JP2007134325A - ナノ焦点ｘ線管 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像検診のための画像形成方法で必要とされる１．０００ｎｍ（ナノメータ）以下の焦点サイズのナノ焦点Ｘ線管を簡略で安価な構造で提供する。
【解決手段】ナノ焦点Ｘ線管は標的４と、標的４に電子線２８を向ける手段とを有し、標的４はＸ線を照射する標的材料から成る少なくとも一つの標的要素２２、２４、２６を有する。標的要素２２、２４、２６は担体要素４上にマイクロ構造を与える方法で直径１．０００ｎｍ以下のナノ構造で形成され、担体要素４を部分的にのみ覆っている。Ｘ線管２０の作動の際に電子線の横断面は電子線が標的要素２２、２４、２６をいつも完全平らなに放射するように標的要素の横断面より大きく選定される。担体要素の材料は電気的伝導率を高めるようダイヤモンド、或いはダイヤモンドを含んだ材料が選ばれる。
【選択図】図８

Description

この発明は、請求項１の上位概念に記載された種類のナノ焦点Ｘ線管に関する。

該当種類のナノ焦点Ｘ線管は一般に公知である。このナノ焦点Ｘ線管は標的と標的に電子線を向ける手段とを有する。このＸ線管は例えば電子工業における構成部品、例えば導体板を高解像診断する画像形成方法に用いられる。この種の画像形成方法で高い立体的解像度を得るために、公知のナノ焦点Ｘ線管では電子線が標的への衝突の際に１．０００ｎｍ（ナノメータ）以下の直径を備える焦点を形成するように形成される。

電子線の対応する僅かな横断面を得るために、ナノ焦点Ｘ線管が知られており、Ｘ線屈折の原理により作動し、屈折レンズに使用される。この種のナノ焦点Ｘ線管により最小およそ４０−３０ｎｍ（ナノメータ）までの焦点直径が得られて、この場合に標的への方向における電子の加速の際には、原理的におよそ２０KeV の比較的低いエネルギーにより作動される。

さらに、屈折レンズが使用されるナノ焦点Ｘ線管が知られている。この種のナノ焦点Ｘ線管は最小およそ１．０００ｎｍ（ナノメータ）までの焦点直径が発生され、この場合に電子の加速の際には、同様におよそ２０−３０KeV の比較的低いエネルギーのみが使用され得る。

さらに、所望の僅かな直径とそれに伴う電子線の横断面とが、電子線の照射路において多数の相前後して配置された電磁レンズが使用されることによって達成されるナノ焦点Ｘ線管は、知られている。このナノ焦点Ｘ線管によって、最小およそ１００−２００ｎｍ（ナノメータ）までの焦点直径が発生され、この場合に例えば１．０００ｎｍ（ナノメータ）の焦点直径では、電子が１００KeV のエネルギーにより加速され得る。

この公知のナノ焦点Ｘ線管も欠点は、このナノ焦点Ｘ線管が標的への衝突個所における電子線の所望の僅かな横断面を得るために、例えば多数の電磁的レンズの形態で高い装置的費用を必要とすることにある。それ故に、このナノ焦点Ｘ線管は費用がかかり、製造が高価である。
特開２００１−３５４２８号公報 国際特許出願公開第０３／０８１６３１号明細書 国際特許出願公開第９６／２９７２３号明細書 米国特許第６２８９０７９号明細書

この発明の課題は、簡略化されてそれにより安価に構成された構造により構成部品の高解像検診のために画像形成方法で必要とされる１．０００ｎｍ（ナノメータ）以下の焦点の僅かな直径の達成を可能とする請求項１の上位概念に記載された種類のナノ焦点Ｘ線管を提供することである。

