JP4189770B2

JP4189770B2 - Ｘ線用ターゲット及びそれを用いた装置

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Publication number: JP4189770B2
Application number: JP2006512158A
Authority: JP
Inventors: 建一大嶋; 仁平原田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2008-12-03
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Description

本発明は、微小焦点を有し、かつ、高輝度のＸ線を発生できるＸ線用ターゲット及びそれを用いた装置に関する。

Ｘ線は、物質の内部構造を非破壊で詳細に調べることができる。例えば、透過Ｘ線像による観察が、医学及び薬学分野での生体の診断、各種工業製品の評価、空港での荷物検査装置などに広く使用されている。放射光によるＸ線源を利用する以外で、現在用いられているＸ線源は真空中で加速電子を金属ターゲットにぶつけてＸ線を放出させる方法に基づいたＸ線管がある。この方法で得られるＸ線源の大きさは一般に数μｍであるため、Ｘ線透過法で得られる像の分解能はやはり数μｍに留まり、満足できるものではなかった。

１９７３年頃、直径３μｍの微焦点Ｘ線源により、蟻のＸ線写真が撮影され、その体毛や血管などの微細構造が観察されたことが本発明者らにより報告されている（原田仁平、栗林勝、「微焦点Ｘ線源を用いた高精細画像」、日本写真学会誌、２００２年、６５巻７号、ｐｐ．４９５−５００）。この撮影では、Ｘ線ターゲットとして、２μｍの厚さの金（Ａｕ）が使用された。従来、Ｘ線撮影像のコントラストは、Ｘ線の散乱、吸収によるものとされてきたが、微小焦点のＸ線源を用いれば、位相コントラスト像も含まれるので、密度の低い非常に細い毛のようなものでもその輪郭を捉えることができることが指摘されている（Ｓ．Ｗ．Ｗｉｌｋｉｎｓ他４名，“Ｐｈａｓｅ−ｃｏｎｔｒａｓｔｉｍａｇｉｎｇｕｓｉｎｇｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃｈａｒｄＸｒａｙ”，（１９９６），Ｎａｔｕｒｅ，３８４，ｐｐ．３３５−３３８）。

図１２は従来のＸ線源を模式的に示す図である。図１２において、電子ビーム１００を厚さｔのターゲット薄膜１０１に照射すると、Ｘ線１０２が発生する。この場合、電子１０３がターゲット薄膜１０１内に拡散し、この拡散長がＬである。

また、Ｘ線は、半導体装置、特に超ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）などの検査には、特性Ｘ線や蛍光Ｘ線による元素分析法やＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）などが用いられている。例えば、日本特開平５−４５３０６号公報には、Ｘ線分析用のＸ線源として、回転対陰極Ｘ線管から放射したＸ線をガラス細管を通過させて、試料上で５μｍ直径の微細Ｘ線ビームを発生させることが開示されている。この方法においては、Ｘ線強度を増すためには多数のガラス細管を用いる。このため、各ガラス細管から多数の焦点が生じ易く、Ｘ線透過像の撮影には適さない。また、このようなガラス細管の加工にも限界がある。ところが、半導体素子の最小加工寸法が９０ｎｍや６０ｎｍとなり、より一層、微小焦点を有するＸ線源が要求されている。

しかしながら、従来の図１２に示すようなＸ線源の焦点を小さくするためには、電子ビームのスポット径を小さくし、電子ビームの照射密度を上げるべきであるが、このようにしてもＸ線ターゲット内で電子ビームは拡散して、微小焦点のＸ線源が得られないという課題がある。また、電子ビームの照射密度を上げた場合には、Ｘ線のターゲット材が加熱され、融解し、また昇華又は蒸発も伴ってターゲット薄膜１０１が損傷するという課題がある。

本発明は以上の点に鑑み、微小焦点で、かつ、高輝度のＸ線を発生できるＸ線用ターゲット及びそれを用いた装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のＸ線用ターゲットは、第１のキャップ層と特性Ｘ線を発生させる材料から成るターゲット層と第２のキャップ層とが順次積層された構造と、この構造を保持する支持台と、を備え、第１及び第２のキャップ層が、ターゲット層よりも電子線吸収能が低い材料から成り、ターゲット層が、第１及び第２のキャップ層に線状又は楕円形状のマトリクス状に埋め込まれて配設されており、マトリクスの各ターゲット層を、その大きさに応じた微小焦点のＸ線源とすることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、ターゲット層は、波長０．３〜１０Åの特性Ｘ線を発生させる材料から成る。
第１及び第２のキャップ層は、好ましくは、Ｂ，Ｃ，ＳｉＣ，Ｂ_４Ｃの何れかである。

この構成によれば、第１及び第２のキャップ層の電子線吸収能が、ターゲット層の電子線吸収能よりも低いので、第１及び第２のキャップ層は、ターゲット層に比べて加熱されにくいことから、集束電子ビームによる発熱でターゲット層が融解しても、溶融したターゲット層２２が第１及び第２のキャップ層内に閉じこめられ、昇華や蒸発を防ぐことができる。従って、Ｘ線用ターゲットへの電子ビームの強度を増大させることができ、Ｘ線源の輝度を上げられる。さらに、ターゲット層を薄くすることで、Ｘ線源の焦点サイズを３次元的に縮小化することが同時にできる。

