JP2010266368A - 走査型リアルタイム顕微システムおよび走査型ｘ線高速描画システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い空間分解能と高い時間分解能と簡便なモニタリングとを兼ね備えた走査型リアルタイム顕微システムを実現する。
【解決手段】走査型リアルタイム顕微システム１０ａは、Ｘ線ビームを照射する光源３と、光源３から照射されたＸ線ビームを集光するゾーンプレート１と、Ｘ線ビームを集光するゾーンプレート１を動かす駆動機構２とを備え、駆動機構２は、ゾーンプレート１に入射するＸ線ビームの進行方向に垂直な方向の周りにゾーンプレート１を回動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線ビームを照射する光源と、光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段とを備えた走査型リアルタイム顕微システムおよび走査型Ｘ線高速描画システムに関する。

従来のＸ線顕微法では、集光法としてゾーンプレート（ＺＰ）を用いるゾーンプレート法（非特許文献１、非特許文献２）と、反射鏡（全反射または多層膜）を用いる反射法とがあり、ゾーンプレート法および反射法それぞれに結像型と（試料を走査させる）走査型とを含んでいる。他に励起電子を結像するズーミング管を用いる方法がある。

図６は、従来の走査型Ｘ線顕微鏡９０ａの構成を示す模式図である。走査型Ｘ線顕微鏡９０ａは、Ｘ線ビームを照射する光源９３を備えている。光源９３から照射されたＸ線ビームは、スリットを通って、円板形状をしたゾーンプレート９１に入射する。ゾーンプレート９１は、入射したＸ線ビームを回折によって試料９６に集光する。試料９６は、図示しない駆動機構によって、ゾーンプレート９１に平行な平面に沿って駆動（走査）される。走査型Ｘ線顕微鏡９０ａは、検出器８９を備えている。検出器８９は、Ｘ線ビームが集光された試料９６からの蛍光Ｘ線収量を検出し、試料走査と同期することで試料９６の元素分布をマッピングする。

図７は、従来の結像型Ｘ線顕微鏡９０ｂの構成を示す模式図である。結像型Ｘ線顕微鏡９０ｂは、Ｘ線ビームを照射する光源９３を備えている。光源９３から照射されたＸ線ビームは、円板形状をしたゾーンプレート９１ａに入射し、試料に集光されて、ゾーンプレート９１ｂに入射し、検出器８９ａにおいて結像する。

図８は、従来の放射光ＳＴＭ用ビーム・試料位置あわせモニター９０ｃの構成を示す模式図である。ＳＴＭ用ビーム・試料位置あわせモニター９０ｃは、Ｘ線ビームを照射する光源９３を備えている。光源９３から照射されたＸ線ビームは、アパーチャ８８を通って試料６に集光され、蛍光板９７に到達して影絵を構成する。ＳＴＭ用ビーム・試料位置あわせモニター９０ｃには、光学顕微鏡ユニット９８が設けられている。光学顕微鏡ユニット９８は、蛍光板９７上の影絵を拡大する。ＳＴＭ用ビーム・試料位置あわせモニター９０ｃは、ＣＣＤユニット９９を備えている。ＣＣＤユニット９９は、光学顕微鏡ユニット９８によって拡大された影絵を検出する。

図９は、従来の走査型電子線描画システム９０ｄの構成を示す模式図である。走査型電子線描画システム９０ｄは、コイル８７ａ・８７ｂを備えている。図示しない電子線源から照射された電子ビームは、コイル８７ａ・８７ｂを通って偏向されて試料９６に照射され、試料９６に回路パターン８６（配線など）を描画する。

「Evidence for various calcium sites in human hair shaft revealed bysub-micrometer X-ray fluorescence」,C. Merigoux 他, Biochimica et Biophysica Acta 1619 (2003) 53-58 「Synchrotron-induced X-ray microfluorescence on single cells」, Sylvain Bohic 他, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 181 (2001) 728-733

走査型は（試料を走査）、ゾーンプレート法であると反射法であるとを問わず、光源サイズ（１００ｎｍ程度）に比べてはるかにサイズの広い試料範囲（１０〜５００μｍ程度）を走査するため、原理的に短時間での観察が不可能という問題がある。たとえば図６に示すゾーンプレート法による試料走査型の構成では、試料走査に時間がかかるため、原理的に短時間での観察が不可能である。結像型の場合も、図７に示すゾーンプレート法では、複数のゾーンプレートとＸ線ＣＣＤ（前者は各数百万円、後者は数百〜数千万円と、ともに極めて高価）が必要になるという問題がある。図７のＺＰを集光鏡に置き換えた構成では、Ｘ線ＣＣＤに加えて、やはりサイズの非常に大きいミラー（数１０ｃｍ程度）について、極めて繊細で大がかりな集光調整が必要になるという問題がある。さらに、ズーミング管は、放出電子の結像系（電磁レンズ）に高額な費用が必要であり、大掛かりな装備を要するという問題がある。

