JP3151260B2 - 落射型x線顕微鏡 - Google Patents

落射型x線顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡にかかり、特に
極真空紫外光から軟X線領域にかけての光を用いて試料
の高分解能観察を行う落射型X線顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、顕微鏡の結像光学系の分解能δ
は次式(1)で与えられる。 δ=0.61λ/NA ───式(1) 但し、λは波長、NAは対物レンズの開口数である。通
常の光学顕微鏡では、開口数が最も大きいNA=1.4
程度の油浸対物レンズを用いた場合、波長λ=5500
Åの可視光を使用すると、上記式から、分解能δはδ=
2400Å(0.24μm)となる。又、上記式より分
解能を向上させる方法として使用波長λを短くすること
が考えられ、紫外領域の光を用いる紫外線顕微鏡や軟X
線領域の光を用いるX線顕微鏡が開発されている。
【0003】X線顕微鏡の場合、波長40Åの軟X線を
使用すると、開口数NA=0.25の対物レンズを用い
ても分解能δ=100Å(0.01μm)にも達し、高
分解能の観察に適している。しかし、軟X線領域におい
ては、あらゆる物質の屈折率がほぼ1に近く、反射が殆
ど起こらないため、試料の反射光を観察することは困難
である。そのため、透過型の顕微鏡光学系を採らざるを
得なかった。
【0004】かかる従来の透過型X線顕微鏡を図4を用
いて説明する。これは対物光学系として全反射現象を利
用した全反射型ミラー光学系を用いたものである。図
中、1はレーザプラズマ光源や放射光が用いられる光
源、2は光源1から射出された軟X線を集光して試料3
を照射するためのコンデンサ機能をもつ斜入射型全反射
鏡、4は試料3を透過したX線を画像検出器5上に結像
するための対物鏡機能をもつ斜入射型全反射鏡、6は不
要光を遮蔽するためのフィルターである。画像検出器5
はMCP(マイクロチャネルプレート)やCCD,CM
D,AMI等の固体撮像素子が用いられ、該検出器5で
検出された画像は図示しないCRT等に表示されるよう
になっいる。
【0005】上記X線顕微鏡において、斜入射型全反射
鏡2,4の代わりに、多層膜反射鏡を用いた直入射光学
系や回折を用いたゾーンプレート光学系を用いることが
できるが、全反射型ミラー光学系又は直入射光学系を用
いた場合、光源1として可視光,紫外光を含む放射光,
レーザプラズマ光源等の白色光源を用いたときは、観察
に使用する軟X線以外の光も検出器5に到達する。これ
は、500Åより長い波長の光が、金属反射によって光
学系中を透過する為で、この不要光はMCPやCCDの
感度領域と重なり合い、検出器5における観察像の検出
精度・分解能を悪化させる要因となる。そこで、このよ
うな不要光を除去するために、厚さ1000乃至数千Å
の薄膜でできたベリウムやカーボン等より成るフィルタ
ーをフィルター6に用いている。尚、軟X線は空気によ
っても吸収されるので、図示した顕微鏡光学系は真空中
に設けられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記従来例の如く、軟
X線領域では試料の反射光を観察することが困難なた
め、或いは物質による軟X線の吸収が大きく性能の良い
ビームスプリッタの作製が難しい等の理由から、X線顕
微鏡は透過型の構造を採らざるを得なかった。そのた
め、厚い試料を観察することができなかった。
【0007】本発明は、従来の技術の有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、観察波長に着目し、落射照明により試料の観察
を行うことで、試料が厚い場合にも高分解能の観察を可
能としたX線顕微鏡を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するために本発明の落射型X線顕微鏡は、400乃至6
00Åの波長領域の一部を少なくとも含む光を放射する
X線光源と、該X線光源からのX線の一部を反射し、一部
を透過させる薄膜から成るビームスプリッタと、該ビー
ムスプリッタで反射され又は該ビームスプリッタを透過
したX線を物体に集光すると共に物体で反射したX線を該
ビームスプリッタを介して透過させ又は反射して所定の
位置に集光する対物レンズと、該対物レンズにより集光
されたX線を受けるX線検出器とを備えている。
【0009】軟X線領域では光の反射は殆ど起こらない
が、波長が400Åより長くなると反射が生じてくる
が、同時に物質による軟X線の吸収も増大する。従っ
て、現実に作製できる厚さ1000Å(0.1μm)程
度の薄膜で、600Å程度迄の軟X線領域の光を透過可
能な透過率を有する薄膜材料を、適切に選択する必要が
