JP5431900B2 - X-ray condenser lens - Google Patents
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Description
本発明は、X線集光装置に関し、より詳細には導波路と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線用光学素子を用いる手法(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方法(非特許文献5参照)、(E)X線導波路を利用した手法(非特許文献6参照)がある。
X-ray beam condensing can be broadly divided into (A) a technique 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. Method (see Non-Patent Document 2), (C) 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用い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は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 focused beam having a beam size of 100 nanometers or less is obtained by the method (C) using the X-ray Fresnel zone plate. 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 other X-ray beams are transmitted 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 Is between 0, 1, 2,...) And {(2n + 1) λf} 1/2 , or {(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
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は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近年提案されている。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 a size substantially the same as the size of the core layer at the waveguide exit. 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方法では、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 having a size of several nanometers is obtained 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であるコア薄膜層の上下を、屈折率N2であるクラッド薄膜層で挟み、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 thin film layer having a refractive index of N 1 in the X-ray region with the clad thin film layer having a refractive index of N 2 , and the refractive index N 1. And an X-ray waveguide having a relationship of (N 1 real part) <(N 2 real part) between N 2 and N 2 , a part of the waveguide is configured by a shielding layer that does not transmit X-rays 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 Fresnel zone plate has been proposed (see Patent Document 1). Hereinafter, the X-ray condenser lens proposed in Patent Document 1 is referred to as the X-ray condenser lens of Conventional Technique 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
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f1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f1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=(2nλf1)1/2 ・・・(2)
Z2n+1={(2n+1)λf1}}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 ) 1/2 (2)
Z 2n + 1 = {(2n + 1) λf 1 }} 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(特許文献2参照)。以下、この特許文献2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
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(特許文献3参照)。以下、この特許文献3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。
Furthermore, the inventor can further improve the X-ray transmittance by replacing the X-ray phase shifter layer in the X-ray condenser lens of the
また、発明者は、入射X線を効果的にX線集光レンズ内に導入するために、上記X線集光レンズのX線集光部の上部クラッド層の上に遮蔽層を設けたX線集光レンズを提案した(特願2008−185718)。以下、この特願2008−185718で提案したX線集光レンズを従来技術4のX線集光レンズと呼ぶ。
The inventor has also provided an X-ray condensing lens on the upper clad layer of the X-ray condensing part of the X-ray condensing lens in order to effectively introduce the incident X-rays into the X-ray condensing lens. A line condensing lens was proposed (Japanese Patent Application No. 2008-185718). Hereinafter, the X-ray condensing lens proposed in Japanese Patent Application No. 2008-185718 will be referred to as the X-ray condensing lens of
従来技術1のX線集光レンズでは、X線導波路構造内のX線集光部をX線透過層とX線遮蔽層とにより構成している。従来技術2のX線集光レンズでは、従来技術1のX線集光レンズの集光効率を改善するために、X線遮蔽層の代わりにX線位相シフター層を設け、X線遮蔽層でのX線の吸収が起こらないようにした。従来技術3のX線集光レンズでは、さらに集光効率を上げるため、位相シフター層を多段構造にすることでさらなる効率の改善を図った。しかしながら、従来技術1,2,3のフレネルゾーンプレートの構造はいずれも理想的なフレネルゾーンプレートを粗く近似した構造であり、この近似のためにX線集光部でX線の位相がずれ、集光X線がぼけてしまうため、コヒーレントな集光X線の分解能を数ナノメートル以下にすることが難しいという問題点があった。
In the X-ray condensing lens of Prior Art 1, the X-ray condensing part in the X-ray waveguide structure is composed of an X-ray transmitting layer and an X-ray shielding layer. In the X-ray condenser lens of the
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かつ高分解能な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 intended to solve this problem, and realizes a high-efficiency, high-efficiency, high-resolution X-ray microbeam at the nanometer level, which was difficult with conventional X-ray beam focusing technology. An object of the present invention is to provide an X-ray condensing lens capable of achieving the above.
