JP2010256305A - X-ray spatial modulator and x-ray exposure apparatus - Google Patents

X-ray spatial modulator and x-ray exposure apparatus Download PDF

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史郎 佐藤
Nobuhiko Funabashi
信彦 船橋
Kenichi Aoshima
賢一 青島
Kenji Machida
賢司 町田
Yasuyoshi Miyamoto
泰敬 宮本
Kiichi Kawamura
紀一 河村
Atsushi Kuga
淳 久我
Naoki Shimizu
直樹 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an X-ray spatial modulator which achieves minute strength modulation in a two-dimensional space of an X-ray beam by electric manipulation. <P>SOLUTION: The X-ray spatial modulator 1 includes an X-ray modulation means 10 where spin injection magnetization reversal elements (hereinafter, the "ELEMENTS") 5 whose magnetization directions are reversed by spin injection are arranged two-dimensionally, an element selection means 11 for selecting the ELEMENTS 5 reversing their magnetization direction among the two-dimensionally arranged ELEMENTS 5 and a magnetization reversal current injection means 12 for reversing the magnetization direction of the ELEMENTS 5 by injecting a magnetization reversal current for conducting magnetization reversal into the ELEMENTS 5 selected by the element selection means 11. The X-ray spatial modulator 1 modulates the strength distribution in a two-dimensional space of a monochrome circularly-polarized X-ray beam B2 incident into the ELEMENTS 5 and permeating the ELEMENTS 5 through the variation of the absorption ratio of the ELEMENTS 5 to the monochrome circularly-polarized X-ray beam B2 by controlling the magnetization direction of each of the ELEMENTS 5 with the element selection means 11. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、スピン注入型磁化反転素子を用いたX線空間変調装置及びX線露光装置に関する。   The present invention relates to an X-ray spatial modulation apparatus and an X-ray exposure apparatus using a spin injection type magnetization reversal element.

これまでのX線リソグラフィは、用いるX線に対する吸収の大きい材料で作製したX線露光マスクを用いて行われている。このX線リソグラフィの要素技術としては、X線ミラー、X線露光マスク、レジスト材料などがあり、解像度は、(λ・g)1/2に比例する。ここでλはX線の波長、gはX線露光マスクとウエハとのギャップ間隔を表す。 Conventional X-ray lithography is performed using an X-ray exposure mask made of a material that absorbs a large amount of X-rays. Elemental technologies of this X-ray lithography include an X-ray mirror, an X-ray exposure mask, a resist material, and the like, and the resolution is proportional to (λ · g) 1/2 . Here, λ represents the wavelength of the X-ray, and g represents the gap interval between the X-ray exposure mask and the wafer.

解像度の向上には、X線の短波長化が有効であるが、短波長X線はレジストや基板を構成する原子との衝突による2次電子の拡散距離が長くなるため、かえって像が不鮮明になる弊害がある。このため、従来は0.7〜0.8nmの波長のX線が用いられてきた。露光システムは、この波長のX線強度が最大となるようにX線ミラーをSiCやPtでコーティングして形成している。また、X線露光マスクの基板もSiCを用いている。   Shortening the wavelength of X-rays is effective for improving the resolution, but the short-wavelength X-rays increase the diffusion distance of secondary electrons due to collisions with the atoms constituting the resist and the substrate, so the image is unclear. There is a harmful effect. For this reason, conventionally, X-rays having a wavelength of 0.7 to 0.8 nm have been used. In the exposure system, the X-ray mirror is coated with SiC or Pt so that the X-ray intensity at this wavelength is maximized. The substrate of the X-ray exposure mask also uses SiC.

更に解像度を改善するために、ミラーのコーティング材料としてRuやRhを用い、マスクメンブレン材料もSi原子を含まないレジスト材料としてダイアモンドに変更して、より短波長(0.7nm以下)のX線を用いるように開発が進められている。また、X線吸収体としてW−Ti(0.2〜0.7μm)、Taなどが用いられている。更に短波長X線に感度をもつ元素をレジストに添加することなどにより、最近では、限界解像度は35nm程度に達している。   To further improve the resolution, Ru or Rh is used as the mirror coating material, and the mask membrane material is changed to diamond as a resist material that does not contain Si atoms, so that X-rays with shorter wavelengths (0.7 nm or less) can be used. Development is underway to use. Moreover, W-Ti (0.2-0.7 micrometer), Ta, etc. are used as an X-ray absorber. Furthermore, recently, the limit resolution has reached about 35 nm by adding an element sensitive to short wavelength X-rays to the resist.

等倍X線リソグラフィ技術は、焦点深度が大きく、解像度に優れているが、等倍用の高アスペクト比のX線露光マスクの作製が難しく、また、シンクロトロン放射光やプラズマX線発生装置などのX線源のコストが大きいことなどを問題として挙げることができる。   The same-size X-ray lithography technology has a large depth of focus and excellent resolution, but it is difficult to produce a high-aspect ratio X-ray exposure mask for the same magnification, and synchrotron radiation, plasma X-ray generators, etc. The cost of the X-ray source can be cited as a problem.

一方、LIGA(LIthographie, Galvanoformung und Abformung:独語)と呼ばれるX線リソグラフィ技術は、X線露光、電鋳、モールドなどのプロセスなどからなり、高アスペクト比及び側面のナノ精度での加工を特徴とする。X線源としてシンクロトロン放射光を用いると、レジスト内部での散乱が少なく、また指向性及び直進性に優れているので、高アスペクト比、ナノ精度での側面の平滑性が得られる。   On the other hand, X-ray lithography technology called LIGA (LIthographie, Galvanoformung und Abformung: German) consists of processes such as X-ray exposure, electroforming, molding, etc., and features high aspect ratio and side-side nano-precision processing. . When synchrotron radiation is used as the X-ray source, the scattering inside the resist is small, and the directivity and straightness are excellent, so that the smoothness of the side surface with high aspect ratio and nano-accuracy can be obtained.

前記したモールドは、レジストを加工して形成した高分子製モールドに電鋳を行い、その高分子製モールドを除去することで、金属製モールドとして形成される。この金属製モールドに、ナノインプリント、射出成形などで高分子を充填し、金属製モールドから離型することにより、高分子成形体を作製することができる。
更に、この高分子成形体をモールドとして使用することもできる。また、レジストを用いた高分子製モールドに直接、金属やセラミックスを充填して部品とすることも可能である。
The mold described above is formed as a metal mold by electroforming a polymer mold formed by processing a resist and removing the polymer mold. A polymer molded body can be produced by filling the metal mold with a polymer by nanoimprinting, injection molding or the like and releasing the mold from the metal mold.
Furthermore, this polymer molded body can also be used as a mold. It is also possible to directly fill a polymer mold using a resist with metal or ceramics to obtain a part.

一般に、LIGAには、波長0.7〜0.8nmのX線が最適であると言われているが、最近では、2次電子の影響を最小限にできるレジストの開発により、広い波長領域(エネルギー領域)を有効に活用することが提案されている。例えば、(1)500eV〜2keVの領域は、膜厚5μm以下のレジスト用の高精度微細加工、(2)2keV〜5keVの領域は、膜厚50μm以下のレジスト用のnmオーダー精度の微細加工、(3)5keV〜15keVの領域は、膜厚1mm以下のレジスト用のμmオーダー精度の微細加工、(4)15keV以上の領域は、膜厚cmオーダーのレジスト用の加工、などのように、波長(エネルギー)によって加工に適する領域が提案されている。   In general, X-rays having a wavelength of 0.7 to 0.8 nm are said to be optimal for LIGA, but recently, by developing a resist that can minimize the influence of secondary electrons, a wide wavelength region ( It has been proposed to effectively use the energy field. For example, (1) the region of 500 eV to 2 keV is a high-precision microfabrication for a resist with a film thickness of 5 μm or less, and (2) the region of 2 keV to 5 keV is a micromachining with a nanometer order accuracy for a resist with a film thickness of 50 μm or less, (3) The region of 5 keV to 15 keV is a fine processing of μm order accuracy for a resist having a film thickness of 1 mm or less, and (4) the region of 15 keV or more is a processing for resist of a film thickness of cm order, etc. A region suitable for processing is proposed by (energy).

X線吸収体は、厚くするほどX線の遮蔽効果が高くなるものの、X線露光マスクパターンのアスペクト比が大きくなってしまうという問題がある。これまではX線吸収体として、W、Ta、WTi、WRe、TaBなどが提案・作製されている。 The thicker the X-ray absorber, the higher the X-ray shielding effect, but there is a problem that the aspect ratio of the X-ray exposure mask pattern increases. So far, W, Ta, WTi, WRe, Ta 4 B, etc. have been proposed and produced as X-ray absorbers.

また、LIGAでは、傾斜露光やX線露光マスクの移動などを行うことにより、前記したような通常のX線リソグラフィではできない3次元形状の自由度の高い加工ができるメリットがある。
例えば、特許文献1には、X線露光マスクを材料に対して移動させて、材料へ照射する強度分布(累積露光量分布)を変化させて加工の深さを制御する方法(段落0035〜段落0058、図5、図6、図8〜図10参照)、X線の透過性を微小領域ごと可変とするX線露光マスクを用いる方法(段落0059〜段落0065、図11〜図15参照)などが記載されている。
In addition, LIGA has an advantage of performing processing with a high degree of freedom of a three-dimensional shape that cannot be performed by normal X-ray lithography as described above, by performing tilt exposure, movement of an X-ray exposure mask, or the like.
For example, Patent Document 1 discloses a method (paragraph 0035 to paragraph) in which an X-ray exposure mask is moved with respect to a material, and an intensity distribution (cumulative exposure dose distribution) applied to the material is changed to control a processing depth. 0058, FIG. 5, FIG. 6, FIG. 8 to FIG. 10), a method using an X-ray exposure mask that makes X-ray transmission variable for each minute region (see paragraphs 0059 to 0065 and FIGS. 11 to 15), etc. Is described.

特許第3380878号公報Japanese Patent No. 3380878

従来のX線リソグラフィでは、露光パターンごとにX線露光マスクを製作する必要があるため、多様で多数の露光パターンが必要な加工をする場合には高価になり、各露光プロセスにおけるX線露光マスクの位置合わせが煩雑になる。
特許文献1に記載されたX線露光マスクを移動させる方法においても、多様な形状を形成するためには、複数の露光パターンのX線露光マスクが必要となる。
また、X線露光マスク製作の解像度(精度)は、X線吸収体の堆積とエッチング技術、電子ビームリソグラフィなどによって決まるが、前記したように、X線リソグラフィ全体における現状の加工精度は35nm程度であると言われている。また、LIGAプロセスでは、3次元加工の際はマスクの移動が必要であるので、加工対象となる基板に、同時に異なる形状の様々な形状物を形成する場合は、各形状に対応する個々のX線露光マスクの移動が必要になり、全体の加工プロセスにおける工程数が増加し、X線露光マスクの位置合わせ精度によっては加工精度が低下する可能性がある。
In conventional X-ray lithography, it is necessary to manufacture an X-ray exposure mask for each exposure pattern, which is expensive when processing a variety of exposure patterns that require a large number of exposure patterns. Alignment becomes complicated.
Even in the method of moving the X-ray exposure mask described in Patent Document 1, in order to form various shapes, X-ray exposure masks having a plurality of exposure patterns are required.
In addition, the resolution (accuracy) of manufacturing an X-ray exposure mask is determined by the deposition and etching technique of the X-ray absorber, electron beam lithography, etc. As described above, the current processing accuracy of the entire X-ray lithography is about 35 nm. It is said that there is. In the LIGA process, since the movement of the mask is necessary in the three-dimensional processing, when various shapes having different shapes are formed simultaneously on the substrate to be processed, individual X corresponding to each shape is formed. The movement of the line exposure mask is required, the number of steps in the entire processing process is increased, and the processing accuracy may be lowered depending on the alignment accuracy of the X-ray exposure mask.

また、特許文献1に記載された透過性を微小領域ごとに可変とする方法を用いるとX線露光マスクの移動を行う必要はないが、金属の析出と溶解を利用してX線の透過量を制御する方法(段落0059〜段落0063、図11、図12参照)では、透過量の制御に時間を要するため応答が遅く、加工精度にも限界がある。また、マイクロシャッタをアレイ状に配列して微小領域ごとにX線露光をON/OFFする方法(段落0064〜段落0065、図13〜図15参照)では、機械的に駆動するマイクロシャッタは構造が複雑であり、そのマイクロシャッタの作製において、微小化には限度がある。そのため、このようなX線露光マスクを用いた加工精度には限界がある。   Further, when the method described in Patent Document 1 for changing the transparency for each minute region is used, it is not necessary to move the X-ray exposure mask. However, the amount of X-ray transmission using metal deposition and dissolution is not necessary. In the method (see paragraphs 0059 to 0063, FIG. 11 and FIG. 12) for controlling the transmission amount, it takes time to control the transmission amount, so that the response is slow and the processing accuracy is limited. In the method of arranging micro shutters in an array and turning on / off X-ray exposure for each micro area (see paragraphs 0064 to 0065 and FIGS. 13 to 15), the mechanically driven micro shutter has a structure. It is complicated, and there is a limit to miniaturization in manufacturing the micro shutter. Therefore, the processing accuracy using such an X-ray exposure mask is limited.

本発明の課題は、電気的操作でX線ビームの2次元空間における微細な強度変調が可能なX線空間変調装置を提供し、更に、このX線空間変調装置を用いたX線露光装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide an X-ray spatial modulation apparatus capable of fine intensity modulation in a two-dimensional space of an X-ray beam by electrical operation, and further to provide an X-ray exposure apparatus using the X-ray spatial modulation apparatus. Is to provide.

