JPH05346496A - 多層膜反射鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の単層反射鏡および多層膜反射鏡の双方
よりも広い波長域のＸ線を反射することが可能なＸ線反
射鏡を提供する。 【構成】 高密度層と低密度層とを周期的に交合に積層
した周期層の表面上に、その周期層によるＸ線の干渉効
果を阻害しない低密度層と高密度層の２層を交互に積層
した構造としている。このような構造により、第三層目
以下の周期層によって短波長のＸ線はブラッグ反射で反
射され、これに加えて、その周期層の上層の２層の中の
最表層によって長波長側のＸ線が全反射される結果、所
期の目的を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多層膜を利用した構造
のＸ線用の反射鏡に関し、特に、Ｘ線集光装置への応用
に適した多層膜反射鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、Ｘ線は物質に吸収され易いこと
が知られている。また、Ｘ線の波長領域において全ての
物質は、その屈折率が１よりも僅かに小さな値であるこ
とからＸ線の波長領域で用いる光学系は大きな制約を受
ける。その理由を以下に説明する。

【０００３】まず、Ｘ線を反射させる際、屈折率が１よ
りも小さいので、Ｘ線が、臨界角と称される角度よりも
浅い角度で、反射面に入射した場合のみに限ってＸ線が
全反射し、それ以外では殆ど反射しない。このような臨
界角は、Ｘ線の波長と反射面を構成している物質によっ
て決定され、その臨界角は、一般的な傾向として波長が
短くなればなるほど、また反射面を構成している物質の
密度が小さくなればなるほど小さくなる。

【０００４】ここで、複素屈折率ｎを ｎ＝１−δ＋ｉβ とおくと、臨界角θc は、 θc ＝（２δ）^1/2 と表せる。

【０００５】ところで、臨界角が比較的大きな値を示す
物質の一つとして、タングステンが挙げられるが、その
タングステンにおいても、臨界角は、波長0.154nm のＸ
線に対しては0.55度と極めて小さく、その波長のＸ線の
全反射が可能な反射面を得るには、原子サイズオーダの
平滑な面が要求される。そのような反射面は、多くの場
合、平滑に研磨されたガラス表面に、タングステンある
いは金や白金などの臨界角の大きな物質を蒸着すること
で製作されている。そして、従来では、その全反射面を
利用してＸ線を集光する装置を構築しているが、この場
合、先に説明したように、臨界角が例えば0.55度程度と
極めて小さいことから、Ｘ線を反射面に対してほぼ平行
に入射させる必要があり、このことが、装置全体が大型
化し、さらには反射面と集光点との間の距離が非常に長
くなってしまう、等の種々の問題をもたらす要因となっ
ていた。

【０００６】一方、反射のメカニズムが全反射ではな
く、周期的な結晶構造によるブラッグ反射を利用したＸ
線反射鏡がある。このブラッグ反射は大きな波長分散特
性があり、反射面に対する入射線の角度θとＸ線の波長
λが、ブラッグ条件を満たす場合に限ってＸ線の反射が
生じる。その反射のブラッグ条件は、屈折率の影響を無
視すれば、 ２ｄ Sinθ＝ｍλ と表せる。ここで、ｄは周期構造の周期長であり、ｍは
整数である。そして、このブラッグ反射の反射面の材料
としては、一般にＬｉＦ，グラファイトあるいはＳｉ等
の天然の材料が用いられている。しかしながら、それら
の材料は、格子間隔を自由に選ぶことができないために
Ｘ線の波長や反射角度の制約が厳しい。

