JP3020460B2

JP3020460B2 - 真空光学系構造

Info

Publication number: JP3020460B2
Application number: JP9102124A
Authority: JP
Inventors: 慶記池滝
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JPH10293200A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、真空光学
系構造に関するものである。さらに詳しくは、この出願
の発明は軟Ｘ線を用いた分析装置の光学系の高精度化等
に有用な、真空光学系構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年、軟Ｘ線顕微鏡をはじめ
とする軟Ｘ線を用いた分析装置の開発が進んでいる。軟
Ｘ線は空気中における透過力が弱いために、高精度な測
定を実現するためには、軟Ｘ線を用いた分析装置の光学
系を真空容器に収納する必要がある。特に、軟Ｘ線顕微
鏡等においては、空間分解能力が５０ｎｍ程度の画像を
得るために、少なくともサブミクロン程度の高精度でア
ライメントされた各種の光学レンズや検出器が真空容器
内に収納されている必要がある。

【０００３】従来では、軟Ｘ線を用いた分析装置の光学
系においては、真空容器の底板に治具を設け、光学素子
が設置されており、一般的には、アライメントは真空容
器を大気解放した状態で行われている。しかしながら、
真空容器内を真空にすると大気圧で真空容器自体が歪ん
でしまい、真空容器の底板を基準に設置した光学素子の
アライメントが崩れてしまう等の問題点があった。

【０００４】そこで、従来では、これらの問題を解決す
るために、真空容器の底板を十分に厚くしたり、ステッ
プモータを具備した高精度な真空ステージによって、リ
モートコントロールで再度調整をする必要があった。だ
が、一方で、このような手段を採用すると、全システム
の重量が異常に大きくなったり、再調整用の制御システ
ムが複雑であるため、高度な技術を要する等の問題がさ
らに生じてしまう。

【０００５】このため、真空容器内の気圧変化に伴う真
空容器の変形により真空容器に変異が生じても、使用さ
れるべき光学系に伝達される変異量がその光学系に要求
される精度から定まる所定の変動誤差量を越えない変異
伝達量の小さな部材で支持される光学系載置部材を真空
容器内に備えた真空光学系が提案されてもいる（特開平
６−９４９００）。この光学系によれば、真空排気の前
後において容器が変形しても真空容器内の光学系のアラ
イメントが狂うことなく、また外部から真空容器内の移
動機構を操作できるコンパクトな真空工学となるとされ
ている。

【０００６】しかしながら、このような改善策にもかか
わらず、実際には、応用される光学系によっては、その
光学系に要求される精度から定まる所定の変動誤差量を
越えないという条件を満たし、さらにコストパフォーマ
ンスに優れた部材を見いだすことが困難である等の問題
が避けられなかった。そこで、この出願発明は、以上の
とおりの従来技術の欠点を解消し、調整用の制御システ
ムを利用しなくても、真空引きの前に完了したアライメ
ントを真空引き後も保持することのできる、低コストで
軽量な、新しい真空光学系構造を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この新しい発明は、上記
の課題を解決するものとして、真空容器内に光学系が収
納されている構造であって、真空容器外に配設された光
学基準台と、光学基準台に立設された、真空容器を支持
する剛体の真空容器支柱と、真空容器内の空間中に設け
られた、光学系が配設される光学支持台と、真空容器の
底部を貫通して光学基準台に立設された、光学支持台を
真空容器とは力学的に独立するように支持する光学支持
台支柱と、光学支持台支柱の真空容器貫通にともなう真
空漏れを防止する弾性封止手段とを備えていることを特
徴とする真空光学系構造を提供する。

【０００８】また、この出願の発明は、弾性真空封止手
段がベローズであることや、ベローズと光学基準台とは
ガスケットシールにより真空シールされていることや、
光学系がＸ線光学系であることをもその態様として提供
する。

