JP2690036B2 - X線分光集光素子 - Google Patents

X線分光集光素子

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JP2690036B2 JP7063670A JP6367095A JP2690036B2 JP 2690036 B2 JP2690036 B2 JP 2690036B2 JP 7063670 A JP7063670 A JP 7063670A JP 6367095 A JP6367095 A JP 6367095A JP 2690036 B2 JP2690036 B2 JP 2690036B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、X線を利用した測定・
分析機器に用いて好適なX線分光集光素子に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】1つの素子でX線の分光と集光とを同時
に行える素子としては、ブラッグ・フレネル素子があげ
られる(例えばV.V.Aristov 等, Nuclear Instruments
and Methods in Physics Research A261(1987)72 )。
この素子では、図4または図5に示すように、シリコン
(111) の結晶の表面に直線状または同心円状のフレネル
パターンの微細加工を施し(フレネルパターン層の形
成)、結晶によるブラッグの原理に基づく分光とフレネ
ル回折による集光とを同時に行うことができるようにす
る。ここで、微細加工により形成したフレネルパターン
の凹凸の1つ1つをゾーンと呼んでいる。例えば図4で
は、中央に凸のゾーンがあり、外側に向かうに従って凹
のゾーンと凸のゾーンが繰り返されている。図4は直線
状のゾーンからなる1次元のブラッグ・フレネル素子の
例であり、図5は同心円状のゾーンからなる2次元のブ
ラッグ・フレネル素子の例である。中心の凸のゾーンを
1番目のゾーン、次の凹のゾーンを2番目のゾーンとい
うようにして番号が付けられる。また、最終ゾーンをこ
こではN番目のゾーンとする。中心からn番目のゾーン
からn+1番目のゾーンの境界までの距離rn は、
【0003】
【数1】 rn =(nfλ)1/2 /sinθB (1) という関係式で表される。ここで、fは焦点距離、λは
X線の波長、θB はブラッグの反射角で、用いる結晶の
光子面間隔とX線の波長により決まるX線の入射角度で
ある。
【0004】このようなブラッグ・フレネル素子の作製
方法の一例を図6に示す。まず、工程(a)において、
シリコン(111)基板101上にPMMA等のレジス
トを塗布し、そのレジスト上を電子ビームでフレネルの
パターンを走査して硬化させ、残余の部分を洗い流し
て、シリコン基板101上にフレネルパターン102を
形成する。次に、工程(b)において、アルミニウムを
フレネルパターン102上より蒸着して、アルミニウム
層103および104を基板101の露出面およびフレ
ネルパターン102の露出面の上にそれぞれ形成する。
次の工程(c)において、フレネルパターン102およ
びこのパターン102上に蒸着したアルミニウム層10
4を除去する。そして、次の工程(d)において、6弗
化硫黄と酸素によるプラズマにより基板101のうちア
ルミニウム層103によって保護されていない部分10
1aをエッチング除去する。エッチングする深さhは、
隣り合うゾーンで反射されるX線の位相差が、πになる
ように以下の式によって決められる。
【0005】
【数2】 h=λsinθB /χ0 (2) ここでχ0 は結晶の分極率のフーリエ成分である。これ
らのブラッグ・フレネル素子によるX線の分解能Δは、
【0006】
【数3】 Δ=1.22δrN (3) によって与えられる。ここでδrN は最外のゾーンの幅
(rN −rN-1 )であり、この値が小さいほど集光され
るX線の分解能は向上する。
【0007】以上の方法により作製したブラッグ・フレ
ネル素子の具体的なパラメータは、例えば図4の1次元
ブラッグ・フレネル素子の場合には、結晶はシリコン
(111)、中心のゾーンの半分の長さr1 が10μ
m、最終ゾーンの幅δrN が0.5μm、焦点距離fが
39mm、X線波長λが0.154nm、エッチング深
さhが2.5μmである。図5の2次元ブラッグ・フレ
ネル素子の場合には、結晶はシリコン(333)、中心
のゾーンの半径r1 が14μm、最終ゾーンの幅δrN
が0.5μm、焦点距離fが940mm、X線波長λが
0.2085nm、エッチング深さhが3.8μmであ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上のようなブラッグ
