(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの発散光を収束光に変換する収束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点へ至る光路上に配置された平面回折格子とを備え、前記平面回折格子をその格子面の法線に平行に定められた回転軸の周りに回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分光器において、
前記平面回折格子は、前記収束光の主光線が前記回転軸と前記格子面との交点とは異なる点で該格子面に入射するように配置され、格子溝の形状がブレーズド型であり、該平面回折格子の格子面内で前記格子溝に平行に定められた軸をｚ軸とし、該平面回折格子への入射光の光路及び該平面回折格子から出る回折光の光路を含む平面である子午面の法線と前記ｚ軸とが成す角度をφとし、該平面回折格子への入射光の入射角をαとし、該平面回折格子からの前記回折光の回折角をβとし、φ＝０のときに該平面回折格子により生成される回折光の波長をλ０とし、前記角度がφのときに該平面回折格子により生成される回折光の波長をλ
【数１】
0004157654.tif 000019
としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記子午面におけるブレーズ角θ０は
【数２】
0004157654.tif 000020
を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により照明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記子午面におけるブレーズ角θφは
【数３】
0004157654.tif 000021
を満たすこと、
を特徴とする円錐回折斜入射分光器。
【請求項２】
請求項１に記載の円錐回折斜入射分光器における平面回折格子において、前記格子溝の表面に反射率を高めるための多層膜が蒸着されており、波長λ０の光に対する前記多層膜の平均屈折率をｎとし、波長λの光に対する前記多層膜の平均屈折率をｎφとし、δ＝１−ｎとおき、δφ＝１−ｎφとおき、Ｒα０を
【数４】
0004157654.tif 000022
とし、Ｒαφを
【数５】
0004157654.tif 000023
としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の単位膜厚ｄｂ０は
【数６】
0004157654.tif 000024
を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により照明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の単位膜厚ｄｂφは
【数７】
0004157654.tif 000025
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の円錐回折斜入射分光器。
【請求項３】
光源からの発散光を収束光に変換する収束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点へ至る光路上に配置された平面回折格子とを備え、前記平面回折格子をその格子面の法線に平行に定められた回転軸の周りに回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分光器において、
前記平面回折格子は、前記収束光の主光線が前記回転軸と前記格子面との交点とは異なる点で該格子面に入射するように配置され、格子溝の形状がラミナー型であり、該平面回折格子の格子面内で前記格子溝に平行に定められた軸をｚ軸とし、該平面回折格子への入射光の光路及び該平面回折格子から出る回折光の光路を含む平面である子午面の法線と前記ｚ軸とが成す角度をφとし、該平面回折格子への入射光の入射角をαとし、該平面回折格子からの前記回折光の回折角をβとし、φ＝０のときに該平面回折格子により生成される回折光の波長をλ０とし、前記角度がφのときに該平面回折格子により生成される回折光の波長をλ
【数８】
0004157654.tif 000026
としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記子午面における溝深さｈ０は
【数９】
0004157654.tif 000027
を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により照明される前記格子面の領域に形成された格子溝の前記子午面における溝深さｈφは
【数１０】
0004157654.tif 000028
を満たすこと、
を特徴とする円錐回折斜入射分光器。
【請求項４】
請求項３に記載の円錐回折斜入射分光器における平面回折格子において、前記格子溝の表面に反射率を高めるための多層膜が蒸着されており、波長λ０の光に対する前記多層膜の平均屈折率をｎとし、波長λの光に対する前記多層膜の平均屈折率をｎφとし、δ＝１−ｎとおき、δφ＝１−ｎφとおき、Ｒα０及びＲβ０を
【数１１】
0004157654.tif 000029
とし、Ｒαφ及びＲβφを
