JP2010197345A - Ｘ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
ナイフエッジを用いて回折Ｘ線と透過Ｘ線を利用して高精度なＸ線ビームプロファイルの計測を行うことができる暗視野計測法において、一つのナイフエッジを用いて異なる波長のＸ線の計測に対応でき、またＸ線ビームの焦点深度やその他の計測装置の条件に応じて最適な計測を行うことが可能なＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】
ナイフエッジ４は、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で長手方向に厚さを連続的又は段階的に変化させて作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定する。
【選択図】 図１
ナイフエッジを用いて回折Ｘ線と透過Ｘ線を利用して高精度なＸ線ビームプロファイルの計測を行うことができる暗視野計測法において、一つのナイフエッジを用いて異なる波長のＸ線の計測に対応でき、またＸ線ビームの焦点深度やその他の計測装置の条件に応じて最適な計測を行うことが可能なＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置を提供する。
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【選択図】 図１
Description
本発明は、Ｘ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置に係わり、更に詳しくは軟Ｘ線から硬Ｘ線領域のＸ線ビームの強度分布をｎｍオーダーの空間分解能で測定することが可能なＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置に関する。
SPring-8に代表される第三世代放射光施設において軟Ｘ線から硬Ｘ線までの様々な波長領域において、高輝度、低エミッタンス、高コヒーレンスという特徴を持つＸ線を利用することができるようになった。このことは蛍光Ｘ線分析や光電子分光、Ｘ線回折等の様々な分析の感度や空間分解能を飛躍的に向上させた。このような放射光を利用したＸ線解析やＸ線顕微法は高感度、高分解能であるだけでなく非破壊で観察が可能であるため、現在、医学、生物、材料学等の分野で利用されつつある。
放射光施設において、Ｘ線を用いた様々な分析技術に高い空間分解能を付加するためには、高度に集光されたＸ線ナノビームが必要となる。既に、本発明者らのグループは、Ｋ−Ｂ（Kirkpatrick and Baez）ミラーからなる集光光学系により、波長が０．６ÅのＸ線をスポット径が１００ｎｍ以下になるように集光することに成功している。これは、独自に開発したミラーの高精度加工技術と高精度形状測定技術によるとことが大きい。この加工技術とは、数値制御ＥＥＭ（Elastic
emission machining）であり、加工面に沿って微粒子を混合した超純水の高剪断流を形成し、一種の化学反応によって微粒子が表面原子と結合し、微粒子の移動とともに表面原子が除去される加工原理である。また、形状測定技術とは、MSI(Microstitching
Interferometry)とRADSI(Relative Angle Determinable Stitching Interferometry)であり、小面積を高精度に形状測定可能な干渉計の部分形状データをつなぎ合わせて全体形状を得るという測定原理で、Ｘ線ミラーの形状を全空間波長領域でＰＶ値：１ｎｍ以下の測定再現性をもって高精度に計測することが可能である。これらの技術を用いて、２ｎｍ(ＰＶ値)の精度を持つＸ線集光ミラーを作製し、SPring-8の硬Ｘ線をSub-３０ｎｍレベルの回折限界集光に成功している。
emission machining）であり、加工面に沿って微粒子を混合した超純水の高剪断流を形成し、一種の化学反応によって微粒子が表面原子と結合し、微粒子の移動とともに表面原子が除去される加工原理である。また、形状測定技術とは、MSI(Microstitching
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我々は、世界最高の超高分解能走査型Ｘ線顕微鏡及び超高分解能Ｘ線マイクロＣＴを実現するために、Sub-１０ｎｍ集光の実現を目指している。この場合、Ｘ線ミラーに求められる形状精度が非常に厳しく、中・長周期空間波長で形状誤差がＰ-Ｖ１ｎｍ以下であること、設計形状が深いカーブを持っていること、そして深いＸ線入射角を確保するためにミラー表面への多層膜形成が不可欠なことなどが挙げられる。そのため、Ｘ線ミラーの理想面に対する位相誤差を、干渉計等によるオフライン計測により求めるのは非常に困難である。そこで、本発明者らは、集光面におけるＸ線強度プロファイル情報のみから位相回復計算によってミラー面位相誤差を算出するAt-wavelength形状計測法を提案し、それに基づいて集光光学系の位相誤差を補正し、焦点面での波面の乱れを修正するＸ線集光方法を提案している（特願２００６-３５７５６６号）。位相回復法によってＸ線ミラーの位相誤差を精確に算出するには、精確なＸ線集光強度プロファイルの取得が不可欠である。
