WO2008010491A1

WO2008010491A1 - Procédé de contrôle de position de haute précision d'un miroir à rayons x

Info

Publication number: WO2008010491A1
Application number: PCT/JP2007/064098
Authority: WO
Inventors: Kazuto Yamauchi; Hidekazu Mimura; Hiromi Okada
Original assignee: Jtec Corporation; Osaka University
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2008-01-24
Also published as: EP2045820A1; EP2045820B1; EP2045820A4; JP2008026294A; US8000443B2; JP4557939B2; US20100002838A1

Description

明細書

X線ミラーの高精度姿勢制御法

技術分野

[0001] 本発明は、 X線ミラーの高精度姿勢制御法に係わり、更に詳しくは例えば放射光施設で用いられる硬 X線カも軟 X線の X線を集光スポットが lOOnm以下の高、空間分解能で集光させるための X線ミラーの高精度姿勢制御法に関する。

背景技術

[0002] SPring-8に代表される第三世代放射光施設にぉヽて軟 X線力ゝら硬 X線までの様々な波長領域において、高輝度、低ェミッタンス、高コヒーレンスという特徴を持つ X線を利用することができるようになった。このことは蛍光 X線分析や光電子分光、 X線回折等の様々な分析の感度や空間分解能を飛躍的に向上させた。このような放射光を利用した X線解析や X線顕微法は高感度、高分解能であるだけでなく非破壊で観察が可能であるため、現在、医学、生物、材料学等の分野で利用されつつある。

[0003] 放射光施設にお!ヽて、 X線を用いた様々な分析技術に高ヽ空間分解能を付加するためには、集光された X線ナノビームが必要となる。 X線ナノビーム形成には、反射型ミラーを用いた方法が輝度と色収差がないという理由力最も優れた集光光学素子として認識されている。ここで、反射型ミラーを用いた集光光学系としては、 K-B ( Kirkpatrick and Baez)ミラーが一般的に使用されている（特許文献 1参照）。 K—Bミラー配置は、光源と集光点を焦点とする楕円の形状が作り込まれた 2枚の全反射ミラ一で構成され、それぞれのミラーが、垂直、水平方向集光を担っている。

[0004] 反射型ミラーは、光源からの X線を全反射もしくは、多層膜により反射させることで一点に集光させる。ベストな集光状態を維持するためには、温度ドリフトなどによって変化する入射 X線とミラーとの角度 (入射角）を一定にさせる必要がある。放射光を用いた観察は多くの場合、長時間計測となるため、 X線ミラーによる集光光学系を用いた X線顕微鏡の場合、集光ビームの状態を一定にする必要不可欠である。これまでは、温度環境を一定に保つことでの対応しかなぐ X線ミラーを用いた集光光学系におけるおおきな欠点として挙げられていた。原理的には、回折や屈折を用いた集光方法に比べ、開口の大きさ、効率の点力優れているにもかかわらずこの欠点のため

、 X線ミラーによる集光方法は長時間観察には不向きとされていた。

特許文献 1：特開平 08 _ 271697号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] このように、高分解能 X線顕微鏡を実現したり、 X線による高精度な計測をするための反射型ミラーによる集光において、ミラーの初期ァライメントと並び重要となるのは、ベストな集光状態を維持することである。例えば、 15keVの X線を K— Bミラー配置により lOOnm以下のレベルに集光するためのミラーでは、 1 rad以下で一定に入射角度を保たなければならなヽ。

