Ｘ線集光レンズ
【課題】ナノメートルレベルの高強度なＸ線マイクロビームを実現する。
【解決手段】Ｘ線集光レンズは、屈折率がＮ1のカーボン層３の上下を屈折率がＮ2のルテニウム層２，４で挟んだ導波路構造を有し、カーボン層３の一部に形成された屈折率がＮ3のＸ線位相シフター層５と、上部ルテニウム層４の表面上の一部に形成された屈折率がＮ2以上のＸ線遮蔽層６を有する。位相シフター層５は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆ、Ｘ線ビームの中心からＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎは偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）の位置との間の領域に配置され、Ｘ線位相シフター層５の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝である。
【解決手段】Ｘ線集光レンズは、屈折率がＮ1のカーボン層３の上下を屈折率がＮ2のルテニウム層２，４で挟んだ導波路構造を有し、カーボン層３の一部に形成された屈折率がＮ3のＸ線位相シフター層５と、上部ルテニウム層４の表面上の一部に形成された屈折率がＮ2以上のＸ線遮蔽層６を有する。位相シフター層５は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆ、Ｘ線ビームの中心からＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎは偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）の位置との間の領域に配置され、Ｘ線位相シフター層５の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線集光装置に関し、より詳細には導波路と位相シフトゾーンとＸ線遮蔽構造を併用して集光するＸ線集光レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノテクノロジー開発の進展に伴い、ナノメートルレベルでの材料の構造評価が求められている。ナノメートルレベルの評価手法としては走査型顕微鏡や電子顕微鏡等があるが、いずれも高真空条件や試料の薄片化などが必要であり、観察したい試料をそのまま測定することは困難であった。これに対し、近年Ｘ線の集光化技術の進展に伴い、マイクロメーターレベルのＸ線ビームが得られるようになってきており、このようなＸ線ビームを利用したＸ線回折や蛍光Ｘ線分析などの材料評価がようやく可能となってきた。
【０００３】
Ｘ線ビームの集光には大きく分けて、（Ａ）Ｘ線ミラー等のＸ線用光学素子を利用する手法（非特許文献１参照）、（Ｂ）結晶の非対称ブラッグ（Bragg ）反射を利用する手法（非特許文献２参照）、（Ｃ）Ｘ線フレネルゾーンプレートを利用する手法（非特許文献３と非特許文献４参照）、（Ｄ）透過積層型ゾーンプレートを利用する手法（非特許文献５参照）、（Ｅ）Ｘ線導波路を利用する手法（非特許文献６参照）がある。
【０００４】
このうち（Ａ）のＸ線ミラー等のＸ線用光学素子を利用する手法および（Ｂ）の結晶の非対称ブラッグ反射を利用する手法については現状でほぼ技術的限界に来ており、これ以上の集光化は困難である。
【０００５】
これに対しＸ線のエネルギーが５ｋｅＶ以上である硬Ｘ線領域では、（Ｃ）のＸ線フレネルゾーンプレートを利用する手法でビームサイズが１００ナノメートル以下の集光ビームが得られている。フレネルゾーンプレートにＸ線ビームを照射すると、Ｘ線ビームの一部はゾーンプレートにより吸収されるため透過しないが、他のＸ線ビームはゾーンプレートをそのまま透過する。このとき、Ｘ線ビームの波長をλ、Ｘ線フレネルゾーンプレートの焦点距離をｆとして、Ｘ線ビームの中心からビームの進行方向に対して直交する方向に対して（２ｎλｆ）1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2の位置との間、または｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2の位置と｛（２ｎ＋２）λｆ｝1/2の位置との間にＸ線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを設けると、透過したＸ線が相互に干渉することにより、Ｘ線ビームを集光することができる。
【０００６】
この集光原理は可視光と同様であり、その詳細については例えば非特許文献７に述べられており、ゾーンプレート集光系の空間分解能はほぼ最外殻ゾーン幅と等しいことが知られている。したがって、Ｘ線フレネルゾーンプレートの場合、最大空間分解能はゾーンプレートを構成する遮蔽ゾーンのうち最も細いものの幅で規定される。このようなゾーンプレートを作製するためには、電子ビーム描画を初めとする半導体作製用のリソグラフィ技術が用いられる。半導体リソグラフィ技術自体は１０ナノメートルの直線状パターンの描画が可能であるが、Ｘ線フレネルゾーンプレートとして必要なリング状のパターンを作製する場合、４０ナノメートル程度の幅の描画が現状では限界であり、Ｘ線フレネルゾーンプレート自体の分解能も５０ナノメーター程度である。さらに、Ｘ線フレネルゾーンプレートを作製する際、リング状の非常に多くのパターンを精密に作製する必要があるため、Ｘ線フレネルゾーンプレート自体も非常に高価なものとなる。
【０００７】
