多層膜研究の現状
柳原美広
山下広順

東北大学多元物質科学研究所
名古屋大学〒9808577 仙台市青葉区片平 211〒464
8601 名古屋市千種区不老町

要旨
軟 X 線および硬 X 線用多層膜の開発と応用に関する最近の研究の進展を概説する。軟 X 線多層膜ではこれまで高反射率は困難と思われていた水の窓領域で Cr/Sc 多層膜によって20の実用的な反射率が達成された。また，Mo/Si 多層膜の高反射率に支えられて軟 X 線顕微鏡などの応用研究が目覚しく進んだことも特筆に値する。硬 X 線では Pt/C 多層膜
スーパーミラーの開発と天体観測用硬 X 線望遠鏡への応用を中心に述べる。この望遠鏡は実際に気球に搭載され，ブラックホールと考えられる天体の最初の硬 X 線撮像観測に利用された。

.

はじめに

半は硬 X 線多層膜について名古屋大学の X 線望遠鏡に関

多層膜は適当な光学定数の 2 種類以上の物質を繰り返し積層した人工格子であり，その周期構造によりブラッグ

する成果を中心に述べる。多層膜光学や多層膜設計等の基礎事項は本稿では割愛させて頂く。

反射のように各界面からの反射波の強め合いの干渉で高い
軟 X 線多層膜の開発

反射率を得るものである。このアイデアは実は古く， X.

線の発見から程なくして提案されている。しかし，当時の. 高反射率化

成膜技術による制約と，ましてや波長の短い硬 X 線を対エネルギー100 eV 近傍の軟 X 線多層膜としては Mo/Si

象としたこともあって，多層膜の試みはことごとく失敗しと Mo / Be の組み合わせが最も成功している例である。

た。ようやく 1970 年代になって，薄膜成膜技術と超平滑Fig. 1 は三つの異なる入射角で測定した Mo /Si 多層膜の基板研磨技術の進歩があいまって X 線光学に十分対応で分光反射率である3) 。波長 13.5 nm 付近の EUV 光に対しきる多層膜が開発されるようになったのである。今日では

71 以上の高い反射率を達成している。この場合，界面波長の長い軟 X 線領域，特に波長13 nm 領域は Mo/Si 多

粗さを含めない計算では直入射反射率は 75 である。こ層膜によって直入射反射率が 70 を超えるまでになっての多層膜は通常の Ar ガスの代わりに Xe ガスを用いた低いる。この成功によって多層膜は直入射反射鏡として顕微

圧放電回転マグネットカソード（ RMC ）方式スパッタリ

鏡や望遠鏡，レーザーなどへの応用が促進された。また，

ングで成膜したもので，周期長 7.2 nm ，膜厚比 0.35 で全産業分野でも例えば次世代の超 LSI 作製法として期待さ50 周期である。この Xe ガスを用いた RMC スパッタリン

れている縮小投影露光法において多層膜は鍵になる光学素

グで成膜した Mo /Si 多層膜では界面拡散層の形成が抑制子となっている。硬 X 線領域では多層膜周期を適当に変化させた，いわゆるスーパーミラーによって全反射臨界角を超えた広い入射角で実用的な反射率が得られるまでになっている。スーパーミラーは放射光ビームラインだけでなく，従来型の X 線発生装置でも実用化されている。また
スーパーミラーは次期衛星に搭載する X 線望遠鏡の結像鏡として重要な役割が期待されている。以上は多層膜を成型基板に成膜して結像鏡として用いるもので，多層膜の高反射率特性を利用している。多層膜はその他にブリュース
ター反射に基づく優れた偏光特性を持っている。また，透過型にすることでビームスプリッターとしての用途が広がっている。
本誌では， 1996 年に多層膜研究の現状について山下らが1)硬 X 線領域を，また山本ら2)が軟 X 線領域を放射光科学への応用という副題を付けて解説している。そこで本稿
ではその後の研究の進展に焦点を絞ることにする。前半は
軟 X 線多層膜における基礎研究と応用について，また後Figure 1. Re‰ectance spectra of Mo/Si multilayers deposited by
RMC sputtering with low pressure Xe gas.

270 ● 放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5
(C) 2004 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research解説 ■ 多層膜研究の現状傾向にあり，良好な界面を有していると考えられる。一方，界面拡散を防ぐ対策として薄い防止層を挟む研究も引き続き行われている。マグネトロンスパッタで作製した

Mo / Si 多層膜で薄い B4C 層を入れたものでは，波長 12.8
nm で直入射反射率 71 を達成している4)。マグネトロン
ス パ ッ タ で 作 製 し た 70 周 期 の Mo / Be 多 層 膜 で も 波 長

11.34 nm で 70.2 の直入射反射率を実現している5) 。 Beを用いた多層膜は Si L 吸収端の高エネルギー側で反射ピークを最大にできるので Si プロセスにとって極めて好都合であるが，毒性の問題も無視できない。
上述の 100 eV 領域に比べ，それより短波長側では界面粗さによる反射率の低下が深刻になり，従来は目立った成果は少なかった。しかし，近年顕著な進展が見られるようになったのは特筆に値する。マグネトロンスパッタで作製した全 150 周期の Cr / C 多層膜は波長 6.42 nm で直入射反Figure 2. Re‰ectance spectrum of a Cr/Sc multilayer deposited byion beam sputtering.

