JPH0192700A - Ｘ線・真空紫外線用多層膜反射鏡 - Google Patents

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〕 本発明は光学装置、特にＸ線から真空紫外線と称される
波長２００ｎｍ以下の光を対象とし、入射角が鏡面に対
し垂直に近い正入射反射鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、真空紫外と称される領域より短波長の光に対して
、面に垂直もしくはそれに近い角度で入射したときに高
い反射率を有するような反射鏡は存在せず、垂直入射に
近い入射角でも１％以下の反射率しか得られていなかっ
た。

一方、比較的高い反射率を有する斜入射反射鏡でさえも
入射角を鏡面から１°以下もしくは２〜３°の範囲に調
整する必要があった。そしてこれでも光束を面に対し小
さい角度で入射させるために細い光束に対しても非常に
大きな反射面を必要とし、その装置の使用は困難かつ限
定されるものであった。

また、斜入射鏡では光学系構成の自由度が少なく、反射
鏡の作製に関しても大面積にわたり高精度の平面度が要
求され実際の使用にあたっても制限が多かった。なお、
可視域から２０００人の波長域では多層薄膜の干渉を利
用した多層膜の反射鏡が提案されている。例えば第２図
に反射率特性を示したように２０００Å以上の可視域で
はＭｇＦ２とＺｎＳなどを初めとする２つの誘電体の組
合せで多層交互層を形成させてほぼ８０〜１００％の反
射率が正入射で得ている。

しかしながら誘電体交互層の場合には２０００Ａ以下の
波長域では吸収が急激に増加し１０００Å以下では反射
鏡として使用できる材料の組合せはほとんど存在しなく
なる。また第２図に特性を示しているＡＩ、Ａｕ、Ｐｔ
等の金属単層膜でも７００人より短い波長ではλ２に比
例して急激に反射率が減少し、５００人さらに２００Ａ
より短い波長域では１％以下の反射率しか正入射では得
られない。

一方、異なる複素屈折率をもつ２つの金属材料を交互に
積層した金属多層膜反射鏡が試みられるようになってい
るが、Ｘ線および真空紫外光の領域ではほとんどの物質
についてその反射率は吸収を表わす虚数部分Ｋをもつ複
素屈折率（ｎ＋ｉｋ、以下屈折率と呼ぶ）で表わされ、
実数部分ｎはほぼ１．０　（ｎ＝ｆ−δ、δ＝ｉｏ−’
〜ｔｏ−３）となるため真空と物質薄膜との境界におけ
るフレネルの反射率は非常に小さく０．１％以下のオー
ダーである。また異種材料の積層薄膜の境界においても
反射率は単一の境界面あたり数％を越えることが無い。

しかるに、異種材料を交互に多層積層構造とし、各々の
層境界からの反射光が干渉により強め合い、多層膜全体
としての反射率が最大となるような膜厚構成をとること
により、高い反射率を得ることが可能となる。さらに隣
接する層間での屈折率の差が大きくなるような異種材料
の組合せを選択し、先の膜厚構成と合せて反射率の高い
反射鏡が実現できることが知られている。

現在までに多層膜の構成につき知られている材料の組合
せとしては、低屈折率材料として遷移金属があり、高屈
折率材料としての多くは炭素、シリコン等の半導体元素
を用いたものであった。代表的な例をあげると、タング
ステン（Ｗ）と炭素（Ｃ）との組合せやモリブデン（Ｍ
ｏ）とシリコン（Ｓｉ）の組合せ等がある。

従来、この種の多層膜反射鏡において反射率を向上させ
るために面荒さを小さくするということが重要であるこ
とは認識されてきた。しかしながらその評価方法が例え
ばヘテロダイン干渉式面荒さ計などによる広い領域、す
なわち、数平方μｍの領域を平均化する方式の面荒さ計
で評価するものでしかなかったため（Ｎ密工学Ｖｏ１．
５２（１９８６）、Ｎｏ、１１、ｐｐ７−１０）、Ｘ線
・真空紫外線の領域で反射率を低減させる重要な原因で
ある基板表面の面に平行な方向に数十Å以上数千Å以下
の大きさをもつ凹凸には考慮が払われず、従ってそのよ
うな凹凸をおさえる工夫もなされたことはなかった。

