JPS6269201A - 不整透過型フレネルゾ−ンプレ−ト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、結像型Ｘ線顕微鏡などにおける輻射波の集束
、結像等に用いるフレネルゾーンプレート、特に、高い
分解能が製造容易に得られるようにした不整透過型７レ
ネルゾー７プレートに関するものである。

（従来の技術） 従来のこの種ゾーンプレートは、例えば、第１０図番こ
示すように、元やＸ線などの輻射波に対して透明な領域
すなわちゾーンと不透明なゾーンとを同心円環状に設け
て構成され、回折効果に基づく集束、結像の機能を有し
ている。

Ｎ個のゾーンを設けた７レネルゾーンプレートに８ける
ｎ番目のゾーンの外周半径ｒ（ｎ）は、つぎの（１）式
で与えられ、また、（２）式が得られる。

ｒ（ｎ）”＝　ｎ／λ　　（ｎ＝１．２．・・−・−、
Ｎ）　　＝（１）ｒ（］）−λｆ　　　　　　　　　　
　　　　・・・（２）ここに、ｆは焦点距離であり、λ
は波長である。

また、最外殻をなすＮ番目のゾーンの幅はつぎの。

（８）式で与えられる。

かかるフレネルゾーンプレートに入射した平行光の焦点
面における強度分布Ｉ（ｒ）は、後述の（２ｏ）式また
は（２１）式で表わされるが、Ｎが十分大きいときには
、つぎの（４）式および（５）式で与えられるＯｗ＝２
πｒ−ｒ（Ｎ）／λ／　　　　　　　　　　・（５）こ
こに、ＵＯ（Ｑ）はフレネルゾーンプレートを取除いた
ときのフレネルゾーンプレートの位置からの距離＝／、
中心軸からの距離；ｒの点Ｑにおける輻射波の振幅であ
り、Ｊｌ（Ｗ）は第１種１次ベッセル関数である。なお
、（４）式の関数はエアリ−関数としてよく知られてい
る。また、通常のレンズにおけると同様にして、つぎの
関係が成立つ。

集光スポットサイズ（全幅半値幅） １．０８λＦ　＝　１．０８　ｄｒ　　　　　　　　　
−（６１結像分解能（レイリー基準） １．２２λＦ　−１，２２ａｒ　　　　　　　　　−（
？）すなわち、フレネルゾーンプレートの分解能は最外
殻の最小ゾーン幅ａｒで決定されることが判る。

なお、Ｆは７レネルゾーンプレートのＦ数である。

（発明が解決しようとする問題点） したがって、分解能の良いレンズとして作用させるため
には、小さい最小ゾーン＠　ａｒを有するフレネルゾー
ンプレートを裏作すればよいことになる。従来、サブミ
クロン以下の分解能を有するフレネルゾーンプレートは
、レーザへ干渉を用いたホログラフィック法と電子ビー
ムリングラフィ法Ｅこよって製作されているが、ホログ
ラフィック法ではレーザの波長に対する制約等からａｒ
　＝　５８ｎｍが限界であり、電子ビームリングラフィ
法ではレジスト中に８ける電子の散乱に基づく近接効果
によって大略ｄｒ＝　５０　ｎｍが限界とされている。

したがって、従来の７レネルゾーンプレートには、精々
ｒｔ　ｏ　ｎｍ程度の分解能しか得られないという間、
。

照点があった。

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、高分解能を
有する製造容易なフレネルゾーンプレートを提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明不整透過型７レネルゾーンプレートは
、それぞれの幅を順次に異ならせて構成すべき透過性領
域と遮断性もしくは移相透過性領域とを交互に設ける７
レネルゾーンプレートに３いて、前記透過性領域の一部
および前記遮断性も・・しくは移相透過性領域の一部の
いずれか一部をそれぞれ遮断性もしくは移相透過性領域
および透過性領域にしたことを特徴とするものである。

