位射光第 5 巻第 1 号 ( 1992年)
ね
実験技術
多層膜軟 X 線反射鏡
竹中久貴，石井芳一
NTT 境界制峨研究所
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トはじめに
ばかりでなく光学系の収走が大きくなるなどの問
物質の垂回入射に対する反射中は波長が短くな
閥点があった 。 このような 問題点を解決するた
るほと減少し軟 X 線領塚ではほとんと反射しな
め.多悩I政英を使問した軟 X線反射鏡が注回され'
くなる。このため.蚊 X 線 を反射させるには斜入
X 線鮒小投彰露光刷結像来子札い‘泊\.天体胡測l悶|目~X
射光学系が川いられてきた。しかしながら，斜入
絹t担望辿錨
射光学系ではビーム径の小さな入射光に対しでも
などの結偉光学葺紫:子.粍元揖の分光分析などの分
大面rnの反射鏡が必要になり .加工が困難になる
光C
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.集光割用光学紫チやバンドパスフィルタ副
ーおー
(C) 1992 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research
放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)
3
4
素振幅反射率を RH'とすると第 j
などへの応用が期待されている。
成膜技術や加工技術の進展に伴い，
1970 年代か
+1 層から第 j
層
への界面での振幅反射率 R' は
らこのような光学素子開発を目的とした多層膜軟
R
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r
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'+
Rj - 1 • ・ e-
X 線反射鏡の研究が開始され瓜川，現在，米国・
Aj
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欧州・日本 ω などで活発に進められている。ここ
ではこの多層膜軟 X 線反射鏡の作製法および評価
と表される。 rj は nj + 1 層と nj 層の界面での複素振幅
法について述べる。
反射率であり，以下のフレネルの式から求められ
る。
2. 多層膜の構造と反射の原理
一般に多層膜は屈折率の差の大きな物質の層(通
月. =(nj+lCOSαj-njCOSαj+ 1)
/(
n
jCOSαj+l
常は重元素層と軽元素層)がそれぞれ一定の厚み
で交互に積層した構造をしている。このような多
+nj+lCOSαj)
[p 成分]
rJ
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=(nj+lCOSαj+l -njCOSα什 1) /(njcosαj +nj+lCOSαj+l)
[S 成分]
層膜に X 線や軟 X 線を入射すると，図 1 に示すよ
うに各層で散乱した X 線や軟 X 線の干渉効果によ
ム j は位相差で
り，入射角と多層膜の周期長(重元素層一層の厚
ムj
=4πnjCOSα JÀ
みと軽元素層一層の厚みを加えた長さ)とで決る
特定の波長が取り出せる。この原理により多層膜
である o aj はスネルの法則 sin αj
は X 線や軟 X 線の分光反射鏡となる。これから理
ら求められる。
=sinα 。 /nj か
解されるように多層膜反射鏡の反射の原理は全反
従って，反射率は第 m 層から第 l 層まで，即
射ではなくブラッグ反射である。反射率は一般に
ち，基板上から多層膜の表面まで各界面ごとに順
はフレネルの式を計算することによって求められ
次 R' を計算することによって求められる。
るゆ。ここでこの方法を簡単に紹介する。
多層膜の最大積層数は X 線や軟 X 線の透過の深
基板上に複屈折率 nj (え) =1
-oj0
.
)-iﾟj(À) で厚み
さと各層の厚みから決り，また，多層膜の波長分
=1 から m まで、積み重ねた m層膜に波長
解能はほぼ積層数に比例する。実際には反射率は
dj の膜を j
えの平面波が真空中から入射角 α で入ってきた場
層界面のあらさの影響を強く受ける。このため，
合において，第 j 層から第 j - 1 層への界面での複
層界面のあらさ σ をもっ多層膜の反射率は結晶の
場合に使用されるデ、パイ・ワラ一因子と同様の式
を使用して
入射軟 X 線
R=R
oexp{-(
2π mo/ d
)
2
}
[m は反射の次数，
σ
は層界面のあらさ(単位: rms) ]と表される。
R。はあらさの無い平滑な層界面をもっ多層膜の反
射率である。
3.