【数１２】
0004157654.tif 000030
としたとき、φ＝０のときの波長λ０の入射光により照明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の単位膜厚ｄｂ０は
【数１３】
0004157654.tif 000031
を満たし、前記角度がφのときの波長λの入射光により照明される前記格子面の領域に蒸着された前記多層膜の単位膜厚ｄｂφは
【数１４】
0004157654.tif 000032
を満たすことを特徴とする請求項３に記載の円錐回折斜入射分光器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の円錐回折斜入射分光器に用いられる平面回折格子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円錐回折斜入射分光器及びそれに適した平面回折格子（以下、単に回折格子とする）の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
分光器に用いられる回折格子の設計においては、回折効率が最大化されるように溝の形状を最適化する必要がある。例えば、溝の断面形状が鋸歯波状であるブレーズド型格子ではブレーズ角を最適化し、溝の断面が矩形波状であるラミナー型格子では溝深さを最適化する。
【０００３】
上記のように作成された回折格子を、例えば、回折格子の溝方向と平行な軸周りに回折格子を回動させることにより波長走査を行う定偏角分光器に用いた場合、特定の一波長の光の回折効率は最大化されるものの、その他の波長の光の回折効率は最大化されない。このような問題を解決する方法として、例えば、（１）補助鏡を用いて偏角を波長毎に変えるという方法（例えば、23.M.Koike, "High resolution EUV monochromator/Spectrometer," U.S. Pat. No. 5,528,364）、あるいは、（２）図５に示したように、格子溝の深さを溝方向（Ｂ方向）で変化させた回折格子を軸Ａの周りに回動させることにより波長走査を行う際に、その回動に同期させて該回折格子を溝方向にスライドさせる方法が考案されている。しかし、いずれの方法も、波長走査のために回折格子を回動させる機構の他に、該回折格子の回動に応じて補助鏡の角度を変更する機構又は上記のように回折格子をスライドさせるための機構が別途必要であり、更に、それらの機構の動作を高精度で同期させる制御手段も必要となる。このように装置の構成及び制御が複雑になるため、定偏角分光器に上記のような方法を実際に応用することは困難である。
【０００４】
一方、回折格子の格子面上における入射光の入射点を通り該格子面に垂直な軸の周りに回折格子を回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分光器が知られている（例えば、M.C. Hettrick, "Grating monochromators and spectrometers based on surface normal rotation, Monochromator with concave grating", U.S. Pat. No. 5,274,435）。この分光器においても、特定の一波長の光の回折効率は最大化されるものの、その他の波長の光の回折効率は最大化されないという問題はやはり存在し、この問題を解決するような有効な手段はこれまで考案されていなかった。このような事情に鑑み、本発明は、格子面に垂直な軸の周りに回折格子を回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分光器において、収差が小さく、しかも波長によらず高い回折効率が得られるような分光器を提供する。また、本発明は、前記目的が達成されるように設計された回折格子を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、光源からの発散光を収束光に変換する収束光生成手段と、前記光源から前記収束光の焦点へ至る光路上に配置された平面回折格子とを備え、前記平面回折格子をその格子面の法線に平行に定められた回転軸の周りに回動させることにより波長走査を行う円錐回折斜入射分光器において、
前記平面回折格子は、前記収束光の主光線が前記回転軸と前記格子面との交点とは異なる点で該格子面に入射するように配置され、
前記収束光により照明される前記格子面の各領域における溝形状は、前記回転軸を中心とした該領域の回転位置に応じて決定されていること、
を特徴とする円錐回折斜入射分光器を提供する。
【０００６】
また、上記平面回折格子に反射率を高めるための反射膜を形成する場合は、該反射膜の構成（単位膜厚）を、上記回転軸を中心とした該領域の回転位置に応じて決定するようにする。
【０００７】
また、本発明は、上記のように構成された円錐回折斜入射分光器に好適に利用される各種回折格子を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態及び発明の効果】