そこで、前記した課題を解決するために、請求項1に記載のX線空間変調装置は、単色の円偏光したX線ビームである単色円偏光X線ビームを入射し、入射した単色円偏光X線ビームの2次元空間における強度分布を変調するX線空間変調装置であって、X線変調手段と、素子選択手段と、磁化反転電流注入手段とを備え、前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光X線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の吸収率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を透過する前記単色円偏光X線ビームの強度を変調する構成とした。   Therefore, in order to solve the above-described problem, the X-ray spatial modulation device according to claim 1 receives a monochromatic circularly polarized X-ray beam that is a monochromatic circularly polarized X-ray beam and enters the monochromatic circularly polarized X-ray. An X-ray spatial modulation device that modulates the intensity distribution of a line beam in a two-dimensional space, comprising: an X-ray modulation means; an element selection means; and a magnetization reversal current injection means; By controlling the magnetization direction of the spin-injection type magnetization reversal element through current injection means to change the absorptance of the spin-injection type magnetization reversal element with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam, The intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam incident on the reversal element and transmitted through the spin injection type magnetization reversal element is modulated.

かかる構成によれば、X線空間変調装置は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を2次元に配列したX線変調手段を備えており、素子選択手段によって、2次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子を選択する。X線空間変調装置は、磁化反転電流注入手段によって、素子選択手段で選択したスピン注入型磁化反転素子に磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入することで、当該スピン注入型磁化反転素子にスピンが注入されて、その磁化方向が反転される。
ここで、スピン注入型磁化反転素子は、その磁化方向に応じて単色円偏光X線ビームに対する吸収率が変化するため、スピン注入型磁化反転素子を透過する単色円偏光X線ビームの強度は、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向に応じて変調される。
このため、X線空間変調装置は、素子選択手段によって、磁化反転電流注入手段を介して個々のスピン注入型磁化反転素子の磁化方向を制御することにより、スピン注入型磁化反転素子を2次元に配列したX線変調手段を透過する単色円偏光X線ビームの2次元空間における強度分布を変調する。
According to such a configuration, the X-ray spatial modulation device includes the X-ray modulation means in which the spin injection type magnetization reversal elements whose magnetization directions are reversed by spin injection are arranged two-dimensionally. Are selected from the spin-injection type magnetization reversal elements arranged in the same manner. The X-ray spatial modulation device uses a magnetization reversal current injection unit to inject a magnetization reversal current, which is a current for reversing the magnetization direction, into the spin injection type magnetization reversal element selected by the element selection unit. Spins are injected into the magnetization reversal element, and its magnetization direction is reversed.
Here, since the absorptance with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam varies depending on the magnetization direction of the spin injection type magnetization switching element, the intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam transmitted through the spin injection type magnetization switching element is: Modulation is performed according to the magnetization direction of the spin injection type magnetization reversal element.
Therefore, in the X-ray spatial modulation device, the element selection means controls the magnetization direction of each spin injection type magnetization switching element via the magnetization switching current injection means, thereby making the spin injection type magnetization switching element two-dimensional. The intensity distribution in a two-dimensional space of a monochromatic circularly polarized X-ray beam that passes through the arranged X-ray modulation means is modulated.

請求項2に記載のX線空間変調装置は、単色の円偏光したX線ビームである単色円偏光X線ビームを入射し、入射した前記単色円偏光X線ビームの2次元空間における強度分布を変調するX線空間変調装置であって、X線変調手段と、素子選択手段と、磁化反転電流注入手段とを備え、前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光X線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の反射率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を反射する前記単色円偏光X線ビームの強度を変調する構成とした。   The X-ray spatial modulation device according to claim 2, in which a monochromatic circularly polarized X-ray beam that is a monochromatic circularly polarized X-ray beam is incident, and an intensity distribution of the incident monochromatic circularly polarized X-ray beam in a two-dimensional space is calculated. An X-ray spatial modulation device for modulating, comprising: an X-ray modulation means, an element selection means, and a magnetization reversal current injection means, wherein the element selection means is connected to the spin injection type via the magnetization reversal current injection means By controlling the magnetization direction of the magnetization switching element to change the reflectance of the spin injection type magnetization switching element with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam, the spin injection type magnetization switching element is incident on the spin injection type magnetization switching element. The intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam that reflects the magnetization switching element is modulated.

かかる構成によれば、X線空間変調装置は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を2次元に配列したX線変調手段を備えており、素子選択手段によって、2次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、磁化方向を反転させるスピン注入型磁化反転素子を選択する。X線空間変調装置は、磁化反転電流注入手段によって、素子選択手段で選択したスピン注入型磁化反転素子に磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入することで、当該スピン注入型磁化反転素子にスピンが注入されて、その磁化方向が反転される。
ここで、スピン注入型磁化反転素子は、その磁化方向に応じて単色円偏光X線ビームに対する反射率が変化するため、スピン注入型磁化反転素子を反射する単色円偏光X線ビームの強度は、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向に応じて変調される。
このため、X線空間変調装置は、素子選択手段によって、磁化反転電流注入手段を介して個々のスピン注入型磁化反転素子の磁化方向を制御することにより、スピン注入型磁化反転素子を2次元に配列したX線変調手段を反射する単色円偏光X線ビームの2次元空間における強度分布を変調する。
According to such a configuration, the X-ray spatial modulation device includes the X-ray modulation means in which the spin injection type magnetization reversal elements whose magnetization directions are reversed by spin injection are arranged two-dimensionally. Are selected from the spin-injection type magnetization reversal elements arranged in the same manner. The X-ray spatial modulation device uses a magnetization reversal current injection unit to inject a magnetization reversal current, which is a current for reversing the magnetization direction, into the spin injection type magnetization reversal element selected by the element selection unit. Spins are injected into the magnetization reversal element, and its magnetization direction is reversed.
Here, since the reflectivity of the spin-injection type magnetization reversal element changes with respect to the monochromatic circularly-polarized X-ray beam according to the magnetization direction, the intensity of the monochromatic circularly-polarized X-ray beam that reflects the spin-injection type magnetization reversal element is Modulation is performed according to the magnetization direction of the spin injection type magnetization reversal element.
Therefore, in the X-ray spatial modulation device, the element selection means controls the magnetization direction of each spin injection type magnetization switching element via the magnetization switching current injection means, thereby making the spin injection type magnetization switching element two-dimensional. The intensity distribution in a two-dimensional space of a monochromatic circularly polarized X-ray beam reflected from the arranged X-ray modulation means is modulated.

請求項3に記載のX線空間変調装置は、請求項1又は請求項2に記載のX線空間変調装置において、X線変調手段は、基板と、当該基板上にストライプ状に配設された複数の下部電極と、下部電極に直交する方向にストライプ状に配設された複数の上部電極とを備える構成とした。   The X-ray spatial modulation device according to claim 3 is the X-ray spatial modulation device according to claim 1 or 2, wherein the X-ray modulation means is disposed in a stripe pattern on the substrate and the substrate. A plurality of lower electrodes and a plurality of upper electrodes arranged in a stripe shape in a direction orthogonal to the lower electrodes are provided.

かかる構成によれば、X線変調手段の、平面視で下部電極と上部電極とが交差する領域において、スピン注入型磁化反転素子の両端が下部電極と上部電極とに電気的に接続して配置される。X線空間変調装置は、磁化反転電流注入手段によって、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することによって、電圧を印加した下部電極と上部電極との間に配置されたスピン注入型磁化反転素子に磁化反転電流を注入する。   According to such a configuration, both ends of the spin injection type magnetization reversal element are electrically connected to the lower electrode and the upper electrode in the region where the lower electrode and the upper electrode intersect in plan view of the X-ray modulation means. Is done. The X-ray spatial modulation device uses a magnetization reversal current injection means to apply a voltage between the lower electrode and the upper electrode, so that the spin injection type magnetization disposed between the lower electrode and the upper electrode to which the voltage is applied. A magnetization reversal current is injected into the reversal element.

請求項4に記載のX線空間変調装置は、請求項3に記載のX線空間変調装置において、スピン注入型磁化反転素子は、下部電極と上部電極との間に、下部電極側から順に、磁化方向固定層と、非磁性体からなる中間層と、磁化反転電流の注入によって磁化方向が反転する強磁性体からなる磁化方向可変層とが積層した積層柱状構造を有し、スピン注入型磁化反転素子は基板上に絶縁層を介して立設して配置される構成とした。   The X-ray spatial modulation device according to claim 4 is the X-ray spatial modulation device according to claim 3, wherein the spin-injection magnetization reversal element is arranged between the lower electrode and the upper electrode in order from the lower electrode side. It has a stacked columnar structure in which a magnetization direction fixed layer, an intermediate layer made of a nonmagnetic material, and a magnetization direction variable layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is reversed by injection of a magnetization reversal current, are stacked, and spin injection type magnetization The inversion element is configured to be erected on the substrate via an insulating layer.

かかる構成によれば、スピン注入型磁化反転素子は基板上に立設して配置されるとともに、相隣接するスピン注入型磁化反転素子同士は、絶縁層によって相互に電気的及び磁気的に絶縁される。このため、各スピン注入型磁化反転素子は、磁化反転電流注入手段によって、下部電極と上部電極との間に電圧が印加されて磁化反転電流が注入されることにより、隣接するスピン注入型磁化反転素子から独立して磁化方向可変層の磁化方向が反転され、当該磁化方向可変層の単色円偏光X線ビームに対する吸収率又は反射率が変化する。   According to such a configuration, the spin-injection type magnetization reversal elements are arranged upright on the substrate, and adjacent spin-injection type magnetization reversal elements are electrically and magnetically insulated from each other by the insulating layer. The For this reason, each spin-injection type magnetization reversal element has a magnetization reversal current injection means that a voltage is applied between the lower electrode and the upper electrode to inject a magnetization reversal current, thereby adjacent spin-injection type magnetization reversal. The magnetization direction of the magnetization direction variable layer is reversed independently of the element, and the absorptance or reflectance of the magnetization direction variable layer with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam changes.

請求項5に記載のX線空間変調装置は、請求項4に記載のX線空間変調装置において、磁化方向可変層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の単色円偏光X線ビームの強度を変調することとした。   The X-ray spatial modulation device according to claim 5 is the X-ray spatial modulation device according to claim 4, wherein the monochromatic circularly polarized X-ray has a wavelength corresponding to an inner-shell electron binding energy of an element constituting the magnetization direction variable layer. We decided to modulate the intensity of the beam.

かかる構成によれば、X線空間変調装置は、磁化方向可変層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の単色円偏光X線ビームを、磁化方向可変層を透過又は反射させることによって、その強度を変調する。
なお、内殻電子束縛エネルギーに相当する波長とは、X線源が生成する単色円偏光X線ビームを用いて、磁化方向可変層を構成する当該元素の内殻吸収を測定するとき、磁化を反転して吸収率差(MCD)が現れるX線源の設定条件で生成されるエネルギーの円偏光X線全体を示す。そして、MCDが最大となるX線源の設定条件で、最大の変調度が得られる。
According to such a configuration, the X-ray spatial modulation device transmits or reflects a monochromatic circularly polarized X-ray beam having a wavelength corresponding to the inner-shell electron binding energy of an element constituting the magnetization direction variable layer through the magnetization direction variable layer. To modulate its intensity.
Note that the wavelength corresponding to the inner-shell electron binding energy refers to the magnetization when the inner-shell absorption of the element constituting the magnetization direction variable layer is measured using a monochromatic circularly polarized X-ray beam generated by an X-ray source. The entire circularly polarized X-ray of energy generated under the setting conditions of the X-ray source in which the difference in absorptance (MCD) appears so as to be reversed is shown. The maximum modulation degree can be obtained under the setting conditions of the X-ray source that maximizes the MCD.

請求項6に記載のX線空間変調装置は、請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載のX線空間変調装置において、素子選択手段は、磁化方向を反転させるためのスピン注入型磁化反転素子の選択を時分割で行うこととした。   The X-ray spatial modulation device according to claim 6 is the X-ray spatial modulation device according to any one of claims 1 to 5, wherein the element selection means is a spin injection type for reversing the magnetization direction. The magnetization reversal element is selected in a time-sharing manner.

かかる構成によれば、X線空間変調装置は、素子選択手段によって、磁化方向を反転させるためのスピン注入型磁化反転素子の選択を時分割で行うことにより、スピン注入型磁化反転素子を透過又は反射する単色円偏光X線ビームの累積光量を制御する。   According to such a configuration, the X-ray spatial modulation device transmits or transmits the spin-injection type magnetization reversal element by time-division selection of the spin-injection type magnetization reversal element for reversing the magnetization direction by the element selection means. Controls the cumulative amount of reflected monochromatic circularly polarized X-ray beam.

請求項7に記載のX線露光装置は、X線源と、請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載のX線空間変調装置とを備える構成とした。   An X-ray exposure apparatus according to a seventh aspect includes an X-ray source and the X-ray spatial modulation apparatus according to any one of the first to sixth aspects.

かかる構成によれば、X線露光装置は、X線源によって、単色円偏光X線ビームを生成し、X線空間変調装置に入射する。X線露光装置は、X線空間変調装置によって、X線源から入射した単色円偏光X線ビームを透過又は反射させることで、その透過X線又は反射X線の2次元空間における強度分布を変調する。そして、X線露光装置は、X線空間変調装置で変調したX線を露光用のX線として用いる。   According to such a configuration, the X-ray exposure apparatus generates a monochromatic circularly polarized X-ray beam by the X-ray source and enters the X-ray spatial modulation apparatus. The X-ray exposure device modulates the intensity distribution of the transmitted X-ray or reflected X-ray in a two-dimensional space by transmitting or reflecting the monochromatic circularly polarized X-ray beam incident from the X-ray source by the X-ray spatial modulation device. To do. The X-ray exposure apparatus uses X-rays modulated by the X-ray spatial modulation apparatus as exposure X-rays.

請求項1又は請求項2に記載の発明によれば、X線空間変調装置は、各スピン注入型磁化反転素子の磁化方向の制御によって、スピン注入型磁化反転素子を透過又は反射するX線ビームの強度を変調するため、速い応答速度でスピン注入型磁化反転素子を解像度の単位とした2次元空間における強度分布を変調することができる。また、スピン注入型磁化反転素子は可動部分がなく、高密度に形成することができるため、2次元空間において微細にX線ビームの強度分布を変調することができる。   According to the first or second aspect of the present invention, the X-ray spatial modulation device is an X-ray beam that is transmitted or reflected by the spin-injection magnetization switching element by controlling the magnetization direction of each spin-injection magnetization switching element. Therefore, the intensity distribution in the two-dimensional space can be modulated with the spin injection type magnetization reversal element as a unit of resolution at a fast response speed. Further, since the spin injection type magnetization reversal element has no moving parts and can be formed with high density, the intensity distribution of the X-ray beam can be finely modulated in a two-dimensional space.

