WO2021166035A1 - 位相イメージング用のｘ線発生装置 - Google Patents

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WO2021166035A1
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target substrate
electron beam
target
rays
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中野　朝雄
敦 百生
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国立大学法人東北大学
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    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H01J2235/12—Cooling
    • H01J2235/1225—Cooling characterised by method
    • H01J2235/1262—Circulating fluids

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for generating X-rays for phase imaging.
  • Non-Patent Document 1 Since X-rays have high permeation characteristics of substances, imaging using X-rays is widely used for observing the internal structure of a sample. This is a method of irradiating a sample with X-rays and projecting the X-rays that have passed through the sample onto a detector to see through the internal structure of the sample, which reflects the absorption of X-rays inside the sample object. A projected image is obtained (see, for example, Non-Patent Document 1 below).
  • Non-Patent Document 2 a method of constructing a three-dimensional image of a sample from a plurality of X-ray cast images taken from different directions is known, for example, in Non-Patent Document 2 below.
  • a phase imaging technique for generating an X-ray image by using a phase change of X-rays transmitted through a sample is also known.
  • a method of detecting the phase of X-rays using an X-ray lattice is used (for example, Non-Patent Document 3 below).
  • This non-patent document 3 also describes a method for producing an X-ray lattice.
  • X-ray phase imaging when X-ray phase imaging is used, even a substance with low X-ray absorption (a sample consisting of a substance having a relatively low atomic number, such as a biological tissue) can be clearly defined by using information on the phase change caused by the sample. X-ray image can be obtained.
  • a Talbot-Lau interferometer is known as an example of an X-ray phase imaging device (see Non-Patent Document 4 below).
  • the Talbot-Lau interferometer generally arranges three grids in the X-ray path to acquire X-ray phase imaging data.
  • the three grids are called G0 grid, G1 grid, and G2 grid in order from the source side.
  • the G0 grid is an absorption grid and is installed on the downstream side of the X-ray source that emits X-rays with a certain spread.
  • X-ray shielding parts and X-ray transmitting parts are periodically arranged in the G0 grid, and due to this property, the G0 grid geometrically generates a large number of minute X-ray sources in a pseudo manner at intervals of the grid pitch.
  • the G1 grid is a phase grid in which the material and thickness of the X-ray shielding portion of the grid are adjusted so that the desired phase change occurs at the wavelength of the X-ray to be imaged.
  • the G2 grid is generally an absorption grid, and its installation position and grid period are adjusted so that a moire image is generated with respect to the image of the G1 grid.
  • one of the G1 grid and the G2 grid is moved relative to the other by a minute amount in the periodic direction of the grid, and a changing projected image is acquired by an X-ray image detector, and then projected. Perform image data processing. This makes it possible to acquire the necessary X-ray phase image (so-called phase imaging).
  • Non-Patent Document 5 a phase imaging measurement method called a Lau interferometer has been proposed as described in Non-Patent Document 5 below.
  • This has the advantage that the G2 grid, which requires the creation of a grid with a large area and a high aspect ratio, can be omitted. Further, the G0 grid can be omitted by using an X-ray source that generates X-rays in a grid pattern.
  • Y. Yoneda New Emission X-ray Microscope, Review of Scientific Instruments, Vol.33, (1962), 529-532 Momose, A., Fujii, A., Kadowaki, H., and Jinnai, H .: Three-Dimensional Observation of Polymer Blend by X-ray Phase Tomography, Macromolecules 38 (2005), 7197-7200 C. Grunzweig, F. Pfeiffer, O. Bunk, T. Donath, G. Kuhne, G. Frei, M. Dierolf, and C.
  • an anode is formed of a patterned or single-layer thin-film metal material, and the anode is sandwiched between support films made of light elements through which an electron beam can easily pass to form a target.
  • the pattern of the thin film metal material can be produced with the accuracy of a submicrometer.
  • an antistatic film for removing the charge generated by the passage of the electron beam through the target substrate is placed on the surface of the support film, but regarding the conductivity of the thin film metal material that should be the anode of the target. Not considered.
  • direct cooling of the target substrate is not considered, it is difficult to apply electric power of several tens of watts or more to the target.
  • a thin metal material serving as an anode is formed into a striped pattern to ensure electrical conduction, and heat is applied to a water-cooled metal block via a diamond layer for heat conduction arranged below the thin film metal material.
  • heat is applied to a water-cooled metal block via a diamond layer for heat conduction arranged below the thin film metal material.
  • the extraction of X-rays in a striped pattern is not particularly considered, and it is proposed to extract X-rays in parallel with the stripes at a low angle of about 3 to 12 degrees with respect to the surface of the target.
  • the stripe pattern in the technique of Patent Document 2 is formed by the semiconductor manufacturing technique as in Patent Document 1.
  • the lower limit of the stripe width is about 5 ⁇ m.
  • Patent Document 3 relates to a Talbot-Lau interferometer.
  • This document describes a technique for generating X-rays in a striped pattern shape using a rotating target.
  • Patent Document 4 describes an apparatus for generating X-rays having a striped pattern shape using a rotating target or a fixed target.
  • the rotating target type X-ray generator the target part to be irradiated with the electron beam is cooled while rotating at a high speed of 6,000 to 12,000 rpm in the actual example, thereby enabling high-power electron beam irradiation and increasing the X-ray generation intensity. It was big.
  • Patent Document 4 proposes a method of reducing the apparent plane size of the X-ray focus while increasing the electron beam irradiation power by setting the X-ray extraction angle to about 6 degrees in the fixed target type. There is. However, such a technique has a problem that the field size of phase imaging by the Talbot-Lau interferometer is limited.
  • the electron beam is radiated from a direction perpendicular to the target surface.
  • the portion without the metal pattern for X-ray generation (the substrate portion) hardly contributes to the generation of X-rays.
  • the present inventors have tilted the irradiation of the electron beam and then the depth (M) of the metal pattern (X-ray generation part) for X-ray generation. ) Is set in a predetermined range, and it has been found that the X-ray generation efficiency can be significantly improved.
  • the present invention has been made based on this finding.
  • An X-ray generator for performing X-ray phase imaging using X-rays excited by an electron beam emitted from an electron source to a target.
  • the target includes a target substrate formed in a flat plate shape and X-ray generators arranged in a grid pattern on the target substrate.
  • the electron source extracts grid-like X-rays in the perpendicular direction of the target substrate by irradiating the target with the electron beam inclined by a predetermined irradiation angle ( ⁇ ) with respect to the perpendicular of the target substrate. It is configured to be able to
  • the target substrate is composed of a substance containing an element having an atomic number of 14 or less.
  • a plurality of grooves arranged periodically in a one-dimensional or two-dimensional direction to form a grid are formed on the surface of the target substrate.
  • the X-ray generating portions are arranged in a grid pattern by being embedded in the plurality of grooves formed in the target substrate.
  • the X-ray generator is composed of a metal made of W, Ta, Pt or Au or an alloy thereof.
  • the depth (M) of the X-ray generating portions arranged in a grid pattern is D ⁇ M ⁇ D + r.
  • the ratio (a: b) of the lattice width (a) of the X-ray generating portion to the lattice width (b) of the target substrate is 1: 2, and the lattice pitch (a + b) is the X-ray generation between the target substrate and the target substrate.
  • n The number of X-ray generating portions or the target substrate between the plurality of grooves through which the X-ray excitation electrons pass (n ⁇ 1);
  • ⁇ The inclination angle of the electron beam in a plane parallel to the surface of the target substrate.
  • the direction ( ⁇ ) in which the X-ray excitation electron beam is inclined by a predetermined angle with respect to the perpendicular line of the target substrate is while the X-ray excitation electron beam irradiates the target substrate and passes through the inside.
  • the phase imaging X-ray generator is provided with an X-ray tube for phase imaging set at an angle ( ⁇ ) that reaches the X-ray generating metal portion by 60% or more.
  • the electron beam that irradiates the substrate portion also irradiates the X-ray generating portion after passing through the substrate, so that X-rays can be efficiently generated.
  • 6 is a graph showing the relationship between the irradiation angle ⁇ (degrees) and the generated X-ray intensity (relative value) for each penetration depth M ( ⁇ m) of the electron beam into the substrate.
  • FIG. 14A shows a case where the two-dimensional lattice structure is a cubic lattice
  • FIG. 14B shows a case where the two-dimensional lattice structure is a hexagonal lattice.
  • FIG. 14C shows the X-ray tube used for the X-ray generator in the 2nd Embodiment of this invention.
  • X-rays (characteristic X-rays) generated by the electron transition of the atoms that make up the solid and X-rays (characteristic X-rays) generated by bremsstrahlung emitted from the electrons braked by the electric field of the atom (characteristic X-rays) Bremsstrahlung X-rays) are generated. Characteristic X-rays generate X-rays of a specific wavelength, whereas braking radiation X-rays are continuous-wavelength X-rays with less energy (longer wavelength) than the maximum energy corresponding to the acceleration voltage of the electron beam. Occurs. In the following, we will mainly focus on bremsstrahlung X-rays.
  • Non-Patent Document 7 A model of the region of X-rays generated inside the solid by the electron beam irradiated on the surface of the solid is shown in FIG. 1 (see Non-Patent Document 7).
  • FIG. 1 shows a model in which an electron beam (incident beam) is vertically irradiated on a solid surface (Target surface) as an X-ray source.
  • an electron beam incident beam
  • a solid surface Target surface
  • FIG. 1 shows a model in which an electron beam (incident beam) is vertically irradiated on a solid surface (Target surface) as an X-ray source.
  • incident beam incident beam
  • X D the surface
  • These electrons diffuse in a spherical shape in the solid while generating X-rays, and are finally absorbed by the solid.
  • the maximum penetration depth of electrons that generate X-rays is represented by R.
  • R is the distance that an electron having energy E travels while losing energy in a solid, and is represented by the following equation (1).
  • the result of deriving the relational expression by putting the actual numerical value into this equation is the mathematical expression (2).
  • E 0 is the electron energy (eV)
  • ⁇ s is the empirical coefficient obtained from the measurement
  • a is the numerical value related to the atomic radius of the solid
  • Na is the Avogadro's number
  • ⁇ is the density of the substance that generates X-rays (g / cm 3 )
  • A is the atomic weight
  • Z is the atomic number of the solid.
  • X D is expressed by the following equation (4) using the maximum electron penetration depth R.
  • ⁇ is a value representing the loss of electron diffusion distance due to the atomic number of the target substance.
  • the electron beam acceleration voltage (E 0 ), the atomic number (Z) of the element constituting the X-ray target that generates X-rays, its atomic weight (A), and the X-ray target By determining the density ( ⁇ ), the region where X-rays are generated from the solid irradiated with the electron beam can be obtained as a numerical value.
  • Non-Patent Document 8 the intensity Q of bremsstrahlung is expressed by the mathematical formula (5).
  • P is a polynomial that represents the motion of the electron decelerated by the energy E.
  • the intensity of bremsstrahlung is proportional to the square of the atomic number (Z) of the element that is the X-ray target. Therefore, in order to form a grid-like radiation source, it is necessary to alternately arrange a substance composed of an element having a low atomic number and a substance composed of an element having a large atomic number.
  • Elements with low atomic numbers that can be used as substrate materials for X-ray targets due to their characteristics are actually Be, B, C (DI, diamond), C (DLC, diamond-like carbon), BN, SiC, AlN, etc.
  • the average atomic number and the average atomic weight are used for the atomic number and the atomic weight of the compound.
  • Table 1 shows R, X D , and r with respect to the electron beam energy (keV) of the above-mentioned materials.
  • the unit of the numerical value is ⁇ m.
  • an N-type SiC substrate capable of producing a 0.8 ⁇ m lattice groove and having a low resistance (up to 20 m ⁇ cm 2 ) was used as the target wafer.
  • SiC wafers are also used to form semiconductor devices for power control, have high heat resistance, and have been developed for processes that enable microfabrication similar to Si wafers.
  • conductivity for passing an electric current through the surface using each processing process even for Be, B, C (DI, diamond), C (DS, diamond-like carbon), BN, and AlN listed in Table 1, conductivity for passing an electric current through the surface using each processing process.
  • a film it can also be used as a substrate for an X-ray target.
  • the X-ray generator of this embodiment (hereinafter, may be simply abbreviated as “generator” or “device”) will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • This device is for performing X-ray phase imaging using X-rays 35 excited by an electron beam 23 irradiated from an electron source 2 to a target 3 (see FIG. 2).
  • this X-ray generator has an X-ray tube main body 1 that houses the target 3 inside, and a high-voltage power supply 4 that drives the electron source 2.
  • the target 3 includes a target substrate 36 formed in a flat plate shape, X-ray generating portions 32 arranged in a grid pattern on the target substrate 36, and a metal plate 37 for cooling. ing.
  • the target substrate 36 is composed of light elements such as Be, B, C (DI, diamond), C (DLC, diamond-like carbon), BN, SiC, AlN and the like. In this embodiment, unless otherwise specified, it is assumed that SiC is used as the target substrate 36.
  • the light element means an element having an atomic number of 14 or less in this specification.
  • the target substrate 36 may be composed of a substance containing a light element, and may contain an element other than the light element.
  • a plurality of grooves 361 that are periodically arranged in a one-dimensional direction (left-right direction in FIG. 3) are formed in a grid pattern.
  • the grooves 361 are also periodically formed in the two-dimensional direction.