[0006] そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しょうとするところは、硬 X線から軟 X線の X線を集光し、あるいは X線の光路を変更するための超高精度な X線ミラー若しくは X線光学素子の姿勢、特に X線の入射角度を 1 μ rad以下で一定に保つことが可能な X線ミラーの高精度姿勢制御法を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明は、前述の課題解決のために、硬 X線力ゝら軟 X線の X線を集光スポットが 10 Onm以下の高い空間分解能で集光させるための X線ミラーの高精度姿勢制御法であって、光源と集光点を焦点とする楕円形状の反射面からなる集光面帯が形成された縦方向集光ミラーと横方向集光ミラーを互に垂直に配置した K—Bミラー配置とし、各集光ミラーの集光面帯の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面でフレネルミラーをそれぞれ構成し、前記集光面帯による集光ビームに影響されない位置で各集光ミラーの前記フレネルミラーによる干渉縞を別々にモニターし、該干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を各集光ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用することを特徴とする X線ミラーの高精度姿勢制御法を構成した (請求項 1)。

[0008] ここで、前記縦方向集光ミラーと横方向集光ミラーのそれぞれに設けたフレネルミラ一による検出信号により、それぞれの入射角制御用のパルス駆動するモータ若しくはァクチユエータを制御してなるのである（請求項 2)。 [0009] また、前記フレネルミラーによる干渉縞を対象 X線に対して感度のあるイメージングカメラでモニターし、集光スポットが最小のときの干渉縞を基準画像データとし、該基準画像データと現在の逐次画像データとの比較から検出信号を生成してなることが好ましい (請求項 3)。

[0010] また、前記フレネルミラーによる干渉縞を対象 X線に対して感度のあるイメージングカメラでモニターし、集光スポットが最小のときの干渉縞を基準画像データとし、該基準画像データに対する逐次画像データの変化を検出し、該逐次画像データが基準画像データに対して許容範囲で一致するまで、前記モータ若しくはァクチユエータを駆動するパルス信号を生成してなることもより好ましヽ (請求項 4)。

[0011] ここで、前記イメージングカメラが CCDカメラであることも好まヽ（請求項 5)。あるいは、前記イメージングカメラがピンフォールとフォトダイオードを組み合わせた X線検出器であることも好ま、 (請求項 6)。

[0012] そして、硬 X線から軟 X線の X線を帯状の反射面帯で反射させて集光若しくは光路変更するための X線ミラーの高精度姿勢制御法であって、前記 X線ミラーの反射面帯の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面でフレネルミラーを構成し、前記反射面帯で反射された X線ビームに影響されな!ヽ位置で前記フレネルミラーによる干渉縞をモニターし、該干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を X線ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用することを特徴とする X線ミラーの高精度姿勢制御法を構成した (請求項 7)。

[0013] また、硬 X線力軟 X線の X線を反射させて集光若しくは光路変更するために高精度姿勢制御が可能な X線ミラーであって、長手方向に帯状の反射面帯を形成するとともに、反射面帯の入射側端部と出射側端部の近傍にフレネルミラーを構成する一対の平面反射面を形成したことを特徴とする X線ミラーを提供する (請求項 8)。

発明の効果

[0014] 以上にしてなる本発明の X線ミラーの高精度姿勢制御法は、硬 X線から軟 X線の X 線を集光若しくは反射させる X線ミラーに、該 X線ミラー本来の機能を果たす集光面帯や反射面帯を形成するとともに、入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面でフレネルミラーを構成したことにより、同一の光源カゝら射出された X線を集光若しくは反射させると同時に、フレネルミラーを構成する一対の平面反射面で反射させ、その結果得られたフレネル干渉縞をモニターし、該干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を X線ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用するので、 X線ミラーの姿勢を高精度に制御することができる。また、本発明は X線ミラー本来の機能を使用しつつ、リアルタイムで X線ミラーの姿勢をモニターし、し力もそれを 1 μ rad以下の高精度で補正することができるのである。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 先ず、本発明の X線ミラーの高精度姿勢制御法を適用するのに適した実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図 1は、 SPring— 8や自由電子レーザー等の放射光発生装置 1で作り出された X線を、 K—Bミラー配置力なる X線集光装置 2によって集光する集光光学システムの概略図である。ここで、放射光発生装置 1で作られた X 線ビーム 3は、スリット 4を通した後、楕円形状の反射面が作り込まれた縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6を互に垂直に配置した K Bミラー配置とした X線集光装置²で集光される。

