JP2013117444A - X-ray optical element and x-ray optical system - Google Patents

X-ray optical element and x-ray optical system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an X-ray optical element which can easily emit X rays of which phases are highly aligned, with higher propagation efficiency.SOLUTION: An X-ray optical element comprises: an X-ray waveguide; and a mechanism for selectively transmitting X rays emitted from the X-ray waveguide. The X-ray waveguide comprises: a core for wave-guiding the X rays; and a clad for confining the X rays in the core. The core has a periodic structure composed of a plurality of materials different in real part of a refractive index. A total reflection critical angle of the X rays in an interface between the clad and the core is larger than a Bragg angle caused by periodicity of the core. The mechanism for selectively transmitting the X rays selectively transmits the X rays emitted from the X-ray waveguide at a predetermined emission angle.

Description

本発明は、X線光学素子に関する。   The present invention relates to an X-ray optical element.

X線は、医療、非破壊検査、結晶構造解析等の分野で広く利用されている。X線のような数10nm以下の短い波長の電磁波に対する異物質間の屈折率差は非常に小さいために、このような電磁波をコントロールするためには、大型の空間光学系が用いられている。主流であるこのような空間光学系に対し、最近、光学系の小型化、高機能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝播させる、X線導波路の研究が行われている。非特許文献1には、ニッケルと炭素の多層膜からなるX線導波路が開示されている。   X-rays are widely used in the fields of medicine, nondestructive inspection, crystal structure analysis, and the like. Since the refractive index difference between different substances with respect to electromagnetic waves with a short wavelength of several tens of nm or less such as X-rays is very small, a large spatial optical system is used to control such electromagnetic waves. Recently, research has been conducted on X-ray waveguides that confine and propagate electromagnetic waves in thin films and multilayers with the aim of reducing the size and increasing the functionality of these optical systems, which are the mainstream. . Non-Patent Document 1 discloses an X-ray waveguide made of a multilayer film of nickel and carbon.

Physical Review B,Volume 62,p.16939(2000)Physical Review B, Volume 62, p. 16939 (2000)

非特許文献1に開示されている導波路は、ニッケルよりなるX線導波路のクラッドと、炭素よりなるX線導波路のコアから構成される。この導波路は、炭素/ニッケル界面の全反射によりX線が閉じ込められ、導波する構成の導波路が、積層されたものとして機能する。このために、クラッドに挟まれたコアの組み合わせが一組の導波路(以降、単層導波路と記載する)と比較して大きな光量のX線を導波することが可能となる。   The waveguide disclosed in Non-Patent Document 1 includes an X-ray waveguide clad made of nickel and an X-ray waveguide core made of carbon. In this waveguide, X-rays are confined by total reflection at the carbon / nickel interface, and the waveguide configured to guide is functioned as a laminated structure. For this reason, a combination of cores sandwiched between clads can guide X-rays having a larger light amount than a set of waveguides (hereinafter referred to as single-layer waveguides).

一方で、このような構成の導波路は、積層された導波路構成のそれぞれ(コアとそれを挟み込むクラッドの組)が別個の単層導波路として機能する。そのために、全体として出射されるX線の位相が揃う、集光、発散抑制効果を持つといった、単層導波路の長所を減じることとなる。   On the other hand, in the waveguide having such a configuration, each of the laminated waveguide configurations (a set of a core and a clad sandwiching the core) functions as a separate single-layer waveguide. For this reason, the advantages of the single-layer waveguide are reduced, such that the phases of the X-rays emitted as a whole are uniform, and the light collection and divergence suppression effects are achieved.

これに対し発明者らは、クラッドとコアを備え、コア/クラッド界面の全反射によってコアにX線を閉じ込める構成のX線導波路であって、そのコアとして、屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配置されたX線導波路を提案した。この導波路では、そのコアを導波するX線が多重干渉し、この周期構造に対応して効率的に導波するモード(以降、周期共鳴導波モードと記載する)が選択されるために、高効率に大きな光量の位相の揃ったX線を導波することが可能となる。   In contrast, the inventors have an X-ray waveguide that includes a clad and a core and confines X-rays in the core by total reflection at the core / cladding interface, and the core has a plurality of different refractive index real parts. Proposed X-ray waveguides with periodically arranged materials. In this waveguide, a mode in which X-rays guided through the core cause multiple interference and efficiently guide in accordance with this periodic structure (hereinafter referred to as a periodic resonant waveguide mode) is selected. Thus, it becomes possible to guide X-rays with a large phase of light quantity with high efficiency.

本発明は、X線導波路と前記X線導波路から出射したX線を選択的に透過させる機構を有するX線光学素子であって、
前記X線導波路は、X線を導波させるためのコアと、前記コアに前記X線を閉じ込めるためのクラッドを有し、
前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、
前記クラッドと前記コアとの界面における前記X線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、
前記X線を選択的に透過する機構は、所定の出射角度で前記X線導波路を出射したX線を選択的に透過することを特徴とするX線光学素子に関する。
The present invention is an X-ray optical element having an X-ray waveguide and a mechanism for selectively transmitting X-rays emitted from the X-ray waveguide,
The X-ray waveguide has a core for guiding X-rays, and a clad for confining the X-rays in the core,
The core has a periodic structure composed of a plurality of substances having different real parts of refractive index,
The X-ray total reflection critical angle at the interface between the cladding and the core is larger than the Bragg angle due to the periodicity of the core,
The mechanism that selectively transmits X-rays relates to an X-ray optical element that selectively transmits X-rays emitted from the X-ray waveguide at a predetermined emission angle.

本発明によれば、本発明のX線導波路に対して位置が固定されたX線を選択的に透過する機構を有するX線光学素子により、簡便に、より高い伝搬効率で高度に位相の揃ったX線を出射可能なX線光学素子を提供することができる。   According to the present invention, an X-ray optical element having a mechanism that selectively transmits X-rays whose positions are fixed with respect to the X-ray waveguide of the present invention can be easily and highly phase-shifted with higher propagation efficiency. An X-ray optical element capable of emitting uniform X-rays can be provided.

本発明のX線光学素子の概念図を示す。The conceptual diagram of the X-ray optical element of this invention is shown. 本発明のX線導波路の概念図を示す。The conceptual diagram of the X-ray waveguide of this invention is shown. 波数ベクトルと有効伝搬角度の説明図である。It is explanatory drawing of a wave vector and an effective propagation angle. 実施例1のX線導波路を示す。The X-ray waveguide of Example 1 is shown. X線の透過強度の入射角度依存性の模式図を示す。The schematic diagram of the incident angle dependence of the X-ray transmission intensity is shown.

本発明のX線光学素子は、X線導波路と、X線導波路から出射したX線を選択的に透過させる機構とを有することを特徴とする。   The X-ray optical element of the present invention has an X-ray waveguide and a mechanism that selectively transmits X-rays emitted from the X-ray waveguide.

本発明者らは、クラッドとコアを備え、コアとクラッドとの界面の全反射によってコアにX線を閉じ込める構成のX線導波路であって、そのコアとして、屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配置されたX線導波路を見出した。この導波路では、そのコアを導波するX線が多重干渉し、この周期構造に対応して効率的に導波するモード(以降、『周期共鳴導波モード』と記載する)が選択されるために、高効率に大きな光量の位相の揃ったX線を導波することが可能となる。   The present inventors provide an X-ray waveguide that includes a clad and a core and confines X-rays in the core by total reflection at the interface between the core and the clad. We have found X-ray waveguides in which materials are periodically arranged. In this waveguide, a mode (hereinafter referred to as “periodic resonance waveguide mode”) is selected in which X-rays guided through the core cause multiple interference and efficiently guide in accordance with this periodic structure. For this reason, it becomes possible to guide X-rays having a large phase of a large amount of light with high efficiency.

従来、X線を収束するために、一般的にガラスキャピラリと呼ばれる素子が使用されている。この素子では、そのキャピラリの内部を、X線を全反射して進行させることで、エックス線を収束させることができる。この素子は、本発明における導波路に対して、一般に管径が大きいために、本発明における導波路とは異なり、コヒーレントなエックス線を得ることができない。この点で本発明におけるX線導波路とは異なる。   Conventionally, an element generally called a glass capillary has been used to converge X-rays. In this element, X-rays can be converged by advancing the inside of the capillary with total reflection of X-rays. Unlike the waveguide according to the present invention, this element cannot obtain a coherent X-ray because the tube diameter of the element is generally larger than that of the waveguide according to the present invention. This is different from the X-ray waveguide in the present invention.

この導波路は、コア/クラッド界面の全反射によってコアにX線を閉じ込め、導波させる。この際に、周期共鳴導波モード以外にも、周期構造とは関係なくコア/クラッド界面の全反射によってコアにX線を閉じ込めることで導波するモード(単層導波路においても発生するモードであるため、以降、『単層導波モード』と記載する)が存在しうる。単層導波モードは、周期共鳴導波モードと比較してその導波効率は低いことが多い。しかし、効率は低いものの、後者のモードによって導波したX線が前者のモードによって導波されたX線と同時に出射される。この場合、周期共鳴導波モードのみが出射された場合より、比較的にX線の位相が乱れたものとなる。このことは、たとえば、このX線を位相差イメージングに用いる場合に像が不鮮明となるといった問題を生じうる。   This waveguide confines and guides X-rays in the core by total reflection at the core / cladding interface. At this time, in addition to the periodic resonant waveguide mode, a mode in which X-rays are confined in the core by total reflection at the core / cladding interface regardless of the periodic structure (a mode generated also in a single-layer waveguide). Therefore, hereinafter, it will be referred to as “single-layer waveguide mode”). The single-layer waveguide mode often has a lower waveguide efficiency than the periodic resonance waveguide mode. However, although the efficiency is low, the X-ray guided by the latter mode is emitted simultaneously with the X-ray guided by the former mode. In this case, the phase of the X-ray is more disturbed than when only the periodic resonant waveguide mode is emitted. For example, this may cause a problem that an image becomes unclear when the X-ray is used for phase difference imaging.