Ｘ線フレネルゾーンプレートではＸ線が透過できない遮蔽ゾーンを設けることによりＸ線を集光した。また、集光効率を上げるために、遮蔽ゾーンに代えて、Ｘ線を透過するがＸ線の位相をシフトさせるＸ線位相シフター層を設けることにより、あるいはこの位相シフター層を多段構造にすることにより、さらに集光効率を向上させる方法が提案されている。これに対し、（Ｄ）の透過積層型ゾーンプレートを利用する手法の場合、Ｘ線が透過する重元素層とＸ線が透過する軽元素層とを積層した構造を用いる。非特許文献５には、Ｘ線ビームの中心からＺ方向に沿った距離が（２ｎλｆ1）1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第１の領域、この第１の領域を除く第２の領域のうちいずれかに配置された積層型フレネルゾーンプレート構造により、Ｘ線を線状に集光する可能性が提案されている。また、２つの積層型フレネルゾーンプレート構造を組み合わせることにより、点状に集光する方法が最近提案されている。
【０００８】
一方、（Ｅ）のＸ線導波路を利用する手法の場合、導波路を構成するコアのサイズでＸ線ビームの大きさが決まる。ここで、コア層のＸ線領域での屈折率をＮ1、コア層を覆うクラッド層のＸ線領域での屈折率をＮ2とすると、（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係がある。Ｘ線導波路のコア層にＸ線ビームを入射させると、Ｘ線ビームはコア層の中を進行する。このとき、コア層の厚さＤが充分小さいとき、ある特定の状態のＸ線しか伝達されず、このときにコア層の厚さＤとＸ線ビームの波長λとＸ線ビームのクラッド層への入射角φとの間に以下の関係があることが知られている（非特許文献８参照）。
２Ｄｓｉｎ（φ）＝ｍλ（ｍ＝０，１，２，・・・） ・・・（１）
【０００９】
式（１）の条件は、Ｘ線導波路に入射するＸ線の入射角φに制限があることを示しており、それ以外の入射角を持つＸ線はコア層を透過することができないことを示している。コア層からクラッド層へのＸ線ビームの入射角φとして全反射を起こす角度程度を選択し、クラッド層を通過するＸ線ビームがすべて吸収されてしまって導波路出口に透過しないような長さのＸ線導波路を用いると、導波路の出口ではＸ線ビームをコア層のサイズとほぼ同程度のサイズまで集光することができる。このようなＸ線導波路は蒸着によって作製することができるため、コア層の厚さを１０ナノメートル以下にすることは容易であり、数ナノメートルのサイズを持つＸ線ビームを作製することが原理的に可能となる。
【００１０】
しかし、Ｘ線導波路を利用する手法の場合、コアの厚み方向にＸ線ビームを集光することはできるが、厚み方向及びビームの進行方向に対して垂直なコアの面内方向に対してＸ線を集光することはできない。すなわち、Ｘ線導波路の出口で取り出すことのできるＸ線は水平方向については入射Ｘ線と同じサイズとなるので、このＸ線導波路で得られるのは一次元方向のみに集光された線状のＸ線マイクロビームであり、二次元方向に集光された点状のＸ線マイクロビームを得ることは困難である。
【００１１】
以上のように、Ｘ線フレネルゾーンプレートを利用する手法では、１０ナノメートルサイズのＸ線ビームを得ることは困難であり、またＸ線導波路を利用する手法では、数ナノメートルのサイズのＸ線ビームを得ることが可能であるが、Ｘ線ビームの集光方向が一次元方向のみで、二次元方向に集光されたＸ線ビームを得ることができず、Ｘ線強度が弱いという問題点があった（非特許文献９参照）。前述のとおり、ナノ構造材料研究の進展に伴って、１０ナノメートルレベルの空間分解能でナノ構造材料を評価する技術が要求されているが、従来のＸ線ビームの集光方法では１０ナノメートルレベルの空間分解能を実現することは困難である。
【００１２】
このような技術的困難を克服するために、発明者は、Ｘ線領域における屈折率がＮ1であるコア層の上下を、屈折率Ｎ2であるクラッド層で挟み、屈折率Ｎ1とＮ2の間に（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係があるＸ線導波路を用いて、導波路の一部にＸ線を透過しない遮蔽層により構成されたフレネルゾーンプレートを組み込むことにより垂直方向および水平方向に対するナノメーターレベルで集光されたＸ線マイクロビームの形成を可能とするＸ線集光レンズを提案した（特許文献１参照）。以下、この特許文献１で提案したＸ線集光レンズを従来技術１のＸ線集光レンズと呼ぶ。
【００１３】
図５（Ａ）は従来技術１のＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図である。なお、図５（Ａ）では、後述する上部ルテニウム層の下にあるＸ線遮蔽層およびＸ線ビームを透視しているものとする。
このＸ線集光レンズは、Ｘ線ビームを垂直方向に集光するためのＸ線導波路部１１４と、Ｘ線ビームを水平方向に集光するためのＸ線ゾーンプレート部１１５およびＸ線集光部１１６とから構成される。
【００１４】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）において、１０８はシリコン基板、１０９はシリコン基板１０８の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、１１０は下部ルテニウム層１０９の上に形成されたコア層であるカーボン層、１１１はカーボン層１１０の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、１１２は下部ルテニウム層１０９とカーボン層１１０と上部ルテニウム層１１１とからなるＸ線導波路の一部に形成された、Ｘ線ゾーンプレートとして機能するタンタル材料からなるＸ線遮蔽層である。