請求項3に記載の発明によれば、X線空間変調装置は、互いに直交するストライプ状の電極によって磁化方向を反転するスピン注入型磁化反転素子に選択的に電圧を印加して磁化反転させるため、電気的な操作で簡便に2次元空間におけるX線ビームの強度分布を変調することができる。
請求項4に記載の発明によれば、X線空間変調装置は、スピン注入型磁化反転素子を磁化方向可変層を含む積層柱状構造を、X線変調手段の基板上に絶縁層を介して立設して配置したため、変調されたX線の2次元空間における強度分布の解像度の単位となるスピン注入型磁化反転素子を高密度に配置することができる。このため、X線空間変調装置は、2次元空間において微細にX線ビームの強度分布を制御することができる。
According to the third aspect of the present invention, the X-ray spatial modulation device applies a voltage selectively to a spin-injection magnetization reversal element that reverses the magnetization direction by stripe-shaped electrodes orthogonal to each other, thereby reversing the magnetization. The intensity distribution of the X-ray beam in the two-dimensional space can be easily modulated by electrical operation.
According to a fourth aspect of the present invention, an X-ray spatial modulation device has a stacked columnar structure including a magnetization direction variable layer as a spin-injection type magnetization reversal element on a substrate of an X-ray modulation means via an insulating layer. Therefore, the spin-injection type magnetization reversal elements, which are units of resolution of intensity distribution in the two-dimensional space of modulated X-rays, can be arranged at high density. For this reason, the X-ray spatial modulation device can finely control the intensity distribution of the X-ray beam in the two-dimensional space.

請求項5に記載の発明によれば、X線空間変調装置は、吸収率又は反射率が変化する磁化方向反転層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の単色円偏光X線ビームの強度を変調するため、磁化方向可変層の磁化方向の反転による吸収率の差又は反射率の差を大きくすることができ、高い変調度を得ることができる。   According to the invention described in claim 5, the X-ray spatial modulation device is a monochromatic circularly polarized X-ray having a wavelength corresponding to the inner-shell electron binding energy of an element constituting the magnetization direction inversion layer in which the absorptance or reflectance changes. Since the intensity of the beam is modulated, the difference in absorptance or reflectance due to the reversal of the magnetization direction of the magnetization direction variable layer can be increased, and a high degree of modulation can be obtained.

請求項6に記載の発明によれば、X線空間変調装置は、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向を時分割で選択してスピン注入型磁化反転素子を透過又は反射するX線ビームの累積光量を制御するため、磁化方向の反転による2段階の強度変調が可能なスピン注入型磁化反転素子を用いて、実質的に多段階の強度変調を行うことができる。
請求項7に記載の発明によれば、X線露光装置は、電気的な操作によって、速い応答速度で、2次元空間において微細に露光を制御することができる。これによって、本発明のX線露光装置をリソグラフィに用いた場合には、X線露光マスクを移動することなく自由度の高い微細な3次元加工を簡便に行うことができる。
According to the sixth aspect of the present invention, the X-ray spatial modulation device accumulates X-ray beams that are transmitted or reflected through the spin injection type magnetization reversal element by selecting the magnetization direction of the spin injection type magnetization reversal element in a time-sharing manner. In order to control the amount of light, it is possible to substantially perform multi-step intensity modulation using a spin injection type magnetization reversal element capable of two-step intensity modulation by reversing the magnetization direction.
According to the seventh aspect of the present invention, the X-ray exposure apparatus can finely control exposure in a two-dimensional space at high response speed by electrical operation. As a result, when the X-ray exposure apparatus of the present invention is used for lithography, fine three-dimensional processing with a high degree of freedom can be easily performed without moving the X-ray exposure mask.

本発明に係る第1実施形態のX線空間変調装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the X-ray spatial modulation apparatus of 1st Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第1実施形態のX線空間変調装置におけるX線変調手段の構成を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the X-ray modulation means in the X-ray spatial modulation apparatus of 1st Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第1実施形態のX線空間変調装置におけるX線変調手段の模式的平面図である。It is a schematic plan view of the X-ray modulation means in the X-ray spatial modulation device of the first embodiment according to the present invention. 本発明に係るX線空間変調装置における磁性材料のX線透過率を示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray transmittance of the magnetic material in the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図5の次の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process following FIG. 5 of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図6の次の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process following FIG. 6 of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図7の次の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process following FIG. 7 of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図8の次の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process following FIG. 8 of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図9の次の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process following FIG. 9 of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図10の次の製造工程を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing process following FIG. 10 of the X-ray spatial modulation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図5に示す製造工程の模式的平面図である。FIG. 6 is a schematic plan view of the manufacturing process shown in FIG. 5 of the X-ray spatial modulation device according to the present invention. 本発明に係るX線空間変調装置の図11に示す製造工程の模式的平面図である。FIG. 12 is a schematic plan view of the manufacturing process shown in FIG. 11 of the X-ray spatial modulation device according to the present invention. 本発明に係る第1実施形態のX線空間変調装置を用いたX線露光装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the X-ray exposure apparatus using the X-ray spatial modulation apparatus of 1st Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第2実施形態のX線空間変調装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the X-ray spatial modulation apparatus of 2nd Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第2実施形態のX線空間変調装置におけるX線変調手段の構成を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the X-ray modulation means in the X-ray spatial modulation apparatus of 2nd Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る第2実施形態のX線空間変調装置における磁性材料のX線反射率を示すグラフである。It is a graph which shows the X-ray reflectivity of the magnetic material in the X-ray spatial modulation apparatus of 2nd Embodiment which concerns on this invention.

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照して説明する。
<構成>
まず、図1乃至図4を参照して,本発明に係る第1実施形態におけるX線空間変調装置1の構成について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate.
<Configuration>
First, the configuration of the X-ray spatial modulation device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

図1に示すように、X線空間変調装置1は、X線変調手段10と、素子選択手段11と、磁化反転電流注入手段12とからなる。X線空間変調装置1は、X線源20から入射した単色円偏光X線ビームB2を、X線変調手段10を透過させることによりX線強度の2次元空間における分布を変調し、変調したX線ビームである変調X線ビームB3を出射する装置である。
また、X線変調手段10は、基板2と、下部電極4と、スピン注入型磁化反転素子5と、上部電極6とからなる。
As shown in FIG. 1, the X-ray spatial modulation device 1 includes an X-ray modulation unit 10, an element selection unit 11, and a magnetization reversal current injection unit 12. The X-ray spatial modulation device 1 modulates the X-ray intensity distribution in a two-dimensional space by transmitting the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 incident from the X-ray source 20 through the X-ray modulation means 10 and modulates the X-ray modulated X-ray beam B2. It is an apparatus that emits a modulated X-ray beam B3 that is a line beam.
The X-ray modulation means 10 includes a substrate 2, a lower electrode 4, a spin injection type magnetization reversal element 5, and an upper electrode 6.

本発明においては、スピン注入型磁化反転素子5を用いて入射するX線の強度を変調する。スピン注入型磁化反転素子による空間変調を利用した装置としては、例えば、特開2008−60906号公報に記載された撮像装置や特開2008−83686号公報に記載された光変調器がある。これらの装置は、ファラデー回転効果又はカー回転効果の原理を利用したものである。すなわち、スピン注入型磁化反転素子の磁化方向に応じて変化する直線偏光に対する旋光性の差を利用し、スピン注入型磁化反転素子を透過又は反射する直線偏光した可視光の偏光軸の回転角を変調するものである。そして、更に偏光軸が所定の回転角の際に透過する偏光素子を用いて、可視光の強度を変調する。   In the present invention, the intensity of incident X-rays is modulated using the spin injection type magnetization reversal element 5. As an apparatus using spatial modulation by a spin injection type magnetization reversal element, for example, there are an imaging apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-60906 and an optical modulator described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-83686. These devices utilize the principle of the Faraday rotation effect or the Kerr rotation effect. That is, the rotation angle of the polarization axis of linearly polarized visible light that is transmitted or reflected through the spin-injection type magnetization reversal element is determined using the difference in optical rotation with respect to the linearly polarized light that changes according to the magnetization direction of the spin-injection type magnetization reversal element. Modulate. Further, the intensity of visible light is modulated using a polarizing element that transmits when the polarization axis is at a predetermined rotation angle.

これに対して、本発明におけるX線空間変調装置1は、磁気円二色性の原理を利用したものである。すなわち、スピン注入型磁化反転素子5の磁化方向に応じて変化する円偏光X線に対する吸収率(又は反射率)の差を利用し、スピン注入型磁化反転素子5を透過(又は反射)する円偏光X線の強度を変調するものである。
X線空間変調装置1の各部の詳細な構成については後記する。
In contrast, the X-ray spatial modulation device 1 according to the present invention utilizes the principle of magnetic circular dichroism. That is, a circle that transmits (or reflects) the spin-injection type magnetization reversal element 5 using the difference in absorption rate (or reflectance) with respect to circularly polarized X-rays that changes according to the magnetization direction of the spin-injection type magnetization reversal element 5. It modulates the intensity of polarized X-rays.
The detailed configuration of each part of the X-ray spatial modulation device 1 will be described later.

X線源20は、シンクロトロン放射光源21と、モノクロメータ22と、波長選択手段23と、移相器24と、極性選択手段25とからなる。
X線源20は、シンクロトロン放射光源21によって放射される白色直線偏光X線ビームB0から単色円偏光X線ビームB2を生成し、生成した単色円偏光X線ビームB2をX線空間変調装置1に入射させるX線の光源である。
The X-ray source 20 includes a synchrotron radiation light source 21, a monochromator 22, a wavelength selection unit 23, a phase shifter 24, and a polarity selection unit 25.
The X-ray source 20 generates a monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 from the white linearly polarized X-ray beam B0 emitted by the synchrotron radiation source 21, and generates the generated monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 as an X-ray spatial modulation device 1. X-ray light source incident on the X-ray.

シンクロトロン放射光源21は、シンクロトロン放射によって白色直線偏光X線ビームB0を生成するX線の光源である。シンクロトロン放射光源21は、生成した白色直線偏光X線ビームB0を、モノクロメータ22に入射させる。   The synchrotron radiation light source 21 is an X-ray light source that generates a white linearly polarized X-ray beam B0 by synchrotron radiation. The synchrotron radiation light source 21 causes the generated white linearly polarized X-ray beam B0 to enter the monochromator 22.

モノクロメータ22は、シンクロトロン放射光源21から白色直線偏光X線ビームB0を入射し、波長選択手段23によって選択した波長(エネルギー)の単色X線を分光して単色直線偏光X線ビームB1を生成する単色X線生成手段である。
モノクロメータ22としては、例えば回折型の分光手段である二結晶モノクロメータを用いることができる。モノクロメータ22は、波長選択手段23によって、モノクロメータ22への入射光である白色直線偏光X線ビームB0の入射角と、出射光である単色直線偏光X線ビームB1の出射角とを調節し、選択された波長の単色直線偏光X線ビームB1を移相器24に入射させる。
The monochromator 22 receives the white linearly polarized X-ray beam B0 from the synchrotron radiation source 21 and splits the monochromatic X-ray having the wavelength (energy) selected by the wavelength selection unit 23 to generate the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1. Monochrome X-ray generation means.
As the monochromator 22, for example, a double crystal monochromator which is a diffraction type spectroscopic means can be used. The monochromator 22 adjusts the incident angle of the white linearly polarized X-ray beam B0 that is the incident light to the monochromator 22 and the emission angle of the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 that is the emitted light by the wavelength selection unit 23. The monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 having the selected wavelength is incident on the phase shifter 24.

波長選択手段23は、モノクロメータ22への白色直線偏光X線ビームB0の入射角と出射角とを調節し、選択した所望の波長のX線が移相器24に入射するようにするモノクロメータ22の角度制御手段である。
このとき選択するX線の波長は、後記するスピンフリー強磁性層53を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長を選択することが好ましい。これによって、スピンフリー強磁性層53の磁化方向の反転によるX線の吸収率の差を大きくとることができるため、X線空間変調装置1は、より大きな変調度を得ることができる。
なお、実際には、モノクロメータ22及び移相器24において、それぞれの結晶の品質、角度制御の精度、光軸精度などにより、完全な単色円偏光X線ビームを得るのは困難である。すなわち、単色X線には、所定のエネルギーを有するX線を中心に、それに近いエネルギーを持つ様々な波長のX線を含む(ΔE/E=〜10−4、E:X線エネルギー)。従って、内殻電子束縛エネルギーに相当する波長とは、X線源20が生成する単色円偏光X線ビームB2を用いて、スピンフリー強磁性層53の当該元素の内殻吸収を測定するとき、磁化を反転して吸収率差(MCD)が現れるモノクロメータ22、波長選択手段23、移相器24及び極性選択手段25の設定条件で生成されるエネルギーの円偏光X線全体を示す。そして、MCDが最大となるモノクロメータ22、波長選択手段23、移相器24及び極性選択手段25の設定で、最大の変調度が得られる。
The wavelength selection unit 23 adjusts the incident angle and the emission angle of the white linearly polarized X-ray beam B0 to the monochromator 22 so that the X-ray having the selected desired wavelength is incident on the phase shifter 24. 22 angle control means.
The wavelength of the X-ray selected at this time is preferably a wavelength corresponding to the inner-shell electron binding energy of an element constituting the spin-free ferromagnetic layer 53 described later. Thereby, since the difference in the X-ray absorption rate due to the reversal of the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 can be increased, the X-ray spatial modulation device 1 can obtain a greater degree of modulation.
Actually, in the monochromator 22 and the phase shifter 24, it is difficult to obtain a complete monochromatic circularly polarized X-ray beam due to the quality of each crystal, the accuracy of angle control, the optical axis accuracy, and the like. That is, the monochromatic X-ray includes X-rays having various wavelengths with energy close to the X-ray having a predetermined energy (ΔE / E = −10 −4 , E: X-ray energy). Therefore, the wavelength corresponding to the inner-shell electron binding energy means that when measuring the inner-shell absorption of the element in the spin-free ferromagnetic layer 53 using the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 generated by the X-ray source 20. The entire circularly polarized X-rays of energy generated under the setting conditions of the monochromator 22, the wavelength selection unit 23, the phase shifter 24, and the polarity selection unit 25 in which the absorption ratio difference (MCD) appears when the magnetization is reversed are shown. The maximum degree of modulation can be obtained by setting the monochromator 22, the wavelength selector 23, the phase shifter 24, and the polarity selector 25 that maximizes the MCD.

