(57)【要約】【課題】電気的操作でＸ線ビームの２次元空間における微細な強度変調が可能なＸ線空間変調装置を提供する。【解決手段】  Ｘ線空間変調装置１は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子（以下、素子）５を２次元に配列したＸ線変調手段１０と、２次元に配列した素子５の中から、磁化方向を反転させる素子５を選択する素子選択手段１１と、素子選択手段１１によって選択した素子５に磁化反転のための電流である磁化反転電流を注入して、当該素子５の磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段１２とを備える。Ｘ線空間変調装置１は、素子選択手段１１によって個々の素子５の磁化方向を制御して単色円偏光Ｘ線ビームＢ２に対する素子５の吸収率を変化させることによって、素子５に入射し、当該素子５を透過する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の２次元空間における強度分布を変調する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単色の円偏光したＸ線ビームである単色円偏光Ｘ線ビームを入射し、入射した前記単色円偏光Ｘ線ビームの２次元空間における強度分布を変調するＸ線空間変調装置であって、
スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を２次元に配列したＸ線変調手段と、
前記２次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、前記磁化方向を反転させる前記スピン注入型磁化反転素子を選択する素子選択手段と、
前記素子選択手段によって選択したスピン注入型磁化反転素子に前記磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入して、当該スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段と、を備え、
前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光Ｘ線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の吸収率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を透過する前記単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調することを特徴とするＸ線空間変調装置。
【請求項２】
単色の円偏光したＸ線ビームである単色円偏光Ｘ線ビームを入射し、入射した前記単色円偏光Ｘ線ビームの２次元空間における強度分布を変調するＸ線空間変調装置であって、
スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を２次元に配列したＸ線変調手段と、
前記２次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、前記磁化方向を反転させる前記スピン注入型磁化反転素子を選択する素子選択手段と、
前記素子選択手段によって選択したスピン注入型磁化反転素子に前記磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入して、当該スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段と、を備え、
前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光Ｘ線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の反射率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を反射する前記単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調することを特徴とするＸ線空間変調装置。
【請求項３】
前記Ｘ線変調手段は、基板と、当該基板上にストライプ状に配設された複数の下部電極と、前記下部電極に直交する方向にストライプ状に配設された複数の上部電極とを備え、
平面視で前記下部電極と前記上部電極とが交差する領域において、前記スピン注入型磁化反転素子の両端が前記下部電極と前記上部電極とに電気的に接続して配置され、
前記磁化反転電流注入手段は、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することによって、前記電圧を印加した下部電極と上部電極との間に配置された前記スピン注入型磁化反転素子に前記磁化反転電流を注入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＸ線空間変調装置。
【請求項４】
前記スピン注入型磁化反転素子は、前記下部電極と前記上部電極との間に、前記下部電極側から順に、磁化方向が固定された強磁性体からなる磁化方向固定層と、非磁性体からなる中間層と、前記磁化反転電流の注入によって前記磁化方向が反転する強磁性体からなる磁化方向可変層とが積層した積層柱状構造を有し、
前記スピン注入型磁化反転素子は前記基板上に立設して配置されるとともに、相隣接する前記スピン注入型磁化反転素子同士は、絶縁層によって相互に電気的及び磁気的に絶縁されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線空間変調装置。
【請求項５】
前記磁化方向可変層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の前記単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調することを特徴とする請求項４に記載のＸ線空間変調装置。
【請求項６】
前記素子選択手段は、前記磁化方向を反転させるための前記スピン注入型磁化反転素子の選択を時分割で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のＸ線空間変調装置。
【請求項７】
単色円偏光Ｘ線ビームを生成するＸ線源と、
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のＸ線空間変調装置と、を備え、
前記Ｘ線源が生成する単色円偏光Ｘ線ビームを前記Ｘ線空間変調装置によって強度変調し、強度変調した変調Ｘ線を露光用のＸ線として用いることを特徴とするＸ線露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入型磁化反転素子を用いたＸ線空間変調装置及びＸ線露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでのＸ線リソグラフィは、用いるＸ線に対する吸収の大きい材料で作製したＸ線露光マスクを用いて行われている。このＸ線リソグラフィの要素技術としては、Ｘ線ミラー、Ｘ線露光マスク、レジスト材料などがあり、解像度は、（λ・ｇ）１／２に比例する。ここでλはＸ線の波長、ｇはＸ線露光マスクとウエハとのギャップ間隔を表す。
【０００３】
解像度の向上には、Ｘ線の短波長化が有効であるが、短波長Ｘ線はレジストや基板を構成する原子との衝突による２次電子の拡散距離が長くなるため、かえって像が不鮮明になる弊害がある。このため、従来は０．７〜０．８ｎｍの波長のＸ線が用いられてきた。露光システムは、この波長のＸ線強度が最大となるようにＸ線ミラーをＳｉＣやＰｔでコーティングして形成している。また、Ｘ線露光マスクの基板もＳｉＣを用いている。
【０００４】
更に解像度を改善するために、ミラーのコーティング材料としてＲｕやＲｈを用い、マスクメンブレン材料もＳｉ原子を含まないレジスト材料としてダイアモンドに変更して、より短波長（０．７ｎｍ以下）のＸ線を用いるように開発が進められている。また、Ｘ線吸収体としてＷ−Ｔｉ（０．２〜０．７μｍ）、Ｔａなどが用いられている。更に短波長Ｘ線に感度をもつ元素をレジストに添加することなどにより、最近では、限界解像度は３５ｎｍ程度に達している。
【０００５】
等倍Ｘ線リソグラフィ技術は、焦点深度が大きく、解像度に優れているが、等倍用の高アスペクト比のＸ線露光マスクの作製が難しく、また、シンクロトロン放射光やプラズマＸ線発生装置などのＸ線源のコストが大きいことなどを問題として挙げることができる。
【０００６】