従来、Ｘ線ビームの強度プロファイルを測定するには、特許文献１に記載されているように、Ｘ線ビームをナイフエッジやワイヤーで少しずつ遮蔽していきながら、ビーム強度の変化を測定する方法がとられている。図１４にワイヤースキャン法による測定光学系を示している。この光学系では、入射Ｘ線１００はスリット１０１を通して所定幅に制限し、そしてイオンチャンバー１０２を通り、Ｘ線ミラー１０３の表面で反射し集光される。集光面において、Ｘ線ビームの直径よりも十分に大きな直径２００μｍのＡｕワイヤー１０４をミラー表面に対して垂直にピエゾステージにより走査することで集光ビームを徐々に遮り、この間の焦点の後方におけるＸ線の強度変化を、スリット１０５を通してＸ線検出器１０６により測定する。ここで、Ｘ線検出器１０６には、感度が良く、出力応答も速いアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)が使用される。前記Ｘ線検出器１０６で測定したＸ線強度は、イオンチャンバー１０２で測定された入射Ｘ線強度により規格化する。また、前記スリット１０５は、ワイヤー１０４のビームに対する傾きが集光強度プロファイル計測に与える影響を排除するために設けている。図１５（ａ）は、Ｘ線検出器１０６で測定されたＸ線強度プロファイルの変化を示し、これをワイヤー位置について微分することにより図１５（ｂ）の集光強度プロファイルが得られる。
しかし、ワイヤースキャン法の問題点として、幾何学的にシャープかつＸ線が透過しないような十分な厚さのナイフエッジを作製するのが困難であることと、微分する際に強度計測時におけるノイズが強調されることの２点が挙げられる。また、位相回復法によってＸ線ミラーの位相誤差を精確に算出する場合には、Ｘ線強度プロファイルの裾野の広い領域にわたって精確な情報が必要であるが、従来のワイヤースキャン法ではこの領域の信頼性は低い。
そこで、本発明者らは、ワイヤースキャン法のバックグラウンドノイズと微分によってノイズが強調される問題点を克服し、より高精度なＸ線ビームプロファイル計測を行うことが可能なＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置を提供すべく、Ｘ線ビームを横切るようにナイフエッジを走査するとともに、該ナイフエッジの背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器でＸ線強度を測定する暗視野計測法を用い、Ｘ線ビームの断面におけるＸ線強度分布を測定するＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法であって、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さに設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定する方法を提案している。
しかしながら、前述の本発明者らの提案の測定方法では、特定の波長のＸ線に対して理論的に最適な厚さのナイフエッジを用いるので、Ｘ線の波長が異なれば異なる厚さのナイフエッジを用いなければならず、交換作業が煩雑であるばかりでなく、高価なナイフエッジを多数用意しなければならず、不経済である。更に、ナイフエッジの厚さを理論的に最適な値に選んでも、Ｘ線ビームの焦点深度やその他の計測装置の条件によって最適な計測とはならない可能性がある。
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、ナイフエッジを用いて回折Ｘ線と透過Ｘ線を利用して高精度なＸ線ビームプロファイルの計測を行うことができる暗視野計測法において、一つのナイフエッジを用いて異なる波長のＸ線の計測に対応でき、またＸ線ビームの焦点深度やその他の計測装置の条件に応じて最適な計測を行うことが可能なＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置を提供することにある。
