JP4504344B2

JP4504344B2 - Ｘ線源

Info

Publication number: JP4504344B2
Application number: JP2006326831A
Authority: JP
Inventors: 延忠青木; 晶子角谷; 強菅原; 元介三好
Original assignee: University of Tokyo NUC; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: University of Tokyo NUC; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2026-12-04
Also published as: GB2444624A; GB2444624B; JP2008140687A; US20080304624A1; US7649980B2; GB0723631D0

Description

本発明は、微小焦点で低エネルギのＸ線を放出するＸ線源に関する。

一般的な微小焦点を有するＸ線源は、マイクロフォーカスＸ線源として既に製品化がなされており、対象物の微小領域を高分解能で検査する非破壊検査装置などに広く利用されている。このＸ線源は、電子源から放出される電子ビームを電界または磁界レンズなどの電子光学系により収束させ、透過ターゲット表面のμｍオーダ、またはそれ以下の狭い領域に焦点を持たせて、そこで放出されるＸ線を、透過ターゲットを透過させて放出させる構成が採られている（例えば、特許文献１参照）。

一定量の電流値で、電子ビームを小さなスポットに収束させるためには、電子源と電子光学系とのマッチングをとって設計することが重要であるが、現在では、様々な工夫を凝らすことによって、０．１μｍに迫る微小焦点を有するＸ線源が達成されている。

ここで、高い分解能で検査対象の透過撮影を行うＸ線源には、空間分解能を確保するうえで、上記のような微小焦点を持つことが必要条件であるが、もう一方、高いコントラストを確保するために適切なエネルギのＸ線を放出できることが重要となる。これは、検査部位の微小領域の透過撮影を行うとき、使用するＸ線のエネルギが高すぎると、撮影画像にコントラスト（濃淡度）がつかず、欠陥の有無などの判定ができなくなることによる。

現有のマイクロファーカスＸ線源は、７０ｋＶ以上あるいは１５０ｋＶ以上の高い電圧で駆動し、高エネルギのＸ線を放出させるものがほとんどである。しかし、検査対象が数１０μｍの小さなサンプル、あるいはその構成元素がＸ線の減弱率の小さな軽元素、とりわけ有機物であったりするような場合には、利用するＸ線のエネルギとしては、３０ｋｅＶ以下、場合によっては５ｋｅＶ以下の軟Ｘ線領域に及ぶような低エネルギのＸ線を利用することが必要となる。さらに、近年、有機系材料を多用するような製品分野、製薬の分野、さらには細胞に至るような軽元素で構成される微小な対象物に対する高分解能検査の要求が高まっていることから、上記の軟Ｘ線領域に及ぶような低エネルギのＸ線を放出できる微小焦点を有するＸ線源の実用化が求められている。
特開２００４−２８８４５号公報（第４−５頁、図１）

しかしながら、従来のマイクロフォーカスＸ線源の構成のまま、低エネルギのＸ線を放出できるようにした場合に、次のような課題がある。

低エネルギの電子ビームを小さな領域に収束しようとしたときに生じる物理的な制約条件として、主に以下の２点の課題がある。１つは、電子光学系内の電子ビームのクロスオーバーで空間電荷効果により発散効果が生じる。もう１つは、低エネルギになるほど電子光学系の磁界あるいは電界レンズの色収差の影響を強く受け、結像面での焦点のぼけ量が大きくなる。

低エネルギのＸ線の放出強度（線量率）を確保するうえでの物理的な制約条件として、主に以下の２点があげられる。１つは、制動Ｘ線の放出量は、励起電子のエネルギにほぼ比例関係にあるため、低エネルギの電子ビームを適用するのは線量率増加の観点から不利となる。もう１つは、透過ターゲットでの減弱（吸収）作用により、低エネルギのＸ線ほど、放出強度の確保が困難となる。

したがって、現在の高エネルギ対応のマイクロフォーカスＸ線源の駆動電圧を低減して動作させるだけでは、当初の微小な焦点サイズは維持しきれず、また、その構成のまま低電圧駆動に対応できるよう設計変更するだけでは、達成しうる焦点サイズの限界点は、満足できる範囲に収めることは困難である。そのため、エネルギを低減させて、高い効率で十分な強度（線量）の軟Ｘ線を放出でき、さらに現状の高エネルギ対応のマイクロフォーカスＸ線源と同等またはそれより優れた微小焦点性能を達成するためには、Ｘ線源の構成上の工夫が必要となる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、低エネルギのＸ線を放出できるうえに、現状の高エネルギ対応のマイクロファーカスＸ線源と同等またはより優れた焦点サイズ性能を確保できるＸ線源を提供することを目的とする。

