(57)【要約】【課題】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。【解決手段】Ｘ線集光レンズは、コア層であるカーボン層１０の一部にＸ線遮蔽層１２を有する。Ｘ線遮蔽層１２は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビームの中心からビームの進行方向と直交する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、かつＸ線導波路出口１７から進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流に配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層の上下をクラッド層で挟んだＸ線導波路を用いてＸ線を集光するＸ線集光レンズであって、
Ｘ線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に、Ｘ線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを有し、
前記遮蔽ゾーンは、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビームの中心から前記Ｘ線ビームの進行方向と直交する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ることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記遮蔽ゾーンは、前記Ｘ線導波路のＸ線ビーム出口から前記進行方向と逆方向に沿って前記焦点距離ｆだけ上流に配置されることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記コア層は、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１つを含む材料からなり、
前記クラッド層および遮蔽ゾーンは、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも１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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線集光装置に関し、より詳細には導波路と遮蔽ゾーンを併用して集光するＸ線集光レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）Ｘ線導波路を利用する手法（非特許文献４参照）がある。表１に各集光法の現状および問題点を示す。
【０００４】
【表１】
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【０００５】
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。
【０００６】
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と｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）との間、または｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2と｛（２ｎ＋２）λｆ｝1/2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。
【０００７】
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５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ナノメートルのライン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。
【０００８】
一方、（Ｄ）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６参照）。
２Ｄｓｉｎ（φ）＝ｍλ（ｍ＝０，１，２，・・・）                ・・・（１）
【０００９】
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様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。
【００１０】
しかし、Ｘ線導波路を利用する手法の場合、コア層の厚み方向に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層の面内方向にＸ線ビーム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線はコア層の面内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。
【００１１】
【非特許文献１】山内他，「Two-dimensional Submicron Focusing of Hard X-rays by Two Elliptical Mirrors Fabricated by Plasma Chemical Vaporization Machining and Elastic Emission Machining」，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.42，2003，p.7129-7134
【非特許文献２】津坂他，「Formation of Parallel X-Ray Microbeam and Its Application」，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.39，2000，p.635-637
【非特許文献３】E.Spiller，「Soft X-ray Optics」，WA:SPIE Optical Engineering Press，1994，p.81-97
【非特許文献４】河合潤，「Ｘ線進行波」，表面科学，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６，ｐ．３９７−４０３，２００１年
【非特許文献５】久保田広，「波動光学」，岩波書店，ｐ．３０５，１９７１年
【非特許文献６】W.Jark他，「High gain beam compression in new-generation thin-film x-ray waveguide」，Applied Physics Letters，Vol.78，No.9，2001，p.1192-1194
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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ナノメートルのサイズの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。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来のＸ線ビームの集光技術では困難であった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Ｘ線集光レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、コア層の上下をクラッド層で挟んだＸ線導波路を用いてＸ線を集光するＸ線集光レンズであって、Ｘ線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に、Ｘ線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを有し、前記遮蔽ゾーンは、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビームの中心から前記Ｘ線ビームの進行方向と直交する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、前記遮蔽ゾーンは、前記Ｘ線導波路のＸ線ビーム出口から前記進行方向と逆方向に沿って前記焦点距離ｆだけ上流に配置されるものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記コア層は、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１つを含む材料からなり、前記クラッド層および遮蔽ゾーンは、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも１つを含む材料からなるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｘ線導波路に遮蔽ゾーンを設けることにより、コア層の厚み方向についてはＸ線導波路を用いてＸ線ビームを集光することができ、コア層の厚み方向およびＸ線ビームの進行方向と直交する方向についてはＸ線フレネルゾーンプレートと同様の集光作用を利用してＸ線ビームを集光することができる。その結果、本発明では、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、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線導波路のＸ線ビーム出口からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流の領域に遮蔽ゾーンを配置することにより、通常のＸ線ミラー等で更に集光することが容易で、分析等にも利用し易いＸ線ビームを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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、後述する上部ルテニウム層の下にあるＸ線遮蔽層およびＸ線ビームを透視しているものとする。