本発明は、前述の課題解決のために、Ｘ線ビームを横切るようにナイフエッジを走査するとともに、該ナイフエッジの背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器でＸ線強度を測定する暗視野計測法を用い、Ｘ線ビームの断面におけるＸ線強度分布を測定するＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法であって、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で長手方向に厚さを連続的又は段階的に変化させて作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定することを特徴とするＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法を提供する（請求項１）。
更に、前記ナイフエッジは、長手方向に厚さを１μｍから５μｍに連続的又は段階的に変化させた形状であり、それを透過するＸ線の透過率が８０％〜２０％の範囲で、位相シフトが０．３λ〜０．７λ（λはＸ線の波長）になる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、前記ナイフエッジの先端で回折して該ナイフエッジの背後に回り込んだ回折Ｘ線と、ナイフエッジを透過して位相が進んだ透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定することが好ましい（請求項２）。
ここで、前記ナイフエッジの材料がＰｔ又はＡｕであることが好ましい（請求項３）。そして、前記ナイフエッジの先端部は断面形状が長方形であり、該ナイフエッジの先端面の傾斜角が１mrad以下であること（請求項４）、あるいは前記ナイフエッジの先端部は断面形状が長方形であり、該ナイフエッジの先端面とＸ線ビームの光軸とのなす角度を１mrad以下に設定すること（請求項５）がより好ましい。
更に、前記ナイフエッジを作り込んだエッジ部材を、該ナイフエッジがＸ線ビームを横切る方向と、該ナイフエッジの長手方向に沿った方向とに走査することがより好ましい（請求項６）。
また、本発明は、前述の課題解決のために、長手方向に厚さを連続的又は段階的に変化させているとともに、先端部の断面形状が長方形であり、Ｘ線ビームの光軸に対して先端面の傾斜角が１mrad以下になるように配置するナイフエッジを作り込んだエッジ部材と、該エッジ部材を保持して該ナイフエッジがＸ線ビームを横切る方向と該ナイフエッジの長手方向に沿った方向とに走査する高精度な移動ステージと、前記ナイフエッジの背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器とよりなり、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線を前記Ｘ線検出器で測定することを特徴とするＸ線ナノビーム強度分布の精密測定装置を構成した（請求項７）。
更に、前記ナイフエッジは、長手方向に厚さを１μｍから５μｍに連続的又は段階的に変化させた形状であり、それを透過するＸ線の透過率が８０％〜２０％の範囲で、位相シフトが０．３λ〜０．７λ（λはＸ線の波長）になる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、前記ナイフエッジの先端で回折して該ナイフエッジの背後に回り込んだ回折Ｘ線と、ナイフエッジを透過して位相が進んだ透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定することが好ましい（請求項８）。
また、前記Ｘ線検出器の前に、Ｘ線源に対して幾何学的暗部となる位置に開口を位置させたスリットを配置してなることがより好ましい（請求項９）。
本発明のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法及びその装置によれば、幾何学的暗部でナイフエッジの先端位置でのＸ線強度に比例した回折Ｘ線強度を直接検出し、従来のワイヤースキャン法のように微分処理する必要がないため、バックグラウンドノイズの低い計測が可能になる。更に、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さに設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定することにより、信号レベルを高めることができ、もってＳ／Ｎ比を高め、高感度、高空間分解能でＸ線強度分布を測定することができる。特に、ビームウエストの半値全幅が１００ｎｍ以下に集光したＸ線ナノビームの強度分布をｎｍオーダーの空間分解能で測定することができる。