図８に示す従来の放射光ＳＴＭ用ビーム・試料位置あわせモニター９０ｃの構成では、試料のエッジによる回折は波長λに比例し、回折ボケで輪郭が大きく損なわれるため、軟Ｘ線には使用することができないという問題がある。また、現状の最小ビーム直径１０μｍよりも小さなビームを用いる場合、光学顕微鏡の分解能で制限されて、それ以上の分解能は対処できないという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い空間分解能と高い時間分解能と簡便なモニタリングとを兼ね備えた走査型リアルタイム顕微システムおよび走査型Ｘ線高速描画システムを実現することにある。

本発明に係る走査型リアルタイム顕微システムは、Ｘ線ビームを照射する光源と、前記光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段と、前記Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かす駆動手段とを備えたことを特徴とする。

この特徴により、Ｘ線ビームの集光手段が試料よりもはるかにコンパクト・高速でかつ、駆動手段によって動かされるので、試料を動かす従来の構成では得られなかった高い空間分解能と高い時間分解能と簡便なモニタリングとをすべて兼ね備えた走査型リアルタイム顕微システムを実現することができる。

本発明に係る走査型リアルタイム顕微システムでは、前記集光手段は、回折によりＸ線ビームを集光するＺＰを含むことが好ましい。

上記構成によれば、より小型の構成でＸ線ビームを集光・走査する集光手段を構成することができる。

本発明に係る走査型リアルタイム顕微システムでは、前記駆動手段は、ピエゾ素子を含むことが好ましい。

上記構成によれば、より簡単な構成により、Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かす駆動手段を構成することができる。

本発明に係る走査型リアルタイム顕微システムでは、前記駆動手段は、前記ＺＰに入射するＸ線ビームの進行方向に垂直な方向の周りに（つまりビーム進行方向に対してはピッチとヨウの方向）前記ＺＰを回動させることが好ましい。

上記構成によれば、より簡単な構成により、Ｘ線ビームを集光するＺＰを動かすことができる。

本発明に係る走査型リアルタイム顕微システムでは、前記集光手段は、前記Ｘ線ビームを試料に集光した上で走査し、前記走査型リアルタイム顕微システムは、前記ビームの試料による透過コントラストを得る蛍光板と、前記蛍光板上の透過コントラスト像を拡大する光学顕微鏡ユニットとをさらに備えることが好ましい。

上記構成によれば、試料の透過コントラスト像を拡大して見ることができる。

本発明に係る走査型Ｘ線高速描画システムは、Ｘ線ビームを照射する光源と、前記光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段と、前記Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かして前記Ｘ線ビームにより試料に描画する駆動手段とを備えたことを特徴とする。

この特徴によれば、Ｘ線ビームを集光する集光手段が駆動手段によって動かされるので、サイズのはるかに大きな試料を動かす従来の構成では得られなかった高い空間分解能と高い時間分解能と簡便なモニタリングとをすべて兼ね備えた走査型Ｘ線高速描画システムを実現することができる。

本発明に係る走査型リアルタイム顕微システムは、光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段と、前記Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かす駆動手段とを備えているので、試料を動かす従来の構成では得られなかった高い空間分解能と高い時間分解能と簡便なモニタリングとをすべて兼ね備えた走査型リアルタイム顕微システムを実現することができる。

本発明に係る走査型Ｘ線高速描画システムは、光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段と、前記Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かして前記Ｘ線ビームにより試料に描画する駆動手段とを備えているので、試料を動かす従来の構成では得られなかった高い空間分解能と高い時間分解能と簡便なモニタリングとをすべて兼ね備えた走査型Ｘ線高速描画システムを実現することができる。

実施の形態に係る走査型リアルタイム「顕微システム」の構成を示す模式図である。 上記走査型リアルタイム顕微システムに設けられた駆動機構の具体例の構成を示す模式図である。 上記走査型リアルタイム顕微システムに設けられ得るＯＳＡを説明するための模式図である。 実施の形態に係る走査型Ｘ線高速「描画システム」の構成を示す模式図である。 実施の形態に係る、ただし既存の走査型顕微システムに設けられた集光ミラーシステムの構成を示す模式図である。 従来の走査型Ｘ線顕微鏡の構成を示す模式図である。 従来の結像型Ｘ線顕微鏡の構成を示す模式図である。 従来の放射光ＳＴＭ用ビーム・試料位置あわせモニターの構成を示す模式図である。 従来の走査型電子線描画システムの構成を示す模式図である。