一方、ＬＩＧＡ（LIthographie, Galvanoformung und Abformung：独語）と呼ばれるＸ線リソグラフィ技術は、Ｘ線露光、電鋳、モールドなどのプロセスなどからなり、高アスペクト比及び側面のナノ精度での加工を特徴とする。Ｘ線源としてシンクロトロン放射光を用いると、レジスト内部での散乱が少なく、また指向性及び直進性に優れているので、高アスペクト比、ナノ精度での側面の平滑性が得られる。
【０００７】
前記したモールドは、レジストを加工して形成した高分子製モールドに電鋳を行い、その高分子製モールドを除去することで、金属製モールドとして形成される。この金属製モールドに、ナノインプリント、射出成形などで高分子を充填し、金属製モールドから離型することにより、高分子成形体を作製することができる。
更に、この高分子成形体をモールドとして使用することもできる。また、レジストを用いた高分子製モールドに直接、金属やセラミックスを充填して部品とすることも可能である。
【０００８】
一般に、ＬＩＧＡには、波長０．７〜０．８ｎｍのＸ線が最適であると言われているが、最近では、２次電子の影響を最小限にできるレジストの開発により、広い波長領域（エネルギー領域）を有効に活用することが提案されている。例えば、（１）５００ｅＶ〜２ｋｅＶの領域は、膜厚５μｍ以下のレジスト用の高精度微細加工、（２）２ｋｅＶ〜５ｋｅＶの領域は、膜厚５０μｍ以下のレジスト用のｎｍオーダー精度の微細加工、（３）５ｋｅＶ〜１５ｋｅＶの領域は、膜厚１ｍｍ以下のレジスト用のμｍオーダー精度の微細加工、（４）１５ｋｅＶ以上の領域は、膜厚ｃｍオーダーのレジスト用の加工、などのように、波長（エネルギー）によって加工に適する領域が提案されている。
【０００９】
Ｘ線吸収体は、厚くするほどＸ線の遮蔽効果が高くなるものの、Ｘ線露光マスクパターンのアスペクト比が大きくなってしまうという問題がある。これまではＸ線吸収体として、Ｗ、Ｔａ、ＷＴｉ、ＷＲｅ、Ｔａ４Ｂなどが提案・作製されている。
【００１０】
また、ＬＩＧＡでは、傾斜露光やＸ線露光マスクの移動などを行うことにより、前記したような通常のＸ線リソグラフィではできない３次元形状の自由度の高い加工ができるメリットがある。
例えば、特許文献１には、Ｘ線露光マスクを材料に対して移動させて、材料へ照射する強度分布（累積露光量分布）を変化させて加工の深さを制御する方法（段落００３５〜段落００５８、図５、図６、図８〜図１０参照）、Ｘ線の透過性を微小領域ごと可変とするＸ線露光マスクを用いる方法（段落００５９〜段落００６５、図１１〜図１５参照）などが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３３８０８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のＸ線リソグラフィでは、露光パターンごとにＸ線露光マスクを製作する必要があるため、多様で多数の露光パターンが必要な加工をする場合には高価になり、各露光プロセスにおけるＸ線露光マスクの位置合わせが煩雑になる。
特許文献１に記載されたＸ線露光マスクを移動させる方法においても、多様な形状を形成するためには、複数の露光パターンのＸ線露光マスクが必要となる。
また、Ｘ線露光マスク製作の解像度（精度）は、Ｘ線吸収体の堆積とエッチング技術、電子ビームリソグラフィなどによって決まるが、前記したように、Ｘ線リソグラフィ全体における現状の加工精度は３５ｎｍ程度であると言われている。また、ＬＩＧＡプロセスでは、３次元加工の際はマスクの移動が必要であるので、加工対象となる基板に、同時に異なる形状の様々な形状物を形成する場合は、各形状に対応する個々のＸ線露光マスクの移動が必要になり、全体の加工プロセスにおける工程数が増加し、Ｘ線露光マスクの位置合わせ精度によっては加工精度が低下する可能性がある。
【００１３】
また、特許文献１に記載された透過性を微小領域ごとに可変とする方法を用いるとＸ線露光マスクの移動を行う必要はないが、金属の析出と溶解を利用してＸ線の透過量を制御する方法（段落００５９〜段落００６３、図１１、図１２参照）では、透過量の制御に時間を要するため応答が遅く、加工精度にも限界がある。また、マイクロシャッタをアレイ状に配列して微小領域ごとにＸ線露光をＯＮ／ＯＦＦする方法（段落００６４〜段落００６５、図１３〜図１５参照）では、機械的に駆動するマイクロシャッタは構造が複雑であり、そのマイクロシャッタの作製において、微小化には限度がある。そのため、このようなＸ線露光マスクを用いた加工精度には限界がある。
【００１４】
本発明の課題は、電気的操作でＸ線ビームの２次元空間における微細な強度変調が可能なＸ線空間変調装置を提供し、更に、このＸ線空間変調装置を用いたＸ線露光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そこで、前記した課題を解決するために、請求項１に記載のＸ線空間変調装置は、単色の円偏光したＸ線ビームである単色円偏光Ｘ線ビームを入射し、入射した単色円偏光Ｘ線ビームの２次元空間における強度分布を変調するＸ線空間変調装置であって、Ｘ線変調手段と、素子選択手段と、磁化反転電流注入手段とを備え、前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光Ｘ線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の吸収率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を透過する前記単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調する構成とした。
【００１６】
かかる構成によれば、Ｘ線空間変調装置は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を２次元に配列したＸ線変調手段を備えており、素子選択手段によって、２次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子を選択する。Ｘ線空間変調装置は、磁化反転電流注入手段によって、素子選択手段で選択したスピン注入型磁化反転素子に磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入することで、当該スピン注入型磁化反転素子にスピンが注入されて、その磁化方向が反転される。
ここで、スピン注入型磁化反転素子は、その磁化方向に応じて単色円偏光Ｘ線ビームに対する吸収率が変化するため、スピン注入型磁化反転素子を透過する単色円偏光Ｘ線ビームの強度は、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向に応じて変調される。
このため、Ｘ線空間変調装置は、素子選択手段によって、磁化反転電流注入手段を介して個々のスピン注入型磁化反転素子の磁化方向を制御することにより、スピン注入型磁化反転素子を２次元に配列したＸ線変調手段を透過する単色円偏光Ｘ線ビームの２次元空間における強度分布を変調する。
【００１７】
請求項２に記載のＸ線空間変調装置は、単色の円偏光したＸ線ビームである単色円偏光Ｘ線ビームを入射し、入射した前記単色円偏光Ｘ線ビームの２次元空間における強度分布を変調するＸ線空間変調装置であって、Ｘ線変調手段と、素子選択手段と、磁化反転電流注入手段とを備え、前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光Ｘ線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の反射率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を反射する前記単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調する構成とした。
【００１８】
かかる構成によれば、Ｘ線空間変調装置は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を２次元に配列したＸ線変調手段を備えており、素子選択手段によって、２次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子を選択する。Ｘ線空間変調装置は、磁化反転電流注入手段によって、素子選択手段で選択したスピン注入型磁化反転素子に磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入することで、当該スピン注入型磁化反転素子にスピンが注入されて、その磁化方向が反転される。
ここで、スピン注入型磁化反転素子は、その磁化方向に応じて単色円偏光Ｘ線ビームに対する反射率が変化するため、スピン注入型磁化反転素子を反射する単色円偏光Ｘ線ビームの強度は、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向に応じて変調される。