移相器24は、モノクロメータ22から単色直線偏光X線ビームB1を入射し、極性選択手段25によって選択した正負何れかの極性の円偏光を生成する円偏光生成手段である。
移相器24は、極性選択手段25によって単色直線偏光X線ビームB1の入射角が調節され、入射角に応じて単色直線偏光X線ビームB1の位相を変化させる。このとき単色直線偏光X線ビームB1の位相を90°遅らせるか、90°早めるかによって生成する円偏光の極性の正負(左回り又は右回り)が決定される。
移相器24としては、例えば、回折型X線移相器を用いることができ、回折角度の調節によって所望の極性の円偏光を選択をすることができる。
移相器24は、生成した単色円偏光X線ビームB2を、X線空間変調装置1のX線変調手段10に入射させる。
The phase shifter 24 is a circularly polarized light generating unit that receives the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 from the monochromator 22 and generates circularly polarized light of either positive or negative polarity selected by the polarity selecting unit 25.
In the phase shifter 24, the incident angle of the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 is adjusted by the polarity selecting unit 25, and the phase of the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 is changed according to the incident angle. At this time, whether the polarity of the circularly polarized light generated is positive or negative (counterclockwise or clockwise) is determined depending on whether the phase of the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 is delayed by 90 ° or advanced by 90 °.
For example, a diffractive X-ray phase shifter can be used as the phase shifter 24, and circularly polarized light having a desired polarity can be selected by adjusting the diffraction angle.
The phase shifter 24 causes the generated monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 to enter the X-ray modulation means 10 of the X-ray spatial modulation device 1.

極性選択手段25は、移相器24を機械的に回転させ、移相器24への単色直線偏光X線ビームB1の入射角を調節することにより、移相器24によって生成される円偏光の極性を選択する移相器24の角度制御手段である。   The polarity selection means 25 mechanically rotates the phase shifter 24 and adjusts the incident angle of the monochromatic linearly polarized X-ray beam B1 to the phase shifter 24, whereby the circularly polarized light generated by the phase shifter 24 is adjusted. It is an angle control means of the phase shifter 24 for selecting the polarity.

図2に示すように、X線空間変調装置1のX線変調手段10は、基板2の上に、複数のスピン注入型磁化反転素子(以下、「素子」と略記する)5が、各素子5の間に介設された絶縁層3によって電気的及び磁気的に絶縁された状態で、アレイ状に配設された構成を有する。   As shown in FIG. 2, the X-ray modulation means 10 of the X-ray spatial modulation device 1 includes a plurality of spin-injection magnetization reversal elements (hereinafter abbreviated as “elements”) 5 on a substrate 2. 5 are arranged in an array in an electrically and magnetically insulated state by an insulating layer 3 interposed between them.

各素子5の下部には下部電極4が配置され、上部には上部電極6が配設されている。そして、下部電極4と、上部電極6とは、図3に示すように、平面視で、それぞれがY軸及びX軸に沿って、相互に直交するように配置されている。   A lower electrode 4 is disposed below each element 5 and an upper electrode 6 is disposed above the element 5. As shown in FIG. 3, the lower electrode 4 and the upper electrode 6 are disposed so as to be orthogonal to each other along the Y axis and the X axis in plan view.

このX線変調手段10において、素子5は、図3に示すように、下部電極4と上部電極6とが平面視で重なり合う各電極の四角形の領域をそれぞれ底面及び上面とする四角柱形状をしている。そして、素子5は、平面視で下部電極4と上部電極6とが重なる各交点において2次元アレイ状に配置されている。   In this X-ray modulation means 10, the element 5 has a quadrangular prism shape with the bottom surface and the top surface of the quadrangular regions of each electrode where the lower electrode 4 and the upper electrode 6 overlap in plan view, as shown in FIG. ing. The elements 5 are arranged in a two-dimensional array at each intersection where the lower electrode 4 and the upper electrode 6 overlap in plan view.

基板2は、絶縁材料からなり、基板2の上面に複数の下部電極4を設ける。また、基板2は、用いるX線に対して吸収率の小さい材料が好ましく、例えば、炭化珪素(SiC)、ダイアモンド(C)などを用いることができる。   The substrate 2 is made of an insulating material, and a plurality of lower electrodes 4 are provided on the upper surface of the substrate 2. In addition, the substrate 2 is preferably made of a material having a low absorptance with respect to the X-rays to be used.

素子5は、下部電極4の側から、上部電極6に向けて、スピン固定強磁性層51、非磁性中間層52及びスピンフリー強磁性層53の順に積層された柱状積層構造を有する。
また、各素子5の間は、絶縁層3によって電気的及び磁気的に絶縁されている。これによって、各素子5におけるスピンフリー強磁性層53の磁化方向を独立して反転させることができる。
The element 5 has a columnar laminated structure in which a spin-fixed ferromagnetic layer 51, a nonmagnetic intermediate layer 52, and a spin-free ferromagnetic layer 53 are laminated in this order from the lower electrode 4 side toward the upper electrode 6.
The elements 5 are electrically and magnetically insulated by the insulating layer 3. Thereby, the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 in each element 5 can be reversed independently.

スピン固定強磁性層(磁化方向固定層)51は、強磁性材料からなり、磁化方向が固定されている層である。図2に示したスピン固定強磁性層51の磁化方向は、X線変調手段10の上面に対して垂直方向(柱状の素子5の長さ方向)に上向きである。なお、磁化方向は下向きに固定されていてもよい。   The spin fixed ferromagnetic layer (magnetization direction fixed layer) 51 is a layer made of a ferromagnetic material and having a fixed magnetization direction. The magnetization direction of the spin-fixed ferromagnetic layer 51 shown in FIG. 2 is upward in the direction perpendicular to the upper surface of the X-ray modulation means 10 (the length direction of the columnar element 5). Note that the magnetization direction may be fixed downward.

強磁性材料としては、金属系ハーフメタルなどスピン偏極率の高い材料を用いることが好ましい。例えば、CoMnAl、CoMnSi、CoCr0.6Fe0.4Al、CoFe、CoFeB、TbFeCo、MnSbなどの大きなスピン偏極率を有する材料が挙げられる。また、酸化物系ハーフメタルとしては、La0.7Sr0.3MnO、SrFe(W0.4Mo0.6)O、SrFeReO、CrO、Feなどが挙げられる。これらの中でも、強磁性材料として、スピン偏極率が高いことが好ましい。さらに、スピン固定強磁性層51は、これらの材料を用いた組成の異なる層やIrMnなどのスピン固着層と組み合わせた2〜3層構造であってもよい。このスピン固定強磁性層51の膜厚は、数nm〜数十nm程度である。このスピン固定強磁性層51は、分子線エピタキシー(MBE)法やスパッタリング法などによって、下部電極4の上に形成される。 As the ferromagnetic material, it is preferable to use a material having a high spin polarization such as a metal half metal. Examples thereof include materials having a large spin polarization such as Co 2 MnAl, Co 2 MnSi, Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al, CoFe, CoFeB, TbFeCo, and MnSb. Examples of the oxide half metal include La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 , Sr 2 Fe (W 0.4 Mo 0.6 ) O 6 , Sr 2 FeReO 6 , CrO 2 , Fe 3 O 4 and the like. Is mentioned. Among these, the ferromagnetic material preferably has a high spin polarization. Further, the spin-fixed ferromagnetic layer 51 may have a two- to three-layer structure in combination with layers having different compositions using these materials and spin-fixed layers such as IrMn. The film thickness of the spin-fixed ferromagnetic layer 51 is about several nm to several tens of nm. The spin fixed ferromagnetic layer 51 is formed on the lower electrode 4 by a molecular beam epitaxy (MBE) method, a sputtering method, or the like.

非磁性中間層(中間層)52は、例えば、Cuなどの非磁性体で形成することができる。この非磁性中間層52の膜厚は、偏極スピン電子がトンネルできる厚さ(2〜3nm)とすることが好ましい。非磁性中間層52は、MBE法やスパッタリング法などによって、スピン固定強磁性層51の上に形成することができる。   The nonmagnetic intermediate layer (intermediate layer) 52 can be formed of a nonmagnetic material such as Cu, for example. The film thickness of the nonmagnetic intermediate layer 52 is preferably set to a thickness (2 to 3 nm) at which polarized spin electrons can tunnel. The nonmagnetic intermediate layer 52 can be formed on the spin-fixed ferromagnetic layer 51 by MBE, sputtering, or the like.

スピンフリー強磁性層(磁化方向可変層)53は、偏極スピン電子の注入(スピン注入)により磁化方向が反転され、磁化方向の向きの違いによって、入射する単色円偏光X線ビームB2の吸収率に差を与える層である。スピンフリー強磁性層53の磁化方向は、図2に示したように、X線変調手段10の上面に垂直方向(柱状の素子5の長さ方向)とすること好ましい。これによって、素子5を高密度に配置しながら、磁化方向のスピンフリー強磁性層53の厚みを大きくとることができる。   In the spin-free ferromagnetic layer (magnetization direction variable layer) 53, the magnetization direction is inverted by injection of polarized spin electrons (spin injection), and absorption of the incident monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 is caused by the difference in the magnetization direction. It is a layer that gives a difference in rate. The magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is preferably perpendicular to the upper surface of the X-ray modulation means 10 (the length direction of the columnar element 5), as shown in FIG. This makes it possible to increase the thickness of the spin-free ferromagnetic layer 53 in the magnetization direction while arranging the elements 5 at a high density.

スピンフリー強磁性層53の磁化方向の初期状態は、作製時に素子5に磁界を印加することにより設定することができる。磁化方向の初期状態をX線変調手段10の上面に垂直方向(柱状の素子5の長さ方向)に設定した場合、磁化反転電流注入手段12によって下部電極4と上部電極6との間に電圧が印加されることにより、スピンフリー強磁性層53の磁化方向は、X線変調手段10の上面に垂直方向(柱状の素子5の長さ方向)に上向きか下向きかの何れかに変更(反転)されることになる。スピンフリー強磁性層53としては、GdFe、FePt、PtCo、FeNiなどを用いることができる。
また、磁化方向の反転による単色円偏光X線ビームB2の吸収率の差を大きくするために、単色円偏光X線ビームB2は、スピンフリー強磁性層53の磁化方向に合わせて、X線変調手段10の上面に対して垂直に入射することが好ましい。
The initial state of the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 can be set by applying a magnetic field to the element 5 at the time of fabrication. When the initial state of the magnetization direction is set in a direction perpendicular to the upper surface of the X-ray modulation means 10 (the length direction of the columnar element 5), a voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 6 by the magnetization reversal current injection means 12. Is applied, the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is changed either upward or downward in the direction perpendicular to the upper surface of the X-ray modulation means 10 (the length direction of the columnar element 5) (inversion). ) Will be. As the spin-free ferromagnetic layer 53, GdFe, FePt, PtCo, FeNi, or the like can be used.
Further, in order to increase the difference in the absorptance of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 due to the reversal of the magnetization direction, the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 is X-ray modulated in accordance with the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53. Incidently perpendicular to the upper surface of the means 10.

また、スピンフリー強磁性層53に用いる材料は、スピン注入磁化反転に要する電流を低減できる点では、低飽和磁化及び低ダンピング定数でスピン歳差運動の緩和時間が大きく、スピン流が大きくなるような特性を持つものが好ましい。また、磁化反転によるX線の吸収率差の大きさの観点からは、用いるX線のエネルギー、スピンフリー強磁性層53で励起される元素及びその元素による吸収率などに基づいて材料を決定することができる。
このスピンフリー強磁性層53の膜厚は、数十nm程度である。このスピンフリー強磁性層53は、非磁性中間層52の上にMBE法やスパッタリング法などによって形成することができる。
In addition, the material used for the spin-free ferromagnetic layer 53 can reduce the current required for the spin injection magnetization reversal, so that the relaxation time of the spin precession is large with the low saturation magnetization and the low damping constant, and the spin current is increased. Those having special characteristics are preferred. Further, from the viewpoint of the magnitude of the difference in X-ray absorptance due to magnetization reversal, the material is determined based on the energy of the X-ray used, the element excited in the spin-free ferromagnetic layer 53, the absorptance due to the element, and the like. be able to.
The film thickness of the spin-free ferromagnetic layer 53 is about several tens of nm. The spin-free ferromagnetic layer 53 can be formed on the nonmagnetic intermediate layer 52 by MBE or sputtering.

ここで、スピンフリー強磁性層53に用いる材料の、磁化方向とX線吸収率の差の具体例について説明する。
スピンフリー強磁性層53のX線吸収率は、入射するX線のエネルギー及び円偏光の極性が決まれば、単色円偏光X線ビームB2の素子5に対する入射方向とスピンフリー強磁性層53の磁化方向との間の相対角度、及びスピンフリー強磁性層53の厚さと構成元素などによって定められる。単色円偏光X線ビームB2のエネルギーを、スピンフリー強磁性層53を構成する強磁性材料の元素の磁気円二色性を示す内殻励起エネルギーに相当するように選び、そのスピンフリー強磁性層53の磁化方向が、単色円偏光X線ビームB2の入射方向と平行か反平行になるようにすると、当該単色円偏光X線ビームB2に対する吸収係数の比が最も大きくなり、最も大きい強度変調振幅を得ることができる。
Here, a specific example of the difference between the magnetization direction and the X-ray absorption rate of the material used for the spin-free ferromagnetic layer 53 will be described.
The X-ray absorptance of the spin-free ferromagnetic layer 53 is determined by determining the incident X-ray energy and the polarity of circularly polarized light, the incident direction of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 with respect to the element 5 and the magnetization of the spin-free ferromagnetic layer 53. It is determined by the relative angle between the direction and the thickness and constituent elements of the spin-free ferromagnetic layer 53. The energy of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 is selected so as to correspond to the inner shell excitation energy indicating the magnetic circular dichroism of the element of the ferromagnetic material constituting the spin-free ferromagnetic layer 53, and the spin-free ferromagnetic layer When the magnetization direction of 53 is made parallel or antiparallel to the incident direction of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2, the ratio of the absorption coefficient to the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 becomes the largest, and the largest intensity modulation amplitude Can be obtained.

