JP4659015B2 - X-ray condenser lens - Google Patents

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本発明は、Ｘ線集光装置に関し、より詳細には導波路と位相シフト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 phase shift 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と非特許文献４参照）、（Ｄ）透過積層型ゾーンプレートを利用する手法（非特許文献５参照）、（Ｅ）Ｘ線導波路を利用する手法（非特許文献６参照）がある。   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 Non-Patent Document 4), and (D) a method using a transmissive laminated zone plate (Non-Patent Document 2). There is a technique (see Non-Patent Document 6) that uses an X-ray waveguide.

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（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2の位置との間、または｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2の位置と｛（２ｎ＋２）λｆ｝1/2の位置との間に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 (n = 0), 1, 2,... And the position of {(2n + 1) λf} 1/2 , or the position of {(2n + 1) λf} 1/2 and {(2n + 2) λf} 1 / If a shielding zone made of a material that does not transmit X-rays is provided between the position 2 and the transmitted X-rays interfere with each other, the X-ray beam can be condensed.

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７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ナノメートルの直線状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。   This condensing principle is the same as that of visible light, and details thereof are described in Non-Patent Document 7, for example, and it is known that the spatial resolution of the zone plate condensing 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 linear 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. Yes, 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.

Ｘ線フレネルゾーンプレートではＸ線が透過できない遮蔽ゾーンを設けることによりＸ線を集光した。また、集光効率を上げるために、遮蔽ゾーンに代えて、Ｘ線を透過するがＸ線の位相をシフトさせるＸ線位相シフター層を設けることにより、あるいはこの位相シフター層を多段構造にすることにより、さらに集光効率を向上させる方法が提案されている。これに対し、（Ｄ）の透過積層型ゾーンプレートを利用する手法の場合、Ｘ線が透過する重元素層とＸ線が透過する軽元素層とを積層した構造を用いる。非特許文献５には、Ｘ線ビームの中心からＺ方向に沿った距離が（２ｎλｆ1）1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ1｝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の領域のうちいずれかに配置された積層型フレネルゾーンプレート構造により、Ｘ線を線状に集光する可能性が提案されている。また、２つの積層型フレネルゾーンプレート構造を組み合わせることにより、点状に集光する方法が最近提案されている。 In the X-ray Fresnel zone plate, X-rays were collected by providing a shielding zone through which X-rays cannot be transmitted. Further, in order to increase the light collection efficiency, an X-ray phase shifter layer that transmits X-rays but shifts the phase of X-rays is provided instead of the shielding zone, or this phase shifter layer is formed in a multistage structure. Thus, a method for further improving the light collection efficiency has been proposed. On the other hand, in the case of the method using the transmissive laminated zone plate (D), a structure in which a heavy element layer that transmits X-rays and a light element layer that transmits X-rays is used. In Non-Patent Document 5, the distance along the Z direction from the center of the X-ray beam is a position of (2nλf 1 ) 1/2 (n = 0, 1, 2,...) And {(2n + 1) λf 1 }. X-rays are linearly collected by the laminated Fresnel zone plate structure disposed in either the first region between the half positions or the second region excluding the first region. Possibilities have been proposed. In addition, a method of condensing dots in a spot shape by combining two stacked Fresnel zone plate structures has been recently proposed.

一方、（Ｅ）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、コア層のＸ線領域での屈折率をＮ1、コア層を覆うクラッド層の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８参照）。
２Ｄｓｉｎ（φ）＝ｍλ（ｍ＝０，１，２，・・・） ・・・（１） On the other hand, in the case of the method using the X-ray waveguide of (E), 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 core layer is N 1 and the refractive index in the X-ray region of the cladding layer covering the core layer is N 2 , (the real part of N 1 ) <(the real number of N 2 ) Part). 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 8).
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程度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 X-ray beams passing through the cladding layer are absorbed and do not pass through the waveguide exit. When the X-ray waveguide is used, the X-ray beam can be condensed to 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の面内方向に対してＸ線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線は水平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 a method using an X-ray waveguide, an X-ray beam can be condensed in the thickness direction of the core, but the in-plane direction of the core perpendicular to the thickness direction and the traveling direction of the beam. X-rays cannot be collected. That is, 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 horizontal direction. It is difficult to obtain a point-shaped X-ray microbeam that is focused in a two-dimensional direction.

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（非特許文献９参照）。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, it is difficult to obtain an X-ray beam having a size of 10 nanometers by a method using an X-ray Fresnel zone plate, and an X-ray beam having a size of several nanometers by a method using an X-ray waveguide. Although it is possible to obtain a ray beam, there is a problem that 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 point (refer nonpatent literature 9). 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

このような技術的困難を克服するために、発明者は、Ｘ線領域における屈折率がＮ1であるコア層の上下を、屈折率Ｎ2であるクラッド層で挟み、屈折率Ｎ1とＮ2の間に（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係があるＸ線導波路を用いて、導波路の一部にＸ線を透過しない遮蔽層により構成されたフレネルゾーンプレートを組み込むことにより垂直方向および水平方向に対するナノメーターレベルで集光されたＸ線マイクロビームの形成を可能とするＸ線集光レンズを提案した（特願２００６−１７２４５０）。以下、この特願２００６−１７２４５０で提案したＸ線集光レンズを従来技術１のＸ線集光レンズと呼ぶ。 In order to overcome such technical difficulties, the inventor sandwiched the upper and lower sides of the core layer having a refractive index N 1 in the X-ray region with a clad layer having a refractive index N 2 , so that the refractive indexes N 1 and N 1 Fresnel zone formed by a shielding layer that does not transmit X-rays in part of the waveguide, using an X-ray waveguide having a relationship of (real part of N 1 ) <(real part of N 2 ) between 2 An X-ray condensing lens that can form an X-ray microbeam condensed at a nanometer level in the vertical and horizontal directions by incorporating a plate has been proposed (Japanese Patent Application No. 2006-172450). Hereinafter, the X-ray condenser lens proposed in Japanese Patent Application No. 2006-172450 will be referred to as the X-ray condenser lens of the prior art 1.

図５（Ａ）は従来技術１のＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図である。なお、図５（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。
このＸ線集光レンズは、Ｘ線ビームを垂直方向に集光するためのＸ線導波路部１１４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１１５およびＸ線集光部１１６とから構成される。 FIG. 5A is a plan view showing the configuration of the X-ray condenser lens of Prior Art 1, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line I-I of the X-ray condenser lens of FIG. In FIG. 5A, 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 condenser lens includes an X-ray waveguide portion 114 for condensing the X-ray beam in the vertical direction, an X-ray zone plate portion 115 for condensing the X-ray beam in the horizontal direction, and an X-ray collector. And an optical part 116.

