JP3643865B2 - Ｘ線集光方法及びｘ線集光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、Ｘ線を用いた分析又は計測装置において用いられ、具体的には、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線マイクロプローブ等が挙げられる。Ｘ線を微小に集光して物体に照射すると、局所的な情報が得られ、定量的な分析を行うことができる。測定される物理量は、透過Ｘ線、蛍光Ｘ線、光電子等である。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線を集光する従来技術としては、フレネル回折を利用した２次元のフレネルゾーンプレートが周知である。これは図３に示すように、強度変調型の場合、同心円状に、Ｘ線に対して不透明なゾーンと透明なゾーンとが交互に繰り返される円盤状となっている。波長λのＸ線に対してｎ番目のゾーンの半径ｒ_ｎが近似的に、
ｒ_ｎ ^２=ｎｆλ
の関係にあるとき、隣り合う透明ゾーンから透過するＸ線の光路差がλ（位相差が２π）となり、集光点で互いに強め合いレンズの役目を果たす。ここで、ｆは焦点距離である。
【０００３】
この素子をレンズとして用いた場合の解像力（分解能）Δは、最外層のゾーン幅をｄｒ_ｎ（＝ｒ_ｎ―ｒ_ｎ−１）とすると、近似的に、
Δ＝１．２２ｄｒ_ｎ／ｍ
と表すことができる。ここでｍ（１，３，５．．．）は回折の次数である。
【０００４】
上記Δの式から明らかなように、分解能は、高次の回折を利用すれば、すなわち、ｍを大きくすれば向上するが、集光効率が大きく低下するため実用的ではない。そこで、ゾーンプレートにおいて分解能を向上させるためには、できる限り細い最外ゾーン幅の素子を作製することが必要である。
【０００５】
また、不透明なゾーンの厚さを制御し、Ｘ線をある程度透過できるようにし、効率の向上を図ったものが位相変調型として知られている。位相変調型の場合、ある程度透過するゾーンで位相がπだけ変化するような厚さでゾーンを作製する。透明ゾーンとそれに隣り合うある程度透過するゾーンの光路差はλ／２であるため、集光点で位相差が２πとなり互いに強め合う。
【０００６】
強度変調型の場合、効率の最大値は約１０％程度であるが、位相変調型の場合、最大で約４０％程度の集光効率が得られる。
【０００７】
ゾーンプレートの作製は、紫外光ホログラフィック・リソグラフィーあるいは電子ビーム・リソグラフィーによって行われている。紫外光ホログラフィック・リソグラフィーとは、ドイツ国のゲッチンゲン大学において開発された手法であり、波長４００ｎｍ程度の２つのレーザーを光源とし、それらによる干渉縞により直接ゾーンプレートのパターンを作り、フォトレジストを露光し、反応性イオンエッチング等により作製する手法である。
【０００８】
電子ビーム・リソグラフィーは、Ｘ線ゾーンプレートの作製上、現在、最も多く用いられている方法で、細く絞った電子ビームでゾーンプレートのパターンを走査し、ポリメチルメタクリレート等のレジストを露光し、同様に反応性イオンエッチング等で加工する方法である。
【０００９】
ゾーンプレートの材料としては、使用するＸ線のエネルギーに応じて、金、銀、ニッケル、タンタル、ゲルマニウム等が用いられている。これまでに作製されたゾーンプレートで、最も小さい最外ゾーン幅は数十ｎｍである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
Ｘ線をより微細領域に集光することが要求されているが、従来、ゾーンプレートの最外ゾーン幅を簡易に、極細にする方法が存在しなかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、ゾーンプレートの最外ゾーン幅を細くするという課題に対し、２個の１次元フレネルゾーンプレートをＸ線照射線路に直交して配置し、それぞれを傾けて用いることにより解決した。図１示すように、２個のゾーンプレートを直交して配置し、それぞれ入射角を自由に設定できる回転台に保持している。そして、それらは、それぞれ、水平方向、垂直方向の集光に用いられる。ただし、ゾーンプレートの線の線幅、間隔は斜入射による収差等を補正した値で作製される。
