Ｘ線導波路及びＸ線導波システム
【課題】クラッドによるＸ線の閉じ込め効果を高めることで、高い伝搬効率で位相の揃ったＸ線を導波することが可能なＸ線導波路を提供する。
【解決手段】波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線１５を導波させるためのコア１０とクラッド１１、１２を有するＸ線導波路において、コア１０は、Ｘ線１５の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、コア１０とクラッド１２間に平坦化層１３が設けられており、平坦化層１３とクラッド１２の界面における全反射臨界角は、コア１０の周期性に起因するブラッグ角よりも大きい。
【解決手段】波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線１５を導波させるためのコア１０とクラッド１１、１２を有するＸ線導波路において、コア１０は、Ｘ線１５の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、コア１０とクラッド１２間に平坦化層１３が設けられており、平坦化層１３とクラッド１２の界面における全反射臨界角は、コア１０の周期性に起因するブラッグ角よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線導波路及びＸ線導波システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は、医療、非破壊検査、結晶構造解析等の分野で広く利用されている。Ｘ線のような数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波に対する異物質間の屈折率差は１０−５以下程度と小さいために、このような電磁波をコントロールするためには、大型の空間光学系が用いられている。主流であるこのような大型の空間光学系に対し、最近、光学系の小型化、高機能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝播させるＸ線導波路の研究が行われている。非特許文献１には、Ｎｉと炭素の多層膜からなるＸ線導波路が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌｕｍｅ ６２，ｐ．１６９３９（２０００）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１は、ニッケルよりなるクラッドと、炭素よりなるコアとから構成されるＸ線導波路について記載している。非特許文献１に記載されたＸ線導波路は、炭素とニッケルとの界面の全反射によりＸ線を閉じ込めて導波し、複数の導波路が積層されたものとして機能する。このために、クラッドに挟まれたコアの組み合わせが一組の導波路（以下、「単層導波路」と記載する）と比較して大きな光量のＸ線を導波することが可能となる。
【０００５】
しかし、このような構成のＸ線導波路は、積層された導波路構成のそれぞれ（コアとそれを挟み込むクラッドの組）が別個の単層導波路として機能する。そのために、全体として出射されるＸ線の位相が揃う、集光、発散抑制効果を持つといった、単層導波路の長所を低減してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を導波させるためのコアとクラッドを有するＸ線導波路であって、前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路に関する。
【０００７】
また、本発明は、Ｘ線源とＸ線導波路からなるＸ線導波システムであって、前記Ｘ線源は、波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を前記Ｘ線導波路に入射し、前記Ｘ線導波路は、コアとクラッドを有し、前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、入射した前記Ｘ線に対して、前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導システムに関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、クラッドによるＸ線の閉じ込め効果を高めることで、高い伝搬効率で位相の揃ったＸ線を導波することが可能なＸ線導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のＸ線導波路の概念図である。
【図２】Ｘ線導波路の概念図である。
【図３】有効伝搬角度θの概念図である。
【図４】実施例１乃至５で作製したＸ線導波路の概略図である。
【図５】多孔質酸化ケイ素膜とタングステンとの界面における反射率の表面粗さ依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のＸ線導波路について詳しく述べる。
【００１１】
本発明に係るＸ線導波路の概念図を図１に示す。図１において、屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有するコア１０は、コアにＸ線を閉じ込めるためのクラッド１１，１２に挟まれている。また、コア１０とクラッド１２との間に平坦化層１３が設けられている。本発明のＸ線導波路は、平坦化層１３をコア１０とクラッド１２間に導入するにより、平坦な平坦化層とクラッドとの界面を持つことになる。その結果、このＸ線導波路に入射角度１４で入射されたＸ線１５は、平坦化層とクラッドとの界面によって効果的に閉じ込められる。したがって、本発明のＸ線導波路は、高い伝搬効率でＸ線を導波することができる。ここで、図１は模式図であり、コア表面の凹凸は誇張して描かれており、またＸ線の入射角度も実際には、１°以下の小さな角度である。
【００１２】
本実施形態に係るＸ線導波路について、（１）Ｘ線、（２）Ｘ線導波路、（３）コア、（４）クラッド、（５）平坦化層について分けて説明する。
【００１３】
（１）Ｘ線について
本発明のＸ線導波路で導波するＸ線について説明する。本発明において、Ｘ線とは物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波を言う。具体的には、本発明におけるＸ線とは、波長が１ｐｍ以上、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の電磁波を言う。本明細書中において、単に電磁波という場合、上記Ｘ線のことと同義で用いる場合がある。
【００１４】
Ｘ線のように短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部のβ’を用いて表される。
【００１５】
【数１】
【００１６】
δは物質の電子密度ρｅに比例するため、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなる。屈折率実部ｎ’は、１−δとなる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。たとえば、Ｘ線は、真空中を伝搬する場合に屈折率実部が最大となり、一般的環境下では気体でないほぼすべての物質に対して空気の屈折率実部が最大となる。本明細書中においては、『物質』と言った場合には、空気や真空も包含するものとする。したがって、メソ構造体やメソポーラスは、単一な材料で構成されている場合でも空気や真空からなる屈折率の異なる部分を有するので、複数の物質から構成されているものとする。
【００１７】
（２）Ｘ線導波路
本発明のＸ線導波路は、クラッドでの全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させるものであり、コアが屈折率実部の異なる複数の物質を含む周期構造を有することで、後述する周期共鳴導波モードを発現するものである。このときコアとクラッド界面の粗さが大きい場合には、コアへのＸ線の閉じ込め効率が低下し、その結果Ｘ線の伝搬効率も低下する。この全反射によるＸ線の閉じ込めを効果的なものとするために、本発明のＸ線導波路は、コアとクラッド間に平坦化層が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に特徴的な平坦化層を配置したＸ線導波路の説明に入る前に、周期共鳴導波モードを発現するＸ線導波路の基本的な原理の説明を行う。その原理の理解を助けるために、（２）Ｘ線導波路の項目では、理想的な（平滑な）コアとクラッドの界面を持つ（平坦化層を含まない）Ｘ線導波路を用いて説明を行う。
【００１９】
周期共鳴導波モードを発現するＸ線導波路は、コアとクラッドとの界面における全反射により、Ｘ線を周期構造であるコアの中に閉じ込めて導波モードを形成し、Ｘ線を伝搬させる。そしてこの導波路では、コアとクラッドの界面での全反射臨界角が、コアの周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とする。図２には、このＸ線導波路の概念図を示す。このＸ線導波路は、コア２１が、クラッド２２とクラッド２３に挟まれた形態である。そしてこのコア２１は、高屈折率実部をもつ物質の層２５と低屈折率実部をもつ物質の層２６とによりなる単位構造２４が、積層、構成されている。本発明のＸ線導波路のコア２１の周期構造は一次元から三次元のいずれの周期構造を用いてもよいが、ここでは理解を容易とするために、例えば多層膜のような一次元の周期構造を用いて説明を行う。図２で、２７はクラッドとコアの界面における全反射臨界角、２８はブラッグ角、２９は単位構造中の物質界面における全反射臨界角を表す。
【００２０】
図２において、クラッドとコアの界面における全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ、多層膜中の基本構造をなす各層の界面での全反射臨界角θｃ−ｍｕｌｔｉ、多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢの例を示してある。本明細書中ではこれらの角度は、膜の面に平行な方向を０°として表現されるものとする。図２において、矢印はＸ線の進行方向を示す。
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、下記の式（２）
【００２１】
【数２】
【００２２】
で表される。
【００２３】
コアの１次元周期構造の周期をｄ、コアである周期構造の平均屈折率実部をｎａｖｇとした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次の式（３）のようにおおよそのブラッグ角θＢ（°）が定義される。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ｍは定数、λはＸ線の波長である。
【００２６】
このＸ線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびＸ線の波長は、次の式（４）を満たすように設計されているものとする。
【００２７】
【数４】
【００２８】
式（４）を満たすことにより、周期構造であるコアがもつ周期性に起因するブラッグ角付近などの有効伝搬角度をもつ導波モードを、常にクラッドによりコアに閉じ込め、Ｘ線の伝搬に寄与させることができる。ここで、本明細書中において有効伝搬角度θ’（°）は、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル（伝搬定数）ｋｚ、真空中の波数ベクトルｋ０を用いて下記の式（５）で表されるものとする。連続条件によりｋｚは各層の界面で一定なので、図３に示すように、有効伝搬角度θ’（°）は、導波モードの基本波の伝搬定数ｋｚと真空中の波数ベクトルｋ０との間で定義される角度で、導波モードの基本波が真空中で進行する角度を表している。これは近似的にコア中での導波モードの基本波の伝搬角度を表すと考えることができるため、今後の説明に用いることとする。
【００２９】
【数５】
【００３０】
ここでは、コアをなす周期構造体は、屈折率実部の異なる複数の物質の膜が周期的に積層された多層膜様のものを想定する。このとき、隣り合う膜界面においては、屈折率実部の違いによる全反射臨界角が存在する。これをθｃ−ｍｕｌｔｉ（°）とする。
【００３１】
【数６】
【００３２】
上記の式（６）を満たして、多層膜中の全反射臨界角が多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも小さい場合には、ブラッグ角付近以上の角度で多層膜中の界面に入射されるＸ線は全反射を起さず、部分的な反射または屈折を起こすこととなる。多層膜は複数の異なる屈折率実部の周期的に積層された膜により構成されているので、界面も積層方向に複数存在し、多層膜内部のＸ線はこれら界面において反射、屈折を繰り返すこととなる。多層膜内部でのＸ線のこのような反射、屈折の繰り返しは多重干渉を引き起こす。その結果、多層膜の周期構造に共鳴できる条件をもつＸ線、すなわち多層膜内部で存在できる伝搬モードが形成され、その結果、このＸ線導波路構造のコア中に導波モードが形成されることになる。これを周期共鳴導波モードと称する。
【００３３】
このような周期共鳴導波モードはそれぞれ有効伝搬角度をもち、最も小さな有効伝搬角度をもつ周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は多層膜のブラッグ角付近に現れることになる。周期共鳴導波モードは周期構造の周期性に共鳴するモードなので、本明細書中では周期共鳴導波モードと称することとする。これは多層膜を周期数無限の一次元フォトニック結晶として考えた場合の最低次バンドを満たす伝搬モードに相当し、この伝搬モードがクラッドとコアとの界面での全反射により閉じ込められたものとなる。
【００３４】
現実の一次元周期構造では、その周期数は有限であるため、そのフォトニックバンド構造は無限周期の一次元周期構造のフォトニックバンド構造からずれてくるが、周期数が増えるほど導波モードの特性は無限周期のフォトニックバンド上のそれに近づくことになる。ブラッグ反射は周期性によるフォトニックバンドギャップの効果により引き起こされ、そのブラッグ反射を与える角度であるブラッグ角は周期共鳴導波モードの有効伝搬角度よりやや大きい角度となる。周期構造のフォトニックバンド構造において、フォトニックバンドギャップ端に、周期構造に共鳴する導波モードが存在する。Ｘ線のエネルギーが一定として導波モードの有効伝搬角度を考えた場合、これらの導波モードのうち相対的に小さい有効伝搬角度をもつ導波モードが、最低次の周期共鳴導波モードである。周期共鳴導波モードの電場強度の空間的分布プロファイルでは、電場強度の腹の数は基本的に、多層膜の周期数と一致する。高次のブラッグ角に相当する有効伝搬角度をもつ、高次の周期共鳴導波モードの腹の位置は、基本的に周期数の２以上の自然数倍となる。
