JPH05509407A - バックグランド低減x線多層ミラー - Google Patents
バックグランド低減x線多層ミラーInfo
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- JPH05509407A JPH05509407A JP3513749A JP51374991A JPH05509407A JP H05509407 A JPH05509407 A JP H05509407A JP 3513749 A JP3513749 A JP 3513749A JP 51374991 A JP51374991 A JP 51374991A JP H05509407 A JPH05509407 A JP H05509407A
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- G21K2201/06—Arrangements for handling radiation or particles using diffractive, refractive or reflecting elements
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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】
バックグラウンド低減X線多層ミラー
発明の背景
本発明は一般にX線反射鏡、とくに、電磁スペクトルの選ばれたX線帯域におけ
る高反射率のために設計された、鏡からの不要な、より長い波長のバックグラウ
ンド反射を低減(re d u c i n g)するための波長選択ウェイブ
トラップ(Wlvel目p)に関する。アメリカ合衆国政府は、米国エネルギー
省とカリフォルニア大学評議員との契約W−7405−1!NG−36にしたが
って、本発明に関する権利を有する。 ・
ALEXIS (低エネルギーX線イメージングセンサー配列(Arrsy))
衛星は約5%のスペクトル分解能および0.5゜の空間分解能(xpajiil
tesolu)ion)で3つの狭波長帯(18G、171および133 A
)において全天空を観測するために設計されている。衛星の望遠鏡はそれぞれ3
3°の視野を有し、湾曲したマイクロチャネルプレート型の検出器上に宇宙の超
軟X線および極紫外線光の焦点を結ばせるためにほぼ垂直入射(no+mxl
1ncide+ce) (垂直から12.5〜17.6°)で金属多層ミラーを
利用する。それぞれのミラーはモリブデンとケイ素との60から100の交互の
層からなっている。あいにく、より短い波長の放射線の検出において激しいバッ
クグラウンド干渉という困難を引きおこす304人のヘリウムI+の強いジオコ
ロナルライン(geoeoronal 1ine)が存在する。304人の放射
線を吸収する物質はまた最も重要な波長をもかなり大きく減じてしまうので、こ
の領域での帯域幅限定フィルターの使用は性能をきわめて危くする。
望ましい波長の高反射率および望ましくない波長の低反射率の両方を最適化する
選択−反射、選択−抑制光学コーティングの設計は、1200人より長い波長に
関してはよく知られている。たとえば、多層の誘電体−金属光学コーティングは
遠紫外線領域の全体にわたって広範囲に使用されてきた。1200人より短いけ
れども900人より長い波長ニツイテハ、5PIE Vol、 1160 、!
−1/ イ/EUV オプティクス フォー アストロノミイ アンド マイク
ロスコピイ(X−Ray/EUY 0ptics Fa「A+t+onam7
AndMicroseop?) (1989)、p19−25のシェリー ニブ
ルスタイン(Jerr7 Edel+tein)による“リフレクション/サプ
レッション コーチインゲス フォー900−1200人 ラディエーション(
Reflection/5uppression Coating For90
0−1200人 Radiation)″において説明されティるように、フッ
化マグネシウムおよびフッ化リチウムなどの透過性の間隔をもった層(t+xn
smi+5ive spacing 1a7e++)およびアルミニウム、酸化
アルミニウム、金、ケイ素および二酸化ケイ素のような散乱層(+caNeri
ng 1ayez)が有用であることが見出された。
天体物理学的研究において非常に興味深い極紫外線、超軟X線領域については、
