JP4220170B2 - Ｘ線像拡大装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線を利用して試料を観察することが可能なＸ線像拡大装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生体観察や半導体検査等においては、試料を未処理で観察することができるＸ線顕微鏡が利用されている。例えば結像型Ｘ線顕微鏡は、試料にＸ線を照射し、そのＸ線像を結像光学系により検出器上に拡大結像させて試料を観察するように構成されている。
【０００３】
上記結像型Ｘ線顕微鏡の結像光学系としては、回折を利用したゾーンプレート光学系（特開平９−２５１１００号公報など）、特定波長のＸ線に対して高い反射率を有する多層膜を積層してなるシュバルツシルト光学系（特開平６−３００９００号公報など）などが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−２５１１００号公報には、検出器を光軸方向に移動させて検出器とゾーンプレート型対物レンズとの距離を変化させることによりフォーカシングを行う軟Ｘ線顕微鏡が開示されているが、この技術による結像倍率の変化は、波長選択性の高いゾーンプレートを使用するため、波長を僅かに変化させる必要がある。また、Ｘ線光量の損失が大きく、単色性が必要で放射光の利用が必要とされる。また、同じ倍率でも異なる波長で観察する場合には、試料及び検出器を移動させる必要があり、シュバルツシルト型の対物レンズを用いた場合でも、観察する波長が決まってしまう。
【０００５】
また、特開平６−３００９００号公報には、シュバルツシルト型多層膜ミラーで拡大した像を蛍光面等で可視光に変換した後、低倍率から高倍率までの複数のレンズを備えた光学顕微鏡で、拡大率を変えながら上記変換後の像を観察する技術が記載されているが、この技術では、多層膜ミラーを用いるため、観察可能な波長が限られるとともに、一旦可視光に変換するため、作業効率が低くなってしまう。
【０００６】
このため、実験室規模のＸ線顕微鏡では、光学素子として、利用効率が高く、波長選択性が無い斜入射ミラーが適している。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、波長選択性が無い斜入射ミラーを用いて結像倍率を変更することができるＸ線像拡大装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るＸ線像拡大装置は、線源から発したＸ線を試料に照射する照明光学系と、回転双曲面と回転楕円面から成る斜入射ミラーにより構成され、前記試料を透過したＸ線を所定の位置に拡大結像させる対物レンズと、前記対物レンズにより結像したＸ線像を検出するＸ線像検出手段と、前記Ｘ線像検出手段、前記試料、及び前記照明光学系の少なくとも１つを光軸方向に沿って移動させることで、前記Ｘ線像の結像倍率を調整する結像倍率調整手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、図１において本発明の原理を説明する。試料を置く位置を物点Ｏ、斜入射ミラーＷは回転双曲面と回転楕円面からなり、その接合部の位置をＳ、結像面の位置をＩとし、物点Ｏから斜入射ミラーの接合部Ｓまでの距離をａ、位置Ｓから位置Ｉまでの距離をｂとする。また、この斜入射ミラーの焦点距離をｆ、結像倍率をＭとすると、以下の式が成立する。
【００１０】
(１／ａ)＋(１／ｂ)＝１／ｆ …式（１）
ｂ＝ａＭ …式（２）
【００１１】
斜入射ミラーの場合、本来、その設計により、距離ａ、ｂは固定値であり、従って、倍率Ｍも固定値となる。ところが、光線追跡シミュレーションによれば、分解能は悪くなるものの、距離ａ、ｂを調整し結像倍率Ｍを変化させても結像可能であることが確認された。
【００１２】
一例として、距離ａを２０ｍｍ、距離ｂを２０００ｍｍ、倍率Ｍを１００で設計した斜入射ミラーにおいて、倍率Ｍを変えた場合の分解能の変化（シミュレーション結果）を図２に示す。この図２から、設計倍率Ｍが１００のとき、最も分解能が高いがそれ以外の倍率でも分解能は低いものの、結像することが解る。分解能を0.05μｍまで許容する場合には、このミラーでは、倍率６０倍から３００倍まで使用できることがわかる。このとき、距離ａは20.1〜19.9ｍｍの範囲で、距離ｂは、約１２００ｍｍ〜６０００ｍｍの範囲で変化する。なお、低倍率側での観察で試料探査が主な目的の場合には、高分解能はあまり必要とされないため、３０倍程度でも十分使用することができる。
【００１３】
従って、距離ａ、ｂを上記のような範囲で変化させることができれば、斜入射ミラーを交換することなく、結像倍率を変更させることができる。
【００１４】
本発明では、対物レンズに斜入射ミラーを用いることにより、対物レンズとしてゾーンプレート光学系やシュバルツシルト型多層膜ミラーを用いた従来例に比べ、以下の利点がある。
