Ｘ線分析装置
【課題】
X線マイクロビーム分析装置において、より簡便な方法でX線マイクロビームの試料上での照射位置を目視観察しながらX線マイクロビーム分析を行えるＸ線分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
Ｘ線源とＸ線が照射される試料台との間にＸ線透過部を有する反射ミラーを有し、前記Ｘ線源と反射ミラーの間に、Ｘ線集光用光学素子を有するＸ線分析装置。
X線マイクロビーム分析装置において、より簡便な方法でX線マイクロビームの試料上での照射位置を目視観察しながらX線マイクロビーム分析を行えるＸ線分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
Ｘ線源とＸ線が照射される試料台との間にＸ線透過部を有する反射ミラーを有し、前記Ｘ線源と反射ミラーの間に、Ｘ線集光用光学素子を有するＸ線分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、X線を用いて試料の構造・組成評価を行う分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビーム径を1０μｍ未満に微小化したX線ビーム(以下、「X線マイクロビーム」と記載する)を用いて試料の局所分析を行う手法(X線マイクロビーム分析法)の研究が進み, 各種分析装置の開発も行われている。分析時に、試料上の測定したい領域にX線マイクロビームを確実に照射するため, X線マイクロビーム光学系と、試料表面を観察するための位置決め用顕微鏡(以下、「位置決め用光学系」と記載する)の光軸および焦点を一致させ、位置決め用光学系の観察領域と同じ位置にＸ線を照射することにより, X線マイクロビームの照射位置を直接観測することができる方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献1では、図５に示すように、斜鏡3(3Aまたは3B)を用いてＸ線集光光学系と光学観察系の光軸を一致させ、試料上にあるＸ線の焦点位置をＸ線の集光方向から目視観察する方法について開示されている。斜鏡3は光学観察系により試料の観察位置を決める場合は3Aの位置に設置し, またX線マイクロビームにより試料の分析を行う場合は3Bの位置に設置し、両者の位置を自由に移動することができる。
光学観察系により試料の観察位置を特定する場合、斜鏡3を3Aの位置に移動するとともに、照明手段４ａ、ハーフミラー４ｂ、斜鏡３Ａ、Ｘ線集光光学手段２Ｂを用いて試料Ｓに可視光又は紫外光又は赤外光を照射し, 試料Ｓにより散乱された光をＸ線集光光学手段２Ｂ及び斜鏡3Aにより観察光学手段４ に導くことにより試料の照射領域を観察する。
また、X線集光光学系を用いて試料の分析を行う場合、X線の発生点1より発生したX線を遮らないように斜鏡3を3Bの位置に移動すると共に、Ｘ線集光光学手段２Ｂを用いてX線を集光位置Ｐに集光し, 試料から発生するX線や電子等を検出器５によって検出することにより試料の分析を行う。
予め光学観察系の試料側の焦点位置およびX線集光光学系の集光位置を5に一致させておくことにより,光学観察系で観察した試料の特定箇所をX線マイクロビームで照射し, X線マイクロビームで特定箇所の分析を行うことができる。
【０００４】
また、特許文献２では、図６に示すように、Ｘ線源Ａから発生したＸ線を、Ｘ線集光素子１と可視光用対物レンズ５を一体化したものを用いて集光点Ｂに集光させるマイクロビームの走査方法について開示されている。
可視光用光学系は試料からの散乱光の発生点、可視光用対物レンズ５, 試料観察用可視光反射鏡８,観察用可視光による像の位置Ｃに置かれた十字線７から構成されている。またX線マイクロビーム光学系はＸ線源Ａ, X線を集光するための光学素子であるゾーンプレート1, X線マイクロビームの集光点Ｂから構成されている。
次に特許文献２の方法を用いたX線マイクロビーム分析の位置決め方法について述べる。試料を適当な照明光学系で照明することにより(図示していない)、試料から生じた散乱光は可視光用対物レンズ５により集められ, 試料観察用可視光反射鏡８を通じて点Ｂの像位置Ｄに焦点を結ぶ。この焦点に生じた試料の像を観察することにより, 試料のX線マイクロビーム照射位置を求めることができる。
また、マイクロビーム光学系において、ゾーンプレート1の焦点位置を可視光用対物レンズ５の焦点位置と同じ位置になるように組み込むことが可能であれば, X線マイクロビーム光学系により形成されたX線マイクロビームの集光位置Ｂは可視光用対物レンズの焦点と一致する。この結果, 可視光用光学系により決定した試料上の位置とX線マイクロビーム分析で照射する領域は一致し, 試料上の測定領域を可視光による可視光用光学系を用いて観察しながらX線マイクロビーム光学系で集光したX線マイクロビームを用いた分析が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-101404号公報
【特許文献２】特開平5-164987号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
X線は目に見えないことから, 試料上のX線照射位置を特定することが容易でないという問題点がある。このため測定領域を決定する際には、X線マイクロビームにより仮測定を行い, 得られた元素分布イメージを元に再度測定領域を決定するという手法が多く取られてきた。この手法では同一試料を何度も測定する必要があり, X線マイクロビーム分析のスループットの低下, 放射線損傷による生体試料の破壊等の問題があった。そのため、上述した特許文献１又は２のような方法がとられていた。
【０００７】
しかし、上記で述べた手段においては下記のような問題により試料の測定領域を特定することが困難である。
最初に特許文献1における問題点について述べる。
特許文献１においては光学観察系とＸ線集光光学系の一部である斜鏡３を共有していることにより, 光学観察系の空間分解能が劣化するという問題がある。以下にその詳細を説明する。
光学観察系の空間分解能δは光学系を構成する光学素子の開口数NAを用い, 式(1), (2)で求めることができる。
【式１】
【０００８】
ＮＡ＝ｎｓｉｎθ
【式２】
【０００９】
ここで,
NAは開口数と呼ばれる量であり, 光学素子に入射する(または光学素子から出てくる)光の開き角θに屈折率を掛けた量,
nは使用する波長に対する屈折率であり, 今回は空気中または真空中で測定することから1となる。
また光学系全体の空間分解能は光学系で用いられている各光学素子において, 式(1)および式(2)で求められる分解能のうち一番大きな値で制限される。式(2)から明らかなように空間分解能を小さくするためには開口数NAを大きくするか, 使用する波長を短くすることが有効であることが判る。しかしながら可視光の場合は波長が通常サブミクロンメーター程度であることから, 高分解能を得るためにはレンズ等を用いてなるべく開口数NAを大きくすることが有効である。
一方、X線の場合, 波長自体が1nm以下と短いことから, NAが小さい光学素子を用いても充分な空間分解能を得ることができる。
ところが特許文献１のようにＸ線集光光学系と光学観察系の一部を共有させた光学系の場合, 上述したように、光学系全体の空間分解能は光学系で用いられている各光学素子において求められる分解能のうち一番大きな値で制限されるため、光学観察系の空間分解能はX線集光光学系の分解能を決めるＸ線集光光学手段２Ｂの開口数NAにより制限される。通常可視光の開口数NAは0.5程度であるのに対し, X線の反射ミラーの場合開口数NAは10-3程度となることから, 特許文献１のようにＸ線集光光学系と光学観察系の光学素子を一部共有させると光学観察系の空間分解能が通常よりも2〜3桁低下してしまうという問題が発生する。例えばX線の波長として0.1nm, 可視光の波長として0.5μmを用いた場合を考えると, Ｘ線集光光学系では式(2)より理想的な場合には約60nmの分解能が得られるのに対し, 可視光では300μmの分解能しか得られない。従って、試料にX線マイクロビームを照射する際に, X線が照射されているエリアの大きさに対して光学観察系で観察可能なエリアが約5000倍大きくなり、光学観察系を用いてもX線マイクロビームの照射位置を充分な精度で特定することができないという問題が生じる。
【００１０】
次に、特許文献2における問題点について述べる。
特許文献２では、試料の照射位置を確定させるための可視光用光学系の対物側の焦点とX線マイクロビームを形成するためのマイクロビーム光学系の集光点を一致させることにより常に照射領域を確認しながらX線マイクロビーム分析を行えるという利点がある。しかし特許文献２の方法を実際に実現するためには下記の問題を解決する必要がある。
