JP4705606B2 - X-ray condenser lens - Google Patents
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Description
本発明は、X線マイクロビーム形成による材料評価に関する技術に係り、特にX線を集光するX線集光レンズに関するものである。 The present invention relates to a technique related to material evaluation by X-ray microbeam formation, and more particularly to an X-ray condenser lens that collects X-rays.
近年、ナノテクノロジー開発の進展に伴い、ナノメートルレベルでの材料の構造評価が求められている。ナノメートルレベルの評価手法としては走査型顕微鏡や電子顕微鏡等があるが、いずれも高真空条件や試料の薄片化などが必要であり、観察したい試料をそのまま測定することは困難であった。これに対し、近年X線の集光化技術の進展に伴い、マイクロメーターレベルのX線ビームが得られるようになってきており、このようなX線ビームを利用したX線回折や蛍光X線分析などの材料評価がようやく可能となってきた。 In recent years, with the progress of nanotechnology development, structural evaluation of materials at the nanometer level is required. There are scanning microscopes, electron microscopes and the like as nanometer level evaluation methods, but all of them require high vacuum conditions and thinning of the sample, and it is difficult to measure the sample to be observed as it is. On the other hand, with the progress of X-ray focusing technology in recent years, micrometer level X-ray beams have been obtained, and X-ray diffraction and fluorescent X-rays using such X-ray beams have been obtained. Material evaluation such as analysis has finally become possible.
X線ビームの集光には大きく分けて、(A)X線ミラー等のX線用光学素子を利用する手法(非特許文献1参照)、(B)結晶の非対称ブラッグ(Bragg )反射を利用する手法(非特許文献2参照)、(C)X線フレネルゾーンプレートを利用する手法(非特許文献3参照)、(D)透過積層型ゾーンプレートを利用する手法(非特許文献4参照)、(E)X線導波路を利用する手法(非特許文献5参照)がある。表1に各集光法の現状および問題点を示す。 X-ray beam condensing can be broadly divided into (A) a method using an X-ray optical element such as an X-ray mirror (see Non-Patent Document 1), and (B) asymmetric Bragg reflection of a crystal. (C) a method using an X-ray Fresnel zone plate (see Non-Patent Document 3), (D) a method using a transmissive laminated zone plate (see Non-Patent Document 4), (E) There is a method using an X-ray waveguide (see Non-Patent Document 5). Table 1 shows the current status and problems of each condensing method.
このうち(A)のX線ミラー等のX線用光学素子を利用する手法および(B)の結晶の非対称ブラッグ反射を利用する手法については現状でほぼ技術的限界に来ており、これ以上の集光化は困難である。 Of these, the method of using the optical element for X-rays such as the X-ray mirror of (A) and the method of using the asymmetric Bragg reflection of the crystal of (B) are almost at the technical limit at present. Condensation is difficult.
これに対しX線のエネルギーが5keV以上である硬X線領域では、(C)のX線フレネルゾーンプレートを利用する手法でビームサイズが100ナノメートル以下の集光ビームが得られている。フレネルゾーンプレートにX線ビームを照射すると、X線ビームの一部はゾーンプレートにより吸収されるため透過しないが、他のX線ビームはゾーンプレートをそのまま透過する。このとき、X線ビームの波長をλ、X線フレネルゾーンプレートの焦点距離をfとして、X線ビームの中心からビームの進行方向に対して直交する方向に対して(2nλf)1/2(n=0,1,2,・・・)の位置と{(2n+1)λf}1/2の位置との間、または{(2n+1)λf}1/2の位置と{(2n+2)λf}1/2の位置との間にX線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを設けると、透過したX線が相互に干渉することにより、X線ビームを集光することができる。 On the other hand, in the hard X-ray region where the X-ray energy is 5 keV or more, a condensed beam having a beam size of 100 nanometers or less is obtained by the method using the X-ray Fresnel zone plate of (C). When the Fresnel zone plate is irradiated with an X-ray beam, a part of the X-ray beam is absorbed by the zone plate and is not transmitted, but the other X-ray beams pass through the zone plate as they are. At this time, assuming that the wavelength of the X-ray beam is λ and the focal length of the X-ray Fresnel zone plate is f, (2nλf) 1/2 (n = 0), 1, 2,... And the position of {(2n + 1) λf} 1/2 , or the position of {(2n + 1) λf} 1/2 and {(2n + 2) λf} 1 / If a shielding zone made of a material that does not transmit X-rays is provided between the position 2 and the transmitted X-rays interfere with each other, the X-ray beam can be condensed.