（作用） 本発明によれば、フレネルゾーンプレートに３ける透過
性領域および遮断性領域の幅を近接効果が生じない値に
選んであるので、高い分解能を有するフレネルゾーンプ
レートを製造容易に実現することができる。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳ｌｌＡに
説明する。

まず、第］０図示の従来の７レネルゾー／プレートに対
応する本発明フレネルゾーンプレートの構成例の正面図
を第１図に示し、その断面図を第２図に示す。図示の本
発明７しネルゾーンプレート１に８いては、例えば、第
３図に概略構成を示す結像型Ｘｍ顕微鏡１こ用いられる
。第３図において、連続スペクトルを有する入射Ｘ線２
は、コント・デンサレンズとして作用する第】フレネル
ゾーンプレート３を介してピンホール令から物体５を通
過し、さらに、７オーカスレンズとして作用する第２フ
レネルゾーンプレート６を介してＸ線検知器またはＸ級
フィルム７上に結像する。第１７レネルゾーンプレート
３は、高い分解能を必要としないのであるから、前述の
ｉｌＯ図に示したような従来の構成とすることができ、
ピンホール４とともに連続スペクトルのＸ線を単色化す
る作用をする。一方、第２７レネルゾーンプレート６は
、高い分解能を必要とするので、本発明により、第１図
および第２図に示したように構成する。すなわち、第２
図に示したフレネルゾーンプレート］にＳいては、円環
状のシリコンウェハ８上にＳ　ｉＮｘの透過性薄膜９を
形成し、この層９上にＡｕからなる遮断性領域１０を同
心円環状に形成しである。

したがって、遮断性領域１ｏの相互間は透過性領域１１
となっており、また、層８，９は、Ａｕからなる遮断性
領域１０の支持層をなしている。

このように構成した遮断性領域］０と透過性領域１１と
は、第１図に示したよりに、中心部の第１の遮断性ゾー
ンｚ１から順次に、透過性のゾーンｚ２、遮断性のゾー
ンＺ３　、４　、５、透過性のゾーンｚ６、遮断性のシ
ーｙＺ７，８．９および透過性のゾーンｚ１０をなして
いる。

つぎ１こ、例えば光波に対する結像素子としてのフレネ
ルゾーンプレートの分解能を検討するにあたり、まず、
フレネルゾーンプレートＩこ入射した単色光ビームの焦
点面における強度分布の計算方法について述べる。しか
して、通常の屈折レンズについては、上述の強度分布が
エアリ−関数となることが知られており、集光像のスポ
ットサイズ（全幅半値幅）は１．０３λＦ（λ：波長、
ＩＰ：レンズのＦ数）で与えられ、また、結像の分解能
はレイリー基準で１．２２λＦと与えられる。これに対
して、従来のフレネルゾーンプレートについても全く同
じ議論が成立することは前述したとおりである。

しかしながら、本発明による不整透過型７レネルゾーン
プレートについては、焦点面における強度分布が、透過
性ゾーンの不整配置に基づいて、上述したエアリ−関数
からのずれを生ずる。

一方、Ｘｍ顕微鏡に関する実験の結果に基づき、通常の
フレネルゾーンプレートについて、結像の分解能が上述
したレイリー基準の値１．２２λＦより小さい０．８６
λＦｆこなったとの報告がなされている。

また、走査型Ｘ線顕微鏡ｌこ３いて分解能を決定するの
は集束スポットサイズであることが知られている。

以上のことから、以下においては、フレネルゾーンプレ
ートの分解能を、平行光に対する集光スポットサイズ（
全幅半値＠）１こよって新たに定義し直し、この分解能
斎こついて本発明不整透過型フレネルゾーンプレートを
従来型と比較して論する。

