JP2013024630A - Ｘ線光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の任意の微小領域にＸ線を照射することがでる、小型で簡易な構成のＸ線光学システムを提供する。
【解決手段】 Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射されるＸ線を照射する試料を支持するための試料ホルダーとを有し、Ｘ線導波路が物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコアとクラッドからなり、コアが屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造からなり、周期構造が導波路のＸ線の導波方向に垂直な面内において１次元または２次元の屈折率実部の周期性を有し、周期構造におけるＸ線に対する周期性に起因するブラッグ角が、コアとクラッドの界面における全反射臨界角よりも小さく、周期構造をなす複数の物質に存在する界面での全反射臨界角よりも大きい構成からなるＸ線光学システム。
【選択図】 図９

Description

本発明はＸ線光学システムに関し、特にＸ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系に用いるＸ線光学システムに関するものである。

数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が１０^−４以下と非常に小さく、例えば全反射角が非常に小さくなる。そのために、Ｘ線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられてきており、今でもなお主流となっている。空間光学系をなしている主な部品として、異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡や結晶ミラー、全反射ミラーなどがある。これらはビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。

Ｘ線を用いたイメージング技術などにおいて試料にＸ線を照射する方法として、試料の広い領域に断面積の大きなＸ線ビームを一度に照射する場合と、集光光学系により形成されたＸ線の微小スポットを試料の微小領域に照射する場合がある。後者の場合は、湾曲した全反射ミラーやフレネルゾーンプレートにより空間中の伝搬Ｘ線を集光し、集光点に形成されるＸ線の微小スポットが試料表面や試料中に形成されるように、Ｘ線を試料の局所領域に照射するものである。その具体的なシステムとして、特許文献１には、集光素子としてガイドチューブ（ポリキャピラリ）を用いてＸ線を集光して試料に照射するものが提案されている。また、他の集光素子として、特許文献２には、単層導波路の面内において、導波するＸ線の位相を制御する位相シフト領域を設けた面内型のフレネルゾーンプレートの原理を用いたＸ線導波路が提案されている。

特開２００２−３２８１０２号公報 特開２０１０−２５６６２号公報

しかしながら、特許文献１のポリキャピラリを用いたガイドチューブを集光素子とした光学システムでは、集光素子が大きいためシステムそのものが大型となることや、集光スポットを小さくできない、試料に照射されるＸ線ビームのコヒーレンスが低いなどの問題がある。

また、特許文献２のフレネルゾーンプレートの原理を用いたＸ線導波路では、Ｘ線の導波方向および導波路素子の面に垂直な方向における、導波路のコアのサイズが小さいのでＸ線ビームの強度が小さいものとなる。また、面内型のフレネルゾーンプレートの原理を用いたＸ線導波路の作製過程自体が複雑なものとなる。

集光素子を用いてＸ線の微小スポット領域を形成する方法を用いた光学系には、上記のような課題が存在する。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、試料の任意の微小領域にＸ線を照射することがでる、小型で簡易な構成のＸ線光学システムを提供するものである。

上記の課題を解決するＸ線光学システムは、Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射されるＸ線を照射する試料を支持するための試料ホルダーとを有するＸ線光学システムであり、前記Ｘ線導波路が物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコアとクラッドからなり、前記コアが屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造からなり、前記周期構造が導波路のＸ線の導波方向に垂直な面内において１次元または２次元の屈折率実部の周期性を有し、前記周期構造におけるＸ線に対する前記周期性に起因するブラッグ角が、前記コアとクラッドの界面における全反射臨界角よりも小さく、前記周期構造をなす複数の物質に存在する界面での全反射臨界角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、試料の任意の微小領域にＸ線を照射することがでる、小型で簡易な構成のＸ線光学システムを提供することができる。

本発明におけるＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。 本発明におけるＸ線導波路の他の実施態様を示す概略図である。 本発明におけるＸ線導波路の他の実施態様を示す概略図である。 本発明におけるＸ線導波路中の導波モードの基本波の波数ベクトルを説明する図である。 本発明におけるＸ線導波路中の導波モードの損失に関するグラフである。 本発明におけるＸ線導波路中と、周期共鳴導波モードの電場分布を説明する図である。 本発明におけるＸ線導波路から出射されるＸ線の遠視野領域における電場強度を回折角に対して表したグラフである。 本発明におけるＸ線導波路から出射されるＸ線の遠視野領域における電場強度を位置に対して表したグラフである。 本発明のＸ線光学システムの一実施態様を表す概略図である。 本発明の実施例１にかかるＸ線光学システムを表す概略図である。 本発明の実施例２にかかるＸ線光学システムを表す概略図である。 本発明の実施例２におけるＸ線導波路のコアの周期構造の一部を表す概略図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明のＸ線光学システムは、Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射されるＸ線を照射する試料を支持するための試料ホルダーとを有するＸ線光学システムである。

