DE69121972T2

DE69121972T2 - Röntgenstrahlenmikroskop

Info

Publication number: DE69121972T2
Application number: DE1991621972
Authority: DE
Inventors: Yasuaki Fukuda; Masami Hayashida; Takashi Iizuka; Masahito Niibe; Yutaka Watanabe
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2011-06-01
Also published as: JP2921038B2; EP0459833A2; EP0459833A3; EP0459833B1; JPH0438500A; DE69121972D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Röntgenstrahlenmikroskopsystem. Unter Röntgenstrahlenmikroskopen sind solche des Kontakttypes, des Abtasttypes und des bildgebenden Types bekannt. Unter diesen Typen besitzt das Mikroskop des bildgebenden Types das höchste räumliche Auflösungsvermögen, und demzufolge sind viele Studien hinsichtlich der Entwicklung von optischen Röntgenstrahlen- Elementen durchgefuhrt worden.
Im allgemeinen umfaßt ein Röntgenstrahlenmikroskop des bildgebenden Types eine Röntgenstrahlenquelle, ein optisches Beleuchtungssystem, eine Probe (Gegenstand der Untersuchung), ein optisches bildgebendes System und einen Detektor. Das räumliche Auflösungsvermögen eines Röntgenstrahlenmikroskopes unterscheidet sich dadurch, welches optische Element als optisches bildgebendes System verwendet wird. Beispiele optischer Elemente, die optischen Erfordernissen entsprechen und als bildgebendes Element verwendet werden können, enthalten eine Fresnel- Zonenplatte, ein Spiegelstreifenreflektor und einen Mehrschichtfilmreflektor. Das theoretische Auflösungsvermögen eines bildgebenden optischen Systems, das eine Fresnel- Zonenplatte verwendet, liegt in der Größenordnung der Breite der äußersten Ringzone. In der Praxis ist mit diesem Typ bildgebenden optischen Systems ein Auflösungsvermögen von etwa 50 nm erreichbar.
Bei einem bildgebenden System, das einen Spiegelstreifenreflektor verwendet, liegt das theoretische Auflösungsvermögen bei einem geringen Vielfachen der Wellenlänge. Bei dieser Art des bildgebenden Systems beeinträchtigt jedoch der Meßfehler oder Systemfehler der Oberfläche des Reflexionsspielgels das Auflösungsvermögen. Um das theoretische Auflösungsvermögen zu erzielen, ist folglich eine hohe Präzision in Hinsicht auf die Oberflächenrauhtiefe und den Aufbau erforderlich. Als Beispiel wird für die erforderliche Genauigkeit die Größenordnung eines Nanometers angegeben.
Im allgemeinen ist es sehr schwierig, eine Spiegeloberfläche mit diesem Grad an Herstellgenauigkeit zu schaffen. Letztlich beträgt das Auflösungsvermögen eines optischen Systems des Wolter- Types unter Verwendung eines Speigelstreifenreflektors gegenwartig etwa ein Mikrometer.
Ein bildgebendes optisches System unter Verwendung eines Mehrschicht- Filmreflektors erfordert die gleiche hohe Oberflächenpräzision und Aufbaupräzision wie beim bildgebenden optischen System unter Verwendung eines Spiegelstreifenreflektors. In Hinsicht auf die Filmdicke ist darüber hinaus eine ungewöhnlich hohe Präzision in der Größenordnung von 1/10 nm erforderlich. Folglich ist es bei der Verwendung eines optischen Systems mit einem Spiegelstreifenreflektor sehr schwierig, ein hohes Auflösungsvermögen zu schaffen. Aus diesen Gründen sind kürzlich verschiedene Röntgenstrahlen- Mikroskopstudien in Hinsicht auf Systeme gemacht worden, eines Types, bei dem das bildgebende optische System eine Fresnel- Zonenplatte aufweist.
Im allgemeinen hat eine Fresnel- Zonenplatte eine niedrige Beugungseffizienz, und in vielen Fällen ist ein Röntgenmikroskop erforderlich, das mit einer hellen Röntgenguelle oder einem hellen Beleuchtungssystem ausgerüstet werden muß. Häufig ist die Röntgenguelle eine Synchrotronstrahlung. In einigen Fällen, wo eine hellere Röntgenquelle gefordert wird, ist das Einfügen einer Röntgenguelle als Undulator oder dgl. erforderlich. Da es jedoch schwierig ist, die Leuchtdichte einer Röntgenstrahlenquelle zu erhöhen, gibt es die strenge Forderung, die Energieeffizienz des Beleuchtungssystems zu verbessern, um dadurch die Helligkeit zu erhöhen.
Ein herkömmliches Röntgenstrahlenmikroskop mit einer Fresnel- Zonenplatte und seinem bildgebenden System verwendet ein konkaves Beugungsgitter oder eine Fresnel- Zonenplatte im Beleuchtungssystem. Diese Elemente haben eine Röntgenstrahlen- Sammelfunktion und können eine helle Beleuchtung schaffen sowie eine spektroskopische Funktion, bei der sie einen Strahl einer speziellen Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen auwählen können. Auch werden in einigen Fällen flache Beugungsgitter verwendet und konkave Spiegel in Kombination mit der spektroskopischen Funktion und der Röntgenstrahlen- Sammelfunktion, die getrennt vorgesehen sind.
Im allgemeinen verfügt eine Fresnel- Zonenplatte, die in einem Beleuchtungssystem verwendet wird, abwechselnd angeordnete transparente konzentrische ringförmige Zonen (beispielsweise durchsichtig in Hinsicht auf die Röntgenstrahlen) und nichttransparente konzentrische ringförmige Zonen (nichtransparent in Hinsicht auf die Röntgenstrahlen). Die Gesamtfläche der nichttransparenten Zonen liegt bei der Hälfte der Gesamtfläche. Folglich werden etwa 50 % der Röntgenstrahlen gesperrt. Auch wird nicht die verbleibenden Hälfte der 50 % gebeugt, sondern geht gerade hindurch. Wenn eine derartige Fresnel- Zonenplatte des Amplitudentypes verwendet wird, gibt es folglich den Nachteil eines starken Abfalls der Röntgenstrahlenmenge.