本発明のX線光学素子は、X線導波路から出射したX線を選択的に透過させる機構を有しているので、周期共鳴導波モードによって導波されたX線を選択的に透過することができる。これにより、X線を選択的に透過させる機構を有さず、周期共鳴導波モードと単層導波モードによって導波したX線がともに出射される場合と比較して、X線の位相をより揃ったものとすることができる。したがって、本発明の光学素子は、イメージングにおいて、像が鮮明になるといった、この導波路のもつ特長を増幅する。   Since the X-ray optical element of the present invention has a mechanism for selectively transmitting X-rays emitted from the X-ray waveguide, it selectively transmits X-rays guided by the periodic resonance waveguide mode. be able to. As a result, there is no mechanism for selectively transmitting X-rays, and the phase of X-rays is compared with the case where both X-rays guided by the periodic resonant waveguide mode and the single-layer waveguide mode are emitted. It can be more complete. Therefore, the optical element of the present invention amplifies the characteristics of this waveguide such that the image becomes clear in imaging.

以下に、本発明のX線光学素子及びX線光学システムについて、図面を用いて詳しく説明する。   Hereinafter, the X-ray optical element and the X-ray optical system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明に係るX線光学素子の概念図を図1に示す。   A conceptual diagram of an X-ray optical element according to the present invention is shown in FIG.

図1において、コア1000は屈折率実部が異なる複数の物質1080、1090を含む周期構造を有し、クラッド1010、1020は、同コアにX線を閉じ込める。X線導波路1030は、このコアとクラッドからなる。このX線導波路に入射された単色X線1040は、コア/クラッド界面の全反射によってコア中に閉じ込められることで導波する。その結果、導波路の端部から出射される。このとき出射されるX線の光路は、遠距離場においては、それぞれの導波モードについて、導波路に対して特定の角度をもつ。本発明の光学素子は、このX線導波路に対して位置が固定された、周期共鳴導波モードによって導波したX線1050を選択的に透過する機構1060を持つ。これによって、周期共鳴導波モードによって導波したX線以外のX線1070を除去することで、簡便に、高度に位相の揃ったX線を出射することを可能とする。   In FIG. 1, a core 1000 has a periodic structure including a plurality of substances 1080 and 1090 having different real parts of refractive index, and clads 1010 and 1020 confine X-rays in the core. The X-ray waveguide 1030 is composed of the core and the clad. The monochromatic X-ray 1040 incident on the X-ray waveguide is guided by being confined in the core by total reflection at the core / cladding interface. As a result, the light is emitted from the end of the waveguide. The optical path of the X-ray emitted at this time has a specific angle with respect to the waveguide for each waveguide mode in the far field. The optical element of the present invention has a mechanism 1060 that selectively transmits X-rays 1050 guided in a periodic resonance waveguide mode, the position of which is fixed with respect to the X-ray waveguide. Thus, by removing X-rays 1070 other than the X-rays guided by the periodic resonance waveguide mode, it is possible to easily emit X-rays having a highly uniform phase.

ここでは、本実施形態に係るX線導波路について、以下の項目、(1)X線について、(2)X線導波路について、(3)コアについて、(4)クラッドについて、(5)X線を選択的に透過する機構について、(6)効果、(7)X線光学システム、に分けて説明する。   Here, for the X-ray waveguide according to the present embodiment, the following items are used: (1) X-ray, (2) X-ray waveguide, (3) Core, (4) Cladding, (5) X-ray A mechanism for selectively transmitting a line will be described separately for (6) effect and (7) X-ray optical system.

(1)X線について
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、1pm以上で、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。本発明は上記X線に相当する電磁波を制御するためのものである。本明細書中で単に電磁波という場合、上記X線のことと同義で用いることがある。
(1) About X-rays In the present invention, X-rays are electromagnetic waves in a wavelength band in which the real part of the refractive index of a substance is 1 or less. Specifically, the X-ray in the present invention refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 1 nm or more and a wavelength of 100 nm or less including extreme ultraviolet light (Extreme Ultra Violet (EUV) light). The present invention is for controlling an electromagnetic wave corresponding to the X-ray. In the present specification, the term “electromagnetic wave” may be used synonymously with the above X-ray.

またこのような短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、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β’を用いて表される。   In addition, since the frequency of such short-wave electromagnetic waves is very high and the outermost electrons of the substance cannot respond, X-rays differ from the frequency band of electromagnetic waves (visible light and infrared rays) having wavelengths longer than those of ultraviolet light. It is known that the real part of the refractive index of a substance is smaller than 1. The refractive index n of a substance with respect to such X-rays is generally obtained by using a deviation δ from the real part 1 and β ′ of the imaginary part related to absorption as represented by the following formula (1). It is expressed as

Figure 2013117444
Figure 2013117444

δは物質の電子密度ρ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。屈折率実部n’は、1−δとなる。さらに、ρは原子密度ρ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。本明細書中では、その実部を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。たとえば、X線は、真空中を伝搬する場合に屈折率実部が最大となり、一般的環境下では気体でないほぼすべての物質に対して空気の屈折率実部が最大となる。本明細書中においては、『物質』と記載した場合には、空気や真空も包含するものとする。したがって、メソ構造体やメソポーラス材料であるメソ構造体は、単一な材料で構成されている場合でも空気や真空からなる屈折率の異なる部分を有するので、複数の物質から構成されているものとする。 δ is proportional to the electron density [rho e substance, the real part of the larger material as the refractive index of the electron density is reduced. The real part n ′ of the refractive index is 1−δ. Furthermore, ρ e is proportional to the atomic density ρ a and the atomic number Z. Thus, the refractive index of a substance with respect to X-rays is represented by a complex number. In this specification, the real part is referred to as the real part of the refractive index or the real part of the refractive index, and the imaginary part is referred to as the imaginary part of the refractive index or the imaginary part of the refractive index. For example, X-rays have a maximum real part of refractive index when propagating in a vacuum, and have a maximum real part of refractive index of air for almost all substances that are not gases under general circumstances. In this specification, the term “substance” includes air and vacuum. Therefore, a mesostructure that is a mesostructure or a mesoporous material has a portion having a different refractive index composed of air or vacuum even when it is composed of a single material, and therefore is composed of a plurality of substances. To do.

(2)X線導波路について
周期共鳴導波モードを発現するX線導波路は、コアとクラッドとの界面における全反射により、X線を周期構造であるコアの中に閉じ込めて導波モードを形成し、X線を伝搬させる。そしてこの導波路では、コアとクラッドの界面での全反射臨界角が、コアの周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とする。図2には、このX線導波路の概念図を示す。このX線導波路は、コア2001が、クラッド2002とクラッド2003に挟まれた形態である。そしてこのコア2001は、高屈折率実部をもつ物質の層2005と低屈折率実部をもつ物質の層2006よりなる基本構造から構成されている。ここで、本発明のX線光学素子で用いられる導波路のコアの周期構造は、一次元から三次元のいずれの周期構造を用いてもよいが、ここでは理解を容易とするために、例えば多層膜のような一次元の周期構造を用いて説明を行う。2007はクラッドとコアの界面における全反射臨界角、2008はブラッグ角、2009は基本構造中の物質界面における全反射臨界角を表す。
(2) X-ray waveguide An X-ray waveguide that exhibits a periodic resonant waveguide mode is confined in a core having a periodic structure by confining the X-ray in the core having a periodic structure by total reflection at the interface between the core and the cladding. Forming and propagating X-rays. This waveguide is characterized in that the total reflection critical angle at the interface between the core and the clad is larger than the Bragg angle resulting from the periodicity of the periodic structure of the core. FIG. 2 shows a conceptual diagram of this X-ray waveguide. This X-ray waveguide has a form in which a core 2001 is sandwiched between a clad 2002 and a clad 2003. The core 2001 has a basic structure including a layer 2005 having a real part having a high refractive index and a layer 2006 having a real part having a low refractive index. Here, the periodic structure of the waveguide core used in the X-ray optical element of the present invention may be any one of the one-dimensional to three-dimensional periodic structures. Description will be made using a one-dimensional periodic structure such as a multilayer film. 2007 represents the total reflection critical angle at the interface between the clad and the core, 2008 represents the Bragg angle, and 2009 represents the total reflection critical angle at the material interface in the basic structure.

図2中において、クラッドとコアの界面における全反射臨界角θc−total、多層膜中の基本構造をなす各層の界面での全反射臨界角θc−multi、多層膜の周期性に起因するブラッグ角θの例を示してある。本明細書中ではこれらの角度は、膜の面に平行な方向を0°として表現されるものとする。図中の矢印X線の進行方向を示す。 In FIG. 2, the total reflection critical angle θ c-total at the interface between the clad and the core, the total reflection critical angle θ c-multi at the interface of each layer forming the basic structure in the multilayer film, and the periodicity of the multilayer film An example of the Bragg angle θ B is shown. In the present specification, these angles are expressed by assuming that the direction parallel to the plane of the film is 0 °. The advancing direction of the arrow X-ray in the figure is shown.

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nclad、コア側の物質の屈折率実部をncoreとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θc−total(°)は、nclad<ncoreとして、下記の式(2) The total reflection critical angle θ from the direction parallel to the film surface, where n clad is the real part of the refractive index of the material on the clad side and n core is the real part of the refractive index of the material on the core side at the interface between the clad and the core c-total (°) is expressed by the following formula (2) where n clad <n core.

Figure 2013117444
Figure 2013117444

で表される。 It is represented by

コアの1次元周期構造の周期をd、コアである周期構造の平均屈折率実部をnavgとした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次の式(3)のようにおおよそのブラッグ角θ(°)が定義される。 When the period of the one-dimensional periodic structure of the core is d and the real part of the average refractive index of the periodic structure that is the core is n avg , it is approximately as shown in the following formula (3) regardless of the presence or absence of multiple diffraction in the core. Bragg angle θ B (°) is defined.

Figure 2013117444
Figure 2013117444

λはX線の波長である。 λ is the wavelength of X-rays.

このX線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびX線の波長は、次の式(4)を満たすように設計されているものとする。   It is assumed that the physical property parameter of the substance constituting the X-ray waveguide, the structural parameter of the waveguide, and the wavelength of the X-ray are designed to satisfy the following formula (4).