前記Ｘ線導波路が物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコアとクラッドからなる。また、前記コアが屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造からなり、前記周期構造が導波路のＸ線の導波方向に垂直な面内において１次元または２次元の屈折率実部の周期性を有している。さらに、前記周期構造におけるＸ線に対する前記周期性に起因するブラッグ角が、前記コアとクラッドの界面における全反射臨界角よりも小さく、前記周期構造をなす複数の物質に存在する界面での全反射臨界角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明のＸ線光学システムは、Ｘ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系において、試料の任意の微小領域にＸ線を照射しうる、小型で簡易な構成のＸ線光学システムである。

本発明において、Ｘ線とは物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波である。具体的には、本発明におけるＸ線とは、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。またこのような短い波長の電磁波の周波数には、非常に高く物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）

で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の

を用いて表される。δは物質の電子密度ρ_ｅに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部は、

となる。さらに、ρ_ｅは原子密度ρ_ａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。

本発明において導波モードの位相がそろうということは、導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることをも意味する。

本発明のＸ線光学システムを構成するＸ線導波路は、コアとクラッドの界面における全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させるものであり、Ｘ線の導波方向は直交座標系を用いてｚ方向と定義する。本発明のＸ線導波路において、コアとクラッドの界面付近におけるコアの屈折率実部がクラッドの屈折率実部より大きく、コアとクラッドの界面における全反射臨界角よりも小さい角度でコアとクラッドの界面に突入するＸ線は、この界面で全反射されてコア中に閉じ込められる。このときの全反射臨界角を、導波方向に平行かつコアとクラッドとの界面に垂直な面内における界面の角度として、θ_Ｃと表す。
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎ_ｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎ_ｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θ_Ｃ（°）は、ｎ_ｃｌａｄ＜ｎ_ｃｏｒｅとして、下記の式（２）

で表される。ただし、本発明におけるＸ線導波路のコアは、周期構造でありその周期、要素構造が非常に小さい。そのために、式（２）におけるｎ_ｃｏｒｅは、クラッドとコアの界面におけるコア側の物質の厳密な屈折率実部に等しいわけではなく、厳密な屈折率実部と周期構造全体での平均的な屈折率実部との間の値をとると考えることができる。

また本発明のＸ線導波路は、Ｘ線の導波方向に垂直な面において、クラッドがコアを挟むように、またはクラッドがコアを取り囲むように、クラッドとコアが配置されている構成からなる。図１は、本発明におけるＸ線導波路の一実施態様を示す概略図である。図１は、クラッドがコアを挟むように構成されている場合の例を表す。図は、ｚ方向として本明細書中で定義した導波方向に垂直な面における、導波路の断面図であり、コア１０１をクラッド１０２とクラッド１０３が挟んで導波路を構成している。このことにより、クラッドとコアの界面で全反射臨界角以下で反射するＸ線を全反射により、１次元方向においてコアに閉じ込めてＸ線を導波することが可能である。

図２は、本発明におけるＸ線導波路の他の実施態様を示す概略図である。図２は、クラッドがコアを取り囲むように配置されている場合の例を説明する図である。図２は、Ｘ線の導波方向であるｚ方向に垂直な面すなわち、図中ｘ−ｙ面に平行な面でのＸ線導波路の断面を表す例である。Ｘ線の導波方向に垂直な面においてクラッドがコアを取り囲むということは、コア２０１中の任意の一点である点Ａとコア２０１外の任意の一点である点Ｂを結ぶ線分ＡＢを基準として、線分ＡＢと角度ψをなす半直線をＡＣとした場合、０°から３６０°のすべてのψに対して、半直線ＡＣがクラッド２０２と交わるということを意味する。このことにより、クラッドとコアの界面で全反射臨界角以下で反射するＸ線を全反射により、２次元方向においてコアに閉じ込めてＸ線を導波することが可能である。

