 있다. 또, 다층막은, 하부로부터의 반사에 대하여 실질적으로 투과막으로서 기능하기 위해, 투과형으로서 적용될 수 있다.

이 밖에도, 종래에는 없는 완전히 새로운 응용으로서, 굴절률이 파장에서 크게 달라지는 특성을 이용하면, 빛의 파장에서 표면의 형상이 다르게 나타나는 것을 이용한 소자가 만들어진다. 예를 들어, 극단자외선(EUV)용의 거울은, 파면 보정 후는 EUV 빛에 대해서는, 이상적인 형상(예를 들면, 구면)이지만, 표면의 형상은 구면에서는 없어지므로, 표면에서 반사하는 빛은 구면에서 밀려나, 예를 들어 발산한다는 특성이 나온다. 다시 말해, 굴절률이 다르면, 파장에 의해 표면의 형태를 바꾼 것과 같은 특성을 낼 수가 있다. 이것은, 예를 들어 어떤 파장의 빛은 수렴하지만, 다른 파장의 빛은 수렴하지 않는다는 특성을 갖는 거울을 만들 수가 있다. 이 특성을 결상계에 응용하면, 어떤 파장의 빛은 날카롭게 결상할 수 있지만, 다른 파장은 흐릿해져 버리는 광학계가 만들어진다. 또, 그 반대로, 수렴점에서 이 빛을 중단시키면, 어떤 파장만 제거된 빛의 결상이 가능하다. 투과 광학계를 예로 들면, 색수차(色收差)가 상당히 큰 반사경을 만들 수 있음을 의미한다. 이 특징을 발전시키면, 파장에 의해 초점 거리가 달라지는 거울, 이중 초점 거울 등, 굴절률의 파장분산을 적극적으로 이용하는 소자를 실현할 수 있다. 종래의 투과형 광학 소자는, 투명물질, 다시 말해 굴절률의 정상 분산 영역에 있는 물질을 이용하고 있으므로, 굴절률 분산은 극히 드물며, 프리스마 형의 분광계 등에 이용되는데 지나지 않으며, 굴절률 분산은, 오히려, 색수차로서 이용가치가 없는 방해물이었다. 본 발명의 다층막 반사경에서는, 기본적으로 반사형이므로, X선으로부터 적외, 마이크로 파까지 파장을 선택하지 않고, 각종의 조합이 가능해진다. 각종의 물질의 이상분산 영역, 혹은 분자에 의한 흡수 영역 등에서는, 굴절률 변화는 상당히 크며, 이들을 적극적으로 이용할 수가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해, 빛 및 전자파의 사출광의 위상과 진폭을 제어할 목적으로 형성된 다층막에 대해서, 그 성질을 대폭으로 향상할 수가 있다. 특히, 다층막을 이용한 결상 광학계에 있어서는, 반사 및 투과의 파면위상의 제어성을 올려, 결상 성능을 극한까지 개선할 수 있다.

Claims (19)

1. 기판상에 반사율이 높은 층과 낮은 층으로 이루어지는 다층막에 의하여 사출광의 위상 및 진폭을 제어하는 광학소자로서, 전기 기판상에 다층막을 반사율이 실질적으로 포화하는 그 이상의 주기수를 형성하고, 사출광의 파면위상의 조정량에 응하여 깎아냄으로써 파면위상을 조정하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 전기 광학소자는 연 X선용이며, 전기 다층막은 몰리브덴 층 및 실리콘 층에서 형성되어 있음을 특징으로 하는 광학소자.
4. 기판상에 반사율이 높은 층과 낮은 층으로 이루어지는 다층막에 의하여 다층막을 반사율이 실질적으로 포화하는 그 이상의 주기수를 형성하고, 전기 다층막상에 있으며 입사광선에 대한 굴절율 n 및 1과의 차(1-n)가 크며, 또한, 입사광선에 대한 소쇠계수 k가 작은 물질의 보정막을 갖고, 전기 보정막, 전기 다층막을 사출광의 파면위상의 조정량에 응하여 깎아냄으로써 파면위상을 조정하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서, 전기 광학소자는 연 X선용이며 전기 보정막은 몰리브덴, 루테늄, 로듐, 베릴륨 중 하나 또는 그들의 조합을 이용하는 것을 특징으로 하는 광학소자.
7. 제 6 항에 있어서, 전기 다층막은, 몰리브덴 층 및 실리콘 층에서 형성되어 있음을 특징으로 하는 광학소자.
8. 기판상에 사출광의 위상 및 진폭을 제어하기 위해 반사율이 높은 층과 낮은 층으로 이루어지는 다층막을 반사율이 포화하는 그 이상의 주기수를 형성하고, 전기 다층막을 사출광의 파면위상의 조정량에 응하여 깎아냄으로써 파면위상을 조정하는 것을 특징으로 하는 광학소자 형성방법.
9. 삭제
10. 제 8 항에 있어서, 다층막을 깎아내는 제어를, 다층막을 형성하는 복수의 물질의 상위를 검출함으로써 행함을 특징으로 하는 광학소자 작성방법.
11. 기판상에, 반사율이 높은 층과 낮은 층으로 이루어지는 다층막을 반사율이 포화하는 이상의 주기수를 형성하여, 전기 다층막상에, 입사광선에 대한 굴절율 n 및 1과의 차(1-n)이 크고, 또한 입사광선에 대한 소쇠계수 k가 작은 물질의 보정막을 더욱 형성하여, 전기 보정막 또는 전기 보정막과 전기 다층막을 사출광의 파면위상의 조정량에 응하여 깎아내는 것을 특징으로 하는 광학소자 작성방법.
12. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 현미경.
13. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 노광장치.
14. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 망원경
15. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 마이크로 프로브.
16. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 분석장치.
17. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 레이저 발진기.
18. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 패프리패로 간섭계.
19. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광학소자를 이용한 링 레이저자이로 장치.