Figure 2013117444
Figure 2013117444

このことにより、周期構造体であるコアがもつ周期性に起因するブラッグ角付近の有効伝搬角度をもつ導波モードを、常にクラッドによりコアに閉じ込め、X線の伝搬に寄与させることができる。ここで、本明細書中において有効伝搬角度θ’(°)は、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル(伝搬定数)k、真空中の波数ベクトルkを用いて下記の式(5)で表されるものとする。連続条件によりkは各層の界面で一定なので、図3に示すように、有効伝搬角度θ’(°)は、導波モードの基本波の伝搬定数kと真空中の波数ベクトルkとの間で定義される角度で、導波モードの基本波が真空中で進行する角度を表している。これは近似的にコア中での導波モードの基本波の伝搬角度を表すと考えることができるため、今後の説明に用いることとする。 As a result, the waveguide mode having an effective propagation angle near the Bragg angle due to the periodicity of the core which is a periodic structure can be always confined in the core by the clad and contribute to the propagation of X-rays. Here, in this specification, the effective propagation angle θ ′ (°) is expressed by the following equation (5) using the wave number vector (propagation constant) k z in the propagation direction of the waveguide mode and the wave number vector k 0 in vacuum. It shall be represented by Since k z is constant at the interface of each layer due to the continuous condition, as shown in FIG. 3, the effective propagation angle θ ′ (°) is the propagation constant k z of the fundamental wave of the waveguide mode and the wave number vector k 0 in vacuum. The angle at which the fundamental wave of the guided mode travels in a vacuum. Since this can be considered to roughly represent the propagation angle of the fundamental wave of the waveguide mode in the core, it will be used for the future explanation.

Figure 2013117444
Figure 2013117444

ここでは、コアをなす周期構造体は、屈折率実部の異なる複数の物質の膜が周期的に積層された多層膜様のものを想定する。このとき、隣り合う膜界面においては、屈折率実部の違いによる全反射臨界角が存在する。これをθc−multi(°)とする。 Here, the periodic structure that forms the core is assumed to be a multilayered film in which films of a plurality of substances having different real parts of the refractive index are periodically stacked. At this time, the total reflection critical angle due to the difference in the real part of the refractive index exists at the adjacent film interface. This is defined as θ c-multi (°).

Figure 2013117444
Figure 2013117444

上記の式(6)のように、多層膜中の全反射臨界角が多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも小さい場合には、ブラッグ角付近以上の角度で多層膜中の界面に入射されるX線は全反射を起さず、部分的な反射または屈折を起こすこととなる。多層膜は複数の異なる屈折率実部の周期的に積層された膜により構成されているので、界面も積層方向に複数存在し、多層膜内部のX線はこれら界面において反射、屈折を繰り返すこととなる。多層膜内部でのX線のこのような反射、屈折の繰り返しは多重干渉を引き起こす。その結果、多層膜の周期構造に共鳴できる条件をもつX線、すなわち多層膜内部で存在できる伝搬モードが形成され、その結果、このX線導波路構造のコア中に導波モードが形成されることになる。これを周期共鳴導波モードと称する。   When the critical angle for total reflection in the multilayer film is smaller than the Bragg angle due to the periodicity of the multilayer film as shown in the above formula (6), it is incident on the interface in the multilayer film at an angle greater than or equal to the Bragg angle. The X-rays that are generated do not cause total reflection, but cause partial reflection or refraction. Since the multilayer film is composed of a plurality of periodically laminated films having different real refractive indexes, there are a plurality of interfaces in the stacking direction, and X-rays inside the multilayer film are repeatedly reflected and refracted at these interfaces. It becomes. Such repeated reflection and refraction of X-rays within the multilayer film causes multiple interference. As a result, an X-ray having a condition capable of resonating with the periodic structure of the multilayer film, that is, a propagation mode that can exist inside the multilayer film is formed. As a result, a waveguide mode is formed in the core of the X-ray waveguide structure. It will be. This is referred to as a periodic resonance waveguide mode.

このような周期共鳴導波モードはそれぞれ有効伝搬角度をもち、最も小さな有効伝搬角度をもつ周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は多層膜のブラッグ角付近に現れることになる。周期共鳴導波モードは周期構造の周期性に共鳴するモードなので、本明細書中では周期共鳴導波モードと称することとする。これは多層膜を周期数無限の1次元フォトニック結晶として考えた場合の最低次バンドを満たす伝搬モードに相当し、この伝搬モードがクラッドとコアとの界面での全反射により閉じ込められたものとなる。   Each of such periodic resonant waveguide modes has an effective propagation angle, and the effective propagation angle of the periodic resonant waveguide mode having the smallest effective propagation angle appears near the Bragg angle of the multilayer film. Since the periodic resonant waveguide mode is a mode that resonates with the periodicity of the periodic structure, it is referred to as a periodic resonant waveguide mode in this specification. This corresponds to a propagation mode that satisfies the lowest order band when the multi-layer film is considered as a one-dimensional photonic crystal with an infinite number of cycles. This propagation mode is confined by total reflection at the interface between the cladding and the core. Become.

現実の1次元周期構造では、その周期数は有限であるため、そのフォトニックバンド構造は無限周期の1次元周期構造のフォトニックバンド構造からずれてくるが、周期数が増えるほど導波モードの特性は無限周期のフォトニックバンド上のそれに近づくことになる。ブラッグ反射は周期性によるフォトニックバンドギャップの効果により引き起こされ、そのブラッグ反射を与える角度であるブラッグ角は周期共鳴導波モードの有効伝搬角度よりやや大きい角度となる。   In an actual one-dimensional periodic structure, since the number of periods is finite, the photonic band structure deviates from the photonic band structure of the one-dimensional periodic structure with an infinite period. However, the waveguide mode increases as the number of periods increases. The characteristic approaches that on a photonic band with an infinite period. The Bragg reflection is caused by the effect of the photonic band gap due to periodicity, and the Bragg angle, which is the angle that gives the Bragg reflection, is slightly larger than the effective propagation angle of the periodic resonant waveguide mode.

周期構造に対応するフォトニックバンド構造において、フォトニックバンドギャップ端に、周期構造に共鳴する導波モードが存在する。X線のエネルギーが一定として導波モードの有効伝搬角度を考えた場合、これらの導波モードのうち相対的に小さい有効伝搬角度をもつ導波モードが、最低次の周期共鳴導波モードである。周期共鳴導波モードの電場強度の空間的分布プロファイルでは、電場強度の腹の数は基本的に、多層膜の周期数と一致する。高次のブラッグ角に相当する有効伝搬角度をもつ、高次の周期共鳴導波モードの腹の位置は、基本的に周期数の2以上の自然数倍となる。   In the photonic band structure corresponding to the periodic structure, a waveguide mode that resonates with the periodic structure exists at the end of the photonic band gap. When the effective propagation angle of the waveguide mode is considered with the X-ray energy constant, the waveguide mode having a relatively small effective propagation angle among these waveguide modes is the lowest-order periodic resonant waveguide mode. . In the spatial distribution profile of the electric field intensity in the periodic resonant waveguide mode, the number of antinodes of the electric field intensity basically matches the number of periods of the multilayer film. The position of the antinode of the higher-order periodic resonant waveguide mode having an effective propagation angle corresponding to the higher-order Bragg angle is basically a natural number multiple of 2 or more of the number of periods.

また有限の周期数をもつ多層膜においては、上記のような周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度以外の角度で伝搬する導波モードも存在し得る。これらは周期共鳴導波モードではなくコアである多層膜全体を、屈折率実部が平均化された均一媒質として考えた場合に存在する導波モードで、その特性に基本的には多層膜の周期性の影響は少ない。一方、このX線導波路の構成で実現される周期共鳴導波モードでは、周期構造の周期数が増えるほど、より多層膜であるコアの中心へ電場が集中し、クラッドへの染み出しも少なくなり、X線の伝搬損失が小さくなる。また、電場強度分布の包絡曲線はコアの中央に偏った形状となり、よりクラッドへのしみ出しによる損失が小さくなる。さらに、このX線導波路中で用いられる周期共鳴導波モードの位相は、周期性の高い方向、つまりクラッドとコアの界面に垂直かつ導波方向に垂直な方向において、そろったものとなり、空間的なコヒーレンスを有する。ここで、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。この周期共鳴導波モードは、導波方向に垂直な方向において、電場の位相が周期構造の周期と同じ周期で−πと+πの間で変化しているものとなる。   In a multilayer film having a finite number of periods, there may be a waveguide mode that propagates at an angle other than the effective propagation angle of the periodic resonance waveguide mode as described above. These are waveguide modes that exist when the entire multilayer film, which is not a periodic resonant waveguide mode, is considered as a uniform medium with the real part of the refractive index averaged. The influence of periodicity is small. On the other hand, in the periodic resonant waveguide mode realized by this X-ray waveguide configuration, as the number of periods of the periodic structure increases, the electric field concentrates at the center of the core, which is a multilayer film, and the seepage into the cladding decreases. Thus, the X-ray propagation loss is reduced. In addition, the envelope curve of the electric field intensity distribution has a shape biased toward the center of the core, and the loss due to the seepage into the clad is further reduced. Furthermore, the phase of the periodic resonant waveguide mode used in this X-ray waveguide is uniform in the direction with high periodicity, that is, in the direction perpendicular to the interface between the cladding and the core and perpendicular to the waveguide direction. Have coherence. Here, the fact that the waveguide modes are in phase not only corresponds to the fact that the phase difference of the electromagnetic field in the plane perpendicular to the waveguide direction is zero, but also corresponds to the spatial refractive index distribution of the periodic structure. This also means that the phase difference of the electromagnetic field periodically changes between −π and + π. In this periodic resonant waveguide mode, the phase of the electric field changes between −π and + π in the direction perpendicular to the waveguide direction at the same period as the period of the periodic structure.