本発明におけるＸ線導波路のコアは、屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配置されたものである。このようなＸ線導波路において、周期性の影響が大きい周期共鳴導波モードが存在する。本明細書中において周期共鳴導波モードとは、Ｘ線の周期構造による多重回折の結果、Ｘ線が周期構造と強く共鳴する導波モードである。周期共鳴導波モードは、周期構造と共鳴するモードであり、周期構造が１次元のものであれば１次元の、２次元のものであれば最大で２次元の、３次元のものであれば最大で３次元のブラッグ回折に関係するものとなる。

また本発明のＸ線導波路のコアとクラッドは、導波方向に垂直な少なくとも一つの方向における、周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、クラッドとコアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角よりも、小さくなるように構成されている。このことにより、ブラッグ回折に起因する周期構造と共鳴する導波モードをコアとクラッドの界面における全反射によりコアに閉じ込め、周期共鳴導波モードを形成することができる。

図３は、本発明におけるＸ線導波路の他の実施態様を示す概略図である。図３は、１次元の周期構造の場合の例を示す。Ｘ線の導波方向は図中ｚ方向であり、図３は本例のＸ線導波路の一部を示すものである。コア３０１は屈折率実部が小さい物質からなる低屈折率実部層３０４と屈折率実部が大きい物質からなる高屈折率実部層３０５からなる要素構造３０３が周期ｄで周期的にｙ方向に複数積層された構造で、１次元周期構造となっている。ｙ方向において、クラッド３０２がコア３０１を挟みこむように配置されている。ｙ方向においてＸ線に対する周期性の影響が最も強くなる。３０６はコア３０１とクラッド３０２の界面においてこの界面から測られた全反射臨界角θ_Ｃを示しており、この全反射臨界角θ_Ｃよりも小さな角度で界面において反射されるコア中のＸ線は全反射され、ｙ方向において閉じ込められることになる。このようにして閉じ込められたＸ線は、ｙ−ｚ面に平行な方向において導波モードを形成し、それぞれの導波モードの基本波はそれぞれ異なる有効伝搬角度

をもつ。

図４は、本発明におけるＸ線導波路中の導波モードの基本波の波数ベクトルを説明する図である。図４に示すように、コア中での各導波モードの波数ベクトルのｚ成分、つまり伝搬定数をｋ_ｚ、真空中での波数ベクトルをｋ_０とした場合、有効伝搬角度

を、

と定義する。つまり、有効伝搬角度

は、おおよそ導波モードの基本波と導波方向のなす角度であると考えることができる。そして、形成される各導波モードの基本波はコアとクラッドとの界面においてほぼ有効伝搬角度

で反射されるものと考えることができ、目的とする導波モードを形成するためには、その有効伝搬角度

がθｃよりも小さくなくてはならないことがわかる。

本明細書中の基本波とは、導波モードを形成している電磁波を一般化して一つの平面波として考えた場合に、導波方向（ｚ方向）に対して、有効伝搬角度

で伝搬すると仮定される電磁波のことである。また、図４中において、導波方向（ｚ方向）と垂直な方向における基本波の波数ベクトルを波数ベクトルの垂直成分ｋ⊥と称することとする。本発明のＸ線導波路において用いる導波モードは周期共鳴導波モードであり、この周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は周期構造の周期性に起因するブラッグ角θ_Ｂに近い値となる。そのため、周期共鳴導波モードを形成するためには、周期構造の周期性に起因するブラッグ角が、クラッドとコアの少なくとも１つの界面における全反射臨界角θ_Ｃよりも小さくなるなるように、クラッドとコアの構成は、θ_Ｂ＜θ_Ｃという条件を満たさなくてはならない。

さらに、要素構造をなす異なる屈折率実部をもつ物質界面においてＸ線が、全反射されてはならない。つまり、要素構造をなす異物質界面での全反射臨界角をθ_{Ｃ−ｍｕｌｔｉ}とした場合、θ_{Ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂでなくてはならない。

以上のように、本発明のＸ線導波路は、特定の方向において、θ_Ｂ＜θ_Ｃおよびθ_{Ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂを満たすように、各物質が選択され、構成されている。このことにより、周期共鳴導波モードを形成してＸ線を導波することができる。

