JP5341416B2 - X-ray condenser lens - Google Patents
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Abstract
Description
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とX線遮蔽構造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, a phase shift zone, and an X-ray shielding structure 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
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 of (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
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D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 D 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 cladding layer of the X-ray beam Is known to have 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 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 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(特許文献1参照)。以下、この特許文献1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 direction and the horizontal direction by incorporating a plate has been proposed (see Patent Document 1). Hereinafter, the X-ray condenser lens proposed in
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
The X-ray condenser lens includes an
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,
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
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。さらに、発明者は、従来技術2のX線集光レンズにおけるX線位相シフター層を多段構造の位相シフター層に置き換えることにより、X線の透過率をさらに向上させることができるX線集光レンズを提案した(特願2007−295244)。以下、この特願2007−295244で提案したX線集光レンズを従来技術3のX線集光レンズと呼ぶ。
Further, the inventor replaces the
従来技術1,2,3のX線集光レンズでは、入射X線はX線導波路の側面からX線導波路のコア層内に導入されることを前提としている。これらの従来技術では、ナノスケールのコア層に導入されるX線以外は、クラッド構造にX線を殆ど吸収させることになり、X線導波路へのX線の導入効率が非常に悪い。この問題を解決するために、X線集光レンズのさらに上流側にX線ミラーなどの別の集光レンズを設け、X線導波路のコア層にX線を導入する方法も提案されているが、この場合、集光レンズ全体が高価となり、複雑な光学系の調整が必要となる。さらに、この方法を利用したとしても、X線ミラーなどで集光した入射X線を導波路の入口のナノスケールのコア層にのみに導入することは非常に困難であり、クラッド層あるいは基板にもX線が入射するので、結果として、X線が大きく失われる。 In the conventional X-ray condenser lenses of 1, 2, and 3, it is assumed that incident X-rays are introduced into the core layer of the X-ray waveguide from the side surface of the X-ray waveguide. In these conventional techniques, except for X-rays introduced into the nanoscale core layer, X-rays are almost absorbed by the cladding structure, and the efficiency of introducing X-rays into the X-ray waveguide is very poor. In order to solve this problem, a method has been proposed in which another condensing lens such as an X-ray mirror is provided further upstream of the X-ray condensing lens and X-rays are introduced into the core layer of the X-ray waveguide. However, in this case, the entire condenser lens is expensive, and complicated adjustment of the optical system is required. Furthermore, even if this method is used, it is very difficult to introduce incident X-rays collected by an X-ray mirror or the like only into the nanoscale core layer at the entrance of the waveguide. Since X-rays are incident, X-rays are greatly lost as a result.
一方、共鳴ビームカップリングと呼ばれる方法を使うと、上部クラッド層の表面からコア層にX線を入射させることができるので、効果的にX線を導波路内に導入することができる(非特許文献8参照)。この場合、上部クラッド層の厚さは薄ければ薄いほど、X線を効率良くコア層に導入することができるが、コア層が薄くなると別の問題が生じる。すなわち、従来技術1,2,3のX線集光レンズでは、上部クラッド層の厚さが薄い場合、X線がコア層を進行する間に主に上部クラッド層からX線が顕著に漏れてしまう。つまり、共鳴カップリングの効率と導波路内X線のリークとは、相反の関係にある。
On the other hand, if a method called resonance beam coupling is used, X-rays can be incident on the core layer from the surface of the upper cladding layer, so that X-rays can be effectively introduced into the waveguide (non-patented). Reference 8). In this case, the thinner the upper clad layer, the more efficiently X-rays can be introduced into the core layer. However, when the core layer becomes thinner, another problem arises. That is, in the X-ray condenser lenses of the
一方、共鳴ビームカップリング法を利用した場合、入射X線の一部はクラッド層の表面から導波路内に進行するが、残りの一部はコア層の上部にあるクラッド層の表面で全反射を起こし、X線集光レンズによって集光したX線とほぼ同じ方向に進行する。このため、X線集光レンズによる集光点では、この全反射X線およびその散乱などに起因してバックグランド強度が上がり、X線集光レンズによる集光ビームの強度が相対的に弱くなってしまうという問題がある。 On the other hand, when the resonant beam coupling method is used, a part of the incident X-rays travels from the surface of the cladding layer into the waveguide, but the remaining part is totally reflected by the surface of the cladding layer above the core layer. And proceed in substantially the same direction as the X-rays collected by the X-ray condenser lens. For this reason, at the condensing point by the X-ray condenser lens, the background intensity increases due to the total reflection X-ray and its scattering, and the intensity of the condensed beam by the X-ray condenser lens becomes relatively weak. There is a problem that it ends up.