In Hinsicht auf die positive und negative erste Ordnung ist die Beugung selbst bei ideal hergestellten Fresnel- Zonenplatten relativ gering und nicht größer als 10 %. Bei dem Bemühen zur Verbesserung der Brechungseffizienz wird eine Fresnel- Zonenplatte (Fresnel- Zonenplatte des Phasentypes), bei dem ein nichttransparenter Abschnitt aus Dünnfilm gebildet ist, der eine Phasenverschiebung von π erreicht, vogeschlagen worden. Die Brechungseffizienz einer derartigen Fresnel- Zonenplatte des Phasentypes in Hinsicht auf die negative und positive erste Ordnung liegt bei 10 bis 30 %. Um die Absorbtion der Fresnel- Zonenplatte des Phasentypes und die Phasendifferenz herabzusetzen, sollte der Film sehr dünn gehalten werden, und dessen Dicke sollte mit guter Präzision konstant beibehalten werden. Dieses Verfahren leidet an dem Nachteil, daß es nicht leicht ist, eine größere Fläche zu erzielen. Obwohl eine Fresnel- Zonenplatte mit einem sehr dünnen Substrat aus Polyimid oder Siliziumnitrid vorgeschlagen worden ist, erfordert es noch eine geringere Filmstärke, um eine hohe Präziszion zu erreichen.
Diese leidet folglich noch unter dem Problem, keine große Fläche verwirklichen zu können.
Wenn ein konkaves Beugungsgitter oder ein flaches Beugungsgitter zusammen mit einem konkaven Spiegel verwendet wird, um ein Beleuchtungssytem zu schaffen, ist es schwierig, eine ausreichende Helligkeit zu erzeugen, wegen des niedrigen Reflexionsvermögens des Beugungsgitter oder des Spiegels. Da des weiteren die Wellenlängenauflösung um eine Größenordnung höher ist oder mehr als diejenige der Fresnel- Zonenplatte, wird ein Strahl unnötig eingeengter Bandbreite entnommen. Im Ergebnis ist es nicht leicht, ein helles Beleuchtungssystem zu schaffen.
In herkömmlichen Röntgenstrahlenmikroskopen, wie sie zuvor beschrieben worden sind, ist die Effizienz der Energienutzung gering, und ein helles Bild wird weder gebildet noch festgestellt.
Das Dokument WO 87/00644 offenbart ein lithographisches System, das die Anwendung einer weichen Röntgenstrahlenquelle enthält, die wie ein Punktquelle emittiert, wobei ein sphärisch konkaver Reflektor zur Sammlung der Röntgenstrahlung auf eine Fresnel- Zonenplatte (FZP) vorgesehen ist, bei der ein Maskenmuster oder ein zu kopierendes Original zwischen den Reflektor und der FZP angeordnet wird, so daß die weiche Röntgenstrahlung durch das Maskenmuster übertragen wird, um ein verkleinertes Bild oder eine Kopie desselben auf einem widerstandsbeschichteten Zielsubstrats zu bilden.
Das Dokument Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, A 246, Mai 1986; Seiten 675 bis 690 offenbart ein optisches Röntgenstrahlensystem mit Fresnel- Zonenplatten und das zugehörige Beleuchtungssystem.
Das Dokument Optics Letters, Band 14, Juni 1989, Nr. 11, Seiten 539 bis 541 offenbart ein Abtastmikroskop mit weicher Röntgenstrahlung, das ein lasererzeugtes Plasma als weiche Röngenstrahlungsquelle verwendet und mehrfach beschichtete Normaleinfallsspiegel in einer Schwarzschild- Konfiguration als Fokussierungsoptik. Die Offenlegung des Dokuments Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, A266, 1988, Seiten 303 bis 307, Nordholland, Amsterdam ist vergleichbar.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem zu schaffen, das eine verbesserte Energieausbeute aufweist.
Nach der Erfindung ist ein Röntgenstrahlen- Mikroskopsystem mit Merkmalen vorgesehen&sub1; die im Patentanspruch 1 angegeben sind.
Die vorliegende Erfindung wird nun im Wege des Beispiels anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahlenmikroskopes nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figuren 2 und 3 sind Graphen, die jeweils eine Beziehung zwischen den Parametern P und W zeigen.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Röntgenstrahlenmikroskopen nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Hauptabschnitts einer optischen Anordnung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen 1 in Fig. 1 bedeuten Röntgenstrahlen, die von einer Röntgenstrahlenquelle 100 emittiert werden, und Bezugszeichen 2 bedeutet einen konkaven Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel mit einer glatten Reflexionsoberfläche zur Reflexion von Röntgenstrahlen. Der Reflexionsspiegel 2 hat ein Substrat S, auf dem Mehrschichtfilme L1, L2, L3, ... und Ln einer Anzahl (n) gebildet sind, sowie Materialien, die später zu beschreiben sind. Mit 3 bezeichnet ist ein zu untersuchender Gegenstand (Probe); 4 ist eine bildgebende Fresnel- Zonenplatte; und 5 ist ein Detektor. Ein Bild 6 des Gegenstandes 3 wird auf der Oberfläche des Detektors 5 abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist kein Beugungsgitter auf dem Wege der Röntgenstrahlen vorgesehen, und nur ein Mehrschichtfilm wird verwendet.
