JP4029209B2 - 高分解能ｘ線顕微検査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線検査装置に関し、特に、高輝度電子流を放射する電子源並びに電子を加速しながら集束するレンズ系を用いて、０．１μｍより良い高分解能を広い加速電圧の範囲にわたって可能にするＸ線顕微検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線を利用した検査装置としては、Ｘ線顕微鏡，異物検査装置，蛍光Ｘ線分析装置などの各種の産業検査装置や、Ｘ線診断装置などの医療用Ｘ線装置が知られている。図６は、従来のＸ線検査装置の構成例を示している。本例でのＸ線検査装置は、電子源として熱電子放射陰極２１ｂを用い、グリッド２１ａとアノード２１ｃとの間に高電圧を印加することにより、電子源２１ｂからの電子Ｒｅを加速後、電子レンズ２２によりタングステンなどの高融点金属の薄板でできたターゲット２３上に電子Ｒｅを集束させ、微小な点状Ｘ線源２３ａを得るようにしている。そして、Ｘ線源２３ａから発生する点状Ｘ線Ｒｘを用いて試料（被検査体）１０の内部を拡大投影し、試料内部の微細構造を非破壊で透視検査するというものである。
【０００３】
このようなＸ線検査装置において、ターゲット２３に衝突した電子ビームＲｅはここでＸ線Ｒｘに変換されるが、その変換効率は１％以下と極めて低く、電子ビームＲｅのエネルギーのほとんどはターゲット２３上で熱に変換される。ところで、Ｘ線は電荷を持たないため、電子のように電子レンズを用いて自由に曲げるということができない。そのため、大きな倍率を得るためには、試料１０をＸ線源２３ａにできるだけ近づけ、試料１０を透過して放射状に広がっていくＸ線Ｒｘをできるだけ距離をおいて配置された２次元検出器（Ｘ線検出器）２４で取り込み、画像にする必要がある（Ｘ線検出器２４としては様々な種類があるが、Ｘ線は光に変換されて増幅・画像化が行われる）。理屈の上では、試料１０とＸ線検出器２４との間の距離を大きくとればとるほど倍率はどこまでも上がるが、実際には単位面積あたりのＸ線量は距離の２乗に逆比例して減少するので、Ｘ線検出器２４の感度と拡大された像のＸ線量との兼ね合いによって倍率の上限が決まってくる。
【０００４】
他方、試料１０を透過したＸ線像の分解能については、Ｘ線源サイズ（焦点サイズ）が小さい方がボケ量が減って向上する。しかし、同じ電子源２１ｂを用いる場合、電子レンズ２２で小さく集束するとＸ線源サイズを小さくできるが、それに含まれる電子線量がスポット径の２乗に逆比例して減少し、Ｘ線量もそれに応じて減少するので、最終的な分解能は先のＸ線検出器２４の感度との兼ね合いで決まり、ある限界を持っている。本出願人が開発し商品化している従来のＸ線顕微検査装置では、集束レンズ系にできるだけ球面収差と色収差の少ないレンズを用いた二段縮小系と、熱電子源としてすぐれた性質をもつＬａＢ６（六ほう化ランタン）カソードを採用し、さらに高感度のイメージ増強管を使用しており、分解能は１μｍを切り、０．４μｍ程度に達している。これは、実用的なＸ線検査装置としては世界的にみて現在最高の値（露光時間を無視すれば０．１μｍ程度までが最高の値）であるが、技術的に現状での限界と考えてよく、本発明で期待する０．１μｍより良い分解能は、従来技術をもってしては不可能である（以下に示す非特許文献の説明参照）。
【０００５】
ここで、Ｘ線検査装置の分解能に係る従来の技術について説明する。
【０００６】
分解能に係る技術については、例えば非特許文献１〜非特許文献５に開示されている。非特許文献１には、Ｘ線陰影顕微鏡に関し、従来、その分解能は０．５μｍが限界であったが、今回ターゲットに非常に薄い金属膜（厚さ０．１μｍ）を用いることにより、分解能０．１μｍを達成したことが記載されている。また、一枚の画像を得るのに露光時間は５分であったことが記載されており、この非特許文献１の論文が開示された後、露光時間を短くするための研究などが盛んに行われるようになった。また、非特許文献２は、電子顕微鏡の照射系を利用した透過型Ｘ線陰影顕微鏡についての研究報告（東北大学科学計測研究所報告）で、分解能０．１μｍを達成したことが記載されてる。また、分解能に影響を与える各要因について理論的分析を行い、Ｘ線源のスポットサイズが分解能に一番影響を与えるという結論を導き出している。また、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）であることを利用して、焦点合わせに偏向コイルで電子ビームを振ることを利用していることが記載されている。
【０００７】
また、非特許文献３は、今日までのＸ線顕微鏡の流れを解説したものであり、特に生物試料の観察に言及して、比較的波長の短い（１〜１００Å）軟Ｘ線顕微鏡について解説している。非特許文献４は、非特許文献２の内容とほぼ同じであるが、０．１μｍの分解能の根拠になる波形が示されている（本文ｐ．１４６）。非特許文献５は、Ｘ線顕微鏡についてわかりやすく解説されており、非特許文献２，３，４と同じで、コントラストが付きづらい試料に対してターゲットを変えることにより、像質が良くなることが示されている。
【０００８】
【非特許文献１】
ニクソン（Nixon）著，「ハイ-リゾルーション エックス-レイ プロジェクション マイクロスコーピィ（High-resolution X-ray projection microscopy）」，１９６０年，Ａ２３２：ｐ．４７５−４８５
【非特許文献２】
矢田 慶治・石川 寿，「ＳＥＭを利用した透過型Ｘ線陰影顕微鏡」，東北大学科学計測研究所報告，１９８０年， 第２９巻 第１号 ｐ．２５−４２
【非特許文献３】
矢田慶治・篠原邦夫，「軟Ｘ線顕微鏡の発達」，１９８０年，生物物理 Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．４ ｐ．８−１６
【非特許文献４】
ケイジ ヤダ（Keiji Yada）・ショウイチ タカハシ（Shoichi Takahashi）,「ハイ-リゾルーション プロジェクション エックス-レイ マイクロスコーピィ（High-Resolution Projection X-ray Microscopy）」，１９９４年，Ｃｈａｐ．８ ｐ１３３−１５０
【非特許文献５】
矢田慶治・篠原邦夫，「投影Ｘ線顕微鏡の開発と生物学への応用」，１９９６年，青森公立大学紀要 第１巻 ｐ．２−１３
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これまでにない高分解能をもつＸ線検査装置を製作するためには、より高輝度（単位面積／単位立体角あたりの電流量が多く）且つ放射電流量が多い電子源が必要になってくる。また、できるだけ多くの電子プローブ電流量を確保する電子レンズ系も必要になってくる。さらに、こうした高電流密度をもつ電子プローブが衝突しても融けたり蒸発しない様、ターゲットの放熱効果を大きくする工夫が必要になってくる。
【００１０】
ところで、ナノテクノロジーの分野は情報、医療、環境にわたるが、例えば、医療で言われているマイクロマシンにおいては、それを構成する部品が１μｍを切り、ナノのオーダーに入ろうとしている。また、現在の半導体技術は微細化の一途をたどっており、これまでにない微小Ｘ線源を用いて分解能０．１μｍ以下クラスでの非破壊検査が是非とも必要な課題となっている。特に情報分野では次世代超ＬＳＩの線幅を現在の１８０〜１３０ｎｍから７０〜１００ｎｍにしようという大きな課題がある。同時に、軽元素を主体とした微細構造が観察対象となるケースが多く、像にコントラストをつけるため、在来のＸ線検査装置では困難であった１０〜２０ｋＶの低加速電圧による長波長のＸ線を用いても高分解能を保持することが重要な課題となっている。