【００１５】
即ち、対物レンズとしてゾーンプレート光学系を用いた場合に比べ、▲１▼照明するＸ線を単一波長にする必要がなく照明光学系の構成が簡単になること、▲２▼同一倍率ならＸ線波長が変化してもｆ値が変わらないため、距離ａ、ｂの値は変わらないこと、▲３▼Ｘ線の利用効率が高いことが挙げられる。また、対物レンズとしてシュバルツシルト型多層膜ミラーを用いた従来例に比べ、観察できる波長が単一波長に制限されず、広範囲の波長域で観察可能であることが挙げられる。
【００１６】
また、本発明のＸ線像拡大装置は、可視光又は紫外光のいずれかの光を前記試料に照射する光照射手段と、前記試料を透過し前記対物レンズで反射した光による像を検出する光検出手段と、をさらに備えたことを特徴としてもよい。これにより、Ｘ線のみを用いる場合に比べ、装置の取り扱いや観察が容易となり、試料の放射線損傷が軽減される、という利点がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１８】
［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態に係るＸ線顕微鏡の概略構成を示す断面図である。図１に示した装置は、Ｘ線源１、フィルター２、全反射を利用した回転楕円面形状からなる照明用斜入射ミラー３、試料４、対物レンズの回転双曲面と回転楕円面からなる斜入射ミラー５、及びＸ線検出器６を含んで構成されている。Ｘ線源１としては、例えば、ガスパフ型プラズマＸ線源を用いる。
【００１９】
図３を用いて、第１実施形態に係るＸ線顕微鏡の動作を説明する。ガスパフ型プラズマＸ線源１から発生したＸ線をフィルター２によって、観察するＸ線の波長領域に制限し、照明用斜入射ミラー３により試料４に照射する。試料４を透過したＸ線は斜入射ミラー５に入射し、Ｘ線検出器６の受光面において、拡大されたＸ線像が検出される。拡大率を変更する場合は、所望する倍率になるようにＸ線検出器６を矢印Ｑの光軸方向に沿って移動させることで斜入射ミラー５から検出器６までの距離ｂを調整する。その後、Ｘ線検出器６で検出された画像を見ながら、フォーカスが合うように試料４を、図示しない移動機構によって矢印Ｐの光軸方向に移動させ、試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを調整する。または、試料４を移動させた後、フォーカスが合うようにＸ線検出器６を移動させても良い。そして最後に、最適な照明が得られるように照明用斜入射ミラー３を移動させる。
【００２０】
なお、図８には照明光学系の配置を示す。Ｏが光源、Ｉが集光点（光源Ｏの像）であり、前述した式（１）が成り立つ。上記の図３の試料４の位置が決まれば、試料４の位置と集光点Ｉとが一致するように照明用斜入射ミラー３を移動させる。
【００２１】
このとき、図３の試料４及び照明用斜入射ミラー３は、矢印Ｐの光軸方向に沿って数ｍｍ移動でき、Ｘ線検出器６は数ｍ移動できる機構を有する必要がある。Ｘ線として波長１ｎｍ以上の比較的長い軟Ｘ線を用いる場合、この領域のＸ線は空気の吸収が大きく、その光路は真空に保つ必要があり、斜入射ミラー３、試料４、斜入射ミラー５、Ｘ線検出器６は真空容器の中に設置される。従って、斜入射ミラー３、試料４、斜入射ミラー５、Ｘ線検出器６の移動は真空容器の外から移動できれば作業効率が向上する。なお、試料４のみ空気中に設置する構成も採用することができる。
【００２２】
試料４、斜入射ミラー３、斜入射ミラー５の移動範囲は数ｍｍと小さいため、これらの移動機構は市販の移動ステージやマニピュレータ等で構成することができる。一方、Ｘ線検出器６の移動機構については、図４に示すような真空ベローズ１４を用いることにより、数ｍ程度の大きい範囲の移動も可能となる。真空ベローズ１４は真空フランジ１２ａ、１２ｂと各真空配管１１によって連結されている。真空フランジ１２ａは図３の斜入射ミラー５を有する真空配管に連結され、真空フランジ１２ｂはＸ線検出器６との接続を行う真空フランジ１５に連結される。真空配管１１と真空フランジ１２ａ、１２ｂには、それぞれ支柱１６が取り付けられており、その先にボルト１７を貫通させる穴が設けられている。真空フランジ１２ａ、１２ｂの支柱の先には、ボルト１７をその長さ方向において固定するナット１３ａ〜１３ｄが設けられている。Ｘ線検出器６の位置を調整するときは、ナット１３ｃ、１３ｄを緩め、真空ベローズ１４を伸縮して目的の長さに調節し、再びナット１３ｃ、１３ｄを締めることにより、真空ベローズ１４の長さを固定する。
【００２３】