図５（Ａ）、図５（Ｂ）において、１０８はシリコン基板、１０９はシリコン基板１０８の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、１１０は下部ルテニウム層１０９の上に形成されたコア層であるカーボン層、１１１はカーボン層１１０の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、１１２は下部ルテニウム層１０９とカーボン層１１０と上部ルテニウム層１１１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。   5A and 5B, reference numeral 108 denotes a silicon substrate, 109 denotes a lower ruthenium layer which is a cladding layer formed on the silicon substrate 108, and 110 denotes a core formed on the lower ruthenium layer 109. A carbon layer 111, an upper ruthenium layer 111 being a cladding layer formed on the carbon layer 110, and a part 112 of an X-ray waveguide composed of the lower ruthenium layer 109, the carbon layer 110, and the upper ruthenium layer 111. 2 is an X-ray shielding layer made of a tantalum material that functions as an X-ray zone plate.

Ｘ線遮蔽層１１２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１１３の中心からＸ線ビーム１１３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１１３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５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では、Ｘ線ビーム１１３の中心が図５（Ａ）のＩ−Ｉ線、Ｘ線ビーム１１３の進行方向が図５（Ａ）、図５（Ｂ）の右方向、Ｘ線ビーム１１３の進行方向と直交する方向が図５（Ａ）の上下方向である。 The X-ray shielding layer 112 has a distance along the direction orthogonal to the traveling direction of the X-ray beam 113 from the center of the X-ray beam 113 when the wavelength of the X-ray is λ and the focal length of the condenser lens is f. Any one of the first region between the position of Z 2n (n is 0, 1, 2,...) And the position of Z 2n + 1 and the second region excluding the first region. And disposed upstream from the X-ray waveguide outlet 17 by a focal length f along the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam 113. In the example of FIGS. 5A and 5B, the center of the X-ray beam 113 is the II line in FIG. 5A, and the traveling direction of the X-ray beam 113 is FIG. 5A and FIG. The right direction of B) and the direction perpendicular to the traveling direction of the X-ray beam 113 are the vertical direction of FIG.

Ｘ線遮蔽層１１２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。
Ｚ2n＝（２ｎλｆ）1/2 ・・・（２）
Ｚ2n+1＝｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2 ・・・（３） The distances (coordinates) Z 2n and Z 2n + 1 from the center of the X-ray beam of the X-ray shielding layer 112 are obtained by the following equations.
Z 2n = (2nλf) 1/2 (2)
Z 2n + 1 = {(2n + 1) λf} 1/2 (3)

また、発明者は、従来技術１のＸ線集光レンズにおけるＸ線遮蔽層１１２を、Ｘ線を透過するがＸ線の位相をシフトさせるＸ線位相シフター層に置き換えることにより、Ｘ線の透過効率を４倍にすることができるＸ線集光レンズを提案した（特願２００７−２１０８３１）。以下、この特願２００７−２１０８３１で提案したＸ線集光レンズを従来技術２のＸ線集光レンズと呼ぶ。   Further, the inventor replaces the X-ray shielding layer 112 in the X-ray condenser lens of the prior art 1 with an X-ray phase shifter layer that transmits X-rays but shifts the phase of X-rays, thereby transmitting X-rays. The X-ray condensing lens which can make efficiency 4 times was proposed (Japanese Patent Application No. 2007-210831). Hereinafter, the X-ray condensing lens proposed in Japanese Patent Application No. 2007-210831 will be referred to as the X-ray condensing lens of Prior Art 2.

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」，The international Society for Optical Engineering，p.81-97E. Spiller, “Soft X-ray Optics”, The international Society for Optical Engineering, p. 81-97 E.DiFabrizio，et al.，「High-efficiency multilevel zone plates for keV X-rays」，Nature，Vol.401，1999，p.895-898E. DiFabrizio, et al., “High-efficiency multilevel zone plates for keV X-rays”, Nature, Vol. 401, 1999, p. 895-898 H.C.Kang，J.Maser，G.B.Stephenson，C.Liu，R.Conley，A.T.Macrander，and S.Vogt，「Nanometer Linear Focusing of Hard X Rays by a Multilayer Laue Lens」，Phys.Rev.Lett.，96，127401，2006HCKang, J.Maser, GBStephenson, C.Liu, R.Conley, ATMacrander, and S.Vogt, “Nanometer Linear Focusing of Hard X Rays by a Multilayer Laue Lens”, Phys. Rev. Lett., 96, 127401, 2006 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 青木貞雄他，「放射光実験の基礎 III．Ｘ線マイクロビームとその応用」，ＰＦ懇談会，ｐ．６８−８６，１９９７年Sadao Aoki et al., “Basics of Synchrotron Radiation Experiment III. X-ray Microbeam and its Applications”, PF Roundtable, p. 68-86, 1997

従来技術１のＸ線集光レンズでは、１次元のゾーンプレート部に遮蔽層を用いるため、入射Ｘ線が遮蔽層で吸収され、集光効率が良くないという問題点があった。
また、従来技術２のＸ線集光レンズでは、１次元のゾーンプレート部に位相シフター層を用いるため、従来技術１のＸ線集光レンズと比べて集光効率を改善できるものの、依然として位相シフター層のサイズが大きく、入射Ｘ線が位相シフター層で吸収されるため、集光効率の更なる改善が必要であった。 In the X-ray condensing lens of the prior art 1, since the shielding layer is used for the one-dimensional zone plate portion, incident X-rays are absorbed by the shielding layer and there is a problem that the light collecting efficiency is not good.
Further, since the X-ray condensing lens of the prior art 2 uses the phase shifter layer in the one-dimensional zone plate portion, the condensing efficiency can be improved as compared with the X-ray condensing lens of the prior art 1, but the phase shifter still remains. Since the layer size is large and incident X-rays are absorbed by the phase shifter layer, further improvement of the light collection efficiency is required.

本発明は、この課題を解決するためのものであり、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高効率で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 this problem, and can achieve a high-efficiency X-ray microbeam with a nanometer level that has been difficult with conventional X-ray beam focusing techniques. It aims at providing a line condensing lens.

