JPH07181298A

JPH07181298A - 走査型軟ｘ線顕微鏡

Info

Publication number: JPH07181298A
Application number: JP32455093A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Iketaki; 慶記池滝
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1995-07-21
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JP3331245B2

Abstract

(57)【要約】【目的】非常にラフな精度のステージを用いつつ、デ
フォーカスによる空間分解能の著しい劣化も回避する。【構成】顕微鏡システムは、例えばレーザープラズマ
光源、軟Ｘ線マイクロビームのサイズを規定するピンホ
ール１１、シュバルツシルド光学系２１によるビーム形
成の軟Ｘ線結像光学系、サンプル、紫外光フィルター２
４及びＸ線検出器２５等を含み、更にピンホール１１が
光軸と垂直な平面内を移動できる様なピンホールステー
ジ１３をもつ。走査は、サンプルは固定でピンホールを
光軸と垂直な平面内で走査してマイクロビーム自体を走
査する方法で行う。マイクロビームのサイズで試料を走
査する場合、ピンホールのサイズでピンホール自体を２
次元走査すればよい。ピンホールの光軸方向の変動があ
っても、集光点の位置移動は僅かで、デフォーカスによ
る空間分解能の劣化も起こりにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型軟Ｘ線顕微鏡に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＳＯＲ光源やラボラトリーユース
のレーザープラズマの出現に伴い、軟Ｘ線光学素子を用
いた様々なシステムの開発が提案されている。特に、試
料の透過像を高解像度で観察できるＸ線顕微鏡の研究
は、各研究機関で精力的に進められている。その中で
も、結像光学素子で微小のビームを得て、試料上を走査
することにより画像を形成する走査型のものは、生物試
料の生きたままの状態での観察、各種材料物質の分析な
どの用途に適するものとして、注目されている。有限の
サイズの光源をＸ線光学系で縮小結像して、Ｘ線マイク
ロビームを形成して試料を走査する走査型Ｘ線顕微鏡
は、透過型顕微鏡あるいは蛍光Ｘ線や２次電子を計測す
る表面分析にも応用できるので、便利である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図２に示すものでは、
次のようにして、走査型Ｘ線顕微鏡を実現しようとする
ものである。本例は、Ｘ線光源にレーザープラズマ光源
を用いたもので、マイクロビームを作成するためのＸ線
光学系としてシュバルツシルド型光学系を用いている。

【０００４】図中、１はＮｄ：ＹＡＧレーザー、２はレ
ンズ、３はターゲットをそれぞれ示し、これらでレーザ
ープラズマを発生させる。ターゲット３へのレーザー照
射により発光したＸ線は、光源の前方に配置されたピン
ホール１１を通過し、シュバルツシルド型光学系２１に
より分光及び縮小結像される。そして、集光点を対象試
料（サンプル）により２次元走査するが、このとき、本
顕微鏡を、前記で触れたように試料の透過像の観察のた
めの透過型顕微鏡として利用する場合は、図示の如く、
集光点の後方にフィルタ２４、検出器２５を置いてその
強度をモニターする。また、表面分析機として利用する
場合には、試料の前方に、図中参照符号３０を付して示
す電子分光器あるいはＸ線検出器を配置する。

【０００５】ここで、走査については、試料をラスター
状に動かすことによって行う。かかる移動のためサンプ
ルステージ２２が備えられ、対象試料をここに配してこ
れを移動させるようになす。試料の走査は空間分解能を
上げるためにＰＺＴ等を用いた高精度のＸ−Ｙステージ
を利用し、そのようなステージをサンプル走査ステージ
２２として使用する。

【０００６】ここで、走査型Ｘ線顕微鏡の空間分解能に
着目すると、一般に、走査型Ｘ線顕微鏡の空間分解能を
決定するのは、ピンホールのサイズとＸ線光学系の倍率
及び空間分解能である。ここに、シュバルツシルド型光
学系等は特に空間分解能が優れ、空間分解能は数１０ｎ
ｍ程度で非常に高い。従って、Ｘ線結像光学系にかかる
光学系を用いる場合、マイクロビームのサイズを決める
のは主に、ピンホールと光学系の倍率であるということ
になる。具体例をあげれば、例えば、使用ピンホール及
びＸ線結像光学系について、１０μｍφのピンホールを
用い、２００倍のＸ線結像光学系でマイクロビームを形
成するするなら、そのビームサイズは大体５０ｎｍ程度
になる。