図５は、本発明におけるＸ線導波路中の導波モードの損失に関するグラフである。図５は例として、周期構造の周期数が２５の場合の図４の構成のＸ線導波路中に形成される導波モードの損失を、各導波モードのもつ有効伝搬角度に対してプロットしたグラフである。導波モードの損失は伝搬定数の虚部Ｉｍ［ｋｚ］に比例するので、縦軸をＩｍ［ｋｚ］としてある。５０２はブラッグ反射の角度帯域に相当し、５０３は導波モードのもつ有効伝搬角度帯域、５０４はクラッドとコアとの界面での全反射臨界角を超える放射モードの角度帯域に相当する。周期共鳴導波モードの損失５０１は周期共鳴導波モードの有効伝搬角度周辺の有効伝搬角度を有する他の導波モードの損失に比較して非常に小さくなる。そのため、θ_Ｂ＜θ_Ｃおよびθ_{Ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂを満たす構成のＸ線導波路中において、周期共鳴導波モードが導波モードとして支配的なものとなり、非常に損失の小さいＸ線の導波が可能である。

本発明では周期構造を利用することによりコアの領域を大きくすることができるとともに、より損失の低い周期共鳴導波モードを特定の方向における単一の導波モードとして形成することができる。本明細書中で、モードにかかる「単一の」という表現の意味するところは、他のモードに比較して最も選択されやすいため、単一に近いとかほぼ単一ということに相当し、いくつかのモードの中で一つが支配的になるということである。

図６は、本発明におけるＸ線導波路中と、周期共鳴導波モードの電場分布を説明する図である。図６（ａ）では、コア６０１が屈折率実部の大きい物質（屈折率虚部が小さい物質）６０４と屈折率実部が小さい物質（屈折率虚部が大きい物質）６０３からなる要素構造６０５が１次元周期的に積層されたものからなる。図６（ａ）は、前記コア６０１として、コア６０１を挟み込むクラッド６０２が設けられたＸ線導波路の例であり、θ_Ｂ＜θ_Ｃおよびθ_{Ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂを満たすように構成されている。また図６（ａ）は、構成がわかりやすいように、、周期構造の周期数が少ない場合を描いたものである。

図６（ｂ）のグラフは、図６（ａ）のＸ線導波路中に形成される周期共鳴導波モードの電場の実部の分布を実線６０６で表す図であり、ｙ軸は図６（ａ）と対応させてある。図６からわかるように、周期共鳴導波モードの電場は、コア６０１中の屈折率実部が大きい物質６０３つまり吸収損失の小さい物質中に集中する。この際、電場の位相はｙの変化に伴い、周期構造の周期と同期して変化し、＋πと−πの間で周期的に変化し、屈折率虚部が大きい物質中において位相が０となる。すなわち、周期共鳴導波モードは空間的に位相がそろった導波モードであるということができる。また、図６（ｂ）中の点線６０７で表わされる周期共鳴導波モードの電場分布の包絡関数は、コア中央付近でより電場が強くなることを示す形状となり、、クラッドへのしみ出しが小さくなり、より損失が下がるものとなる。また、周期数を増やすことによりクラッドへの染み出しをより低減することができる。これらにより、周期共鳴導波モードの損失は非常に小さいものとなる。導波方向に垂直な方向において導波路の構成がより対称性の高いものであれば、図６（ｂ）のように、周期共鳴導波モードの包絡曲線はコア中央付近で電場が大きくなることを示す形状となるが、導波路の構成を対称構造からずらすことにより、電場の大きくなる位置をコア中で変化させることも可能である。

周期共鳴導波モードとして伝搬するＸ線が導波路の端面から出射された場合、その出射Ｘ線の発散角は非常に小さくなる。図７は、本発明におけるＸ線導波路から出射されるＸ線の遠視野領域における電場強度を回折角に対して表したグラフである。図７は、例として、周期１８ナノメートルで周期数５０の１次元周期構造をコアとするＸ線導波路から出射されるＸ線の遠視野領域での電場強度を発散角に対してグラフ化したものを示す。７０１、７０２が遠視野領域で得られる電場強度分布の主ピークであり、それぞれの半値幅は約０．０１５°であり、非常に小さな発散角となる。このことにより、周期共鳴導波モードを形成可能なＸ線導波路を用いれば、特別な集光光学系を用いなくても十分小さな領域を照射可能なＸ線を形成することができることがわかる。

