JP2009047430A - Ｘ線集光レンズ - Google Patents

Abstract

【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、Ｘ線の屈折率がＮ₁のコア層であるカーボン層３の上下をＸ線の屈折率がＮ₂のクラッド層であるルテニウム層２，４で挟んだＸ線導波路構造を有し、カーボン層３の一部に、Ｘ線が透過する材料からなる屈折率がＮ₃（Ｎ₁の実数部分＜Ｎ₃の実数部分＜Ｎ₂の実数部分）のＸ線位相シフター層５を有する。Ｘ線位相シフター層５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ＡＹ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、Ｘ線位相シフター層５の長さｔは、ｔ＝λ／｛２×（Ｎ₃−Ｎ₁）｝である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線集光装置に関し、より詳細には導波路と位相シフト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。

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。

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）透過積層型ゾーンプレートを利用する手法（非特許文献４参照）、（Ｅ）Ｘ線導波路を利用する手法（非特許文献５参照）がある。

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。

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（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ｝^1/2の位置との間、または｛（２ｎ＋１）λｆ｝^1/2の位置と｛（２ｎ＋２）λｆ｝^1/2の位置との間に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。

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６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ナノメートルの直線状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。

Ｘ線フレネルゾーンプレートではＸ線が透過できない遮蔽ゾーンを設けることによりＸ線を集光したのに対し、（Ｄ）の透過積層型ゾーンプレートを利用する手法の場合、Ｘ線が透過する重元素層とＸ線が透過する軽元素層とを積層した構造を用いる。非特許文献４には、Ｘ線ビームの中心からＺ方向に沿った距離が（２ｎλｆ₁）^1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ₁｝^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の領域のうちいずれかに配置された積層型フレネルゾーンプレート構造により、Ｘ線を線状に集光する可能性が提案されている。また、２つの積層型フレネルゾーンプレート構造を組み合わせることにより、点状に集光する方法が最近提案されている。

一方、（Ｅ）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、コア層のＸ線領域での屈折率をＮ₁、コア層を覆うクラッド層の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７参照）。
２Ｄｓｉｎ（φ）＝ｍλ（ｍ＝０，１，２，・・・） ・・・（１）

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程度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。

しかし、Ｘ線導波路を利用する手法の場合、コアの厚み方向に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の面内方向に対してＸ線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線は水平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。

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（非特許文献８参照）。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。

このような技術的困難を克服するために、発明者は、Ｘ線領域における屈折率がＮ₁であるコア薄膜層の上下を、屈折率Ｎ₂であるクラッド薄膜層で挟み、屈折率Ｎ₁とＮ₂の間に（Ｎ₁の実数部分）＜（Ｎ₂の実数部分）の関係があるＸ線導波路を用いて、導波路の一部にＸ線を透過しない遮蔽層により構成されたフレネルゾーンプレートを組み込むことにより垂直方向および水平方向に対するナノメーターレベルで集光されたＸ線マイクロビームの形成を可能とするＸ線集光レンズを提案した（特願２００６−１７２４５０）。

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 津坂他，「Formation of Parallel X-Ray Microbeam and Its Application」，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.39，2000，p.635-637 E.Spiller，「Soft X-ray Optics」，The international Society for Optical Engineering，p.81-97 H.C.Kang，J.Maser，G.B.Stephenson，C.Liu，R.Conley，A.T.Macrander，and S.Vogt，「Nanometer Linear Focusing of Hard X Rays by a Multilayer Laue Lens」，Phys.Rev.Lett.，96，127401，2006 河合潤，「Ｘ線進行波」，表面科学，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６，ｐ．３９７−４０３，２００１年 久保田広，「波動光学」，岩波書店，ｐ．３０５，１９７１年 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 青木貞雄他，「放射光実験の基礎 III．Ｘ線マイクロビームとその応用」，ＰＦ懇談会，ｐ．６８−８６，１９９７年

特願２００６−１７２４５０で提案したＸ線集光レンズでは、１次元のゾーンプレート部に遮蔽層を用いるため、入射Ｘ線が遮蔽層で吸収され、集光効率が良くないという問題点があった。