このため、Ｘ線空間変調装置は、素子選択手段によって、磁化反転電流注入手段を介して個々のスピン注入型磁化反転素子の磁化方向を制御することにより、スピン注入型磁化反転素子を２次元に配列したＸ線変調手段を反射する単色円偏光Ｘ線ビームの２次元空間における強度分布を変調する。
【００１９】
請求項３に記載のＸ線空間変調装置は、請求項１又は請求項２に記載のＸ線空間変調装置において、Ｘ線変調手段は、基板と、当該基板上にストライプ状に配設された複数の下部電極と、下部電極に直交する方向にストライプ状に配設された複数の上部電極とを備える構成とした。
【００２０】
かかる構成によれば、Ｘ線変調手段の、平面視で下部電極と上部電極とが交差する領域において、スピン注入型磁化反転素子の両端が下部電極と上部電極とに電気的に接続して配置される。Ｘ線空間変調装置は、磁化反転電流注入手段によって、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することによって、電圧を印加した下部電極と上部電極との間に配置されたスピン注入型磁化反転素子に磁化反転電流を注入する。
【００２１】
請求項４に記載のＸ線空間変調装置は、請求項３に記載のＸ線空間変調装置において、スピン注入型磁化反転素子は、下部電極と上部電極との間に、下部電極側から順に、磁化方向固定層と、非磁性体からなる中間層と、磁化反転電流の注入によって磁化方向が反転する強磁性体からなる磁化方向可変層とが積層した積層柱状構造を有し、スピン注入型磁化反転素子は基板上に絶縁層を介して立設して配置される構成とした。
【００２２】
かかる構成によれば、スピン注入型磁化反転素子は基板上に立設して配置されるとともに、相隣接するスピン注入型磁化反転素子同士は、絶縁層によって相互に電気的及び磁気的に絶縁される。このため、各スピン注入型磁化反転素子は、磁化反転電流注入手段によって、下部電極と上部電極との間に電圧が印加されて磁化反転電流が注入されることにより、隣接するスピン注入型磁化反転素子から独立して磁化方向可変層の磁化方向が反転され、当該磁化方向可変層の単色円偏光Ｘ線ビームに対する吸収率又は反射率が変化する。
【００２３】
請求項５に記載のＸ線空間変調装置は、請求項４に記載のＸ線空間変調装置において、磁化方向可変層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調することとした。
【００２４】
かかる構成によれば、Ｘ線空間変調装置は、磁化方向可変層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の単色円偏光Ｘ線ビームを、磁化方向可変層を透過又は反射させることによって、その強度を変調する。
なお、内殻電子束縛エネルギーに相当する波長とは、Ｘ線源が生成する単色円偏光Ｘ線ビームを用いて、磁化方向可変層を構成する当該元素の内殻吸収を測定するとき、磁化を反転して吸収率差（ＭＣＤ）が現れるＸ線源の設定条件で生成されるエネルギーの円偏光Ｘ線全体を示す。そして、ＭＣＤが最大となるＸ線源の設定条件で、最大の変調度が得られる。
【００２５】
請求項６に記載のＸ線空間変調装置は、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のＸ線空間変調装置において、素子選択手段は、磁化方向を反転させるためのスピン注入型磁化反転素子の選択を時分割で行うこととした。
【００２６】
かかる構成によれば、Ｘ線空間変調装置は、素子選択手段によって、磁化方向を反転させるためのスピン注入型磁化反転素子の選択を時分割で行うことにより、スピン注入型磁化反転素子を透過又は反射する単色円偏光Ｘ線ビームの累積光量を制御する。
【００２７】
請求項７に記載のＸ線露光装置は、Ｘ線源と、請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載のＸ線空間変調装置とを備える構成とした。
【００２８】
かかる構成によれば、Ｘ線露光装置は、Ｘ線源によって、単色円偏光Ｘ線ビームを生成し、Ｘ線空間変調装置に入射する。Ｘ線露光装置は、Ｘ線空間変調装置によって、Ｘ線源から入射した単色円偏光Ｘ線ビームを透過又は反射させることで、その透過Ｘ線又は反射Ｘ線の２次元空間における強度分布を変調する。そして、Ｘ線露光装置は、Ｘ線空間変調装置で変調したＸ線を露光用のＸ線として用いる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１又は請求項２に記載の発明によれば、Ｘ線空間変調装置は、各スピン注入型磁化反転素子の磁化方向の制御によって、スピン注入型磁化反転素子を透過又は反射するＸ線ビームの強度を変調するため、速い応答速度でスピン注入型磁化反転素子を解像度の単位とした２次元空間における強度分布を変調することができる。また、スピン注入型磁化反転素子は可動部分がなく、高密度に形成することができるため、２次元空間において微細にＸ線ビームの強度分布を変調することができる。
【００３０】
請求項３に記載の発明によれば、Ｘ線空間変調装置は、互いに直交するストライプ状の電極によって磁化方向を反転するスピン注入型磁化反転素子に選択的に電圧を印加して磁化反転させるため、電気的な操作で簡便に２次元空間におけるＸ線ビームの強度分布を変調することができる。
請求項４に記載の発明によれば、Ｘ線空間変調装置は、スピン注入型磁化反転素子を磁化方向可変層を含む積層柱状構造を、Ｘ線変調手段の基板上に絶縁層を介して立設して配置したため、変調されたＸ線の２次元空間における強度分布の解像度の単位となるスピン注入型磁化反転素子を高密度に配置することができる。このため、Ｘ線空間変調装置は、２次元空間において微細にＸ線ビームの強度分布を制御することができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明によれば、Ｘ線空間変調装置は、吸収率又は反射率が変化する磁化方向反転層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の単色円偏光Ｘ線ビームの強度を変調するため、磁化方向可変層の磁化方向の反転による吸収率の差又は反射率の差を大きくすることができ、高い変調度を得ることができる。
【００３２】
請求項６に記載の発明によれば、Ｘ線空間変調装置は、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向を時分割で選択してスピン注入型磁化反転素子を透過又は反射するＸ線ビームの累積光量を制御するため、磁化方向の反転による２段階の強度変調が可能なスピン注入型磁化反転素子を用いて、実質的に多段階の強度変調を行うことができる。
請求項７に記載の発明によれば、Ｘ線露光装置は、電気的な操作によって、速い応答速度で、２次元空間において微細に露光を制御することができる。これによって、本発明のＸ線露光装置をリソグラフィに用いた場合には、Ｘ線露光マスクを移動することなく自由度の高い微細な３次元加工を簡便に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る第１実施形態のＸ線空間変調装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態のＸ線空間変調装置におけるＸ線変調手段の構成を示す模式的断面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態のＸ線空間変調装置におけるＸ線変調手段の模式的平面図である。
【図４】本発明に係るＸ線空間変調装置における磁性材料のＸ線透過率を示すグラフである。
【図５】本発明に係るＸ線空間変調装置の製造工程を示す模式的断面図である。
【図６】本発明に係るＸ線空間変調装置の図５の次の製造工程を示す模式的断面図である。
【図７】本発明に係るＸ線空間変調装置の図６の次の製造工程を示す模式的断面図である。
【図８】本発明に係るＸ線空間変調装置の図７の次の製造工程を示す模式的断面図である。
【図９】本発明に係るＸ線空間変調装置の図８の次の製造工程を示す模式的断面図である。
【図１０】本発明に係るＸ線空間変調装置の図９の次の製造工程を示す模式的断面図である。
【図１１】本発明に係るＸ線空間変調装置の図１０の次の製造工程を示す模式的断面図である。
【図１２】本発明に係るＸ線空間変調装置の図５に示す製造工程の模式的平面図である。
【図１３】本発明に係るＸ線空間変調装置の図１１に示す製造工程の模式的平面図である。
【図１４】本発明に係る第１実施形態のＸ線空間変調装置を用いたＸ線露光装置の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明に係る第２実施形態のＸ線空間変調装置の構成を示す模式図である。