〔発明が解決しようとしている問題点〕そのため、上記
従来例では、広い領域すなわち数平方μｍの領域を平均
化する方式で測定した面荒さは十分制御しであるにもか
かわらず、期待される反射率と測定された反射率には大
きな開きがあり、多層膜反射鏡としてその反射率が低い
ものしか得られないという欠点があった。例えば基板表
面、作製された多層膜反射鏡の各層とそれに隣接する層
の界面および作製された多層膜反射鏡の表面の面荒さが
ｒｍｓ値で１０人の多層膜反射鏡と２０人のそれの反射
率を比較すると、波長１２４への軟Ｘ線をルテニウムＣ
以下Ｒｕ）とＳｉの４１層からなる多層膜反射鏡に垂直
に入射した時、面荒さ２０人の多層膜反射鏡の反射率は
面荒さ１０人の多層膜反射鏡の反射率の工／１０程度し
か得られない。

基板表面、多層構造の界面及び反射鏡表面の面荒さは、
反射光の光路差には最大２倍となって反映される。従っ
て、使用波長の１／８の面荒さを持つ反射鏡では反射さ
れたＸ線又は真空紫外線は波長の最大１／４の光路差の
ずれを持ち、反射率を低下させる。数十人から数千人の
Ｘ線又は真空紫外線が干渉性を持つような領域内では、
面荒さによる位相ずれによって干渉的に反射率の減少を
引起す。例えば前述のＲｕとＳｉの４１層からなる多層
膜反射率に１２４人の軟Ｘ線を入射した場合、透過電子
顕微鏡で断面を観察したときに波長１２４人の約１／８
の１５人の面荒さを持つ多層膜反射鏡の反射率は、はと
んど面荒さのない多層膜反射鏡の約１／４程しか得られ
ない。一般に面荒さが使用波長の１／１５よりも大きく
なると、反射率は急減しはじめ、面荒さが使用波長の１
／８程になると反射率は１／４程になってしまう。

またヘテロダイン干渉式面荒さ計等のような数平方胛の
広い領域を平均化するような方式で測定した面荒さは、
乱反射として非干渉的に反射率を低下させる。これによ
る反射率の低下は数十人〜数千人の荒れによる干渉的な
反射率の低下よりも若干影響が大きい。基板表面及び多
層膜表面の面荒さが波長の１／１６程の反射率では、は
とんど面荒さのない反射鏡に比べて反射率が約１／２．
５になる。

本発明の目的は、Ｘ線や真空紫外線に対して高い反射率
の鏡面を得て、従来にない光学特性の光学装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記に詳しく述べた従来技術の問題点は、互いに屈折率
の異なる物質の交互層よりなる多層構造の反射鏡を基板
上に有するＸ線・真空紫外線用多層膜反射鏡において、
その基板表面および反射鏡表面の各面荒さ値をヘテロダ
イン干渉式面荒さ計のｒｍｓ値でいづわも使用波長の１
／１６以下とし、かつ基板表面、多層構造の各界面およ
び反射鏡表面の各面荒さ値を透過電子顕微鏡による１０
０Å以上７００Å以下の厚さ試料についての断面観察時
ｒｍｓ値でいづれも使用波長の１／８以下としたＸ線・
真空紫外線用多層膜反射鏡によって解決された。ここで
−上記の試料について透過電子顕微鏡観察する場合に、
多層膜反射鏡の各層とそれに隣接する層の界面とは、第
３図にその１例を示すように透過電子顕微鏡観察により
得た多層膜反射鏡の透過電子顕微鏡像のネガ写真フィル
ムを、マイクロデンシトメータにより面に垂直な方向に
測定し、その濃度を基板表面からの関数として平滑化し
、濃度の山と谷の中間の濃度の点として決まるものであ
る。