これにより、本発明のＸ線用ターゲットによれば、集束電子ビームをターゲット層の大きさに絞り、かつ、その強度を増大させて、Ｘ線用ターゲットに照射できるので、Ｘ線放出効率を向上させることができる。このため、ターゲット層の大きさに応じて電子ビームの焦点を小さくでき、例えば、焦点をｎｍオーダーとすることができる。したがって、微小焦点のＸ線用ターゲットを提供することが可能になる。

この構成によれば、Ｘ線用ターゲットには、たとえ電子ビームの面積を広げて照射しても、Ｘ線焦点の大きさは線状又は楕円形状にしたターゲット層の大きさで決まるので、それ以上は大きくならない。このため、微小焦点のＸ線を効率良く発生できる。電子ビームの密度を上げて、ターゲット層がたとえ融解してもかまわないので、Ｘ線輝度をさらに増大させることができる。

上記構成において、好ましくは、各ターゲット層の大きさは同一であるか又は異なっている。第１のキャップ層上には、好ましくは、帯電防止層が設けられている。

この構成により、各ターゲット層の機械的操作又は電子ビームの照射位置変更などにより、所定の時間毎などに交換して使用することができる。これにより、真空容器の真空を破りＸ線用ターゲットを交換する必要がなくなり、利便性が向上する。また、マトリクスの各ターゲット層の大きさにより、集束電子ビームを所望の焦点とすることができる。また、この大きさが変化している場合には、マトリクスの選択により集束電子ビームの焦点が変化するので、異なる微小焦点のＸ線を発生させることができる。

この構成によれば、Ｘ線用ターゲットが支持台により機械的に保持され、曲がった
りすることがない。また、この支持台によりＸ線ターゲットの放熱を効果的に行なうことができる。

本発明の他の態様によれば、電子ビーム発生部とＸ線用ターゲットとから成るＸ線源を含むＸ線装置であって、Ｘ線用ターゲットが、第１のキャップ層と特性Ｘ線を発生させる材料から成るターゲット層と第２のキャップ層とを順次積層した構造とこの構造を保持する支持台と、を備え、第１及び第２のキャップ層を覆う膜が、ターゲット層よりも電子線吸収能が低い材料から成り、ターゲット層が、第１及び第２のキャップ層中に線状又は楕円形状のマトリクス状に埋め込まれて配設されており、マトリクスの各ターゲット層を、その大きさに応じた微小焦点のＸ線源とし、電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームをマトリクスの各ターゲット層に照射して、微小焦点のＸ線を発生させることを特徴とする。

この構成によれば、集束電子ビームをターゲット層の大きさに絞り、かつ、その強度を増大させて、Ｘ線用ターゲットに照射できるので、Ｘ線放出効率を向上させることができる。したがって、微小焦点で高輝度のＸ線を発生させることができる。

上記構成において、好ましくは、電子ビーム発生部は電子レンズからなり、Ｘ線用ターゲットが電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームに対して傾斜して配置されると共に、集束電子ビームの形状が線状又は楕円形状である。好ましくは、第１のキャップ層上には、帯電防止層が設けられている。この構成によれば、集束電子ビームを面積の大きいＸ線用ターゲットに照射できるので、焦点をさらに小さくしてＸ線輝度をさらに増大させることができる。したがって、強度の強い微小焦点のＸ線を得ることができる。

上記構成において、好ましくは、Ｘ線装置は、さらに、試料載置部とＸ線検知手段とを備えたＸ線回折装置である。この構成によれば、強度の強い微小焦点のＸ線源により微小領域のＸ線回折が測定できるＸ線回折装置を提供することができる。

上記構成において、好ましくは、Ｘ線装置は、さらに、試料載置部とＸ線検知手段とを備えた蛍光Ｘ線分析装置である。この構成によれば、強度の強い微小焦点のＸ線源により微小領域の蛍光Ｘ線分析ができる蛍光Ｘ線分析装置を提供することができる。

上記構成において、Ｘ線装置は、好ましくは、さらにＸ線光学素子を備える。この構成によれば、強度の強い微小焦点のＸ線源から特定の波長を選択して、被観察物などに効率よく照射することができる。

さらに、本発明の他の構成によれば、電子ビーム発生部とＸ線用ターゲットと被観察物載置部とＸ線検知手段とを含むＸ線顕微鏡であって、Ｘ線用ターゲットが、第１のキャップ層と特性Ｘ線を発生させる材料から成るターゲット層と第２のキャップ層とを順次積層した構造とこの構造を保持する支持台と、を備え、第１及び第２のキャップ層が、ターゲット層よりも電子線吸収能が低い材料から成り、ターゲット層が、第１及び第２のキャップ層中に線状又は楕円形状のマトリクス状に埋め込まれて配設されており、マトリクスの各ターゲット層を、その大きさに応じた微小焦点のＸ線源とし、電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームをマトリクスの各ターゲット層に照射して、所望の微小焦点のＸ線を発生し、微小焦点のＸ線を発散Ｘ線として、被観察物の透過Ｘ線像を得ることを特徴とする。