【図１６】本発明に係る第２実施形態のＸ線空間変調装置におけるＸ線変調手段の構成を示す模式的断面図である。
【図１７】本発明に係る第２実施形態のＸ線空間変調装置における磁性材料のＸ線反射率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して説明する。
＜構成＞
まず、図１乃至図４を参照して，本発明に係る第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１の構成について説明する。
【００３５】
図１に示すように、Ｘ線空間変調装置１は、Ｘ線変調手段１０と、素子選択手段１１と、磁化反転電流注入手段１２とからなる。Ｘ線空間変調装置１は、Ｘ線源２０から入射した単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を、Ｘ線変調手段１０を透過させることによりＸ線強度の２次元空間における分布を変調し、変調したＸ線ビームである変調Ｘ線ビームＢ３を出射する装置である。
また、Ｘ線変調手段１０は、基板２と、下部電極４と、スピン注入型磁化反転素子５と、上部電極６とからなる。
【００３６】
本発明においては、スピン注入型磁化反転素子５を用いて入射するＸ線の強度を変調する。スピン注入型磁化反転素子による空間変調を利用した装置としては、例えば、特開２００８−６０９０６号公報に記載された撮像装置や特開２００８−８３６８６号公報に記載された光変調器がある。これらの装置は、ファラデー回転効果又はカー回転効果の原理を利用したものである。すなわち、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向に応じて変化する直線偏光に対する旋光性の差を利用し、スピン注入型磁化反転素子を透過又は反射する直線偏光した可視光の偏光軸の回転角を変調するものである。そして、更に偏光軸が所定の回転角の際に透過する偏光素子を用いて、可視光の強度を変調する。
【００３７】
これに対して、本発明におけるＸ線空間変調装置１は、磁気円二色性の原理を利用したものである。すなわち、スピン注入型磁化反転素子５の磁化方向に応じて変化する円偏光Ｘ線に対する吸収率（又は反射率）の差を利用し、スピン注入型磁化反転素子５を透過（又は反射）する円偏光Ｘ線の強度を変調するものである。
Ｘ線空間変調装置１の各部の詳細な構成については後記する。
【００３８】
Ｘ線源２０は、シンクロトロン放射光源２１と、モノクロメータ２２と、波長選択手段２３と、移相器２４と、極性選択手段２５とからなる。
Ｘ線源２０は、シンクロトロン放射光源２１によって放射される白色直線偏光Ｘ線ビームＢ０から単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を生成し、生成した単色円偏光Ｘ線ビームＢ２をＸ線空間変調装置１に入射させるＸ線の光源である。
【００３９】
シンクロトロン放射光源２１は、シンクロトロン放射によって白色直線偏光Ｘ線ビームＢ０を生成するＸ線の光源である。シンクロトロン放射光源２１は、生成した白色直線偏光Ｘ線ビームＢ０を、モノクロメータ２２に入射させる。
【００４０】
モノクロメータ２２は、シンクロトロン放射光源２１から白色直線偏光Ｘ線ビームＢ０を入射し、波長選択手段２３によって選択した波長（エネルギー）の単色Ｘ線を分光して単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１を生成する単色Ｘ線生成手段である。
モノクロメータ２２としては、例えば回折型の分光手段である二結晶モノクロメータを用いることができる。モノクロメータ２２は、波長選択手段２３によって、モノクロメータ２２への入射光である白色直線偏光Ｘ線ビームＢ０の入射角と、出射光である単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１の出射角とを調節し、選択された波長の単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１を移相器２４に入射させる。
【００４１】
波長選択手段２３は、モノクロメータ２２への白色直線偏光Ｘ線ビームＢ０の入射角と出射角とを調節し、選択した所望の波長のＸ線が移相器２４に入射するようにするモノクロメータ２２の角度制御手段である。
このとき選択するＸ線の波長は、後記するスピンフリー強磁性層５３を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長を選択することが好ましい。これによって、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向の反転によるＸ線の吸収率の差を大きくとることができるため、Ｘ線空間変調装置１は、より大きな変調度を得ることができる。
なお、実際には、モノクロメータ２２及び移相器２４において、それぞれの結晶の品質、角度制御の精度、光軸精度などにより、完全な単色円偏光Ｘ線ビームを得るのは困難である。すなわち、単色Ｘ線には、所定のエネルギーを有するＸ線を中心に、それに近いエネルギーを持つ様々な波長のＸ線を含む（ΔＥ／Ｅ＝〜１０−４、Ｅ：Ｘ線エネルギー）。従って、内殻電子束縛エネルギーに相当する波長とは、Ｘ線源２０が生成する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を用いて、スピンフリー強磁性層５３の当該元素の内殻吸収を測定するとき、磁化を反転して吸収率差（ＭＣＤ）が現れるモノクロメータ２２、波長選択手段２３、移相器２４及び極性選択手段２５の設定条件で生成されるエネルギーの円偏光Ｘ線全体を示す。そして、ＭＣＤが最大となるモノクロメータ２２、波長選択手段２３、移相器２４及び極性選択手段２５の設定で、最大の変調度が得られる。
【００４２】
移相器２４は、モノクロメータ２２から単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１を入射し、極性選択手段２５によって選択した正負何れかの極性の円偏光を生成する円偏光生成手段である。
移相器２４は、極性選択手段２５によって単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１の入射角が調節され、入射角に応じて単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１の位相を変化させる。このとき単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１の位相を９０°遅らせるか、９０°早めるかによって生成する円偏光の極性の正負（左回り又は右回り）が決定される。
移相器２４としては、例えば、回折型Ｘ線移相器を用いることができ、回折角度の調節によって所望の極性の円偏光を選択をすることができる。
移相器２４は、生成した単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を、Ｘ線空間変調装置１のＸ線変調手段１０に入射させる。
【００４３】
極性選択手段２５は、移相器２４を機械的に回転させ、移相器２４への単色直線偏光Ｘ線ビームＢ１の入射角を調節することにより、移相器２４によって生成される円偏光の極性を選択する移相器２４の角度制御手段である。
【００４４】
図２に示すように、Ｘ線空間変調装置１のＸ線変調手段１０は、基板２の上に、複数のスピン注入型磁化反転素子（以下、「素子」と略記する）５が、各素子５の間に介設された絶縁層３によって電気的及び磁気的に絶縁された状態で、アレイ状に配設された構成を有する。
【００４５】
各素子５の下部には下部電極４が配置され、上部には上部電極６が配設されている。そして、下部電極４と、上部電極６とは、図３に示すように、平面視で、それぞれがＹ軸及びＸ軸に沿って、相互に直交するように配置されている。
【００４６】
このＸ線変調手段１０において、素子５は、図３に示すように、下部電極４と上部電極６とが平面視で重なり合う各電極の四角形の領域をそれぞれ底面及び上面とする四角柱形状をしている。そして、素子５は、平面視で下部電極４と上部電極６とが重なる各交点において２次元アレイ状に配置されている。
【００４７】
基板２は、絶縁材料からなり、基板２の上面に複数の下部電極４を設ける。また、基板２は、用いるＸ線に対して吸収率の小さい材料が好ましく、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、ダイアモンド（Ｃ）などを用いることができる。
【００４８】
素子５は、下部電極４の側から、上部電極６に向けて、スピン固定強磁性層５１、非磁性中間層５２及びスピンフリー強磁性層５３の順に積層された柱状積層構造を有する。