計算の原理 第４図ｆこ示すようｆこ、任意の形状、大きさの単量口
Ｂ上の点Ｐから距離ｒ′の位置に複素振幅Ａの単色光ｍ
、Ｓがある場合に、この単量口Ｂを介して点Ｐから距離
ｒ“の位置にある点Ｑに到来する光波の点Ｑに３ける波
動Ｕ（Ｑ）は、 Ｘ（ｃｏｓ（ｎ　、　ｒ“）−ｃｏｓ（ｎ、　ｒ’）　
ＪｄΣ　・（８）によって表わされるいわゆるフレネル
キルヒホッフの回折積分によって求められる。ここに、
ｋは向う法線、ｒ′は入射光の単位ベクトル、（ｎ、ｒ
’）は法ａｎと単位ベクトルｒ′とのなす角度であジ、
積分を行なうΣの範囲は開口Ｂの孔面積である。

第４図において光源Ｓの座標を（Ｘｏ、ｙｏ。

−２゜）、開口内の点Ｐの座標を（ξ、η〕、観測点Ｑ
の座標を（Ｘｅ　ｙ＋　ｚ）とし、さらに、開口Ｂの大
きさが点Ｓおよび点Ｑから開口Ｂまでの距離に比べて小
さいとすると、近似的Ｅこ、つぎの（９）式が成立つ。

ｃｏｓ（ｎ’、Ｐ′）−ｃｏｓ（ｎ、ｒ’）＝−２・（
９）また、点Ｓおよび点Ｑから開口面上の座標原点０ま
での距離をそれぞれｒ　／　ｏ１６よびｒ＃ｏとすれば
、つぎの（１０）式が成立つ。

したがって、真空中１こおける回折はつぎの（］】）式
によって計算される。

一方、点ＳｚよびＡＱの開口Ｂからの距離ｒ′２よびｒ
“については ３　　　・・・（１２） ｒ／　２　＝（ｘｏ−ξ）＋（ｙｏ−η）＋ｚ０ｒ“２
＝（Ｘ−ξ）”＋　（ｙ−ｙｔ）”　＋　ｚ”　　　　
　、−（１ａ）と表わせるが、フレネル回折の領域にお
いてはとなる。

これらの式（１４）　ｇよび（１５）を（１］）式に代
入して整理し、簡単な場合として、Ｘｏ＝ｙ０＝ｏ１ｚ
Ｏ＝■、すなわち、光源Ｓの位置が中心軸２上−■の位
置にある場合を考えると、つぎの（１６）式が成立つ０ Ｕ（Ｑ）＝−−Ｕ。（Ｑ） λ２ なお、Ｕｏ（Ｑ）は開口板Ｂを取除いたときの点Ｑに３
ける光波の蛋幅である。

つぎに、牛径ａの円形開口に２けるフレネル回折につい
て検討する。いま、 とＳくと、つぎの（１８）式の関係が成立つ。

ｄξｄ４−　ａ”ρｄρａｄ　　　　　　　　　　　＝
−（１８）したがって、フレネル回折による波動Ｕ（Ｑ
）はつぎの（］９）式となる。

・・・（１９） したがって、ゾーン数Ｎのフレネルゾーンプレートにつ
いては、 （ａｌ偶数番目のゾーンが透明な場合、Ｎを偶数として
、フレネル回折による波動Ｕ　（Ｑ）はつぎの（２０）
式で与えられる。

（ｔ）ｌ奇数番目のゾーンが透明な場合、すなわち、（
ａｌの場合に２ける透明、不透明を反転した場合に、Ｎ
を奇数として、フレネル回折による波動Ｕ　（Ｑ）はつ
ぎの（２］）式で与えられる。

いま、 と２くと、上述の（２０）式はつぎの（２３）式となる
。

Ｎ Ｊ　ｏ（Ｖ（ｎ）　ρ）　ｐａｐ　　　　　　　　−（
２３）ここで ＝　ｃ（ｕ、Ｖ）＋　１Ｓ（ｕ、ｖ）　　　　　　　　
　　−（２４）とおくと、 ・・・（２５） ・・・（２６） で定義され、これらの関数はロンメル関数・・・（２７
） ・・・（２８） を用いて算出することができる。

