JP4602944B2 - X-ray condenser lens - Google Patents

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Description

本発明は、X線集光装置に関し、より詳細には導波路と遮蔽ゾーンを併用して集光するX線集光レンズに関するものである。   The present invention relates to an X-ray condensing device, and more particularly to an X-ray condensing lens that condenses light using a waveguide and a shielding zone in combination.

近年、ナノテクノロジー開発の進展に伴い、ナノメートルレベルでの材料の構造評価が求められている。ナノメートルレベルの評価手法としては走査型顕微鏡や電子顕微鏡等があるが、いずれも高真空条件や試料の薄片化などが必要であり、観察したい試料をそのまま測定することは困難であった。これに対し、近年X線の集光化技術の進展に伴い、マイクロメーターレベルのX線ビームが得られるようになってきており、このようなX線ビームを利用したX線回折や蛍光X線分析などの材料評価がようやく可能となってきた。   In recent years, with the progress of nanotechnology development, structural evaluation of materials at the nanometer level is required. There are scanning microscopes, electron microscopes and the like as nanometer level evaluation methods, but all of them require high vacuum conditions and thinning of the sample, and it is difficult to measure the sample to be observed as it is. On the other hand, with the progress of X-ray focusing technology in recent years, micrometer level X-ray beams have been obtained, and X-ray diffraction and fluorescent X-rays using such X-ray beams have been obtained. Material evaluation such as analysis has finally become possible.

X線ビームの集光には大きく分けて、(A)X線ミラー等のX線用光学素子を利用する手法(非特許文献1参照)、(B)結晶の非対称ブラッグ(Bragg )反射を利用する手法(非特許文献2参照)、(C)X線フレネルゾーンプレートを利用する手法(非特許文献3参照)、(D)X線導波路を利用する手法(非特許文献4参照)がある。表1に各集光法の現状および問題点を示す。   X-ray beam condensing can be broadly divided into (A) a method using an X-ray optical element such as an X-ray mirror (see Non-Patent Document 1), and (B) asymmetric Bragg reflection of a crystal. (C) a method using an X-ray Fresnel zone plate (see non-patent document 3), and (D) a method using an X-ray waveguide (see non-patent document 4). . Table 1 shows the current status and problems of each condensing method.

Figure 0004602944
Figure 0004602944

このうち(A)のX線ミラー等のX線用光学素子を利用する手法および(B)の結晶の非対称ブラッグ反射を利用する手法については現状でほぼ技術的限界に来ており、これ以上の集光化は困難である。   Of these, the method of using the optical element for X-rays such as the X-ray mirror of (A) and the method of using the asymmetric Bragg reflection of the crystal of (B) are almost at the technical limit at present. Condensation is difficult.

これに対しX線のエネルギーが5keV以上である硬X線領域では、(C)のX線フレネルゾーンプレートを利用する手法でビームサイズが100ナノメートル以下の集光ビームが得られている。フレネルゾーンプレートにX線ビームを照射すると、X線ビームの一部はゾーンプレートにより吸収されるため透過しないが、他のX線ビームはゾーンプレートをそのまま透過する。このとき、X線ビームの波長をλ、X線フレネルゾーンプレートの焦点距離をfとして、X線ビームの中心からビームの進行方向に対して直交する方向に対して(2nλf)1/2と{(2n+1)λf}1/2(n=0,1,2,・・・)との間、または{(2n+1)λf}1/2と{(2n+2)λf}1/2との間にX線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを設けると、透過したX線が相互に干渉することにより、X線ビームを集光することができる。 On the other hand, in the hard X-ray region where the X-ray energy is 5 keV or more, a condensed beam having a beam size of 100 nanometers or less is obtained by the method using the X-ray Fresnel zone plate of (C). When the Fresnel zone plate is irradiated with an X-ray beam, a part of the X-ray beam is absorbed by the zone plate and is not transmitted, but the other X-ray beams pass through the zone plate as they are. At this time, assuming that the wavelength of the X-ray beam is λ and the focal length of the X-ray Fresnel zone plate is f, (2nλf) 1/2 and {2nλf) 1/2 from the center of the X-ray beam to the direction orthogonal to the beam traveling direction (2n + 1) λf} 1/2 (n = 0, 1, 2,...) Or between {(2n + 1) λf} 1/2 and {(2n + 2) λf} 1/2 When a shielding zone made of a material that does not transmit rays is provided, the transmitted X-rays interfere with each other, so that the X-ray beam can be collected.