この領域において光学特性の点で大きな相違を有する物質の薄い層が適用される
。前記のように、モリブデンとケイ素は2つの該当する物質である。304 A
の反射を低減する、モリブデンとシリコ゛ンとの交互の層を有するある多層ミラ
ーの設計は、連続するモリブデン層同士の間隔を同一に保持したまま単にモリブ
デン層の厚さを小さくするものである。モリブデンの占める割合が間隔の約20
%より小さいとき、304 Aの反射率は10−3より低い値に低減される。し
かしながら、最大反射率もまた達成可能な最大値の約70%に低減される。
したがって、本発明の目的は、おおよそ垂直入射での、電磁スペクトルの軟X線
、極紫外線領域における選ばれた波長での最大反射率を有し、また一方では金属
多層構造の部分としても構成されている反射防止膜によって望ましくないより長
い波長の放射線を抑制する、金属多層ミラーを提供することにある。
本発明のさらなる目的、利点および新規な特徴は、一部は以下の開示で説明され
、一部は以下のことを実験する際に当業者に明らかになり、あるいは本発明の実
施によりわかるであろう。本発明の目的および利点は、添付のクレームにおいて
とくに指摘された手段および組み合わせによって実現され、達成される。
本発明の要旨
本発明の趣旨にしたがって前記のおよびその他の目的を達成するために、ここで
具体化され広(説明されるように、入射X線の選ばれたより短い波長での顕著な
反射率を有し、一方では選ばれたより長い入射X線波長での反射率を抑制する多
層X線ミラーであって、選ばれた厚さを有する第1のロー−1(low−1)物
質の層によってそれぞれへたてられた、第1のハイ−2(hi(h−2)物質の
選ばれた厚さを有する複数の層を含み、1組の第1のハイ−2層およびロー−2
層の合計の厚さは第1の距離を定め、入射X線に面した選ばれた厚さを有し、選
ばれた厚さを有する第2のロー−2物質層によって入射X線に最も近い第1のハ
イ−2物質層から分離されている少なくとも1つの第2のハイ−2物質を含み、
それによって第2のハイ−2およびロー−2物質層の合計の厚さと同じ厚さを有
する少くとも1組の層を形成し、そしてこの1組は、その反射率が抑制されるべ
き入射X線のための1ウエイブトラツプ”を形成する。
好ましくは、第2のハイ−2およびロー−2物質層の2組の層の組が存在する。
25Gと125人との間の主要な波長のために、ハイ−Zおよびロー−X物質層
はそれぞれモリブデンおよびケイ素を含有することもまた好ましい。
本発明の利益および利点は、湾曲した多層ミラーについて、電磁スペクトルの軟
X線領域における目的とする波長での高反射率およびより長い波長のバックグラ
ウンド放射線の低反射率を含む。
図面の簡単な説明
本明細書に組込まれ、本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の2つの実施態
様を図示し、説明と共に、本発明の原理を明らかにするのに役立つ。
図1はALEXIS望遠鏡システムで171人のバンドパス(hindpass
)のために設計された層状合成微細構造ミラー(la7e+ed 57nthe
tie m1cro+l+uetnre m1rrors)の予測される性能の
性能プロットである。
図23は、本発明の教示にしたがって“ウェイブトラップ“を使用している多層
ミラーについて、実験的に決定した+3f1人の放射線の反射率を入射角の関数
としてプロットしたものであり、一方図2bは3f14 Aの放射線のそれであ
る。
発明の詳細な説明
要約していえば、本発明は、それ上に入射する望まれないより長い波長の入射放
射線の反射率を低減するために、選ばれた波長における反射について最適化され
た、層状合成微細構造軟X線ミラーの表面上にデポジットされる多層“ウェイブ
トラップ”の使用を含む。モリブデン/ケイ素の1組からなる反射防止膜の2層
によっておおわれた交互のモリブデンとケイ素との層状ミラー構造を使用してい
る3つの別個のミラーの設計において、133.171および186人の波長で
の反射率が最適化され、一方304 人でのそれは最小にされる。最適化のプロ
セスは、ミラーについての、物質、層7組の構成ならびにそれらの数およびそれ
ら同士の間の距離の選択、同時に“ウェイブトラップ”についての物質、層7組
の構成、それらの数および距離の選択を含む。
本発明の多数の細部は、オプティカル エンジニアリング(Optical !