次に、図５、図６を用いて具体的な操作を説明する。ここでは、例として式（１）、式（２）において、設計倍率Ｍを１００、試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを２０ｍｍ、斜入射ミラー５とＸ線検出器６間の距離ｂを２０００ｍｍと設定された斜入射ミラー５を用い、低倍率側で約４０倍、高倍率側で約２００倍の観察を行うものとする。また、照明用斜入射ミラー３、試料４、斜入射ミラー５は、それぞれ独立に移動ステージ７、８、９によって、その位置および傾き等が調整可能とされている。
【００２４】
低倍率（例えば倍率Ｍ＝約４０倍）で観察する場合は、図５に示すように斜入射ミラー５とＸ線検出器６との距離ｂが約８００ｍｍになるように上述のベローズ付真空配管１０の真空ベローズ１４を縮め、Ｘ線検出器６の画像を観察しながら、フォーカスが合うように移動ステージ８によって試料４を移動させることで試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを調整し、最適な照明が得られるように移動ステージ７によって照明用斜入射ミラー３を移動させる。
【００２５】
一方、高倍率（例えば倍率Ｍ＝約２００倍）で観察する場合は、図６に示すように斜入射ミラー５とＸ線検出器６との距離ｂが約４０００ｍｍになるようにベローズ付真空配管１０の真空ベローズ１４を伸ばし、Ｘ線検出器６の画像を観察しながら、フォーカスが合うように移動ステージ８によって試料４を移動させることで試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを調整し、最適な照明が得られるように移動ステージ７によって照明用斜入射ミラー３を移動させる。
【００２６】
このような第１実施形態によれば、斜入射ミラー５を対物レンズとして用いるＸ線顕微鏡において、試料４と斜入射ミラー５間の距離ａ、斜入射ミラー５とＸ線検出器６間の距離ｂを調整することにより、斜入射ミラー５を交換することなく、結像倍率を変更することができる。
【００２７】
なお、斜入射ミラー３、５、試料４、Ｘ線検出器６を移動させる方法は、上記の方法に限定されず、目的の位置に移動可能な機構を持つものであれば、種々の変更や変形を加えることができる。
【００２８】
［第２実施形態］
次に、図７を用いて本発明に係る第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、試料探査のため、低倍率の観測を可視光等で簡単に行うように構成したものである。
【００２９】
図７に示すように、第２実施形態の構成は、第１実施形態の構成に加え、可視光源２１、光路上に挿入及び退避可能なミラー２２、２３、これらミラーの矢印Ｒ、Ｓ方向の挿入・退避動作を駆動する直線導入端子２５、２６、並びに、可視光に感度がある検出器２４が設けられている。図７において実線で示すミラー２２ａ、２３ａは光路から退避した状態を示し、破線で示すミラー２２ｂ、２３ｂは光路上に挿入した状態を示している。
【００３０】
ここでは、例として式（１）、式（２）において、設計倍率Ｍを１００、試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを２０ｍｍ、斜入射ミラー５とＸ線検出器６間の距離ｂを２０００ｍｍと設定された斜入射ミラー５を用い、可視光により低倍率（約４０倍）の観察を行い、Ｘ線により高倍率（約１００〜２００倍）の観察を行うものとする。
【００３１】
試料探査のための可視光による低倍率（例えば倍率Ｍ＝約４０倍）での観察は、直線導入端子２５、２６を駆動することでミラー２２ａ、２３ａを、それぞれ光軸上の位置２２ｂ、２３ｂに挿入する。次に、可視光源２１を点灯させる。この可視光は、ミラー２２により反射し、照明用斜入射ミラー３により試料４に照射する。この試料４を透過した可視光は、斜入射ミラー５により反射して、ミラー２３により反射し、検出器２４に入射する。ミラー２３を介した斜入射ミラー５と検出器２４との距離は約８００ｍｍに設定する。検出器２４で検出された画像を見ながら、フォーカスが合うように移動ステージ８によって試料４を移動させることで試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを調整し、最適な照明が得られるように移動ステージ７によって照明用斜入射ミラー３を光軸方向に移動させる。なお、照明に関しては、可視光源２１を光軸方向に移動させても同様の結果が得られる。
【００３２】
試料４の所望の位置を探査した後、Ｘ線を用いて高倍率の詳細な観察を行う場合、ミラー２２、２３を直線導入端子２５、２６により、それぞれ位置２２ａ、２３ａに退避させ、倍率Ｍが約１００倍の場合は、斜入射ミラー５とＸ線検出器６間の距離ｂを約２０００ｍｍにし、倍率Ｍ＝約２００倍の場合は、斜入射ミラー５とＸ線検出器６間の距離ｂを約４０００ｍｍになるようにＸ線検出器６を移動させる。Ｘ線源１からＸ線を照射し、Ｘ線検出器６において画像を観察しながら、フォーカスが合うように移動ステージ８によって試料４を移動させることで試料４と斜入射ミラー５間の距離ａを調整し、最適な照明が得られるように移動ステージ７によって照明用斜入射ミラー３を光軸方向に移動させる。