多層膜の作製法
多層膜に使用する物質の組み合わせの基本は，
反射率を高めるため屈折率の差の大きなものを選
択する。一般には重元素と軽元素の組み合わせに
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なる。例えばW と C ，
-34-
Mo と Si などである。しか
3
5
放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)
し，物質によっては相互拡散がはげしく品質が悪
膜することのできる高周波マグネトロン・スパッ
くなったり，安定に存在しにくいなどの問題をか
タリング法を採用している。この装置は複数の
かえたものもあるのでこのような点を考慮して物
ターゲットを備え，基板ホルダには複数の基板が
質を選択する必要がある。
保持できるようになっている。また，基板ホルダ
は複数のターゲットの上を回転する構造となって
多層膜を作製する主な方法としてスパッタリン
グ法10) ，電子ビーム蒸着法ω ，
MBE 法，
CVD 法
いる。複数のターゲットを同時にスパッタリング
などがある。スパッタリング法，電子ビーム蒸着
させてターゲットから原子を飛び出させておき，
法は材料選択の幅が広い，大型多層膜の作製が可
この中で基板ホルダを回転させると各ターゲット
能という利点をもっ。 MBE~法は単結晶あるいは単
の上を基板が通過して行くときに基板上にターゲ
結晶に近い多層膜形成の可能性があり，
CVD 法は
ットから飛び出してきた原子が堆積することにな
曲面基板や円筒基板の内面に容易に成膜できると
り，多層膜が作製される。各層の厚みは，基板回
いう利点を有する。マグネトロン・スパッタリン
転ホルダーの回転速度やターゲット上のシャッ
グ法は材料選択の幅が広い，比較的高速で成膜で
ター開聞を基板ホルダーの適切な回転数毎に行う
きる，成膜条件の安定性が良い，また，一度に複
ことなどで制御している。但し，スパッタリング
数枚の多層膜を作製することができるなどの利点、原子の堆積速度や膜質は放電ガス圧，放電パワー
をもっている。一方，膜中への不純物の混入が電
や基板温度などに依存するので，各材料毎に最適
子ビーム蒸着法やイオンビームスパッタリング法
作製条件を見い出して多層膜作製を行う。図 3 に
に比べて多いという欠点があるが反射率にはほと
作製した多層膜の外観を示しておく。
んど悪影響を及ぼさない。このため，筆者らはこ
4. 作製した多層膜の特性
の方法をベースに開発した装置を用いて多層膜作
多層膜の評価のうち，周期構造は透過型電子顕
製を行っている。図 2 に筆者らの装置の基本構成
を示す問。多層膜の構成材料として絶縁物や高抵
微鏡，
抗物質を使用することもあるため，絶縁物でも成
顕微鏡などで行われる。分解能の点からは透過型
X 線回析，オージェ電子分析，走査型電子
基板回転数モニター
基板
シャッター
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-35-
放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)
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4
.1 周期構造
電子顕微鏡と X 線回折が良い。組成分布や不純物
分析はオージェ電子分析や二次イオン質量分析法
作製した多層膜の周期構造の例として周期長が
などで行われ，表面あらさの評価は X 線回析，走
約 7 nm で 30 ぺア積層させた W/B4 C 多層膜と Ni
査型トンネル顕微鏡，原子間力顕微鏡，光学式や
/C 多層膜の透過型電子顕微鏡による断面写真を図
触針式のあらさ計で行われる。 X 線反射率や軟 X
4,
線反射率は X 線や軟 X 線を用いた回折計で行われ
い層の部分が B4 C 層や C 層である。これらの多層膜
る。ここでは多層膜の主要な特性である周期構造
では各層とも均質性が高く，かっ，各層界面の乱
評価と X 線や軟 X 線反射率評価について述べる。
れが少なくて平滑である。これらの図中で黒い層
5 に示す。黒い層の部分がW層や Ni 層で，白
と白い層の幅が連続的に変化しているが，
これは
電子顕微鏡で見るための多層膜試料研磨時に試料
がナイフエッジ状に研磨されるため，各層の断面
の厚みが連続的に変化して，電子線の通過距離が
異なることに起因している。これらの電子顕微鏡
観察からいずれの多層膜も各層の界面が平滑に形
成されていることがわかる。
このように多層膜の膜質が均質で各層の界面を
平滑にすることが X 線反射率の向上に結び付く。
反射率を向上させるもう一つの要因に周期長をで
きるだけ一定にすることがあるが筆者らの作製し
S
isubstrate
た多層膜では全面での周期長の平均の乱れは O.
qua 吋z s
ubstrate
lnm 以内であることが放射光利用の精密 X 線回折
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た X 線反射のフ。ロファイルと実測値が良く一致し
ている。図 10 ，
が難しくなるが，現在，図 6 ，
7,
8 に示す程度
11 ,
12 に作製した W /Si ,
W/
B
4
C , Ni/C 多層膜の周期長と X 線 (CuKα 線)の反
の短期周期構造の多層膜を作製することが可能で
射率との関係を示す。
ある。
W/Si 多層膜や W/B4 C 多層膜では 1 nm の周期
長においても X 線強度のピークが観察されいる。
4
.
2
X 線反射特性
例として周期長 2 .4nm の W/Si 多層膜の CuKα
4
.3
線による X 線反射のフ。ロファイルを図 9 に示す。
軟 X 線反射特性
軟 X 線反射率の評価は放射光を利用して行って
円 t'
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放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)
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放射光
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第 5 巻第 1 号 (1992年)
あらさが無い場合の理論値に比べ反射
いる。評価光学系の概要m を図 13 に示す。この光
このため，
学系により，希望の波長を放射光から取りだし，
率は大幅に低下するが，
その波長での反射率を求める。例えば波長が 13nm
の反射率が得られる。
それでも数%から 10 数%
近傍では周期長 7 nm 程度でぺア層数が 30 の Mo
5
.
/Si 多層膜で 50% 以上の反射率を示す。波長が数
W/B4 C 多層膜の軟 X 線反射
nm 領域で、の W /Si ,
プロファイル例を図 14 ，
まとめ
軟 X 線領域の反射鏡として多層膜の開発が進め
られてきたが，まだ，課題が残されている。例え
15 に示す。このような短
い波長領域においては一層の厚みが小さくなり，
ば，大口径の放射光などビーム径の大きな軟 X 線
層界面のあらさの影響を強く受けるようになる。
を有効利用するには大面積基板上に成膜する技術
50
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放射光第 5 巻第 1 号 (1992年)
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が要求され，反射特性や集光・結像特性などの改
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する基板の形状精度と平滑度を設計通りに形成す
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. Tanaka , M. Kado , R
. Kodama , M. Otani , S
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る加工・研磨技術などの向上が要求される。ま
Kitamoto , T
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. Yamashita and S
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た，高輝度放射光など強力な軟 X 線源の出現によ
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り耐熱性の一層の向上も求められている。これら
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LSI パターン描画用などの X 線リソグラフィー，太
7) 前山，川村，尾嶋，竹中，石井:真空 32 (
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陽のコロナ観測などの天体観測，生体観察，核融
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なることを期待している。
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ここで紹介した多層膜の軟 X 線反射率は NTT
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芳賀恒之氏，
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前山智氏に協力していただいて測定できたもので
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す。ここに感謝の意を表します。
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