【０００７】そこで、結晶材料の利用限度の拡大を目的
として、新規の人工結晶を構成しようとする試みが数多
くなされている。そのＸ線反射鏡用の人工結晶は、Ｘ線
用多層膜とも呼ばれており、スパッタリング，真空蒸着
あるいはＭＢＥ（分子線エピタキシー）などの薄膜形成
技術を用いて、互いに異なる二種類の層を数Å〜数百Å
の層厚で、二層〜数百層積層することによって作製され
ている。そして、この多層膜の積層技術においては、長
距離周期性を確保するとともに、互いに隣接する層間に
おける界面を急峻にすることが重要とされており、ま
た、層を構成する物質は使用されるＸ線の波長を考慮し
て選定されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した多
層膜を用いてＸ線用の反射鏡面を構成した場合、ブラッ
グ反射により短波長のＸ線を反射できるといった利点が
あるものの、全反射による長波長側のＸ線の反射が小さ
くなってしまうといった欠点があり、従って、この多層
膜を、ある特定の入射角度において広い波長域で使用す
る反射鏡として用いることは適当ではなく、Ｘ線集光装
置には不向きである。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、従来の単層反射鏡お
よび多層膜反射鏡の双方よりも広い波長域のＸ線を反射
することが可能なＸ線反射鏡を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例に対応する図１を参照しつつ説明す
ると、本発明は、Ｘ線の波長領域での屈折率が互いに異
なる高密度層と低密度層とを交互に、かつ、少なくとも
６層積層した多層膜であって、当該多層膜の上面側から
数えて第三層目の層３ａおよびその下方の層３ｂ，３ａ
・・３ｂは、ブラッグ反射の条件を満たすべく、高密度層
３ａと低密度層３ｂとが周期長ｄで周期的に積層されて
いるとともに、その上層の第二層目の層２は、厚さが上
記の周期長に対して (1/5)ｄ〜 (1/2)ｄに形成され、か
つ第一層目の層１は、厚さが上記の周期長に対して (1/
2)ｄ〜 (3/2)ｄに形成されていることによって特徴づけ
られる。

【００１１】

【作用】第三層目以下の周期的な周期層３によって短波
長のＸ線はブラッグ反射で反射され、これに加えて、第
一層目の層１によって長波長側のＸ線が全反射される。
このとき、第２層目の層２は、ブラッグ反射を損なわな
いように挿入される。

【００１２】ここで、本発明では、上記の全反射とブラ
ッグ反射を両立させること、すなわち、第一層目と第二
層目の二つの層１，２が、第三層目以下の周期層３によ
るＸ線の干渉効果を損なわず、しかも、第一層目の層１
の層厚を厚くすることを目的として、その第一層目の層
１の厚さを、周期層３の周期長ｄの1/2 以上の厚さと
し、また、第二層目の層２の厚さを、周期長ｄの1/2 以
下としている。さらに、第一層目の層１の層厚は、厚す
ぎるとブラッグ反射に影響が及ぶので、その上限値は
(3/2)ｄとし、また、第二層目の層２の層厚は、薄すぎ
るとブラッグ反射に影響が及ぶので、その下限値は (1/
5)ｄとしている。なお、この上限値および下限値は後述
する演算に基づき決定した。

【００１３】

【実施例】図１は本発明実施例の構成を示す模式的断面
図である。ガラス基板Ｓの表面上に、高密度層１，３ａ
・・３ａと低密度層２，３ｂ・・３ｂが交互に順次積層され
ており、全体として反射用の多層膜が形成されている。

【００１４】その多層膜の上面側から第三層目以降の層
３ａ，３ｂ・・３ａ，３ｂは、ブラッグの条件を満たすべ
く周期的に積層されている。この第三層目以降の周期層
３の層の数は、例えば２０層である。

【００１５】一方、多層膜の最上層１は高密度層で、そ
の層厚は周期層３の周期長ｄに対して (1/2)ｄ〜 (3/2)
ｄの範囲に設定されている。また、その下層の第二層目
の層２は低密度層で、その層厚は周期層３の周期長ｄに
対して (1/5)ｄ〜 (1/2)ｄの範囲に設定されている。

【００１６】次に、以上の構造の多層膜の製造手順の例
を説明する。まず、高密度層を構成する物質としてタン
グステンを、また低密度層を構成する物質として炭素を
使用して、高周波マグネトロンスパッタリング法によっ
て、ガラス基板Ｓの表面上に高密度層３ａと低密度層３
ｂとを、互いに交互に積層して周期層３を形成する。こ
のとき、周期層３の周期数は２０周期程度とし、また、
この周期層３の最表層は高密度層３ａとする。

【００１７】次に、周期層３の表面上に、層厚が周期層
３の周期長ｄの (1/5)〜 (1/2)の厚さの低密度層２を積
層し、さらに、その上に、層厚が (1/2)ｄ〜 (3/2)ｄの
高密度層１を積層する。なお、この二層の成膜も、先と
同じ物質および成膜法を採用して行う。