本発明は、以上の課題を解決するためのものであり、従来のX線ビ−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 is to solve the above-described problems, and to achieve a high-efficiency high-intensity X-ray microbeam at the nanometer level, which has been difficult with the conventional X-ray beam focusing technology. An object of the present invention is to provide an X-ray condensing lens capable of performing
本発明は、X線の屈折率がN1のコア層の上下をX線の屈折率がN2のクラッド層で挟んだ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、X線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に形成された、X線が透過する材料からなる屈折率がN3(N1の実数部分<N3の実数部分<N2の実数部分)の位相シフター層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層の表面上の一部に形成された屈折率がN2以上のX線遮蔽層とを有し、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、前記コア層内における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の領域に前記AY方向に沿って配置され、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)}であることを特徴とするものである。 The present invention provides an X-ray condenser lens that collects X-rays using an X-ray waveguide in which an X-ray refractive index of N 1 is sandwiched between upper and lower core layers by an X-ray refractive index of N 2. And the refractive index made of a material through which X-rays pass through a part of the core layer to which X-rays enter or before the core layer is N 3 (the real part of N 1 <the real number of N 3 A phase shifter layer of a portion <real part of N 2 ) and an X-ray shielding layer having a refractive index of N 2 or more formed on a part of the surface of the upper cladding layer formed on the core layer. The phase shifter layer has an X-ray wavelength of λ and a focal length of f, the traveling direction of the X-ray beam in the core layer is AX, and the core layer and the phase out of the directions orthogonal to the traveling direction AX The stacking direction of the cladding layer is AZ, the direction orthogonal to the AX and AZ is AY, and the AY direction from the center of the X-ray beam The distance along the Y n (Q / P) = {nλf + 2λf (Q / P-1)} 1/2 when (n is the zone index even number, P and Q is an integer satisfying 1 ≦ Q ≦ P) was , Y n (Q / P) and the position of Y n ((Q-1) / P) (where (Q-1) / P> 0) along the AY direction disposed Te, the phase shifter layer of the AX direction length t (Q / P) is the t (Q / P) = ( Q-1) × λ / {P × (N 3 -N 1)} It is characterized by being.
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ことを特徴とするものである。
また、本発明のX線集光レンズの1構成例において、前記X線遮蔽層は、X線ビームの前記上部クラッド層への入射角をφ、このX線ビームの幅をW、前記上部クラッド層の膜厚をK1、前記コア層の膜厚をD、前記コア層の下に形成された下部クラッド層の膜厚をK2としたとき、入口側の端面の位置が前記コア層の出口側の端面から前記進行方向と逆方向に沿って(f+t(1)+W/sinφ)以上の上流の位置になり、かつ入口側の端面の位置から前記コア層の入口側の端面の位置までの距離が0以上になるように配置され、前記X線遮蔽層の膜厚K3は、K3>W/cosφを満たすことを特徴とするものである。
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 characterized by being arranged so as to be in an upstream position only.
Further, in one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the X-ray shielding layer has an incident angle of the X-ray beam to the upper cladding layer of φ, a width of the X-ray beam of W, and the upper cladding. When the film thickness of the layer is K 1 , the film thickness of the core layer is D, and the film thickness of the lower cladding layer formed under the core layer is K 2 , the position of the end face on the inlet side is the position of the core layer. From the end face on the outlet side to the upstream position of (f + t (1) + W / sinφ) or more along the direction opposite to the traveling direction, and from the position of the end face on the inlet side to the position of the end face on the inlet side of the core layer The X-ray shielding layer has a thickness K 3 satisfying K 3 > W / cos φ .