【００１５】
Ｘ線遮蔽層１１２は、Ｘ線の波長をλ、集光レンズとしての焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビーム１１３の中心からＸ線ビーム１１３の進行方向と直交する方向に沿った距離がＺ2n（ｎは０，１，２，・・・）の位置とＺ2n+1の位置との間の第１の領域、この第１の領域を除く第２の領域のうちのいずれかに配置され、かつＸ線導波路出口１７からＸ線ビーム１１３の進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流に配置される。図５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では、Ｘ線ビーム１１３の進行方向が図５（Ａ）、図５（Ｂ）の右方向、Ｘ線ビーム１１３の進行方向と直交する方向が図５（Ａ）の上下方向である。
【００１６】
Ｘ線遮蔽層１１２のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｚ2n，Ｚ2n+1は以下の式で求められる。
Ｚ2n＝（２ｎλｆ）1/2 ・・・（２）
Ｚ2n+1＝｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2 ・・・（３）
【００１７】
また、発明者は、従来技術１のＸ線集光レンズにおけるＸ線遮蔽層１１２を、Ｘ線を透過するがＸ線の位相をシフトさせるＸ線位相シフター層に置き換えることにより、Ｘ線の透過率を４倍にすることができるＸ線集光レンズを提案した（特願２００７−２１０８３１）。以下、この特願２００７−２１０８３１で提案したＸ線集光レンズを従来技術２のＸ線集光レンズと呼ぶ。さらに、発明者は、従来技術２のＸ線集光レンズにおけるＸ線位相シフター層を多段構造の位相シフター層に置き換えることにより、Ｘ線の透過率をさらに向上させることができるＸ線集光レンズを提案した（特願２００７−２９５２４４）。以下、この特願２００７−２９５２４４で提案したＸ線集光レンズを従来技術３のＸ線集光レンズと呼ぶ。
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−２９３９号公報
【非特許文献１】山内他，「Two-dimensional Submicron Focusing of Hard X-rays by Two Elliptical Mirrors Fabricated by Plasma Chemical Vaporization Machining and Elastic Emission Machining」，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.42，2003，p.7129-7134
【非特許文献２】津坂他，「Formation of Parallel X-Ray Microbeam and Its Application」，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.39，2000，p.635-637
【非特許文献３】E.Spiller，「Soft X-ray Optics」，The international Society for Optical Engineering，p.81-97
【非特許文献４】E.DiFabrizio，et al.，「High-efficiency multilevel zone plates for keV X-rays」，Nature，Vol.401，1999，p.895-898
【非特許文献５】H.C.Kang，J.Maser，G.B.Stephenson，C.Liu，R.Conley，A.T.Macrander，and S.Vogt，「Nanometer Linear Focusing of Hard X Rays by a Multilayer Laue Lens」，Phys.Rev.Lett.，96，127401，2006
【非特許文献６】河合潤，「Ｘ線進行波」，表面科学，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６，ｐ．３９７−４０３，２００１年
【非特許文献７】久保田広，「波動光学」，岩波書店，ｐ．３０５，１９７１年
【非特許文献８】W.Jark他，「High gain beam compression in new-generation thin-film x-ray waveguide」，Applied Physics Letters，Vol.78，No.9，2001，p.1192-1194
【非特許文献９】青木貞雄他，「放射光実験の基礎 III．Ｘ線マイクロビームとその応用」，ＰＦ懇談会，ｐ．６８−８６，１９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来技術１，２，３のＸ線集光レンズでは、入射Ｘ線はＸ線導波路の側面からＸ線導波路のコア層内に導入されることを前提としている。これらの従来技術では、ナノスケールのコア層に導入されるＸ線以外は、クラッド構造にＸ線を殆ど吸収させることになり、Ｘ線導波路へのＸ線の導入効率が非常に悪い。この問題を解決するために、Ｘ線集光レンズのさらに上流側にＸ線ミラーなどの別の集光レンズを設け、Ｘ線導波路のコア層にＸ線を導入する方法も提案されているが、この場合、集光レンズ全体が高価となり、複雑な光学系の調整が必要となる。さらに、この方法を利用したとしても、Ｘ線ミラーなどで集光した入射Ｘ線を導波路の入口のナノスケールのコア層にのみに導入することは非常に困難であり、クラッド層あるいは基板にもＸ線が入射するので、結果として、Ｘ線が大きく失われる。