この集光原理は可視光と同様であり、その詳細については例えば非特許文献6に述べられており、ゾーンプレート集光系の空間分解能はほぼ最外殻ゾーン幅と等しいことが知られている。したがって、X線フレネルゾーンプレートの場合、最大空間分解能はゾーンプレートを構成する遮蔽ゾーンのうち最も細いものの幅で規定される。このようなゾーンプレートを作製するためには、電子ビーム描画を初めとする半導体作製用のリソグラフィ技術が用いられる。半導体リソグラフィ技術自体は10ナノメートルの直線状パターンの描画が可能であるが、X線フレネルゾーンプレートとして必要なリング状のパターンを作製する場合、40ナノメートル程度の幅の描画が現状では限界であり、X線フレネルゾーンプレート自体の分解能も50ナノメーター程度である。さらに、X線フレネルゾーンプレートを作製する際、リング状の非常に多くのパターンを精密に作製する必要があるため、X線フレネルゾーンプレート自体も非常に高価なものとなる。
This condensing principle is the same as that of visible light, and details thereof are described in Non-Patent
X線フレネルゾーンプレートではX線が透過できない遮蔽ゾーンを設けることによりX線を集光したのに対し、(D)の透過積層型ゾーンプレートを利用する手法の場合、X線が透過する重元素層とX線が透過する軽元素層とを積層した構造を用いる。非特許文献4には、X線ビームの中心からZ方向に沿った距離が(2nλf1)1/2(n=0,1,2,・・・)の位置と{(2n+1)λf1}1/2の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちいずれかに配置された積層型フレネルゾーンプレート構造により、X線を線状に集光する可能性が提案されている。また、2つの積層型フレネルゾーンプレート構造を組み合わせることにより、点状に集光する方法が最近提案されている。 The X-ray Fresnel zone plate collects X-rays by providing a shielding zone through which X-rays cannot be transmitted, whereas in the case of the method using the transmissive laminated zone plate (D), a heavy element that transmits X-rays A structure in which a layer and a light element layer that transmits X-rays are stacked is used. In Non-Patent Document 4, the distance along the Z direction from the center of the X-ray beam is a position of (2nλf 1 ) 1/2 (n = 0, 1, 2,...) And {(2n + 1) λf 1 }. X-rays are linearly collected by the laminated Fresnel zone plate structure disposed in either the first region between the half positions or the second region excluding the first region. Possibilities have been proposed. In addition, a method of condensing dots in a spot shape by combining two stacked Fresnel zone plate structures has been recently proposed.
一方、(E)のX線導波路を利用する手法の場合、導波路を構成するコアのサイズでX線ビームの大きさが決まる。ここで、コア層を覆うクラッド層のX線領域での屈折率をN1、コア層のX線領域での屈折率をN2とすると、(N1の実数部分)<(N2の実数部分)の関係がある。X線導波路のコア層にX線ビームを入射させると、X線ビームはコア層の中を進行する。このとき、コア層の厚さが充分小さいとき、ある特定の状態のX線しか伝達されず、このときにコア層の厚さDとX線ビームの波長λとX線ビームのクラッド層への入射角φとの間に以下の関係があることが知られている(非特許文献7参照)。
2Dsin(φ)=mλ(m=0,1,2,・・・) ・・・(1)
On the other hand, in the case of the method using the X-ray waveguide of (E), the size of the X-ray beam is determined by the size of the core constituting the waveguide. Here, when the refractive index in the X-ray region of the cladding layer covering the core layer is N1, and the refractive index in the X-ray region of the core layer is N2, the relationship of (the real part of N1) <(the real part of N2) There is. When an X-ray beam is incident on the core layer of the X-ray waveguide, the X-ray beam travels through the core layer. At this time, when the thickness of the core layer is sufficiently small, only X-rays in a specific state are transmitted. At this time, the thickness D of the core layer, the wavelength λ of the X-ray beam, and the X-ray beam to the cladding layer are transmitted. It is known that there is the following relationship with the incident angle φ (see Non-Patent Document 7).
2Dsin (φ) = mλ (m = 0, 1, 2,...) (1)
式(1)の条件は、X線導波路に入射するX線の入射角φに制限があることを示しており、それ以外の入射角を持つX線はコア層を透過することができないことを示している。コア層からクラッド層へのX線ビームの入射角φとして全反射を起こす角度程度を選択し、クラッド層を通過するX線ビームがすべて吸収されてしまって導波路出口に透過しないような長さのX線導波路を用いると、導波路の出口ではX線ビームをコア層のサイズとほぼ同程度のサイズまで集光することができる。このようなX線導波路は蒸着によって作製することができるため、コア層の厚さを10ナノメートル以下にすることは容易であり、数ナノメートルのサイズを持つX線ビームを作製することが原理的に可能となる。 The condition of formula (1) indicates that there is a limit to the incident angle φ of the X-ray incident on the X-ray waveguide, and X-rays having other incident angles cannot pass through the core layer. Is shown. The angle at which total reflection occurs is selected as the incident angle φ of the X-ray beam from the core layer to the cladding layer, and the length is such that all X-ray beams passing through the cladding layer are absorbed and do not pass through the waveguide exit. When the X-ray waveguide is used, the X-ray beam can be condensed to the size of the core layer at the exit of the waveguide. Since such an X-ray waveguide can be manufactured by vapor deposition, it is easy to reduce the thickness of the core layer to 10 nanometers or less, and an X-ray beam having a size of several nanometers can be manufactured. It is possible in principle.