[0016] 前記縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6は、 Si単結晶のブロックをナノメータ一レベルの形状精度で加工し、それぞれ光源と集光点を焦点とする楕円形状の反射面からなる集光面帯 7, 8を中央部に形成し、反射面に Ptを 50nmの厚さでコーテイングすることで、 15keVの X線を 4mradとヽぅ大きな入射角で集光できる光学特性のものである。例えば、前記縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6は長さが 100m mで、 X線顕微鏡システムの実用的な使用を考慮し、比較的長い 100mmの作動距離を持ち、回折限界集光で 50nm以下の集光スポットを達成することができるものである。

[0017] X線集光装置 2のミラーァライメントにおいて、考慮する軸のうち入射角とはミラー中心での入射 X線に対するミラー表面の角度であり、面内回転とはミラー中心の法線べタトル周りの回転である。また、ミラー間垂直度は 2枚のミラー中心にそれぞれ法線べタトルを定義し、その二軸がなす角度から 90° を引いた値を指すことにする。

[0018] 光線追跡シミュレータを用いて入射角、ミラー間垂直度、面内回転における許容角度誤差を見積もった。光線追跡シミュレータによる許容角度誤差の算出は以下のように行った。先ず、回折限界における第一極小点間距離で定義されたビームサイズを以下の式により算出した。

[0019] d= 2. Ο λ ί/Ό

ここで、 dは矩形開口に基づく回折波の第一極小点間距離、 λは X線の波長、 fは焦点距離、 Dはミラー開口を示している。

[0020] 次に、光線追跡シミュレータを用いて角度誤差と最大幅で定義されるスポットサイズの関係を計算した。この時、光線追跡シミュレータで得られたスポットサイズが上式で得られた d以下となる範囲を許容される角度誤差と定義した。この結果、入射角のァライメントに要求される精度は、縦方向集光ミラー 5で ±0. 7 μ _Άά,横方向集光ミラ一 6で ±0. 3 radであることが分かった。ミラー間垂直度での許容角度範囲は ±40 radであった。また、面内回転での許容角度範囲は縦方向集光ミラー 5で ± 13mra d、横方向集光ミラー 6で ± 16mradであり、面内回転は殆ど考慮しなくても良いことが分かった。

[0021] 光線追跡シミュレータによって得られる許容角度誤差は回折限界近傍においては実際より厳しく見積もられると予想される。このため、非常に厳しいァライメント精度が要求されている入射角においては、波動光学シミュレーションによって厳密に計算する。光線追跡シミュレータは、波長を無限小と近似しているため、回折限界近傍での集光ビームをこの方法で厳密に議論することはできない。それに対して、波動光学シミュレーシヨンは、フレネル 'キルヒホッフの回折積分を計算することによって反射ビームの強度分布プロファイルを計算することができる新し、シミュレータである。この波動光学シミュレーションの結果、入射角誤差と FWHMで表された集光径の関係が得られ、許容入射角度誤差を理想的な条件 (理想的なミラー、理想的なミラーァライメント)で得られた最小スポットサイズが 120%まで広がる角度範囲と定義すると、許容入射角度誤差は縦方向集光ミラー 5で ± 1. S ^ rad,横方向集光ミラー 6で ±0. 9 rad であることが分力つた。

[0022] 従って、前記 X線集光装置 2において、最も高精度な調節が必要なのは X線ミラーの入射角、その次が X線ミラー間垂直度であり、それぞれ高精度なァライメントが必要である。このように、 X線ミラーの入射角は、 1 rad以下の高精度のァライメント及び姿勢維持が要求される。そこで、本発明ではこの X線ミラーの入射角を高精度で姿勢制御する方法を提供するのである。