【００３５】
また有限の周期数をもつ多層膜においては、上記のような周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度以外の角度をもつ導波モードも存在し得る。これらは周期共鳴導波モードではなくコアである多層膜全体を、屈折率実部が平均化された均一媒質として考えた場合に存在する導波モードで、その特性に基本的には多層膜の周期性の影響は少ない。一方、このＸ線導波路の構成で実現される周期共鳴導波モードでは、周期構造の周期数が増えるほど、より多層膜であるコアの中心へ電場が集中し、クラッドへの染み出しも少なくなり、Ｘ線の伝搬損失が小さくなる。また、電場強度分布の包絡曲線はコアの中央に偏った形状となり、よりクラッドへのしみ出しによる損失が小さくなる。さらに、このＸ線導波路中で用いられる周期共鳴導波モードの位相は、周期性の高い方向、つまりクラッドとコアの界面に垂直かつ導波方向に垂直な方向において、そろったものとなり、空間的なコヒーレンスを有することができる。ここで、導波モードの位相がそろうということは、導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることをも意味する。この周期共鳴導波モードは、導波方向に垂直な方向において、電場の位相が周期構造の周期と同じ周期で−πと＋πの間で変化しているものとなる。
【００３６】
（３）コアについて
本発明において、コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を備えている。本発明において屈折率実部が異なる複数の物質とは多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質である。周期構造は、一次元から三次元の周期構造であればよいが、Ｘ線の導波方向に垂直な面内での周期性を有するものとする。このような周期構造は、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィー、エッチングプロセス、積層や貼り合わせ等の従来の半導体プロセスによっても作製可能である。たとえば、周期構造が一次元の場合には、この周期構造は、多層膜として構成することができる。この場合、多層膜を形成する方法としては、交互蒸着やスパッタ法などがある。
【００３７】
このようなコアを形成する屈折率実部が異なる物質は、無機物、有機物の固体材料のほかに、気体、真空でもよい。また、これらの物質を組み合わせて用いることも好ましい。無機物としては、ホウ素、ホウ素化合物、ベリリウム、炭素、窒化物、酸化物、リンを用いることができる。具体的には、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｂ４Ｃ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｐを用いることが好ましい。コアを形成する材料を無機物質とすることにより、従来のスパッタ法、蒸着、結晶成長などの確立されたプロセスが利用可能であり、熱や外力に強い構造とすることができる。有機物としては、ポリマー、低分子化合物を用いることができる。具体的には、各種レジスト材料、ポリイミド、ビニル系高分子を用いることができる。有機物を用いることにより、Ｘ線の吸収による伝搬損失を小さくすることができる。気体、真空であれば、この損失をさらに低減することができ好ましい。
【００３８】
また周期構造を形成する材料として、通常の半導体プロセスとは異なる、自己組織的な形成メカニズムにより作製される材料を用いてもよい。この例として、界面活性剤の自己集合により形成されるメソ構造体膜があげられる。本発明における周期構造体は、このメソ構造体膜が好ましく用いられる。以下にこの内容について記述する。
【００３９】
（３−１）メソ構造体膜について
多孔質材料は、ＩＵＰＡＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって、その孔径により分類されており、孔径が２−５０ｎｍの多孔質材料は、メソポーラスに分類される。近年、このメソポーラス材料についての研究が盛んに行われ、界面活性剤の集合体を鋳型とすることで、径の揃ったメソ孔が規則的に配列した構造を得ることが可能になっている。
【００４０】
本明細書中において、メソ構造体膜は、以下の（Ａ）メソポーラス膜、（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの、（Ｃ）ラメラ構造を持つメソ構造体膜を含む。以下に詳細な説明を行う。
【００４１】
（Ａ）メソポーラス膜
メソポーラス膜は、孔径が２−５０ｎｍの多孔質材料からなる。壁部の材料は、製造可能性、周期構造体を屈折率実部が異なる物質より構成するという観点から、酸化物を用いることができる。この酸化物しては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を用いることができる。これらの物質は、たとえば１０ｋｅＶのＸ線に対し、全て０．９９９９９７以下の屈折率実部を持ち、以降に記載する有機物（同、０．９９９９９８程度の屈折率実部を持つ）や空気（同、ほぼ１の屈折率実部を持つ）と周期構造体を構成した際に、屈折率実部が異なる物質より構成される周期構造体を形成することができる。上述の酸化物は、その骨格中に有機成分が含まれていてよい。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００４２】
メソポーラス膜の作製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で作製することができる。集合体が鋳型として機能する両親媒性物質の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させる。その後に、鋳型分子を除去することにより、多孔質材料とする。
【００４３】
この両親媒性物質は、特に限定されるものではないが、界面活性剤が適している。界面活性剤分子は、イオン性、非イオン性の界面活性剤を用いることができる。このイオン性界面活性剤としは、例えば、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を用いることができる。このアルキル鎖の鎖長は炭素数で１０から２２であることが好ましい。非イオン性の界面活性剤としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを用いることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール−ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを用いることが好ましい。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長は、炭素数で１０から２２が好ましく、ポリエチレングリコールの繰返し数は炭素数で２から５０が好ましい。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより孔径を拡大することが可能である。また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質を用いることができる。この疎水性物質としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物を用いることができ、具体的にはオクタンを用いることができる。
【００４４】
無機酸化物の前駆体としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物を用いることができる。具体的には、Ｓｉ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓｎのアルコキサイド、塩化物を用いることができる。アルコキサイドとしては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものを用いることができる。
製膜法としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法を用いることができる。
鋳型分子の除去方法としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理を用いることができる。
【００４５】
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの
壁部の材料については、（Ａ）の項に記載したものと同様のものを使用することができる。孔を充填する物質については、有機化合物を主とするものであれば特に制限されるものではない。この「主」の意味としては、体積比で５０％以上を意味する。この有機化合物の例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、（Ａ）の項で記載した界面活性剤を挙げることができる。また分子集合体の形成機能を有する部位が壁部を形成する材料、または、壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料の例としては、アルキル基を有するアルコキシシラン、アルキル基を有するオリゴシロキサン化合物を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長は、炭素数で１０から２２であることが好ましい。
【００４６】
孔の内部には、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素が挙げられる。
【００４７】
メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものの作製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、（Ａ）の項に記載したメソポーラス膜の作製法の鋳型の除去以前の工程を用いることができる。
【００４８】
（Ｃ）ラメラ構造を持つメソ構造体膜
本発明のメソ構造体膜には、（Ａ）、（Ｂ）に加えてラメラ構造のメソ構造体膜を含む。このラメラ構造体は、（Ｂ）に記載した壁部の材料と、同じく（Ｂ）に記載した孔を充填する物質からなるラメラ構造を有する。これらの二種類の材料（物質）は、所望の特性を得るために、必要に応じて化学結合によって結合されていても良い。この結合されているラメラ構造の化合物の例としては、トリアルコキシアルキルシランを挙げることができる。
【００４９】
（４）クラッドについて
本発明のＸ線導波路は、クラッドでの全反射によりＸ線をコア（および平坦化層）に閉じ込めてＸ線を導波させる。Ｘ線の領域においては、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなる。そのためにこのクラッドに用いられる材料としては、密度の大きな金属を用いることができる。具体的には、Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ，Ｈｇ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｂ，Ｍｏの単体、またはこれらの元素を含む材料を用いることが好ましい。このような材料を用いたクラッドは、スパッタリング、蒸着等によって形成することができる。このクラッドの厚さは、材料によって異なるが、コアにＸ線を十分に閉じ込められる程度に厚く、コスト、製造の観点から薄いことが求められる。クラッドの厚さとしては、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下がより好ましい。クラッドは、Ｘ線導波路内で膜厚分布をもって形成することも好ましく行われる。例えば、クラッド表面からの入射を積極的に行わせる目的で、入射領域において膜を薄く形成して導入効率を向上させつつ、その他の領域では、膜を厚く形成してＸ線の閉じ込め効果を高めることが好ましく行われる。
【００５０】
（５）平坦化層
本発明のＸ線導波路は、クラッドでの全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させる。このときのクラッドでの全反射の効率が向上すると、Ｘ線のコアへの閉じ込め効率が向上し、Ｘ線の伝搬効率が向上することになる。ここで、Ｘ線の全反射効率は、全反射界面の粗さに非常に敏感であり、その効率は粗さの減少とともに増大することが知られている。発明者らは、種々のＸ線導波路の構成を検討した結果、いくつかのＸ線導波路においては、コアとクラッドの界面の粗さを減少させることで、伝搬効率が向上することを確認した。そして種々の検討を行うことにより、平坦化層としては、以下の特性をもつものが適しているとの結論に達した。
【００５１】
第一に平坦化の効果の観点より、平坦化層について検討する。平坦化層に用いる材料の電子密度は、Ｘ線の吸収損失の観点からは、低いほうが好ましい。しかし、この平坦化層として比較的に電子密度の低い材料を選択した場合には、クラッド形成時のダメージにより平坦化の効果は限定的な場合があった。発明者らは、この点について検討を重ねた結果、この平坦化層の電子密度は、コアを構成する物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上のものを用いた時に平坦化によると考えられる伝搬効率の向上を確認した。このため、本発明のＸ線導波路における平坦化層に用いる材料の電子密度は、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度と同じ、またはそれより大きいことが好ましい。また、Ｘ線の吸収損失の観点を考慮すると、本発明のＸ線導波路における平坦化層に用いる材料は、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度と同じことがより好ましい。
【００５２】
平坦化層の物質の物性を規定する際に、電子密度を用いて規定している理由を以下に記載する。本発明のＸ線導波路は、異なった物質の界面において、Ｘ線が引き起こす屈折、干渉といった現象を利用したものである。そして、これらの現象を生じる上で、Ｘ線の屈折や干渉に影響を与える物質の性質は、主にその電子密度の違いである。このために、本発明においては、Ｘ線導波路に用いる平坦化層の物質を特定する際に、電子密度を用いて規定する。平坦化層の電子密度は、そのＸ線反射率測定を行い、観測された全反射臨界角から算出することができる。また、これと比較対象になるコアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度も同様に、その物質からなる膜の全反射臨界角から算出することができる。
【００５３】