また、各素子５の間は、絶縁層３によって電気的及び磁気的に絶縁されている。これによって、各素子５におけるスピンフリー強磁性層５３の磁化方向を独立して反転させることができる。
【００４９】
スピン固定強磁性層（磁化方向固定層）５１は、強磁性材料からなり、磁化方向が固定されている層である。図２に示したスピン固定強磁性層５１の磁化方向は、Ｘ線変調手段１０の上面に対して垂直方向（柱状の素子５の長さ方向）に上向きである。なお、磁化方向は下向きに固定されていてもよい。
【００５０】
強磁性材料としては、金属系ハーフメタルなどスピン偏極率の高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＴｂＦｅＣｏ、ＭｎＳｂなどの大きなスピン偏極率を有する材料が挙げられる。また、酸化物系ハーフメタルとしては、Ｌａ０．７Ｓｒ０．３ＭｎＯ３、Ｓｒ２Ｆｅ（Ｗ０．４Ｍｏ０．６）Ｏ６、Ｓｒ２ＦｅＲｅＯ６、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４などが挙げられる。これらの中でも、強磁性材料として、スピン偏極率が高いことが好ましい。さらに、スピン固定強磁性層５１は、これらの材料を用いた組成の異なる層やＩｒＭｎなどのスピン固着層と組み合わせた２〜３層構造であってもよい。このスピン固定強磁性層５１の膜厚は、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度である。このスピン固定強磁性層５１は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やスパッタリング法などによって、下部電極４の上に形成される。
【００５１】
非磁性中間層（中間層）５２は、例えば、Ｃｕなどの非磁性体で形成することができる。この非磁性中間層５２の膜厚は、偏極スピン電子がトンネルできる厚さ（２〜３ｎｍ）とすることが好ましい。非磁性中間層５２は、ＭＢＥ法やスパッタリング法などによって、スピン固定強磁性層５１の上に形成することができる。
【００５２】
スピンフリー強磁性層（磁化方向可変層）５３は、偏極スピン電子の注入（スピン注入）により磁化方向が反転され、磁化方向の向きの違いによって、入射する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の吸収率に差を与える層である。スピンフリー強磁性層５３の磁化方向は、図２に示したように、Ｘ線変調手段１０の上面に垂直方向（柱状の素子５の長さ方向）とすること好ましい。これによって、素子５を高密度に配置しながら、磁化方向のスピンフリー強磁性層５３の厚みを大きくとることができる。
【００５３】
スピンフリー強磁性層５３の磁化方向の初期状態は、作製時に素子５に磁界を印加することにより設定することができる。磁化方向の初期状態をＸ線変調手段１０の上面に垂直方向（柱状の素子５の長さ方向）に設定した場合、磁化反転電流注入手段１２によって下部電極４と上部電極６との間に電圧が印加されることにより、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向は、Ｘ線変調手段１０の上面に垂直方向（柱状の素子５の長さ方向）に上向きか下向きかの何れかに変更（反転）されることになる。スピンフリー強磁性層５３としては、ＧｄＦｅ、ＦｅＰｔ、ＰｔＣｏ、ＦｅＮｉなどを用いることができる。
また、磁化方向の反転による単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の吸収率の差を大きくするために、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２は、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向に合わせて、Ｘ線変調手段１０の上面に対して垂直に入射することが好ましい。
【００５４】
また、スピンフリー強磁性層５３に用いる材料は、スピン注入磁化反転に要する電流を低減できる点では、低飽和磁化及び低ダンピング定数でスピン歳差運動の緩和時間が大きく、スピン流が大きくなるような特性を持つものが好ましい。また、磁化反転によるＸ線の吸収率差の大きさの観点からは、用いるＸ線のエネルギー、スピンフリー強磁性層５３で励起される元素及びその元素による吸収率などに基づいて材料を決定することができる。
このスピンフリー強磁性層５３の膜厚は、数十ｎｍ程度である。このスピンフリー強磁性層５３は、非磁性中間層５２の上にＭＢＥ法やスパッタリング法などによって形成することができる。
【００５５】
ここで、スピンフリー強磁性層５３に用いる材料の、磁化方向とＸ線吸収率の差の具体例について説明する。
スピンフリー強磁性層５３のＸ線吸収率は、入射するＸ線のエネルギー及び円偏光の極性が決まれば、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の素子５に対する入射方向とスピンフリー強磁性層５３の磁化方向との間の相対角度、及びスピンフリー強磁性層５３の厚さと構成元素などによって定められる。単色円偏光Ｘ線ビームＢ２のエネルギーを、スピンフリー強磁性層５３を構成する強磁性材料の元素の磁気円二色性を示す内殻励起エネルギーに相当するように選び、そのスピンフリー強磁性層５３の磁化方向が、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の入射方向と平行か反平行になるようにすると、当該単色円偏光Ｘ線ビームＢ２に対する吸収係数の比が最も大きくなり、最も大きい強度変調振幅を得ることができる。
【００５６】
また、前記したように、ＬＩＧＡプロセスでは、加工するレジスト膜の厚さによって適するＸ線のエネルギーが異なり、（１）５００ｅＶ〜２ｋｅＶの領域は、膜厚５μｍ以下のレジスト用の高精度微細加工、（２）２ｋｅＶ〜５ｋｅＶの領域は、膜厚５０μｍ以下のレジスト用のｎｍオーダー精度の微細加工、（３）５ｋｅＶ〜１５ｋｅＶの領域は、膜厚１ｍｍ以下のレジスト用のμｍオーダー精度の微細加工、（４）１５ｋｅＶ以上の領域は、膜厚ｃｍオーダーのレジスト用の加工が適しているとされている。
【００５７】
そこで、スピンフリー強磁性層５３に適した材料として、ＦｅＮｉ、ＰｔＣｏなどの強磁性体が考えられる。前者の材料の磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー（Ｌ２準位）は、Ｆｅ：０．７２１ｋｅＶ、Ｎｉ：０．８７１ｋｅＶであるので、変調するＸ線のエネルギーとして０．８７１ｋｅＶを選択することにより、ＦｅとＮｉの両元素の磁化反転に対する最大の吸収率差を利用することができる。すなわち、前記した（１）の領域の軟Ｘ線用空間変調装置に適した典型的材料ということができる。
【００５８】
一方、後者の材料の磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー（Ｌ２準位）は、Ｐｔ：１３．３ｋｅＶ、Ｃｏ：０．７９３ｋｅＶであるので、変調するＸ線のエネルギーとして１３．３ｋｅＶを選択することにより、主としてＰｔの磁化反転に対応する吸収率差を利用することができる。すなわち、前記した（３）の領域の硬Ｘ線用空間変調装置に適した典型的材料ということができる。このエネルギーのＸ線のＣｏによる吸収の寄与は小さいので、この場合はＰｔの吸収率差のみで考えることができる。
【００５９】
図４は、磁化反転層であるスピンフリー強磁性層５３の材料の厚さと円偏光Ｘ線の透過率との関係を、前記したＦｅＮｉ及びＰｔＣｏの例として、Ｆｅ０．２２Ｎｉ０．７８及びＰｔ０．５Ｃｏ０．５の組成の場合について示したものである。スピンフリー強磁性層５３の磁化方向が、Ｘ線の入射方向に対して平行の場合（吸収率が小さい場合）と反平行の場合（吸収率が大きい場合）の両者に対する計算結果である。ここでは両者の吸収率の比を１．２と仮定した。
【００６０】
図４より、Ｆｅ０．２２Ｎｉ０．７８を用いて０．８７１ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線を強度変調する場合、厚さ３０ｎｍで１０％程度の強度変調ができることがわかる。但し、透過後のＸ線の絶対強度は入射するＸ線の強度に対して、スピンフリー強磁性層５３の寄与の正味として６０％程度に低下する。
一方、Ｐｔ０．５Ｃｏ０．５を用いて１３．３ｋｅＶのエネルギーのＸ線を透過で強度変調する場合は、３０nmの厚さではほとんど変調できないことがわかる。
スピンフリー強磁性層５３の厚さは、絶対強度と強度変調振幅の両者から設定する必要がある。また、スピン注入による磁化反転の機構から、その厚さを大きくとると必要な磁化反転電流も大きくなることに留意する必要がある。
【００６１】