本発明は、この課題を解決するためのものであり、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高効率で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。

本発明は、Ｘ線の屈折率がＮ₁のコア層の上下をＸ線の屈折率がＮ₂の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線が透過する材料からなる屈折率がＮ₃（Ｎ₁の実数部分＜Ｎ₃の実数部分＜Ｎ₂の実数部分）の位相シフター層を有し、前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹとしたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ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、前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔは、ｔ＝λ／｛２×（Ｎ₃−Ｎ₁）｝であることを特徴とするものである。

また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記位相シフター層は、Ｘ線集光レンズの焦点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、前記クラッド層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記コア層は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記位相シフター層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料、あるいはＣ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなるものである。

また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例は、さらに、前記位相シフター層を含むＸ線導波路の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造を備え、前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ₁としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｎλｆ₁）^1/2の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ₁｝^1/2の位置との間の第３の領域、この第３の領域を除く第４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、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の出口側の端面から前記Ｘ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌの位置にあり、前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ₁との間にｆ＝ｆ₁＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記軽元素層は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料からなるものである。

本発明によれば、Ｘ線導波路に位相シフター層を設けることにより、コア層の厚み方向についてはＸ線導波路構造を用いて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線導波路構造に遮蔽層を用いる従来のＸ線集光レンズに比べて、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上約４倍に高くすることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。

また、本発明では、Ｘ線集光レンズの焦点からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流の領域に位相シフター層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。

また、本発明では、Ｘ線導波路構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。

また、本発明では、積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面が、位相シフター層の出口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌの位置になるようにし、Ｘ線導波路の焦点距離ｆと積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ₁との間にｆ＝ｆ₁＋Ｌの関係が成り立つようにすることにより、Ｘ線集光レンズから離れた位置にＸ線を集光することが容易になり、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。

［第１の実施の形態］
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）は本発明の第１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線位相シフター層と、Ｘ線集光レンズを透過するＸ線ビームと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６を垂直方向に集光するためのＸ線導波路部７と、Ｘ線ビーム６を水平方向に集光するためのＸ線ゾーンプレート部８およびＸ線集光部９とから構成される。図１において、１はシリコン基板、２はシリコン基板１の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、３は下部ルテニウム層２の上に形成されたコア層であるカーボン層、４はカーボン層３の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、５は下部ルテニウム層２とカーボン層３と上部ルテニウム層４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銀材料からなるＸ線位相シフター層である。

ここで、Ｘ線導波路構造のコア層のＸ線領域での屈折率をＮ₁、クラッド層のＸ線領域での屈折率をＮ₂、位相シフター層の屈折率をＮ₃とすると、屈折率Ｎ₁とＮ₂とＮ₃の間には、（Ｎ₁の実数部分）＜（Ｎ₃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２及び上部ルテニウム層４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３の厚さを１０ナノメートル、Ｘ線が透過するＸ線位相シフター層５のビーム進行方向の長さｔを３．６μｍとしている。また、入射Ｘ線の波長λを０．１５４ナノメートルとしている。下部ルテニウム層２、カーボン層３、上部ルテニウム層４およびＸ線位相シフター層５の屈折率は、Ｘ線の波長λと各層の密度から求めることができる（非特許文献８参照）。ルテニウム、カーボン、銀の密度は、それぞれ１２．４、３．５、１０．５ｇ／ｃｍ³である。

Ｘ線集光レンズのＸ線位相シフター層５は、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線集光レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビームの中心（図１（Ａ）のＩ−Ｉ線）からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＹに沿った距離がＹ_2n（ｎは０，１，２，・・・）の位置とＹ_2n+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１０からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流に配置される。Ｘ線位相シフター層５のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｙ_2n，Ｙ_2n+1は以下の式で求められる。
Ｙ_2n＝（２ｎλｆ）^1/2 ・・・（２）
Ｙ_2n+1＝｛（２ｎ＋１）λｆ｝^1/2 ・・・（３）

