(57)【要約】【課題】  周期構造を有するコア部とクラッド部からなるＸ線導波路において、Ｘ線伝搬効率の低下を抑制する。【解決手段】  構造周期性を有する材料から構成されるコア部におけるＸ線の多重干渉を、コアの外側に設けたクラッド材との界面での全反射によって閉じ込めた構成のＸ線導波路において、コア部を内側にしてコア部とクラッド部を有する構成要素を対向させ、対向する構成要素の位置関係を制御する手段を有するＸ線導波路。【選択図】  図５
2013088250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド部と、前記クラッド部の上に屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に配置されているコア部と、を有する複数の構成要素が、コア部を内側にして対向しているＸ線導波路であって、
対向している前記構成要素のコア部の複数の成分の周期が等しく、
前記クラッド部と前記コア部との界面における全反射臨界角が、同じ波長のＸ線に対する前記コア部の構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、
且つ、前記コア部を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さく、
前記構成要素のうちの少なくとも１つの第一の構成要素と、前記第一の構成要素と対向する第二の構成要素の位置関係を制御するための手段を備えたことを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記位置関係を制御するための手段が、ピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項１項に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記第一の構成要素及び前記第二の構成要素のコア部は、前記クラッド部の表面に対して垂直な方向に構造周期性を有していることを特徴とする請求項第１又は２に記載のＸ線導波路。
【請求項４】
前記第一の構成要素及び第二の構成要素のコア部は、屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に積層した１次元周期構造を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項５】
前記第一の構成要素及び前記第二の構成要素のコア部が、有機−無機メソ構造体膜であることを特徴とする請求項第１項乃至第４項のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項６】
前記第一の構成要素及び前記第二の構成要素のコア部は、メソポーラス材料膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項７】
前記第一の構成要素及び前記第二の構成要素のコア部は、両親媒性材料の自己集合によって形成されるものであることを特徴とする請求項５に記載のＸ線導波路。
【請求項８】
クラッド部の上に、屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に形成されているコア部を形成してＸ線導波路の構成要素を作製する工程と、
同じ構造周期のコア部を有する複数の前記構成要素を、前記コア部を内側にして前記構成要素を対向して配置する工程と、
前記構成要素のうちの少なくとも１つの第一の構成要素と、前記第一の構成要素と対向する第二の構成要素との位置関係を制御することのできる機構を設ける工程と、を有することを特徴とするＸ線導波路の製造方法。
【請求項９】
クラッド部と、前記クラッド部の上に屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に形成されているコア部と、を有する複数の構成要素が、コア部を内側にして対向しているＸ線導波路において、
前記構成要素のうちの少なくとも１つの第一の構成要素と、コア部を内側にして前記第一の構成要素と対向する第二の構成要素との位置関係を制御して、前記周期構造体に基づいてＸ線を共鳴させることを特徴とするＸ線導波路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線撮像、Ｘ線露光などに適用可能なＸ線光学素子に関し、特に空間的に位相の揃ったＸ線を得ることのできるＸ線導波路、該Ｘ線導波路の製造方法、及び該Ｘ線導波路の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が非常に小さく、また、極めて小さな全反射臨界角よりも大きな入射角に対する反射率は非常に小さい。このため、Ｘ線光学系には、可視光等の光学系とは異なる光学素子が使用されている。例示すると、低角度での全反射を利用した全反射ミラー、全反射を利用したＸ線導波管、結晶や多層膜の周期構造に起因する回折を利用した回折格子や多層膜ミラー、フレネルゾーンプレート等があげられる。近年、Ｘ線光学系の小型化、高性能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝播させる、Ｘ線導波路を用いたＸ線光学系が提案されている。具体的には低電子密度材料の薄膜を高電子密度材料でサンドイッチした構成の平板薄膜導波路（非特許文献１）や、全反射によりＸ線を閉じ込める形態の複数の平板Ｘ線導波路が隣接して配置されたＸ線導波路（非特許文献２）などを用いた光学系である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ  １００，ｐ．１８４８０１（２００８）