この集光原理は可視光と同様であり、その詳細については例えば非特許文献5に述べられており、ゾーンプレート集光系の空間分解能はほぼ最外殻ゾーン幅と等しいことが知られている。したがって、X線フレネルゾーンプレートの場合、最大空間分解能はゾーンプレートを構成する遮蔽ゾーンのうち最も細いものの幅で規定される。このようなゾーンプレートを作製するためには、電子ビーム描画を初めとする半導体作製用のリソグラフィ技術が用いられる。半導体リソグラフィ技術自体は10ナノメートルのラインパターンの描画が可能であるが、X線フレネルゾーンプレートとして必要なリング状のパターンを作製する場合、40ナノメートル程度の幅の描画が現状では限界であり、X線フレネルゾーンプレート自体の分解能も50ナノメーター程度である。さらに、X線フレネルゾーンプレートを作製する際、リング状の非常に多くのパターンを精密に作製する必要があるため、X線フレネルゾーンプレート自体も非常に高価なものとなる。   The light collecting principle is the same as that of visible light, and the details thereof are described in Non-Patent Document 5, for example, and it is known that the spatial resolution of the zone plate light collecting system is substantially equal to the outermost zone width. . Therefore, in the case of an X-ray Fresnel zone plate, the maximum spatial resolution is defined by the width of the narrowest shielded zone constituting the zone plate. In order to manufacture such a zone plate, lithography technology for semiconductor manufacturing including electron beam drawing is used. Although the semiconductor lithography technology itself can draw a line pattern of 10 nanometers, when producing a ring-shaped pattern necessary as an X-ray Fresnel zone plate, drawing of a width of about 40 nanometers is currently limited. The resolution of the X-ray Fresnel zone plate itself is about 50 nanometers. Furthermore, when producing an X-ray Fresnel zone plate, since it is necessary to precisely produce a large number of ring-shaped patterns, the X-ray Fresnel zone plate itself is very expensive.

一方、(D)のX線導波路を利用する手法の場合、導波路を構成するコアのサイズでX線ビームの大きさが決まる。ここで、コア層を覆うクラッド層のX線領域での屈折率をN1、コア層のX線領域での屈折率をN2とすると、(N1の実数部分)<(N2の実数部分)の関係がある。X線導波路のコア層にX線ビームを入射させると、X線ビームはコア層の中を進行する。このとき、コア層の厚さが充分小さいとき、ある特定の状態のX線しか伝達されず、このときにコア層の厚さDとX線ビームの波長λとX線ビームのクラッド層への入射角φとの間に以下の関係があることが知られている(非特許文献6参照)。
2Dsin(φ)=mλ(m=0,1,2,・・・) ・・・(1)
On the other hand, in the case of the method (D) using the X-ray waveguide, the size of the X-ray beam is determined by the size of the core constituting the waveguide. Here, when the refractive index in the X-ray region of the cladding layer covering the core layer is N1, and the refractive index in the X-ray region of the core layer is N2, the relationship of (the real part of N1) <(the real part of N2) There is. When an X-ray beam is incident on the core layer of the X-ray waveguide, the X-ray beam travels through the core layer. At this time, when the thickness of the core layer is sufficiently small, only X-rays in a specific state are transmitted. At this time, the thickness D of the core layer, the wavelength λ of the X-ray beam, and the X-ray beam to the cladding layer are transmitted. It is known that there is the following relationship with the incident angle φ (see Non-Patent Document 6).
2Dsin (φ) = mλ (m = 0, 1, 2,...) (1)

式(1)の条件は、X線導波路に入射するX線の入射角φに制限があることを示しており、それ以外の入射角を持つX線はコア層を透過することができないことを示している。コア層からクラッド層へのX線ビームの入射角φとして全反射を起こす角度程度を選択し、クラッド層を通過するX線ビームがすべて吸収されてしまって導波路出口に透過しないような長さのX線導波路を用いると、導波路の出口ではX線ビームをコア層のサイズとほぼ同様のサイズまで集光することができる。このようなX線導波路は蒸着によって作製することができるため、コア層の厚さを10ナノメートル以下にすることは容易であり、数ナノメートルのサイズを持つX線ビームを作製することが原理的に可能となる。   The condition of formula (1) indicates that there is a limit to the incident angle φ of the X-ray incident on the X-ray waveguide, and X-rays having other incident angles cannot pass through the core layer. Is shown. The angle at which total reflection occurs is selected as the incident angle φ of the X-ray beam from the core layer to the cladding layer, and the length is such that all the X-ray beam passing through the cladding layer is absorbed and does not pass through the waveguide exit. When the X-ray waveguide is used, the X-ray beam can be condensed to the size substantially the same as the size of the core layer at the exit of the waveguide. Since such an X-ray waveguide can be manufactured by vapor deposition, it is easy to reduce the thickness of the core layer to 10 nanometers or less, and an X-ray beam having a size of several nanometers can be manufactured. It is possible in principle.