【０００７】この場合、このようなマイクロビームのサ
イズの分解能を有する走査型Ｘ線顕微鏡を実現しようと
するためには、試料の走査のためのその手段として少な
くとも５０ｎｍの空間分解能を有する２次元ステージが
必要であることになる。

【０００８】しかして、走査型Ｘ線顕微鏡を設計する
際、一番問題となるものの一つは、試料を走査するため
のそのステージ（サンプル走査ステージ）２２である。
なぜなら、それは、上記でみたように、あるいは下記す
る考察の点を含めて、その場合に備えるべきサンプル走
査ステージとしては、直線性が優れ、しかも数１０ｎｍ
程度の高い空間分解能をもつステージを作製する必要が
あるからである。一般に、光学系で縮小結像する際、焦
点深度が非常に浅い（縮小側で開口数が例えば０．２程
度）。従って、もし、その使用走査ステージの直線性が
悪いと、試料を走査する際にデフォーカスが発生し、空
間分解能が著しく劣化するなどする。故に、そのように
ならないようにと、サンプル走査ステージには、非常に
高価で精度の高い走査ステージが必要とされることにな
る。

【０００９】本発明は、上述のような考察結果に基づき
なされたもので、上記の如き不利等を解消し得て、走査
に高精度のステージを要求されず、かつ空間分解能に優
れる、Ｘ線顕微鏡観察を実現しようというものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｘ線光源から
のＸ線を、軟Ｘ線マイクロビームのサイズを規定するピ
ンホール、及びビームを形成する軟Ｘ線結像光学系によ
りサンプルに照射し、検出器により検出を行うＸ線顕微
鏡であって、前記ピンホールが光軸と垂直な平面内を移
動できるような手段を設け、これにより走査を行うよう
構成したことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明においては、試料は固定でそのピンホー
ルを光軸と垂直な平面内で走査してマイクロビーム自体
を走査する方法が効果的に実現される。マイクロビーム
のサイズで試料を走査するにあたり、縮小側の試料ステ
ージで走査する場合にあっては、高い所要の位置分解能
で走査する必要があるのに対し、走査時、試料が固定
で、ピンホールが光軸と垂直な平面内を移動できるよう
にして、マイクロビーム自体を走査すると、そのピンホ
ールのサイズでピンホール自体を２次元走査すればよ
い。また、これのみならず、ピンホールを２次元走査す
る際、光軸方向の変動を伴って走査がされたとしても、
その結像光学系での集光点の位置は、ピンホールが光軸
方向に変動したその移動量よりも、はるかに僅かしか移
動しない。従って、デフォーカスによる空間分解能の劣
化も起こりにくい。よって、走査のために、例えばステ
ッピングモータを用いるステージでも精度は足り、所要
の空間分解能を容易に確保することができる。また、本
発明においては、ＳＯＲ光源、レーザープラズマ光源に
いずれも適用できる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づき説明する。図
１は、本発明の一実施例を示す。同図は、本実施例によ
るものの光源、顕微鏡システムの全体構成像を表してお
り、基本的な構成については、図２に示したものと同様
であってよい。本システムでは、Ｘ線光源、軟Ｘ線マイ
クロビームのサイズを規定するピンホール、軟ビームを
形成する軟Ｘ線結像光学系、サンプル、紫外光フィルタ
ー及びＸ線検出器等からなる構成のものとできるが、具
体的には、ここでは、光源としてレーザープラズマ光源
を用い、また、シュバルツシルド光学系を用いる走査型
Ｘ線顕微鏡の場合を例にとっている。

【００１３】以下、その構成について、機能も併せて述
べるに、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１は、真空中に置かれた
ターゲット３を照射する。即ち、該レーザー１からのレ
ーザー光を集光レンズ２でターゲット３上に集光し、白
色のレーザープラズマを発生させる。これで軟Ｘ線光源
を得ている。