この課題は、請求項１に挙げられた教示によって解決される。

この発明は、まず最初に標的に衝突する電子線が対応して形成されることによって焦点の所望の僅かな直径を得る思想により解決される。焦点の直径がもはや電子線の横断面に依存せずに、むしろ専ら標的要素の横断面に依存するようにナノ焦点Ｘ線管を構成する思想に基づいている。このために、この発明による教示は、標的がＸ線を放射するために標的材料から成る少なくとも一つの標的要素を有し、その標的要素がマイクロ構造を与える方法によって担体材料から成る担体要素に形成されたおよそ１．０００ｎｍ（ナノメータ）以下の直径を備えるナノ構造に形成されており、この場合には、標的要素が担体要素を部分的にのみ覆うことを企図する。この発明によると、Ｘ線管の作動の際に標的への衝突個所における電子線の横断面は、電子線が標的要素をいつも完全平らに放射するように標的要素の横断面より大きく選定される。それに基づいて、例えば横断面減少、横断面増加、電子線の照射方向に対して横の移動或いは電子線の横断面ひずみである標的への衝突個所における電子線の横断面の変更の際にも、焦点の形状と大きさを定義する標的要素がいつも電子線により照射されることが確認されている。

この発明によると、担体材料と標的要素とは異なる材料である。この場合に標的要素は所望の波長のＸ線の放射を考慮して或いは所望の波長範囲で選定され、一方、担体材料、即ちダイヤモンドが主としてその熱伝導係数を考慮して選定される。けれども、この発明は、例えば担体材料としてのダイヤモンドの利用では確かに対応する熱の十分な誘導が保証されているという知識に基づいている限り、同時にダイヤモンドの電気絶縁特性に基づいて標的が電気的に放電する。それ故に、さらに、この発明は、例えば荷電の制御されていない消去や標的への再衝突がＸ線の制御されていない追加照射を生じ得るとすぐに、標的の電気的放電が画像形成方法で画像品質を低下されるという思想に基づいている。この発明によると、担体材料としてダイヤモンドが使用され、このダイヤモンドは電気的絶縁体であるけれども、適した付与材料、例えば金属の付与によって電気伝導性に形成される。それ故に、電気的放電、例えば電子は、標的に誘導されるので、画像品質に影響する標的の電気的放電が確実に回避される。驚くべきことに、この形式ではこの発明のナノ焦点Ｘ線管の画像品質はなお本質的に改良されることが示されていた。

担体材料の付与によって得られた電気伝導率はそれぞれの要件に応じて別の限界内で変更し得る。さらに、付与材料は別の限界内で選定され得る。

この発明によると、担体要素の横断面は照射方向に垂直にこの方向の標的要素の横断面より大きく定義されているので、標的要素は担体要素の表面の一部のみを覆う。さらに、担体要素は僅かな密度、高い熱伝導率とこの発明に企図された付与に基づいて電気的荷電を誘導する能力を有し、その間に標的材料はより高い密度の材料、例えばタングステンである。衝突する電子は標的材料において非常に短い通路で制動されて、この際に好ましくは短い波長のＸ線が生じる。これに対して、僅かな密度の担体材料には、侵入する電子が非常に長い通路上で制動されるので、更に長い波長の照射が生じ、例えば適したフィルタによって濾過され得る。さらに、焦点のこの発明の形状、大きさと場所は標的要素の形状、大きさと個所によって確定されることがわかる。

所望波長の或いは所望波長範囲でのこの発明のＸ線が専ら標的要素に発生されて、それにより標的要素がＸ線管の焦点を定義するので、電子線がＸ線管の作動の際に標的をいつも完全平らに放射する限り、焦点の形状と大きさが電子線の横断面に依存しなく、むしろ専ら標的要素の横断面に依存する。確かに、担体要素内でＸ線が発生される。しかしながら、これは他の波長を有するか、或いは標的要素に発生された利用光線以外の他の波長領域に位置するので、Ｘ線が難なく濾過され得る。それに基づいてこの発明によると、ナノ焦点Ｘ線管の標的の焦点がほぼ任意に小さく構成され得て、この際に限度は利用するマイクロ構成にする方法によってのみナノ構造を形成するようになっている。