【００１８】ここで、周期層３の周期長ｄは、この多層
膜反射鏡が適用される集光装置において使用されるＸ線
の波長域によって異なるが、２nm〜２０nm程度が典型的
な例である。また、周期層３の周期数は多くすればする
程、その反射特性が向上するが、実際には、ある程度の
周期数でその特性の向上は飽和してまうことから、殆ど
の場合、その周期数は２０周期程度で十分である。さら
に、それらの反射特性の設計にあたり、先に示した複素
屈折率ｎを用いて、マックスウェルの電磁波理論に基づ
く演算を行うことで、十分に精度の高いデータを得るこ
とができる。さらにまた、反射特性の設計の際に、必要
とする複素屈折率は実際の測定によって得ることも可能
であるが、各物質の複素屈折率の測定値や理論計算値は
広く公開されており、それらを利用してもよい。

【００１９】なお、以上の構造の多層膜反射鏡におい
て、基板材料としてはガラスのほか、シリコンあるいは
プラスチックなどの、この種の多層膜用の基板として一
般に用いられる材料と代替可能である。

【００２０】さらに、高密度層を構成する物質としては
タングステンのほか、例えば金，白金，ニッケルあるい
はモリブデンなどの重金属を用いてもよく、また、低密
度層を構成する物質としては炭素のほかシリコンなどで
あってもよい。

【００２１】さらにまた、多層膜を積層する際に採用す
る成膜法としては、スパッタリング法のほか、真空蒸着
あるいはＭＢＥ法などの他の一般的な薄膜成形方法を採
用してもよい。

【００２２】次に、本発明の多層膜反射鏡の反射特性
を、以下、測定結果に基づいて説明する。まず、測定に
は、ガラス基板上に、厚さ5.8nm の炭素層と、厚さ3.8n
m のタングステン層を各々十層づつ交互に積層して周期
層３を形成し、さらに、その周期層３上に厚さ2.8nm の
炭素層および厚さ7.6nm のタングステン層を順次積層し
た構造の多層膜反射鏡を使用した。また、反射率の測定
は、波長0.154nm のＸ線を用いて、そのＸ線の照角（反
射面から測った角度で入射角の余角）を変化させつつ行
った。その測定結果を図２に示す。また、図２には、十
分な厚さのタングステン単層反射膜および従来の多層膜
反射鏡を、先と同等な手法によって測定を行った場合の
測定結果を併記している。

【００２３】この図２から明らかなように、本発明の多
層膜Ａ1 の反射率は、照角0.55度付近のごく一部をのぞ
き、0.65度まで高い反射率を示している。これに対し、
従来の多層膜Ｂは、照角0.65度付近で高い反射率を示す
が、0.35から0.55度までの間は反射率は低い。また、こ
の図２から、本発明の多層膜Ａ1 は、タングステン単層
の全反射反射鏡Ｃよりも広い範囲で高い反射率を示すこ
とが判明した。このことは、入射角（照角）を固定し
て、波長を変化させて反射率を測定すれば、本発明の多
層膜は、より短い波長から長波長域にわたる広い波長範
囲のＸ線を反射すること示している。その反射率の波長
依存性の理論計算値を、図３のグラフに示す。このグラ
フから明らかなように、本発明の多層膜Ａ1 は、ごく一
部をのぞいて広い波長範囲で高い反射率を示している。
すなわち、本発明の多層膜Ａ1 は、従来の多層膜Ｂでの
短波長域の反射率と同等な反射率を維持しつつ、これに
加えて、タングステン単層の全反射反射鏡Ｃが反射可能
の長波長域のＸ線の反射をもカバーすることができるこ
とを示している。

【００２４】ここで、本発明の実施に際して最も重要な
ことは、広い全反射領域と周期層によるブラッグ反射を
両立させるための第一層目の層１と第二層目の層２の各
厚ささを決定することであるが、その最も望ましい層厚
は、層を構成する物質や、使用される波長域などによっ
て異なる。しかしながら、一般的に、第三層目以降の周
期層３によるＸ線の干渉効果を損なうことなく、第１層
目の層１の厚さを厚くするといった方針によって、第一
層目の層１の厚さは周期層の周期長ｄの1/2 以上とな
り、また、第二層目の層２の層の厚さは、周期長の1/2
以下となる。そして、周期層の周期長ｄや各層の層厚の
具体的な最適値は、電磁波理論に基づいたシミュレーシ
ョン演算によって決定することできた。その演算結果か
ら、第一層目の層１の最適な厚さは、周期層３の周期長
ｄの1/2 〜3/2 の範囲にあり、また第２層目の層の最適
な厚さは、周期層３の周期長ｄの1/5 〜1/2 の範囲にあ
ることが判明した。