本発明は、コア層の上下を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X線位相シフター層と、前記コア層の上部のクラッド層の上部の一部に形成されたX線遮蔽層とを有し、前記X線位相シフター層は、このX線位相シフター層中のX線の波長をλ、X線ビームの入射方向と前記クラッド層の主面とがなす角をφ、X線ビームの幅をW、X線集光レンズの焦点距離をfとし、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(DX)=an(DX){nλf+n2λ2/4}1/2(nは前記X線位相シフター層が配置されるゾーンの指数、an(DX)=1−DX/{2f(1+nλ/4f)}、DXは前記X線位相シフター層の入口側の端面からAX方向に沿った距離)、前記X線位相シフター層のAX方向の長さをtとしたとき、Yn(0)の位置とYn(t)の位置との間の第1の領域に配置され、前記X線遮蔽層は、前記コア層の上部のクラッド層の膜厚をK1、前記コア層の膜厚をD、前記コア層の下部のクラッド層の厚さをK2、前記X線遮蔽層の膜厚をK3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の位置から前記AX方向と逆方向に沿って(f+W/sinφ)以上の上流の位置になるように配置され、K3>W/cosφであり、前記コア層の入口側の端面の位置から前記X線遮蔽層の入口側の端面の位置までの距離がゼロ以上であることを特徴とするものである。 The present invention provides an X-ray focusing lens for focusing the X-rays using a sandwiching X-ray waveguide the upper and lower core layers in clad layer, a part or the of the core layer which X-rays are incident formed in the front of the core layer has a X-ray phase shifter layer ing of a material X-rays pass, and said core layer upper cladding layer X-ray shielding layer formed on a part of the top of the The X-ray phase shifter layer has a wavelength of X-rays in the X-ray phase shifter layer λ, an angle formed by the incident direction of the X-ray beam and the principal surface of the cladding layer, and a width of the X-ray beam. W, where f is the focal length of the X-ray condenser lens, AX is the traveling direction of the X-ray beam in the core layer, AZ is the stacking direction of the core layer and the cladding layer out of the directions orthogonal to the traveling direction AX, The direction orthogonal to the AX and AZ is AY, and the center of the X-ray beam is along the AY direction. Distance Y n (DX) = a n (DX) {nλf + n 2 λ 2/4} 1/2 (n is index of the zone in which the X-ray phase shifter layer is disposed, a n (DX) = 1 -DX / {2f (1 + nλ / 4f)}, DX is a distance along the AX direction from the end face on the entrance side of the X-ray phase shifter layer) , and when the length in the AX direction of the X-ray phase shifter layer is t The X-ray shielding layer is disposed in a first region between the position of Y n (0) and the position of Y n (t), and the X-ray shielding layer has a thickness of a clad layer above the core layer as K 1 , When the thickness of the core layer is D, the thickness of the cladding layer under the core layer is K 2 , and the thickness of the X-ray shielding layer is K 3 , the position of the end face on the inlet side is the outlet of the core layer along the position of the end face of a side in the AX direction opposite (f + W / sinφ) is arranged so as to be more upstream position, K 3> W / c A Esufai, is characterized in that the distance from the position of the end face on the inlet side of the core layer to the position of the end face on the inlet side of the X-ray shielding layer is greater than or equal to zero.
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AX方向と逆方向に沿ってfだけ上流の位置になるように配置されるものである。
また、本発明のX線集光レンズの1構成例において、前記クラッド層およびX線遮蔽層は、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のうち少なくとも一つを含む材料からなり、前記コア層は、C、O、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうち少なくとも一つを含む材料からなり、前記位相シフター層は、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のうち少なくとも一つを含む材料、あるいはC、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうち少なくとも一つを含む材料からなるものである。
Additionally, in an example of the X-ray focusing lens of the present invention, the X-ray phase shifter layer, the position of the inlet-side end surface of f only along the focal point of the X-ray focusing lens in the AX direction opposite It is arrange | positioned so that it may become an upstream position.
Further, in one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention, the cladding layer and the X-ray shielding layer are formed of 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 Zn, and the core layer is made of C. , O, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a material including at least one of polymer materials, and the phase shifter layer 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 Material containing at least one, or C, Si, Be, Ca, Sc Ti,, V, Cr, Mn, Te is made of a material containing at least one of the polymeric materials.
また、本発明のX線集光レンズの1構成例は、さらに、前記X線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。 Further, one configuration example of the X-ray condenser lens of the present invention further includes a laminated Fresnel zone plate structure disposed behind an X-ray waveguide including the X- ray phase shifter layer, and the laminated Fresnel zone The 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 has the stacked Fresnel zone plate structure. when the focal length was set to f 1, the distance along the AZ direction from the center of the X-ray beam (2mλf 1) 1/2 (m is 0, 1, 2, ...) and the position of {( 2m + 1) λf 1 } 1/2 , and is arranged in any one of the second region and the third region excluding the second region.