また、本発明のX線集光レンズの1構成例は、さらに、前記位相シフター層を含むX線導波路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を備え、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ることを特徴とするものである。
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ものである。
Moreover, one structural example of the X-ray condensing lens of this invention is further equipped with the laminated type Fresnel zone plate structure arrange | positioned behind the X-ray waveguide containing the said phase shifter layer, The said laminated type 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, and the heavy element layer is a focal point of the stacked Fresnel zone plate structure. When the distance is f 1 , the distance along the AZ direction from the center of the X-ray beam is a position of (2mλf 1 ) 1/2 (m is 0, 1, 2,...) And {(2m + 1) It is characterized by being arranged in any one of the second region between the position of λf 1 } 1/2 and the third region excluding the second region.
Moreover, in one structural example of the X-ray condenser lens of the present invention, an end face on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is along the traveling direction AX of the X-ray beam from the end face on the entrance side of the phase shifter layer. The distance L + t (1) is at the downstream side, and the relationship of f = f 1 + L is established between the focal length f of the X-ray waveguide and the focal length f 1 of the laminated Fresnel zone plate structure. It is characterized by .
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。また、本発明では、上部クラッド層の表面上の一部にX線遮蔽層を形成し、上部クラッド層を凸構造にすることにより、上部クラッド層の表面で全反射するX線を遮蔽することができる。これにより、本発明では、強度むらと焦点ぼけの少ないコヒーレントなナノスケールのX線集光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 focused to the nanometer order, such as quantum dots, nanodots, nanowires, nanoparticles, fine gates of highly integrated semiconductor materials, etc. 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. Further, in the present invention, an X-ray shielding layer is formed on a part of the surface of the upper cladding layer, and the upper cladding layer has a convex structure, thereby shielding X-rays totally reflected on the surface of the upper cladding layer. Can do. As a result, in the present invention, a coherent nanoscale X-ray focused beam with less intensity unevenness and defocusing 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 multilayer Fresnel zone plate structure and 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7を垂直方向に集光すると共にX線ビーム7をX線導波路内に効果的に導入するためのX線導波路部8と、X線を効果的に進行させるためのX線導波路部9と、X線ビーム7を水平方向に集光するためのX線ゾーンプレート部10と、X線導波路を進行するX線の損失を少なくし、全反射X線を遮蔽するためのX線集光部11とから構成される。
The X-ray condensing lens of the present embodiment incorporates a Fresnel zone plate in a part of the X-ray waveguide, condenses the X-ray beam 7 in the vertical direction, and guides the X-ray beam 7 to the X-ray guide. An
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、6は上部ルテニウム層4の表面上の一部に形成された、クラッド層としての機能を兼ねるX線遮蔽層である。
In FIG. 1, 1 is a silicon substrate, 2 is a lower ruthenium layer which is a cladding layer formed on the
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および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 these, 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 ).