ゾーンプレートの垂直に対する傾斜角をθとすると、最外層の線幅をコサインθ倍小さくできる。例えば、垂直入射であるθ＝０度のときＬであった線幅は、６０度の入射角で見かけ上Ｌ／２になる。よって、同じ微細加工技術でも、より微細な領域にＸ線を集光することができる。さらに、同心円状のゾーンプレートを作るより、線状のゾーンプレートを作製する方が容易であるため、従来の同心円状最外層の線幅より小さいものを容易に得ることができる。図２に、傾斜角θに対する見かけ上の最外ゾーンの縮小率を示す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
波長4.4nmのＸ線を得る方法としては、電子蓄積リングからの連続Ｘ線を回折格子あるいは多層膜分光器により分光して得ることができる。例えば、リングの直径が約10mの蓄積リングでは、電子エネルギー800MeVで、可視光(約500nm）から波長1nm程度のＸ線を用いることができる。ここで波長2.3nmから4.4nmの間のＸ線は、水ではほとんど吸収されないが、蛋白質には１桁以上大きく吸収されるので、この波長域のＸ線を用いれば水中の生物や水を含む生物の内部組織を高いコントラストで観察することができる。このため、この波長領域は「水の窓」と呼ばれており、生物等の顕微鏡観察には最適な波長である。
【００１３】
もう一つの方法としては、光源としてレーザープラズマＸ線源を用いる方法がある。これは強力なレーザーパルスビームを固体金属などのターゲットに当ててターゲットの一部を蒸発させ、プラズマ状にするものである。このとき、このプラズマからターゲットの種類に応じた連続線に近いＸ線を得ることができる。
【００１４】
「水の窓」領域を含む軟X線領域で用いるゾーンプレートは、電子ビーム・リソグラフィーによって作製することができる。細く絞った電子ビームでゾーンプレートのパターンを走査し、ポリメチルメタクリレート等のレジストを露光する。露光したレジストは現像処理によって露光により硬化したゾーンプレートパターンのみ残す。この後、残ったレジストをマスクとして反応性イオンエッチングで母材を加工する。
【００１５】
あるいは、残ったレジストでパターンの描かれた基盤にスパッタリングによりニッケル、金等の金属を蒸着し、リフトオフによりレジストおよびレジスト上の金属部分を除去し、ゾーンプレートのパターンを加工する。
【００１６】
【実施例】
「水の窓」領域で用いる一次元ゾーンプレートで、目的とする波長を4.4nm、焦点距離を20mmとすると、中心から中心遮蔽部の端までの距離は、9.38μｍ（中心遮蔽部の幅は2倍の18.76μｍ）、第１非遮蔽部の幅は3.89μｍ、第1遮蔽部の幅は2.98μｍである。第1500遮蔽部（第3000番目のゾーン）の幅は86nm程度である。
【００１７】
ゾーンプレートの隣り合う非遮蔽部（透明ゾーン）から透過するＸ線は、光路差が1波長づつずれていなければならない。通常、傾斜させないで使用するならば、［従来の技術]の項で述べたrnの式により幅を決定することができる。しかしながら、ゾーンプレートを傾斜させることにより、少しずつ光路差にずれが生ずるため、僅かずつ補正する必要が生じる。すなわち、従来の技術で述べられている式では正確には記述できないが、発光点から出たＸ線が、互いに隣り合う非遮蔽部（透明ゾーン）を透過し、集光点に達する過程で光路差が正確に１波長づつずれるように、傾斜角を設定する。
【００１８】
ゾーンプレート全体の大きさは、約１ｍｍである。これを６０度傾けると最外ゾーン幅は約４３ｎｍとなる。ゾーンプレートの材料としてニッケルを用いると、８０ｎｍ程度の厚さで約１５％の集光効率が得られた。
【００１９】
【発明の効果】
従来のＸ線の集光は、同心円状の２次元ゾーンプレートにより行われていたため分解能に限界があったが、本願発明においては、１次元ゾーンプレート２枚を直交して配置し、それぞれのゾーンプレートを傾斜させることにより、従来の２次元ゾーンプレートに比較して分解能を２倍程度向上させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の１次元ゾーンプレートの配置図
【図２】 本願発明における１次元ゾーンプレートの傾斜角度に対する線幅の縮小率を示す図
【図３】 従来の円盤状フレネルゾーンプレートの図

Claims (2)

1. フレネルゾーンプレートを用いたＸ線集光方法において、２個の１次元フレネルゾーンプレートを互いに直交してＸ線線路に配置するとともに、上記Ｘ線線路に対して傾斜させたことにより、分解能を向上させることを特徴とするＸ線集光方法。
2. フレネルゾーンプレートを用いたＸ線集光装置において、２個の１次元フレネルゾーンプレートをＸ線線路に直交して配置するとともに、上記Ｘ線線路に対して傾斜させたことを特徴とするＸ線集光装置。

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