最初に、X線集光素子として図６に示しているようにゾーンプレート1を利用する場合の問題点を示す。通常ゾーンプレートは円形の形状をしており光軸に垂直方向のサイズが直径200μm程度, 試料までの距離は20cm程度となる。一方、可視光用対物レンズ５で利用されるレンズは通常直径20〜40mm程度であることから、 ゾーンプレート1を組み込むためには原理的にはレンズの中心に200μm程度の穴を空け, X線が通過することが可能な光路を設ければ良いことになる。しかし, 市販されているゾーンプレートは半導体リソグラフィ技術で作製された精密な光学部品であることから, 直径200μmのゾーンプレートを単体で取り扱うことは非常に困難であり, 実際にはゾーンプレートの周囲に支持用の基板(10mm角程度)が設けられている。このため、 ゾーンプレートを対物レンズに組み込むためには10mm角程度の支持用基板のサイズの穴をレンズ中心に空ける必要がある。また、ゾーンプレート1と可視光用対物レンズ５の焦点位置を光軸方向及び／又は試料表面上において一致させるための調整機構が必要なことを考慮するとレンズ中心に空ける必要のあるスペースはさらに大きくなる。このため, 可視光用対物レンズ５で試料を観察する場合, 試料から発生する散乱光のうち、収差が小さく分解能の良い光軸近傍の散乱光を利用することができず, 収差が大きく空間分解能が悪くなるレンズの周辺部のみを用いて像を観測する必要があり, 可視光用光学系で必要な空間分解能を得ることができず、試料の観察に適した像を得ることができないという問題が生じる。
【００１１】
またX線集光光学系でX線マイクロビームを得るために特許文献1に示されるようなＸ線集光光学手段２Ｂを用いる場合は, ミラー自体のサイズが100mm程度あることから可視光用対物レンズ５の一部をなすレンズに組み込むことが不可能であり, この方法を利用することができない。
【００１２】
そこで、本発明では、X線マイクロビーム分析装置において、より簡便な方法でX線マイクロビームの試料上での照射位置を目視観察しながらX線マイクロビーム分析を行えるＸ線分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のＸ線分析装置は、Ｘ線源とＸ線が照射される試料台との間にＸ線透過部を有する反射ミラーを有し、前記Ｘ線源と反射ミラーの間に、Ｘ線集光用光学素子を有することを特徴とする。
また、Ｘ線集光用光学素子は、斜入射ミラーであることが好ましい。
また、Ｘ線透過部は、反射ミラーに設けられた空隙であることが好ましい。
また、反射ミラーと試料の間にＸ線透過部を有する対物レンズを設けることが好ましい。
また、前記Ｘ線透過部の周囲にガイドチューブを設けることが好ましい。
また、前記対物レンズに設けられたX線透過部の光軸方向に垂直な方向の大きさは、前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部よりも小さいことが好ましい。
また、Ｘ線分析装置に試料観察部を有し、前記反射ミラーと前記対物レンズの間に設けられたＸ線透過部を有する第１のレンズと、前記反射ミラーと試料観察部の間に設けられた第２のレンズとを設けることが好ましい。
また、前記第１のレンズに設けたX線透過部の光軸に垂直な方向の大きさは、前記対物レンズに設けられたＸ線透過部より大きく前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部より小さいことが好ましい。
また、反射ミラーと試料の間に球面ミラーまたは非球面ミラーを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のX線分析装置では、より簡便な方法で試料上の測定領域を精度良く決定することができるため, これまで多大な時間が必要であったX線マイクロビーム分析における試料上の照射位置の確認作業を短縮することができ、多数の試料を効率良く測定でき, 生体材料・半導体材料等の特性向上に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＸ線分析装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明のＸ線分析装置の別の例を示す概略図である。
【図３】本発明のＸ線分析装置の別の例を示す概略図である。
【図４】本発明のＸ線分析装置の別の例を示す概略図である。
【図５】X線分析装置における試料照射領域を求めるための従来手段を説明するための概略図である。
【図６】マイクロビーム走査装置分析における試料照射領域を求めるための別の従来手段を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す形態は一例であって、本発明を限定するものではなく、記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等についても本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、説明を簡略化するために、同一の構成要件には同一の符号を付し、その説明を一部省略する。また、図中の符号のうちアルファベットのものは、種々の面を示している。
なお、図１乃至４では、Ｘ線集光光学系のＸ線を実線で、光学観察系の光線を点線で示す。
【００１７】
（実施例１）
本実施例のＸ線分析装置は、少なくともＸ線マイクロビーム光学系と位置決め光学系を有している。両者の光学系は、部分的に光軸が一致している。
X線マイクロビーム光学系は、X線源20, Ｘ線集光用光学素子21及びX線マイクロビームの集光点22から構成されている。Ｘ線マイクロビームの集光点22の近傍に試料台２３が設置されている。Ｘ線源２０から発生したＸ線はＸ線集光用光学素子により集光されＸ線マイクロビームが形成される。Ｘ線マイクロビームは、集光点２２付近の試料台２３に配置された試料に照射される。Ｘ線マイクロビームが照射された試料表面で散乱されたX線または電子を検出器２４で観測し、X線マイクロビーム分析を行う。なお、本実施例においては、Ｘ線集光用光学素子としてX線集光用の斜入射ミラーを用いる。斜入射ミラーを用いることにより、Ｘ線を反射させて集光し、Ｘ線マイクロビームを形成することができる。
位置決め用光学系は、試料からの散乱光の発生点22、 散乱した光を集光し観察像を拡大するための対物レンズ２６、散乱した光を位置決め用光学系の焦点に集光するための反射ミラー２７、位置決め用光学系の結像側焦点２８ａ及び観察用カメラ２８ｂから構成されている。なお、反射ミラー２７は、試料観察用として機能するものである。試料に照明２５を用いて可視光又は紫外光又は赤外光を照射し、散乱した光を対物レンズ２６及び反射ミラー２７を用いて位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに集光し、観察用カメラ２８ｂで試料表面を観察する。なお、試料からの散乱光の発生点22は、X線マイクロビームの集光点22と略同じ位置にあり、その大きさは異なっていてもよい。X線マイクロビームの集光点と試料からの散乱光の発生点を略同じ位置とすることで試料表面を観察しながらＸ線マイクロビームの照射位置を決定することができる。
S1, P1, M1はそれぞれ位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面, 対物レンズ２６の中心を通る面及び反射ミラー２７の中心を通る面を示す。Z1は位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面, R1は位置決め用光学系の焦点を通り反射ミラー２７と結像側焦点２８aを結ぶ光軸に直交する面を示す。また、各部材間の距離を示す場合には、「P1-S1」のように面を示す符号をハイフンでつなぎ記載する。
また、反射ミラー２７から試料までの間においては、Ｘ線マイクロビーム光学系と、位置決め用光学系の光軸は略一致している。
【００１８】
本実施例においては、Ｘ線集光用光学素子２１により形成されたX線マイクロビームが、位置決め用光学系の光軸と略一致するように、反射ミラー２７の位置決め用光学系の光軸の周囲にＸ線透過部２９ａが設けられている。言い換えると、Ｘ線源２０と、位置決め用光学系の光軸の周囲にＸ線透過部２９ａを有する反射ミラー２７との間に、Ｘ線集光用光学素子２１が設けられている。
なお、本明細書において「光軸が一致する」とは、必ずしも全く一致することを示すものではなく、本発明の効果が得られる範囲で若干のずれが生じてもよい。
【００１９】
Ｘ線透過部は、Ｘ線マイクロビームの光軸上に設けられたＸ線が通過可能なＸ線の通路であり、Ｘ線集光用光学素子から試料までの間に設けられた部材に空隙を設けるか、Ｘ線が透過可能な物質で構成されることが好ましい。
また、X線透過部は、反射ミラー２７から試料の間において設けられることが好ましい。本実施例においては、反射ミラーに設けられたＸ線透過部２９ａに加えて、対物レンズに設けられたＸ線透過部２９ｂも有している。複数のＸ線透過部、例えば、反射ミラーに設けられたＸ線透過部２９ａ及び対物レンズに設けられたＸ線透過部２９ｂを包括してＸ線透過部２９と記載することがある。
【００２０】
Ｘ線透過部２９は、少なくとも位置決め光学系の光軸の周囲に設けることが好ましい。Ｘ線透過部２９の光軸方向に垂直な方向の大きさは、X線マイクロビームのビーム径よりも若干大きいサイズにすれば充分であり、X線マイクロビームを遮らない範囲でなるべく小さくすることが好ましい。通常のX線マイクロビーム光学系では、Ｘ線源から発生した数百μmのビームを数μm以下に集光することが多い。このことを考慮すると, Ｘ線透過部２９の具体的な大きさとしては、位置決め光学系の光軸を中心として直径1mm程度に設けることで充分である。Ｘ線透過部２９が大きすぎると、対物レンズとして機能する領域が狭くなり、レンズの収差が大きく空間分解能が悪い周辺部を用いて像を観測しなければならなくなる。そうすると、観察に適当な試料表面の像得られなくなってしまう。しかし、直径1mm程度の大きさであれば得られた像を容易に確認することができ好ましい。
【００２１】