Im vorliegenden Beispiel werden die Röntgenstrahlen von dem konkaven Mehrschichtfilm-Reflexionsspiegel 2 reflektiert und auf der Oberfläche des Gegenstands 3 gesammelt. Gleichzeitig wird die Wellenlängenauswahl bewirkt, um die zu verwendende Wellenlänge zu finden. Die übertragungsmäßig vom Objekt gestreuten (diffraktierten) Röntgenstrahlen fallen auf die Fresnel- Zonenplatte 4. Als Reaktion darauf sammelt die Zonenplatte 4 die empfangenen Röntgenstrahlen und formt ein Bild 6 auf dem Gegenstand 3 nach der Oberfläache des Detektörs 5.
Als Beispiel enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Röntgenstrahlenquelle 100 eine orbitale Synchrotron- Strahlungsquelle (SOR), die die Strahlung synchrotron emittiert. Der Reflexionsspiegel 2 kann ein Substrat enthalten, dessen Oberfläche zu einer parabolischen Gestalt polyert ist, auf der abwechselnd Schichten von Cr (Chrom) und C (Kohlenstoff) gebildet sind.
Von der SOR abgegebene Röntgenstrahlen können teilweise durch ein öffnungsmittel (nicht dargestellt) blockiert werden, und im Ergebnis können Strahlen von 8 mm in Horizontalrichtung (parallel zum Zeichnungsblatt) und 3 mm in senkrechter Richtung (senkrecht zum Zeichnungsblatt) auf die Oberfläche des konkaven Mehrschichtfilm- Spiegels 2 auftreffen. Der Spiegel kann vorzugseise aus einem Substrat S aus Silizium hergestellt sein, das zu einer Paraboloidform polyert ist. In Hinsicht auf die Anordnungsgenauigkeit der Paraboloidfläche des Spiegels 2 ist ein Fehler von - λ/3 (λ = 632,8 nm) aus einer Idealanordnung adäquat. In Hinsicht auf die Oberflächenrauhtiefe ist ein Wert von 2 Årms adäquat. Auf einem derartigen Substrat sind abwechselnde Schichten aus Cr und C in einer Anzahl von 501 gebildet, bei ungeänderter Anordnungsgenauigkeit und Oberflächenrauhtiefe. Der Spiegel 2 kann so eingestellt sein, daß die Drehebene des Parabobiden in einer senkrechten Ebene liegt, und daß der Strahlenmittelpunkt (Mittenstrahlen der Röntgenstrahlen) auf dem Spiegel unter einem Winkel von 30º auftrifft, wie in Hinsicht auf eine senkrechte Richtung zur Spiegeloberfläche gemessen.
An den gegenüberliegenden Abschnitten A und B des Röntgenstrahls 1 in Horizontalfläche kann der Einfallswinkel des auf den Reflexionsspiegel 28,2º bzw. 31,7º betragen. In Hinsicht auf die Struktur der Dicken des Mehrschichtfilmes des Reflexionsspiegels 2 können die Cr - Schichten L1, L3, L5 ... und L501 bzw. die C- Schichten L2, L4, L6. . .und L500 die gleiche Stärke aufweisen. Zur Vermeidung der Wellenlängenverschiebung der reflektierten Strahlen von jeweiligen Abschnitten des Reflexionsspiegels zu dessen Brennpunkt kann darüber hinaus in einer waagerechten Ebene ein Filmstärkenverteilung längs der Reflexionsoberfläche des Spiegels vorgesehen sein. Am Abschnitt A des Röntgenstrahls beispielsweise kann die Filmdicke 8,4 Å (Cr- Schicht) und 20,01 Å (C- Schicht) aufweisen, während am Endabschnitt B der Röntgenstrahlen 8,6 Å (Cr- Schicht) und 21,0 Å (C- Schicht) haben. Zwischen den Abschnitten A und B kann die Filmdicke kontinuierlich geändert werden. Die Filmstärke in senkrechter Richtung kann konstant bleiben.
Im vorliegenden Beispiel kann teilweise Entssprechung zwischen den Wellenlängen von Röntgenstrahlen, die von der Mehrschichtfilm-Reflexionsspiegel reflektiert werden, und der Wellenlänge der Röntgenstrahlen bestehen, die von der Fresnel- Zonenplatte gestreut werden. Zur Vermeidung der Überlagerung von Licht 0- ter Ordnung (übertragenes Licht), welches sich entlang der optischen Achse der Fresnel- Zonenplatte 4 auf das Bild 6 des Gegenstandes hin ausbreitet, wie durch die Fresnel- Zonenplatte 4 gebildet, an einer Fläche auf der Reflexionsoberfläche des Spiegels, angrenzend an einen bestrahlten Abschnitt durch die Mitte des Röntgenstrahls, kann die Mehrschicht- Filmstruktur mittels Ionenstrahlenprojetion in einem kreisförmigen Bereich von 100 µm Durchmesser zerstört werden. Mit dieser Zerstörung wird sichergestellt, daß der Gegenstand 3 mit einem Strahl bestrahlt wird, der in Hinsicht auf die Fresnel- Zonenplatte 4 gneigt ist. Anstelle der Zerstörung der Mehrschicht-Filmstruktur kann ein solcher Bereich bedeckt sein mit einem Material geringen Reflexionsvermögen oder einem Material mit einer geeigneten optischen Konstante in einer hinreichenden Stärke zur Erzielung eines geringen Reflexionsvermögens. Alternativ dazu kann der Mehrschichtfilm ursprünglich gebildet werden ohne einen solchen Bereich.
In einem Auslegungsbeispiel gemäß diesem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung ist das Reflexionsvermögen des konkaven Reflexionsspiegels 2 etwa 30 % (Wellenlänge = 50 Å). Mit diesem Reflexionsspiegel wird ein Röntgenstrahl der Wellenlänge von 50 Å in einer Entfernung von 66,7 mm gesammelt (Emissionswinkel = 30º), und die Strahlfleckgröße beträgt etwa 10 µm. Wenn der zu beobachtende Gegenstand (Probe) 3 sich in dieser Position befindet, wird das gesendete Licht, das den Gegenstand 3 passiert, von der Fresnel- Zonenplatte auf die Oberfläche des Detektors 5 gesammelt, wodurch ein Bild 6 darauf abgebildet wird, hinsichtlich des Fresnel- Zonenplatte beträgt der Radius der innersten Ringzone 5,00 µm und derjenige der äußersten Ringzone 61,44 µm. Die Anzahl der Ringzonen beträgt 151 (151). Die Brennweite beträgt 5 mm. Durch plazieren eines Röntgenstrahlen- Fotofilms an der Abbildungsstelle als Detektormittel 5 zur Filmbelichtung ist es möglich, das Bild 6 festzustellen.