射率18.9を達成した6)。同様に，6.1 nm では CoCr/C 多層膜によって 16.1 が達成された。 B K 吸収端の短波長側ではそれまで 10 にも達していなかったことを考えると格段の改善である。これらの多層膜開発の動機はレーザープラズマを光源にして XPS を実施することであり，多層膜をコートしたシュバルツシルト鏡を用いて広い立体
角で軟 X 線を集光するのである。
軟 X 線顕微鏡の大きな目標は水の窓領域で生体細胞を自然の状態で観察することである。水の窓領域は波長で4.4 nm （ C K 吸収端）と 2.3 nm （ O K 吸収端）の間であり，ここでは C ，N や Ca の吸収係数が狭い範囲で鋭く変化するのに対して，水に含まれる O の変化はほとんど無Figure 3.

Schematic diagram of a programmable shutter system.

い。この効果によって生体中に含まれる元素のコントラス
ト像が得られるのである。最近，Sc L 吸収端（約400 eV）
を利用する Cr/Sc 多層膜によって顕著な進展が見られた。

変シャッター法である9)。Fig. 3 に示したように，シャッFig. 2 はイオンビームスパッタで作製した全 250 周期のの楔形で，蒸着レートが低い外周部
ターの形は頂角が 60°での分光反射率である7)。反Cr/Sc 多層膜の直入射角27.5°を配慮している。その頂角 2 等分線が蒸着基板の直径の射率のピークは3.12 nm で14.8を示している。これまで

真上（図の x 軸）を移動する。基板は一定速度で自転しての記録は 10.1 であった。なお，ごく最近では600 周期のいるものとすると，基板の中心から半径 r での設計膜厚とで 20.5 の反射率が報Cr / Sc 多層膜によって直入射角 17 °

実際の蒸着レートが与えられれば，シャッターの各位置で告されている8)。これはイオンアシストを用いたマグネトの開閉速度 [(x ) は原理的に計算できることに着目したもロンスパッタで作製したものである。

のである。この方法によって作製した一様膜厚の Mo / Si

. 膜厚分布制御

多層膜の周期長を評価した結果を Fig. 4 に青丸で示す。

結像光学系では光の入射角は同じ鏡面内では一定ではな

実線は設計値である。これは一様性の精度を PV 値で0.3い。したがって，波長と合わせるためには一つの多層膜内以内に制御できることを示している。示した例は一様膜

で周期長に変化をつける必要がある。軟 X 線の結像光学厚の実現を試みたものであるが，同方法は一般の膜厚分布系としてシュバルツシルト鏡が用いられる場合が多いのにも容易に対応できる特徴を持っている。

で，膜厚分布は回転対称性を持っているものとする。蒸着

. 反射率の広帯域化

基板は自転，あるいは公転するので，従来は基板と蒸発源

結像における高次の収差を解消するにはシュバルツシルの間にマスクを固定して膜厚分布を調整した。しかし，こト鏡のように複数の反射鏡を用いるのが一般的である。それではマスクの形状を試行錯誤で決めなければならず，その場合，反射波長幅が有限である多層膜は複数の反射鏡での上，蒸着物質によっても変える必要があるなど，精度とその反射ピークが完全に一致する必要がある。しかし，能率の点から問題が多かった。この問題の解消を目指すの

Fig. 1 と 2 を比較してもわかるように，反射幅が狭くながシャッターの開閉速度をコンピュータで制御する速度可

る短波長用の多層膜ではこの点が深刻な問題になってく

放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5 ● 271

軟 X 線干渉型顕微鏡等の光学装置の類と，多層膜を定在波生成素子として利用した研究を取り上げる。これらの応用が大いに進んだのは 1 章でも述べたように， Mo / Si 多層膜等の実用的な反射率が達成されたことがばねになっている。なお，多層膜の偏光特性を利用した Fe の軟 X 線ファラデー回転の研究11) や多層膜回折格子を利用した偏光分光計12) ，あるいは透過型多層膜の作製と応用1315) などについては紙数の制約で取り上げないのでそれぞれの参考
文献を参照してほしい。また， 100 eV 以下の領域では光学定数が不備なのと，もともと物質の吸収が大きいため，
意外にも高反射率多層膜の実現は苦戦を強いられている。
その中で，レーザーによる高次高調波光発生のための光学素子として多層膜が期待されている。研究の進展に注目したい。
Figure 4. d-spacing vs. radial distance evaluated for a Mo/Si multilayer (solid circles).

. 顕微光電子分光計
前から触れているシュバルツシルト光学系は凹面鏡と凸面鏡を組み合わせたもので，両者の球面中心をわずかずらすことで高次の収差を除くことができる。 ELETTRA の顕微分光ビームラインには高分解能光電子分光実験用に多層膜をコートしたシュバルツシルト対物鏡が設置されている16) 。試料上でのビームサイズは 0.5 mm である。対物鏡
は中心エネルギーが74， 95 および110 eV 用の 3 種類で，前 2 者は Mo / Si 多層膜で，後者は Ru / B4C 多層膜でコートされている。 95 eV の対物鏡の透過率は 25 である。

Fig. 6 は MBE で成長させた p-n GaAs 人工格子の断面の顕微像であり，試料を走査して得たものである。このうち，Fig. 6(a)と Fig. 6(b)は分析器のエネルギーをそれぞれ n型と p 型の GaAs の Ga 3d ピークに合わせて観察したもFigure 5. Re‰ectance spectrum measured for a Mo/Si multilayer
with an aperiodic structure (open circles) and calculated one (solid
curve).