【００１１】
本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、上述した諸課題を解決して、０．１μｍ以下の高分解能で且つ非常に短時間での非破壊検査を可能とし、ナノテクノロジーの分野に大きく貢献することができるＸ線顕微検査装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子銃の電子源からの電子線をＸ線発生用ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段を有し、前記Ｘ線を利用して被検査体を検査するＸ線顕微検査装置に関するものであり、本発明の上記目的は、前記電子銃が作る電界に磁界を重畳させる磁界重畳レンズを前記Ｘ線発生手段の構成要素として備え、前記磁界重畳レンズの磁界発生部を前記電子銃が収容されている超高真空の電子銃室と真空的に分離した部位で且つ前記電子銃の電子発生部に近接して配置すると共に、前記磁界重畳レンズのポールピース部を前記電子銃室と真空的に分離した部位に配置した構成とし、前記電子発生部から発生した直後の電子を前記磁界重畳レンズによって集束させながら前記電子銃によって加速させることによって、前記Ｘ線発生用ターゲットに当てる電子線の損失電子線量を低減させるようにすることによって達成される。また、前記電子源が液体金属を用いた液体金属電子源であること、前記電子源が熱電界放射電子源であること、前記Ｘ線発生用ターゲットが、ＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとして用いたヒートシンク付きターゲットであることによって、それぞれ一層効果的に達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、前記磁界重畳レンズは、その断面形状を凹状に形成し且つその凹部中央に穴径の小さな空隙部を形成した構造とし、更に、断面形状を凸状に形成した前記電子銃室の突出部を前記磁界重畳レンズの凹部に挿設すると共に、前記電子銃の電子発生部を前記磁界重畳レンズが作る磁界の中に挿入する形で前記突出部に配置した構成とすることによって、一層効果的に達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のＸ線顕微検査装置では、［発明が解決しようとする課題］で述べた諸課題を解決するために、下記の手段を採用している。第１に、従来のＸ線検査装置に用いている熱電子放射陰極と比較して、より高輝度な「熱電界放射陰極」あるいは「液体金属電界放射陰極」を、Ｘ線顕微検査装置としては初めて電子源に用いる。これらの電子源の特徴は、輝度がＬａＢ６陰極より２桁高く、同時に実効的な電子源の大きさが３桁小さいことである。このため電子プローブを形成する電子光学系には特殊な工夫を必要とする。従来のＸ線検査装置では、図６に示したように、電子源２１ｂからの電子Ｒｅを加速したあとで電子レンズ２２により集束し、全体として電子プローブを２桁縮小していた。この縮小に際しては、前述のように電子線量の減少が伴ってくる。そこで、第２に、本発明のＸ線顕微検査装置では、電子を加速しながら集束する磁界重畳電子レンズ（以下、「磁界重畳レンズ」と言う）を導入することにより、損失電子線量を減らしながら全体として数倍の拡大系として動作させる形態としている。このように、これまでＸ線顕微鏡に使われたことのない電子源（熱電界放射電子源、液体金属電子源）と、やはりＸ線顕微鏡では使われたことのない磁界重畳レンズを用いて、これまでにない高輝度Ｘ線源を実現し、非常に短時間で０．１μｍ以下の分解能のＸ線像を取得できる。
【００１５】
第３に、Ｘ線発生用のターゲットには、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）で作られたダイヤモンドの薄板をヒートシンクとして導入する。ダイヤモンドは、軽元素でＸ線が透過し易く、絶縁物であるにも拘わらず熱伝導率が極めて高く（純銅の約３倍）、融点も極めて高い。最近はＣＶＤで良好な熱伝導率のダイヤモンド板が得られるようになった。本実施の形態では、ダイヤモンド板の上に更にターゲット材料をＣＶＤで付けて用い、ダイヤモンドヒートシンク付きターゲットとすることで、電子ビームによるターゲットの温度上昇を大幅に減少させ、電子線から変換されるＸ線が大幅に増加しても熱的負荷に耐えるようにした。上述した第１〜第３の技術事項は、全てを採用したものが最適と言えるが、それぞれ独立に採用することができ、いずれもＸ線像の高分解能化を図ることができる。
【００１６】
ところで、軽元素を主体とした試料では、長波長のＸ線を用いることが望ましいことは判っていたが、従来のＸ線顕微検査装置は信号量の不足のため、画像処理によるコントラスト増強しか方法がなかった。本発明のＸ線顕微検査装置では、上述のような各技術事項を採用したことにより、信号量の大幅な増加が可能になったので、長波長のＸ線を用いた軽元素サンプルを高分解能で検査することが可能となった。例えば、加速電圧を１０〜２０ｋＶ程度の低加速電圧まで下げることにし、それに対応したターゲットとしてＧｅ（ゲルマニウム）、Ｃｒ（クロム）などを採用して、波長が０．６〜２Åの連続Ｘ線に加えて２〜３０Åの強い特性Ｘ線を発生させる。このような長波長で且つＸ線量の多いＸ線を発生する形態とすることで、軽元素を主体としたサンプルにも大幅なコントラスト増強が可能となる。
【００１７】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係るＸ線顕微検査装置の主要部の構成の一例を示しており、Ｘ線発生手段は、電子銃１、対物レンズ２、ターゲット３等から成り、電子銃１は、ショットキーモジュール１ａ，電子源１ｂ，アノード１ｃ等から構成される。本発明のＸ線顕微検査装置では、前述のように、電子源１ｂとしては「液体金属電界放射陰極（液体金属電子源）」又は「熱電界放射陰極（熱電界放射電子源）」を用いている。
【００１９】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、液体金属を電子源に用いた液体金属電界放射陰極の一例を模式図で示しており、液体金属電界放射陰極１ｂは、例えば、タングステンのフィラメントを熱電子源ａ１とし、同図（Ａ）に示すようなタングステンの先端を鋭角に形成したものを電子発生部ａ２として同図（Ｂ）に示すように熱電子源ａ１に付け、その電子発生部ａ２に液体金属ａ３を塗布した構成とする。このような構成とすることで、液体金属ａ３が表面を伝わって電子発生部ａ２の先端に供給される。その液体金属ａ３がもたらす効果により、電子線の量が１０００倍くらい増加する。液体金属として使用する材料としては、低融点金属のうち、融点での蒸気圧が比較的低い、液体金属イオン源で使われている材料が好ましく、例えばＩｎ（インジウム）［融点≒４２９Ｋ，融点での蒸気圧：<<１０-10 Pa］や、Ｇａ（ガリウム）［融点≒３０３Ｋ，融点での蒸気圧：<<１０-10 Pa］などが好適である。
【００２０】