  • the X-ray generators 32 are arranged in a grid pattern by being embedded in a plurality of grooves 361 formed in the target substrate 36. Further, the X-ray generator 32 is composed of a metal such as tungsten (W), tantalum (Ta), platinum (Pt) or gold (Au), or an alloy thereof. In this embodiment, the description will be made below on the premise of using tungsten (hereinafter sometimes referred to as W or W metal).
  • the depth M of the X-ray generators 32 arranged in a grid pattern is D ⁇ M ⁇ D + r. Is set to meet.
  • the ratio a: b of the grid width a of the X-ray generating unit 32 (see FIG. 8 described later) and the grid width b of the target substrate 36 is 1: 2.
  • the lattice pitch a + b of the X-ray generating unit 32 is set to be equal to or less than the penetration distance of the X-ray exciting electrons passing through both the target substrate 36 and the X-ray generating unit 32, and more specifically, 10 ⁇ m or less.
  • the penetration depth D in this embodiment can be calculated by the following formula (the same as the formula (8) described later).
  • n The number of X-ray generators or target substrates between a plurality of grooves through which X-ray excitation electrons pass (n ⁇ 1);
  • ⁇ Electron beam irradiation angle with respect to the perpendicular to the surface of the target substrate (so-called tilt angle in the periodic direction)
  • ⁇ Inclination angle of the electron beam (so-called lattice inclination angle) in a plane parallel to the surface of the target substrate. Is. How to take these angles ⁇ and ⁇ is shown in FIG. 9 described later.
  • the angle ⁇ is set to 0 ° in the direction perpendicular to the plane of the X-ray generating unit 32.
  • the irradiation angle ⁇ in this embodiment is set to a value between 10 ° and 75 °, more preferably between 15 and 65 °.
  • the metal plate 37 has an X-ray emission hole 38 and a cooling water flow path 39.
  • the cooling water flow path 39 has an inlet 391 and an outlet 392.
  • the electron source 2 inclines the electron beam 23 with respect to the perpendicular line of the target substrate 36 by a predetermined irradiation angle ⁇ (see FIG. 2) to irradiate the target 3, thereby forming a grid-like X in the perpendicular direction of the target substrate 36. It is configured so that the line can be taken out. More specifically, the electron source 2 includes a filament 21 that generates electrons by applying a voltage, and an electron lens 22 that shapes the profile of the electron beam.
  • the X-ray tube main body 1 includes an X-ray take-out window 34 for taking out the X-ray beam 35 from the X-ray tube main body 1.
  • the high-voltage power supply 4 has a filament power supply 41 and a bias power supply 42.
  • FIGS. 4 and 5 An example of the processing process for creating the target substrate 36 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • a grid-like structure is formed on the surface of the SiC wafer 400.
  • the SiO 2 film 300 is formed on the wafer 400, and then the UV photosensitive resist film 200 is formed on the SiO 2 film 300.
  • UV light is irradiated toward the wafer 400 through the UV mask 110 having a predetermined pattern (corresponding to the groove 361).
  • the pattern of the UV mask 110 is transferred to the film 200, and a part of the photosensitive resist material film 200 remains on the SiO 2 film 300.
  • dry etching this, only the SiO 2 film 301 of the portion covered with the resist film is left, and the state as shown in FIG. 4B can be obtained.
  • dry etching is performed using XeF 2 gas using the SiO 2 film 301 as a mask, and the SiC film 301 is trench-etched.
  • a lattice pattern can be formed on the surface of the wafer 400.
  • This grid pattern includes a plurality of periodically formed grooves 361.
  • the periodic direction of the plurality of grooves 361 is the left-right direction in the figure in FIG. 4 (c).
  • the X-ray generating portion 32 made of metal is embedded in the wafer 400 in which the groove 361 is formed.
  • a WN film 401 is formed on the entire surface (upper surface in FIG. 5) of the wafer 400 including the groove 361 by about 2 nm.
  • the W film 402 is formed on the upper surface of the WN film 401 by the CVD method.
  • the W film 402 and the WN film 401 other than the groove portion are removed by polishing the wafer surface.
  • the remaining W film 402 serves as an X-ray generating unit 32.
  • the embedding depth of the W metal that is, the X-ray generating portion 32
  • the symbol M is represented by the symbol M.
  • a TiN film 403 and a Ti film 404 are formed on the surface formed by polishing as shown in FIG. 5 (d).
  • the WN film 401 and TiN film 403 used here are barrier metals and can be omitted.
  • the Ti film 404, which is a metal protective film, can also be omitted. Further, the above-mentioned dimensions and materials are merely examples, and are not limited thereto.
  • the X-ray generation target in the present embodiment constitutes an X-ray source for phase imaging, and in this case, it is known that a ratio of the lattice width of the target substrate to the metal lattice width of 2: 1 is appropriate. (See Non-Patent Document 9 above).
  • the electron beam 23 irradiated to the target substrate 36 does not diffuse to the X-ray generating section 32, which is a W metal, and therefore does not generate X-rays from the X-ray generating section 32.
  • the radius r 2 bremsstrahlung X-rays from the spherical region of about 35 ⁇ m is generated.
  • a part of the electron beam 23 vertically irradiated to the target substrate 36 diffuses to the X-ray generating portion 32 which is W metal.
  • the electrons that reach the X-ray generator 32 due to diffusion generate more bremsstrahlung X-rays in the W metal and lose energy at a distance r 3 of about 30 ⁇ m from O D.
  • the electrons irradiated on the surface of W which is the X-ray generating portion 32, have a distance between the X-ray generating portions 32, which is sufficiently smaller than the radius of 15 ⁇ m of the braking X-ray generating region of the W metal alone, and the target substrate portion.
  • W metal part When the ratio of the width to the width of the X-ray generating part 32 (W metal part) is 2: 1, bremsstrahlung X-rays are generated as shown in r of 2DI / W or 2SiC / W shown in Table 1.
  • the area expands.
  • the radius r 5 of this generation region is larger than r 4 and is about 24 to 25 ⁇ m.
  • the expansion of this generation region is in the direction parallel to the target substrate 36, it has an elliptical shape as shown in FIG. 7, and its major axis r 5 is about 24 to 25 ⁇ m.
  • this portion has a low rate of generating bremsstrahlung X-rays, and most of the bremsstrahlung depends on the electron beam that directly irradiates the X-ray generating portion 32 (W metal portion).
  • the electron beam irradiating the target substrate 36 portion by inclining the electron beam 23 with respect to the target 3 at a predetermined angle ⁇ is also an X-ray generating portion (W metal portion). Bremsstrahlung X-rays were generated at 32.
  • the depth D from the surface through which the electron beam 23 passing through the X-ray generating portion 32 (W metal lattice) of the width a and the target substrate 36 portion of the width b (hereinafter, may be indicated by the reference numeral “K”) can penetrate.
  • An explanatory diagram is shown as FIG. In FIG. 8, reference numeral ⁇ is an irradiation angle (incident angle) of the electron beam on the X-ray target 3.
  • Reference numeral L is a distance at which the electron beam 23 passes through the X-ray generating portion 32 (W metal portion).
  • the electron beam irradiating the X-ray generator 32 (W metal part) is the X-ray generator 32. It passes through (W metal part) and invades the target substrate part.
  • ⁇ min is expressed by the following equation (6).
  • equation (6) as shown in FIG. 9, the symbol ⁇ is the angle formed by the electron beam 23 with the wall surface of the X-ray generating portion 32 (W metal) (inclination angle in a plane parallel to the surface of the target substrate 36). Is.
  • the electron beam 23 incident on the target substrate 36 portion shown in FIG. 8 also passes through the target substrate 36 portion and invades the X-ray generating portion 32 (W metal portion).
  • the conditions for transmitting the lengths of n sheets each of the X-ray generating section 32 and the substrate portion (the portion adjacent to the X-ray generating section 32) are expressed by the following equation (7).
  • the electron beam penetration depth D is represented by the following equation (8).
  • the electron beam is applied to either the X-ray generating portion 32 (W metal portion) of the X-ray target or the target substrate 36 portion. Will have the same penetration depth.
  • n is a non-integer of 1 or more
  • the penetration depth of the electron beam irradiated to the X-ray generating portion 32 (W metal portion) is smaller than the penetration depth of the electron beam irradiated to the target substrate 36 portion.
  • the average penetration depth of the entire electron beam irradiation portion including the substrate 36 portion and the X-ray generating portion 32 (W metal portion) is almost the same as the values obtained by the equations (7) and (8). Become.
  • the lattice pitch of the X-ray target 3 The maximum length of (a + b) can be determined.
  • the grating pitch (a + b) there is a X-ray excitation electrons passing through both the target substrate 36 and the X-ray generator 32 penetration distance X D below. That is, the lattice pitch (a + b) is set to a narrow distance so that the X-ray excitation electrons can pass through both the target substrate 36 and the X-ray generation unit 32.
  • the lattice pitch (a + b) that can be actually adopted is determined by the electron beam irradiation angle ⁇ and the length of the electron beam that penetrates the lattice pitch, and is determined by the following equation (9).
  • ⁇ 0 ° is assumed.
  • P max is the maximum value of the lattice pitch described above.
  • the lattice pitch of the X-ray target has a maximum value.
  • P max is about 26 ⁇ m, but considering the general applied voltage (140 kV) and the electron beam irradiation angle ⁇ (usually less than 90 °), set a + b ⁇ 10 ⁇ m. Is desirable.
  • the material of the X-ray generator 32 is W metal
  • the material of the target substrate is SiC
  • the result of calculating the electron beam penetration depth D with respect to the electron beam irradiation angle ⁇ based on the equations (7) and (8) is shown in FIG.
  • the electron beam 23 incident on the X-ray generating portion 32 (W metal portion) also passes through the X-ray generating portion 32 (W metal portion) and is a light element. It invades the configured target substrate 36. Therefore, the electron beam penetration depth D from the substrate surface is deeper than that of the metal W alone. Further, since the electron beam 32 incident on the target substrate 36 composed of light elements penetrates the X-ray generating portion 32 (W metal portion) after passing through the target substrate 36 portion, the electron beam penetration depth in that case. The D is also deeper than the case of the metal W alone.
  • the penetration depth (D) of the 140 kV electron beam 23 can be increased from 4.5 ⁇ m to 10 ⁇ m, the volume for generating braking X-rays increases by about 20% when the X-ray generating portion 32 is W metal.
  • the applied voltage of the electron beam is 140 kV
  • the width a of the X-ray generating portion 32 (W metal portion) is 1 ⁇ m
  • the width b of the target substrate portion is 2 ⁇ m (that is, it corresponds to FIG. 10 (b)).
  • the electron beam that does not irradiate the X-ray generating unit 32 reaches a depth corresponding to the penetration distance XD (K) at the target substrate 36, and the electrons that generate X-rays are diffused from that location. It becomes a situation.
  • the applied voltage of the electron beam be 140 kV, and take the case where M is smaller than the depth (4.527 ⁇ m) of the penetration distance X D (W) into W, that is, M ⁇ X D (W).
  • the electron beam that irradiates the X-ray generating unit 32 transmits the W metal as the X-ray generating unit 32, so that the distance that penetrates in the depth direction of the target substrate 36 is reduced. That is, in this case, even if M ⁇ X D (W), X-rays are generated from the X-ray generating unit 32. Further, in the case of X D (W) ⁇ M ⁇ X D (W) + r (W) corresponding to the range (A) of M in FIG. 11 described later, the X-ray intensity increases linearly with respect to M. ..
  • X D (K) -r (K)>0 the target substrate material is diffused to reach the X-ray generating unit 32, and bremsstrahlung X-rays are generated.
  • the lattice pitch (a + b) of the X-ray target is sufficiently smaller than the equation (9)
  • the electrons that have entered the target substrate 36 due to the vertical irradiation of the electron beam reach the depth X D (K) along the direction of the electron penetration, and then diffuse in the target substrate 36 within the range of r (K).
  • X-rays from the grid-like X-ray target are compared with the method of vertically irradiating the electron beam by generating X-rays by the inclined irradiation electron beam.
  • the generation efficiency can be improved.
  • the embedding depth M is made as deep as the penetration depth of the electron beam into the substrate (depth in the penetration direction of the electron beam) X D (K), even if the method is to irradiate the electron beam vertically, X Although it is possible to improve the line generation efficiency, such processing is practically difficult in terms of processing cost.
  • the embedding depth M is D determined by Eq. (8) depending on the irradiation angle (that is, the depth in the direction perpendicular to the substrate surface), D ⁇ M ⁇ D + r.
  • the X-ray generation efficiency is excellent under the same applied voltage and current conditions.
  • X-rays are most efficiently applied to the embedding depth M of the X-ray generating unit 32. Can be generated.
  • M When M exceeds D + r (W), increasing the embedding depth M does not contribute to the X-ray generation efficiency, but increases the manufacturing difficulty. Therefore, it is preferable that M ⁇ D + r (W). From the above, it can be seen that D ⁇ M ⁇ D + r (W) is preferable. More preferably, X D (W) + r (W) ⁇ M ⁇ D + r (W).
  • the relationship between the electron beam irradiation angle ⁇ shown in FIG. 11 and the X-ray intensity is shown in FIG. 12 for each value of M.
  • the X-ray intensity can be increased at approximately 10 ° ⁇ ⁇ .
  • the energy of the electron beam is constant, X D (W) becomes small and the ratio of rebound electrons becomes small. Will increase. Therefore, it is preferable that ⁇ ⁇ 75 °. More preferably, ⁇ ⁇ 65 °.