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X線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。
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のうち少なくとも一つを含む材料からなり、前記軽元素層は、C、O、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうち少なくとも一つを含む材料からなるものである。
Moreover, in one structural example of the X-ray condenser lens of the present invention, the end face on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is a traveling direction AX of the X-ray beam from the end face on the entrance side of the X-ray phase shifter layer. 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 a feature.
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, O, 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X線ビームの進行方向AX方向に対して一定の厚みをもつ遮蔽層あるいは多段の位相シフター層を用いる従来のX線集光レンズに比べ、AX方向に依存して厚さが変化する位相シフター層を用いるため、AY方向に対する分解能を数十ナノメートルから数ナノメートルへと上げることができる。これにより、個々のナノ構造の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、X線遮蔽層を設けて、コア層の上部のクラッド層を凸構造にすることにより、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、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 the 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. In the direction orthogonal to the traveling direction of the X-ray beam, the X-ray beam can be condensed using the same condensing action as the X-ray Fresnel zone plate. As a result, in the present invention, it is possible to easily obtain a high-intensity X-ray microbeam 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, the X-ray waveguide structure has a AX direction as compared with a conventional X-ray condensing lens using a shielding layer or a multistage phase shifter layer having a certain thickness with respect to the X-ray beam traveling direction AX direction. Therefore, the resolution in the AY direction can be increased from several tens of nanometers to several nanometers. This makes it possible to obtain an X-ray beam that can be easily used for analysis of individual nanostructures. In the present invention, by providing an X-ray shielding layer and making the cladding layer above the core layer have a convex structure, X-rays totally reflected on the surface of the cladding layer can be shielded. As a result, a coherent nanoscale X-ray focused beam with less intensity unevenness and defocus 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AX方向と逆方向に沿って焦点距離f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線ミラーなどで更に集光することが容易で、分析等にも利用しやすいX線ビームを得ることができる。 Further, in the present invention, the phase shifter layer is usually arranged so that the position of the end surface on the entrance side is located upstream of the focal point of the X-ray condenser lens by the focal length f along the direction opposite to the AX direction. Further, it is easy to collect light with an X-ray mirror, and an X-ray beam that can be easily used for analysis can be obtained.
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の位置になるようにし、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 surface on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is positioned at a distance L downstream from the end surface 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 focal length f and the laminated type Fresnel zone plate structure of X-ray waveguide, X at a position away from the X-ray focusing lens It becomes easy to collect the 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を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線シフター層は存在しないが、図1(B)ではX線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 sectional drawing. In FIG. 1A, it is assumed that an X-ray phase shifter layer under the upper ruthenium layer described later is seen through. 1A actually does not have an X-ray shifter layer, but FIG. 1B shows an X-ray phase shifter to clarify the position of the X-ray shifter layer. Layers shall be listed 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ため、またX線ビームを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線を遮蔽することができる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, and condenses the
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はルテニウムからなる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、X線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, when 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 X-ray phase shifter layer is N 3. The refractive indexes N 1 , N 2, and N 3 have 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、上部ルテニウム層4の膜厚をK1、カーボン層3の膜厚をD、下部ルテニウム層2の膜厚をK2、クラッド層を兼ねるX線遮蔽層6の膜厚をK3とし、X線ビーム7のクラッド層への入射角をφ、X線集光レンズの焦点距離をf、X線位相シフター層5のビーム進行方向の長さをtとすると、X線遮蔽層6は、入口側の端面の位置がカーボン層3の出口側の端面の位置からX線ビーム7の進行方向AXと逆方向に沿って(f+W/sinφ)以上の上流の位置になるように配置される。また、K3>W/cosφ、K1<K2、K1<K3の関係があり、さらにカーボン層3の入口側の端面の位置からX線遮蔽層6の入口側の端面の位置までの距離がゼロ以上という関係がある。
Further, the width of incident X-rays is W, the film thickness of 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、ゾーン指数をn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(0)の位置とYn(t)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(DX)は、以下の式で求められる。DXはX線位相シフター層5の入口側の端面からビーム進行方向に沿った距離である。
Yn(DX)=an(DX){nλf+n2λ2/4}1/2 ・・・(4)
また、式(4)のan(DX)は下記の式で求められる。
an(DX)=1−DX/{2f(1+nλ/4f)} ・・・(5)
The distance (coordinates) Y n (DX) from the center of the X-ray beam of the X-ray
Y n (DX) = a n (DX) {nλf +
Further, a n (DX) of the formula (4) is obtained by the following formula.