- Der Röntgenstrahlenweg kann von einem Vakuumbehälter umschlossen sein, während der Gegenstand (Probe) 3 in einer Atmosphäre plaziert sein kann, durch Verwendung eines Probenhalters (nicht dargestellt) mit seiner Röntgenstrahleneinlaß- und - auslaß versiegelt durch einen Polyimid- Film. Wenn eine Kieselalge als Probe 3 verwendet und mit Röntgenstrahlen von 5 nm Wellenlänge bestrahlt wird, bilden die Röntgenstrahlen ein scharfes Bild 6. Gemäß Simulationen ist die Vergößerung des Bildes 6 auf dem Röntgenfilm 150-fach und die Auflösung beträgt 0,3 µm. Die erforderliche Belichtungszeit beträgt 0,05 sec (Strahlstrom = 150 mA). Eine derartige Belichtungszeit ist sehr kurz wie etwa 1/230 derjenigen, bei der eine Fresnel- Zonenplatte mit einem Radius von 4,2 mm und Ringzonen einer Anzahl von 8001 (achttausendundeins) im Belichtungssystem verwendet wird. Auf diese Weise ist mit der vorliegenden Erfindung eine große Steigerung der Energieeffizienz erreichbar.
Mit diesem beschriebenen Beispiel nach der vorliegenden Erfindung ist es wegen des Mehrschichtfilm-Reflexionsspiegels im Belichtungssystem leicht möglich, eine große Fläche herzustellen, verglichen mit einem herkömmlichen Belichtungssystem unter Verwendung einer Fresnel- Zonenplatte. Es ist auch möglich, ein helles Beleuchtungssystem mit einem hohen Reflexionsvermögen zu benutzen, wobei die Wellenlängenauflösung nicht höher als erforderlich ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nun angenommen, daß die Mittelwellenlänge benutzter Röntgenstrahlen λ beträgt, die spektrale Halbbreite der Mittenwellenlänge λ gleich Δλ ist, die Brennweite und der Radius der Fresnel- Zonenplatte bei der Mittenwellenlänge f bzw. rn ist und der Parameter P eingestellt wird, um durch die Gleichung (1) ausgedrückt zu werden:
P = 0,257831 x (fλ/rn²) (λ/Δλ) ... (1)
Dann werden die Komponenten eingestellt, um der nachstehenden Beziehung zu genügen:
10&supmin;² ≤ P ≤ 10 ...(1')
Da λ/Δλ in Gleichung (1) die Wellenlängenauflösung der Röntgenstrahlen als Spektralauflösung durch den Mehrschichtfilm ist, stellt der Parameter P die Wellenlängenauflsöung des Belichtungssystems dar.
Andererseits wird nun angenommen, daß bei Verwendung einer Fresnel- Zonenplatte 4 als ein bildgebendes Element die räumliche Auflösung δ des Bildelementes ist, wenn der Belichttungsstrahl ein monochromatischer Strahl ist, während dieser δλ/Δλ, wenn die Wellenlängenauflösung des Belichtungssystems λ/Δλ ist. Wenn hier ein Parameter W ausgedrückt wird durch Gleichung (2)
W = (δλ/Δλ)/δ ... (2)
dann kann der Parameter W als ein Parameter verwendet werden, der die Verschlechterung der Bildqualität des Bildelements aufgrund chromatischer Aberration angibt.
Figuren 2 und 3 stellen jeweils die Beziehung zwischen den Parametern P und W dar. Es geht klar aus Fig. 2 hervor, daß bei wachsendem Parameter P der Parameter W plötzlich ansteigt. Da nämlich die Wellenlängenauflösung P des Belichtungssystems verschlechtert wird (abfällt), läßt die Abbildungsqualität schnell nach.
Fig. 3 bildet einen log- log- Graphen der Beziehung zwischen den Parametern P und W ab. Es ergibt sich aus diesem Graphen, daß bei ansteigendem Parameter P die Beziehung zwischen den Parametern P und W zunehmend gradliniger wird. In einem Bereich nämlich, bei dem der Parameter P klein ist (P ≤ 10&supmin;²) gilt:
W α P-α ...(3)
In Fig. 3 wird α mit etwa 0,4 festgelegt. In dem Bereich, in dem der Parameter P klein ist, divergiert der Parameter W exponentiell mit einem negativen Exponenten des Parameters P. Die Grenze des Beginns des Divergierens des Parameters W mit einem Exponenten des Parameters P ist P = 10&supmin;². Wenn P = 10&supmin;², kann die Verschlecherung der Abbildungsqualität des Bildelementes hingenommen werden.
Wenn der Parameter P andererseits ansteigt, geht der Parameter W nahe an "1" und die Abbildungsqualität verbessert sich. Wenn P = 1, ist die Abbildungsqualität im wesentlichen derjenigen gleich, bei der monochromatisches Licht verwendet wird. Wenn der Parameter P weiter ansteigt, verbessert sich die Abbildungsqualität nicht mehr. Im Gegenteil, die Belichtung wird dunkel und bei Wellenlängenauflösung, bei der P ≥ 10 ist, reduziert sich die Strahlintensität auf einen Bruchteil von 1/10 Somit schwindet der Vorteil der Verwendung des Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegels.
Aus den vorstehenden Gründen ist es für das vorliegende Ausführungsbeispiel wünschenswert, ein optisches Belichtungssystem zu verwenden, bei dem ein Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel mit einer Wellenlängenauflösung λ/Δλ durch den der Parameter P in einem Bereich von 10&supmin;² bis 10 beibehalten wird, vorzugsweise in einem Bereich von 3 x 10&supmin;¹&sup0; bis 1.
Im vorliegenden Ausführungseispiel kann die Wellenlängenauflösung des Belichtungsstrahls, der aus dem konkaven Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel erzielt werden kann, so eingestellt werden, daß ein Parameter von P mit 0,222 vorgesehen ist. Damit kann ein helles Belichtungssystem sicherstellt werden, mit dem ein hinreichend heller Belichtungsstrahl erzielbar ist, und die Aufnahmezeit kann weitestgehend reduziert werden, und darüber hinaus ist das Auflösungsvermögen der Fresnel- Zonenplatten nicht herabgesetzt.