しかして、半径ａの円形開口ｌこついては、つぎの（２
９）式が成立つ。

ｖ（ｎ）／ｕ（ｎ）　＝　ｒ／　ａ＜　］　　　　　　
　　　・・・（２９）したがって、円形開口に３けるフ
レネル回折についてつぎの（３０）式Ｓよび（３］）式
を使用する。

ｕ 上述の（２４）式乃至（ａｌ）式を用いれば、フレネル
回折ｔこよる波動を（２８）式に基づく数値計算によっ
て算出することができる。本発明フレネルゾーンプレー
トｌこついては、この（２３）式に８ける透過領域に対
してのみ積分を行なえばよい。

例えば、ｉｌＯ図に示したような従来のゾーンプレート
の透明ゾーンのうち特定ゾーンのみを透明にする場合に
は、（２０）式のΣの積分を透明ゾーンのみについて行
なえばよいことになる。したがって、像点Ｑにおける強
度分布Ｉ（Ｑ）は、つぎの（８２〕式によって求められ
る。

Ｉ（Ｑ）　＝　ｌ　Ｕ（Ｑ）　ｌ”　　　　　　　　　
　・・・（３２）数値計算の例 まず、従来の構成のフレネルゾーンプレートにおける一
部の透明ゾーンを不透明にしても、分解能はほとんど変
化しないようにすることができることを数値計算例によ
って示す。

ゾーン総数Ｎ冨２００．中心ゾーン半径ｒ（１１＝９．
４６μｍの７レネルゾーンプレートの焦点面における半
径方向の透過強度分布の計算結果は第５図に示すように
なｐｌ例えば、Ｐ＝１はもとの透明ゾーンを１つおきに
透明としたものである。

また、第５図に示した強度分布を有するフレネルゾーン
プレートのスポットサイズをＰの関数として示すと第６
図のようになる０なお、ｐ＝ｏは従来の第１０図に示し
たようなフレネルゾーンプレートの場合である。

第５図および第６図に示した数値計算例によれば、７レ
ネルゾーンプレートにおける透明な部分の面積が小さく
なるにつれて、透過強度はその２乗に比例して低下する
が、スポットサイズはほとんど変化せず、その変化量は
１０％以内であることがわかる。

つぎに、各透明ゾーンの一部分のみをそれぞれ透明にし
た場合を考える。すなわち、第５図に示したものと同じ
パラメータの従来のゾーンプレートＩこ８ける各透明ゾ
ーンを一定ゾーン幅２ηｄｒ（０くηく１）だけ透明に
した場合の計算結果を第７図に示す。

第７図におけるＯくη≦０．５の範囲においては、スポ
ットサイズが小さくなるので、分解能はむしろ向上する
。かかる構成のフレネルゾーンプレートは、製作が容易
であるから、かかる構成は本発明フレネルゾーンプレー
トにとって重要である。

また、第７図における０、５＜ηく１の範囲に８いては
、本来不透明であるべきゾーンを透明−こすることを意
味するが、この範囲においても、スポットサイズの増大
は１０１以下である。

つぎｆこ、透過強度分布のさらに他の計算例を第３図に
示す。第３図において、曲線（］）はゾーン総数Ｎ−１
００、中心ゾーン半径ｒ（１）　蓄１　、１６１１　ｍ
　％最外周ゾーン幅ｄｒ＝　ｓ　Ｂ　ｎｍの従来のゾー
ンプレートの場合を示し、この場合蚤こおけるスポット
サイズはａ　ｏ　ｎｍである。なお、この構造パラメー
タは、前述したＸ線顕微鏡の実験ｆこ用いられて実験的
な分解能５０　ｒｉｍが報告されたものと同一である。