しかし、X線導波路を利用する手法の場合、コアの厚み方向にX線ビームを集光することはできるが、厚み方向及びビームの進行方向に対して垂直なコアの面内方向に対してX線を集光することはできない。すなわち、X線導波路の出口で取り出すことのできるX線は水平方向については入射X線と同じサイズとなるので、このX線導波路で得られるのは一次元方向のみに集光された線状のX線マイクロビームであり、二次元方向に集光された点状のX線マイクロビームを得ることは困難である。 However, in the case of a method using an X-ray waveguide, an X-ray beam can be condensed in the thickness direction of the core, but the in-plane direction of the core perpendicular to the thickness direction and the traveling direction of the beam. X-rays cannot be collected. That is, the X-rays that can be extracted at the exit of the X-ray waveguide have the same size as the incident X-rays in the horizontal direction. It is difficult to obtain a point-shaped X-ray microbeam that is focused in a two-dimensional direction.
以上のように、X線フレネルゾーンプレートを利用する手法では、10ナノメートルサイズのX線ビームを得ることは困難であり、またX線導波路を利用する手法では、数ナノメートルのサイズのX線ビームを得ることが可能であるが、X線ビームの集光方向が一次元方向のみで、二次元方向に集光されたX線ビームを得ることができず、X線強度が弱いという問題点があった。前述のとおり、ナノ構造材料研究の進展に伴って、10ナノメートルレベルの空間分解能でナノ構造材料を評価する技術が要求されているが、従来のX線ビームの集光方法では10ナノメートルレベルの空間分解能を実現することは困難である。 As described above, it is difficult to obtain an X-ray beam having a size of 10 nanometers by a method using an X-ray Fresnel zone plate, and an X-ray beam having a size of several nanometers by a method using an X-ray waveguide. Although it is possible to obtain a ray beam, there is a problem that the X-ray beam is condensed in only a one-dimensional direction, an X-ray beam condensed in a two-dimensional direction cannot be obtained, and the X-ray intensity is weak. There was a point. As described above, with the progress of research on nanostructured materials, a technique for evaluating nanostructured materials with a spatial resolution of 10 nanometer level is required. However, the conventional X-ray beam focusing method has a level of 10 nanometer level. It is difficult to achieve a spatial resolution of
このような技術的困難を克服するために、発明者は、X線領域における屈折率がN1であるコア薄膜層の上下を、屈折率N2であるクラッド薄膜層で挟み、屈折率N1とN2の間に(N1の実数部分)<(N2の実数部分)の関係があるX線導波路を用いて、導波路の一部にフレネルゾーンプレートを組み込むことにより垂直方向および水平方向に対するナノメーターレベルで集光されたX線マイクロビームの形成を可能とするX線集光レンズを提案した(特願2006−172450)。 In order to overcome such technical difficulties, the inventor sandwiched the upper and lower sides of the core thin film layer having a refractive index of N1 in the X-ray region with the clad thin film layer having a refractive index of N2, and having refractive indexes of N1 and N2. Using X-ray waveguides with a relationship of (real part of N1) <(real part of N2) between them, by incorporating a Fresnel zone plate into a part of the waveguide, at the nanometer level in the vertical and horizontal directions An X-ray condensing lens capable of forming a condensed X-ray microbeam has been proposed (Japanese Patent Application No. 2006-172450).
特願2006−172450で提案したX線集光レンズでは、X線がX線導波路の端面で集光されるため、立体構造を持つ試料の測定では、試料の形状によっては微小部分の調整が困難である。すなわち、前記X線集光レンズでは、仮に試料をX線導波路の端面から離れた場所に置いた場合、導波路から出射したX線はその進行方向に対して垂直な方向について再び発散光となり試料に照射されるため、X線集光レンズで集光したナノビームの特性を有効に利用できないという問題点があった。したがって、このような立体構造の測定には、集光系と試料との間の距離(ワーキングディスタンス)を十分に確保した上で、試料上にナノメートルレベルのビーム集光を実現する必要がある。 In the X-ray condensing lens proposed in Japanese Patent Application No. 2006-172450, X-rays are condensed on the end face of the X-ray waveguide. Therefore, in measurement of a sample having a three-dimensional structure, a minute portion may be adjusted depending on the shape of the sample. Have difficulty. That is, in the X-ray condenser lens, if the sample is placed at a location away from the end face of the X-ray waveguide, the X-ray emitted from the waveguide becomes divergent light again in the direction perpendicular to the traveling direction. Since the sample is irradiated, there is a problem in that the characteristics of the nano beam condensed by the X-ray condenser lens cannot be effectively used. Therefore, in order to measure such a three-dimensional structure, it is necessary to secure a sufficient distance (working distance) between the condensing system and the sample and realize beam focusing on the nanometer level on the sample. .
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、従来のX線ビームの集光技術では困難であった10ナノメートルレベルの高強度なX線マイクロビームを、試料測定のためのワーキングディスタンスを十分に確保しながら実現することができるX線集光レンズを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a high-intensity X-ray microbeam of 10 nanometer level, which has been difficult with the conventional X-ray beam focusing technique, is used as a working distance for sample measurement. An object of the present invention is to provide an X-ray condensing lens that can be realized while sufficiently securing the above.