  • the target substrate 36 is electrically and thermally bonded to the water-cooled metal plate 37 by metal bonding.
  • the thermal conductivity of the N-type SiC constituting the target substrate 36 is 150 W / mK, even if 1 kW of heat is generated on the front surface, it is approximated by one-dimensional heat conduction when heat is removed from the back surface.
  • the temperature difference between the front and back surfaces of the target substrate 36 is about 80 to 90 ° C.
  • the coefficient of thermal expansion of aluminum (Al) and copper (Cu), which are common metal materials used for the water-cooled metal plate 37, is 16 to 23 ppm, which is larger than 3.7 ppm for SiC wafers and 4.5 ppm for W metal. , Metal bonding is not always sufficient. Further, the thermal stress due to the on / off of the electron beam power may break the joint portion between the substrate 36 and the metal plate 37, or the SiC wafer may be broken. Therefore, in the present embodiment, as the material of the substrate 36, a material in which fine particles of aluminum and Si are thermally compressed to suppress the coefficient of thermal expansion can be used. Since the thermal conductivity of this material is 150 W / mK and the coefficient of thermal expansion is about 7 ppm, it is possible to realize a structure that reduces thermal stress.
  • the maximum surface temperature of the substrate 36 is maintained at about 200 ° C. or less by using the SiC target substrate 36, setting the cooling water temperature to 20 to 30 ° C., and setting the maximum applied electron beam power to about 2 kW. It is possible. This makes it possible to suppress damage to the embedded structure of the fine X-ray generating portion 32.
  • a water-cooled cooling system that has a proven track record in cooling X-ray diffracting tubes is commercially available for cooling X-ray tubes that are loaded with a 2 kW electron beam, and the cooling water is circulated using this cooling system. As a result, the target 3 can be cooled stably.
  • this cooling method it is possible to realize an X-ray tube using an electron beam to which a power of 2 kW or more is applied, depending on the irradiation diameter of the electron beam 23 and the design of the cooling system.
  • the cooling method by water cooling has been described in this embodiment, as the cooling method, it is possible to use not only water but also liquid cooling using oil or liquid metal or an air cooling system using gas. ..
  • an X-ray emitting hole 38 having a diameter of 1.5 mm is provided on the side (back side) of the target substrate 36 where the X-ray generating portion 32 does not exist.
  • the X-ray extraction direction it is optimal to extract the X-ray from the surface in which the X-ray generation unit 32 is embedded in the vertical direction.
  • SiC having a thickness of 330 ⁇ m is used as the target substrate 36, the decrease in X-ray intensity due to the X-ray absorption of the substrate 36 is not so large. Therefore, in this case, it is practically possible to take out from the back surface of the substrate 36.
  • the X-ray emission holes 38 are unnecessary, and this configuration is advantageous in terms of cooling.
  • This X-ray tube is a type that extracts X-rays from the back surface of the target substrate 36.
  • An electron source 2 in which a filament 21 for generating thermoelectrons and an electron lens 22 are arranged is arranged inside the X-ray tube main body 1 whose inside is exhausted to a high vacuum, and X-rays are arranged so as to face the electron source 2.
  • An X-ray target 3 having the pattern of the generating portion 32 on the surface is installed.
  • the inclination angle of the electron beam 23 that irradiates the surface of the target 3 is set to a predetermined angle ⁇ .
  • the thermions generated in the filament 21 heated by the filament power supply 41 have their cross-sectional shapes adjusted by the bias power supply 42 and the electronic lens 22, and are accelerated by the high voltage of the high voltage power supply 4 to irradiate the X-ray target 3.
  • the electron beam irradiates the target substrate 3 at a predetermined inclination angle ⁇ from an oblique direction, and the electron beam penetrates from the target surface to a predetermined depth by the acceleration voltage of the electrons.
  • the X-ray target 3 of this embodiment is water-cooled, it is desirable to set the ground potential together with the X-ray tube main body 1.
  • the target potential As the ground potential, it is possible to reduce the distance between the target substrate 36 and the X-ray extraction window 34 attached to the X-ray tube main body 1.
  • the Lau interferometer proposed in Non-Patent Document 6 it is necessary to install the target substrate which is G0 and the G1 phase lattice at a short distance, but in the X-ray tube of the present embodiment, X-ray extraction is performed.
  • the phase lattice 5 arranged outside the window 34 near the target substrate 36, it is possible to establish a Lau interferometer.
  • FIG. 13 shows an overall configuration example of an X-ray generator incorporating the above-mentioned X-ray tube.
  • the X-ray tube housing 6 is attached to the X-ray tube main body 1, and the cooling water of the X-ray target 3 is supplied from the water cooling device 10 through the cooling water pipe 101 and the X-ray tube housing 6.
  • phase grid 5 is mounted on the X-ray tube housing 6, and a phase grid ⁇ rotation drive device 52 is mounted on the phase grid 5, whereby the groove 361 of the X-ray target and the X-ray generator 32 and the X-ray target are generated.
  • the phase lattice ⁇ rotation can be adjusted around the y-axis, which is the traveling direction (main axis direction) of the phase imaging X-ray 8 so that the lattice members of the phase lattice 5 are parallel to each other.
  • this system is provided with a phase grid y-axis drive device 54 and a phase grid ⁇ -axis drive device 53.
  • the phase grid y-axis drive device 54 adjusts the distance (distance in the y-axis direction) between the X-ray target, which is a G0 grid as a Lau interferometer, and the phase grid 5, which is a G1 grid. Further, the phase lattice ⁇ -axis rotation device 53 adjusts the inclination angle (that is, rotation about the Z-axis) of the phase lattice 5 in parallel with and from parallel to the X-ray target.
  • the Z-axis is installed parallel to the longitudinal direction of the grid of the X-ray target (the direction orthogonal to the periodic direction of the grid in the grid plane).
  • phase grid x-axis so that the relative position can be changed (that is, translational movement in the X-axis direction) in the minor axis direction (that is, the periodic direction of the grid) while maintaining the parallelism between the X-ray target 3 and the phase grid 5.
  • a drive device 51 is provided.
  • the power supply device 9 includes a high-voltage power supply 4, a filament power supply 41, and a bias power supply 42, so that the required voltage can be supplied to the electron source 2 via the cable 91.
  • the control device 11 can dynamically control the operation timing and operation contents of the water cooling device 10 and the power supply device 9 according to the preset contents or according to the detection result from an appropriate sensor (not shown). It has become.
  • the embedding depth of the X-ray target having a structure in which the metal is embedded in the target substrate composed of the light element to be the support substrate was examined.
  • the reach (R), penetration depth (X D ), etc. of the electrons irradiated by the electron beam on the substrate and the X-ray generator 32 are examined in detail, and the electrons are generated so that the X-ray dose generated from the metal pattern increases.
  • the depth of the metal pattern to which the beam is irradiated and the optimum range of the irradiation angle to the target wafer on the side where the pattern is formed can be obtained.
  • M embedding depth
  • a semiconductor / MEMS process for example, using a low-resistance ( ⁇ 20 m ⁇ cm 2 ) N-type SiC substrate as the target wafer and a plasma etching process using XeF 2 gas, Grooves with a width of 0.8 ⁇ m can be formed on the surface at a pitch of 2.4 ⁇ m.
  • W is deposited on a wafer in which grooves are formed in a grid pattern by the CVD method, W metal is embedded in the grooves, and then W metal other than in the grooves on the target wafer is removed by polishing to form a grid pattern.
  • W metal is deposited on a wafer in which grooves are formed in a grid pattern by the CVD method, W metal is embedded in the grooves, and then W metal other than in the grooves on the target wafer is removed by polishing to form a grid pattern.
  • an X-ray target 3 in which an X-ray generating portion 32 having a linear pattern having a one-dimensional periodic direction is embedded in a target substrate is used.
  • a groove 361 is formed on the surface of the target substrate 36 so as to have a two-dimensional periodic direction (that is, to have a two-dimensional pattern), and the groove 361 is formed.
  • the X-ray generator 32 is embedded in the space. This makes it possible to extract X-rays of a two-dimensional pattern.
  • FIG. 14 the illustration of the substrate is omitted, and only the circular X-ray generating portion 32 is shown. Both D and M in the second embodiment can be taken in the same manner as in the case of the first embodiment described above.
  • FIG. 13 (a) Example 1
  • 6 FIG. 13 (a): Example 1
  • FIG. 13 (b) Two types of Example 2 will be examined. As shown in FIG. 13 (a), when the number of closest grid points is 4, it is a square grid, and as shown in FIG. 13 (b), when it is 6, it is a two-dimensional pattern of a hexagonal grid.
  • the area occupancy of the X-ray generating portion 32 is about 8.7% in the case of the square lattice (Example 1). Become.
  • the irradiated electron beams are directly irradiated to the X-ray generating unit 32 to excite X-rays, and about 91% of the electron beams directly excite only the light element target substrate.
  • the area occupancy of the X-ray generating unit 32 is about 10%, and therefore it is about 10 of the irradiated electron beam that directly excites the X-ray generating unit 32 with X-rays. It becomes%.
  • the electron beam When the electron beam is tilted in the first proximity direction 321 (FIG. 14 (a)), the electron beam X-rays the W metal in the portion of the width a of the row of lattice points, but in the case of a square lattice, the width 2a ( The electrons that irradiate the target substrate portion (about 67% of the total) do not directly X-ray the W metal. Even with this, the electron beam irradiating the X-ray generating unit 32 is about 3.3 times as much as the electron beam vertical irradiation, and therefore the X-ray generating unit 32 can be X-ray excited about 3.3 times.
  • the direction is the second proximity grid point direction.
  • the X-ray generating portion 32 is not X-ray excited at a width of about 1.1a (about 37% of the whole) and a width of about 0.34a (about 11% of the whole) in the direction of the third proximity grid point.
  • the grids having a diameter a overlap on the projection plane, and all the electron beams are used to excite the X-ray generator 32.
  • the angle at which ⁇ is in the direction of the second proximity lattice point is “while the electron beam for X-ray excitation irradiates the target substrate and passes through the inside.
  • it corresponds to an example of "an angle at which the X-ray generating metal portion reaches 60% or more".
  • ⁇ is in the direction of the second proximity grid point, the electron beam reaches the X-ray generating metal portion 32 by about 63%.
  • the X-ray generation efficiency can be improved by increasing the ratio of the electron beam reaching the X-ray generation metal portion 32.
  • the X-ray target is configured so that the embedding depth M of the W metal is 9.1 to 24.0 ⁇ m (D ⁇ M ⁇ D + r (W)), and the irradiation of the X-ray electron beam is oblique in the direction of the fourth proximity. This makes it possible to efficiently generate X-rays.
  • the width of the electrons irradiating the target substrate portion of the target substrate portion is about 1.6a (about 53% of the total).
  • the volume ratio of the X-ray generating section 32 to which X-rays are irradiated is about 3.8 times that of the electron beam vertical irradiation, and therefore, the X-ray generating section 32 which is about 3.8 times larger can be X-ray excited. You can.
  • the target substrate is directly excited by X-rays at a width of 1 ⁇ a (about 33% of the whole) in the direction 322 of the lattice point that is the second proximity.
  • the grids having a diameter a overlap on the X-ray projection plane, and all the electron beams are used to excite the X-ray generator 32.
  • X-ray intensity about 10 times higher than that of vertical irradiation can be obtained.
  • the direction of the first proximity is the closest to the metal lattice, so this direction is considered in the same way as the direction of the metal lattice of the one-dimensional lattice, and the angle ⁇ is taken as shown in FIG. 14b.
  • the applied voltage of the electron beam for X-ray excitation is 140 kV
  • FIG. 15 shows an example of an X-ray tube used for the X-ray generator of the second embodiment. Similar to the first embodiment, the electron beam source 2 and the target 3 are arranged to face each other inside the vacuum-exhausted X-ray tube main body 1.
  • the arrangement of the electron source 2 and the target 3 may be the same as in the first embodiment, but when the irradiation angle ⁇ is large, the target is as shown in FIG.
  • 3 By installing 3 at a position close to the wall surface of the X-ray tube main body, it is possible to take out X-rays from the front surface direction in which the X-ray generation unit 32 is embedded and the back surface direction in which the target substrate is transmitted.
  • X-rays can be taken out in two directions in the radial direction of the cylindrical X-ray tube main body 1. Even in the case of a one-dimensional lattice (in the case of the first embodiment), if it is permissible to reduce the amount of X-rays generated, this arrangement can be set so that the irradiation angle ⁇ exceeds 35 to 40 degrees.