本発明の一実施形態について図１ないし図２、４に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、実施の形態に係る走査型リアルタイム顕微システム１０ａの構成を示す模式図である。走査型リアルタイム顕微システム１０ａは、Ｘ線ビームを照射する光源３を備えている。光源３から照射されたＸ線ビームは、円板状のゾーンプレート１に入射する。

走査型リアルタイム顕微システム１０ａには、駆動機構２が設けられている。駆動機構２は、ピエゾ素子の伸縮運動により、ゾーンプレート１に入射するＸ線ビームの進行方向に垂直な方向の周りにゾーンプレート１を高速で回動させる。

駆動機構２は、Ｘ線ビームの進行方向に垂直な平面上においてゾーンプレート１を２次元走査してもよい。この具体構成を図２を参照して説明する。図２は、駆動機構の具体例の構成を示す模式図である。駆動機構２は、チューブ形状をした中空円筒状のピエゾ素子２ａによって構成されている。ゾーンプレート１は、ピエゾ素子２ａの先端に取り付けられている。

ピエゾ素子２ａの中心軸に垂直な方向に沿って電圧を印加することにより、ピエゾ素子２ａが首振り運動をし、ゾーンプレート１は高速で２次元走査される。この構成によれば、５０ｋＨｚを超える高速走査も十分に可能である。

なお、ピエゾ屈曲によりＸ線ビームからゾーンプレート（ＺＰ）１が外れる懸念は２つの理由で完全に否定できる。１つは、焦点距離（３〜１０ｃｍ）に対して集光サイズが小さい（さらに集光ビームの走査範囲が小さい）ため、実際にゾーンプレート１が振れる角度はＸ線ビームからゾーンプレート１が外れない程度に小さいことである。図２では誇張して書いたため、ピエゾの首振り角度が大きく見えるが、実際には仮に焦点距離３ｃｍに対して集光ビームの走査範囲が最大３０μｍとしても最大１ｍｒａｄつまり０．０６度であり、標準的ピエゾ５ｍｍ長に対して首の振れる距離は５μｍである。もう１つは、入射Ｘ線ビームがピエゾ素子２ａの首振りの範囲をカバーして大きいこと（通常、試料位置でφ０．５ｍｍ程度）、である。
この際、逆に、最大走査範囲が±０．０６度と小さいことから、角度走査の分解能を問われるかもしれないが、むしろピエゾは既に実用されているＳＴＭから分かる通り、原子スケールの位置分解能を有している。この（分解能という）点から見ても０．０６度を１００分割する程度の分解能は容易に達成可能であり、本実施の形態の構成が妥当であることが理解できる。

ゾーンプレート１は、入射したＸ線ビームを回折によって試料６に集光する。走査型リアルタイム顕微システム１０ａには、試料のすぐ下流に蛍光板７が設けられている。

図３は、蛍光板７の直前に置かれるピンホール（ＯＳＡ（Order Sorting Aperture））１３を説明するための模式図である。通常、ゾーンプレート１の集光ビームの回りには直接光の成分と回折光とが現れ（リング状のゴーストと考えてよい）、邪魔になる。これらを除くため、重元素（Ｘ線が透過しないＴａ、Ｗ、Ｐｔ等）により構成したピンホール１３を形成する。サイズは、穴がφ１０μｍ程度、つまりＯＳＡ全体は１〜２ｍｍ程度かそれ以下であり、重量はピンホール自体よりも、そのリングをはめ込んで支える枠、が主である。穴を形成したＯＳＡ１３を置く場所は、ＺＰの仕様（集光サイズやＸ線波長）に依存するが、集光点の近くつまり、蛍光板７の直前に配置する。

ＯＳＡは、場合により、あちこち動く集光点と一緒に動く必要がある。その場合、ピエゾ素子２ａとゾーンプレート１との下流に、少し離して穴を有するＯＳＡ１３も固定し、一緒に動く形にする。技術的には困難でなく、上記のピエゾ素子２ａに円筒状の延長ジグを設け、その先にＯＳＡを固定する。これにより、ピエゾ素子２ａと同調して先端のＯＳＡが移動する。あるいは、ＯＳＡを新たなピエゾ素子に固定し、それをピエゾ素子２ａと同期制御することで、ゾーンプレート１とＯＳＡを同調して制御することが可能である。