本発明のX線集光レンズは、コア層の対向する両面にクラッド層を形成したX線導波路レンズ構造と、X線ビームの進行方向に沿って前記X線導波路レンズ構造よりも下流側において、中心軸の位置が前記X線導波路レンズ構造の中心軸と一致するように配置された積層型フレネルゾーンプレート構造とを備え、前記X線導波路レンズ構造は、前記対向する両面と平行にX線が入射する前記コア層の一部または前記X線ビームの進行方向と逆方向に沿って前記コア層よりも上流側に、X線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを有し、この遮蔽ゾーンは、X線の波長をλ、前記X線導波路レンズ構造の焦点距離をf、前記X線ビームの進行方向をAX、この進行方向AXと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をAZ、前記AX及びAZと直交する方向をAYとしたとき、前記X線ビームの中心から前記AY方向に沿った距離が(2nλf)1/2(nは0,1,2,・・・)の位置と{(2n+1)λf}1/2の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちのいずれかに配置され、前記AX方向に沿った長さが、当該遮蔽ゾーンを透過するX線が存在しない程度の寸法に設定され、前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、X線が透過しない材料からなる重元素層とX線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をf1としたとき、前記X線ビームの中心から前記AZ方向に沿った距離が(2nλf1)1/2の位置と{(2n+1)λf1}1/2の位置との間の第3の領域、この第3の領域を除く第4の領域のうちのいずれかに配置され、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記遮蔽ゾーンの出口側の端面から前記AX方向に沿って下流側に距離Lの位置にあり、前記X線導波路レンズ構造の焦点距離fと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離f1との間にf=f1+Lの関係が成り立つことを特徴とするものである。 The X-ray condenser lens of the present invention includes an X-ray waveguide lens structure in which a clad layer is formed on both opposing surfaces of a core layer, and a downstream side of the X-ray waveguide lens structure along the traveling direction of the X-ray beam. with fraud and mitigating risk and arranged laminated Fresnel zone plate structure so that the position of the center axis coincides with the center axis of the X-ray waveguide lens structure, the X-ray waveguide lens structure, both sides of the counter A shielding zone made of a material that does not transmit X-rays, upstream of the core layer along a direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam or a part of the core layer in which X-rays are incident in parallel In this shielding zone, the wavelength of X-ray is λ, the focal length of the X-ray waveguide lens structure is f, the traveling direction of the X-ray beam is AX, and the core layer is out of the directions orthogonal to the traveling direction AX. The laminating direction of the cladding layer is AZ, When the direction orthogonal to the serial AX and AZ and the AY, the position of the distance along the center of the X-ray beam in the AY direction (2nλf) 1/2 (n is 0, 1, 2, ...) And the position of {(2n + 1) λf} 1/2 and the second region excluding the first region, and the length along the AX direction is The laminated Fresnel zone plate structure has a heavy element layer made of a material that does not transmit X-rays and a light element made of a material that transmits X-rays. The heavy element layer has a distance along the AZ direction from the center of the X-ray beam when the focal length of the stacked Fresnel zone plate structure is f 1 ( 2nλf 1 ) 1/2 and {(2n + 1) λf 1 } 1/2 Between the first region and the fourth region excluding the third region, and the end surface on the outlet side of the laminated Fresnel zone plate structure is located on the outlet side of the shielding zone. It is located at a distance L downstream from the end surface along the AX direction, and f = f 1 between the focal length f of the X-ray waveguide lens structure and the focal length f 1 of the laminated Fresnel zone plate structure. It is characterized in that the relationship + L holds.
また、本発明のX線集光レンズの1構成例は、前記X線導波路レンズ構造と前記積層型フレネルゾーンプレート構造とを同一基板上に作製するものである。
また、本発明のX線集光レンズの1構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、W、Ru、Ta、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Ba、Re、Os、Ir、Pt、Au、Pb、Tl、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znのうち少なくとも一つを含む材料からなり、前記軽元素層は、C、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうちすくなくとも一つを含む材料からなるものである。
Further , in one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the X-ray waveguide lens structure and the laminated Fresnel zone plate structure are formed on the same substrate.
In one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the heavy element layer of the laminated Fresnel zone plate structure includes W, Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag. , Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au, Pb, Tl, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn. The layer is made of a material including at least one of C, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a polymer material.
本発明によれば、従来実現することが困難であったナノメートルオーダーまで集光した高強度のX線マイクロビームを簡便に得ることができ、X線集光レンズの焦点位置において量子ドット、ナノドット、ナノワイヤー、ナノ粒子や高集積化した半導体材料の微細ゲートなどナノメートルレベルのサイズからなる種々のナノ材料の構造評価が可能となり、半導体材料や半導体デバイスの開発に貢献することができる。また、本発明では、X線導波路レンズ構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、X線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to easily obtain a high-intensity X-ray microbeam condensed to the nanometer order, which has been difficult to realize in the past, and at the focal position of the X-ray condenser lens, quantum dots and nanodots can be obtained. It is possible to evaluate the structure of various nanomaterials of nanometer size, such as nanowires, nanoparticles and fine gates of highly integrated semiconductor materials, and contribute to the development of semiconductor materials and semiconductor devices. Further, in the present invention, by arranging the laminated Fresnel zone plate structure behind the X-ray waveguide lens structure, the working distance between the X-ray condensing lens and the sample is sufficiently secured, while at the nanometer level. It is possible to realize beam condensing with a diameter of.