そして、ナイフエッジのＸ線光軸方向に対する厚さを連続的又は段階的に変化させたこと、及びナイフエッジを作り込んだエッジ部材を光軸方向と直交する方向で厚さが変化する方向に走査するようにしたことにより、Ｘ線の波長に対してナイフエッジの厚さを最適にでき、またＸ線の焦点深度が浅い場合には、感度は犠牲になるが、ナイフエッジの厚さが薄い部分を使ってシャープなプロファイルを得ることができる。更に、波長が未知のＸ線に対して回折Ｘ線強度が最高になるナイフエッジの厚さを走査量から導出し、あるいはナイフエッジの厚さの変化に対する回折Ｘ線強度の変化を計測して厚さ−強度計測特性を導出し、Ｘ線の波長とナイフエッジの厚さについて回折Ｘ線強度を算出して取得した厚さ−強度計算特性との対比から未知のＸ線の波長範囲を逆算で測定することもできる。
次に添付図面に基づいて本発明の詳細を更に詳しく説明する。図１は、本発明のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法の測定光学系を示す全体配置図、図２及び図３は測定に用いたＸ線ビームの集光光学系を示している。
本実施形態では、図１に示すように、入射Ｘ線１はスリット２を通して楕円形状が作り込まれたＸ線ミラー３に斜入射して１次元集光される。そして、Ｘ線ビームの焦点面にナイフエッジ４を配置するとともに、その後方にスリット５を配置して直接のＸ線ビームを遮蔽し、ナイフエッジ４の背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器６でＸ線強度を測定するのである。前記ナイフエッジ４は、移動ステージ７に保持され、該移動ステージ７を駆動してＸ線ビームを横切るようにナイフエッジ６を走査する。本実施形態では、移動ステージ７をピエゾステージで構成し、１ｎｍの走査精度を持っている。また、移動ステージ７は、ナイフエッジ６をＸ線ビームの光軸方向に移動させたり、Ｘ線ビームに対して傾斜確度を調節できるようになっている。
ここで、前記Ｘ線検出器６には、感度が良く、出力応答も速いアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)を用いている。そして、前記Ｘ線検出器６で測定したＸ線強度を規格化するため、前記Ｘ線ミラー３の直前にイオンチャンバー８を配置し、入射Ｘ線強度を常に測定している。
本実施形態で用いたＸ線ビームは、SPring-8の１ｋｍ長尺ビームライン(ＢＬ２９ＸＵＬ)で、Ｘ線エネルギーが１５ｋｅＶ（波長λ＝０．８Å）である。Ｘ線ビームの集光光学系の特性は図２及び図３に示している。図２に示すように、Ｘ線ビームは、幅１０μｍのスリットを通して１ｋｍ進んだ先に配置したＸ線ミラーで、焦点距離１５０ｍｍの位置に集光される。このＸ線ミラーの反射面の設計形状は、図３（ａ）に示しているように、長さが１００ｍｍで、中央部の深さが約１０μｍの楕円形状である。そして、Ｘ線ミラーの反射面の形状精度は２ｎｍ（ＰＶ値）以下である。図３（ｂ）に、設計形状のＸ線ミラーで集光した理想集光プロファイルを示している。理想的なＸ線ミラーで集光した場合には、ビームウエストの半値全幅(ＦＷＨＭ)は約２５ｎｍとなる。楕円型Ｘ線集光ミラーは、楕円の幾何学的な性質を利用することにより、光源から焦点までのＸ線全光路長を一定にすることで波面を保存し、焦点において完全に位相が一致する理想集光を得るものである。
本発明のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法は、Ｘ線ビームを横切るようにナイフエッジを走査するとともに、該ナイフエッジの背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器でＸ線強度を測定する暗視野計測法を用い、Ｘ線ビームの断面におけるＸ線強度分布を測定するＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法であって、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さに設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定することを特徴とする。
本発明の測定原理を簡単に説明する。ナイフエッジの先端エッジ部を平面波からなるＸ線ビーム中に位置させると、エッジ部で球面波が発生してナイフエッジの背後にＸ線が回り込む現象（回折）が発生する。また、Ｘ線の一部は、ナイフエッジの先端エッジ部を透過する。このナイフエッジの材質が透過するＸ線の位相を進める作用を有すると、ナイフエッジの厚さに応じて透過Ｘ線の位相がシフトするとともに、透過Ｘ線の強度が減少する。そして、ナイフエッジの先端エッジ部の背後で、回折Ｘ線と透過Ｘ線が重ね合わされる。もし、透過Ｘ線の位相シフトが半波長分だけ生じ、十分な透過強度を維持していれば、回折Ｘ線と重ね合わされる際に強め合うことになる。このナイフエッジの背後に到達したＸ線は、エッジ部の位置でのＸ線ビーム強度に比例していることがシミュレーションの結果よりわかっており、このＸ線を、Ｘ線ビームに対して幾何学的暗部となる位置で強度を測定することにより、バックグラウンドノイズに影響されずに、直接Ｘ線ビームの強度プロファイルを測定できるのである。また、従来のワイヤースキャン法のように、計測値を微分する必要がないので、ノイズが強調されることもなく、ノイズの影響を最小限に抑制することができるので、高感度、高精度の測定ができる。