本発明は、内部が真空保持されかつ接地電位とされる真空容器と、この真空容器の一端に配設されＸ線を外部に放出するＸ線放出窓を兼ねかつ接地電位とされる透過ターゲットと、前記真空容器内に接地電位から絶縁して収納され、電子ビームを発生する電子源と、前記真空容器内に接地電位から絶縁されるとともに前記透過ターゲットに離間対向する面が開口された覆い部で覆われて収納され、電子源が発生した電子ビームを収束させる静電型の電子光学系と、前記電子源および電子光学系を前記透過ターゲットおよび真空容器の接地電位から絶縁する絶縁体と、前記電子光学系で収束される電子ビームが前記接地電位の透過ターゲットへ入射する直前に減速作用を受けるように電位配分する駆動電源とを具備しているものである。

本発明によれば、電子光学系で収束される電子ビームが接地電位の透過ターゲットへ入射する直前に減速作用を受けるように構成しているため、電子ビームは電子光学系を通過するまで最終設定値の数倍のエネルギを有しており、空間電荷効果による発散作用を低減させることが可能となり、また、電子光学系の各種収差の中で色収差は、電子ビームのエネルギにそのまま比例するので、電子光学系を通過した後に減速させる構成を採ることにより、減速の度合いに比例して収差を低減し、その分の焦点サイズの減少が可能となり、したがって、微小焦点で低エネルギのＸ線を放出できるＸ線源を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１に、Ｘ線源11の第１の実施の形態を示す。

Ｘ線源11は、内部が真空保持される真空容器12を有し、この真空容器12の一端にＸ線を外部に放出するＸ線放出窓を兼ねた透過ターゲット13が配設されている。

真空容器12の他端には絶縁体としての絶縁筒14を介在して支持体15が配設され、この支持体15に、透過ターゲット13へ向けて電子ビーム16を発生する電子源17を有する電子銃18が配設されているとともに、真空容器12内に位置して電子源17から発生した電子ビーム16を収束、偏向、さらに収差補正を加えて透過ターゲット13に入射させる例えば静電レンズ（ガンレンズ）などを有する静電型の電子光学系19が配設されている。支持体15には真空容器12と電子光学系19との間に介在して電子光学系19を覆うとともに透過ターゲット13に離間対向する面が開口された覆い部20が形成されている。支持体15、電子銃18および電子光学系19は、絶縁筒14を介して真空容器12から電気的に絶縁されている。

電子銃18には、電子ビーム16を発生させる駆動電源21が接続されている。

真空容器12および透過ターゲット13は接地電位とされ、支持体15および電子光学系19は駆動電源21から正電圧が印加され、電子光学系19で収束される電子ビーム16が電子光学系19を通過して透過ターゲット13へ入射する直前に減速作用を受けるように構成されている。

ここで、低エネルギの電子ビーム16を微小焦点に収束するための手段について、図７(a)を参照して説明する。例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、あるいは電子ビーム露光装置で適用されているような減速型の電子光学系をＸ線源構成に適用することを考える。この場合、電子ビーム16は、電界または磁界レンズなどで構成された電子光学系19を通過するまでは、最終設定のエネルギＥの数倍Ｍを持たせておき、透過ターゲット13に到達する直前で目的のエネルギＥまで減速させる機構を採り入れる。しかし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは電子ビーム露光装置では、試料に大きな負電圧を印加して、このプロセスを達成する構成となっているが、Ｘ線源11で試料に大きな負電圧を加えて電位的に浮遊させることは、検査装置の体系に対して大きな制約を生じさせるため、同様の構成を適用することは困難である。そのため、透過ターゲット13を接地電位として減速機構を得るために、Ｘ線源11内で電子光学系19を正電位に浮遊させることにより、同じ効果を得る構成を採用する。なお、図７(b)は従来例に相当する比較例であり、電子ビーム16は最終設定のエネルギＥで電子光学系19を通過するため、上述したように電子光学系19内の電子ビーム16のクロスオーバーで空間電荷効果により発散効果が生じ、また、低エネルギになるほど電子光学系19のレンズの色収差の影響を強く受け、結像面での焦点のぼけ量が大きくなる。

このように、電子光学系19で収束される電子ビーム16が透過ターゲット13へ入射する直前に減速作用を受けるように構成しているため、電子ビーム16は電子光学系19を通過するまで最終設定値の数倍のエネルギを有しており、そのため、空間電荷効果による影響（発散の度合い）はエネルギの３／２乗に逆比例して低減させることが可能となる。すなわち、１／３の減速を行うことにより、発散の度合いは０．１９倍に低減される。