また、本発明では、積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面が、遮蔽ゾーンの出口側の端面からX線ビームの進行方向AXに沿って下流側に距離Lの位置になるようにし、X線導波路レンズ構造の焦点距離fと積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離f1との間にf=f1+Lの関係が成り立つようにすることにより、X線集光レンズから離れた位置にX線を集光することが容易になり、分析などにも利用しやすいX線ビームを得ることができる。 In the present invention, the end face on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is positioned at a distance L downstream from the end face on the exit side of the shielding zone along the traveling direction AX of the X-ray beam, by such relation f = f 1 + L is established between the focal length f of the ray waveguide lens structure as a stacked focal length f 1 of the Fresnel zone plate structure, at a position away from the X-ray focusing lens It becomes easy to collect X-rays, and an X-ray beam that can be easily used for analysis can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(A)は本発明の実施の形態に係るX線集光レンズの構成を示す平面図、図1(B)は図1(A)のX線集光レンズのI−I線断面図である。なお、図1(A)では、後述するX線導波路レンズ構造のX線遮蔽層と、X線導波路レンズ構造及び積層型フレネルゾーンプレート構造を透過するX線ビームとを透視しているものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view showing a configuration of an X-ray condenser lens according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line II of the X-ray condenser lens of FIG. It is. In FIG. 1A, an X-ray shielding layer having an X-ray waveguide lens structure, which will be described later, and an X-ray beam passing through the X-ray waveguide lens structure and the laminated Fresnel zone plate structure are seen through. And
本実施の形態のX線集光レンズは、X線導波路の一部にフレネルゾーンプレートを組み込んだものであり、同一基板上にあるX線導波路レンズ構造13と、1次元型のフレネルゾーンプレートと呼ばれる積層型フレネルゾーンプレート構造14とから構成される。
The X-ray condensing lens of the present embodiment incorporates a Fresnel zone plate in a part of an X-ray waveguide, and an X-ray
X線導波路レンズ構造13は、X線ビームを垂直方向に集光するためのX線導波路部8と、X線ビームを水平方向に集光するためのX線ゾーンプレート部9およびX線集光部10とから構成される。図1において、1はシリコン基板、2はシリコン基板1の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、3は下部ルテニウム層2の上に形成されたコア層であるカーボン層、4はカーボン層3の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、5は下部ルテニウム層2とカーボン層3と上部ルテニウム層4とからなるX線導波路の一部に形成された、X線ゾーンプレートとして機能するタンタル材料からなるX線遮蔽層である。
The X-ray
積層型フレネルゾーンプレート構造14は、X線がほとんど透過しない重元素層6とX線が透過する軽元素層7とを交互に積層した構造である。
図1(A)、図1(B)の例では、X線ビームの進行方向をAX、この進行方向AXと直交する方向のうちX線導波路レンズ構造13のコア層とクラッド層の積層方向をAZ、AX及びAZと直交する方向をAYとしている。
The stacked Fresnel
In the example of FIGS. 1A and 1B, the traveling direction of the X-ray beam is AX, and the stacking direction of the core layer and the cladding layer of the X-ray
X線導波路レンズ構造13のクラッド層のX線領域での屈折率をN1、コア層のX線領域での屈折率をN2とすると、屈折率N1とN2との間には、(N1の実数部分)<(N2の実数部分)の関係がある。本実施の形態では、クラッド層から漏洩するX線を防止するため、下部ルテニウム層2及び上部ルテニウム層4の厚さを100ナノメートルとし、X線が透過するカーボン層3の厚さを10ナノメートルとしている。
Assuming that the refractive index in the X-ray region of the cladding layer of the X-ray
X線導波路レンズ構造13のX線遮蔽層5は、X線の波長をλ、集光レンズとしての焦点距離をfとしたとき、X線ビームの中心(図1(A)のI−I線)からX線ビームの進行方向AXと直交する方向AYに沿った距離がY2n(nは0,1,2,・・・)の位置とY2n+1の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちのいずれかに配置され、かつX線集光レンズの焦点16からX線ビームの進行方向AXと逆方向に沿って焦点距離fだけ上流に配置される。X線遮蔽層5のX線ビームの中心からの距離(座標)Y2n,Y2n+1は以下の式で求められる。
Y2n=(2nλf)1/2 ・・・(2)
Y2n+1={(2n+1)λf}1/2 ・・・(3)
The
Y 2n = (2nλf) 1/2 (2)
Y 2n + 1 = {(2n + 1) λf} 1/2 (3)