焦点の形状、大きさと個所が専ら標的要素の形状、大きさと場所によって確定されているので、この発明によるナノ焦点Ｘ線管の場合に、公知のＸ線管の場合にＸ線管の焦点の形状、大きさと個所を定義する電子線の形状、大きさと個所を安定化するために従来のナノ焦点Ｘ線管の場合に必要とされている構造的に費用がかかる措置が省略される。この発明による標的は最も僅かな費用でナノ焦点Ｘ線管の構成を可能とするので、焦点の形状、大きさと場所では、高安定であり、それで画像形成方法での使用では特に高い画像品質を可能とする。

標的材料としてそれぞれの要件に一致して、電子による照射の際に所望の波長の或いは所望の波長範囲のＸ線が検出される。

ナノ焦点Ｘ線管とは、この発明によると、焦点の直径が≦１．０００ｎｍであるＸ線管を意味する。

非円形状焦点では、この発明によると、直径とは焦点平面における焦点の最大拡張を意味する。

熱伝導係数の数値は室温に関係する。

この発明による形状と大きさと、それによるナノ焦点Ｘ線管の焦点の横断面が専ら標的要素の形状と大きさと、それによる横断面に依存しており、電子線の横断面には依存せず、この発明によると、標的への衝突における電子線の高精度形成をもはや必要としない。それ故に、この発明によると、電子線が公知のナノ焦点Ｘ線管の場合に必要であるように、電子線の横断面を高精度に形成する手段は、もはや必要ない。この発明によると、基本的に専ら唯一の焦点合せ装置が、例えば電磁レンズの形態で必要である。それ故に、この発明によるナノ焦点Ｘ線管の装置的費用が従来のナノ焦点Ｘ線管に比べて実質的に減少されるので、この発明によるナノ焦点Ｘ線管は実質的に簡単に且つそれにより費用適切に製造できる。

この発明によるナノ焦点Ｘ線管の特別な利点は、このＸ線管が電子線の形成に関する故障作用に対して従来のナノ焦点Ｘ線管より実質的に鈍感であることにある。

焦点のこの発明による形状と大きさが専ら標的要素の形状と大きさに依存しているので、この発明によるナノ焦点Ｘ線管の焦点の大きさが専ら使用されたマイクロ構成を与える方法の達成できる立体的解像度に依存している。マイクロ構成を与える方法として、例えば三次元追加的ナノリソグラフイー或いはイオン線スパッター、しかし削除方法も、例えば電子リソグラフイー或いはエッチング方法が使用される。特に、沈殿方法により２ｎｍ又はさらにそれ以下の直径をもつナノ構造が形成される。それによりこの発明による教示は、ナノ焦点Ｘ線管を可能とし、その立体的解像度は画像形成方法における使用の際に従来のナノ焦点Ｘ線管の解像度より実質的に高い。

この発明による教示の特別に好ましい実施態様は、担体要素が少なくとも部分的に担体材料から成り、その熱係数が１０Ｗ／（ｃｍ×Ｋ）以上、特に２０Ｗ／（ｃｍ×Ｋ）以上であることを企図する。この形式では、担体材料の熱伝導率が特に高いので、標的要素の電子による照射の際に生じる熱が特に良好に誘導される。これはこの発明による標的の寿命を高める。

この発明によると、担体要素上に単に唯一の標的要素が配置されるならば、十分である。けれども、この発明によると、担体要素上に多数の互いに間隔を置いた標的要素を配置することが可能である。そのような実施態様では、標的要素が損耗されるならば、電子線が他の標的要素に向けられるので、Ｘ線管が標的要素の交換なしに再使用され得る。

基本的には、標的要素は任意の適した幾何学を有する。画像形成方法においてこの発明によるナノ焦点Ｘ線管の使用の際に高い画像品質を得るために、この発明による教示の好ましい実施態様は、少なくとも一つの標的要素が実質的に円形状に限定されることを企図する。

この発明による教示の他の好ましい実施態様は、標的要素が標的要素或いは標的要素を発生させたＸ線のために透過であり、担体要素に発生されたＸ線を遮断させるフィルタを有することを企図する。この形式では、この発明によるナノ焦点Ｘ線管が専ら所望の波長の或いは所望の波長範囲のＸ線を照射することが確認されている。