Ｘ線位相シフター層５をＹ_2n（ｎは０，１，２，・・・）とＹ_2n+1との間の第１の領域に設ける場合を図２に示す。なお、図２においても、上部ルテニウム層４の下にあるＸ線位相シフター層５を透視しているものとする。Ｘ線位相シフター層５をＹ_2nとＹ_2n+1との間を除く第２の領域に設ける場合は、図２の黒地の領域の間にＸ線位相シフター層５を配置すればよい。

Ｘ線ゾーンプレート部８でＸ線を効率良く集光するためには、Ｘ線位相シフター層５を透過するＸ線が存在しなくなるまでＸ線位相シフター層５を長くするか、あるいは透過したＸ線を焦点（Ｘ線導波路出口１０）で位相を揃えて干渉させる必要がある。本実施の形態では、Ｘ線を焦点で位相を揃えて干渉させる手法を採用する。このため、本実施の形態では、カーボン層３の密度３．５ｇ／ｃｍ₃、Ｘ線位相シフター層５の密度１０．５ｇ／ｃｍ³から見積もることにより、Ｘ線ゾーンプレート部８（Ｘ線位相シフター層５）のビーム進行方向の長さｔを、ｔ＝λ／｛２×（Ｎ₃−Ｎ₁）｝の関係式により、３．６ミクロンとしている。

この見積もりでは、近似式としてｔ＝λ／｛２×（Ｎ₃−Ｎ₁）｝＝λ／｛２×（δ₃−δ₁）｝、δ＝１．３×１０^-6ρλ²の関係式を用いた（非特許文献８参照）。ここで、ρは物質の密度である。このような長さｔ＝３．６ミクロンの銀からなるＸ線位相シフター層５を設けると、一次回折光に対して隣接ゾーンの位相差がπとなり、Ｘ線の位相を揃えることができる。

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１の上に下部ルテニウム層２を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層２の上に銀を蒸着後、電子ビームリソグラフィ等の方法により加工して、Ｘ線位相シフター層５を形成する。続いて、下部ルテニウム層２の上にカーボン層３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３の厚さは、Ｘ線位相シフター層５の厚さ以下となるようにする。最後に、カーボン層３とＸ線位相シフター層５の上に上部ルテニウム層４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。

こうして作製したＸ線集光レンズにＸ線ビーム６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７を透過したＸ線は、次にＸ線ゾーンプレート部８に入射する。このとき、Ｘ線の一部はＸ線位相シフター層５によって位相変調され、奇数ゾーン（Ｘ線位相シフター層５が存在するゾーン）を透過するＸ線は偶数ゾーン（Ｘ線位相シフター層５が存在せずカーボン層３が存在するゾーン）を透過するＸ線に対して位相がπだけシフトして、Ｘ線集光部９に到達する。

シリコン基板１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（図１（Ｂ）の上下方向）のＸ線ビームのサイズはＸ線導波路部７の場合と同様に約１０ナノメートル程度となる。

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８を出たＸ線は一次元の球面波としてＸ線集光部９の中を進行する。前述のとおり、Ｘ線ゾーンプレート部８のＸ線位相シフター層５が存在しないゾーンを透過したＸ線とこのゾーンに隣接するＸ線位相シフター層５を透過したＸ線との間には位相差πが存在する。このため、Ｘ線集光部９の中を進行するＸ線は、同位相で干渉して水平方向（図１（Ａ）の上下方向）に集光され、Ｘ線集光部９のＸ線導波路出口１０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線位相シフター層５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線導波路出口１０において、垂直方向のビームサイズは約１０ナノメートルとなる。また、Ｘ線位相シフター層５の幅の最小値は約８ナノメートルであるから、水平方向ビームサイズは約１０ナノメートルとなる。

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線ビームの点状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高度な構造評価が可能になる。本実施の形態では、Ｘ線導波路構造に遮蔽層を用いる従来のＸ線集光レンズ（特願２００６−１７２４５０）に比べて、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上約４倍に高くすることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。

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さらにミラー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。