本発明のＸ線集光レンズは、Ｘ線の屈折率がＮ1のコア層の対向する両面にＸ線の屈折率がＮ 2 のクラッド層を形成したＸ線導波路と、Ｘ線ビームの進行方向に沿って前記Ｘ線導波路よりも下流側に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造とを備え、前記Ｘ線導波路は、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前記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線が透過する材料からなる屈折率がＮ 3 の位相シフター層を有し、前記屈折率Ｎ 1 の実数部分は、前記屈折率Ｎ 3 の実数部分より小さく、この屈折率Ｎ 3 の実数部分は、前記屈折率Ｎ 2 の実数部分より小さく、前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、前記Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸ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ＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹ、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の第１の領域に配置され、前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝であり、前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ 1 としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｍλｆ 1 ） 1/2 （ｍは０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｍ＋１）λｆ 1 ｝ 1/2 の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置され、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の入口側の端面から前記ＡＸ方向に沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置にあり、前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ 1 との間にｆ＝ｆ 1 ＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするものである。 The X-ray condenser lens of the present invention includes an X-ray waveguide in which a clad layer having an X-ray refractive index of N 2 is formed on both sides of a core layer having an X-ray refractive index of N 1 , an X-ray beam A laminated Fresnel zone plate structure disposed downstream of the X-ray waveguide along the traveling direction, and the X-ray waveguide is formed of the core layer on which X-rays are incident in parallel to the opposing surfaces. Or a phase shifter layer having a refractive index of N 3 made of a material that transmits X-rays on the upstream side of the core layer along a direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam, and the refractive index The real part of N 1 is smaller than the real part of the refractive index N 3 , the real part of this refractive index N 3 is smaller than the real part of the refractive index N 2 , and the phase shifter layer determines the X-ray wavelength. lambda, the focal length is f, the traveling direction of the X-ray beam AX, and the traveling direction AX AZ the stacking direction of the core layer and the cladding layer of the direction orthogonal, AY the direction perpendicular to the AX and AZ, the distance along the AY direction from the center of the X-ray beam Y n (Q / P ) = {Nλf + 2λf (Q / P−1)} 1/2 (where n is an even zone number, P and Q are integers satisfying 1 ≦ Q ≦ P), and the position of Y n (Q / P) Y n ((Q−1) / P) (where (Q−1) / P> 0) and the first region, and the length t ( Q / P) is, t (Q / P) = (Q-1) × λ / {P × (N 3 -N 1)} Ri der, the laminated Fresnel zone plate structure, X-rays are not transmitted A heavy element layer made of a material and a light element layer made of a material that transmits X-rays are alternately stacked, and the heavy element layer is formed of the stacked Fresnel zone. When the focal length of the template structure is f 1 , the distance along the AZ direction from the center of the X-ray beam is (2mλf 1 ) 1/2 (m is 0, 1, 2,...). And {(2m + 1) λf 1 } 1/2 , and is disposed in any one of the third regions excluding the second region, and the laminated Fresnel zone plate structure. The end face on the exit side is located at a distance L + t (1) downstream from the end face on the entrance side of the phase shifter layer along the AX direction, and the focal length f of the X-ray waveguide and the stacked Fresnel zone It is characterized in that a relationship of f = f 1 + L is established between the focal length f 1 of the plate structure .

また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記位相シフター層は、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点から前記進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように配置されるものである。
Further, in one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the phase shifter layer has a position of the end face on the entrance side from the focal point of the X-ray condenser lens along the direction opposite to the traveling direction f + t (1). It is arranged so as to be in an upstream position only .

また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記軽元素層は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料からなるものである。
 In one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the heavy element layer of the laminated Fresnel zone plate structure includes W, Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag. , Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au, Pb, Tl, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn. The layer is made of a material containing at least one of C, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a polymer material.

本発明によれば、Ｘ線導波路に多段の位相シフター層を設けることにより、コア層の厚み方向についてＸ線導波路構造を用いて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線導波路構造に位相シフター層を用いる従来のＸ線集光レンズに比べ、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上、Ｐ＝３の場合には１．７倍（６８．３％）、Ｐ＝４の場合には約２倍（８１．２％）に高めることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。   According to the present invention, by providing a multi-stage phase shifter layer in the X-ray waveguide, the X-ray beam can be condensed using the X-ray waveguide structure in the thickness direction of the core layer, and the thickness of the core layer is increased. With respect to the direction and the direction orthogonal to the traveling direction of the X-ray beam, the X-ray beam can be focused using the same focusing action as that of 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. Further, in the present invention, compared with a conventional X-ray condenser lens that uses a phase shifter layer in an X-ray waveguide structure, the condensing efficiency of the X-ray condenser lens is theoretically 1.7 when P = 3. In the case of double (68.3%) and P = 4, it can be increased to about double (81.2%), and an X-ray beam that can be easily used for analysis can be obtained.

また、本発明では、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように位相シフター層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。   Further, in the present invention, the phase shifter layer is arranged so that the position of the end face on the entrance side is upstream by f + t (1) along the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam from the focal point of the X-ray condenser lens. By doing so, it is possible to obtain an X-ray beam that can be further condensed by a normal X-ray mirror or the like and can be easily used for analysis or the like.

また、本発明では、Ｘ線導波路構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。   Further, in the present invention, by arranging the laminated Fresnel zone plate structure behind the X-ray waveguide structure, a sufficient working distance between the X-ray condensing lens and the sample can be ensured, while at the nanometer level. It becomes possible to realize beam condensing with a diameter.

また、本発明では、積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面が、位相シフター層の入口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）になるようにし、Ｘ線導波路の焦点距離ｆと積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つようにすることにより、Ｘ線集光レンズから離れた位置にＸ線を集光することが容易になり、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。 In the present invention, the end face on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is set to a distance L + t (1) downstream from the end face on the entrance side of the phase shifter layer along the traveling direction AX of the X-ray beam. by such relation f = f 1 + L is established between the focal length f 1 of the laminated Fresnel zone plate structure and the focal length f of the X-ray waveguide, in a position away from the X-ray focusing lens It becomes easy to collect X-rays, and an X-ray beam that can be easily used for analysis can be obtained.

［第１の実施の形態］
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）は本発明の第１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線位相シフター層と、Ｘ線集光レンズを透過するＸ線ビームとを透視しているものとする。また、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線の位置には実際にはＸ線位相シフター層は存在しないが、図１（Ｂ）ではＸ線位相シフター層の位置を明らかにするためにＸ線位相シフター層を便宜的に記載するものとする。 [First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view showing the configuration of the X-ray condenser lens according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is II of the X-ray condenser lens of FIG. It is line sectional drawing. In FIG. 1A, it is assumed that an X-ray phase shifter layer below an upper ruthenium layer, which will be described later, and an X-ray beam that passes through an X-ray condenser lens are seen through. 1A actually does not have an X-ray phase shifter layer, but FIG. 1B shows an X-ray to clarify the position of the X-ray phase shifter layer. The phase shifter layer is described for convenience.

