WO2007119852A1 - 多層膜型回折格子 - Google Patents

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multilayer
diffraction
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Masato Koike
Masahiko Ishino
Nobuyuki Iwai
Hiroyuki Sasai
Hisataka Takenaka
Masatoshi Hatakeyama
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Japan Atomic Energy Agency
Shimadzu Corporation
Ntt Advanced Technology Corporation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
    • G21K1/062—Devices having a multilayer structure

Definitions

  • the present invention relates to a multilayer diffraction grating that extracts monochromatic light in a soft X-ray region or disperses incident light according to wavelength.
  • Non-Patent Document 1 W. K. Warburton, Nucl. Instr. Meth. A 291, 278 (1990).
  • Non-Patent Document 2 Masato Koike, Kazuo Sano, Chapter 2 Section 3 "Vacuum Ultraviolet Light Spectroscopy,” “Fifth Edition Experimental Chemistry Course,” Structure of 10th Matter 'Spectroscopy Tokyo, 2005), pp. 1
  • the present invention has been made to solve such a problem, and its purpose is Diffraction with high diffraction efficiency and resolution in the wavelength range of 0.1 to 1 nm, where spectroscopy using a grating (taking out monochromatic light or dispersing incident light according to wavelength) is difficult due to a decrease in efficiency.
  • a grating and a spectroscopic device using the same are provided.
  • the present invention which has been made to solve the above-mentioned problems, extracts the soft X-ray light that has been dispersed with high efficiency from a spectroscopic device using a diffraction grating. It consists of the wavelength scanning mechanism of the spectroscopic device and the manufacturing conditions of the diffraction grating that are sometimes satisfied.
  • the four conditions are: (1) the condition of the relational expression of the diffraction grating that defines the correlation between the incident light, each direction of the diffracted light, and the diffraction grating constant, and (2) a lamina type that provides the maximum reflectance.
  • (3) Condition of the groove depth of the lamina-type diffraction grating for obtaining the maximum reflectance and (4) This is an extended Bragg condition for multilayers.
  • the conditions of (1) and (4) shall be the conditions described in “Non-patent Document 1”, and the duty ratio and groove depth satisfying the conditions of (2) and (3) under the conditions. Design a diffraction grating with a groove shape.
  • the present invention provides:
  • ⁇ is the wavelength of the incident light
  • OC and ⁇ are the incident angle of the incident light measured from the normal of the diffraction grating surface of the light
  • the diffraction angle of the diffracted light s is the groove spacing of the diffraction grating
  • ⁇ is the average refractive index of the multilayer film
  • ⁇ ⁇ —1
  • m and m are the diffraction order of the diffraction grating
  • h is the groove.
  • a diffraction grating formula that defines the correlation between the incident light, each direction of the diffracted light, and the diffraction grating constant represented by the following formula (1):
  • the lamina-type diffraction grating described above is based on a holographic method in which interference fringes are recorded by two coherent (coherent) laser beams on a diffraction grating substrate coated with a photosensitive agent.
  • the multilayer film to be added on the completed lamina-type diffraction grating is a combination of heavy and light elements, for example, tungsten. This can be realized by alternately forming vapor deposited carbon films by ion beam sputtering, magnetron sputtering, or the like.
  • the present invention is a reflecting mirror having a multi-layer film that acts as a material to the surface.
  • Light having a wavelength of 2 ° or less and 0.1 ° or more also has normal force on the reflecting surface. It can also be used so that the incident angle is more than 80 degrees.
  • the diffraction grating and the spectroscopic device using the same according to the present invention have both high diffraction efficiency and high resolution in the wavelength region of 0.1 to 2 nm. Is possible. Also, by depositing a multilayer film, the reflectivity does not decrease even at a small incident angle compared to the case of using a metal single layer film. A narrow diffraction grating can be used in the direction perpendicular to the direction (left-right direction in FIG. 1). The above resolution is the value of (wavelength) Z (wavelength width that can also extract spectroscopic power), and the larger the value, the higher the wavelength resolution performance.