[0023] 集光状態は，放射光 X線のミラーへの入射角度に敏感であり，光軸に対して 1 μ rad レベルでミラー姿勢を安定させる必要がある。楕円形状を有する X線ミラーの一部に 2箇所の小型フレネルミラーを導入する複合ミラーを提案する。図 1において、前記縦方向集光ミラー 5の中央部位に形成した集光面帯 7の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面 9, 10でフレネルミラーを構成している。ここで、フレネルミラーはフレネルの複鏡とも呼ばれる。同様に、前記横方向集光ミラー 6の中央部位に形成した集光面帯 8の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面 11, 12でフレネルミラーを構成している。

[0024] フレネルミラーとは、干渉縞を発生させることが可能な入射角度の違う一対の平面形状のミラーを言う。入射角度が変わると反射ビームの行き先が変わり、それをモニタ一することも考えられるが、 1 X 10— ⁷radレベルでは、数メートル先でも数 lOOnmの変化しかなく、位置をモニターするのは CCDの分解能と検出器自身の温度ドリフトのため不可能である。一方、フレネル干渉縞は、 0. 1 radの角度の変化により 10 μ mレベルの位置変化があるため、このフレネル干渉縞の変化をモニターすることにより、その位置情報を読み取ることでフィードバック可能である。

[0025] 図 2は、本発明の原理を前記縦方向集光ミラー 5に基づいて示している。 X線光源 O力射出された X線ビームは楕円の集光面帯 7によって焦点 Fに集光する。それと同時に X線光源 Oカゝら射出された X線ビームは、フレネルミラーを構成する一対の平面反射面 9, 10で反射し、そして両平面反射面 9, 10で反射した X線が交差する位置でフレネル干渉縞 13が生じる。このフレネル干渉縞 13をモニターし、該干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を集光ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用するのである。

[0026] 図 3は、入射角度と強度プロファイルの関係を示したものであり、理想の入射角に対して 0. 5 μ radずれるとピーク値は 2Ζ3になり、 1 μ radレベルの角度変化で、集光ビームのプロファイルの形が大きく崩れていることがわかる。一方、図 4はフレネル干渉縞と入射角度の変化を示したものである。この計算に用いたモデルは、 X線ミラー（前記縦方向集光ミラー 5)の長さが 400mm、それぞれ 10mm角の入射側平面反射面 9 と出射側平面反射面 10の間隔は 380mm、両反射面の角度 (フレネルミラーの角度 )は 3 μ radであり、 X線の入射角度は lmradとした。この設計では、わずか 0. 05 μ ra dの変化で、 8 μ mの位置変化があることがわ力る。

[0027] 図 5は、本発明に係る X線ミラーの概略図であり、前記縦方向集光ミラー 5を例として示している。この X線ミラーは Si単結晶のブロックの中央部に楕円形状等の所望形状の集光面帯 7を、ナノレベル形状精度で形成したものである。そして、前記集光面帯 7の入射側端部と出射側端部の近傍に一対の平面反射面 9, 10を微小角度差を設けて形成し、両平面反射面 9, 10でフレネルミラーを構成している。フレネル干渉縞は、前記両平面反射面 9, 10の交線に平行に現れることになる。尚、本実施形態では、前記集光面帯 7を楕円形状としたが、円筒面、放物面や平面、さらにはその他の光学的な機能面でもよい。何れにしても、 X線ミラーに一体的に作り込まれたフレネルミラーで該 X線ミラーの角度をモニターし、その姿勢を制御することができるのである。

[0028] 本実施形態では、 X線光学素子の代表例として X線ミラーを例示し、更に X線ミラーの代表例として K Bミラーを例示した。 X線ミラーに一体的に作り込まれたフレネルミラーによる干渉縞をモニターして、その X線ミラーの姿勢を高精度で制御するという本発明の技術思想は X線ミラーに限定されないことは明らかであり、広く X線光学素子に適用できるものである。つまり、前記集光面帯 7は、帯状の反射面帯としてもよく、単に反射面帯で X線を反射させて光路変更だけでもよぐ更に凸面形状として拡散若しくは拡大するものでもよい。また、前記集光面帯 7若しくは反射面帯の反射面は、全反射面の他に多層膜でもよい。そして、本発明において、前記集光面帯 7や反射面帯を帯状としたのは、もともと X線ビームがよく収束されており、不要な面まで高精度な加工をすることはないとの理由である。

