JPH07167994A - X線光学系 - Google Patents

X線光学系

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JPH07167994A
JPH07167994A JP5341191A JP34119193A JPH07167994A JP H07167994 A JPH07167994 A JP H07167994A JP 5341191 A JP5341191 A JP 5341191A JP 34119193 A JP34119193 A JP 34119193A JP H07167994 A JPH07167994 A JP H07167994A
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JP
Japan
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ray
optical system
zone plate
sample
reflecting mirror
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JP5341191A
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Inventor
Katsumi Sugizaki
克己 杉崎
Sadao Aoki
青木  貞雄
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 X線顕微鏡などの拡大光学系に用いた場合に
高分解能かつ高倍率のX線像が得られるようなX線光学
系を提供する。 【構成】 試料のX線像を拡大する斜入射反射型光学部
材と、該光学部材によって形成された中間像をさらに拡
大するゾーンプレートとを備えたX線光学系。また、前
記X線光学系の斜入射反射型光学部材とゾーンプレート
の光軸に沿った配置を反転してなるX線マイクロビーム
照射装置用のX線光学系。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、X線顕微鏡などの拡大
光学系やX線マイクロビーム照射装置に用いられるX線
光学系に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、急速に進歩している医学や生物工
学の分野では、通常の可視光(波長λ=約400nm 〜800n
m )を用いる顕微鏡よりも分解能が高く、しかも、例え
ば、細胞、バクテリア、精子、染色体、ミトコンドリ
ア、べん毛などの生きた試料(以下、生物試料と記す)
をも鮮明に観察することのできる高解像度顕微鏡を要求
する声が日増しに高まっている。
【0003】これは、従来の高解像度電子顕微鏡では、
空間分解能は高いが電子線が透過する窓材が存在しない
ために真空中に試料を置かなければならず、上記の如き
生物試料を生きたままで観察することができなかったた
め、生きたままの試料を高分解能で観察できる可能性を
持つX線顕微鏡が注目されている。具体的には、波長λ
=2〜5nmの軟X線を用いるX線顕微鏡が検討され、
開発されつつある。
【0004】このような従来のX線顕微鏡の一例とし
て、図3に簡単な構造と光学系を示す。このX線顕微鏡
では、排気装置110によって減圧された鏡筒用真空容
器100内において、X線源101から出射したX線
は、照明光学系102で集光されて、試料カプセル10
3を照射する。そして、試料カプセル103を透過した
X線は、結像光学系104により、試料106の像を撮
像装置105上に結像させる。X線源101から撮像装
置105までの光路長は、例えば2m程度である。
【0005】このようなX線顕微鏡の結像光学系104
には、図4に示すようなウォルター型等の斜入射反射鏡
や、図5に示すゾーンプレートが用いられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如きX線顕微鏡に用いられているX線光学素子は、各々
優れた特徴を備えている一方で欠点をも有するものであ
る。例えばウォルター型と呼ばれる斜入射反射鏡では、
図4に示すように回転双曲面Aと回転楕円面Bとで構成
されている。この斜入射反射鏡の分解能Rは以下の式に
示すように斜入射鏡のNAで決まる。 R=kλ/NA
【0007】ここで、λはX線の波長、kは約0.6で
ある。例えば波長2.3nm、NA=0.2程度とする
と、原理的には分解能Rは6.9nmである。このよう
に、斜入射反射鏡は分解能が高く、X線の伝達効率が良
い明るい光学系という利点がある。
【0008】しかしながら、この様な斜入射反射鏡の光
学系では、高倍率になるにつれて急速に収差が大きくな
り、視野が制限される。現在、倍率32倍程度のものが
得られているが、X線顕微鏡などに応用する場合には、
光学系の倍率が低いという問題があり、X線像を撮像す
る検出器に、空間分解能の高いものを選ぶ必要があっ
た。
【0009】また、ゾーンプレートは、図5に示すよう
な形態をしており、X線に対して透明、不透明の同心円
状の輪帯によって構成されている。この輪帯のn番目の
境界の半径rn が、 rn =(nλf)1/2 n=1,2,・・・,N の条件を満たすとき、このゾーンプレートは、レンズ作
用を示し、X線像を拡大する。ゾーンプレートの倍率
は、試料とゾーンプレートの距離aと、ゾーンプレート
と結像面との距離bの比によって決まり、倍率M=b/
aである。ゾーンプレートの分解能Rは、原理的にゾー
ンの最小線幅によって制限され、以下の式で表される。 R=1.22rn
【0010】現在、高分解能ゾーンプレートは、電子ビ
ーム露光によって製作されるが、様々な要因によって最
小線幅30nm程度に制限されている。従って、最高分
解能Rも36.6nm程度と斜入射反射鏡に比べて非常
に低いものに留まっている。さらに最小線幅を微細にし
ようとすればするほど、さらに精度の良い電子ビーム露
光装置など、かなり大がかりな設備を必要とし、実現は
困難である。
【0011】この様に、X線顕微鏡の実現に向けてX線
光学素子の開発がなされてきているが、上記に述べたよ
うにX線拡大光学系では、斜入射反射鏡を用いると分解
能は高いが倍率が低く、ゾーンプレートを用いた場合
は、高倍率は得られるが分解能を向上させるための微細
パターンの実現が非常に困難であるという問題点があっ
た。
【0012】本発明は、上記問題点を解消し、X線顕微
鏡などの拡大光学系に用いた場合に高分解能かつ高倍率
のX線像が得られるようなX線光学系を提供することを
目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明に係るX線顕微鏡では、試料
のX線像を拡大する斜入射反射型光学部材と、該光学部
材によって形成された中間像をさらに拡大するゾーンプ
レートとを備えたものである。
【0014】また、請求項2に記載のX線マイクロビー
ム照射装置用のX線光学系では、請求項1に記載のX線
光学系の前記斜入射反射型光学部材と前記ゾーンプレー
トの光軸に沿った配置を反転してなるものである。
【0015】
【作用】本発明は、例えば、斜入射反射鏡などの斜入射
反射型光学部材とゾーンプレートとからなるX線光学系