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，Ｖｏｌｕｍｅ  ６２，Ｎｕｍｂｅｒ  ２４，ｐ．１６９３９（２０００−ＩＩ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に開示されている導波路は、ニッケルよりなるＸ線導波路のクラッドと、炭素よりなるＸ線導波路のコアから構成される。この導波路は、炭素とニッケルとの界面の全反射によりＸ線が閉じ込められ導波する。この構成の単層導波路は、Ｘ線の位相が揃った状態で導波させるために、導波路のコアの幅を極めて小さい値にする必要があり、導波させることのできるＸ線の光量を大きくすることができない。非特許文献２に開示されている導波路は、上記単層導波路が、積層されたものである。このために、クラッドに挟まれたコアの組み合わせが一組の単層導波路と比較して大きな光量のＸ線を導波することが可能となる。しかし、このような構成の導波路は、積層された導波路構成のそれぞれ（コアとそれを挟み込むクラッドの組）が別個の単層導波路として機能する。そのために、全体として出射されるＸ線の位相が揃う、集光、発散抑制効果を持つといった、単層導波路の長所を減じることとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明は、クラッド部と、前記クラッド部の上に屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に配置されているコア部と、を有する複数の構成要素が、コア部を内側にして対向しているＸ線導波路であって、
対向している前記構成要素のコア部の複数の成分の周期が等しく、
前記クラッド部と前記コア部との界面における全反射臨界角が、同じ波長のＸ線に対する前記コア部の構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、
且つ、前記コア部を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さく、
前記構成要素のうちの少なくとも１つの第１構成要素と、前記第１の構成要素と対向する第２の構成要素の位置関係を制御するための手段を備えたことを特徴とするＸ線導波路に関する。
【０００６】
また、本発明は、クラッド部の上に、屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に形成されているコア部を形成してＸ線導波路の構成要素を作製する工程と、
同じ構造周期のコア部を有する複数の前記構成要素を、前記コア部を内側にして前記構成要素を対向して配置する工程と、
前記構成要素のうちの少なくとも１つの第１の構成要素と、前記第１の構成要素と対向する第２の構成要素との位置関係を制御することのできる機構を設ける工程と、を有することを特徴とするＸ線導波路の製造方法に関する。
【０００７】
また、本発明は、クラッド部と、前記クラッド部上に屈折率実部の異なる複数の成分が周期的に形成されているコア部と、を有する複数の構成要素が、コア部を内側にして前記構成用要素を対向しているＸ線導波路において、
前記構成要素のうちの少なくとも１つの第１の構成要素と、コア部を内側にして前記第１の構成要素と対向する第２の構成要素との位置関係を制御して前記周期構造体に基づいてＸ線を共鳴させることを特徴とするＸ線導波路の制御方法に関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のＸ線導波路によれば、平坦なクラッド部材の上に周期構造体より成るコア部が形成された構成のＸ線導波路構成要素を複数組み合わせ、その位置関係を精密に制御することによって、コア部表面の粗さによる、Ｘ線伝搬効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明にかかるＸ線導波路の最も基本的な構造を説明するための模式図である。
【図２】本発明のＸ線導波路のコア部に用いられる周期構造体の構造を説明するための模式図である。
【図３】本発明のＸ線導波路のコア部に用いられる周期構造体の、構造周期に求められる条件を説明するための模式図である。
【図４】表面側のコアとクラッドの界面のラフネスを説明するための模式図である。
【図５】本発明のＸ線導波路の構造の一例を説明するための模式図である。
【図６】本発明のＸ線導波路の原理を説明するための模式図である。
【図７】２つよりも多くの構成要素を含む本発明のＸ線導波路の形態を示す模式図である。
【図８】本発明の実施例の説明において、固定した第一の構成要素の位置の、入射Ｘ線に対する制御を説明するための模式図である。
【図９】本発明の実施例の説明において、第二の構成要素の、第一の構成要素に対する位置関係を調整する機構を説明するための模式図である。
【図１０】本発明の実施例の説明において、導波路全体の構成と制御軸とを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１１】
本発明においてＸ線とは、物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波を指す。具体的には、（１ｐｍ以上で、）極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。このような短い波長の電磁波の周波数は、非常に高く、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）
【００１２】
【数１】
2013088250.tif 000003
【００１３】
で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の
【００１４】
【数２】
2013088250.tif 000004
【００１５】
を用いて表される。δは物質の電子密度ρｅに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部は、
【００１６】
【数３】
2013088250.tif 000005
【００１７】
となる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。Ｘ線の帯域では、屈折率実部が最大の１となる物質は真空であり、空気に代表される気体は真空とほぼ同じ屈折率を持つが、気体以外のほぼすべての物質の屈折率実部は、１よりも小さい値となる。本明細書中では、「成分」、「材料」、「物質」という文言を真空や空気等の気体に対しても適用する。