[0029] 次に、図 6〜図 9に基づいて本発明を K—Bミラー配置に適用した実施形態を説明する。 K—Bミラー配置による X線集光装置 2は、図 6に示すように入射 X線ビーム 3を前記縦方向集光ミラー 5の集光面帯 7で反射させて縦方向に集光し、それを横方向集光ミラー 6の集光面帯 8で反射させて横方向に集光し、該縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6の共通の焦点 Fに集光する。

[0030] そして、図 7及び図 8に示すように、前述の K Bミラー配置での X線の集光と並行して、前記縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6のそれぞれに作り込まれたフラネルミラーによって発生したフレネル干渉縞をモニターする。この場合、入射 X線ビーム 3は広がりを持ってミラーに入射し、その一部若しくは大部分が縦方向集光ミラー 5の集光面帯 7で反射し、一部が集光面帯 7を外れて側方に入射することを前提としている。つまり、図 7に示すように、前記縦方向集光ミラー 5の集光面帯 7の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面 9, 10にも X線ビーム 3が入射するようにしている。この一対の平面反射面 9, 10はフレネルミラーを構成するので、それぞれの反射面で反射した X線は図中 Vで交差し、この位置でフレネル干渉縞を形成する。

[0031] 同様に、図 8に示すように、前記横方向集光ミラー 6の集光面帯 8の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面 11, 12にも直接 X線ビーム 3が入射する。この一対の平面反射面 11, 12はフレネルミラーを構成するので、それぞれの反射面で反射した X線は図中 Hで交差し、この位置でフレネル干渉縞を形成する

[0032] そして、図 9に示すように、前記交差点 Vに、対象 X線に対して感度を有するィメージングカメラ 14を配置し、前記交差点 Hに、 X線に対して感度を有するイメージングカメラ 15を配置する。尚、前記交差点 Vは、平面反射面 9, 10が大きさを持っているので、その分だけ光軸方向に広がりを持っている。前記交差点 Hも同様である。実際には、前記イメージングカメラ 14, 15は、前記交差点 V, Hの近傍に光軸に直角に X線検出板を配置し、その背後に配置した CCDカメラで検出板での X線の強度分布が反映された画像を電子的な画像データとして取得する。そして、そのフレネル干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を各集光ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用し、前記縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6の入射角制御用のパルス駆動するモータ若しくはァクチユエータ 16, 17を制御して、その入射角度を 1 rad以下の精度で制御するのである。尚、前記イメージングカメラ 14, 15として、ピンフォールとフォトダイオードを組み合わせた X線検出器を用いてフレネル干渉縞の画像データを取得してもよ、。

[0033] 具体的には、前記フレネルミラーによる干渉縞をイメージングカメラ 14, 15でモニタ一し、集光スポットが最小のときの干渉縞を基準画像データとし、該基準画像データと現在の逐次画像データとの比較から検出信号を生成する。更に具体的には、前記基準画像データに対する逐次画像データの変化を検出し、該逐次画像データが基準画像データに対して許容範囲で一致するまで、前記モータ若しくはァクチユエータ 16, 17を駆動するパルス信号を生成し、前記縦方向集光ミラー 5と横方向集光ミラー 6の姿勢をべストな状態で維持するのである。

