JP6634585B2 - ピンホール・スリット体の製造方法、及びｘ線小角散乱測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピンホール・スリット体の製造方法、及びＸ線小角散乱測定装置に関する。

ピンホール・スリット体を備えるＸ線分析装置が用いられている。Ｘ線分析装置は、Ｘ線ビームを出射するＸ線発生部をさらに備えている。ピンホール・スリット体は、Ｘ線発生部と試料との間に配置され、Ｘ線発生部が出射するＸ線ビームの形を整形する。Ｘ線分析装置は検出器をさらに備え、試料と検出器との間に、ピンホール・スリット体が配置される場合もある。

米国特許出願公開第２０１３／０３１５３７５号明細書

近年、ピンホール・スリット体を形成する部材に、単結晶材料が用いられている。単結晶材料を加工してピンホールを形成するが、その加工表面の表面粗さ（ラフネス）により、寄生散乱が発生してしまう。特許文献１にイオン線エッチングによって開口体の表面にある物質を除去する方法が開示されている。しかしながら、イオン線エッチングは、大規模な装置が必要であり、製造コストの上昇を引き起こしてしまう。

本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、本発明は、寄生散乱が低減されるピンホール・スリットを低コストで実現するピンホール・スリット体の製造方法、及びＸ線小角散乱測定装置の提供を目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係るピンホール・スリット体の製造方法は、入射側に入射するＸ線ビームを整形して、出射側から出射する、ピンホール・スリット体の製造方法であって、板形状を有する単結晶の部材に、入射側から出射側へ貫く漏斗形状のピンホールを形成する、ピンホール形成工程と、前記単結晶の部材のうち、前記ピンホールが形成される内壁部分と、前記部材の入射側の面における前記ピンホールの開口縁と、を含む前記部材の加工表面、にある物質、を選択的に除去する、表面処理工程と、を備える。

（２）上記（１）に記載のピンホール・スリット体の製造方法であって、前記ピンホールの漏斗形状は、入射側に円筒形状の部分を含んでいてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載のピンホール・スリット体の製造方法であって、前記表面処理工程において、前記部材の加工表面を除去液に曝すことにより、前記部材の加工表面にある物質を選択的に除去してもよい。

（４）本発明に係るＸ線小角散乱測定装置は、試料が配置される領域へＸ線ビームを出射するＸ線発生部と、前記Ｘ線発生部と前記試料が配置される領域との間に、順に配置される第１のスリット部、第２のスリット部、及び第３のスリット部と、前記第２のスリット部を移動させる、第２の移動機構と、を備える、Ｘ線小角散乱測定装置であって、前記第１のスリット部は、１又は複数の第１のピンホール・スリットを備え、前記第２のスリット部は、１又は複数の第２のピンホール・スリットを備え、前記第３のスリット部は、１又は複数の第３のピンホール・スリットを備え、該１又は複数の第３のピンホール・スリットのうち、少なくとも１の第３のピンホール・スリットは上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の製造方法で製造されるピンホール・スリット体で形成され、前記第２の移動機構は、２ピンホール測定を行うために、前記第２のスリット部が前記Ｘ線の伝搬を妨げない位置に、前記第２のスリット部を移動させてもよい。

（５）上記（４）に記載の小角散乱測定装置であって、前記第１のスリット部を移動させる、第１の移動機構と、前記第３のスリット部を移動させる、第３の移動機構と、を、さらに備えていてもよい。

（６）本発明に係るＸ線小角散乱測定装置の製造方法は、試料が配置される領域へＸ線ビームを出射するＸ線発生部と、前記Ｘ線発生部と前記試料が配置される領域との間に、順に配置される、１又は複数の第１のピンホール・スリットを備える第１のスリット部、１又は複数の第２のピンホール・スリットを備える第２のスリット部、及び１又は複数の第３のピンホール・スリットを備える第３のスリット部と、２ピンホール測定を行うために、前記第２のスリット部が前記Ｘ線の伝搬を妨げない位置に、前記第２のスリット部を移動させる、第２の移動機構と、を備える、Ｘ線小角散乱測定装置、の製造方法であって、前記第３のスリット部に備えられる前記１又は複数の第３のピンホール・スリットのうち、少なくとも１の第３のピンホール・スリットを、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の製造方法により形成する工程、を備えてもよい。

本発明により、寄生散乱が低減されるピンホール・スリットを低コストで実現するピンホール・スリット体の製造方法、及びＸ線小角散乱測定装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る他の例となるピンホール・スリット体の断面図である。 放電穴開け加工の過程を示す模式図である。 放電穴開け加工の過程を示す模式図である。 放電穴開け加工の過程を示す模式図である。 放電穴開け加工の過程を示す模式図である。 放電穴開け加工による孔径Ｄと加工時間ｔの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の寄生散乱の強度を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置の寄生散乱の強度を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る第２のスリット部の平面図である。 本発明の第２の実施形態の第１の例に係るＸ線小角散乱測定装置の仕様を示す図である。 本発明の第２の実施形態の第２の例に係るＸ線小角散乱測定装置の仕様を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、寸法、形状等について模式的に表す場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

［第１の実施形態］
ピンホール・スリット体は、入射側に入射するＸ線ビームを整形して、出射側から出射する。本発明の第１の実施形態に係るピンホール・スリット体１は、Ｇｅの単結晶を用いて形成されている。当該実施形態に係るピンホール・スリット体１は、板形状を有するＧｅ単結晶の部材を加工することにより、入射側から出射側へ貫く漏斗形状のピンホールが板形状の単結晶の部材に形成されたものである。ここで、漏斗形状とは、ピンホール両側にある開口部の一方（入射側）より他方（出射側）が広くなっている形状を言う。