また、前記ナイフエッジ４を透過した透過Ｘ線を直接検出しない位置にＸ線検出器を配置し、あるいはＸ線検出器６の前に配置したスリット５でＸ線ビームを遮るようにしている。そして、Ｘ線検出器６は、可能な限りＸ線ビームの幾何学的光路から離れた位置に設置して回折Ｘ線と透過Ｘ線の強度を検出するようにする。この場合、Ｘ線検出器６の位置が３〜５ｍｍずれても、回折Ｘ線の強度は大して変化はないので、Ｘ線検出器６の位置及びスリット５の位置に対する要求精度は低い。この点に関しても、幾何学的暗部であれば回折Ｘ線強度のＸ線検出器６に対する位置依存性は非常に低いことをシミュレーションより確認している。
ここで、透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属としては、Ｐｔ又はＡｕが代表的であるが、Ｘ線の波長や焦点深度、要求される空間分解能に応じて厚さを最適に設計するために、その他の重金属を用いることも可能である。本実施形態で対象としているＸ線ビームのエネルギーは、１０〜２０ｋｅＶ（波長は１．２〜０．６Å）であるが、もっと広範囲の波長のＸ線ビームの強度分布を測定することも可能である。Ｘ線の波長が長いほど、位相シフト量が大きくなるので、より薄いナイフエッジでより空間分解能が高い測定が可能となる。更に、本発明の技術を応用して、次世代の半導体露光技術であるＥＵＶＬ(Extreme Ultra Violet Lithography)で使用する波長１３．５ｎｍの極端紫外線の強度分布を高精度に測定することができる可能性がある。
次に、前記ナイフエッジの材質をＰｔとしたときに、波長０．８ÅのＸ線を斜入射光学系によって集光した集光強度プロファイルを測定するのに最適な厚さと、先端のエッジ部の形状精度について、シミュレーションによって見積もった結果を図４及び図５に基づいて説明する。図４（ａ）に示すように、ナイフエッジの厚さを光軸方向に向けて、エッジ部をＸ線ビームの中央に位置させ、その状態を固定し、厚さを変化させたときの透過Ｘ線の強度（実線）、透過Ｘ線の位相シフト（一点鎖線）、回折Ｘ線の強度（点線）を計算した結果を図４（ｂ）に示す。ナイフエッジの厚さの増加につれて、透過Ｘ線の位相シフトは直線状に増加するのに対し、透過Ｘ線の強度は指数関数的に減少するので、透過Ｘ線の位相シフトが半波長のときに必ずしも回折Ｘ線の強度が最大にならない。実用的には、回折Ｘ線の強度が最大値の８０％程度の範囲になるようにナイフエッジの厚さを設定すれば良い。但し、ナイフエッジの厚さが薄いほど、空間分解能が高くなるので、許容範囲内でできるだけ薄くすることが好ましい。以上の結果より、本実施形態では、波長が０．８ÅのＸ線ビームに対して、厚さ２０００ｎｍ（２μｍ）のＰｔ製のナイフエッジを用いる。
また、ナイフエッジの先端エッジ部に対して要求される形状精度について、図５（ａ）に示したモデルに基づき、ｘを変化させたときの強度プロファイルを計算することにより見積もった。具体的には、厚さが２０００ｎｍで断面形状が長方形のナイフエッジの先端面に直角三角形の異形部を延長した形状で、図中のｘを０ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍと変化させることにより、端面の傾斜角度を変えたそれぞれの場合について、回折Ｘ線の強度を計算した。その結果を図５（ｂ）に示している。尚、ｘが０ｎｍ（白抜丸）の場合は、理想集光プロファイルに対応する。図５（ｂ）中に、ｘが２ｎｍの場合は菱形、ｘが５ｎｍの場合は四角形、ｘが１０ｎｍの場合は三角形でプロットしている。
この結果、ｘが２ｎｍの場合は、理想集光プロファイルに対する偏差が少なく許容できるが、ｘが５ｎｍになると偏差が大き過ぎることがわかり、ナイフエッジの先端面の傾斜角度が１mrad以下となるように作製する必要がある。また、ナイフエッジの先端部の断面形状を正確に長方形に作製しても、移動ステージ７に保持した状態で、ナイフエッジの先端面がＸ線ビームの光軸に対して傾斜しても同様に理想集光プロファイルからずれるので、前記同様に該ナイフエッジの先端面とＸ線ビームの光軸とのなす角度を１mrad以下に設定する必要がある。従って、前記移動ステージ７は、ナイフエッジ４の姿勢を任意に微調節できる構造にしている。
楕円型Ｘ線集光ミラーによる斜入射集光光学系は焦点深度が深いため、Ｘ線ビームの半値全幅と比較して、十分に厚さが厚いナイフエッジを用いても空間分解能の高い測定が可能である。つまり、Ｘ線ビームをビームウエストが１０ｎｍ程度になるように集光した場合であっても、厚さ２０００ｎｍで先端エッジ部の形状が長方形のナイフエッジを用いて、空間分解能がｎｍオーダーの精度でＸ線強度プロファイルを測定することができる。