ただし、ＯＳＡで除去する対象は直接光と低次回折光なので（これらは集光点を中心として、そこから離れて円周上に存在する）、あちこち動く集光点と一緒に必ずしもＯＳＡが動かなくてよいケースが多く、試料近くにＯＳＡを固定すれば済むケースも多い。また、ＯＳＡの不要なＺＰも存在する。

蛍光板７上には、試料６の透過コントラスト像が得られる。走査型リアルタイム顕微システム１０ａは、光学顕微鏡ユニット８およびＣＣＤユニット９を備えている。光学顕微鏡ユニット８は、蛍光板７上の透過コントラストを拡大する。ＣＣＤユニット９は、光学顕微鏡ユニット８によって拡大された透過コントラスト像を検出する。

本実施の形態では、ピエゾ駆動を用いてゾーンプレート１を高速制御することにより、Ｘ線マイクロビームを走査し、その下流に置いた蛍光板７を光学顕微鏡ユニット８で観察する。これにより、従来の電子銃によるブラウン管と同様に、簡便に像を構成する。この結果、特殊な検出器に頼らず（光学顕微鏡のみを用い、Ｘ線ＣＣＤは不要）、大がかりな結像系（電磁レンズ等）も複雑な調整も不要であり、簡便でコンパクトな装備により試料を置くだけで顕微観察ができるシステムを構築することができる。

本実施の形態では、ゾーンプレート１をピエゾ駆動で制御し、Ｘ線集光ビームを高速２次元走査する。顕微法として用いる場合には、試料下流においた単結晶の蛍光板７によって試料６の透過コントラストを得る。この蛍光板７上の像を、光学顕微鏡ユニット８によって拡大して通常の光学ＣＣＤユニット９で画像化する。このシステムの分解能は、Ｘ線ビーム径と光学顕微鏡ユニットで決まる。蛍光板７が粉体でない点が重要である。なぜならば、蛍光粉末は粒径がすでに数μｍあり、これが空間分解能を悪化させるからである。

本実施の形態では、図１に示すように、ピエゾ駆動を用いたＺＰ走査制御により、Ｘ線マイクロビームを高速走査し、その下流に置いた蛍光板７を光学顕微鏡ユニット８で観察することによって、従来の電子銃によるブラウン管と同様に、簡便に像観察を行う。この結果、特殊な検出器（Ｘ線ＣＣＤ等）に頼らず、大がかりな結像系（電磁レンズ等）も要らず集光鏡のような複雑な光学調整も不要であり、簡便でコンパクトな装備により試料を置くだけで顕微観察ができるシステムを構築する。

本システムが顕微法として好適となるのは、光学顕微鏡の限界程度の高い空間分解能が必要な場合、リアルタイム観察を要する場合、またいわゆる「肉眼」でなく透過コントラストを必要とする場合、さらに試料回りで大掛かりな装備を嫌う、といった場合である。

ここで１つの留意点は、光学顕微鏡の原理上、本システムの空間分解能は１００ｎｍを切るような用途ではない、ということである。しかし、世の中のニーズは究極的な高分解能だけを必要とするわけではない。たとえば図１で得られる像サイズが、従来（図８）のサイズと同等な場合でも（例えば、ともにφ１０μｍの場合）、それが微小ビーム（φ１００ｎｍ）を走査した結果であれば、従来の「ベタ当てビーム」による像と全く異なる意義を持つことは明らかである。なぜなら像の確認後、所定の座標へ微小ビームの位置決めが１００ｎｍのオーダーで可能だからである。特に描画では、この点が役に立つ。

他に好例は、放射光ＳＴＭシステムで用いられるモニターシステムである。超高真空槽の中であり、装置の空間上の制約から、大掛かりな装備は邪魔となる。さらに肉眼で見えないＸ線と微小な試料・探針との間の位置調整を行う必要があり、リアルタイム観察は必須である。その他、Ｘ線に関わる微細な調整を短時間で行う必要がある局面は多々、存在する。

図４は、実施の形態に係る走査型Ｘ線高速描画システム１０ｃの構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。走査型Ｘ線高速描画システム１０ｃは、Ｘ線ビームを照射する光源３を備えている。光源３から照射されたＸ線ビームは、円板状のゾーンプレート１に入射する。

走査型Ｘ線高速描画システム１０ｃには、駆動機構２が設けられている。駆動機構２は、ピエゾ素子の伸縮運動により、ゾーンプレート１に入射するＸ線ビームの進行方向に垂直な方向の周りにゾーンプレート１を回動させる。ゾーンプレート１は、入射したＸ線ビームを回折によって試料に集光し、試料に回路パターン１６を描画する。