この構成によれば、集束電子ビームをターゲット層の大きさに絞り、かつ、その強度を増大させた微小焦点のＸ線を発散Ｘ線として、高解像度のＸ線透過像を得るＸ線顕微鏡を提供することができる。

上記構成において、好ましくは、電子ビーム発生部は電子レンズからなり、Ｘ線用ターゲットを電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームに対して傾斜して配置すると共に、集束電子ビームの形状は線状又は楕円形状である。好ましくは、第１のキャップ層上には、帯電防止層が設けられている。この構成によれば、微小焦点のＸ線強度をさらに増大させたＸ線顕微鏡を提供することができる。

透過Ｘ線像は、好ましくは、位相差によるコントラストを含む。この構成によれば、被観察物の吸収像と共に、位相差コントラストを観察できるＸ線顕微鏡を提供することができる。好ましくは、Ｘ線検知手段は撮像素子であり、撮像素子の画像処理手段をさらに備える。この構成によれば、各種の画像処理ができるので利便性が向上したＸ線顕微鏡を提供することができる。

図１は、本発明に係る第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの構造を示す断面図である。
図２は、本発明に係る第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの変形例の構造を示す断面図である。
図３は、本発明に係る第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの他の変形例の構造を示す断面図である。
図４は、本発明に係る第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの平面構造の一例を示す断面図である。
図５は、本発明に係る第２の実施の形態によるＸ線装置の構成を示す模式図である。
図６は、本発明のＸ線用ターゲットの構造を示す断面図である。
図７は、本発明による第２の実施形態に係るＸ線装置の変形例の構成を示す模式図である。
図８は、本発明に係る第３の実施の形態によるＸ線発生装置を用いたＸ線顕微鏡の構成を示す模式図である。
図９は、位相差によるコントラストを模式的に説明する図である。
図１０は、第４の実施形態に係るＸ線回折装置の構成を示す模式図である。
図１１は、第５の実施形態に係る蛍光Ｘ線分析装置の構成を示す模式図である。
図１２は、従来のＸ線源を模式的に示す図である。

本発明は、以下の詳細な発明及び本発明の幾つかの実施の形態を示す添付図面に基づいて、より良く理解されるものとなろう。なお、添付図面に示す種々の実施例は本発明を特定または限定することを意図するものではなく、単に本発明の説明及び理解を容易とするためだけのものである。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。

第１の実施の形態
図１は、本発明に係る第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの構造を示す断面図である。図１に示すように、Ｘ線用ターゲット１は、集束電子ビーム１６が照射される上方から、第１のキャップ層２１と、集束電子ビーム１６によりＸ線を発生させるターゲット層２２と、第２のキャップ層から成る層２３と、から構成されている。このＸ線用ターゲット１は、ターゲット層２２で生じたＸ線の紙面下方に透過した成分を用いる所謂透過型Ｘ線用ターゲットとして動作する。第１のキャップ層２１と電子ビームによりＸ線を発生させるターゲット層２２と第２のキャップ層から成る層２３とは、電子ビームが透過し、さらにＸ線が透過できる厚さとすればよい。

第１及び第２のキャップ層２１，２３は、それぞれ、１層でなく２層以上でもよい。この第１及び第２のキャップ層２１，２３は、加速された電子ビームが透過し易い軽元素やその化合物などから成り、かつ、ターゲット層２２よりも電子線吸収能が低い材料を用いることが望ましい。第１及び第２のキャップ層２１，２３の融点は、ターゲット層２２層の融点よりも高くてもよい。第１及び第２のキャップ層２１，２３に集束電子ビーム１６が照射されたときに、第１及び第２のキャップ層２１，２３の電子線吸収能が低く、温度が上昇しなければよい。つまり、ターゲット層２２が電子線吸収能が高い場合には、第１及び第２のキャップ層２１，２としては、電子線吸収能が低い材料を用いればよい。このような構成のＸ線用ターゲット１では、電子線吸収能が高いターゲット層２２が加熱され、第１及び第２のキャップ層２１，２３は電子線吸収能が低いので加熱されにくい。

ここで、第１及び第２のキャップ層２１，２３は、それぞれ、ホウ素（Ｂ）（融点：約２３００℃），炭素（Ｃ）（融点：約３５００℃以上），ＳｉＣ（融点：約２７００℃），Ｂ_４Ｃ（融点：約２３５０℃）などの層やこれらの多層膜を用いることができる。ターゲット層２２は、第１及び第２のキャップ層２１，２３よりも電子線吸収能が高い材料からなる。または、ターゲット層２２は、第１及び第２のキャップ層２１，２３よりも融点の低い材料でもよい。このような材料としては、Ｃｏ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｗなどの金属を用い、その特性Ｘ線の波長が０．３〜１０Åの波長範囲にある元素であればよい。異なる金属層を多層にして、複数のＸ線を発生させてもよい。ターゲット層２２は単体金属だけでなく、特別な元素を含む化合物層であって特徴のある特性Ｘ線を発生させてもよい。このような元素としては、Ｌａ（ランタン）などが挙げられる。