である。このX線光学系を拡大光学系に用いた場合、低
倍率・高分解能の斜入射反射型光学部材によって試料の
X線像を一旦拡大した後、この中間像をゾーンプレート
によってさらに拡大することができる。この時、斜入射
反射型光学部材による中間像は、これをさらに拡大する
ゾーンプレートにとって、ゾーンプレートの分解能でも
見ることができる、即ち斜入射反射型光学部材による解
像度を再現できるほどに拡大されている。従って、本発
明のX線学系によれば、斜入射反射型光学部材による高
い分解能でかつゾーンプレートによる高倍率の試料拡大
像を得ることが可能となる。
【0016】なお、ゾーンプレートによる分解能は、斜
入射反射型光学部材の分解能(ここでは分解できる極限
の距離とする)がこれによって拡大された後の距離より
細かい必要はないので、ゾーンプレートのみをX線光学
系に用いていた従来のようにゾーンプレート自身に高分
解能を求める必要がない。従って、本発明に用いるゾー
ンプレートは、精度の良い電子ビーム露光装置などのか
なり大がかりな設備によって微細な線幅を高精度に形成
する必要はなく、製作も比較的容易となる。
【0017】また請求項2に記載の本発明は、X線マイ
クロビーム照射装置に、請求項1に記載のX線光学系の
前記斜入射反射型光学部材と前記ゾーンプレートの光軸
に沿った配置を反転して用いるものである。このような
マイクロビーム照射光学系では、まずゾーンプレートに
よって高倍率で集光されたX線ビームを高分解能の斜入
射反射型光学部材によって鮮明なX線スポットとして試
料面上に集光することができる。従って、例えばこのX
線スポットによって試料面上を走査すれば、高解像度で
鮮明な試料像を得ることができる。
【0018】
【実施例】以下に、本発明を実施例を以て説明する。ま
ず、本発明の一実施例によるX線光学系を結像型X線顕
微鏡に応用した場合を図1に示す。このX線顕微鏡は、
X線源1、照明光学系2、試料3、斜入射反射鏡4およ
びゾーンプレート5からなるX線拡大光学系、検出器6
からなっており、ここでは、X線顕微鏡の鏡筒用真空容
器内の配置を示した。
【0019】図1において、X線源1から発生したX線
を照明光学系2によって試料3上に集光、照明し、その
試料3のX線像を斜入射反射鏡4によって一旦拡大す
る。斜入射反射鏡4によって拡大された中間像を、ゾー
ンプレート5によってさらに拡大して撮像装置6によっ
て撮像する。
【0020】ここで、本実施例において、例えば用いる
X線を波長λ=2.3nm、斜入射反射鏡4としてNA
=0.2で倍率20倍、分解能R=6.9nmのものを
用いた場合のX線拡大光学系について説明する。
【0021】まず、試料3の像は、斜入射反射鏡4によ
って中間像yの位置で20倍に拡大され、斜入射反射鏡
4の分解能として示されている分解可能な極限距離R=
6.9nmも138nmになる。その中間像yは、さら
にゾーンプレート5の高倍率によって拡大されるが、こ
の際、ゾーンプレート5の分解能は、中間像yでの拡大
された分解能の距離138nmより細かい必要はない。
【0022】なおゾーンプレート5の開口数NAZ は斜
入射反射鏡4の像面側開口数NA2と合わせておく。斜
入射反射鏡4の像面側開口数NA2 は、物体側開口数N
1と倍率Mより以下の式で表せる。 NA2 =NA1 /M この場合、斜入射反射鏡4の物体側開口数NA1 =0.
2、倍率M=20であるので像面側開口数NA2 =0.
01である。
【0023】一方、ゾーンプレート5の開口数NAZ
最小線幅により決定され、最外周輪帯(ゾーン)までの
半径をrN 、焦点距離をfとすると以下の関係がある。 NAZ =sin(rN /f)≒rN /f rN =NAz ・f 従って、ゾーンプレート5をf=10mmのものとする
と、rN =0.1mmとなる。また、N=rN 2/(f
λ)より、ゾーンプレート5のゾーン数はN=435と
なる。最小線幅δrN は、以下の式で求められる。 δrN =rN −rN-1 ≒rN /2N 従って、最小線幅はδrN =0.1μmとなる。
【0024】以上のように、本実施例で用いるゾーンプ
レート5としては、ゾーン数N=435、半径rN
0.1mm、最小線幅δrN =0.1μm程度のものが
望ましい。この程度のゾーンプレートであれば、従来の
高分解能、微細線幅が求められたゾーンプレートに比べ
れば製作が容易である。
【0025】このようなゾーンプレート5によって、中
間像を例えば500倍に拡大する構成とすれば、本実施
例のX線拡大光学系においては分解能6.9nmで10
000倍の像が得られることとなる。
【0026】なお、照明光学系2としては、拡大光学系
の斜入射反射鏡4の開口数NAに合わせたものが望まし
く、本実施例では、図1に示したように、NA=0.2
の斜入射反射鏡を用いた。もちろん、本発明はこれに限
るものではない。
【0027】次に、請求項2に記載の発明の一実施例に
よるX線光学系を、走査型X線顕微鏡のマイクロビーム
光学系に組み込んだ場合を第2の実施例として図2に示
す。本実施例のX線光学系は、前記第1の実施例で示し
た斜入射反射鏡とゾーンプレートとの光軸に沿った配置
を反転させたものである。
【0028】図2において、X線源11から発したX線
は、ゾーンプレート12によってピンホール13上に集
光される。このゾーンプレート12とピンホール13の
光学系によって、X線源より発したX線は単色化され
る。さらに、ピンホール13の像を斜入射反射鏡14に
より縮小し、試料15をスポット状に照射する。この状
態で、駆動機構(不図示)によって試料ステージ16を
X−Y方向に移動させることによってX線スポットは試
料15面上を走査する。X線検出器19あるいは半導体
検出器17、光電子検出器18などからの信号をマッピ
ングする事により試料15面像が得られる。
【0029】なお、第2の実施例では、走査型X線顕微
鏡のマイクロビーム光学系に本発明のX線光学系を用い
た場合を説明したが、その他、蛍光顕微鏡など、X線光
学系を用いた各種分析装置に使用可能である。
【0030】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明によれば、
簡便な構成でありながら、高分解能かつ高倍率のX線光
学系装置が得られる。また、本発明の光学系に用いられ
るゾーンプレートは、従来のものに比べて製作が容易で
あるので、時間的にもコスト的にも本発明によるX線光
学系の設計は効率的となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるX線顕微鏡の概略
構成図である。
【図2】本発明の第2の実施例による走査型X線顕微鏡
の概略構成図である。
【図3】従来技術によるX線顕微鏡の概略構成図であ
る。
【図4】ウォルター型斜入射反射鏡の説明図である。
【図5】ゾーンプレートを説明する模式図である。
【符号の説明】
1,11,101:X線源 2,102:照明用光学系 3,15,106:試料 4,14:斜入射反射鏡 5,12:ゾーンプレート 6:撮像装置 13:ピンホール 16:試料ステージ 17:光電子検出器 18:半導体検出器 19:X線検出器 100:鏡筒用真空容器 103:試料カプセル 104:結像光学系 107:モニタ 110:排気装置 A:回転双曲面 B:回転楕円面