基本的には、この発明によるナノ焦点Ｘ線管の標的が、例えば銅或いはアルミニユムからなる高い熱伝導率をもつ金属ブロックを有するがっしりした標的（直接照射標的）であり、この金属ブロック上にこの発明による担体要素が例えば担体層として塗布され、そして担体要素が標的要素を支持する。けれども、この発明による教示の好ましい実施態様は、標的が透過標的として形成されていることを企図する。

この発明は、次に添付された強力に図式化した図面に基づいて詳細に説明され、この図面には発明による標的の実施例が図示されている。この場合には、請求されて、記載された、或いは図面に図示されたすべての特徴は、それ自体に採用され、互いに任意の組合せで特許請求の範囲或いはその撤回の要約と無関係に、並びに明細書或いは図面における表現或いは表示と無関係にこの発明の対象を形成する。

図面の図では、同じ或いは対応する構成部材は同じ符号を備えている。
図面の図は縮尺ではない純粋な原理スケッチを図示する。

図１には、ナノ焦点Ｘ線管用のこの発明の標的の実施例が図示されていて、この標的は担体要素４とこの実施例では担体要素４に配置されて標的材料から成るＸ線を放射する標的要素６を有する。この担体要素４は原理的に僅かな密度と高い熱伝導係数の担体材料、即ち熱伝導係数が２０Ｗ／（ｃｍ×Ｋ）以上であるダイヤモンドから成る。

この発明によると、担体材料として使用されたダイヤモンドは電気伝導率を高めるために付与されていて、この実施例では金属イオンを備える。担体材料が付与によって電気伝導的に形成されることによって、電気荷電が担体材料４から流れ出るので、担体要素４とその標的２の電気充電が回避されている。

標的要素６はこの実施例ではタングステンである高い密度の材料から成り、電気的に荷電された粒子、特に電子の照射の際にＸ線を放射する。

図１から、標的要素６は平面図で実質的に円形に限定され、この実施例ではおよそ１．０００ｎｍ以下の直径を有することは、明確ではない。

標的要素６はこの実施例ではマイクロ構造付与方法によって担体材料４上に形成されたナノ構造である。

電子による標的２の照射の際には、この電子は標的要素６内で非常に短い通路で制動され、この場合に短い波長のＸ線が生じる。担体要素４の僅かな密度の担体材料では、それに対して侵入する電子が非常に長い通路で制動され、この場合に長い波長のＸ線が生じる。図１には、直径ｄ_E1をもつ電子線が標的要素６に衝突する場合が図示されていて、この場合には、直径ｄ_E1が標的要素６の直径より小さい。標的要素６における電子の制動は、標的要素６の直径より小さい或いは同じである源直径ｄ_x1をもつ短い波長のＸ線を案内する。標的要素６を通して担体要素４の僅かな密度の担体材料に流入する電子は担体要素４の制動容積内部に非常に長い通路で制動されて、適したフィルタにとって抑留され得る主として長い波長の光線を導くので、この発明によると、担体要素４の一部のみを覆う標的要素６から出る短い波長の光線部分のみが有効になる。

図２では、電子線の横断面の直径ｄ_E2が標的要素６の直径より明らかに大きい場合が図示されている。この場合にも、主として短い波長の光線が直径ｄ_x2をもつ定義されて限定された標的要素６に生じ、一方、担体要素４の僅かな密度の担体材料に流入する電子は制動容積内部にかなり長い波長の光線を導き、濾過され得るので、標的要素６から出る短い波長の光線のみが定義された波長或いは定義された波長範囲により有効になる。

図１と図２の比較から、Ｘ線管の焦点の形状、大きさと場所が専ら標的要素６の形状、大きさと箇所に依存していて、電子線の横断面の形状、大きさと場所に依存しないことが明らかである。

図３は図２による標的の平面図を示し、この場合には、電子線の直径ｄ_E と横断面が標的要素６の直径ｄ_M と横断面より大きいことが明らかである。けれども、図１と図２に基づいて説明されるように、Ｘ線管の焦点の横断面にとって専ら担体要素６の横断面が基準になる。