【０００９】

【発明の実施の形態】添付した図面の図１は、この発明
の原理的構成を例示した概念図である。たとえば、この
図１に例示したように、真空容器（１）は、真空容器支
柱（２）によって光学基準台（３）に設置されており、
一方、真空容器の内部光学系を載せる光学支持台（４）
は、光学支持台支柱（５）により光学基準台（３）に設
置されている。そして、たとえば真空容器（１）と光学
基準台（３）との間に設けたベローズ（６）の内部空間
の略中心部には、真空容器（１）並びにベローズ（６）
に対しては力学的に独立した光学支持台支柱（５）が配
設されてもいる。

【００１０】ここで真空容器支柱（２）は、剛体であっ
て、完全に真空容器（１）の自重がすべて光学基準台
（３）にかかり、光学系に応力がかからないようにして
いる。真空容器支柱（２）が仮に弾性体であるとする
と、真空容器（１）が光学基準台（３）と相対的にずれ
たり、振動してしまうことになる。この場合、たとえば
シンクロトロンのビームラインと接続してこの発明の装
置を利用する場合、光軸の位置はずれないものの、真空
容器と（１）がシンクロトロンのビームラインの真空容
器に応力を与えてしまう。これでは、真空容器（１）が
単体である場合には問題ないが、シンクロトロンのビー
ムラインと真空容器（１）のシステムではシンクロトロ
ンのビームラインの光学系に応力をかけてしまうので、
好ましくない。（多少圧力変形があったにしろ）しっか
りと真空容器（１）が光学基準台（３）と相対的にずれ
ないように固定する必要がある。

【００１１】また、真空容器が重たくなると、剛体でな
いと支えきれず、ロングレンジタイムでは、真空容器支
柱（２）の形状が経時変化してしまう。この場合も、光
軸の位置はずれないものの、真空容器（１）をシンクロ
トロンのビームラインや外部装置と接続する場合に好ま
しくない。このようにして、剛体の真空容器支柱（２）
に支持された真空容器（１）と光学支持台（４）はベロ
ーズ（６）によって力学的に独立して保持されるため、
真空排気の際、真空容器（１）が薄くて変形しやすくて
も、光学支持台（４）とこれに支持されている真空容器
内部に収納されている光学系は、真空容器（１）の変形
にともなう歪み、（微小）変動等が生じることはない。
つまり、全く真空容器（１）の圧力変形の影響を受けな
いのである。また、光学基準台（３）が圧力変形の影響
を受けるのは、光学支持台支柱（５）を取り囲むベロー
ズ（６）の断面積のごくわずかな領域であり、光学基準
台（３）自体の圧力変形もほとんど生じない。したがっ
て、真空容器（１）の内部に収納されている光学系は真
空容器（１）での大気排出前後で形状はほとんど変化し
ないため、再調整用の制御システムを利用することな
く、大気排気前に完了した光学系のアライメントを保持
することができる。さらに、真空容器（１）の材質の厚
さを薄くしてもその影響を受けないために、極力軽量な
真空容器の設計が可能になる。

【００１２】なお、光学支持台支柱（５）は、真空容器
（１）の底部を貫通して光学基準台（３）に立設される
ことから、この貫通にともなう真空漏れが防止され、か
つ上記のような力学的独立の保たれる手段であるなら
ば、上記のベローズ（６）を採用する構造に限られるこ
とはない。実際、ベローズ（６）については、真空容器
（１）の変形に追従して真空封止性を保ち得るものであ
ればよく、各種の弾性封止手段が採用されることにな
る。これらは、金属、合金、樹脂、それらの複合体等に
よって構成することができる。

【００１３】また、ベローズ（６）と光学基準台（３）
との接続においては真空シールのためのガスケットシー
ルを採用するのが好ましい。以下、実施例を示し、この
発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