【００２０】
一方、共鳴ビームカップリングと呼ばれる方法を使うと、上部クラッド層の表面からコア層にＸ線を入射させることができるので、効果的にＸ線を導波路内に導入することができる（非特許文献８参照）。この場合、上部クラッド層の厚さは薄ければ薄いほど、Ｘ線を効率良くコア層に導入することができるが、コア層が薄くなると別の問題が生じる。すなわち、従来技術１，２，３のＸ線集光レンズでは、上部クラッド層の厚さが薄い場合、Ｘ線がコア層を進行する間に主に上部クラッド層からＸ線が顕著に漏れてしまう。つまり、共鳴カップリングの効率と導波路内Ｘ線のリークとは、相反の関係にある。
【００２１】
一方、共鳴ビームカップリング法を利用した場合、入射Ｘ線の一部はクラッド層の表面から導波路内に進行するが、残りの一部はコア層の上部にあるクラッド層の表面で全反射を起こし、Ｘ線集光レンズによって集光したＸ線とほぼ同じ方向に進行する。このため、Ｘ線集光レンズによる集光点では、この全反射Ｘ線およびその散乱などに起因してバックグランド強度が上がり、Ｘ線集光レンズによる集光ビームの強度が相対的に弱くなってしまうという問題がある。
【００２２】
本発明は、以上の課題を解決するためのものであり、従来のＸ線ビ−ムの集光技術では困難であったナノメートルレベルの高強度なＸ線マイクロビームを高効率で実現することができるＸ線集光レンズ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】
【００２３】
本発明は、Ｘ線の屈折率がＮ1のコア層の上下をＸ線の屈折率がＮ2のクラッド層で挟んだＸ線導波路を用いてＸ線を集光するＸ線集光レンズであって、Ｘ線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に形成された、Ｘ線が透過する材料からなる屈折率がＮ3（Ｎ1の実数部分＜Ｎ3の実数部分＜Ｎ2の実数部分）の位相シフター層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層の表面上の一部に形成された屈折率がＮ2以上のＸ線遮蔽層とを有し、前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、前記コア層内におけるＸ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹ、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の第１の領域に配置され、前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝であることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記位相シフター層は、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点から前記進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記Ｘ線遮蔽層は、Ｘ線ビームの前記上部クラッド層への入射角をφ、このＸ線ビームの幅をＷ、前記上部クラッド層の膜厚をＫ1、前記コア層の膜厚をＤ、前記コア層の下に形成された下部クラッド層の膜厚をＫ2としたとき、入口側の端面の位置が前記コア層の出口側の端面から前記進行方向と逆方向に沿って（ｆ＋ｔ（１）＋Ｗ／ｓｉｎφ）以上の上流の位置になり、かつ入口側の端面の位置から前記コア層の入口側の端面の位置までの距離が０以上になるように配置され、前記Ｘ線遮蔽層の膜厚Ｋ3は、Ｋ3＞Ｗ／ｃｏｓφを満たすことを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記クラッド層およびＸ線遮蔽層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記コア層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記位相シフター層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料、あるいはＣ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例は、さらに、前記位相シフター層を含むＸ線導波路の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造を備え、前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ1としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｍλｆ1）1/2（ｍは０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の入口側の端面から前記Ｘ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置にあり、前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記軽元素層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、Ｘ線導波路に多段の位相シフター層を設けることにより、コア層の厚み方向についてＸ線導波路構造を用いてＸ線ビームを集光することができ、コア層の厚み方向およびＸ線ビームの進行方向と直交する方向についてはＸ線フレネルゾーンプレートと同様の集光作用を利用してＸ線ビームを集光することができる。