電子光学系19のレンズの各種収差の中で色収差は、エネルギにそのまま比例するので、電子光学系19のレンズを通過した後に減速させる構成を採ることにより、減速の度合いに比例して収差を低減し、その分の焦点サイズの減少が可能となる。

そのため、透過ターゲット13に入射する電子ビーム16のエネルギよりも高いエネルギを持って電子光学系19を通過することができるので、電子光学系19内の電子ビーム16の結像点における空間電荷効果による発散作用が低減され、さらに電子光学系19を構成するレンズの収差項の中で色収差を低減することができる。

この電子ビーム16の発散を抑制させる作用によって、電子ビーム16の発生点から透過ターゲット13への入射までを一定の低エネルギで通過させるよりも、透過ターゲット13の入射点での電子ビーム16の焦点を小さくすることができ、小さな焦点からＸ線22を放出させることができる。

したがって、微小焦点で低エネルギのＸ線を放出できるＸ線源11を提供できる。

なお、Ｘ線源11を構成するうえで、透過ターゲット13を真空容器12と同じ接地電位にするため、電子源17と電子光学系19とを電気的に浮遊させるために真空容器12との間に絶縁を持って設置する構成を採るうえでは、図１に示したように真空容器12との間に絶縁筒14を設置する以外にも、真空容器12の内部に絶縁物を設置してこれら電子源17と電子光学系19を支持する構成を採ることも可能である。

さらに、真空容器12をガラスのような絶縁材のものとし、透過ターゲット13を接地電位とし、その他の構成物を正電位に浮遊させるような構成を採ることも可能である。

また、Ｘ線源11の備える電子光学系19は、電子源17から電子ビームを引き出し、収束する機能を設けるため、少なくとも１つの静電レンズ（ガンレンズ）を有したものとなり、これだけも構成することが可能である。さらに、収束される電子ビームの制御性を高めることを目的とするには、もう１つのレンズを備え、さらに、そこに入射する電子ビーム16をアライメント（軸調整）するための偏向用四極子、さらに電子ビームの非点収差を補正するための八極子を備えることが好ましい。これら付加されたレンズおよび多極子は、図１に示したように複数の電極を、絶縁をとって並べた静電型のものを適用する他にも、磁界型（コイル）のものを適用することも可能である。

次に、図２に、Ｘ線源11の第２の実施の形態を示す。

Ｘ線源11は、真空容器12の一端には先端に透過ターゲット13が配設された筒部24が形成され、この筒部24の内側に電子光学形19で収束されて透過ターゲット13に入射する電子ビーム16が通過するスリーブ25が配設されている。スリーブ25は、支持体の覆い部に形成され、真空容器12と電気的に絶縁されるとともに駆動電源21から正電圧が印加される。

筒部24の外側には、磁界レンズ（対物レンズ）26および磁界型の多極子27を有する磁界型電子光学系28が配設されている。磁界レンズ26および多極子27は、真空容器12や透過ターゲット13と同じ接地電位とされ、磁界を発生させる制御電源29が接続されている。

そして、磁界型電子光学系28は真空容器12の透過ターゲット13と同じ接地電位とし、スリーブ25は前段の電子光学系19と同じく正電位に浮遊させる構成とすることにより、電子ビーム16は、磁界型電子光学系28を通過するまで電子光学系19を通過するときと同じ電位を保ち、透過ターゲット13に入射する直前で減速作用を加えることができる。

そのため、電子光学系19および磁界型電子光学系28内の電子ビーム16の結像点における空間電荷効果による発散作用が低減され、さらに電子光学系19および磁界型電子光学系28を構成するレンズの収差項の中で色収差を低減することができる。

したがって、磁界型電子光学系28を備えた構成を採りながら、微小焦点で低エネルギのＸ線22を放出できるＸ線源11を提供できる。

特に、走査型電子顕微鏡の例が示すように、磁界レンズ26は、静電レンズよりも収差特性に優れたものを容易に揃えることができるため、小さな焦点サイズを追求するうえでは、その適用は効果的なものとなる。