【００１４】

【実施例】添付した図面の図２は、レーザープラズマ光
源を用いた軟Ｘ線顕微鏡におけるこの発明の構造例を示
したものである。すなわち、図２に例示したように、高
精度なアライメントが必要な光学素子であるレーザープ
ラズマ光源ダーゲット（７）、コンデンサーレンズ
（８）、観察試料（９）、シュバルシルド型Ｘ線対物レ
ンズ（１０）、紫外線カットフィルタ（１１）および２
次元Ｘ線検出器（１２）が、各々のステージまたは保持
台（１３）（１４）（１５）（１６）（１７）を介し
て、すべて同一の光学支持台（光学レール）（４）の上
に設置されている。そして、この光学支持台（光学レー
ル）（４）は、光学支持台支柱（５）によって光学支持
台（光学レール）土台（１８）を介して光学基準面を有
する光学基準台（３）に直接取り付けられる。また、光
学基準台（３）にはレーザーシステムも固定され、光学
系と共通な光学基準面を形成している。一方、上記の光
学系を収納する真空容器（１）と、真空容器支柱（２）
並びにベローズ（６）によって真空室が形成される。こ
こで、ベローズ（６）は、真空容器（１）と光学支持台
（４）の構造間の力学的な歪みを絶縁する機能を有し、
真空容器（１）と光学支持台（４）とは力学的に全く独
立していた構造となる。

【００１５】ベローズ（６）は、図２の例では光学支持
台（光学レール）土台（１８）に接続されているが、こ
のものとの間の接続だけでなく、この土台（１８）と接
続させることなく光学基準台（３）と接続させてもよ
く、いずれの場合もガスケットシールによって真空シー
ルすることが好ましく考慮される。そして、この例で
は、軟Ｘ線顕微鏡は、図３に示したように、次のような
動作をする。

【００１６】真空容器（１）の外部より光学窓を通して
照射したレーザー光によって、シリンドリカルな形状を
有するレーザープラズマ光源ターゲット（７）を照射す
る。レーザースポット領域から照射されるＸ線は、斜入
射型のコンデンサーレンズ（８）によって、観察試料
（９）上に集光される。そして、観察試料（９）を透過
したＸ線は、表面にＸ線多層膜をコーティングしたシュ
バルシルド型Ｘ線対物レンズ（１０）によって集光さ
れ、さらに紫外線カットフィルタ（１１）によって観察
に不要な紫外線や可視光（特にレーザーの散乱光）より
もある程度単色化された後、２次元Ｘ線検出器（１２）
面上に拡大結像される。通常は、このような動作により
観察試料（９）の透過Ｘ線像を得ることができる。な
お、Ｘ線光学系としは、シュバルシルド型Ｘ線対物レン
ズ（１０）と斜入射型のコンデンサーレンズ（８）に限
られることはなく、回折を用いたフレネルゾーンプレー
トなども考慮される。２次元Ｘ線検出器（１２）として
はＸ線ＣＣＤ、マイクロチャンネルプレート、Ｘ線ズー
ミング管、Ｘ線フィルム、イメージングプレートなどが
考慮される。

【００１７】光学アライメントは、たとえば、まず、大
気中で光学支持台（光学レール）（４）上に複数のピン
ホールをもった光学ゲージを立て、レーザー光（例え
ば、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光）が各ピンホールを通る様に
して、仮想光軸を形成することから始まる。次に、光学
ステージや保持台（１３）（１４）（１５）（１６）
（１７）により、レーザー光が各光学素子の光学中心を
通るように調整する。レーザープラズマ光源の場合には
可視光も発光するので、フィルタ（１１）を光側から外
し、可視光の像を二元検出器によりピント調整を行う。
このようにして、大気中で大体の光学調整が完了する。
さらに、Ｘ線像を観察する場合には、真空容器の内部を
真空にして、試料ステージを電気的リモート操作や導入
マニュピュレータにより駆動し、再度ピント調整を行
う。この発明の上記の構造では、光学系が全く真空容器
外壁と独立しているために、全体が同じ圧力で低圧にな
るので、光学系は真空排気の際の力学的歪みを全く受け
ることがない。このため、大気中で光学調整を行えば、
真空にしても全くアライメントが崩れないため、Ｘ線像
を観察する場合にピント調整などが容易である。一方、
従来の真空光学系では、大気中で光学調整をしても、真
空を引いた後、光学調整が大きくずれるので（特に光軸
が狂う）、真空中で再び大幅な光学調整が必要である。
また、試料ステージ移動によるピント調整の他にＸ線対
物レンズやコンデンサーレンズの再調整も必要になる。
このように、従来のＸ線顕微鏡の場合には、試料の交換
の度に真空の開放と真空引きを繰り返すために、全光学
系のアライメントをその都度最初からやり直す必要があ
る。しかしながら、この発明を構造が採用されるＸ線顕
微鏡では、一度光学系のアライメントが取れれば、試料
交換時触れるのは試料ステージのみであり、ただこれを
再調整すればよいので労力が大幅に軽減することができ
る。