以上の結果を総合して、本発明は、前記ナイフエッジの厚さを、それを透過するＸ線の透過率が８０％〜２０％の範囲で、位相シフトが０．３λ〜０．７λ（λはＸ線の波長）になるように設定し、前記ナイフエッジの先端で回折して該ナイフエッジの背後に回り込んだ回折Ｘ線と、ナイフエッジを透過して位相が進んだ透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定するのである。好ましくは、前記ナイフエッジの厚さを、それを透過するＸ線の透過率が８０％〜２０％の範囲で、位相シフトが０．４λ〜０．６λになるように設定する。
次に、前記ナイフエッジの製法について、図６に基づいて説明する。前述の結果より、ナイフエッジは、厚み２０００ｎｍ、高さ０．５μｍ以上、幅５０μｍの形状のＰｔ製と設定した。先ず、Ｓｉウエハを０．９ｍｍ×９ｍｍ(厚さ０．５ｍｍ)の短冊状に切ってベース１１を用意し（図６（ａ）参照）、次にベース１１の表面にＰｔを電子ビーム蒸着により２μｍの厚さに蒸着させてＰｔ層１２を形成し（図６（ｂ）参照）、最後にＦＩＢ加工により厚さ２μｍのナイフエッジ１３を切り出した（図６（ｃ）参照）。ナイフエッジ１３を作り込んだエッジ部材１０の全体形状を図７に模式的に示す。実際には、このエッジ部材１０のベース１１を前記移動ステージ７に取り付ける。
前述のスペックのナイフエッジを用いて、図１に示した測定光学系で、理想集光プロファイルが図３（ｂ）に示したＸ線ビームを焦点面でＸ線強度プロファイルを測定した結果を図８に示している。この結果、Ｘ線ビームのビームウエストにおける半値全幅は、理想集光プロファイルの２５ｎｍより若干大きくなっただけで、裾野の広い領域にわたって波動性が再現されている。従来のワイヤースキャン法で測定された図１５（ｂ）の結果と比較すれば、本発明の測定方法の優位は明白である。
図９は、焦点面（Ｙ＝０μｍ）とその前後位置（Ｙ＝±５０μｍ）で測定したＸ線ビーム強度分布のグラフである。このように、本発明の測定方法は、焦点面のみならず、焦点面から離れた位置のＸ線強度分布も精確に測定することができ、単にスポット径だけではなく、ビームウエストの微細構造を解析し、集光の質の向上にもつなげることができる。また、ナイフエッジでＸ線ビームを複数の方向から走査してＸ線強度プロファイルを測定し、それらを合成して立体的な強度プロファイルを求めることも可能である。
Ｘ線ミラーの形状誤差や多層膜の厚み誤差の影響によって、Ｘ線を反射する際に波面が乱れる。その影響は形状誤差の大きさ、空間波長によって焦点面での実際に測定したＸ線ビームの強度プロファイルに異なった影響を及ぼす。またこの際、形の乱された集光プロファイルは、Ｘ線ミラーの形状誤差の情報を含んだものであると考えられる。従って、焦点面又は焦点面近傍のＸ線強度プロファイルから、位相回復法によって、Ｘ線ミラーの位相誤差を算出することができる（特願２００６-３５７５６６号参照）。Ｘ線ミラーの形状誤差の影響は、焦点面若しくは焦点面近傍で計測したＸ線ビームのＸ線強度プロファイルの裾野の広い領域にわたって現れるので、Ｘ線強度プロファイルを裾野の広い領域にわたって精確に測定することは、Ｘ線ミラーの形状誤差を精確に算出する上で重要な意味を持つのである。
図８に示したＸ線ビームの強度プロファイルの測定結果を用いて、位相回復法によって計算したＸ線ミラーの形状誤差を図１０に太い実線（低周期のもの）で示す。また、図１０には、併せて干渉計によってオフライン計測した結果を細い実線（高周期のもの）で示している。両者は非常に良い一致を示し、本発明の測定方法の有効性、信頼性が実証された。しかし、ナイフエッジの厚さを理論的に最適な値に選んでも、Ｘ線ビームの焦点深度やその他の計測装置の条件によって最適な計測とはならない可能性がある。
そこで、図１１〜図１３に示すように、長手方向に厚さが連続的又は段階的に変化したナイフエッジを用いてＸ線ナノビーム強度分布を精確に測定することが可能な精密測定方法及びその装置を提案する。本実施形態で用いるエッジ部材１０は、図１１に示すように、長手方向に厚さが連続的に変化したナイフエッジ１４を作り込んだものである。このナイフエッジ１４は、長さを２００μｍとし、最小厚さを１μｍ、最大厚さを５μｍとし、その間の厚みを直線的に変化させた形状である。ここで、ナイフエッジ１４の長さが２００μｍ程度あれば、Ｘ線ビームの直径（ＦＷＨＭ）が１００ｎｍ以下であれば、そのビーム径の範囲ではナイフエッジ１４の厚さが略均一であると見なすことができ、Ｘ線強度プロファイルの測定に支障にならない。また、ナイフエッジ１４の最小厚さが１μｍよりも薄いと十分な位相シフト量が得られず、また機械的強度が弱くなるので扱いが難しくなる。一方、ナイフエッジ１４の最大厚さが５μｍより厚いと、Ｘ線の透過減衰が大きくなり過ぎて、透過Ｘ線を利用する本発明の測定原理を活用できなくなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