また、本発明では、図１の構成例のように、Ｘ線顕微検査装置の電子銃１の電子発生部の近傍に、Ｘ線顕微鏡では使われたことのない磁界重畳レンズ１ｄを配置し、少なくとも電子発生部１ａから電子加速手段の構成要素であるアノード１ｃに至るまで、電子銃が作る電界に磁界重畳レンズ１ｄが作る磁界を重畳させて、電子Ｒｅをアノード１ｃで加速しながら集束させる構成としている。すなわち、電子発生部１ａから発生した直後の電子Ｒｅを集束させながら加速することによって集束電子線の損失電子線量を減らしている。そして、高電流密度を有する集束電子線（Ｘ線発生用電子プローブ）をターゲット３に当て、ターゲット３から発生するＸ線量を増加させるようにしている。
【００２１】
いわゆる磁界重畳レンズは、従来より透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡等の電子線装置においては使用されているが、これらの電子線装置では、電子線のスポット径は小さいが、放射電流量が少ないためターゲット３から所望のＸ線量が得られず、Ｘ線顕微検査装置には適用できなかった。その理由は、電子顕微鏡では放射電流量はかなり小さくても信号量として充分でそれ程問題とならないが、Ｘ線顕微検査装置では、電子顕微鏡と違い、少ないプローブ電流では、像が暗く、長い露光時間を要するという問題が発生するからである。特に、露光時間が短いというのが産業用に普及するための必要条件である。また、電子顕微鏡等の電子線装置では、超高真空が求められる電子銃室内に磁気回路等を組込む構成としている。より大電子流（プローブ電流）を必要とするＸ線顕微検査装置では、電子流が当たって放出するガスと発熱を伴う磁気回路による真空の劣化を解決するのが困難であった。そのため、電子線装置で使用されているものをＸ線検査装置に適用したものはなく、従来のＸ線検査装置では、アノードで加速した電子線をレンズで曲げて集束させるようにしていた。本発明では、ガス放出量が少ないとされている材料の採用と磁気回路を真空的に分離し、かつ水冷することでこの問題を解決している。
【００２２】
ここで、本発明に係るＸ線検査装置独特の磁界重畳レンズの構成について、走査電子顕微鏡等の電子線装置で使用されているものと比較して説明する。
【００２３】
ＦＥ（電界放射）電子銃は、輝度が高く且つ干渉性の良い電子線が得られることから、透過電子顕微鏡、走査電子顕微鏡、走査透過型電子顕微鏡、あるいは電子線露光装置などで威力を発揮している。しかし、この性能は、光源のクロスオーバを著しく小さく縮小して得られる。いわゆる電子線プローブもナノメータサイズ以下（サブナノメータ）のプローブとした時に初めて十分な性能を発揮している。しかし、光源のクロスオーバをサブミクロンからミクロンサイズと拡大したプローブを得ようとすると、拡大レンズの大きな収差によって十分なプローブ電流を得ることは困難となる。この収差は電子銃の光源の位置から拡大レンズ（１段又は複数段）の初段までの距離に関係し、距離の３〜４乗に比例する。そのため電子銃部に電子レンズを付加した、いわゆる複合レンズが考案され、一部で実用化されている。
【００２４】
しかし、従来のＦＥ電子銃は、図７の構成例に示すように、電子銃室の筐体は全体がステンレスなどの真空シール材１Ｂで形成されており、その超高真空内に配置された電子銃先端部１Ａに独立した磁気回路１ｄ１（磁性体１ｄ１１，励磁コイル１ｄ１２等）を組み込んだ構成としている。このような構成では、超高真空が求められるＦＥ電子銃室Ａ内に発熱を伴う磁気回路、冷却水、磁気コイルの組み込み、それらにつながるリード線、配管の取り出しに大きな困難が伴う。また、電子銃と電子レンズの軸合わせ機構も極めて困難である。これに対して、本発明に係る磁界重畳レンズを有するＸ線発生用の電子銃（以下、磁界レンズ重畳電子銃と言う）は、磁気回路１ｄ１等から成る磁界重畳レンズの磁界発生部を、電子銃の電子源（電子を発生する電子銃先端部１Ａ）の近傍で且つ電子銃室とは真空的に分離した部位に設けた構成としている。
【００２５】
図３は、本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第１の構成例を、図７に示した従来のＦＥ電子銃の構成に対応させて示しており、１Ａはエミッタ，サプレッサ，エキストラクタ等から構成される電子銃先端部、１ｄ１は磁気回路、１ｄ１１は磁気回路を構成する磁性体、１ｄ１２は、磁気回路１ｄ１のための励磁コイル、ｓは電子レンズの二つのポールピースの間隔、ｂ２（図７では“ｂ”）はポールピースの穴径をそれぞれ示している。図３に示すように、本実施の形態では、電子銃室そのものを磁性体１ｄ１１等から成る磁気回路１ｄ１の中に組み込んだ構成としている。詳しくは、磁界重畳レンズ１ｄの構成要素として、図３中に示すような例えば断面が矩形状で筐体の全体（又は一部）が磁性体で覆われた電子銃収容部を電子銃室Ａとして具備し、その電子銃収容部内に電子銃が組み込まれた構成となっている。すなわち、電子銃室を構成する筐体の部位（上板、底板、外筒など筐体の一部又は全体）を磁気回路（磁界発生部）の一部又は全体とし、電子銃と磁気回路１ｄ １ とを真空的に分離した構成としている。
【００２６】
この第１の構成例では、強い励磁が求められるが、物面（光源のクロスオーバ）はレンズ場中心より後方に配置されるため、収差係数（特に球面収差）を十分小さくできるという効果がある。その理由は、一般に、物面（この場合、光源のクロスオーバ）から電子レンズ下極までの距離が固定されると、ポールピースの穴径、間隔は大きい方が球面収差は小さくなるからである。なお、色収差はその限りではないが、本発明の対象として色収差は無視することができる。また、超高真空が求められる電子銃室とは構成上分離した形となるため、真空シール、冷却水、リード線の取り出しなどが容易になるという効果がある。
【００２７】
図４は、本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第２の構成例を、図３に示した第１の構成例に対応させて示しており、本実施の形態では、図４に示すように、電子銃先端部１Ａと磁性体１ｄ１１とがより近接するように、例えば断面が凹状に形成された磁性体１ｄ１１等から成る磁界重畳レンズ１ｄの上部に凸状の電子銃室Ａを設け、電子銃先端部１Ａを磁界重畳レンズ１ｄの上側から磁界の中に挿入する形の構成としている。図３に示した第１の構成例では極めて強い磁界が得られるため、低加速電子線に対しては極めて有効であるが、ある程度、高加速の電子線に対しては必ずしも好都合とは言えない。そこで、小さな励磁で済むように、ポールピースの穴径ｂ（本例では上下が異なる径サイズの穴径ｂ１，ｂ２）、間隔ｓを小さくして、その磁界の中に電子銃先端部１Ａを挿入する形としたのが、本実施の形態である。
【００２８】
上記の磁界レンズ重畳電子銃の第１，第２の構成例とも、磁界重畳レンズは、磁界発生部を電子銃の電子発生部の近傍で且つ電子銃室とは分離した部位に配置した構成としており、電子銃と磁気回路とを真空的に分離できる（焼きだしを含めて超高真空を実現しやすい）という効果と、電子銃の作る電界と磁気回路の作る磁界とを無理なく重畳できるという効果がある。また、軸合わせも機械的に移動機構を組み込むことが容易で、たやすく実現することができる。さらに図４の構成では、その１例が示されるように、短形コイルなどの偏向コイル１ｅを電子銃先端部１Ａの近傍に設けることによって、電磁軸合わせも可能となり実用的である。
【００２９】