また、平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根で５ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましい。図５には、多孔質酸化ケイ素膜から、タングステンの界面にＸ線を０．４°の角度で入射したときの反射率の、酸化ケイ素／タングステン界面の表面粗さ依存性の計算値を示す。図５において、横軸は酸化ケイ素／タングステン界面の二乗平均平方根であり、縦軸は同界面の二乗平均平方根が０であるときを仮定したときの反射率を１とした規格化反射率である。ここからわかるように反射率は、表面粗さの低減とともにシグモイド様に増大する。そして反射率は、二乗平均平方根が５ｎｍ以下となると顕著に増大し、さらに３ｎｍ以下となるとより一層増大することが確認できる。
【００５４】
第二に屈折率の影響の観点より、平坦化層について検討する。本発明のＸ線導波路は、平坦化層とクラッドの界面における全反射によりＸ線をコア（と平坦化層）に閉じ込めてＸ線を導波させる。このとき平坦化層とクラッドの界面において全反射を起こす条件とする必要があるために、平坦化層の屈折率実部は、クラッドの屈折率実部よりも大きい必要がある。Ｘ線領域の電磁波に関しては、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることから、本発明のＸ線導波路における平坦化層に用いる材料としてはクラッドよりも電子密度の小さい材料である必要がある。
【００５５】
また、本発明のＸ線導波路は、周期共鳴導波モードを発現可能なＸ線導波路である。この周期共鳴導波モードを発現するためには、平坦化層とクラッドの界面における全反射臨界角は、コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きくなる関係になるよう選択される。
【００５６】
平坦化層に用いる物質は、コアを構成する物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上のものという条件を満たすものであれば、特に制限されるものではない。平坦化層に用いる物質は、例えば、無機物、有機物、およびこれらの無機・有機複合材料を用いることができる。無機物としては、酸化物、軽金属、炭素を用いることができる。これらの中でも、酸化物は、クラッド形成時の耐性を持ちながらも、それほど電子密度が高くないために、吸収損失が低減できる点で有利である。酸化物としては、具体的には、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｓｎを含む酸化物を用いることが好ましい。さらに、この中で、Ｓｉ，Ａｌの酸化物はより最も好ましく用いられる。有機物としては、高分子材料を用いることができる。無機・有機複合材料としては、無機微粒子を有機物に分散させたもの、無機物の骨格に有機分子が組み込まれたもの等を挙げることができる。前者の例としては、酸化物微粒子をポリマー中に分散させたもの、後者の例としては、有機ケイ素化合物を挙げることができる。これらのいずれの物質も、電子密度制御等の観点から多孔体として用いられてもよい。この平坦化層の形成方法としては、平坦化層に用いられる物質の製膜法として用いられている一般的な方法を用いることができる。例えば、無機物であれば、スパッタリング、蒸着、ゾルゲル法による製膜を用いることができる。有機物であれば、溶媒に溶解させての塗布、蒸着等を用いることができる。複合材料であれば、溶媒に溶解させての塗布、ゾルゲル法による製膜等を用いることができる。
【００５７】
本発明のＸ線導波路は、平坦化に効果的な平坦化層を導入することにより、クラッドでの全反射効率が増大させ、コア（または平坦化層に）への閉じ込め効率を増大させることで、高い伝搬効率でＸ線を導波させることができる。その結果、周期共鳴導波モードの持つ特徴である、コアの中心へ電場が集中することによる伝搬損失の低下、空間的なコヒーレンスを有すること、を有効に利用することができる導波路を提供することができる。
【００５８】
次に、本発明のＸ線導波システムについて説明する。本発明のＸ線導波システムは、少なくとも、Ｘ線源およびＸ線導波路を有する。Ｘ線源は、１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を照射する。Ｘ線源から照射されるＸ線は、単一の波長であっても、幅を持っていてもよい。Ｘ線源から照射されたＸ線は、Ｘ線導波路に入射される。本発明のＸ線導波システムの導波路は、コアとクラッドからなり、コアがＸ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造を有する。Ｘ線導波路は、コアとクラッド間に平坦化層が設けられている。入射したＸ線に対して、平坦化層とクラッドの界面における全反射臨界角は、コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きい。平坦化層の電子密度は、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上であり、かつ、クラッドの電子密度より小さいことが好ましい。また、本発明のＸ線導波システムに用いるＸ線導波路は、上述のＸ線導波路に記載したことが妥当する。
【実施例】
【００５９】
以下に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明の方法は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【００６０】
実施例１
（１−１）導波路の作製
実施例１では、図４の構成を持つＸ線導波路を作製する。実施例１のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４２，４３がコア４４と酸化ケイ素よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【００６１】
（１−１−１）クラッドの形成（４２）
Ｓｉ基板上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４２は、スパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。
【００６２】
（１−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２−１）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
２Ｄヘキサゴナル構造を持つ酸化ケイ素メソ構造体膜は、ディップコート法で作製される。メソ構造体の前駆体溶液は、エタノール、０．０１Ｍ塩酸、テトラエトキシシランを加え２０分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。ブロックポリマーとしては、エチレンオキサイド（２０）プロピレンオキサイド（７０）エチレンオキサイド（２０）（以降、ＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）と記載する（カッコ内は、各ブロックの繰り返し数））を使用する。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１．０、塩酸：０．００１１、エタノール：５．２、ブロックポリマー：０．００９６、エタノール：３．５とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
【００６３】
（１−１−２−２）メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて０．５ｍｍｓ−１の引き上げ速度でディップコートを行う。製膜後、メソ構造体膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２週間、その後に８０℃で２４時間保持される。
【００６４】
（１−１−２−３）評価
作製されたメソ構造体膜の、ブラッグ−ブレンターノ配置をもちいたＸ線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔、つまり閉じ込め方向における周期が、１０ｎｍであることが確認される。その膜厚はおよそ５００ナノメートルである。
【００６５】
（１−１−３）平坦化層の製膜
酸化ケイ素からなる平坦化層は、スピンコート法で作製される。エタノール、０．０１Ｍ塩酸、テトラエトキシシランを加え２０分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１．０、塩酸：０．００１１、エタノール：８．７とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。（１−１−２）工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。膜厚は、参照実験より１５ｎｍと確認される。膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化ケイ素は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じである。
【００６６】
（１−１−４）クラッド（４３）の形成
平坦化層上にタングステンクラッド４３を形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。平坦化層に酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、均一なクラッドが形成される。
【００６７】
（１−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（１−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍである。また、（１−１−３）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約２ｎｍである。
【００６８】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００６９】
実施例１のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ３倍の値を示す。また、実施例１のＸ線導波路は、平坦化層として、ポリスチレン（電子密度：３．３×１０２３ｃｍ−３）を用いたこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）と同じ電子密度をもつ平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００７０】
（１−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ１０倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【００７１】
実施例２
（２−１）導波路の作製
実施例２では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ａｕからなるクラッド４２，４３がコア４４と酸化チタン／ポリマー複合体よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２，４３はスパッタ法により厚さ約２０ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【００７２】
（２−１−１）クラッドの形成（４２）
Ｓｉ基板上に、Ａｕからなるクラッド４２は、スパッタ法により厚さ２ｎｍのＴｉ層を挟んで、およそ２０ナノメートルで成膜される。
【００７３】
（２−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２）と同様の手法で調製される。
【００７４】
（２−１−３）平坦化層の製膜
酸化チタン／ポリマー複合体からなる平坦化層は、スピンコート法で作製される。複合体溶液は、チタンテトライソプロポキサイドに酢酸、１−プロパノール、エタノール、水を添加したものと、ポリビニルピロリドン−ｂ−ポリメタクリル酸メチルのエタノール／アセトニトリル混合溶媒を攪拌することで調製される。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。参照実験より、平坦化層の膜厚は１５ｎｍ、電子密度は（６．６×１０２３ｃｍ−３）と確認される。平坦化層と酸化ケイ素メソ構造体からなる膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化チタン／ポリマー複合体の電子密度は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）よりも大きい。
【００７５】
（２−１−４）クラッド（４３）の形成
平坦化層上に金クラッド４３形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さ約２０ナノメートルで成膜される。平坦化層に酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも高い電子密度の物質を使用することで、均一なクラッドが形成される。
【００７６】
（２−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（２−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍである。また、（２−１−３）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約２ｎｍである。
【００７７】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００７８】
実施例２のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ３倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度よりも高い電子密度をもつ、酸化チタン／ポリマー複合体からなる平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００７９】
（２−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ５倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも電子密度の高い物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【００８０】
実施例３
（３−１）導波路の作製