【００１８】
次に、本発明に用いられるＸ線導波路について説明する。
【００１９】
本発明者らは、クラッドとコアを備え、コアとクラッドとの界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込める構成のＸ線導波路であって、そのコアとして、屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配置されたＸ線導波路を作製した。この導波路では、コアを導波するＸ線が多重干渉し、この周期構造に対応して効率的に導波するモードが選択的されるために、高効率に大きな光量の位相の揃ったＸ線を導波することが可能となる。
【００２０】
この導波路は、コアとクラッドとの界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込め、導波させる。一般に界面におけるＸ線の全反射は、界面の粗さに依存し、その反射率は、粗さの低減とともに大きく増大することが知られている。従って、Ｘ線導波路のコアとクラッドとの界面の粗さが大きい場合には、Ｘ線の閉じ込め効率が低下し、導波路の伝搬効率が減少する。
【００２１】
本発明者らが作製したＸ線導波路の基本的な構成は、図１に模式的に示すように、物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコア部１１と、界面での全反射によってＸ線をコア部内に閉じ込めるためのクラッド部１４より構成され、前記コア部が、屈折率実部が異なる複数のコア部を形成する成分１２、１３が周期構造を形成した構造を有し、前記コア部と前記クラッド部の界面でのＸ線の全反射臨界角が、前記コア部の構造周期に起因するブラッグ角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。クラッド部の外側には、機械的強度向上目的の基体１５が設けられることもある。Ｘ線に対する物質の屈折率は、物質中の電子密度に依存するため、前述の屈折率実部が異なる複数の成分とは、多くの場合電子密度が異なる複数の成分であるということもできる。
【００２２】
本発明のＸ線導波路は、コアを形成する成分の周期構造に起因する多重干渉を起こしたＸ線が、コア内を低伝搬損失で導波する、本発明者らが発見した特異なＸ線の導波現象を利用している。この特異なＸ線の導波モードは構造周期性により形成され、Ｘ線の電場強度分布の腹と節の位置は、基本構造を構成しているそれぞれの物質領域内の位置に一致する。その際、前記周期性構造体の電子密度の小さい物質にＸ線の電場強度が集中する導波モードの伝搬損失が、他の導波モードに比べて小さくなり、その導波モードを選択的に取り出すことが可能となる。以下、この導波モードを周期共鳴導波モードと称する。この周期共鳴導波モードを可能にする、本発明のＸ線導波路を構成するためには、いくつかの条件が満たされる必要がある。これについて以下に詳しく説明する。
【００２３】
まず、屈折率実部が異なる複数の成分が周期構造を形成した構造を有するコア部について説明する。ここでいう複数の成分とは、安定な周期構造が定義できるいかなる組み合わせをも包含し、前述したように、成分の定義には真空や空気も含まれる。つまり、材料とエアギャップが交互に周期構造を形成したような材料も本発明のコア部として使用することができる。ここでいう周期構造は、構造周期の次元を問わない。つまり、１次元、２次元、３次元、いずれの周期構造をも適用することができる。ここで、１次元周期構造とは、図２（Ａ）に示すような、層状の複数の材料が積層方向に周期性をもったものである。２次元周期構造とは、図２（Ｂ）に示すような、１方向に無限の広がりを有する構造ユニットが、断面において２次元的に規則低配置されているもので、その配置には図示した六方配置、立方配置等がある。３次元周期構造には、例えば図２（Ｃ）に示す、球のような構成単位が、立方細密充填や六方細密充填したものや、複数の成分が構造規則性をもって相分離して形成されるダブルジャイロイド構造のようなものが含まれる。
【００２４】
このような周期構造がある場合、複数の材料の界面において起こるＸ線の散乱が干渉を起こし、結晶のＸ線回折のように、散乱Ｘ線が強め合って明確な回折を起こし得る。本発明に用いられる導波路のコアの構造周期が、Ｘ線の波長に匹敵するレベル（１ｎｍ〜数十ｎｍ）の場合には、各部材の中に原子レベルでの構造規則性が無くても、Ｘ線回折が観測される。構造規則性が高い場合には、多重干渉が起こる結果、規則構造中でＸ線は特異な伝搬挙動を示す。前述したように、本発明のＸ線導波路は、このＸ線の多重干渉を利用している。従って、本発明に用いられるコア部位の構造周期も、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であることが好ましい。また、コア部位の周期構造の数としては１０層乃至５００層程度の範囲であることが好ましい。層数が過小な場合には、導波路の透過率が低下する傾向にある。結果的に、コア部位の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましいことになる。
【００２５】
本発明のＸ線導波路の構造周期性を有するコア材料としては、人工多層膜や、界面活性剤に代表される両親媒性材料の分子集合体と無機物とが規則的に配列した構造を有するメソ構造体膜（有機−無機メソ構造体膜）、前記メソ構造体膜から両親媒性材料を除去したメソポーラス材料膜、ブロック共重合体のミクロ相分離によって形成される規則構造を有する膜等を用いることができる。しかし、Ｘ線の多重干渉を起こし得る材料であれば、これらに限定されることなく使用することが可能である。
【００２６】
人工多層膜は、スパッタリングや蒸着等の手法によって複数の材料を所定の厚さで積層したもので、構造体の周期は成膜時間によって自在に制御することができる一方で、形成可能な構造は１次元周期構造に限定されること等の制限がある。