(3)コアについて
本発明において、コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を備えている。本発明において屈折率実部が異なる複数の物質とは多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質である。周期構造は、1次元から3次元の周期構造であればよいが、X線の導波方向に垂直な面内での周期性を有するものとする。このような周期構造は、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィー、エッチングプロセス、積層や貼り合わせ等の従来の半導体プロセスによっても作製可能である。たとえば、周期構造が一次元の場合には、この周期構造は、周期性多層膜として構成することができる。この場合、多層膜を形成する方法としては、交互蒸着やスパッタ法などがある。
(3) About the core In the present invention, the core has a periodic structure composed of a plurality of substances having different real parts of the refractive index. In the present invention, the plurality of substances having different real parts of refractive index are often two or more kinds of substances having different electron densities. The periodic structure may be a one-dimensional to three-dimensional periodic structure, but has a periodicity in a plane perpendicular to the X-ray waveguide direction. Such a periodic structure can also be produced by a conventional semiconductor process such as photolithography, electron beam lithography, etching process, lamination or bonding. For example, when the periodic structure is one-dimensional, this periodic structure can be configured as a periodic multilayer film. In this case, as a method of forming the multilayer film, there are alternating vapor deposition and sputtering.

このようなコアを形成する屈折率実部が異なる物質は、無機物、有機物の固体材料のほかに、気体、真空でもよい。また、これらの物質の組み合わせも好ましく用いられる。無機物の例としては、ホウ素、ホウ素化合物、ベリリウム、炭素、窒化物、酸化物、リンがあげられる。具体的な例としては、Be、B、C、BC、BN、SiC、Si、SiN、Al、MgO、TiO、SiO、Pあげられる。コアを形成する材料を無機物質とすることにより、従来のスパッタ法、蒸着、結晶成長などの確立されたプロセスが利用可能であり、熱や外力に強い構造とすることができる。有機物の例としては、ポリマー、低分子化合物をあげることができる。有機物であることにより、X線の吸収による伝搬損失を小さくすることができる。気体、真空であれば、この損失をさらに低減することができ好ましい。 Such a substance having a different real part of the refractive index forming the core may be a gas or a vacuum in addition to an inorganic or organic solid material. A combination of these substances is also preferably used. Examples of inorganic materials include boron, boron compounds, beryllium, carbon, nitrides, oxides, and phosphorus. Specific examples include Be, B, C, B 4 C, BN, SiC, Si 3 N 4 , SiN, Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , SiO 2 , and P. By using an inorganic material as the material for forming the core, established processes such as conventional sputtering, vapor deposition, and crystal growth can be used, and a structure resistant to heat and external force can be obtained. Examples of organic substances include polymers and low molecular compounds. Propagation loss due to absorption of X-rays can be reduced by being an organic substance. A gas or vacuum is preferable because this loss can be further reduced.

また周期構造を形成する材料として、通常の半導体プロセスとは異なる、自己組織的な形成メカニズムにより作製される材料を用いてよい。この例として、界面活性剤の自己集合により形成される周期性メソ構造体膜があげられる。本発明における周期構造体は、このメソ構造体膜が好ましく用いられる。以下にこの内容について記述する。   Further, as a material for forming the periodic structure, a material manufactured by a self-organized formation mechanism different from a normal semiconductor process may be used. An example of this is a periodic mesostructured film formed by self-assembly of a surfactant. The mesostructured film is preferably used for the periodic structure in the present invention. This is described below.

(3−1)メソ構造体膜について
多孔質材料は、IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)によって、その孔径により分類されており、孔径が2−50nmの多孔質材料は、メソポーラスに分類される。近年、このメソポーラス材料についての研究が盛んに行われ、界面活性剤の集合体を鋳型とすることで、径の揃ったメソ孔が規則的に配列した構造を得ることが可能になっている。
(3-1) About mesostructured membranes Porous materials are classified according to their pore diameters by IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), and porous materials with pore diameters of 2-50 nm are classified as mesoporous. The In recent years, research on this mesoporous material has been actively conducted, and it has become possible to obtain a structure in which mesopores with uniform diameters are regularly arranged by using a surfactant aggregate as a template.

本明細書中において、メソ構造体膜は、以下のものを意味する。
(A)メソポーラス膜
(B)メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの
(C)ラメラ構造を持つメソ構造体膜
以下に詳細な説明を行う。
In the present specification, the mesostructured film means the following.
(A) Mesoporous film (B) A mesoporous film in which pores are mainly filled with an organic compound (C) Mesostructured film having a lamellar structure A detailed description will be given below.

(A)メソポーラス膜について
孔径が2−50nmの多孔質材料で、壁部の材料は特に限定されるものではないが、その例としては、製造可能性、鋳型となる分子または空孔とともに屈折率実部が異なる物質により構成された周期構造体を形成する、という観点から、酸化物が挙げられる。この酸化物の例としては、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。これらの物質は、たとえば10keVのX線に対し、全て0.999997以下の屈折率実部を持ち、以降に記載する有機物(同、0.999998程度の屈折率実部を持つ)や空気(同、ほぼ1の屈折率実部を持つ)と周期構造体を構成した際に、屈折率実部が異なる物質より構成される周期構造体を形成することができる。上述の酸化物は、その骨格中に有機成分が含まれていてよい。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
(A) About mesoporous membrane The porous material has a pore diameter of 2 to 50 nm and the material of the wall is not particularly limited. Examples thereof include manufacturability, refractive index as well as molecules or vacancies serving as templates. From the viewpoint of forming a periodic structure composed of substances whose real parts are different, oxides are mentioned. Examples of the oxide include silicon oxide, tin oxide, zirconia, titanium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, aluminum oxide, tungsten oxide, hafnium oxide, and zinc oxide. These substances have, for example, a real part of refractive index of 0.999997 or less for X-rays of 10 keV, for example, organic substances (having a real part of refractive index of about 0.999998) described later, air (same as above) , Having a real part of refractive index of approximately 1) and a periodic structure, it is possible to form a periodic structure made of materials having different real parts of refractive index. The above oxide may contain an organic component in its skeleton. The surface of the wall portion may be modified as necessary. For example, hydrophobic molecules may be modified to suppress water adsorption.

メソポーラス膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で調製することができる。集合体が鋳型として機能する両親媒性物質の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させる。その後に、鋳型分子を除去することにより、多孔質材料とする。   The method for preparing the mesoporous film is not particularly limited, but for example, it can be prepared by the following method. An inorganic oxide precursor is added to a solution of an amphiphile in which the aggregate functions as a template, a film is formed, and an inorganic oxide formation reaction proceeds. Thereafter, the template molecule is removed to obtain a porous material.

この両親媒性物質は、特に限定されるものではないが、界面活性剤が適している。界面活性剤分子の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で10から22が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤の具体例としては、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール‐ポリプロピレングリコール‐ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを挙げることができる。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で10から22、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、2から50を挙げることができる。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより孔径を拡大することが可能である。また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。   The amphiphile is not particularly limited, but a surfactant is suitable. Examples of the surfactant molecule include ionic and nonionic surfactants. Examples of the ionic surfactant include a halide salt of trimethylalkylammonium ion. Examples of the chain length of the alkyl chain include 10 to 22 carbon atoms. As an example of a nonionic surfactant, what contains polyethyleneglycol as a hydrophilic group can be mentioned. Specific examples of the surfactant containing polyethylene glycol as a hydrophilic group include polyethylene glycol alkyl ether and polyethylene glycol-polypropylene glycol-polyethylene glycol block copolymers. Examples of the chain length of this alkyl chain of the polyethylene glycol alkyl ether include 10 to 22 carbon atoms, and examples of the polyethylene glycol repeating number include 2 to 50. It is possible to change the structural period by changing the hydrophobic group and the hydrophilic group. In general, it is possible to enlarge the pore diameter by increasing the hydrophobic group and hydrophilic group. In addition to the surfactant, an additive for adjusting the structural period may be added. Examples of the additive for adjusting the structure period include hydrophobic substances. Examples of the hydrophobic substance include alkanes and aromatic compounds not containing a hydrophilic group, and specific examples thereof include octane.

無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Si,Zr,Ti,Nb,Al,Zn,Snのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものが挙げられる。   Examples of inorganic oxide precursors include silicon and metal element alkoxides and chlorides. More specific examples include alkoxides and chlorides of Si, Zr, Ti, Nb, Al, Zn, and Sn. Examples of the alkoxide include methoxide, ethoxide, propoxide, or one in which a part thereof is substituted with an alkyl group.

製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。   Examples of the film forming method include a dip coating method, a spin coating method, and a hydrothermal synthesis method.

鋳型分子の除去方法の例としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理が挙げられる。   Examples of the template molecule removal method include baking, extraction, ultraviolet irradiation, and ozone treatment.

(B)メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものについて
壁部の材料については、(A)の項に記載したものと同様のものを使用することができる。孔を充填する物質については、有機化合物を主とするものであれば特に制限されるものではない。この「主」の意味としては、体積比で50%以上を意味する。この有機化合物の例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、(A)の項で記載した界面活性剤を挙げることができる。また分子集合体の形成機能を有する部位が壁部を形成する材料、または、壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料の例としては、アルキル基を有するアルコキシシラン、アルキル基を有するオリゴシロキサン化合物を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で10から22が挙げられる。
(B) About mesoporous film in which pores are mainly filled with an organic compound As the material of the wall, the same materials as those described in the section (A) can be used. The substance filling the pores is not particularly limited as long as it is mainly composed of an organic compound. The meaning of “main” means 50% or more by volume ratio. Examples of the organic compound include a surfactant and a material in which a site having a function of forming a molecular assembly is bonded to a material forming a wall or a precursor of a material forming a wall. Examples of this surfactant include the surfactants described in the section (A). Examples of a material in which a part having a function of forming a molecular assembly forms a wall or a material bonded to a precursor of a material that forms a wall include an alkoxysilane having an alkyl group and an alkyl group. The oligosiloxane compound which has can be mentioned. Examples of the chain length of the alkyl chain include 10 to 22 carbon atoms.

孔の内部には、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素が挙げられる。   The inside of the hole may contain water, an organic solvent, a salt, or the like as necessary or as a result of a material to be used or a process. Examples of the organic solvent include alcohol, ether and hydrocarbon.

メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものの調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、(A)の項に記載したメソポーラス膜の調製法の鋳型の除去以前の工程を挙げることができる。   The method for preparing the mesoporous membrane whose pores are mainly filled with an organic compound is not particularly limited. For example, the steps prior to the removal of the template in the method for preparing the mesoporous membrane described in the section (A) are performed. Can be mentioned.

(C)ラメラ構造を持つメソ構造体膜について
本発明のメソ構造体膜には、(A)、(B)に加えてラメラ構造のメソ構造体膜を含む。このラメラ構造体は、(B)に記載した壁部の材料と、同じく(B)に記載した孔を充填する物質からなるラメラ構造を指す。これらの二種類の材料(物質)は、所望の特性を得るために、必要に応じて化学結合によって結合されていても良い。この結合されている化合物の例としては、トリアルコキシアルキルシランを挙げることができる。
(C) Mesostructured film having a lamellar structure The mesostructured film of the present invention includes a mesostructured film having a lamellar structure in addition to (A) and (B). This lamellar structure refers to a lamellar structure composed of the material for the wall portion described in (B) and the substance that fills the holes described in (B). These two kinds of materials (substances) may be bonded by chemical bonds as necessary in order to obtain desired properties. An example of this bonded compound is trialkoxyalkylsilane.

(4)クラッドについて
本発明のX線導波路は、クラッドでの全反射によりX線をコアに閉じ込めてX線を導波させる。X線の領域においては、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなる。そのためにこのクラッドに用いられる材料の具体的な例としては、密度の大きな金属が挙げられる。さらに具体的には、Os,Ir,Pt,Au,W,Ta,Hg,Ru,Rh,Pd,Pb,Moの単体、またはこれらの元素を含む材料が挙げられる。このような材料を用いたクラッドは、スパッタリング、蒸着等によって形成することができる。このクラッドの厚さは、材料によって異なるが、コアにX線を十分に閉じ込められる程度に厚く、コスト、製造の観点から薄いことが求められる。厚さの例としては、1nmから300nm、好ましくは、1nmから50nm程度の値が挙げられる。このクラッドについては、X線導波路内で膜厚分布をもって形成することも好ましく行われる。例えば、クラッド表面からの入射を積極的に行わせる目的で、入射領域において膜を薄く形成して導入効率を向上させつつ、その他の領域では、膜を厚く形成してX線の閉じ込め効果を高めることが好ましく行われる。
(4) Cladding The X-ray waveguide of the present invention guides the X-ray by confining the X-ray in the core by total reflection at the cladding. In the X-ray region, a substance having a higher electron density has a smaller real part of the refractive index. Therefore, a specific example of a material used for the clad is a metal having a high density. More specifically, a simple substance of Os, Ir, Pt, Au, W, Ta, Hg, Ru, Rh, Pd, Pb, and Mo, or a material containing these elements can be used. A clad using such a material can be formed by sputtering, vapor deposition, or the like. Although the thickness of this clad varies depending on the material, it is required to be thick enough to sufficiently confine X-rays in the core and thin from the viewpoint of cost and manufacturing. Examples of the thickness include a value of about 1 nm to 300 nm, preferably about 1 nm to 50 nm. The clad is preferably formed with a film thickness distribution in the X-ray waveguide. For example, for the purpose of positively incident from the cladding surface, a thin film is formed in the incident region to improve introduction efficiency, while in other regions, a thick film is formed to enhance the X-ray confinement effect. Is preferably performed.

(5)X線を選択的に透過する機構について
本発明のX線光学素子は、周期共鳴導波モードによってX線を導波するX線導波路を出射したX線のうち、同モードによって透過した成分を選択的に透過させるために、出射角度に制限を設ける機構を有する。
(5) Mechanism for selectively transmitting X-rays The X-ray optical element of the present invention transmits X-rays emitted from an X-ray waveguide that guides X-rays in a periodic resonant waveguide mode. In order to selectively transmit the processed component, a mechanism for limiting the emission angle is provided.

(5−1)様式、位置関係
この出射角度に制限を設ける機構は、所望のX線を選択的に透過させるために、出射角度に制限を設ける機構であれば、どのような様式のものであっても用いることができる。例としては、スリット、ピンホール、コリメータ様の機構を上げることができる。この出射角度に制限を設ける機構は、一方では、所望の角度方向に出射しないX線を遮断する機構でもある。そのため、構成する材料としては、X線を遮断するために用いる材料を用いることができる。この材料の例としては、金属を挙げることができる。
(5-1) Style and positional relationship Any mechanism may be used as long as the mechanism for limiting the emission angle is a mechanism for limiting the emission angle in order to selectively transmit desired X-rays. Even if it exists, it can be used. For example, a slit, pinhole, collimator-like mechanism can be raised. On the other hand, the mechanism for limiting the emission angle is also a mechanism for blocking X-rays that are not emitted in a desired angular direction. Therefore, as a constituent material, a material used for blocking X-rays can be used. An example of this material is metal.

本発明のX線を角度選択的に透過する機構は、X線導波路より出射されるX線のうち、周期共鳴導波モード以外のモードによって導波されたX線を、遠距離場において遮蔽するものである。このために、この機構は、導波路の出射端に対してフラウンホーファー領域に設置されるものである。この領域は、導波路のコアの厚さをD、X線の波長をλとして、出射端よりD/λより離れた領域である。一方で、この機構が出射端より離れすぎていると、X線ビームの断面積の拡大(結果として得られるスポットの密度の低下)、強度の減衰を生じるために好ましくない。また、素子の大型化防止の観点からは、この距離は小さいほうが好ましい。このため、出射端からこの機構までの距離の上限は、30cm以下、好ましくは1cm以下である。すなわち、コアとクラッド界面に垂直な方向におけるコアの厚さをDとした場合、X線導波路の出射端とX線を選択的に透過する機構の距離は、D/λ以上1cm以下であることが好ましい。 The mechanism for selectively transmitting X-rays according to the present invention shields, in the far field, X-rays guided by a mode other than the periodic resonance waveguide mode among X-rays emitted from the X-ray waveguide. To do. For this reason, this mechanism is installed in the Fraunhofer region with respect to the exit end of the waveguide. This region is a region away from D 2 / λ from the output end, where D is the thickness of the core of the waveguide and λ is the wavelength of the X-ray. On the other hand, if this mechanism is too far from the exit end, it is not preferable because the cross-sectional area of the X-ray beam is enlarged (the resulting spot density is reduced) and the intensity is attenuated. Further, from the viewpoint of preventing the device from becoming large, it is preferable that this distance is small. For this reason, the upper limit of the distance from the emitting end to this mechanism is 30 cm or less, preferably 1 cm or less. That is, when the thickness of the core in the direction perpendicular to the core-cladding interface is D, the distance between the exit end of the X-ray waveguide and the mechanism that selectively transmits X-rays is D 2 / λ or more and 1 cm or less. Preferably there is.

(5−2)角度
周期共鳴導波モードによってX線導波路中を導波したX線は、導波路に対して特定の角度で出射される。この角度は、主に導波路を構成する周期構造体の周期、周期構造体を構成する物質の屈折率、周期数によって決定される。おおよそには、この導波路を構成する周期構造体のブラッグ角の近傍であって、それより小さな角度と記載することができる。
(5-2) Angle X-rays guided in the X-ray waveguide by the periodic resonance waveguide mode are emitted at a specific angle with respect to the waveguide. This angle is determined mainly by the period of the periodic structure constituting the waveguide, the refractive index of the substance constituting the periodic structure, and the number of periods. Roughly speaking, it can be described as being near the Bragg angle of the periodic structure constituting the waveguide and smaller than that.

この導波路は、コア/クラッド界面の全反射によってコアにX線を閉じ込め、導波させる構造を持つ。そのために、周期共鳴導波モード以外にも、周期構造とは関係なくコア/クラッド界面の全反射によってコアにX線を閉じ込めることで導波するモードが存在しうる。この導波モードは、単層導波路の導波モードと同様のモード(単層導波モード)である。この単層導波モードは、周期共鳴導波モードと比較してその導波効率は低いことが多い。しかし、効率は低いものの、このモードによって導波したX線が周期共鳴導波モードによって導波されたX線と同時に出射されることはありえる。この単層導波モードによって透過してくるX線の導波効率は、モードの次数が低次のモードから高次へと増大するに従って大幅に低下する。そのため、この周期共鳴導波モードによってX線を導波するX線導波路の特徴である位相の揃ったX線を得るためには、単層導波モードによって透過するX線のうち、低次のモードによって透過するX線を遮蔽することがより重要である。(反対に、高次のモードによって透過されるX線であれば、多少周期共鳴導波モードによって伝搬したX線と同時に出射されてもその影響は比較的に小さい。)この単層導波モードによって出射されるX線の出射角度は、次数の増大とともに増大する。この次数が、((周期構造の周期数)−1)と一致するモードが、周期共鳴導波モードである。このため、位相の揃ったX線を得るためには、周期共鳴モードよりも出射角の小さいX線を遮蔽することが効果的である。   This waveguide has a structure in which X-rays are confined and guided in the core by total reflection at the core / cladding interface. Therefore, in addition to the periodic resonant waveguide mode, there may exist a mode that guides by confining X-rays in the core by total reflection at the core / cladding interface regardless of the periodic structure. This waveguide mode is a mode (single layer waveguide mode) similar to the waveguide mode of the single layer waveguide. The single-layer waveguide mode often has a lower waveguide efficiency than the periodic resonance waveguide mode. However, although the efficiency is low, it is possible that the X-ray guided by this mode is emitted simultaneously with the X-ray guided by the periodic resonance waveguide mode. The waveguide efficiency of X-rays transmitted through the single-layer waveguide mode is greatly reduced as the mode order increases from a low-order mode to a high-order. Therefore, in order to obtain an X-ray with the same phase, which is a feature of the X-ray waveguide that guides the X-rays by this periodic resonance waveguide mode, among the X-rays transmitted by the single-layer waveguide mode, It is more important to shield the transmitted X-rays by different modes. (On the contrary, if the X-ray is transmitted by a higher-order mode, the influence is relatively small even if it is emitted simultaneously with the X-ray propagated by the periodic resonant waveguide mode.) The emission angle of the X-rays emitted by increases with the order. A mode in which the order coincides with ((the number of periods of the periodic structure) −1) is a periodic resonance waveguide mode. For this reason, in order to obtain X-rays having the same phase, it is effective to shield X-rays having an emission angle smaller than that of the periodic resonance mode.