集束電子ビーム１６が照射される第１のキャップ層２１上には、帯電防止層２４をさらに設けてもよい。帯電防止層２４は、導電性材料で、軽元素又は軽元素化合物が好ましく、例えば、カーボン（Ｃ）を用いることができる。

次に、第１の実施形態に係るＸ線用ターゲットの変形例について説明する。図２は第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの変形例の構造を示す断面図である。図に示すＸ線用ターゲット２０が、Ｘ線用ターゲット１と異なるのは、集束電子ビーム１６側に発生するＸ線を用いる、所謂反射型としている点である。反射型の場合には、下方にある第２のキャップ層２３の厚さを厚くしてもよい。他の構成は第１の実施の形態によるＸ線用ターゲット１と同じであるので説明は省略する。

Ｘ線用ターゲットは次のように構成されていてもよい。図３に示すＸ線用ターゲット２５は、集束電子ビーム１６によりＸ線１７を発生させるターゲット部２６と、ターゲット部２６全体を覆う膜２７と、から構成されている。ターゲット部２６は、Ｘ線用ターゲット１のターゲット層２２と同様に、Ｃｏ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｗなどの金属を用い、その特性Ｘ線の波長が０．３〜１０Åの波長範囲にある元素によって重元素の膜として構成されている。また、膜２７は、Ｘ線用ターゲット１の第１及び第２のキャップ層２１，２３と同様に、加速された電子ビームが透過し易い軽元素やその化合物などから成り、かつ、ターゲット部２６よりも電子線吸収能が低い材料を用いる。例えば膜２７として、ホウ素（Ｂ）（融点：約２３００℃），炭素（Ｃ）（融点：約３５００℃以上），ＳｉＣ（融点：約２７００℃），Ｂ_４Ｃ（融点：約２３５０℃）などの層やこれらの多層膜を用いることができる。

図４は第１の実施の形態によるＸ線用ターゲット１，２０の平面構造の一例を示す断面図である。図４では、Ｘ線用ターゲット１，２０のターゲット層２２のみを示しているが、ターゲット層２２は、個々が線状であり、Ｘ，Ｙ方向に所定の間隔でマトリクス状に多数（マトリクスが２２ａ乃至２２ｒ）を配列させている。この各ターゲット層２２の形状は、楕円形状でもよい。また、楕円にさらに直線を含んだ小判形状でもよい。本発明の楕円形状には小判形状も含む。図示の場合には、同じ線状で同じ大きさのターゲット層２２ａ乃至２２ｒを示しているが、マトリクスの構成は線状又は楕円形状でもよいし、線状及び楕円の組み合わせでもよい。それらの大きさを種々変化させてもよい。大きさを変化させた場合には、その大きさに応じた焦点サイズのＸ線を発生することができる。

このように多数のターゲット層２２ａ乃至２２ｒがマトリクス状に、第１及び第２のキャップ層２２，２３中に埋め込まれて配設されているので、Ｘ線強度が弱くなったときに別のマトリクスを用いることができる。マトリクスは、所定の時間毎などに交換して使用してもよい。このマトリクスの交換は、機械的操作や電子ビームの照射位置変更などにより行うことができる。具体的には、Ｘ線用ターゲット１，２０を保持する載置部の駆動や、上記集束電子ビーム１６の集束位置を電気的に変えることで行うことができる。また、各ターゲット層２２の個々のマトリクスの金属を換えて配置してもよい。この場合には、各ターゲット層２２から異なる波長を有する微小焦点のＸ線を発生させることができる。このターゲット層２２の形状は、Ｘ線用ターゲット２５のターゲット部２６にも適用することができる。

各マトリクスのターゲット層２２又はターゲット部２６の大きさにより、集束電子ビーム１６を所望の焦点とすることができる。各マトリクスの大きさが変化している場合には、マトリクスの選択により集束電子ビーム１６の焦点が変化するので、異なる微小焦点のＸ線１７を発生させることができる。Ｘ線用ターゲット１，２０は、第２のキャップ層２３上全面に、ターゲット層２２となる金属を蒸着したのち、フォトリソグラフィー工程などによる選択エッチングにより多数のターゲット層を形成し、その後第１のキャップ層２１を所定の厚み堆積させることにより製作することができる。

第１の実施の形態によるＸ線用ターゲットの動作を説明する。
本発明のＸ線用ターゲット１，２０，２５によれば、加速された集束電子ビーム１６は軽元素化合物層２１，２３，２７からなる膜内では、電子線吸収能が低く、電子線があまり吸収されないので、それらを透過し、膜構造内のターゲット層２２又はターゲット部２６の発熱を抑えることができる。

