(57)【要約】      （修正有）【課題】真空紫外線領域で利用する分光器を提供する。【解決手段】スリット４０、第１色消しレンズ２０、グリズム１０、第２色消しレンズ３０、検出器５０を備える分光器で、第１色消しレンズ２０と、グリズム１０と、第２色消しレンズ３０は、ＬｉＦ、ＭｇＦ２から選ばれて形成される。第１色消しレンズ２０は、第１屈折レンズ２１と複数のバイナリ型回折格子を有する第１回折レンズ２２とを有する。第２色消しレンズ３０は、第２屈折レンズ３２と複数のバイナリ型回折格子を有する第２回折レンズ３２とを有する。グリズム１０は、第１色消しレンズ２０と第２色消しレンズ３０との間に設置され、プリズム１１と、複数のバイナリ型回折格子を有する回折格子１２とを有する。第１回折レンズ２２のバイナリ型回折格子と、第２回折レンズ３２のバイナリ型回折格子と、グリズム１０の回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さの平均二乗偏差値は５ｎｍ以下である。【選択図】図１
2012013526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリットと、第１色消しレンズと、グリズムと、第２色消しレンズと、検出器とを備えている分光器であって、
前記第１色消しレンズと、前記グリズムと、前記第２色消しレンズは、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種によって形成されており、
前記第１色消しレンズは、第１屈折レンズと、複数のバイナリ型回折格子を有する第１回折レンズとを有しており、前記スリットと前記グリズムとの間に設置されており、
前記第２色消しレンズは、第２屈折レンズと、複数のバイナリ型回折格子を有する第２回折レンズとを有しており、前記グリズムと前記検出器との間に設置されており、
前記グリズムは、前記第１色消しレンズと前記第２色消しレンズとの間に設置されており、プリズムと、複数のバイナリ型回折格子を有する回折格子とを有しており、
前記第１回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記第２回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さの平均二乗偏差値（ｒｍｓ値）は、５ｎｍ以下である、分光器。
【請求項２】
前記第１色消しレンズの第１回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記第２色消しレンズの第２回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の少なくともいずれか１つは、
第１光学材料によって形成された屈折レンズ、第１光学材料によって形成されたプリズム、もしくは前記第１光学材料または第２光学材料によって形成された平行平板、のいずれか１つである部材の表面に、樹脂を主成分とする有機系の材料の鋳型を形成し、
前記鋳型を用いて前記部材を常温あるいは３００℃以下で加熱しながら前記部材の表面に前記第２光学材料を積層し、
前記鋳型を除去することによって形成される、請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記第１色消しレンズの第１回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記第２色消しレンズの第２回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の少なくともいずれか１つは、
第１光学材料によって形成された屈折レンズ、第１光学材料によって形成されたプリズム、もしくは前記第１光学材料または第２光学材料によって形成された平行平板、のいずれか１つである部材の表面に、シリコンまたはシリカ（シリコン酸化物）を主成分とする無機系の材料の鋳型としての犠牲層を形成し、
前記鋳型を用いて前記部材を２００℃以上１２００℃以下で加熱しながら前記部材の表面に前記第２光学材料を積層し、
前記犠牲層を除去することによって形成される、請求項１または２に記載の分光器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の分光器を備えている、真空紫外線領域を計測範囲に含むラジカル計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空紫外線領域で利用可能な分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光線の進路に沿って、スリット、コリメータレンズ、透過型回折格子またはプリズム、結像（カメラ）レンズ、検出器を備えている分光器が知られている。また、コリメータレンズやカメラレンズとして、色消しレンズを用いることや、透過型回折格子やプリズムに代えて、プリズムと回折格子とを組み合わせたグリズムを用いることが、知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。このような分光器は、天体観測装置や大気モニタ（環境計測）装置等の各種分光計測装置に利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２３０２０６号公報
【特許文献２】国際公開第９３／２１５４８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
真空紫外線領域（１０〜２００ｎｍ）には多くの中性原子の主量子数ｎ＝１（基底準位）とｎ≧２の間の電子遷移が存在し、プラズマ物理学、高層大気科学、星間物理等の分野において中性原子（多くはラジカル）の存在量を正確に計測するために、重要な波長領域である。特に１２０ｎｍ〜１６５．７ｎｍの波長帯には、窒素ラジカル、水素ラジカル、酸素ラジカル、炭素ラジカルの基底状態の電子遷移吸収線が観測可能な波長が存在する。
【０００５】
しかしながら、真空紫外線領域（１０〜２００ｎｍ）では、好適に利用可能な分光器を実現することが困難である。例えば、真空紫外吸収分光法(Vacuum ultraviolet absorption spectroscopy：ＶＵＶ−ＡＳ)のように、反射型回折格子と反射鏡とを備えた分光器では、大きい分散と高い効率を両立するためには回折格子の口径を大きくする必要がある。しかし、回折格子と反射鏡を近接することができないために、光学系の体積が大きくなって、分光器が大型化せざるを得なかった。
【０００６】
波長が１２０〜２００ｎｍの真空紫外線領域において分散が大きくて効率が高い小型の分光器が求められている。レンズとグリズムを組み合わせた分光器はレンズとグリズムを近接することができるために小型でも大きな分散と高い効率を得ることができる。しかし、１２０ｎｍより長波長側の真空紫外線領域において利用できる光学材料は無機系の材料であるフッ化リチウム（ＬｉＦ）とフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）に限られる。また、多くの光学材料は吸収が大きくなり、光が完全に透過しなくなる波長（吸収端）近傍において屈折率が大きく変化する。このため、フッ化リチウムやフッ化マグネシウムの屈折レンズを単体で使用すると焦点距離が波長によって大きく異なってしまうために、色消しレンズを使用する必要がある。しかし、フッ化リチウムの屈折レンズとフッ化マグネシウムの屈折レンズを複数枚組み合わせた色消しレンズは、厚さが厚くなってしまうために、吸収短波長近傍では光をほとんど透過しなくなってしまう。フッ化リチウムやフッ化マグネシウムの屈折レンズとフッ化リチウムやフッ化マグネシウムの回折レンズを組み合わせた色消しレンズは単体の屈折レンズよりも厚さを薄くすることができる。
【０００７】
一方で、吸収端近傍において屈折率が大きく変化するためにフッ化リチウムやフッ化マグネシウムのプリズムが有効な分散素子として機能する。このためにプリズムとフッ化リチウムやフッ化マグネシウムの透過型回折格子を組み合わせたグリズムは入射光と回折光をほぼ直進させることができるばかりでなく、プリズムと回折格子の両方の分散を利用することができるために口径が小さくても高い分散を得ることができるようになる。