図１Ａは、当該実施形態に係るピンホール・スリット体１の断面図である。図１Ａに示す断面は、ピンホールの中心線を含む平面である。ピンホールの断面は理想的には円形状をしており、ピンホールの中心線は、各断面の中心を貫く直線である。ピンホールの形状は、前述の通り、漏斗形状であり、入射側から出射側にかけて、円筒と円錐台とを合体させた形状となっている。すなわち、当該実施形態に係るピンホール・スリット体１のピンホールの漏斗形状は、入射側に円筒形状の部分を含んでいる。具体的には、当該漏斗形状は、断面の内径が一定である部分と、断面の内径が入射側から出射側かけて徐々に大きくなる部分と、を含んでいる。なお、両側の開口部の縁（特に、入射側の開口部Ｘ１の縁）は丸められている。

当該実施形態に係るピンホール・スリット体１は、厚さ０．５ｍｍ（Ｌ_１＝０．５ｍｍ）の板形状を有するＰ型Ｇｅ単結晶の部材を加工したものであり、入射側の面Ｓ１には鏡面加工が施されている。当該実施形態に係るピンホール・スリット体１は、Ｃｕ−Ｋα線のＸ線ビームを整形するためのピンホールを備えている。前述の通り、入射側の開口部Ｘ１の縁は丸められているが、それを別にすると、入射側から長さＬ_２（Ｌ_２は３００μｍ）となる部分は円筒形状であり、内径Ｄ１は一定であり、１２０μｍである。ここで、漏斗形状のピンホールの大きさを、入射側の面Ｓ１におけるピンホールの直径で定義すると、ピンホール・スリット体１のピンホール径は１２０μｍである。前述の通り、開口部Ｘ１の縁は丸められているので、さらに厳密には、ピンホール径とは、ピンホール・スリット体１に形成されるピンホール（ここでは、円筒形状の部分）の側壁を入射側の面Ｓ１まで外挿した断面の直径である。さらに出射側にある部分は円錐台形状であり、断面の広がりを示すテーパー角αは２０°である。テーパー角αは１０°〜３０°の範囲になるのが望ましく、１５°〜２５°の範囲になるのがさらに望ましい。なお、テーパー角αとは、図１Ａ（及び図１Ｂ）に示す断面におけるピンホールの円錐台形状の部分（台形）の両側壁（両側辺）がなす角度である。出射側の開口部Ｘ２の内径Ｄ２は約３００μｍである。なお、出射側の開口部Ｘ２の内径Ｄ２とは、ピンホールの円錐台形状の部分の側壁を出射側の面Ｓ２まで外挿した断面の直径である。

かかる円筒形状の部分の側壁は、ピンホールの中心線に平行に延びている。よって、入射するＸ線ビームの光軸（Ｘ線ビームとなる光束の中心線）がピンホールの中心線と平行である場合（又は、両線のなす角が数度（１°〜２°）以下である場合）、かかる側壁において鏡面反射が発生し、寄生散乱として出射側に散乱Ｘ線が発生する。しかし、かかる円筒形状の部分を短く（Ｌ_２を小さくする）すると、他の散乱Ｘ線の発生が促進される。ピンホール・スリット体１の入射側の面Ｓ１において、ピンホールの開口縁からさらに外側へ広がる領域を考える。かかる円筒形状の部分を短くすると、かかる領域における単結晶の部材の厚み（Ｌ_２より少し長い程度）が薄くなり、かかる領域を通過（透過）した（図１ＡにＴとして示される）Ｘ線が出射側へ進行し、寄生散乱として散乱Ｘ線となる。単結晶の部材におけるＸ線の透過率（transmittance）については、後述する。よって、円筒形状の部分の長さ（Ｌ_２）は、これら散乱Ｘ線の抑制のバランスを鑑みて設定すればよい。なお、Ｘ線ビームのビームサイズは、光軸に直交する平面を貫くＸ線の強度が、光軸におけるＸ線の強度と同程度の強度を有する領域の大きさであり、かかる領域が円形状の場合は直径をいう。かかる領域は、より厳密には、光軸におけるＸ線の強度の半値以上の強度を有する領域をいう。

板形状の単結晶の部材にＸ線が入射する場合について考察する。かかるＸ線は単結晶の部材の入射側の面に対して垂直に入射するものとし、入射するＸ線の強度を、入射Ｘ線強度とする。単結晶の部材の内部を通過して、入射側とは反対側の面（出射側の面）から出射するＸ線の強度を、出射Ｘ線強度とすると、入射Ｘ線強度に対する出射Ｘ線強度の比が透過率Ｔである。透過率ＴはＴ＝ｅｘｐ｛−μｔ｝で表される。ここで、μは線吸収係数であり、単結晶の種類（材料）と通過するＸ線の種類（線源）とによって決まる係数である。また、ｔはＸ線が部材を通過する距離であり、ここでは、部材の厚み（図１Ａ及び図１Ｂに示すＬ_１に相当）である。単結晶がＧｅでＸ線がＣｕ−Ｋα線である場合、透過率Ｔを１０^−５以下とする（すなわち、出射Ｘ線強度を入射Ｘ線強度より５桁以上減衰させる）ためには、部材の厚みを３００μｍ以上とする必要がある。同様に、単結晶がＴａでＸ線がＣｕ−Ｋα線である場合、部材の厚みを３０μｍ以上とする必要があり、単結晶がＴａでＸ線がＭｏ−Ｋα線である場合、部材の厚みを８０μｍ以上とする必要がある。すなわち、透過するＸ線に起因する散乱Ｘ線を抑制する観点では、単結晶がＧｅで、Ｘ線がＣｕ−Ｋα線である場合にはＬ_２を３００μｍ以上、単結晶がＴａで、Ｘ線がＣｕ−Ｋα線である場合にはＬ_２を３０μｍ以上、単結晶がＴａで、Ｘ線がＭｏ−Ｋα線である場合にはＬ_２を８０μｍ以上、それぞれするのが望ましい。