X線遮蔽層5をY2n(nは0,1,2,・・・)とY2n+1との間の第1の領域に設ける場合を図2に示す。なお、図2においても、上部ルテニウム層4の下にあるX線遮蔽層5を透視しているものとする。X線遮蔽層5をY2nとY2n+1との間を除く第2の領域に設ける場合は、図2の黒地の領域の間にX線遮蔽層5を配置すればよい。
FIG. 2 shows a case where the
積層型フレネルゾーンプレート構造14の重元素層6は、集光レンズとしての焦点距離をf1としたとき、X線ビームの中心(図1(B)のII−II線)からX線ビームの進行方向AXと直交する方向AZに沿った距離がZ2n(nは0,1,2,・・・)の位置とZ2n+1の位置との間の第3の領域、この第3の領域を除く第4の領域のうちのいずれかに配置され、かつX線集光レンズの焦点16からX線ビームの進行方向AXと逆方向に沿って焦点距離f1だけ上流に配置される。重元素層6のX線ビームの中心からの距離(座標)Z2n,Z2n+1は以下の式で求められる。
Z2n=(2nλf1)1/2 ・・・(4)
Z2n+1={(2n+1)λf1}1/2 ・・・(5)
The
Z 2n = (2nλf 1 ) 1/2 (4)
Z 2n + 1 = {(2n + 1) λf 1 } 1/2 (5)
重元素層6をZ2n(nは0,1,2,・・・)とZ2n+1との間の第3の領域に設ける場合を図3に示す。重元素層6をZ2nとZ2n+1との間を除く第4の領域に設ける場合は、図3の黒地の領域の間に重元素層6を配置し、図3の黒地の領域に軽元素層7を配置すればよい。
The case where the
X線ゾーンプレート部9でX線を効率良く集光するためにはX線遮蔽層5を透過するX線が存在しないことが必要であるが、本実施の形態ではX線ゾーンプレート部9の長さ(図1(A)の左右方向の寸法)を75ミクロンとしている。このときのX線遮蔽層5を透過するX線の割合はタンタルの吸収係数より2.54×10-4%程度と見積もられることから、X線遮蔽層5を透過するX線の影響はほとんどない。
In order to efficiently collect the X-rays in the X-ray zone plate portion 9, it is necessary that no X-rays pass through the
次に、本実施の形態のX線導波路レンズ構造13の作製方法を説明する。まず、シリコン基板1にエッチングによりメサ構造を形成し、マスクを用いてその上にのみ下部ルテニウム層2を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層2の上にタンタルを蒸着後、電子ビームリソグラフィ等の方法により加工して、X線遮蔽層5を形成する。続いて、下部ルテニウム層2の上にカーボン層3を例えばスパッタによって形成する。このとき、カーボン層3の厚さは、X線遮蔽層5の厚さ以下となるようにする。最後に、カーボン層3とX線遮蔽層5の上に上部ルテニウム層4を例えば蒸着によって形成することにより、X線導波路レンズ構造13の作製が完了する。
Next, a manufacturing method of the X-ray
次に、本実施の形態の積層型フレネルゾーンプレート構造14の作製方法を説明する。X線遮蔽層5の出口側の端面からX線ビームの進行方向AXに沿って下流側に距離Lの位置が積層型フレネルゾーンプレート構造14の出口側の端面となるように、タングステンからなる重元素層6とタングステンシリサイドからなる軽元素層7とを交互に例えばスパッタによって形成する。本実施の形態では、重元素層6を式(4)に示したZ2nと式(5)に示したZ2n+1との間の第3の領域に設けている。このとき、X線導波路レンズ構造13から入射するX線ビームのAZ方向の中心(図1(B)のII−II線)の位置が、中央の重元素層6の中心と一致するように配置する。これで、X線集光レンズの作製が完了する。
Next, a manufacturing method of the laminated Fresnel
こうして作製したX線集光レンズにX線ビーム11を図1(A)、図1(B)の左側から入射させた場合、X線導波路レンズ構造13の長さによっては導波路モードで進行するX線以外のX線の存在が無視できない可能性もあるが、本実施の形態ではX線導波路レンズ構造13の長さと積層型フレネルゾーンプレート構造14の長さをそれぞれ10ミリメートルとしている。この値はX線の波長に比べると充分大きいことから、X線導波路レンズ構造13を透過するX線ビームは式(1)を満足するビームのみしか存在せず、シリコン基板1に垂直な方向(図1(B)の上下方向)のX線ビームのサイズは約10ナノメートル程度となる。
When the
X線導波路8を透過したX線は、次にX線ゾーンプレート部9に入射する。このとき、導波路を通るX線の一部はX線遮蔽層5によって吸収され、それ以外のX線がX線集光部10に到達する。シリコン基板1と垂直な方向についてはX線ビームは広がることができないため、X線ビームの垂直方向(図1(B)の上下方向)のサイズはX線導波路部8の場合と同様に約10ナノメートル程度となる。
The X-ray that has passed through the
したがって、X線導波路レンズ構造13の出口15におけるX線ビームの垂直方向のサイズは約10ナノメートル程度となる。出口15から出射するX線ビームは、垂直方向に入射角の2倍の発散角をもって出射する。このX線ビームは、X線導波路レンズ構造13の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造14により再び集光する。
Therefore, the vertical size of the X-ray beam at the
一方、X線導波路レンズ構造13のX線ゾーンプレート部9及びX線集光部10の水平面内についてはX線ビームのモードを束縛するものはないため、X線ゾーンプレート部9の開口部から出たX線は一次元の球面波としてX線集光部10と積層型フレネルゾーンプレート構造14の中を進行する。この結果、X線集光部10と積層型フレネルゾーンプレート構造14の中を進行するX線は、干渉効果によって水平方向(図1(A)の上下方向)に集光される。
On the other hand, the X-ray zone plate portion 9 of the X-ray
したがって、X線導波路レンズ構造13のX線ゾーンプレート部9及びX線集光部10による焦点16の位置と積層型フレネルゾーンプレート構造14による集光位置とを一致させるようにすれば、X線集光レンズと焦点16との間に距離をとることができる。これにより、本実施の形態では、試料測定時における位置合わせの自由度を高めることができる。
Therefore, if the position of the
以上例示したように、本実施の形態のX線集光レンズでは、入射するX線ビームのエネルギーを有効に活用しながらX線ビームの二次元集光を行うことができ、ナノメートルレベルの高強度なX線マイクロビームを実現することができるので、ナノメートルレベルの材料のより高度な構造評価が可能になる。