【０００８】
しかしながら、波長が短くなるほど、表面の粗さに起因する散乱によって光の損失が大きくなる。このため、波長の短い真空紫外線領域で高い効率を確保するためには、分光器を構成する光学素子に含まれる回折レンズや回折格子の表面を滑らかにして表面散乱を抑制する必要がある。従来、無機系の光学材料を用いた回折レンズや回折格子は、光学材料を機械的に切削や研削する方法、あるいは特許文献１に記載されているようにエッチング処理により光学材料を削り取る方法によって加工されていた。これらの方法によって真空紫外線を透過する光学材料を加工する場合には、回折レンズや回折格子の効率を確保するために必要な表面粗さを得ることが困難であった。
【０００９】
一方、回折レンズや回折格子の材料として、樹脂等の有機系の光学材料を用いれば、回折レンズや回折格子の表面の滑らかさや加工精度を確保することが比較的容易であるが、樹脂材料は、２８０ｎｍ以下の紫外線を透過することはできない。このため、樹脂の回折格子や回折レンズを有する光学素子は、真空紫外線領域での光学系に利用することはできない。
【００１０】
上記の課題に鑑み、本願では、真空紫外線領域において吸収損失および散乱損失が少なく、小型で分散が大きく、明るい（入射光束の利用効率が高い）分光器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、スリットと、第１色消しレンズと、グリズムと、第２色消しレンズと、検出器とを備えている分光器を提供する。前記第１色消しレンズと、前記グリズムと、前記第２色消しレンズは、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種によって形成されている。前記第１色消しレンズは、第１屈折レンズと、複数のバイナリ型回折格子（２のベキ乗（Binary）の段数を有する階段形状の回折格子を意味する。）を有する第１回折レンズとを有しており、前記スリットと前記グリズムとの間に設置されている。前記第２色消しレンズは、第２屈折レンズと、複数のバイナリ型回折格子を有する第２回折レンズとを有しており、前記グリズムと前記検出器との間に設置されている。前記グリズムは、前記第１色消しレンズと前記第２色消しレンズとの間に設置されており、プリズムと、複数のバイナリ型回折格子を有する回折格子とを有している。前記第１回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記第２回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さの平均二乗偏差値（ｒｍｓ値）は、５ｎｍ以下である。
【００１２】
本発明に係る分光器では、第１色消しレンズと、グリズムと、第２色消しレンズは、真空紫外線波長領域において光を透過するフッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種によって形成されている。さらに、第１色消しレンズの第１回折レンズのバイナリ型回折格子、第２色消しレンズの第２回折レンズのバイナリ型回折格子、グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さの平均二乗偏差値（ｒｍｓ値）が５ｎｍ以下であるため、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が大きく変化する短波長側の吸収端（フッ化リチウムが１０５ｎｍ付近、フッ化マグネシウムが１１０ｎｍ付近）より長い波長の真空紫外線領域での光の吸収損失および散乱損失が少なく、真空紫外線領域で好適に利用できる。本発明に係る分光器は、真空紫外線領域、特に波長が１２０〜２００ｎｍの真空紫外線領域で用いる場合にも、光の吸収損失および散乱損失を少なくすることができる。
【００１３】
前記第１色消しレンズの回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記第２色消しレンズの回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の少なくともいずれか１つは、第１光学材料によって形成された屈折レンズ、第１光学材料によって形成されたプリズム、もしくは前記第１光学材料または第２光学材料によって形成された平行平板、のいずれか１つである部材の表面に、樹脂を主成分とする有機系の材料の鋳型を形成し、前記鋳型を用いて前記部材を常温あるいは３００℃以下で加熱しながら前記部材の表面に前記第２光学材料を積層し、前記鋳型を除去することによって形成されることが好ましい。回折レンズのバイナリ型回折格子または回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さのｒｍｓ値を３ｎｍ以下にすることができ、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が大きく変化する波長領域を含む真空紫外線領域で、表面散乱損失が少ない回折レンズを備えた色消しレンズまたは回折格子を備えたグリズムを提供することができる。ここで、第１光学材料と第２光学材料は、異なる材料であってもよいし、同一の材料であってもよい。
【００１４】
前記第１色消しレンズの回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記第２色消しレンズの回折レンズのバイナリ型回折格子と、前記グリズムの回折格子のバイナリ型回折格子の少なくともいずれか１つは、第１光学材料によって形成された屈折レンズ、第１光学材料によって形成されたプリズム、もしくは前記第１光学材料または第２光学材料によって形成された平行平板、のいずれか１つである部材の表面にシリコンまたはシリカ（シリコン酸化物）を主成分とする無機系の材料の鋳型としての犠牲層を形成し、前記鋳型を用いて前記部材を２００℃以上１２００℃以下で加熱しながら前記部材の表面に前記第２光学材料を積層し、前記犠牲層を除去することによって形成されることが好ましい。回折レンズのバイナリ型回折格子または回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さのｒｍｓ値を３ｎｍ以下にすることができ、表面や内部散乱損失および、吸収損失が少ない回折レンズを備えた色消しレンズまたは回折格子を備えたグリズムを提供することができる。これによって、フッ化リチウムおよびフッ化マグネシウムの屈折率が大きく変化する波長領域を含む真空紫外線領域での損失がより少ない色消しレンズ、グリズムを備えた分光器を提供することができる。ここで、第１光学材料と第２光学材料は、異なる材料であってもよいし、同一の材料であってもよい。
【００１５】
本発明に係る分光器は、真空紫外線領域を計測範囲に含むラジカル計測装置に好適に用いることができる。これによって、光学装置の真空紫外線領域での吸収損失及び散乱損失を軽減することによる効率の向上、計測装置等の光学装置の小型化を両立することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、吸収損失および散乱損失が少なく、真空紫外線領域で分散が大きく、小型で明るい、好適な分光器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る分光器を示す図である。
【図２】実施形態に係るグリズムを示す図である。
【図３】実施形態に係るグリズムの回折格子を拡大して示す図である。
【図４】実施形態に係る色消しレンズを示す図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】実施例１のグリズムの光学特性を示す図である。
【図７】実施例１のグリズムの光学特性を示す図である。
【図８】変形例に係るグリズムを示す図である。
【図９】実施形態に係る分光器を備えたラジカル計測装置を示す図である。