また、Ｘ線透過部は、位置決め用光学系からの散乱光が無視できる場合は、図１に示すように反射ミラーに設けられた空隙で構成されていてもよい。この方法によると、簡便な方法で、Ｘ線透過部を有する反射ミラーを得ることができ好ましい。なお、図４に示すように、Ｘ線透過部２９の周囲にガイドチューブ３４を設けてもよい。ガイドチューブ３４は、X線マイクロビーム光学系及び位置決め光学系で用いられる波長の光を透過させない材料で形成されることが好ましい。ガイドチューブ３４は、例えば、金属、黒鉛、黒色塗装したアルミニウム、黒色アルマイト等が挙げられる。このような材料のガイドチューブを用いることにより、可視光、紫外光又は赤外光の余分な散乱を防止することができ好ましい。また、ガイドチューブの導電性は限定されない。
ガイドチューブを設ける場合には、その光軸方向の長さとしては、反射ミラー２７よりもＸ線源２０側から、試料と対物レンズ２６の間まで設けられることが好ましい。最も好ましくは、Ｘ線集光用光学素子２１から対物レンズ２６の間にかけて設けられるものである。可視光又は紫外光又は赤外光の余分な散乱を確実に防ぐことができ、位置決め光学系での試料表面の観察を確実に行うことができる。
また、ガイドチューブ３４を支持するための機構としては、反射ミラー２７や対物レンズ２６に設けられた孔で支持されていてもよいし、別の部材が設けられていてもよい。別の部材を設ける場合には、X線マイクロビーム光学系及び位置決め光学系の光を遮らないように設けることが好ましく、例えば、反射ミラー２７よりもＸ線源２０側に設けられることが好ましい。
【００２２】
本実施例においては、Ｘ線透過部２９は、反射ミラー２７に加えて、対物レンズ２６にも設けられている。Ｘ線透過部２９ｂを有する対物レンズを設けることで位置決め用光学系を用いた試料の観察を行うことができる。
対物レンズに設けられたX線透過部２９ｂは、反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aと同様の構成、大きさで設けることができる。対物レンズに設けられたX線透過部２９ｂの光軸方向に垂直な方向の大きさは、反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aよりも小さいことが好ましい。これにより、試料から発生する散乱光のうち、収差が小さく分解能の良い光軸近傍の散乱光を利用することができ、試料の観察に適した像を得ることができる。
Ｘ線透過部を有する部材としては、これらのものには限定されず、用いる光学系によって構成部材に適宜透過部を設けることが可能である。
【００２３】
例えば、本実施例のＸ線分析装置では、位置決め用光学系の構成要素である対物レンズ２６で用いるレンズの直径を20mm, 試料と対物レンズ２６との間の距離(P1-S1)を10mmとするとNAとして0.7程度を得ることが可能となる。この場合, 位置決め用光学系の結像側焦点２８ａと対物レンズ２６との間の距離(P1-M1)+（Z1-R1）を20mm程度とすると、ＮＡは0.43程度が得られ, 位置決め用光学系の使用波長が0.5μmの場合、理論上の分解能を式(2)より求めると約0.7μmとなる。このとき反射ミラー２７を設置するために(P1-M1)+（Z1-R1）の距離を30mm程度にしてもＮＡは、0.３１程度が得られ、理論分解能は約1μmとなり, この場合でもX線マイクロビーム光学系で得られるビームサイズとおおよそ同様の分解能を得ることができる。
【００２４】
このように本発明の実施例１に示すようなX線マイクロビーム光学系と位置決め用光学系を用いることにより, 位置決め用光学系により求めた照射領域とX線マイクロビーム光学系の照射領域をほぼ一致させることができ, 従来と比較すると位置精度の高いX線マイクロビーム分析が可能となる。
【００２５】
その他の部材について説明する。
Ｘ線集光用光学素子２１としては、斜入射ミラーの他、フレネルゾーンプレート等を用いてもよい。
反射ミラー２７としては、可視光又は紫外光又は赤外光を反射する多層コーティングミラーを用いることができる。
また、X線照射により試料から有機物等の飛散物が生じるような場合は, 透明または半透明な光学系防護用箔を試料と両光学系の間に設置しても良い。光学系防護用膜は、位置決め光学系の照明光の波長に対して透光性のものであればよく、例えばＰＥＴフィルムやポリイミドフィルムのような高分子薄膜が挙げられる。具体的には、マイラー(登録商標)、カプトン(登録商標)等を用いることができる。もしくは、Ｘ線の通過部に穴を開けたガラスを用いることもできる。
【００２６】
（実施例２）
本実施例のＸ線分析装置について、図２を参照しながら説明する。本実施例のＸ線分析装置は、位置決め用光学系にリレー光学系を用いた点が実施例１と異なる。対物レンズ２６の焦点３０の焦点距離を延ばすことで結像側焦点２８ａで試料観察を行うことができ、調整の利便性を向上させることができる。
【００２７】
位置決め用光学系は、対物レンズの焦点３０, 対物レンズの焦点３０に形成された像をそのまま伝達するためのリレー光学系を構成する第１のレンズ３１および第２のレンズ３２を有する以外は、実質的に実施例１と同様である。本実施例において、第１のレンズは、反射ミラーと対物レンズの間に設けられ、第２のレンズは、反射ミラーと試料観察部の間に設けられている。
試料に照明２５を用いて可視光、紫外光又は赤外光を照射し、散乱した光を対物レンズ２６、第１のレンズ３１、反射ミラー２７及び第２のレンズ３２を用いて位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに集光し、観察用カメラ２８ｂで試料表面を観察する。
またS2, P2, Q2, R2, M2はそれぞれ位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面, 対物レンズ２６の中心を通る面, 対物レンズ２６の焦点を通る面, リレー光学系の第１のレンズ３１の中心を通る面, 反射ミラー２７の中心を通る面を示す。Z2, T2, W2は位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面, リレー光学系の第２のレンズ３２の中心を通る面, 結像側焦点２８ａを通りリレー光学系の光軸に直交する面を示す。
【００２８】
本実施例においても、実施例１と同様に, X線マイクロビーム光学系により形成されたX線マイクロビームが、反射ミラー２７よりも試料側において位置決め用光学系の光軸の周囲を通過することができるように、反射ミラー２７及び対物レンズの位置決め用光学系の光軸の周囲にX線マイクロビーム通過用のＸ線透過部２９a及び２９ｂを設ける。このときのＸ線透過部２９の光軸方向に垂直な方向の大きさは、上述したように、X線マイクロビーム光学系ではＸ線源から発生したビームを数μm以下に集光することを考慮し、実施例１と同様に1mm程度にすれば充分であり, 光学部品加工上での問題は特にない。
【００２９】
また、本実施例では、リレー光学系を構成する第１のレンズ３１にもＸ線透過部２９ｃが設けられている。Ｘ線透過部２９ｃも、上述した反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aや対物レンズ２６に設けられたＸ線透過部２９ｂと同様の構成、大きさで設けることができる。
またこのとき、第１のレンズ３１に設けたX線透過部２９ｃの光軸に垂直な方向の大きさは、対物レンズ２６に設けられたＸ線透過部２９ｂより大きく反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aより小さいことが好ましい。これにより、確実にX線を試料に照射することができると共に、レンズにおいて光軸近傍の散乱光を利用することができ、好適に観察を行うことができる。
【００３０】
実施例１よりも位置決め用光学系の空間分解能を上げるためには式(2)に示すようにNAを大きくする必要がある。しかし、X線マイクロビーム光学系では、X線は反射ミラーに対する入射角が大きいと反射しないため、入射角を小さくする必要がある。その結果、NAは小さくなってしまい、空間分解能を上げることができないことがある。
例えば、Ｘ線集光用光学素子２１の焦点距離（Ｘ線集光用光学素子２１の中心からX線マイクロビームの集光点２２までの距離）が100mmの場合で考える。Ｘ線集光用光学素子２１へのX線の入射角が0.25°、入射するX線ビームのビーム径が300μmとすると、Ｘ線集光用光学素子２１の光軸方向（Ｚ２に沿う方向）の長さは約70mm程度必要になる。Ｘ線集光用光学素子２１の中心と端との距離はＸ線集光用光学素子の長さの半分である約35mmとなり, Ｘ線集光用光学素子２１の焦点距離１００ｍｍからＸ線集光用光学素子２１自体の大きさ35mmを除くと、Ｘ線集光用光学素子２１の端から集光点２２（試料）までの距離は65mmとなる。
また、位置決め用光学系について実施例１と同様の光学系（但し対物レンズと像焦点W2までの距離を30mmとする）を用いる場合, 試料と対物レンズ２６の間の距離(S2-P2)は10mmとなる。 上記より、Ｘ線集光用光学素子２１の端面から集光点２２（試料）までの距離は65mmとなるので、その距離から試料と対物レンズ２６の間の距離(S2-P2) 10mmを除くと、対物レンズ２６の光軸方向の厚さを無視したとしても約55mmのスペースに反射ミラー２７を設置する必要がある。しかし、実用上は、反射ミラー２７の取り付けおよび角度調整機構を考慮すると反射ミラー２７の設置位置は反射ミラーの中心が少なくとも対物レンズ２６から数十mm以上になるようにする必要がある。例えば、対物レンズ２６と反射ミラー２７の中心までの距離(P2-M2)を20mmにすると, 観察用カメラ２８ｂは光軸面Z2から10mm以内に設置する必要があり,Ｘ線集光用光学素子２１の厚さおよび取り付け調整機構の占めるスペースを考慮すると, 観察用カメラ２８ｂとＸ線集光用光学素子２１が機械的に干渉してしまうため, 観察用カメラ２８ｂを焦点位置に設置することが困難であるという問題が生じる。