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線位相シフター層５をＸ線導波路のコア層中に設けているが、コア層の外に設けてもよい。この場合には、Ｘ線導波路出口１０から焦点距離ｆだけ上流にＸ線位相シフター層５を設けるようにすればよい。

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。

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線位相シフター層５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あ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。

また、本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５の材料に銀を用いているが、タングステン、ルテニム、タンタル、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、バリウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、鉛、タリウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のうち少なくとも１つを含む材料、あるいはカーボン、シリコン、ベリリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジム、クロム、マンガン、テルル、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２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３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図３（Ａ）では、Ｘ線位相シフター層５と、Ｘ線導波路レンズ構造及び積層型フレネルゾーンプレート構造を透過するＸ線ビームと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線導波路部７とＸ線ゾーンプレート部８とＸ線集光部９とからなるＸ線導波路レンズ構造と、１次元型のフレネルゾーンプレートと呼ばれる積層型フレネルゾーンプレート構造１３とを同一基板上に形成したものである。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹとしている。

Ｘ線導波路レンズ構造は第１の実施の形態と同様の構成なので、説明は省略する。ただし、第１の実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５がＸ線導波路出口１０からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流に配置されたのに対し、本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５がＸ線集光レンズの焦点１５から焦点距離ｆだけ上流に配置される。

積層型フレネルゾーンプレート構造１３は、Ｘ線がほとんど透過しない重元素層１１とＸ線が透過する軽元素層１２とを交互に積層した構造である。
重元素層１１は、集光レンズとしての焦点距離をｆ₁としたとき、Ｘ線ビームの中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＺに沿った距離がＺ_2n（ｎは０，１，２，・・・）の位置とＺ_2n+1の位置との間の第３の領域、この第３の領域を除く第４の領域のうちのいずれかに配置され、かつＸ線集光レンズの焦点１５からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って焦点距離ｆ₁だけ上流に配置される。重元素層１１のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｚ_2n，Ｚ_2n+1は以下の式で求められる。
Ｚ_2n＝（２ｎλｆ₁）^1/2 ・・・（４）
Ｚ_2n+1＝｛（２ｎ＋１）λｆ₁｝^1/2 ・・・（５）

重元素層１１をＺ_2n（ｎは０，１，２，・・・）とＺ_2n+1との間の第３の領域に設ける場合を図４に示す。重元素層１１をＺ_2nとＺ_2n+1との間を除く第４の領域に設ける場合は、図４の黒地の領域の間に重元素層１１を配置し、図４の黒地の領域に軽元素層１２を配置すればよい。

Ｘ線導波路部７とＸ線ゾーンプレート部８とＸ線集光部９とからなるＸ線導波路レンズ構造の作製方法は、第１の実施の形態とほぼ同じであるが、本実施の形態では、シリコン基板１にエッチングによりメサ構造を形成し、マスクを用いてメサ構造の上にのみ下部ルテニウム層２を形成する。以後の工程は第１の実施の形態で説明したとおりである。

次に、本実施の形態の積層型フレネルゾーンプレート構造１３の作製方法を説明する。Ｘ線位相シフター層５の出口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌの位置が積層型フレネルゾーンプレート構造１３の出口側の端面となるように、タングステンからなる重元素層１１とタングステンシリサイドからなる軽元素層１２とを交互に例えばスパッタによって形成する。本実施の形態では、重元素層１１を式（４）に示したＺ_2nと式（５）に示したＺ_2n+1との間の第３の領域に設けている。このとき、Ｘ線導波路レンズ構造から入射するＸ線ビームのＡＺ方向の中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）の位置が、中央の重元素層１１の中心と一致するように配置する。これで、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。

こうして作製したＸ線集光レンズにＸ線ビーム６を図３（Ａ）、図３（Ｂ）の左側から入射させた場合、Ｘ線導波路レンズ構造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線導波路レンズ構造の長さと積層型フレネルゾーンプレート構造１３の長さをそれぞれ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線導波路レンズ構造を透過する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１に垂直な方向（図３（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。