  • Phase grid 51 ... Phase grid x-ray drive device, 52 ... Phase grid ⁇ -rotation drive device, 53 ... Phase Lattice ⁇ -axis rotating device, 54 ... Phase lattice y-axis drive device, 6 ... X-ray tube housing, 7 ... X-ray extraction window for phase imaging, 8 ... X-ray for phase imaging, 9 ... Power supply device, 91 ... Connection cable, 10 ... water cooling device, 101 ... cooling water piping, 110 ... UV mask, 200 ... photosensitive resist, 300 ... SiO 2 film, 400 ... SiC wafer

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Abstract

【課題】位相イメージング用のＸ線の発生効率を向上させる。 【解決手段】電子源２は、電子ビーム２３をターゲット基板３６の垂線に対して所定の照射角度θだけ傾斜させてターゲット３に照射する。これにより、ターゲット基板３６の垂線方向に格子状のＸ線を取り出すことができる。ターゲット基板３６は、軽元素を含む物質で構成されている。ターゲット基板３６の表面には、１次元又は２次元方向に周期的に配置されて格子状とされた複数の溝３６１が形成されている。Ｘ線発生部３２は、ターゲット基板３６に形成された複数の溝３６１中に埋設されることにより格子状に配列されている。Ｘ線発生部３２は、W、Ta、Pt若しくはAuからなる金属又はそれらの合金から構成されている。格子状に配列されたＸ線発生部３２の深さＭは所定の範囲内に設定されている。

Description

位相イメージング用のＸ線発生装置
　本発明は、位相イメージング用のＸ線を発生させるための装置に関するものである。
　Ｘ線は、物質の透過特性が高いことから、Ｘ線を用いたイメージングは、試料の内部構造を観察する等に広く用いられている。これは、試料にＸ線を照射し、当該試料を透過したＸ線を検出器上に投影することで、試料内部の構造を透かし観る手法であり、試料物体内部におけるＸ線の吸収度を反映した投影像が得られる（例えば下記非特許文献１参照）。
　さらに、異なる方向から撮影された複数のＸ線投映像から試料の３次元像を構成する手法は、例えば、以下の非特許文献２によって知られている。また、試料を透過したＸ線の位相変化を用いてＸ線画像を生成する位相イメージングの技術も知られている。この技術では、Ｘ線格子を用いてＸ線の位相を検出する手法が用いられている（例えば下記非特許文献３）。この非特許文献３ではＸ線格子の作製方法についても述べられている。Ｘ線位相イメージングを用いると、Ｘ線吸収の少ない物質（原子番号が比較的に低い物質からなる試料、例えば生体組織など）であっても、試料に起因する位相変化の情報を用いて、鮮明なＸ線画像を得ることができる。
　Ｘ線位相イメージング装置の一例としてTalbot-Lau干渉計が知られている（下記非特許文献４参照）。Talbot-Lau干渉計は一般的には、Ｘ線経路に３枚の格子を配置して、Ｘ線位相イメージングデータを取得する。３枚の格子は、線源側から順にG0格子、G1格子、G2格子と呼ばれる。G0格子は吸収格子であり、ある一定の広がりを持ってＸ線を放射するＸ線源の下流側に設置される。G0格子には、Ｘ線遮蔽部分とＸ線透過部分とが周期的に配列されており、この性質により、このG0格子は、格子ピッチの間隔で疑似的に多数の微小Ｘ線源を幾何学的に配置する役割をもつ。このようにすると、線源として、空間的コヒーレンスが低いＸ線、つまり多色Ｘ線を発生するものを用いた場合でも、微小Ｘ線源からは、位相イメージングを実現できる程度に空間的コヒーレンスが高いＸ線を照射することができるので、位相イメージングを実現することができる。つまりG0格子は線源の一部を構成するものといえる。G1格子は位相格子であり、格子のＸ線遮蔽部分の材料と厚さを調整して、イメージングを行うＸ線の波長で所望の位相変化が生ずるようにしたものである。G2格子は一般には吸収格子であり、G1格子の像に対してモアレ像が生ずるようにその設置位置や格子周期が調整される。縞走査法では、G1格子及びG2格子の一方を他方に対して、格子の周期方向に相対的に微小量ずつ移動させつつ、変化する投影像をＸ線画像検出器により取得し、ついで、投影像のデータ処理を行う。これにより、必要なＸ線位相像の取得（いわゆる位相イメージング）をおこなうことができる。
　ここで、G0格子とG2格子においては、その機能上、Ｘ線を完全に遮蔽する部分と減衰なく透過させる部分とが周期的に所定の格子ピッチで形成されている必要がある。ここで、位相イメージングの空間分解能を高くとりたい場合は、格子ピッチを小さくする必要がある。しかしながら、Ｘ線を効果的に遮蔽するためには、一般には、重金属材料を十分に厚く形成する必要がある。このため、高アスペクト比のＸ線遮蔽部分を形成しなければならない。Ｘ線のエネルギーによっては、例えば、１０以上の高アスペクト比を持つ格子パターンを形成する必要があり、これは格子製作上、かなりの困難を生じる。
　困難さのひとつの解決方法として、下記非特許文献５にあるように、Lau干渉計という位相イメージング計測手法が提案されている。これによれば、大面積でかつ高アスペクト比の格子作成が必要なG2格子を省略できるという利点がある。更に、格子パターン状のＸ線発生を行うＸ線源を用いることにより、G0格子を省略することもできる。
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特許第４１８９７７０号公報 特許第５１５３３８８号公報 特許第５１５８６９９号公報 特許第５５４８１８９号公報 特開２０１５－０４７３０６号公報 特開２０１５－０７７２８９号公報 米国特許出願公開２０１５／０９２９２４号 米国特許出願公開２０１５／１１７５９９号 米国特許出願公開２０１５／２４３３９７号 米国特許出願公開２０１５／２６０６６３号 米国特許出願公開２０１６／００６４１７５号 米国特許出願公開２０１６／００６６８７０号
　前記した特許文献１の例では、パターン状または単層の薄膜状金属材料から陽極を構成し、この陽極を、電子ビームが透過しやすい軽元素からなる支持膜で挟んで、ターゲットを構成している。Ｘ線を発生させる薄膜金属材料のパターンの形成に半導体製造技術を転用することにより、サブマイクロメーターの精度で薄膜金属材料のパターンを作製することができる。この技術では、ターゲット基板を電子ビームが通過することにより生ずる帯電を除去するための帯電防止膜を支持膜の表面に載置しているが、ターゲットの陽極となるべき薄膜金属材料の導電に関しては考慮されていない。また、この技術では、ターゲット基板の直接冷却が考慮されていないため、数十W以上の電力をターゲットに印加することが困難となっている。
　前記した特許文献２の技術では、陽極となる薄膜金属材料をストライプ・パターン状とした上で電気伝導を確保し、その下部に配置された熱伝導用のダイヤモンド層を介して水冷金属ブロックに熱伝達させることにより、電子ビーム印加電力の向上とＸ線焦点位置精度の向上を企図している。ただし、この技術では、ストライプ・パターン状のＸ線の取り出しについては特に考慮されておらず、ターゲットの表面に対して３～１２度程度の低角度でストライプと平行にＸ線を取り出すことが提案されている。特許文献２の技術におけるストライプ・パターンは、特許文献１と同様に半導体製造技術により形成されている。ストライプ幅については、５μｍ程度を下限としている。
　前記した特許文献３の技術は、Talbot-Lau干渉計に関するものである。この文献には、回転するターゲットを用いてストライプ・パターン形状のＸ線を発生させる技術が記載されている。また、特許文献４は、回転ターゲット又は固定ターゲットを用いてストライプ・パターン形状のＸ線を発生させる装置について述べている。回転ターゲット型Ｘ線発生装置では、電子ビームが照射されるターゲット部分を、実例では6,000~12,000rpmで高速回転させつつ冷却することにより、大電力の電子ビーム照射を可能とし、Ｘ線発生強度を大きくしていた。ところが、この技術では、回転ターゲット回転軸に、回転軸に垂直又は平行な方向の、回転起因の振動ブレが発生する。機械加工精度には限界があるため、機械加工精度を向上させたとしても、２～３μｍのブレ振幅が生じると考えられるので、回転ターゲット型のＸ線発生装置は、高空間分解能のイメージングには不向きである。特許文献３及び４では、回転ターゲット形式のＸ線発生装置において、Ｘ線の取り出し角を６度とすることにより、見かけの軸ブレ量（回転軸方向のブレ量）を１／１０とする手法が提案されている。また、特許文献４では、ターゲット固定型においてＸ線の取り出し角を６度程度とすることにより、電子ビーム照射電力を大きくとりつつ、見かけのＸ線焦点の平面サイズを小さくする手法も提案されている。ところが、このような技術では、Talbot-Lau干渉計による位相イメージングの視野サイズに制限が加わるという問題がある。
　ところで、従来、格子構造を持つターゲットに電子ビームを照射する場合、ターゲット表面に対して垂直な方向から電子ビームを照射している。この場合、Ｘ線発生用の金属パターンがない部分（基板部分）は、Ｘ線発生にほぼ寄与しない。
　本発明者らは、Ｘ線発生効率の向上について種々の考察を重ねた結果、電子ビームの照射を傾斜させたうえで、Ｘ線発生用の金属パターン（Ｘ線発生部）の深さ（Ｍ）を所定の範囲に設定することにより、Ｘ線の発生効率を大幅に向上させることができるという知見を得た。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
（項目１）
　電子源からターゲットに照射される電子ビームにより励起されるＸ線を用いてＸ線位相イメージングを行うためのＸ線発生装置であって、
　前記ターゲットは、平板状に形成されたターゲット基板と、このターゲット基板に格子状に配列されたＸ線発生部とを備えており、
　前記電子源は、前記電子ビームを前記ターゲット基板の垂線に対して所定の照射角度（θ）だけ傾斜させて前記ターゲットに照射することによって、前記ターゲット基板の垂線方向に格子状のＸ線を取り出すことができるように構成されており、
　前記ターゲット基板は、原子番号が１４以下の元素を含む物質で構成されており、
　前記ターゲット基板の表面には、１次元又は２次元方向に周期的に配置されて格子状とされた複数の溝が形成されており、
　前記Ｘ線発生部は、前記ターゲット基板に形成された前記複数の溝中に埋設されることにより格子状に配列されたものとなっており、
　かつ、前記Ｘ線発生部は、W、Ta、Pt若しくはAuからなる金属又はそれらの合金から構成されており、
　格子状に配列された前記Ｘ線発生部の深さ（Ｍ）は
Ｄ≦Ｍ≦Ｄ＋ｒ
を満たすように設定されていることを特徴するＸ線発生装置、
　ここで、
ｒ：電子ビームとして照射されるＸ線励起用電子の、前記Ｘ線発生部における最大侵入深さ（Ｒ）と、前記Ｘ線発生部における前記Ｘ線励起用電子の侵入距離（ＸD）との差（ｒ＝Ｒ－ＸD）；
Ｄ：前記Ｘ線発生部と前記ターゲット基板とを透過する前記Ｘ線励起用電子の、前記ターゲット基板垂直方向への侵入深さ
である。
（項目２）
　前記Ｘ線発生部の格子幅（ａ）と前記ターゲット基板の格子幅（ｂ）の比（ａ：ｂ）は１：２とされており
　格子ピッチ（ａ＋ｂ）は前記ターゲット基板と前記Ｘ線発生部両方を通過する前記Ｘ線励起用電子の侵入距離以下とされている
　項目１に記載のＸ線発生装置。
（項目３）
　前記浸入深さ（Ｄ）は下記式により算出されるものである、項目１又は２に記載のＸ線発生装置：
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで、
ｎ：前記Ｘ線発生部、又は、前記複数の溝間の前記ターゲット基板であって、前記Ｘ線励起用電子が通過するものの枚数（ｎ≧１）；
ψ：前記ターゲット基板の表面と平行な面内における、前記電子ビームの傾斜角度
である。
（項目４）
　前記照射角度（θ）は、１０°～７５°の間の値に設定されている
　項目１～３のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
（項目５）
　項目１に記載した位相イメージング用Ｘ線発生装置において、
　前記Ｘ線励起用電子ビームを前記ターゲット基板の垂線に対して所定の角度だけ傾斜させて照射する方向（ψ）が、前記Ｘ線励起用電子ビームが前記ターゲット基板を照射し内部を通過する間に、前記Ｘ線発生金属部に60％以上到達する角度（ψ）に設定されている位相イメージング用Ｘ線管を備えたことを特徴とする位相イメージング用Ｘ線発生装置。
　本発明によれば、基板部分を照射する電子ビームも、基板を透過した後にＸ線発生部を照射するので、効率よくＸ線を発生させることができる。