以下本発明を図面も参照しながら詳しく説明する。

第１図は本発明のＸ線・真空紫外線用多層膜反射鏡の断
面の模式図である。

ここではヘテロダイン干渉式面荒さ計でｒｍｓ値で使用
波長の１／１６以下に、透過電子顕微鏡観察により面荒
さがｒｍｓ値で使用波長の１／８以下に研磨された基板
１上に、互いに屈折率の異なる第１の物質の層２．４・
・・および第２の物質の層３．５−・・が交互に、透過
電子顕微鏡観察した時に、界面の荒さがｒｍｓ値で使用
波長の１／８以下になるように積層され、最終的に作製
された表面がヘテロダイン干渉式面荒さ計でｒｍｓ値で
使用波長の１／１６以下に、透過電子顕微鏡観察により
面荒さがｒｍｓ値で使用波長の１／８以下になるように
構成される。

使用する基板１の表面は、製作された鏡面の組み込まれ
た光学器械の用途に応じて、平面、凸面、凹面、非球面
形状に加工され、ダイヤモンドペーストによる研磨を経
た後、フローティング研暦法、化学研磨法、超高真空中
において基板材料の融点よりわずかに低い温度における
長時間加熱または、フラッシュ加熱などにより必要な面
荒さにおさまるまで繰り返し研磨する。この過程には基
板表面に付着した不純物の除去も含まれる。

界面の面荒さを所定の範囲内におさめるためには、第１
の物質、第２の物質の組成の組合わせ、その成膜法によ
り異なるが、背圧を低くすること、成膜材料の純度を上
げること、および、基板を冷却して微結晶の成長を抑え
ることにより均一なアモルファスの膜とすること、逆に
、基板を加熱して結晶性の膜を作るなどの方法がある。

本発明のＸ線・真空紫外線用多層膜反射鏡が発現する反
射率は、交互層を形成する屈折率の異なる２種の物質の
屈折率の差、各層の吸収率、積層される層の数、照射す
る光の波長等によって異なるが、その屈折率の差は例え
ば層数を１００層対とすると実用的には少なくとも０．
０１以上あることが好ましい。

交互層の各層に屈折率の差をもたせるためには本発明で
対象とするＸ線・真空紫外線の領域の光に対して高屈折
率の物質と低屈折率の物質とを用いて交互層を形成すれ
ばよい。

各々の層の膜厚ｄ２、ｄ３、・・・は対象となる波長の
ほぼえであり、交互に同一の材質よりなる積層膜であっ
て、その膜厚は各層間の境界における反射光がすべて強
め合うように干渉する条件を満たすか、もしくは、各層
内における吸収損と位相ずれによる反射率低下を比較し
たときに多層膜全体としての反射率の低下がより少なく
なる条件を満たすかのいずれかあるいは両方により決ま
るものとする。その際、膜厚は同一材料層についてはす
べて等しくしても良いし各層毎に変化させ反射率が最大
となるような必ずしも等しくはない厚さとしても良い。

積層の構成としては、気体または真空に接する層である
最終層の屈折率と気体または真空の屈折率との差が大き
くなる材料を選択することが望ましい。また基板と基板
に接する層との屈折率の差が大きくなるようにすること
も好ましい。

また、交互層の層数が多いほど反射率は増大するため層
数は５層対以上あることが好ましいが、あまり多くなる
と吸収層の影響が顕著となるため、作製の容易さも考慮
して２００層対程度までが良い。また、最終層の上には
吸収の少ない安定な材料による保護層を設けても良い。

また、本発明のＸ線・真空紫外線用多層膜反射鏡を作製
する際の成膜法としては、超高真空中における電子ビー
ム法が好ましく用いられるが、特に化合物材料を用いる
場合は、残留酸素等の量が充分小ない真空中におけるス
パッタリング法が有効な手法である。さらに、膜強度の
高い膜作製法としてイオンブレーティング法、半導体超
格子作製で注目を浴びている有機金属気相成長法（ＭＯ
Ｃ’ＶＤ）などを用いて多層膜を形成してもよいことは
いうまでもない。