実施例３では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。実施例３のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４２，４３がコア４４と酸化チタンよりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２、４３はスパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化チタンメソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる層と酸化チタン層が膜厚方向に層状の周期構造を形成している。
【００８１】
（３−１−１）クラッドの形成（４２）
（１−１−１）と同様の手法を用いてクラッドは形成される。
【００８２】
（３−１−２）酸化チタンメソ構造体膜の作製方法
（３−１−２−１）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
ラメラ構造を持つ酸化チタン素メソ構造体膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、テトラエトキシチタンを濃塩酸に加え５分間混合した溶液にブロックポリマーＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）のエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。エタノールにかえてメタノール、プロパノール、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルを使用することも可能である。混合比（モル比）は、テトラエトキシチタン：１．０、塩酸：１．８、ブロックポリマー：０．０２９、エタノール：１４とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
【００８３】
（３−１−２−２）メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて０．５から２ｍｍｓ−１の引き上げ速度でディップコートを行う。製膜後、膜は、２５℃、相対湿度５０％の恒温恒湿槽で２週間保持される。
【００８４】
（３−１−２−３）評価
調製されたメソ構造体膜をブラッグ−ブレンターノ配置のＸ線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔は約１１ｎｍであることが確認される。
【００８５】
（３−１−３）平坦化層の製膜
酸化チタンからなる平坦化層は、スピンコート法で調製される。前駆体溶液は、チタンテトライソプロポキサイドに酢酸、１−プロパノール、エタノール、水を添加し、１５分間超音波処理を行うことで調製される。用いられる試薬の体積比は、チタンテトライソプロポキサイド：２．５、酢酸：５、１−プロパノール：５、エタノール：１５、水：１とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。平坦化層の膜厚は、参照実験より１５ｎｍと推定される。平坦化層と酸化チタンメソ構造体からなる膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化チタンは、コアに用いた酸化チタンメソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化チタンと同じである。この平坦化層は、その後のクラッドの形成工程においても高い耐性を示す。
【００８６】
（３−１−４）クラッド（４３）の形成
平坦化層上にタングステンクラッド４３を形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。平坦化層に酸化チタンメソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、均一なクラッドが形成される。
【００８７】
（３−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（３−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍ、（３−１−４）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約２ｎｍである。
【００８８】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３２°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．２８°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００８９】
実施例３のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ３倍の値を示す。また、実施例３のＸ線導波路は、平坦化層として、ポリメタクリル酸メチル（電子密度：３．９×１０２３ｃｍ−３）を用いたこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化チタンメソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化チタンの電子密度と同じ電子密度をもつ平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００９０】
（３−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ５倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【００９１】
実施例４
（４−１）導波路の作製
実施例４では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ａｕからなるクラッド４２と４３がコア４４と酸化ニオブ／ポリマー複合体よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２、４３はスパッタ法により厚さおよそ２０ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【００９２】
（４−１−１）クラッドの形成（４２）
（２−１−１）と同様の手法で調製される。
【００９３】
（４−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２）と同様の手法で調製される。
【００９４】
（４−１−３）平坦化層の製膜
酸化ニオブ／ポリマー複合体からなる平坦化層は、スピンコート法で調製される。複合体溶液は、塩化ニオブ酢酸、１−プロパノール、水を添加したものと、ポリビニルピロリドン−ｂ−ポリメタクリル酸メチルのエタノール／アセトニトリル混合溶媒を攪拌することで調製される。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。参照実験より、膜厚は１５ｎｍ、電子密度は（８．６×１０２３ｃｍ−３）と確認される。膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化ニオブ／ポリマー複合体の電子密度は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）よりも大きい。
【００９５】
（４−１−４）クラッド（４３）の形成
（２−１−４）と同様の手法で調製される。
【００９６】
（４−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（４−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍ、（４−１−４）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約３ｎｍである。
【００９７】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００９８】
実施例４のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度よりも高い電子密度をもつ、酸化ニオブ／ポリマー複合体からなる平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００９９】
（４−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ２倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも電子密度の高い物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【０１００】
実施例５
（５−１）導波路の作製
実施例５では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ａｕからなるクラッド４２と４３がコア４４と酸化亜鉛／ポリマー複合体よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２，４３はスパッタ法により厚さおよそ２０ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【０１０１】
（５−１−１）クラッドの形成（４２）
（２−１−１）と同様の手法で調製される。
【０１０２】
（５−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２）と同様の手法で調製される。
【０１０３】
（５−１−３）平坦化層の製膜
酸化亜鉛／ポリマー複合体からなる平坦化層は、スピンコート法で調製される。複合体溶液は、酢酸亜鉛、エタノールに、エタノールアミン、塩酸を添加したものと、ポリビニルピロリドン−ｂ−ポリメタクリル酸メチルのエタノール／アセトニトリル混合溶媒を攪拌することで調製される。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。参照実験より、膜厚は１５ｎｍ、電子密度は（８．８×１０２３ｃｍ−３）と確認される。膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化ニオブ／ポリマー複合体の電子密度は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）よりも大きい。
【０１０４】
（５−１−４）クラッド（４３）の形成
（２−１−４）と同様の手法で調製される。
【０１０５】
（５−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（５−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍ、（５−１−４）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約３ｎｍである。
【０１０６】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【０１０７】
実施例５のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度よりも高い電子密度をもつ、酸化亜鉛／ポリマー複合体からなる平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【０１０８】
（５−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ２倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも電子密度の高い物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明のＸ線導波路は、Ｘ線を用いた撮像、露光、分析等におけるＸ線光学系に用いられる部品等に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１０ コア
１１，１２ クラッド
１３ 平坦化層
１５ Ｘ線
２１ コア
２２，２３ クラッド
２７ クラッドとコアの界面における全反射臨界角
２８ ブラッグ角
２９ 単位構造中の物質界面における全反射臨界角
４２，４３ クラッド
４４ コア
４５ 平坦化層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線導波路及びＸ線導波システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は、医療、非破壊検査、結晶構造解析等の分野で広く利用されている。Ｘ線のような数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波に対する異物質間の屈折率差は１０−５以下程度と小さいために、このような電磁波をコントロールするためには、大型の空間光学系が用いられている。主流であるこのような大型の空間光学系に対し、最近、光学系の小型化、高機能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝播させるＸ線導波路の研究が行われている。非特許文献１には、Ｎｉと炭素の多層膜からなるＸ線導波路が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌｕｍｅ ６２，ｐ．１６９３９（２０００）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１は、ニッケルよりなるクラッドと、炭素よりなるコアとから構成されるＸ線導波路について記載している。非特許文献１に記載されたＸ線導波路は、炭素とニッケルとの界面の全反射によりＸ線を閉じ込めて導波し、複数の導波路が積層されたものとして機能する。このために、クラッドに挟まれたコアの組み合わせが一組の導波路（以下、「単層導波路」と記載する）と比較して大きな光量のＸ線を導波することが可能となる。
【０００５】
しかし、このような構成のＸ線導波路は、積層された導波路構成のそれぞれ（コアとそれを挟み込むクラッドの組）が別個の単層導波路として機能する。そのために、全体として出射されるＸ線の位相が揃う、集光、発散抑制効果を持つといった、単層導波路の長所を低減してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を導波させるためのコアとクラッドを有するＸ線導波路であって、前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路に関する。
【０００７】