のである。n-GaAs 層は(a)では明るく，（b)では暗くなっている。Fig. 6 (c )は(b)から(a )を引いたもので，像のコントラストはより明瞭になっている。また，見てわかるよ
うに，0.25 mm の層が解像されている。
. EUVL 縮小投影露光る。まして 2.2 節で述べたように入射角の変動の問題もあ70 nm から 30 nm の精度が要求される次世代の超 LSIるので，透過率の低下やムラが容易に発生し得る。このたでは真空紫外リソグラフィー（EUVL）が最も期待されて

め，広い入射角範囲に対して高い反射率を維持することがいる。 EUVL の中心をなす技術が多層膜反射鏡を用いた可能な非周期構造多層膜の実用化が不可欠である。Fig. 5

縮小投影露光法である。 Fig. 7 はニュースバルに設置さは膜厚最適化ソフトによる設計に基いてイオンビームスパ

れた EUVL 露光装置である17)。放射光で照射されたマスッタで作製した Mo/Si 86 層膜について評価した結果を示

クのパターンは Mo/Si 多層膜をコートした M1，M2 およ

している10) 。半値幅で約 0.9 nm の広い反射帯を実現してび M3 の反射鏡系でウェハー上に1 /5 に縮小して結像されいる（Fig. 1 と比較）。ピーク反射率は計算値の63に対る。システムの開口数は 0.1 である。 3 枚のミラー基板はして実測値で 50 である。これは成膜条件を最適化すれいずれも非球面で，形状誤差は 0.58 nm ，表面粗さは 0.3

ば大幅な改善が見込める。ここでは半値幅の広い Mo / Si

nm である。多層膜周期の場所による分布は制御されてお多層膜で実証したが，非周期多層膜による広帯域化は短い

り，ピーク反射率は 1 枚の多層膜で波長13.5 nm に対して波長においても実用化の可能性は十分あると考えられる。

65 が達成されている。マスク上の照射領域は30 mm ×1

.

× 28 mm の面積が可能である。 Fig. 8 が同装置によるパ

mm であるが，ウェハーと同期して走査することで30 mm
軟 X 線多層膜の応用

ここでは例として，シュバルツシルト対物鏡を用いた顕

ターン転写の例である。40 nm の孤立パターンが解像され微光電子分光計，リソグラフィー用縮小投影露光光学系，ているのがわかる。この数値は当初の目標をクリアしてい272 ● 放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5

解説 ■ 多層膜研究の現状

Figure 6. Cross-sectional image of an MBE-grown p-n GaAs superlattice obtained by sample scanning. The two top images are obtained by tuning the energy analyzer at the Ga 3d peak of (a) n-type
GaAs and (b) p-type GaAs. Image (c) is the diŠerence between the
two top images (from Ref. 16).

Figure 9. Schematic diagram of a soft X-ray Mirau interferometricmicroscope (from Ref. 18).

一つがマスク基板上にある凹凸による多層膜の盛り上がりに起因する位相欠陥である。この検査法として有望なのが，実際に用いる軟 X 線によってマスクパターンを拡大して観察し，位相欠陥を同時に観察する位相差顕微鏡である18) 。 Fig. 9 に装置の概略図を示す。系は照明光学系，顕微鏡光学系，ミロー干渉計，試料ステージ，像観察用
ズーミング管からなる。反射および透過部はすべて波長13 nm に対応した Mo /Si 多層膜である。顕微鏡はシュバ
ルツシルト光学系で，拡大率15倍，開口数0.13とした。これより回折限界は50 nm になる。シュバルツシルト対物鏡と被検査試料との間にビームスプリッターと，さらにそれに関して試料と対称の位置に参照原器である多層膜ミラーを配置してミロー型干渉計を形成している。参照原器はピ
Figure 7. Schematic diagram of a EUVL laboratory tool installed
at New SUBARU (from Ref. 17).

エゾステージにより微調整でき，これによって試料との光路差，すなわち位相差を変化させ，高さ方向に関する位相
情報を高分解能で得ることができる。Fig. 10 には作製した模擬欠陥の試料で偶然見つかった実欠陥の例を示す。直径が 3 mm 程の黒丸の分布がその実欠陥である。同じ部分
を光学干渉顕微鏡で見たのがその右の図である。コントラ
ストは軟 X 線を用いた方が格段に優れていることを示している。これらの段差は 6.5 nm 程度と見積もられるが，多層膜を付ける前のパターニングプロセス中にできたマウ
ンド状の欠陥と見られる。
. 軟 X 線定在波 MCD
定在波法は X 線では表面および深さ分析の一つとしてよく知られた方法である。一方，軟 X 線では結晶に代わFigure 8.

A mask pattern (left) and its replicated pattern (right).

