透過型回折格子による軟 X 線分光
初井宇記要旨分子科学研究所総合研究大学院大学〒4448585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38

近年の微細加工技術薄膜製造技術の進歩により，軟 X 線領域で使用できる高精度な透過型回折格子が製作可能になってきた。これに伴い，透過型回折格子を利用できる範囲が広がってきている。そこで本稿では，光学設計からみた透過型回折格子の特徴と，実際に利用する際に重要となる製造方法，材質，構造の選択の基準について議論する。

1. はじめにかってきた。本稿ではまず，透過型回折格子の回折条件をまとめた上で，反射型回折格子と比べてどのような利点が軟 X 線領域の光を分光するためには，反射型回折格子あるのかを議論する。次に，実際に利用する際に重要となが広く用いられている。これはその名のとおり，光を反射る，製造方法材質構造について，どのような観点からすることと回折することの 2 つの役割を兼ねている。一

選択していくべきかを議論したい。

方，薄膜状の溝構造を持ち回折する役割のみを担うのが，2. 透過型回折格子の回折条件

今回紹介する透過型回折格子である1)。

X 線領域で透過型回折格子を利用するアイデア自身は，
1970 年代後半までさかのぼることができる。当初は，

まず，軟 X 線領域で透過型回折格子に必要とされる刻 試料から放出される X
光源からの X 線を単色化する2)，

線密度（ groove density ）を議論するために，角分散度線を分光計測する3,4) ，の 2 つの用途について研究されて（angular dispersion ）を見てみよう。透過型回折格子は，

 の用途では，反射型回折格子の優位性が確立いた。現在

反射型回折格子と同じく次式によって決まる回折を引き起され，透過型回折格子はほとんど利用されていない。一こす（Fig. 1）。

 の用途では，本稿で紹介するような小型軽量，小方，

sin a＋sin b＝ml/d

さな defocus 収差といった利点があるため， 1990 年代に(1 )なり X 線天文衛星の分光素子として真剣に検討され，開a, b はそれぞれ入射角，出射角である。ただし，回折格子発研究が進んだ5)。プラズマやシンクロトロン放射によっの法線から反時計回りの向きを正と定義するので， Fig. 1て放出される X 線は宇宙に関する貴重な知見を与えるもの配置では a＞0，b＜0 である。d は回折格子の格子周期，のとして重要であるが，詳細な議論には高いエネルギー分(＝ l ＋ Dl ) の二つm は回折次数である。ここで， l と l ′解能が欠かせない。 1999 年に NASA によって打ち上げらの波長の入射光を分光したい場合を考える。このとき，回れた X 線天文衛星 Chandra は，透過型回折格子を利用し折光の出射角はそれぞれ b と b ＋ Db である。光学素子のた大規模な X 線分光システムである。刻線密度5000 lines

製作誤差や光源点の大きさなどによって決まる出射角のボ/mm の透過型回折格子（High-Energy Transmission Grat-を分離すること
ケよりも Db が大きなときに初めて l と l′ing, HETG）を利用して 2 keV 以下の領域ではエネルギーが出来る。従って，角分散度 D＝&b/&l が大きいほうが高分解能（E/DE）1000を達成しており，現在も着実に成果い波長（エネルギー）分解能を得やすい。a を一定としてをあげている6)。また，小規模のプラズマや核融合研究用(1)式を微分すると，の大規模実験施設においても X 線発光は重要であること

D＝&b/&l＝m/(d cos b)に変わりはなく，現在では反射型だけでなく透過型の回折格子も用いられている7)。しかし精度の高い透過型回折格＝d子の製作は困難であるとされ，エネルギー分解能 1000 以下の用途に限定されていた。
我々は，透過型回折格子を利用した軟 X 線発光分光器

m(ml－d sin a)21－d2(2a)(2b)となる。

開発を行っている8)。そのなかで，共同研究者の努力によ

ここで，一定の角分散度が必要な場合に刻線密度 G(＝り高精度の透過型回折格子製作が可能になり，エネルギー1 / d ) がどの程度の値になるか，透過型回折格子と反射型分解能が 4000 を超える分光実験にも利用できることが分回折格子について考えてみよう。反射型回折格子の場合，放射光 March 2006 Vol.19 No.2 ● 101(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation ResearchFig. 2Fig. 1

Geometry of diŠraction for transmission and re‰ection gratings with the groove period of d. In this geometry case, theangles a＞0 and b＜0.