この問題を解決するため本実施例は、観察用カメラ２８ｂの設置位置を変更できるようにするために位置決め用光学系の中にリレー光学系を組み込むものである。
【００３１】
リレー光学系を構成する第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２を用いることにより, 対物レンズの焦点３０に一旦形成された像は反転して再度位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに形成される。このときリレー光学系の第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２の間では試料により散乱された光は平行となり, リレー光学系の入射側と出射側の間の距離(R2-M2)+（Z2-T2)を自由に変更することができる。従って観察用カメラ２８ｂを位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに設置する場合にも, Ｘ線マイクロビーム光学系及び位置決め光学系の光軸と結像側焦点２８ａの間の距離(Z2-T2)を自由に変更することができ, 前述のような観察用カメラ２８ｂとＸ線集光用光学素子２１の干渉を避けることができる。
なおこの場合,対物レンズ２６と対物レンズの焦点３０の距離(P2-Q2), 対物レンズの焦点３０と第１のレンズ３１の間の距離(Q2-R2)及び第２のレンズ３２と位置決め用光学系の結像側焦点２８ａの間の距離(T2-W2)を適当に取ってやることにより, 対物レンズ２６の空間分解能を低下させずに試料表面を観測することが可能となる。
例えば、試料と対物レンズ２６の距離(S2-P2)を10mm, 対物レンズ２６と対物レンズの焦点３０の距離(P2-Q2)を5mm, 対物レンズの焦点３０と第１のレンズ３１の間の距離(Q2-R2)を5mmとすると反射ミラー２７の設置スペースは65mm-20mm=45mmとなり, 実施例１と比較して反射ミラー37の設置機構の設計が容易となる。またリレー光学系を使用する場合, リレー光学系内部の距離(R2-T2)+（Z2-M2)は無視することができるため, 第２のレンズ３２と置決め用光学系の結像側焦点２８ａの間の距離(T2-W2)を例えば5mmになるように光学系を設計すれば, 位置決め用光学系の分解能を低下させずに観察用カメラ２８ｂを自由に設置することができる。
【００３２】
以上、本実施例のような構成を用いることにより, 実施例１の効果に加えて試料上の観察位置の決定を高倍率で行うことができ、より微小な試料を観察することが可能になる。
【００３３】
（実施例３）
本実施例のＸ線分析装置について、図３を参照しながら説明する。本実施例のＸ線分析装置は、位置決め用光学系の光学素子として、対物レンズ２６の代わりに散乱した光を集光し観察像を拡大する回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂを用いた点が実施例１と異なる。
【００３４】
位置決め用光学系は、試料に照明２５を用いて可視光又は紫外光又は赤外光を照射し、散乱した光を回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂ及び反射ミラー２７を用いて位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに集光し、観察用カメラ２８ｂで試料表面を観察する。
また、S3, P3, M3はそれぞれ位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面, 回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂの中心を通る面, 反射ミラー２７の中心を通る面を示す。 Z3は位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面, R3は位置決め用光学系の結像側焦点２８ａを通り, 反射ミラー２７と結像側焦点２８ａの間の光軸に直交する面を示す。
【００３５】
本実施例においても、実施例１と同様に、X線マイクロビーム光学系により形成されたX線マイクロビームが、反射ミラー２７よりも試料側において位置決め用光学系の光軸もしくはその周囲を通過することができるように、反射ミラー２７の位置決め用光学系の光軸の周囲にX線マイクロビーム通過用のＸ線透過部２９aを設ける。本実施例では、位置決め用光学系の光学素子として回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂを用いているため, 対物レンズ２６を省くことができる。位置決め光学系にＸ線透過部を設ける手間も省くことができる。
【００３６】
本実施例において、回転楕円ミラー３３ａ及び３３ｂの対物側の焦点２２を回転楕円ミラー３３ａ及び３３ｂに可能な限り近づけるとともに位置決め光学系の結像側焦点２８ａを回転楕円ミラー３３ａ及び３３ｂから離すことで位置決め用光学系の分解能を向上させることができる。X線では反射ミラーに対する入射角が大きいとX線が反射しないが、可視光は、そのような制限が小さいためこの条件を満足することが可能である。
本実施例のような構成を用いることにより, 実施例１と同様に、位置決め用光学系により求めた照射領域とX線マイクロビーム光学系の照射領域をほぼ一致させることができ, 従来と比較すると位置精度の高いX線マイクロビーム分析を行うことができる。
【００３７】
なお、本実施例では、位置決め用光学系用光学素子として回転楕円面ミラー３３a及び３３ｂを用いたが, 反射ミラーと試料の間には、種々の球面ミラーまたは非球面ミラーを任意に用いることが可能である。例えば、本実施例と同様に、２枚の回転放物面ミラーを用いてもよいし、数枚の球面ミラーを用いてもよい。また、球面と非球面ミラーを組み合わせて用いてもよい。また、一軸回転球面ミラー、一軸回転非球面ミラー等を単独あるいは組み合わせて使用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の分析装置を用いることにより、近年盛んに利用が進んでいるX線マイクロビーム分析を用い、X線を照射することにより生じる蛍光X線を測定しマイクロメートル領域の元素・組成分析をすることが可能である。例えば、毛髪中の重元素の蓄積量の測定, 半導体デバイスのドーパント元素のマイクロレベルの空間分布とデバイス特性の関係解明, 生体細胞の硫黄元素の分布変化による病理分析等に用いることができる。
【符号の説明】
【００３９】
２０・・・X線源
２１・・・Ｘ線集光用光学素子
２２・・・X線マイクロビームの集光点、試料からの散乱光の発生点、位置決め光学系の対物側焦点
２３・・・試料台
２４・・・検出器
２５・・・照明
２６・・・対物レンズ
２７・・・反射ミラー
２８ａ・・・結像側焦点
２８ｂ・・・観察用カメラ
２９・・・Ｘ線透過部
３０・・・対物レンズの焦点
３１・・・リレー光学系を構成する第１のレンズ
３２・・・リレー光学系を構成する第２のレンズ
３３・・・回転楕円面ミラー
３４・・・ガイドチューブ
Ｓ・・・位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面
Ｐ・・・位置決め用光学系の光軸に直交し対物レンズの中心を通る面
Ｍ・・・位置決め用光学系の光軸に直交し反射ミラーの中心を通る面
Ｚ・・・位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面
Ｒ・・・位置決め用光学系の焦点を通りＺ面と平行な面
Ｑ・・・位置決め用光学系の光軸に直交しレンズの焦点を通る面
Ｔ・・・Z面と平行かつリレー光学系のレンズの中心を通る面,
Ｗ・・・Z面と平行かつ位置決め用光学系の焦点を通る面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、X線を用いて試料の構造・組成評価を行う分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビーム径を1０μｍ未満に微小化したX線ビーム(以下、「X線マイクロビーム」と記載する)を用いて試料の局所分析を行う手法(X線マイクロビーム分析法)の研究が進み, 各種分析装置の開発も行われている。分析時に、試料上の測定したい領域にX線マイクロビームを確実に照射するため, X線マイクロビーム光学系と、試料表面を観察するための位置決め用顕微鏡(以下、「位置決め用光学系」と記載する)の光軸および焦点を一致させ、位置決め用光学系の観察領域と同じ位置にＸ線を照射することにより, X線マイクロビームの照射位置を直接観測することができる方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献1では、図５に示すように、斜鏡3(3Aまたは3B)を用いてＸ線集光光学系と光学観察系の光軸を一致させ、試料上にあるＸ線の焦点位置をＸ線の集光方向から目視観察する方法について開示されている。斜鏡3は光学観察系により試料の観察位置を決める場合は3Aの位置に設置し, またX線マイクロビームにより試料の分析を行う場合は3Bの位置に設置し、両者の位置を自由に移動することができる。