  • FIG. 1 is a diagram showing a lamina-type multilayer film plane diffraction grating.
  • FIG. 2 is a view showing main parameters of a lamina type multilayer multilayer diffraction grating according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the diffraction efficiency of a lamina type multilayer multilayer diffraction grating according to an example of the present invention.
  • a groove pattern of a multilayer diffraction grating is formed by a holographic method using laser light, and then a laminar type groove is formed by an ion beam etching method using this pattern as a mask. Further, a multilayer film is formed on the surface by ion beam sputtering or magnetron sputtering.
  • the zero-order light in claim 1 is a reflection satisfying Snell's law when the surface of the diffraction grating is regarded as a mirror, in addition to the diffraction light diffracted from the diffraction grating in different directions depending on the wavelength. Force that exists in the direction of (regular reflection) This regular reflection light is zero-order light.
  • the fundamental parameters of the grating constant (groove spacing at the center of the grating) s are l / 1200 mm and the wavelength to be optimized is 0.3 nm.
  • the light element (or light compound) layer and The period length D of a soft X-ray multilayer film formed by stacking multiple layers of heavy element (or heavy compound) layers is set to 6.6.
  • the soft X-ray multilayer film is composed of two kinds of substances A and B. As shown in Fig. 1, the total film thickness of the substance AB is the period length D.
  • Equation (2) is sometimes called the extended Bragg condition.
  • ⁇ is the wavelength of the incident light
  • X and ⁇ are the incident angle of the incident light measured by the normal force of the diffraction grating surface, and the diffraction angle of the diffracted light, with the counterclockwise direction being a positive angle (see Fig. 1).
  • 8 is
  • the material pairs of the multilayer film become Co and SiO force, and each layer thickness is 2.64nm 3.96nm
  • Figure 1 shows the values of the incident angle ⁇ and diffraction angle ⁇ for each wavelength of incident light satisfying both of the equations (1) and 2).
  • the reason why the material pair is Co and SiO is in the wavelength range of 0.1 lnm.
  • Similar material pairs include cobalt and silicon carbide or cobalt and carbon pairs.
  • the optimum duty ratio (D.R.) is such that the groove depth is h, the width of the convex portion, and the width of the concave portion are g and g, respectively.
  • FIG. 2 is a table showing the main parameters of the lamina type multilayer planar diffraction grating according to the example of the present invention.
  • the maximum diffraction efficiency is obtained with the multilayer type diffraction grating shown as the example. In this case, it is a table for each wavelength indicating from which direction the light should be incident and the diffracted light should be extracted.
  • FIG. 3 is a diagram showing the diffraction efficiency of the lamina type multi-layer planar diffraction grating according to the embodiment of the present invention.
  • the multi-layer diffraction grating shown as the embodiment is used under the conditions shown in FIG. The diffraction efficiency obtained in this case is shown.
  • the diffraction grating according to the present invention is characterized by having a diffraction efficiency that is one to two orders of magnitude higher than that of a diffraction grating with a metal single-layer film added.
  • the first point was to optimize the groove shape of the multilayer lamina type diffraction grating in consideration of the specifications of the multilayer film, and the second point was that the material pair of the multilayer film exhibiting high reflectivity in the region of 0.1 to lnm. It depends on what I saw.
  • the second finding is applicable to blazed diffraction gratings with a saw-tooth groove shape other than lamina-type diffraction gratings used in the same wavelength region, or even simple reflectors.