そして、第１及び第２のキャップ層２２，２３又はターゲット部２６全体を覆う膜２７の電子線吸収能を低くするか、あるいは、その融点をターゲット層２２又はターゲット部２６の融点よりも高くしておけば、仮に集束電子ビーム１６による発熱でターゲット層２２又はターゲット部２６が融解しても、軽元素化合物層２２，２３や膜２７がキャップ層となり、溶融したターゲット層２２やターゲット部２６が膜構造の膜内に閉じこめられ、昇華や蒸発を防ぐことができる。このため、集束電子ビーム１６の強度を増大させることができ、Ｘ線源の輝度を上げられる。さらに、ターゲット層２２又はターゲット部２６を薄くすることで、Ｘ線源の焦点サイズを３次元的に縮小化することが同時にできる。

第１の実施の形態に係るＸ線用ターゲット１，２０，２５によれば、集束電子ビーム１６をターゲット層２２又はターゲット部２６の大きさに絞り、かつ、その強度を増大させて、Ｘ線用ターゲット１，２０，２５に照射できるので、Ｘ線放出効率を向上させることができる。このため、ターゲット層２２又はターゲット部２６の大きさに応じて電子ビームの焦点を小さくすることができ、例えば、焦点をｎｍオーダーとすることができる。したがって、微小焦点のＸ線１７を得ることができる。

第２の実施の形態
図５は第２の実施の形態によるＸ線装置の構成を示す模式図である。図５において、Ｘ線装置３０は、電子ビーム発生部１０とＸ線用ターゲット１とから成るＸ線源を有するＸ線発生装置である。電子ビーム発生部１０は、真空容１１内に配設される電子発生用のヒーター１２と、電子ビーム集束部１３から成り、ヒーター１２から放出された電子を集束電子ビーム１６とする。この集束電子ビーム１６がＸ線用ターゲット１に照射され、微小焦点のＸ線１７が発生する。

電子ビーム集束部１３は、例えば二段の電子レンズ１４，１５から成り、集束電子ビーム１６の大きさを数ｎｍ程度まで集束させることができる。この電子レンズとしては、電界による静電レンズ又は磁界による磁気レンズを用いればよい。Ｘ線用ターゲット１の構成は、第１の実施の形態によるＸ線用ターゲット１と同じであるので説明は省略する。

Ｘ線用ターゲット１は、図５の紙面垂直方向又は傾斜させて配置すればよい。好ましくは、図５の紙面垂直方向から角度θの傾斜を設けることにより、微小焦点のＸ線１７の輝度を増大させることができる。この場合には、Ｘ線用ターゲット１のターゲット層２２の形状は、線状又は長軸が長い楕円形状とすればよい。集束電子ビーム１６の形状は角度に合わせて、かつ、Ｘ線用ターゲット１のターゲット層２２の形状に類似であればよい。上記角度θが、１０°程度で、微小焦点のＸ線１７の輝度を１０倍とすることができる（１／ｓｉｎ１０°＝１０）。
ここで、上記のターゲット層２２及び集束電子ビーム１６の形状において、線状又は楕円形状は幾何学的な厳密さは必要でなく、おおよそ、そのような形状であればよい。

上記Ｘ線用ターゲット１は、Ｘ線用ターゲット２０，２５で構成してもよい。この場合、Ｘ線用ターゲット１，２０，２５に集束電子ビーム１６を照射する際に、膜状のＸ線用ターゲット１，２０，２５が曲がらないように機械的に保持するために、Ｘ線用ターゲット１，２０，２５を支持台の上面に固定するとよい。例えば、図６に示すように、支持台３５は、円錐台の筒状に形成されていて、中央を貫通する穴３５Ａを有する。この穴３５Ａは、集束電子ビーム１６の大きさより大きく設定されていて、束電子ビーム１６が支持台３５に当たらずに通過するようになっている。また、集束電子ビーム１６をＸ線用ターゲット１，２０，２５に当てるとＸ線用ターゲット１に熱が発生するので、この熱を放熱するために、支持台３５は銅などの熱伝導度の高い材料により構成されていて、Ｘ線用ターゲット１に生じた熱が支持台に伝達するようになっている。さらに、この支持台３５は、図示しない冷却用配管を内部に備えてもよい。この場合には、冷却用配管に水などの冷媒を循環させるとさらに冷却効果が増す。

次に、第２の実施形態に係るＸ線装置の変形例について説明する。図７は、第２の実施形態に係るＸ線装置の変形例の構成を示す模式図である。図に示す本発明のＸ線発生装置４０が、Ｘ線装置３０と異なるのは、Ｘ線用ターゲットとして反射型のＸ線用ターゲット２０を用いた点である。このＸ線用ターゲットの構成は、第１の実施の形態によるＸ線用ターゲット２０と同じであるので説明は省略する。