照射された電子ビームにより励起されるＸ線の発生領域を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態に係るＸ線発生装置に用いられるＸ線管を示す説明図である。 図２のＸ線管に用いるターゲットの水冷構造を説明するための説明図である。 図３のターゲットに用いるターゲット基板の作製プロセスを説明するための説明図である。 図３のターゲットに用いるターゲット基板の表面処理プロセスを説明するための説明図である。 ターゲット基板に垂直に電子ビームを照射した場合における制動輻射Ｘ線の発生について説明するための説明図である。 ターゲット基板に斜めに電子ビームを照射した場合における制動輻射Ｘ線の発生について説明するための説明図である。 ターゲット基板に照射された電子ビームの侵入深さについて説明するための説明図である。 ターゲット基板におけるＸ線発生部への電子ビームの照射方向について説明するための説明図である。 電子ビームの電圧（ｋＶ）及び照射角度θ（度）と、基板への電子ビームの侵入深さ（μｍ）との関係を示すグラフである。また、図１０（ａ）は基板幅ｂ＝１．６μｍ、Ｘ線発生部の幅ａ＝０．８μｍの場合、図１０（ｂ）は基板幅ｂ＝２．０μｍ、Ｘ線発生部の幅ａ＝１．０μｍの場合である。 ターゲット基板におけるＸ線発生部の埋め込み深さＭ（μｍ）と、発生するＸ線強度（相対値）との関係を、照射角度θごとに示すグラフである。 照射角度θ（度）と発生するＸ線強度（相対値）との関係を、基板への電子ビームの侵入深さＭ（μｍ）ごとに示すグラフである。 図２のＸ線管を組み込んだＸ線発生装置を示す説明図である。 本発明の第２実施形態におけるＸ線発生装置に用いるターゲットにおける二次元格子構造を説明するための説明図である。図１４（ａ）は、二次元格子構造が正方格子の場合、図１４（ｂ）は六方格子の場合を示す。 本発明の第２実施形態におけるＸ線発生装置に用いるＸ線管を示す説明図である。
　以下、添付の図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。本実施形態の説明の前提として、まず、電子ビーム励起によるＸ線発生の原理について、図１を参照しながら詳しく説明する。
　（電子ビーム励起によるＸ線発生の原理）
　電子ビームを固体に照射すると、固体を構成する原子の電子遷移に伴い発生するＸ線（特性Ｘ線）と、原子の電場で制動を受けた電子から放射される制動輻射により発生するＸ線（制動輻射Ｘ線）とが発生する。特性Ｘ線はある特定の波長のＸ線を発生するのに対し、制動輻射Ｘ線は、電子ビームの加速電圧に対応する最大エネルギーより小さなエネルギー（波長が長い）を持つ連続した波長のＸ線を発生する。以下では制動輻射Ｘ線に主として着目する。
　固体表面に照射された電子ビームによる固体中でのＸ線発生に関しては、固体中でのＸ線発生の領域を数式で記述する研究が古くから行われている。とくに、非特許文献７に示された式は10keVから1,000keVまでの範囲の照射電子ビームのエネルギーに対応するものとして知られている。この論文で示された式は、実際のＸ線の発生について報告された多くの論文の実測値と高い一致度を示す。固体表面に照射された電子ビームにより固体内部で発生するＸ線の領域のモデルを図１に示す（非特許文献７参照）。
　図１は、Ｘ線源となる固体の表面（Target surface）に電子ビーム（incident beam）を垂直照射したモデルを示すものであり、このモデルでは、表面ＯからXDの距離だけ電子が侵入し、この電子がＸ線を発生させながら固体内を球状に拡散し最終的に固体に吸収されるものとなっている。また、Ｘ線を発生させる電子の最大侵入深さはＲで表される。ＲはエネルギーＥを持つ電子が固体内でエネルギー損失をしながら進む距離であり、下記の式（１）によって表される。この式に実際の数値を入れて関係式を導出した結果が、数式（２）である。ここでE0は電子のエネルギー(eV)、λsは計測から求められる経験的な係数、aは固体の原子半径に関係した数値、NはN=Naρ／Aで表される数値で、Naはアボガドロ数、ρはＸ線を発生する物質の密度（ｇ／cm3）、Aは原子量、Zは固体の原子番号である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　式（２）にそれぞれの数値を入れ、エネルギーの相対論的な補正項を入れ、さらに計測から求められた数値としてλs＝0.182とすると、10～1,000keVにおいて実測値とよく合うと評価される下記式（３）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　XDは、電子の最大侵入深さRを用いて下記式（４）によって表される。ここでγはターゲット物質の原子番号に起因する電子拡散距離の損失を現す値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　式（３）及び（４）によれば、電子ビーム加速電圧（E0）、Ｘ線を発生させるＸ線ターゲットを構成する元素の原子番号（Z）、その原子量（A）、Ｘ線ターゲットの密度（ρ）を決めることにより、電子ビームを照射された固体からＸ線が発生する領域を数値として得ることができる。ここで、Ｘ線ターゲット形状を設計する上で有用な数値をｒ＝R－XDとすれば、ターゲット表面からの電子の侵入距離XDから半径ｒの球状領域の中でＸ線が発生するものと表すことが出来る。
　格子状Ｘ線源とするためには、Ｘ線の発生効率の低い部分と高い部分が交互に並ぶＸ線ターゲット構造となっている必要がある。非特許文献８によれば、制動輻射（Bremsstrahlung）の強度Qは数式（５）で表される。ここでＰはエネルギーEに減速される電子の運動を現す多項式である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　ここで重要なことは、制動輻射の強度が、Ｘ線ターゲットとなる元素の原子番号（Z）の２乗に比例するという点である。従って、格子状線源を構成するためには、低い原子番号の元素からなる物質と大きな原子番号の元素からなる物質とを交互に並べることが必要となる。
　低原子番号の元素で、その特性上Ｘ線ターゲット用の基板の材料と成り得るものは、実際には、Be、B、C（DI、ダイヤモンド）、C(DLC、ダイヤモンドライクカーボン)、BN、SiC、AlN等である。数式（３）及び（４）を用いて数値を得るにあたり、化合物については、原子番号と原子量について平均原子番号と平均原子量を用いる。前記した材料の電子ビームエネルギー（keV）に対する、R、XD、ｒについて表１に示す。ここで数値の単位はμｍである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　本実施形態では、0.8μｍ格子状溝の作製が可能であり、また低抵抗（～20ｍΩcm2）であるN型SiC基板をターゲット・ウェハに用いた。SiCウェハは電力制御用半導体素子の形成にも用いられ、耐熱性も高く、Siウェハと同様に微細加工が可能なプロセスが開発されている。ただし、表１に列記したBe、Ｂ、Ｃ（ＤＩ，ダイヤモンド）、Ｃ（ＤＳ、ダイヤモンドライクカーボン）、BN、AlNであってもそれぞれの加工プロセスを用いて、表面に電流を流すための導電膜を形成することにより、同様にＸ線ターゲット用の基板として用いることが可能である。
　（本実施形態のＸ線発生装置）
　次に、図２及び図３をさらに参照しながら、本実施形態のＸ線発生装置（以下単に「発生装置」又は「装置」と略称することがある）について説明する。この装置は、電子源２からターゲット３に照射される電子ビーム２３により励起されるＸ線３５を用いてＸ線位相イメージングを行うためのものである（図２参照）。さらに、このＸ線発生装置は、ターゲット３を内部に収容するＸ線管本体１と、電子源２を駆動する高圧電源４とを有している。
　（ターゲット）
　ターゲット３は、図３に示されるように、平板状に形成されたターゲット基板３６と、このターゲット基板３６に格子状に配列されたＸ線発生部３２と、冷却用の金属プレート３７とを備えている。ターゲット基板３６は、軽元素、例えばBe、B、C（DI、ダイヤモンド）、C(DLC、ダイヤモンドライクカーボン)、BN、SiC、AlN等から構成されている。本実施形態では、特に言及しない限り、ターゲット基板３６としてSiCを用いることを前提とする。ここで軽元素とは、この明細書では、原子番号が１４以下の元素をいうものとする。ターゲット基板３６は、軽元素を含む物質から構成されていればよく、軽元素以外の元素を含んでいてもよい。
　ターゲット基板３６の表面には、１次元方向（図３において左右方向）に周期的に配置されて格子状とされた複数の溝３６１（後述の図４（ｃ）参照）が形成されている。なお、二次元格子とする場合（後述の第２実施形態）では溝３６１も二次元方向に周期的に形成される。
　Ｘ線発生部３２は、ターゲット基板３６に形成された複数の溝３６１の内部に埋設されることにより格子状に配列されたものとなっている。さらに、Ｘ線発生部３２は、タングステン（W）、タンタル（Ta）、白金（Pt）若しくは金（Au）である金属又はそれらの合金から構成されている。本実施形態では、タングステン（以下Ｗ又はＷ金属と称することがある）の使用を前提として以下において説明する。
　格子状に配列されたＸ線発生部３２の深さＭ（後述の図５及び図８参照）は
Ｄ≦Ｍ≦Ｄ＋ｒ
を満たすように設定されている。
　ここで、
ｒ：電子ビームとして照射されるＸ線励起用電子の、Ｘ線発生部における最大侵入深さ（Ｒ）と、Ｘ線発生部におけるＸ線励起用電子の侵入距離（ＸＤ）との差（ｒ＝Ｒ－ＸＤ）；
Ｄ：Ｘ線発生部とターゲット基板とを透過するＸ線励起用電子の、ターゲット基板の垂直方向での侵入深さ
である。
　本実施形態においては、Ｘ線発生部３２の格子幅ａ（後述の図８参照）とターゲット基板３６の格子幅ｂの比ａ：ｂは１：２とされている。また、Ｘ線発生部３２の格子ピッチａ＋ｂは、ターゲット基板３６とＸ線発生部３２の両方を通過するＸ線励起用電子の侵入距離以下、より具体的には１０μｍ以下とされている。
　本実施形態における浸入深さＤは下記式（後述の式（８）と同じもの）により算出可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　ここで、
ｎ：Ｘ線発生部、又は、複数の溝間のターゲット基板であって、Ｘ線励起用電子が通過するものの枚数（ｎ≧１）；
θ：ターゲット基板表面への垂線に対する電子ビームの照射角度（いわゆる周期方向での傾斜角）
ψ：ターゲット基板の表面と平行な面内での、電子ビームの傾斜角（いわゆる格子方向傾斜角）
である。これらの角度θ及びψの取り方は後述の図９に示されている。角度ψは、Ｘ線発生部３２の面に垂直な方向を０°にとっている。
　本実施形態における照射角度θは、１０°～７５°、より好ましくは１５～６５°の間の値に設定されている。
　金属プレート３７は、Ｘ線出射孔３８と冷却水流路３９とを有する。冷却水流路３９は、入口３９１と出口３９２とを有する。
　（電子源）
　電子源２は、電子ビーム２３をターゲット基板３６の垂線に対して所定の照射角度θ（図２参照）だけ傾斜させてターゲット３に照射することによって、ターゲット基板３６の垂線方向に格子状のＸ線を取り出すことができるように構成されている。より詳しくは、電子源２は、電圧の印加により電子を生じるフィラメント２１と、電子ビームのプロファイルを整形する電子レンズ２２とを備えている。
　（Ｘ線管本体）
　Ｘ線管本体１は、Ｘ線ビーム３５をＸ線管本体１から取り出すためのＸ線取り出し窓３４を備えている。
　（高圧電源）
　高圧電源４は、フィラメント電源４１とバイアス電源４２とを有している。
　本実施形態における前記した各要素の詳細は、本実施形態の動作として後述する。
　（ターゲットの作成方法の一例）
　次に、ターゲット基板３６を作成するための加工プロセスの一例を、図４及び図５をさらに参照しながら説明する。この加工プロセスでは、SiCウェハ４００表面に格子状の構造を形成する。具体的には、まず図４（ａ）のように、ウェハ４００上にSiO2膜３００を形成し、その上にＵＶ感光性レジスト膜２００を形成する。ついで、所定のパターン（溝３６１に対応）を持つＵＶマスク１１０を通してＵＶ光をウェハ４００に向けて照射する。
　ＵＶ光が照射された感光性レジスト材料膜２００を現像することにより、この膜２００にＵＶマスク１１０のパターンが転写され、感光性レジスト材料膜２００の一部がSiO2膜３００上に残る。これをドライエッチングすることにより、レジスト膜に覆われた部分のSiO2膜３０１だけを残し、図４（ｂ）のような状態とすることが出来る。この状態でSiO2膜３０１をマスクとしてXeF2ガスを用いたドライエッチングを行い、SiC膜３０１をトレンチエッチングする。これにより、図４（ｃ）に示すように、ウェハ４００の表面に格子パターンを形成することが出来る。この格子パターンは、周期的に形成された複数の溝３６１を含んでいる。複数の溝３６１の周期方向は、図４（ｃ）において図中左右方向となっている。
　ついで、溝３６１が形成されたウェハ４００に、金属からなるＸ線発生部３２を埋め込む。前記したように、本実施形態のＸ線発生部３２としては、W（Z=74）を用いた。SiCはSi(Z=14)とC(Z=6)の１：１定比化合物であり、前記（５）式によれば、W部分からのＸ線発生強度がSiCと比較して約47倍の強度となる。前記したように、この金属としては、Ta（Z=73）、Pt（Z=78）、Au（Z=79）を用いることも可能である。