【００２７】
メソ構造体膜は、界面活性剤に代表される両親媒性材料と無機物の前駆体を含む前駆体溶液を基板上に付与し、基板上で界面活性剤と無機種の自己集合を起こさせることで作製される無機−有機複合体で、２ｎｍ〜５０ｎｍ程度の周期構造を有する膜である。この場合、界面活性剤（両親媒性材料）は、構造規定剤とも称される。界面活性剤や無機前駆物質、及びその濃度等を変化させることで、膜中の規則構造の次元や対称性、構造周期を変化させることができる。特に、作製された界面活性剤−無機材料メソ構造体膜から、界面活性剤を除去して作製されるメソポーラス膜は、空気と無機物が３次元的に規則配列した構造体の膜であり、Ｘ線が低損失の空洞部位に集中することにより、低損失のＸ線伝搬を可能にする意味で、本発明に好ましく用いられる材料である。
【００２８】
ブロック共重合体は、複数の性質の異なる高分子セグメントが共有結合で連結された高分子化合物で、構成する各成分の性質と分子量によって規則正しいミクロ相分離構造を形成する。各セグメントの分子量を制御することによって得られる規則構造の対称性を制御することも可能である。無機物に転換できる材料を用い、電子密度のコントラストの大きな周期構造体を作製することもできる。ブロック共重合体は、基板に塗布した後に加熱するなどの簡単なプロセスで、規則構造を形成できるという特長がある。
【００２９】
次にクラッド部について説明する。前述したように、クラッドは、コアの周期構造によって多重干渉したＸ線を全反射でコア内に閉じ込める働きを有する。物質に対するＸ線の全反射臨界角は、使用するＸ線の波長と、物質の電子密度によって決定され、電子密度が大きい物質ほど屈折率が低くなるために全反射臨界角は大きくなる。前述したように、コアの周期構造に対応するブラッグ角は、全反射臨界角よりも小さい必要があるため、電子密度が小さい物質でクラッドを形成した場合にはコアのブラッグ角を小さくする、すなわち構造周期を大きくする必要があり、構造規則性の低下に繋がることがあるため、一般にクラッド材料は電子密度の大きな物質で形成するのが好ましい。例示すると、タングステン、タンタル、金、ビスマス等が好ましく用いられる。
【００３０】
前述したように、本発明のＸ線導波路は、周期構造を有する材料からなるコア中において多重干渉したＸ線がコアの外部に出ていかないように、コア−クラッド界面での全反射で、Ｘ線をコア内に閉じ込める必要がある。つまり、必然的に、導波路を構成しているコア材料の周期構造に対応するブラッグ角が、コア−クラッド界面における全反射臨界角よりも小さいという前記条件が必要になる。図３（Ａ）は、この構成を模式的に示したもので、多重干渉したＸ線がクラッド界面で全反射する。この条件が満たされない場合には、図３（Ｂ）に記載したように、多重干渉したＸ線は、コア部材からクラッド部材に大きく漏れ出し、導波路として機能しなくなる。上記のことは、下記のように数式を用いて表すことができる。
【００３１】
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、
【００３２】
【数４】
2013088250.tif 000006
【００３３】
と表される。
【００３４】
またコアをなす周期構造体の構造周期をｄとした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次のようにブラッグ角θＢ（°）を定義する。
【００３５】
【数５】
2013088250.tif 000007
【００３６】
ｍは定数、λはＸ線の波長である。本発明のＸ線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびＸ線の波長は次式を満たす必要がある。
θＢ＜θｃ−ｔｏｔａｌ
【００３７】
本発明においては、もう一つの条件が満たされることが必要である。これについて説明する。周期構造が、屈折率実部が異なる複数の成分から構成される場合、各成分間の界面におけるＸ線の反射を考慮する必要がある。本発明のＸ線導波路が機能するためには、周期構造に由来する多重干渉が起こらなければならない。周期構造を構成する材料の界面で全反射が起こる場合には、例えば１次元周期構造体に関して図３（Ｃ）に模式的に示すように、Ｘ線は、積層構造を形成する材料のうちで最も屈折率の高い成分中に閉じ込められ、多重干渉が阻害される結果、本発明の目的を果たすことができなくなる。言い換えれば、周期構造を構成するユニットがマルチ全反射Ｘ線導波路として機能することになり、従来の平板型導波路と同じ構造になってしまう。従って、コアの周期構造を形成する屈折率実部が異なる成分間の界面における全反射臨界角が、前記ブラッグ角よりも小さいという条件が必要になる。このことは、数式を用いて下記のように表すことができる。
【００３８】
コアの周期構造を構成する屈折率実部の異なる成分間での全反射臨界角をθｃ＿ｍｕｌｔｉ（°）とする場合、下記の式が満たされる。
θｃ＿ｍｕｌｔｉ＜θＢ
【００３９】
以上述べたような条件が満たされる場合、クラッドとコアとの界面による全反射により閉じ込められる導波モードを、コア内に局在させることができる。膜に平行な方向から測った有効伝搬角度
【００４０】
【数６】
2013088250.tif 000008
【００４１】
は、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル（伝搬定数）ｋｚ、真空中の波数ベクトルｋｏを用いて次式で表される。
【００４２】
【数７】
2013088250.tif 000009
【００４３】
以上説明したような、本発明のＸ線導波路においては、多重干渉によって規則構造の周期に共鳴する導波モードのＸ線のみを、選択的に低損失で伝搬させることができる。この周期共鳴導波モードのＸ線は、位相がコアの厚さ全体にわたって揃っている、つまり、空間的にコヒーレントなＸ線となり、導波路の端面から、Ｘ線の波長とコアの構造周期で決定される小さな発散角で出射される。
【００４４】