図４には、透過標的として形成されたこの発明の標的２の第二実施例が図示され、標的は図１による実施例とは、担体要素４がその標的要素６と反対に向いた面に光線フィルタ１２を有し、このフィルタは標的要素６に発生されたＸ線１４にとって広範囲に透過でき、けれども、担体要素４に発生されたＸ線１６が広範囲に吸収される。このフィルタ１２は例えばアルミニウム箔によって形成され得る。

図５には、符号１０により電子線の予め調整された横断面が図示され、一方、符号１８Ａにより損傷作用に基づいて縮小された横断面が示され、符号１８Ｂにより損傷作用に基づいて拡大された横断面が示される。Ｘ線管の焦点の横断面が専ら標的要素６の形状、大きさと場所に依存していて、これが一定であるから、電子線の横断面の弱化は標的要素６が電子線により完全平らに放射される限り、焦点の横断面上の作用を有しない。

図６から明らかであるように、電子線のこの位置１８Ｃにも、標的要素６が完全平らに電子線により把握されるから、電子線の横移動の場合にも、位置１８Ｃに適用する。

図７から明らかであるように、電子線の横断面変更後も標的要素６が完全平らに放射される限り、電子線の横断面の変更も焦点の横断面への作用なしである。単に例として、図７には電子線の歪んだ二つの横断面が１８Ｄと１８Ｅにより示される。焦点の横断面が専ら標的要素６の横断面に依存して、この横断面が一定で場所安定であるから、電子線の横断面変更が画像形成方法にてＸ線管のこの発明の標的２の使用の場合にＸ線画像品質の悪化を生じない。

図５乃至図７の要約から明らかであるように、電子線の横断面変更や移動が焦点の横断面と場所への作用なしのままである。それ故に、この発明のＸ線管にて構造的に費用のかかる措置を放棄され得て、この措置により、画像形成方法で十分な画像品質を得るために、従来のＸ線管において電子線の形状、大きさと衝突点が標的２上に安定化されなければならない。それ故に、この発明のＸ線管が非常にかなり簡単に且つ価格を適切に製造できる。

図８は、次にＸ線管より短く示されるこの発明のナノ焦点Ｘ線管２０の実施例の原理スケッチを図示する。このＸ線管２０はこの発明の標的２を有し、この標的はこの実施例では標的表面に沿って互いに間隔を置いた標的要素２２、２４、２６を有する。

この発明のＸ線管２０はさらに標的２に電子線２８を向ける手段を有する。この手段はこの実施例では陰極管３０と孔陽極３２を有し、これらによって例えばヒラメントから生じる電子が標的２への方向に高いエネルギーで加速される。

このＸ線管２０はさらに光線方向に孔陽極３２の後部に配置されて標的２に電子線２８を焦点合せる焦点合せ装置３４を有する。この焦点合せ装置３４は一般公知の形式に例えばコイル装備によって形成され得る。

この実施例では、Ｘ線管２０はさらに偏向手段３６を有し、この手段により電子線２８はこれが選択的に一つの標的要素２２、２４或いは２６に衝突するように偏向できる。前もって利用された標的要素が損耗されるならば、偏向手段３６によって電子線２８が例えば他の標的要素に偏向できる。偏向手段３６の目的はこの発明によると、電子線２８の偏向を生じ、その形成或いは焦点合せを生じない。それ故に、標的２が単に唯一の標的要素を支持する実施態様では、偏向手段３６が必要とされない。

この発明の標的２の担体要素４に発生されたＸ線を濾過するために、標的２はその標的要素２２、２４、２６に反対を向いた側面に図４に基づいてさらに上に詳細に説明されるフィルタ１２を有する。

この発明のＸ線管の構成部材２は、一般公知形式にＸ線管２０の作動の際に空にできるハウジング３８に受けられる。

標的要素２２、２４、２６の一つのに電子線２８を偏向する制御手段３６の始動は図面に図示されていない制御手段によって行われる。通常には、Ｘ線管２０の電圧供給及び始動の種類と形式は一般に知られて、それ故に、ここでは詳細に説明されていない。