次に、図３において、各実施の形態の透過ターゲット13について説明する。

透過ターゲット13は、基板32を備え、この基板32上にＸ線22を放出させる金属元素をコーティングしたコーティング材33が形成されている。

基板32の材料には、通常、Ｘ線減弱率の小さなＢｅ（ベリリウム）が利用されるが、コーティング材33の材料には、Ｘ線放出率の大きなＷ（タングステン）のような重元素が用いられる。このコーティング材33に入射した電子ビーム16は、内部で衝突、減衰を繰り返し、エネルギに相当する深さまで浸透するが、その際、コーティング材33の内部では電子ビーム16は衝突作用により拡がりながら浸透していくため、Ｘ線22の発生領域のサイズも大きくなり、すなわちＸ線焦点のにじみが発生する。このＸ線焦点のにじみは、一般に電子浸透深さａ相当のものとなるため、コーティング材33の厚さｂは、焦点サイズと放出するＸ線強度とを考慮して電子浸透深さ程度に抑えるのが一般的となっている。

しかし、本発明のＸ線源11のように、低エネルギのＸ線22を放出させる場合には、電子ビーム16のエネルギを極端に低く抑えたものになり、一例として、５ｋｅＶ程度のエネルギの電子ビーム16を使用する場合には、Ｗのコーティング材33中での浸透深さは３０ｎｍ程度となる。この場合、コーティング材33中で発生したＸ線22のエネルギ分布は、５ｋｅＶをピークとしてさらに低エネルギ成分までが混在する白色スペクトルとなるが、コーティング材33の厚さｂを大きく設定した場合、高い方のＸ線成分は、コーティング材33を透過していく過程で低エネルギ成分に変換されて放出される成分が現れる。

したがって、５ｋｅＶの電子ビーム16を利用して、３ｋｅＶ以下の低エネルギ成分のＸ線22の放出強度を高めようとした場合、電子ビーム16の浸透深さａの数倍のコーティング材33の厚さｂにすることで最適化を図ることができる。この場合、電子ビーム16の浸透による焦点のにじみのサイズは、コーティング材33の厚さｂ程度となることを考慮すると、１００ｎｍ程度となるため、目標の焦点サイズに対する許容量に入っていれば、目的の低エネルギのＸ線成分の強度の増加を見ながらコーティング材33の厚さｂを増加して最適化を図ることができる。

したがって、コーティング材33の厚さｂを、電子ビーム16の浸透深さａ以上で最適化した透過ターゲット13を用いることにより、微小焦点で低エネルギのＸ線22の放出強度を高めたＸ線源11を提供できる。

次に、図４および図５において、各実施の形態の透過ターゲット13の基板32の材料について説明する。

図４に、透過ターゲット13の基板32の材料がＢｅの場合における各厚さでのＸ線エネルギと減弱率との関係を示す。透過ターゲット13の基板32の材料には、上述したようにＸ線減弱率の小さなＢｅの利用が一般的に考えられるが、真空隔壁としての機能を満足しながらＢｅの基板32を用いるうえでは、３０〜６０μｍが限界厚さとなる。図４中に示したように、Ｘ線エネルギが２ｋｅＶ以下の軟Ｘ線領域の成分を有効に取り出すためには、その限界厚さでも不十分であるため、限界厚さをさらに小さくできるような他材料を適用するとこが必要となる。

そのため、本発明のＸ線源11では、放射光装置の軟Ｘ線取出窓として利用されているＳｉＣ（炭化ケイ素）、またはＳｉＮ（窒化ケイ素）の基板32の材料として適用する。Ｂｅの基板32の限界厚さは、一般的にはＳＵＳ材が利用されるベースとの接合時、高温度としたときに再結晶化作用して粒界での剥がれが生じることによる。ここで適用するＳｉＣ、ＳｉＮは単結晶であるため、粒界が無く、高温にしたときにも均一な強度を維持できるため、０．１μｍオーダの厚さまで薄いものを適用することができる。

そのため、図５に、透過ターゲット13の基板32の材料がＢｅとＳｉＮとの場合での特性比較を示すように、ＳｉＮの場合、２ｋｅＶ以下の軟Ｘ線に対しても９０％以上の透過率で放出することができ、微小焦点で高強度の低エネルギのＸ線22を放出できるＸ線源11を提供できる。

また、Ｘ線源11の透過ターゲット13は、ＳｉＣ、ＳｉＮを基板32としてＷなどの金属をコーティングすることを想定したものであるが、これはＸ線22への変換効率を上げることと、一般的なＳｉＣ、ＳｉＮは導電性が無いため、透過ターゲット13の表面でのチャージアップを防ぐためも金属のコーティングが必要となることとを理由としている。

しかし、ＳｉＣの基板32は、その形成条件を操作することにより導電性を持たせることができ、後者の理由については回避することができるため、基板32の表面にＷなどのコーティングを施さなくてもよい。