なお、図１Ｂは、当該実施形態に係る他の例となるピンホール・スリット体１の断面図である。図１Ｂに示すピンホール・スリット体１は、図１Ａに示すピンホール・スリット体１と異なり、円筒形状となる部分を有していない（Ｌ_２＝０）。すなわち、ピンホールの形状は円錐台であるが、それ以外については、図１Ａに示すピンホール・スリット体１と同じ構造をしている。なお、入射側の開口部Ｘ１におけるピンホール径は、図１Ａに示すピンホール・スリット体１と異なり、ピンホールの円錐台形状の部分の側壁を入射側の面Ｓ１まで外挿した断面の直径である。また、単結晶の部材の厚み（Ｌ_１）を薄くすると、上記ピンホールの開口縁からさらに外側に広がる領域を通過するＸ線を含め、ピンホール・スリット体１を透過する（図１ＢにＴとして示される）Ｘ線が増加することとなり、散乱Ｘ線となる。それゆえ、透過するＸ線に起因する散乱を考慮して、単結晶の部材の厚み（Ｌ_１）を設定すればよい。

本発明に係るピンホール・スリット体の製造方法の主な特徴は、板形状を有する単結晶の部材に、入射側から出射側へ貫く漏斗形状のピンホールを形成する、ピンホール形成工程と、単結晶の部材のうち、ピンホールが形成される内壁部分と、当該部材の入射側の面における前記ピンホールの開口縁と、を含む、当該部材の加工表面、にある物質、を選択的に除去する、表面処理工程と、を備えることにある。ここで、表面処理工程において、当該部材の加工表面を除去液に曝すことにより、当該部材の加工表面にある物質を選択的に除去するのが望ましい。本発明に係るピンホール・スリット体の製造方法により、製造工程の簡素化を実現することが出来、製造コストの低減という格別な効果を奏する。特に、加工表面を除去液に曝すことにより、加工表面にある物質を選択的に除去する場合、かかる効果はより顕著となる。

以下、当該実施形態に係るピンホール・スリット体１の製造方法について説明する。まず、厚さ０．５ｍｍの板形状を有するＧｅ単結晶の部材を用意する。ここでは、Ｇｅ単結晶を用いているが、これに限定されることなく、Ｓｉ単結晶でもよいし、他の物質の単結晶であってもよい。なお、ピンホール・スリット体に、白金（Ｐｔ）などの金属材料を用いる場合、通常は多結晶体となり、多くの結晶粒界が存在する。一般に、結晶粒界において散漫散乱が発生する。ピンホール・スリット体に単結晶材料を用いる場合は、結晶粒界が白金などの金属材料と比べて少ない。それゆえ、ピンホール・スリット体１に用いられる単結晶とは、散漫散乱の寄与が金属材料の多結晶体と比べて十分に小さいものである。

［ピンホール形成工程］
Ｇｅ単結晶の部材に、以下に説明する放電加工を施すことによって、入射側から出射側へ貫く漏斗形状のピンホール（ピンホール径が１２０μｍ）を形成する。ここでは、テーパー角αを２０°としたが、前述の通り、テーパー角αは１０°〜３０°の範囲になるのが望ましく、１５°〜２５°の範囲になるのがさらに望ましい。アーク放電の条件を制御することにより、所望のテーパー角度に加工することが出来る。

図２Ａ乃至図２Ｄは、放電穴開け加工の過程を示す模式図である。図３は、放電穴開け加工による孔径Ｄと加工時間ｔの関係を示す図である。アーク放電を用いて、放電穴開け加工は、抵抗値が管理された加工液（水又は油など）の中で、棒状電極５と導電性のワーク６（加工物）との間で微細なアーク放電を連続的に発生させ、放電の発生を狭い領域に制限することによって、ワーク６を所定の形状（穴形状）に高い精度で切除する加工である。当該実施形態において、ワーク６は板形状を有するＧｅ単結晶の部材であり、工程完了後にピンホール・スリット体１となる。棒状電極５とワーク６との間の電気状態は、電力パラメータ（制御パラメータ）によって決定される。ここで、電力パラメータとは、例えば、棒状電極５とワーク６との間に印加される電圧（又は電界）や、棒状電極５とワーク６の間に放電される放電量（電流）である。

図２Ａに、放電穴開け加工の過程において、棒状電極５がワーク６の内部に進行する途中の状態を示すワーク６の断面が示されており、さらに、棒状電極５とワーク６との間に発生する電界が矢印で示されている。棒状電極５とワーク６との間には電圧が印加されており、棒状電極５とワーク６との間に電界が発生している。電界の大きさは、棒状電極５がワーク６の加工表面に対してより近接している箇所で大きく、より強いアーク放電が発生する。反対に、ワーク６の穴の内径（孔径）が拡がるにつれて、棒状電極５とワーク６の加工表面との距離が大きくなり、電界が小さくなり、発生するアーク放電は弱くなる。よって、棒状電極６をワーク６（板形状）の法線方向（図の上下方向）に延伸するよう配置して、該法線方向に沿ってワーク６の内部へ棒状電極６を進行させることにより、棒状電極６の延伸方向の先にある部分はより切除される。ある電力パラメータに対して、図３に示す通り、孔径Ｄは加工時間ｔの増加に対して徐々に増加し、最大孔径Ｄｍａｘに飽和する。

図２Ｂは、棒状電極６を板形状のワーク６を貫通させ、十分に長い時間（加工時間ｔ）加工する場合を示している。ワーク６（板形状）の法線方向に沿う棒状電極６の位置それぞれの孔径Ｄが最大孔径Ｄｍａｘに飽和し、円柱形状となる穴形状にワーク６が加工された状態が図２Ｂに示されている。また、棒状電極６が該法線方向に沿って進行する速度（進行速度）を制御することにより、穴形状は円錐台形状（テーパー形状）とすることが出来る。図２Ｃは、棒状電極６の進行速度を上げて、孔径Ｄが最大孔径Ｄｍａｘに飽和する前に（短い加工時間ｔで）加工を終了させることにより、円錐台形状となる穴形状にワーク６が加工された状態が示されている。