その結果、本発明では、ナノメートルオーダーまで集光した高強度のＸ線マイクロビームを簡便に得ることができ、量子ドット、ナノドット、ナノワイヤー、ナノ粒子や高集積化した半導体材料の微細ゲートなど種々のナノ材料の構造評価が可能となり、半導体材料や半導体デバイスの開発に貢献することができる。また、本発明では、Ｘ線導波路構造に位相シフター層を用いる従来のＸ線集光レンズに比べ、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上、Ｐ＝３の場合には１．７倍（６８．３％）、Ｐ＝４の場合には約２倍（８１．２％）に高めることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。また、本発明では、上部クラッド層の表面上の一部にＸ線遮蔽層を形成し、上部クラッド層を凸構造にすることにより、上部クラッド層の表面で全反射するＸ線を遮蔽することができる。これにより、本発明では、強度むらと焦点ぼけの少ないコヒーレントなナノスケールのＸ線集光ビームを得ることができる。
【００２７】
また、本発明では、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように位相シフター層を配置することにより、通常のＸ線ミラー等で更に集光することが容易で、分析等にも利用し易いＸ線ビームを得ることができる。
【００２８】
また、本発明では、Ｘ線導波路構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。
【００２９】
また、本発明では、積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面が、位相シフター層の入口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）になるようにし、Ｘ線導波路の焦点距離ｆと積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つようにすることにより、Ｘ線集光レンズから離れた位置にＸ線を集光することが容易になり、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図である。なお、図１（Ａ）では、後述する上部ルテニウム層の下にあるＸ線位相シフター層と、Ｘ線集光レンズを透過するＸ線ビームとを透視しているものとする。また、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線の位置には実際にはＸ線位相シフター層は存在しないが、図１（Ｂ）ではＸ線位相シフター層の位置を明らかにするためにＸ線位相シフター層を便宜的に記載するものとする。
【００３１】
本実施の形態のＸ線集光レンズは、Ｘ線導波路の一部にフレネルゾーンプレートを組み込んだものであり、Ｘ線ビーム７を垂直方向に集光すると共にＸ線ビーム７をＸ線導波路内に効果的に導入するためのＸ線導波路部８と、Ｘ線を効果的に進行させるためのＸ線導波路部９と、Ｘ線ビーム７を水平方向に集光するためのＸ線ゾーンプレート部１０と、Ｘ線導波路を進行するＸ線の損失を少なくし、全反射Ｘ線を遮蔽するためのＸ線集光部１１とから構成される。
【００３２】
図１において、１はシリコン基板、２はシリコン基板１の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、３は下部ルテニウム層２の上に形成されたコア層であるカーボン層、４はカーボン層３の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、５は下部ルテニウム層２とカーボン層３と上部ルテニウム層４とからなるＸ線導波路の一部に形成された、Ｘ線ゾーンプレートとして機能する銀材料からなるＸ線位相シフター層、６は上部ルテニウム層４の表面上の一部に形成された、クラッド層としての機能を兼ねるＸ線遮蔽層である。
【００３３】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの中心が図１（Ａ）のＩ−Ｉ線、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸおよびＡＺと直交する方向をＡＹとしている。ここで、Ｘ線導波路構造のコア層のＸ線領域での屈折率をＮ1、クラッド層のＸ線領域での屈折率をＮ2、位相シフター層の屈折率をＮ3とすると、屈折率Ｎ1とＮ2とＮ3の間には、（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ3の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係がある。
【００３４】
また、入射Ｘ線の幅をＷ、Ｘ線の上部ルテニウム層４への入射角をφ、上部ルテニウム層４の膜厚をＫ1、下部ルテニウム層２の膜厚をＫ2、カーボン層３の膜厚をＤ、Ｘ線遮蔽層６の膜厚をＫ3、Ｘ線集光レンズの焦点距離をｆとすると、Ｘ線遮蔽層６は、Ｘ線入口側の端面がカーボン層３のＸ線出口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って（ｆ＋ｔ（１）＋Ｗ／ｓｉｎφ）以上の上流の位置に配置される。また、Ｋ3＞Ｗ／ｃｏｓφで、Ｋ1＜Ｋ2，Ｋ3であり、さらに、カーボン層３のＸ線入口側の端面からＸ線遮蔽層６のＸ線入口側の端面までの距離がゼロ以上という関係がある。なお、ｔ（１）はＸ線位相シフター層５のビーム進行方向の長さであるが、このｔ（１）の詳細については後述する。