Virtual Groove that facilitates to understand the origin of theangular dispersion diŠerence between the grazing-incidencere‰ection grating and the transmission grating.

射型回折格子の方が適しているが，それ以外の用途においては，軟 X 線領域においても透過型回折格子が現実の選択肢として考慮されてよいと考えられる。

Table 1a(deg.)

Groove Density, G corresponding to the Resolving Power(E/DE) of 10 000a)
Photon Energyb)(eV)

G for RGc)(lines/mm )G for TGc)(lines/mm)

3. 透過型回折格子の利点
透過型回折格子には一般にどのような利点があるのであ

80
84

74
99

684
659

2980
3987

ろうか。代表的な利点を下記に挙げる。

87470

2312

18930

小型軽量a) Energy resolving power for m ＝1 order under Db＝5 mrad condition. See text.
b) Photon energy, at which the gold coated mirror gives 50 re‰ection with incident angle a.
c) RG: Re‰ection Grating, TG: Transmission Grating

一定のビームサイズに対して必要な回折格子の大きさは，1/cos a に比例する。従って，直入射（a＝0）で利用できる透過型回折格子では，回折格子の大きさは（ a ＝で11 倍）小さくなる。また，反射型回折格子では反射85 °面の形状精度を担保するために数 cm の厚みが必要である

50 eV 以上の軟 X 線領域では反射率が低いため，入射角 aが，透過型回折格子では 1 mm 以下の厚みでよい。真空槽が90 °に近い斜入射配置が必要となる。ここでは，反射型等のコストが低減できることになる。大気圏外での衛星実の入射角 a を，金コートした鏡が反射率 50 を与える入験では，衛星の重量が打ち上げコストを大きく押し上げると射角として見積もりを行う。透過型については，a＝ 0°ので，軽量な透過型回折格子はコストを飛躍的に低減できする。 Db を 5 mrad としたときにエネルギー分解能（ E /る。

DE ＝ l / Dl ）が 10 000 となる刻線密度は Table 1 のようになる。この結果から，透過型回折格子は反射型回折格子の5～10倍の刻線密度が必要であることが分かる。これは，容易なアライメントアライメントについて考察するために，通常の軟 X 線斜入射配置の反射型回折格子の場合， X 線から見た刻線ビームラインのように入射位置と出射位置が固定された密度が実効的に高くなるためである（Fig. 2）。すなわち，（偏角 2K ＝ a － b が固定された）分光器を考えてみよう

斜入射にするのは反射率を上げるだけでなく，実効的な刻（ Fig. 3 ）。 回 折 格 子 の 回 転 角 q を 2q ＝ a ＋ b と 定 義 す る

線密度を上げるという目的もある。と，出射位置に到達する X 線の波長 l は式(1)より下式で現在では反射型の場合，2000 lines/mm 程度の回折格子が商業ベースで製作されている。また，研究開発段階のものとしては， 5000 lines / mm のブレーズ回折格子で 525

eV における絶対回折効率（ 1 次光）が 36.8 といったもの も 報 告 さ れ て い る 9) 。 透 過 型 の 場 合 で は ， 刻 線 密 度

10000 lines/mm の回折格子も製作可能になってきている。

Table 1 をみると， 100 eV 以下の低エネルギー領域では透過型回折格子でも高エネルギー分解能実験が可能な時代に与えられる。

Gml＝2 cos K sin q/(mG)(3 )q で微分すると&l 2 cos K cos q＝&q
Gm(4 )となる。q～90°の透過型回折格子では回転角がずれても，なってきたことが分かる。一方，軟 X 線領域でも 400 eVの斜入射回折格子でl にはほとんど影響がないが， q ～0 °以上の比較的高いエネルギー領域では，10000以上のエネは著しく変化する。従って，透過型ではアライメントが容ルギー分解能を得るのは時期尚早といえよう。従って，軟易であることが分かる。反射型では高いアライメント精度

X 線領域で究極のエネルギー分解能を目指すためには反が要求される反面，それを逆手に取ることで回折格子の回

102 ● 放射光 March 2006 Vol.19 No.2

実験技術 ■ 透過型回折格子による軟 X 線分光Fig. 4

Fig. 3

Focal position of 200 and 400 eV soft x-rays in the Rowland
mount with a spherical re‰ection grating (upper), and in theRowland torus mount with a transmission grating.