また、電力パラメータを制御して最大孔径Ｄｍａｘを調整することも可能である。例えば、棒状電極５とワーク６との間に印加される電圧を低減させることにより、棒状電極５とワーク６との電界が小さくなり、最大孔径Ｄｍａｘを小さくすることが出来る。よって、例えば、棒状電極６の先端をワーク６の一方側の表面に近づけ、棒状電極５とワーク６との間に印加される電圧を第１電圧として、放電穴開け加工の工程を開始する。途中までは、かかる電圧を第１電圧に維持しつつ、穴がテーパー形状に加工されるよう、棒状電極６の進行速度を制御して、穴のうち円錐台部分を形成する。その後、かかる電圧を第１電圧より小さな第２電圧に低減し、かかる電圧を第２電圧に維持しつつ、棒状電極６を板形状のワーク６を貫通させ、最大孔径Ｄｍａｘに飽和するまで、放電加工を施す。これにより、円錐台形状と円柱形状とを組み合わせた漏斗形状にワーク６の穴を加工することが可能となる。なお、円柱形状の部分の最大孔径Ｄｍａｘは、円錐形状の部分の最大孔径Ｄｍａｘより小さい。漏斗形状となる穴形状にワーク６が加工された状態が図２Ｄに示されている。かかる穴形状にワーク６を加工することにより、ピンホールが漏斗形状となるピンホール・スリット体１が形成される。なお、ここでは、アーク放電などによる放電加工としたが、それに限定されることはなく、例えば、低温レーザーアブレーションなどによる加工であってもよい。

［表面処理加工］
Ｇｅ単結晶の部材の加工表面に表面処理を行う。これにより、当該部材の加工表面にある物質が選択的に除去される。ここで、当該部材の加工表面は、当該部材のうち、ピンホールが形成される内壁部分と、当該部材の入射側の面における前記ピンホールの開口縁と、を含んでいる。加工表面にある物質は、上記ピンホール形成工程によって、結合が弱い状態になっており、他の表面（加工表面ではない表面）にある物質と比べて化学的に異なる状態となっている。それゆえ、加工表面にある物質を、化学的に選択除去することが出来る。ここでは、当該部材の加工表面を除去液に曝すことにより、当該部材の加工表面にある物質を選択的に除去している。かかる除去液は、他の表面にある物質を除去するレートと比較して、加工表面にある物質を除去するレートが大きい。かかる除去液は、加工表面にある物質に対して化学的な選択性を有していると言ってもよい。加工表面の表面処理に適当な除去液を用いることにより、当該部材の加工表面を平坦化することが出来る。平坦化された加工表面の表面粗さ（ラフネス）は、算術平均粗さＲａや最大高さＲｙといった表面パラメータがサブマイクロメートル（１μｍより小さい）のスケールであり、ナノメートル（ｎｍ）のスケールであると言ってもよい。これにより、ピンホール・スリット体１の内壁（ピンホール）で発生する寄生散乱を次に示す程度に低減させることが可能となる。なお、かかる除去液は、ウェットエッチング処理に用いられる除去液を用いればよい。

図４は、当該実施形態に係るピンホール・スリット体１の寄生散乱の強度を示す図である。図の縦軸は散乱Ｘ線の強度（ａ．ｕ．）であり、図の横軸は、散乱ベクトルの絶対値Ｑ（ｎｍ^−１）であり、Ｑ＝４πｓｉｎθ／λで定義される（θは散乱角）。図４には、当該実施形態に係るピンホール・スリット体１の寄生散乱が実線で示されており、さらに、比較例として、Ｐｔのピンホール・スリット体（ピンホール径が１００μｍ）の寄生散乱が破線で示されている。図４に示す通り、当該実施形態に係るピンホール・スリット体１は、小さな散乱角（小さなＱ値）に対して、顕著に寄生散乱が抑制されている。よって、当該実施形態に係る製造方法により、寄生散乱が低減されるピンホール・スリットを低コストで実現することが出来ている。

当該実施形態に係るピンホール・スリット体１は、ピンホール径より小さいビームサイズのＸ線ビームに対しては、寄生散乱について非常に大きな低減効果がある。また、ピンホール径より大きいビームサイズのＸ線ビームに対しても、比較例として示した従来のＰｔのピンホール・スリット体に比べて、寄生散乱が顕著に抑制される。寄生散乱が抑制されるピンホール・スリット体は、Ｘ線小角散乱（Small Angle X-ray Scattering：ＳＡＸＳ）測定装置、Ｘ線回折計（X-ray diffractometry）、微小部Ｘ線回折装置（Micro Area X-ray Diffractometer：μＸＲＤ）などにおいて、極めて有用となる。３スリット光学系ではなく、２スリット光学系を用いる場合であっても、所望の測定を行うことが出来るのに十分なほど寄生散乱が抑制されるＸ線小角散乱測定装置を実現することが出来る。

図５は、当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置の寄生散乱の強度を示す図である。図４と同様に、図の縦軸は散乱Ｘ線の強度（ａ．ｕ．）であり、図の横軸は、散乱ベクトルの絶対値Ｑ（ｎｍ^−１）である。ここで、当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置は、２スリット光学系と３スリット光学系と２種類あるが、各Ｘ線小角散乱測定装置に用いられるピンホール・スリットそれぞれは、当該実施形態に係る製造方法で製造されたピンホール・スリット体１が用いられている。図５には、２スリット光学系の寄生散乱が実線で、３スリット光学系の寄生散乱が破線で、それぞれ示されており、かかる寄生散乱は装置バックグラウンドと呼ばれている。また、参考までに、とある試料２０の小角散乱の散乱強度が点線で示されている。図に示す通り、３スリット光学系の装置バックグラウンドが試料２０からの散乱強度に比べて十分小さいことはもちろんのこと、２スリット光学系の装置バックグラウンドが試料２０からの散乱強度に比べて十分小さい。すなわち、２スリット光学系のＸ線小角散乱測定装置を実現することが出来ている。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０の構成を示す図である。当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０の主な特徴は、３スリット光学系と２スリット光学系とを選択して、測定をすることが出来ることにある。当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０は、Ｘ線発生部１１と、第１のスリット部ＳＬ１と、第２のスリット部ＳＬ２と、第３のスリット部ＳＬ３と、試料支持台１２と、検出器１３と、Ｘ線ビームストッパ１４と、第１のスリット部ＳＬ１を移動させる第１の移動機構ＭＳ１と、第２のスリット部ＳＬ２を移動させる第２の移動機構ＭＳ２と、第３のスリット部ＳＬ３を移動させる第３の移動機構ＭＳ３と、を備える。