図８は、本発明におけるＸ線導波路から出射されるＸ線の遠視野領域における電場強度を位置に対して表したグラフである。図８には、同様のＸ線導波路から出射されるＸ線が、導波路の出射端面から距離１センチメートルでのｙ方向での電場分布を示す。出射されるＸ線の発散角が小さいことにより、出射端面から遠視野領域まで離れた距離においても、出射Ｘ線のピークの半値幅は数マイクロメートルと、非常に微小なものとなる。例えば、このＸ線を距離１センチメートルの試料に直接照射することにより、試料の微小領域だけを照射することができることになる。

Ｘ線の導波方向に垂直な面内における周期構造が２次元的なものである場合は、１次元の場合と同様の考え方により、２次元の周期性に起因する２次元方向で制御された周期共鳴導波モードを形成することができる。この場合、周期構造の周期性が２次元であるので、形成可能な周期共鳴導波モードは１次元、または２次元の方向で制御されたものである。導波モードの励起の仕方にもよるが、特に、コアを取り囲むようにクラッドを配置し、２次元方向においてＸ線をコアに閉じ込める場合には、２次元の周期共鳴導波モードが導波モードとして支配的になる。２次元の周期共鳴導波モードは、１次元の周期共鳴導波モードの場合と同様に、導波方向に垂直な面内において、周期構造の屈折率実部が大きい物質中に、より集中する電場分布を有し、この分布は周期構造の２次元の周期性に一致した周期性をもつものとなる。１次元の周期共鳴導波モードの電場の遠視野パターンは、周期構造の周期性のある方向と同じ１次元の方向において、発散角が非常に小さなものとなる。２次元の周期共鳴導波モードの電場の遠視野パターンは、周期構造のもつ２次元の周期性に依存するので、遠視野領域において、導波方向に垂直な面内で２次元方向において非常に小さな発散角をもつ。これは、導波路からの出射Ｘ線が遠視野領域のｘ−ｙ面内で小さなスポット状の電場分布をもつことを意味し、試料の任意の微小領域にＸ線を照射可能であることを意味する。

図９は、本発明のＸ線光学システムの一実施態様を表す概略図である。本発明のＸ線光学システムは、上記のＸ線導波路９１６と、前記Ｘ線導波路から出射されるＸ線を照射する試料９０８を支持するための試料ホルダー９０９とを有することを特徴とする。試料ホルダー９０９には、試料ホルダー９０９の位置を制御する試料駆動手段９１０が設けられている。試料駆動手段９１０は、入射Ｘ線９０１が入射したＸ線導波路９１６から出射される出射Ｘ線９２０に対する前記試料の相対的な位置を制御する。さらに、試料ホルダー９０９に支持されている試料９０８を通過して出射される出射Ｘ線を検出するための検出手段９１４と、前記検出手段９１４により検出されるＸ線の情報を解析するための解析手段９１５を具備している。前記試料と前記検出手段との間に分光手段９２１を具備することが好ましい。

本発明のＸ線光学システムが試料ホルダー９０９を具備していることにより、上記Ｘ線導波路から出射される発散角の小さいＸ線を試料ホルダーに支持された試料の微小領域に照射することができる。

また、本発明のＸ線光学システムの試料ホルダーに、Ｘ線導波路から出射されるＸ線に対する、試料の相対的な位置を制御するための試料駆動手段９１０を設けることにより、試料の任意の微小領域にＸ線を照射することができる。さらに、試料駆動手段を用いて、Ｘ線導波路から出射されるＸ線に対して相対的に、試料を走査させることにより、試料に対してＸ線を走査しながら照射することができる。この場合の走査は、ラスタースキャンに限らず、任意の場所をなぞるように移動させることを一般的に指す。つまり、試料のうちの必要とされる領域にだけ、Ｘ線を照射することが可能である。駆動手段の例としては、ピエゾ素子、ピエゾドライバ、ピエゾドライバーを制御するためのコンピューターからなるものなどが挙げられる。その他、ピエゾ素子以外に、ステッピングモーターなどを用いたものによっても、駆動手段を構成可能である。

また、試料の微小領域に照射され、試料から出射されるＸ線を検出するための検出手段９１４と、前記検出手段により検出されるＸ線の情報を解析するための解析手段９１５を、本発明のＸ線光学システムに設けることにより、試料のＸ線が照射された任意の微小領域の構造や物性の情報を得ることができる。検出手段の例としては、アバランシェフォトダイオードや、ＣＣＤ（電荷結合素子、Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）検出器、２次元ＣＣＤアレイデバイスなどが挙げられる。これら検出手段により得られる情報をコンピューターなどを用いた解析手段により解析することにより、検出されるＸ線の強度や位相情報を得ることができ、試料のＸ線が照射された領域の構造や物性を知ることが可能となる。