また、前記したように、LIGAプロセスでは、加工するレジスト膜の厚さによって適するX線のエネルギーが異なり、(1)500eV〜2keVの領域は、膜厚5μm以下のレジスト用の高精度微細加工、(2)2keV〜5keVの領域は、膜厚50μm以下のレジスト用のnmオーダー精度の微細加工、(3)5keV〜15keVの領域は、膜厚1mm以下のレジスト用のμmオーダー精度の微細加工、(4)15keV以上の領域は、膜厚cmオーダーのレジスト用の加工が適しているとされている。   In addition, as described above, in the LIGA process, suitable X-ray energy varies depending on the thickness of the resist film to be processed, and (1) a region of 500 eV to 2 keV is a high-precision fine processing for a resist having a film thickness of 5 μm or less, (2) The region of 2 keV to 5 keV is finely processed with nm order accuracy for a resist having a film thickness of 50 μm or less, and (3) the region of 5 keV to 15 keV is finely processed with micrometer order accuracy for a resist having a thickness of 1 mm or less, (4) In the region of 15 keV or higher, resist processing with a film thickness of the order of cm is considered suitable.

そこで、スピンフリー強磁性層53に適した材料として、FeNi、PtCoなどの強磁性体が考えられる。前者の材料の磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー(L準位)は、Fe:0.721keV、Ni:0.871keVであるので、変調するX線のエネルギーとして0.871keVを選択することにより、FeとNiの両元素の磁化反転に対する最大の吸収率差を利用することができる。すなわち、前記した(1)の領域の軟X線用空間変調装置に適した典型的材料ということができる。 Accordingly, ferromagnetic materials such as FeNi and PtCo are conceivable as materials suitable for the spin-free ferromagnetic layer 53. Since the inner shell excitation energy (L 2 level) showing magnetic circular dichroism of the former material is Fe: 0.721 keV and Ni: 0.871 keV, 0.871 keV is selected as the energy of the X-ray to be modulated. By doing so, it is possible to use the maximum difference in absorption rate with respect to the magnetization reversal of both elements Fe and Ni. That is, it can be said that it is a typical material suitable for the soft X-ray spatial modulation device in the region (1) described above.

一方、後者の材料の磁気円二色性を示す内殻励起エネルギー(L準位)は、Pt:13.3keV、Co:0.793keVであるので、変調するX線のエネルギーとして13.3keVを選択することにより、主としてPtの磁化反転に対応する吸収率差を利用することができる。すなわち、前記した(3)の領域の硬X線用空間変調装置に適した典型的材料ということができる。このエネルギーのX線のCoによる吸収の寄与は小さいので、この場合はPtの吸収率差のみで考えることができる。 On the other hand, since the inner shell excitation energy (L 2 level) showing the magnetic circular dichroism of the latter material is Pt: 13.3 keV and Co: 0.793 keV, the energy of the X-ray to be modulated is 13.3 keV. By selecting, it is possible to use the difference in absorption rate mainly corresponding to the magnetization reversal of Pt. That is, it can be said that it is a typical material suitable for the hard X-ray spatial modulation device in the region (3) described above. Since the contribution of the X-ray absorption of Co of this energy is small, in this case, it can be considered only by the Pt absorption rate difference.

図4は、磁化反転層であるスピンフリー強磁性層53の材料の厚さと円偏光X線の透過率との関係を、前記したFeNi及びPtCoの例として、Fe0.22Ni0.78及びPt0.5Co0.5の組成の場合について示したものである。スピンフリー強磁性層53の磁化方向が、X線の入射方向に対して平行の場合(吸収率が小さい場合)と反平行の場合(吸収率が大きい場合)の両者に対する計算結果である。ここでは両者の吸収率の比を1.2と仮定した。 FIG. 4 shows the relationship between the material thickness of the spin-free ferromagnetic layer 53, which is a magnetization switching layer, and the transmittance of circularly polarized X-rays, with Fe 0.22 Ni 0.78 and PtCo as examples. The case of the composition of Pt 0.5 Co 0.5 is shown. This is a calculation result for both the case where the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is parallel to the incident direction of X-rays (when the absorption rate is small) and the case where it is anti-parallel (when the absorption rate is high). Here, the ratio of the absorption rates of both was assumed to be 1.2.

図4より、Fe0.22Ni0.78を用いて0.871keVのエネルギーを有するX線を強度変調する場合、厚さ30nmで10%程度の強度変調ができることがわかる。但し、透過後のX線の絶対強度は入射するX線の強度に対して、スピンフリー強磁性層53の寄与の正味として60%程度に低下する。
一方、Pt0.5Co0.5を用いて13.3keVのエネルギーのX線を透過で強度変調する場合は、30nmの厚さではほとんど変調できないことがわかる。
スピンフリー強磁性層53の厚さは、絶対強度と強度変調振幅の両者から設定する必要がある。また、スピン注入による磁化反転の機構から、その厚さを大きくとると必要な磁化反転電流も大きくなることに留意する必要がある。
From FIG. 4, it can be seen that when X-rays having energy of 0.871 keV are intensity-modulated using Fe 0.22 Ni 0.78 , intensity modulation of about 10% can be achieved at a thickness of 30 nm. However, the absolute intensity of X-rays after transmission decreases to about 60% as the net contribution of the spin-free ferromagnetic layer 53 to the intensity of incident X-rays.
On the other hand, in the case where the intensity of X-rays having energy of 13.3 keV is modulated by transmission using Pt 0.5 Co 0.5 , it can be seen that modulation is hardly possible with a thickness of 30 nm.
The thickness of the spin-free ferromagnetic layer 53 needs to be set from both absolute intensity and intensity modulation amplitude. Also, it should be noted that the necessary magnetization reversal current increases as the thickness increases due to the mechanism of magnetization reversal by spin injection.

図2に戻って、絶縁層3は、各素子5を互いに電気的及び磁気的に分離する層である。絶縁層3は、SiO、Al、AlNなどの絶縁材料を用いて形成することができる。
絶縁層3の製造方法としては、まず各素子5を構成するスピン固定強磁性層51、非磁性中間層52及びスピンフリー強磁性層53を積層し、各素子5の間を、少なくともスピンフリー強磁性層53までリソグラフィ法などによりメサエッチングして格子状の溝を形成する。そして、この格子状の溝に、前記した絶縁材料をMBE法やスパッタリング法により堆積して絶縁層3を形成することができる。なお、格子状の溝に絶縁材料を充填せずに、空隙のままで絶縁層3とすることもできる。
また、前記したメサエッチングに替えて、素子5の間に窒素などのイオンを局所的に注入することにより、部分的に絶縁化して絶縁層3を形成することもできる。
Returning to FIG. 2, the insulating layer 3 is a layer that electrically and magnetically isolates the elements 5 from each other. The insulating layer 3 can be formed using an insulating material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or AlN.
As a method of manufacturing the insulating layer 3, first, the spin-fixed ferromagnetic layer 51, the nonmagnetic intermediate layer 52, and the spin-free ferromagnetic layer 53 constituting each element 5 are stacked, and at least the spin-free strength is between each element 5. Lattice-like grooves are formed by mesa etching up to the magnetic layer 53 by lithography or the like. Then, the insulating layer 3 can be formed by depositing the above-described insulating material in the lattice-like grooves by the MBE method or the sputtering method. Note that the insulating layer 3 may be left in the gap without filling the lattice-shaped grooves with the insulating material.
Further, instead of the above-described mesa etching, ions such as nitrogen may be locally implanted between the elements 5 so that the insulating layer 3 can be formed by being partially insulated.

基板2とスピン固定強磁性層51との間に設けられる下部電極4は、スピンフリー強磁性層53の上に設けられる上部電極6とともに、スピンフリー強磁性層53に偏極スピン電子を注入するためのスピン注入用電極を構成する。この下部電極4と上部電極6の間に、下部電極4を負に、上部電極6を正に電圧を印加することによって、スピンフリー強磁性層53に磁化反転のための電流(磁化反転電流)が注入される。これによって、スピンフリー強磁性層53にスピン注入され、スピンフリー強磁性層53の磁化方向が反転される。スピン注入による磁化反転後、正負逆方向に電圧を印加すれば、スピンフリー強磁性層53の磁化方向は再び反転され、前の磁化方向に戻る。   The lower electrode 4 provided between the substrate 2 and the spin-fixed ferromagnetic layer 51 injects polarized spin electrons into the spin-free ferromagnetic layer 53 together with the upper electrode 6 provided on the spin-free ferromagnetic layer 53. An electrode for spin injection is configured. A current for magnetization reversal (magnetization reversal current) is applied to the spin-free ferromagnetic layer 53 by applying a voltage between the lower electrode 4 and the upper electrode 6 with the lower electrode 4 negative and the upper electrode 6 positive. Is injected. As a result, spin is injected into the spin-free ferromagnetic layer 53 and the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is reversed. If a voltage is applied in the positive and negative directions after the magnetization reversal by spin injection, the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is reversed again and returns to the previous magnetization direction.

また、下部電極4及び上部電極6は、詳細には図3に示すように、それぞれ2次元アレイ状に配列された素子5のX軸方向(図3において水平方向)及びY軸方向(図3において垂直方向)に対応したX−Y電極アレイを構成する。下部電極4を構成するX電極列X1、X2、・・・、Xn及び上部電極6を構成するY電極列Y1、Y2、・・・、Ynは、それぞれ磁化反転電流注入手段12(図1参照)に接続され、X電極列X1、X2、・・・、Xn及びY電極列Y1、Y2、・・・、Ynの中から選択された、それぞれ1つ以上のX電極列X1、X2、・・・、Xn及びY電極列Y1、Y2、・・・、Ynの間に、磁化反転電流注入手段12によって電圧が印加される。そして、磁化反転電流注入手段12によって電圧が印加されたX電極列X1、X2、・・・、Xn及びY電極列Y1、Y2、・・・、Ynが交差する位置に配置された素子5に磁化反転電流が注入され、当該素子5のスピンフリー強磁性層53の磁化方向が反転される。   Further, as shown in detail in FIG. 3, the lower electrode 4 and the upper electrode 6 are respectively arranged in the X-axis direction (horizontal direction in FIG. 3) and Y-axis direction (FIG. 3) of the elements 5 arranged in a two-dimensional array. XY electrode array corresponding to the vertical direction in FIG. .., Xn constituting the lower electrode 4 and Y electrode rows Y1, Y2,..., Yn constituting the upper electrode 6 are respectively the magnetization reversal current injection means 12 (see FIG. 1). , And X electrode rows X1, X2,..., Xn and Y electrode rows Y1, Y2,..., Yn, respectively, and one or more X electrode rows X1, X2,. A voltage is applied by the magnetization reversal current injection means 12 between the Xn and Y electrode rows Y1, Y2,. Then, the X electrode rows X1, X2,..., Xn to which the voltage is applied by the magnetization reversal current injection means 12 and the element 5 arranged at the position where the Y electrode rows Y1, Y2,. A magnetization reversal current is injected, and the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 of the element 5 is reversed.

このようにして、素子選択手段11(図1参照)によって適宜に素子5を選択して、素子5ごとに磁化方向を設定することにより、X線変調手段10に、単色円偏光X線ビームB2に対する吸収率が2次元空間的に分布したパターンを形成することができる。図3において、白で表した素子5Aは、スピンフリー強磁性層53の磁化方向がスピン固定強磁性層51の磁化方向と逆向きで、吸収率が小さい状態を示している。また、網掛けを施して表した素子5Bは、スピンフリー強磁性層53の磁化方向がスピン固定強磁性層51の磁化方向と同じ向きであり、吸収率が大きい状態を示している。図3に示したX線変調手段10は、円形領域50内の素子5の吸収率が小さく、他の領域の素子5の吸収率が大きいパターンを形成している。
このパターンを形成したX線変調手段10に、単色円偏光X線ビームB2を透過させることにより、円形領域50内を透過したX線成分が他の領域を透過したX線成分よりも相対的に強度が大きくなるように変調された変調X線ビームB3を得ることができる。
In this manner, the element selection unit 11 (see FIG. 1) appropriately selects the element 5 and sets the magnetization direction for each element 5, thereby allowing the X-ray modulation unit 10 to transmit the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2. It is possible to form a pattern in which the absorptance with respect to is two-dimensionally spatially distributed. In FIG. 3, the element 5 </ b> A shown in white shows a state in which the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is opposite to the magnetization direction of the spin-fixed ferromagnetic layer 51 and the absorptance is small. In addition, the element 5B shown by shading shows a state in which the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 is the same as the magnetization direction of the spin-fixed ferromagnetic layer 51 and the absorptance is large. The X-ray modulation means 10 shown in FIG. 3 forms a pattern in which the absorptance of the element 5 in the circular region 50 is small and the absorptance of the element 5 in other regions is large.
By transmitting the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 to the X-ray modulation means 10 in which this pattern is formed, the X-ray component transmitted through the circular region 50 is relatively more than the X-ray component transmitted through the other region. It is possible to obtain a modulated X-ray beam B3 that is modulated so that the intensity is increased.

また、各素子5の磁化方向を時分割で制御することにより、単位時間内に透過するX線の累積光量を多段階に制御することができる。これによって、素子5の磁化方向に応じた2段階の強度変調だけでなく、実質的に多段階の強度変調をすることができる。   In addition, by controlling the magnetization direction of each element 5 in a time-sharing manner, the accumulated amount of X-rays transmitted within a unit time can be controlled in multiple stages. Thereby, not only two-step intensity modulation according to the magnetization direction of the element 5 but also substantially multi-step intensity modulation can be performed.