【００３５】
Ｘ線集光レンズのＸ線位相シフター層５は、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線集光レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビームの中心からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＹに沿った距離がＹn（Ｑ／Ｐ）（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の領域に配置され、かつＸ線入口側の端面がＸ線導波路出口１２からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置に配置される。
【００３６】
Ｘ線位相シフター層５のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｙn（Ｑ／Ｐ）は、以下の式で求められる。
Ｙn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2 ・・・（４）
また、Ｘ線位相シフター層５のビーム進行方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、以下の式で求められる。
ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝ ・・・（５）
【００３７】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）はＰ＝３の場合を示している。Ｐ＝３の場合、Ｘ線ビ−ムの中心からの距離（座標）はＹn（Ｑ／Ｐ）（ｎ＝０，２，４，・・・、Ｑ／Ｐ＝１／３，２／３，１）となり、Ｘ線位相シフター層５は、図２の黒地の領域に配置すればよい。
【００３８】
本実施の形態では、クラッド層から漏洩するＸ線を防止するため、下部ルテニウム層２およびＸ線遮蔽層６の厚さを１００ナノメートルとし、上部ルテニウム層４の厚さを１０ナノメートル、Ｘ線が透過するカーボン層３の厚さを１０ナノメートルとしている。
【００３９】
また、Ｘ線ゾーンプレート部１０でＸ線を効率良く集光するためには、Ｘ線位相シフター層５を透過するＸ線が存在しなくなるまでＸ線位相シフター層５を長くするか、あるいは透過したＸ線を焦点（Ｘ線導波路出口１２）で位相を揃えて干渉させる必要がある。本実施の形態では、Ｘ線を焦点で位相を揃えて干渉させる手法を採用する。このため、本実施の形態では、カーボン層３の密度３．５ｇ／ｃｍ3、Ｘ線位相シフター層５の密度１０．５ｇ／ｃｍ3から見積もることにより、Ｐ＝３の場合には、Ｙn（１）とＹn（２／３）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（１）を、式（５）より４．８ミクロン、Ｙn（２／３）とＹn（１／３）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（２／３）を２．４ミクロン、Ｙn（１／３）とＹn（０）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（１／３）をゼロとしている。
【００４０】
この見積もりでは、近似式としてｔ＝λ／｛３×（Ｎ3−Ｎ1）｝＝λ／｛３×（δ3−δ1）｝、δ3＝１．３×１０-6ρ3λ2、δ1＝１．３×１０-6ρ1λ2の関係式を用いた（非特許文献９参照）。ここで、ρ3はＸ線位相シフター層５を構成する銀の密度、ρ1はカーボンの密度である。このような長さｔ＝２．４ミクロンの整数倍の銀の位相シフター層をｎ＝０，２，４，・・・の各ゾーン（ｎは偶数）に設けると、Ｘ線の位相を揃えることができる。なお、ここでは入射Ｘ線の波長λは０．１５４ナノメートルとしている。また、各層の屈折率はＸ線の波長λと各層の密度から求めることができる（非特許文献９参照）。ちなみに、ルテニウム、カーボン、銀の密度は、それぞれ１２．４、３．５、１０．５ｇ／ｃｍ3である。
【００４１】
次に、本実施の形態のＸ線集光レンズの作製方法を説明する。まず、シリコン基板１の上に下部ルテニウム層２を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層２の上に銀を蒸着後、電子ビームリソグラフィ等の方法により加工して、Ｘ線位相シフター層５を形成する。続いて、下部ルテニウム層２の上にカーボン層３を例えばスパッタによって形成する。このとき、カーボン層３の厚さは、Ｘ線位相シフター層５の厚さ以下となるようにする。続いて、カーボン層３とＸ線位相シフター層５の上に上部ルテニウム層４を例えば蒸着によって形成する。最後に、上部ルテニウム層４の上部の一部にルテニウムからなるＸ線遮蔽層６を例えば蒸着によって形成することにより、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。
【００４２】