また、本発明は、Ｘ線源とＸ線導波路からなるＸ線導波システムであって、前記Ｘ線源は、波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を前記Ｘ線導波路に入射し、前記Ｘ線導波路は、コアとクラッドを有し、前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、入射した前記Ｘ線に対して、前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導システムに関する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、クラッドによるＸ線の閉じ込め効果を高めることで、高い伝搬効率で位相の揃ったＸ線を導波することが可能なＸ線導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のＸ線導波路の概念図である。
【図２】Ｘ線導波路の概念図である。
【図３】有効伝搬角度θの概念図である。
【図４】実施例１乃至５で作製したＸ線導波路の概略図である。
【図５】多孔質酸化ケイ素膜とタングステンとの界面における反射率の表面粗さ依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のＸ線導波路について詳しく述べる。
【００１１】
本発明に係るＸ線導波路の概念図を図１に示す。図１において、屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有するコア１０は、コアにＸ線を閉じ込めるためのクラッド１１，１２に挟まれている。また、コア１０とクラッド１２との間に平坦化層１３が設けられている。本発明のＸ線導波路は、平坦化層１３をコア１０とクラッド１２間に導入するにより、平坦な平坦化層とクラッドとの界面を持つことになる。その結果、このＸ線導波路に入射角度１４で入射されたＸ線１５は、平坦化層とクラッドとの界面によって効果的に閉じ込められる。したがって、本発明のＸ線導波路は、高い伝搬効率でＸ線を導波することができる。ここで、図１は模式図であり、コア表面の凹凸は誇張して描かれており、またＸ線の入射角度も実際には、１°以下の小さな角度である。
【００１２】
本実施形態に係るＸ線導波路について、（１）Ｘ線、（２）Ｘ線導波路、（３）コア、（４）クラッド、（５）平坦化層について分けて説明する。
【００１３】
（１）Ｘ線について
本発明のＸ線導波路で導波するＸ線について説明する。本発明において、Ｘ線とは物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波を言う。具体的には、本発明におけるＸ線とは、波長が１ｐｍ以上、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の電磁波を言う。本明細書中において、単に電磁波という場合、上記Ｘ線のことと同義で用いる場合がある。
【００１４】
Ｘ線のように短い波長の電磁波の周波数は非常に高く、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部のβ’を用いて表される。
【００１５】
【数１】
【００１６】
δは物質の電子密度ρｅに比例するため、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなる。屈折率実部ｎ’は、１−δとなる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。たとえば、Ｘ線は、真空中を伝搬する場合に屈折率実部が最大となり、一般的環境下では気体でないほぼすべての物質に対して空気の屈折率実部が最大となる。本明細書中においては、『物質』と言った場合には、空気や真空も包含するものとする。したがって、メソ構造体やメソポーラスは、単一な材料で構成されている場合でも空気や真空からなる屈折率の異なる部分を有するので、複数の物質から構成されているものとする。
【００１７】
（２）Ｘ線導波路
本発明のＸ線導波路は、クラッドでの全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させるものであり、コアが屈折率実部の異なる複数の物質を含む周期構造を有することで、後述する周期共鳴導波モードを発現するものである。このときコアとクラッド界面の粗さが大きい場合には、コアへのＸ線の閉じ込め効率が低下し、その結果Ｘ線の伝搬効率も低下する。この全反射によるＸ線の閉じ込めを効果的なものとするために、本発明のＸ線導波路は、コアとクラッド間に平坦化層が配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に特徴的な平坦化層を配置したＸ線導波路の説明に入る前に、周期共鳴導波モードを発現するＸ線導波路の基本的な原理の説明を行う。その原理の理解を助けるために、（２）Ｘ線導波路の項目では、理想的な（平滑な）コアとクラッドの界面を持つ（平坦化層を含まない）Ｘ線導波路を用いて説明を行う。
【００１９】
周期共鳴導波モードを発現するＸ線導波路は、コアとクラッドとの界面における全反射により、Ｘ線を周期構造であるコアの中に閉じ込めて導波モードを形成し、Ｘ線を伝搬させる。そしてこの導波路では、コアとクラッドの界面での全反射臨界角が、コアの周期構造の周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とする。図２には、このＸ線導波路の概念図を示す。このＸ線導波路は、コア２１が、クラッド２２とクラッド２３に挟まれた形態である。そしてこのコア２１は、高屈折率実部をもつ物質の層２５と低屈折率実部をもつ物質の層２６とによりなる単位構造２４が、積層、構成されている。本発明のＸ線導波路のコア２１の周期構造は一次元から三次元のいずれの周期構造を用いてもよいが、ここでは理解を容易とするために、例えば多層膜のような一次元の周期構造を用いて説明を行う。図２で、２７はクラッドとコアの界面における全反射臨界角、２８はブラッグ角、２９は単位構造中の物質界面における全反射臨界角を表す。
【００２０】
図２において、クラッドとコアの界面における全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ、多層膜中の基本構造をなす各層の界面での全反射臨界角θｃ−ｍｕｌｔｉ、多層膜の周期性に起因するブラッグ角θＢの例を示してある。本明細書中ではこれらの角度は、膜の面に平行な方向を０°として表現されるものとする。図２において、矢印はＸ線の進行方向を示す。
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、下記の式（２）
【００２１】
【数２】
【００２２】
で表される。
【００２３】
コアの１次元周期構造の周期をｄ、コアである周期構造の平均屈折率実部をｎａｖｇとした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次の式（３）のようにおおよそのブラッグ角θＢ（°）が定義される。
【００２４】
【数３】
【００２５】
ｍは定数、λはＸ線の波長である。
【００２６】
このＸ線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびＸ線の波長は、次の式（４）を満たすように設計されているものとする。
【００２７】
【数４】
【００２８】
式（４）を満たすことにより、周期構造であるコアがもつ周期性に起因するブラッグ角付近などの有効伝搬角度をもつ導波モードを、常にクラッドによりコアに閉じ込め、Ｘ線の伝搬に寄与させることができる。ここで、本明細書中において有効伝搬角度θ’（°）は、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル（伝搬定数）ｋｚ、真空中の波数ベクトルｋ０を用いて下記の式（５）で表されるものとする。連続条件によりｋｚは各層の界面で一定なので、図３に示すように、有効伝搬角度θ’（°）は、導波モードの基本波の伝搬定数ｋｚと真空中の波数ベクトルｋ０との間で定義される角度で、導波モードの基本波が真空中で進行する角度を表している。これは近似的にコア中での導波モードの基本波の伝搬角度を表すと考えることができるため、今後の説明に用いることとする。
【００２９】
【数５】
【００３０】
ここでは、コアをなす周期構造体は、屈折率実部の異なる複数の物質の膜が周期的に積層された多層膜様のものを想定する。このとき、隣り合う膜界面においては、屈折率実部の違いによる全反射臨界角が存在する。これをθｃ−ｍｕｌｔｉ（°）とする。
【００３１】
【数６】
【００３２】
上記の式（６）を満たして、多層膜中の全反射臨界角が多層膜の周期性に起因するブラッグ角よりも小さい場合には、ブラッグ角付近以上の角度で多層膜中の界面に入射されるＸ線は全反射を起さず、部分的な反射または屈折を起こすこととなる。多層膜は複数の異なる屈折率実部の周期的に積層された膜により構成されているので、界面も積層方向に複数存在し、多層膜内部のＸ線はこれら界面において反射、屈折を繰り返すこととなる。多層膜内部でのＸ線のこのような反射、屈折の繰り返しは多重干渉を引き起こす。その結果、多層膜の周期構造に共鳴できる条件をもつＸ線、すなわち多層膜内部で存在できる伝搬モードが形成され、その結果、このＸ線導波路構造のコア中に導波モードが形成されることになる。これを周期共鳴導波モードと称する。
【００３３】
このような周期共鳴導波モードはそれぞれ有効伝搬角度をもち、最も小さな有効伝搬角度をもつ周期共鳴導波モードの有効伝搬角度は多層膜のブラッグ角付近に現れることになる。周期共鳴導波モードは周期構造の周期性に共鳴するモードなので、本明細書中では周期共鳴導波モードと称することとする。これは多層膜を周期数無限の一次元フォトニック結晶として考えた場合の最低次バンドを満たす伝搬モードに相当し、この伝搬モードがクラッドとコアとの界面での全反射により閉じ込められたものとなる。
【００３４】
現実の一次元周期構造では、その周期数は有限であるため、そのフォトニックバンド構造は無限周期の一次元周期構造のフォトニックバンド構造からずれてくるが、周期数が増えるほど導波モードの特性は無限周期のフォトニックバンド上のそれに近づくことになる。ブラッグ反射は周期性によるフォトニックバンドギャップの効果により引き起こされ、そのブラッグ反射を与える角度であるブラッグ角は周期共鳴導波モードの有効伝搬角度よりやや大きい角度となる。周期構造のフォトニックバンド構造において、フォトニックバンドギャップ端に、周期構造に共鳴する導波モードが存在する。Ｘ線のエネルギーが一定として導波モードの有効伝搬角度を考えた場合、これらの導波モードのうち相対的に小さい有効伝搬角度をもつ導波モードが、最低次の周期共鳴導波モードである。周期共鳴導波モードの電場強度の空間的分布プロファイルでは、電場強度の腹の数は基本的に、多層膜の周期数と一致する。高次のブラッグ角に相当する有効伝搬角度をもつ、高次の周期共鳴導波モードの腹の位置は、基本的に周期数の２以上の自然数倍となる。
【００３５】
また有限の周期数をもつ多層膜においては、上記のような周期共鳴導波モードのもつ有効伝搬角度以外の角度をもつ導波モードも存在し得る。これらは周期共鳴導波モードではなくコアである多層膜全体を、屈折率実部が平均化された均一媒質として考えた場合に存在する導波モードで、その特性に基本的には多層膜の周期性の影響は少ない。一方、このＸ線導波路の構成で実現される周期共鳴導波モードでは、周期構造の周期数が増えるほど、より多層膜であるコアの中心へ電場が集中し、クラッドへの染み出しも少なくなり、Ｘ線の伝搬損失が小さくなる。また、電場強度分布の包絡曲線はコアの中央に偏った形状となり、よりクラッドへのしみ出しによる損失が小さくなる。さらに、このＸ線導波路中で用いられる周期共鳴導波モードの位相は、周期性の高い方向、つまりクラッドとコアの界面に垂直かつ導波方向に垂直な方向において、そろったものとなり、空間的なコヒーレンスを有することができる。ここで、導波モードの位相がそろうということは、導波方向に垂直な面内での電磁場の位相差が０であるということだけではなく、周期構造の空間的な屈折率分布に対応して電磁場の位相差が周期的に−πと＋πの間で変化していることをも意味する。この周期共鳴導波モードは、導波方向に垂直な方向において、電場の位相が周期構造の周期と同じ周期で−πと＋πの間で変化しているものとなる。
【００３６】
（３）コアについて
本発明において、コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を備えている。本発明において屈折率実部が異なる複数の物質とは多くの場合電子密度が異なる二種以上の物質である。周期構造は、一次元から三次元の周期構造であればよいが、Ｘ線の導波方向に垂直な面内での周期性を有するものとする。このような周期構造は、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィー、エッチングプロセス、積層や貼り合わせ等の従来の半導体プロセスによっても作製可能である。たとえば、周期構造が一次元の場合には、この周期構造は、多層膜として構成することができる。この場合、多層膜を形成する方法としては、交互蒸着やスパッタ法などがある。
【００３７】
このようなコアを形成する屈折率実部が異なる物質は、無機物、有機物の固体材料のほかに、気体、真空でもよい。また、これらの物質を組み合わせて用いることも好ましい。無機物としては、ホウ素、ホウ素化合物、ベリリウム、炭素、窒化物、酸化物、リンを用いることができる。具体的には、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｂ４Ｃ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｐを用いることが好ましい。コアを形成する材料を無機物質とすることにより、従来のスパッタ法、蒸着、結晶成長などの確立されたプロセスが利用可能であり、熱や外力に強い構造とすることができる。有機物としては、ポリマー、低分子化合物を用いることができる。具体的には、各種レジスト材料、ポリイミド、ビニル系高分子を用いることができる。有機物を用いることにより、Ｘ線の吸収による伝搬損失を小さくすることができる。気体、真空であれば、この損失をさらに低減することができ好ましい。
【００３８】
また周期構造を形成する材料として、通常の半導体プロセスとは異なる、自己組織的な形成メカニズムにより作製される材料を用いてもよい。この例として、界面活性剤の自己集合により形成されるメソ構造体膜があげられる。本発明における周期構造体は、このメソ構造体膜が好ましく用いられる。以下にこの内容について記述する。
【００３９】
（３−１）メソ構造体膜について
多孔質材料は、ＩＵＰＡＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）によって、その孔径により分類されており、孔径が２−５０ｎｍの多孔質材料は、メソポーラスに分類される。近年、このメソポーラス材料についての研究が盛んに行われ、界面活性剤の集合体を鋳型とすることで、径の揃ったメソ孔が規則的に配列した構造を得ることが可能になっている。