【図１０】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１１】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１２】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１３】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１４】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１５】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１６】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１７】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第１の製造方法を説明する図である。
【図１８】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図１９】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２０】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２１】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２２】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２３】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２４】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２５】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２６】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２７】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２８】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【図２９】実施形態に係る回折レンズ、回折格子を形成する第２の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（分光器）
図１は、本発明の一実施形態に係る分光器１を示す図である。分光器１は、光線（光軸Ｚ）の進路に沿って、スリット４０、第１色消しレンズ２０、グリズム１０、第２色消しレンズ３０、検出器５０をこの順序で備えている。光源（図示しない）からの光は、スリット４０の開口４１を通過して、第１色消しレンズ２０に入射し、平行光線として出射され、グリズム１０に入射する。グリズム１０によって光は波長によって分散され、第３色消しレンズ３０に入射する。第３色消しレンズ３０に入射した分散光は、検出器５０に集光される。検出器５０は、ＭＣＰ（Multi-Channel Plate）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）等のアレイ（マルチチャンネル）検出器である。すなわち、分光器１は、マルチチャンネル分光器である。
【００１９】
（グリズム）
図２は、実施形態に係る分光器１が備えているグリズム１０を示す図である。
図２に示すように、グリズム１０は、プリズム１１と回折格子１２とを有している。プリズム１１は、直角プリズムであり、光学平面１１１，回折側平面１１２，底面１１３を有している。光学平面１１１は、直角プリズムの頂角を形成する面であるとともに、直角を形成する面である。回折側平面１１２は、光学平面１１１と頂角を成す面である。底面１１３は、光学平面１１１と直角を成す面である。回折側平面１１２には、回折格子１２が形成されている。回折格子１２は、表面側は平面上に形成されたバイナリ型回折格子であり、裏面側は平面である回折格子である。グリズム１０は、光学平面１１１が光軸Ｚに概ね垂直になるように、分光器１の光学系に設置されている。（光束が入射する面や出射する面を光軸と垂直に配置するとゴーストが生じやすくなるために、実用上は３〜１０°程度傾けるか、直角から３〜１０°程度鋭角なプリズムを使用する。）
【００２０】
グリズム１０では、回折格子１２とプリズム１１とは、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）からなる群から選ばれる少なくとも一種である光学材料によって形成されている。本実施形態では、回折格子１２は、プリズム１１と同一の光学材料によって回折側平面１１２に直接形成されており、回折側平面１１２において、プリズム１１と回折格子１２は一体化されている。回折側平面１１２は回折格子１２の裏面側（バイナリ型回折格子が形成されていない側）と一体化されているが、本明細書では、プリズム１１と回折格子１２との境界として、便宜的に、回折側平面１１２の用語を用い、図１等の図面に図示する。フッ化リチウム、フッ化マグネシウムは、１２０ｎｍより長波長の真空紫外線透過率に優れた材料であるため、グリズム１０は、１２０ｎｍより長波長の真空紫外線透過率に優れている。光学材料としてフッ化リチウムを用いる場合、吸収端波長は１０５ｎｍ近傍であり、屈折率が大きく変化する屈折率変化領域（短波長側の吸収端波長から吸収端波長の２倍近傍における屈折率が急激に変化する波長領域）は１１０〜２００ｎｍである。光学材料としてフッ化マグネシウムを用いる場合、吸収端波長は１１０ｎｍ近傍であり、屈折率が大きく変化する屈折率変化領域は１１５〜２００ｎｍである。ただし、どちらの物質も吸収端の波長から１２０ｎｍ未満までは吸収が大きく、実用性が低い。
【００２１】
図３は、グリズム１０の回折格子１２の形状を説明するために、回折格子１２を拡大して示す図である。図３、図４に示すように、回折格子１２は、バイナリ型回折格子（２のベキ乗（Binary）の段数を有する階段形状の回折格子を意味する。）が形成されている回折格子である。格子間隔は等間隔であり、隣り合う格子の同一形状部分同士の距離（図３に図示する距離Ｄ１）であり、全て同じである。回折格子１２のそれぞれは、回折側平面１１２に垂直な平面と回折側平面１１２に平行な平面によって区画される２ｘ段の階段形状を有している。各格子の格子高さ（階段形状の最も高い段の上面から、最も低い段までの距離）はＨ１であり、全て同じである。格子高さＨ１は、波長の整数倍となるように設計されている。各格子の階段形状の幅は、グリズム１０の頂角に近い側の幅ｄ１１が狭く、頂角に遠い側の幅ｄ１２が広くなっている。図１に示す幅ｄ１１の階段形状の角部に接する面を接触面１２３とし、幅ｄ１２の階段形状の角部に接する面を接触面１２１とすると、プリズム１１の材質と回折格子１２の材質が同一であり、設計波長の回折光を入射光に対して直進させる場合に、回折効率の向上のためには接触面１２１と光学平面１１１が平行であり、接触面１２３と底面１１３が平行であることが望ましく、接触面１２１と接触面１２３が直交するように、幅ｄ１１と幅ｄ１２の値が設計されている。各格子において、段の高さｈ１は同じである。すなわち、図３に示すように４段のバイナリ型回折格子では、ｄ１１＋ｄ１２＝Ｄ１／４、ｈ１＝Ｈ１／３である。
【００２２】