上記周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を可能にするＸ線導波路は、以上説明したように、周期構造に起因するＸ線の多重干渉を、コアとクラッドとの界面の全反射で閉じ込める構成であるため、この界面におけるＸ線反射率が導波路の伝搬効率に大きな影響を及ぼす。Ｘ線の波長は非常に短いため、コアとクラッドとの界面には非常に高い平坦性が求められる。
【００４５】
しかし、本発明のＸ線導波路のコアに用いられる周期構造体の表面は、必ずしも十分な平坦性を保証できるものとは限らず、この課題ゆえに、コア表面の平坦性が低いことが問題にならないような、周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を可能にする新規なデバイス構成が必要になる。
【００４６】
本発明に係る、周期共鳴導波モードによるＸ線の伝搬を可能にするＸ線導波路の基本構成は、図１に示したようなものであるが、実際には、コア部を形成する周期構造体は、使用する材料によっては、比較的大きな表面ラフネスを有し、図４に示すように、この上にクラッド部位を形成した場合に、コア部表面とクラッド部との界面４１における平坦性が低くなる場合がある。この様な場合、界面での散乱による損失が大きくなり、クラッドによるＸ線の閉じ込め効果が低下してしまう。しかし、十分な平坦性を有するクラッド部材の上に周期構造体を形成した場合のコア部底面とクラッド部との界面４２においては、その界面の平坦性は保証され、こちら側の界面においては全反射の際の損失を小さく抑えることが可能である。
【００４７】
本発明のＸ線導波路と、図１に示した最も簡単な構成の周期共鳴導波モードによるＸ線導波を可能にするＸ線導波路との違いは、本発明では、コア部を形成する周期構造体の一方にのみクラッド部が形成された複数の構成要素が、コア部が対向するように保持されている点にある。以下、本発明の模式図である図５を用いて説明する。図５に示すように、本発明の導波路においては、周期構造体よりなるコア部５１が、表面が平坦なクラッド部５２の上に形成され、導波路の構成要素を形作っている。クラッド部５２の表面の平坦性としては、二乗平均粗さが５ｎｍ未満であることがコア部とクラッド部との界面の全反射の際の損失を少なくする上で好ましい。５３はコアとクラッドからなる導波路の構成要素を保持する基体であり、導波路の機械的強度を保つために使用される。この図では、コア部を形成する周期構造体の表面のラフネスが誇張されて描かれている。本発明のＸ線導波路においては、図示するように、コア部を内側にして、複数の導波路構成要素が対向させて保持されている。この説明では、構成要素が２つの場合について説明する。第一の構成要素を保持した基材は、ホルダー５６に固定される。ホルダー５６は、基本的に固定されていて良いが、入射Ｘ線に対する位置と入射角度を調整するために、角度と並進位置を制御可能な不図示の可動ステージに固定されていることが好ましい。一方、第二の構成要素を保持した基材は、その空間的位置を精密に制御することのできる機構を備えたステージ５７に固定される。ステージ５７には、高い位置制御分解能と精度が必要であり、駆動手段としてはピエゾアクチュエータが好ましく用いられる。本発明Ｘ線導波路は、第一の構成要素と第２の構成要素との位置関係すなわち相対的位置が制御されている。第一の構成要素と可動な第二の構成要素の位置関係が制御されていない場合には、２つの周期構造体は、それぞれ独立の周期構造体としてＸ線の干渉を引き起こすが、周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬は達成できない。周期共鳴導波モードを達成するためには図６（Ａ）に模式的に示すように、周期構造体の屈折率実部の異なる成分の界面において散乱されたＸ線が、コア部とクラッド部界面での全反射によってコア部内に閉じ込められ、多重干渉を起こし、周期構造体の電子密度の高い低屈折率層に電場の節が、電子密度の低い高低屈折率層に電場の腹が対応するような電場が、周期構造体中に形成される必要がある。ここで、構成要素を保持した可動ステージ５７を調整し、２つの構成要素の位置関係を最適化し、それぞれの周期構造体における周期性の位相が揃うようにすることによって、２つの周期構造体が、あたかもひとつの周期構造体のように機能し、図６（Ｂ）に示すように２つの構成要素のそれぞれのクラッドの間で、前述したような電場が形成され得る。これを可能にするためには、対向する周期構造体の構造周期は同一である必要がある。
【００４８】
構成要素の対向するコア部の間隔５５には特に制限はないが、間隔が構造周期の２０倍以上程度になると、コア間のギャップの空間を伝搬するＸ線のモードが複数形成され、目的とする周期共鳴導波モードの近くの伝搬角度で伝搬するため、単一の周期共鳴導波モードが選択しにくくなる。構成要素のコアとコアの好ましい間隔は、コアの構造周期の２０倍未満、さらに好ましくは１０倍未満である。ここで、構成要素の対向するコア部の間隔とは、対向するコア部の最表面間の距離を指す。
【００４９】
上記説明は、一つの構成要素を固定した構成に関するものであるが、複数の構成要素がそれぞれ、可動ステージの上に固定されていても、２つの周期構造体の位置関係を精密に調整できる限りにおいて、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
以上説明したように、本発明によれば、コア表面のラフネスがある程度大きい場合でも、表面に直接クラッド部を形成した場合に不可避な散乱による損失を抑制することが可能になる。
【００５１】