技術的、コスト的な観点から、許容されるのであれば、当然、本発明のX線光学素子が透過するX線の角度領域は、周期共鳴導波モードによって透過されるX線のみに対応する角度領域であることが最も効果的である。一方で、出射角度の厳しい制限は、本光学素子から出射するX線の強度を低下させる。そのため、その使用目的に適合した角度範囲が選択されることになる。これらを勘案すると、このX線光学素子によって選択的に透過されるX線の好ましい角度条件は、以下のように記述できる。   Of course, the X-ray angle region transmitted by the X-ray optical element of the present invention corresponds only to the X-rays transmitted by the periodic resonance waveguide mode if allowed from the technical and cost viewpoints. An angular region is most effective. On the other hand, severe restrictions on the emission angle reduce the intensity of X-rays emitted from the optical element. Therefore, an angle range suitable for the purpose of use is selected. Considering these, the preferable angle condition of the X-ray selectively transmitted by the X-ray optical element can be described as follows.

周期共鳴導波モードに共鳴する構造の周期数をnとしたときに、70(n−1)/100に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以上で、130(n−1)/100に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以下であること。さらに好ましくは、90(n−1)/100に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以上で、110(n−1)/100に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以下であること。   When the number of periods of the structure that resonates with the periodic resonant waveguide mode is n, 130 (n−) is greater than the emission angle of the single-layer waveguide mode having an integer order closest to 70 (n−1) / 100. 1) Being equal to or smaller than the emission angle of the single-layer waveguide mode having an integer order closest to / 100. More preferably, the single-layer waveguide having an integer order closest to 110 (n-1) / 100 is equal to or greater than the emission angle of the single-layer waveguide mode having an integer order closest to 90 (n-1) / 100. It must be below the wave mode exit angle.

この周期共鳴導波モード周辺の単層導波モードを分離して確認する方法として、以下の方法が挙げられる。導波路に発散角の小さなX線ビームを入射した際の、導波するX線の透過強度の入射角依存性を測定する。図5には、X線導波路から出射されるX線の透過強度の入射角度依存性の模式図(周期共鳴導波モードの周辺角度)を示す。図中の符号を付したピークは、単層導波モードによって導波されたX線であり、そのなかでもn−1の符号で示すピークが、周期共鳴導波モードによって導波されたX線である。そして、周期共鳴導波モード周辺の単層導波モードによって導波されたX線の出射角度は、それぞれのモードがピークを与える入射角でX線を入射した際に強く導波されるX線の出射角度を観測することで決定できる。   As a method for separating and confirming the single-layer waveguide mode around the periodic resonant waveguide mode, the following method can be cited. The incident angle dependence of the transmission intensity of the guided X-ray when an X-ray beam having a small divergence angle is incident on the waveguide is measured. FIG. 5 shows a schematic diagram (peripheral angle of the periodic resonant waveguide mode) of the incident angle dependence of the transmission intensity of X-rays emitted from the X-ray waveguide. In the figure, a peak with a reference sign is an X-ray guided by a single-layer waveguide mode, and among them, a peak indicated by a sign of n-1 is an X-ray guided by a periodic resonant waveguide mode. It is. The emission angle of the X-ray guided by the single-layer waveguide mode around the periodic resonant waveguide mode is an X-ray that is strongly guided when the X-ray is incident at an incident angle at which each mode gives a peak. Can be determined by observing the emission angle.

また、このX線光学素子によって選択的に透過されるX線の好ましい角度条件は、導波路を構成する周期構造体のブラッグ角を用いると、以下のように設定される。   Moreover, the preferable angle condition of the X-ray selectively transmitted by the X-ray optical element is set as follows when the Bragg angle of the periodic structure constituting the waveguide is used.

周期共鳴導波モードに共鳴する構造の周期数をn、ブラッグ角をθとしたときに、0.7×θ×(n−1)/n以上で、1.3×θ×(n−1)/n以下であることが好ましい。また、0.9×θ×(n−1)/n以上で、1.1×θ×(n−1)/n以下であることが更に好ましい。 When the number of periods of the structure that resonates in the periodic resonance waveguide mode is n and the Bragg angle is θ B , it is 0.7 × θ B × (n−1) / n or more and 1.3 × θ B × ( It is preferable that it is n-1) / n or less. Further, it is more preferably 0.9 × θ B × (n−1) / n or more and 1.1 × θ B × (n−1) / n or less.

(5−3)位置が固定されていることについて
本発明のX線光学素子においては、このX線を角度選択的に透過する機構はX線導波路に対して位置が固定された機構である。この理由を以下に記述する。本発明のX線光学素子に用いる導波路において、周期共鳴導波モードによって導波するX線の出射角度領域は非常に狭い。このために、このモード以外のモードによって導波するX線を除去することを考えた場合には以下の方法が考えられる。1.導波路とその除去機構間の距離を長くした大型の光学系を用いて除く。2.小型の光学系を精密に制御して除く。前者の場合には、X線導波路を導入するそもそもの動機である光学系の小型化の方針に反することになる。また、距離を長くすると、X線の密度は、距離の二乗に反比例すること、さらに長波長のX線であれば、その間の空気等の物質による強度の低下が生じる。2の場合には、精密な角度設定に、長い時間と大きな工具が必要となる。また、前者、後者いずれの場合にも、導波路を移動して設置するたびに調整を行う必要がある。
(5-3) About fixed position In the X-ray optical element of the present invention, the mechanism for selectively transmitting the X-ray through the angle is a mechanism whose position is fixed with respect to the X-ray waveguide. . The reason is described below. In the waveguide used for the X-ray optical element of the present invention, the exit angle region of the X-ray guided by the periodic resonance waveguide mode is very narrow. For this reason, when considering the removal of X-rays guided by modes other than this mode, the following method can be considered. 1. It is removed using a large optical system with a longer distance between the waveguide and its removal mechanism. 2. A small optical system is precisely controlled and removed. In the former case, it is against the policy of downsizing the optical system, which is the original motivation for introducing the X-ray waveguide. Further, when the distance is increased, the density of X-rays is inversely proportional to the square of the distance. Further, in the case of long-wavelength X-rays, the strength is reduced by substances such as air. In the case of 2, the precise angle setting requires a long time and a large tool. In either case of the former or the latter, it is necessary to adjust each time the waveguide is moved and installed.

これに対し、本発明のX線光学素子は、導波路を導波してくる周期共鳴導波モードに特有の波長に対してあらかじめ設定しておいた、導波路に対して位置が固定された機構を用いることで、光学系の小型化、設置の簡便さを維持しつつも、高い強度で、高度に位相の揃ったX線を与えることができる。また、このために、本発明のX線光学素子に用いられるX線としては、単色X線が用いられる。   On the other hand, the position of the X-ray optical element of the present invention is fixed with respect to the waveguide, which is set in advance with respect to the wavelength peculiar to the periodic resonance waveguide mode guided through the waveguide. By using the mechanism, X-rays with high intensity and high phase alignment can be given while maintaining the miniaturization of the optical system and the ease of installation. For this reason, monochromatic X-rays are used as the X-rays used in the X-ray optical element of the present invention.

本発明のX線光学素子で用いられる周期共鳴導波モードは、ブラッグ角が波長によって変化するのと同様、導波するX線の波長によって、その出射角度が変化する。これに対応するために、本発明のX線光学素子は、必要に応じてこの位置が固定されているX線を角度選択的に透過する機構を移動する機構を備えていてもよい。   In the periodic resonant waveguide mode used in the X-ray optical element of the present invention, the emission angle changes depending on the wavelength of the guided X-ray, as does the Bragg angle. In order to cope with this, the X-ray optical element of the present invention may include a mechanism that moves a mechanism that selectively transmits X-rays whose positions are fixed as needed.

(6)効果について
本発明のX線光学素子は、周期共鳴導波モードによってX線を導波するX線導波路と、同導波モードによって導波したX線を選択的に透過させる機構を有し、その機構が同導波路に対して位置が固定されていることで、周期共鳴導波モードによって導波したX線以外のX線を除去し、簡便に高度に位相の揃ったX線を出射することができる。
(6) Effect The X-ray optical element of the present invention has an X-ray waveguide that guides X-rays in the periodic resonance waveguide mode and a mechanism that selectively transmits X-rays guided in the waveguide mode. And the mechanism is fixed in position relative to the waveguide, so that X-rays other than the X-rays guided by the periodic resonant waveguide mode can be removed, and the X-rays can be easily and highly aligned in phase. Can be emitted.

(7)X線光学システム
本発明のX線光学システムは、X線源と、X線導波路と、前記X線導波路から出射したX線を選択的に透過させる機構を有する。X線源は、波長λの単色X線を照射する。X線導波路は、上記のX線導波路を用いることができる。X線を選択的に透過する機構は、X線の出射角度を選択的に透過する機構である。また、前記X線導波路の出射端と前記X線を選択的に透過する機構の距離は、D/λ以上1cm以下であることが好ましい。
(7) X-ray optical system The X-ray optical system of the present invention has an X-ray source, an X-ray waveguide, and a mechanism that selectively transmits X-rays emitted from the X-ray waveguide. The X-ray source emits monochromatic X-rays having a wavelength λ. As the X-ray waveguide, the above X-ray waveguide can be used. The mechanism that selectively transmits X-rays is a mechanism that selectively transmits the X-ray emission angle. The distance between the emission end of the X-ray waveguide and the mechanism that selectively transmits the X-ray is preferably D 2 / λ or more and 1 cm or less.

以下に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明の方法は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the method of the present invention is not limited to these examples.