図３では、各格子の段数が４段であるバイナリ型回折格子の場合を図示しているが、これに限定されない。段数は、２のｘ乗（２ｘ、但しｘ≧１）であればよく、例えば、２段、４段、８段、１６段としてもよい。各格子の段数が多いほど回折効率が高くなるが、段数が１６段以上となると、滑らかな斜面のノコギリ歯（Saw tooth）形状の格子の回折効率に漸近する。ノコギリ歯形状の格子の回折効率を１００％とした場合、段数が２段の場合の回折効率の最大値は４１％であり、４段の場合には８１％、８段の場合には９５％、１６段の場合には９９％である（Scientific American, May 1992, 50-55, “Binary Optics”を参照）。また、ノコギリ歯形状の格子において、格子間隔が波長の１０倍である場合には回折効率の最大値は８５％程度となり、格子間隔が波長の５倍である場合には回折効率の最大値は８０％程度となり、格子間隔が波長の３倍である場合には、回折効率の最大値は６０％程度となり、格子間隔が波長の２倍である場合には、回折効率の最大値は１０％程度となる(Proc. SPIE 5005, 8-19, (2003), “Optimization of a Volume Phase Holographic Grism for Astronomical Observation using the Photopolymer” を参照)。バイナリ型回折格子を有する回折格子１２の回折効率は、上記に説明したノコギリ歯形状の格子の回折効率に、ノコギリ歯形状の格子を１００％とした場合のバイナリ型回折格子の段数による回折効率の割合を乗じることによって求めることができる。例えば、格子間隔が波長の５倍であり、バイナリ型回折格子の段数が８段の場合には、８０％と９５％とを乗じた７６％程度の回折効率を得ることができる。尚、全ての格子の段数を同じにする必要は無い。
【００２３】
（色消しレンズ）
第１色消しレンズ２０は、屈折レンズ２１と、複数のバイナリ型回折格子を有する回折レンズ２２とを有しており、第２色消しレンズ３０は、屈折レンズ３１と、複数のバイナリ型回折格子を有する回折レンズ３２とを有している。屈折レンズ２１，３１、回折レンズ２２，３２は、いずれもフッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）からなる群から選ばれる少なくとも一種である光学材料によって形成されている。このため、第１色消しレンズ２０，第２色消しレンズ３０は、１２０ｎｍより長波長の真空紫外線透過率に優れている。
【００２４】
真空紫外線領域において多くの光学材料は吸収が大きくなり、光が完全に透過しなくなる波長（吸収端）近傍において屈折率が急激に増大する。また、一般に吸収端の波長が近い光学材料は、屈折率の波長分散特性が類似してしまう。このため、吸収端の波長が近い光学材料同士の屈折率の差は波長に対して変化が少なく、アクロマートレンズのように正の屈折力（Optical power：焦点距離の逆数）を有する屈折レンズと負の屈折力を有する屈折レンズとを組み合わせた色消しレンズを用いる場合には、それぞれの屈折レンズの曲率を大きくする必要があり、色消しレンズの厚さが厚くなる。
【００２５】
一方、回折レンズは、屈折レンズとは波長分散特性が逆であり、真空紫外線を透過する光学材料を用いた回折レンズを、同様に真空紫外線を透過する光学材料を用いた屈折レンズと組み合わせば、厚さが薄い色消しレンズを実現することができる。
【００２６】
第１色消しレンズ２０と第２色消しレンズ３０とは、屈折レンズと、複数のバイナリ型回折格子を有する回折レンズとを有している点において同様であるので、以下、図４および図５を用いて、第１色消しレンズ２０のより具体的な形態について説明する。
【００２７】
図４は、実施形態に係る色消しレンズ２０を回折レンズ２１側から見た図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。図４、図５に示すように、色消しレンズ２０は、回折レンズ２１と屈折レンズ２２とを有している。回折レンズ２１の表面側は、平面上に形成されたバイナリ型回折格子であり、裏面側は平面である。屈折レンズ２２は、表面側は凸レンズ形状であり、裏面側は平面である。回折レンズ２１の裏面と屈折レンズ２２の裏面は、接触面２３において接するように配置されている。
【００２８】
色消しレンズ２０を構成する回折レンズ２１と屈折レンズ２２は、図４および図５に示す軸Ｚを中心とする円形状のレンズであり、図５に斜線で示す断面図の図形を、軸Ｚを中心に回転させた形状を有している。回折レンズ２１は、バイナリ型回折格子が軸Ｚを中心に同心円状に形成されている回折レンズである。図４に示す１つの同心円が１つの格子を示しており、格子間隔は、軸Ｚから遠ざかるにつれて狭くなっている。この格子間隔は、隣り合う格子の相似形状部分同士の距離（例えば、図５に図示する距離Ｄ２）である。回折光学素子では、格子間隔が大きいほど、回折角度が小さくなることから、回折レンズ２１に入射する光線は、軸Ｚに近い側（格子間隔が大きい側）ほど回折角度が小さくなり、軸Ｚに遠い側（格子間隔が小さい側）ほど回折角度が大きくなる。その結果、回折レンズ２１は、軸Ｚを光軸とするレンズとして機能する。回折レンズ２１では、複数の格子のそれぞれにおいて、色消しレンズ２０の光軸（軸Ｚ）から周縁部に向けて下降しており、光軸に垂直な平面と光軸に平行な曲面によって区画される２ｘ段のバイナリ型回折格子を有している。このように、バイナリ型回折格子の階段形状が光軸から周縁部に向かって下降している場合、回折レンズは、正の屈折力を有する回折次数に入射光の振幅が集中する。各格子の格子高さ（階段形状の最も高い段の上面から、最も低い段までの距離）はＨ２であり、全て同じである。格子高さＨ２は、波長の整数倍となるように設計されている。各格子において、複数の段の幅は同じであり、段数が同じである場合に隣接する段の高低差は同じである。
【００２９】
色消しレンズ２０は、正の屈折力を有する回折レンズ２１と、正の屈折力を有する屈折レンズ２２とを組み合わせた、正の屈折力を有する色消しレンズである。
【００３０】
図５では、各格子の段数が４段である場合を図示しているが、これに限定されない。段数は、２のｘ乗（２ｘ、但しｘ≧１）であればよく、例えば、２段、４段、８段、１６段としてもよい。各格子の段数が多いほど回折効率が高くなるが、段数が１６段以上となると、滑らかな斜面のノコギリ歯形状の格子の回折効率に漸近する。バイナリ型回折格子を有する回折レンズ２１の回折効率は、上記に説明したノコギリ歯形状の格子の回折効率に、ノコギリ歯形状の格子を１００％とした場合のバイナリ型回折格子の段数による回折効率の割合を乗じることによって求めることができる。例えば、格子間隔が波長の５倍であり、バイナリ型回折格子の段数が８段の場合には、８０％と９５％とを乗じた７６％程度の回折効率を得ることができる。尚、全ての格子の段数を同じにする必要は無い。回折レンズ２１は、例えば、４段、８段、１６段の段数を有する格子を少なくとも１つずつ備えていてもよい（実際には、いずれか1種類以上の段数の格子を数十から数十万備えていることが好ましい）。この場合、軸Ｚに近い格子（格子間隔の大きい格子）ほど段数が多くなるように設計することが好ましい。例えば、軸Ｚに最も近い側に位置する複数の格子を１６段とし、これよりも外側に位置する複数の格子を８段とし、最も軸Ｚから遠い側（最外周）に位置する複数の格子を４段とすることができる。
【００３１】
グリズム１０、第１色消しレンズ２０、第２色消しレンズ３０の効率について、以下に説明する。散乱は光学系の効率を低下させるばかりではなく、迷光の一因にもなるため、散乱損失が少ないほど望ましい。散乱が大きくなると測定値に誤差が生じてしまうことがあり、実用的には目的に応じて光学素子の散乱損失が１％以下から２４％以下であることが求められる場合が多い。特に強い背景光がある場合の分光計測等においては、より散乱損失が少ないグリズムおよび色消しレンズが求められる。一方、単色光源を用いた吸光度測定等においては散乱損失が５０％以上のグリズムおよび色消しレンズであっても実用的に使用できる。
【００３２】
グリズム１０の回折格子１２のバイナリ型回折格子、第１色消しレンズ２０の回折レンズ２１のバイナリ型回折格子、および第２色消しレンズ３０の回折レンズ３２のバイナリ型回折格子における散乱損失Ｌｓは、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy：ＡＦＭ）によって１ｎｍ間隔で測定した場合に表面粗さの平均二乗偏差の値（ｒｍｓ値）が大きくなるほど大きくなる。表面粗さのｒｍｓ値をσとし、波長λを与えると、散乱損失Ｌｓ（％）は、下記の式（１）によって求めることができる。