また、上記説明は、構成要素の数が２の場合について記述したが、構成要素数は２に限定されない。例えば、図７に示したように、この構成を複数組み合わせてＸ線導波路を製造することも可能である。例えば図７では、平坦な表面のクラッド部とその上の周期構造体コア部から成る導波路構成要素が、正三角形の断面をした三角柱状基材の３つの側面に固定されており、それぞれの構成要素は、可動ステージの上に固定されたもう一方の構成要素が、コアの形成された面を対向させて保持されている。この場合も、Ｘ線に対する入射角度と入射位置を制御するために、前記三角柱状基材は、角度と並進を制御可能なステージに固定されることが好ましい。この場合、３つの周期共鳴導波モードでＸ線を伝搬させ得る導波路が形成できるわけであるが、この３つの導波路中の構造周期性を変えておけば、例えば三角柱状基材を中心に回転させることによってこの３つの導波路を切り替えることによって、異なる方向にＸ線を出射させたり、異なる波長のＸ線を同じ角度で出射させたりすることが可能になる。
【００５２】
複数の周期構造体を用いた干渉計としては、Ｂｏｎｓｅ−Ｈａｒｔ型Ｘ線干渉計が知られているが、この場合、複数の周期構造体（結晶）による干渉Ｘ線を可干渉にするために、該複数の周期構造体（結晶）は、大きな単一の結晶から削りだしたものを使用している。この場合には、結晶の構造周期が小さく、可干渉性を持たせるように２つの独立した結晶の位置関係を制御できるだけの分解能を備えた制御手段がないために、単一の結晶から作成することを余儀なくされていたが、本発明のＸ線導波路に使用される周期構造体は、その構造周期が大きいために、独立した周期構造体の位置関係を、それぞれの干渉Ｘ線が可干渉となるように、ピエゾアクチュエータのような精密位置制御ステージを用いて調整することが可能である。
【実施例】
【００５３】
以下実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明する。但し、本発明は実施例の内容に限定されるものではない。
【００５４】
（実施例１）
本実施例は、シリコン単結晶基体上に形成したタングステンクラッドの上に、非イオン性界面活性剤を構造規定剤として作製したシリカメソ構造体膜を形成した、導波路構成要素２つを対向させ、第一の構成要素を入射Ｘ線に対して固定し、該第一の構成要素に対する第二の構成要素の位置を、ピエゾアクチュエータで駆動するステージを用いて精密に制御することで、周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を可能にする例である。
【００５５】
２枚のシリコン基板それぞれの表面に、スパッタリングによってタングステンを２０ｎｍ成膜し、クラッド部位とする。このタングステン膜の表面は、原子間力顕微鏡により求められた二乗平均粗さが１．０ｎｍ未満という、高い平坦性を有している。
【００５６】
この上に、シリカメソ構造体膜を作製する。使用する界面活性剤は、非イオン性界面活性剤Ｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｐ１２３である。シリカメソ構造体膜作製に用いる前駆体溶液は、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）５４．７ｍｌを７４．４ｍｌのエタノールに溶解した溶液に０．０１Ｍの希塩酸を２６．４ｍｌ添加して調整した溶液Ａと、１３．７ｇのＰ１２３を４９．６ｍｌのエタノールに溶解して調整した溶液Ｂとを混合し、最後に純水を１２．０ｍｌ添加して作製する。上記、タングステン膜を形成したシリコン基板に、上記の前駆体溶液を引き上げ速度０．５ｍｍ／ｓでディップコートし、４０℃で２４時間乾燥させてシリカメソ構造体膜を得る。
【００５７】
このようにして作製したシリカメソ構造体膜は、構造周期１０．１ｎｍ、層数４２層であることがＸ線回折分析とＸ線反射率測定より確認される。また、この膜がシリンダー状ミセルを含む２次元ヘキサゴナル構造を有していることが電子顕微鏡観察により明らかとなる。この周期構造体は、２つの構成要素において同一である。このシリカメソ構造体薄膜の表面粗さを、原子間力顕微鏡によって評価し、二乗平均粗さが１１ｎｍであることが明らかとなる。この、２つの構成要素は、Ｘ線の導波方向（図８のＹ方向）のサイズが３ｍｍである。
【００５８】
図８に示すように、２つの構成要素のうちの一方（第一の構成要素）８１を、ホルダーに固定し、前記ホルダーは、第一の構成要素に対するＸ線の入射角と入射位置を制御するために、ω１、ｚ１可動ステージ８２上に固定される。
【００５９】
図９に示すように、もう一方（第二の構成要素）９１は、ピエゾアクチュエータで駆動する精密可動ステージ９２上に固定する。ピエゾアクチュエータ駆動ステージは、図９に示すω、ψの２つの角度、及びｚ並進の精密制御が可能であるものを使用する。ステージは、さらに、面内回転角度φ、及びｘ、ｙ方向の並進が可能であることが好ましいが、これらの軸方向の動きに関しては、必ずしも高い分解能を必要としない。
【００６０】
まず、図８に示した、ω１、ｚ１可動ステージ上にホルダーによって固定された第一の構成要素について、Ｘ線に対する位置合わせを行う。この調整は、第一の構成要素の周期構造体表面が、入射Ｘ線の光路を、光路と平行に遮って強度がほぼ１／２になるように位置ｚ１と角度ω１を調整して行う。使用するＸ線は、ＭｏＫα線で、エネルギーは１７．５ｋｅＶである。
【００６１】
この位置から、Ｘ線の入射位置を中心にして、第一の構成要素を回転させ、入射角を周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬が起こる角度である、多層膜の構造周期１０．１ｎｍに対応するＢｒａｇｇ角よりもわずかに小さい角度０．２°に設定する。この角度は、シリカメソ構造体層からタングステン層に、同じ１７．５ｋｅＶのＸ線が入射した際の全反射臨界角よりも小さい角度であり、この伝搬角でコア中を伝搬するＸ線はクラッド層によって導波路中に閉じ込められる。
【００６２】
このようにして位置を決めた第一の構成要素に対して、第二の構成要素の位置を調整する。まず、可動ステージに固定した第二の構成要素を第一の構成要素に対向させ、粗動モードで第一の構成要素と第二の構成要素のコア面同士が均等に接触するようにする。この状態から、ピエゾステージのｚ軸を２０ｎｍ程度動かし、第一の構成要素と第二の構成要素のコア面同士が微小なギャップを介して対向するようにＸ線導波路を製造する。
【００６３】