り多層膜が定在波生成の役割を担うことになるが，発展はこれからである。ここで紹介するのは，定在波によってCo 薄膜の中心と界面とにおいて磁気円二色性（MCD）にる。

明らかな違いが観測された例である19) 。用いた多層膜は

. 軟 X 線干渉型顕微鏡

Fig. 11 (b )に示したように，周期が 3.89 nm の W /B4C 全

EUVL にはまだ多くの技術的課題を残している。その40 周期膜の上に Pd (2.08 nm )/Co(1.91 nm )/Pd (1.04 nm )放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5 ● 273

Figure 11. Calculated re‰ectivities are shown at the Co L3 line vs. q
in (a). Standing waves vs. depth, z are shown in (b). The standing
waves are calculated at q values indicated by the same symbols(from Ref. 19).

Figure 10. Micrographs of unprogrammed phase defects: (a)taken with the soft X-ray microscope and (b) taken for the same
area with an optical microscope in the diŠerential interference contrast mode (from Ref. 18).

3 層膜を蒸着したものである。ここで Co 層は下地の B4C層と光学的に同位相になる構造である。下地の W /B4C 多層膜は定在波生成層であり，定在波をほとんど支配する。
それに比べ，上の 3 層膜はわずかに摂動を与えるだけである。 Fig. 11 ( a )にはこの多層膜の Co L3 における反射率を散乱ベクトル q＝ 4p sin u/ l に対して計算したものが示されている。ここで u は斜入射角，l は入射波長である（挿入図参照）。反射率曲線上に付けた三角などの各記号に対応する q について計算した定在波の様子が(b )図中に同
じ記号によって示されている。定在波の腹と節のコントラストが最大のとき，腹は Co と Pd の境界付近にある。このときはちょうどブラッグの反射条件が満たされるとき

Figure 12. Determined values of nh, m Se, m L, and m L/mSe vs. q(from Ref. 19).

で，反射率も最大になる（（ a )図で q＝0.17）。また，q が小さくなるにつれて腹の位置は Co 層の中に移っていく。
（ a )図に示したように，q の値によって定在波の腹の位置

挿法によって q が一定，すなわち Co 層の特定の深さにつが決まる。 Co L2, 3 吸収端での全光電子収率による MCD

いての MCD スペクトルが得られる。このスペクトルの解測定は，波長 l の入射円偏光に対して外部磁場が平行お析から得られた Co d ホールの数 nh とスピン，軌道磁気

よび反平行の場合について u を走査して行った。いくつか

モーメント， mSe ，mL ，およびそれらの比 mL /mSe を q にの l に対する u の走査で得られる一連のデータから，内対 し て プ ロ ッ ト し た の が Fig. 12 で あ る 。 こ れ よ り nh,

274 ● 放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5

解説 ■ 多層膜研究の現状

mSe, mL の三つの量は界面領域に強く局在していることがである（実線）。これより界面については，成膜当初の Siわかる。この例は，わずか 1 nm に亘って界面における磁層 は 残 っ て お ら ず ， 厚 さ 0.7 nm の FeSi2 層 を 0.5 nm の気的性質の変化を初めて直接示したもので，表面付近の深Fe3Si 層がはさむ構造になっていることがわかった。このさ分解物性評価に多層膜を用いた軟 X 線定在波法が有望結果をもとに，層間結合を媒介しているのは絶縁体，若しであることを示している。

くは半導体的な FeSi2 であり，量子波干渉モデルが妥当であることも明らかにされた21) 。軟 X 線発光分光は埋もれ.

多層膜界面の評価

た界面の化合物の同定と，その厚さを 0.1 nm の精度で評

多層膜の性能を最も左右するのが界面の急峻性である。

価するのに有用な手段である。

しかし，現実には界面では相互拡散が起こり，1 から数原子層の拡散層を形成する。その拡散層の厚さが界面粗さと.

硬 X 線多層膜スーパーミラーの製作と評価同等の場合もあり，特に短波長用多層膜では深刻な問題に

X 線のエネルギーと全反射の臨界角（ここでは反射面なる。拡散の制御には界面層の情報が不可欠である。多層に対する斜入射角で定義）は逆比例の関係にあり，反射面

膜に限らず界面に対してはデバイスをはじめ新たな機能発， 50 keV で 0.1 °とに金を用いた場合には， 10 keV で 0.5 °現の場として期待が益々高まっている。この面からも界面なり，硬 X 線領域（10100 keV ）では効率のよい実用的を正しく理解することが重要である。しかし，界面はバルな全反射ミラーの製作が難しくなる。そこで，臨界角より

クに埋もれており，その物性を非破壊的に評価することは大きな斜入射角において高い反射率を得るためには，ブラ容易でない。軟 X 線発光（蛍光）分光法は，軟 X 線の侵

ッグ反射を利用した多層膜ミラーが考えられるが，周期長入深さ（脱出長さ）が数10 nm から数100 nm であるのと，一定の多層膜ではエネルギー帯域が極端に狭くなる。それ

軟 X 線発光は価電子帯の部分状態密度を直接与える特徴を克服するために，周期長を可変にした多層膜スーパーミを利用したものである。特に後者は同じ原子でも化学結合ラーの開発が進められている。即ち，一定の斜入射角に対状態によって敏感に変化するので，いわば物質の指紋になして入射する X 線のエネルギー帯域を広くするため，ブっている。例えば，マグネトロンスパッタで作製した Mo

ラッグ条件に対応して周期長の異なる多層膜を反射面に順(3.4 nm)/Si(1.2 nm)多層膜について測定した Si L2, 3 発光

次積層する方法である。硬 X 線領域では光電吸収の寄与

スペクトルを Mo3Si とアモルファス Si の発光スペクトルが小さくなり，この方法が有効となる。詳しい設計法は文を用いてカーブフィッティングした結果では，拡散層は厚献 1 や 22 を参照されたい。原理的には，斜入射角 u と X

さが約 0.8 nm の Mo3Si と見積もられた20) 。同様の結果は線エネルギーが与えられると，ブラッグ条件により周期長Si 層の厚さが異なる多層膜についても得られている。こd が決定される。積層数 N は多層膜中での X 線の侵入深の方法は化合物の種類が複数ある系にも適用できる。Fig.