ある。表1は、薄膜材料として利用できる幾つかの物質
について、その光学定数と、該物質に軟X線領域の光を
入射したときの透過率及び反射率を示している。軟X線
の入射角は、薄膜でビームスプリッタを作製することを
考慮し、45度とした。尚、表中、nは屈折率実数部、
kは屈折率虚数部、Tは膜厚1000Å(0.1μm)
の透過率、Rは膜厚1000Å(0.1μm)の反射
率、T′は膜厚10μmの透過率、R′は膜厚10μm
の反射率である。光学定数は、「 Handbook of Optical
Constants of Solids」 (ACADEMIC PRESS, INC.) 等を
参照した。
【0010】
【表1】
【0011】表1より、厚さ10μmの薄膜の場合、透
過率は入射光の全ての波長で0%となり、ビームスプリ
ッタとして利用できないことがわかる。又、厚さ100
0Åの薄膜の場合、透過率はAl(アルミニウム)を除
いて入射光の波長が長くなるのに伴って減少し、一方、
反射率は薄膜の厚さに関わらず入射光の波長が長くなる
のに伴って増加することがわかる。ビームスプリッタに
薄膜を利用する場合、透過率と反射率とが共に、ある程
度以上の値であることが必要となる。従って、入射光の
波長に対して相反する特性を有するこれらの値を薄膜形
成条件,使用光の波長及び光学系全体の条件と共に比較
考慮し、ビームスプリッタとしての性能が確保され得る
最適な薄膜材料を選択・決定すればよい。表1からは、
波長516.6Åの軟X線に対し透過率30%,反射率
10%の値を有する、Alを用いた膜厚1000Åの薄
膜がビームスプリッタとして利用できることがわかる。
【0012】次に、ビームスプリッタとして薄膜を形成
する際の条件について説明する。図1は屈折率nを有す
る物質を厚さdに形成して成る薄膜Fに波長λのX線を
入射したときの光の反射作用を示した概念図である。図
中、L1は薄膜の表面で反射するX線の光路、L2は薄
膜の裏面で反射するX線の光路、θ1は薄膜の表面にお
ける入射角、θ2は薄膜の裏面における入射角である。
光路L1の光路長(P1─P2─P3)と光路L2の光
路長(P4─P5─P6)の光路差ΔLは、図示した光
学系に入射光の吸収が近似的にないものとした場合、次
式(2)で示すことができる。
【0013】又、式(2)から、この光学系の干渉条件
は次式(3)のように表すことができる。 但し、sinθ1/sinθ2=n、mは整数である。
【0014】更に、式(3)は次式(4)のように、こ
の薄膜Fの厚さdの条件式として表すことができる。
【0015】従って、上記式(4)に基づいて薄膜を形
成し、又は光学系を設定することにより、薄膜より成る
ビームスプリッタの反射効率を高くすることができる。
又、本発明における分解能δは、例えば波長500Åの
軟X線を使用する場合、この波長領域で最も大きくとれ
る開口数NAがNA=0.25程度となることから、前
記式(1)より、δ=1200Å(0.12μm)とな
り、本発明によって、高分解能の試料観察が可能とな
る。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図2は本発明の落射型X線顕微鏡の好適な一実施
例の構成を示しており、図中、10はレーザプラズマ光
源や放射光が用いられる光源、11はA1薄膜より成る
ビームスプリッタ、12はコンデンサーレンズを兼ねる
多層膜反射鏡を用いたシュヴァルツシルツ型の対物レン
ズ、13は試料、14はX線を検出するMCPやCCD等の画
像検出器である。光源10から放射された軟X線は、ビ
ームスプリッタ11で反射して方向転換し、対物レンズ
12に入射して、該対物レンズ12により試料13上に
集光せしめられる。試料13で反射した軟X線は対物レ
ンズ12を通過し、更にビームスプリッタ11を透過し
て画像検出器14上に集光され、該検出器14を介し図
示しないCRT等に検出画像を表示して試料の観察を行う
ようになっている。
【0017】次に本実施例で用いるAl薄膜より成るビ
ームスプリッタ11について説明する。表2は、波長5
16.6Åの入射光に対する、Alを材料として形成し
た薄膜の膜厚と反射率及び透過率の値を示している。但
し、薄膜に対する入射光の入射角は45度である。
【表2】
【0018】表2より、膜厚を300Å,1100Å,
1800Å近傍で形成した各々の場合に、透過率・反射
率ともに大きな値を示すことがわかる。又、透過率は膜
厚の増加に伴って減少し、反射率は膜厚の増加に対して
一定の周期性を保って増減を繰り返しつつ全体として減
少してゆくことが理解できる。これは、薄膜が薄いため
に該薄膜の両表面で反射する光が干渉するためである。
つまり、前記式(3)に示した干渉条件より、薄膜にA
lを用いた本実施例の条件、入射角45度,屈折率n=
0.789を同式に代入し、本実施例に最適な膜厚dを
