JP2003536081A - Ｘ線光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、高い光子線束密度の小さなビーム断面を有する平行な放射Ｘ線を生成するための、Ｘ線源、一つのＸ線集光部、及び一つのＸ線反射部を備えたＸ線光学系に関する。この課題を解決するために、Ｘ線源の放射Ｘ線は、集光部により、反射部の凸状かつ放物面状の反射面に放射され、例えば、Ｘ線回折測定、反射測定、及び／又は蛍光分析などのＸ線分析に有利に使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、請求項１の前書きに記載のＸ線光学系に関する。この発明は、例
えば、Ｘ線回折測定、反射測定、及び／又は蛍光分析などのＸ線分析に、特に有
利に利用される。

【０００２】 Ｘ線分析における多くの利用法では、高い強度、すなわち、特に高い光子線束
密度を有する放射Ｘ線を必要とする。これは、Ｘ線ビームを集光することにより
実現される。しかしながら、多くの場合、平行な放射Ｘ線として最良に利用する
ために、放射Ｘ線の分散を非常に小さくすることがより好ましい。

【０００３】 しかしながら、Ｘ線分析において、特別な分析を実行するためには、単色の放
射Ｘ線を供給する必要もある。

【０００４】 さらに、Ｘ線分析では、分析する表面又は支持担体上の流体試料の表面に関し
て、放射Ｘ線の高い表面感度の実現が求められている。このような場合、放射Ｘ
線は斜めに入射されるのが好ましい。すなわち、十分の数度から、最大で数度の
比較的小さな入射角、つまり試料表面又は適切な担体表面のそれぞれにおける全
反射の臨界角度に近い角度で入射されるのが好ましい。これにより、放射Ｘ線の
放射断面は、１／ｓｉｎθにしたがって試料表面に投影される。投影面上の表面
ごとの光子線束密度のさらなる増加と、より小さい投影面への集光がそれぞれ求
められている。よく知られるように、平行及び略平行なＸ線ビームの集光により
表面強度が増加し、ひいては光子線束密度が増加する。この結果、局所的に検出
される試料のそれぞれの測定信号を増加させることができる。特に、測定信号の
空間解像度、すなわち測定点における測定信号の座標の精度は、測定の調整に関
して高い要求を提供する。

【０００５】 通常、放射Ｘ線の一部のみがシャッターの開口を通過して測定点に放射するよ
うに、適度に小さなシャッターが放射Ｘ線のビーム経路に配置される。これによ
り、測定点に対する測定信号の局所的な座標の定義が実現される。もちろん、こ
のようなシャッターの使用は、測定に利用できない放射Ｘ線強度の損失をもたら
す。これにより測定精度が悪くなるとともに、必要な測定時間が増加する。これ
は、多くの応用例において好ましくなく、測定が不可能になる場合もある。

【０００６】 上述した課題は、例えばＤＥ４４４３８５３Ａ１に記載されているような、凹
面の湾曲に沿った周期的な厚みを有する多層系が使用されたＸ線光学構造によっ
ても、完全には克服されていなかった。また、実のところ、必要なシャッターに
起因する強度の減少は同様に生じることから、放射Ｘ線のビーム断面積を減少さ
せることには成功していなかった。

【０００７】 特に半導体技術において激しい小型化が進み、マイクロ領域からナノ領域へ進
歩している中、分析すべき特定の要素又は化合物を、高い測定精度で分析すると
同時に、高い空間解像度で短期間に分析する方法が求められる。

【０００８】 そのため、本発明の目的は、小さいビーム断面及び高い光子線束密度を有する
、平行又は少なくとも略平行な放射Ｘ線を供給することができるＸ線光学系を提
供することにある。

【０００９】 本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の特徴により達成される。本発
明のさらなる有利な形態及び改良は、従属項に記載の特徴により達成される。

【００１０】 本発明によるＸ線光学系において、例えば、適当なＸ線源、Ｘ線を集光する部
材、及びＸ線を反射する部材などの、通常のＸ線光学系の構成要素が利用される
。そして、Ｘ線源の放射Ｘ線は、レンズ効果を達成するための部材、さらに好ま
しくはそれぞれの形状の反射物である集光部に放射される。この部材により集光
された放射Ｘ線は、凸状かつ放物面状に形成された反射面を有する放射Ｘ線反射
部に向けられる。

【００１１】 このような反射部の表面形状により、放射Ｘ線は、集光（凝縮）されると同時
に、分散が無視できるほど平行な光線に調整され、適切に配置され整列された試
料及び担体のそれぞれの表面に向かう。