【００１４】上記により発光したＸ線は、マイクロビー
ムをプローブ光として試料へ照射するべく、軟Ｘ線マイ
クロビームを形成し、またそのビームのサイズを規定す
るよう、光源の近くに置かれた所要ホールサイズのピン
ホール１１を通過し、シュバルツシルド光学系２１に向
かい、これに入射させる。シュバルツシルド光学系２１
は、所定波長に対し反射率分布をもつ多層膜を被覆して
なる球面鏡からなり、Ｘ線結像光学系は、これを含んで
構成される。

【００１５】集光点の後方には、紫外光カットフィルタ
ー２４と、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）から
なる検出器２５を配置する。本フィルター２４は、結像
に関係しない紫外迷光をカットする役割をする。Ｘ線検
出器２５は、試料の透過像観察のための透過型顕微鏡観
察を行うのに用いられ、これは容器外の例えばディスプ
レイモニター等に接続されて使用される。試料へのマイ
クロビーム照射による発生２次電子等の検出用の光電子
分光器あるいはＸ線検出器３０は、これも容器内に配置
して併用するときは、本システムは、透過型顕微鏡と表
示分析機との使い分けができる。上記のような光学系、
検出系も、空気による軟Ｘ線の吸収を避けるため真空中
におかれる。

【００１６】本システムは上述の光源、光学系、検出系
を備えるとともに、更に、本実施例にあっては、レーザ
ープラズマ光源部とシュバルツシルド光学系２１の間の
前記所定サイズのピンホール１１を光軸と垂直な平面内
で走査してマイクロビーム自体を走査するよう、当該ピ
ンホール１１が光軸と垂直な平面内を移動できるような
手段を設ける。該手段は、ピンホール１１が設定された
ピンホール形成部材１２を設けられて、ピンホール１１
が光軸と垂直な平面内を移動できるようなステージ１３
を具備することができる。

【００１７】このようにするのは、下記のような点に基
づくものである（解決原理）。今、使用ピンホールのサ
イズをｓ、Ｘ線光学系の倍率をｍで表すとすると、マイ
クロビームサイズはｓ／ｍとなる。従って、かかるマイ
クロビームのサイズで試料を走査する場合において、縮
小側の試料ステージで走査する場合には、ｓ／ｍの位置
分解能で走査する必要がある。

【００１８】しかるに、走査では、サンプルは固定で、
ピンホール１１を光軸と垂直な平面内で走査して、マイ
クロビーム自体を走査する本方法であるなら、この方法
では、（ｓ／ｍ）・ｍ＝ｓの、即ちピンホール１１のサ
イズ（ｓ）でピンホール１１自体を２次元走査すればよ
い。これによると、それだけ、走査はラフなものであっ
てもよいことになる。また、加えて、そのピンホール１
１の２次元走査にあたり、たとえその２次元走査にとっ
ては本来的に不所望な方向へのピンホール移動があって
も、デフォーカスに起因する空間分解能の大幅な劣化も
避けられる。即ち、ピンホール１１を２次元走査する
際、光軸方向の変動を伴って走査したとしても、集光点
側では縦倍率（即ち、１／ｍ² ）で効くので、仮に、使
用光学系の倍率が例えば１００倍（＝ｍ）のときなら
ば、ピンホール１１が１００μｍ程度光軸方向に移動し
ても、集光点の位置は１０ｎｍ程度しか移動しない（こ
れは、この点でも、その分、走査に、そういった面での
高精度も要求されないことを意味する）。従って、デフ
ォーカスによる空間分解能の劣化が起こりにくい。

【００１９】以上のようにして、走査は、高精度のもの
でなくても足り、所要の空間分解能も確保し得るのであ
る。本システムは、このような点から、ピンホール１１
を光軸と垂直な平面内で走査するステージ１３を具備さ
せる。