しかし、X線導波路を利用する手法の場合、コア層の厚み方向にX線ビームを集光することはできるが、厚み方向及びビームの進行方向に対して垂直なコア層の面内方向にX線ビームを集光することはできない。すなわち、X線導波路の出口で取り出すことのできるX線はコア層の面内方向については入射X線と同じサイズとなるので、このX線導波路で得られるのは一次元方向のみに集光された線状のX線マイクロビームであり、二次元方向に集光された点状のX線マイクロビームを得ることは困難である。   However, in the case of the method using the X-ray waveguide, the X-ray beam can be condensed in the thickness direction of the core layer, but in the in-plane direction of the core layer perpendicular to the thickness direction and the traveling direction of the beam. The X-ray beam cannot be collected. In other words, the X-rays that can be extracted at the exit of the X-ray waveguide have the same size as the incident X-rays in the in-plane direction of the core layer, so that the X-ray waveguide can collect only in one dimension. It is difficult to obtain a pointed X-ray microbeam which is an illuminated linear X-ray microbeam and is focused in a two-dimensional direction.

山内他,「Two-dimensional Submicron Focusing of Hard X-rays by Two Elliptical Mirrors Fabricated by Plasma Chemical Vaporization Machining and Elastic Emission Machining」,Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.42,2003,p.7129-7134Yamauchi et al., “Two-dimensional Submicron Focusing of Hard X-rays by Two Elliptical Mirrors Fabricated by Plasma Chemical Vaporization Machining and Elastic Emission Machining”, Jpn.J.Appl.Phys., Vol.42, 2003, p.7129-7134 津坂他,「Formation of Parallel X-Ray Microbeam and Its Application」,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.39,2000,p.635-637Tsusaka et al., “Formation of Parallel X-Ray Microbeam and Its Application”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.39, 2000, p.635-637 E.Spiller,「Soft X-ray Optics」,WA:SPIE Optical Engineering Press,1994,p.81-97E. Spiller, "Soft X-ray Optics", WA: SPIE Optical Engineering Press, 1994, p.81-97 河合潤,「X線進行波」,表面科学,Vol.22,No.6,p.397−403,2001年Jun Kawai, “X-ray traveling wave”, Surface Science, Vol. 22, no. 6, p. 397-403, 2001 久保田広,「波動光学」,岩波書店,p.305,1971年Hiroshi Kubota, "Wave Optics", Iwanami Shoten, p. 305, 1971 W.Jark他,「High gain beam compression in new-generation thin-film x-ray waveguide」,Applied Physics Letters,Vol.78,No.9,2001,p.1192-1194W. Jark et al., “High gain beam compression in new-generation thin-film x-ray waveguide”, Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 9, 2001, p.1192-1194

以上のように、X線フレネルゾーンプレートを利用する手法では、10ナノメートルのサイズのX線ビームを得ることは困難であり、またX線導波路を利用する手法では、数ナノメートルのサイズのX線ビームを得ることが可能であるが、X線ビームの集光方向が一次元方向のみで、二次元方向に集光されたX線ビームを得ることができず、X線強度が弱いという問題点があった。前述のとおり、ナノ構造材料研究の進展に伴って、10ナノメートルレベルの空間分解能でナノ構造材料を評価する技術が要求されているが、従来のX線ビームの集光方法では10ナノメートルレベルの空間分解能を実現することは困難である。   As described above, with the method using the X-ray Fresnel zone plate, it is difficult to obtain an X-ray beam with a size of 10 nanometers, and with the method using an X-ray waveguide, the size of several nanometers is used. Although it is possible to obtain an X-ray beam, the X-ray beam is condensed in only a one-dimensional direction, an X-ray beam condensed in a two-dimensional direction cannot be obtained, and the X-ray intensity is weak. There was a problem. As described above, with the progress of research on nanostructured materials, a technique for evaluating nanostructured materials with a spatial resolution of 10 nanometer level is required. However, the conventional X-ray beam focusing method has a level of 10 nanometer level. It is difficult to achieve a spatial resolution of

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来のX線ビームの集光技術では困難であったナノメートルレベルの高強度なX線マイクロビームを実現することができるX線集光レンズを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an X-ray collection capable of realizing a high-intensity X-ray microbeam at a nanometer level, which has been difficult with the conventional X-ray beam focusing technology. An object is to provide an optical lens.