Rotation angle q for re‰ection (upper) and transmission
gratings.

れる。後者は，原理的に高エネルギー分解能が利用でき転による波長掃引が可能となる。

る。筆者らの軟 X 線発光分光器もこの類であり，エネル
ギー分解能4500が100 eV で得られている12)。

焦点距離の小さな波長依存性
回折格子から焦点までの距離は，一般に波長に依存する。これをローランド型分光器で見てみよう（ Fig. 4 ）。

4. 回折格子の構造と製造方法の選択―
利用者の立場から400 eV （ 3.1 nm ）の光を曲率半径 50 m の球面回折格子で分光する場合，発（刻線密度 1000 lines /mm ）で a ＝ 87 °透過型回折格子の構造には，回折格子自身が構造保持の光点から回折格子中心までの距離 r ＝ 2.6 m ，回折格子か役 割 を 兼 ね て い る 自 立 透 過 型 回 折 格 子 （ Free standing＝ 4.7 m となる。この分光器で 200ら結像面までの距離 r ′TG ）と，構造保持用の薄膜上に回折格子構造を製作した＝6.1 m とな
eV （6.2 nm）の光を分光しようと思うと，r′薄膜保持型透過型回折格子（Supported TG）がある（Fig.

る。従って，焦点位置は前後に1.4 m ずれる。このように5 ）。後者のほうが製造は容易であるが，500 eV 以下の領焦点位置が前後にずれることは一般に好ましくない。光軸域では薄膜による吸収が，無視できない回折効率の低下をに対し垂直の結像面を200 eV の焦点にもってくると，400もたらす。従って軟 X 線全域で利用する場合には，自立eV の光はぼけてしまい性能が出ない（defocus 収差）。現透過型回折格子が望ましい。一般に，構造を保持するため在の軟 X 線ビームラインでは，不等刻線間隔回折格子なの桟構造を導入することが多い。我々が採用しているのもどの利用により，この defocus 収差をなくすような光学配これである。

置が利用されている10)。
反射型と比較すると，透過型では defocus 収差はきわめ

透過型回折格子の回折効率は，溝幅（gap ）と格子周期（Period ）の比，格子の厚み，材質で決まる。一般に gap/て 小 さ い 。 透 過 型 回 折 格 子 の 刻 線 密 度 を 10000 lines /period ＝ 0.5 とすることが多いが，これは偶数次の高次回mm ，透過型回折格子から 0 次光の焦点までの距離を 3 m折光をなくすことができるためである13) 。実際には格子とすると， 200 eV と 400 eV の焦点距離はそれぞれ 2.994によって軟 X 線がほとんど吸収される場合には，強度回m ， 2.999 m となり，焦点 距離のずれは 5 mm に過ぎな折格子（amplitude grating）として働き，1 次回折光の絶い。このため，焦点面は回折光の進行方向とほぼ垂直にな対回折効率は理論的に 10 程度となる。重金属を材質とる。 多 波長 を 2 次 元 検出 器 で一 度 に検 出 する ポ リ クロして選択した場合に，このような条件が成り立つことが多メーターでは，特にこの特徴は有用である。また，焦点距い。また，金属の回折格子では VUV 紫外可視光は透離が特段の工夫なしにほぼ一定であるので，測定できる波過しないので，迷光フィルターとしても機能させることが長範囲が広い光学配置を容易に構築できる。

できる。一方，窒化ケイ素や窒化炭素といった比較的透過実際の利用例としては，スリットによって切り出した平率の高い材質を選択すると，格子を通過した X 線の位相行光を透過型回折格子に導くものと7)，前置鏡後置鏡でがずれるために，真空中を通過した X 線と回折方向で強収束させるものとが報告されている11) 。前者は，効率はめあうエネルギー領域がでてくる（位相回折格子，phase

低くまた高エネルギー分解能も得られないが，広い波長範grating ）。このエネルギー領域ではより高い回折効率を得囲を単純な光学系で測定できる。分光器のスループットのることができるが，材料に含まれる元素の吸収端近傍では校正もアライメント精度が要求されないため容易である。