Nachstehend werden nun allgemeine Merkmale des Mehrschichtfilms des Reflexionsspiegels im vorliegenden Ausführungsbeispiel erläutert.
Der Merhschichtfilm im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann abwechselnde Schichten aus zwei Materialien enthalten, die unterschiedliche optische Konstanten aufweisen. Das Reflexionsvermögen dieses Mehrschichtfilmes wird bestimmt durch die verwendete Wellenlänge und die verwendeten Materialien sowie durch die Filmdickenstruktur. Generell können solche zwei Materialien mit geringen Absorbtionswirkungen in Hinsicht auf die verwendete Wellenlänge mit einer großen Differenz des Brechungsindex ausgewählt und verwendet werden. Ein solches Material, das eine Absorbtionsgrenze bei einer Wellenlänge hat, die etwa kürzer als eine benutzte Wellenlänge ist, kann verwendet werden. Jedoch ist dies kein Erfordernis, da bei der Instrumentenbetrachtung wie einem Röntgenstrahlenmikroskop die Wellenlängenauflösung des Mehrschichtfilms das Auflösungsvermögen betrifft. Durch Auswahl zweier Materialen mit geringen Absorbtionswirkungen und einer geringen Differenz des Brechungsindex und durch Vergößern der Anzahl abwechselnder Schichten, ist es somit möglich, einen Mehrschichtfilm hohen Reflexionsvermögens und hoher Wellenlängenauflösung zu erhalten.
Generell hat ein Röntgenstrahlenreflektor ein Reflexionsvermögen von wenigen % bis mehreren 10 %. Es ist berichtet worden, daß ein planer Spiegel mit abwechselnden Schichten aus Rh und Si ein Reflexionsvermögen von etwa 80 % (Wellenlänge = 130 Å) sicherstellt. Folglich ist es mit einem Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel möglich, eine Energieeffizienz zu erlangen, die mehrere Male höher als die Brechungseffizienz eines Brechungsgitters oder einer Fresnel- Zonenplatte ist.
Mit einem Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel ist es auch leicht, einen großflächigen Spiegel einer Größe von mehreren 10 mm herzustellen, und folglich ist es möglich, Strahlen aus einer Röntgenstrahlenquelle ohne großen Verlust zu nutzen. Dies ist besonders wirksam, wenn eine Quelle des Divergenztypes wie eine Laser- Plasma- Röntgenstrahlenquelle oder eine Elektronenstrahl- Röntgenquelle verwendet wird. Wenn ein Mehrschichtfilm- Spiegel verwendet wird, um ein Bildelement zu schaffen, ist eine hohe Genauigkeit in Hinsicht auf die Substratverarbeitung die Filmstärkensteuerung des Mehrschichtfilm und dgl. gefordert, wie schon beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch wird nur ein Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel in einem Belichtungssystem verwendet. Für den Spiegel lediglich erforderlich ist, daß dieser die Röntgenstrahlen konvergiert. Folglich ist verglichen mit dem Fall, bei dem dieser als Abbildungssystem verwendet wird, keine solche hohe Präzision gefordert.
Des weiteren gibt es den zusätzlichen Vorteil bei einem Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel, daß die Wellenauflösung nicht so hoch ist. Die Auflösung einer Fresnel- Zonenplatte, die in einem optischen Abbildungssystem verwendet wird, hat eine Größenordnung der Breite seiner äußersten Ringzone, die von der Anzahl der Ringzonen abhängt. Auch wird die Wellenlängenauflösung einer Fresnel- Zonenplatte durch die Anzahl von Ringzonen bestimmt. Somit besteht zwischen dem Auflösungsvermögen und der Wellenlängenauflösung einer Fresnel- Zonenplatte eine proportionale Beziehung. Das bedeutet, daß eine Fresnel- Zonenplatte mit hohem Auflösungsvermögen ein hohes Wellenlängenauflösungsvermögen aufweist, und folglich sollte das Beleuchtungssystem ein hohes Wellenlängenauflösungsvermögen aufweisen. Wenn jedoch das Wellenlängenauflösungsvermögen des Belichtungssystems zu groß ist, wird die Bandbreite der Röntgenstrahlen, die auf die Fresnel- Zonenplatten fallen, zu schmal und hält das optische System dunkel. Da das Auflösungsvermögen der Vorrichtung durch die Breite der äußersten Ringzone der Fresnel- Zonenplatte bestimmt wird, selbst wenn die Bandbreite der Röntgenstrahlen schmal ist, verbessert sich das Auflösungsvermögen nicht weiter. Aus diesem Grund ist es nicht vorteilhaft, das Auflösungsvermögen eines Beleuchtungssystems zu hoch zu machen.
In einer lichtsammelnden Fresnel- Zonenplatte, die herkömmlicherweise in einem optischen Beleuchtungssystem verwendet wird, steigt die Anzahl der Ringzonen an und die Wellenlängenauflösung wächst, wenn die Fläche größer wird, während eine passende Brennweite beibehalten wird. In vielen Fällen ist die Wellenlängenauflösung von lichtsammelnden Fresnel- Zonenplatten um eine Größenordnung oder mehr als diese einer bildgebenden Fresnel- Zonenplatte größer. Auch im Falle eines Beugungsgitters ist die Wellenlängenauflösung desselben größer um eine Größenordnung oder mehr als diejenige einer bildgebenden Fresnel- Zonenplatte.