図１は本発明の一形態である円錐回折斜入射分光器を構成する主な光学素子の配置を示す斜視図である。この分光器において、入口スリット１からの光は凹面鏡２で反射されて収束光に変換され、回折格子３に入射し、そこで回折され、出口スリット４に結像する。回折格子３への入射光の入射角はα、回折格子３からの回折光の回折角はβで示されている。図に示したｘｙｚ座標系は、回折格子３の格子面３０上における前記収束光の主光線の入射点３１を原点とする直交座標系であって、そのｘ軸は格子面３０に直交し、ｙ軸は格子溝に直交し、ｚ軸は格子溝に平行である。また、入射点３１とは別に回転中心３２が定められており、この点３２を通って格子面３０に直交する軸を中心として回折格子３を回動させることにより、波長走査が行われる。回折格子３への入射光の光路及び回折格子３から出る回折光の光路を含む平面である子午面の法線とｚ軸とが成す角度φは回折格子３の回転位置を表す。回転位置の基準（φ＝０）は、格子溝が入射光と直交するような回転位置（入射光の光路及び回折光の光路を含む平面である子午面に格子溝が直交するような回転位置）である。
【０００９】
図２は、回折格子３の格子面３０を示す平面図である。格子面上の線状領域Ｒ１は回折格子３の回転角度が０のときの入射光による被照明領域を示し、線状領域Ｒ２は回転角度がφのときの被照明領域を示す。
【００１０】
（例１）回折格子３としてブレーズド型格子を用いる場合の格子の設計例について図２及び図３を参照しながら説明する。図３（Ａ）は領域Ｒ１における格子溝の断面形状を示す図である。この図は、領域Ｒ１における格子溝のブレーズ角がθ０、溝間隔がｄであることを示している。いま、領域Ｒ１に入射した光から生成される回折光の波長をλ０とするとき、この波長λ０の光の回折効率を最大化するには、ブレーズ角θ０を次式
【数１５】
0004157654.tif 000002
により求まる角度とすればよいことが一般に知られている。
【００１１】
ところで、従来の方法で設計されたブレーズド型格子では、格子面３０の全面でブレーズ角が一定であるが、このように設計された格子を上記分光器に用いると、λ０以外の波長の光の回折効率（すなわち、φ≠０での回折効率）を最大化することができない。これは次のように説明される。すなわち、回折格子３の回転位置がφであるとき、入射光は格子面３０の領域Ｒ２を照明するが、このとき、領域Ｒ２の長さ方向に沿った格子溝の断面図は図３（Ｂ１）に示したようになる。そして、この領域Ｒ２に入射した光から生成される回折光は
【数１６】
0004157654.tif 000003
で求められる波長λを有する。図３（Ｂ１）からわかるように、回折格子３の回転角度がφのとき、格子面３０の領域Ｒ２に含まれる部分は、
【数１７】
0004157654.tif 000004
で表される溝間隔ｄφを有し、
【数１８】
0004157654.tif 000005
で表されるブレーズ角θ０φを有するブレーズド型格子として作用する。式（４）から明らかなように、θ０φはθ０よりも小さいが、その一方で、入射角α及び回折角βは回転角度φに関わらず一定である。従って、角θ０φは式（１）で表される最適化条件を満たさない。このように、上記のように設計されたブレーズド型格子を用いた場合、波長λの光の回折効率は最大化されないことになる。
【００１２】
そこで、本願発明者等は、上記領域Ｒ２におけるブレーズ角θφを予めθ０よりも適宜大きくすることにより、上記波長λの光の回折効率を最大化する方法を発明した。すなわち、本願発明者等による詳しい解析の結果、波長λに対応する回転角度φに対応する線状領域における最適ブレーズ角θφは次式
【数１９】
0004157654.tif 000006
により表されることがわかった。これにより、回転角度φのときの波長λの入射光に照明される部分の実効ブレーズ角はθ０となり（図３（Ｂ２）参照）、全ての波長λで光の回折効率が最大化される。
【００１３】
また、従来の分光器では、入射点３１と回転中心３２とが一致するように回折格子３を配置していたが、このような配置では、格子面３０の入射点３１の近傍領域は回折格子３の回転角度φに関わらず常に収束光により照明される。従って、前記近傍領域においては上記のように回転角度φに応じてブレーズ角を最適化することはできない。この問題を解決するため、上記分光器では、回転中心３２を被照明領域Ｒ１、Ｒ２からずらして設けている。このようにすれば、回折格子３の回転角度φに関わらず常に収束光に照明されるような領域は存在しないため、各領域毎にブレーズ角を最適化することができる。
【００１４】
（例２）次に、例１のように作成されたブレーズド型の回折格子３の溝の表面に多層膜を蒸着して回折効率を向上させる方法について説明する。まず、回折格子３の回転角度φ＝０（波長λ０）に対応する線状領域に蒸着する多層膜の単位膜厚をｄｂ０としたとき、波長λ０の光の回折効率を向上させるには、Braggの条件を表す次式
【数２０】
0004157654.tif 000007
を満たすようにｄｂ０を定めればよい。ここで、Ｒα０は、波長λ０の光に対する多層膜の平均屈折率をｎとし、δ＝１−ｎとしたときに、
【数２１】
0004157654.tif 000008
で表される量である。次に、回転角度φ（波長λ）に対応する線状領域に蒸着する多層膜の単位膜厚をｄｂφとしたとき、ｄｂφの値は次のようにして求められる。すなわち、回折格子３の回転角度がφであるとき、入射光線と溝の表面の法線とが成す角と、回折光線と溝の表面の法線とが成す角は、式（１）から、