　Ｘ線発生部３２の具体的な埋め込み方法を、図５をさらに参照しながら説明する。まず図５（ａ）に示すように、溝３６１を含めたウェハ４００の表面（図５中の上面）全部にＷＮ膜４０１を約２ｎｍ成膜する。ついで、図５（ｂ）に示すように、ＷＮ膜４０１の上面にCVD法でW膜４０２を製膜する。その後、図５（ｃ）に示すように、ウェハ表面を研磨することにより溝部分以外のW膜４０２及びWN膜４０１を除去する。残存したＷ膜４０２がＸ線発生部３２となる。ここでW金属（つまりＸ線発生部３２）の埋め込み深さを、符号Mで表している。
　ついで、研磨で形成された表面に、図５（ｄ）に示すようにTiN膜４０３及びTi膜４０４を製膜する。ここで用いたWN膜４０１及びTiN膜４０３はバリアメタルであり、省略することが可能である。金属保護膜であるTi膜４０４も省略可能である。また前記した各寸法及び材質は単なる一例であり、これらには制約されない。
　（電子線の照射方法）
　ついで、格子状のＸ線発生部３２を有するターゲット３から効率的に縞状のＸ線を取り出すための電子線の照射方法について説明する。まず以下において原理的な検討を行う。
　前記した図１に示されたＸ線発生のモデルに於いて、点Oで固体に入射した電子は、XDの距離まで固体内に侵入し、点ODから半径ｒ（＝R-XD）の球体内でＸ線を発生させながら拡散してエネルギーを失い、そして固体に吸収され電流として流れる。このとき、距離XD及び半径ｒは、照射電子のエネルギー（印加電圧）と材料（原子番号Z、密度ρ）により異なる。前記式３と式４により求められる数値は前記した表１に示されている。
　本実施形態におけるＸ線発生用ターゲットは、位相イメージング用のＸ線源を構成するものであり、この場合、ターゲット基板の格子幅と金属格子幅の比は２：１が適切であることが知られている（前記の非特許文献９参照）。
　ターゲット基板３６の材料をC(DI、ダイヤモンド)又はSiCとし、Ｘ線発生部３２の材料をWとし、印加電圧140kVの電子がターゲット基板３６に垂直に照射されたときのＸ線発生領域を図６に示す。ターゲット３におけるＸ線発生部３２は、ターゲット基板３６に深さ15μｍまで埋め込まれて（つまりＭ＝１５μｍ）、格子状に配列されているとする。
　表１によれば、C(DI)を基板としたとき、ターゲット基板３６の表面（Ｘ線発生部３２の間における非金属部分）に垂直に照射された電子ビームは、深さ約40μｍの位置ＯＤを中心に、半径r1＝約25μｍの球形領域で制動輻射Ｘ線を発生させる。このとき、ターゲット基板３６に照射された電子ビーム２３は、W金属であるＸ線発生部３２まで拡散せず、したがって、Ｘ線発生部３２からＸ線を発生させることはない。SiCをターゲット基板３６としたときは、C(DI)と同様に深さ約40μｍの位置ＯＤを中心に、半径r2＝約35μｍの球形領域から制動輻射Ｘ線が発生する。ここで、ターゲット基板３６に垂直に照射された電子ビーム２３の一部は、W金属であるＸ線発生部３２まで拡散する。拡散によりＸ線発生部３２に到達した電子は、W金属により多くの制動輻射Ｘ線を発生し、ODから約30μｍの距離r3でエネルギーを消失する。
　一方、Ｘ線発生部３２であるWの表面に照射された電子は、深さ約4.5μｍの位置ＯＤを中心に、半径r4＝約15μｍの球形領域から制動輻射Ｘ線を発生させる。Ｘ線発生部３２であるWに照射された電子のうちの30～40％程度は反跳電子となって、Ｘ線の発生に寄与しない。また、Ｘ線発生部３２であるWの表面に照射された電子は、Ｘ線発生部３２どうしの間隔がＷ金属単体の制動Ｘ線発生領域の半径15μｍより充分小さく、かつ、ターゲット基板部分の幅とＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）の幅との比が２：１のときは、表１に示す2DI／W或いは2SiC／Wのｒに示されるように、制動輻射Ｘ線の発生領域が広がる。この発生領域の半径r5は、図６に示すようにr4より大きくなり、約24～25μｍとなる。実際は、この発生領域の広がりは、ターゲット基板３６と平行な方向におけるものなので、図７に示すような楕円形状となり、その長径r5が約24～25μｍとなる。
　以上述べたように、図１に示したＸ線発生領域についての原理的な検討によれば、電子ビーム２３をターゲット基板３６に対して垂直に照射するときには、軽元素で構成されたターゲット基板３６の部分を直接照射する電子はＷ金属部分にほとんど届かない。したがってこの部分は、制動輻射Ｘ線を発生する割合が低く、制動輻射の大部分はＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）を直接照射する電子ビームに依存することになる。従って、通常使用されているターゲット、例えばターゲット基板３６とＸ線発生部３２の幅の比が２：１であるターゲット３では、ターゲット基板３６を照射する電子ビームによるＸ線の発生効率が低い。
　これに対して本実施形態では、電子ビーム２３をターゲット３に対して所定の角度θで傾斜させて照射することにより、ターゲット基板３６部分に照射する電子ビームもＸ線発生部（Ｗ金属部分）３２で制動輻射Ｘ線を発生するようにした。これは、ターゲット基板３６の材料が、金属部分（例えばＷ）と比較して、入射した電子ビームの電子侵入距離ＸＤが長く、ターゲット基板３６に照射された電子ビームがターゲット基板材料を通して長く透過できるという特性を利用している。以下、この点についてさらに詳しく説明する。
　幅aのＸ線発生部３２（Ｗ金属格子）と幅bのターゲット基板３６部分（以下符号「Ｋ」で示すことがある）とを透過する電子ビーム２３が侵入できる表面からの深さＤの説明図を図８として示す。図８において符号θは、Ｘ線ターゲット３への電子ビームの照射角度（入射角度）である。符号Lを、電子ビーム２３がＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）を通過する距離とする。距離LがＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）での電子ビーム侵入距離XD(W)より短ければ、Ｘ線発生部３２（W金属部分）を照射した電子ビームは、Ｘ線発生部３２（W金属部分）を通過してターゲット基板部分に侵入する。このこのように浸入できる最小の角度をθminとすると、θminは下記の（６）式で表される。（６）式において符号ψは、図９に示すように、電子ビーム２３がＸ線発生部３２（W金属）の壁面となす角度（ターゲット基板３６の表面に平行な面内での傾斜角度）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　同様に、図８で示される、ターゲット基板３６部分に入射した電子ビーム２３も、ターゲット基板３６部分を通過してＸ線発生部３２（W金属部分）に侵入する。
　θmin以上の角度で電子ビームをＸ線発生部３２に照射することにより、W金属単体に照射する場合（θ＝０°の場合）より深い部分まで制動輻射Ｘ線を発生させられる。さらに、本実施形態では、ターゲット基板３６部分に入射する電子ビームも使ってＸ線発生部３２で制動輻射Ｘ線を発生させることができる。ここで、Ｘ線発生部３２と基板部分（Ｘ線発生部３２に隣接する部分）ｎ枚ずつの長さを透過するときの条件を表すと、下記式（７）のようになる。また電子ビーム侵入深さＤは下記式（８）で表わされる。ここでｎ≧１である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　前記の式（７）及び（８）においてｎが整数という条件では、Ｘ線ターゲットのＸ線発生部３２（W金属部分）及びターゲット基板３６部分のいずれの場所に照射された電子ビームであっても、同じ侵入深さとなる。ｎが１以上の非整数の時は、Ｘ線発生部３２（W金属部分）に照射された電子ビームの侵入深さは、ターゲット基板３６部分に照射された電子ビームの侵入深さより小さくなるが、基板３６部分とＸ線発生部３２（W金属部分）とを含めた電子ビーム照射部分全体での侵入深さの平均は、式（７）及び（８）で求められる値とほぼ同程度となる。
　また、ｎが１以上となる電子ビームの照射を達成するためには、少なくとも格子ピッチの１周期に相当する長さまで電子ビームが侵入する必要があり、この条件により、Ｘ線ターゲット３の格子ピッチ（ａ＋ｂ）の最大長さを決定できる。Ｘ線発生部３２（Ｗ金属部分）とSiCターゲット基板３６部分の幅の比が１：２の場合でn=１の場合の格子ピッチ（ａ＋ｂ）の最大値Pmaxは、各電子ビームエネルギーに対して、下記の表２のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　ここで、本実施形態において、格子ピッチ（ａ＋ｂ）は、前記したように、ターゲット基板３６とＸ線発生部３２の両方を通過するＸ線励起用電子の侵入距離ＸＤ以下とされている。つまり、格子ピッチ（ａ＋ｂ）は、Ｘ線励起用電子がターゲット基板３６とＸ線発生部３２の両方を通過できる程度に狭い距離とされている。
　実際に採用可能な格子ピッチ（ａ＋ｂ）は、電子ビーム照射角θと、格子ピッチの何倍の長さまで電子ビームを侵入させるかによって決まり、下記式（９）で決められる。ここではψ＝０°を仮定している。また、Pmaxは前記した格子ピッチの最大値である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
　式（９）によれば、実際に取り得るθの範囲から、０≦sinθ≦１であり、したがって、Ｘ線ターゲットの格子ピッチには最大値がある。印加電圧が２４０ｋＶのときのPmaxは約26μｍであるが、一般的な印加電圧（１４０ｋＶ）及び電子ビームの照射角度θ（通常は９０°未満）を考慮し、a+b≦10μｍとすることが望ましい。
　本実施形態においては、Ｘ線ターゲットへの（つまりW金属パターンへの）電子ビーム照射の傾斜方向は、Ｘ線発生部３２の表面への投影において、この表面に対して垂直（つまりψ＝０°）とした（図９参照）。Ｘ線発生部３２の材質をW金属、ターゲット基板の材料をSiCとし、ψ=0°で、a=0.8μm、b=1.6μm（図１０（ａ））及びa=1.0μm、b=2.0μm（図１０（ｂ））のとき、電子ビーム照射角θに対する電子ビーム侵入深さＤを式（７）及び（８）を基に計算した結果を図１０に示す。１４０kVの例では、θmin（＝10.2度）の角度よりθを大きくとると、W金属単体での電子ビームの侵入距離ＸＤ（つまりθ＝０°）は約4.5μmであるが、θ＝10.2～25.6度の範囲では侵入距離ＸＤを10μm以上とすることができ、照射電子ビームの全てを、Ｘ線発生部３２（W金属部分）によるＸ線発生に活用することができる。従って、実際の電子ビーム光学系の設計によるが、電子ビーム照射の照射角度θは、１０°から、DをXD(W)と同程度にできる７５°程度の範囲が適切である。
　本実施形態では照射電子ビーム２３を傾斜させているので、Ｘ線発生部３２（W金属部分）に入射した電子ビーム２３もＸ線発生部３２（W金属部分）を通過して、軽元素で構成されたターゲット基板３６に侵入する。このため、基板表面からの電子ビーム侵入深さＤは、金属W単体の場合より深くなる。また、軽元素で構成されたターゲット基板３６に入射した電子ビーム３２は、ターゲット基板３６部分を通過した後、Ｘ線発生部３２（W金属部分）に侵入するため、その場合の電子ビーム侵入深さＤも金属W単体の場合より深くなる。すると、ターゲット基板と金属部分からなるターゲット３において、制動Ｘ線を発生する部分を表面から深い位置とすることができ、制動Ｘ線発生球状領域の体積を増すことができる。すると、ターゲット基板３６に対して垂直（θ＝０°）に電子ビーム２３を照射する場合と比較して、Ｘ線の発生強度を高めることになる。
　140kVの電子ビーム２３の侵入深さ（Ｄ）を4.5μmから10μmにできた場合、制動Ｘ線を発生する体積は、Ｘ線発生部３２がW金属の場合、約20%増加する。垂直照射（θ＝０°）の場合、W金属部分において制動輻射Ｘ線を発生する距離としての深さ方向の最大長さＲ（＝ＸＤ+ｒ）は約20μｍである（図６のXＤ(W)＝4.5μｍ、r4＝15μｍ）。これに対して、θ＝10.2～25.6度の範囲での傾斜照射のときは、この長さＲは約25μmである（ここでＲ＝Ｄ＋ｒ４；Ｄ≒１０μｍ，ｒ４≒１５μｍ）。従って、Ｘ線発生部３２（W金属部分）の埋め込み深さM（図８参照）が、制動輻射Ｘ線を発生する電子の拡散する深さｒまである場合、電子ビームを傾斜照射させることにより、全ての電子ビームをＸ線発生部３２でのＸ線発生に寄与させることができる。したがって、電子ビームを傾斜照射とすることにより、垂直照射の場合と比較して、Ｘ線発生部３２（W金属部分）からの制動Ｘ線をより多く発生させることが可能である。
　次に、Ｘ線を主として発生するＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）の深さと放射されるＸ線強度との関係について、さらに図１１を参照しながら考察する。ここでは電子ビームの印加電圧を140kVとし、Ｘ線発生部３２（W金属部分）の幅ａを１μｍ、ターゲット基板部分の幅ｂを２μｍとした（つまり図１０（ｂ）に対応）。電子ビーム照射角度θについては、垂直照射（θ＝０°）の場合と、上記式（７）及び（８）においてｎ＝１，２，３とした場合（θ=15.7°、32.8°、54.3°に対応）を用いて計算した。また、ψ＝０°とした。