Ｘ線発生部１１は、Ｘ線源１１ａ（例えば、Ｘ線管）と、Ｘ線源が出射するＸ線を集光してＸ線ビームを出射する光学系１１ｂ（例えば、多層膜集光ミラー）と、を備えており、Ｘ線発生部１１は、試料２０が配置される領域へＸ線ビームを出射する。すなわち、Ｘ線発生部１１は、試料支持台１２に配置される試料２０へＸ線ビームを出射する。また、Ｘ線小角散乱測定装置１０は、真空筐体１６を備えており、Ｘ線発生部１１の光学系１１ｂ（の一部）と、第１のスリット部ＳＬ１と、第２のスリット部ＳＬ２と、第３のスリット部ＳＬ３と、試料支持台１２と、検出器１３と、Ｘ線ビームストッパ１４と、第１の移動機構ＭＳ１と、第２の移動機構ＭＳ２と、第３の移動機構ＭＳ３と、が真空筐体１６の中に収納される。

第１のスリット部ＳＬ１、第２のスリット部ＳＬ２、及び第３のスリット部ＳＬ３は、Ｘ線発生部１１と試料２０が配置される領域との間に、順に配置される。第１のスリット部ＳＬ１は１又は複数の第１のピンホール・スリットを、第２のスリット部ＳＬ２は１又は複数の第２のピンホール・スリットを、第３のスリット部ＳＬ３は１又は複数の第３のピンホール・スリットを、それぞれ備えている。ここでは、各スリット部は、複数のピンホール・スリットをそれぞれ備えている。

図７は、当該実施形態に係る第２のスリット部ＳＬ２の平面図である。当該実施形態に係る第２のスリット部ＳＬ２は、複数の第２のピンホール・スリット（ＳＬ２Ａ，ＳＬ２Ｂ，ＳＬ２Ｃ）に加えて、非遮蔽窓ＮＳＷを備えている。第２のスリット部ＳＬ２は板形状を有しており、Ｘ線発生部１１が出射するＸ線ビームの光軸と、板形状の平面が垂直に交わるように配置される。非遮蔽窓ＮＳＷは、Ｘ線ビームをそのまま伝搬させるためのものである。窓の大きさ（幅や径）はＸ線ビームのビームサイズに対して十分に大きく、Ｘ線ビームを整形するためのものではない。窓の形状に特に制限はないが、矩形状をしているとすると窓の幅はＸ線ビームのビームサイズ（ビーム径）の３倍以上あればよく、１０倍以上が望ましい。窓の形状が円形状をしているとすると窓の内径はＸ線ビームのビームサイズ（ビーム径）の３倍以上あればよく、１０倍以上が望ましい。

図に示す通り、非遮蔽窓ＮＳＷと、複数の第２のピンホール・スリットＳＬ２Ａ，ＳＬ２Ｂ，ＳＬ２Ｃとが、それぞれの中心が一直線上に並ぶように配置されている。第２の移動機構ＭＳ２が、当該一直線の延伸方向に、第２のスリット部ＳＬ２を移動させることが出来る。第２の移動機構ＭＳ２が第２のスリット部ＳＬ２を移動させて、Ｘ線ビームに対して、非遮蔽窓ＮＳＷが配置されると、第１のピンホール・スリットと、第３のピンホール・スリットとで２スリット光学系の測定を行うことが出来る。また、Ｘ線ビームに対して、複数の第２のピンホール・スリットＳＬ２Ａ，ＳＬ２Ｂ，ＳＬ２Ｃのいずれかが配置されると、第１のピンホール・スリットと、第３のピンホール・スリットとともに３スリット光学系の測定を行うことが出来る。

当該実施形態に係る第１のスリット部ＳＬ１及び第３のスリット部ＳＬ３は、ともに板形状を有しており、第２のスリット部ＳＬ２と同様に、Ｘ線ビームの光軸と、板形状の平面が垂直に交わるように配置される。第１のスリット部ＳＬ１には、複数の第１のピンホール・スリットが一直線上に並ぶように配置され、第３のスリット部ＳＬ３には、複数の第３のピンホール・スリットが一直線上に並ぶように配置される。そして、第２の移動機構ＭＳ２と同様に、第１の移動機構ＭＳ１及び第３の移動機構ＭＳ３は、当該一直線の延伸方向に、第１のスリット部ＳＬ１及び第３のスリット部ＳＬ３を、それぞれ移動させることが出来る。なお、ここでは、第２のスリット部ＳＬ２は、非遮蔽窓ＮＳＷを備えるとしたが、それに限定されることはない。例えば、第２のスリット部ＳＬ２は、非遮蔽窓ＮＳＷを備えずに、２スリット光学系の測定を行う際に、第２の移動機構ＭＳ２が第２のスリット部ＳＬ２を、Ｘ線ビームの光軸から十分に遠くの位置まで退避させてもよい。

また、各スリット部は、Ｘ線ビームの光軸に板形状の平面が垂直に交わるように配置され、各スリット部それぞれに形成される各ピンホールの中心線がＸ線ビームの光軸と平行になるのが望ましい。しかし、これに限定されることはなく、各ピンホールの中心線とＸ線ビームの光軸とのなす角が数度（１°〜２°）以下であり、実質的に平行とみなすことが出来ればよい。

従来、ラボベース（研究室内）で用いられるＸ線小角散乱測定装置には、３ピンホール光学系又はＫｒａｔｋｙ光学系が主に用いられている。なお、極小角散乱測定用には、Ｂｏｎｓｅ−Ｈａｒｔ光学系が用いられる。当該実施形態に係る第１のスリット部ＳＬ１乃至第３のスリット部ＳＬ３に備えられる複数のピンホール・スリットそれぞれは、第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の製造方法で製造されたピンホール・スリット体で形成されている。第１の実施形態に係るピンホール・スリット体を用いることにより、ピンホールで発生する寄生散乱が抑制される。それゆえ、シンクロトロンではなく、ラボベースで用いられるＸ線源を用いる場合であっても、２ピンホール測定（２スリット光学系測定）を可能にする。