Ｌｓ＝［１−ｅｘｐ{−(４πｎσｃｏｓθ／λ)２}］×１００  ……  （１）
ここでθは光束の出入射角であり、ｎは媒質の屈折率である（J.M. Bennet and L. Mattson著 “Introduction to surface roughness and scattering”, Optical Society of America, Washington D.C., 1989. 参照）。
【００３３】
式（１）を用いてバイナリ型回折格子の散乱損失Ｌｓを計算すると、波長１２０ｎｍにおいて、垂直入射（θ＝０）、屈折率ｎ＝１、表面粗さのｒｍｓ値σが１ｎｍである場合の散乱損失Ｌｓは１％、表面粗さのｒｍｓ値σが３ｎｍである場合の散乱損失Ｌｓは１０％、表面粗さのｒｍｓ値σが５ｎｍである場合の散乱損失Ｌｓは２４％、表面粗さのｒｍｓ値σが１０ｎｍである場合の散乱損失Ｌｓは６７％である。波長が短い真空紫外線領域でグリズムを用いる場合には、表面粗さが大きくなるほど、散乱の影響によって真空紫外線の透過率が低減する割合が多くなる。グリズム１０、第１色消しレンズ２０、第２色消しレンズ３０においては、回折レンズのバイナリ型回折格子または回折格子のバイナリ型回折格子をＡＦＭによって１ｎｍ間隔で測定した場合に表面粗さのｒｍｓ値は３ｎｍ以下であるため、波長１２０ｎｍにおける散乱損失が１０％以下である。波長が短いほど、散乱損失は大きくなることから、バイナリ型回折格子は、波長１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の真空紫外線において散乱損失が１０％以下であるといえる。バイナリ型回折格子の表面粗さのｒｍｓ値は、１ｎｍ以下であればより好ましい。バイナリ型回折格子の表面粗さのｒｍｓ値を１ｎｍ以下とすれば、そのバイナリ型回折格子を有する光学素子の波長１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の真空紫外線における散乱損失は１％以下に低減させることができる。例えば、第１色消しレンズ２０、グリズム１０、第２色消しレンズ３０のそれぞれの散乱損失が２４％であり、効率が７６％である場合には、第１色消しレンズ２０、グリズム１０、第２色消しレンズ３０からなる光学系の効率は、それらの効率の積、すなわち、７６％×７６％×７６％＝４３．９％と算出され、波長１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の真空紫外線において、反射鏡や反射型回折格子の分光器とほぼ同等の総合効率になり、多くの場合に実用的に使用することができる。
【００３４】
尚、上記では、分光器１のグリズム１０は、プリズム１１の回折側平面１１２と回折格子１２の裏面側が一体化されている場合を例示して説明したが、プリズムと回折格子が別になっており、プリズムの回折側平面と回折格子の裏面側あるいは表面（格子面）側が対峙するように配置されているグリズムを分光器１に用いることもできる。また、上記では、分光器１の第１色消しレンズ２０と第２色消しレンズ３０は、別々に形成された屈折レンズと回折レンズが接して設置されることによって１つの色消しレンズとなっている場合を例示して説明したが、屈折レンズと回折レンズが一体に形成された色消しレンズであってもよい。
【００３５】
図６は、第１色消しレンズ２０，３０として利用可能な色消しレンズの一実施例について、シミュレーションを行い、その光学特性を調べた結果を示している。横軸は色消しレンズ等に透過させる光線の波長を示しており、縦軸は、焦点距離を示している。シミュレーションを行った色消しレンズ１０は、材質がフッ化マグネシウムであり、屈折レンズ１２の曲率半径が２８ｍｍであり、回折レンズ１１の半径６．２５ｍｍにおける格子間隔が６９６ｎｍであり、図３に参照番号１０１として示している。また、比較のため、回折レンズを用いた場合のシミュレーション結果を参照番号１５１として示しており、屈折レンズを用いた場合のシミュレーション結果を参照番号１５２として示している。比較例として用いた回折レンズは、半径６．２５ｍｍにおける格子間隔が４２０ｎｍの回折レンズであり、屈折レンズは、曲率半径が１１．６ｍｍの平凸レンズであり、いずれのレンズも１２５ｎｍにおける焦点距離が２０ｍｍになるように設計されている
【００３６】
尚、回折レンズまたは回折格子は、隣り合う格子に入射した光束と出射した光束が波長の整数倍の行路差を持つように設計されている。すなわち、回折次数ｍ、波長をλ、媒質の屈折率をｎ、格子間隔をｄ、入射角をθ１、回折角をθ２とすると、下記の式（２）によって表される回折格子の式を満たしている。
ｍλ＝ｎｄ（ｓｉｎθ１＋ｓｉｎθ２）                          ……  （２）
ここでｍ＝１、ｎ＝１、θ１＝０（垂直入射）とすると、
λ＝ｄｓｉｎθ２                                            ……  （３）
になる。一方、回折レンズの半径ｒの格子による回折角θ２は焦点距離ｆから
ｒ／ｆ＝ｔａｎθ２                                          ……  （４）
によって与えられる。波長λ、回折レンズの半径ｒの格子による回折角θ２が与えられると式（３）と式（４）より、格子間隔ｄは
ｄ＝λ／ｓｉｎ{ｔａｎ−１（ｒ／ｆ）}                           ……（５）
より求めることができる。すなわち、式（５）を用いれば、回折レンズの特定の半径における格子間隔から、波長と焦点距離との関係を求めることができる。
【００３７】
尚、屈折レンズの焦点距離をｆ１、回折レンズの焦点距離をｆ２とすると屈折レンズの厚さが焦点距離より十分薄く、屈折レンズと回折レンズを密着させた場合の色消しレンズの焦点距離ｆ０は下記の式（６）によって求めることができる。
１／ｆ０＝１／ｆ１＋１／ｆ２                                  ……（６）
【００３８】
また、最外周の半径をｒとすると平行光束が入射した場合に結像側の開口数Ｎ．Ａ．は、下記の式（７）によって求めることができる。
Ｎ．Ａ．＝ｓｉｎ {ｔａｎ−１ (ｒ／ｆ)}                        ……（７）
【００３９】
図６に示すように、比較例（１５１，１５２）では、いずれも焦点距離の波長依存性が大きくなっている。屈折レンズ（１５１）を用いた場合には、波長が短いほど焦点距離が短くなっており、回折レンズ（１５２）を用いた場合には、波長が短いほど焦点距離が長くなっている。これに対して、実施例に係る色消しレンズを用いた場合には、焦点距離の波長依存性が小さくなっており、色収差が補正されている。
【００４０】
上記のとおり、第１色消しレンズ２０、第２色消しレンズ３０は、真空紫外線の透過率に優れており、真空紫外線領域での色収差を補正可能な色消しレンズとして好適に利用することができる。
【００４１】
図７は、分光器１に用いるグリズム１０として利用可能なグリズムの一実施例について、シミュレーションを行い、その光学特性を調べた結果を示している。横軸はグリズム等に透過させる光線の波長を示しており、縦軸は、グリズム等を透過した光の屈折角もしくは回折角を示している。シミュレーションを行ったグリズム１０は、材質がフッ化マグネシウムであり、プリズム１１は頂角３０°の直角プリズムであり、回折格子１２の格子間隔は１１５５本／ｍｍであり、２次回折光のシミュレーション結果を図５に参照番号２１０として示している。また、比較のため、プリズムを用いた場合のシミュレーション結果を参照番号２１１とし、回折格子を用いた場合のシミュレーション結果を参照番号２１２として示している。比較例として用いた回折格子は、３６００本／ｍｍの回折格子であり、２次回折光についてのシミュレーション結果を示している。比較例として用いたプリズムは、は頂角３０°の直角プリズムである。グリズムは１２５ｎｍの光が直進するように設計されており、プリズム、回折格子のいずれも１２５ｎｍの光の屈折角もしくは回折角が０°になるように角度が加減されている。尚、回折格子は、上記の式（２）によって表される回折格子の式を満たしている。