本発明は、コア層の対向する両面にクラッド層を形成したX線導波路を用いてX線を集光するX線集光レンズであって、前記対向する両面と平行にX線が入射する前記コア層の一部またはX線ビームの進行方向と逆方向に沿って前記コア層よりも上流側に、X線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを有し、前記遮蔽ゾーンは、X線の波長をλ、焦点距離をf、前記X線ビームの進行方向を第1の方向、この第1の方向と直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向を第2の方向、前記第1の方向および第2の方向と直交する方向を第3の方向としたとき、X線ビームの中心から前記第3の方向に沿った距離が(2nλf)1/2(nは0,1,2,・・・)の位置と{(2n+1)λf}1/2の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちのいずれかに配置され、前記X線導波路のX線ビーム出口から前記第1の方向と逆方向に沿って前記焦点距離fだけ上流に配置されるものであり、前記第1の方向に沿った長さが、当該遮蔽ゾーンを透過するX線が存在しない程度の寸法に設定されるものである。
また、本発明のX線集光レンズの1構成例において、前記コア層は、カーボン、シリコン、ベリリウム、高分子材料のうち少なくとも1つを含む材料からなり、前記クラッド層および遮蔽ゾーンは、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも1つを含む材料からなるものである。
The present invention is an X-ray condensing lens that collects X-rays using an X-ray waveguide in which a clad layer is formed on both opposing surfaces of a core layer, and the X-rays are incident in parallel to the opposing surfaces. A shielding zone made of a material that does not transmit X-rays is disposed upstream of the core layer along a part of the core layer or in a direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam , The wavelength is λ, the focal length is f 1, the traveling direction of the X-ray beam is the first direction, and the stacking direction of the core layer and the cladding layer is the second direction out of the directions orthogonal to the first direction, When the direction orthogonal to the first direction and the second direction is the third direction, the distance along the third direction from the center of the X-ray beam is (2nλf) 1/2 (where n is 0, 1 , 2, the first region between the position of the ···) {(2n + 1) λf} 1/2 position, the Located on any of the second region except for the first region is positioned upstream by the focal length f from the X-ray beam outlet of the X-ray waveguide along said first direction and reverse direction The length along the first direction is set to such a dimension that there is no X-ray that passes through the shielding zone .
In one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the core layer is made of a material containing at least one of carbon, silicon, beryllium, and a polymer material, and the cladding layer and the shielding zone are made of tungsten. , Ruthenium, and tantalum.

本発明によれば、X線導波路に遮蔽ゾーンを設けることにより、コア層の厚み方向についてはX線導波路を用いてX線ビームを集光することができ、コア層の厚み方向およびX線ビームの進行方向と直交する方向についてはX線フレネルゾーンプレートと同様の集光作用を利用してX線ビームを集光することができる。その結果、本発明では、ナノメートルオーダーまで集光した高強度のX線マイクロビームを簡便に得ることができ、量子ドット、ナノドット、ナノワイヤー、ナノ粒子や高集積化した半導体材料の微細ゲートなど種々のナノ材料の構造評価が可能となり、半導体材料や半導体デバイスの開発に貢献することができる。
また、本発明では、X線導波路のX線ビーム出口からX線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離fだけ上流の領域に遮蔽ゾーンを配置することにより、通常のX線ミラー等で更に集光することが容易で、分析等にも利用し易いX線ビームを得ることができる。
According to the present invention, by providing the shielding zone in the X-ray waveguide, the X-ray beam can be condensed using the X-ray waveguide in the thickness direction of the core layer. In the direction orthogonal to the traveling direction of the line beam, the X-ray beam can be condensed by using the same condensing action as the X-ray Fresnel zone plate. As a result, in the present invention, it is possible to easily obtain a high-intensity X-ray microbeam condensed to the nanometer order, such as quantum dots, nanodots, nanowires, nanoparticles, and fine gates of highly integrated semiconductor materials. It is possible to evaluate the structure of various nanomaterials and contribute to the development of semiconductor materials and semiconductor devices.
In the present invention, a normal X-ray mirror or the like is provided by arranging a shielding zone in a region upstream from the X-ray beam exit of the X-ray waveguide by the focal length f along the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam. Thus, it is possible to obtain an X-ray beam that can be further condensed and easily used for analysis and the like.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(A)は本発明の実施の形態に係るX線集光レンズの構成を示す平面図、図1(B)は図1(A)のX線集光レンズのI−I線断面図である。なお、図1(A)では、後述する上部ルテニウム層の下にあるX線遮蔽層およびX線ビームを透視しているものとする。
本実施の形態のX線集光レンズは、X線導波路の一部にフレネルゾーンプレートを組み込んだものであり、X線ビームを垂直方向に集光するためのX線導波路部14と、X線ビームを水平方向に集光するためのX線ゾーンプレート部15およびX線集光部16とから構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view showing a configuration of an X-ray condenser lens according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line II of the X-ray condenser lens of FIG. It is. In FIG. 1A, it is assumed that an X-ray shielding layer and an X-ray beam under the upper ruthenium layer described later are seen through.
The X-ray condensing lens of the present embodiment incorporates a Fresnel zone plate in a part of the X-ray waveguide, and an X-ray waveguide portion 14 for condensing the X-ray beam in the vertical direction; It comprises an X-ray zone plate part 15 and an X-ray condenser part 16 for condensing the X-ray beam in the horizontal direction.