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、Ｘ線ビームを垂直方向に集光するためのＸ線導波路部１４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１５およびＸ線集光部１６とから構成される。
【００１７】
図１において、８はシリコン基板、９はシリコン基板８の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、１０は下部ルテニウム層９の上に形成されたコア層であるカーボン層、１１はカーボン層１０の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、１２は下部ルテニウム層９とカーボン層１０と上部ルテニウム層１１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。
【００１８】
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９および上部ルテニウム層１１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１０の厚さを１０ナノメートルとしている。
【００１９】
Ｘ線遮蔽層１２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線ビームの中心からＸ線ビームの進行方向と直交する方向に沿った距離が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線導波路出口１７からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流に配置される。図１（Ａ）、図１（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの中心が図１（Ａ）のＩ−Ｉ線、Ｘ線ビームの進行方向が図１（Ａ）、図１（Ｂ）の右方向、Ｘ線ビームの進行方向と直交する方向が図１（Ａ）の上下方向である。
【００２０】
Ｘ線遮蔽層１２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＝（２ｎλｆ）1/2                                           ・・・（２）
Ｚ2n+1＝｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2                                 ・・・（３）
【００２１】
Ｘ線遮蔽層１２をＺ2n（ｎは０，１，２，・・・）とＺ2n+1との間の第１の領域に設ける場合を図２に示す。Ｘ線遮蔽層１２をＺ2nとＺ2n+1との間を除く第２の領域に設ける場合は、図２の黒地の領域間にＸ線遮蔽層１２を配置すればよい。
本実施の形態では、Ｘ線の波長λとして０．０７１１ナノメートル、焦点距離ｆとして１０ミリメートルを想定している。このため、Ｘ線集光部１６の長さは１０ミリメートルである。
【００２２】
Ｘ線ゾーンプレート部１５でＸ線を効率良く集光するためにはＸ線遮蔽層１２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１５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１２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１２を透過するＸ線の影響はほとんどない。
【００２３】
次に、本実施の形態のＸ線集光レンズの作製方法を説明する。まず、シリコン基板８の上に下部ルテニウム層９を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層９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１２を形成する。続いて、下部ルテニウム層９の上にカーボン層１０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１０の厚さは、Ｘ線遮蔽層１２の厚さ以下となるようにする。最後に、カーボン層１０とＸ線遮蔽層１２の上に上部ルテニウム層１１を例えば蒸着によって形成することにより、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。
【００２４】
こうして作製したＸ線集光レンズにＸ線ビーム１３を図１（Ａ）、図１（Ｂ）の左側から入射させた場合、Ｘ線導波路部１４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線導波路部１４の長さを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線導波路部１４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８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。
【００２５】
Ｘ線導波路部１４を透過したＸ線は、次にＸ線ゾーンプレート部１５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１２によって吸収され、それ以外のＸ線がＸ線集光部１６に到達する。シリコン基板８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のサイズはＸ線導波路部１４の場合と同様に約１０ナノメートル程度となる。
【００２６】
一方、導波路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１５の開口部からＸ線は一次元の球面波としてＸ線集光部１６の中を進行する。この結果、導波路の中を進行する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、Ｘ線集光部１６のＸ線導波路出口１７に集光される。このときのＸ線ビームの水平方向のサイズはＸ線遮蔽層１２の最小幅（図１（Ａ）の上下方向の寸法）によって決まる。本実施の形態の場合、Ｘ線遮蔽層１２の幅の最小値は約８ナノメートルであることから、水平方向のビームサイズは約１０ナノメートルとなる。また、垂直方向のビームサイズはコア層であるカーボン層１０の厚さがそのまま反映され、約１０ナノメートルのＸ線ビームを得ることが可能である。
【００２７】
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。
【００２８】
また、本実施の形態では、Ｘ線導波路出口１７からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流の領域にＸ線遮蔽層１２を設けることにより、通常のＸ線ミラー等で更に集光することが容易で、分析等にも利用し易いＸ線ビームを得ることができる。Ｘ線の焦点がＸ線導波路出口１７よりも前（導波路中）にずれた位置にある場合、Ｘ線導波路出口１７では既にＸ線ビームが図１（Ａ）の上下方向に広がってしまい、またＸ線の焦点がＸ線導波路出口１７よりも後（導波路外）にずれた位置にある場合、Ｘ線導波路出口１７でＸ線ビームが図１（Ｂ）の上下方向に広がり始めるため、最小のスポットサイズが得られない。これに対して、Ｘ線の焦点がＸ線導波路出口１７と一致していれば、Ｘ線ビームはその後、等方的に広がるため、利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。
【００２９】
なお、本発明は、以上の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１２をＸ線導波路のコア層中に設けているが、コア層の前面に設けてもよい。この場合には、Ｘ線導波路出口１７から焦点距離ｆだけ上流にＸ線遮蔽層１２を設けるようにすればよい。
【００３０】
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１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１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。
【００３１】
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１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１つを含む材料を用いてもよい。Ｘ線遮蔽層１２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。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、Ｘ線集光装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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および断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるＸ線遮蔽層の位置を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
８…シリコン基板、９…下部ルテニウム層、１０…カーボン層、１１…上部ルテニウム層、１２…Ｘ線遮蔽層、１３…Ｘ線ビーム、１４…Ｘ線導波路部、１５…Ｘ線ゾーンプレート部、１６…Ｘ線集光部、１７…Ｘ線導波路出口。
【図１】
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【図２】
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