また、前記試料と前記検出手段との間に分光手段９２１を本発明のＸ線光学システムに設けることにより、試料から出射されるＸ線のエネルギースペクトルを得ることができる。分光手段としては、試料から出射されるＸ線の平均的な伝搬方向に平行でない方向において、回転可能な、多層膜反射鏡などが挙げられる。分光手段により空間的に分光されたＸ線を例えば、２次元ＣＣＤアレイデバイスで検出することにより、試料から出射されるＸ線のエネルギースペクトルを得ることができる。

本発明のＸ線光学システムを構成するＸ線導波路のコアをなす１次元の周期構造としては、屈折率実部の大きい材料と屈折率実部の小さい材料を交互に積層した１次元周期多層膜や、１次元方向の周期性を定義できるそれ以外の周期構造が挙げられる。つまり、周期性のある一方向だけに着目すれば２次元、３次元の周期構造なども１次元周期構造として用いることができる。

前記コアが、屈折率実部が異なる物質が１次元方向に周期的に繰り返された周期性多層膜であることが好ましい。また、前記コアが、周期性メソ構造体材料よりなることが好ましい。

１次元の周期多層膜としては、屈折率実部の大きい材料として、カーボン（Ｃ）、ボロンカーバイト（Ｂ_４Ｃ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）、ベリリウム（Ｂｅ）など、屈折率実部の小さい材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、シリコンナイトライド（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などを用い、屈折率実部の大きい材料と屈折率実部の小さい材料を交互に積層したものや、自己組織化プロセスにより作製される周期性メソ構造体材料が挙げられる。１次元の周期性メソ構造体材料としては、シリカ（ＳｉＯ_２）と有機物が薄膜の面に垂直な方向に周期的に配列したものや、面に垂直な方向に周期性をもつ面内での配向性をもたない２次元のメソポーラス材料などが挙げられる。

また、２次元の周期構造としては、上記屈折率実部の小さい材料と大きい材料をスパッタ法などにより交互に周期的に積層したものを、電子線リソグラフィー、エッチングなどの半導体プロセスにより面内で周期的なパターニングをしたものや、１軸配向性の２次元周期性メソ構造体材料などが挙げられる。

さらに、３次元の周期構造としては数ナノメートルから数１０ナノメートルの直径をもつ空洞または３次元周期性メソ構造体材料や、その他の材料としては、例えば、直径約５０ナノメートルほどのポリスチレン球が自己組織的に六方細密充填構造で配列したいわゆる３次元周期構造の人工オパール構造などが挙げられる。

周期共鳴導波モードを形成するための周期構造の周期は、導波路を構成している複数の材料の屈折率の関係にもよるが、約９ナノメートル以上が望ましい。

周期性メソ構造体は、界面活性剤を用いたゾルゲル法により作製されるもので、元となる材料、これを含む溶液の濃度、環境条件などにより、その周期性が１次元、２次元、３次元と制御される。１次元の周期性メソ構造体をなす物質としては、有機物と無機物質が交互に積層されている多層膜構造が主流である。２次元の周期性メソ構造体材料としては、無機物質中に１方向にのびる孔が、この１方向に垂直な面内で１次元または２次元周期的に配列した構造をもつ材料である。孔内の材料は主に、有機物または空気であるが、金などの無機物とすることもできる。３次元の周期性メソ構造体材料としては、無機物中で、有機物または空気の微小領域が３次元の周期構造を形成している材料となる。微小領域の物質を金などの無機物や別の有機物とすることもできる。上記周期性メソ構造体材料をなす無機物の例としては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を挙げることができる。

周期共鳴導波モードを形成する条件であるθ_Ｂ＜θ_Ｃおよびθ_{Ｃ−ｍｕｌｔｉ}＜θ_Ｂを満たすために、クラッドをなす物質の屈折率実部が、コアをなす複数の物質のすべての物質の屈折率実部よりも小さくなるように、コアをなす物質に対してクラッドをなす物質を選ぶ必要がある。このようにして選ぶ限り多くの物質をクラッドをなす物質として選択することが可能である。コアをなす物質によるものであるが、クラッドをなす物質としては電子密度の高い物質を選択することにすると、例えば、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）など数多くの種類の物質をクラッドとして用いることが可能である。