Ｘ線導波路部７とＸ線ゾーンプレート部８とＸ線集光部９とからなるＸ線導波路レンズ構造によるＸ線の集光原理は第１の実施の形態で説明したとおりである。第１の実施の形態と異なる点は、水平方向の集光位置が図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示したＸ線導波路出口１０から焦点１５に変わったことである。

Ｘ線導波路レンズ構造の出口１４におけるＸ線ビームの垂直方向のサイズは約１０ナノメートル程度となる。出口１４から出射するＸ線ビームは、垂直方向に入射角の２倍の発散角をもって出射する。このＸ線ビームは、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造１３により再び集光する。

一方、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部８から出たＸ線は一次元の球面波としてＸ線集光部９と積層型フレネルゾーンプレート構造１３の中を進行する。この結果、Ｘ線集光部９と積層型フレネルゾーンプレート構造１３の中を進行するＸ線は、干渉効果によって水平方向（図３（Ａ）の上下方向）に集光される。

したがって、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部８及びＸ線集光部９による焦点１５の位置と積層型フレネルゾーンプレート構造１３による集光位置とを一致させるようにすれば、Ｘ線集光レンズと焦点１５との間に距離をとることができる。
第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、Ｘ線がＸ線導波路の端面で集光されるため、立体構造を持つ試料の測定では、試料の形状によっては微小部分の調整が困難である。すなわち、第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、仮に試料をＸ線導波路の端面から離れた場所に置いた場合、導波路から出射したＸ線はその進行方向に対して垂直な方向について再び発散光となり試料に照射されるため、Ｘ線集光レンズで集光したナノビームの特性を有効に利用することができない。

これに対して、本実施の形態では、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。これにより、本実施の形態では、試料測定時における位置合わせの自由度を高めることができる。

なお、本実施の形態では、重元素層１１の材料としてタングステンを用いているが、重元素層１１の材料は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、軽元素層１２の材料としてタングステンシリサイドを用いているが、軽元素層１２の材料は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも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。

本発明は、Ｘ線集光装置に適用することができる。

本発明の第１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。 本発明の第１の実施の形態におけるＸ線位相シフター層の位置を説明するための平面図である。 本発明の第２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。 本発明の第２の実施の形態における積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層の位置を説明するための断面図である。

符号の説明

１…シリコン基板、２…下部ルテニウム層、３…カーボン層、４…上部ルテニウム層、５…Ｘ線位相シフター層、６…Ｘ線ビーム、７…Ｘ線導波路部、８…Ｘ線ゾーンプレート部、９…Ｘ線集光部、１０…Ｘ線導波路出口、１１…重元素層、１２…軽元素層、１３…積層型フレネルゾーンプレート構造、１４…Ｘ線導波路レンズ構造の出口、１５…Ｘ線集光レンズの焦点。

Claims (6)

1. Ｘ線の屈折率がＮ₁のコア層の上下をＸ線の屈折率がＮ₂の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線が透過する材料からなる屈折率がＮ₃（Ｎ₁の実数部分＜Ｎ₃の実数部分＜Ｎ₂の実数部分）の位相シフター層を有し、
   前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹとしたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ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、
   前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔは、ｔ＝λ／｛２×（Ｎ₃−Ｎ₁）｝であることを特徴とするＸ線集光レンズ。
2. 請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
   前記位相シフター層は、Ｘ線集光レンズの焦点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。
3. 請求項１又は２記載のＸ線導波路レンズにおいて、
   前記クラッド層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
   前記コア層は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなり、
   前記位相シフター層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料、あるいはＣ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも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。
4. 請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
   さらに、前記位相シフター層を含むＸ線導波路の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造を備え、
   前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ₁としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｎλｆ₁）^1/2の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ₁｝^1/2の位置との間の第３の領域、この第３の領域を除く第４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。
5. 請求項４記載のＸ線集光レンズにおいて、
   前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の出口側の端面から前記Ｘ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌの位置にあり、
   前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ₁との間にｆ＝ｆ₁＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするＸ線集光レンズ。
6. 請求項４又は５記載のＸ線集光レンズにおいて、
   前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
   前記軽元素層は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも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。

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