下部電極4は、基板2の上に、金属材料をスパッタリング法などで堆積し、リソグラフィ法などで所望のサイズの電極母線に加工して形成することができる。下部電極4は、用いるX線に対する吸収率が小さい方が好ましく、Al、導電グラファイト(C)、Beなどを用いることができる。   The lower electrode 4 can be formed by depositing a metal material on the substrate 2 by a sputtering method or the like and processing the electrode bus to a desired size by a lithography method or the like. The lower electrode 4 preferably has a lower absorptance with respect to X-rays to be used, and Al, conductive graphite (C), Be, or the like can be used.

上部電極6は、下部電極4と同様に、金属材料をスパッタリング法などで堆積し、リソグラフィ法などで所望のサイズの電極母線に加工して形成することができる。上部電極6は、スピンフリー強磁性層53に効率よく単色円偏光X線ビームB2を入射させるため、用いるX線に対して吸収率の小さい材料を用いることが好ましい。例えば、Al、導電グラファイト(C)、Beなどを用いることができる。   Similarly to the lower electrode 4, the upper electrode 6 can be formed by depositing a metal material by a sputtering method or the like and processing it into an electrode bus of a desired size by a lithography method or the like. The upper electrode 6 is preferably made of a material having a low absorptance with respect to the X-rays used in order to make the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 efficiently enter the spin-free ferromagnetic layer 53. For example, Al, conductive graphite (C), Be, or the like can be used.

素子選択手段11は、磁化方向を反転させる素子5を選択し、磁化反転電流注入手段12を制御して、選択した素子5に磁化反転電流を注入させる。これによって、選択した素子5のスピンフリー強磁性層53の磁化方向を反転させる。すなわち、素子選択手段11は、磁化反転電流注入手段12を介して各素子5のスピンフリー強磁性層53の磁化方向を制御するものである。
また、素子選択手段11は、時分割で各素子5のスピンフリー強磁性層53の磁化方向を制御することにより、素子5を透過する単色円偏光X線ビームB2の強度を実質的に多段階に変調することができる。
The element selection unit 11 selects the element 5 that reverses the magnetization direction and controls the magnetization reversal current injection unit 12 to inject a magnetization reversal current into the selected element 5. As a result, the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 of the selected element 5 is reversed. That is, the element selection means 11 controls the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 of each element 5 via the magnetization reversal current injection means 12.
Further, the element selection means 11 controls the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 of each element 5 in a time division manner, thereby substantially increasing the intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 transmitted through the element 5. Can be modulated.

磁化反転電流注入手段12は、素子選択手段11によって制御され、素子選択手段11が選択した素子5に対応するX電極列X1、X2、・・・、Xn及びY電極列Y1、Y2、・・・、Ynの間に電圧を印加して、当該素子5に磁化反転電流を注入する。これによって、当該素子5のスピンフリー強磁性層53の磁化方向を反転させる。   The magnetization reversal current injection means 12 is controlled by the element selection means 11 and corresponds to the element 5 selected by the element selection means 11 X electrode rows X1, X2,..., Xn and Y electrode rows Y1, Y2,. A voltage is applied between Yn and a magnetization reversal current is injected into the element 5. As a result, the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 of the element 5 is reversed.

<動作>
次に、図1乃至図3を参照して、X線空間変調装置1の動作について説明する。
X線空間変調装置1は、素子選択手段11によって、磁化方向を反転させるX線変調手段10の素子5を適宜選択する。X線空間変調装置1は、磁化反転電流注入手段12によって、素子選択手段11が選択した素子の位置に対応する下部電極4を構成するX電極列X1、X2、・・・、Xn及び上部電極6を構成するY電極列Y1、Y2、・・・、Ynの間に、反転させる磁化方向に応じた向きに電圧を印加する。これによって、電圧が印加されたX−Y電極が交差する位置の素子5に磁化反転電流が注入され、当該素子5のスピンフリー強磁性層53の磁化方向が反転される。
X線空間変調装置1は、適宜X線変調手段10を構成する各素子5に対して磁化方向の反転を行うことにより、単色円偏光X線ビームB2に対する吸収率が2段階の何れかに設定された素子5からなる2次元パターン像をX線変調手段10に形成する。
X線空間変調装置1は、X線源20から入射した単色円偏光X線ビームB2を、当該2次元パターン像を形成したX線変調手段10に入射して透過させることによって2次元パターン像に応じて2段階に強度変調した変調X線ビームB3を出射する。
<Operation>
Next, the operation of the X-ray spatial modulation device 1 will be described with reference to FIGS.
In the X-ray spatial modulation device 1, the element selection unit 11 appropriately selects the element 5 of the X-ray modulation unit 10 that reverses the magnetization direction. The X-ray spatial modulation device 1 includes an X electrode array X1, X2,..., Xn and an upper electrode constituting the lower electrode 4 corresponding to the element position selected by the element selection means 11 by the magnetization reversal current injection means 12. .., Yn, a voltage is applied in a direction corresponding to the magnetization direction to be reversed. As a result, a magnetization reversal current is injected into the element 5 at the position where the XY electrodes to which the voltage is applied intersect, and the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53 of the element 5 is reversed.
The X-ray spatial modulation device 1 sets the absorptance for the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 in one of two stages by appropriately reversing the magnetization direction of each element 5 constituting the X-ray modulation means 10. A two-dimensional pattern image composed of the formed elements 5 is formed on the X-ray modulation means 10.
The X-ray spatial modulation device 1 makes a two-dimensional pattern image by allowing the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 incident from the X-ray source 20 to enter and transmit the X-ray modulation means 10 that forms the two-dimensional pattern image. Accordingly, a modulated X-ray beam B3 whose intensity is modulated in two stages is emitted.

本発明におけるX線空間変調装置1は、ナノ秒オーダーで起きる磁化方向の反転による吸収率の変化を利用しているため、非常に高速な動作速度を得ることができる。   Since the X-ray spatial modulation device 1 according to the present invention uses the change in the absorptance due to the reversal of the magnetization direction that occurs in the order of nanoseconds, a very high operating speed can be obtained.

また、動作速度が高速であることを利用して、X線空間変調装置1は、単色円偏光X線ビームB2を連続的に入射しながら、素子選択手段11によって時分割で適宜各素子5の磁化方向を制御することにより、X線ビームの単位時間当たりの平均強度を多段階に変調することができる。これによって、X線空間変調装置1は、2段階に吸収率が可変なX線変調手段10を用いながら、2次元空間的に実質的に多段階に強度変調したX線ビームを得ることができる。   Further, by utilizing the fact that the operation speed is high, the X-ray spatial modulation device 1 allows each element 5 to be appropriately time-divided by the element selection means 11 while continuously entering the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2. By controlling the magnetization direction, the average intensity per unit time of the X-ray beam can be modulated in multiple stages. As a result, the X-ray spatial modulation device 1 can obtain an X-ray beam that is intensity-modulated substantially in multiple stages in a two-dimensional space while using the X-ray modulation means 10 whose absorption rate is variable in two stages. .

<製造方法>
次に、図5乃至図13を参照(適宜図2参照)して、本発明に係る第1実施形態のX線空間変調装置1におけるX線変調手段10の製造方法について説明する。
まず、図5及び図12に示すように、基板2の上面に導電性材料をスパッタリング法などによって堆積し、リソグラフィ法によりストライプ状の下部電極4を形成する。なお、図5は、図12の線A−A’における断面図である。
<Manufacturing method>
Next, a method for manufacturing the X-ray modulation means 10 in the X-ray spatial modulation device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIGS. 5 and 12, a conductive material is deposited on the upper surface of the substrate 2 by a sputtering method or the like, and a striped lower electrode 4 is formed by a lithography method. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG.

次に、図6に示すように、基板2及び下部電極4の上にスピン固定強磁性層51の材料をMBE法やスパッタリング法などによって堆積する。   Next, as shown in FIG. 6, the material of the spin fixed ferromagnetic layer 51 is deposited on the substrate 2 and the lower electrode 4 by MBE method, sputtering method or the like.

続いて、図7に示すように、スピン固定強磁性層51の上に非磁性中間層52の材料をMBE法やスパッタリング法などによって堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 7, the material of the nonmagnetic intermediate layer 52 is deposited on the spin-fixed ferromagnetic layer 51 by MBE method, sputtering method, or the like.

更に、図8に示すように、非磁性中間層52の上にスピンフリー強磁性層53の材料をMBE法やスパッタリング法などによって堆積する。   Further, as shown in FIG. 8, the material of the spin-free ferromagnetic layer 53 is deposited on the nonmagnetic intermediate layer 52 by MBE method, sputtering method or the like.

次に、図9に示すように、素子5として残す部分を除き、スピン固定強磁性層51、非磁性中間層52及びスピンフリー強磁性層53をリソグラフィ法によるメサエッチングなどによって除去し、各素子5を互いに分離する格子状の溝30を設ける。   Next, as shown in FIG. 9, except for the portion left as the element 5, the spin-fixed ferromagnetic layer 51, the nonmagnetic intermediate layer 52, and the spin-free ferromagnetic layer 53 are removed by mesa etching or the like by lithography, and each element is removed. A grid-like groove 30 for separating 5 from each other is provided.

そして、図10に示すように、格子状の溝30に絶縁材料をスパッタリング法などによって堆積し、絶縁層3を形成する。
なお、格子状の溝30に絶縁材料を充填せずに、空隙のままで絶縁層3としてもよい。また、メサエッチングなどに替えて、溝30を設ける部分に、例えば窒素などのイオンを局所的に注入して、部分的に絶縁化することで絶縁層3を形成するようにしてもよい。
Then, as shown in FIG. 10, an insulating material is deposited in the lattice-shaped grooves 30 by a sputtering method or the like to form the insulating layer 3.
Note that the lattice-shaped grooves 30 may not be filled with an insulating material, and the insulating layer 3 may be left as a gap. Further, instead of mesa etching or the like, the insulating layer 3 may be formed by locally injecting ions such as nitrogen into a portion where the groove 30 is to be provided and partially insulating.

最後に、図11及び図13に示すように、堆積したスピンフリー強磁性層53の上に、スパッタリング法などによって導電性材料を堆積し、リソグラフィ法によりストライプ状の上部電極6を形成する。なお、図11は、図13の線B−B’における断面図である。
これによって、X線変調手段10が完成する。
Finally, as shown in FIGS. 11 and 13, a conductive material is deposited on the deposited spin-free ferromagnetic layer 53 by sputtering or the like, and the striped upper electrode 6 is formed by lithography. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG.
Thereby, the X-ray modulation means 10 is completed.

以上の工程によって完成したX線変調手段10におけるスピンフリー強磁性層53は、スピンフリー強磁性層53が形成された時点では、それぞれが磁気エネルギー的に安定した状態となるようにその内部が複数の磁区に分割されているので、所定の方向(基板2に垂直方向上向き又は下向き)に磁化方向を揃える必要がある。そのため、初期化作業(リセット)として、すべてのスピンフリー強磁性層53に数10G〜5kG程度の磁界を外部から印加して、所定の一方向に磁化方向が揃うようにする。例えば、第1実施形態における素子5のような直線状のスピンフリー強磁性層53は、その長さ方向に磁界を印加すればよい。なお、この初期化後は、この磁化方向の磁化が保持されるので、新たに電流の注入や磁界の印加を行うまでは磁化の消失や変化は起こらない。   The spin-free ferromagnetic layer 53 in the X-ray modulation means 10 completed by the above steps has a plurality of insides so that each of the spin-free ferromagnetic layers 53 is stable in terms of magnetic energy when the spin-free ferromagnetic layer 53 is formed. Therefore, it is necessary to align the magnetization direction in a predetermined direction (upward or downward in the direction perpendicular to the substrate 2). Therefore, as an initialization operation (reset), a magnetic field of about several tens to 5 kG is externally applied to all the spin-free ferromagnetic layers 53 so that the magnetization directions are aligned in a predetermined direction. For example, the linear spin-free ferromagnetic layer 53 like the element 5 in the first embodiment may apply a magnetic field in the length direction. After this initialization, the magnetization in this magnetization direction is maintained, so that no magnetization disappears or changes until a new current is injected or a magnetic field is applied.

<応用例>
次に、図14を参照して、第1実施形態のX線空間変調装置1を用いたX線リソグラフィのためのX線露光装置100について説明する。
図14に示すように、X線露光装置100は、X線空間変調装置1と、X線源20とからなり、X線空間変調装置1のX線変調手段10をX線露光マスクとして用いる。
X線源20及びX線空間変調装置1は、図2に示したものと同様であるので、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
また、図14に示した加工対象40は、基板41の上面にPMMAなどのX線用のレジスト膜42を堆積している。
<Application example>
Next, an X-ray exposure apparatus 100 for X-ray lithography using the X-ray spatial modulation apparatus 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 14, an X-ray exposure apparatus 100 includes an X-ray spatial modulation apparatus 1 and an X-ray source 20, and uses the X-ray modulation means 10 of the X-ray spatial modulation apparatus 1 as an X-ray exposure mask.
Since the X-ray source 20 and the X-ray spatial modulation device 1 are the same as those shown in FIG. 2, the same reference numerals are given and detailed description thereof is omitted.
Further, the processing target 40 shown in FIG. 14 has an X-ray resist film 42 such as PMMA deposited on the upper surface of a substrate 41.

X線露光装置100は、X線源20が生成する単色円偏光X線ビームB2を、X線空間変調装置1によって2次元的に強度変調し、強度変調した変調X線ビームB3で、加工対象40のレジスト膜42を露光する。このとき、X線空間変調装置1によって、例えば、図3に示したような円形パターン(円形領域50)を形成することにより、円形領域50の領域を透過して、他の領域より相対的に強度の強い変調X線ビームB3が露光されたレジスト膜42の領域には、現像によって円柱状の凹部が形成される。   The X-ray exposure apparatus 100 two-dimensionally modulates the intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 generated by the X-ray source 20 with the X-ray spatial modulation apparatus 1, and uses the modulated X-ray beam B3 that has been intensity-modulated. 40 resist films 42 are exposed. At this time, for example, by forming a circular pattern (circular region 50) as shown in FIG. 3 by the X-ray spatial modulation device 1, the region of the circular region 50 is transmitted and is relatively relative to other regions. In the region of the resist film 42 exposed to the intense modulated X-ray beam B3, a cylindrical recess is formed by development.