【００２５】その演算結果の例を図４に示す。この例で
は、高密度層を構成する物質をタングステン、低密度層
を構成する物質を炭素とし、また、周期層は、厚さ3.8n
m の高密度層と厚さ5.8nm の低密度層とを、それぞれ１
０層づつ積層した構造としており、さらに、炭素で構成
される第二層目の低密度層２の厚さを2.8nm としてい
る。そして、タングステンで構成される第１層目の高密
度層１の厚さを、4.9nm,7.6nm および12.6nmの三種類と
して、これら３種の多層膜にＸ線を 0.6度の照角で入射
させた場合についてシミュレーション演算を行った。

【００２６】この図４のグラフから明らかなように、第
一層目の高密度層１の層厚が厚くになるにつれて、つま
りグラフ中の曲線がＡ3 →Ａ1 →Ａ2 へと移行するにつ
れて長波長側に現れる全反射が短波長側まで延びる傾向
を示すが、これに反して、ブラッグ反射のピーク値は低
下する傾向にある。しかしながら、これらの三種の多層
膜においては、いずれもブラッグ反射と波長0.18nm以上
の領域での全反射を同時に実現している。

【００２７】ここで、この例の場合、周期層３の周期長
ｄは(5.8＋3.8 ＝9.6nm)で、この周期長ｄに対する第一
層目の高密度層１の層厚の比は、Ａ3:(4.9nm→0.51ｄ),
Ａ1:(7.6nm→0.79ｄ),Ａ2:(12.6nm →1.31ｄ) となり、
従って第一層目の高密度層１の厚さを、周期長ｄに対し
て1/2 〜3/2 の範囲としておけば、最適な反射特性を得
ることが確認できた。なお、第二層目の低密度層２の層
厚の下限値は、この層の成膜性や隣接する層との界面上
の特性を考慮すると周期長ｄの1/5 程度が好ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高密度層と低密度層とを周期的に交合に積層した周期層
の表面上に、その周期層によるＸ線の干渉効果を阻害し
ない低密度層と高密度層とを交互に積層した構造とした
から、一つの反射鏡でブラッグ反射と全反射の双方の反
射を実現することが可能となり、これによって、入射角
（照角）が限定された条件での反射において、従来の全
反射反射鏡（単層膜反射鏡）では、反射不可能であった
短い波長域のＸ線を、長波長域のＸ線に加えて反射する
ことが可能となる。あるいは、従来の多層膜反射鏡で
は、得ることができなかった反射率の高い全反射の臨界
角をもつ多層膜反射鏡の得ることが可能となる結果、Ｘ
線集光装置に適用可能な多層膜反射鏡の実現化が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構造を示す模式的断面図

【図２】本発明の多層膜反射鏡，従来の多層膜反射鏡な
らびにタングステン単層膜反射鏡のそれぞれの反射率の
測定結果を示すグラフ

【図３】本発明の多層膜反射鏡，従来の多層膜反射鏡な
らびにタングステン単層膜反射鏡のそれぞれの反射率の
シミュレーション演算値を示すグラフ

【図４】本発明の多層膜反射鏡の反射率のシミュレーシ
ョン演算値を示すグラフ

【符号の説明】

１・・・・高密度層（第一層目） ２・・・・低密度層（第二層目） ３・・・・周期層 ３ａ・・３ａ・・・・高密度層 ３ｂ・・３ｂ・・・・低密度層 ｄ・・・・周期長 Ｓ・・・・ガラス基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ線の波長領域での屈折率が互いに異な
   る高密度層と低密度層とを交互に、かつ、少なくとも６
   層積層した多層膜であって、当該多層膜の上面側から数
   えて第三層目の層およびその下方の層は、ブラッグ反射
   の条件を満たすべく、高密度層と低密度層とが周期長ｄ
   で周期的に積層されているとともに、その上層の第二層
   目の層は、厚さが上記周期長に対して (1/5)ｄ〜 (1/2)
   ｄに形成され、かつ、第一層目の層は、厚さが上記周期
   長さに対して (1/2)ｄ〜 (3/2)ｄに形成されていること
   を特徴とする多層膜反射鏡。