【００１８】なお、以上の実施例では、Ｘ線光学系につ
いて説明したが、この発明は、何らこのような例に限定
されるものではなく、基本的には真空容器内に光学系が
収納される各種のシステムについて同様に適応可能であ
る。さらに、光源が収納できないようなシンクロトロン
光源大規模サイズの光源を用いるＸ線光学系システムの
場合にもこの発明は威力を発揮する。この場合、光源と
その他のシステム（たとえば、Ｘ線顕微鏡では、コンデ
ンサーレンズ、試料ホルダー、Ｘ線対物レンズ、検出
器）を分離した形式になる。従って、シンクロトロンの
ビームラインに設置するときには、シンクロトロンのビ
ームがこの発明のシステムの光軸上を通るようにアライ
メントする必要がある。その場合、この発明を用いたシ
ステムでは、一度システム内の光学調整を完了すれば、
真空容器内の光学系は光学基準面に対して精度が出てい
るので、光学基準面の偏向または高さ調整により、容易
にシンクロトロンのビームがこのシステムの光軸上を通
るようにアライメントができる利点もある。

【００１９】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、この出願の
発明によって、アライメントが容易であり、真空容器の
真空引き前後において光学系のアライメントが狂うこと
なく、さらに装置全体を軽量でコンパクトに構成するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の原理的構成を例示した概念構成図で
ある。

【図２】この発明の構造について、レーザープラズマ光
源を用いた軟Ｘ線顕微鏡の実施例を示した断面構成図で
ある。

【図３】図２の光学系を示した構成図である。

【符号の説明】

１真空容器２真空容器支柱３光学基準台４光学支持台５光学支持台支柱６ベローズ７レーザープラズマ光源ターゲット８斜入射型コンデンサーレンズ９観察試料１０シュバルツシルド型対物レンズ１１紫外線カットフィルタ１２２次元Ｘ線検出器１３レーザープラズマ光源ターゲット保持台１４斜入射型コンデンサーレンズ５軸ステージ１５観察試料粗動ステージおよびスキャンステージ１６シュバルツシルド型対物レンズ５軸ステージ１７２次元Ｘ線検出器保持台１８光学支持台支柱土台

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内に光学系が収納されている構
造であって、真空容器外に配設された光学基準台と、光
学基準台に立設された、真空容器を支持する剛体の真空
容器支柱と、真空容器内の空間中に設けられた、光学系
が配設される光学支持台と、真空容器の底部を貫通して
光学基準台に立設された、光学支持台を真空容器とは力
学的に独立するように支持する光学支持台支柱と、光学
支持台支柱の真空容器貫通にともなう真空漏れを防止す
る弾性封止手段とを備えていることを特徴とする真空光
学系構造。
【請求項２】弾性真空封止手段がベローズである請求
項１の真空光学系構造。
【請求項３】ベローズと光学基準台とはガスケットシ
ールにより真空シールされている請求項１または２の真
空光学系構造。
【請求項４】光学系がＸ線光学系である請求項１ない
し３のいずれかの真空光学系構造。