電子線集束用のレンズとしては、原理的には上記の磁界重畳レンズ１ｄだけで良く、図１に示したターゲット３側の電子レンズ（対物レンズ）２は必須構成ではないが、対物レンズ２を設けて電子線の集束を２段階とすることで、所望の電子プローブサイズとプローブ電流を選択する自由度が極めて大きくなる。また、従来の装置（図６参照）と比較して、本発明のＸ線顕微検査装置では、対物レンズ２の焦点距離が長く、従来のＸ線顕微検査装置では得られない長い作動距離（数ｃｍ）を実現することができる。そのため、対物レンズ２とターゲット３との間の空間を広くとることができ、その空間内に検査に係る周辺機器を設置することが可能となる。
【００３０】
また、高分解能のＸ線顕微検査装置を実現するには、試料（被検査体）１０に照射するＸ線量が多く、高輝度且つ微小な焦点サイズのＸ線を発生させるためには、ターゲット３に当てる電子線は高性能レンズにより集束のロスが少なく電子量が多いことが重要であるが、Ｘ線発生用の電子ビームの軸の向き及び位置も重要である。本実施の形態では、図１並びに図４に例示したように、Ｘ線顕微検査装置としては初めて、電子発生部１Ａの近傍（電子源のすぐ近くに）に電子線軸合わせコイル１ｅを配置する構成とし、この軸合せコイル１ｅにより、アノード１ｃで加速する前の電子線をＸ，Ｙ方向にシフトして軸を合わせることで、電子ビームのＸ線源に対する軸合わせを正確且つ極めて容易にできるようにしている。
【００３１】
さらに、図１中に示されるＸ線発生用のターゲット３としては、Ｘ線が透過し易く、絶縁物であるにも拘わらず熱伝導率が極めて高く、且つ融点も極めて高いダイヤモンドをヒートシンクとして用いた構成としている。下記の表１は、Ｂｅ（ベリリウム）とダイヤモンドの特性を示しており、ダイヤモンドは、従来使用されていたＢｅと比較しても熱伝導率や融点が非常に高いため、磁界重畳レンズ１ｄにより集束された高電流密度をもつ電子プローブが衝突しても融けたり蒸発したりするなどの問題も発生せず、Ｘ線発生用ターゲットのヒートシンクとして優れた効果を発揮する。
【００３２】
【表１】
【００３３】
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係るダイヤモンドヒートシンク付きターゲット３の構成の一例を側面図と平面図で模式的に示しており、同図（Ａ）に示すように、例えば、ＣＶＤにて形成された薄板状のダイヤモンド板３ｂの上に、更にターゲット材料３ａをＣＶＤにより蒸着した構成とする。このように、ＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとしたターゲットとすることにより、電子ビームによるターゲット３の温度上昇を大幅に減少させ、高強度Ｘ線でもその熱負荷に耐えるターゲットを実現している。
【００３４】
以上のような構成とすることで、４０ｎｍ〜１００ｎｍの超高分解能を有するＸ線顕微検査装置を実現することができ、次世代超ＬＳＩの検査や、医療用のマイクロマシンの構成部品の検査、長波長（２〜３０Å）のＸ線による軽元素を主体とした試料の検査など、様々な分野の非破壊検査等に大きく貢献することが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、０．１μｍより良い超高分解能（４０〜１００ｎｍ）で被検査体の微細構造を非破壊で検査可能なＸ線顕微検査装置を提供することが可能となる。詳しくは、磁界重畳レンズを用いて高電流密度を有するＸ線発生用の電子ビームを形成し、単位面積当たりのＸ線量の多いＸ線を発生させるようにしているので、電子線量の減少を避けながら全体として数倍の拡大系として動作させることが可能となる。また、電子源に液体金属又は熱電界放射陰極を用いた構成とすることで、ＬａＢ６陰極を用いた従来の電子源と比較して、高輝度且つ放射電流量が多い電子源を提供することができ、被検査体に照射するＸ線量を大幅に増加させることができる。
【００３６】
また、Ｘ線発生用ターゲットとしてＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとして用いた構成とすることで、電子ビームのエネルギーがターゲット上で熱に変換される際の温度上昇を大幅に減少させることができ、その結果として、被検査体に照射するＸ線量を大幅に増加させても熱負荷に耐えるターゲットとすることができる。
【００３７】
また、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、近年、半導体部品を筆頭にその構成最小単位はマイクロスケールからナノスケールヘ微細化が進んでいる。そうした部品の内部の微細構造を非破壊で検査するということは今後、必要不可欠な技術になってくる。こうした内部構造を非破壊かつ高分解能で調べられるのはＸ線しかない。よって、４０〜１００ｎｍの超高分解能での非破壊検査等が可能となる本発明によれば、ナノテクノロジーの分野に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸ線顕微検査装置の主要部の構成の一例を示す概略図である。
【図２】液体金属を電子源に用いた液体金属電界放射陰極の一例を示す模式図であり、図２（Ａ）が正面図、図２（Ｂ）が側面図である。
【図３】本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第１の構成例を示す模式図である。
【図４】本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第２の構成例を示す模式図である。
【図５】 ダイヤモンドヒートシンク付きターゲットの一例を示す模式図であり、図５（Ａ）が側面図、図５（Ｂ）が平面図である。
【図６】従来のＸ線検査装置の構成の一例を示す概略図である。
【図７】従来のＦＥ電子銃の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 磁界レンズ重畳電子銃
１Ａ 電子銃先端部（電子発生部）
１Ｂ 真空シール材
１ａ ショットキーモジュール
１ｂ 液体金属電界放射陰極又は熱電界放射陰極（電子源）
１ｃ アノード
１ｄ 磁界重畳レンズ
１ｄ１ 磁気回路
１ｄ１１ 磁性体
１ｄ１２ 励磁コイル
１ｅ 軸合わせコイル
２ 対物レンズ
３ ダイヤモンドヒートシンク付きターゲット
３ａ ターゲット材料
３ｂ ダイヤモンド板
１０ 被検査体（試料）
１１ Ｘ線検出器
２１ 熱電子放射電子銃
２１ａ グリッド
２１ｂ 熱電子放射陰極（電子源）
２１ｃ アノード
２２ 電子レンズ（対物レンズ）
２３ ターゲット
２３ａ Ｘ線源
２４ Ｘ線検出器
Ｒｅ 電子（電子線）
Ｒｘ Ｘ線
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線検査装置に関し、特に、高輝度電子流を放射する電子源並びに電子を加速しながら集束するレンズ系を用いて、０．１μｍより良い高分解能を広い加速電圧の範囲にわたって可能にするＸ線顕微検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線を利用した検査装置としては、Ｘ線顕微鏡，異物検査装置，蛍光Ｘ線分析装置などの各種の産業検査装置や、Ｘ線診断装置などの医療用Ｘ線装置が知られている。図６は、従来のＸ線検査装置の構成例を示している。本例でのＸ線検査装置は、電子源として熱電子放射陰極２１ｂを用い、グリッド２１ａとアノード２１ｃとの間に高電圧を印加することにより、電子源２１ｂからの電子Ｒｅを加速後、電子レンズ２２によりタングステンなどの高融点金属の薄板でできたターゲット２３上に電子Ｒｅを集束させ、微小な点状Ｘ線源２３ａを得るようにしている。そして、Ｘ線源２３ａから発生する点状Ｘ線Ｒｘを用いて試料（被検査体）１０の内部を拡大投影し、試料内部の微細構造を非破壊で透視検査するというものである。