図１２は、長手方向に厚さを変化させたナイフエッジ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄの各種形状を示している。図１２（ａ）のナイフエッジ１４Ａは、図１１に示したものと同じであるが、中心線に対して対称に両側に傾斜面１５，１５を形成したテーパー状の両側傾斜タイプであり、長手方向に沿って厚さを連続的に変化させたものである。ここで、前記傾斜面１５は、Ｘ線の光軸と直交する平面に対して傾斜していることを意味している。図１２（ｂ）のナイフエッジ１４Ｂは、一側面に傾斜面１５を形成し、他側面に直交面１６を形成した片側傾斜タイプであり、長手方向に沿って厚さを連続的に変化させたものである。ここで、前記直交面１６は、Ｘ線の光軸と直交する平面を意味する。図１２（ｃ）のナイフエッジ１４Ｃは、中心線に対して対称に両側に階段面１７，１７を形成した両側階段タイプであり、長手方向に沿って厚さを段階的に変化させたものである。図１２（ｄ）のナイフエッジ１４Ｄは、一側面に階段面１７を形成し、他側面に直交面１６を形成した片側階段タイプであり、長手方向に沿って厚さを段階的に変化させたものである。何れのタイプの場合も、ナイフエッジ１４の厚さを１μｍから５μｍまで変化させている。尚、階段タイプは、各階段面１７はＸ線の光軸と直交する平面で構成されている。尚、前記ナイフエッジ１４の最も厚さが薄い位置を中心におき、その両側に対称に厚みを増していく形状でも良い。
そして、前述の長手方向に厚さが連続的又は段階的に変化したナイフエッジ１４を作り込んだエッジ部材１０を前記移動ステージ７に固定する。図１３に示すように、前記移動ステージ７は、Ｘ線の光軸に直交する２方向（Ｖ方向とＨ方向）にｎｍオーダーの精度で走査できるようになっている。ここで、Ｖ方向は、前記エッジ部材１０のベース１１を水平に配置したときの垂直方向に対応し、ナイフエッジ１４の幅方向である。また、Ｈ方向は、同じく前記エッジ部材１０のベース１１を水平に配置したときの水平方向に対応し、前記ナイフエッジ１４の長手方向である。そして、Ｘ線強度プロファイルを測定するには、先ず、Ｘ線の波長が既知の場合には、前記エッジ部材１０をＨ方向に走査してＸ線ビームが横切る部分の前記ナイフエッジ１４の厚さが、理論的に最適な値になるように設定する。ここで、前記ナイフエッジ１４の厚さと、Ｈ方向の座標とは１対１に対応するので、Ｈ方向の座標をモニターすることによって、ナイフエッジ１４の厚さを設定できる。それから、前述のように前記ナイフエッジ１４がＸ線ビームを横切るようにエッジ部材１０をＶ方向に走査して、Ｘ線強度プロファイルの計測を行うのである。
また、Ｘ線ビームの一部が前記ナイフエッジ１４の先端部に当っている状態で、エッジ部材１０をＨ方向へ走査し、ナイフエッジ１４の厚さに対する回折Ｘ線強度を計測し、図４（ｂ）に示したような厚さ−強度計測特性Ｍを取得した後、その強度が最大になるナイフエッジ１４の厚さを特定し、再度その厚さの位置になるようにＨ方向へ走査し、その厚さ位置でＶ方向への走査を行うことにより、Ｘ線強度プロファイルを最大感度で計測することができる。また、Ｘ線の波長が未知であっても、前述の厚さ−強度計測特性Ｍと、Ｘ線の波長とナイフエッジの厚さについて回折Ｘ線強度を算出して取得した厚さ−強度計算特性Ｓとの対比から未知のＸ線の波長範囲を逆算で計測することができる。尚、予めＸ線測定装置のメモリーに、多数のＸ線の波長に対する厚さ−強度計算特性Ｓのテーブルデータを格納しておくことにより、前述のＨ方向へ走査した際のデータ処理が迅速に行うことができ、リアルタイムでのＸ線強度プロファイルの計測に適したものとなる。
１ 入射Ｘ線
２ スリット
３ Ｘ線ミラー
４ ナイフエッジ
５ スリット
６ Ｘ線検出器
７ 移動ステージ
８ イオンチャンバー
１０ エッジ部材
１１ ベース
１２ Ｐｔ層
１３ ナイフエッジ
１４、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ ナイフエッジ
１００ 入射Ｘ線
１０１ スリット
１０２ イオンチャンバー
１０３ Ｘ線ミラー
１０４ Ａｕワイヤー
１０５ スリット
１０６ Ｘ線検出器
２ スリット
３ Ｘ線ミラー
４ ナイフエッジ
５ スリット
６ Ｘ線検出器
７ 移動ステージ
８ イオンチャンバー
１０ エッジ部材
１１ ベース
１２ Ｐｔ層
１３ ナイフエッジ
１４、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ ナイフエッジ
１００ 入射Ｘ線
１０１ スリット