求めると、 d=737(m+1/2) となり、mに0,1,2を順次代入して算出される値
は、表2に示した一定の周期性をもつ反射率に対応する
膜厚の値とほぼ一致する。
【0019】膜厚が厚くなると光の吸収が大きくなり透
過率が低下する。表2に示した結果から、膜厚を200
0Å以上に形成したときは透過率が10%以下の値とな
ることは明らかであり、この場合ビームスプリッタとし
て利用することはできない。従って、Al薄膜を利用す
る本実施例の場合、約2000Å以下で膜厚を形成すれ
ば、この薄膜はビームスプリッタとしての性能が確保さ
れ得るに必要な透過率を持つこととなる。
【0020】又、上述のように、ビームスプリッタとし
て利用するための薄膜の厚さは非常に薄く、形成した薄
膜を単独で光学系に配置することは薄膜の強度的な制約
から困難である。そこで、図3に示すように、金属等の
適宜の材料より成るメッシュ上に薄膜を形成し、薄膜の
強度を高めるようにしてもよい。この場合、薄膜の平面
性が著しく悪化するので、結像光路を該薄膜で反射させ
るようなビームスプリッタの配置は結像性能の劣化を招
き好ましくない。従って、図2に示すように、光源10
から放射される軟X線をビームスプリッタ11で反射さ
せて方向変換すると共に、試料13の反射光はビームス
プリッタ11を透過するよう光学系を構成することが望
ましい。
【0021】表3に、本実施例で用いる、膜厚1000
ÅのAl薄膜より成るビームスプリッタの波長依存性を
示す。
【表3】
【0022】表3より、本実施例の落射型X線顕微鏡
は、波長400乃至600Åの波長領域の一部を少なく
とも含む光を放射する光源をX線光源10として用いる
ことにより、軟X線領域における試料観察が可能である
ことがわかる。
【0023】尚、本実施例において対物レンズ12はシ
ュヴァルツシルツ型の多層膜反射鏡を用いたが、この他
に全反射を利用した斜入射鏡や回折を利用したゾーンプ
レートも使用できる。又、光源に白色光源を使用した場
合でも、薄膜より成るビームスプリッタによって不要光
は遮蔽されるが、更に光路中に適宜フィルターを配置す
ることで検出精度を高めることができる。尚、ビームス
プリッタは多層膜で形成されていても勿論構わない。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明により、軟X
線領域において試料の反射光を観察することが可能にな
り、試料が厚い場合でも高分解能の観察が可能な落射型
X線顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】薄膜に光を入射したときの反射作用を示した概
念図である。
【図2】本発明による落射型X線顕微鏡の一実施例の光
学系を示す図である。
【図3】薄膜をメッシュ上に形成する状態を説明するた
めの図である。
【図4】従来の透過型X線顕微鏡の光学系を示す図であ
る。
【符号の説明】
1,10 光源 2,4 斜入射型全反射鏡 3,13 試料 5,14 画像検出器 6 フィルター 11 ビームスプリッタ 12 対物レンズ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 400乃至600Åの波長領域の一部を
    少なくとも含む光を放射するX線光源と、該X線光源から
    のX線の一部を反射し、一部を透過させる薄膜から成る
    ビームスプリッタと、該ビームスプリッタで反射され又
    は該ビームスプリッタを透過したX線を物体に集光する
    と共に物体で反射されたX線を該ビームスプリッタを介
    して透過させ又は反射して所定の位置に集光する対物レ
    ンズと、該対物レンズにより集光されたX線を受けるX線
    検出器とを備えた落射型X線顕微鏡。
  2. 【請求項2】 上記請求項1に記載の落射型X線顕微鏡
    において、ビームスプリッタを構成する薄膜の厚さd
    が、以下の式に示す条件をほぼ満足する値で形成されて
    いる落射型X線顕微鏡。但し、θはX線の薄膜への入射
    角、nは薄膜を構成する物質の屈折率、λはX線の波
    長、mは整数である。
  3. 【請求項3】400乃至600Åの波長領域の一部を少
    なくとも含む光を放射するX線光源と、該X線光源から放
    射されたX線の一部を反射する薄膜から成るビームスプ
    リッタと、該ビームスプリッタで反射されたX線を物体
    上に集光ると共に物体で反射されたX線を該ビームス
    プリッタを介して所定の位置に集光る対物レンズと、
    該対物レンズにより集光されたX線を受けるX線検出器と
    を備えた落射型X線顕微鏡。
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