ここで、Ｘ線を導波路に照射し、検出器でＸ線をモニターしながら、透過Ｘ線強度が最大になるように、第二の構成要素が保持されているピエゾステージのｚ軸、ω軸、ψ軸を微調整する。透過Ｘ線強度が最大になる位置において、第一の構成要素と第二の構成要素の周期構造体は、その周期構造を形成する格子面が平行になり、かつ、それぞれの周期構造体における周期性の位相が互いに一致することになる。
【００６４】
最後に、上述のように、Ｘ線を導波路に照射しながら、この両構成要素のω軸を同期させて精密に微小角度回転させ、Ｘ線強度が最大になる入射角を決定する。この場合のＸ線入射角は０．２°程度と非常に小さいもので、導波路端面に垂直に近い角度で入射する配置である。
【００６５】
以上のように位置の調整された導波路から出射されるＸ線の遠視野像を、二次元Ｘ線検出器で観測することにより、この導波路から出射されるＸ線の位相が導波路の厚さ方向に揃っているものであることが確認される。
【００６６】
本実施例によって、コア表面の二乗平均粗さが１０ｎｍを超えるようなシリカメソ構造体をコアに用いた場合でも、本発明の構成を用いることにより、良好な周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を達成することができることが示される。
【００６７】
（実施例２）
本実施例は、シリコン単結晶基材上に形成したタングステンクラッドの上に、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）／アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）交互積層膜を形成した導波路構成要素２つを対向させ、第一の構成要素を入射Ｘ線に対して固定し、該第一の構成要素に対する第二の構成要素の位置を、ピエゾアクチュエータで駆動するステージを用いて精密に制御することで、周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を可能にする例である。
【００６８】
２枚のシリコン基板それぞれの表面に、スパッタリングによってタングステンを２０ｎｍ成膜し、クラッド部位とする。このタングステン膜の表面は、原子間力顕微鏡により求められた二乗平均粗さが１．０ｎｍ未満という、高い平坦性を有している。
【００６９】
さらに、その上に、スパッタリングによって炭化ホウ素とアルミナの交互積層膜を形成する。Ｂ４Ｃの膜厚は１２ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３の膜厚は３ｎｍで構造周期は１５ｎｍ、総数は１００層である。タングステンと接する材料は、Ａｌ２Ｏ３である。この成膜工程によって、２つのＸ線導波路の構成要素が作成される。この多層膜の表面粗さを原子力間顕微鏡によって評価し、二乗平均粗さが約７ｎｍであることが明らかとなる。この２つの構成要素はＸ線の導波方向のサイズが４ｍｍである。
【００７０】
実施例１と同様に、２つの構成要素のうちの一方（第一の構成要素）を、ホルダーに固定し、前記ホルダーは、第一の構成要素に対するＸ線の入射角と入射位置を制御するために、ω１、ｚ１可動ステージ上に固定される。
【００７１】
また、もう一方（第二）の構成要素は、やはり実施例１と同様に、ピエゾアクチュエータで駆動する精密可動ステージ上に固定する。ピエゾアクチュエータ駆動ステージは、実施例１で使用したものと同一のものである。
【００７２】
まず、実施例１と同様の手順で、第一の構成要素について、入射Ｘ線に対する位置合わせを行う。この調整は、実施例１で述べたように、第一の構成要素の周期構造体表面が、入射Ｘ線の光路を、光路と平行に遮って強度がほぼ１／２になるように位置を調整して行う。使用するＸ線は、ＭｏＫα線で、エネルギーは１７．５ｋｅＶである。
【００７３】
この位置から、Ｘ線の入射位置を中心にして、第一の構成要素を回転させ、入射角を周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬が起こる角度である、多層膜の構造周期１５ｎｍに対応するＢｒａｇｇ角よりもわずかに小さい角度０．１３５°に設定する。この角度は、アルミナ層からタングステン層に、同じ１７．５ｋｅＶのＸ線が入射した際の全反射臨界角よりも小さい角度であり、この伝搬角でコア中を伝搬するＸ線はクラッド層によって導波路中に閉じ込められる。
【００７４】
このようにして位置を決めた第一の構成要素に対して、実施例１と同様の手順で、第二の構成要素の位置を調整する。まず、可動ステージに固定した第二の構成要素を第一の構成要素に対向させ、粗動モードで第一の構成要素と第二の構成要素のコア面同士が接触するようにする。これに続いて、ピエゾステージのｚ軸を２０ｎｍ程度動かし、第一の構成要素と第二の構成要素のコア面同士が微小なギャップを介して対向するようにする。
【００７５】
ここで、Ｘ線を導波路に照射し、検出器でＸ線をモニターしながら、透過Ｘ線強度が最大になるように、第二の構成要素が保持されているピエゾステージのｚ軸、ω軸、ψ軸を微調整する。透過Ｘ線強度が最大になる位置において、第一の構成要素と第二の構成要素の周期構造体は、その周期構造を形成する格子面が平行になり、かつ、それぞれの周期構造体における周期性の位相が互いに一致することになる。
【００７６】
最後に、上述のように、Ｘ線を導波路に照射しながら、この両構成要素のω軸を同期させて精密に微小角度回転させ、Ｘ線強度が最大になる入射角を決定する。この場合のＸ線入射角も０．１４°程度と非常に小さいもので、導波路端面に垂直に近い角度で入射する配置である。
【００７７】
以上のように位置の調整された導波路から出射されるＸ線の遠視野像を、二次元Ｘ線検出器で観測することにより、この導波路から出射されるＸ線の位相が導波路の厚さ方向に揃っているものであることが確認される。
【００７８】
本実施例によって、二乗平均粗さが７ｎｍ程度の、比較的粗い表面を有する多層膜をコアに用いた場合でも、本発明の構成を用いることにより、良好な周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を達成することができることが示される。