実施例1
(1−1)導波路の調製
図4は本発明のX線光学素子に用いるX線導波路を示す図である。Si基板4030上にスパッタ法により、Wよりなる厚さ20ナノメートルの下部クラッド4000、1次元の周期構造である多層膜4020、Wからなる厚さ20ナノメートルの上部クラッド4010を形成した。また、この上部クラッドの一部は、X線の導波モード分離測定のために厚さを2ナノメートルとした。この周期構造である多層膜は、炭化ホウ素(BC)からなる厚さ3ナノメートルの膜と、酸化アルミニウム(Al)からなる厚さ12ナノメートルの膜が交互に積層された周期構造からなる。その周期数は100で、周期は15ナノメートルである。
Example 1
(1-1) Preparation of Waveguide FIG. 4 is a diagram showing an X-ray waveguide used for the X-ray optical element of the present invention. A lower clad 4000 made of W having a thickness of 20 nanometers, a multi-layer film 4020 having a one-dimensional periodic structure, and an upper clad 4010 made of W having a thickness of 20 nm were formed on a Si substrate 4030 by sputtering. In addition, a part of the upper clad has a thickness of 2 nm for X-ray waveguide mode separation measurement. In this multilayer film having a periodic structure, a film having a thickness of 3 nm made of boron carbide (B 4 C) and a film having a thickness of 12 nm made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are alternately laminated. It consists of a periodic structure. The number of periods is 100, and the period is 15 nanometers.

この導波路の上部クラッドの厚さが2ナノメートルの領域に対して、プリズムカップリング(導波路上部への斜入射)により8keVの平行X線ビームを入射し、導波X線強度の入射角度依存性を測定する。これにより、単層導波モード、周期共鳴導波モードによって導波されたX線の出射角度を確認する。この導波路を構成する周期構造体のブラッグ角は、X線回折測定により0.369度と確認される。   An 8 keV parallel X-ray beam is made incident on the region where the thickness of the upper clad of the waveguide is 2 nm by prism coupling (oblique incidence on the upper portion of the waveguide), and the incident angle of the waveguide X-ray intensity. Measure dependencies. Thereby, the emission angle of the X-ray guided by the single-layer waveguide mode and the periodic resonance waveguide mode is confirmed. The Bragg angle of the periodic structure constituting this waveguide is confirmed to be 0.369 degrees by X-ray diffraction measurement.

(1−2)X線光学素子の形成
半導体プロセスを用いてシリコン基板上に所定の幅を持つスリットを調製する。このスリットを、導波X線をモニタしながら、導波路の出射端から1cmの距離における所定の角度に保持し、導波路と接着、導波路に対して位置を固定することで図1に示すX線光学素子を形成する。このときの選択透過角度(図1中の透過可能なθの範囲)は、(a)0.256度(69次のモードの出射角度に対応)以上0.475度(同129次)以下、(b)0.329度(同89次)以上0.402度(同109次)以下、(c)0.364度以上0.367度以下(周期共鳴導波モードのみを選択)である。
(1-2) Formation of X-ray optical element A slit having a predetermined width is prepared on a silicon substrate using a semiconductor process. The slit is held at a predetermined angle at a distance of 1 cm from the emission end of the waveguide while monitoring the waveguide X-ray, and the position is fixed to the waveguide and bonded, as shown in FIG. An X-ray optical element is formed. The selective transmission angle at this time (the range of transmissive θ in FIG. 1) is (a) 0.256 degrees (corresponding to the emission angle of the 69th mode) or more and 0.475 degrees (129th order) or less. (B) 0.329 degrees (89th order) or more and 0.402 degrees (109th order) or less, (c) 0.364 degrees or more and 0.367 degrees or less (selecting only the periodic resonant waveguide mode).

(1−3)効果の測定
形成したX線光学素子に対して、フロントカップリングにより10keVのX線を入射し、導波X線を測定した。表1には、導波路を導波した全X線の相対強度と、その全導波X線に含まれる周期共鳴導波モードの割合(出射角度より換算、以下同様)を示す。
(1-3) Measurement of effect 10 keV X-rays were incident on the formed X-ray optical element by front coupling, and waveguide X-rays were measured. Table 1 shows the relative intensity of all X-rays guided through the waveguide, and the ratio of the periodic resonant waveguide mode included in the all waveguide X-rays (converted from the emission angle, the same applies hereinafter).

Figure 2013117444
Figure 2013117444

本発明のX線光学素子は、周期共鳴導波モードによって導波したX線を、出射角度選択的に透過する機構を有し、その機構が導波路に対して位置が固定されていることを特徴とする。この測定結果は、この特徴を有する本発明のX線光学素子を用いることで、位相の揃ったX線を、数センチメートル程度のサイズで得ることを可能とすることを示す。   The X-ray optical element of the present invention has a mechanism that selectively transmits X-rays guided in the periodic resonant waveguide mode, and the position of the mechanism is fixed with respect to the waveguide. Features. This measurement result shows that by using the X-ray optical element of the present invention having this feature, it is possible to obtain X-rays having a uniform phase with a size of about several centimeters.

また、その時のX線の選択される出射角度の好ましい条件は、発明を実施する形態(5−2)項に記載の角度条件であることが示される。   Moreover, it is shown that the preferable conditions of the selected emission angle of the X-ray at that time are the angle conditions described in the section (5-2) for carrying out the invention.

実施例2
(2−1)X線光学素子の形成
ステンレス板にピンホールを形成する。このピンホールを、導波X線をモニタしながら、実施例1に記載のX線導波路の出射端から1cmの距離における所定の角度に保持し、導波路と接着、導波路に対して位置が固定することで図1に示すX線光学素子を形成する。このときの選択透過角度(図1中の透過可能なθの範囲)は、0.329度(89次のモードの出射角度に対応)以上0.402度(同109次)以下である。
Example 2
(2-1) Formation of X-ray optical element A pinhole is formed in a stainless steel plate. The pinhole is held at a predetermined angle at a distance of 1 cm from the emission end of the X-ray waveguide described in Example 1 while monitoring the waveguide X-ray, and is positioned relative to the waveguide and the waveguide. Is fixed to form the X-ray optical element shown in FIG. At this time, the selective transmission angle (the range of θ that can be transmitted in FIG. 1) is 0.329 degrees (corresponding to the emission angle of the 89th mode) or more and 0.402 degrees (109th order) or less.

(2−2)効果の測定
形成したX線光学素子に対して、フロントカップリングにより10keVのX線を入射し、導波X線を測定した。表2には、導波路を導波した全X線の相対強度と、その全導波X線に含まれる周期共鳴導波モードの割合を示す。
(2-2) Measurement of effect A 10 keV X-ray was incident on the formed X-ray optical element by front coupling, and a waveguide X-ray was measured. Table 2 shows the relative intensity of all the X-rays guided through the waveguide and the ratio of the periodic resonant waveguide mode included in the all guided X-rays.

Figure 2013117444
Figure 2013117444

本発明のX線光学素子は、周期共鳴導波モードによって導波したX線を、出射角度選択的に透過する機構を有し、その機構が導波路に対して位置が固定されていることを特徴とする。この測定結果は、この特徴を有する本発明のX線光学素子を用いることで、位相の揃ったX線を、数センチメートル程度のサイズで得ることを可能とすることを示す。   The X-ray optical element of the present invention has a mechanism that selectively transmits X-rays guided in the periodic resonant waveguide mode, and the position of the mechanism is fixed with respect to the waveguide. Features. This measurement result shows that by using the X-ray optical element of the present invention having this feature, it is possible to obtain X-rays having a uniform phase with a size of about several centimeters.

実施例3
本実施例では、メソ構造体膜をコアとして用いた導波路を用いたX線光学素子について記載する。
Example 3
In this example, an X-ray optical element using a waveguide using a mesostructured film as a core will be described.

(3−1)導波路の調製
図4の構成を持つX線導波路の調製について記載する。本実施例のX線導波路は、Si基板4030上に、W(タングステン)からなるクラッド4000と4010がコア4020を挟み込むように形成されている。コア4020は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が2次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
(3-1) Preparation of Waveguide Preparation of an X-ray waveguide having the configuration of FIG. 4 will be described. The X-ray waveguide of this embodiment is formed on a Si substrate 4030 so that clads 4000 and 4010 made of W (tungsten) sandwich the core 4020 therebetween. The core 4020 is a silicon oxide mesostructured film. In this mesostructured film, holes made of an organic substance are two-dimensionally arranged to form a periodic structure in the film thickness direction.

(3−1−1)クラッドの形成(4000)
Si基板上に、W(タングステン)からなるクラッド4000は、スパッタ法により厚さおよそ20ナノメートルで成膜される。
(3-1-1) Formation of cladding (4000)
A clad 4000 made of W (tungsten) is formed on a Si substrate to a thickness of about 20 nanometers by sputtering.

(3−1−2)酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
(3−1−2−1)メソ構造体膜の前駆体溶液調製
2Dヘキサゴナル構造を持つ酸化ケイ素メソ構造体膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、エタノール、0.01M塩酸、テトラエトキシシランを加え20分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、3時間攪拌することで調製される。ブロックポリマーとしては、エチレンオキサイド(20)プロピレンオキサイド(70)エチレンオキサイド(20)(以降、EO(20)PO(70)EO(20)と記載する(カッコ内は、各ブロックの繰り返し数))を使用することが可能である。エタノールにかえてメタノール、プロパノール、1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルを使用することも可能である。混合比(モル比)は、テトラエトキシシラン:1.0、塩酸:0.0011、エタノール:5.2、ブロックポリマー:0.0096、エタノール:3.5とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
(3-1-2) Method for producing silicon oxide mesostructured film (3-1-2-1) Preparation of precursor solution for mesostructured film Silicon oxide mesostructured film having a 2D hexagonal structure is formed by dip coating. It is prepared with. The precursor solution of the mesostructure is prepared by adding an ethanol solution of a block polymer to a solution obtained by adding ethanol, 0.01M hydrochloric acid, and tetraethoxysilane and mixing for 20 minutes, and stirring for 3 hours. As a block polymer, ethylene oxide (20) propylene oxide (70) ethylene oxide (20) (hereinafter referred to as EO (20) PO (70) EO (20) (in parentheses are the number of repetitions of each block)) Can be used. It is also possible to use methanol, propanol, 1,4-dioxane, tetrahydrofuran, or acetonitrile instead of ethanol. The mixing ratio (molar ratio) is tetraethoxysilane: 1.0, hydrochloric acid: 0.0011, ethanol: 5.2, block polymer: 0.0096, and ethanol: 3.5. The solution is appropriately diluted and used for the purpose of adjusting the film thickness.