上記Ｘ線装置３０，４０のＸ線用ターゲット１，２０，２５は、図４に示したようにターゲット層を多数マトリクス状に配設させた構造を用いるのが好適である。各マトリクスの交換は、機械的操作又は電子ビームの照射位置変更などにより、所定の時間毎などに交換して使用することができる。これにより、上記各ターゲット層２２を所定の時間毎などに交換して使用すれば、真空容器１１の真空を破りＸ線用ターゲット１，２０，２５を交換する必要がなくなり、利便性が向上する。

次に、本発明の第２の実施形態に係るＸ線装置の動作を説明する。
本発明のＸ線装置３０，４０に用いるＸ線用ターゲット１，２０，２５によれば、加速された集束電子ビーム１６は軽元素化合物層などの第１及び第２キャップ層２１，２３からなる膜内ではあまり吸収されないので、それらを透過し、多層膜構造内のターゲット層２２の発熱を抑えることができる。このため、集束電子ビーム１６の強度を増大させることができる。したがって、Ｘ線源の輝度を上げられる。さらに、ターゲット層２２を薄くすることで、Ｘ線源の焦点サイズを３次元的に縮小化することが同時にできる。

本発明のＸ線装置３０，４０によれば、集束電子ビーム１６をターゲット層２２又はターゲット部２６の大きさに絞り、かつ、その強度を増大させて、Ｘ線用ターゲット１，２０，２５に照射できるので、Ｘ線放出効率を向上させることができる。このため、ターゲット層２２又はターゲット部２６の大きさに応じて電子ビームの焦点を小さくできる。例えば焦点をｎｍオーダーとすることができ、微小焦点のＸ線１７を発生させることができる。

第３の実施の形態
本発明による第３の実施形態に係るＸ線発生装置を用いたＸ線顕微鏡について説明する。
図８はＸ線発生装置を用いたＸ線顕微鏡の構成を示す模式図である。図に示すように、本発明のＸ線顕微鏡５０は、Ｘ線発生装置３０と、被観察物載置部５１と、Ｘ線検知手段５２と、を含み構成される。Ｘ線発生装置３０から発生した微小焦点のＸ線１７は発散Ｘ線５７となり、Ｘ線検知手段５２において像として検知される。

被観察物載置部５１は、図示するように、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の移動と、Ｘ，Ｙ平面の回転（φ）や角度（χ）が自在に調整できるステージを備えていてもよい。Ｘ線発生装置３０は、Ｘ線発生装置４０を用いてもよい。
Ｘ線検知手段５２は、Ｘ線用フィルム、イメージングプレート、ＣＣＤなどの撮像素子などを使用することができる。Ｘ線検知手段５２がＣＣＤなどの撮像素子の場合には、さらに、画像処理手段を備えることができる。この画像処理手段は、ＣＣＤからの信号を処理し、ディスプレイ装置に表示させたり、後述する位相差や吸収によるコントラストの色つけなどを行うことができる。

次に、本発明のＸ線顕微鏡の動作について説明する。微小焦点のＸ線源１７が発散Ｘ線５７となり像が結ばれる。ここで、微小焦点のＸ線１７と被観察物５３との距離をＡとし、被観察物５３とＸ線検知手段５２との距離をＢとすると、倍率ｍは、ｍ＝（Ａ＋Ｂ）／Ａとなる。倍率は、Ａ及びＢの間隔を変えることにより調整することができる。このような調整は、被観察物載置部５１のＺ軸を上下させればよい。

したがって、Ｘ線検知手段５２の分解能にも依存するが、本発明のＸ線顕微鏡は、数ｎｍ程度の微小焦点のＸ線源を有するので、その分解能もそれだけ小さくできる。このため、Ｘ線検知手段５２として二次元撮像素子を用いる場合には、分解能に見合う画素数を選定することが好ましい。本発明のＸ線顕微鏡は数ｎｍ程度の微小焦点で、かつ、強度の強いＸ線を用いるので、分解能も数ｎｍ程度が容易に得られることになる。また、被観察物の像としては、被観察物の吸収及び位相差によるコントラストを得ることができる。

図９は位相差によるコントラストを模式的に説明する図である。微小焦点のＸ線源１７からの発散Ｘ線５７は、被観察物５３を透過し、その内部構造の密度変化や外形変化により入射したＸ線の位相が変化し、波面５８となる。そして、Ｘ線フォトン５９は、波面５８の垂直方向に進み、Ｘ線検知手段５２に入射し像５２Ａとなる。図においては、その像５２Ａのコントラストが被観察物５３のエッジで生じるとして示している。本発明のＸ線顕微鏡５０によれば、被観察物５３のＸ線吸収像と共に、位相差コントラスト像が得られることになる。

Ｘ線検知手段５２がＣＣＤなどの撮像素子であり、その画像処理手段をさらに備えている場合には、上記コントラストの強度に着目して画像処理を行うことができる。
このＸ線顕微鏡を用い、被観察物５３として生体に微小焦点のＸ線を照射し、位相コントラストも活用すると、例えば昆虫の体毛や血管を詳細に映し出しながら、眼球の立体形状も同時に表現されるというＸ線像を得ることができる。