この発明のＸ線管２０の作動の際には、電子線２８は孔陽極３２を介して標的２への方向に加速され、その標的を通して焦点合せ装置３４が焦点合せされ、偏向手段３６によって一つの標的要素２２、２４、２６に偏向される。一つの標的要素２２、２４、２６への電子の衝突と続く制動の際には、所望の波長或いは所望の波長範囲のＸ線が生じる。電子の制動によって担体要素４に生じるＸ線はフィルタ１２によって濾過されるので、Ｘ線管２０が専ら所望の波長或いは所望の波長範囲に放射される。

Ｘ線管２０の焦点のこの発明の形状、大きさと場所が専らそれぞれの標的要素２２、２４、２６によって定義されているので、損傷作用は標的２への電子線２８の形状、大きさと衝突場所に関して、さらに上で図５乃至図７に基づいて既に説明されるように、Ｘ線管２０の焦点の形状、大きさと衝突場所の作用を有しない。

それ故に、この発明のＸ線管２０は、僅かな装置的費用により且つ根本的に単に唯一の焦点合せ装置３４の使用の下で焦点の高い場所安定性と寸法安定性を可能とし、それで画像形成方法での使用では特に高い解像度と画像品質を可能とする。

この発明による基本原理を説明するこの発明の標的の実施例の断面図を示す。 図１と同様な図を示す。 図１による標的の平面図を示す。 この発明による標的の第二実施例の断面図を示す。 図４による標的の平面図を示す。 図５と同様な平面図を示す。 別の図５と同様な平面図を示す。 この発明のナノ焦点Ｘ線管の実施例の原理スケッチを示す。

符号の説明

２．．．．標的
４．．．．担体要素
６．．．．標的要素
８．．．．制動容積
１０．．．電子線の横断面
１２．．．フィルタ
１４．．．Ｘ線
１６．．．Ｘ線
１８．．．電子線の横断面
２０．．．Ｘ線管
２２、２４、２６．．．標的要素
２８．．．電子線
３０．．．陰極管
３２．．．孔陽極
３４．．．焦点合せ装置
３６．．．偏向手段
３８．．．ハウジング

Claims (6)

1. 標的（２）と、標的（２）に電子線を向ける手段とを備え、この際に標的（２）はＸ線を照射するために標的材料から成る少なくとも一つの標的要素（６）を有し、その標的要素はマイクロ構造を与える方法によって担体材料から成る担体要素（４）に形成されたおよそ１．０００ｎｍ以下の直径を備えるナノ構造に形成されており、この場合には、標的要素（６）が担体要素（４）を部分的にのみ覆い、そしてＸ線管（２０）の作動の際に電子線の横断面は電子線が標的要素（６）をいつも完全平らなに放射するように標的要素（６）の横断面より大きく選定されるナノ焦点Ｘ線管において、担体材料がダイヤモンドである、或いはダイヤモンドを包含し、そのダイヤモンドが電気的伝導率を高めるよう付与されていることを特徴とするナノ焦点Ｘ線管。
2. 担体要素（４）は少なくとも部分的に担体材料から成り、その熱係数が１０Ｗ／（ｃｍ×Ｋ）以上、特に２０Ｗ／（ｃｍ×Ｋ）であることを特徴とする請求項１に記載のナノ焦点Ｘ線管。
3. 担体要素（４）は多数の互いに間隔を置いた標的要素（２２, ２４, ２６）を支持することを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載のナノ焦点Ｘ線管。
4. 少なくとも一つの標的要素（６, ２２, ２４, ２６）が実質的に円形に限定され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ナノ焦点Ｘ線管。
5. 標的（２）は標的要素（６）或いは標的要素（２２, ２４, ２６）で発生させたＸ線のために透過であり、担体要素（４）で発生されたＸ線が遮断されるフィルタ（１２）を有す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ナノ焦点Ｘ線管。
6. 標的（２）は透過標的として形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のナノ焦点Ｘ線管。

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