+gineetiB) Us 592(199111におけるバーンハム ダブ
リュー スミス(Bxrnhim W、5sill+) 、ジェフレー ジェイ
ブロッナ(Ie[Ite7 J、Bloch)およびディアンヌ ルセルーデ
ュブレ(Dixne Roossel−Dupre)による“メタル マルチレ
イヤー ミラーズ フォーEUV/ウルトラソフト X−レイ ワイド−フィー
ルド テレスコープス(Me目I MuNilBe+ Mirrors Fat
EUV/Ulfrasoff X−Ra1 Wide−Field Tc1C
xcopex、)”という題の雑誌論文において開示されており、その教示は参
照することによってここに含まれる。
本発明の好ましい実施態様について詳細に言及するが、その1例は添付図面に示
されている。この図1を見ると、本発明の“ウェイブトラップ”使用の効果を示
す層状合成微細構造ミラーの性能がミラーの層の構成を変化させてプロットされ
ている。A*Ωは望遠鏡の全面積−ソリッド−角度積(total apel−
solid−angle prod[1ct)を表し、かつそれは望遠鏡内で作
用するときの多層ミラーの性能の尺度である。与えられた波長での望遠鏡のA0
Ωを決定するために、ミラーについての多層反射率カーブを乗じたミラーから反
射される入射線の微分的寄与(+INIe+ential contribut
ion)は、その波長についての入射角度の関数として積分されなければならな
い。目標は171人での反射率を最大にするが、304人でのバックグラウンド
放射線の反射率を最小にすることである。したがって、改良されたミラー設計は
プロットの左かつ最上部の方に見出されるべきである。図18は、モリブデン層
の厚さが変化させられるのに伴う、本発明の“ウェイブトラップ”なしのモリブ
デン/ケイ素多層ミラーの理論上の性能を示す。Fはr=MG層の厚さ/(Mo
層の厚さ+31層の厚さ)という関係によって与えられる。図1bは171A用
に最適化された“ウェイブトラップ“の理論上の性能を表し、図ICは製造され
たサンプルにもとづいて本発明の“ウェイブトラップ”がいかにすぐれているか
の控えめな実験的評らを表す。
最適化は、選ばれた軟X線波長の高反射率とより長い波長を有する選択されたバ
ックグラウンド放射線の低応答の最適な妥協fcomprom口e)をもたらす
層の厚さを決定することによって行なわれた。多層反射率のモデルはプリンシプ
ルズ オブ オプティカル(P+1neiples ofOptics)−、パ
ーガモン出版(Pergstarson Press) 、ロンドン(1959
1におけるエム ボーン(M、Born)およびイー ウォルフ(E、 No
l I)の複合マトリックス解法(co@plexmrHiz 5olutio
n method)を使用するコンピューターml−ドを用いて算出され、モリ
ブデンおよびケイ素に使用される光学定数はそれぞれ、ディー エル ウィンド
(D、 L、 Windl)によるアプライド オプティカル(Appl。
Opl、) 27.246 (1988)およびイー ビー パリツク(E、
B、 Pa1ik)によるハンドブック オブ オプティカル コンスタンツ(
Hzndboak or 0pticil Con5lals)、アカデミツク
出版(Acxde*ie Ptess)、ニューヨーク(1985)からえた。
所望の角度θに関する最大反射率が、Mo/Si層の間隔を初期設定するため使
用波長に関してブラッグ条件を用いて概算的にえられる(ブラッグ条件: zd
+inθ=nλ、ここでdはそれぞれの層の組におけるlJoとSi層の合計
の厚さであり、θは表面からの反射角であり、nは正の整数であり、この場合に
は1に等しく、λは波長である)。
屈折、吸収および層が置かれるときの表面同士の境界面における原子の移動のゆ
えにさらに精密な調整が必要であり、その結果として以下に説明されるように、
効果が生じる。
それぞれのミラーのバンドパスにおける反射率を最大にする一方で、バックグラ
ウンド放出(em口日OL1りに対する感度を最小にする必要がある。前記のよ
うに、低地球軌道(low earth orbit)におけるAI、EXIS
望遠鏡システムにとっての最も深刻なバックグラウンドは、3N Aでのイオン
化されたヘリウムのジオコロナル放出である。
この放射線はかなり強力で、恒星間プラズマおよびその他の宇宙源からの軟X線
領域においてその測定が所望される信号のおそら<105倍である。したがって
、304人とそれぞれのミラー用の最大波長との間に少なくともto’の除去率
(rejection r!tio)を達成する必要がある。
多層ミラーのそれとは異なるd間隔を有する2組の層の組からなる“ウェイブト
ラップ”は、その他の層の最上部にデポジットされる。一般に、ミラーは、入射
放射線から最も遠いケイ素(ロー−0層および入射放射線源に面したモリブデン
(ハイ−2)層で組み立てられ、その結果“ウェイブトラップ”の1つめの層が
ミラーのハイ−2物質上にじかにデポジットされかつそれ自身はロー−2物質で