図1において、8はシリコン基板、9はシリコン基板8の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、10は下部ルテニウム層9の上に形成されたコア層であるカーボン層、11はカーボン層10の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、12は下部ルテニウム層9とカーボン層10と上部ルテニウム層11とからなるX線導波路の一部に形成された、X線ゾーンプレートとして機能するタンタル材料からなるX線遮蔽層である。   In FIG. 1, 8 is a silicon substrate, 9 is a lower ruthenium layer which is a cladding layer formed on the silicon substrate 8, 10 is a carbon layer which is a core layer formed on the lower ruthenium layer 9, and 11 is carbon. An upper ruthenium layer which is a clad layer formed on the layer 10, 12 is an X-ray zone plate formed in a part of an X-ray waveguide composed of a lower ruthenium layer 9, a carbon layer 10 and an upper ruthenium layer 11. Is an X-ray shielding layer made of a tantalum material.

クラッド層のX線領域での屈折率をN1、コア層のX線領域での屈折率をN2とすると、屈折率N1とN2との間には、(N1の実数部分)<(N2の実数部分)の関係がある。本実施の形態では、クラッド層から漏洩するX線を防止するため、下部ルテニウム層9および上部ルテニウム層11の厚さを100ナノメートルとし、X線が透過するカーボン層10の厚さを10ナノメートルとしている。   Assuming that the refractive index in the X-ray region of the cladding layer is N1 and the refractive index in the X-ray region of the core layer is N2, between the refractive indexes N1 and N2, (the real part of N1) <(the real number of N2) Part). In the present embodiment, in order to prevent X-rays leaking from the cladding layer, the thickness of the lower ruthenium layer 9 and the upper ruthenium layer 11 is 100 nanometers, and the thickness of the carbon layer 10 through which X-rays pass is 10 nanometers. M.

X線遮蔽層12は、X線の波長をλ、集光レンズとしての焦点距離をfとしたとき、X線ビームの中心からX線ビームの進行方向と直交する方向に沿った距離がZ2n(nは0,1,2,・・・)の位置とZ2n+1の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちのいずれかに配置され、かつX線導波路出口17からX線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離fだけ上流に配置される。図1(A)、図1(B)の例では、X線ビームの中心が図1(A)のI−I線、X線ビームの進行方向が図1(A)、図1(B)の右方向、X線ビームの進行方向と直交する方向が図1(A)の上下方向である。 The X-ray shielding layer 12 has a distance along the direction perpendicular to the traveling direction of the X-ray beam from the center of the X-ray beam as Z 2n, where λ is the wavelength of the X-ray and f is the focal length as the condenser lens. (N is 0, 1, 2,...) And the first region between the position of Z 2n + 1 and the second region excluding the first region. In addition, it is disposed upstream from the X-ray waveguide exit 17 by a focal length f along the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam. In the example of FIGS. 1A and 1B, the center of the X-ray beam is the II line in FIG. 1A, and the traveling direction of the X-ray beam is in FIGS. 1A and 1B. The direction perpendicular to the traveling direction of the X-ray beam is the vertical direction in FIG.

X線遮蔽層12のX線ビームの中心からの距離(座標)Z2n,Z2n+1は以下の式で求められる。
2n=(2nλf)1/2 ・・・(2)
2n+1={(2n+1)λf}1/2 ・・・(3)
Distances (coordinates) Z 2n and Z 2n + 1 from the center of the X-ray beam of the X-ray shielding layer 12 are obtained by the following equations.
Z 2n = (2nλf) 1/2 (2)
Z 2n + 1 = {(2n + 1) λf} 1/2 (3)

X線遮蔽層12をZ2n(nは0,1,2,・・・)とZ2n+1との間の第1の領域に設ける場合を図2に示す。X線遮蔽層12をZ2nとZ2n+1との間を除く第2の領域に設ける場合は、図2の黒地の領域間にX線遮蔽層12を配置すればよい。
本実施の形態では、X線の波長λとして0.0711ナノメートル、焦点距離fとして10ミリメートルを想定している。このため、X線集光部16の長さは10ミリメートルである。
FIG. 2 shows a case where the X-ray shielding layer 12 is provided in a first region between Z 2n (n is 0, 1, 2,...) And Z 2n + 1 . When the X-ray shielding layer 12 is provided in the second region except between Z 2n and Z 2n + 1 , the X-ray shielding layer 12 may be disposed between the black background regions in FIG.
In the present embodiment, it is assumed that the wavelength λ of X-rays is 0.0711 nanometers and the focal length f is 10 millimeters. For this reason, the length of the X-ray condensing part 16 is 10 millimeters.