こうして作製したＸ線集光レンズの上部ルテニウム層４にＸ線ビーム７を図１（Ａ）、図１（Ｂ）の左側から入射角φで入射させた場合、Ｘ線導波路部８に入射し透過したＸ線は、Ｘ線の損失が小さいＸ線導波路部９を透過し、次にＸ線ゾーンプレート部１０に入射する。このとき、Ｘ線の一部は各ゾーンに配置された３段の位相シフター層５によって位相変調され、Ｘ線集光部１１に到達する。シリコン基板１と垂直な方向についてＸ線ビームは広がることができないため、垂直方向（図１（Ｂ）の上下方向）のＸ線ビームのサイズはＸ線導波路部８，９の場合と同様に約１０ナノメートル程度となる。
【００４３】
一方、導波路の水平面内についてはＸ線ビームのモードを束縛するものはないため、Ｘ線ゾーンプレート部１０の開口部から出たＸ線は、Ｘ線集光部１１の中と１次元フレネルゾーンプレート構造部を進行し、Ｘ線導波路出口１２の位置に集光される。このときのＸ線ビームの水平方向のサイズは、Ｘ線位相シフター層５の最小幅（図１（Ａ）の上下方向の寸法）によって決まる。一方、Ｘ線導波路出口１２において、垂直方向のビームサイズは約１０ナノメートルとなる。また、Ｘ線位相シフター層５の幅の最小値は約８ナノメートルであるから、水平方向ビームサイズは約１０ナノメートルとなる。
【００４４】
本実施の形態では、共鳴ビームカップリング法を利用することにより、Ｘ線遮蔽層６が形成されていない上部ルテニウム層４の表面からカーボン層３にＸ線を入射させることができるので、効果的にＸ線を導波路内に導入することができる。さらに、本実施の形態では、上部ルテニウム層４の表面上の一部にＸ線遮蔽層６を形成し、上部クラッド層を凸構造にすることにより、上部クラッド層の表面で全反射するＸ線を遮蔽することができる。これにより、本実施の形態では、強度むらと焦点ぼけの少ないコヒーレントなナノスケールのＸ線集光ビームを得ることができる。
【００４５】
以上例示したように、本実施の形態のＸ線集光レンズでは、入射するＸ線ビームのエネルギーを有効に活用しながらＸ線ビームの点状集光を行うことができ、ナノメートルレベルの高強度なＸ線マイクロビームを実現することができるので、ナノメートルレベルの材料の高度な構造評価が可能になる。
【００４６】
本実施の形態では、Ｘ線導波路構造に位相シフター層を用いる従来技術２のＸ線集光レンズに比べ、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上、Ｐ＝３の場合には１．７倍（６８．３％）、Ｐ＝４の場合には約２倍（８１．２％）に高めることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。なお、従来技術２のＸ線集光レンズはＰ＝２の場合に相当し、この時の集光効率は４０．５％である。また、本実施の形態において、さらに集光効率を高めるためには、Ｐを４以上の整数とし、多段のＸ線位相シフター層をｎが偶数となる各ゾーンに配置すればよい。
【００４７】
本実施の形態のＸ線集光レンズを材料評価に用いる場合には、Ｘ線集光レンズを出射した光をそのまま評価対象の材料に照射したり、Ｘ線集光レンズを出射した光をさらにミラーで集光して評価対象の材料に照射したりして、材料によって回折したＸ線または材料から発生した蛍光Ｘ線を検出して材料を評価すればよい。
【００４８】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではない。例えば本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５をＸ線導波路のコア層中に設けているが、コア層の外に設けてもよい。この場合には、Ｘ線入口側の端面の位置がＸ線導波路出口１２からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように、Ｘ線位相シフター層５を設けるようにすればよい。
【００４９】
また、本実施の形態では、コア層の材料として、カーボンを用いているが、コア層の材料はカーボン、酸素、シリコン、ベリリウム、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、コア層の材料として、ホウ素、酸素、アルミニウム、フッ素、カルシウム、マグネシウム、チタンのうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では、クラッド層およびＸ線遮蔽層の材料としてルテニウムを用いているが、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、クラッド層およびＸ線遮蔽層の材料として、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、チタン、ゲルマニウム、モリブデン、ジルコニウム、インジウム、レニウム、銀、金、白金、タンタルのうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよい。Ｘ線位相シフター層５の材料はクラッド層と同一でもよいし、クラッド層の材料としてあげたものの中からクラッド層とは別の材料を用いてもよい。
【００５１】
また、本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５の材料に銀を用いているが、タングステン、ルテニム、タンタル、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、バリウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、鉛、タリウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のうち少なくとも１つを含む材料、あるいはカーボン、酸素、シリコン、ベリリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジム、クロム、マンガン、テルル、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよい。