　垂直照射においては、Ｘ線発生部３２を照射しない電子ビームは、ターゲット基板３６での侵入距離ＸＤ（Ｋ）に相当する深さまで到達し、その場所から、Ｘ線を発生する電子が拡散する状況となる。電子ビームの印加電圧を140ｋVとし、Ｗへの侵入距離XD(W)の深さ（4.527μｍ）よりMが小さい、つまりM<XD(W)の場合を例にとる。ここでターゲット基板３６がSiCの場合、表１からわかるように、ターゲット基板３６での侵入距離XD(K)は40.255μｍであり、拡散限界r(K)（=R-XD）は34.940μｍである。従って、Mが侵入距離XD(K)と拡散限界r(K)の差である5.315μｍ以下の場合は、ターゲット基板に垂直照射した電子ビームの電子がＸ線発生部３２に到達しないので、それによるＸ線発生はない。
　一方、Ｘ線発生部３２を照射する電子ビームは、Ｘ線発生部３２としてのW金属を透過することにより、ターゲット基板３６の深さ方向に侵入する距離が減少する。すなわち、この場合、M＜XD(W)であっても、Ｘ線発生部３２からＸ線が発生する。また、後述の図１１のMの範囲（A）に相当する、XD(W)≦M≦XD(W)＋r(W)の場合は、Mに対して線形にＸ線強度が増加する。一方、電子ビームをターゲット基板３６に垂直照射する（つまりθ＝０）ことでXD(K)まで侵入した電子は、W金属の深さMが、後述の図１１のMが5.315μｍ以上に相当する場合である、XD(K)-r(K)＞０のときは、ターゲット基板材料内を拡散してＸ線発生部３２に到達し、制動放射Ｘ線を発生させる。このため、Ｘ線ターゲットの格子ピッチ（ａ＋ｂ）が（９）式より充分小さな値のときは、電子ビーム垂直照射条件の発生するＸ線強度は、図１１におけるθ=０°（基板照射を含む場合）でのＸ線強度のようになる。なお、ここで「θ=０°（基板照射を含む場合）」とは、基板照射されて拡散した電子により励起されるＸ線を考慮するという意味である。
　次に、θmin≦θであって、Mが十分に大きく、Ｘ線発生部３２とターゲット基板３６の双方を電子線が通過できる場合について検討する。θ＝15.7°で電子線をターゲットに照射した場合、電子線の侵入深さＤは（８）式から10.7μｍであり、この侵入深さDは、θが同じであれば、ターゲット基板３６を照射する電子ビームの場合も、Ｘ線発生部３２を照射する電子ビームの場合も同一となる。ここで、Mが侵入深さＤ以上のときは、Ｘ線発生部３２内に拡散する全ての電子が制動Ｘ線発生に関与することになる。
　Ｄの値は電子ビームの照射角度で異なり、印加電圧140kVの場合、θ=32.8°でD=9.3μｍ、θ=54.3°でD=6.5μｍとなる。従って電子ビーム斜め照射では、垂直照射の場合のターゲット基板直接照射のような状態（Ｘ線発生に寄与しない電子が多くて効率が低い状態）が発生しない。つまり全ての照射電子ビームがW金属からのＸ線発生に寄与する。ただし、M>D+r(W)のときは、Mを大きくしてもＸ線発生に寄与する電子拡散が無いため、Ｘ線強度はM=D+r(W)で飽和することになる。ターゲット基板３６の表面からのＸ線発生部３２（W金属部分）の深さMと制動輻射Ｘ線強度の計算例が、前記した図１１に示されている。これらの計算においては、ターゲット基板３６に侵入した電子ビームの拡散によりＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）に到達して発生するＸ線と、照射された電子ビ－ムの侵入によりＸ線を発生するＸ線発生部３２の体積とを考慮した。ただし、Ｘ線発生部３２及び基板材料による、電子ビームにより発生したＸ線の吸収は、一般に吸収が小さいため、考慮していない。
　電子ビームの垂直照射によりターゲット基板３６に侵入した電子は、電子の侵入方向に沿う深さXD(K)まで到達し、その後、ｒ(K）の範囲でターゲット基板３６内を拡散するため、M>XD(K)-r(K)の場合、Ｘ線発生部３２に到達し制動放射Ｘ線を発生させる。このため、ターゲット３の格子ピッチ（ａ＋ｂ）が式（９）で得られるａ＋ｂより充分小さい値のときは、電子ビームを垂直照射するという条件で発生するＸ線強度は、図１１における基板照射を含めたθ=０°のＸ線強度のようになる。この効果を考慮しても、本実施形態においては、傾斜した照射電子ビームによりＸ線を発生させることにより、電子ビームを垂直に照射する方式と比較して、格子状Ｘ線ターゲットからのＸ線発生効率を向上させることができる。ターゲット基板３６に金属格子を埋め込むことでターゲットを製造する場合、埋め込み深さMを大きくとると製造の技術的困難性が増す。このため、埋め込み深さMは可能な限り小さいことが望ましい。埋め込み深さMを電子ビームの基板への侵入深さ（電子線の侵入方向における深さ）XD(K)と同程度まで深くすれば、垂直に電子ビームを照射する方法であってもＸ線発生効率の向上を図れるが、そのような加工は実際上、加工コストの点で困難である。
　これに対して、本実施形態では、埋め込み深さMは、照射角度によって（８）式で決まるD（すなわち基板表面に垂直な方向での深さ）を用いると、D≦M≦D+r(W)の範囲（図１１の範囲（A））では、同一印加電圧・電流の条件下においてＸ線の発生効率に優れる。とくに、XD(W)+r(W)からD+r(W)の範囲（図１１の範囲（B））では、Ｘ線発生部３２の埋め込み深さMに対して最も効率高くＸ線を発生させることが可能となる。ＭがD+r(W)を超えると、埋め込み深さＭを増やしてもＸ線発生効率には寄与しないが、製造の困難性は増す。したがって、Ｍ≦D+r(W)であることが好ましい。以上のことから、Ｄ≦Ｍ≦D+r(W)が好ましいことが分かる。より好ましくはXD(W)+r(W)≦Ｍ≦D+r(W)である。
　図１１に示された電子ビーム照射角度θとＸ線強度との関係を、Ｍの値毎に図１２に示した。これらから分かるように、Ｍの値がある程度以上大きいとき（図１２の例ではＭ≧１０μｍのとき）、おおよそ１０°≦θにおいてＸ線強度を高めることができる。ただし、θの値が大きすぎると、基板表面にほぼ平行に電子ビームを照射することになるので、電子ビームのエネルギーを一定とすれば、XD(W)が小さくなり、反跳電子の割合が増加する。そのため、θ≦７５°程度とすることが好ましい。より好ましくはθ≦６５°である。
　（ターゲットの動作）
　次に、図３を参照して、電子ビーム２３が照射されたターゲット３の動作について説明する。SiCからなるターゲット基板36に140ｋVの電子ビーム23を角度θ（図９参照）で照射する場合（ここでψ＝０°）、SiCの部分において表面から最大約75μmの深さまで電子ビームが到達し（表１のＲ＝75.195μｍ参照）、制動輻射（小強度）Ｘ線３５２を放射しながら減速して熱が発生する。またＸ線発生部３２（Ｗ金属部分）では最大約25μｍの深さまで電子ビームが到達し、制動輻射（大強度）Ｘ線３５１を放射しながらエネルギーを失い、熱を発生する。つまり、この場合に電子が潜り込む最大深さは、θ=15.7度のときXD(W)＝10.67μｍ、r(W)＝14.92μｍなので、25.6μｍとなる。従って、表面から75μm深さの部分で発生する熱を効率的に除去する構造とする必要がある。回転型陽極でない先行公知例（前記した特許文献１、５～７等参照）では、ターゲットの膜厚を薄くし、ターゲットでの電子ビームエネルギーの吸収量を減らすことで、ターゲットの発熱の問題を回避することを企図している。
　本実施形態では、ターゲット基板３６は、金属ボンディングにより水冷金属プレート３７に電気的かつ熱的に接合されている。ターゲット基板３６を構成するN型SiCの熱伝導率を150W/mKとすると、表面部分で1kWの熱発生があった場合でも、裏面側から除熱する場合に１次元の熱伝導で近似してフーリエの法則に基づいて温度差を求めると、ターゲット基板３６の表裏の温度差は80～90℃程度となる。水冷金属プレート37に用いる金属材料として一般的なアルミニウム（Al）や銅（Cu）の熱膨張係数は16~23ppmであって、SiCウェハの3.7ppmやW金属の4.5ppmと比較して大きいため、メタルボンディングが必ずしも充分に行えない。さらには、電子ビーム電力のon/offによる熱応力により、基板３６と金属プレート３７との接合部が破壊したり、SiCウェハが破壊する可能性がある。そこで、本実施形態では、基板３６の材料として、アルミニウムとSiの微粒子を熱圧縮して熱膨張係数を抑制した材料を用いることができる。この材料の熱伝導率は150W/mKであり、熱膨張係数は約7ppmであるため、熱応力を軽減する構造を実現可能である。
　本実施形態では、SiCのターゲット基板３６を用い、冷却水温度を20～30℃とし、印加電子ビーム最大電力を2kW程度に設定することにより、基板３６の表面最高温度を200℃以下程度に保つことが可能である。これにより、微細なＸ線発生部３２の埋め込み構造に対するダメージを抑制することが可能となる。2kWの電子ビームの負荷がかかるＸ線管の冷却用としては、Ｘ線回折用管球の冷却において実績のある水冷の冷却システムが市販されており、この冷却システムを用いて冷却水を循環させることによって、ターゲット３を安定に冷却することが可能である。この冷却方法を用いれば、電子ビーム２３の照射径と冷却系の設計によっては、２kW以上の電力が印加された電子ビームを用いるＸ線管の実現も可能である。なお、本実施例では水冷による冷却方法を記述したが、冷却方法として、冷媒は水だけでなく、オイルや液体金属を用いた液冷あるいは、気体を用いた空冷システムを用いることが可能である。
　図３の水冷構造においては、ターゲット基板３６における、Ｘ線発生部３２がない側（背面側）に、直径1.5mmのＸ線出射孔38を設けている。Ｘ線の取り出し方向としては、Ｘ線発生部３２が埋め込まれた表面からその垂直方向に取り出すのが最適である。しかしながら、25keV以上のＸ線を取り出す場合には、330μm厚のSiCをターゲット基板３６として用いた場合であっても、基板３６のＸ線吸収によるＸ線強度の減少はそれほど大きくない。したがってこの場合は、基板３６の裏面から取り出すことも現実的に可能である。なお、基板３６の表面方向のみからＸ線を取り出す場合はＸ線出射孔38が不要であり、冷却の面ではこの構成が有利である。
　（Ｘ線管）
　ここで、前記したターゲット３が内部に設置される、位相イメージング用のＸ線管について、図２を参照してさらに詳しく説明する。
　このＸ線管は、ターゲット基板３６の裏面からＸ線を取り出すタイプのものである。内部を高真空に排気したＸ線管本体１の内部に、熱電子を発生するフィラメント21と電子レンズ２２が配置された電子源２が配置され、この電子源２と対向するように、Ｘ線発生部３２のパターンを表面に有するＸ線ターゲット３が設置される。ターゲット３の表面を照射する電子ビーム23の傾斜角は、所定の角度θに設定されている。フィラメント電源４１により加熱されたフィラメント21で発生した熱電子は、バイアス電源42と電子レンズ22によりその断面形状が整えられ、高圧電源４による高電圧で加速されてＸ線ターゲット３を照射する。電子ビームは所定の傾斜角θでターゲット基板３に斜め方向から照射し、電子の加速電圧によりターゲット表面から所定の深さまで電子ビームを侵入させる。
　本実施形態のＸ線ターゲット３は水冷されるので、Ｘ線管本体１と共に接地電位とすることが望ましい。ターゲット電位を接地電位とすることにより、ターゲット基板３６と、Ｘ線管本体１に取り付けられたＸ線取り出し窓34との距離を小さくすることが可能となる。更に、前記非特許文献６で提案されたLau干渉計では、G0であるターゲット基板とG1位相格子を近距離に設置することが必要であるが、本実施形態のＸ線管では、Ｘ線取り出し窓34の外部に配置される位相格子５をターゲット基板３６の近くに配置することにより、Lau干渉計を成立させることが可能である。
　本実施形態では、ターゲット基板36と位相格子５を近接して配置可能であり、したがって、Ｘ線管球本体１と位相格子５を一体的に結合することができる。図１３には、前記したＸ線管を組み込んだＸ線発生装置の全体構成例を示す。このシステムでは、Ｘ線管本体１にＸ線管ハウジング６が装着され、水冷装置１０から冷却水配管１０１及びＸ線管ハウジング６を通して前記Ｘ線ターゲット３の冷却水が供給される。Ｘ線管ハウジング６には位相格子５が載置され、位相格子５には、位相格子φ回転駆動装置５２が取り付けられており、これにより、Ｘ線ターゲットの溝３６１及びＸ線発生部３２と位相格子５の格子部材が平行になるように、位相イメージング用Ｘ線８の進行方向（主軸方向）であるｙ軸を中心とした位相格子φ回転の調整ができるようになっている。さらにこのシステムには、位相格子ｙ軸駆動装置54と位相格子ω軸駆動装置５３とが設けられている。位相格子ｙ軸駆動装置54は、Lau干渉計としてのG0格子であるＸ線ターゲットとG1格子である位相格子５との間隔（ｙ軸方向での距離）を調整するものである。また、位相格子ω軸回転装置５３は、位相格子５の前記Ｘ線ターゲットとの平行及び平行からの傾き角（つまりＺ軸を中心とした回転）を調整するものである。前記Ｚ軸は、Ｘ線ターゲットの格子の長手方向（格子面内において格子の周期方向に直交する方向）と平行に設置される。更に、Ｘ線ターゲット３と位相格子５との平行を保ちつつ格子の短軸方向（つまり格子の周期方向）に相対位置を変化（つまりＸ軸方向に並進移動）できるように、位相格子ｘ軸駆動装置５１が設けられている。
　電源装置９は高圧電源４、フィラメント電源４１、及びバイアス電源４２を含んでおり、ケーブル９１を介して電子源２に必要な電圧を供給できるようになっている。