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６を垂直方向に集光するためのＸ線導波路部７と、Ｘ線ビーム６を水平方向に集光するためのＸ線ゾーンプレート部８およびＸ線集光部９とから構成される。図１において、１はシリコン基板、２はシリコン基板１の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、３は下部ルテニウム層２の上に形成されたコア層であるカーボン層、４はカーボン層３の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、５は下部ルテニウム層２とカーボン層３と上部ルテニウム層４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銀材料からなるＸ線位相シフター層である。   The X-ray condensing lens of the present embodiment incorporates a Fresnel zone plate in a part of the X-ray waveguide, and includes an X-ray waveguide section 7 for condensing the X-ray beam 6 in the vertical direction, The X-ray beam 6 is composed of an X-ray zone plate part 8 and an X-ray condenser part 9 for condensing the X-ray beam 6 in the horizontal direction. In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 2 is a lower ruthenium layer which is a cladding layer formed on the silicon substrate 1, 3 is a carbon layer which is a core layer formed on the lower ruthenium layer 2, and 4 is carbon. An upper ruthenium layer 5, which is a cladding layer formed on the layer 3, is an X-ray zone plate formed in a part of an X-ray waveguide composed of the lower ruthenium layer 2, the carbon layer 3 and the upper ruthenium layer 4. X-ray phase shifter layer made of a silver material functioning as

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をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹとしている。
ここで、Ｘ線導波路構造のコア層のＸ線領域での屈折率をＮ1、クラッド層のＸ線領域での屈折率をＮ2、位相シフター層の屈折率をＮ3とすると、屈折率Ｎ1とＮ2とＮ3の間には、（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ3の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係がある。 In the example of FIGS. 1A and 1B, the center of the X-ray beam is the II line in FIG. 1A, the traveling direction of the X-ray beam is AX, and the direction orthogonal to the traveling direction AX is the same. Among them, the stacking direction of the core layer and the cladding layer of the X-ray waveguide lens structure is AZ, and the direction orthogonal to AZ and AZ is AY.
Here, the refractive index in the X-ray region of the core layer of the X-ray waveguide structure is N 1 , the refractive index in the X-ray region of the cladding layer is N 2 , and the refractive index of the phase shifter layer is N 3. Between the rates N 1 , N 2, and N 3 , there is a relationship of (the real part of N 1 ) <(the real part of N 3 ) <(the real part of N 2 ).

Ｘ線集光レンズのＸ線位相シフター層５は、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線集光レンズの焦点距離を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ＡＸと直交する方向ＡＹに沿った距離がＹn（Ｑ／Ｐ）（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の領域に配置され、かつＸ線入口側の端面がＸ線導波路出口１０からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置に配置される。 The X-ray phase shifter layer 5 of the X-ray condenser lens is orthogonal to the traveling direction AX of the X-ray beam from the center of the X-ray beam when the wavelength of the X-ray is λ and the focal length of the X-ray condenser lens is f. The distance along the direction AY is Y n (Q / P) (where n is a zone index and P and Q are integers satisfying 1 ≦ Q ≦ P) and Y n ((Q−1) / P) (Where (Q-1) / P> 0) and the end face on the X-ray entrance side extends in the direction opposite to the X-ray beam traveling direction AX from the X-ray waveguide exit 10 And f + t (1) is arranged upstream.

Ｘ線位相シフター層５のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｙn（Ｑ／Ｐ）は、以下の式で求められる。
Ｙn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2 ・・・（４）
また、Ｘ線位相シフター層５のビーム進行方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、以下の式で求められる。
ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝ ・・・（５） The distance (coordinates) Y n (Q / P) from the center of the X-ray beam of the X-ray phase shifter layer 5 is obtained by the following equation.
Y n (Q / P) = {nλf + 2λf (Q / P−1)} 1/2 (4)
Further, the length t (Q / P) in the beam traveling direction of the X-ray phase shifter layer 5 is obtained by the following equation.
t (Q / P) = (Q−1) × λ / {P × (N 3 −N 1 )} (5)

図１（Ａ）、図１（Ｂ）はＰ＝３の場合を示している。Ｐ＝３の場合、Ｘ線ビ−ムの中心からの距離（座標）はＹn（ｘ）（ｎ＝０，２，４，・・・，ｘ＝１／３，２／３，１）となり、Ｘ線位相シフター層５は、図２の黒地の領域に配置すればよい。 1A and 1B show the case where P = 3. When P = 3, the distance (coordinates) from the center of the X-ray beam is Y n (x) (n = 0, 2, 4,..., X = 1/3, 2/3, 1). Thus, the X-ray phase shifter layer 5 may be disposed in the black area of FIG.

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３および上部ルテニウム層４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３の厚さを１０ナノメートルとしている。   In the present embodiment, in order to prevent X-rays leaking from the cladding layer, the thickness of the lower ruthenium layer 3 and the upper ruthenium layer 4 is 100 nanometers, and the thickness of the carbon layer 3 through which X-rays pass is 10 nanometers. M.

また、Ｘ線ゾーンプレート部８でＸ線を効率良く集光するためには、Ｘ線位相シフター層５を透過するＸ線が存在しなくなるまでＸ線位相シフター層５を長くするか、あるいは透過したＸ線を焦点（Ｘ線導波路出口１０）で位相を揃えて干渉させる必要がある。本実施の形態では、Ｘ線を焦点で位相を揃えて干渉させる手法を採用する。このため、本実施の形態では、カーボン層３の密度３．５ｇ／ｃｍ3、Ｘ線位相シフター層５の密度１０．５ｇ／ｃｍ3から見積もることにより、Ｐ＝３の場合には、Ｙn（１）とＹn（２／３）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（１）を、式（５）より４．８ミクロン、Ｙn（２／３）とＹn（１／３）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（２／３）を２．４ミクロン、Ｙn（１／３）とＹn（０）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（１／３）をゼロとしている。 Further, in order to efficiently collect X-rays by the X-ray zone plate portion 8, the X-ray phase shifter layer 5 is lengthened or transmitted until there is no X-ray transmitting through the X-ray phase shifter layer 5. It is necessary to cause the X-rays to interfere with each other with the same phase at the focal point (X-ray waveguide exit 10). In the present embodiment, a technique is adopted in which X-rays interfere with each other at the same phase at the focal point. Therefore, in this embodiment, by estimating from the density of the carbon layer 3 of 3.5 g / cm 3 and the density of the X-ray phase shifter layer 5 of 10.5 g / cm 3 , when P = 3, Y n The length t (1) of the X-ray phase shifter layer 5 in the region between (1) and Y n (2/3) is 4.8 microns from equation (5), Y n (2/3) and Y The length t (2/3) of the X-ray phase shifter layer 5 in the region between n (1/3) is 2.4 microns, and the region between Y n (1/3) and Y n (0) is The length t (1/3) of the X-ray phase shifter layer 5 is zero.