【００４２】
図７に示すように、実施例に係るグリズム（２１０）は、プリズムの分散角と回折格子の分散角が加算されるため、１２０ｎｍより長波長において、比較例に係るプリズム（２１１）を用いた場合や、１４２ｎｍより短波長において、回折格子（２１２）を用いた場合と比較して、大きな分散を得ることができる（図７において傾きが大きいほど分散が大きい）。
【００４３】
上記のとおり、本実施形態に係るグリズム１０は、１２０〜２００ｎｍの真空紫外線において効率が高く、真空紫外線領域の分散光学素子として好適に利用することができる。本実施形態に係るグリズムは、例えば、真空紫外線を用いた光学装置に利用可能であり、真空紫外線を用いて測定を行う分光計測装置に好適に用いることができる。
【００４４】
尚、本実施形態に係る分光器１には、複数個のグリズム１０からなるグリズムアレイを利用することもできる。例えば、図８に示すように、複数個のグリズム１０が光軸Ｚに垂直な面に沿って同じ向きに配置されており、回折格子１２が同じ向きとなるように配置されているグリズムアレイ１００を利用することもできる。グリズムアレイ１００では、光軸Ｚの方向にグリズムの厚さを小さくすることができるため、光学材料を通過する光の吸収をさらに小さくすることができる。
【００４５】
本実施形態に係る分光器１は、特に、プラズマ中に存在する水素ラジカル（Ｈ），窒素ラジカル（Ｎ）、酸素ラジカル（Ｏ）、炭素ラジカル（Ｃ）等の絶対数を計測するラジカル計測装置に好適に用いることができる。これらのラジカルの基底状態の電子遷移吸収線が観測可能な波長は、窒素ラジカルが１２０ｎｍ、水素ラジカルが１２１．６ｎｍ、酸素ラジカルが１３０．４ｎｍ、炭素ラジカルが１６５．７ｎｍである。かかるラジカル計測装置では、窒素ラジカル、水素ラジカル、酸素ラジカルを測定する場合には１２０ｎｍ〜１３０．４ｎｍの真空紫外線領域における電子遷移吸収線を測定する。さらに、炭素ラジカルも測定したい場合には、１２０ｎｍ〜１６５．７ｎｍの真空紫外線波長領域における電子遷移吸収線を測定する。このような波長領域の真空紫外線を透過する材料としては、フッ化マグネシウムとフッ化リチウムが挙げられるが、従来、これらの材料を用いて、回折格子をその一部に含むグリズムや色消しレンズを形成し、これによって真空紫外線領域で好適に用いることができるグリズムや色消しレンズを提供することはできなかった。これは、従来提案されていた光学材料を切削や研削する方法や、エッチング加工する方法によって製作された格子の表面粗さでは真空紫外線の散乱損失が大きくて実用的ではなく、良好な表面粗さが得られる回折格子または回折レンズの実現方法が提案されていなかったことが一因であると考えられる。
【００４６】
グリズム１０の回折格子１２、第１色消しレンズ２０の第１回折レンズ２１、第２色消しレンズ３０の第２回折レンズ３１のように、複数のバイナリ型回折格子を有していれば、プリズムの回折側または屈折レンズの平面部分、あるいは回折レンズまたは回折格子に用いられる光学材料からなる平行平板等の表面に鋳型を形成し、この鋳型を用いて、プリズムの回折側等の表面に回折レンズまたは回折格子の階段形状として用いられる光学材料を積層し、鋳型を取り除くリフトオフ工程を行うことによって、容易に精度よく加工することができる。この鋳型を用いて回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子を成形し、その後、鋳型を除去すれば、バイナリ型回折格子の形状を十分に確保し、バイナリ型回折格子の表面粗さを小さくすることができる。
【００４７】
ＡＦＭによって１ｎｍ間隔で測定した場合に回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子の表面粗さのｒｍｓ値が５ｎｍ以下であるグリズム１０、第１色消しレンズ２０、第２色消しレンズ３０を実現することができるため、光の散乱損失を小さくすることができ、真空紫外線の透過率を向上させることができる。また、回折レンズまたは回折格子を熱処理してもよい。熱処理は、色消しレンズまたはグリズムとなる部材の温度が２００℃以上１２００℃以下となる条件で行うことが好ましく、これによって、真空紫外線の透過率をさらに向上させることが可能となる。
【００４８】
図９は、本実施形態に係る分光器１を設置したラジカル計測装置６を模式的に示す図である。ラジカル計測装置６は、真空紫外線光源６１０と、真空紫外線分光器６２０と、真空チャンバ６３０とを備えている。真空紫外線光源６１０のレンズ６１２と真空紫外線分光器６２０のレンズ６２２とは、真空チャンバ６３０内に発生するプラズマ６４０の内部に設置されている。
【００４９】
図９に示すように、本実施形態に係る分光器１は、真空紫外線分光器６２０として好適に用いることができ、小型かつ高効率な真空紫外線分光器６２０を提供することができる。さらに、第１色消しレンズ２０等と同様に、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種によって形成されており、屈折レンズと、複数のバイナリ型回折格子を有する回折レンズとを有する色消しレンズをレンズ６１２とレンズ６２２として用いれば、測定する波長ごとにレンズの焦点位置を調整する必要が無くなり、真空紫外線光源６１０と真空紫外線分光器６２０とを手の平サイズに納めて小型化することができる。このように、本実施形態に係る分光器１によれば、ラジカル計測装置６を小型化することが可能となり、波長を変えても計測を速やかに能率よく行うことができるようになる。
【００５０】
上記のとおり、本実施形態に係る分光器は、真空紫外線を用いる光学装置に好適に用いることができる。特に、真空紫外線を含む波長領域において測定を行う分光計測装置に用いれば、これらの装置を小型化することが可能となる。さらに、ＭＣＰやＣＣＤ等のアレイ検出器と組み合わせることによって、任意の波長帯域を同時に能率よく計測することができるようになる。例えば、上記において説明したラジカル計測装置に適用すれば、真空紫外線の分光計測装置部を手の平サイズに納めて小型化されたラジカル計測装置を実現することも可能である。また、分光器の検出器にＭＣＰやＣＣＤ等を使用することによって、波長が異なる窒素ラジカル（１２０ｎｍ）、水素ラジカル（１２１．６ｎｍ）、酸素ラジカル（１３０．４ｎｍ）等を同時に能率よく計測することができるようになる。このように小型化されたラジカル計測装置は、様々な製造装置に組み込むことができる。例えば、半導体製造装置にラジカル計測装置を組み込んで、製造プロセスを実行しながら、実行中の製造プロセスで現に発生しているラジカル計測を行うことができる。ラジカルの計測値に基づいて半導体装置の製造プロセスの条件を制御できるため、製造における歩留まりを向上させることができる。
【００５１】
（回折レンズ、回折格子の第１の製造方法）
次に、実施形態に係る分光器１に使用するグリズム１０の回折格子１２、第１色消しレンズ２０の第１回折レンズ２１、第２色消しレンズ３０の第２回折レンズ３２を好適に形成することが可能な第１の製造方法について、図１０〜図１７を参照しながら説明する。
【００５２】
第１の製造方法では、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である光学材料を用いて、部材の表面に回折レンズまたは回折格子を形成する。部材は、第１光学材料によって形成されたプリズムまたは屈折レンズ、もしくは第１光学材料または第２光学材料によって形成された平行平板、のいずれか１つである。
【００５３】
尚、本明細書では、グリズムのプリズムまたは色消しレンズの屈折レンズの材料として用いた光学材料を特に第１光学材料と呼び、回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子の材料として用いた光学材料を特に第２光学材料と呼ぶ。
【００５４】