(3−1−2−2)メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて0.5mms−1の引き上げ速度でディップコートを行う。製膜後、膜は、25℃、相対湿度40%の恒温恒湿槽で2週間、80℃で24時間保持される。
(3-1-2-2) Formation of Mesostructured Film A dip coating is performed on the cleaned substrate using a dip coating apparatus at a lifting speed of 0.5 mms −1 . After film formation, the film is held in a constant temperature and humidity chamber at 25 ° C. and a relative humidity of 40% for 2 weeks and at 80 ° C. for 24 hours.

(3−1−2−3)評価
調製されたメソ構造体膜の、ブラッグ−ブレンターノ配置をもちいたX線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は,基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔、つまり閉じ込め方向における周期が、10.2nmであることが確認される。その膜厚は480ナノメートルである。
(3-1-2-3) Evaluation The prepared mesostructured film is subjected to X-ray diffraction analysis using the Bragg-Brentano configuration. As a result, it is confirmed that this mesostructured film has high ordering in the normal direction of the substrate surface, and the interval between the surfaces, that is, the period in the confinement direction is 10.2 nm. Its film thickness is 480 nanometers.

(3−1−3)クラッド(4010)の形成
緩衝層上にWクラッド4010を形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さおよそ20ナノメートルで成膜される。また、この上部クラッドの一部は、X線の導波モード分離測定のために厚さを2ナノメートルとした。
(3-1-3) Formation of Cladding (4010) W cladding 4010 is formed on the buffer layer. This clad is formed with a thickness of about 20 nanometers by sputtering. In addition, a part of the upper clad has a thickness of 2 nm for X-ray waveguide mode separation measurement.

この導波路の上部クラッドの厚さが2ナノメートルの領域に対して、プリズムカップリング(導波路上部への斜入射)により8keVの平行X線ビームを入射し、導波X線強度の入射角度依存性を測定する。これにより、単層導波モード、周期共鳴導波モードによって導波されたX線の出射角度を確認する。この導波路を構成する周期構造体のブラッグ角は、X線回折測定により0.485度と確認される。   An 8 keV parallel X-ray beam is made incident on the region where the thickness of the upper clad of the waveguide is 2 nm by prism coupling (oblique incidence on the upper portion of the waveguide), and the incident angle of the waveguide X-ray intensity. Measure dependencies. Thereby, the emission angle of the X-ray guided by the single-layer waveguide mode and the periodic resonance waveguide mode is confirmed. The Bragg angle of the periodic structure constituting this waveguide is confirmed to be 0.485 degrees by X-ray diffraction measurement.

(3−2)X線光学素子の形成
半導体プロセスを用いてシリコン基板上に所定の幅を持つスリットを調製する。このスリットを、導波X線をモニタしながら、導波路の出射端から1cmの距離における所定の角度に保持し、固定具を用いて導波路に対して位置を固定し図1に示すX線光学素子を形成する。このときの選択透過角度(図1中の透過可能なθの範囲)は、(a)0.332度(32次のモードの出射角度に対応)以上0.617度(同60次)以下、(b)0.427度(同41次)以上0.522度(同51次)以下、(c)0.469度以上0.485度以下(周期共鳴導波モードのみを選択)である。
(3-2) Formation of X-ray optical element A semiconductor process is used to prepare a slit having a predetermined width on a silicon substrate. The slit is held at a predetermined angle at a distance of 1 cm from the exit end of the waveguide while monitoring the waveguide X-ray, and the position is fixed with respect to the waveguide using a fixture, and the X-ray shown in FIG. An optical element is formed. The selective transmission angle at this time (the range of θ that can be transmitted in FIG. 1) is (a) 0.332 degrees (corresponding to the emission angle of the 32nd mode) or more and 0.617 degrees (60th order), (B) 0.427 degrees (41st order) or more and 0.522 degrees (51st order) or less, (c) 0.469 degrees or more and 0.485 degrees or less (selecting only the periodic resonant waveguide mode).

(3−3)効果の測定
形成したX線光学素子に対して、フロントカップリングにより10keVのX線を入射し、導波X線を測定した。表3には、導波路を導波した全X線の相対強度と、その全導波X線に含まれる周期共鳴導波モードの割合を示す。
(3-3) Measurement of effect 10 keV X-rays were incident on the formed X-ray optical element by front coupling, and waveguide X-rays were measured. Table 3 shows the relative intensities of all the X-rays guided through the waveguide and the ratio of the periodic resonance waveguide modes included in the all the guided X-rays.

Figure 2013117444
Figure 2013117444

本発明のX線光学素子は、メソ構造体膜をコアとするX線導波路を周期共鳴導波モードによって導波したX線を、出射角度選択的に透過する機構を有し、その機構が導波路に対して位置が固定されていることを特徴とする。この測定結果は、この特徴を有する本発明のX線光学素子を用いることで、位相の揃ったX線を、数センチメートル程度のサイズで得ることを可能とすることを示す。   The X-ray optical element of the present invention has a mechanism that selectively transmits X-rays guided in a periodic resonance waveguide mode through an X-ray waveguide having a mesostructure film as a core, and the mechanism is The position is fixed with respect to the waveguide. This measurement result shows that by using the X-ray optical element of the present invention having this feature, it is possible to obtain X-rays having a uniform phase with a size of about several centimeters.

また、その時のX線の選択される出射角度の好ましい条件は、発明を実施する形態(5−2)項に記載の角度条件であることが示される。   Moreover, it is shown that the preferable conditions of the selected emission angle of the X-ray at that time are the angle conditions described in the section (5-2) for carrying out the invention.

本発明のX線導波路は、X線を用いた撮像、露光、分析等におけるX線光学系に用いられる部品等に利用することができる。   The X-ray waveguide of the present invention can be used for components used in an X-ray optical system in imaging, exposure, analysis and the like using X-rays.

1000 コア
1010、1020 クラッド
1030 X線導波路
1060 X線を選択的に透過する機構
1080、1090 物質
2001 コア
2002、2003 クラッド
2004 基本構造
2005、2006 物質
4000、4010 クラッド
4020 コア
1000 core 1010, 1020 clad 1030 X-ray waveguide 1060 mechanism for selectively transmitting X-ray 1080, 1090 material 2001 core 2002, 2003 clad 2004 basic structure 2005, 2006 material 4000, 4010 clad 4020 core

Claims (8)

X線導波路と、前記X線導波路から出射したX線を選択的に透過させる機構を有するX線光学素子であって、
前記X線導波路は、X線を導波させるためのコアと、前記コアに前記X線を閉じ込めるためのクラッドを有し、
前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、
前記クラッドと前記コアとの界面における前記X線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、
前記X線を選択的に透過する機構は、所定の出射角度で前記X線導波路を出射したX線を選択的に透過することを特徴とするX線光学素子。
An X-ray optical element having an X-ray waveguide and a mechanism for selectively transmitting X-rays emitted from the X-ray waveguide,
The X-ray waveguide has a core for guiding X-rays, and a clad for confining the X-rays in the core,
The core has a periodic structure composed of a plurality of substances having different real parts of refractive index,
The X-ray total reflection critical angle at the interface between the cladding and the core is larger than the Bragg angle due to the periodicity of the core,
The X-ray optical element, wherein the mechanism for selectively transmitting the X-ray selectively transmits the X-ray emitted from the X-ray waveguide at a predetermined emission angle.
前記コアの周期性に起因するブラッグ角は、前記周期構造をなす複数の物質の間における全反射臨界角よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のX線導波路。   2. The X-ray waveguide according to claim 1, wherein a Bragg angle resulting from the periodicity of the core is larger than a total reflection critical angle between a plurality of substances forming the periodic structure. 前記コアが周期性多層膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載のX線導波路。   The X-ray waveguide according to claim 1, wherein the core is a periodic multilayer film. 前記コアが周期性メソ構造体であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のX線導波路。   The X-ray waveguide according to claim 1, wherein the core is a periodic mesostructure. 前記コアが周期性を有するメソポーラス膜であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のX線導波路。   The X-ray waveguide according to claim 1, wherein the core is a mesoporous film having periodicity. 前記X線を選択的に透過させる機構は、前記X線導波路に対する位置が固定されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のX線光学素子。   The X-ray optical element according to claim 1, wherein the mechanism for selectively transmitting X-rays is fixed in position with respect to the X-ray waveguide. X線源と、X線導波路と、前記X線導波路から出射したX線を選択的に透過させる機構を有するX線光学システムにおいて、
前記X線源は、波長λの単色X線を照射し、
前記X線導波路は、X線を導波させるためのコアと、前記コアに前記X線を閉じ込めるためのクラッドを有し、
前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、
前記クラッドと前記コアとの界面における前記X線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、
前記X線を選択的に透過する機構は、X線の出射角度を選択的に透過する機構であることを特徴とするX線光学システム。
In an X-ray optical system having an X-ray source, an X-ray waveguide, and a mechanism for selectively transmitting X-rays emitted from the X-ray waveguide,
The X-ray source emits monochromatic X-rays with a wavelength λ,
The X-ray waveguide has a core for guiding X-rays, and a clad for confining the X-rays in the core,
The core has a periodic structure composed of a plurality of substances having different real parts of refractive index,
The X-ray total reflection critical angle at the interface between the cladding and the core is larger than the Bragg angle due to the periodicity of the core,
The X-ray optical system characterized in that the mechanism that selectively transmits X-rays is a mechanism that selectively transmits an X-ray emission angle.
前記コアと前記クラッド界面に垂直な方向におけるコアの厚さをDとした場合、前記X線導波路の出射端と前記X線を選択的に透過する機構の距離は、D/λ以上1cm以下であることを特徴とする請求項7に記載のX線光学システム。 When the thickness of the core in the direction perpendicular to the core-cladding interface is D, the distance between the emission end of the X-ray waveguide and the mechanism that selectively transmits the X-ray is D 2 / λ or more and 1 cm. The X-ray optical system according to claim 7, wherein:
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