本実施の形態のX線集光レンズを材料評価に用いる場合には、X線集光レンズを出射した光をそのまま評価対象の材料に照射したり、X線集光レンズを出射した光を更にミラー等で集光して評価対象の材料に照射したりして、材料によって回折したX線または材料から発生した蛍光X線を検出して材料を評価すればよい。
As illustrated above, the X-ray condensing lens of the present embodiment can perform two-dimensional condensing of the X-ray beam while effectively utilizing the energy of the incident X-ray beam. Since an intense X-ray microbeam can be realized, a higher-level structural evaluation of a nanometer level material becomes possible.
When the X-ray condenser lens of the present embodiment is used for material evaluation, the light emitted from the X-ray condenser lens is directly irradiated to the material to be evaluated, or the light emitted from the X-ray condenser lens is further emitted. The material may be evaluated by collecting the light with a mirror or the like and irradiating the material to be evaluated, detecting X-rays diffracted by the material or fluorescent X-rays generated from the material.
なお、本発明は、図1〜図3に示した実施の形態に限定されるものではない。例えば本実施の形態では、X線遮蔽層5をX線導波路レンズ構造13のコア層中に設けているが、コア層の外に設けてもよい。この場合には、X線集光レンズの焦点16から焦点距離fだけ上流にX線遮蔽層5を設けるようにすればよい。
In addition, this invention is not limited to embodiment shown in FIGS. 1-3. For example, although the
また、本実施の形態では、重元素層6の材料としてタングステンを用いているが、重元素層6の材料は、Ru、Ta、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Ba、Re、Os、Ir、Pt、Au、Pb、Tl、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znのうち少なくとも一つを含む材料であればよい。また、軽元素層7の材料としてタングステンシリサイドを用いているが、軽元素層7の材料は、C、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうちすくなくとも一つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。
Further, in the present embodiment, tungsten is used as the material of the
また、本実施の形態では、コア層の材料としてカーボンを用いているが、コア層の材料はカーボン、シリコン、ベリリウム、高分子材料のうち少なくとも一つを含む材料であればよい。また、コア層の材料として、ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、フッ素、カルシウム、マグネシウム、チタンのうち少なくとも一つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。 In this embodiment, carbon is used as the material for the core layer. However, the material for the core layer may be a material including at least one of carbon, silicon, beryllium, and a polymer material. Further, as the material of the core layer, a material containing at least one of boron, beryllium, aluminum, fluorine, calcium, magnesium, and titanium may be used, and polyimide, polymethyl methacrylate, fluorine resin, or chlorine resin is used. Also good.
また、本実施の形態では、クラッド層の材料としてルテニウムを用いているが、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも一つを含む材料であればよい。また、クラッド層の材料として、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、チタン、ゲルマニウム、モリブデン、ジルコニウム、インジウム、レニウム、銀、金、白金、タンタルのうち少なくとも一つを含む材料を用いてもよい。X線遮蔽層5の材料はクラッド層と同一でもよいし、クラッド層の材料として挙げたものの中からクラッド層とは別の材料を用いてもよい。
In this embodiment, ruthenium is used as the material of the cladding layer, but any material containing at least one of tungsten, ruthenium, and tantalum may be used. Further, as a material for the cladding layer, a material containing at least one of nickel, cobalt, chromium, vanadium, titanium, germanium, molybdenum, zirconium, indium, rhenium, silver, gold, platinum, and tantalum may be used. The material of the
本発明は、X線集光装置に適用することができる。 The present invention can be applied to an X-ray condensing device.