この見積もりでは、近似式としてｔ＝λ／｛３×（Ｎ3−Ｎ1）｝＝λ／｛３×（δ3−δ1）｝、δ3＝１．３×１０-6ρ3λ2、δ1＝１．３×１０-6ρ1λ2の関係式を用いた（非特許文献９参照）。ここで、ρ3はＸ線位相シフター層５を構成する銀の密度、ρ1はカーボンの密度である。このような長さｔ＝２．４ミクロンの整数倍の銀の位相シフター層をｎ＝０，２，４，・・・の各ゾーンに設けると、Ｘ線の位相を揃えることができる。なお、ここでは入射Ｘ線の波長λは０．１５４ナノメートルとしている。また、各層の屈折率はＸ線の波長λと各層の密度から求めることができる（非特許文献９参照）。ちなみに、ルテニウム、カーボン、銀の密度は、それぞれ１２．４、３．５、１０．５ｇ／ｃｍ3である。 In this estimation, as an approximate expression, t = λ / {3 × (N 3 −N 1 )} = λ / {3 × (δ 3 −δ 1 )}, δ 3 = 1.3 × 10 −6 ρ 3 λ 2 and a relational expression of δ 1 = 1.3 × 10 −6 ρ 1 λ 2 were used (see Non-Patent Document 9). Here, ρ 3 is the density of silver constituting the X-ray phase shifter layer 5, and ρ 1 is the density of carbon. When such a phase shifter layer of silver having an integral multiple of length t = 2.4 microns is provided in each zone of n = 0, 2, 4,..., The X-ray phases can be made uniform. Here, the wavelength λ of the incident X-ray is 0.154 nanometers. Moreover, the refractive index of each layer can be calculated | required from the wavelength (lambda) of X-ray, and the density of each layer (refer nonpatent literature 9). Incidentally, the densities of ruthenium, carbon and silver are 12.4, 3.5 and 10.5 g / cm 3 , respectively.

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１の上に下部ルテニウム層２を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層２の上に銀を蒸着後、電子ビームリソグラフィ等の方法により加工して、Ｘ線位相シフター層５を形成する。続いて、下部ルテニウム層２の上にカーボン層３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３の厚さは、Ｘ線位相シフター層５の厚さ以下となるようにする。最後に、カーボン層３とＸ線位相シフター層５の上に上部ルテニウム層４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 2 is formed on the silicon substrate 1 by vapor deposition, for example. Silver is deposited on the lower ruthenium layer 2 and then processed by a method such as electron beam lithography to form the X-ray phase shifter layer 5. Subsequently, the carbon layer 3 is formed on the lower ruthenium layer 2 by sputtering, for example. At this time, the thickness of the carbon layer 3 is set to be equal to or less than the thickness of the X-ray phase shifter layer 5. Finally, the upper ruthenium layer 4 is formed on the carbon layer 3 and the X-ray phase shifter layer 5, 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６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７を透過したＸ線は、次にＸ線ゾーンプレート部８に入射する。このとき、Ｘ線の一部は各ゾーンに配置された３段の位相シフター層５によって位相変調され、Ｘ線集光部９に到達する。   When the X-ray beam 6 is incident on the X-ray condenser lens thus manufactured from the left side of FIG. 1A and FIG. 1B, the X-ray transmitted through the X-ray waveguide section 7 is the X-ray next. The light enters the zone plate portion 8. At this time, a part of the X-ray is phase-modulated by the three-stage phase shifter layer 5 arranged in each zone and reaches the X-ray condensing unit 9.

シリコン基板１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（図１（Ｂ）の上下方向）のＸ線ビームのサイズはＸ線導波路部７の場合と同様に約１０ナノメートル程度となる。   Since the X-ray beam cannot spread in the direction perpendicular to the silicon substrate 1, the size of the X-ray beam in the vertical direction (vertical direction in FIG. 1B) is the case of the X-ray waveguide section 7. Similarly to about 10 nanometers.

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８を出たＸ線は、Ｘ線集光部９の中と１次元フレネルゾーンプレート構造部を進行し、Ｘ線導波路出口１０の位置に集光される。このときのＸ線ビームの水平方向のサイズは、Ｘ線位相シフター層５の最小幅（図１（Ａ）の上下方向の寸法）によって決まる。一方、Ｘ線導波路出口１０において、垂直方向のビームサイズは約１０ナノメートルとなる。また、Ｘ線位相シフター層５の幅の最小値は約８ナノメートルであるから、水平方向ビームサイズは約１０ナノメートルとなる。   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 emitted from the X-ray zone plate portion 8 are in the X-ray condensing portion 9 and the one-dimensional Fresnel zone plate structure. The light is condensed at the position of the X-ray waveguide exit 10. The horizontal size of the X-ray beam at this time is determined by the minimum width of the X-ray phase shifter layer 5 (vertical dimension in FIG. 1A). On the other hand, the beam size in the vertical direction at the X-ray waveguide exit 10 is about 10 nanometers. Further, since the minimum value of the width of the X-ray phase shifter layer 5 is about 8 nanometers, the horizontal beam size is about 10 nanometers.

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線ビームの点状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高度な構造評価が可能になる。   As exemplified above, in the X-ray condenser lens of the present embodiment, the X-ray beam can be focused in a point-like manner while effectively using the energy of the incident X-ray beam. Since an intense X-ray microbeam can be realized, advanced structural evaluation of nanometer level materials becomes possible.

本実施の形態では、Ｘ線導波路構造に位相シフター層を用いる従来技術２のＸ線集光レンズに比べ、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上、Ｐ＝３の場合には１．７倍（６８．３％）、Ｐ＝４の場合には約２倍（８１．２％）に高めることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。なお、従来技術２のＸ線集光レンズはＰ＝２の場合に相当し、この時の集光効率は４０．５％である。また、本実施の形態において、さらに集光効率を高めるためには、Ｐを４以上の整数とし、多段のＸ線位相シフター層をｎが偶数となる各ゾーンに配置すればよい。   In this embodiment, compared with the X-ray condenser lens of the prior art 2 that uses a phase shifter layer in the X-ray waveguide structure, the condensing efficiency of the X-ray condenser lens is theoretically 1 when P = 3. In the case of 0.7 times (68.3%) and P = 4, it can be increased to about twice (81.2%), and an X-ray beam that can be easily used for analysis can be obtained. Note that the X-ray condensing lens of the prior art 2 corresponds to the case of P = 2, and the condensing efficiency at this time is 40.5%. In the present embodiment, in order to further improve the light collection efficiency, P may be an integer of 4 or more, and multistage X-ray phase shifter layers may be arranged in each zone where n is an even number.