　制御装置１１は、水冷装置１０及び電源装置９の動作タイミングや動作内容を、予め設定された内容に従って、あるいは適宜なセンサ（図示せず）からの検出結果に対応して動的に制御できるようになっている。
　前記したように、本実施形態では、支持基板となる軽元素で構成されるターゲット基板に金属を埋め込む構造のＸ線ターゲットにおける、埋込深さの検討を行った。基板及びＸ線発生部３２に電子ビームで照射された電子の到達範囲（R）、侵入深さ（XD）等を詳細に検討し、金属パターンから発生するＸ線量が多くなるように、電子ビームが照射される金属パターンの深さとパターンが形成された側のターゲット・ウェハへの照射角度の最適範囲を求めることができる。
　前記した照射電子ビームのターゲット中での到達範囲（R）、侵入深さ（XD）の検討結果から、基板への埋込金属としてWを用いる場合、ターゲット・ウェハへの照射角度（θ）はWの幅（a）に対し、sinθ＞a／XDの条件を満足することが望ましい。XDは照射電子ビームエネルギー（Ｅ、加速電圧）で変化する。例えばＥ＝140kVのとき、a＝0.8μｍにおいて、最小θmin＝10.2度である。最も望ましい角度はθ＝12.5度であり、このとき制動輻射Ｘ線を発生するＸ線発生部３２の最適な埋め込み深さ（Ｍ）は26.7μｍである。このようにして数値を決定したうえで、半導体／MEMSプロセスにより、例えば、低抵抗（～20ｍΩcm2）のN型SiC基板をターゲット・ウェハに用いて、XeF2ガスを用いたプラズマエッチングプロセスにより、表面に2.4μｍピッチで0.8μｍ幅の溝を形成できる。格子状に溝を作製したウェハにCVD法によりWを成膜し溝の中にW金属を埋めた後、ターゲット・ウェハ上の溝の中以外のW金属を研磨により除去することで、格子状のW金属が埋め込まれたターゲット・ウェハを作製できる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係るＸ線発生装置を、図１４を参照しながら説明する。前記した第１実施形態の装置では、ターゲット基板に、１次元の周期方向を持つ線状パターンのＸ線発生部３２を埋め込んだＸ線ターゲット３を用いた。これに対して、この第２実施形態の装置では、２次元の周期方向を持つように（つまり２次元のパターンを持つように）、ターゲット基板３６の表面に溝３６１を形成し、この溝３６１にＸ線発生部３２を埋め込む。これにより２次元パターンのＸ線を取り出すことができるようになっている。ただし、図１４では、基板の図示は省略し、円形状のＸ線発生部３２のみを記載している。なお、第２実施形態におけるＤもＭも、前記した第１実施形態の場合と同様にとることができる。
　２次元のパターンにおいては、２次元方向への規則的な繰り返しが要求される。そのような２次元パターンを実現する実施例として、本実施形態では、ある格子点からの最近接の格子点の数が４の場合（図１３（ａ）：実施例１）と６の場合（図１３（ｂ）：実施例２）の２種類について検討する。図１３（ａ）に示すように、最近接格子点の数が４の場合は正方格子、図１３（ｂ）に示すように、６の場合は６方格子の２次元パターンとなる。ここで、いずれの実施例においても、各格子点の形状は直径ａの円形状（Ｘ線の照射方向から見たときに円形状）とし、格子点間には２ａの距離を空けた。したがって、格子間のピッチはａ＋２ａ＝３ａとなる。このとき、電子ビームをターゲット基板に垂直照射（つまり図１４の紙面に垂直な方向に照射）すると、正方格子の場合（実施例１）においてＸ線発生部３２の面積占有率は約8.7％となる。すなわち、Ｘ線発生部３２に直接に照射されてＸ線を励起するのは照射電子ビームの約8.7％であり、約91％の電子ビームが軽元素ターゲット基板のみを直接Ｘ線励起することになる。同様に６方格子（実施例２）の場合、Ｘ線発生部３２の面積占有率は約10％であり、したがって、Ｘ線発生部３２を直接Ｘ線励起するのは照射電子ビームの約10％となる。
　第一近接の方向３２１（図１４（ａ））に電子ビームを傾斜すると、格子点の列の幅ａの部分は電子ビームがＷ金属をＸ線励起するが、正方格子の場合、幅２ａ（全体の約67％）のターゲット基板部分を照射する電子はＷ金属を直接Ｘ線励起しない。これでも、電子ビーム垂直照射と比較して、Ｘ線発生部３２を照射する電子ビームは約3.3倍であり、したがって約3.3倍のＸ線発生部３２をＸ線励起することが出来る。正方格子の場合において、Ｘ線の照射方向を、第二近接格子点方向３２２、第三近接格子点方向３２３、第四近接格子点方向３２４と変えていくと、第二近接格子点方向のとき幅約1.1ａ（全体の約37％）、第三近接格子点方向のとき幅約0.34ａ（全体の約11％）部分でＸ線発生部３２がＸ線励起されないことになる。これに対して第四近接の方向では、直径ａの格子が投影面上で重複し、全部の電子ビームを用いてＸ線発生部３２を励起することになる。これにより垂直照射と比較して約１１倍のX線強度が得られる。第四近接での格子点間距離は３×（10ａ）1/2であり、ａ＝１μｍの場合の格子点間距離は約9.5μmである。なお、本実施形態では、ψが第二近接格子点方向（あるいは第三又は第四近接格子点方向）となる角度が、「Ｘ線励起用電子ビームがターゲット基板を照射し内部を通過する間に、Ｘ線発生金属部に60％以上到達する角度」の一例に対応する。ψが第二近接格子点方向であるとき、電子ビームは、Ｘ線発生金属部３２に約63％到達する。Ｘ線発生金属部３２に到達する電子ビームの比率を増やすことにより、Ｘ線発生効率を向上させることができる。
　ここで、第一近接の方向が、金属格子が最も近接するので、この方向を一次元格子の金属格子の方向と同様に考え、角度ψを図１４ａのようにとる。Ｘ線励起用電子ビームの印加電圧が140ｋVのとき、ａ＝１μｍ、第四近接の格子間距離からｂ＝8.5μｍとなるので（７）式及び（８）式に基づいて計算すると、ｎ＝１のとき、θ＝２７．１°、ψ＝１８．４°、深さＤ＝約１９．６μmとなる。ｎ=２のとき、θ＝６５．６°、ψ＝１８．４°、深さＤ＝約９．１μmとなる。このような条件を満たすように、θ＝２７．１°のときＷ金属の埋め込み深さＭを19.6～34.5μm（D≦M≦D+r(W)）、θ＝６５．６°のときＷ金属の埋め込み深さＭを9.1～24.0μm（D≦M≦D+r(W)）にＸ線ターゲットを構成し、かつ、Ｘ線電子ビームの照射を第四近接の方向に斜めにすることにより、Ｘ線発生を効率的に行うことが可能となる。
　同様に、六方格子（実施例２）の場合、第一近接の方向３２１に電子ビームを傾斜すると、ターゲット基板部分のターゲット基板部分を照射する電子のうち、幅約1.6ａ（全体の約53％）の電子はＸ線発生部３２をＸ線励起しない。これでも、電子ビーム垂直照射と比較して、Ｘ線が照射されるＸ線発生部３２の体積比は約3.8倍であり、したがって約3.8倍のＸ線発生部３２をＸ線励起することが出来る。六方格子（実施例２）では、第二近接となる格子点の方向３２２において、幅１×ａ（全体の約33％）部分でターゲット基板が直接にＸ線で励起される。これに対して、第三近接の方向３２３では、直径ａの格子がＸ線投影面において重複し、全部の電子ビームを用いてＸ線発生部３２を励起することになる。これにより垂直照射と比較し約10倍のX線強度が得られることになる。
　正方格子の場合と同様に、第一近接の方向が、金属格子が最も近接するので、この方向を一次元格子の金属格子の方向と同様に考え、角度ψを図１４ｂのようにとる。第三近接での格子点間距離は３×（7ａ）1/2となり、ａ＝１μｍとすると格子点間距離は約7.9μmである。Ｘ線励起用電子ビームの印加電圧が140ｋVのとき、ａ＝１μｍ、ｂ＝6.9μｍとして（７）式に基づいて計算すると、ｎ＝１のとき、θ＝２３．５°、ψ=10.9°深さD＝約18.5μmとなり、ｎ＝２のときθ＝５３．０°、ψ=10.9°、深さD＝約12.1μmとなる。したがって、正方格子（実施例１）と同様に、θ＝２３．５°のときW金属の埋め込み深さＭを18.5～33.4μm（D≦M≦D+r(W)）、θ＝５３．０°のときW金属の埋め込み深さＭを12.1～27.0μm（D≦M≦D+r(W)）にＸ線ターゲットを構成し、かつ、Ｘ線電子ビームの照射を第三近接の方向に斜めにすることにより、Ｘ線発生を効率的に行うことが可能となる。
　第２実施形態のＸ線発生装置に用いるＸ線管の一例を図１５に示す。第１実施形態と同様に、真空排気されたＸ線管本体１の内部に電子線源２とターゲット３が対向して配置される。電子ビームのターゲット照射角度θが約30度より小さいときは、第１実施形態と同様な電子源２とターゲット３の配置でもよいが、照射角度θが大きな場合は、図１５のように、ターゲット３をＸ線管本体の壁面に近い位置に設置することにより、Ｘ線をＸ線発生部３２が埋め込まれた表面方向とターゲット基板を透過させた裏面方向から取り出せる構成が可能となる。このような配置により円筒状のＸ線管本体１の半径方向においてＸ線を２方向に取り出すことが出来る。一次元格子の場合（第１実施形態の場合）でも、Ｘ線発生量が減ずることを許容できる場合には、この配置とし照射角度θが35～40度を超えるように設定可能である。
　第２実施形態においては、前記以外の構成及び利点は前記した第１実施形態と同様なので、第２実施形態についてのこれ以上詳しい説明は省略する。
１…Ｘ線管本体、２…電子源、21…フィラメント、22…電子レンズ、23…電子ビーム、３…ターゲット、32…Ｘ線発生部、35…Ｘ線ビーム、351…制動放射（大強度）Ｘ線、352…制動放射（小強度）Ｘ線、36…ターゲット基板、361…溝、37…水冷金属プレート、38…Ｘ線出射孔、39…冷却水流路、391…冷却水流路の入口、392…冷却水流路の出口、４…高圧電源、41…フィラメント電源、42…バイアス電源、５…位相格子、51…位相格子ｘ軸駆動装置、52…位相格子φ回転駆動装置、53…位相格子ω軸回転装置、54…位相格子ｙ軸駆動装置、６…Ｘ線管ハウジング、７…位相イメージング用Ｘ線取り出し窓、８…位相イメージング用Ｘ線、９…電源装置、91…接続ケーブル、10…水冷装置、101…冷却水配管、110…UVマスク、200…感光性レジスト、300…SiO2膜、400…ＳｉＣウェハ

Claims (5)

  1. 　電子源からターゲットに照射される電子ビームにより励起されるＸ線を用いてＸ線位相イメージングを行うためのＸ線発生装置であって、
    　前記ターゲットは、平板状に形成されたターゲット基板と、このターゲット基板に格子状に配列されたＸ線発生部とを備えており、
    　前記電子源は、前記電子ビームを前記ターゲット基板の垂線に対して所定の照射角度（θ）だけ傾斜させて前記ターゲットに照射することによって、前記ターゲット基板の垂線方向に格子状のＸ線を取り出すことができるように構成されており、
    　前記ターゲット基板は、原子番号が１４以下の元素を含む物質で構成されており、
    　前記ターゲット基板の表面には、１次元又は２次元方向に周期的に配置されて格子状とされた複数の溝が形成されており、
    　前記Ｘ線発生部は、前記ターゲット基板に形成された前記複数の溝中に埋設されることにより格子状に配列されたものとなっており、
    　かつ、前記Ｘ線発生部は、W、Ta、Pt若しくはAuからなる金属又はそれらの合金から構成されており、
    　格子状に配列された前記Ｘ線発生部の深さ（Ｍ）は
    Ｄ≦Ｍ≦Ｄ＋ｒ
    を満たすように設定されていることを特徴するＸ線発生装置、
    　ここで、
    ｒ：電子ビームとして照射されるＸ線励起用電子の、前記Ｘ線発生部における最大侵入深さ（Ｒ）と、前記Ｘ線発生部における前記Ｘ線励起用電子の侵入距離（ＸD）との差（ｒ＝Ｒ－ＸD）；
    Ｄ：前記Ｘ線発生部と前記ターゲット基板とを透過する前記Ｘ線励起用電子の、前記ターゲット基板垂直方向への侵入深さ
    である。
  2. 　前記Ｘ線発生部の格子幅（ａ）と前記ターゲット基板の格子幅（ｂ）の比（ａ：ｂ）は１：２とされており
    　格子ピッチ（ａ＋ｂ）は前記ターゲット基板と前記Ｘ線発生部両方を通過する前記Ｘ線励起用電子の侵入距離以下とされている
    　請求項１に記載のＸ線発生装置。
  3. 　前記浸入深さ（Ｄ）は下記式により算出されるものである、請求項１又は２に記載のＸ線発生装置：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    　ここで、
    ｎ：前記Ｘ線発生部、又は、前記複数の溝間の前記ターゲット基板であって、前記Ｘ線励起用電子が通過するものの枚数（ｎ≧１）；
    ψ：前記ターゲット基板の表面と平行な面内における、前記電子ビームの傾斜角度
    である。
  4. 　前記照射角度（θ）は、１０°～７５°の間の値に設定されている
    　請求項１～３のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
  5. 　請求項１に記載した位相イメージング用Ｘ線発生装置において、
    　前記Ｘ線励起用電子ビームを前記ターゲット基板の垂線に対して所定の角度だけ傾斜させて照射する方向（ψ）が、前記Ｘ線励起用電子ビームが前記ターゲット基板を照射し内部を通過する間に、前記Ｘ線発生金属部に60％以上到達する角度（ψ）に設定されている位相イメージング用Ｘ線管を備えたことを特徴とする位相イメージング用Ｘ線発生装置。
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