【００３３】
このような第２実施形態によれば、Ｘ線に加え可視光も用いるため、Ｘ線のみを用いる場合に比べ、取り扱いや観察が容易である。また、可視光で行うため、試料の放射線損傷を低減することができる。さらに、Ｘ線での観察は高倍率側だけであるため、Ｘ線検出器６の移動距離を削減することができる。
【００３４】
なお、本発明は、種々の変形態様が可能である。例えば、上記の例では高倍率での観察において、ベローズ付真空配管１０によりＸ線検出器６を移動させて倍率を調整できるようにしてあるが、高倍率側で倍率を調整する必要がない場合には、べローズ付配管１０を用いず、長さが一定とされた配管によってＸ線検出器６の位置を固定しても良い。この場合、照明用斜入射ミラー３を高倍率の観察で最適な照明が得られる位置に設置し、可視光を用いた低倍率の観察では、可視光源２１の位置を式（１）によって最適な照明位置が得られる位置に設定しておけば、低倍率、高倍率で照明光の調整が必要なくなり、より簡便な手順で観察を行うことができる。
【００３５】
また、可視光源に代わり、紫外線光源を用いても良く、その場合、ミラー２２、２３は紫外線用ミラーを用い、検出器２４は紫外線に感度がある検出器を用いる。また、Ｘ線源１とは別のＸ線光源を可視光源２１の位置に設置しても良く、その場合、ミラー２２、２３はＸ線用多層膜ミラーを用い、検出器２４はＸ線に感度がある検出器を用いる。
【００３６】
さらに、第１、第２実施形態においては、種々の変形、変更が可能である。例えば、Ｘ線源としては、ガスパフ型プラズマＸ線源の他に、レーザープラズマＸ線源あるいは放射光を採用しても良い。また、照明光学系を、全反射を利用した回転楕円面形状からなる照明用斜入射ミラー３としたが、回転双曲面及び回転楕円面を有する斜入射ミラーを採用しても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、斜入射ミラーを対物レンズとして用いるＸ線像拡大装置において、試料と斜入射ミラー間の距離、斜入射ミラーと検出器間の距離を変更することにより、斜入射ミラーを交換することなく、結像倍率を変更することができる。
【００３８】
また、本発明は、対物レンズとして斜入射ミラーを用いたことで、ゾーンプレート光学系を用いた場合に比べ、照明するＸ線を単一波長にする必要がなく照明光学系の構成を簡素化できること、同一倍率ならＸ線波長が変化しても焦点距離ｆが変わらないため、試料、検出器を移動させる必要がないこと、Ｘ線の利用効率が高いことの３点において優れており、シュバルツシルト型多層膜ミラーを用いた場合に比べ、観察できる波長が単一波長に制限されず広範囲の波長域（可視〜Ｘ線）で観察が可能である点で優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】斜入射ミラーにおいて倍率を変えた場合の分解能の変化を示すグラフである。
【図３】第１実施形態に係るＸ線顕微鏡の概略構成を示す断面図である。
【図４】Ｘ線検出器の移動機構の一例を示す図である。
【図５】低倍率で観察する場合の操作を説明するための図である。
【図６】高倍率で観察する場合の操作を説明するための図である。
【図７】第２実施形態に係るＸ線顕微鏡の概略構成を示す断面図である。
【図８】照明光学系の配置を示す図である。
【符号の説明】
１…線源、２…フィルター、３…照明用斜入射ミラー、４…試料、５…斜入射ミラー、６…Ｘ線検出器、７、８、９…移動ステージ、１０…ベローズ付真空配管、１１…真空配管、１２ａ、１２ｂ…真空フランジ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…ナット、１４…真空ベローズ、１５…真空フランジ、１６…支柱、１７…ボルト、２１…可視光源、２２、２３…ミラー、２４…検出器、２５…直線導入端子。

Claims (2)

1. 線源から発したＸ線を試料に照射する照明光学系と、
   回転双曲面と回転楕円面から成る斜入射ミラーにより構成され、前記試料を透過したＸ線を所定の位置に拡大結像させる対物レンズと、
   前記対物レンズにより結像したＸ線像を検出するＸ線像検出手段と、
   前記Ｘ線像検出手段、前記試料、及び前記照明光学系の少なくとも１つを光軸方向に沿って移動させることで、前記Ｘ線像の結像倍率を調整する結像倍率調整手段と、
   を備えたＸ線像拡大装置。
2. 可視光又は紫外光のいずれかの光を前記試料に照射する光照射手段と、
   前記試料を透過し前記対物レンズで反射した光による像を検出する光検出手段と、
   をさらに備えた請求項１記載のＸ線像拡大装置。

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