a n (DX) = 1−DX / {2f (1 + nλ / 4f)} (5)
図1(A)、図1(B)はn=4の場合を示している。n=4の場合、X線ビームの中心からの距離(座標)はYn(DX)(n=0,1,・・・4、DXは0またはt)となり、X線位相シフター層5は、各ゾーンの幅がΔYn(DX)=an(DX)(λf/2Y){1+(Y/f)2}1/2となるように、図2の黒地の領域に配置すればよい。なお、ゾーン指数nの最大数は400程度以上とすることができる。
1A and 1B show the case where n = 4. When n = 4, the distance (coordinates) from the center of the X-ray beam is Y n (DX) (n = 0, 1,..., 4 is 0 or t), 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、n=400、最外ゾーンの幅ΔYを1nmとしたとき、X線ゾーンプレート部10(X線位相シフター層5)の長さtは26ナノメートル以下と見積もられ、焦点距離を4.7ミリメートルとしたとき、最外のゾーンプレートの幅Yn=400(0)は54マイクロメートルとなる。ここでは、入射X線の波長λを0.154ナノメートルとしている。
Further, in order to efficiently collect the X-rays by the X-ray
なお、最外のゾーンの幅でビームの分解能が決まるので、X線ビームは1ナノメートル程度まで集光することができ、この場合の集光効率は約67%である。また、この場合、式(5)のnλ/4fは1.38×10-5となり、この値は1より極めて小さいため、式(5)はan(DX)=1−DX/2fと近似することができる。このとき、図1に示すように、DX=2fでan(2f)=0となる。 Since the beam resolution is determined by the width of the outermost zone, the X-ray beam can be condensed to about 1 nanometer, and the condensing efficiency in this case is about 67%. Further, the approximation in this case, n [lambda / 4f is 1.38 × 10 -5 next equation (5), since this value is extremely smaller than 1, the formula (5) and a n (DX) = 1- DX / 2f can do. At this time, as shown in FIG. 1, the a n (2f) = 0 in DX = 2f.
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X線遮蔽層6を例えば蒸着により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線集光レンズにX線ビーム7を図1(A)、図1(B)の左側からX線導波路部8に対して入射角φで入射させた場合、X線導波路部8を透過した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X線位相シフター層5によって位相変調され、X線集光部11に到達する。
When the
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8,9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 of the X-ray beam (the vertical direction in FIG. 1B) is 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。X線導波路出口12において、X線ビームの垂直方向のサイズは約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1ナノメートルであるから、X線ビームの水平方向のサイズは約1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
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から焦点距離f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一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一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もちいてもよい。 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一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一つを含む材料を用いても良い。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 the material of the cladding layer and the X-ray shielding 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
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一つを含む材料、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一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断面図であり、図1(A)と図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線シフター層5は存在しないが、図3(B)ではX線シフター層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. It is sectional drawing, and the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as FIG. 1 (A) and FIG. 1 (B). In FIG. 3A, it is assumed that the X-ray beam passing through 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線集後部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よ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と逆方向に沿って焦点距離f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から焦点距離f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 face 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
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。以後の行程は第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の位置が積層型フレネルゾーンプレート構造15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ナノメール程度となる。
When 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。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 principle of X-ray focusing by the X-ray waveguide lens structure including 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。
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のうち少なくとも一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一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、8,9…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 SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 2 ... Lower ruthenium layer, 3 ... Carbon layer, 4 ... Upper ruthenium layer, 5 ... X-ray phase shifter layer, 6 ... X-ray shielding layer, 7 ... X-ray beam, 8, 9 ... X-ray conduction Waveguide part, 10 ... X-ray zone plate part, 11 ... X-ray condensing part, 12 ... X-ray waveguide exit, 13 ... Heavy element layer, 14 ... Light element layer, 15 ... Laminated Fresnel zone plate structure, 16 ... The focal point of the X-ray condenser lens.