また、X線露光装置100は、X線空間変調装置1の素子選択手段11によって、時分割でX線変調手段10に形成される2次元パターン像を変化させることで、X線露光マスクであるX線変調手段10を透過する変調X線ビームB3による露光パターンを時分割で変化させることができる。これによって、X線露光装置100は、個々の素子5の大きさに対応する解像度の局所領域ごとに露光量を変調することができ、露光量に応じてレジスト膜42を加工することができる。例えば、図3に示した円形パターンにおいて、円形領域50を構成する素子5を、円形領域50の中心に近い程、素子5の吸収率が小さい状態の時間を長くするように制御することにより、レジスト膜42は、円形パターンの中心に近い程、露光量が多くなり、深く加工されることになる。これによって、レジスト膜42に円錐状の凹部を形成することができる。   The X-ray exposure apparatus 100 is an X-ray exposure mask by changing the two-dimensional pattern image formed on the X-ray modulation means 10 by time division by the element selection means 11 of the X-ray spatial modulation apparatus 1. The exposure pattern by the modulated X-ray beam B3 transmitted through the X-ray modulation means 10 can be changed in a time division manner. Thus, the X-ray exposure apparatus 100 can modulate the exposure amount for each local region having a resolution corresponding to the size of each element 5, and can process the resist film 42 in accordance with the exposure amount. For example, in the circular pattern shown in FIG. 3, the element 5 constituting the circular region 50 is controlled so as to increase the time during which the absorption rate of the element 5 is small as it is closer to the center of the circular region 50. The closer the resist film 42 is to the center of the circular pattern, the greater the exposure amount and the deeper the processing. Thereby, a conical recess can be formed in the resist film 42.

このように、X線露光装置100は、時分割によって、X線露光マスクであるX線変調手段10の2次元パターン像を制御することができるため、実質的に多段階に強度変調をした露光をすることができる。
これによって、X線露光装置100は、3次元形状の自由度の高い加工が可能となる。
As described above, the X-ray exposure apparatus 100 can control the two-dimensional pattern image of the X-ray modulation means 10 that is an X-ray exposure mask by time division. Can do.
As a result, the X-ray exposure apparatus 100 can process a three-dimensional shape with a high degree of freedom.

また、本発明による第1実施形態におけるX線空間変調装置1は、X線変調手段10をX線露光マスクとして機能させる用途に限定されず、X線変調手段10に種々の2次元パターン像を形成することにより、X線変調手段10を、例えば、ゾーンプレートや回折格子として機能させることもできる。   In addition, the X-ray spatial modulation device 1 according to the first embodiment of the present invention is not limited to the use for causing the X-ray modulation means 10 to function as an X-ray exposure mask, and various two-dimensional pattern images are displayed on the X-ray modulation means 10. By forming, the X-ray modulation means 10 can also function as, for example, a zone plate or a diffraction grating.

次に、図15乃至図17を参照して、本発明に係る第2実施形態のX線空間変調装置1Aについて説明する。
図1に示した第1実施形態におけるX線空間変調装置1では、素子5を透過することでX線強度を変調する透過型X線空間変調装置であった。これに対して、図15に示す第2実施形態におけるX線空間変調装置1Aは、X線変調手段10Aの上面で単色円偏光X線ビームB2を反射させ、素子5の上層に形成されたスピンフリー強磁性層53の磁化方向に応じて反射率が変化する反射光に対する磁気円二色性を利用して、X線ビームの強度を変調するものである。
Next, an X-ray spatial modulation apparatus 1A according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The X-ray spatial modulation device 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 is a transmissive X-ray spatial modulation device that modulates the X-ray intensity by transmitting through the element 5. On the other hand, the X-ray spatial modulation device 1A in the second embodiment shown in FIG. 15 reflects the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 on the upper surface of the X-ray modulation means 10A, and spins formed on the upper layer of the element 5 The intensity of the X-ray beam is modulated by utilizing magnetic circular dichroism with respect to the reflected light whose reflectivity changes according to the magnetization direction of the free ferromagnetic layer 53.

<構成>
図15に示すように、第2実施形態におけるX線空間変調装置1Aは、X線変調手段10Aと、素子選択手段11と、磁化反転電流注入手段12と、X線入射角制御手段13とを備えている。なお、図1に示した第1実施形態におけるX線空間変調装置1と同様の構成については、同じ符号を付して説明は適宜省略する。
<Configuration>
As shown in FIG. 15, the X-ray spatial modulation device 1A according to the second embodiment includes an X-ray modulation unit 10A, an element selection unit 11, a magnetization reversal current injection unit 12, and an X-ray incident angle control unit 13. I have. In addition, about the structure similar to the X-ray spatial modulation apparatus 1 in 1st Embodiment shown in FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted suitably.

X線空間変調装置1Aは、単色円偏光X線ビームB2を、X線変調手段10Aの上面でX線変調手段10Aを構成する各素子5Aのスピンフリー強磁性層53Aの磁化方向に応じた反射率で反射させ、強度を変調した反射X線である変調X線ビームB3を出射する。   The X-ray spatial modulation device 1A reflects the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 in accordance with the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53A of each element 5A constituting the X-ray modulation means 10A on the upper surface of the X-ray modulation means 10A. A modulated X-ray beam B3, which is a reflected X-ray reflected at a rate and modulated in intensity, is emitted.

第2実施形態におけるX線変調手段10Aは、第1実施形態におけるX線変調手段10と同様の構成であるが、素子5に替えて素子5Aを備え、スピン固定強磁性層51A及びスピンフリー強磁性層53Aの磁化方向が、第1実施形態における素子5のスピン固定強磁性層51及びスピンフリー強磁性層53の磁化方向と異なる。   The X-ray modulation means 10A in the second embodiment has the same configuration as the X-ray modulation means 10 in the first embodiment, but includes an element 5A instead of the element 5, and includes a spin-fixed ferromagnetic layer 51A and a spin-free strength. The magnetization direction of the magnetic layer 53A is different from the magnetization directions of the spin-fixed ferromagnetic layer 51 and the spin-free ferromagnetic layer 53 of the element 5 in the first embodiment.

スピン固定強磁性層51A及びスピンフリー強磁性層53Aの磁化方向は、スピンフリー強磁性層53Aの磁化方向の反転による単色円偏光X線ビームB2の反射率の変化が大きくなるように、単色円偏光X線ビームB2の入射方向にほぼ平行又は反平行になるように設定することが好ましい。図16に示すスピン固定強磁性層51Aの磁化方向は、図中に矢印で示すように、基板2の上面に平行であって、単色円偏光X線ビームB2の入射方向の基板2の上面への射影に反平行(逆向き)に設定されている。
また、スピンフリー強磁性層53Aの磁化方向は、図中に矢印で示すように、基板2の上面に平行であって、単色円偏光X線ビームB2の入射方向の基板2の上面への射影に平行又は反平行に設定されている。
なお、スピン固定強磁性層51Aの磁化方向は、反対の向き(単色円偏光X線ビームB2の入射方向の基板2の上面への射影に平行)としてもよい。
The magnetization directions of the spin-fixed ferromagnetic layer 51A and the spin-free ferromagnetic layer 53A are such that the change in reflectance of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 due to the reversal of the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53A increases. It is preferably set so as to be substantially parallel or anti-parallel to the incident direction of the polarized X-ray beam B2. The magnetization direction of the spin-fixed ferromagnetic layer 51A shown in FIG. 16 is parallel to the upper surface of the substrate 2 as indicated by an arrow in the figure, and toward the upper surface of the substrate 2 in the incident direction of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2. Is set to be anti-parallel (reverse) to the projection of
Further, the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53A is parallel to the upper surface of the substrate 2 as indicated by an arrow in the figure, and the incident direction of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 is projected onto the upper surface of the substrate 2. Is set to be parallel or anti-parallel.
The magnetization direction of the spin-fixed ferromagnetic layer 51A may be the opposite direction (parallel to the projection of the incident direction of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 on the upper surface of the substrate 2).

スピン固定強磁性層51A及びスピンフリー強磁性層53Aの磁化方向の初期状態は、X線変調手段10Aを作製時に、磁化方向を設定(初期化)したい方向に磁界を印加することによって設定することができる。   The initial state of the magnetization direction of the spin-fixed ferromagnetic layer 51A and the spin-free ferromagnetic layer 53A is set by applying a magnetic field in the direction in which the magnetization direction is to be set (initialized) when the X-ray modulation means 10A is manufactured. Can do.

磁化方向を初期設定されたスピンフリー強磁性層53Aは、下部電極4及び上部電極6の間に電圧を印加されることにより、磁化方向が反転される。図16に示したスピンフリー強磁性層53Aは、印加される電圧の向きに従って、図中で左向きか右向きかの何れかに反転されることになる。   The spin-free ferromagnetic layer 53 </ b> A whose magnetization direction is initially set is inverted in magnetization direction when a voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 6. The spin-free ferromagnetic layer 53A shown in FIG. 16 is inverted either leftward or rightward in the figure according to the direction of the applied voltage.

入射する単色円偏光X線ビームB2は、図1に示したX線源20によって生成される単色円偏光X線ビームB2を用いることができる。   As the incident monochromatic circularly polarized X-ray beam B2, the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 generated by the X-ray source 20 shown in FIG. 1 can be used.

X線入射角制御手段13は、入射する単色円偏光X線ビームB2の、X線変調手段10の上面への入射角θを調節するための制御手段である。   The X-ray incident angle control means 13 is a control means for adjusting the incident angle θ of the incident monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 on the upper surface of the X-ray modulation means 10.

反射型の変調においては、素子5への入射角θが反射率の変調度に大きく影響する。
ここで、図17を参照して、表面反射を用いる場合の、スピンフリー強磁性層53Aの材料における反射率と入射角との関係を説明する。
In the reflection type modulation, the incident angle θ to the element 5 greatly affects the degree of modulation of the reflectance.
Here, with reference to FIG. 17, the relationship between the reflectance and the incident angle in the material of the spin-free ferromagnetic layer 53A when surface reflection is used will be described.

図17は、磁化反転層であるスピンフリー強磁性層53Aの材料として、Fe0.22Ni0.78及びPt0.5Co0.5の組成の場合について反射率と入射角θとの関係を示したものである。スピンフリー強磁性層53Aの磁化方向が、X線の入射方向に対して平行の場合(吸収率が小さい場合)と反平行の場合(吸収率が大きい場合)の両者に対する計算結果である。ここでは両者の吸収率の比を1.2と仮定した。X線の反射率は、反射面表層の吸収率とともに、入射角θに大きく依存する。 FIG. 17 shows the relationship between the reflectance and the incident angle θ in the case of the composition of Fe 0.22 Ni 0.78 and Pt 0.5 Co 0.5 as the material of the spin-free ferromagnetic layer 53A that is the magnetization switching layer. Is shown. This is a calculation result for both the case where the magnetization direction of the spin-free ferromagnetic layer 53A is parallel to the incident direction of X-rays (when the absorption rate is small) and the case where it is antiparallel (when the absorption rate is high). Here, the ratio of the absorption rates of both was assumed to be 1.2. The reflectivity of X-rays greatly depends on the incident angle θ together with the absorptance of the surface layer of the reflecting surface.

図17より、Fe0.22Ni0.78を用いて0.871keVのエネルギーを有するX線を強度変調する場合、変調度は入射角θが0.04〜0.05radで最も大きく、10%程度となる。また、Pt0.5Co0.5を用いて13.3keVのエネルギーのX線を強度変調する場合、変調度は入射角θが0.004〜0.005radで最も大きく、10%程度となる。この計算では、上部電極6が無いものと仮定した。実際には、上部電極6の中央部を開口してX線が直接スピンフリー強磁性層53Aで反射される場合を想定している。 From FIG. 17, when intensity-modulating X-rays having energy of 0.871 keV using Fe 0.22 Ni 0.78 , the modulation degree is the largest when the incident angle θ is 0.04 to 0.05 rad, and is 10%. It will be about. Further, when intensity-modulating X-rays having energy of 13.3 keV using Pt 0.5 Co 0.5 , the modulation degree is the largest when the incident angle θ is 0.004 to 0.005 rad, and is about 10%. . In this calculation, it is assumed that there is no upper electrode 6. Actually, it is assumed that the central portion of the upper electrode 6 is opened and X-rays are directly reflected by the spin-free ferromagnetic layer 53A.

これらの材料を用いた場合は、反射するX線の絶対強度は、両者とも、入射するX線の1/2(反射率が約0.5)程度となる。Pt0.5Co0.5を用いて13.3keVのエネルギーのX線を変調する場合は、前記した透過型に比べて、変調度は大きくなる。また、入射するX線強度に対する変調X線、すなわち反射X線の強度が大きく、X線の利用効率がよい。従って、入射角θは絶対強度と変調度の両者に基づいて設定する必要がある。 When these materials are used, the absolute intensity of the reflected X-rays is about 1/2 that of the incident X-rays (reflectance is about 0.5). When modulating X-rays having an energy of 13.3 keV using Pt 0.5 Co 0.5 , the degree of modulation is larger than that of the transmission type described above. Further, the intensity of the modulated X-ray with respect to the incident X-ray intensity, that is, the intensity of the reflected X-ray is large, and the utilization efficiency of the X-ray is good. Therefore, it is necessary to set the incident angle θ based on both the absolute intensity and the modulation degree.

反射型の場合、極めて小さい入射角θで単色円偏光X線ビームB2が入射するので、変調X線ビームB3のビーム幅が狭くなり、その結果、変調の空間周波数が極めて高くなる。このため、変調X線ビームB3を、シリコンなどの回折結晶に入射して非対称反射を利用することにより、X線ビーム幅を拡大して変調X線ビームB3の空間周波数を低くすることができる。非対称反射のための回折結晶としては、例えば、シリコンの(311)面などによる反射を利用することができる。   In the case of the reflection type, since the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 is incident at an extremely small incident angle θ, the beam width of the modulated X-ray beam B3 becomes narrow, and as a result, the spatial frequency of modulation becomes extremely high. Therefore, by making the modulated X-ray beam B3 incident on a diffraction crystal such as silicon and utilizing asymmetric reflection, the X-ray beam width can be expanded and the spatial frequency of the modulated X-ray beam B3 can be lowered. As a diffractive crystal for asymmetric reflection, for example, reflection by a (311) plane of silicon can be used.