ある。304人での反射を抑制するために、これらの余分な2組の層の組の間隔
は、反射波と相殺的に干渉する定在波パターンが生じるようなものとなされる。
そのとき3f14 Aの放射線は多層内部で吸収される。1組の層の組および3
組の層の組を用いた実験が行なわれ、結果として、前者は304人の放射線の充
分な除去をもたらさず、後者はミラー反射率が最適化される波長の過度の吸収を
示したことについて言及されるべきである。したがって2組の層の組が最適であ
ることがわかった。最上部の2つの層における304人の放射線の相殺的定在波
は境界条件としてそれらの下の多層ミラー構造と相互に作用しあうので、1ウエ
イブトラツプ”とミラーの厳密なd間隔は同時に最適化されなければならない。
すなわち、“ウェイブトラップ”の厳密なd間隔はそれぞれのミラーのタイプに
より異なるであろう。計算によれば、“ウェイブトラップ”なしでは40%の最
大反射率および1G−3り低い304人の反射率を有すると予測される。
本発明を一般的に記述してきたが、これの装置の細部をさらに説明するために以
下の実施例が提供される。
実施例
3つの軟X線波長に関1.て最適化されたミラーが表に示されるように設計され
、製造された。表中にはミラーおよびそれらに備わった“ウェイブトラップ”双
方のハイーZ物質およびロー−2物質の厚さが示されている。前記のように、ミ
ラーは60から100の層を有するように組み立てられ、“ウェイブトラップ”
は2組の層の組で最適化することが見出された。これらのすべてのミラー設計は
304人の放射線からの反射を効果的に除去する。
表
波 長 ミラー二 ″′ウェイブトラップ”Mo Si No 5i
186 人 31人 70人 11A 47人170 人 35人 58人 1
1人 45人130 人 28人 42人 1t1人 45人表に引用された値
に対して、186人の波長のばあいの計算結果はミラーおよび“ウェイブトラッ
プ”のモリブデンおよびケイ素の厚さはそれぞれ38人および74人、10人お
よび55人であるべきであることを示唆した。製造されたとき、これらの寸法を
有するミラーは186Aに最大反射率の波長を有していたが、最大除去効果を示
す波長は304人ではなかった。これは、デポジション工程の間における一方の
層の原子のもう一方の中への移動あるいは表面汚染のためと考えられる。すなわ
ち、層の厚さが厳密に決められない。実験的研究や計算の修正は、最適化の値を
予測する道を提供する。
図28および図2bはそれぞれ、代表的なミラーについて入射角の関数として、
130人の放射線に関する反射率および304人の放射線に関するそれを示す。
前記のように、良好に境界が定められた層状構造のみが最大反射率のために要求
される建設的干渉を提供するであろうから、本発明の教示による多層ミラーの製
造における主要な問題はスパッターされた層の層間均一性(la7er−to−
IBe+ anilo+m1t7)である。境界の画定(boundaB de
finNion)はCm−Kaで測定された付随ピーク(sxlellNe p
eak)の数から決定されうる。代表的な製造したミラーは回折測定で認められ
る16より高い次数(ordc「)を有するかもしれない。したがって、厚さの
偏差が0.5人または±0.5%より大きいCu4α測定値をモデル化する試み
では観測値を再現できず、このことは前記ミラーがこの診断法の能力の範囲内で
均一であることを示す。しかしながら、“ウェイブトラップ”仕様を最適化する
ために要求される実験的な精密な調整は、その厚さが正確でないかもしれないこ
とを示している。もう1つの可能性は文献からえられた光学定数がわずかに間違
っているということである。
その他の問題点として、ミラーの表面全体にわたる2次元的均一性がある。湾曲
した片における基板とスパッタリング系との間の不均一な距離は、層の厚さにお
ける不均一性の原因である。製造されたミラーについての試験は、直径が数セン
チメートルの片については表面全体にわたってd間隔について±1%の均一性を
、15cmの直径の円については±1.5%を示す。
本発明のいくつかの好ましい実施態様についての前記の開示は、図解および説明
の目的で提示された。それは、徹底的でも、開示された厳密な型に本発明を限定
するものでもなく、明らかに、前記の教示に照らして多くの修正および変形が可
能である。たとえば、ここでは望遠鏡のためのX線ミラーが説明されているが、
X線光学分野における当業者には、現在適切な光学系の欠如によって最終的な集
積回路チップ上に所望される回路寸法と同じ寸法を有するマスクの使用が要求さ
れる、自由電子レーザーを用いるX線リソグラフィー法のための集束鏡に本発明
の教示が応用できることは明らかである。発生する軟X線波長の多数の高調波(
より長い波長)もまたレーザー出力に存在するので、自由電子レーザー源は我々
の発明を用いて解決可能である特別の問題を与える。回折の問題は波長が長くな