かかる従来構成の７レネルゾーンプレートに、ざらにｎ
＝１００〜５００のゾーンを追加して、追加した透明ゾ
ーンを１つおきに透明とするととも督こ、各透明ゾーン
の幅をｎ　＝　５００　Ｄときの幅ｄｒ　＝　２６　ｎ
ｍに一定とし、ざらＩＣ１ｎ＝５００〜８４０のゾーン
を追加して透明ゾーンを２つおきに透明とするとともに
、各透明ゾーンの幅をｎ＝８４０のときの幅ｄｒ　”　
２０　ｎｍに一定とした不整透過型７しネルゾーンプレ
ートに関する数値計算の結果を第３図の曲線（２）に示
す。この不整透過型フレネルゾーンプレートのスポット
サイズは２３ｎｍであシ、焦点距離は曲線（１〕に示し
た従来のものと同じであるが、分解能に約３倍の向上が
見られる。また、透明領域の総面積が増大したために、
透過強度は１５倍に増大している。なお、かかる形状、
寸法の不整透過型フレネルゾーンプレートは電子ビーム
リングラフィ法によって十分容易に製作することができ
る。

上述した数値計算の結果から判るように、前述の定義の
分解能は、本発明による不整透過型フレネルゾーンプレ
ートにおいても従来のものと大差はない。したがって、
分解能をあまり変化させずに透明ゾーン相互間の間隔を
大きくとることが可能となり、製造時の近接効果を避け
ることができる。さらに、集光効率については、透明領
域の総面積の比率が小さくなるために、集光効率は低下
するが、爽涼には、微細加工技術上の制約が緩和される
ので、むしろ、本発明による不整構造の方が透明領域の
絶対総面積が大きくとれ、Ｆ数の小さいものが裏作可能
となり、したがって、明るいレンズを製作し得ることに
なり、集光点における絶対強度を大幅に増大させること
が可能となる。

実験結果によれば、電子ビームリングラフィ法により等
間隔のラインアンドスペースで描写し得る最小組幅は大
略５０　ｎｍであるが、線間隔が１０　Ｕ　ｎｍ以上あ
れば、線幅ｓ　ｎｍまで描画可能となる。したがって、
線と線との周期的間隔を１１００ｎ以上にすると、線幅
５０　ｎｍ以下の線の周期パターンを描画することが可
能となる。かかる描画の可能性は、同心円状に形成する
フレネルゾーンプレートのゾーンパターンについても同
様に成立つ。この線間隔］　００　ｎｍという値は実験
条件によフ多少異なって釆るが、この値をＬとすると、
最小ゾーン幅ｄｒが５０　ｎｍ以下の不整透過型フレネ
ルゾーンプレートを製作するには、例えば、第５図につ
き前述した構成の場合番こけ、（２Ｐ＋１　）ｄｒ　；
２：　Ｌ　　　　　　　　　　　　−・（ａ３）を満足
する最小の整数Ｐを用いればよいことになり、一般には
、透明ゾーンと透明ゾーンとの間隔が５以上となるよう
な不整透過型に構造すればよいことになる。

以上の説明においては、遮光ゾーンと透光ゾーンとを交
互に設けた振幅型フレネルゾーンプレートについて本発
明を詳細に述べたが、振幅型に８ける遮光ゾーンを透光
ゾーンとは異なる位相の透光性としてその位相を１１１
次に変化させた位相型フレネルゾーン、プレートあるい
はブレーズドフレネルゾーンプレートｆこついても同様
の構成による不整透過型とすることが可能である。また
、同心円状でないフレネルゾーンプレート、例えば、順
次ｆこ幅の異なる帯状ゾーンからなるリニアフレネルゾ
ーンプレートについても同様の構成を適用して不整透過
型とすることが可能となる。

最後１こ第９図（（転）〜（Ｃ）を参照して、第１図お
よび第２図に示した構成の本発明不整透過型フレネルゾ
ーンプレート１の製造方法を述べる。第９図（ａｌにお
けるシリコンウェハ８上にはＳｉ　ＮＸ層９を化学的気
相成長（（３ＶＤ）法１こよって例えば厚さ１１００ｎ
に形成し、その上にＡｕ層】２を形成し、さらにその上
にポジ型電子縁レジスト層１３を被着する。Ａｕ層１２
およびレジスト層１３の膜厚も１１００ｎ程度にする。