1…シリコン基板、2…下部ルテニウム層、3…カーボン層、4…上部ルテニウム層、5…X線遮蔽層、6…重元素層、7…軽元素層、8…X線導波路部、9…X線ゾーンプレート部、10…X線集光部、11…X線ビーム、13…X線導波路レンズ構造、14…積層型フレネルゾーンプレート構造、15…X線導波路レンズ構造の出口、16…X線集光レンズの焦点。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 2 ... Lower ruthenium layer, 3 ... Carbon layer, 4 ... Upper ruthenium layer, 5 ... X-ray shielding layer, 6 ... Heavy element layer, 7 ... Light element layer, 8 ... X-ray waveguide part, 9 ... X-ray zone plate part, 10 ... X-ray condensing part, 11 ... X-ray beam, 13 ... X-ray waveguide lens structure, 14 ... Laminated Fresnel zone plate structure, 15 ... Exit of X-ray waveguide lens structure, 16: The focal point of the X-ray condenser lens.
Claims (3)
X線ビームの進行方向に沿って前記X線導波路レンズ構造よりも下流側において、中心軸の位置が前記X線導波路レンズ構造の中心軸と一致するように配置された積層型フレネルゾーンプレート構造とを備え、
前記X線導波路レンズ構造は、前記対向する両面と平行にX線が入射する前記コア層の一部または前記X線ビームの進行方向と逆方向に沿って前記コア層よりも上流側に、X線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを有し、
この遮蔽ゾーンは、X線の波長をλ、前記X線導波路レンズ構造の焦点距離をf、前記X線ビームの進行方向をAX、この進行方向AXと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をAZ、前記AX及びAZと直交する方向をAYとしたとき、前記X線ビームの中心から前記AY方向に沿った距離が(2nλf)1/2(nは0,1,2,・・・)の位置と{(2n+1)λf}1/2の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちのいずれかに配置され、前記AX方向に沿った長さが、当該遮蔽ゾーンを透過するX線が存在しない程度の寸法に設定され、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、X線が透過しない材料からなる重元素層とX線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をf1としたとき、前記X線ビームの中心から前記AZ方向に沿った距離が(2nλf1)1/2の位置と{(2n+1)λf1}1/2の位置との間の第3の領域、この第3の領域を除く第4の領域のうちのいずれかに配置され、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記遮蔽ゾーンの出口側の端面から前記AX方向に沿って下流側に距離Lの位置にあり、
前記X線導波路レンズ構造の焦点距離fと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離f1との間にf=f1+Lの関係が成り立つことを特徴とするX線集光レンズ。 An X-ray waveguide lens structure in which clad layers are formed on both opposing surfaces of the core layer;
Along the traveling direction of the X-ray beam the X-ray waveguide lens Oite downstream of structure, the position of the central axis X-ray waveguide lens geometric center axis coincident so arranged laminated Fresnel With zone plate structure,
The X-ray waveguide lens structure has a part of the core layer on which X-rays are incident in parallel with the opposing both surfaces, or upstream of the core layer along the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam. A shielding zone made of a material that does not transmit X-rays;
The shielding zone has an X-ray wavelength of λ, a focal length of the X-ray waveguide lens structure f, an advancing direction of the X-ray beam AX, and the core layer and the out of the directions orthogonal to the advancing direction AX When the stacking direction of the cladding layer is AZ and the direction orthogonal to the AX and AZ is AY, the distance along the AY direction from the center of the X-ray beam is (2nλf) 1/2 (n is 0, 1, 2,...) And the position of {(2n + 1) λf} 1/2 , arranged in any one of the second regions excluding the first region, The length along the AX direction is set to such a dimension that there is no X-ray that passes through the shielding zone,
The laminated Fresnel zone plate structure is a structure in which a heavy element layer made of a material that does not transmit X-rays and a light element layer made of a material that transmits X-rays are alternately stacked. When the focal length of the type Fresnel zone plate structure is f 1 , the distance along the AZ direction from the center of the X-ray beam is (2nλf 1 ) 1/2 and {(2n + 1) λf 1 } 1/2 Arranged in one of the third region between the positions of the first region and the fourth region excluding the third region,
The end surface on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is at a position of a distance L downstream from the end surface on the exit side of the shielding zone along the AX direction,
An X-ray condenser lens, wherein a relationship of f = f 1 + L is established between a focal length f of the X-ray waveguide lens structure and a focal length f 1 of the laminated Fresnel zone plate structure.
前記X線導波路レンズ構造と前記積層型フレネルゾーンプレート構造とを同一基板上に作製することを特徴とするX線集光レンズ。 The X-ray condenser lens according to claim 1,
An X-ray condenser lens, wherein the X-ray waveguide lens structure and the laminated Fresnel zone plate structure are fabricated on the same substrate .
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、W、Ru、Ta、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Ba、Re、Os、Ir、Pt、Au、Pb、Tl、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znのうち少なくとも一つを含む材料からなり、
前記軽元素層は、C、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうちすくなくとも一つを含む材料からなることを特徴とするX線集光レンズ。 The X-ray condensing lens according to claim 1 or 2 ,
The layered Fresnel zone plate structure heavy element layers are W, Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au. , Pb, Tl, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and a material containing at least one of Zn,
The X-ray condenser lens , wherein the light element layer is made of a material including at least one of C, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a polymer material .
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