【００４０】
本明細書中において、メソ構造体膜は、以下の（Ａ）メソポーラス膜、（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの、（Ｃ）ラメラ構造を持つメソ構造体膜を含む。以下に詳細な説明を行う。
【００４１】
（Ａ）メソポーラス膜
メソポーラス膜は、孔径が２−５０ｎｍの多孔質材料からなる。壁部の材料は、製造可能性、周期構造体を屈折率実部が異なる物質より構成するという観点から、酸化物を用いることができる。この酸化物しては、酸化ケイ素、酸化スズ、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化タングステン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛を用いることができる。これらの物質は、たとえば１０ｋｅＶのＸ線に対し、全て０．９９９９９７以下の屈折率実部を持ち、以降に記載する有機物（同、０．９９９９９８程度の屈折率実部を持つ）や空気（同、ほぼ１の屈折率実部を持つ）と周期構造体を構成した際に、屈折率実部が異なる物質より構成される周期構造体を形成することができる。上述の酸化物は、その骨格中に有機成分が含まれていてよい。壁部の表面は、必要に応じて修飾されていてよい。たとえば、水の吸着を抑制するために、疎水性の分子を修飾してもよい。
【００４２】
メソポーラス膜の作製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で作製することができる。集合体が鋳型として機能する両親媒性物質の溶液に、無機酸化物の前駆体を加え、成膜を行い、無機酸化物の生成反応を進行させる。その後に、鋳型分子を除去することにより、多孔質材料とする。
【００４３】
この両親媒性物質は、特に限定されるものではないが、界面活性剤が適している。界面活性剤分子は、イオン性、非イオン性の界面活性剤を用いることができる。このイオン性界面活性剤としは、例えば、トリメチルアルキルアンモニウムイオンのハロゲン化物塩を用いることができる。このアルキル鎖の鎖長は炭素数で１０から２２であることが好ましい。非イオン性の界面活性剤としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを用いることができる。ポリエチレングリコールを親水基として含む界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコールアルキルエーテル、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール−ポリエチレングリコールのブロックコポリマーを用いることが好ましい。ポリエチレングリコールアルキルエーテルのこのアルキル鎖の鎖長は、炭素数で１０から２２が好ましく、ポリエチレングリコールの繰返し数は炭素数で２から５０が好ましい。この疎水基、親水基を変化させることにより構造周期を変化させることが可能である。一般的に疎水基、親水基を大きなものとすることにより孔径を拡大することが可能である。また、界面活性剤に加えて、構造周期を調整するための添加物を加えてもよい。この構造周期を調整するための添加物としては、疎水性物質を用いることができる。この疎水性物質としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物を用いることができ、具体的にはオクタンを用いることができる。
【００４４】
無機酸化物の前駆体としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物を用いることができる。具体的には、Ｓｉ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓｎのアルコキサイド、塩化物を用いることができる。アルコキサイドとしては、メトキサイド、エトキサイド、プロポキサイド、または、その一部がアルキル基に置換されたものを用いることができる。
製膜法としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法を用いることができる。
鋳型分子の除去方法としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理を用いることができる。
【００４５】
（Ｂ）メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたもの
壁部の材料については、（Ａ）の項に記載したものと同様のものを使用することができる。孔を充填する物質については、有機化合物を主とするものであれば特に制限されるものではない。この「主」の意味としては、体積比で５０％以上を意味する。この有機化合物の例としては、界面活性剤や、分子集合体の形成機能を有する部位が、壁部を形成する材料または壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料が挙げられる。この界面活性剤の例としては、（Ａ）の項で記載した界面活性剤を挙げることができる。また分子集合体の形成機能を有する部位が壁部を形成する材料、または、壁部を形成する材料の前駆体と結合している材料の例としては、アルキル基を有するアルコキシシラン、アルキル基を有するオリゴシロキサン化合物を挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長は、炭素数で１０から２２であることが好ましい。
【００４６】
孔の内部には、必要に応じて、または、使用する材料、工程の結果として水、有機溶媒、塩等が含まれていてよい。この有機溶媒の例としては、アルコール、エーテル、炭化水素が挙げられる。
【００４７】
メソポーラス膜の孔が主に有機化合物で充填されたものの作製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、（Ａ）の項に記載したメソポーラス膜の作製法の鋳型の除去以前の工程を用いることができる。
【００４８】
（Ｃ）ラメラ構造を持つメソ構造体膜
本発明のメソ構造体膜には、（Ａ）、（Ｂ）に加えてラメラ構造のメソ構造体膜を含む。このラメラ構造体は、（Ｂ）に記載した壁部の材料と、同じく（Ｂ）に記載した孔を充填する物質からなるラメラ構造を有する。これらの二種類の材料（物質）は、所望の特性を得るために、必要に応じて化学結合によって結合されていても良い。この結合されているラメラ構造の化合物の例としては、トリアルコキシアルキルシランを挙げることができる。
【００４９】
（４）クラッドについて
本発明のＸ線導波路は、クラッドでの全反射によりＸ線をコア（および平坦化層）に閉じ込めてＸ線を導波させる。Ｘ線の領域においては、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなる。そのためにこのクラッドに用いられる材料としては、密度の大きな金属を用いることができる。具体的には、Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ，Ｈｇ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｂ，Ｍｏの単体、またはこれらの元素を含む材料を用いることが好ましい。このような材料を用いたクラッドは、スパッタリング、蒸着等によって形成することができる。このクラッドの厚さは、材料によって異なるが、コアにＸ線を十分に閉じ込められる程度に厚く、コスト、製造の観点から薄いことが求められる。クラッドの厚さとしては、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下がより好ましい。クラッドは、Ｘ線導波路内で膜厚分布をもって形成することも好ましく行われる。例えば、クラッド表面からの入射を積極的に行わせる目的で、入射領域において膜を薄く形成して導入効率を向上させつつ、その他の領域では、膜を厚く形成してＸ線の閉じ込め効果を高めることが好ましく行われる。
【００５０】
（５）平坦化層
本発明のＸ線導波路は、クラッドでの全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させる。このときのクラッドでの全反射の効率が向上すると、Ｘ線のコアへの閉じ込め効率が向上し、Ｘ線の伝搬効率が向上することになる。ここで、Ｘ線の全反射効率は、全反射界面の粗さに非常に敏感であり、その効率は粗さの減少とともに増大することが知られている。発明者らは、種々のＸ線導波路の構成を検討した結果、いくつかのＸ線導波路においては、コアとクラッドの界面の粗さを減少させることで、伝搬効率が向上することを確認した。そして種々の検討を行うことにより、平坦化層としては、以下の特性をもつものが適しているとの結論に達した。
【００５１】
第一に平坦化の効果の観点より、平坦化層について検討する。平坦化層に用いる材料の電子密度は、Ｘ線の吸収損失の観点からは、低いほうが好ましい。しかし、この平坦化層として比較的に電子密度の低い材料を選択した場合には、クラッド形成時のダメージにより平坦化の効果は限定的な場合があった。発明者らは、この点について検討を重ねた結果、この平坦化層の電子密度は、コアを構成する物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上のものを用いた時に平坦化によると考えられる伝搬効率の向上を確認した。このため、本発明のＸ線導波路における平坦化層に用いる材料の電子密度は、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度と同じ、またはそれより大きいことが好ましい。また、Ｘ線の吸収損失の観点を考慮すると、本発明のＸ線導波路における平坦化層に用いる材料は、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度と同じことがより好ましい。
【００５２】
平坦化層の物質の物性を規定する際に、電子密度を用いて規定している理由を以下に記載する。本発明のＸ線導波路は、異なった物質の界面において、Ｘ線が引き起こす屈折、干渉といった現象を利用したものである。そして、これらの現象を生じる上で、Ｘ線の屈折や干渉に影響を与える物質の性質は、主にその電子密度の違いである。このために、本発明においては、Ｘ線導波路に用いる平坦化層の物質を特定する際に、電子密度を用いて規定する。平坦化層の電子密度は、そのＸ線反射率測定を行い、観測された全反射臨界角から算出することができる。また、これと比較対象になるコアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度も同様に、その物質からなる膜の全反射臨界角から算出することができる。
【００５３】
また、平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根で５ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましい。図５には、多孔質酸化ケイ素膜から、タングステンの界面にＸ線を０．４°の角度で入射したときの反射率の、酸化ケイ素／タングステン界面の表面粗さ依存性の計算値を示す。図５において、横軸は酸化ケイ素／タングステン界面の二乗平均平方根であり、縦軸は同界面の二乗平均平方根が０であるときを仮定したときの反射率を１とした規格化反射率である。ここからわかるように反射率は、表面粗さの低減とともにシグモイド様に増大する。そして反射率は、二乗平均平方根が５ｎｍ以下となると顕著に増大し、さらに３ｎｍ以下となるとより一層増大することが確認できる。
【００５４】
第二に屈折率の影響の観点より、平坦化層について検討する。本発明のＸ線導波路は、平坦化層とクラッドの界面における全反射によりＸ線をコア（と平坦化層）に閉じ込めてＸ線を導波させる。このとき平坦化層とクラッドの界面において全反射を起こす条件とする必要があるために、平坦化層の屈折率実部は、クラッドの屈折率実部よりも大きい必要がある。Ｘ線領域の電磁波に関しては、電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることから、本発明のＸ線導波路における平坦化層に用いる材料としてはクラッドよりも電子密度の小さい材料である必要がある。
【００５５】
また、本発明のＸ線導波路は、周期共鳴導波モードを発現可能なＸ線導波路である。この周期共鳴導波モードを発現するためには、平坦化層とクラッドの界面における全反射臨界角は、コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きくなる関係になるよう選択される。
【００５６】
平坦化層に用いる物質は、コアを構成する物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上のものという条件を満たすものであれば、特に制限されるものではない。平坦化層に用いる物質は、例えば、無機物、有機物、およびこれらの無機・有機複合材料を用いることができる。無機物としては、酸化物、軽金属、炭素を用いることができる。これらの中でも、酸化物は、クラッド形成時の耐性を持ちながらも、それほど電子密度が高くないために、吸収損失が低減できる点で有利である。酸化物としては、具体的には、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｓｎを含む酸化物を用いることが好ましい。さらに、この中で、Ｓｉ，Ａｌの酸化物はより最も好ましく用いられる。有機物としては、高分子材料を用いることができる。無機・有機複合材料としては、無機微粒子を有機物に分散させたもの、無機物の骨格に有機分子が組み込まれたもの等を挙げることができる。前者の例としては、酸化物微粒子をポリマー中に分散させたもの、後者の例としては、有機ケイ素化合物を挙げることができる。これらのいずれの物質も、電子密度制御等の観点から多孔体として用いられてもよい。この平坦化層の形成方法としては、平坦化層に用いられる物質の製膜法として用いられている一般的な方法を用いることができる。例えば、無機物であれば、スパッタリング、蒸着、ゾルゲル法による製膜を用いることができる。有機物であれば、溶媒に溶解させての塗布、蒸着等を用いることができる。複合材料であれば、溶媒に溶解させての塗布、ゾルゲル法による製膜等を用いることができる。
【００５７】
本発明のＸ線導波路は、平坦化に効果的な平坦化層を導入することにより、クラッドでの全反射効率が増大させ、コア（または平坦化層に）への閉じ込め効率を増大させることで、高い伝搬効率でＸ線を導波させることができる。その結果、周期共鳴導波モードの持つ特徴である、コアの中心へ電場が集中することによる伝搬損失の低下、空間的なコヒーレンスを有すること、を有効に利用することができる導波路を提供することができる。