【００１２】 集光部の形状により、収束した放射Ｘ線の断面は、点、楕円、又は線状になる
。もちろん、放射Ｘ線を反射する部材の表面の輪郭は、この幾何学的配置に合わ
せてある。線状のビーム断面については、集光部及び反射部は円柱対称性を有し
ていてもよい。

【００１３】 多くの応用例では、使用されるシャッターの機能は変わり、散乱光を抑える働
きをする。個々の例において、空間解像度の向上のために従来通りシャッターが
必要であったとしても、適切に凝縮された放射Ｘ線の光子線束密度は既知の方法
を用いた場合に比べてかなり高いので、シャッターにより遮断されるＸ線の強度
は十分に小さくなっている。こうして、２以上の強度利得が達成される。

【００１４】 少なくとも反射部の表面は、個々の反射層、又は、多くの場合においてさらに
好ましくは、多層系を備えてもよい。

【００１５】 適切な物質からなる一つの反射層又は反射部のみが用いられるときは、集光部
からの放射Ｘ線は全反射の臨界角度θ_Ｃ以下の角度で反射部に放射されてもよい
。これにより、所望の効果が達成される。

【００１６】 多くの場合、勾配のある多層系を使用するのがさらに好ましい。異なるＸ線の
入射角を考慮して、多層系の個々の層は、予め定められた放射Ｘ線の波長で、そ
れぞれの表面においてそれぞれの入射角θ_ｉがブラッグ則を満たすように適切に
調整された厚みを有する。勾配層は、長さ方向に異なる厚さの二重層を備える。

【００１７】 その結果、光子線束密度のさらなる増加、及び放射Ｘ線の単色性の向上が達成
される。多層系の隣接した個々の層は、異なるＸ線屈折率を有する。

【００１８】 最も高い放射Ｘ線の凝縮は、集光部及び反射部の焦点Ｆが互いに一致したとき
に、あるいは、少なくとも互いに近接して配置されたときに達成される。

【００１９】 集光部がＸ線源を線状に集光するときは、線状の平行光線を達成するために、
放物線回転体の形状の反射部を選択するのがさらに有利である。

【００２０】 本発明によるＸ線光学系の上記した有利性に加えて、放射Ｘ線の小さい入射角
で、測定信号のより高い空間解像度が達成される。試料の投影面がほぼ同数の光
子で凝縮されるからである。

【００２１】 一般に、ビーム経路に反射部とともにさらなる単色光分光器を配置することに
より、信号−ノイズ比が向上する。

【００２２】 測定時間の短縮に加え、測定のダイナミックレンジも向上する。これにより、
例えば、バックグラウンドの信号に覆い隠される程度の回折をも検出できるので
、測定されたオシロスコープのパターンの情報量が高まる。

【００２３】 集光部及び／又は反射部の特定の距離及び角度についての並進運動及び／又は
水平揺れにより、放射Ｘ線は限定された小さな測定点／測定面に向けられる。

【００２４】 以下、実施の形態により本発明を説明する。

【００２５】 図１は、本発明のＸ線光学系の実施の形態を概略的に示す。図１において、Ｘ
線源の発散性の放射Ｘ線は、集光部に向かい、より小さいビーム断面を有する平
行光線に変換される。

【００２６】 図２は、平行な放射Ｘ線が集光部に向かい、さらにビーム断面の小さい平行な
光線に変換される配置の形態を概略的に示す。

【００２７】 図１に示した実施の形態に関して、Ｘ線源１の発散性の放射Ｘ線は、楕円状又
は放物面状に形成された、放射Ｘ線の反射面を有する凹面に向かう。本実施の形
態では、反射面は多層系となっている。放射Ｘ線は、そこで反射され、続いて反
射部の放物面状の凸面の反射面に向かう。反射部３から反射された放射Ｘ線は、
凝縮されると同時に平行に調整される。平行な放射Ｘ線は、こうして集光され、
断面が２００μｍよりも小さい範囲である放射Ｘ線が容易に達成でき、別の方法
のＸ線分析に利用される。

【００２８】 反射部３の反射面は多層系であってもよい。多層系における個々の層の厚さは
、放射Ｘ線の入射角の差異に従って局所的に考慮されてもよい。本実施の形態で
は、平行に反射された放射Ｘ線は、高い強度を備えるだけでなく、単色になって
いる。