Verglichen damit liegt die Wellenlängenauflösung eines Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegels in gleicher Größenordnung wie diejenige einer bildgebenden Fresnel- Zonenplatte. Es ist daher in einem Falle effektiv, wie bei der dynamischen Beobachtung einer lebenden Probe, wo z. B. ein helles optisches System gefordert ist, obwohl das Auflösungsvermögen nicht hoch sein kann. Verglichen mit dem Fall, wo eine Fresnel- Zonenplatte oder ein Beugungsgitter in einem optischen Belichtungssystem verwendet wird, kann die Verwendung eines Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegels in einem optischen Belichtungssystem ein optisches System schaffen, welches mehrfach heller ist als das frühere, selbst nur in Hinsicht auf die ausgewählte Bandbreite.
In Hinsicht auf eine mit Röntgenstrahlen zu bestrahlende Fläche oder auf das erreichbare Refelxionsvermögen ist der Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel hervorragend. Somit wird ein helles optisches System geschaffen. Folglich ist das vorliegende Ausführungsbeispiel sehr effektiv für eine Beobachtungseinrichtung, bei der ein helles optisches System gefordert wird.
Eine einfachste Form eines optischen lichtsammelnden Systems unter Verwendung eines Mehrschichtfilms kann geschaffen werden durch einen Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel mit abwechselnden Schichten zweier verschiedener Materialien, die auf einem Substrat mit konkaver Oberfläche gebildet sind. Da Röntgenstrahlen auf den konkaven Reflexionsspiegel fallen, werden diese spektral aufgelöst, und zur gleichen Zeit werden sie gesammelt, um einen gewünschten Abschnitt der Probe (Gegenstand) zu bestrahlen.
Die Oberflächenkonfiguration des Substrats mit konkaver Oberfläche kann unterschiedlich sein, abhängig von der Art der Röntgenstrahlen, die darauffallen. Für Röntgenstrahlen mit im wesentlichen parallelen Licht, wie aus einer Synchrotronstrahlung, kann ein Drehparaboloid verwendet werden. Für divergierendes Licht aus einer Punktlichtquelle kann ein Drehelipsoid verwendet werden. Wenn die Brennweite lang ist, oder die Energiebreite groß, kann eine angenäherte Sphäre verwendet werden.
Die Dicke eines Mehrschichtfilm kann durch die Wellenlänge der zu verwendenden Röntgenstrahlung und die Konvergenzbedingungen festgelegt werden, wie der Einfallswinkel. Im allgemeinen wird die Filmstärke durch abwechselndes Vorsehen zweier Schichten mit konstanter Dicke bestimmt. Um jedöch ein höheres Reflexionsvermögen zu erzielen, kann vorzugsweise eine geeignete Filmstärkenstruktur vorgesehen sein. Die Mehrschichtfilmstruktur ist nicht auf abwechselnde Schichten unterschiedlicher Materialien beschränkt. Um Rauhtiefe von Schnittstellen oder Diffusion zu vermeiden, können eine oder mehrere Zwischenschichten verwendet werden. Wenn ein Spiegel mit gekrümmter Oberfläche verwendet wird, ändert sich der Einfallswinkel mit der Einfallsstelle, selbst wenn ein paralleler Strahl daraufgegeben wird. In dieser Hinsicht kann die Filmdicke eines Mehrschichtfilmes vorzugsweise so festgelegt werden, daß eine Stärkeverteilung auf der gekrümmten Oberfläche vorgesehen ist, um dadurch eine im wesentlichen gleichmäßige spektrale Verteilung reflektierten Lichtes als spektrumauflösend durch jeweilige Abschnitte der Spiegeloberfläche vorzusehen.
In Anbetracht der Konvergenzbedingungen eines optischen Systems oder Beschränkungen der Einrichtungskonfiguration kann darüber hinaus ein optisches System mit einer Vielzahl von Mehrschichtfilmspiegeln verwendet werden. Beispielsweise kann ein optisches Sstem des Wolter- Typs oder des Schwarzschild- Typs Anwendung finden.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Hauptabschnittes einer optischen Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispieles nach der vorliegenden Erfindung.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt eine Röntgenquelle eine Laser- Plasma- Röntgenquelle, und ein optisches Belichtungssystem enthält einen Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel mit einer Mehrschichtfilmstruktur, die auf einem Drehelipsoid gebildet ist. Ein optisches Abbildungssystem enthält eine Fresnel- Zonenplatte 17.
In der Zeichnung bedeutet Bezugszeichen 9 einen Laser; 10 ist ein Laserlicht und 11 ist ein Ziel; 12 sind Röntgenstrahlen; und 13 ist eine Röntgenstrahlen- Teilblendenplatte. Bezeichnet mit 14 ist ein konkaver Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel zylindrischer Gestalt mit einer Plattenreflexionsoberfläche zur Reflexion der Röntgensrahlen. Er enthält ein Spiegelsubstrat F. Auf den inneren zylindrischen Flächen der Substrate sind Mehrschichtfilme L1, L2, L3, ... und L501 einer Anzahl 501 gebildet. Mit 15 bezeichnet ist ein zu untersuchender Gegenstand (Probe). Mit 16 bezeichnet ist ein Streulicht- Schneideöffnungsmittel bezeichnet, und mit 17 ist eine bildgebende Fresnel- Zonenplatte bezeichnet. Mit 18 bezeichnet ist ein Detektor, der z. B. ein Röntgenstrahlen- Fotofilm zur Aufzeichnung eines vergrößerten Bildes 19 der Probe 15 ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Beugungsgitter auf dem Röntgenstrahlenweg vorgesehen, und es wird nur ein Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel verwendet.