第１の製造方法では、第１のリフトオフ工程をｘ回繰返す。ｘ回行われるそれぞれの第１のリフトオフ工程を「ｉ回目のリフトオフ工程」（ｉ＝１，２，…，ｘ）と呼ぶ。ｉ回目の第１のリフトオフ工程は、鋳型形成工程と、積層工程と、鋳型除去工程とを含んでいる。必要に応じて、鋳型除去工程の後あるいは最終工程において熱処理工程を追加することもできる。
【００５５】
ｉ回目の第１のリフトオフ工程において、鋳型形成工程では、レジストとして一般に用いられている、樹脂を主成分とする有機系の材料を用いて鋳型を部材の表面（屈折レンズの平面側またはプリズムの回折側、あるいは平行平板の表面）に形成する。この鋳型形成工程では、バイナリ型回折格子の格子間隔Ｄ／２（ｉ-１）と、バイナリ型回折格子の段数２ｘに応じてパターニングされた鋳型が配置される。積層工程では、樹脂の鋳型を用いて部材（屈折レンズ、プリズム、または平行平板）の表面に第２光学材料をスパッタリング法等によって積層する。積層工程では、部材温度は常温であってもよく、部材温度が３００℃以下となるように部材を加熱してもよい。鋳型除去工程では、有機溶剤やアッシング（Ashing：酸素ラジカル照射）等によって有機系の材料の鋳型を取り除く。必要に応じて、熱処理工程を行ってもよい。熱処理工程では、第２光学材料を積層した後の部材を、２００℃以上１２００℃以下の部材温度で焼結する。２００℃以上１２００℃以下で熱処理を施すことにより、空隙が消滅するために緻密化して内部散乱が軽減し、着色中心（Color center：格子欠陥に電子や正孔が捕らえられて光を吸収する部分）が消滅して透過率を向上することができる。熱処理工程は、リフトオフ工程中に行ってもよいし、ｘ回のリフトオフ工程が全て完了した後に行ってもよい。鋳型形成工程、積層工程、鋳型除去工程、（熱処理工程）は、同様の手順によって繰返して実行してもよい。
【００５６】
以下、色消しレンズ２０の第１回折レンズ２１が４段のバイナリ型回折格子を有している場合（すなわち、ｘ＝２の場合）に、屈折レンズの平面側に回折レンズを形状する方法を例示して、回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子を製造する第１の製造方法について具体的に説明する。
【００５７】
（１回目の第１のリフトオフ工程）
（１回目の鋳型形成工程）
以下、第１光学材料によって形成された屈折レンズの平面側となる面を部材８００の表面として、説明する。まず、図１０に示すように、部材８００（例えばＭｇＦ２部材）の表面に、樹脂を主成分とする有機系の材料であるレジスト８２０を形成し、マスク８３０を介して、レジスト８２０に露光を行う。マスク８３０は、開口部８３１と遮光部８３２とを有しているため、レジスト８２０の開口部８３１の下方に位置する部分にのみ光が照射される。マスク８３０を平面視すると、遮光部８３２は同心円状に形成されており、遮光部８３２の同心軸が回折レンズ２２の格子の同心軸である軸Ｚに一致するように、マスク８３０は配置される。バイナリ型回折格子の格子間隔をＤとした場合に、開口部８３１と遮光部８３２を加算したピッチは、Ｄとなっている。
【００５８】
露光を行った後、現像すると、図１１に示すように、レジスト８２０をパターニングすることができる。レジスト８２０は、回折レンズ２２の軸Ｚを同心軸とする環状にパターニングされている。
【００５９】
（１回目の積層工程）
図１１の状態の部材に対して、回折レンズ２２の材料となる第２光学材料を積層すると、図１２に示すように、部材８００の表面に第２光学材料層８０２が積層され、レジスト８２０の表面に第２光学材料層８０３が積層される。積層工程では、回折レンズが有する階段形状の２段分の高さまで、第２光学材料層が積層される。尚、１回目の積層工程において、レジスト８２０の表面に形成された第２光学材料層８０３が、部材８００の表面に積層された第２光学材料層８０２と接触しないように、上述の１回目のレジスト形成工程で形成するレジスト８２０の厚さが調整されている。第２光学材料は、例えば、スパッタリング法によって積層することができる。スパッタリング法による光学材料の積層に際しては、部材８００の温度は常温であってもよく、３００℃以下となるように部材８００を加熱してもよい。
【００６０】
（１回目の鋳型除去工程）
次に、第２光学材料層８０３をレジスト８２０とともに有機溶剤やアッシングによって除去すると、図８に示す状態となる。
【００６１】
必要に応じて図１３の状態の部材の熱処理を行う。熱処理は、部材８００の温度が２００℃以上１２００℃以下となる条件で行うことが好ましい。２００℃以上１２００℃以下の部材温度で光学材料の熱処理を行うことにより、光学材料の真空紫外線透過率をより高くすることが可能となる場合がある。
【００６２】
以上で、１回目の第１のリフトオフ工程を終了し、次に、２回目の第１のリフトオフ工程を実施する。
【００６３】
（２回目の第１のリフトオフ工程）
（２回目の鋳型形成工程）
次に、２回目の鋳型形成工程を行う。図１３に示す状態の部材８００および第２光学材料層８０２の表面に、図１４に示すように、樹脂を主成分とする有機系の材料であるレジスト８２２を形成し、マスク８４０を介して、レジスト８２２に露光を行う。マスク８４０は、開口部８４１と遮光部８４２とを有しているため、レジスト８２０の開口部８４１の下方に位置する部分にのみ光が照射される。マスク８４０を平面視すると、遮光部８４２は同心円状に形成されており、遮光部８４２の同心軸が回折レンズ１２の格子の同心軸である軸Ｚに一致するように、マスク８４０は配置される。バイナリ型回折格子の格子間隔をＤとした場合に、開口部８４１と遮光部８４２を加算したピッチは、Ｄ／２となっている。開口部８４１の幅は開口部８３１の半分であり、遮光部８４２の幅は遮光部８３２の幅の半分である。
【００６４】
露光を行った後、現像すると、図１５に示すように、レジスト８２２をパターニングすることができる。レジスト８２２は、回折レンズ１２の軸Ｚを同心軸とする環状にパターニングされている。
【００６５】
（２回目の積層工程）
図１５の状態の部材８００に対して、回折レンズの材料となる第２光学材料を積層すると、図１６に示すように、部材８００と第２光学材料層８０２の表面に第２光学材料層８０４が積層され、レジスト８２２の表面に第２光学材料層８０５が積層される。積層工程では、回折レンズが有する階段形状の１段分の高さまで、第２光学材料がスパッタリング法等により積層される。尚、２回目の積層工程において、レジスト８２２の表面に形成された第２光学材料層８０５が、第２光学材料層８０２の表面に積層された第２光学材料層８０４と接触しないように、上述の２回目のレジスト形成工程で形成するレジスト８２２の厚さが調整されている。
【００６６】
（２回目の鋳型除去工程）
１回目の鋳型除去工程と同様に、２回目の鋳型除去工程を行って、第２光学材料層８０５をレジスト８２２とともに有機溶剤やアッシングによって除去すると、図１７に示す状態となる。必要に応じて図１７の状態の部材８００の熱処理を行ってもよい。
【００６７】
以上で、２回目の第１のリフトオフ工程を終了し、回折レンズのバイナリ型回折格子を形成する第２工程が完了する。図１７に示すように、４段のバイナリ型回折格子を有する回折レンズを形成することができる。
【００６８】
上記のとおり、回折レンズの２ｘ段の階段形状を有するバイナリ型回折格子は、部材の表面に、樹脂を主成分とする有機系の材料の鋳型を形成し、この鋳型を用いて、部材を常温あるいは３００℃以下で加熱しながら部材の表面に第２光学材料をスパッタリング法等により積層し、第２光学材料を積層した後の部材から鋳型を取り除き、必要に応じて、鋳型を取り除いた後の部材を２００℃以上１２００℃以下の部材温度で熱処理する、第１のリフトオフ工程をｘ回繰返すことによって形成することができる。ｘ回繰返される第１のリフトオフ工程のうち、ｉ回目の第１のリフトオフ工程では、バイナリ型回折格子の格子間隔をＤとした場合に、Ｄ／２（ｉ−１）の間隔で鋳型が配置される。必要に応じて、第１のリフトオフ工程をｘ回繰返した後の部材を熱処理してもよい。
【００６９】