（実施例１）
図１０は、本発明の実施例１にかかるＸ線光学システムを表す概略図である。９０１は入射Ｘ線であり、光子エネルギーを８キロエレクトロンボルトとする。Ｘ線導波路９１６は、シリコン基板９０２上にスパッタ法により作製されたもので、厚さ約２０ナノメートルのタングステンからなる下部クラッド９０３と上部クラッド９０４により、周期構造であるコア９０５が挟まれた構造となっている。上部クラッド９０４は図中導波領域９１９において、厚さが約２０ナノメートル、結合領域９１８において厚さが約２ナノメートルであり、入射Ｘ線を導波方向（図中ｚ方向）に対して導波路上方から角度θ（°）をなすように入射し、結合領域９１８においてコアへしみだすエバネッセント波を用いて、入射Ｘ線を周期共鳴導波モードに結合する。Ｘ線の入射時における反射Ｘ線を除去するため、導波領域９１９の上部にストッパーとなる鉛ガラス９１７を設けてある。入射角度θ（°）を、周期構造におけるブラッグ角に近い周期共鳴導波モードの有効伝搬角度である約０．３５（°）に近くなるように設定することにより、Ｘ線を周期共鳴導波モードへを効率よく結合することができる。

Ｘ線導波路９１６のコア９０５をなす周期構造は、厚さ約１２ナノメートルのボロンカーバイト（Ｂ_４Ｃ）９０６と厚さ約３ナノメートルの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）９０７が交互に積層され、周期は約１５ナノメートル、周期数は１００である。このＸ線導波路から出射されるＸ線が遠視野において形成する主ピークの導波方向に対する角度は、約０．３（°）で、このピークの半値全幅は０．０１（°）以下となる。ｚ方向において、Ｘ線導波路から距離約５センチメートルの場所において、このピークのｙ軸上での空間的な半値幅は、５マイクロメートル以下となる。

試料９０８のＸ線を入射する側の表面の位置が、ｚ方向においてＸ線導波路９１６のＸ線出射面からおよそ１ミリメートルとなるように、試料９０８を設置する。試料９０８は、ピエゾ素子（試料駆動手段）９１０上に設置された試料ホルダー９０９により支持されており、コンピューター９１２によりピエゾドライバ９１１を介して、試料９０８を空間的に、Ｘ線導波路９１６からの出射Ｘ線に対して相対的に駆動可能となっている。このことにより、試料の任意の微小な領域にＸ線を照射可能となる。試料９０８から出射されるＸ線は２次元ＣＣＤアレイデバイス９１４により検出される。本実施例では２次元ＣＣＤアレイデバイス９１４がピエゾ素子９１３に設置されており、ピエゾドライバ９１１により２次元ＣＣＤアレイデバイスを空間的に駆動可能としている。試料９０８と２次元ＣＣＤアレイデバイス９１４を、ｘ−ｙ面内で同様に動かすことができ、試料９０８のＸ線が照射される部分の位置情報も同時に検出できる仕組みとなっている。ｘ−ｙ面内における試料９０８の所望の領域にわたって、試料９０８に対してＸ線を走査することにより同時に、試料のＸ線を走査した領域全体からのＸ線を２次元ＣＣＤアレイデバイスにより検出することができる。

本実施例は、２次元ＣＣＤアレイデバイスにより得られたｘ−ｙ面内での２次元のＸ線の強度分布を、解析手段９１５により解析することにより、試料９０８のＸ線を走査した領域の構造および物性を明らかにするものである。図中、太い実線は電気的な接続を、太い波線矢印は試料から出射されるＸ線の一部を示すものである。

（実施例２）
図１１は、本発明の実施例１にかかるＸ線光学システムを表す概略図である。実施例１と同様、Ｘ線導波路１００４中のＸ線の導波方向をｚとする。また、１００１は本システムへの入射Ｘ線であり、光子エネルギーを８キロエレクトロンボルトとする。Ｘ線導波路１００４はＳｉ基板上に厚さ約２０ナノメートルのタングステンのクラッド１００３が配置され、このクラッドが周期構造であるコア１００５を取り囲むように構成されている。コア１００５はメソポーラスシリカ材料であり、シリカ（ＳｉＯ_２）１００６中にｚ方向にのびる空孔１００７が導波方向に垂直な面内で、三角格子状の周期構造を形成している。周期構造を形成するメソポーラスシリカ材料部分の厚さは、およそ５００ナノメートルである。図１２はこの周期構造の一部を表し、その周期性は図１２中例えば二つの矢印で示された基本ベクトルで表すことができる。この場合、２次元の周期共鳴導波モードの電場は、屈折率実部が大きくて損失の小さい空孔１００７の中により集中した分布となる。基本ベクトルの大きさは約１７ナノメートルである。