【００５８】
次に、本発明のＸ線導波システムについて説明する。本発明のＸ線導波システムは、少なくとも、Ｘ線源およびＸ線導波路を有する。Ｘ線源は、１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を照射する。Ｘ線源から照射されるＸ線は、単一の波長であっても、幅を持っていてもよい。Ｘ線源から照射されたＸ線は、Ｘ線導波路に入射される。本発明のＸ線導波システムの導波路は、コアとクラッドからなり、コアがＸ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部の異なる複数の物質が周期的に配列された周期構造を有する。Ｘ線導波路は、コアとクラッド間に平坦化層が設けられている。入射したＸ線に対して、平坦化層とクラッドの界面における全反射臨界角は、コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きい。平坦化層の電子密度は、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上であり、かつ、クラッドの電子密度より小さいことが好ましい。また、本発明のＸ線導波システムに用いるＸ線導波路は、上述のＸ線導波路に記載したことが妥当する。
【実施例】
【００５９】
以下に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明の方法は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
【００６０】
実施例１
（１−１）導波路の作製
実施例１では、図４の構成を持つＸ線導波路を作製する。実施例１のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４２，４３がコア４４と酸化ケイ素よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【００６１】
（１−１−１）クラッドの形成（４２）
Ｓｉ基板上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４２は、スパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。
【００６２】
（１−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２−１）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
２Ｄヘキサゴナル構造を持つ酸化ケイ素メソ構造体膜は、ディップコート法で作製される。メソ構造体の前駆体溶液は、エタノール、０．０１Ｍ塩酸、テトラエトキシシランを加え２０分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。ブロックポリマーとしては、エチレンオキサイド（２０）プロピレンオキサイド（７０）エチレンオキサイド（２０）（以降、ＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）と記載する（カッコ内は、各ブロックの繰り返し数））を使用する。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１．０、塩酸：０．００１１、エタノール：５．２、ブロックポリマー：０．００９６、エタノール：３．５とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
【００６３】
（１−１−２−２）メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて０．５ｍｍｓ−１の引き上げ速度でディップコートを行う。製膜後、メソ構造体膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２週間、その後に８０℃で２４時間保持される。
【００６４】
（１−１−２−３）評価
作製されたメソ構造体膜の、ブラッグ−ブレンターノ配置をもちいたＸ線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔、つまり閉じ込め方向における周期が、１０ｎｍであることが確認される。その膜厚はおよそ５００ナノメートルである。
【００６５】
（１−１−３）平坦化層の製膜
酸化ケイ素からなる平坦化層は、スピンコート法で作製される。エタノール、０．０１Ｍ塩酸、テトラエトキシシランを加え２０分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。混合比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１．０、塩酸：０．００１１、エタノール：８．７とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。（１−１−２）工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。膜厚は、参照実験より１５ｎｍと確認される。膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化ケイ素は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じである。
【００６６】
（１−１−４）クラッド（４３）の形成
平坦化層上にタングステンクラッド４３を形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。平坦化層に酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、均一なクラッドが形成される。
【００６７】
（１−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（１−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍである。また、（１−１−３）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約２ｎｍである。
【００６８】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００６９】
実施例１のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ３倍の値を示す。また、実施例１のＸ線導波路は、平坦化層として、ポリスチレン（電子密度：３．３×１０２３ｃｍ−３）を用いたこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）と同じ電子密度をもつ平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００７０】
（１−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ１０倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【００７１】
実施例２
（２−１）導波路の作製
実施例２では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ａｕからなるクラッド４２，４３がコア４４と酸化チタン／ポリマー複合体よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２，４３はスパッタ法により厚さ約２０ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【００７２】
（２−１−１）クラッドの形成（４２）
Ｓｉ基板上に、Ａｕからなるクラッド４２は、スパッタ法により厚さ２ｎｍのＴｉ層を挟んで、およそ２０ナノメートルで成膜される。
【００７３】
（２−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２）と同様の手法で調製される。
【００７４】
（２−１−３）平坦化層の製膜
酸化チタン／ポリマー複合体からなる平坦化層は、スピンコート法で作製される。複合体溶液は、チタンテトライソプロポキサイドに酢酸、１−プロパノール、エタノール、水を添加したものと、ポリビニルピロリドン−ｂ−ポリメタクリル酸メチルのエタノール／アセトニトリル混合溶媒を攪拌することで調製される。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。参照実験より、平坦化層の膜厚は１５ｎｍ、電子密度は（６．６×１０２３ｃｍ−３）と確認される。平坦化層と酸化ケイ素メソ構造体からなる膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化チタン／ポリマー複合体の電子密度は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）よりも大きい。
【００７５】
（２−１−４）クラッド（４３）の形成
平坦化層上に金クラッド４３形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さ約２０ナノメートルで成膜される。平坦化層に酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも高い電子密度の物質を使用することで、均一なクラッドが形成される。
【００７６】
（２−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（２−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍである。また、（２−１−３）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約２ｎｍである。
【００７７】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００７８】
実施例２のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ３倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度よりも高い電子密度をもつ、酸化チタン／ポリマー複合体からなる平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００７９】
（２−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ５倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも電子密度の高い物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【００８０】
実施例３
（３−１）導波路の作製
実施例３では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。実施例３のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４２，４３がコア４４と酸化チタンよりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２、４３はスパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化チタンメソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる層と酸化チタン層が膜厚方向に層状の周期構造を形成している。
【００８１】
（３−１−１）クラッドの形成（４２）
（１−１−１）と同様の手法を用いてクラッドは形成される。
【００８２】
（３−１−２）酸化チタンメソ構造体膜の作製方法
（３−１−２−１）メソ構造体膜の前駆体溶液調製
ラメラ構造を持つ酸化チタン素メソ構造体膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、テトラエトキシチタンを濃塩酸に加え５分間混合した溶液にブロックポリマーＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）のエタノール溶液を加え、３時間攪拌することで調製される。エタノールにかえてメタノール、プロパノール、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルを使用することも可能である。混合比（モル比）は、テトラエトキシチタン：１．０、塩酸：１．８、ブロックポリマー：０．０２９、エタノール：１４とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。
【００８３】
（３−１−２−２）メソ構造体膜の製膜
洗浄した基板に、ディップコート装置を用いて０．５から２ｍｍｓ−１の引き上げ速度でディップコートを行う。製膜後、膜は、２５℃、相対湿度５０％の恒温恒湿槽で２週間保持される。
【００８４】
（３−１−２−３）評価
調製されたメソ構造体膜をブラッグ−ブレンターノ配置のＸ線回折分析を行う。その結果、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔は約１１ｎｍであることが確認される。
【００８５】
（３−１−３）平坦化層の製膜
酸化チタンからなる平坦化層は、スピンコート法で調製される。前駆体溶液は、チタンテトライソプロポキサイドに酢酸、１−プロパノール、エタノール、水を添加し、１５分間超音波処理を行うことで調製される。用いられる試薬の体積比は、チタンテトライソプロポキサイド：２．５、酢酸：５、１−プロパノール：５、エタノール：１５、水：１とする。溶液は、膜厚調整の目的で適宜希釈して使用する。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。平坦化層の膜厚は、参照実験より１５ｎｍと推定される。平坦化層と酸化チタンメソ構造体からなる膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化チタンは、コアに用いた酸化チタンメソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化チタンと同じである。この平坦化層は、その後のクラッドの形成工程においても高い耐性を示す。
【００８６】
（３−１−４）クラッド（４３）の形成
平坦化層上にタングステンクラッド４３を形成する。このクラッドは、スパッタ法により厚さ約１５ナノメートルで成膜される。平坦化層に酸化チタンメソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、均一なクラッドが形成される。