【００２０】なお、上記の場合において、使用Ｘ線光源
との関係に関しては、次のようなことがいえるものであ
る。即ち、このとき重要な点となるのは、Ｘ線光源が十
分大きく一様な輝度をもっているかどうかであるが、Ｓ
ＯＲ光の場合には、ビームはサイズ１ｍｍ×１ｍｍであ
り、比較的一様な輝度をもっている。従って、１０μｍ
φ（＝ｓ）のピンホールを用いても、１００×１００の
画素で構成される２次元イメージが得られる。一方、レ
ーザープラズマ光源は、レーザー光を数１０μｍ程度に
集光した場合には光源のサイズが２００〜３００μｍで
あるが、レーザーのビーム径を大きくし、強度を上げれ
ば、やはり１ｍｍ程度のプラズマサイズ形成することが
できる。従って、本実施例システムの如くレーザープラ
ズマ光源でも適用できる。レーザープラズマ光源による
ときは、試料の画像を得て顕微鏡観察する場合、あるい
は表面分析をする場合に、製作の簡単なラボラトリーユ
ースの光源が利用できる。

【００２１】上記に従ってピンホール１１を走査するべ
く設けられるステージ１３は、具体的にはこれを移動機
構の簡単なステッピングモータによるマイクロステージ
とするのは、好ましい態様である。本実施例システムで
は、上記のようにレーザープラズマ光源及びシュバルツ
シルド光学系２１を用いるものであるが、この場合にお
いて、特にシュバルツシルド型光学系は視野が広いので
数１０μｍ（像面側：縮小側）の領域で、マイクロビー
ムのサイズは、０．１μｍより小さい。このような条件
では、１０μｍ×１０μｍ（１００×１００画素）領域
で０．１μｍよりいい（高い）分解能の領域が実現す
る。像面側で１００ｎｍ程度のステップで位置制御する
場合、物体側であるピンホール側ではそれは光学系の倍
率（＝ｍ）を掛けた値のものになる。よって、例えば、
１００倍の対物を利用する場合、１００ｎｍ×１００＝
１０μｍの精度でピンホール１１を移動すればよい。

【００２２】従って、移動機構は極めて簡単になる。そ
れ故に、例えば、これを実現する移動機構としては、ス
テッピングモータを用いるマイクロステージでも精度が
足りることになる。勿論、インチワームステージ等の高
精度のＰＺＴを用いるステージでもかまわない。

【００２３】こうして、本システムにおいて、ピンホー
ル１１のためのステージ１３は、好ましくは、ステッピ
ングモータを用いたマイクロステージである。また、よ
り好ましくは、これは２次元ステージにとどまらず、ピ
ンホール１１の２次元走査に加え、ピンホール１１を光
軸方向にも走査可能なＸ−Ｙ−Ｚの３次元マイクロステ
ージである。また、好ましくは、マイクロステージは、
大気側（真空容器外）からステッピングモータ等を制御
することで位置制御できるピンホールステージである。
もっとも、先にも触れたとおり、インチワームステージ
等の高精度のＰＺＴを用いたステージをピンホールステ
ージ１３として使用することを妨げるものではない。こ
の場合でも、ピンホール１１を光軸と垂直な平面内で走
査してマイクロビーム自体を走査することはできる。

【００２４】ここでは、３次元マイクロステージを用い
るものとし、従って、ピンホール１１を有するピンホー
ル形成部材１２は、上記Ｘ−Ｙ−Ｚの３次元マイクロス
テージ１３上に固定されている。このマイクロステージ
１３は大気側からステッピングモータ等を制御すること
で位置制御できる。

【００２５】試料の走査はこのような構成の下で行わ
れ、使用シュバルツシルド光学系２１及びピンホール１
１として、例えば、２００倍（＝ｍ）のシュバルツシル
ド光学系と１０μｍφ（＝ｓ）のピンホールを用いる場
合、像面で５０ｎｍの空間分解能が必要であれば、該ピ
ンホール１１は１０μｍ程度の精度で光軸と直交する面
内で２次元走査できればよい。図２によるのものでは、
同様の光学系倍率及びピンホールサイズの場合において
同様の分解能を有するものを実現せんとするときに要求
される精度に比し、はるかにラフなものであって済む。