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さらにミラー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。   When the X-ray condenser lens of this 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 emitted. The material may be evaluated by collecting the light with a mirror and irradiating the material to be evaluated, or detecting X-rays diffracted by the material or fluorescent X-rays generated from the material.

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線位相シフター層５をＸ線導波路のコア層中に設けているが、コア層の外に設けてもよい。この場合には、Ｘ線入口側の端面の位置がＸ線導波路出口１０からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように、Ｘ線位相シフター層５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 phase shifter layer 5 is provided in the core layer of the X-ray waveguide, but may be provided outside the core layer. In this case, the X-ray phase shifter layer 5 may be provided so that the position of the end face on the X-ray entrance side is a position upstream from the X-ray waveguide outlet 10 by f + t (1).

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, carbon is used as the material for the core layer. However, the material for the core layer may be a material containing 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線位相シフター層５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あ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 phase shifter layer 5 may be the same as that of the clad layer, or a material different from the clad layer may be used among the materials mentioned as the clad layer material.

また、本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５の材料に銀を用いているが、タングステン、ルテニム、タンタル、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、バリウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、鉛、タリウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のうち少なくとも１つを含む材料、あるいはカーボン、シリコン、ベリリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジム、クロム、マンガン、テルル、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよい。   In the present embodiment, silver is used for the material of the X-ray phase shifter layer 5, but tungsten, ruthenium, tantalum, rubidium, strontium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, palladium, silver, cadmium, indium, Material containing at least one of barium, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, lead, thallium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, or carbon, silicon, beryllium, calcium, scandium A material containing at least one of titanium, vanadium, chromium, manganese, tellurium, and a polymer material may be used.

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２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３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図３（Ａ）では、Ｘ線位相シフター層５と、Ｘ線導波路レンズ構造及び積層型フレネルゾーンプレート構造を透過するＸ線ビームとを透視しているものとする。また、図３（Ａ）のＩ−Ｉ線の位置には実際にはＸ線位相シフター層は存在しないが、図３（Ｂ）ではＸ線位相シフター層の位置を明らかにするためにＸ線位相シフター層を便宜的に記載するものとする。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the X-ray condenser lens according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is II of the X-ray condenser lens of FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view, and the same components as those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals. In FIG. 3A, it is assumed that the X-ray phase shifter layer 5 and the X-ray beam transmitted through the X-ray waveguide lens structure and the laminated Fresnel zone plate structure are seen through. In addition, the X-ray phase shifter layer does not actually exist at the position of the II line in FIG. 3A, but in FIG. 3B, X-rays are used to clarify the position of the X-ray phase shifter layer. The phase shifter layer is described for convenience.

本実施の形態のＸ線集光レンズは、Ｘ線導波路部７とＸ線ゾーンプレート部８とＸ線集光部９とからなるＸ線導波路レンズ構造と、１次元型のフレネルゾーンプレートと呼ばれる積層型フレネルゾーンプレート構造１３とを同一基板上に形成したものである。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹとしている。 The X-ray condensing lens of the present embodiment includes an X-ray waveguide lens structure including an X-ray waveguide section 7, an X-ray zone plate section 8, and an X-ray condensing section 9, and a one-dimensional Fresnel zone plate. Is formed on the same substrate.
In the example of FIGS. 3A and 3B, the traveling direction of the X-ray beam is AX, and the stacking direction of the core layer and the cladding layer of the X-ray waveguide lens structure is the direction orthogonal to the traveling direction AX. AY is a direction orthogonal to AZ, AX, and AZ.

Ｘ線導波路レンズ構造は第１の実施の形態と同様の構成なので、説明は省略する。ただし、第１の実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５のＸ線入口側の端面の位置がＸ線導波路出口１０からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるようにＸ線位相シフター層５を配置したのに対し、本実施の形態では、Ｘ線入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点１５からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるようにＸ線位相シフター層５を配置する。   Since the X-ray waveguide lens structure is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted. However, in the first embodiment, the X-ray phase shifter layer is arranged so that the position of the end face on the X-ray entrance side of the X-ray phase shifter layer 5 is upstream from the X-ray waveguide exit 10 by f + t (1). In contrast, in the present embodiment, the X-ray phase shifter layer 5 is arranged so that the position of the end face on the X-ray entrance side is a position upstream from the focal point 15 of the X-ray condenser lens by f + t (1). Place.

積層型フレネルゾーンプレート構造１３は、Ｘ線がほとんど透過しない重元素層１１とＸ線が透過する軽元素層１２とを交互に積層した構造である。
重元素層１１は、集光レンズとしての焦点距離をｆ1としたとき、Ｘ線ビームの中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＺに沿った距離がＺ2m（ｍは０，１，２，・・・）の位置とＺ2m+1の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置され、かつＸ線集光レンズの焦点１５からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って焦点距離ｆ1だけ上流に配置される。重元素層１１のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｚ2m，Ｚ2m+1は以下の式で求められる。
Ｚ2m＝（２ｍλｆ1）1/2 ・・・（６）
Ｚ2m+1＝｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2 ・・・（７） The stacked Fresnel zone plate structure 13 is a structure in which heavy element layers 11 that hardly transmit X-rays and light element layers 12 that transmit X-rays are alternately stacked.
The heavy element layer 11 has a direction AZ perpendicular to the traveling direction AX of the X-ray beam from the center of the X-ray beam (II-II line in FIG. 3B) when the focal length of the condenser lens is f 1 . Of the second region between the position of Z 2m (where m is 0, 1, 2,...) And the position of Z 2m + 1 , the third region excluding this second region. It is disposed at any one of them, and is disposed upstream from the focal point 15 of the X-ray condenser lens by a focal length f 1 along the direction opposite to the traveling direction AX of the X-ray beam. The distances (coordinates) Z 2m and Z 2m + 1 from the center of the X-ray beam of the heavy element layer 11 are obtained by the following equations.
Z 2m = (2mλf 1 ) 1/2 (6)
Z 2m + 1 = {(2m + 1) λf 1 } 1/2 (7)

重元素層１１をＺ2m（ｍは０，１，２，・・・）とＺ2m+1との間の第２の領域に設ける場合を図４に示す。重元素層１１をＺ2mとＺ2m+1との間を除く第３の領域に設ける場合は、図４の黒地の領域の間に重元素層１１を配置し、図４の黒地の領域に軽元素層１２を配置すればよい。 FIG. 4 shows the case where the heavy element layer 11 is provided in the second region between Z 2m (m is 0, 1, 2,...) And Z 2m + 1 . When the heavy element layer 11 is provided in the third region except between Z 2m and Z 2m + 1 , the heavy element layer 11 is disposed between the black background regions in FIG. The light element layer 12 may be disposed.