図２に戻って、絶縁層３は、各素子５を互いに電気的及び磁気的に分離する層である。絶縁層３は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮなどの絶縁材料を用いて形成することができる。
絶縁層３の製造方法としては、まず各素子５を構成するスピン固定強磁性層５１、非磁性中間層５２及びスピンフリー強磁性層５３を積層し、各素子５の間を、少なくともスピンフリー強磁性層５３までリソグラフィ法などによりメサエッチングして格子状の溝を形成する。そして、この格子状の溝に、前記した絶縁材料をＭＢＥ法やスパッタリング法により堆積して絶縁層３を形成することができる。なお、格子状の溝に絶縁材料を充填せずに、空隙のままで絶縁層３とすることもできる。
また、前記したメサエッチングに替えて、素子５の間に窒素などのイオンを局所的に注入することにより、部分的に絶縁化して絶縁層３を形成することもできる。
【００６２】
基板２とスピン固定強磁性層５１との間に設けられる下部電極４は、スピンフリー強磁性層５３の上に設けられる上部電極６とともに、スピンフリー強磁性層５３に偏極スピン電子を注入するためのスピン注入用電極を構成する。この下部電極４と上部電極６の間に、下部電極４を負に、上部電極６を正に電圧を印加することによって、スピンフリー強磁性層５３に磁化反転のための電流（磁化反転電流）が注入される。これによって、スピンフリー強磁性層５３にスピン注入され、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向が反転される。スピン注入による磁化反転後、正負逆方向に電圧を印加すれば、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向は再び反転され、前の磁化方向に戻る。
【００６３】
また、下部電極４及び上部電極６は、詳細には図３に示すように、それぞれ２次元アレイ状に配列された素子５のＸ軸方向（図３において水平方向）及びＹ軸方向（図３において垂直方向）に対応したＸ−Ｙ電極アレイを構成する。下部電極４を構成するＸ電極列Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ及び上部電極６を構成するＹ電極列Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｎは、それぞれ磁化反転電流注入手段１２（図１参照）に接続され、Ｘ電極列Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ及びＹ電極列Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｎの中から選択された、それぞれ１つ以上のＸ電極列Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ及びＹ電極列Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｎの間に、磁化反転電流注入手段１２によって電圧が印加される。そして、磁化反転電流注入手段１２によって電圧が印加されたＸ電極列Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ及びＹ電極列Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｎが交差する位置に配置された素子５に磁化反転電流が注入され、当該素子５のスピンフリー強磁性層５３の磁化方向が反転される。
【００６４】
このようにして、素子選択手段１１（図１参照）によって適宜に素子５を選択して、素子５ごとに磁化方向を設定することにより、Ｘ線変調手段１０に、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２に対する吸収率が２次元空間的に分布したパターンを形成することができる。図３において、白で表した素子５Ａは、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向がスピン固定強磁性層５１の磁化方向と逆向きで、吸収率が小さい状態を示している。また、網掛けを施して表した素子５Ｂは、スピンフリー強磁性層５３の磁化方向がスピン固定強磁性層５１の磁化方向と同じ向きであり、吸収率が大きい状態を示している。図３に示したＸ線変調手段１０は、円形領域５０内の素子５の吸収率が小さく、他の領域の素子５の吸収率が大きいパターンを形成している。
このパターンを形成したＸ線変調手段１０に、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を透過させることにより、円形領域５０内を透過したＸ線成分が他の領域を透過したＸ線成分よりも相対的に強度が大きくなるように変調された変調Ｘ線ビームＢ３を得ることができる。
【００６５】
また、各素子５の磁化方向を時分割で制御することにより、単位時間内に透過するＸ線の累積光量を多段階に制御することができる。これによって、素子５の磁化方向に応じた２段階の強度変調だけでなく、実質的に多段階の強度変調をすることができる。
【００６６】
下部電極４は、基板２の上に、金属材料をスパッタリング法などで堆積し、リソグラフィ法などで所望のサイズの電極母線に加工して形成することができる。下部電極４は、用いるＸ線に対する吸収率が小さい方が好ましく、Ａｌ、導電グラファイト（Ｃ）、Ｂｅなどを用いることができる。
【００６７】
上部電極６は、下部電極４と同様に、金属材料をスパッタリング法などで堆積し、リソグラフィ法などで所望のサイズの電極母線に加工して形成することができる。上部電極６は、スピンフリー強磁性層５３に効率よく単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を入射させるため、用いるＸ線に対して吸収率の小さい材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ、導電グラファイト（Ｃ）、Ｂｅなどを用いることができる。
【００６８】
素子選択手段１１は、磁化方向を反転させる素子５を選択し、磁化反転電流注入手段１２を制御して、選択した素子５に磁化反転電流を注入させる。これによって、選択した素子５のスピンフリー強磁性層５３の磁化方向を反転させる。すなわち、素子選択手段１１は、磁化反転電流注入手段１２を介して各素子５のスピンフリー強磁性層５３の磁化方向を制御するものである。
また、素子選択手段１１は、時分割で各素子５のスピンフリー強磁性層５３の磁化方向を制御することにより、素子５を透過する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の強度を実質的に多段階に変調することができる。
【００６９】
磁化反転電流注入手段１２は、素子選択手段１１によって制御され、素子選択手段１１が選択した素子５に対応するＸ電極列Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ及びＹ電極列Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｎの間に電圧を印加して、当該素子５に磁化反転電流を注入する。これによって、当該素子５のスピンフリー強磁性層５３の磁化方向を反転させる。
【００７０】
＜動作＞
次に、図１乃至図３を参照して、Ｘ線空間変調装置１の動作について説明する。
Ｘ線空間変調装置１は、素子選択手段１１によって、磁化方向を反転させるＸ線変調手段１０の素子５を適宜選択する。Ｘ線空間変調装置１は、磁化反転電流注入手段１２によって、素子選択手段１１が選択した素子の位置に対応する下部電極４を構成するＸ電極列Ｘ１、Ｘ２、・・・、Ｘｎ及び上部電極６を構成するＹ電極列Ｙ１、Ｙ２、・・・、Ｙｎの間に、反転させる磁化方向に応じた向きに電圧を印加する。これによって、電圧が印加されたＸ−Ｙ電極が交差する位置の素子５に磁化反転電流が注入され、当該素子５のスピンフリー強磁性層５３の磁化方向が反転される。
Ｘ線空間変調装置１は、適宜Ｘ線変調手段１０を構成する各素子５に対して磁化方向の反転を行うことにより、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２に対する吸収率が２段階の何れかに設定された素子５からなる２次元パターン像をＸ線変調手段１０に形成する。
Ｘ線空間変調装置１は、Ｘ線源２０から入射した単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を、当該２次元パターン像を形成したＸ線変調手段１０に入射して透過させることによって２次元パターン像に応じて２段階に強度変調した変調Ｘ線ビームＢ３を出射する。
【００７１】
本発明におけるＸ線空間変調装置１は、ナノ秒オーダーで起きる磁化方向の反転による吸収率の変化を利用しているため、非常に高速な動作速度を得ることができる。