・フレネル素子において、X線の分解能を上げるために
は、(3)式に示されるように、最外ゾーンの幅δrN
をできる限り小さくしなければならない。エッチング深
さと最外ゾーンの幅の比、h/δrN は図4の素子では
5、図5の素子では7.6であり、現状の加工技術では
これを大きくするのは困難である。さらにまた、エッチ
ング深さhはX線のエネルギーに従って大きな値となる
ので、高いエネルギーのX線用の素子では分解能は低下
するという問題がある。
【0009】このように、従来方法では、小さな最外ゾ
ーン幅を得るのが困難である。
【0010】そこで、本発明の目的は、このような従来
の問題点を解決して、干渉板を適切に構成し、その干渉
板をフレネルパターン層として分光結晶上に固定して配
設することにより構成した分光集光素子を提供すること
にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、ブラッグの原理に基づく分光を行
う分光結晶と、基板上に2種類の物質を交互に積層した
積層膜を薄片化してフレネルパターンを構成した構造を
持ち、フレネル回折による集光を行うことのできる干渉
板とを具え、前記分光結晶の表面上に前記干渉板を固定
して配置したことを特徴とする。
【0012】
【作用】本発明によれば、結晶の表面に、積層膜を薄片
化してフレネルパターンを構成した干渉板を固定して配
置したので、干渉板が分光結晶へのX線の入射・反射の
過程でフレネル回折による集光機能を果たし、全体とし
て分光集光素子として作用し、しかも、本発明では積層
膜の薄片化により干渉板を構成しているので、エッチン
グ加工の場合のような制約を受けず、例えばヘリコンプ
ラズマ(HP)スパッタリングを用いれば1nm以下の
最外ゾーン幅のものも作製可能であることより、X線の
分解能を向上させることができ、従って、従来不可能で
あったX線の微小領域への分光集光を容易に実現でき
る。しかも、本発明によれば、エネルギーの高いX線に
対しては、干渉板の厚さを厚くする、つまり薄片化する
ときの厚さを厚くすることによって、分解能の低下を防
止することができる。
【0013】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0014】図1および図2は本発明分光集光素子の作
製手法の例を示す。
【0015】図1は1次元素子の例であり、図2は2次
元素子の例である。各工程(a)に示すように、1次元
素子を形成するためには平面状基板1を用い、2次元素
子を形成するためには細い丸棒状基板11を用いる。次
の工程(b)において、この基板1または11上に2種
類の物質をHPスパッタリング等の手法により交互に積
層して断面がフレネルパターンに相当する、積層膜2ま
たは12を形成する。ここで、n番目の層の厚さは以下
の式によるものとする。
【0016】
【数4】 rn =(r0 2+nfλ/sin2 θB1/2 (4) ここで、r0 の値は、1次元素子では任意であり、2次
元素子では細い丸棒状基板11の半径である。積層する
2種類の物質の組合せとしては、重元素と軽元素の組合
せを用いることにより強度変調の素子を作製でき、ある
いは異なる軽元素の組合せを用いることにより位相変調
型の素子を作製することができる。強度変調型の素子を
形成する場合には、基板としてはX線をあまり吸収しな
い材料を選択する。位相変調型の素子を形成する場合に
は、一方の物質としては基板の材料と同じものを選択す
る。
【0017】積層終了後、工程(b)に示すように、積
層膜2または12の積層方向に垂直な方向にこの積層膜
をスライス(薄片化)し、次いで研磨して、工程(c)
に示すように、2種類の物質が交互に配置された干渉板
3または13を得る。この干渉板3または13の厚さ
は、強度変調型の場合には、重元素ゾーンでは往復でX
線を十分吸収し、軽元素ゾーンでは往復でX線をあまり
吸収しないような厚さとする。位相変調型の場合には、
隣り合う2つのゾーンでX線の位相差が往復でπになる
ような厚さとする。この干渉板3または13を分光結晶
4上に固定して配置することにより分光集光素子とす
る。分光結晶4は干渉板3または13を支持する支持基
板としての役目も果たす。
【0018】図3はHPスパッタリングで作製した強度
変調型素子の走査型電子顕微鏡による写真を模写した図
である。図3の左端はシリコン基板1(図中黒色)であ
り、重元素として銀(図中白色)、軽元素としてアルミ
ニウム(図中黒色)を(4)式に従って交互に100対
200層積層してから薄片化し、分光結晶4としてのゲ
ルマニウム(422)結晶上に固定したものである。最
外層のゾーンの幅δrN は75nmであり、図4または
図5に示した従来型のものの3/20のものが得られて
いる。HPスパッタリングによると1層の厚さが1nm