【００８７】
（３−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（３−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍ、（３−１−４）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約２ｎｍである。
【００８８】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３２°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．２８°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００８９】
実施例３のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ３倍の値を示す。また、実施例３のＸ線導波路は、平坦化層として、ポリメタクリル酸メチル（電子密度：３．９×１０２３ｃｍ−３）を用いたこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化チタンメソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化チタンの電子密度と同じ電子密度をもつ平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００９０】
（３−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ５倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質と同じ物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【００９１】
実施例４
（４−１）導波路の作製
実施例４では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ａｕからなるクラッド４２と４３がコア４４と酸化ニオブ／ポリマー複合体よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２、４３はスパッタ法により厚さおよそ２０ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【００９２】
（４−１−１）クラッドの形成（４２）
（２−１−１）と同様の手法で調製される。
【００９３】
（４−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２）と同様の手法で調製される。
【００９４】
（４−１−３）平坦化層の製膜
酸化ニオブ／ポリマー複合体からなる平坦化層は、スピンコート法で調製される。複合体溶液は、塩化ニオブ酢酸、１−プロパノール、水を添加したものと、ポリビニルピロリドン−ｂ−ポリメタクリル酸メチルのエタノール／アセトニトリル混合溶媒を攪拌することで調製される。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。参照実験より、膜厚は１５ｎｍ、電子密度は（８．６×１０２３ｃｍ−３）と確認される。膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化ニオブ／ポリマー複合体の電子密度は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）よりも大きい。
【００９５】
（４−１−４）クラッド（４３）の形成
（２−１−４）と同様の手法で調製される。
【００９６】
（４−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（４−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍ、（４−１−４）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約３ｎｍである。
【００９７】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【００９８】
実施例４のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度よりも高い電子密度をもつ、酸化ニオブ／ポリマー複合体からなる平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【００９９】
（４−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ２倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも電子密度の高い物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【０１００】
実施例５
（５−１）導波路の作製
実施例５では、図４の構成を持つＸ線導波路について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４１上に、Ａｕからなるクラッド４２と４３がコア４４と酸化亜鉛／ポリマー複合体よりなる平坦化層４５を挟み込む様に形成されている。クラッド４２，４３はスパッタ法により厚さおよそ２０ナノメートルで成膜される。コア４４は酸化ケイ素メソ構造体膜である。このメソ構造体膜は、有機物よりなる孔が２次元的に配列し、膜厚方向に周期構造を形成している。
【０１０１】
（５−１−１）クラッドの形成（４２）
（２−１−１）と同様の手法で調製される。
【０１０２】
（５−１−２）酸化ケイ素メソ構造体膜の作製方法
（１−１−２）と同様の手法で調製される。
【０１０３】
（５−１−３）平坦化層の製膜
酸化亜鉛／ポリマー複合体からなる平坦化層は、スピンコート法で調製される。複合体溶液は、酢酸亜鉛、エタノールに、エタノールアミン、塩酸を添加したものと、ポリビニルピロリドン−ｂ−ポリメタクリル酸メチルのエタノール／アセトニトリル混合溶媒を攪拌することで調製される。先の工程で調製したメソ構造体膜上にスピンコート装置を用いて製膜を行う。参照実験より、膜厚は１５ｎｍ、電子密度は（８．８×１０２３ｃｍ−３）と確認される。膜は、２５℃、相対湿度４０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。この平坦化層に用いられる酸化ニオブ／ポリマー複合体の電子密度は、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度（５．７×１０２３ｃｍ−３）よりも大きい。
【０１０４】
（５−１−４）クラッド（４３）の形成
（２−１−４）と同様の手法で調製される。
【０１０５】
（５−２）表面粗さとＸ線反射率の関係
表面粗さ計を用いて表面粗さを評価する。（５−１−２）の工程で調製したメソ構造体膜の表面粗さは、二乗平均平方根値で約６ｎｍ、（５−１−４）の工程で調製した平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で約３ｎｍである。
【０１０６】
Ｘ線導波路のクラッドにＸ線を照射したときの反射率を比較評価する。１０ｋｅＶのＸ線を用い、コアの周期構造に対応するブラッグ角（θ＝０．３６°）の近傍で、ブラッグ反射をはずした角度（θ＝０．３°：クラッドの全反射領域内）で入射を行った際のＸ線反射率を測定する。
【０１０７】
実施例５のＸ線導波路は、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路のそれのおよそ２倍の値を示す。このことは、コアに用いた酸化ケイ素メソ構造体膜を構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質である酸化ケイ素の電子密度よりも高い電子密度をもつ、酸化亜鉛／ポリマー複合体からなる平坦化層の導入により、Ｘ線導波路のクラッドによるＸ線の閉じ込め効果が、向上したことを示唆する。
【０１０８】
（５−３）導波特性
この導波路に対して、１０ｋｅＶのＸ線を入射し、周期共鳴導波モードによって導波されるＸ線の強度を測定した。その結果、平坦化層を用いないこと以外は、同様の構成を持つＸ線導波路と比較しておよそ２倍の導波強度が観測される。この高い導波強度は、本発明のＸ線導波路が、平坦化層として、コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質よりも電子密度の高い物質を使用することで、Ｘ線の閉じ込め効率が向上することにより達成されたものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明のＸ線導波路は、Ｘ線を用いた撮像、露光、分析等におけるＸ線光学系に用いられる部品等に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１０ コア
１１，１２ クラッド
１３ 平坦化層
１５ Ｘ線
２１ コア
２２，２３ クラッド
２７ クラッドとコアの界面における全反射臨界角
２８ ブラッグ角
２９ 単位構造中の物質界面における全反射臨界角
４２，４３ クラッド
４４ コア
４５ 平坦化層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を導波させるためのコアとクラッドを有するＸ線導波路であって、
前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、
前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、
前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記平坦化層の電子密度は、前記コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上であり、かつ、前記クラッドの電子密度より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記平坦化層を構成する物質の電子密度は、前記コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度と同じであることを特徴とする請求項２に記載のＸ線導波路。
【請求項４】
前記平坦化層と前記クラッドの界面における前記平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項５】
前記平坦化層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｓｎからなる群から選ばれるいずれかを含む酸化物であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項６】
前記コアは、メソ構造体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項７】
Ｘ線源とＸ線導波路からなるＸ線導波システムであって、
前記Ｘ線源は、波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を前記Ｘ線導波路に入射し、
前記Ｘ線導波路は、コアとクラッドを有し、
前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、
前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、
入射した前記Ｘ線に対して、前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波システム。
【請求項１】
波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を導波させるためのコアとクラッドを有するＸ線導波路であって、
前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、
前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、
前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波路。
【請求項２】
前記平坦化層の電子密度は、前記コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度以上であり、かつ、前記クラッドの電子密度より小さいことを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
【請求項３】
前記平坦化層を構成する物質の電子密度は、前記コアを構成する複数の物質のうち、最も電子密度の高い物質の電子密度と同じであることを特徴とする請求項２に記載のＸ線導波路。
【請求項４】
前記平坦化層と前記クラッドの界面における前記平坦化層の表面粗さは、二乗平均平方根値で５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項５】
前記平坦化層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｓｎからなる群から選ばれるいずれかを含む酸化物であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項６】
前記コアは、メソ構造体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線導波路。
【請求項７】
Ｘ線源とＸ線導波路からなるＸ線導波システムであって、
前記Ｘ線源は、波長が１ｐｍ以上１００ｎｍ以下のＸ線を前記Ｘ線導波路に入射し、
前記Ｘ線導波路は、コアとクラッドを有し、
前記コアは、Ｘ線の導波方向に垂直な方向において屈折率実部が異なる複数の物質を含む周期構造を有し、
前記コアと前記クラッド間に平坦化層が設けられており、
入射した前記Ｘ線に対して、前記平坦化層と前記クラッドの界面における全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きいことを特徴とするＸ線導波システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５７８７８（Ｐ２０１３−５７８７８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７２５１（Ｐ２０１１−１９７２５１）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]