Ｘ線導波路部７とＸ線ゾーンプレート部８とＸ線集光部９とからなるＸ線導波路レンズ構造の作製方法は、第１の実施の形態とほぼ同じであるが、本実施の形態では、シリコン基板１にエッチングによりメサ構造を形成し、マスクを用いてメサ構造の上にのみ下部ルテニウム層２を形成する。以後の工程は第１の実施の形態で説明したとおりである。   The manufacturing method of the X-ray waveguide lens structure including the X-ray waveguide unit 7, the X-ray zone plate unit 8, and the X-ray condensing unit 9 is substantially the same as that of the first embodiment. In the embodiment, a mesa structure is formed on the silicon substrate 1 by etching, and the lower ruthenium layer 2 is formed only on the mesa structure using a mask. The subsequent steps are as described in the first embodiment.

次に、本実施の形態の積層型フレネルゾーンプレート構造１３の作製方法を説明する。Ｘ線位相シフター層５の入口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置が積層型フレネルゾーンプレート構造１３の出口側の端面となるように、タングステンからなる重元素層１１とタングステンシリサイドからなる軽元素層１２とを交互に例えばスパッタによって形成する。本実施の形態では、重元素層１１を式（６）に示したＺ2mと式（７）に示したＺ2m+1との間の第２の領域に設けている。このとき、Ｘ線導波路レンズ構造から入射するＸ線ビームのＡＺ方向の中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）の位置が、中央の重元素層１１の中心と一致するように配置する。これで、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。 Next, a manufacturing method of the laminated Fresnel zone plate structure 13 of the present embodiment will be described. From the end face on the entrance side of the X-ray phase shifter layer 5 to the downstream side along the traveling direction AX of the X-ray beam, the position of the distance L + t (1) is the end face on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure 13. The heavy element layer 11 made of tungsten and the light element layer 12 made of tungsten silicide are alternately formed by, for example, sputtering. In the present embodiment, the heavy element layer 11 is provided in the second region between Z 2m shown in Formula (6) and Z 2m + 1 shown in Formula (7). At this time, the X-ray beam incident from the X-ray waveguide lens structure is arranged so that the position of the center in the AZ direction (II-II line in FIG. 3B) coincides with the center of the central heavy element layer 11. To do. This completes 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６を図３（Ａ）、図３（Ｂ）の左側から入射させた場合、Ｘ線導波路レンズ構造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線導波路レンズ構造の長さと積層型フレネルゾーンプレート構造１３の長さをそれぞれ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線導波路レンズ構造を透過する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１に垂直な方向（図３（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 6 is incident on the X-ray condenser lens thus manufactured from the left side of FIGS. 3A and 3B, it proceeds in a waveguide mode depending on the length of the X-ray waveguide lens structure. Although the presence of X-rays other than X-rays may not be ignored, in this embodiment, the length of the X-ray waveguide lens structure and the length of the laminated Fresnel zone plate structure 13 are each 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 lens structure satisfies the formula (1), and the direction perpendicular to the silicon substrate 1 ( The size of the X-ray beam in the vertical direction in FIG. 3B is about 10 nanometers.

Ｘ線導波路部７とＸ線ゾーンプレート部８とＸ線集光部９とからなるＸ線導波路レンズ構造によるＸ線の集光原理は第１の実施の形態で説明したとおりである。第１の実施の形態と異なる点は、水平方向の集光位置が図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示したＸ線導波路出口１０から焦点１５に変わったことである。   The principle of X-ray focusing by the X-ray waveguide lens structure including the X-ray waveguide section 7, the X-ray zone plate section 8, and the X-ray focusing section 9 is as described in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the horizontal condensing position is changed from the X-ray waveguide exit 10 shown in FIGS. 1A and 1B to the focal point 15.

Ｘ線導波路レンズ構造の出口１４におけるＸ線ビームの垂直方向のサイズは約１０ナノメートル程度となる。出口１４から出射するＸ線ビームは、垂直方向に入射角の２倍の発散角をもって出射する。このＸ線ビームは、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造１３により再び集光する。   The vertical size of the X-ray beam at the exit 14 of the X-ray waveguide lens structure is about 10 nanometers. The X-ray beam emitted from the outlet 14 is emitted in the vertical direction with a divergence angle that is twice the incident angle. This X-ray beam is condensed again by the laminated Fresnel zone plate structure 13 disposed behind the X-ray waveguide lens structure.

一方、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部８から出たＸ線は一次元の球面波としてＸ線集光部９と積層型フレネルゾーンプレート構造１３の中を進行する。この結果、Ｘ線集光部９と積層型フレネルゾーンプレート構造１３の中を進行するＸ線は、干渉効果によって水平方向（図３（Ａ）の上下方向）に集光される。   On the other hand, the X-ray emitted from the X-ray zone plate portion 8 of the X-ray waveguide lens structure travels through the X-ray condensing portion 9 and the laminated Fresnel zone plate structure 13 as a one-dimensional spherical wave. As a result, the X-rays traveling through the X-ray condensing unit 9 and the laminated Fresnel zone plate structure 13 are condensed in the horizontal direction (up and down direction in FIG. 3A) by the interference effect.

したがって、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部８及びＸ線集光部９による焦点１５の位置と積層型フレネルゾーンプレート構造１３による集光位置とを一致させるようにすれば、Ｘ線集光レンズと焦点１５との間に距離をとることができる。
第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、Ｘ線がＸ線導波路の端面で集光されるため、立体構造を持つ試料の測定では、試料の形状によっては微小部分の調整が困難である。すなわち、第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、仮に試料をＸ線導波路の端面から離れた場所に置いた場合、導波路から出射したＸ線はその進行方向に対して垂直な方向について再び発散光となり試料に照射されるため、Ｘ線集光レンズで集光したナノビームの特性を有効に利用することができない。 Accordingly, if the position of the focal point 15 by the X-ray zone plate part 8 and the X-ray condensing part 9 of the X-ray waveguide lens structure and the condensing position by the laminated Fresnel zone plate structure 13 are made to coincide, A distance can be taken between the condenser lens and the focal point 15.
In the X-ray condensing lens of the first embodiment, since X-rays are condensed on the end face of the X-ray waveguide, it is difficult to adjust a minute part depending on the shape of the sample when measuring a sample having a three-dimensional structure. It is. That is, in the X-ray condenser lens of the first embodiment, if the sample is placed at a location away from the end face of the X-ray waveguide, the X-ray emitted from the waveguide is perpendicular to the traveling direction. Since the direction again becomes divergent light and irradiates the sample, the characteristics of the nanobeam condensed by the X-ray condenser lens cannot be used effectively.