X線ゾーンプレート部15でX線を効率良く集光するためにはX線遮蔽層12を透過するX線が存在しないことが必要であるが、本実施の形態ではX線ゾーンプレート部15の長さ(図1(A)の左右方向の寸法)を75ミクロンとしている。このときのX線遮蔽層12を透過するX線の割合はタンタルの吸収係数より2.54×10-4%程度と見積もられることから、X線遮蔽層12を透過するX線の影響はほとんどない。 In order to efficiently collect the X-rays in the X-ray zone plate unit 15, it is necessary that there is no X-rays that pass through the X-ray shielding layer 12, but in this embodiment, the X-ray zone plate unit 15 The length (the dimension in the left-right direction in FIG. 1A) is 75 microns. At this time, the ratio of X-rays transmitted through the X-ray shielding layer 12 is estimated to be about 2.54 × 10 −4 % from the absorption coefficient of tantalum. Absent.

次に、本実施の形態のX線集光レンズの作製方法を説明する。まず、シリコン基板8の上に下部ルテニウム層9を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層9の上にタンタルを蒸着後、電子ビームリソグラフィ等の方法により加工して、X線遮蔽層12を形成する。続いて、下部ルテニウム層9の上にカーボン層10を例えばスパッタによって形成する。このとき、カーボン層10の厚さは、X線遮蔽層12の厚さ以下となるようにする。最後に、カーボン層10とX線遮蔽層12の上に上部ルテニウム層11を例えば蒸着によって形成することにより、X線集光レンズの作製が完了する。   Next, a method for manufacturing the X-ray condenser lens of the present embodiment will be described. First, the lower ruthenium layer 9 is formed on the silicon substrate 8 by vapor deposition, for example. Tantalum is deposited on the lower ruthenium layer 9 and then processed by a method such as electron beam lithography to form the X-ray shielding layer 12. Subsequently, a carbon layer 10 is formed on the lower ruthenium layer 9 by, for example, sputtering. At this time, the thickness of the carbon layer 10 is set to be equal to or less than the thickness of the X-ray shielding layer 12. Finally, the upper ruthenium layer 11 is formed on the carbon layer 10 and the X-ray shielding layer 12, for example, by vapor deposition, thereby completing the production of the X-ray condenser lens.

こうして作製したX線集光レンズにX線ビーム13を図1(A)、図1(B)の左側から入射させた場合、X線導波路部14の長さによっては導波路モードで進行するX線以外のX線の存在が無視できない可能性もあるが、本実施の形態ではX線導波路部14の長さを10ミリメートルとしている。この値はX線の波長に比べると充分大きいことから、X線導波路部14を透過するX線ビームは式(1)を満足するビームのみしか存在せず、シリコン基板8に垂直な方向(図1(B)の上下方向)のX線ビームのサイズは約10ナノメートル程度となる。   When the X-ray beam 13 is incident on the X-ray condensing lens thus manufactured from the left side of FIGS. 1A and 1B, it proceeds in a waveguide mode depending on the length of the X-ray waveguide portion 14. Although there is a possibility that the presence of X-rays other than X-rays cannot be ignored, in this embodiment, the length of the X-ray waveguide portion 14 is 10 millimeters. Since this value is sufficiently larger than the wavelength of the X-ray, only the X-ray beam that passes through the X-ray waveguide section 14 satisfies the formula (1), and the direction perpendicular to the silicon substrate 8 ( The size of the X-ray beam in the vertical direction in FIG. 1B is about 10 nanometers.

X線導波路部14を透過したX線は、次にX線ゾーンプレート部15に入射する。このとき、導波路を通るX線の一部はX線遮蔽層12によって吸収され、それ以外のX線がX線集光部16に到達する。シリコン基板8と垂直な方向についてはX線ビームは広がることができないため、X線ビームの垂直方向のサイズはX線導波路部14の場合と同様に約10ナノメートル程度となる。   The X-rays that have passed through the X-ray waveguide unit 14 then enter the X-ray zone plate unit 15. At this time, a part of the X-rays passing through the waveguide is absorbed by the X-ray shielding layer 12, and other X-rays reach the X-ray condensing unit 16. Since the X-ray beam cannot spread in the direction perpendicular to the silicon substrate 8, the vertical size of the X-ray beam is about 10 nanometers as in the case of the X-ray waveguide portion 14.

一方、導波路の水平面内についてはX線ビームのモードを束縛するものはないため、X線ゾーンプレート部15の開口部からX線は一次元の球面波としてX線集光部16の中を進行する。この結果、導波路の中を進行するX線は、干渉効果によって水平方向(図1(A)の上下方向)に集光され、X線集光部16のX線導波路出口17に集光される。このときのX線ビームの水平方向のサイズはX線遮蔽層12の最小幅(図1(A)の上下方向の寸法)によって決まる。本実施の形態の場合、X線遮蔽層12の幅の最小値は約8ナノメートルであることから、水平方向のビームサイズは約10ナノメートルとなる。また、垂直方向のビームサイズはコア層であるカーボン層10の厚さがそのまま反映され、約10ナノメートルのX線ビームを得ることが可能である。   On the other hand, since there is nothing that constrains the mode of the X-ray beam in the horizontal plane of the waveguide, the X-rays pass through the X-ray condensing unit 16 from the opening of the X-ray zone plate unit 15 as a one-dimensional spherical wave. proceed. As a result, the X-rays traveling in the waveguide are condensed in the horizontal direction (vertical direction in FIG. 1A) due to the interference effect, and are condensed at the X-ray waveguide outlet 17 of the X-ray condensing unit 16. Is done. The horizontal size of the X-ray beam at this time is determined by the minimum width of the X-ray shielding layer 12 (the vertical dimension in FIG. 1A). In the present embodiment, the minimum value of the width of the X-ray shielding layer 12 is about 8 nanometers, so the horizontal beam size is about 10 nanometers. In addition, the beam size in the vertical direction reflects the thickness of the carbon layer 10 that is the core layer, and an X-ray beam of about 10 nanometers can be obtained.