【００７９】
（実施例３）
本実施例は、石英ガラス基材上に形成したタングステンクラッドの上に、非イオン性界面活性剤を構造規定剤として作製したメソポーラスシリカメソ構造体膜を形成した、導波路構成要素２つを対向させ、第一の構成要素を入射Ｘ線に対して固定し、該第一の構成要素に対する第二の構成要素の位置を、ピエゾアクチュエータで駆動するステージを用いて精密に制御することで、周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を可能にする例である。
【００８０】
２枚の石英ガラス基板のそれぞれの表面に、スパッタリングによってタングステンを２０ｎｍ成膜し、クラッド部位とする。このタングステン膜の表面は、原子間力顕微鏡により求められた二乗平均粗さが約１．８ｎｍという、高い平坦性を有している。
【００８１】
この上に、実施例１で使用したものと同じシリカメソ構造体膜を、実施例１と同じ手順で作製する。上記、タングステン膜を形成した石英基板に、上記の前駆体溶液を引き上げ速度０．５ｍｍ／ｓでディップコートし、５０℃で６０時間乾燥させてシリカメソ構造体膜を得る。
【００８２】
このようにして作製したシリカメソ構造体膜をエタノールに浸漬し、界面活性剤を抽出除去する。界面活性剤の除去は、赤外吸収スペクトルによるＣ―Ｈ結合に起因する吸収ピークがほぼ消失することにより確認される。界面活性剤抽出後のメソポーラスシリカ薄膜の構造周期は９．８ｎｍ、層数は４２層であることがＸ線回折分析とＸ線反射率測定より確認される。また、この膜がシリンダー状のメソ細孔を有する２次元ヘキサゴナル構造を有していることが電子顕微鏡観察により明らかとなる。この周期構造を有するメソポーラスシリカ膜は、２つの構成要素において同一である。このシリカメソ構造体薄膜の表面粗さを、原子間力顕微鏡によって評価し、二乗平均粗さが１２ｎｍであることが明らかとなる。この、２つの構成要素は、Ｘ線の導波方向のサイズが５ｍｍである。
【００８３】
実施例１、２と同様に、これら２つの構成要素のうちの一方（第一の構成要素）を、ホルダーに固定し、前記ホルダーは、第一の構成要素に対するＸ線の入射角と入射位置を制御するために、ω１、ｚ１可動ステージ上に固定される。
【００８４】
一方、第二の構成要素は、ピエゾアクチュエータで駆動する精密可動ステージ上に固定する。ピエゾアクチュエータ駆動ステージは、実施例１、２で使用したものと同じである。
【００８５】
まず、実施例１と同様の手順で、第一の構成要素について、入射Ｘ線に対する位置合わせを行う。この調整は、実施例１で述べたように、第一の構成要素の周期構造体表面が、入射Ｘ線の光路を、光路と平行に遮って強度がほぼ１／２になるように位置を調整して行う。使用するＸ線は、ＣｕＫα線で、エネルギーは８．０ｋｅＶである。
【００８６】
この位置から、Ｘ線の入射位置を中心にして、第一の構成要素を回転させ、入射角を周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬が起こる角度である、多層膜の構造周期９．８ｎｍに対応するＢｒａｇｇ角よりもわずかに小さい角度０．４５°に設定する。この角度は、メソポーラスシリカ層からタングステン層に、同じ８ｋｅＶのエネルギーのＸ線が入射した際の全反射臨界角よりも小さい角度であり、この伝搬角でコア中を伝搬するＸ線はクラッド層によって導波路中に閉じ込められる。
【００８７】
このようにして位置を決めた第一の構成要素に対して、実施例１、２と同様の手順で、第二の構成要素の位置を調整する。まず、可動ステージに固定した第二の構成要素を第一の構成要素に対向させ、粗動モードで第一の構成要素と第二の構成要素のコア面同士が均等に接触するようにする。この状態から、ピエゾステージのｚ軸を２０ｎｍ程度動かし、第一の構成要素と第二の構成要素のコア面同士が微小なギャップを介して対向するようにする。
【００８８】
ここで、Ｘ線を導波路に照射し、検出器でＸ線をモニターしながら、透過Ｘ線強度が最大になるように、第二の構成要素が保持されているピエゾステージのｚ軸、ω軸、ψ軸を微調整する。透過Ｘ線強度が最大になる位置において、第一の構成要素と第二の構成要素の周期構造体は、その周期構造を形成する格子面が平行になり、かつ、それぞれの周期構造体における周期性の位相が互いに一致することになる。
【００８９】
最後に、上述のように、Ｘ線を導波路に照射しながら、この両構成要素のω軸を同期させて精密に微小角度回転させ、Ｘ線強度が最大になる入射角を決定する。この場合のＸ線入射角は０．４５°程度と非常に小さいものである。
【００９０】
以上のように位置の調整された導波路から出射されるＸ線の遠視野像を、二次元Ｘ線検出器で観測することにより、この導波路から出射されるＸ線の位相が導波路の厚さ方向に揃っているものであることが確認される。
【００９１】
本実施例によって、コア表面の二乗平均粗さが１０ｎｍを超えるようなメソポーラスシリカ膜をコアに用いた場合でも、本発明の構成を用いることにより、良好な周期共鳴導波モードによるＸ線伝搬を達成することができることが示される。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明のＸ線導波路は、空間的に位相の揃った、径の大きなＸ線ビームを得るための光学素子としてＸ線撮像技術、Ｘ線露光技術などのＸ線光学技術分野に利用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１１  コア部
１２，１３  コア部を形成する成分
１４  クラッド部
１５  基体
５１  コア部
５２  クラッド部
５３  基体
５４  構成要素
５５  対向するコア部の間隔
５６  ホルダー
５７  可動ステージ
【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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