Claims (6)
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X線位相シフター層と、
前記コア層の上部のクラッド層の上部の一部に形成されたX線遮蔽層とを有し、
前記X線位相シフター層は、このX線位相シフター層中のX線の波長をλ、X線ビームの入射方向と前記クラッド層の主面とがなす角をφ、X線ビームの幅をW、X線集光レンズの焦点距離をfとし、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(DX)=an(DX){nλf+n2λ2/4}1/2(nは前記X線位相シフター層が配置されるゾーンの指数、an(DX)=1−DX/{2f(1+nλ/4f)}、DXは前記X線位相シフター層の入口側の端面からAX方向に沿った距離)、前記X線位相シフター層のAX方向の長さをtとしたとき、Yn(0)の位置とYn(t)の位置との間の第1の領域に配置され、
前記X線遮蔽層は、前記コア層の上部のクラッド層の膜厚をK1、前記コア層の膜厚をD、前記コア層の下部のクラッド層の厚さをK2、前記X線遮蔽層の膜厚をK3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の位置から前記AX方向と逆方向に沿って(f+W/sinφ)以上の上流の位置になるように配置され、K3>W/cosφであり、前記コア層の入口側の端面の位置から前記X線遮蔽層の入口側の端面の位置までの距離がゼロ以上であることを特徴とするX線集光レンズ。 An X-ray focusing lens for focusing the X-rays using a sandwiching X-ray waveguide the upper and lower core layers in clad layer,
X-rays are formed in front of a part or the core layer of the core layer to the incident, the X-ray phase shifter layer ing of a material X-rays pass,
An X- ray shielding layer formed on a part of the upper part of the cladding layer above the core layer,
The X-ray phase shifter layer has a wavelength of X-rays in the X-ray phase shifter layer λ, an angle formed by the incident direction of the X-ray beam and the principal surface of the cladding layer, and a width of the X-ray beam W The focal length of the X-ray condenser lens is f, the traveling direction of the X-ray beam in the core layer is AX, and the stacking direction of the core layer and the cladding layer out of the directions orthogonal to the traveling direction AX is AZ, AY and a direction perpendicular to AX and AZ, the X-ray beam center distance Y n (DX) along the AY direction from = a n (DX) {nλf + n 2 λ 2/4} 1/2 (n is index of the zone in which the X-ray phase shifter layer is disposed, a n (DX) = 1 -DX / {2f (1 + nλ / 4f)}, DX in the AX direction from the end face on the inlet side of the X-ray phase shifter layer along distance), the AX direction of the length of the X-ray phase shifter layer and t When disposed in the first region between the position of Y n (0) position and Y n (t),
In the X-ray shielding layer, the thickness of the cladding layer above the core layer is K 1 , the thickness of the core layer is D, the thickness of the cladding layer below the core layer is K 2 , and the X-ray shielding layer is When the film thickness of the layer is K 3 , the position of the end face on the inlet side is an upstream position of (f + W / sinφ) or more along the direction opposite to the AX direction from the position of the end face on the outlet side of the core layer. K 3 > W / cos φ, and the distance from the position of the end face on the entrance side of the core layer to the position of the end face on the entrance side of the X-ray shielding layer is zero or more X-ray condenser lens.
前記X線位相シフター層は、入口側の端面の位置がX線集光レンズの焦点から前記AX方向と逆方向に沿ってf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 X-ray phase shifter layer is disposed such that the position of the end face on the entrance side is located upstream from the focal point of the X-ray condenser lens by f along the direction opposite to the AX direction. Line condensing lens.
前記クラッド層およびX線遮蔽層は、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のうち少なくとも一つを含む材料からなり、
前記コア層は、C、O、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうち少なくとも一つを含む材料からなり、
前記X線位相シフター層は、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のうち少なくとも一つを含む材料、あるいはC、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうち少なくとも一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。 In the X-ray condensing lens according to claim 1 or 2,
The cladding layer and the X-ray shielding layer are W, Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au, Pb, It consists of a material containing at least one of Tl, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn,
The core layer is made of a material including at least one of C, O, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a polymer material,
The X-ray phase shifter layer includes W, Ru, Ta, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Ba, Re, Os, Ir, Pt, Au, Pb, Tl, Material containing at least one of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, or C, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, polymer materials An X-ray condensing lens comprising a material containing at least one.
さらに、前記X線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 X-ray 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X線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,
An end face on the exit side of the laminated Fresnel zone plate structure is located at a distance L downstream from the end face on the entrance side of the X-ray phase shifter layer along the traveling direction AX of the X-ray beam. An X-ray condensing lens, wherein a relationship of f = f 1 + L is established between a focal length f of the waveguide and a focal length f 1 of the laminated Fresnel zone plate structure.
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のうち少なくとも一つを含む材料からなり、
前記軽元素層は、C、O、Si、Be、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Te、高分子材料のうち少なくとも一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 4 or 5,
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 light element layer is made of a material including at least one of C, O, Si, Be, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Te, and a polymer material. lens.
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