このように、基板32の表面にＷなどのコーティングを施さない場合には、ＳｉＣ中のＳｉおよびＣが入射する電子ビーム16の衝突を受けてＸ線22を放出する対象元素となるが、軽元素であり、Ｘ線22の変換効率が低いため、Ｘ線強度を増すためには、目的のエネルギのＸ線22の減弱を考慮して厚さを増加するものとする。

なお、コーティングを施さないＳｉＣの基板32では、３ｋｅＶ以下のエネルギの電子ビーム16で、特性Ｘ線、すなわちＳｉ−Ｋ線（１．７４ｋｅＶ）またはＣ−Ｋ線（０．２８ｋｅＶ）を効果的に放出させるようにすることも可能となる。

次に、図６において、各実施の形態の透過ターゲット13からの特性Ｘ線の放出について説明する。

Ｘ線源11は、透過ターゲット13からの放出されるＸ線として制動Ｘ線を対象としており、そのスペクトル分布は入射する電子ビーム16のエネルギをピークとしてブロードな連続分布（連続Ｘ線）となる。

ここでは、基板32の表面に形成されるコーティング材33から特性Ｘ線を効果的に放出させる構成を適用する。

図６には、基板32上にコーティングする元素を選択したとき、得られるＬ線（１０ｋｅＶ以下）の例を示したものである。今、３ｋｅＶ以下のＬ−Ｘ線を有する（金属）元素を選択し、コーティング材33の厚さと入射する電子ビーム16のエネルギの最適化（おおむね特性Ｘ線エネルギの２倍）を選択すれば、目的の特性Ｘ線を高い割合で含むＸ線22を放出できる。さらに、目的とする焦点サイズと放出するＸ線強度を前提として上記の条件を最適化すれば、微小焦点で低エネルギの特性Ｘ線を高い割合で含むＸ線源11を提供できる。

本発明の第１の実施の形態を示すＸ線源の説明図である。本発明の第２の実施の形態を示すＸ線源の説明図である。同上各Ｘ線源の透過ターゲットの断面図である。同上透過ターゲットの基板の材料がＢｅの場合における各厚さでのＸ線エネルギと減弱率との関係を示すグラフである。同上透過ターゲットの基板の材料がＢｅとＳｉＮとの場合での特性比較を示す表である。同上透過ターゲットの特性Ｘ線が放出される材料を(a)(b)に示す表である。同上各Ｘ線源の作用の説明図を示し、(a)は減速作用を有する場合の説明図、(b)は減速作用を有さない比較例の場合の説明図である。

符号の説明

11 Ｘ線源
12 真空容器
13 透過ターゲット
14 絶縁体としての絶縁筒
16 電子ビーム
17 電子源
19 電子光学系
20 覆い部
21 駆動電源
25 スリーブ
28 磁界型電子光学系
29 制御電源
32 基板
33 コーティング材

Claims

内部が真空保持されかつ接地電位とされる真空容器と、
この真空容器の一端に配設されＸ線を外部に放出するＸ線放出窓を兼ねかつ接地電位とされる透過ターゲットと、
前記真空容器内に接地電位から絶縁して収納され、電子ビームを発生する電子源と、
前記真空容器内に接地電位から絶縁されるとともに前記透過ターゲットに離間対向する面が開口された覆い部で覆われて収納され、電子源が発生した電子ビームを収束させる静電型の電子光学系と、
前記電子源および電子光学系を前記透過ターゲットおよび真空容器の接地電位から絶縁する絶縁体と、
前記電子光学系で収束される電子ビームが前記接地電位の透過ターゲットへ入射する直前に減速作用を受けるように電位配分する駆動電源と
を具備していることを特徴とするＸ線源。
真空容器内に接地電位から絶縁して収納された電子光学系で収束されて透過ターゲットへ向かう電子ビームが通過するスリーブと、
このスリーブの位置で真空容器の外側に配置された磁界型電子光学系と、
この磁界型電子光学系を制御する制御電源と
を具備していることを特徴とする請求項１記載のＸ線源。
透過ターゲットは、１μｍ以下の厚さでＳｉＣおよびＳｉＮのいずれか一方を材料とする基板を備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載のＸ線源。
透過ターゲットは、表面にコーティング材が施されていない導電性のＳｉＣを材料とする基板を備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載のＸ線源。
透過ターゲットは、基板およびこの基板の表面に設けられた特性Ｘ線を放出するコーティング材を備えている
ことを特徴とする請求項１または２記載のＸ線源。