In einem Auslegungsbeispiel verwendet die Laser- Plasma- Röntgenstrahlenquelle 100 einen YAG- Laser von 1,0 J/Impuls und einer Impulsbreite von 10 ns als Laser 9. Die Größe des Lichtpunktes auf dem Ziel 11 beträgt 10&supmin;² mm². Für das Ziel 11 wird Mo verwendet. Das Ziel 11 hat eine zylindrische Gestalt und ist drehbar um eine Achse parallel zu seiner Erzeugungslinie angeordnet, um so die Impulsausstrahlungsposition kontinuierlich ändern zu können.
In diesem Auslegungsbeispiel hat das Substrat 5 des konkaven Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegels 14 eine zylindrische (ringförmige) Gestalt mit einer Höhe 120 mm. Es kann geschaffen werden durch Schnitt eines Drehelipsoids mit einem Hauptdurchmesser 20,3 mm und einem Nebendurchmesser von 300 mm entlang seiner Drehebene. In Hinsicht auf die Konfigurationsgenauigkeit ist ein Fehler von λ/2 (λ = 6328 um) von einem idealen Aufbau adäquat und eine Oberflächenrauhtiefe von 3 Arms. In diesem Konstruktionsbeispiel sind abwechselnde Schichten aus Ni- und C- Materialien einer Gesamtzahl von 501 (fünfhunderteins) auf Substratoberfläche gebildet. Der Einfallswinkel der Röntgenstrahlen wird auf 450 in der Mitte des konkaven Reflexionsspiegels eingestellt und wird stetig in der Hauptachsenrichtung des Spiegels geändert. An einem Endabschnitt F der zu bestrahlenden Zone, welcher Abschnitt sich weit von der Röntgenstrahlenquelle befindet, kann der Einfallswinkel 43,1º betragen. An einem anderen Endabschnitt E, der nahe an der Röntgenstrahlenquelle liegt, kann der Einfallswinkel 47,9º betragen. In Hinsicht auf die Nebenachsenrichtung kann keine Verteilung des Einfallswinkels sein. Die Stärke des Mehrschichtfilms kann eine Verteilung entlang der Hauptachse des Reflexionsspiegels aufweisen. An dem Endabschnitt E nahe der Röntgenstrahlenquelle kann er 6,7 Å (Ni- Schicht) betragen und 24,2 Å (C- Schicht) (Schichten konstanten Dicke). Am Endabschnitt F entfernt von der Röntgenstrahlenquelle kann die Dicke 7,1 Å betragen (Ni- Schicht) und 26,6 Å (C- Schicht) (Schichten konstanter Dicke). Zwischen den Abschnitten E und F kann sich die Stärke des Filmes kontinuierlich ändern. In Hinsicht auf die Hauptachsenrichtung kann die Stärke der Mehrschichtfilme konstant bleiben. Der Emissionswinkel der Röntgenstrahlen kann auf 450 eingestellt werden.
Der Röntgenstrahlenemissionspunkt 11a des zu untersuchenden Gegenstandes (Probe) ist auf die Brennpunktstellen des Drehelipsoids vom konkaven Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel 14 eingestellt. Die von der Laser- Plasma- Röntgenstrahlenquelle 100 emittierten Röntgenstrahlen werden teilweise von den Öffnungsmitteln 13 blockiert, und die durchgelassenen Strahlen fallen auf den Reflexionsspiegel 14. Die Röntgenstrahlen werden von dem Reflexionsspiegel reflektiert und belichten die Probe 15. Somit wird die Probe 15 mit Strahlen bestrahlt, die in Hinsicht auf die optische Achse der Fresnel- Zonenplatte 17 geneigt sind. Die Röntgensstrahlen können von dem Reflexionsspiegel gesammelt werden, um auf der Oberfläche der Probe 15 einen Strahlfleck von etwa 5 µm Durchmesser zu bilden. Gleichzeitig kann die Wellenlängenwahl durch die Röntgenstrahlen bewirkt werden, und die Mittenwellenlänge kann 4,5 nm betragen, und die Wellenlängenauflösung λ/Δλ kann etwa 170 betragen.
In Hinsicht auf die Fresnel- Zonenplatte 17 zur Abbildung der Probe 15 beträgt in diesem Konstruktionsbeispiel die Breite der innersten Ringzone 4,24 µm und die Breite der äußersten Ringzone 60,15 µm. Die Anzahl der Ringzonen beträgt 201 (zweihunderteins). Zur Vermeidung von Durchgangslicht (Licht nullter Ordnung), das entlang der optischen Achse in der Fresnel- Zonenplatte fortschreitet, aus einer Richtung, die auf das Bild 19 der Probe fällt, ist die Fläche der Fresnel- Zonenplatte von der ersten bis zur vierten Ringzone von der Innenseite mit einem geeigneten Röntgenstrahlen- Blockiermaterial bedeckt, um so den Röntgenstrahlendurchgang zu blockieren. Die Brennweite der Zonenplatte beträgt 4 mm.
In diesem optischen System wird Parameter P (Gleichung (1)) auf etwa 0,218 eingestellt, und der Bereich sollte der Bedingung 10&supmin;² ≤ P ≤ 10 genügen. Durch Anordnung eines fotographischen Röntgenfilms 18 durch Belichten desselben an der Abbildungsposition wird das Bild 19 feststellbar. Als Probe 15 kann eine Membran aus Silikonnitrid, gemustert mit Gold, verwendet werden, die Belichtung muß mit dem Röntgenstrahlenweg bewirkt werden, der im Vakuum aufrechterhalten wird. Gemäß Simulationen kann in diesem Falle ein Bild 19 mit einer 215- fachen Vergößerung und einem Auflösungsvermögen von 25 µm erreicht werden. Die Belichtungszeit beträgt etwa 0,7 sec, was etwa 1/460 derjenigen eines toroidalen Brechungsgitters des Spiegelstreifenreflexionstypes ist, der ohne Mehrschichtfilm verwendet wird. Die Gründe, weswegen der konkave Mehrschichtfilm- Reflexionsspiegel ein Belichtungssystem schaffen kann, welches bedeutend heller als das des toroidalen Brechungsgitters vom Spiegelstreifentyp ist, liegt daran, daß es eine geringe Wellenlängenauflösung besitzt; es kann Röntgenstrahlen unter einem großen festen Winkel sammeln; und es hat ein hohes Reflexionsvermögen.