【０００３】
このようなＸ線検査装置において、ターゲット２３に衝突した電子ビームＲｅはここでＸ線Ｒｘに変換されるが、その変換効率は１％以下と極めて低く、電子ビームＲｅのエネルギーのほとんどはターゲット２３上で熱に変換される。ところで、Ｘ線は電荷を持たないため、電子のように電子レンズを用いて自由に曲げるということができない。そのため、大きな倍率を得るためには、試料１０をＸ線源２３ａにできるだけ近づけ、試料１０を透過して放射状に広がっていくＸ線Ｒｘをできるだけ距離をおいて配置された２次元検出器（Ｘ線検出器）２４で取り込み、画像にする必要がある（Ｘ線検出器２４としては様々な種類があるが、Ｘ線は光に変換されて増幅・画像化が行われる）。理屈の上では、試料１０とＸ線検出器２４との間の距離を大きくとればとるほど倍率はどこまでも上がるが、実際には単位面積あたりのＸ線量は距離の２乗に逆比例して減少するので、Ｘ線検出器２４の感度と拡大された像のＸ線量との兼ね合いによって倍率の上限が決まってくる。
【０００４】
他方、試料１０を透過したＸ線像の分解能については、Ｘ線源サイズ（焦点サイズ）が小さい方がボケ量が減って向上する。しかし、同じ電子源２１ｂを用いる場合、電子レンズ２２で小さく集束するとＸ線源サイズを小さくできるが、それに含まれる電子線量がスポット径の２乗に逆比例して減少し、Ｘ線量もそれに応じて減少するので、最終的な分解能は先のＸ線検出器２４の感度との兼ね合いで決まり、ある限界を持っている。本出願人が開発し商品化している従来のＸ線顕微検査装置では、集束レンズ系にできるだけ球面収差と色収差の少ないレンズを用いた二段縮小系と、熱電子源としてすぐれた性質をもつＬａＢ６（六ほう化ランタン）カソードを採用し、さらに高感度のイメージ増強管を使用しており、分解能は１μｍを切り、０．４μｍ程度に達している。これは、実用的なＸ線検査装置としては世界的にみて現在最高の値（露光時間を無視すれば０．１μｍ程度までが最高の値）であるが、技術的に現状での限界と考えてよく、本発明で期待する０．１μｍより良い分解能は、従来技術をもってしては不可能である（以下に示す非特許文献の説明参照）。
【０００５】
ここで、Ｘ線検査装置の分解能に係る従来の技術について説明する。
【０００６】
分解能に係る技術については、例えば非特許文献１〜非特許文献５に開示されている。非特許文献１には、Ｘ線陰影顕微鏡に関し、従来、その分解能は０．５μｍが限界であったが、今回ターゲットに非常に薄い金属膜（厚さ０．１μｍ）を用いることにより、分解能０．１μｍを達成したことが記載されている。また、一枚の画像を得るのに露光時間は５分であったことが記載されており、この非特許文献１の論文が開示された後、露光時間を短くするための研究などが盛んに行われるようになった。また、非特許文献２は、電子顕微鏡の照射系を利用した透過型Ｘ線陰影顕微鏡についての研究報告（東北大学科学計測研究所報告）で、分解能０．１μｍを達成したことが記載されてる。また、分解能に影響を与える各要因について理論的分析を行い、Ｘ線源のスポットサイズが分解能に一番影響を与えるという結論を導き出している。また、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）であることを利用して、焦点合わせに偏向コイルで電子ビームを振ることを利用していることが記載されている。
【０００７】
また、非特許文献３は、今日までのＸ線顕微鏡の流れを解説したものであり、特に生物試料の観察に言及して、比較的波長の短い（１〜１００Å）軟Ｘ線顕微鏡について解説している。非特許文献４は、非特許文献２の内容とほぼ同じであるが、０．１μｍの分解能の根拠になる波形が示されている（本文ｐ．１４６）。非特許文献５は、Ｘ線顕微鏡についてわかりやすく解説されており、非特許文献２，３，４と同じで、コントラストが付きづらい試料に対してターゲットを変えることにより、像質が良くなることが示されている。
【０００８】
【非特許文献１】
ニクソン（Nixon）著，「ハイ-リゾルーション エックス-レイ プロジェクション マイクロスコーピィ（High-resolution X-ray projection microscopy）」，１９６０年，Ａ２３２：ｐ．４７５−４８５
【非特許文献２】
矢田 慶治・石川 寿，「ＳＥＭを利用した透過型Ｘ線陰影顕微鏡」，東北大学科学計測研究所報告，１９８０年， 第２９巻 第１号 ｐ．２５−４２
【非特許文献３】
矢田慶治・篠原邦夫，「軟Ｘ線顕微鏡の発達」，１９８０年，生物物理 Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．４ ｐ．８−１６
【非特許文献４】
ケイジ ヤダ（Keiji Yada）・ショウイチ タカハシ（Shoichi Takahashi）,「ハイ-リゾルーション プロジェクション エックス-レイ マイクロスコーピィ（High-Resolution Projection X-ray Microscopy）」，１９９４年，Ｃｈａｐ．８ ｐ１３３−１５０
【非特許文献５】
矢田慶治・篠原邦夫，「投影Ｘ線顕微鏡の開発と生物学への応用」，１９９６年，青森公立大学紀要 第１巻 ｐ．２−１３
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これまでにない高分解能をもつＸ線検査装置を製作するためには、より高輝度（単位面積／単位立体角あたりの電流量が多く）且つ放射電流量が多い電子源が必要になってくる。また、できるだけ多くの電子プローブ電流量を確保する電子レンズ系も必要になってくる。さらに、こうした高電流密度をもつ電子プローブが衝突しても融けたり蒸発しない様、ターゲットの放熱効果を大きくする工夫が必要になってくる。
【００１０】
ところで、ナノテクノロジーの分野は情報、医療、環境にわたるが、例えば、医療で言われているマイクロマシンにおいては、それを構成する部品が１μｍを切り、ナノのオーダーに入ろうとしている。また、現在の半導体技術は微細化の一途をたどっており、これまでにない微小Ｘ線源を用いて分解能０．１μｍ以下クラスでの非破壊検査が是非とも必要な課題となっている。特に情報分野では次世代超ＬＳＩの線幅を現在の１８０〜１３０ｎｍから７０〜１００ｎｍにしようという大きな課題がある。同時に、軽元素を主体とした微細構造が観察対象となるケースが多く、像にコントラストをつけるため、在来のＸ線検査装置では困難であった１０〜２０ｋＶの低加速電圧による長波長のＸ線を用いても高分解能を保持することが重要な課題となっている。
【００１１】