１０２ イオンチャンバー
１０３ Ｘ線ミラー
１０４ Ａｕワイヤー
１０５ スリット
１０６ Ｘ線検出器
Claims (9)
- Ｘ線ビームを横切るようにナイフエッジを走査するとともに、該ナイフエッジの背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器でＸ線強度を測定する暗視野計測法を用い、Ｘ線ビームの断面におけるＸ線強度分布を測定するＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法であって、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で長手方向に厚さを連続的又は段階的に変化させて作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定することを特徴とするＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法。
- 前記ナイフエッジは、長手方向に厚さを１μｍから５μｍに連続的又は段階的に変化させた形状であり、それを透過するＸ線の透過率が８０％〜２０％の範囲で、位相シフトが０．３λ〜０．７λ（λはＸ線の波長）になる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、前記ナイフエッジの先端で回折して該ナイフエッジの背後に回り込んだ回折Ｘ線と、ナイフエッジを透過して位相が進んだ透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定する請求項１記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法。
- 前記ナイフエッジの材料がＰｔ又はＡｕである請求項１又は２記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法。
- 前記ナイフエッジの先端部は断面形状が長方形であり、該ナイフエッジの先端面の傾斜角が１mrad以下である請求項１〜３何れかに記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法。
- 前記ナイフエッジの先端部は断面形状が長方形であり、該ナイフエッジの先端面とＸ線ビームの光軸とのなす角度を１mrad以下に設定する請求項１〜４何れかに記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法。
- 前記ナイフエッジを作り込んだエッジ部材を、該ナイフエッジがＸ線ビームを横切る方向と、該ナイフエッジの長手方向に沿った方向とに走査する請求項１〜５何れかに記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定方法。
- 長手方向に厚さを連続的又は段階的に変化させているとともに、先端部の断面形状が長方形であり、Ｘ線ビームの光軸に対して先端面の傾斜角が１mrad以下になるように配置するナイフエッジを作り込んだエッジ部材と、該エッジ部材を保持して該ナイフエッジがＸ線ビームを横切る方向と該ナイフエッジの長手方向に沿った方向とに走査する高精度な移動ステージと、前記ナイフエッジの背後でＸ線源に対して幾何学的暗部となる位置に配置したＸ線検出器とよりなり、前記ナイフエッジは、それを透過するＸ線の位相を進める作用を有する重金属で作製するとともに、透過Ｘ線と該ナイフエッジの先端で回折した回折Ｘ線とが強め合う範囲の位相シフトが得られる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、回折Ｘ線と透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線を前記Ｘ線検出器で測定することを特徴とするＸ線ナノビーム強度分布の精密測定装置。
- 前記ナイフエッジは、長手方向に厚さを１μｍから５μｍに連続的又は段階的に変化させた形状であり、それを透過するＸ線の透過率が８０％〜２０％の範囲で、位相シフトが０．３λ〜０．７λ（λはＸ線の波長）になる厚さ位置でＸ線ビームを横切るように設定し、前記ナイフエッジの先端で回折して該ナイフエッジの背後に回り込んだ回折Ｘ線と、ナイフエッジを透過して位相が進んだ透過Ｘ線とが重ね合わさったＸ線をＸ線検出器で測定する請求項７記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定装置。
- 前記Ｘ線検出器の前に、Ｘ線源に対して幾何学的暗部となる位置に開口を位置させたスリットを配置してなる請求項７又は８記載のＸ線ナノビーム強度分布の精密測定装置。
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