以上例示したように、本実施の形態のX線集光レンズでは、入射するX線ビームのエネルギーを有効に活用しながらX線ビームの二次元集光を行うことができ、ナノメートルレベルの高強度なX線マイクロビームを実現することができるので、ナノメートルレベルの材料のより高度な構造評価が可能になる。
本実施の形態のX線集光レンズを材料評価に用いる場合には、X線集光レンズを出射した光をそのまま評価対象の材料に照射したり、X線集光レンズを出射した光を更にミラー等で集光して評価対象の材料に照射したりして、材料によって回折したX線または材料から発生した蛍光X線を検出して材料を評価すればよい。
As illustrated above, the X-ray condensing lens of the present embodiment can perform two-dimensional condensing of the X-ray beam while effectively utilizing the energy of the incident X-ray beam. Since an intense X-ray microbeam can be realized, a higher-level structural evaluation of a nanometer level material becomes possible.
When the X-ray condenser lens of the present embodiment is used for material evaluation, the light emitted from the X-ray condenser lens is directly irradiated to the material to be evaluated, or the light emitted from the X-ray condenser lens is further applied. The material may be evaluated by collecting the light with a mirror or the like and irradiating the material to be evaluated, detecting X-rays diffracted by the material or fluorescent X-rays generated from the material.

また、本実施の形態では、X線導波路出口17からX線ビームの進行方向と逆方向に沿って焦点距離fだけ上流の領域にX線遮蔽層12を設けることにより、通常のX線ミラー等で更に集光することが容易で、分析等にも利用し易いX線ビームを得ることができる。X線の焦点がX線導波路出口17よりも前(導波路中)にずれた位置にある場合、X線導波路出口17では既にX線ビームが図1(A)の上下方向に広がってしまい、またX線の焦点がX線導波路出口17よりも後(導波路外)にずれた位置にある場合、X線導波路出口17でX線ビームが図1(B)の上下方向に広がり始めるため、最小のスポットサイズが得られない。これに対して、X線の焦点がX線導波路出口17と一致していれば、X線ビームはその後、等方的に広がるため、利用しやすいX線ビームを得ることができる。   In the present embodiment, the X-ray shielding layer 12 is provided in a region upstream from the X-ray waveguide exit 17 by the focal length f along the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam. Thus, it is possible to obtain an X-ray beam that can be further condensed by using the above-mentioned method and can be easily used for analysis. When the focal point of the X-ray is at a position shifted forward (in the waveguide) from the X-ray waveguide exit 17, the X-ray beam has already spread in the vertical direction in FIG. In addition, when the focal point of the X-ray is located behind the X-ray waveguide outlet 17 (outside the waveguide), the X-ray beam is moved in the vertical direction in FIG. Since it starts to spread, the minimum spot size cannot be obtained. On the other hand, if the focal point of the X-ray coincides with the X-ray waveguide outlet 17, the X-ray beam is then expanded isotropically, so that an easy-to-use X-ray beam can be obtained.

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではない。例えば本実施の形態では、X線遮蔽層12をX線導波路のコア層中に設けているが、コア層の前面に設けてもよい。この場合には、X線導波路出口17から焦点距離fだけ上流にX線遮蔽層12を設けるようにすればよい。   In addition, this invention is not limited to the above embodiment. For example, in the present embodiment, the X-ray shielding layer 12 is provided in the core layer of the X-ray waveguide, but may be provided on the front surface of the core layer. In this case, the X-ray shielding layer 12 may be provided upstream from the X-ray waveguide outlet 17 by the focal length f.

また、本実施の形態では、コア層の材料としてカーボンを用いているが、コア層の材料はカーボン、シリコン、ベリリウム、高分子材料のうち少なくとも1つを含む材料であればよい。また、コア層の材料として、ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、フッ素、カルシウム、マグネシウム、チタンのうち少なくとも1つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。   In this embodiment mode, carbon is used as the material for the core layer. However, the material for the core layer may be any material including at least one of carbon, silicon, beryllium, and a polymer material. Further, as the material of the core layer, a material containing at least one of boron, beryllium, aluminum, fluorine, calcium, magnesium, and titanium may be used, and polyimide, polymethyl methacrylate, fluorine resin, or chlorine resin is used. Also good.