さと周期長の比からその最大値が求められる。ブラッグ反

13 は反強磁性結合した Fe ( 3.0 nm )/ Si ( 1.3 nm ) 磁性多層射の各次数のピーク反射率と帯域幅は 1 層の重元素の厚膜からの Si L2, 3 発光スペクトル（白丸）を Fe3Si,

FeSi,

さと周期長の比 G にも依存する。このような多層膜ミFeSi2, a-Si および SiO2 の発光スペクトルで計算したもの

ラーの反射の特徴を踏まえ，目的に応じた多層膜スーパーミラーを設計することができるが， d ＞ 2 nm ， u ＝ 0.1 
が実用的な限界となる。多層膜スーパーミラーでは，
0.5°
低いエネルギーの X 線は上部に積層した多層膜によって，高いエネルギーの X 線は下部の多層膜によって反射されるため，最小の積層数で最大の反射率とエネルギー帯
域を得るような最適化が不可欠となる。多層膜による X
線の反射は干渉を利用しているため，位相をいかに制御するかが重要になる。その条件は，積層されたそれぞれの多層膜について Nd＝一定とすることである。
硬 X 線望遠鏡に用いる Pt/C 多層膜スーパーミラーの X
線エネルギーに対する反射率の実測値と計算値を， u ＝， 0.201 °， 0.295 °の 場 合 に つ い て Fig. 14 に 三 角
0.125 °
形，正方形，円で示す。それぞれの反射面に積層されている多層膜（ d (nm ）， N （組））は，最外層から基板面に向かって（13.0, 1) (8.0, 1) (7.1, 3) (6.3, 4) (5.8, 6) (5.0,

Figure 13. Si L2, 3 ‰uorescence spectrum from a Fe/Si multilayer(open circles) and a ˆtting result using the spectra of Fe3Si, FeSi,
FeSi2, amorphous Si, and SiO2.

10), (10.6, 1) (6.6,1) (6.0, 4) (5.1, 7) (4.5, 8) (4.0, 9)(3.6, 11)及び(5.8, 2) (4.5, 5) (3.8, 8) (3.4,12) (3.1, 16)(2.9, 20)である。これは多層膜の種類を最小にしたときの放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5 ● 275

Figure 14. Measured re‰ectivities of a Pt/C multilayer supermirrors vs. X-ray energies at grazing angles of 0.125°(triangle),
0.201°(square), and 0.295°(circle). Dashed curve is re‰ectivity calculated for supermirrors as mentioned in the text with s＝0.3 nm.

Figure 15. Re‰ectivity of X-ray energy of 32 keV vs. grazing angle
for Pt/C multilayer supermirrors with (d(nm), N(layer pairs))＝(4.7, 1) (4.6, 1) (4.5, 1) (4.4, 1) (4.3, 1) (3.8, 8) (3.4, 13) (3.2,
18) (3.0, 25). Solid curve: measured at SPring-8, dashed curve: calculated with s＝0.38 nm.

ブラッグ反射の 1 次光による反射率とエネルギー帯域のに成膜するために，基板の前にパターン化されたマスクを最適値である。u が大きくなるに従って全反射の寄与が小設置する。上下方向では長さ10 cm の範囲で多層膜の周期

さくなり，反射率が減少するとともにエネルギー帯域が狭長の均一性は 2 以内に保たれている。この装置によりくなる。更に，高エネルギー側にエネルギー帯域を延ばす

円錐形状の薄板レプリカミラーの内面に成膜することも可には，多層膜の種類を増やして周期長を小さくする方法と能である。多層膜スーパーミラーは周期長と積層数を順次

ブラッグ反射の 2 次光を利用する方法があるが，積層数変えていく必要があるため，パラメーターの設定および基が極端に増加する。実際に得られる反射率は界面粗さ s

板の移動はコンピュータで自動制御され，大量生産も可能

によって減少し，その割合は近似的に exp [－(2pms/d)2]である。

（Debye-Waller 因子）で表される。界面粗さは物質の組合製作された多層膜スーパーミラーの性能は X 線反射率

せ，基板の表面粗さや成膜法に依存するが，超平滑な基板散乱測定をすることにより評価する。 X 線発生装置か（s＝0.1 nm）に成膜した場合でも Pt/C の組合せでは0.2 らの特性 X 線（Cu Ka, W La, Mo Ka）を 2 結晶分光器で0.3 nm （rms）となる。これが多層膜の限界と思われ，周単色化し，測定された反射率の角度依存性を設計値と比較期長が短くなるに従って反射率への界面粗さの寄与が大きして周期長や界面粗さを導出する。硬 X 線領域（ 10 50