また、入射X線の幅をW、X線の上部ルテニウム層4への入射角をφ、上部ルテニウム層4の膜厚をK1、下部ルテニウム層2の膜厚をK2、カーボン層3の膜厚をD、X線遮蔽層6の膜厚をK3、X線集光レンズの焦点距離をfとすると、X線遮蔽層6は、X線入口側の端面がカーボン層3のX線出口側の端面からX線ビームの進行方向AXと逆方向に沿って(f+t(1)+W/sinφ)以上の上流の位置に配置される。また、K3>W/cosφで、K1<K2,K3であり、さらに、カーボン層3のX線入口側の端面からX線遮蔽層6のX線入口側の端面までの距離がゼロ以上という関係がある。なお、t(1)はX線位相シフター層5のビーム進行方向の長さであるが、このt(1)の詳細については後述する。
Further, the width of the incident X-ray is W, the incident angle of the X-ray to the
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12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
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
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
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(Q/P)(n=0,2,4,・・・、Q/P=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 (Q / P) (n = 0, 2, 4,..., Q / P = 1/3, 2 / 3 and 1), and the X-ray
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2およびX線遮蔽層6の厚さを100ナノメートルとし、上部ルテニウム層4の厚さを10ナノメートル、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
また、X線ゾーンプレート部10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12)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 the X-rays by the X-ray
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(nは偶数)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
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。続いて、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。最後に、上部ルテニウム層4の上部の一部にルテニウムからなるX線遮蔽層6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
こうして作製したX線集光レンズの上部ルテニウム層4にX線ビーム7を図1(A)、図1(B)の左側から入射角φで入射させた場合、X線導波路部8に入射し透過したX線は、X線の損失が小さいX線導波路部9を透過し、次にX線ゾーンプレート部10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11に到達する。シリコン基板1と垂直な方向についてX線ビームは広がることができないため、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8,9の場合と同様に約10ナノメートル程度となる。
When the X-ray beam 7 is incident on the
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10の開口部から出たX線は、X線集光部11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12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12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 restricts the mode of the X-ray beam in the horizontal plane of the waveguide, the X-rays emitted from the opening of the X-ray
本実施の形態では、共鳴ビームカップリング法を利用することにより、X線遮蔽層6が形成されていない上部ルテニウム層4の表面からカーボン層3にX線を入射させることができるので、効果的にX線を導波路内に導入することができる。さらに、本実施の形態では、上部ルテニウム層4の表面上の一部にX線遮蔽層6を形成し、上部クラッド層を凸構造にすることにより、上部クラッド層の表面で全反射するX線を遮蔽することができる。これにより、本実施の形態では、強度むらと焦点ぼけの少ないコヒーレントなナノスケールのX線集光ビームを得ることができる。
In the present embodiment, by using the resonance beam coupling method, X-rays can be incident on the
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
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12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
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、酸素、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、酸素、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, oxygen, silicon, beryllium, and a polymer material. Further, as the material of the core layer, a material containing at least one of boron, oxygen, 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、クラッド層およびX線遮蔽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、クラッド層およびX線遮蔽層の材料として、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 this embodiment, ruthenium is used as a material for the cladding layer and the X-ray shielding layer, but any material containing at least one of tungsten, ruthenium, and tantalum may be used. In addition, as a material for the cladding layer and the X-ray shielding layer, a material containing at least one of nickel, cobalt, chromium, vanadium, titanium, germanium, molybdenum, zirconium, indium, rhenium, silver, gold, platinum, and tantalum is used. May be. The material of the X-ray
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、酸素、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 as the material of the X-ray
[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5は存在しないが、図3(B)ではX線位相シフター層5の位置を明らかにするためにX線位相シフター層5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
本実施の形態のX線集光レンズは、X線導波路部8とX線導波路部9とX線ゾーンプレート部10とX線集光部11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15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および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
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. The direction orthogonal to AZ, AX and AZ is AY.
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12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16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 position of the end surface on the X-ray entrance side of the X-ray
積層型フレネルゾーンプレート構造15は、X線がほとんど透過しない重元素層13とX線が透過する軽元素層14とを交互に積層した構造である。
重元素層13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16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13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
The
Z 2m = (2mλf 1 ) 1/2 (6)
Z 2m + 1 = {(2m + 1) λf 1 } 1/2 (7)
重元素層13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13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13を配置し、図4の黒地の領域に軽元素層14を配置すればよい。
FIG. 4 shows a case where the
X線導波路部8,9とX線ゾーンプレート部10とX線集光部11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
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15の作製方法を説明する。X線位相シフター層5のX線入口側の端面から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15のX線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13とタングステンシリサイドからなる軽元素層14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13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13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
こうして作製したX線集光レンズにX線ビーム7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15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十分に大きいことから、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 7 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
X線導波路部8,9とX線ゾーンプレート部10とX線集光部11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12から焦点16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線導波路レンズ構造の出口12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12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15により再び集光する。
The vertical size of the X-ray beam at the
一方、X線導波路レンズ構造のX線ゾーンプレート部10から出たX線は一次元の球面波としてX線集光部11と積層型フレネルゾーンプレート構造15の中を進行する。この結果、X線集光部11と積層型フレネルゾーンプレート構造15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-rays emitted from the X-ray
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10及びX線集光部11による焦点16の位置と積層型フレネルゾーンプレート構造15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16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線導波路の端面に集光されるため、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。
Therefore, if the position of the
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13の材料としてタングステンを用いているが、重元素層13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14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14の材料は、C、O、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
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.