上記に説明した手順の第１の製造方法により、回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子を形成することができ、さらに、バイナリ型回折格子を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１ｎｍ間隔で測定した場合に、表面粗さのｒｍｓ値を３ｎｍ以下とすることができる。従来提案されていた、無機系の光学材料を切削や研削する方法や、エッチング加工する方法を用いた場合には、原子間力顕微鏡によって１ｎｍ間隔で測定した場合の表面粗さのｒｍｓ値が５ｎｍ以下（真空紫外線領域で実用的に利用可能なｒｍｓ値）であるバイナリ型回折格子を製造することは非常に困難であり、実質不可能であったが、上記の第１の製造方法によれば、ｒｍｓ値が３ｎｍ以下であるバイナリ型回折格子を、簡易な製造方法によって製造することができる。さらに、２００℃以上１２００℃以下の部材温度での熱処理によってバイナリ型回折格子の材料となる材質が緻密化し、内部散乱がより少なく、着色中心が消滅して透過率が高くなるため、より散乱損失や吸収損失が少ない色消しレンズまたはグリズムを製造することができる。
【００７０】
（回折レンズ、回折格子の第２の製造方法）
次に、実施形態に係る分光器１に使用するグリズム１０、第１色消しレンズ２０、第２色消しレンズ３０の回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子は、以下に説明する第２の製造方法によっても好適に形成することができる。
【００７１】
第２の製造方法では、フッ化リチウム、フッ化マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種である第２光学材料を用いて、第２のリフトオフ工程をｘ回繰返すことによって、回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子を形成する。ｘ回行われるそれぞれの第２のリフトオフ工程を「ｉ回目の第２のリフトオフ工程」（ｉ＝１，２，…，ｘ）と呼ぶ。ｉ回目の第２のリフトオフ工程は、有機系の材料の鋳型を形成する鋳型形成工程と、無機系の材料の鋳型としての犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、有機系の材料の鋳型を除去する鋳型除去工程と、積層工程と、犠牲層除去工程とを含んでいる。有機系の材料の鋳型形成工程では、部材（屈折レンズ、プリズム、平行平板）の表面に有機系の材料であるレジストの鋳型を形成する。
【００７２】
第２の製造方法では、第１の製造方法と異なり、有機系の材料の鋳型を用いて、リフトオフ法によってシリコンまたはシリカ（シリコン酸化物）を主成分とする犠牲層を形成し、この犠牲層を第２光学材料を積層するための鋳型として用いる。この犠牲層を形成する犠牲層形成工程においては、バイナリ型回折格子の格子間隔Ｄと、バイナリ型回折格子の段数２ｘに応じてパターニングされた犠牲層が配置される。犠牲層形成工程の後で、有機系の材料の鋳型を除去する鋳型除去工程を実施する。その後、積層工程を行う。積層工程では、この犠牲層を用いて前記部材を２００℃から１２００℃で加熱しながら表面に第２光学材料を抵抗加熱蒸着法や電子ビーム蒸着法等により積層する。犠牲層除去工程では、第２光学材料を積層した後の前記部材から等方性エッチングにより余分に積層した第２光学材料を犠牲層とともに取り除く。
以下、色消しレンズ２０の第１回折レンズ２１が４段のバイナリ型回折格子を有している場合（すなわち、ｘ＝２の場合）に、屈折レンズの平面側に回折レンズを形状する方法を例示して、回折レンズまたは回折格子のバイナリ型回折格子を製造する第２の製造方法について具体的に説明する。
【００７３】
例えば、図１８、図１９に示すように、部材９００の表面（屈折レンズの平面側）に有機系の材料の鋳型としてレジスト９２０を形成し、開口部９３１と遮光部９３２とを有するマスク９３０を用いて間隔Ｄでレジスト９２０をパターニングする（１回目の有機系の材料の鋳型形成工程）。その後、図２０に示すように、スパッタリング法等によってシリコンあるいはシリカを積層して、犠牲層９５０，９５１を形成する（１回目の犠牲層形成工程）。これによって、部材９００の表面に犠牲層９５０が積層され、レジスト９２０の表面に犠牲層９５１が積層される。その後、犠牲層９５１をレジスト９２０とともに有機溶剤やアッシングによって除去すると、図２１に示す状態となる（１回目の有機系の材料の鋳型除去工程）。
【００７４】
図２１に示すように、部材９００の表面に形成された犠牲層９５０を鋳型にして、図２２に示すように、回折レンズが有する階段形状の２段分の高さまで、第２光学材料層９０２および９０３を積層する。これによって、部材９００の表面に第２光学材料層９０２が積層され、犠牲層９５０の表面に第２光学材料層９０３が積層される。等方性エッチングにより犠牲層９５０を除去すると、図２３に示すように、犠牲層９５０とともにその表面に形成された第２光学材料層９０３が除去される（１回目の犠牲層除去工程）。
【００７５】
次に、図２４，図２５に示すように、部材９００の表面にレジスト９２２を形成し、開口部９４１と遮光部９４２とを有するマスク９４０を用いて間隔Ｄ／２でレジスト９２２をパターニングする（２回目の有機系の材料の鋳型形成工程）。その後、２回目の犠牲層形成工程によって、図２６に示すように、第２光学材料層９０２の表面に犠牲層９５２が積層され、レジスト９２２の表面に犠牲層９５３を積層する（２回目の犠牲層形成工程）。その後、レジスト９２２を除去すると、図２７に示すように、レジスト９２２とともにその表面に形成された犠牲層９５３が除去される（２回目の有機系の材料の鋳型除去工程）。その後、犠牲層９５２を鋳型にして２回目の第２光学材料の積層工程によって第２光学材料を積層すると、部材９００および第２光学材料層９０２の表面に第２光学材料層９０４が積層され、犠牲層９５２の表面に第２光学材料層９０５が積層される。その後、犠牲層９５２を除去すると、図２８，図２９に示すように、犠牲層９５２とその表面に形成された第２光学材料層９０５が除去される（２回目の犠牲層除去工程）。上記の第２の製造方法によっても、回折レンズ１１を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって１ｎｍ間隔で測定した場合に、表面粗さのｒｍｓ値を３ｎｍ以下とすることができる。表面粗さのｒｍｓ値が、真空紫外線領域で実用的に利用可能なｒｍｓ値（５ｎｍ以下）よりもさらに小さい回折レンズを実現することができる。
【００７６】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００７７】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００７８】
１      分光器
６      ラジカル計測装置
１０    グリズム
１１    プリズム
１２    回折格子
２０，３０  色消しレンズ
２１，３１  回折レンズ
２２，３２  屈折レンズ
２３    接合面
４０    スリット
４１    開口
５０    検出器
１００  グリズムアレイ
１１１  光学平面
１１２  回折側平面
１１３  底面
６１０  真空紫外線光源
６１２，６２２  色消しレンズ
６２０  真空紫外線分光器
６３０  真空チャンバ
６４０  プラズマ
８００，９００       部材
８０２，８０３，８０４，８０５，９０２，９０３，９０４，９０５  光学材料層
８２０，８２２，９２０，９２２     レジスト
８３０，８４０，９３０，９４０     マスク
８３１，８４１，９３１，９４１     開口部
８３２，８４２，９３２，９４２     遮光部
９５０，９５２，９５３  シリコン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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