光学観察系により試料の観察位置を特定する場合、斜鏡3を3Aの位置に移動するとともに、照明手段４ａ、ハーフミラー４ｂ、斜鏡３Ａ、Ｘ線集光光学手段２Ｂを用いて試料Ｓに可視光又は紫外光又は赤外光を照射し, 試料Ｓにより散乱された光をＸ線集光光学手段２Ｂ及び斜鏡3Aにより観察光学手段４ に導くことにより試料の照射領域を観察する。
また、X線集光光学系を用いて試料の分析を行う場合、X線の発生点1より発生したX線を遮らないように斜鏡3を3Bの位置に移動すると共に、Ｘ線集光光学手段２Ｂを用いてX線を集光位置Ｐに集光し, 試料から発生するX線や電子等を検出器５によって検出することにより試料の分析を行う。
予め光学観察系の試料側の焦点位置およびX線集光光学系の集光位置を5に一致させておくことにより,光学観察系で観察した試料の特定箇所をX線マイクロビームで照射し, X線マイクロビームで特定箇所の分析を行うことができる。
【０００４】
また、特許文献２では、図６に示すように、Ｘ線源Ａから発生したＸ線を、Ｘ線集光素子１と可視光用対物レンズ５を一体化したものを用いて集光点Ｂに集光させるマイクロビームの走査方法について開示されている。
可視光用光学系は試料からの散乱光の発生点、可視光用対物レンズ５, 試料観察用可視光反射鏡８,観察用可視光による像の位置Ｃに置かれた十字線７から構成されている。またX線マイクロビーム光学系はＸ線源Ａ, X線を集光するための光学素子であるゾーンプレート1, X線マイクロビームの集光点Ｂから構成されている。
次に特許文献２の方法を用いたX線マイクロビーム分析の位置決め方法について述べる。試料を適当な照明光学系で照明することにより(図示していない)、試料から生じた散乱光は可視光用対物レンズ５により集められ, 試料観察用可視光反射鏡８を通じて点Ｂの像位置Ｄに焦点を結ぶ。この焦点に生じた試料の像を観察することにより, 試料のX線マイクロビーム照射位置を求めることができる。
また、マイクロビーム光学系において、ゾーンプレート1の焦点位置を可視光用対物レンズ５の焦点位置と同じ位置になるように組み込むことが可能であれば, X線マイクロビーム光学系により形成されたX線マイクロビームの集光位置Ｂは可視光用対物レンズの焦点と一致する。この結果, 可視光用光学系により決定した試料上の位置とX線マイクロビーム分析で照射する領域は一致し, 試料上の測定領域を可視光による可視光用光学系を用いて観察しながらX線マイクロビーム光学系で集光したX線マイクロビームを用いた分析が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2004-101404号公報
【特許文献２】特開平5-164987号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
X線は目に見えないことから, 試料上のX線照射位置を特定することが容易でないという問題点がある。このため測定領域を決定する際には、X線マイクロビームにより仮測定を行い, 得られた元素分布イメージを元に再度測定領域を決定するという手法が多く取られてきた。この手法では同一試料を何度も測定する必要があり, X線マイクロビーム分析のスループットの低下, 放射線損傷による生体試料の破壊等の問題があった。そのため、上述した特許文献１又は２のような方法がとられていた。
【０００７】
しかし、上記で述べた手段においては下記のような問題により試料の測定領域を特定することが困難である。
最初に特許文献1における問題点について述べる。
特許文献１においては光学観察系とＸ線集光光学系の一部である斜鏡３を共有していることにより, 光学観察系の空間分解能が劣化するという問題がある。以下にその詳細を説明する。
光学観察系の空間分解能δは光学系を構成する光学素子の開口数NAを用い, 式(1), (2)で求めることができる。
【式１】
【０００８】
ＮＡ＝ｎｓｉｎθ
【式２】
【０００９】
ここで,
NAは開口数と呼ばれる量であり, 光学素子に入射する(または光学素子から出てくる)光の開き角θに屈折率を掛けた量,
nは使用する波長に対する屈折率であり, 今回は空気中または真空中で測定することから1となる。
また光学系全体の空間分解能は光学系で用いられている各光学素子において, 式(1)および式(2)で求められる分解能のうち一番大きな値で制限される。式(2)から明らかなように空間分解能を小さくするためには開口数NAを大きくするか, 使用する波長を短くすることが有効であることが判る。しかしながら可視光の場合は波長が通常サブミクロンメーター程度であることから, 高分解能を得るためにはレンズ等を用いてなるべく開口数NAを大きくすることが有効である。
一方、X線の場合, 波長自体が1nm以下と短いことから, NAが小さい光学素子を用いても充分な空間分解能を得ることができる。
ところが特許文献１のようにＸ線集光光学系と光学観察系の一部を共有させた光学系の場合, 上述したように、光学系全体の空間分解能は光学系で用いられている各光学素子において求められる分解能のうち一番大きな値で制限されるため、光学観察系の空間分解能はX線集光光学系の分解能を決めるＸ線集光光学手段２Ｂの開口数NAにより制限される。通常可視光の開口数NAは0.5程度であるのに対し, X線の反射ミラーの場合開口数NAは10-3程度となることから, 特許文献１のようにＸ線集光光学系と光学観察系の光学素子を一部共有させると光学観察系の空間分解能が通常よりも2〜3桁低下してしまうという問題が発生する。例えばX線の波長として0.1nm, 可視光の波長として0.5μmを用いた場合を考えると, Ｘ線集光光学系では式(2)より理想的な場合には約60nmの分解能が得られるのに対し, 可視光では300μmの分解能しか得られない。従って、試料にX線マイクロビームを照射する際に, X線が照射されているエリアの大きさに対して光学観察系で観察可能なエリアが約5000倍大きくなり、光学観察系を用いてもX線マイクロビームの照射位置を充分な精度で特定することができないという問題が生じる。
【００１０】
次に、特許文献2における問題点について述べる。
特許文献２では、試料の照射位置を確定させるための可視光用光学系の対物側の焦点とX線マイクロビームを形成するためのマイクロビーム光学系の集光点を一致させることにより常に照射領域を確認しながらX線マイクロビーム分析を行えるという利点がある。しかし特許文献２の方法を実際に実現するためには下記の問題を解決する必要がある。
最初に、X線集光素子として図６に示しているようにゾーンプレート1を利用する場合の問題点を示す。通常ゾーンプレートは円形の形状をしており光軸に垂直方向のサイズが直径200μm程度, 試料までの距離は20cm程度となる。一方、可視光用対物レンズ５で利用されるレンズは通常直径20〜40mm程度であることから、 ゾーンプレート1を組み込むためには原理的にはレンズの中心に200μm程度の穴を空け, X線が通過することが可能な光路を設ければ良いことになる。しかし, 市販されているゾーンプレートは半導体リソグラフィ技術で作製された精密な光学部品であることから, 直径200μmのゾーンプレートを単体で取り扱うことは非常に困難であり, 実際にはゾーンプレートの周囲に支持用の基板(10mm角程度)が設けられている。このため、 ゾーンプレートを対物レンズに組み込むためには10mm角程度の支持用基板のサイズの穴をレンズ中心に空ける必要がある。また、ゾーンプレート1と可視光用対物レンズ５の焦点位置を光軸方向及び／又は試料表面上において一致させるための調整機構が必要なことを考慮するとレンズ中心に空ける必要のあるスペースはさらに大きくなる。このため, 可視光用対物レンズ５で試料を観察する場合, 試料から発生する散乱光のうち、収差が小さく分解能の良い光軸近傍の散乱光を利用することができず, 収差が大きく空間分解能が悪くなるレンズの周辺部のみを用いて像を観測する必要があり, 可視光用光学系で必要な空間分解能を得ることができず、試料の観察に適した像を得ることができないという問題が生じる。
【００１１】
またX線集光光学系でX線マイクロビームを得るために特許文献1に示されるようなＸ線集光光学手段２Ｂを用いる場合は, ミラー自体のサイズが100mm程度あることから可視光用対物レンズ５の一部をなすレンズに組み込むことが不可能であり, この方法を利用することができない。
【００１２】
そこで、本発明では、X線マイクロビーム分析装置において、より簡便な方法でX線マイクロビームの試料上での照射位置を目視観察しながらX線マイクロビーム分析を行えるＸ線分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のＸ線分析装置は、Ｘ線源とＸ線が照射される試料台との間にＸ線透過部を有する反射ミラーを有し、前記Ｘ線源と反射ミラーの間に、Ｘ線集光用光学素子を有することを特徴とする。
また、Ｘ線集光用光学素子は、斜入射ミラーであることが好ましい。
また、Ｘ線透過部は、反射ミラーに設けられた空隙であることが好ましい。
また、反射ミラーと試料の間にＸ線透過部を有する対物レンズを設けることが好ましい。
また、前記Ｘ線透過部の周囲にガイドチューブを設けることが好ましい。
また、前記対物レンズに設けられたX線透過部の光軸方向に垂直な方向の大きさは、前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部よりも小さいことが好ましい。
また、Ｘ線分析装置に試料観察部を有し、前記反射ミラーと前記対物レンズの間に設けられたＸ線透過部を有する第１のレンズと、前記反射ミラーと試料観察部の間に設けられた第２のレンズとを設けることが好ましい。