〔実施例〕

実施例１ 面精度λ／２０（λ＝６３２８人）に加工した１００μ
ｍ厚のシリコンカーバイト（以下ＳｉＣ）がコーティン
グされているシリコン基板（２″φ、１０ｍｍｔ）を、
ダイヤモンドペーストにより研磨し、その後フローティ
ング研磨を行った。

ヘテロダイン干渉式面荒さ計で面荒さを測定したところ
ｒｍｓ値で２，３人であり、使用波長１２４人の１／１
６より小さかった。厚さ約５００人の透過電子顕微鏡用
の試料を作り透過電子顕微鏡により像の写真をとり面荒
さを測定したところ面の荒れはほとんどみられなかった
。

これを、第４図に示した装置の基板ホルダーのヒーター
面にセットし、真空度を１ｘｌＯ−’。

ｔｏｒｒとした。あらかじめ蒸着に先だって１４００℃
まで加熱（２時間）した。その後放置して室温まで冷却
し、次に液体窒素シュラウドから出ている銅製の爪に基
板を３時間後しておき、熱電対式の温度計で基板温度を
測定したところ一１５０℃になっていた。

第４図に示した装置には電子ビームの蒸発源が２台基板
に対して対称な位置になるよう配置され、各々の電子銃
ハースに９９．９％のルテニウム（以下Ｒｕ）と９９．
９９９％ノケイ素（以下Ｓｉ）をセットしておいた。真
空度が３×１０−”ｔｏｒｒに回復するまで待った後、
蒸着を開始した。

Ｒｕ、Ｓｉ共にあらかじめ電子ビームで予備加熱をして
おき（各ハース上のシャッター、及びメインシャッター
閉）、３０分から１時間予熱後、各々の蒸着レートが３
人／ｍｉｎ、５人／　ｍ　ｉ　ｎになるよう各ハース近
傍に設置した水晶振動子（図には示していない）で上記
した蒸着レートが保持できるようフィードバックした。

この後各ハースのシャッターを交互に開け、第１図の第
１物質なＲｕ、第２物質をＳｉとしてそれぞれの膜厚な
２７．２Ａ、３６．２人とし、かつ全部で４１層の成膜
を行った。成膜中の真空度は８×１０’−”ｔｏｒｒを
保持した。

このようにして得られた多層膜反射鏡に、波長１２４人
の軟Ｘ線を面に対して垂直な軸から１０°の傾きで入射
したところ反射率６１．２％　　　ゝが得られた。

この値は市販のシリコンウェハーを基板とし、その基板
を何ら冷却することなく上記実施例と同じ膜厚だけ蒸着
した時の軟Ｘ線の反射率（１１，９％）に比較して約５
倍の反射率となった。この結果は基板の面荒さが小さか
ったと同時に、蒸着時に基板を冷却しておいたため、蒸
着された原子が蒸着面内において動きまわりその結果島
状構造を生成するという機構を抑え、界面の荒れを抑制
したことによる。

本発明の方法で作製された多層膜反射鏡を、ヘテロダイ
ン干渉式面荒さ計で表面を測定したところｒｍｓ値で２
．６人であり、使用波長の１／１６より充分に小さかっ
た。厚さ約５００Ａの透過電子顕微鏡用の試料を作り透
過電子顕微鏡により像の写真をとり面荒さを測定したと
ころ界面の荒さは上層にいくほど大きかったが、最上層
とその下の層との界面でもｒｍｓ値で９．８人てあった
。また、表面の荒さもｒ　ｍ　ｓ値で９．８人であり、
どちらも使用波長の１／８より小さかった。