上述した第３の実施の形態によるＸ線顕微鏡においては、被観察物５３として生体の場合について説明した。さらに、生体以外には、半導体素子、超ＬＳＩ、及びナノ構造物などの非破壊検査や解析を行うことができる。

第４の実施の形態
本発明による第４の実施形態に係るＸ線回折装置について説明する。図１０は、本発明による第４の実施形態に係るＸ線回折装置の構成を示す模式図である。本発明のＸ線回折装置６０は、Ｘ線発生装置３０と、被観察物載置部５１と、Ｘ線検知手段５２と、を含み構成される。Ｘ線発生装置３０から発生した微小焦点のＸ線１７はスリット６１により所望の特性Ｘ線のみが回折されて、入射Ｘ線６２となり、単結晶などの被観察物６３に入射する。このスリット６１は、特定の波長幅のＸ線を選択するＸ線光学素子でもよい。このようなＸ線光学素子は、分光器（モノクロメータ）やミラーなどの光学素子又はこれらの組合わせにより構成される。Ｘ線発生装置３０から発生した微小焦点のＸ線１７の特定波長だけを、被観察物に効率よく照射することができる。そして、被観察物６３からの回折Ｘ線６４がＸ線検知手段５２において検知される。Ｘ線検知手段５２は、Ｘ線用フイルムやイメージングプレートなどを使用することができる。この際、回折Ｘ線６４のみが像となるように、被観察物６３内で回折せず直進するＸ線６２をＸ線用フイルム５２に入射させないために、遮光板６５が設けられている。

被観察物載置部５１は、被観察物６３のＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動と、Ｘ，Ｙ平面の回転（φ）や角度（χ）が自在に調整できるステージを備えていてもよい。この被観察物載置部５１は、Ｘ線検知手段５２と共に並進走査運動させることで、被観察物６３の面内のＸ線回折像を得ることができる。Ｘ線発生装置３０は、Ｘ線発生装置４０を用いてもよい。
本発明のＸ線回折装置によれば、数ｎｍ程度の微小焦点で、かつ、強度の強いＸ線発生装置を用いるので、微小領域のＸ線回折像が得られ易くなる。

第５の実施の形態
本発明による第５の実施形態に係る蛍光Ｘ線分析装置について説明する。図１１は、本発明による第５の実施形態に係る蛍光Ｘ線分析装置の構成を示す模式図である。図に示すように、本発明の蛍光Ｘ線分析装置７０は、Ｘ線発生装置３０と、被観察物載置部５１と、Ｘ線検知手段７６と、を含み構成される。Ｘ線発生装置３０から発生した微小焦点のＸ線１７はスリット７１により所定の特性Ｘ線のみを回折し、入射Ｘ線７２となり、被観察物７３に入射し、蛍光Ｘ線７４及び反射Ｘ線７５が発生する。このスリット７１は、特定の波長幅のＸ線を選択するＸ線光学素子でもよい。このようなＸ線光学素子は、分光器（モノクロメータ）やミラーなどの光学素子又はこれらの組合わせにより構成される。そして、被観察物７３からの蛍光Ｘ線７４がＸ線検知手段７６により検知される。Ｘ線検知手段７６は、Ｘ線の波長を分析する分光器７６ａを含んだシンチレーション検知器を用いることができる。ガスフロー比例計数管、エネルギー分散型の半導体検知器などでもよい。特に、エネルギー分散型の半導体検知器の場合には、分光器７６ａは不要である。

被観察物載置部５１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の移動と、Ｘ，Ｙ平面の回転（φ）や角度（χ）が自在に調整できるステージを備えていてもよい。この被観察物載置部５１は、Ｘ線検知手段７６と共に並進走査運動させることで、被観察物７３の面内の蛍光Ｘ線分布を得ることができる。Ｘ線発生装置３０は、さらにＸ線発生装置４０を用いてもよい。
本発明の蛍光Ｘ線分析装置によれば、数ｎｍ程度の微小焦点で、かつ、強度の強いＸ線発生装置を用いるので、微小領域の蛍光Ｘ線分析が容易に行える。

以上説明したように、本発明のＸ線発生装置を用いたＸ線顕微鏡によれば、可視光による光学顕微鏡、ＳＥＭ、走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡による表面高さ像では得られない、被観察物の透過像を高分解能で観察することができる。
また、本発明のＸ線発生装置を用いたＸ線回折装置によれば、各種被観察物の微小領域の回折Ｘ線像を得ることができる。
さらに、本発明のＸ線発生装置を用いた蛍光Ｘ線分析装置によれば、各種被観察物の微小領域の蛍光Ｘ線分析を行うことができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明のＸ線用ターゲットによれば、高輝度でｎｍオーダーの微小焦点を有するＸ線を発生できるＸ線用ターゲットを提供することができる。Ｘ線発生装置によれば、高輝度でｎｍオーダーの微小焦点を有するＸ線を発生させることができる。Ｘ線回折装置によれば、強度の強い微小焦点のＸ線源により微小領域のＸ線回折を測定することができる。蛍光Ｘ線分析装置によれば、強度の強い微小焦点のＸ線源により微小領域の蛍光Ｘ線分析が可能である。さらに、本発明のＸ線顕微鏡によれば、従来得られなかった数ｎｍの高解像度の顕微鏡を提供でき、従来の吸収像と共に位相差によるコントラスト像をも得ることができる。