　ｆＬ　ｊ６　、Ａｕ層１２　ｔｉ　ＳｉＮｘ　）ｆＪ
　９　上１こ真空蒸着する。

つぎに、第９図（ｂ）に示すように、電子ビーム１４蚤
こよってレジスト層１８上番こ遮光性領域を描画したう
えで、レジスト層１８の現像を行ない、その現像後ｌこ
、第９図（Ｃ１に示すように、アルゴン（Ａｒ）イオン
ビームを用いたエツチングを施してＡｕ層１２を選択的
に除去する。最後に、残余のレジスト層１８を除去する
とともに、シリコンウェハ８を選択的に除去して第１図
および第２図に示した領域を描画することになる。

さらに、本発明は、結像型Ｘ線顕微鏡のみならず、走査
型Ｘ線顕微鏡および螢光Ｘ線顕微値（ご用いるフレネル
ゾーンプレートに適用することができ、他の用途に用い
るフレネルゾーンプレートについても同様に通用し得る
こと勿論である。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなようｌこ、本発明によれば、従
来に比して格段に高い分解能を有するフレネルゾーンプ
レートを製造容易に実現するＣとが可能になるという格
別の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明フレネルゾーンプレートの
構成例をそれぞれ示す正面図および断面図、 第３図はフレネルゾーンプレートを用いた結像型Ｘ線顕
微鏡の概略構成を示す線図、 第４図はフレネルゾーンプレートの計算原理を示す線図
、 第５図乃至第３図は本発明フレネルゾーンプレート番こ
関する数値計算の結果をそれぞれ示すグラフ、 第９図（ａｌ〜（Ｃ１は不発明フレネルゾーンプレート
の製造過程の例を順次に示す線図、 第１０図は従来のフレネルゾーンプレートの構成を示す
正面図である。 １・・・フレネルゾーンプレート ２・・Ｘ線 ３．６・・・フレネルゾーンプレート ４・・・ピンホール　　　　５・・・物体７・・・Ｘ線
フィルム　　　８・・・シリコンウェハ９・・・５ｉＮ
）（層　　　　　１０・・・遮光性領域１１・・・遮光
性領域　　　１２・・・Ａｕ層］３・・・レジスト層　
　　　１４・・・電子ビーム特許出願人　　大　阪　大
　学　長 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 ０．５　　　　　　　　　　　　　　１．０第３図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、それぞれの幅を順次に異ならせて構成すべき透過性
   領域と遮断性もしくは移相透過性領域とを交互に設ける
   フレネルゾーンプレートにおいて、前記透過性領域の一
   部および前記遮断性もしくは移相透過性領域の一部のい
   ずれか一方をそれぞれ遮断性もしくは移相透過性領域お
   よび透過性領域にしたことを特徴とする不整透過型フレ
   ネルゾーンプレート。 ２、特許請求の範囲第１項記載のフレネルゾーンプレー
   トにおいて、前記透過性領域と前記遮断性もしくは移相
   透過性領域とをともに円環状に構成して交互に同心円状
   に設けたことを特徴とする不整透過型フレネルゾーンプ
   レート。 ３、特許請求の範囲第１項記載のフレネルゾーンプレー
   トにおいて、前記透過性領域と前記遮断性もしくは移相
   透過性領域とをともに帯状に構成して交互に平行に配列
   したことを特徴とする不整透過型フレネルゾーンプレー
   ト。 ４、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の
   フレネルゾーンプレートにおいて、一部の前記透過性領
   域および一部の前記遮断性もしくは移相透過性領域のい
   ずれか一方をそれぞれ遮断性もしくは移相透過性領域お
   よび透過性領域にしたことを特徴とする不整透過型フレ
   ネルゾーンプレート。 ５、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の
   フレネルゾーンプレートにおいて、少なくとも一部の前
   記透過性領域の一部および少なくとも一部の前記遮断性
   もしくは移相透過性領域の一部のいずれか一方をそれぞ
   れ遮断性もしくは移相透過性領域および透過性領域にし
   たことを特徴とする不整透過型フレネルゾーンプレート
   。