【００２６】上記３次元マイクロステージ１３によって
光軸と垂直な平面内で移動されるピンホール１１を通過
したＸ線は、シュバルツシルド光学系２１に入射し該光
学系の多層膜で分光され、同光学系で結像される。本実
施例では、透過試料は固定のままで、集光点と試料の位
置合わせはピンホール１１を光軸方向に移動することで
行う。３次元マイクロステージ１３であると、このよう
なことも実現できる。なお、サンプルステージ２２ａ
は、試料の光軸への挿脱などの用途に使用できる。走査
時、マイクロビーム自体を走査することにより試料の走
査がなされ、かくして試料を通過したＸ線は、紫外迷光
をカットする紫外光カットフィルター２４を透過し、Ｍ
ＣＰを使用した検出器２５で検出され、試料の透過像を
高解像度でディスプレイ等により観察することができ
る。

【００２７】このようにして、レーザープラズマ光源、
ピンホール１１、シュバルツシルド光学系２１、紫外光
フィルタ２４、検出器２５を備えるとともに、上記ステ
ージ１３による構成をもって、サンプルは固定でピンホ
ール１１を光軸と垂直な平面内で移動してマイクロビー
ム自体を走査する方法を効果的に実現できる走査型軟Ｘ
線顕微鏡を得られる。焦点深度の非常に浅い光学系で縮
小結像させる際でも、使用ステージ１３の直線性の良否
が試料走査の際のデフォーカスの発生、それによる空間
分解能の著しく劣化等、性能を大きく左右することも回
避できる。直線性に優れしかも高い空間分解能をもつ非
常に高価な走査ステージを製作し、それを用いないで
も、上記走査型軟Ｘ線顕微鏡を実現できる。

【００２８】更に、本実施例について、具体的な数値を
含めて説明する。本実施例において、今、その使用シュ
バルツシルド光学系２１の像面側の開口数を０．３と仮
定して、その場合における像面でのデフォーカス量ｗと
マイクロビームのデフォーカスによるぼけを見積る。

【００２９】マイクロビームがデフォーカスによるぼけ
の程度は、像面がマイクロビームを横切る面積である。
従って、像面側の開口数が０．３の光学系において、こ
の場合のマイクロビームを横切る面積の径ａは、２・ｗ
・ｔａｎ0.3 ≒０．６ｗで与えられる。そして、かかる
顕微鏡で空間分解能が０．１μｍ以上必要な場合には、
ｗは０．１５μm 以下である必要がある。従って、像面
側で試料をマイクロビームによりｗ＝０．１５μｍ以下
の平面精度で走査する必要がある。しかして、本発明に
従えば、ピンホール自体を走査するのでｍ² ｗの精度で
ピンホールを２次元走査すれば良い。具体的には、本実
施例では、ｍ＝２００、ｗ＝０．１５μm で、２００²
×０．１５μm ＝６ｍｍ程度となる。以上のように、こ
の点からも、非常にラフな精度のステージを用いて走査
型Ｘ線顕微鏡が実現できることがわかる。

【００３０】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。例えば、光源は図示例では、レーザープ
ラズマ光源として説明したが、先にも触れたように、Ｓ
ＯＲ光源でもよい。また、結像光学系についてもシュバ
ルツシルド光学系以外のもので実施してもよい。また、
専ら表面分析機として利用する場合も、本発明に含まれ
るものである。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、走査は、試料が固定で
ピンホールを光軸と垂直な平面内を移動できるようして
マイクロビーム自体を走査することができ、走査に高精
度のステージを要求されず、ラフな精度のものであって
十分足り、かつ、その場合であっても所要の空間分解能
を容易に確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】図１と対比して示す、レーザープラズマ光源部
及びシュバルツシルド型光学系を用いる走査型軟Ｘ線顕
微鏡の比較例の図である。

【符号の説明】

１Ｎｄ：ＹＡＧレーザー２レンズ３ターゲット１１ピンホール１２ピンホール形成部材１３ピンホールステージ２１シュバルツシルド型光学系２２ａステージ２４フィルタ（紫外光カットフィルタ）２５検出器（マイクロチャンネルプレート）３０光電子分光器又はＸ線検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線光源からのＸ線を用い、軟Ｘ線マイ
クロビームのサイズを規定するピンホール、及びビーム
を形成する軟Ｘ線結像光学系により試料への照射を行う
Ｘ線顕微鏡であって、前記ピンホールが光軸と垂直な平面内を移動できるよう
な手段を設け、これにより走査を行うよう構成したこと
を特徴とする走査型軟Ｘ線顕微鏡。