Claims

第１のキャップ層と特性Ｘ線を発生させる材料から成るターゲット層と第２のキャップ層とが順次積層された構造と、該構造を保持する支持台と、を備え、
上記第１及び第２のキャップ層が、上記ターゲット層よりも電子線吸収能が低い材料から成り、上記ターゲット層が、上記第１及び第２のキャップ層に線状又は楕円形状のマトリクス状に埋め込まれて配設されており、該マトリクスの各ターゲット層を、その大きさに応じた微小焦点のＸ線源とすることを特徴とする、Ｘ線用ターゲット。
前記ターゲット層は、波長０．３〜１０Åの特性Ｘ線を発生させる材料から成ることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線用ターゲット。
前記第１及び第２のキャップ層は、Ｂ，Ｃ，ＳｉＣ，Ｂ_４Ｃの何れかであることを特徴とする、請求項１に記載のＸ線用ターゲット。
前記各ターゲット層の大きさが同一であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＸ線用ターゲット。
前記各ターゲット層の大きさが異なっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＸ線用ターゲット。
前記第１のキャップ層上には、帯電防止層が設けられていることを特徴とする、請求項１又は３に記載のＸ線用ターゲット。
電子ビーム発生部とＸ線用ターゲットとから成るＸ線源を含むＸ線装置であって、
上記Ｘ線用ターゲットが、第１のキャップ層と特性Ｘ線を発生させる材料から成るターゲット層と第２のキャップ層とが順次積層された構造と該構造を保持する支持台と、を備え、
上記第１及び第２のキャップ層が、上記ターゲット層よりも電子線吸収能が低い材料から成り、上記ターゲット層が、上記第１及び第２のキャップ層に線状又は楕円形状のマトリクス状に埋め込まれて配設されており、該マトリクスの各ターゲット層を、その大きさに応じた微小焦点のＸ線源とし、
上記電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームを上記マトリクスの各ターゲットに照射して、微小焦点のＸ線を発生させることを特徴とする、Ｘ線装置。
前記電子ビーム発生部は電子レンズからなり、前記Ｘ線用ターゲットを前記電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームに対して傾斜して配置すると共に、前記集束電子ビームの形状が線状又は楕円形状であることを特徴とする、請求項７に記載のＸ線装置。
前記第１のキャップ層上には、帯電防止層が設けられていることを特徴とする、請求項７に記載のＸ線装置。
前記Ｘ線装置が、さらに、試料載置部とＸ線検知手段とを備えたＸ線回折装置であることを特徴とする、請求項７に記載のＸ線装置。
前記Ｘ線装置が、さらに、試料載置部とＸ線検知手段とを備えた蛍光Ｘ線分析装置であることを特徴とする、請求項７に記載のＸ線装置。
前記Ｘ線装置が、さらに、Ｘ線光学素子を備えることを特徴とする、請求項７に記載のＸ線装置。
電子ビーム発生部とＸ線用ターゲットと被観察物載置部とＸ線検知手段とを含むＸ線顕微鏡であって、
上記Ｘ線用ターゲットが、第１のキャップ層と特性Ｘ線を発生させる材料から成るターゲット層と第２のキャップ層とが順次積層された構造と該構造を保持する支持台と、を備え、
上記第１及び第２のキャップ層が、上記ターゲット層よりも電子線吸収能が低い材料から成り、上記ターゲット層が、上記第１及び第２のキャップ層に線状又は楕円形状のマトリクス状に埋め込まれて配設されており、該マトリクスの各ターゲット層を、その大きさに応じた微小焦点のＸ線源とし、
該微小焦点のＸ線を発散Ｘ線として、上記被観察物の透過Ｘ線像を得ることを特徴とする、Ｘ線顕微鏡。
前記電子ビーム発生部は電子レンズからなり、前記Ｘ線用ターゲットを前記電子ビーム発生部から発生する集束電子ビームに対して傾斜して配置すると共に、該集束電子ビームの形状が線状又は楕円形状であることを特徴とする、請求項１３に記載のＸ線顕微鏡。
前記第１のキャップ層上には、帯電防止層が設けられていることを特徴とする、請求項１３に記載のＸ線顕微鏡。
前記透過Ｘ線像が、位相差によるコントラストを含むことを特徴とする、請求項１３に記載のＸ線顕微鏡。
前記Ｘ線検知手段は撮像素子であり、該撮像素子の画像処理手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１３に記載のＸ線顕微鏡。