【００７２】
また、動作速度が高速であることを利用して、Ｘ線空間変調装置１は、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を連続的に入射しながら、素子選択手段１１によって時分割で適宜各素子５の磁化方向を制御することにより、Ｘ線ビームの単位時間当たりの平均強度を多段階に変調することができる。これによって、Ｘ線空間変調装置１は、２段階に吸収率が可変なＸ線変調手段１０を用いながら、２次元空間的に実質的に多段階に強度変調したＸ線ビームを得ることができる。
【００７３】
＜製造方法＞
次に、図５乃至図１３を参照（適宜図２参照）して、本発明に係る第１実施形態のＸ線空間変調装置１におけるＸ線変調手段１０の製造方法について説明する。
まず、図５及び図１２に示すように、基板２の上面に導電性材料をスパッタリング法などによって堆積し、リソグラフィ法によりストライプ状の下部電極４を形成する。なお、図５は、図１２の線Ａ−Ａ’における断面図である。
【００７４】
次に、図６に示すように、基板２及び下部電極４の上にスピン固定強磁性層５１の材料をＭＢＥ法やスパッタリング法などによって堆積する。
【００７５】
続いて、図７に示すように、スピン固定強磁性層５１の上に非磁性中間層５２の材料をＭＢＥ法やスパッタリング法などによって堆積する。
【００７６】
更に、図８に示すように、非磁性中間層５２の上にスピンフリー強磁性層５３の材料をＭＢＥ法やスパッタリング法などによって堆積する。
【００７７】
次に、図９に示すように、素子５として残す部分を除き、スピン固定強磁性層５１、非磁性中間層５２及びスピンフリー強磁性層５３をリソグラフィ法によるメサエッチングなどによって除去し、各素子５を互いに分離する格子状の溝３０を設ける。
【００７８】
そして、図１０に示すように、格子状の溝３０に絶縁材料をスパッタリング法などによって堆積し、絶縁層３を形成する。
なお、格子状の溝３０に絶縁材料を充填せずに、空隙のままで絶縁層３としてもよい。また、メサエッチングなどに替えて、溝３０を設ける部分に、例えば窒素などのイオンを局所的に注入して、部分的に絶縁化することで絶縁層３を形成するようにしてもよい。
【００７９】
最後に、図１１及び図１３に示すように、堆積したスピンフリー強磁性層５３の上に、スパッタリング法などによって導電性材料を堆積し、リソグラフィ法によりストライプ状の上部電極６を形成する。なお、図１１は、図１３の線Ｂ−Ｂ’における断面図である。
これによって、Ｘ線変調手段１０が完成する。
【００８０】
以上の工程によって完成したＸ線変調手段１０におけるスピンフリー強磁性層５３は、スピンフリー強磁性層５３が形成された時点では、それぞれが磁気エネルギー的に安定した状態となるようにその内部が複数の磁区に分割されているので、所定の方向（基板２に垂直方向上向き又は下向き）に磁化方向を揃える必要がある。そのため、初期化作業（リセット）として、すべてのスピンフリー強磁性層５３に数１０Ｇ〜５ｋＧ程度の磁界を外部から印加して、所定の一方向に磁化方向が揃うようにする。例えば、第１実施形態における素子５のような直線状のスピンフリー強磁性層５３は、その長さ方向に磁界を印加すればよい。なお、この初期化後は、この磁化方向の磁化が保持されるので、新たに電流の注入や磁界の印加を行うまでは磁化の消失や変化は起こらない。
【００８１】
＜応用例＞
次に、図１４を参照して、第１実施形態のＸ線空間変調装置１を用いたＸ線リソグラフィのためのＸ線露光装置１００について説明する。
図１４に示すように、Ｘ線露光装置１００は、Ｘ線空間変調装置１と、Ｘ線源２０とからなり、Ｘ線空間変調装置１のＸ線変調手段１０をＸ線露光マスクとして用いる。
Ｘ線源２０及びＸ線空間変調装置１は、図２に示したものと同様であるので、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
また、図１４に示した加工対象４０は、基板４１の上面にＰＭＭＡなどのＸ線用のレジスト膜４２を堆積している。
【００８２】
Ｘ線露光装置１００は、Ｘ線源２０が生成する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を、Ｘ線空間変調装置１によって２次元的に強度変調し、強度変調した変調Ｘ線ビームＢ３で、加工対象４０のレジスト膜４２を露光する。このとき、Ｘ線空間変調装置１によって、例えば、図３に示したような円形パターン（円形領域５０）を形成することにより、円形領域５０の領域を透過して、他の領域より相対的に強度の強い変調Ｘ線ビームＢ３が露光されたレジスト膜４２の領域には、現像によって円柱状の凹部が形成される。
【００８３】
また、Ｘ線露光装置１００は、Ｘ線空間変調装置１の素子選択手段１１によって、時分割でＸ線変調手段１０に形成される２次元パターン像を変化させることで、Ｘ線露光マスクであるＸ線変調手段１０を透過する変調Ｘ線ビームＢ３による露光パターンを時分割で変化させることができる。これによって、Ｘ線露光装置１００は、個々の素子５の大きさに対応する解像度の局所領域ごとに露光量を変調することができ、露光量に応じてレジスト膜４２を加工することができる。例えば、図３に示した円形パターンにおいて、円形領域５０を構成する素子５を、円形領域５０の中心に近い程、素子５の吸収率が小さい状態の時間を長くするように制御することにより、レジスト膜４２は、円形パターンの中心に近い程、露光量が多くなり、深く加工されることになる。これによって、レジスト膜４２に円錐状の凹部を形成することができる。
【００８４】
このように、Ｘ線露光装置１００は、時分割によって、Ｘ線露光マスクであるＸ線変調手段１０の２次元パターン像を制御することができるため、実質的に多段階に強度変調をした露光をすることができる。
これによって、Ｘ線露光装置１００は、３次元形状の自由度の高い加工が可能となる。
【００８５】
また、本発明による第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１は、Ｘ線変調手段１０をＸ線露光マスクとして機能させる用途に限定されず、Ｘ線変調手段１０に種々の２次元パターン像を形成することにより、Ｘ線変調手段１０を、例えば、ゾーンプレートや回折格子として機能させることもできる。
【００８６】
次に、図１５乃至図１７を参照して、本発明に係る第２実施形態のＸ線空間変調装置１Ａについて説明する。
図１に示した第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１では、素子５を透過することでＸ線強度を変調する透過型Ｘ線空間変調装置であった。これに対して、図１５に示す第２実施形態におけるＸ線空間変調装置１Ａは、Ｘ線変調手段１０Ａの上面で単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を反射させ、素子５の上層に形成されたスピンフリー強磁性層５３の磁化方向に応じて反射率が変化する反射光に対する磁気円二色性を利用して、Ｘ線ビームの強度を変調するものである。
【００８７】
＜構成＞
図１５に示すように、第２実施形態におけるＸ線空間変調装置１Ａは、Ｘ線変調手段１０Ａと、素子選択手段１１と、磁化反転電流注入手段１２と、Ｘ線入射角制御手段１３とを備えている。なお、図１に示した第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１と同様の構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
【００８８】
Ｘ線空間変調装置１Ａは、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を、Ｘ線変調手段１０Ａの上面でＸ線変調手段１０Ａを構成する各素子５Ａのスピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向に応じた反射率で反射させ、強度を変調した反射Ｘ線である変調Ｘ線ビームＢ３を出射する。
【００８９】
第２実施形態におけるＸ線変調手段１０Ａは、第１実施形態におけるＸ線変調手段１０と同様の構成であるが、素子５に替えて素子５Ａを備え、スピン固定強磁性層５１Ａ及びスピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向が、第１実施形態における素子５のスピン固定強磁性層５１及びスピンフリー強磁性層５３の磁化方向と異なる。
【００９０】