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線遮蔽層、7…X線ビーム、8…X線導波路部、9…X線導波路部、10…X線ゾーンプレート部、11…X線集光部、12…X線導波路出口、13…重元素層、14…軽元素層、15…積層型フレネルゾーンプレート構造、16…X線集光レンズの焦点。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
X線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に形成された、X線が透過する材料からなる屈折率がN3(N1の実数部分<N3の実数部分<N2の実数部分)の位相シフター層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層の表面上の一部に形成された屈折率がN2以上のX線遮蔽層とを有し、
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、前記コア層内における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の領域に前記AY方向に沿って配置され、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)}であることを特徴とするX線集光レンズ。 An X-ray condensing lens that collects X-rays using an X-ray waveguide in which an X-ray refractive index is N 1 and a core layer is sandwiched between clad layers having an X-ray refractive index of N 2 .
The refractive index made of a material that transmits a part of the core layer to which X-rays enter or the X-ray is transmitted is N 3 (the real part of N 1 <the real part of N 3 <N 2 The phase shifter layer of the real part) and an X-ray shielding layer having a refractive index of N 2 or more formed on a part of the surface of the upper cladding layer formed on the core layer,
The phase shifter layer has an X-ray wavelength of λ and a focal length of f, the traveling direction of the X-ray beam in the core layer is AX, and the core layer and the cladding layer out of the directions orthogonal to the traveling direction AX Is AZ, the direction perpendicular to the AX and AZ is AY, and the distance from the center of the X-ray beam along the AY direction is Y n (Q / P) = {nλf + 2λf (Q / P−1)} When 1/2 (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) ( However, it is disposed along the AY direction in the first region between the positions (Q-1) / P> 0), and the length t (Q / P) of the phase shifter layer in the AX direction is An X-ray condenser lens, wherein t (Q / P) = (Q−1) × λ / {P × (N 3 −N 1 )}.
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.
前記X線遮蔽層は、X線ビームの前記上部クラッド層への入射角をφ、このX線ビームの幅をW、前記上部クラッド層の膜厚をK1、前記コア層の膜厚をD、前記コア層の下に形成された下部クラッド層の膜厚をK2としたとき、入口側の端面の位置が前記コア層の出口側の端面から前記進行方向と逆方向に沿って(f+t(1)+W/sinφ)以上の上流の位置になり、かつ入口側の端面の位置から前記コア層の入口側の端面の位置までの距離が0以上になるように配置され、前記X線遮蔽層の膜厚K3は、K3>W/cosφを満たすことを特徴とするX線集光レンズ。 The X-ray condenser lens according to claim 1 or 2,
The X-ray shielding layer has an incident angle of the X-ray beam to the upper cladding layer φ, the width of the X-ray beam W, the thickness of the upper cladding layer K 1 , and the thickness of the core layer D When the thickness of the lower clad layer formed under the core layer is K 2 , the position of the end surface on the inlet side extends from the end surface on the outlet side of the core layer along the direction opposite to the traveling direction (f + t (1) The X-ray shielding is performed such that the distance from the position of the end face on the inlet side to the position of the end face on the inlet side of the core layer is 0 or more. The X-ray condenser lens is characterized in that the layer thickness K 3 satisfies K 3 > W / cos φ.
さらに、前記位相シフター層を含むX線導波路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を備え、
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,
Furthermore, a laminated Fresnel zone plate structure disposed behind the X-ray waveguide including the phase shifter layer,
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, X Line condensing lens.
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。 The X-ray condenser lens according to claim 4 ,
The exit-side end face of the laminated Fresnel zone plate structure is located at a distance L + t (1) downstream from the entrance-side end face of the phase shifter layer along the X-ray beam traveling direction AX.
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.
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