る程増大するので、現在のリソグラフィー法に要求される高分解能を提供するた
めに、これらの高調波の除去が必須である。さらに、タングステンや炭素のよう
な物質は、電磁スペクトルの軟X線領域において良好な光学特性を有しているこ
とが知られており、クレームされた本発明の多層ミラーおよび“ウェイブトラッ
プ”の製造に適当である。前記の実施態様は、他の当業者が覆々の具体例でおよ
び考慮された個々の使用に適するように種々変化させて最もうまく本発明を利用
しつるように、本発明の原理およびその実用的な適用を最もうまく説明するため
に選ばれ、記載されたものである。本発明の範囲は添付されたクレームによって
定められるものである。
λ=I月A (cm2−sr)(、:おけるA Ω130 Aにおける反射率
304人における反射率
要 約 書
バックグラウンド低減X線多層ミラー。選ばれた波長での反射率に最適化された
層状合成微細構造軟X線ミラーの表面にわたってデポジットされる多層“ウェイ
ブトラップ”が、それ上に入射する望まれないより長い波長の入射放射線の反射
率を低減するために開示されている。
モリブデン/ケイ素の1組からなる反射防止膜の2層によっておおわれた交互の
モリブデンとケイ素との層状ミラー構造を使用している3つの別個のミラーの設
計において、+33.171および186人の波長でのほぼ垂直入射の反射率が
最適化され、一方304人でのそれが最小にされる。最適化のプロセスは、ミラ
ーについての、物質、層7組の構成ならびにそれらの数およびそれら同士の間の
距離の選択、同時に“ウェイブトラップ”についての物質、層7組の構成、それ
らの数および距離の選択を含む。
国際調査報告
Claims (8)
- 1.入射X線の選ばれたより短い波長での顕著な反射率を有し、一方では選ばれ たより長い入射波長での反射率を抑制する多層ミラーであって、 a.第1のハイ−Z物質の複数の層であって、該第1のハイ−Z物質のそれぞれ は第1の厚さを有し、お互いに間隔が置かれており、 b.第1のロー−Z物質の複数の層であって、該第1のロー−Z物質層のそれぞ れは第2の厚さを有し、該ロー−Z物質層と該ハイ−Z物質層が、1つのロー− Z物質層が1つのハイ−Z物質層に隣接しかつ接触するように、複数の第1のハ イ−Z物質層と複数の介在された第1のロー−Z物質層が入射X−線の前記選ば れた波長を効率的に反射するように配置されており、 c.第3の厚さを有する少なくとも1つの第2のハイ−Z物質層であって、該少 なくとも1つの第2のハイ−Z物質層が入射X−線を受けるように配置されおり 、d.第4の厚さを有する少なくとも1つの第2のロー−Z物質層であって、該 少なくとも1つの第2のロー−Z物質層が該少なくとも1つの第2のハイ−Z物 質層と入射X線を最初に受ける該第1のハイ−Z物質層の1つとの間に配置され ており、それによって少なくとも1組の層の組がその反射率が抑制されるべき、 より長い波長の入射放射線の選ばれた波長のためのウェイブトラップであるよう に、少なくとも1組の反射防止層を形成している ような組み合わせからなる多層ミラー。
- 2.前記少なくとも1つの第2のハイ−Z物質層と前記少なくとも1つの第2の ロー−Z物質層が2組の層の組を含む請求項1記載の多層ミラー。
- 3.前記第1のハイ−Z物質層、前記第2のハイ−Z物質層、前記第1のロー− Z物質層、前記第2のロー−Z物質層、前記第1の厚さ、前記第2の厚さ、前記 第3の厚さおよび前記第4の厚さが、軟X線の選ばれた波長の反射を最大にする ように最適化されており、一方でより長い波長の放射線の反射を抑制する請求項 2記載の多層ミラー。
- 4.前記第1のハイ−Z物質層および前記第2のハイ−Z物質層が金属原子を含 有し、かつ前記第1のロー−Z物質層および前記第2のロー−Z物質層が非金属 原子を含有する請求項3記載の多層ミラー。
- 5.前記第1のハイ−Z物質層および前記第2のハイ−Z物質層がモリブデン原 子を含有し、かつ前記第1のロー−Z物質層および前記第2のロー−Z物質層が ケイ素原子を含有する請求項4記載の多層ミラー。
- 6.前記第1の厚さが約31Åおよび前記第2の厚さが約70Åであり、かつ前 記第3の厚さが約11Åおよび前記第4の厚さが約47Åであり、それによって 186Åの放射線の反射率が最大にされ、一方304Åでのそれが抑制される請 求項5記載の多層ミラー。
- 7.前記第1の厚さが約35Åおよび前記第2の厚さが約58Åであり、かつ前 記第3の厚さが約11Åおよび前記第4の厚さが約45Åであり、それによって 170Åの放射線の反射率が最大にされ、一方304Åでのそれが抑制される請 求項5記載の多層ミラー。
- 8.前記第1の厚さが約28Åおよび前記第2の厚さが約42Åであり、かつ前 記第3の厚さが約10Åおよび前記第4の厚さが約45Åであり、それによって 130Åの放射線の反射率が最大にされ、一方304Åでのそれが抑制される請 求項5記載の多層ミラー。
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