一般に、Ｘ線小角散乱測定装置において、あるＸ線量のＸ線ビームに対して、２ピンホール光学系と３ピンホール光学系とでは、試料に照射するＸ線量や測定できる解像度が異なる。それゆえ、一般に、２ピンホール光学系と３ピンホール光学系とでは、ピンホール・スリット体を配置する位置も異なる。しかしながら、発明者らは、２ピンホール光学系に用いられる２つのピンホール・スリットそれぞれと、３ピンホール系に用いられる３つのピンホール・スリットのうち両端に配置される２つのピンホール・スリットそれぞれと、同じ位置に配置しても、所望のＸ線小角散乱測定を行なえることを見出した。さらに、かかるＸ線小角散乱測定装置において、小角分解能（解像度）が等しいとすると、２ピンホール光学系は３ピンホール光学系と比較して、試料位置におけるＸ線強度（Ｘ線の線量）を増加させることが出来る。反対に、試料位置におけるＸ線強度（Ｘ線の線量）が等しいとすると、３ピンホール光学系は２ピンホール光学系と比較して、小角分解能（解像度）を高めることが出来る。

当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０において、第２のスリット部ＳＬ２を移動させて、Ｘ線ビームの光軸上に非遮蔽窓ＮＳＷを配置させると、２ピンホール測定をすることが出来、第２のピンホール・スリットを配置させると、３ピンホール測定をすることが出来る。なお、第１のスリット部ＳＬ１に備えられる複数の第１のピンホール・スリット、及び、第３のスリット部ＳＬ３に備えられる複数の第３のピンホール・スリットを、第１の移動機構ＭＳ１及び第３の移動機構ＭＳ３をそれぞれ用いて、選択することが出来るので、他の光学系を変更することなく、第１の移動機構ＭＳ１乃至第３の移動機構ＭＳ３によって、ピンホール・スリットの組み合わせを自由に選択することが出来る。

特に、第１のピンホール・スリット乃至第３のピンホール・スリットは、真空筐体１６の中に収納されており、手動でピンホール・スリットを交換するとなると、真空筐体１６内部を真空状態から大気圧に戻し、真空筐体１６を開けて、ピンホール・スリットを交換した後に、真空筐体１６を閉じて、真空筐体１６の内部を再び真空状態にする必要がある。当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０は、真空筐体１６の内部を真空状態に保って、第１の移動機構ＭＳ１乃至第３の移動機構ＭＳ３のいずれか又は組み合わせにより、ピンホール・スリットの交換をすることが出来るので、複数の測定に係る測定時間の合計を劇的に短縮することが出来るという顕著な効果がある。

以下、当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０の例について説明する。Ｘ線小角散乱測定装置１０では、２スリット光学系と３スリット光学系とを選択することが出来、さらに、それぞれにおいて、高線量（High-Flux）モードと、高解像度（High-Resolution）モードとを選択することが出来る。

最初に説明する第１の例は、２．０ｍ系のＸ線小角散乱測定装置１０である。図６に示すＸ線小角散乱測定装置１０の左端（Ｘ線発生部１１の左端）から右端（真空筐体１６の右端）までの距離Ｌ_０が２．０ｍ程度となっている。Ｘ線発生部１１の（光学系１１ｂの）Ｘ線出射口を原点に、Ｘ線ビームの伝搬する向きを正としてＸ座標を設定すると、第１のスリット部ＳＬ１、第２のスリット部ＳＬ２、第３のスリット部ＳＬ３それぞれの位置ｘ１＝２００ｍｍ，ｘ２＝５８５ｍｍ，ｘ３＝８５０ｍｍとなる。また、Ｘ線小角散乱測定装置１０は、検出器１３をＸ線ビームの伝搬方向に沿って移動する移行機構ＭＳを備えている。検出器１３が移行機構ＭＳによって移動することにより、第３のスリット部ＳＬ３の近傍に配置される試料２０から検出器１３までの距離Ｌは、４０ｍｍから７００ｍｍまで変化させることが出来る。

図８は、当該実施形態の第１の例に係るＸ線小角散乱測定装置の仕様を示す図である。第１の例の２スリット光学系の高線量モードでは、試料２０の位置におけるＸ線ビームのビーム径が０．４１ｍｍであり、試料２０に照射されるＸ線ビームの線量が４．１×１０^８ｃｐｓと、高い線量となっている。Ｘ線ビームの光軸上には、第２のスリット部ＳＬ２では非遮蔽窓ＮＳＷが配置され、第１のスリット部ＳＬ１ではピンホール径０．８５ｍｍの第１のピンホール・スリットが、第３のスリット部ＳＬ３ではピンホール径０．４５ｍｍの第３のピンホール・スリットが、それぞれ配置される。当該モードでは、Ｘ線ビームストッパ１４の位置におけるＸ線ビームのビーム径は０．４６ｍｍであり、Ｘ線ビームストッパ１４の外径は２．０ｍｍである。これにより、試料２０から検出器１３までの距離Ｌが、Ｌ＝７００ｍｍのとき、測定エリアは波数ｑ（＝２π／λ）で表せば０．００７８（Å⁻¹）〜０．２３（Å⁻¹）である。なお、長さ（波長λ）で表すと、８１０（Å）〜２７（Å）である。また、Ｌ＝４０ｍｍのとき、測定エリアは０．１０（Å⁻¹）〜１．６（Å⁻¹）（６２（Å）〜４（Å））である。