本実施の形態は、観察（顕微法）だけでなく、作製（Ｘ線マイクロビームを用いたパターン描画システム）への応用も可能である。従来から現在に至るまで、電子回路等の微細なパターン作製ではまず電子線描画によりマスクを作製し、その後、露光とエッチング等のプロセスを経る形で行われている。つまり前半は電子線、後半は光プロセスである。後者の光プロセスでは、より微細な構造を作るため光の短波長化が進められており、将来的にＸ線露光も有力な手段として開発が進んでいる。この場合、電子線描画における高価で大掛かりな電磁レンズ系（高真空中）が本システムにより不要となるだけでなく、本実施の形態を用いることで、マスク描画から露光までのプロセスを一貫してＸ線により行うことが可能となる。

微細化の精度については「ＺＰによるＸ線の集光ビーム径」と「ＺＰ走査精度」によって決まる。「ＺＰによるＸ線の集光ビーム径」は、すでに５０ｎｍ以下の径が実現されている（世界記録は１０ｎｍ）。これは光源がＸ線であるため、可視光の回折限界よりもはるかに微小なサイズを実現できる利点といえる。一方、後者の走査精度についても、本実施の形態では、ＳＴＭと同様な、ピエゾアクチュエータを用いる。ＳＴＭではすでに「原子分解能（〜０．１ ｎｍ）」が実現され、かつ汎用的に実用されていることから、１００ｎｍスケールの制御はまったく問題なく行われる。またビーム走査という点についても（走査速度や往復の周期などの概念）、すでに確立されているブラウン管の概念を適用可能であることも本実施の形態の実現には有利な事象である。

図５は、実施の形態に係る、既存の走査型顕微システムに設けられた集光ミラーシステムの構成を示す模式図である。ゾーンプレート１の代わりにミラーシステム１１を設けて、Ｘ線ビームを集光してもよい。ただし上述の通り、ミラーシステムの高空間分解かつ高速な制御はＺＰを用いるシステムに比べて現状では極めて高い技術水準を要求され、かつ煩雑である。ミラーシステム１１は、垂直方向を向いた凹曲面を有するミラー１２ａと、水平方向を向いた凹曲面を有するミラー１２ｂとを備えている。光源から照射されたＸ線ビームは、ミラー１２ａの凹曲面で全反射した後、ミラー１２ｂの凹曲面で全反射して２次元集光される。

以上のように本実施の形態によれば、ＺＰを高速で走査することにより、５００ｎｍ以下の高空間分解能かつ数１０ｍｓｅｃ／１画面のリアルタイムで、試料を置くだけの極めて簡便な顕微観察をすることができる。また、このシステムにより、Ｘ線描画パターンの制御も可能になる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、Ｘ線ビームを照射する光源と、光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段とを備えた走査型リアルタイム顕微システムおよび走査型Ｘ線高速描画システムに適用することができる。

１ ゾーンプレート（集光手段）
２ 駆動機構（駆動手段）
３ 光源
６ 試料
７ 蛍光板
８ 光学顕微鏡ユニット
９ ＣＣＤユニット
１０ａ 走査型リアルタイム顕微システム
１１ ミラーシステム
１２ａ、１２ｂ ミラー

Claims (7)

1. Ｘ線ビームを照射する光源と、
   前記光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段と、
   前記Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かす駆動手段とを備えたことを特徴とする走査型リアルタイム顕微システム。
2. 前記集光手段は、回折によりＸ線ビームを集光するＺＰを含む請求項１記載の走査型リアルタイム顕微システム。
3. 前記駆動手段は、ピエゾ素子を含む請求項１記載の走査型リアルタイム顕微システム。
4. 前記駆動手段は、前記ＺＰに入射するＸ線ビームの進行方向に垂直な方向の周りに前記ＺＰを回動させる請求項２記載の走査型リアルタイム顕微システム。
5. 前記集光手段は、前記Ｘ線ビームを試料に集光し、
   前記走査型リアルタイム顕微システムは、
   前記試料の透過コントラスト像を得る蛍光板と、
   前記蛍光板上の透過コントラスト像を拡大する光学顕微鏡ユニットとをさらに備える請求項１記載の走査型リアルタイム顕微システム。
6. 前記集光手段は、前記Ｘ線ビームを全反射させるミラーシステムを含む請求項１記載の走査型リアルタイム顕微システム。
7. Ｘ線ビームを照射する光源と、
   前記光源から照射されたＸ線ビームを集光する集光手段と、
   前記Ｘ線ビームを集光する集光手段を動かして前記Ｘ線ビームにより試料に高速描画する駆動手段とを備えたことを特徴とする走査型Ｘ線高速描画システム。

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