<動作>
次に、図15を参照して、第2実施形態におけるX線空間変調装置1Aの動作について説明する。
X線空間変調装置1Aは、まず、X線入射角制御手段13によって、X線変調手段10Aの姿勢を制御して、単色円偏光X線ビームB2のX線変調手段10Aの上面への入射角θを所定の角度になるように設定する。
<Operation>
Next, the operation of the X-ray spatial modulation device 1A in the second embodiment will be described with reference to FIG.
In the X-ray spatial modulation apparatus 1A, first, the X-ray incident angle control means 13 controls the attitude of the X-ray modulation means 10A, and the incident angle of the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 on the upper surface of the X-ray modulation means 10A. θ is set to a predetermined angle.

次に、X線空間変調装置1Aは、適宜X線変調手段10を構成する各素子5に対して磁化方向の変更を行うことにより、単色円偏光X線ビームB2に対する反射率が2段階の何れかに設定された素子5からなる2次元パターン像をX線変調手段10Aに形成する。
第2実施形態におけるX線空間変調装置1Aにおいて、X線変調手段10Aに2次元パターンを形成するための動作は、第1実施形態におけるX線空間変調装置1と同様であるので、説明は省略する。
Next, the X-ray spatial modulation device 1A appropriately changes the magnetization direction of each element 5 constituting the X-ray modulation means 10 so that the reflectivity with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 is any of two levels. A two-dimensional pattern image made up of the elements 5 set to be formed is formed on the X-ray modulation means 10A.
In the X-ray spatial modulation device 1A according to the second embodiment, the operation for forming a two-dimensional pattern on the X-ray modulation means 10A is the same as that of the X-ray spatial modulation device 1 according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. To do.

X線空間変調装置1Aは、入射した単色円偏光X線ビームB2を、当該2次元パターン像を形成したX線変調手段10Aの上面である素子5Aのスピンフリー強磁性層53A(図16参照)で反射させることによって2次元パターン像に応じて2段階に強度変調した変調X線ビームB3を出射する。   The X-ray spatial modulation device 1A uses an incident monochromatic circularly polarized X-ray beam B2 as a spin-free ferromagnetic layer 53A of an element 5A that is the upper surface of the X-ray modulation means 10A that forms the two-dimensional pattern image (see FIG. 16). The modulated X-ray beam B3, which is intensity-modulated in two steps according to the two-dimensional pattern image, is emitted by being reflected at.

本発明におけるX線空間変調装置1Aは、磁化方向の反転による反射率の変化を利用しているため、非常に高速の動作速度を得ることができる。   Since the X-ray spatial modulation device 1A according to the present invention uses the change in reflectance due to the reversal of the magnetization direction, a very high operating speed can be obtained.

また、X線空間変調装置1Aは、第1実施形態におけるX線空間変調装置1と同様に、時分割で適宜各素子5の磁化方向を変更することにより、X線ビームの単位時間当たりの平均強度を多段階に変調することができる。これによって、X線空間変調装置1Aは、2段階に反射率が可変なX線変調手段10Aを用いて、2次元空間的に多段階に強度変調したX線ビームを得ることができる。   Further, the X-ray spatial modulation device 1A, like the X-ray spatial modulation device 1 in the first embodiment, appropriately changes the magnetization direction of each element 5 in a time division manner, thereby averaging the X-ray beam per unit time. The intensity can be modulated in multiple steps. As a result, the X-ray spatial modulation device 1A can obtain an X-ray beam that is intensity-modulated two-dimensionally in multiple stages using the X-ray modulation means 10A having a variable reflectance in two stages.

第2実施形態におけるX線空間変調装置1AのX線変調手段10は、第1実施形態におけるX線空間変調装置1のX線変調手段10と同様にして製作することができるため、説明は省略する。   Since the X-ray modulation means 10 of the X-ray spatial modulation device 1A in the second embodiment can be manufactured in the same manner as the X-ray modulation means 10 of the X-ray spatial modulation device 1 in the first embodiment, description thereof is omitted. To do.

また、第2実施形態におけるX線空間変調装置1Aは、第1実施形態におけるX線空間変調装置1と同様に、X線露光マスク、ゾーンプレート、回折格子などとして用いることができる。   In addition, the X-ray spatial modulation device 1A in the second embodiment can be used as an X-ray exposure mask, a zone plate, a diffraction grating, and the like, similarly to the X-ray spatial modulation device 1 in the first embodiment.

1、1A X線空間変調装置
2 基板
3 絶縁層
4 下部電極
5、5A スピン注入磁化反転素子(素子)
6 上部電極
10、10A X線変調手段(X線露光マスク)
11 素子選択手段
12 磁化反転電流注入手段
13 X線入射角制御手段
20 X線源
21 シンクロトロン放射光源
22 モノクロメータ
23 波長選択手段
24 移相器
25 極性選択手段
30 溝
40 加工対象
41 基板
42 レジスト膜
50 円形領域
51、51A スピン固定強磁性層(磁化方向固定層)
52 非磁性中間層(中間層)
53、53A スピンフリー強磁性層(磁化方向可変層)
100 X線露光装置
B0 白色直線偏光X線ビーム
B1 単色直線偏光X線ビーム
B2 単色円偏光X線ビーム
B3 変調X線ビーム

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A X-ray spatial modulation apparatus 2 Substrate 3 Insulating layer 4 Lower electrode 5, 5A Spin injection magnetization reversal element (element)
6 Upper electrode 10, 10A X-ray modulation means (X-ray exposure mask)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Element selection means 12 Magnetization reversal current injection means 13 X-ray incident angle control means 20 X-ray source 21 Synchrotron radiation light source 22 Monochromator 23 Wavelength selection means 24 Phase shifter 25 Polarity selection means 30 Groove 40 Processing object 41 Substrate 42 Resist Film 50 Circular region 51, 51A Spin-fixed ferromagnetic layer (magnetization direction fixed layer)
52 Nonmagnetic intermediate layer (intermediate layer)
53, 53A Spin-free ferromagnetic layer (magnetization direction variable layer)
100 X-ray exposure apparatus B0 White linearly polarized X-ray beam B1 Monochromatic linearly polarized X-ray beam B2 Monochromatic circularly polarized X-ray beam B3 Modulated X-ray beam

Claims (7)

単色の円偏光したX線ビームである単色円偏光X線ビームを入射し、入射した前記単色円偏光X線ビームの2次元空間における強度分布を変調するX線空間変調装置であって、
スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を2次元に配列したX線変調手段と、
前記2次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、前記磁化方向を反転させる前記スピン注入型磁化反転素子を選択する素子選択手段と、
前記素子選択手段によって選択したスピン注入型磁化反転素子に前記磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入して、当該スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段と、を備え、
前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光X線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の吸収率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を透過する前記単色円偏光X線ビームの強度を変調することを特徴とするX線空間変調装置。
An X-ray spatial modulation device that enters a monochromatic circularly polarized X-ray beam, which is a monochromatic circularly polarized X-ray beam, and modulates the intensity distribution of the incident monochromatic circularly polarized X-ray beam in a two-dimensional space,
X-ray modulation means in which spin injection type magnetization reversal elements whose magnetization directions are reversed by spin injection are two-dimensionally arranged;
Element selecting means for selecting the spin injection type magnetization reversal element for reversing the magnetization direction from the two-dimensionally arranged spin injection type magnetization reversal elements;
A magnetization reversal current that inverts the magnetization direction of the spin injection type magnetization reversal element by injecting a magnetization reversal current that is a current for reversing the magnetization direction into the spin injection type magnetization reversal element selected by the element selection means. An injection means,
The element selection means controls the magnetization direction of the spin-injection type magnetization reversal element through the magnetization reversal current injection means to change the absorptance of the spin-injection type magnetization reversal element with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam. Thereby, the intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam incident on the spin-injection magnetization switching element and transmitted through the spin-transfer magnetization switching element is modulated.
単色の円偏光したX線ビームである単色円偏光X線ビームを入射し、入射した前記単色円偏光X線ビームの2次元空間における強度分布を変調するX線空間変調装置であって、
スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子を2次元に配列したX線変調手段と、
前記2次元に配列したスピン注入型磁化反転素子の中から、前記磁化方向を反転させる前記スピン注入型磁化反転素子を選択する素子選択手段と、
前記素子選択手段によって選択したスピン注入型磁化反転素子に前記磁化方向を反転させるための電流である磁化反転電流を注入して、当該スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を反転させる磁化反転電流注入手段と、を備え、
前記素子選択手段は、前記磁化反転電流注入手段を介して前記スピン注入型磁化反転素子の前記磁化方向を制御して前記単色円偏光X線ビームに対する前記スピン注入型磁化反転素子の反射率を変化させることによって、前記スピン注入型磁化反転素子に入射し、当該スピン注入型磁化反転素子を反射する前記単色円偏光X線ビームの強度を変調することを特徴とするX線空間変調装置。
An X-ray spatial modulation device that enters a monochromatic circularly polarized X-ray beam, which is a monochromatic circularly polarized X-ray beam, and modulates the intensity distribution of the incident monochromatic circularly polarized X-ray beam in a two-dimensional space,
X-ray modulation means in which spin injection type magnetization reversal elements whose magnetization directions are reversed by spin injection are two-dimensionally arranged;
Element selecting means for selecting the spin injection type magnetization reversal element for reversing the magnetization direction from the two-dimensionally arranged spin injection type magnetization reversal elements;
A magnetization reversal current that inverts the magnetization direction of the spin injection type magnetization reversal element by injecting a magnetization reversal current that is a current for reversing the magnetization direction into the spin injection type magnetization reversal element selected by the element selection means. An injection means,
The element selection means controls the magnetization direction of the spin injection type magnetization reversal element through the magnetization reversal current injection means to change the reflectivity of the spin injection type magnetization reversal element with respect to the monochromatic circularly polarized X-ray beam. To modulate the intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam incident on the spin-injection magnetization reversal element and reflected by the spin-injection magnetization reversal element.
前記X線変調手段は、基板と、当該基板上にストライプ状に配設された複数の下部電極と、前記下部電極に直交する方向にストライプ状に配設された複数の上部電極とを備え、
平面視で前記下部電極と前記上部電極とが交差する領域において、前記スピン注入型磁化反転素子の両端が前記下部電極と前記上部電極とに電気的に接続して配置され、
前記磁化反転電流注入手段は、前記下部電極と前記上部電極との間に電圧を印加することによって、前記電圧を印加した下部電極と上部電極との間に配置された前記スピン注入型磁化反転素子に前記磁化反転電流を注入することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のX線空間変調装置。
The X-ray modulation means includes a substrate, a plurality of lower electrodes arranged in a stripe shape on the substrate, and a plurality of upper electrodes arranged in a stripe shape in a direction perpendicular to the lower electrode,
In a region where the lower electrode and the upper electrode intersect in plan view, both ends of the spin injection type magnetization reversal element are disposed in electrical connection with the lower electrode and the upper electrode,
The magnetization reversal current injection means is configured to apply a voltage between the lower electrode and the upper electrode, whereby the spin injection magnetization reversal element disposed between the lower electrode and the upper electrode to which the voltage is applied. The X-ray spatial modulation device according to claim 1, wherein the magnetization reversal current is injected into the X-ray spatial modulation device.
前記スピン注入型磁化反転素子は、前記下部電極と前記上部電極との間に、前記下部電極側から順に、磁化方向が固定された強磁性体からなる磁化方向固定層と、非磁性体からなる中間層と、前記磁化反転電流の注入によって前記磁化方向が反転する強磁性体からなる磁化方向可変層とが積層した積層柱状構造を有し、
前記スピン注入型磁化反転素子は前記基板上に立設して配置されるとともに、相隣接する前記スピン注入型磁化反転素子同士は、絶縁層によって相互に電気的及び磁気的に絶縁されていることを特徴とする請求項3に記載のX線空間変調装置。
The spin-injection type magnetization reversal element is composed of a non-magnetic material and a magnetization direction fixed layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in order from the lower electrode side between the lower electrode and the upper electrode. A laminated columnar structure in which an intermediate layer and a magnetization direction variable layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is reversed by injection of the magnetization reversal current are laminated;
The spin injection type magnetization reversal elements are arranged upright on the substrate, and the adjacent spin injection type magnetization reversal elements are electrically and magnetically insulated from each other by an insulating layer. The X-ray spatial modulation device according to claim 3.
前記磁化方向可変層を構成する元素の内殻電子束縛エネルギーに相当する波長の前記単色円偏光X線ビームの強度を変調することを特徴とする請求項4に記載のX線空間変調装置。 5. The X-ray spatial modulation device according to claim 4, wherein the intensity of the monochromatic circularly polarized X-ray beam having a wavelength corresponding to an inner-shell electron binding energy of an element constituting the magnetization direction variable layer is modulated. 前記素子選択手段は、前記磁化方向を反転させるための前記スピン注入型磁化反転素子の選択を時分割で行うことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載のX線空間変調装置。   6. The X-ray according to claim 1, wherein the element selection unit performs time-division selection of the spin injection type magnetization reversal element for reversing the magnetization direction. Spatial modulation device. 単色円偏光X線ビームを生成するX線源と、
請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載のX線空間変調装置と、を備え、
前記X線源が生成する単色円偏光X線ビームを前記X線空間変調装置によって強度変調し、強度変調した変調X線を露光用のX線として用いることを特徴とするX線露光装置。
An X-ray source generating a monochromatic circularly polarized X-ray beam;
An X-ray spatial modulation device according to any one of claims 1 to 6,
An X-ray exposure apparatus characterized in that a monochromatic circularly polarized X-ray beam generated by the X-ray source is intensity-modulated by the X-ray spatial modulation apparatus, and the modulated X-ray subjected to the intensity modulation is used as an X-ray for exposure.
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