図８に示す通り、第１の例の２スリット光学系の高解像度モードでは、試料２０の位置におけるＸ線ビームのビーム径が０．１５ｍｍであり、試料２０に照射されるＸ線ビームの線量が１．４×１０^７ｃｐｓと、低い線量となっているが、後述する通り、高解像度が実現されている。第１のスリット部ＳＬ１にはピンホール径０．３０ｍｍの第１のピンホール・スリットが、第３のスリット部ＳＬ３にはピンホール径０．１５ｍｍの第３のピンホール・スリットが、それぞれ配置される。当該モードでは、Ｘ線ビームストッパ１４におけるＸ線ビームの位置におけるビーム径は０．２６ｍｍであり、Ｘ線ビームストッパ１４の外径は０．７ｍｍである。これにより、試料２０から検出器１３までの距離Ｌが、Ｌ＝７００ｍｍのとき、測定エリアは０．００３１（Å⁻¹）〜０．２３（Å⁻¹）（２０４６（Å）〜２７（Å））と、測定エリアが小さい波数ｑにまで広がっており、高解像度測定が実現される。また、Ｌ＝４０ｍｍのとき、測定エリアは０．０３６（Å⁻¹）〜１．６（Å⁻¹）（１７６（Å）〜４（Å））である。

同様に、図８に示す通り、第１の例の３スリット光学系の高線量モードでは、第１のピンホール・スリット、第２のピンホール・スリット、及び第３のピンホール・スリットそれぞれのピンホール径は、０．３０ｍｍ、０．１５ｍｍ、及び０．５０ｍｍである。試料２０の位置におけるＸ線ビームのビーム径が０．１７ｍｍであり、試料２０に照射されるＸ線ビームの線量が２．４×１０^７ｃｐｓと、３スリット光学系測定としては高線量が実現される。当該モードでは、Ｘ線ビームストッパ１４の位置におけるＸ線ビームのビーム径が０．４３ｍｍであり、Ｘ線ビームストッパ１４の外径は２．３ｍｍである。これにより、試料２０から検出器１３までの距離Ｌが、Ｌ＝７００ｍｍのとき、測定エリアは０．００８６（Å⁻¹）〜０．２３（Å⁻¹）（７３０（Å）〜２７（Å））である。また、Ｌ＝４０ｍｍのとき、測定エリアは０．１２（Å⁻¹）〜１．６（Å⁻¹）（５２（Å）〜４（Å））である。

また、図８に示す通り、第１の例の３スリット光学系の高解像度モードでは、第１のピンホール・スリット、第２のピンホール・スリット、及び第３のピンホール・スリットそれぞれのピンホール径は、０．２０ｍｍ、０．１０ｍｍ、及び０．３５ｍｍである。試料２０の位置におけるＸ線ビームのビーム径が０．１５ｍｍであり、試料２０に照射されるＸ線ビームの線量が７．２×１０^６ｃｐｓである。当該モードでは、Ｘ線ビームストッパ１４の位置におけるＸ線ビームのビーム径は０．３６ｍｍであり、Ｘ線ビームストッパ１４の外径は１．６ｍｍである。これにより、試料２０から検出器１３までの距離Ｌが、Ｌ＝７００ｍｍのとき、測定エリアは０．００６２（Å⁻¹）〜０．２３（Å⁻¹）（１０１４（Å）〜２７（Å））である。また、Ｌ＝４０ｍｍのとき、測定エリアは０．０３６（Å⁻¹）〜１．６（Å⁻¹）（１７６（Å）〜４（Å））である。

次に説明する第２の例は、３．５ｍ系のＸ線小角散乱測定装置１０である。装置サイズを表す距離Ｌ_０がＬ_０＝３．５ｍ程度となっている。第１のスリット部ＳＬ１、第２のスリット部ＳＬ２、第３のスリット部ＳＬ３それぞれの位置は、ｘ１＝２００ｍｍ，ｘ２＝９４０ｍｍ，ｘ３＝１４５０ｍｍとなる。また、試料２０から検出器１３までの距離Ｌは、Ｌ＝１５００ｍｍに固定される場合や、Ｌを４０ｍｍから１５００ｍｍまで変化させる場合などが可能である。

図９は、当該実施形態の第２の例に係るＸ線小角散乱測定装置の仕様を示す図である。図８と同様に、２スリット光学系及び３スリット光学系それぞれにおける、高線量モードと、高解像度モードとの例が示されている。以上、当該実施形態に係る第１の例（２．０ｍ系）と第２の例（３．５ｍ系）とについて示したが、いずれにおいても、高線量モード又は高解像度モードのいずれの測定をするか、試料サイズがどれぐらいか、などを鑑みて、最適なピンホール・スリットを準備すればよい。

なお、当該実施形態に係る第１のスリット部ＳＬ１乃至第３のスリット部ＳＬ３に備えられる複数のピンホール・スリットそれぞれは、第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の製造方法で製造されたピンホール・スリット体で形成されているとし、寄生散乱を抑制する観点からは、これが望ましい。しかしながら、これに限定されることはない。ラボベースのＸ線小角散乱測定装置で、２スリット光学系による測定装置を実現するためには、第２のスリット部ＳＬ２には非遮蔽窓ＮＳＷが配置される２スリット光学系測定において、少なくとも第３のピンホール・スリットが第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の製造方法で製造されるピンホール・スリット体で形成されていればよく、さらに、第１のピンホール・スリットが第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の製造方法で製造されたピンホール・スリット体で形成されていればなおよい。

当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０の製造方法について説明する。前述の通り、当該実施形態に係る第１のスリット部ＳＬ１乃至第３のスリット部ＳＬ３に備えられる複数のピンホール・スリットそれぞれは、第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の製造方法で製造されたピンホール・スリット体で形成されており、当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置１０の製造方法は、第１のスリット部ＳＬ１乃至第３のスリット部ＳＬ３それぞれを製造する工程を含んでいる。各スリット部を製造する工程は、板形状を有する単結晶の部材に１又は複数のピンホール・スリットを第１の実施形態に係る製造方法により形成する工程である。当該実施形態において、当該実施形態に係る第２のスリット部ＳＬ２の製造方法は、板形状を有する単結晶の部材に、該１又は複数のピンホール・スリット（第２のピンホール・スリット）に加えて、非遮蔽窓ＮＳＷをさらに形成する工程を備える。各スリット部の１又は複数のピンホール・スリットを形成する工程はそれぞれ、第１の実施形態に係るピンホール形成工程及び表面処理工程をそれぞれ含んでいる。なお、当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置の製造方法は、Ｘ線発生部と、第１の移動機構乃至第３の移動機構とを、それぞれ準備する工程と、をさらに含む。当該実施形態に係るＸ線小角散乱測定装置の製造方法は、Ｘ線発生部と、第１のスリット部乃至第３のスリット部と、第１の移動機構乃至第３の移動機構と、を組み立てる工程、をさらに含む。