本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、上述した諸課題を解決して、０．１μｍ以下の高分解能で且つ非常に短時間での非破壊検査を可能とし、ナノテクノロジーの分野に大きく貢献することができるＸ線顕微検査装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子銃の電子源からの電子線をＸ線発生用ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段を有し、前記Ｘ線を利用して被検査体を検査するＸ線顕微検査装置に関するものであり、本発明の上記目的は、前記電子銃が作る電界に磁界を重畳させる磁界重畳レンズを前記Ｘ線発生手段の構成要素として備え、前記磁界重畳レンズの磁界発生部を前記電子銃が収容されている超高真空の電子銃室と真空的に分離した部位で且つ前記電子銃の電子発生部に近接して配置すると共に、前記磁界重畳レンズのポールピース部を前記電子銃室と真空的に分離した部位に配置した構成とし、前記電子発生部から発生した直後の電子を前記磁界重畳レンズによって集束させながら前記電子銃によって加速させることによって、前記Ｘ線発生用ターゲットに当てる電子線の損失電子線量を低減させるようにすることによって達成される。また、前記電子源が液体金属を用いた液体金属電子源であること、前記電子源が熱電界放射電子源であること、前記Ｘ線発生用ターゲットが、ＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとして用いたヒートシンク付きターゲットであることによって、それぞれ一層効果的に達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、前記磁界重畳レンズは、その断面形状を凹状に形成し且つその凹部中央に穴径の小さな空隙部を形成した構造とし、更に、断面形状を凸状に形成した前記電子銃室の突出部を前記磁界重畳レンズの凹部に挿設すると共に、前記電子銃の電子発生部を前記磁界重畳レンズが作る磁界の中に挿入する形で前記突出部に配置した構成とすることによって、一層効果的に達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のＸ線顕微検査装置では、［発明が解決しようとする課題］で述べた諸課題を解決するために、下記の手段を採用している。第１に、従来のＸ線検査装置に用いている熱電子放射陰極と比較して、より高輝度な「熱電界放射陰極」あるいは「液体金属電界放射陰極」を、Ｘ線顕微検査装置としては初めて電子源に用いる。これらの電子源の特徴は、輝度がＬａＢ６陰極より２桁高く、同時に実効的な電子源の大きさが３桁小さいことである。このため電子プローブを形成する電子光学系には特殊な工夫を必要とする。従来のＸ線検査装置では、図６に示したように、電子源２１ｂからの電子Ｒｅを加速したあとで電子レンズ２２により集束し、全体として電子プローブを２桁縮小していた。この縮小に際しては、前述のように電子線量の減少が伴ってくる。そこで、第２に、本発明のＸ線顕微検査装置では、電子を加速しながら集束する磁界重畳電子レンズ（以下、「磁界重畳レンズ」と言う）を導入することにより、損失電子線量を減らしながら全体として数倍の拡大系として動作させる形態としている。このように、これまでＸ線顕微鏡に使われたことのない電子源（熱電界放射電子源、液体金属電子源）と、やはりＸ線顕微鏡では使われたことのない磁界重畳レンズを用いて、これまでにない高輝度Ｘ線源を実現し、非常に短時間で０．１μｍ以下の分解能のＸ線像を取得できる。
【００１５】
第３に、Ｘ線発生用のターゲットには、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）で作られたダイヤモンドの薄板をヒートシンクとして導入する。ダイヤモンドは、軽元素でＸ線が透過し易く、絶縁物であるにも拘わらず熱伝導率が極めて高く（純銅の約３倍）、融点も極めて高い。最近はＣＶＤで良好な熱伝導率のダイヤモンド板が得られるようになった。本実施の形態では、ダイヤモンド板の上に更にターゲット材料をＣＶＤで付けて用い、ダイヤモンドヒートシンク付きターゲットとすることで、電子ビームによるターゲットの温度上昇を大幅に減少させ、電子線から変換されるＸ線が大幅に増加しても熱的負荷に耐えるようにした。上述した第１〜第３の技術事項は、全てを採用したものが最適と言えるが、それぞれ独立に採用することができ、いずれもＸ線像の高分解能化を図ることができる。
【００１６】
ところで、軽元素を主体とした試料では、長波長のＸ線を用いることが望ましいことは判っていたが、従来のＸ線顕微検査装置は信号量の不足のため、画像処理によるコントラスト増強しか方法がなかった。本発明のＸ線顕微検査装置では、上述のような各技術事項を採用したことにより、信号量の大幅な増加が可能になったので、長波長のＸ線を用いた軽元素サンプルを高分解能で検査することが可能となった。例えば、加速電圧を１０〜２０ｋＶ程度の低加速電圧まで下げることにし、それに対応したターゲットとしてＧｅ（ゲルマニウム）、Ｃｒ（クロム）などを採用して、波長が０．６〜２Åの連続Ｘ線に加えて２〜３０Åの強い特性Ｘ線を発生させる。このような長波長で且つＸ線量の多いＸ線を発生する形態とすることで、軽元素を主体としたサンプルにも大幅なコントラスト増強が可能となる。
【００１７】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係るＸ線顕微検査装置の主要部の構成の一例を示しており、Ｘ線発生手段は、電子銃１、対物レンズ２、ターゲット３等から成り、電子銃１は、ショットキーモジュール１ａ，電子源１ｂ，アノード１ｃ等から構成される。本発明のＸ線顕微検査装置では、前述のように、電子源１ｂとしては「液体金属電界放射陰極（液体金属電子源）」又は「熱電界放射陰極（熱電界放射電子源）」を用いている。
【００１９】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、液体金属を電子源に用いた液体金属電界放射陰極の一例を模式図で示しており、液体金属電界放射陰極１ｂは、例えば、タングステンのフィラメントを熱電子源ａ１とし、同図（Ａ）に示すようなタングステンの先端を鋭角に形成したものを電子発生部ａ２として同図（Ｂ）に示すように熱電子源ａ１に付け、その電子発生部ａ２に液体金属ａ３を塗布した構成とする。このような構成とすることで、液体金属ａ３が表面を伝わって電子発生部ａ２の先端に供給される。その液体金属ａ３がもたらす効果により、電子線の量が１０００倍くらい増加する。液体金属として使用する材料としては、低融点金属のうち、融点での蒸気圧が比較的低い、液体金属イオン源で使われている材料が好ましく、例えばＩｎ（インジウム）［融点≒４２９Ｋ，融点での蒸気圧：<<１０-10 Pa］や、Ｇａ（ガリウム）［融点≒３０３Ｋ，融点での蒸気圧：<<１０-10 Pa］などが好適である。
【００２０】
また、本発明では、図１の構成例のように、Ｘ線顕微検査装置の電子銃１の電子発生部の近傍に、Ｘ線顕微鏡では使われたことのない磁界重畳レンズ１ｄを配置し、少なくとも電子発生部１ａから電子加速手段の構成要素であるアノード１ｃに至るまで、電子銃が作る電界に磁界重畳レンズ１ｄが作る磁界を重畳させて、電子Ｒｅをアノード１ｃで加速しながら集束させる構成としている。すなわち、電子発生部１ａから発生した直後の電子Ｒｅを集束させながら加速することによって集束電子線の損失電子線量を減らしている。そして、高電流密度を有する集束電子線（Ｘ線発生用電子プローブ）をターゲット３に当て、ターゲット３から発生するＸ線量を増加させるようにしている。
【００２１】