回折効率が光エネルギーに大きく依存するので，使用目的例えばビームラインの高次光強度測定などの応用が考えらと製造の難易度を良く吟味して選択する必要がある。実際

放射光 March 2006 Vol.19 No.2 ● 103 には ，主 にドラ イエ ッチ ングと メッ キ法が ある17) 。 る。メッキ法では電気伝導性材料に限られる。ドライエッ
チング，メッキ法いずれもアスペクト比（厚み/溝幅）が大きくなると加工が難しくなる。それぞれの加工方法についても，様々なプロセスがあるので，微細加工を専門とす
 薄膜形成方法
る方々との綿密な打ち合わせが望ましい。

も考慮しなければならない重要な点である。軟 X 線用の透過型回折格子の場合は，シリコンウェハー上に格子形状を形成するだけでなく，シリコンウェハーをエッチングによって取り除き，薄膜に加工しなければならない。薄膜には一般に応力が存在する。このため，加工に伴って剛性が変化すると，格子が露光した位置から動いてしまう。まFig. 5

Typical structure of a supported transmission grating (upper), and a free-standing transmission grating (lower).

た，薄膜がたわんでしまい，目的の性能が得られない場合もでてくる。
最後に重要なのが，回折格子の格子精度の評価方法であに十分な回折効率を得るためには，重金属では 150 300る。微細加工を専門とする方々は，局所的な構造についてnm，窒化ケイ素や窒化炭素では500 nm 程度の厚みが必要

比較的関心が高いので，走査形電子顕微鏡（ SEM ）によで あ る14) 。 な お ， 格 子 周 期 が 100 ～ 200 nm （ 刻 線 密 度る構造の確認は通常の製造ルーチーンとなっている。その5000～10000）といった高刻線密度の透過型回折格子につ際に，局所的な回折格子構造の乱れ，欠陥について十分確いては，製造方法が確立されていない。

認しておくべきである。一方，エネルギー分解能 1000 以 露光方法
製造方法に関して利用者が考慮すべき点は，上を狙う透過型回折格子の場合，薄膜のたわみはミクロン 転写方法，
 薄膜形成方法である。
 には，電子ビーとオーダーの精度が必要となる。このような精度は微細加工

ム露光と，レーザーを用いた干渉露光法がある。 defocusの分野では余り要求されないケースが多いので，利用者自収差が小さいので，透過型回折格子では等間隔刻線でよ身があらかじめ評価方法を考えておく必要がある。金属のい。従って，回折格子全体にわたって刻線密度が一定であ回折格子については共焦点顕微鏡により薄膜の高さを測定るかどうかが重要となる。電子ビーム露光の場合は，刻線し，平面精度を確認している。また，窒化ケイ素など可視を 1 本 1 本描いていくので時間がかかる。従って露光中光を透過する材質の場合は，可視光によって干渉が起こるに振動等やビーム位置の不安定性があると格子間隔が乱れような周期構造をあらかじめ入れておき，その干渉が均一てしまう。また，一度に走査できる領域は大きくても 1×に起こるかどうかで判断している。また，われわれは軟1 mm2 程度で，大きな面積を露光する場合は対象物をスX 線分光器に組み込んで刻線密度を評価している。Chan-テージ等により移動させるのが一般的である。この移動にdra 衛星の透過型回折格子では，紫外レーザーを用いて刻伴う 10 100 nm 程度の誤差はつなぎ精度（ ˆeld-stitching

線周期が評価されている18) 。回折効率を決定するのは，precision ）とよばれ，これらを考慮して格子形状を決め格子厚みと gap /period 比であるが，格子厚みは製造段階る必要がある。研究レベルでは，フィードバック手法の改で比較的容易に制御できるのに比べ， gap / period 比の制良によって1.3 nm （s）といった露光システムも報告され御は難しい。従って何らかの方法で評価しておくことが望ているので今後の進歩が期待される15) 。干渉露光の場合ましい。筆者らの経験では， SEM では信頼性のある評価は，一度に比較的大きな面積を露光できる。格子周期を露が難しいからである。これは SEM が，表面近傍の情報し光面全域で一定にするためには平面波で空間コヒーレンスかもたらさないため，回折効率を決める深さ方向の情報がの高い紫外光が必要となるが，実際に得られるのは擬似平得られないためである。軟 X 線を使って， 0 次回折光強面波であるため，刻線が曲がり格子周期がずれてしまう。