また、前記第１のレンズに設けたX線透過部の光軸に垂直な方向の大きさは、前記対物レンズに設けられたＸ線透過部より大きく前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部より小さいことが好ましい。
また、反射ミラーと試料の間に球面ミラーまたは非球面ミラーを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のX線分析装置では、より簡便な方法で試料上の測定領域を精度良く決定することができるため, これまで多大な時間が必要であったX線マイクロビーム分析における試料上の照射位置の確認作業を短縮することができ、多数の試料を効率良く測定でき, 生体材料・半導体材料等の特性向上に寄与することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のＸ線分析装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明のＸ線分析装置の別の例を示す概略図である。
【図３】本発明のＸ線分析装置の別の例を示す概略図である。
【図４】本発明のＸ線分析装置の別の例を示す概略図である。
【図５】X線分析装置における試料照射領域を求めるための従来手段を説明するための概略図である。
【図６】マイクロビーム走査装置分析における試料照射領域を求めるための別の従来手段を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す形態は一例であって、本発明を限定するものではなく、記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等についても本発明を限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、説明を簡略化するために、同一の構成要件には同一の符号を付し、その説明を一部省略する。また、図中の符号のうちアルファベットのものは、種々の面を示している。
なお、図１乃至４では、Ｘ線集光光学系のＸ線を実線で、光学観察系の光線を点線で示す。
【００１７】
（実施例１）
本実施例のＸ線分析装置は、少なくともＸ線マイクロビーム光学系と位置決め光学系を有している。両者の光学系は、部分的に光軸が一致している。
X線マイクロビーム光学系は、X線源20, Ｘ線集光用光学素子21及びX線マイクロビームの集光点22から構成されている。Ｘ線マイクロビームの集光点22の近傍に試料台２３が設置されている。Ｘ線源２０から発生したＸ線はＸ線集光用光学素子により集光されＸ線マイクロビームが形成される。Ｘ線マイクロビームは、集光点２２付近の試料台２３に配置された試料に照射される。Ｘ線マイクロビームが照射された試料表面で散乱されたX線または電子を検出器２４で観測し、X線マイクロビーム分析を行う。なお、本実施例においては、Ｘ線集光用光学素子としてX線集光用の斜入射ミラーを用いる。斜入射ミラーを用いることにより、Ｘ線を反射させて集光し、Ｘ線マイクロビームを形成することができる。
位置決め用光学系は、試料からの散乱光の発生点22、 散乱した光を集光し観察像を拡大するための対物レンズ２６、散乱した光を位置決め用光学系の焦点に集光するための反射ミラー２７、位置決め用光学系の結像側焦点２８ａ及び観察用カメラ２８ｂから構成されている。なお、反射ミラー２７は、試料観察用として機能するものである。試料に照明２５を用いて可視光又は紫外光又は赤外光を照射し、散乱した光を対物レンズ２６及び反射ミラー２７を用いて位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに集光し、観察用カメラ２８ｂで試料表面を観察する。なお、試料からの散乱光の発生点22は、X線マイクロビームの集光点22と略同じ位置にあり、その大きさは異なっていてもよい。X線マイクロビームの集光点と試料からの散乱光の発生点を略同じ位置とすることで試料表面を観察しながらＸ線マイクロビームの照射位置を決定することができる。
S1, P1, M1はそれぞれ位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面, 対物レンズ２６の中心を通る面及び反射ミラー２７の中心を通る面を示す。Z1は位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面, R1は位置決め用光学系の焦点を通り反射ミラー２７と結像側焦点２８aを結ぶ光軸に直交する面を示す。また、各部材間の距離を示す場合には、「P1-S1」のように面を示す符号をハイフンでつなぎ記載する。
また、反射ミラー２７から試料までの間においては、Ｘ線マイクロビーム光学系と、位置決め用光学系の光軸は略一致している。
【００１８】
本実施例においては、Ｘ線集光用光学素子２１により形成されたX線マイクロビームが、位置決め用光学系の光軸と略一致するように、反射ミラー２７の位置決め用光学系の光軸の周囲にＸ線透過部２９ａが設けられている。言い換えると、Ｘ線源２０と、位置決め用光学系の光軸の周囲にＸ線透過部２９ａを有する反射ミラー２７との間に、Ｘ線集光用光学素子２１が設けられている。
なお、本明細書において「光軸が一致する」とは、必ずしも全く一致することを示すものではなく、本発明の効果が得られる範囲で若干のずれが生じてもよい。
【００１９】
Ｘ線透過部は、Ｘ線マイクロビームの光軸上に設けられたＸ線が通過可能なＸ線の通路であり、Ｘ線集光用光学素子から試料までの間に設けられた部材に空隙を設けるか、Ｘ線が透過可能な物質で構成されることが好ましい。
また、X線透過部は、反射ミラー２７から試料の間において設けられることが好ましい。本実施例においては、反射ミラーに設けられたＸ線透過部２９ａに加えて、対物レンズに設けられたＸ線透過部２９ｂも有している。複数のＸ線透過部、例えば、反射ミラーに設けられたＸ線透過部２９ａ及び対物レンズに設けられたＸ線透過部２９ｂを包括してＸ線透過部２９と記載することがある。
【００２０】
Ｘ線透過部２９は、少なくとも位置決め光学系の光軸の周囲に設けることが好ましい。Ｘ線透過部２９の光軸方向に垂直な方向の大きさは、X線マイクロビームのビーム径よりも若干大きいサイズにすれば充分であり、X線マイクロビームを遮らない範囲でなるべく小さくすることが好ましい。通常のX線マイクロビーム光学系では、Ｘ線源から発生した数百μmのビームを数μm以下に集光することが多い。このことを考慮すると, Ｘ線透過部２９の具体的な大きさとしては、位置決め光学系の光軸を中心として直径1mm程度に設けることで充分である。Ｘ線透過部２９が大きすぎると、対物レンズとして機能する領域が狭くなり、レンズの収差が大きく空間分解能が悪い周辺部を用いて像を観測しなければならなくなる。そうすると、観察に適当な試料表面の像得られなくなってしまう。しかし、直径1mm程度の大きさであれば得られた像を容易に確認することができ好ましい。
【００２１】
また、Ｘ線透過部は、位置決め用光学系からの散乱光が無視できる場合は、図１に示すように反射ミラーに設けられた空隙で構成されていてもよい。この方法によると、簡便な方法で、Ｘ線透過部を有する反射ミラーを得ることができ好ましい。なお、図４に示すように、Ｘ線透過部２９の周囲にガイドチューブ３４を設けてもよい。ガイドチューブ３４は、X線マイクロビーム光学系及び位置決め光学系で用いられる波長の光を透過させない材料で形成されることが好ましい。ガイドチューブ３４は、例えば、金属、黒鉛、黒色塗装したアルミニウム、黒色アルマイト等が挙げられる。このような材料のガイドチューブを用いることにより、可視光、紫外光又は赤外光の余分な散乱を防止することができ好ましい。また、ガイドチューブの導電性は限定されない。
ガイドチューブを設ける場合には、その光軸方向の長さとしては、反射ミラー２７よりもＸ線源２０側から、試料と対物レンズ２６の間まで設けられることが好ましい。最も好ましくは、Ｘ線集光用光学素子２１から対物レンズ２６の間にかけて設けられるものである。可視光又は紫外光又は赤外光の余分な散乱を確実に防ぐことができ、位置決め光学系での試料表面の観察を確実に行うことができる。
また、ガイドチューブ３４を支持するための機構としては、反射ミラー２７や対物レンズ２６に設けられた孔で支持されていてもよいし、別の部材が設けられていてもよい。別の部材を設ける場合には、X線マイクロビーム光学系及び位置決め光学系の光を遮らないように設けることが好ましく、例えば、反射ミラー２７よりもＸ線源２０側に設けられることが好ましい。
【００２２】
本実施例においては、Ｘ線透過部２９は、反射ミラー２７に加えて、対物レンズ２６にも設けられている。Ｘ線透過部２９ｂを有する対物レンズを設けることで位置決め用光学系を用いた試料の観察を行うことができる。
対物レンズに設けられたX線透過部２９ｂは、反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aと同様の構成、大きさで設けることができる。対物レンズに設けられたX線透過部２９ｂの光軸方向に垂直な方向の大きさは、反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aよりも小さいことが好ましい。これにより、試料から発生する散乱光のうち、収差が小さく分解能の良い光軸近傍の散乱光を利用することができ、試料の観察に適した像を得ることができる。
Ｘ線透過部を有する部材としては、これらのものには限定されず、用いる光学系によって構成部材に適宜透過部を設けることが可能である。