くなる。コロンビア大のグループは 100 200 keV のエネ

keV）では，連続成分をエネルギー分解能の良い CdZnTe

ルギー領域で高い反射率を得るために W /SiC 多層膜スー

半導体検出器（30 keV で DE/E＝5）を用い，斜入射角

パーミラー（ d ＝ 1.766 1.098 nm, N ＝ 1100 ）の開発を進を一定として入射光と反射光の強度を測定し，その比からめており，s＝0.26 nm の値を得た23)。

反射率を求める。 Fig. 14 に示した多層膜スーパーミラー

多層膜スーパーミラーの成膜そのものは確立した技術との反射率の計算値は界面粗さを 0.3 nm とすると実測値となってきたが，目的に応じた成膜装置の開発が必要とな良く適合する。また， SPring-8 を利用して 20 50 keV のる。例えば，名大が開発している X 線望遠鏡に用いる鏡エネルギー領域で単色化された硬 X 線による反射率の測面基板は，円筒に近い円錐（曲率半径 6 20 cm ，長さ 10定も行っている。 Fig. 15 に X 線エネルギー 32 keV での）を 4 分割した形状であり，0.1 nm
cm ，傾き角0.1 0.35 °斜入射角に対する多層膜スーパーミラーの反射率の測定結の精度で層厚を制御しながら均一に成膜することが必要との範囲で30の反射率が得果を示す。斜入射角0.250.37°なる。そこで，DC マグネトロンスパッタリングとイオンられている。

ビームスパッタリング法を用いて，最大で曲率半径 25X 線散乱測定では，特性 X 線を用いて斜入射角を一定

cm ，長さ 20 cm の円筒状基板の内面と外面に成膜できるとして反射 X 線のビームプロファイルを求める。これに装置を開発した22) 。円筒状のガラス母型あるいは鏡面基より表面界面の粗さ及び反射面の形状を調べることがで板を自転と公転することにより交互に Pt と C を積層すきる。また，AFM や STM による表面粗さの測定や光学る。成膜中の真空度は0.11 mTorr で，成膜レートは物質

式の 3 次元形状測定装置による表面形状の測定を行い，Xに依存し，0.01 0.1 nm /sec である。層厚はシャッターの線測定の結果と比較して問題点の検討を行っている。多層開閉時間と基板の回転速度で制御する。大きな面積に均一

膜の界面粗さは X 線反射率の低下の割合から求められる

276 ● 放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5

解説 ■ 多層膜研究の現状

Figure 17.
scope.

Thin Al-foil replica supermirrors used for X-ray tele-

ため，鏡面形状を保持しつつ薄板化することが必須となる。Astro-E2 衛星（2005年 2 月打上げ予定）搭載の X 線望遠鏡の開発の中で確立してきたレプリカ技術が有効である26) 。厚さ 0.15 mm のアルミフォイルを基板として，金型で円錐形状に成形し，単一膜あるいは多層膜を成膜した円筒状のガラス母型にエポキシ樹脂で接着する。硬化後，機械的に離形すると薄板レプリカミラーができ上がる。全Figure 16. Partly enlarged cross-sectional view of a Pt/C multilayer supermirror with (d, N)＝(5.6, 3) (4.4, 4) (4.1, 3) (3.7, 10)(3.4, 15) observed by TEM (from Ref. 25).

体形状は円錐であるが，反射面の平面度と表面粗さはガラ
ス母型を転写している。この際，問題となることは母型の形状精度と離形の方法であり，それによってレプリカミ
ラーの形状精度が決まり，その結像性能は 1 分角程度となる。 Au ， Pt の単一膜と多層膜では離形の難しさが違が，これは単に一つのパラメーターで実験結果を説明したう。明らかに単一膜の方が容易であるため，先に単一膜のものであり，界面構造の理解には十分とは言えない。界面

レプリカミラーを作製し，その上に多層膜を成膜する方法の粗さは幾何学的な形状の凹凸の分布と 2 つの物質の密も試みた27) 。その場合，成膜時のエポキシ樹脂への熱損

度変化が関与していると考えられる。 Pt 層上の C 層と C

傷が多層膜の性能を劣化させることがある。 Fig. 17 に硬層上の Pt 層では界面の粗さは必ずしも同じにはならな

X 線望遠鏡用に製作したアルミ薄板を基板としたレプリ

い。さらに詳しく界面構造を解析するため， Mo Ka 特性

カミラーを示す。曲率半径 6 20 cm ，長さ 10 cm ，厚さX 線（ 17.5 keV ）を用いてブラッグピークの近傍で Pt / C

0.17 mm の円錐を 4 分割した形状の Pt/C 多層膜スーパー（ d＝4.3 nm, N＝ 20）の斜入射角に対する反射率と蛍光 X

ミラーである。

線（Pt La, 9.4 keV ）の強度（蛍光収率）を測定した。そその他に，これまでの X 線天文衛星に搭載された 0.1 の結果，Pt/C では s＝0.45 nm ，C/Pt では s＝0.29 nm，

10 keV のエネルギー領域で高い感度を持つ X 線望遠鏡のPt 層の密度はバルクの 98 ，平均的な C 層での Pt の混

鏡面基板の製作には二つの方法がある。アメリカの Chan-入の割合は 5 などの値が得られた24)。

dra 衛星（口径 120 cm ，焦点距離 10 m ，斜入射角 0.45 

さらに，多層膜スーパーミラーの構造評価をするため，ミラー 4 枚）では厚さ 2 3 cm のゼロデュアを直0.95 °に，透過型電子顕微鏡（TEM ）による観察を行った25)。