また、本実施の形態では、クラッド層の材料としてルテニウムを用いているが、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも1つを含む材料であればよい。また、クラッド層の材料として、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、チタン、ゲルマニウム、モリブデン、ジルコニウム、インジウム、レニウム、銀、金、白金、タンタルのうち少なくとも1つを含む材料を用いてもよい。X線遮蔽層12の材料はクラッド層と同一でもよいし、クラッド層の材料として挙げたものの中からクラッド層とは別の材料を用いてもよい。   In the present embodiment, ruthenium is used as the material of the cladding layer, but any material containing at least one of tungsten, ruthenium, and tantalum may be used. Further, as a material for the cladding layer, a material containing at least one of nickel, cobalt, chromium, vanadium, titanium, germanium, molybdenum, zirconium, indium, rhenium, silver, gold, platinum, and tantalum may be used. The material of the X-ray shielding layer 12 may be the same as that of the clad layer, or a material different from the clad layer may be used from those listed as the clad layer material.

本発明は、X線集光装置に適用することができる。   The present invention can be applied to an X-ray condensing device.

本発明の実施の形態に係るX線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。It is the top view and sectional drawing which show the structure of the X-ray condensing lens which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるX線遮蔽層の位置を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the position of the X-ray shielding layer in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

8…シリコン基板、9…下部ルテニウム層、10…カーボン層、11…上部ルテニウム層、12…X線遮蔽層、13…X線ビーム、14…X線導波路部、15…X線ゾーンプレート部、16…X線集光部、17…X線導波路出口。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 ... Silicon substrate, 9 ... Lower ruthenium layer, 10 ... Carbon layer, 11 ... Upper ruthenium layer, 12 ... X-ray shielding layer, 13 ... X-ray beam, 14 ... X-ray waveguide part, 15 ... X-ray zone plate part 16 ... X-ray condensing part, 17 ... X-ray waveguide exit.

Claims (2)

コア層の対向する両面にクラッド層を形成したX線導波路を用いてX線を集光するX線集光レンズであって、
前記対向する両面と平行にX線が入射する前記コア層の一部またはX線ビームの進行方向と逆方向に沿って前記コア層よりも上流側に、X線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを有し、
前記遮蔽ゾーンは、X線の波長をλ、焦点距離をf、前記X線ビームの進行方向を第1の方向、この第1の方向と直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向を第2の方向、前記第1の方向および第2の方向と直交する方向を第3の方向としたとき、X線ビームの中心から前記第3の方向に沿った距離が(2nλf)1/2(nは0,1,2,・・・)の位置と{(2n+1)λf}1/2の位置との間の第1の領域、この第1の領域を除く第2の領域のうちのいずれかに配置され、前記X線導波路のX線ビーム出口から前記第1の方向と逆方向に沿って前記焦点距離fだけ上流に配置されるものであり、前記第1の方向に沿った長さが、当該遮蔽ゾーンを透過するX線が存在しない程度の寸法に設定されることを特徴とするX線集光レンズ。
An X-ray condensing lens that condenses X-rays using an X-ray waveguide having clad layers formed on both opposing surfaces of a core layer,
A shielding zone made of a material that does not transmit X-rays to the upstream side of the core layer along a part of the core layer where X-rays enter parallel to the opposing surfaces or in the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam. Have
The shielding zone has an X-ray wavelength of λ, a focal length of f 1, a traveling direction of the X-ray beam in a first direction, and a stack of the core layer and the cladding layer in a direction orthogonal to the first direction. When the direction is the second direction, and the first direction and the direction perpendicular to the second direction are the third direction, the distance along the third direction from the center of the X-ray beam is (2nλf) 1. / 2 (where n is 0, 1, 2,...) And the position of {(2n + 1) λf} 1/2 , the second area excluding this first area Disposed at any one of them, and is disposed upstream from the X-ray beam exit of the X-ray waveguide by the focal length f along the direction opposite to the first direction, in the first direction. X-rays length along, characterized in that the X-rays transmitted through the shielding zone is set to a dimension so as not to exist Light lens.
請求項1記載のX線集光レンズにおいて、
前記コア層は、カーボン、シリコン、ベリリウム、高分子材料のうち少なくとも1つを含む材料からなり、
前記クラッド層および遮蔽ゾーンは、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも1つを含む材料からなることを特徴とするX線集光レンズ
The X-ray condenser lens according to claim 1,
The core layer is made of a material including at least one of carbon, silicon, beryllium, and a polymer material,
The X-ray condenser lens according to claim 1, wherein the cladding layer and the shielding zone are made of a material containing at least one of tungsten, ruthenium, and tantalum .
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