これに対して、本実施の形態では、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。これにより、本実施の形態では、試料測定時における位置合わせの自由度を高めることができる。   On the other hand, in the present embodiment, the working distance between the X-ray condenser lens and the sample is sufficiently ensured by arranging the laminated Fresnel zone plate structure behind the X-ray waveguide lens structure. However, it is possible to realize beam condensing with a diameter of nanometer level. Thereby, in this Embodiment, the freedom degree of the alignment at the time of sample measurement can be raised.

なお、本実施の形態では、重元素層１１の材料としてタングステンを用いているが、重元素層１１の材料は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、軽元素層１２の材料としてタングステンシリサイドを用いているが、軽元素層１２の材料は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも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, tungsten is used as the material of the heavy element layer 11, but the material of the heavy element layer 11 is Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Any material containing at least one of Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au, Pb, Tl, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn may be used. Further, tungsten silicide is used as the material of the light element layer 12, but the material of the light element layer 12 is C, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, or a polymer material. A material containing at least one may be used, and polyimide, polymethyl methacrylate, a fluororesin, or a chlorine resin may be used.

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.

本発明の第１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 the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施の形態におけるＸ線位相シフター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 phase shifter layer in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２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 the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態における積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層の位置を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the position of the heavy element layer of the laminated | stacked Fresnel zone plate structure in the 2nd Embodiment of this invention. 従来の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 conventional X-ray condensing lens.

符号の説明Explanation of symbols

１…シリコン基板、２…下部ルテニウム層、３…カーボン層、４…上部ルテニウム層、５…Ｘ線位相シフター層、６…Ｘ線ビーム、７…Ｘ線導波路部、８…Ｘ線ゾーンプレート部、９…Ｘ線集光部、１０…Ｘ線導波路出口、１１…重元素層、１２…軽元素層、１３…積層型フレネルゾーンプレート構造、１４…Ｘ線導波路レンズ構造の出口、１５…Ｘ線集光レンズの焦点。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 2 ... Lower ruthenium layer, 3 ... Carbon layer, 4 ... Upper ruthenium layer, 5 ... X-ray phase shifter layer, 6 ... X-ray beam, 7 ... X-ray waveguide part, 8 ... X-ray zone plate , 9 ... X-ray condensing part, 10 ... X-ray waveguide exit, 11 ... heavy element layer, 12 ... light element layer, 13 ... laminated Fresnel zone plate structure, 14 ... exit of X-ray waveguide lens structure, 15: The focal point of the X-ray condenser lens.

Claims (3)

Ｘ線の屈折率がＮ1のコア層の対向する両面にＸ線の屈折率がＮ2のクラッド層を形成したＸ線導波路と、
Ｘ線ビームの進行方向に沿って前記Ｘ線導波路よりも下流側に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造とを備え、
前記Ｘ線導波路は、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前記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線が透過する材料からなる屈折率がＮ3の位相シフター層を有し、
前記屈折率Ｎ1の実数部分は、前記屈折率Ｎ3の実数部分より小さく、この屈折率Ｎ3の実数部分は、前記屈折率Ｎ2の実数部分より小さく、
前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、前記Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸ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ＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹ、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の第１の領域に配置され、
前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝であり、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ1としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｍλｆ1）1/2（ｍは０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置され、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の入口側の端面から前記ＡＸ方向に沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置にあり、
前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするＸ線集光レンズ。 An X-ray waveguide in which a clad layer having an X-ray refractive index of N 2 is formed on opposite surfaces of a core layer having an X-ray refractive index of N 1 ;
A laminated Fresnel zone plate structure disposed downstream of the X-ray waveguide along the traveling direction of the X-ray beam,
The X-ray waveguide is disposed on the upstream side of the core layer along a part of the core layer in which X-rays are incident in parallel to the opposing surfaces or in the direction opposite to the traveling direction of the X-ray beam. Having a phase shifter layer with a refractive index of N 3 made of a material that transmits
Real part of the refractive index N 1, the smaller than the real part of the refractive index N 3, the real part of the refractive index N 3 is less than the real part of the refractive index N 2,
The phase shifter layer has an X-ray wavelength of λ, a focal length of f, an AX traveling direction of the X-ray beam, and a stacking direction of the core layer and the cladding layer in a direction orthogonal to the traveling direction AX. AZ, the direction perpendicular to AX and AZ, AY, and the distance along the AY direction from the center of the X-ray beam is Y n (Q / P) = {nλf + 2λf (Q / P−1)} 1/2 ( When n is a zone index and P and Q are integers satisfying 1 ≦ Q ≦ P, the position of Y n (Q / P) and Y n ((Q−1) / P) (where (Q− 1) arranged in a first region between / P> 0),
The length t (Q / P) in the AX direction of the phase shifter layer is t (Q / P) = (Q−1) × λ / {P × (N 3 −N 1 )}.
The laminated Fresnel zone plate structure is a structure in which a heavy element layer made of a material that does not transmit X-rays and a light element layer made of a material that transmits X-rays are alternately stacked. When the focal length of the type Fresnel zone plate structure is f 1 , the distance along the AZ direction from the center of the X-ray beam is (2mλf 1 ) 1/2 (m is 0, 1, 2,...) And the second region between the position of {(2m + 1) λf 1 } 1/2 and the third region excluding the second region,
The end surface on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is located at a distance L + t (1) downstream from the end surface on the entrance side of the phase shifter layer along the AX direction.
An X-ray condenser lens, wherein a relationship of f = f 1 + L is established between a focal length f of the X-ray waveguide and a focal length f 1 of the laminated Fresnel zone plate structure. 請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記位相シフター層は、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点から前記進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように配置され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 phase shifter layer is disposed such that the position of the end face on the entrance side is upstream by f + t (1) along the direction opposite to the traveling direction from the focal point of the X-ray condenser lens. X-ray condenser lens. 請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記軽元素層は、Ｃ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも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 layered Fresnel zone plate structure heavy element layers are W, Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au. , Pb, Tl, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and a material containing at least one of Zn,
The X-ray condenser lens , wherein the light element layer is made of a material including at least one of C, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a polymer material .
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