周期構造が２次元の周期性を有するので、遠視野領域におけるＸ線の発散角は２次元方向（ｘ−ｙ方向）で小さなものとなり、空間的にはｘ−ｙ面内における電場強度分布は、スポット状の主ピークを形成する。例えば、Ｘ線導波路の出射端面から距離１センチメートルの位置で、ｘおよびｙ方向における電場強度分布は、５マイクロメートル以下のサイズのスポットを形成する。Ｘ線導波路１００４から出射されるＸ線は、遠視野領域でのｘ−ｙ面内において主ピーク以外にも高次回折などによるスポット状のピークを形成するが、ｘ−ｙ面内でこのような不必要なＸ線をカットするためのスリット１０１６を設けることにより、必要な主ピークのＸ線などのみを試料へ入射させることが可能である。

Ｘ線導波路１００４から出射されたＸ線を、Ｘ線導波路１００４のＸ線出射端面からｚ方向において１センチメートル隔てて配置された試料１００８へ入射する。実施例１と同様に、試料１００８は試料ホルダー１００９に支持され、試料ホルダー１００９はピエゾ素子１０１０に設置されている。コンピューター１０１２によりピエゾドライバ１０１１を介してピエゾ素子１０１０を制御することにより、試料１００８に入射するＸ線に対して相対的に試料１００８を駆動することができる。ピエゾ素子１０１０とピエゾドライバ１０１１、およびコンピューター１０１２よりなる構成が駆動手段である。これにより、試料の任意の微小領域にＸ線を照射することが可能である。

本実施例では、試料１００８と２次元ＣＣＤアレイデバイス１０１４との間に分光手段としてシリコン（Ｓｉ）とモリブデン（Ｍｏ）からなる多層膜ミラー１０１３を配置することにより、試料１００８から出射されるＸ線を分光することができる。多層膜ミラー１０１３からのＸ線は２次元ＣＣＤアレイデバイス１０１４により検出する。検出した情報を解析手段１０１５により解析することで、多層膜ミラーからの出射角度を得て、試料１００８から出射されるＸ線のエネルギースペクトルを知ることができる。図中、太い実線は電気的な接続を、太い波線矢印は試料から出射されるＸ線の一部を示す。

本発明のＸ線光学システムは、Ｘ線分析技術、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などにおけるＸ線光学系に利用することができる。

９０１ 入射Ｘ線
９０８ 試料
９０９ 試料ホルダー
９１０ 試料駆動手段
９１４ 検出手段
９１５ 解析手段
９１６ Ｘ線導波路
９２０ 出射Ｘ線
９２１ 分光手段

Claims (6)

1. Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射されるＸ線を照射する試料を支持するための試料ホルダーとを有するＸ線光学システムであり、前記Ｘ線導波路が物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコアとクラッドからなり、前記コアが屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造からなり、前記周期構造が導波路のＸ線の導波方向に垂直な面内において１次元または２次元の屈折率実部の周期性を有し、前記周期構造におけるＸ線に対する前記周期性に起因するブラッグ角が、前記コアとクラッドの界面における全反射臨界角よりも小さく、前記周期構造をなす複数の物質に存在する界面での全反射臨界角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とするＸ線光学システム。
2. 前記試料ホルダーの位置を制御し、前記Ｘ線導波路から出射されるＸ線に対する前記試料の相対的な位置を制御するための試料駆動手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学システム。
3. 前記試料から出射されるＸ線を検出するための検出手段と、前記検出手段により検出されるＸ線の情報を解析するための解析手段を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線光学システム。
4. 前記試料と前記検出手段との間に分光手段を具備することを特徴とする請求項３に記載のＸ線光学システム。
5. 前記コアが、屈折率実部が異なる物質が１次元方向に周期的に繰り返された周期性多層膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線光学システム。
6. 前記コアが、周期性メソ構造体材料よりなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線光学システム。

Images