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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

多層膜型回折格子
技術分野
[0001] 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. l〜lnm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。
背景技術
[0002] 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つ ていない。
[0003] 一般にラミナ一型回折格子では、最大反射率が得られるラミナ一型回折格子（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 、る）の条件があり、また多層膜をラミナ一型回折格 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)。
[0004] 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 ヽなかった。
非特許文献 1 :W. K. Warburton, Nucl. Instr. Meth. A 291, 278 (1990).
非特許文献 2 :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卷物質の構造'分光下、日本化学会編、（丸善、東京、 2005) , pp. 1
06-141.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 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. l〜lnm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。
課題を解決するための手段
[0006] 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。
[0007] 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一型回折格子の凸 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 ミナ一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ょ ヽ。
[0008] 即ち、本発明は、
λを入射光の波長、 OC , 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、 ηを多層膜の平均屈折率とす ると δ =η— 1、 m ,m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
G C
の深さ、 g ,g
1 2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、
[0009] [数 1]
mGX = <r(sin a + sin β) , \ 1 )
[0010] 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、
[0011] [数 2] mcA = D(Ra COS a + Rn cos β) , ( 2 ) [0012] [数 3] Ra = - [2δ - S2f/cos2 a , ( g a )
Figure imgf000005_0001
[0013] 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、
[0014] 画
h = A/4cosa , ( 4 )
[0015] 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、
[0016] [数 5]
Figure imgf000005_0002
[0017] 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ィ匕珪素、コバルトと炭 化珪素、又はコバルトと炭素力もなる多層膜型回折格子である。
[0018] また、上記ラミナ一型回折格子は、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、出来上がつ たラミナ一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。
[0019] 又、本発明は、回折格子として用いられる他に、物質対力 なる多層膜を表面に付 加した反射鏡で、 2應以下 0.1應以上の波長の光が反射面の垂線方向力も測った入 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。
発明の効果
[0020] 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. l〜2nmの領域に おいて、回折効率、分解能が共に高ぐ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) Z (分光器力も取り出し可能 な波長幅)の値で、その値が大き!/、ほど波長分解性能が高 、。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]ラミナ一型多層膜平面回折格子を示す図である。
[図 2]本発明の実施例に係わるラミナ一型多層膜平面回折格子の主要パラメータを 示す図である。
[図 3]本発明の実施例に係わるラミナ一型多層膜平面回折格子の回折効率を示す図 である。
符号の説明
[0022] 1 : ラミナ一型多層膜平面回折格子
2 : 入射光線
3 : 回折光線
発明を実施するための最良の形態
[0023] 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 イツク法で行い、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 ミナ一型の溝形成を行う。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。
[0024] 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力 この正反射光が零次光である。
実施例
[0025] 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 l/1200mm、また最適化する波長を 0.3nmとする。また、軽元素（または軽ィ匕合物)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 6.6 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。
[0026] 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
[0027] [数 6]
mGX = (jisin a + sin β) , ( 1 )
[0028] 2)層膜回折格子の Bragg条件
[0029] [数 7] mcA = D{Ra cos + Rfi cos β) , ( 2 )
[0030] 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、 (X , βは光の回折格子表面の垂線力 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 R a R |8はそれぞれ
[0031] [数 8]
Figure imgf000007_0001
[0032] 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 =η— 1である。さらに、 m ,mはそ
G C
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 m =m =1で
G C
あるとする。多層膜の物質対が Coと SiO力 なり、それぞれの層厚が 2.64nm 3.96nm
2
である場合の式 (1)ズ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 SiOとした理由は波長 0. l lnmの領域において
2
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。
[0033] さらに、最適溝深さ hは、「非特許文献 2」の式 (2.63)より
[0034] [数 9]
h = A/4cos , ( 4 ) [0035] となり、実施例の場合 h=4.12nmとなる。
[0036] 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 g ,gと
1 2 すると
[0037] [数 10]
D n ^ 8i_ g2 - (tan a - tan ) ( Γ )
σ σ '
[0038] 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一型回折格子に 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。
[0039] 図 2は、本発明の実施例に係わるラミナ一型多層膜平面回折格子の主要パラメ一 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一型多層膜平面回 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。
[0040] 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一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. l〜lnm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一型回折格子以外の 溝形状が鋸波形状のブレーズド型回折格子、ある 、は単なる反射鏡に至るまで適用 可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 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一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力もなる、前記多層型回折 光子。
[2] 請求項 1に記載の物質対力 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。
[3] 請求項 1又は請求項 2に記載のラミナ一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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