以下のものも制御して作製できるので(小池等, Intern
ational Conference on Synchrotron Radiation Instr
umentation, New York(1994) )、分光集光素子として
大きな性能の向上が期待できる。しかもまた、エネルギ
ーの高いX線に対しては、本発明分光集光素子では、単
に薄片化する厚さを厚くすればよいのであるから、作製
はより容易になる。
【0019】本発明X線集光分光素子を用いた走査型X
線顕微鏡の一例の概略図を図7に示す。図中、21は本
発明によるX線分光集光素子であり、22はX線光源、
23は試料、24は検出器、25は試料23を載置した
X−Yステージである。X線光源22としては、X線管
球光源、シンクロトロン放射X線光源、レーザープラズ
マX線光源等を用いることできる。X線光源22からの
X線はX線分光集光素子21により単色化され、試料2
3の位置で集光される。集光X線により励起された試料
23の微小領域はその構成元素に応じたエネルギーを持
つ蛍光X線を発するので、それを検出器24で検出して
分析することにより、その領域での構成元素を定量的に
知ることができる。このような検出、分析をX−Yステ
ージ25により試料23の位置を少しずつ変えて繰り返
すことにより、それらの構成元素の試料23中での分布
を定量的に得ることができる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
結晶の表面に、積層膜を薄片化してフレネルパターンを
構成した干渉板を固定して配置したので、干渉板が分光
結晶へのX線の入射・反射の過程でフレネル回折による
集光機能を果たし、全体として分光集光素子として作用
し、しかも、本発明では積層膜の薄片化により干渉板を
構成しているので、エッチング加工の場合のような制約
を受けず、例えばHPスパッタリングを用いれば1nm
以下の最外ゾーン幅のものも作製可能であることより、
X線の分解能を向上させることができ、従って、従来不
可能であったX線の微小領域への分光集光を容易に実現
できる。しかも、本発明によれば、エネルギーの高いX
線に対しては、干渉板の厚さ、すなわち薄片化するとき
の厚さを厚くすることによって、分解能の低下を防止す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明分光集光素子の一実施例としての1次元
素子およびその製造工程の説明用斜視図である。
【図2】本発明分光集光素子の一実施例としての2次元
素子およびその製造工程の説明用斜視図である。
【図3】HPスパッタリングで作製した本発明による強
度変調型素子の走査型電子顕微鏡写真の模式図である。
【図4】従来の直線状のゾーンからなる1次元のブラッ
グ・フレネル素子を示す模式図である。
【図5】従来の同心円状のゾーンからなる2次元のブラ
ッグ・フレネル素子を示す模式図である。
【図6】従来型のブラッグ・フレネル素子の作製方法の
一例の説明図である。
【図7】本発明分光集光素子を組込んだ走査型X線顕微
鏡の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
1,11 基板 2,12 積層膜 3,13 干渉板 4 分光結晶 21 本発明によるX線分光集光素子 22 X線光源 23 試料 24 検出器 25 X−Yステージ 101 基板 101a エッチング除去部分 102 フレネルパターン 103,104 アルミニウム層

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶の表面に面方向に延びる所定厚みの
    フレネルパターン層が一体的に形成されてなり、前記結
    晶によるブラッグの原理に基づいて入射X線の分光を行
    うとともに前記フレネルパターン層で入射および反射X
    線を回折して集光するX線分光集光素子であって、 前記フレネルパターン層が、基板上に2種類の物質を交
    互に積層した積層膜を積層面に垂直に薄片化してフレネ
    ルパターンを構成した構造を持つ干渉板から構成されて
    いることを特徴とするX線分光集光素子。
  2. 【請求項2】 前記フレネルパターンが一次元パターン
    であることを特徴とする請求項1に記載のX線分光集光
    素子。
  3. 【請求項3】 前記フレネルパターンが二次元パターン
    であることを特徴とする請求項1に記載のX線分光集光
    素子。
JP7063670A 1995-03-23 1995-03-23 X線分光集光素子 Expired - Lifetime JP2690036B2 (ja)

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