実施例２ 実施例１に用いたと同一の基板を第４図に示した装置の
基板ホルダーのヒーター面にセットした。

電子銃ハースには９９．９９％のＭｏと９９．９９９％
のＳｉをセットした。また、液体窒素シュラウドから出
ている銅製の爪は外しておいた。

背圧ｌＸｌ０−’°ｔｏｒｒまで真空を引いた後、あら
かじめ、蒸着に先だって１４００　”Ｃまで加熱（２時
間）した。この後真空度が８×１０−”　ｔｏ　ｒ　ｒ
まで回復するまで待った後、基板温度を８００℃にセッ
トし蒸着中この温度を維持した。Ｍｏ、Ｓｉ共にあらか
じめ電子ビームで予備加熱をしておき（各ハース上のシ
ャッター、及びメインシャッター閉）、３０分から１時
間予熱後、各々の蒸着レートが３人／　ｍ　ｉ　ｎ、５
人／ｍｉｎになるよう各ハース近傍に設置した水晶振動
子（図には示していない）で上記の蒸着レートが保持で
きるようフィードバックした。この後各ハースのシャッ
ターを交互に開け、第１図の第１物質をＭｏ、第２物質
をＳｉとしてそれぞれの膜厚を２６．９人、３６．０人
とし、がっ全部で４１層の成膜を行った。成膜中の真空
度は１×１０−”ｔｏｒｒを保持した。

電子線回折を行ったところ、スポットライクのＭｏおよ
びＳｉの単結晶に等しい交互層が観察され、かつ透過電
子顕微鏡写真で結晶粒界がＭｏで３５０人、Ｓｉで２０
０人程度であることが確認された。また界面の荒さは上
層にいくほど大きかワたが、最上層とその下の層との界
面でｒｍｓ値でも１１．３人であった。また表面の荒さ
はｒｍｓ値で１１．５人であり、どちらも使用波長の１
／８より小さかった。ヘテロダイン干渉式面荒さ計で多
層膜表面を測定したところｒ　ｍ　ｓ値で２．７人であ
り、使用波長の１／１６より小さかった。

シンクロトロン放射光を分光して１２４人の波長の軟Ｘ
線を面に対して垂直な軸から１０°の傾きで入射したと
ころ反射率５７．３％が得られた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のＸ線・真空紫外線用多層
膜反射鏡はその基板、多層膜の界面、表面ともに、特許
請求の範囲に特定した値にまで数平方μｍの領域を平均
化する方式により測定した面荒さおよび多層膜表面の面
に平行な方向に数十Å以上数千Å以下の大きさをもつ凹
凸に起因する面荒さまでｒｍｓ値で使用波長の１／１６
ないし１／８以下にしたから鏡面の反射鏡を数倍から１
０倍まであげることができる効果が得られた。

このことは同時に散乱光が減少したために、反射鏡とし
ての光学特性も向上したという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＸ線・真空紫外線用多層膜反射鏡の断
面の模式図、第２図は誘電体多層、金属単層の照射光波
長に対する反射率を示す図、第３図は実施例に用いたシ
リコン基板の透過電子顕微鏡による多層膜反射鏡の像の
ネガフィルムをマイクロデンシトメータにより濃度測定
を行った結果から界面を決定する原理図、第４図は本発
明の実施に用いつる超高真空電子ビーム蒸着装置の模式
１は基板、２．４は第１物質、３．５は第２物質、６は
誘電体多層の反射率曲線、７は金属単層の反射率曲線、
８はマイクロデンシトメータにより測定された濃度、９
は平滑化された濃度、１０は界面、１１は液体窒素シュ
ラウド、１２はヒーターを備えた基板ホルダー、１３は
基板、１４は基板冷却用の爪、１５はメインシャッタ、
１６はシャッタ、１７と１９は電子銃ハースで１７にＲ
ｕまたはモリブデンを１９にＳｉをセットする。２０は
水晶振動子を表わす。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに屈折率の異なる物質の交互層よりなる多層
   構造の反射鏡を基板上に有するＸ線・真空紫外線用多層
   膜反射鏡において、その基板表面および反射鏡表面の各
   面荒さ値をヘテロダイン干渉式面荒さ計のｒｍｓ値でい
   づれも使用波長の１／１６以下とし、かつ基板表面、多
   層構造の界面および反射鏡表面の各面荒さ値を透過電子
   顕微鏡による１００Å以上７００Å以下の厚さ試料につ
   いての断面観察時ｒｍｓ値でいづれも使用波長の１／８
   以下としたＸ線・真空紫外線用多層膜反射鏡。