接研磨した鏡面基板を用い，集光力を犠牲にして解像度のシリコン基板上に Pt/C 多層膜を表面から基板面に向かっ極限を追求し，0.5秒角（HPD: half power diameter）を達て（d(nm），N（組))＝(5.6, 3), (4.4, 4), (4.1, 3), (3.7,

成した28)。この方法は，硬 X 線望遠鏡では極端に有効面10 ) , (3.4,15 )の順で G ＝ 0.4 として成膜した。高倍率で観積が小さくなるため不適である。そこで，コロンビア大の察した結果を Fig. 16 に Pt 層は黒， C 層は白で示す。ほグ ル ー プ は ， 厚 さ 0.3 mm の マ イ ク ロ シ ー ト ガ ラ ス

ぼ設計値に対応した構造となっており，C 層は非晶質であ（ Schott AF 45, D 263 ）を熱成形することにより薄板化

り， Pt 層は多数の微結晶から構成されていることがわかを試み，表面粗さ 0.35 nm を達成した29) 。ヨーロッパのる。界面構造は Pt 微結晶のサイズ，形状及び配向性に依

XMM-Newton 衛星（口径70 cm，焦点距離7.5 m，斜入射存していると考えられる。

，ミラー58枚）では，電鋳法で作製したニッ
角0.300.67°
ケル薄板レプリカミラー（厚さ 1 mm）を採用して，集光.

薄板鏡面基板の製作
硬 X 線望遠鏡に用いる鏡面基板は極端な斜入射である力の増大と解像度（10秒角（HPD））の向上を図った30)。
この方法を利用してマーシャル宇宙飛行センターではイリ

放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5 ● 277

ジウムを反射面として，厚さ 0.5 mm のニッケル薄板レプ
リカミラーを開発し，全反射による硬 X 線望遠鏡の開発を進めている31)。
.

多重薄板硬 X 線結像光学系

X 線望 遠 鏡 に は回 転 放 物 面と 双 曲 面 から な る ウォ ル
ター I 型斜入射結像光学系が用いられ，その性能は集光力（有効面積），解像度（結像性能）とエネルギー帯域の三つの要素で表される。それらは，斜入射角（口径と焦点距離の比），鏡面基板の厚さ長さと形状，更に，反射面の物
質と構造（単一膜による全反射，多層膜によるブラッグ反の場合には，全反射）に依存する。例えば，斜入射角0.5°
射ではエネルギーの上限は10 keV となるが，多層膜を用いればそれを 2 3 倍拡大することが可能になる。極端な斜入射であるため，集光力の増大には鏡面基板の薄板化が必須となる。このような制約条件を考慮すると，硬 X 線
望遠鏡には多層膜スーパーミラーを用いた多重薄板斜入射結像光学系が最適と思われる。しかしながら，前節で述べたようにアルミ薄板を基板としたレプリカミラーでは，非球面形状を保持することが難しいため，長さを短くして円錐形状とする。これらを同心円，共焦点配置に設置し，開口効率が最大になるように組み込むことにより多重薄板円
錐近似 X 線望遠鏡を作製する。原理的な結像性能は 10 秒
角となるが，基板の形状精度が十分でないため，実際には

30 秒角程度が限界となる。鏡筒は 1 段目（ primary ）と 2段目（secondary ）に分けられるが，レプリカミラーの製作と多層膜の成膜法を考慮して，それぞれを円周方向に 4分割（quadrant）した 8 個のユニットから構成される。望遠鏡の口径 40 cm ，焦点距離 8 m ，鏡筒の長さ 10 cm とす
ると，一つのユニットには255枚の多層膜スーパーミラー

Figure 18. (a) Quadrant of hard X-ray telescope assembled withthin Al-foil replica supermirrors. (b) Fully assembled X-ray telescope with four quadrants.

が組み込まれ，望遠鏡全体では 2040 枚となる。 Fig. 18(a)に 1 段目と 2 段目のユニットを組み上げた quadrant，Fig. 18(b)に硬 X 線望遠鏡全体を示す。
Fig. 18 ( a )に示した望遠鏡の quadrant に光軸に平行に

天体 Cyg X 1 の 20 40 keV での撮像観測に世界で初めて成功した33)。

Cu Ka 特性 X 線のペンシルビームを入射させ，全面を走

天体の硬 X 線撮像観測は，アメリカでは NASA マーシ

査したときに得られ焦点面像を Fig. 19 に示す。望遠鏡のャ ル 宇 宙 飛 行 セ ン タ ー （ MSFC ） を 中 心 と し た HERO

1/4ユニットであるため，蝶々形の像となっている。望遠(High Energy

鏡全体では結像性能として2.4分角（HPD ）の値が得られCaltech を中心とした HEFTた。 X 線 のエネル ギーを変え て同様な測 定を行い ， 30