スピン固定強磁性層５１Ａ及びスピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向は、スピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向の反転による単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の反射率の変化が大きくなるように、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の入射方向にほぼ平行又は反平行になるように設定することが好ましい。図１６に示すスピン固定強磁性層５１Ａの磁化方向は、図中に矢印で示すように、基板２の上面に平行であって、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の入射方向の基板２の上面への射影に反平行（逆向き）に設定されている。
また、スピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向は、図中に矢印で示すように、基板２の上面に平行であって、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の入射方向の基板２の上面への射影に平行又は反平行に設定されている。
なお、スピン固定強磁性層５１Ａの磁化方向は、反対の向き（単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の入射方向の基板２の上面への射影に平行）としてもよい。
【００９１】
スピン固定強磁性層５１Ａ及びスピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向の初期状態は、Ｘ線変調手段１０Ａを作製時に、磁化方向を設定（初期化）したい方向に磁界を印加することによって設定することができる。
【００９２】
磁化方向を初期設定されたスピンフリー強磁性層５３Ａは、下部電極４及び上部電極６の間に電圧を印加されることにより、磁化方向が反転される。図１６に示したスピンフリー強磁性層５３Ａは、印加される電圧の向きに従って、図中で左向きか右向きかの何れかに反転されることになる。
【００９３】
入射する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２は、図１に示したＸ線源２０によって生成される単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を用いることができる。
【００９４】
Ｘ線入射角制御手段１３は、入射する単色円偏光Ｘ線ビームＢ２の、Ｘ線変調手段１０の上面への入射角θを調節するための制御手段である。
【００９５】
反射型の変調においては、素子５への入射角θが反射率の変調度に大きく影響する。
ここで、図１７を参照して、表面反射を用いる場合の、スピンフリー強磁性層５３Ａの材料における反射率と入射角との関係を説明する。
【００９６】
図１７は、磁化反転層であるスピンフリー強磁性層５３Ａの材料として、Ｆｅ０．２２Ｎｉ０．７８及びＰｔ０．５Ｃｏ０．５の組成の場合について反射率と入射角θとの関係を示したものである。スピンフリー強磁性層５３Ａの磁化方向が、Ｘ線の入射方向に対して平行の場合（吸収率が小さい場合）と反平行の場合（吸収率が大きい場合）の両者に対する計算結果である。ここでは両者の吸収率の比を１．２と仮定した。Ｘ線の反射率は、反射面表層の吸収率とともに、入射角θに大きく依存する。
【００９７】
図１７より、Ｆｅ０．２２Ｎｉ０．７８を用いて０．８７１ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線を強度変調する場合、変調度は入射角θが０．０４〜０．０５ｒａｄで最も大きく、１０％程度となる。また、Ｐｔ０．５Ｃｏ０．５を用いて１３．３ｋｅＶのエネルギーのＸ線を強度変調する場合、変調度は入射角θが０．００４〜０．００５ｒａｄで最も大きく、１０％程度となる。この計算では、上部電極６が無いものと仮定した。実際には、上部電極６の中央部を開口してＸ線が直接スピンフリー強磁性層５３Ａで反射される場合を想定している。
【００９８】
これらの材料を用いた場合は、反射するＸ線の絶対強度は、両者とも、入射するＸ線の１／２（反射率が約０．５）程度となる。Ｐｔ０．５Ｃｏ０．５を用いて１３．３ｋｅＶのエネルギーのＸ線を変調する場合は、前記した透過型に比べて、変調度は大きくなる。また、入射するＸ線強度に対する変調Ｘ線、すなわち反射Ｘ線の強度が大きく、Ｘ線の利用効率がよい。従って、入射角θは絶対強度と変調度の両者に基づいて設定する必要がある。
【００９９】
反射型の場合、極めて小さい入射角θで単色円偏光Ｘ線ビームＢ２が入射するので、変調Ｘ線ビームＢ３のビーム幅が狭くなり、その結果、変調の空間周波数が極めて高くなる。このため、変調Ｘ線ビームＢ３を、シリコンなどの回折結晶に入射して非対称反射を利用することにより、Ｘ線ビーム幅を拡大して変調Ｘ線ビームＢ３の空間周波数を低くすることができる。非対称反射のための回折結晶としては、例えば、シリコンの（３１１）面などによる反射を利用することができる。
【０１００】
＜動作＞
次に、図１５を参照して、第２実施形態におけるＸ線空間変調装置１Ａの動作について説明する。
Ｘ線空間変調装置１Ａは、まず、Ｘ線入射角制御手段１３によって、Ｘ線変調手段１０Ａの姿勢を制御して、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２のＸ線変調手段１０Ａの上面への入射角θを所定の角度になるように設定する。
【０１０１】
次に、Ｘ線空間変調装置１Ａは、適宜Ｘ線変調手段１０を構成する各素子５に対して磁化方向の変更を行うことにより、単色円偏光Ｘ線ビームＢ２に対する反射率が２段階の何れかに設定された素子５からなる２次元パターン像をＸ線変調手段１０Ａに形成する。
第２実施形態におけるＸ線空間変調装置１Ａにおいて、Ｘ線変調手段１０Ａに２次元パターンを形成するための動作は、第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１と同様であるので、説明は省略する。
【０１０２】
Ｘ線空間変調装置１Ａは、入射した単色円偏光Ｘ線ビームＢ２を、当該２次元パターン像を形成したＸ線変調手段１０Ａの上面である素子５Ａのスピンフリー強磁性層５３Ａ（図１６参照）で反射させることによって２次元パターン像に応じて２段階に強度変調した変調Ｘ線ビームＢ３を出射する。
【０１０３】
本発明におけるＸ線空間変調装置１Ａは、磁化方向の反転による反射率の変化を利用しているため、非常に高速の動作速度を得ることができる。
【０１０４】
また、Ｘ線空間変調装置１Ａは、第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１と同様に、時分割で適宜各素子５の磁化方向を変更することにより、Ｘ線ビームの単位時間当たりの平均強度を多段階に変調することができる。これによって、Ｘ線空間変調装置１Ａは、２段階に反射率が可変なＸ線変調手段１０Ａを用いて、２次元空間的に多段階に強度変調したＸ線ビームを得ることができる。
【０１０５】
第２実施形態におけるＸ線空間変調装置１ＡのＸ線変調手段１０は、第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１のＸ線変調手段１０と同様にして製作することができるため、説明は省略する。
【０１０６】
また、第２実施形態におけるＸ線空間変調装置１Ａは、第１実施形態におけるＸ線空間変調装置１と同様に、Ｘ線露光マスク、ゾーンプレート、回折格子などとして用いることができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１、１Ａ  Ｘ線空間変調装置
２      基板
３      絶縁層
４      下部電極
５、５Ａ  スピン注入磁化反転素子（素子）
６      上部電極
１０、１０Ａ  Ｘ線変調手段（Ｘ線露光マスク）
１１    素子選択手段
１２    磁化反転電流注入手段
１３    Ｘ線入射角制御手段
２０    Ｘ線源
２１    シンクロトロン放射光源
２２    モノクロメータ
２３    波長選択手段
２４    移相器
２５    極性選択手段
３０    溝
４０    加工対象
４１    基板
４２    レジスト膜
５０    円形領域
５１、５１Ａ  スピン固定強磁性層（磁化方向固定層）
５２    非磁性中間層（中間層）
５３、５３Ａ  スピンフリー強磁性層（磁化方向可変層）
１００  Ｘ線露光装置
Ｂ０    白色直線偏光Ｘ線ビーム
Ｂ１    単色直線偏光Ｘ線ビーム
Ｂ２    単色円偏光Ｘ線ビーム
Ｂ３    変調Ｘ線ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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