また、Ｘ線小角散乱測定装置１０に用いるピンホール・スリットは、第１の実施形態に係るピンホール・スリット体の製造方法で製造されるピンホール・スリット体で形成されるのが望ましいが、これに限定されることはない。第１の実施形態に係るピンホール・スリット体のように寄生散乱が抑制させるピンホール・スリット体であり、２ピンホール測定を実現することが出来るのであれば、他の製造方法によって製造されるピンホール・スリット体を用いてもよい。

なお、図８及び図９に示すＸ線小角散乱測定装置の仕様では、異なる光学系や異なるモードで、異なる外径のＸ線ビームストッパ１４が用いられている。それゆえ、Ｘ線小角散乱測定装置１０は複数のＸ線ビームストッパ１４を備えるとともに、当該複数のＸ線ビームストッパを交換する移動機構を備えているのが、望ましい。これにより、次の測定に用いるＸ線ビームストッパ１４の外径が異なる場合であっても、真空筐体１６を開けることなく、ピンホール・スリットやＸ線ビームストッパを取り換えて、次の測定を行うことが出来る。また、とある外径のＸ線ビームストッパ１４を固定して、測定を行ってもよい。

以上、本発明の実施形態に係る、ピンホール・スリット体の製造方法、及びＸ線小角散乱測定装置について説明した。本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、本発明に係るピンホール・スリット体の製造方法は、板形状を有する単結晶の部材によって形成されるピンホール・スリット体に広く適用することが出来る。また、本発明に係るＸ線小角散乱測定装置は、寄生散乱が抑制されるピンホール・スリットを備えるＸ線小角散乱測定装置に広く適用することが出来る。

１ ピンホール・スリット体、５ 棒状電極、６ ワーク、１０ Ｘ線小角散乱測定装置、１１ Ｘ線発生部、１１ａ Ｘ線源、１１ｂ 光学系、１２ 試料支持台、１３ 検出器、１４ Ｘ線ビームストッパ、１６ 真空筐体、２０ 試料、ＮＳＷ 非遮蔽窓、ＭＳ１ 第１の移動機構、ＭＳ２ 第２の移動機構、ＭＳ３ 第３の移動機構、ＳＬ１ 第１のスリット部、ＳＬ２ 第２のスリット部、ＳＬ３ 第３のスリット部。

Claims (5)

1. 入射側に入射するＸ線ビームを整形して、出射側から出射する、ピンホール・スリット体の製造方法であって、
   板形状を有する単結晶の部材に、入射側から出射側へ貫く漏斗形状のピンホールをアーク放電加工により形成する、ピンホール形成工程と、
   前記単結晶の部材のうち、前記ピンホールが形成される内壁部分と、前記部材の入射側の面における前記ピンホールの開口縁と、を含む、前記アーク放電加工による前記部材の加工表面を除去液に曝すことにより処理する、表面処理工程と、
   を備え、
   前記ピンホール形成工程により、前記加工表面にある物質は結合が弱い状態となっており、前記除去液は、前記加工表面にある物質を除去するレートが、前記加工表面ではない表面にある物質を除去するレートと比較して大きい、
   ことを特徴とするピンホール・スリット体の製造方法。
2. 入射側に入射するＸ線ビームを整形して、出射側から出射する、ピンホール・スリット体の製造方法であって、
   板形状を有する単結晶の部材に、入射側から出射側へ貫く漏斗形状のピンホールを低温レーザーアブレーション加工により形成する、ピンホール形成工程と、
   前記単結晶の部材のうち、前記ピンホールが形成される内壁部分と、前記部材の入射側の面における前記ピンホールの開口縁と、を含む、前記低温レーザーアブレーション加工による前記部材の加工表面を除去液に曝すことにより処理する、表面処理工程と、
   を備え、
   前記ピンホール形成工程により、前記加工表面にある物質は結合が弱い状態となっており、前記除去液は、前記加工表面にある物質を除去するレートが、前記加工表面ではない表面にある物質を除去するレートと比較して大きい、
   ことを特徴とするピンホール・スリット体の製造方法。
3. 前記ピンホールの漏斗形状は、入射側に円筒形状の部分を含む、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のピンホール・スリット体の製造方法。
4. 試料が配置される領域へＸ線ビームを出射するＸ線発生部と、
   前記Ｘ線発生部と前記試料が配置される領域との間に、順に配置される、１又は複数の第１のピンホール・スリットを備える第１のスリット部、１又は複数の第２のピンホール・スリットを備える第２のスリット部、及び１又は複数の第３のピンホール・スリットを備える第３のスリット部と、
   ２ピンホール測定を行うために、前記第２のスリット部が前記Ｘ線の伝搬を妨げない位置に、前記第２のスリット部を移動させる、第２の移動機構と、
   を備える、Ｘ線小角散乱測定装置、の製造方法であって、
   前記第３のスリット部に備えられる前記１又は複数の第３のピンホール・スリットのうち、少なくとも１の第３のピンホール・スリットを、請求項１乃至３のいずれかに記載の製造方法により形成する工程、
   を備える、Ｘ線小角散乱測定装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の小角散乱測定装置の製造方法であって、
   前記小角散乱測定装置は、
   前記第１のスリット部を移動させる、第１の移動機構と、
   前記第３のスリット部を移動させる、第３の移動機構と、
   をさらに備えることを特徴とする、Ｘ線小角散乱測定装置の製造方法。

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