【００２３】
例えば、本実施例のＸ線分析装置では、位置決め用光学系の構成要素である対物レンズ２６で用いるレンズの直径を20mm, 試料と対物レンズ２６との間の距離(P1-S1)を10mmとするとNAとして0.7程度を得ることが可能となる。この場合, 位置決め用光学系の結像側焦点２８ａと対物レンズ２６との間の距離(P1-M1)+（Z1-R1）を20mm程度とすると、ＮＡは0.43程度が得られ, 位置決め用光学系の使用波長が0.5μmの場合、理論上の分解能を式(2)より求めると約0.7μmとなる。このとき反射ミラー２７を設置するために(P1-M1)+（Z1-R1）の距離を30mm程度にしてもＮＡは、0.３１程度が得られ、理論分解能は約1μmとなり, この場合でもX線マイクロビーム光学系で得られるビームサイズとおおよそ同様の分解能を得ることができる。
【００２４】
このように本発明の実施例１に示すようなX線マイクロビーム光学系と位置決め用光学系を用いることにより, 位置決め用光学系により求めた照射領域とX線マイクロビーム光学系の照射領域をほぼ一致させることができ, 従来と比較すると位置精度の高いX線マイクロビーム分析が可能となる。
【００２５】
その他の部材について説明する。
Ｘ線集光用光学素子２１としては、斜入射ミラーの他、フレネルゾーンプレート等を用いてもよい。
反射ミラー２７としては、可視光又は紫外光又は赤外光を反射する多層コーティングミラーを用いることができる。
また、X線照射により試料から有機物等の飛散物が生じるような場合は, 透明または半透明な光学系防護用箔を試料と両光学系の間に設置しても良い。光学系防護用膜は、位置決め光学系の照明光の波長に対して透光性のものであればよく、例えばＰＥＴフィルムやポリイミドフィルムのような高分子薄膜が挙げられる。具体的には、マイラー(登録商標)、カプトン(登録商標)等を用いることができる。もしくは、Ｘ線の通過部に穴を開けたガラスを用いることもできる。
【００２６】
（実施例２）
本実施例のＸ線分析装置について、図２を参照しながら説明する。本実施例のＸ線分析装置は、位置決め用光学系にリレー光学系を用いた点が実施例１と異なる。対物レンズ２６の焦点３０の焦点距離を延ばすことで結像側焦点２８ａで試料観察を行うことができ、調整の利便性を向上させることができる。
【００２７】
位置決め用光学系は、対物レンズの焦点３０, 対物レンズの焦点３０に形成された像をそのまま伝達するためのリレー光学系を構成する第１のレンズ３１および第２のレンズ３２を有する以外は、実質的に実施例１と同様である。本実施例において、第１のレンズは、反射ミラーと対物レンズの間に設けられ、第２のレンズは、反射ミラーと試料観察部の間に設けられている。
試料に照明２５を用いて可視光、紫外光又は赤外光を照射し、散乱した光を対物レンズ２６、第１のレンズ３１、反射ミラー２７及び第２のレンズ３２を用いて位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに集光し、観察用カメラ２８ｂで試料表面を観察する。
またS2, P2, Q2, R2, M2はそれぞれ位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面, 対物レンズ２６の中心を通る面, 対物レンズ２６の焦点を通る面, リレー光学系の第１のレンズ３１の中心を通る面, 反射ミラー２７の中心を通る面を示す。Z2, T2, W2は位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面, リレー光学系の第２のレンズ３２の中心を通る面, 結像側焦点２８ａを通りリレー光学系の光軸に直交する面を示す。
【００２８】
本実施例においても、実施例１と同様に, X線マイクロビーム光学系により形成されたX線マイクロビームが、反射ミラー２７よりも試料側において位置決め用光学系の光軸の周囲を通過することができるように、反射ミラー２７及び対物レンズの位置決め用光学系の光軸の周囲にX線マイクロビーム通過用のＸ線透過部２９a及び２９ｂを設ける。このときのＸ線透過部２９の光軸方向に垂直な方向の大きさは、上述したように、X線マイクロビーム光学系ではＸ線源から発生したビームを数μm以下に集光することを考慮し、実施例１と同様に1mm程度にすれば充分であり, 光学部品加工上での問題は特にない。
【００２９】
また、本実施例では、リレー光学系を構成する第１のレンズ３１にもＸ線透過部２９ｃが設けられている。Ｘ線透過部２９ｃも、上述した反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aや対物レンズ２６に設けられたＸ線透過部２９ｂと同様の構成、大きさで設けることができる。
またこのとき、第１のレンズ３１に設けたX線透過部２９ｃの光軸に垂直な方向の大きさは、対物レンズ２６に設けられたＸ線透過部２９ｂより大きく反射ミラー２７に設けられたＸ線透過部２９aより小さいことが好ましい。これにより、確実にX線を試料に照射することができると共に、レンズにおいて光軸近傍の散乱光を利用することができ、好適に観察を行うことができる。
【００３０】
実施例１よりも位置決め用光学系の空間分解能を上げるためには式(2)に示すようにNAを大きくする必要がある。しかし、X線マイクロビーム光学系では、X線は反射ミラーに対する入射角が大きいと反射しないため、入射角を小さくする必要がある。その結果、NAは小さくなってしまい、空間分解能を上げることができないことがある。
例えば、Ｘ線集光用光学素子２１の焦点距離（Ｘ線集光用光学素子２１の中心からX線マイクロビームの集光点２２までの距離）が100mmの場合で考える。Ｘ線集光用光学素子２１へのX線の入射角が0.25°、入射するX線ビームのビーム径が300μmとすると、Ｘ線集光用光学素子２１の光軸方向（Ｚ２に沿う方向）の長さは約70mm程度必要になる。Ｘ線集光用光学素子２１の中心と端との距離はＸ線集光用光学素子の長さの半分である約35mmとなり, Ｘ線集光用光学素子２１の焦点距離１００ｍｍからＸ線集光用光学素子２１自体の大きさ35mmを除くと、Ｘ線集光用光学素子２１の端から集光点２２（試料）までの距離は65mmとなる。
また、位置決め用光学系について実施例１と同様の光学系（但し対物レンズと像焦点W2までの距離を30mmとする）を用いる場合, 試料と対物レンズ２６の間の距離(S2-P2)は10mmとなる。 上記より、Ｘ線集光用光学素子２１の端面から集光点２２（試料）までの距離は65mmとなるので、その距離から試料と対物レンズ２６の間の距離(S2-P2) 10mmを除くと、対物レンズ２６の光軸方向の厚さを無視したとしても約55mmのスペースに反射ミラー２７を設置する必要がある。しかし、実用上は、反射ミラー２７の取り付けおよび角度調整機構を考慮すると反射ミラー２７の設置位置は反射ミラーの中心が少なくとも対物レンズ２６から数十mm以上になるようにする必要がある。例えば、対物レンズ２６と反射ミラー２７の中心までの距離(P2-M2)を20mmにすると, 観察用カメラ２８ｂは光軸面Z2から10mm以内に設置する必要があり,Ｘ線集光用光学素子２１の厚さおよび取り付け調整機構の占めるスペースを考慮すると, 観察用カメラ２８ｂとＸ線集光用光学素子２１が機械的に干渉してしまうため, 観察用カメラ２８ｂを焦点位置に設置することが困難であるという問題が生じる。
この問題を解決するため本実施例は、観察用カメラ２８ｂの設置位置を変更できるようにするために位置決め用光学系の中にリレー光学系を組み込むものである。
【００３１】
リレー光学系を構成する第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２を用いることにより, 対物レンズの焦点３０に一旦形成された像は反転して再度位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに形成される。このときリレー光学系の第１のレンズ３１及び第２のレンズ３２の間では試料により散乱された光は平行となり, リレー光学系の入射側と出射側の間の距離(R2-M2)+（Z2-T2)を自由に変更することができる。従って観察用カメラ２８ｂを位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに設置する場合にも, Ｘ線マイクロビーム光学系及び位置決め光学系の光軸と結像側焦点２８ａの間の距離(Z2-T2)を自由に変更することができ, 前述のような観察用カメラ２８ｂとＸ線集光用光学素子２１の干渉を避けることができる。
なおこの場合,対物レンズ２６と対物レンズの焦点３０の距離(P2-Q2), 対物レンズの焦点３０と第１のレンズ３１の間の距離(Q2-R2)及び第２のレンズ３２と位置決め用光学系の結像側焦点２８ａの間の距離(T2-W2)を適当に取ってやることにより, 対物レンズ２６の空間分解能を低下させずに試料表面を観測することが可能となる。
例えば、試料と対物レンズ２６の距離(S2-P2)を10mm, 対物レンズ２６と対物レンズの焦点３０の距離(P2-Q2)を5mm, 対物レンズの焦点３０と第１のレンズ３１の間の距離(Q2-R2)を5mmとすると反射ミラー２７の設置スペースは65mm-20mm=45mmとなり, 実施例１と比較して反射ミラー37の設置機構の設計が容易となる。またリレー光学系を使用する場合, リレー光学系内部の距離(R2-T2)+（Z2-M2)は無視することができるため, 第２のレンズ３２と置決め用光学系の結像側焦点２８ａの間の距離(T2-W2)を例えば5mmになるように光学系を設計すれば, 位置決め用光学系の分解能を低下させずに観察用カメラ２８ｂを自由に設置することができる。