度と 1 次回折光の強度比を測定し，理論との比較から構10 × 10 mm 程度の広い面積にわたって 100 ～ 200 nm の格造を推定した報告がなされている3,19)。筆者らは 1 次回折子周期を一定にするには露光条件にノウハウが必要で，現光と 2 次回折光の強度比から gap /period を見積もってい在製造できるのは世界的に見ても限られたグループのみでる20)。

ある16) 。また，電子ビーム露光に比べるとコントラストが低いため，アスペクト比が高い回折格子を製作するには5. まとめ工夫が必要となる。研究レベルでは，ステージを高精度にスキャンしながら露光していく手法（Scanning Beam In-

微細加工技術薄膜製造技術の進歩によって，軟 X 線

terference Lithography ）により直径 300 mm のウエハー領域で利用できる透過型回折格子の精度が向上している。

を露光できる報告もなされており，今後の発展に期待され現状では，角分散度 D が小さいため，エネルギー分解能

104 ● 放射光 March 2006 Vol.19 No.2

実験技術 ■ 透過型回折格子による軟 X 線分光の極限を目指すには，まだまだ反射型回折格子に比肩する7)に至っていない。しかしながら，透過型回折格子の持つ，小型軽量，容易なアライメント，小さな defocus 収差，などの光学設計上の利点を積極的に利用することができれば，従来の斜入射反射型回折格子では不可能であった分光システムが構築できる可能性がある。

8)
9)
10)

また，本稿では触れなかったが，透過型回折格子はビームスプリッターとしても有望である。反射型回折格子をビームスプリッターとして用いた Mach-Zehnder 干渉計により，サブナノ秒スケールで時間分解したプラズマ形状の

11)
12 )
13)

観測例が報告されている21) 。第 4 世代 X 線レーザーではさらに高度な時間分解干渉実験も視野に入ってくるが，X

14)線の波面の乱れが実験の質に大きく影響を与える実験において，良質のビームスプリッターを得ることは容易でな

15)い。透過型回折格子は容易に望みの強度比にビームを分割

16)
17)
18)
19)
20 )

でき，また強度回折格子条件では波面の乱れも原理的になくすことができる。熱負荷や回折格子の色収差などの問題もあるが，今後の展開が期待される。

21)

謝辞
透過型回折格子の製作プロセスについては，岡本一将博

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http://www-cxro.lbl.gov/optical_constants/
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士，松井良憲博士，古澤孝弘助教授，関修平助教授，田川精一教授（大阪大学産業科学研究所），濱村寛氏（ Nikon● 著者紹介 ●Corp. ）との議論が本稿の基礎となっている。また干渉露

初井宇記

光 法 に つ い て ， Henry I. Smith 教 授 ， Tim Savas 博 士

分子科学研究所極端紫外光科学研究系助手
総合大学院大学物理科学研究科助手(併任)E-mail: hatsui＠ims.ac.jp
専門軟 X 線分光，分子分光，光物性［略歴］
1999 年総合研究大学大学院数物科学研
究科博士課程修了（博士（理学））。日本学術振興会特別研究員（東京大学理学系
研 究科 化学 専攻 ， Uppsala 大学 物理 学科）を経て 2000 年より現職。気体固体クラスターの光電子分光軟 X 線
発光分光を通じて X 線と物質の相互作用を深く理解し，新しい方法論に昇華させたいと願っている。

（ MIT ）に，電子ビーム露光法について， Erik H. Ander-son 博士（Center of X-ray Optics, LBNL）に製作技術の現状について教授いただいた。この場を借りて感謝したい。

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Transmission grating for soft x-ray spectroscopy
Takaki HATSUI

Institute for Molecular Science, The Graduate School for Advanced Studies Myodaiji,
Okazaki, 4448585, Japan

Abstract Recent advances in the nano-structure and thin ˆlm fabrication technology enable us to obtainhigh quality transmission gratings, and to extend their application in the ˆeld of soft x-ray spectroscopy. The
characteristics of the optical design using transmission gratings are summarized in comparison with the re‰ection gratings. Practical considerations in designing the grating structure are also described.

放射光 March 2006 Vol.19 No.2 ● 105