図面の簡単な説明

[0034] [図 1]本発明を適用した X線集光装置の概略図である。

[図 2]本発明の原理を説明するための説明図である。

[図 3]X線の入射角度と集光プロファイルとの関係を示すグラフである。

[図 4]フレネル干渉縞と入射角度との関係を示すグラフである。

[図 5]本発明に係る X線ミラーの斜視図である。

[図 6]K—Bミラー配置による集光光学系を示す簡略斜視図である。

[図 7]縦方向フレネルミラー干渉光学系を示す簡略斜視図である。

[図 8]横方向フレネルミラー干渉光学系を示す簡略斜視図である。

[図 9]本発明による X線ミラーの姿勢制御の概念を説明する全体簡略斜視図である。符号の説明

[0035] 1 放射光発生装置

2 線集光装置

3 X線ビーム

4 スリット

5 縦方向集光ミラー

6 横方向集光ミラー

7 集光面帯

8 集光面帯

9 入射側平面反射面 10 出射側平面反射面

11 入射側平面反射面

12 出射側平面反射面

13 フレネル干渉縞

14 イメージングカメラ

15 イメージングカメラ

16 モータ若しくはァクチユエータ

17 モータ若しくはァクチユエータ

O X線光源

F 焦点

H 交差点

V 交差点

Claims

請求の範囲

[1] 硬 X線力ゝら軟 X線の X線を集光スポットが lOOnm以下の高ヽ空間分解能で集光させるための X線ミラーの高精度姿勢制御法であって、光源と集光点を焦点とする楕円形状の反射面からなる集光面帯が形成された縦方向集光ミラーと横方向集光ミラーを互に垂直に配置した K—Bミラー配置とし、各集光ミラーの集光面帯の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面でフレネルミラーをそれぞれ構成し、前記集光面帯による集光ビームに影響されな、位置で各集光ミラーの前記フレネルミラーによる干渉縞を別々にモニターし、該干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を各集光ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用することを特徴とする X線ミラーの高精度姿勢制御法。

[2] 前記縦方向集光ミラーと横方向集光ミラーのそれぞれに設けたフレネルミラーによる検出信号により、それぞれの入射角制御用のノルス駆動するモータ若しくはァクチユエータを制御してなる請求項 1記載の X線ミラーの高精度姿勢制御法。

[3] 前記フレネルミラーによる干渉縞を対象 X線に対して感度のあるイメージングカメラでモニターし、集光スポットが最小のときの干渉縞を基準画像データとし、該基準画像データと現在の逐次画像データとの比較から検出信号を生成してなる請求項 1又は 2記載の X線ミラーの高精度姿勢制御法。

[4] 前記フレネルミラーによる干渉縞を対象 X線に対して感度のあるイメージングカメラでモニターし、集光スポットが最小のときの干渉縞を基準画像データとし、該基準画像データに対する逐次画像データの変化を検出し、該逐次画像データが基準画像データに対して許容範囲で一致するまで、前記モータ若しくはァクチユエータを駆動するパルス信号を生成してなる請求項 2記載の X線ミラーの高精度姿勢制御法。

[5] 前記イメージングカメラが CCDカメラである請求項 3又は 4記載の X線ミラーの高精度姿勢制御法。

[6] 前記イメージングカメラがピンフォールとフォトダイオードを組み合わせた X線検出器である請求項 3又は 4記載の X線ミラーの高精度姿勢制御法。

[7] 硬 X線から軟 X線の X線を帯状の反射面帯で反射させて集光若しくは光路変更するための X線ミラーの高精度姿勢制御法であって、前記 X線ミラーの反射面帯の入射側端部と出射側端部の近傍に形成した一対の平面反射面でフレネルミラーを構成し

、前記反射面帯で反射された X線ビームに影響されなヽ位置で前記フレネルミラーによる干渉縞をモニターし、該干渉縞の変化を電気的に検出してその検出信号を X 線ミラーの姿勢制御用フィードバック信号として使用することを特徴とする X線ミラーの高精度姿勢制御法。

硬 X線力ゝら軟 X線の X線を反射させて集光若しくは光路変更するために高精度姿勢制御が可能な X線ミラーであって、長手方向に帯状の反射面帯を形成するとともに

、反射面帯の入射側端部と出射側端部の近傍にフレネルミラーを構成する一対の平面反射面を形成したことを特徴とする X線ミラー。