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料のX線像を拡大する斜入射反射型光
    学部材と、該光学部材によって形成された中間像をさら
    に拡大するゾーンプレートとを備えたことを特徴とする
    X線光学系。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のX線光学系の前記斜入
    射反射型光学部材と前記ゾーンプレートの光軸に沿った
    配置を反転してなることを特徴とするX線マイクロビー
    ム照射装置用のX線光学系。
JP5341191A 1993-12-13 1993-12-13 X線光学系 Pending JPH07167994A (ja)

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JP5341191A JPH07167994A (ja) 1993-12-13 1993-12-13 X線光学系

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JP5341191A JPH07167994A (ja) 1993-12-13 1993-12-13 X線光学系

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008180731A (ja) * 2008-03-31 2008-08-07 Muradin Abubekirovich Kumakhov X線顕微鏡
WO2009030390A1 (de) * 2007-09-04 2009-03-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und verfahren für die xuv-mikroskopie
KR20220066916A (ko) * 2019-09-16 2022-05-24 알아이 리서치 인스트루먼츠 게엠베하 Euv 리소그래피 포토마스크의 구조 및 결함 검사를 위한 현미경 시스템

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WO2009030390A1 (de) * 2007-09-04 2009-03-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und verfahren für die xuv-mikroskopie
JP2008180731A (ja) * 2008-03-31 2008-08-07 Muradin Abubekirovich Kumakhov X線顕微鏡
KR20220066916A (ko) * 2019-09-16 2022-05-24 알아이 리서치 인스트루먼츠 게엠베하 Euv 리소그래피 포토마스크의 구조 및 결함 검사를 위한 현미경 시스템

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