【数２２】
0004157654.tif 000009
に等しいから、Braggの条件を表す式は、
【数２３】
0004157654.tif 000010
と表される。ここで、Ｒαφは、波長λの光に対する多層膜の平均屈折率をｎφとし、δφ＝１−ｎφとしたときに
【数２４】
0004157654.tif 000011
で表される量である。以上のように回転角度φに対応して定められた単位膜厚ｄｂφを有する多層膜を格子面３０に形成すれば、全ての波長λで光の回折効率を向上させることができる。
【００１５】
（例３）次に、上記分光器に含まれる回折格子３としてラミナー型格子を用いる場合の格子設計について説明する。この場合、回転角度φ＝０（波長λ０）に対応する線状領域における格子溝の溝深さｈ０を次式
【数２５】
0004157654.tif 000012
により決定することにより、波長λ０の光の一次光の回折効率が最大化されるとともに偶数次の回折光が非常に弱められることは、例えば、K.H.Hellwegeの論文Z.Phys. Vol. 106, pp.588-596(1937)から一般に知られている。また、回折格子３の回転角度φに対応する波長λは
【数２６】
0004157654.tif 000013
で表される。従って、最適な溝深さｈφは次式
【数２７】
0004157654.tif 000014
により求められる。これにより、全ての走査波長λの光の回折効率が最大化される。
【００１６】
（例４）例３のように作成されたラミナー型の回折格子３の溝の表面に多層膜を蒸着して回折効率を向上させる方法について説明する。この場合、入射角と回折角が異なるから、W.R.Warburton（Nucl. Instru. Meth., A291, 278-285(1990)）により一般化されたBraggの条件を満たすように多層膜を形成する必要がある。すなわち、回転角度φ＝０（波長λ０）に対応する線状領域に蒸着する多層膜の単位膜厚ｄｂ０とするとき、ｄｂ０の最適値は
【数２８】
0004157654.tif 000015
で表される。ここで、Ｒα０及びＲβ０は、波長λ０の光に対する多層膜の平均屈折率をｎとし、δ＝１−ｎとおいたときに、
【数２９】
0004157654.tif 000016
で表される量である。同様に、回転角度φ（波長λ）に対応する線状領域に蒸着する多層膜の単位膜厚をｄｂφとするとき、ｄｂφの最適値は
【数３０】
0004157654.tif 000017
で表される。ここで、Ｒαφ及びＲβφは、波長λの光に対する多層膜の平均屈折率をｎφとし、δφ＝１−ｎφとおいたときに、
【数３１】
0004157654.tif 000018
で表される量である。以上のように回転角度φに対応して定められた単位膜厚ｄｂφを有する多層膜を格子面３０に形成すれば、全ての波長λで光の回折効率を向上させることができる。
【００１７】
次に、本発明に係る回折格子をイオンビームエッチングにより作成する方法の一例について図４を参照しながら説明する。まず、格子基板３３のエッチング面（格子溝を形成する面）に、格子溝パターンに合わせてフォトレジスト層を形成する。次に、図４に示したように、回折格子の回転中心となる点３４を格子基板３３のエッチング面上で定め、該エッチング面を細長い扇状の開口４１を有するマスク４０で覆う。このとき、マスク４０の開口４１の頂点を格子基板３３の回転中心３４と一致させる。このようにしたとき、開口４１の中心線と、格子基板３３のエッチング面上で定められたｙ軸（格子溝と直交する軸）とが成す角度（格子基板の回転角度）は、回折格子３の回転角度φに対応する。このように格子基板３３をマスクした状態で、格子基板３３の回転角度φを開口４１の頂角分ずつ段階的に変化させることによりエッチング面上の線状領域を順次選択し、各領域に対してイオンビームエッチングを行う。このとき、格子基板３３の回転角度φに応じてエッチング条件を適宜変えることにより、各線状領域において形成される溝のブレーズ角又は溝深さを、上記各式により理論的に求められた角度又は深さとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一形態である円錐回折斜入射分光器を構成する主な光学素子の配置を示す斜視図。
【図２】  回折格子の格子面を示す平面図。
【図３】  （Ａ）領域Ｒ１における格子溝の断面形状、（Ｂ１）領域Ｒ２における格子溝の断面形状（従来例）、（Ｂ２）領域Ｒ２における格子溝の断面形状（本発明）。
【図４】  本発明に係る回折格子をイオンビームエッチングにより作成する方法の一例について説明するための図。
【図５】  従来の回折格子の駆動方法の一例を説明するための図。
【符号の説明】
１…入口スリット
２…凹面鏡
３…回折格子
４…出口スリット
３０…格子面
３１…入射点
３２…回転中心
【図１】
0004157654.tif 000033
【図２】
0004157654.tif 000034
【図３】
0004157654.tif 000035
【図４】
0004157654.tif 000036
【図５】
0004157654.tif 000037