【００３２】
以上、本実施例のような構成を用いることにより, 実施例１の効果に加えて試料上の観察位置の決定を高倍率で行うことができ、より微小な試料を観察することが可能になる。
【００３３】
（実施例３）
本実施例のＸ線分析装置について、図３を参照しながら説明する。本実施例のＸ線分析装置は、位置決め用光学系の光学素子として、対物レンズ２６の代わりに散乱した光を集光し観察像を拡大する回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂを用いた点が実施例１と異なる。
【００３４】
位置決め用光学系は、試料に照明２５を用いて可視光又は紫外光又は赤外光を照射し、散乱した光を回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂ及び反射ミラー２７を用いて位置決め用光学系の結像側焦点２８ａに集光し、観察用カメラ２８ｂで試料表面を観察する。
また、S3, P3, M3はそれぞれ位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面, 回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂの中心を通る面, 反射ミラー２７の中心を通る面を示す。 Z3は位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面, R3は位置決め用光学系の結像側焦点２８ａを通り, 反射ミラー２７と結像側焦点２８ａの間の光軸に直交する面を示す。
【００３５】
本実施例においても、実施例１と同様に、X線マイクロビーム光学系により形成されたX線マイクロビームが、反射ミラー２７よりも試料側において位置決め用光学系の光軸もしくはその周囲を通過することができるように、反射ミラー２７の位置決め用光学系の光軸の周囲にX線マイクロビーム通過用のＸ線透過部２９aを設ける。本実施例では、位置決め用光学系の光学素子として回転楕円面ミラー３３ａ及び３３ｂを用いているため, 対物レンズ２６を省くことができる。位置決め光学系にＸ線透過部を設ける手間も省くことができる。
【００３６】
本実施例において、回転楕円ミラー３３ａ及び３３ｂの対物側の焦点２２を回転楕円ミラー３３ａ及び３３ｂに可能な限り近づけるとともに位置決め光学系の結像側焦点２８ａを回転楕円ミラー３３ａ及び３３ｂから離すことで位置決め用光学系の分解能を向上させることができる。X線では反射ミラーに対する入射角が大きいとX線が反射しないが、可視光は、そのような制限が小さいためこの条件を満足することが可能である。
本実施例のような構成を用いることにより, 実施例１と同様に、位置決め用光学系により求めた照射領域とX線マイクロビーム光学系の照射領域をほぼ一致させることができ, 従来と比較すると位置精度の高いX線マイクロビーム分析を行うことができる。
【００３７】
なお、本実施例では、位置決め用光学系用光学素子として回転楕円面ミラー３３a及び３３ｂを用いたが, 反射ミラーと試料の間には、種々の球面ミラーまたは非球面ミラーを任意に用いることが可能である。例えば、本実施例と同様に、２枚の回転放物面ミラーを用いてもよいし、数枚の球面ミラーを用いてもよい。また、球面と非球面ミラーを組み合わせて用いてもよい。また、一軸回転球面ミラー、一軸回転非球面ミラー等を単独あるいは組み合わせて使用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の分析装置を用いることにより、近年盛んに利用が進んでいるX線マイクロビーム分析を用い、X線を照射することにより生じる蛍光X線を測定しマイクロメートル領域の元素・組成分析をすることが可能である。例えば、毛髪中の重元素の蓄積量の測定, 半導体デバイスのドーパント元素のマイクロレベルの空間分布とデバイス特性の関係解明, 生体細胞の硫黄元素の分布変化による病理分析等に用いることができる。
【符号の説明】
【００３９】
２０・・・X線源
２１・・・Ｘ線集光用光学素子
２２・・・X線マイクロビームの集光点、試料からの散乱光の発生点、位置決め光学系の対物側焦点
２３・・・試料台
２４・・・検出器
２５・・・照明
２６・・・対物レンズ
２７・・・反射ミラー
２８ａ・・・結像側焦点
２８ｂ・・・観察用カメラ
２９・・・Ｘ線透過部
３０・・・対物レンズの焦点
３１・・・リレー光学系を構成する第１のレンズ
３２・・・リレー光学系を構成する第２のレンズ
３３・・・回転楕円面ミラー
３４・・・ガイドチューブ
Ｓ・・・位置決め用光学系の光軸に直交する試料の表面
Ｐ・・・位置決め用光学系の光軸に直交し対物レンズの中心を通る面
Ｍ・・・位置決め用光学系の光軸に直交し反射ミラーの中心を通る面
Ｚ・・・位置決め用光学系とX線マイクロビーム光学系の光軸が一致する部分における光軸を含む面
Ｒ・・・位置決め用光学系の焦点を通りＺ面と平行な面
Ｑ・・・位置決め用光学系の光軸に直交しレンズの焦点を通る面
Ｔ・・・Z面と平行かつリレー光学系のレンズの中心を通る面,
Ｗ・・・Z面と平行かつ位置決め用光学系の焦点を通る面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源とＸ線が照射される試料台との間にＸ線透過部を有する反射ミラーを有し、前記Ｘ線源と反射ミラーの間に、Ｘ線集光用光学素子を有することを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項２】
前記Ｘ線集光用光学素子は、斜入射ミラーである請求項１に記載のX線分析装置。
【請求項３】
前記Ｘ線透過部は、前記反射ミラーに設けられた空隙である請求項１又は２に記載のX線分析装置。
【請求項４】
前記反射ミラーと試料の間にＸ線透過部を有する対物レンズを設ける請求項１乃至３のいずれか１項に記載のX線マイクロビーム分析装置。
【請求項５】
前記Ｘ線透過部の周囲にガイドチューブを設ける請求項１乃至4のいずれか1項に記載のＸ線分析装置。
【請求項６】
前記対物レンズに設けられたX線透過部の光軸方向に垂直な方向の大きさは、前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部よりも小さい請求項４又は５に記載のＸ線分析装置。
【請求項７】
Ｘ線分析装置に試料観察部を有し、前記反射ミラーと前記対物レンズの間に設けられたＸ線透過部を有する第１のレンズと、前記反射ミラーと試料観察部の間に設けられた第２のレンズとを設ける請求項４乃至６のいずれか１項に記載のX線分析装置。
【請求項８】
前記第１のレンズに設けたX線透過部の光軸に垂直な方向の大きさは、前記対物レンズに設けられたＸ線透過部より大きく前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部より小さい請求項７に記載のＸ線分析装置。
【請求項９】
前記反射ミラーと試料の間に球面ミラーまたは非球面ミラーを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のX線分析装置。
【請求項１】
Ｘ線源とＸ線が照射される試料台との間にＸ線透過部を有する反射ミラーを有し、前記Ｘ線源と反射ミラーの間に、Ｘ線集光用光学素子を有することを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項２】
前記Ｘ線集光用光学素子は、斜入射ミラーである請求項１に記載のX線分析装置。
【請求項３】
前記Ｘ線透過部は、前記反射ミラーに設けられた空隙である請求項１又は２に記載のX線分析装置。
【請求項４】
前記反射ミラーと試料の間にＸ線透過部を有する対物レンズを設ける請求項１乃至３のいずれか１項に記載のX線マイクロビーム分析装置。
【請求項５】
前記Ｘ線透過部の周囲にガイドチューブを設ける請求項１乃至4のいずれか1項に記載のＸ線分析装置。
【請求項６】
前記対物レンズに設けられたX線透過部の光軸方向に垂直な方向の大きさは、前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部よりも小さい請求項４又は５に記載のＸ線分析装置。
【請求項７】
Ｘ線分析装置に試料観察部を有し、前記反射ミラーと前記対物レンズの間に設けられたＸ線透過部を有する第１のレンズと、前記反射ミラーと試料観察部の間に設けられた第２のレンズとを設ける請求項４乃至６のいずれか１項に記載のX線分析装置。
【請求項８】
前記第１のレンズに設けたX線透過部の光軸に垂直な方向の大きさは、前記対物レンズに設けられたＸ線透過部より大きく前記反射ミラーに設けられたＸ線透過部より小さい請求項７に記載のＸ線分析装置。
【請求項９】
前記反射ミラーと試料の間に球面ミラーまたは非球面ミラーを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のX線分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２４２３１３（Ｐ２０１１−２４２３１３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１５９３０（Ｐ２０１０−１１５９３０）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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