いわゆる磁界重畳レンズは、従来より透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡等の電子線装置においては使用されているが、これらの電子線装置では、電子線のスポット径は小さいが、放射電流量が少ないためターゲット３から所望のＸ線量が得られず、Ｘ線顕微検査装置には適用できなかった。その理由は、電子顕微鏡では放射電流量はかなり小さくても信号量として充分でそれ程問題とならないが、Ｘ線顕微検査装置では、電子顕微鏡と違い、少ないプローブ電流では、像が暗く、長い露光時間を要するという問題が発生するからである。特に、露光時間が短いというのが産業用に普及するための必要条件である。また、電子顕微鏡等の電子線装置では、超高真空が求められる電子銃室内に磁気回路等を組込む構成としている。より大電子流（プローブ電流）を必要とするＸ線顕微検査装置では、電子流が当たって放出するガスと発熱を伴う磁気回路による真空の劣化を解決するのが困難であった。そのため、電子線装置で使用されているものをＸ線検査装置に適用したものはなく、従来のＸ線検査装置では、アノードで加速した電子線をレンズで曲げて集束させるようにしていた。本発明では、ガス放出量が少ないとされている材料の採用と磁気回路を真空的に分離し、かつ水冷することでこの問題を解決している。
【００２２】
ここで、本発明に係るＸ線検査装置独特の磁界重畳レンズの構成について、走査電子顕微鏡等の電子線装置で使用されているものと比較して説明する。
【００２３】
ＦＥ（電界放射）電子銃は、輝度が高く且つ干渉性の良い電子線が得られることから、透過電子顕微鏡、走査電子顕微鏡、走査透過型電子顕微鏡、あるいは電子線露光装置などで威力を発揮している。しかし、この性能は、光源のクロスオーバを著しく小さく縮小して得られる。いわゆる電子線プローブもナノメータサイズ以下（サブナノメータ）のプローブとした時に初めて十分な性能を発揮している。しかし、光源のクロスオーバをサブミクロンからミクロンサイズと拡大したプローブを得ようとすると、拡大レンズの大きな収差によって十分なプローブ電流を得ることは困難となる。この収差は電子銃の光源の位置から拡大レンズ（１段又は複数段）の初段までの距離に関係し、距離の３〜４乗に比例する。そのため電子銃部に電子レンズを付加した、いわゆる複合レンズが考案され、一部で実用化されている。
【００２４】
しかし、従来のＦＥ電子銃は、図７の構成例に示すように、電子銃室の筐体は全体がステンレスなどの真空シール材１Ｂで形成されており、その超高真空内に配置された電子銃先端部１Ａに独立した磁気回路１ｄ１（磁性体１ｄ１１，励磁コイル１ｄ１２等）を組み込んだ構成としている。このような構成では、超高真空が求められるＦＥ電子銃室Ａ内に発熱を伴う磁気回路、冷却水、磁気コイルの組み込み、それらにつながるリード線、配管の取り出しに大きな困難が伴う。また、電子銃と電子レンズの軸合わせ機構も極めて困難である。これに対して、本発明に係る磁界重畳レンズを有するＸ線発生用の電子銃（以下、磁界レンズ重畳電子銃と言う）は、磁気回路１ｄ１等から成る磁界重畳レンズの磁界発生部を、電子銃の電子源（電子を発生する電子銃先端部１Ａ）の近傍で且つ電子銃室とは真空的に分離した部位に設けた構成としている。
【００２５】
図３は、本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第１の構成例を、図７に示した従来のＦＥ電子銃の構成に対応させて示しており、１Ａはエミッタ，サプレッサ，エキストラクタ等から構成される電子銃先端部、１ｄ１は磁気回路、１ｄ１１は磁気回路を構成する磁性体、１ｄ１２は、磁気回路１ｄ１のための励磁コイル、ｓは電子レンズの二つのポールピースの間隔、ｂ２（図７では“ｂ”）はポールピースの穴径をそれぞれ示している。図３に示すように、本実施の形態では、電子銃室そのものを磁性体１ｄ１１等から成る磁気回路１ｄ１の中に組み込んだ構成としている。詳しくは、磁界重畳レンズ１ｄの構成要素として、図３中に示すような例えば断面が矩形状で筐体の全体（又は一部）が磁性体で覆われた電子銃収容部を電子銃室Ａとして具備し、その電子銃収容部内に電子銃が組み込まれた構成となっている。すなわち、電子銃室を構成する筐体の部位（上板、底板、外筒など筐体の一部又は全体）を磁気回路（磁界発生部）の一部又は全体とし、電子銃と磁気回路１ｄ １ とを真空的に分離した構成としている。
【００２６】
この第１の構成例では、強い励磁が求められるが、物面（光源のクロスオーバ）はレンズ場中心より後方に配置されるため、収差係数（特に球面収差）を十分小さくできるという効果がある。その理由は、一般に、物面（この場合、光源のクロスオーバ）から電子レンズ下極までの距離が固定されると、ポールピースの穴径、間隔は大きい方が球面収差は小さくなるからである。なお、色収差はその限りではないが、本発明の対象として色収差は無視することができる。また、超高真空が求められる電子銃室とは構成上分離した形となるため、真空シール、冷却水、リード線の取り出しなどが容易になるという効果がある。
【００２７】
図４は、本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第２の構成例を、図３に示した第１の構成例に対応させて示しており、本実施の形態では、図４に示すように、電子銃先端部１Ａと磁性体１ｄ１１とがより近接するように、例えば断面が凹状に形成された磁性体１ｄ１１等から成る磁界重畳レンズ１ｄの上部に凸状の電子銃室Ａを設け、電子銃先端部１Ａを磁界重畳レンズ１ｄの上側から磁界の中に挿入する形の構成としている。図３に示した第１の構成例では極めて強い磁界が得られるため、低加速電子線に対しては極めて有効であるが、ある程度、高加速の電子線に対しては必ずしも好都合とは言えない。そこで、小さな励磁で済むように、ポールピースの穴径ｂ（本例では上下が異なる径サイズの穴径ｂ１，ｂ２）、間隔ｓを小さくして、その磁界の中に電子銃先端部１Ａを挿入する形としたのが、本実施の形態である。
【００２８】
上記の磁界レンズ重畳電子銃の第１，第２の構成例とも、磁界重畳レンズは、磁界発生部を電子銃の電子発生部の近傍で且つ電子銃室とは分離した部位に配置した構成としており、電子銃と磁気回路とを真空的に分離できる（焼きだしを含めて超高真空を実現しやすい）という効果と、電子銃の作る電界と磁気回路の作る磁界とを無理なく重畳できるという効果がある。また、軸合わせも機械的に移動機構を組み込むことが容易で、たやすく実現することができる。さらに図４の構成では、その１例が示されるように、短形コイルなどの偏向コイル１ｅを電子銃先端部１Ａの近傍に設けることによって、電磁軸合わせも可能となり実用的である。
【００２９】
電子線集束用のレンズとしては、原理的には上記の磁界重畳レンズ１ｄだけで良く、図１に示したターゲット３側の電子レンズ（対物レンズ）２は必須構成ではないが、対物レンズ２を設けて電子線の集束を２段階とすることで、所望の電子プローブサイズとプローブ電流を選択する自由度が極めて大きくなる。また、従来の装置（図６参照）と比較して、本発明のＸ線顕微検査装置では、対物レンズ２の焦点距離が長く、従来のＸ線顕微検査装置では得られない長い作動距離（数ｃｍ）を実現することができる。そのため、対物レンズ２とターゲット３との間の空間を広くとることができ、その空間内に検査に係る周辺機器を設置することが可能となる。
【００３０】
また、高分解能のＸ線顕微検査装置を実現するには、試料（被検査体）１０に照射するＸ線量が多く、高輝度且つ微小な焦点サイズのＸ線を発生させるためには、ターゲット３に当てる電子線は高性能レンズにより集束のロスが少なく電子量が多いことが重要であるが、Ｘ線発生用の電子ビームの軸の向き及び位置も重要である。本実施の形態では、図１並びに図４に例示したように、Ｘ線顕微検査装置としては初めて、電子発生部１Ａの近傍（電子源のすぐ近くに）に電子線軸合わせコイル１ｅを配置する構成とし、この軸合せコイル１ｅにより、アノード１ｃで加速する前の電子線をＸ，Ｙ方向にシフトして軸を合わせることで、電子ビームのＸ線源に対する軸合わせを正確且つ極めて容易にできるようにしている。