Claims

1. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem mit einer Quelle (100; 9, 11) zur Abgabe von Röntgenstrahlen (1; 12), einem Bestrahlungssystem zur Bestrahlung eines Gegenstands (3) mit den Röntgenstrahlen, einem Zonengitter (4; 17) zur Erzeugung eines vergrößerten Bildes (6; 19) des mit den Röntgenstrahlen bestrahlten Gegenstands, und mit einem Detektor (5; 18) zum Nachweis des erzeugten Bildes,

dadurch gekennzeichnet, daß das Bestrahlungssystem einen konkaven Spiegel (2; 5) enthält mit einem Mehrschichtfilm (L) zur Reflexion der Röntgenstrahlen aus der Quelle und zur Bündelung dieser auf den Gegenstand und durch Einhalten der nachstehenden Bedingung:

0,01 ≤ 0,257831 x [(fλ)/(rn)²] x (λ/Δλ) ≤ 10

wobei λ die Mittenwellenlänge des Spektrums eines auf den Gegenstand zu bündelnden reflektierten Strahls ist, Δλ die halbe Spektrumbreite des Zonengitters in Hinsicht auf die Mittenwellenlänge und rn der Radius des Zonengitters ist.

2. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlenquelle einen Laser (9) enthält und einen Auftreffgegenstand (11) zum Empfang des Laserstrahls (10) aus dem Laser und zur Erzeugung von Röntgenstrahlen.

3. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (5) einen reflektierten Strahl bildet, der in Hinsicht auf die optische Achse des Zonengitters (4) geneigt ist.

4. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 1, 2 öder 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel einen ersten Abschnitt mit einem ersten Reflexionsvermögen zum Empfang eines Mittenabschnitts des Röntgenstrahls aufweist und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Reflexionsvermögen zum Empfang des restlichen Teiles des Röntgenstrahls, und wobei das erste Reflexionsvermögen geringer als das zweite Reflexionsvermögen ist.

5. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt nicht mit dem Mehrschichtfilm bedeckt ist.

5. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt der Mehrschicht- Filmstruktur zerstört worden ist.

1. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieses so eingerichtet ist, daß ein erzeugtes Bild des Gegenstands mit dem vom Gegenstand längs einer optischen Achse des Zonengitters abgestrahlten Strahl nachweisbar ist, der daran gehindert ist, sich mit dem erzeugten Bild zu überlagern.

a. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Hinsicht auf einen Mittenabschnitt des Zonengitters (17) und auf eine Vielzahl von Ringzonen des Zonengitters um den Mittenabschnitt die Ausbreitung eines Strahls entlang der optischen Achse des Zonengitters blockiert ist.

9. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 8 mit einem Blockierglied zum Blockieren der Ausbreitung eines Strahls längs der optischen Achse des Zonengitters in Hinsicht auf einen Mittenabschnitt des Zonengitters (17) und einer Vielzahl von Ringzonen des Zonengitters um den Mittenabschnitt.

10. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Filter (13) zur Vermeidung der überlagerung eines von der Röntgenstrahlenquelle längs der optischen Achse des Zonengitters emitierten Strahls mit dem erzeugten Bild.

11. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (13) ein mit Öffnungen versehenes Glied ist.

12. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestrahlungssystem eine Vielzahl der Mehrschichtfilmspiegel enthält, um die Röntgenstrahlen aus der Quelle auf den Gegenstand zu bündeln.

13. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtfilmspiegel eine zylindrische Gestalt hat.

14. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses die folgende Bedingung erfüllt:

0,03 ≤ 0,25783 x [(fλ)/(rn)²] x (λ/Δλ) ≤ 1.

15. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Mehrschichtfilms des Spiegels sich in Hinsicht auf eine vorbestimmte Richtung entlang der Oberfläche des Spiegels ändert, um so eine Änderung der Wellenlänge des reflektierten Strahls abhängig von der Position des Spiegels zu kompensieren.

16. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des Spiegels abwechselnd aus Chrom und Kohlenstoff bestehen.

11. Röntgenstrahlen-Mikroskopsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenstrahlungsquelle ein Synchrotron enthält.