Telescope )29) の二つの気球実験計画が進められている。

Replicated Optics)31)とコロンビア大と(High

EnergyFocusing

keV で 50 cm2 の有効面積が得られた。この値は個々のミ

HERO では，全反射を利用した硬 X 線望遠鏡を気球に搭

ラーの反射率測定から得られた界面粗さの平均値0.38 nm

載して，有効面積は 4 cm2 であったが， 8s レベルで Cyg

を用いて計算した値の 60 に相当する。この減少の割合

X 1 の硬 X 線像を観測した34) 。今後，これらのグループ

は界面粗さによるものではなく，ミラーの形状精度と組みとの競争が展開されるであろう。何れも 2010 年以降の X

込み精度に依存していると解釈される32)。この硬 X 線望線天文衛星への搭載を目指しており，アメリカでは Con-

遠鏡を搭載した気球実験は，名大と NASA ゴダード宇宙

stellation-X ，ヨーロッパでは XEUS ，日本では NeXT 計

飛行センター（GSFC）との共同研究 InFOCmS (Interna-

画が進められている。

tional Focusing Optics Collaboration for mCrabSensitivity)

多層膜スーパーミラーを用いた硬 X 線結像光学系とし計画として， 2001 年 7 月 5 日にアメリカ，テキサス州，ては， X 線顕微鏡の開発が大きな課題である。今後，医パレスタインの気球実験場で行われ，ブラックホール候補

用診断，非破壊検査等の新たな計測システムの創成に向け278 ● 放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5

解説 ■ 多層膜研究の現状

2)
3)

4)

5)

6)

7)
8)

9)
10 )

Figure 19. X-ray image of a quadrant observed at the focal planewith Cu Ka (8.04 keV).

11)
12)

て進展していくものと思われる。
.

13)

14)

まとめ
多層膜の開発と応用に関する研究の最近の進展を解説した。取り上げたトピックスについては基礎研究と応用とでバランスを取ったつもりであるが，紙数の制約で取り上げ15)なかったものも多々あることをご了解頂きたい。軟 X 線
多層膜でのハイライトは，これまでは高反射率は困難と思16)われていた水の窓領域で Cr / Sc 多層膜によって 20 の実
用的な反射率が達成されたことである。また， Mo / Si 多17)

層膜の高反射率に支えられて応用研究が目覚しく進んだこ
とも特筆に値する。硬 X 線では多層膜スパーミラーの開18)発と応用を中心に述べた。スーパーミラーは硬 X 線領域

19)ではかなり確立された技術として定着しつつある。応用では天体観測用硬 X 線望遠鏡に力点を置いたが，これは実20)

際に気球に搭載され，ブラックホールと考えられる天体の21)

最初の硬 X 線撮像観測に利用された。将来は衛星に搭載
し，より鮮明な画像を得るプロジェクトも着実に進んでいる。
本稿をまとめるに当たって，木下博雄教授（姫工大高度

22 )
23)

研）白石雅之博士，小宮毅治博士（以上ニコン），羽多野
忠博士，山本正樹教授（以上東北大多元研），及び國枝秀世教授（JAXA宇宙研），難波義治教授（中部大工），小賀坂康志博士，田村啓輔博士（以上名大院理），及び田原譲教授（名大エコトピア研）に貴重な助言と援助を頂いた。

24)
25)
26)

ここに厚く謝意を表する。
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放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5 ● 279

28)
29)

30)

31)
32)

33)

34)

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著者紹介

柳原美広
東北大学多元物質科学研究所教授
E-mail: m.yanagi＠tagen.tohoku.ac.jp
専門軟 X 線光学，軟 X 線分光学

略歴1982 年高エネルギー物理学研究所非常勤講師， 1984 年東京都立大学理学部物理学科助手， 1987 年東北大学科学計測研究所助手， 1994 年同助教授を経て 2004 年より現職。
多層膜素子を中心にした軟 X 線光学の基礎技術の開発とそれらの軟 X 線分光学，顕微分光学への応用に従事。

山下広順
名古屋大学理事副総長
E-mail: yamasita＠u.phys.nagoya-u.ac.jp
専門X 線天文学，X 線光学

略歴1968 年 3 月名古屋大学大学院理学研究科博士課程（物理学専攻）修了，理学博士。名古屋大学理学部助手，大阪大学理学部助教授，宇宙科学研究所教授，名古屋大学理学部（大学院理学研究科）教授を経て，2004年 4 月より現職。

Present status of the studies of multilayers for soft and hard X-rays
Mihiro YANAGIHARA
Koujun YAMASHITA

Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University
211 Katahira, Aoba-ku, Sendai 9808577, JAPAN
Nagoya University Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 4648601, JAPAN

Abstract
Recent progress in the studies of multilayers for soft and hard X-rays is reviewed. Re‰ectance of about 20 hasbeen recently achieved by a Cr/Sc multilayer at a wavelength of 3.1 nm in the water window region. As applications of the soft X-ray multilayers, a spectromicroscope with a multilayer-coated Schwarzschild objective, a soft
X-ray microscope with a Mirau interferometer, a laboratory tool for soft X-ray projection lithography, and a standing wave generator for depth-resolved MCD study are described. The former three are motivated by the high re‰ectance of Mo/Si multilayers in the 13 nm wavelength region. Then development of Pt/C hard-X-ray multilayer supermirrors and their application to a hard-X-ray telescope is described. It was on board a balloon, and provided theˆrst hard X-ray image of a black hole candidate in the 2040 keV band.

280 ● 放射光 Sept. 2004 Vol.17 No.5