【００３１】
さらに、図１中に示されるＸ線発生用のターゲット３としては、Ｘ線が透過し易く、絶縁物であるにも拘わらず熱伝導率が極めて高く、且つ融点も極めて高いダイヤモンドをヒートシンクとして用いた構成としている。下記の表１は、Ｂｅ（ベリリウム）とダイヤモンドの特性を示しており、ダイヤモンドは、従来使用されていたＢｅと比較しても熱伝導率や融点が非常に高いため、磁界重畳レンズ１ｄにより集束された高電流密度をもつ電子プローブが衝突しても融けたり蒸発したりするなどの問題も発生せず、Ｘ線発生用ターゲットのヒートシンクとして優れた効果を発揮する。
【００３２】
【表１】
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係るダイヤモンドヒートシンク付きターゲット３の構成の一例を側面図と平面図で模式的に示しており、同図（Ａ）に示すように、例えば、ＣＶＤにて形成された薄板状のダイヤモンド板３ｂの上に、更にターゲット材料３ａをＣＶＤにより蒸着した構成とする。このように、ＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとしたターゲットとすることにより、電子ビームによるターゲット３の温度上昇を大幅に減少させ、高強度Ｘ線でもその熱負荷に耐えるターゲットを実現している。
【００３４】
以上のような構成とすることで、４０ｎｍ〜１００ｎｍの超高分解能を有するＸ線顕微検査装置を実現することができ、次世代超ＬＳＩの検査や、医療用のマイクロマシンの構成部品の検査、長波長（２〜３０Å）のＸ線による軽元素を主体とした試料の検査など、様々な分野の非破壊検査等に大きく貢献することが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、０．１μｍより良い超高分解能（４０〜１００ｎｍ）で被検査体の微細構造を非破壊で検査可能なＸ線顕微検査装置を提供することが可能となる。詳しくは、磁界重畳レンズを用いて高電流密度を有するＸ線発生用の電子ビームを形成し、単位面積当たりのＸ線量の多いＸ線を発生させるようにしているので、電子線量の減少を避けながら全体として数倍の拡大系として動作させることが可能となる。また、電子源に液体金属又は熱電界放射陰極を用いた構成とすることで、ＬａＢ６陰極を用いた従来の電子源と比較して、高輝度且つ放射電流量が多い電子源を提供することができ、被検査体に照射するＸ線量を大幅に増加させることができる。
【００３６】
また、Ｘ線発生用ターゲットとしてＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとして用いた構成とすることで、電子ビームのエネルギーがターゲット上で熱に変換される際の温度上昇を大幅に減少させることができ、その結果として、被検査体に照射するＸ線量を大幅に増加させても熱負荷に耐えるターゲットとすることができる。
【００３７】
また、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、近年、半導体部品を筆頭にその構成最小単位はマイクロスケールからナノスケールヘ微細化が進んでいる。そうした部品の内部の微細構造を非破壊で検査するということは今後、必要不可欠な技術になってくる。こうした内部構造を非破壊かつ高分解能で調べられるのはＸ線しかない。よって、４０〜１００ｎｍの超高分解能での非破壊検査等が可能となる本発明によれば、ナノテクノロジーの分野に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸ線顕微検査装置の主要部の構成の一例を示す概略図である。
【図２】液体金属を電子源に用いた液体金属電界放射陰極の一例を示す模式図であり、図２（Ａ）が正面図、図２（Ｂ）が側面図である。
【図３】本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第１の構成例を示す模式図である。
【図４】本発明に係る磁界レンズ重畳電子銃の第２の構成例を示す模式図である。
【図５】 ダイヤモンドヒートシンク付きターゲットの一例を示す模式図であり、図５（Ａ）が側面図、図５（Ｂ）が平面図である。
【図６】従来のＸ線検査装置の構成の一例を示す概略図である。
【図７】従来のＦＥ電子銃の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 磁界レンズ重畳電子銃
１Ａ 電子銃先端部（電子発生部）
１Ｂ 真空シール材
１ａ ショットキーモジュール
１ｂ 液体金属電界放射陰極又は熱電界放射陰極（電子源）
１ｃ アノード
１ｄ 磁界重畳レンズ
１ｄ１ 磁気回路
１ｄ１１ 磁性体
１ｄ１２ 励磁コイル
１ｅ 軸合わせコイル
２ 対物レンズ
３ ダイヤモンドヒートシンク付きターゲット
３ａ ターゲット材料
３ｂ ダイヤモンド板
１０ 被検査体（試料）
１１ Ｘ線検出器
２１ 熱電子放射電子銃
２１ａ グリッド
２１ｂ 熱電子放射陰極（電子源）
２１ｃ アノード
２２ 電子レンズ（対物レンズ）
２３ ターゲット
２３ａ Ｘ線源
２４ Ｘ線検出器
Ｒｅ 電子（電子線）
Ｒｘ Ｘ線
Claims (5)
- 電子銃の電子源からの電子線をＸ線発生用ターゲットに当ててＸ線を発生させるＸ線発生手段を有し、前記Ｘ線を利用して被検査体を検査するＸ線顕微検査装置において、
前記電子銃が作る電界に磁界を重畳させる磁界重畳レンズを前記Ｘ線発生手段の構成要素として備え、
前記磁界重畳レンズの磁界発生部を前記電子銃が収容されている超高真空の電子銃室と真空的に分離した部位で且つ前記電子銃の電子発生部に近接して配置すると共に、前記磁界重畳レンズのポールピース部を前記電子銃室と真空的に分離した部位に配置した構成とし、
前記電子発生部から発生した直後の電子を前記磁界重畳レンズによって集束させながら前記電子銃によって加速させることによって、前記Ｘ線発生用ターゲットに当てる電子線の損失電子線量を低減させるようにしたことを特徴とする高分解能Ｘ線顕微検査装置。 - 前記電子源が液体金属を用いた液体金属電子源であることを特徴とする請求項１に記載の高分解能Ｘ線顕微検査装置。
- 前記電子源が熱電界放射電子源であることを特徴とする請求項１に記載の高分解能Ｘ線顕微検査装置。
- 前記Ｘ線発生用ターゲットが、ＣＶＤダイヤモンドをヒートシンクとして用いたヒートシンク付きターゲットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高分解能Ｘ線顕微検査装置。
- 前記磁界重畳レンズは、その断面形状を凹状に形成し且つその凹部中央に穴径の小さな空隙部を形成した構造とし、更に、断面形状を凸状に形成した前記電子銃室の突出部を前記磁界重畳レンズの凹部に挿設すると共に、前記電子銃の電子発生部を前記磁界重畳レンズが作る磁界の中に挿入する形で前記突出部に配置した構成としていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の高分解能Ｘ線顕微検査装置。
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