【００２９】 図２に示した発明による配置の形態では、小さな分散を有する放射Ｘ線及び分
散を有しない放射Ｘ線は、それぞれ集光部２の放物面状かつ凹状の反射面に平行
に放射される。放射Ｘ線は、この表面により適切に反射されると同時に集光され
、反射部３の表面に向かう。図から明らかなように、反射部３により平行に反射
された放射Ｘ線のビーム断面ｂ’は、もとの平行な放射Ｘ線のビーム断面ｂより
もかなり小さくなっている。この結果、（２）及び（３）の十分に高い反射率に
より、反射部３から反射された放射Ｘ線の光子線束密度は、もとの平行光線に比
べて増加する。

【００３０】 反射部の反射面に多層系が設けられるのが有利である。個々の層の周期的厚み
ｄは、ブラッグ則λ＝２ｄ_ｅｆｆｓｉｎθ（ｄ_ｅｆｆは分散を考慮した有効周期
厚み）を満たす。

【００３１】 集光された放射Ｘ線の、反射部３の反射面への異なる入射角θ_ｉは予め定まる
ので、放射Ｘ線の適切な波長でのそれぞれの入射角にしたがって、異なる周期的
厚みｄ_ｉを持つ適切な勾配層を使用することが求められる。

【００３２】 そのような多層系を形成する方法は、未発行の文書であるＤＥ１９９３２２７
５に記述されている。この件に関する完全な範囲の開示がなされている。

【００３３】 図１及び図２の双方に示されるように、集光部２及び反射部３のそれぞれの反
射面は、二つの要素２及び３の焦点Ｆが互いに一致するように配置される。

【００３４】 図１及び図２に示した実施の形態では、集光部２の反射面は放物面状の形状（
図２）をしていたが、楕円状の外形（図１）であってもよい。

【００３５】 平行及びほぼ平行な出力放射Ｘ線がそれぞれ用いられる、図２に示した実施の
形態では、ｘ_Ａ，ｘ_Ｅ＞＞ｐ／２と仮定すると、特に次式が成り立つ。

【数１】 これは、放物線型方程式に基づいており、それぞれ、

【数２】

【数３】 である。

【００３６】 線方程式及び放物線型方程式を用いてこれを簡略化すると、

【数４】 ここで、ｐ及びｐ’はそれぞれ集光部２及び反射部３の放物線パラメータであ
る。

【００３７】 これより、光子線束密度の増加は、集光部２の平均反射率Ｒ（２）と、反射部
３の平均反射率Ｒ（３）の積に、ビーム断面積の比を乗算した値が、Ｒ（２）＊
Ｒ（３）＊ｂ／ｂ’＞１になると達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のＸ線光学系の実施の形態を概略的に示す図である。

【図２】 平行な放射Ｘ線が集光部に向かい、さらにビーム断面の小さい平
行な光線に変換される配置の形態を概略的に示す図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ線源、一つのＸ線集光部、及び一つのＸ線反射部を備え、
   高い光子線束密度の小さいビーム断面積を有する平行な放射Ｘ線を生成するため
   のＸ線光学系であって、 前記Ｘ線源（１）の前記放射Ｘ線は、前記集光部（２）により、前記反射部（
   ３）の凸状かつ放物面状の反射面に向けて放射されることを特徴とするＸ線光学
   系。
2. 【請求項２】 前記反射部（３）の表面に、反射層又は多層系が設けられた
   ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学系。
3. 【請求項３】 多層系の個々の層は、勾配層であることを特徴とする請求項
   １又は２に記載のＸ線光学系。
4. 【請求項４】 前記放射Ｘ線は前記反射部（３）に全反射の臨界角度θ_Ｃ以
   下の角度で放射されることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線光学系。
5. 【請求項５】 入射角θ_ｉを有する前記放射Ｘ線は、予め定められた放射Ｘ
   線の波長で反射部（３）のそれぞれの表面においてブラッグ則が満たされるよう
   に、勾配層を有する前記多層系に放射されることを特徴とする請求項１から３の
   いずれかに記載のＸ線光学系。
6. 【請求項６】 前記集光部（２）及び前記反射部（３）の焦点Ｆが一致する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線光学系。
7. 【請求項７】 前記集光部（２）は、凹状、放物面状、又は楕円状の表面を
   有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＸ線光学系。
8. 【請求項８】 前記反射部（３）の前記放物面状の形状は、円柱対称性を有
   することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のＸ線光学系。
9. 【請求項９】 それぞれの多層系の隣接する個々の層は、異なるＸ線光学屈
   折率を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のＸ線光学系。
10. 【請求項１０】 請求項１から９のいずれかに記載のＸ線光学系を、Ｘ線回
    折測定、反射測定、及び／又はＸ線蛍光分析に使用する方法。