【００５２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図３（Ａ）では、Ｘ線位相シフター層５と、Ｘ線導波路レンズ構造及び積層型フレネルゾーンプレート構造を透過するＸ線ビームとを透視しているものとする。また、図３（Ａ）のＩ−Ｉ線の位置には実際にはＸ線位相シフター層５は存在しないが、図３（Ｂ）ではＸ線位相シフター層５の位置を明らかにするためにＸ線位相シフター層５を便宜的に記載するものとする。
【００５３】
本実施の形態のＸ線集光レンズは、Ｘ線導波路部８とＸ線導波路部９とＸ線ゾーンプレート部１０とＸ線集光部１１とからなるＸ線導波路レンズ構造と、１次元型のフレネルゾーンプレートと呼ばれる積層型フレネルゾーンプレート構造１５とを同一基板上に形成したものである。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸおよびＡＺと直交する方向をＡＹとしている。
【００５４】
Ｘ線導波路レンズ構造は第１の実施の形態と同様の構成なので、説明は省略する。ただし、第１の実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５のＸ線入口側の端面の位置がＸ線導波路出口１２からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるようにＸ線位相シフター層５を配置したのに対し、本実施の形態では、Ｘ線入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点１６からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるようにＸ線位相シフター層５を配置する。
【００５５】
積層型フレネルゾーンプレート構造１５は、Ｘ線がほとんど透過しない重元素層１３とＸ線が透過する軽元素層１４とを交互に積層した構造である。
重元素層１３は、集光レンズとしての焦点距離をｆ1としたとき、Ｘ線ビームの中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＺに沿った距離がＺ2m（ｍは０，１，２，・・・）の位置とＺ2m+1の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置され、かつＸ線集光レンズの焦点１６からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って焦点距離ｆ1だけ上流に配置される。重元素層１３のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｚ2m，Ｚ2m+1は以下の式で求められる。
Ｚ2m＝（２ｍλｆ1）1/2 ・・・（６）
Ｚ2m+1＝｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2 ・・・（７）
【００５６】
重元素層１３をＺ2m（ｍは０，１，２，・・・）とＺ2m+1との間の第２の領域に設ける場合を図４に示す。重元素層１３をＺ2mとＺ2m+1との間を除く第３の領域に設ける場合は、図４の黒地の領域の間に重元素層１３を配置し、図４の黒地の領域に軽元素層１４を配置すればよい。
【００５７】
Ｘ線導波路部８，９とＸ線ゾーンプレート部１０とＸ線集光部１１とからなるＸ線導波路レンズ構造の作製方法は、第１の実施の形態とほぼ同じであるが、本実施の形態では、シリコン基板１にエッチングによりメサ構造を形成し、マスクを用いてメサ構造の上にのみ下部ルテニウム層２を形成する。以後の工程は第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００５８】
次に、本実施の形態の積層型フレネルゾーンプレート構造１５の作製方法を説明する。Ｘ線位相シフター層５のＸ線入口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置が積層型フレネルゾーンプレート構造１５のＸ線出口側の端面となるように、タングステンからなる重元素層１３とタングステンシリサイドからなる軽元素層１４とを交互に例えばスパッタによって形成する。本実施の形態では、重元素層１３を式（６）に示したＺ2mと式（７）に示したＺ2m+1との間の第２の領域に設けている。このとき、Ｘ線導波路レンズ構造から入射するＸ線ビームのＡＺ方向の中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）の位置が、中央の重元素層１３の中心と一致するように配置する。これで、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。
【００５９】
こうして作製したＸ線集光レンズにＸ線ビーム７を図３（Ａ）、図３（Ｂ）の左側から入射させた場合、Ｘ線導波路レンズ構造の長さによっては導波路モードで進行するＸ線以外のＸ線の存在が無視できない可能性もあるが、本実施の形態ではＸ線導波路レンズ構造の長さと積層型フレネルゾーンプレート構造１５の長さをそれぞれ１０ミリメートルとしている。この値はＸ線の波長に比べると十分に大きいことから、Ｘ線導波路レンズ構造を透過するＸ線ビームは式（１）を満足するビームのみしか存在せず、シリコン基板１に垂直な方向（図３（Ｂ）の上下方向）のＸ線ビームのサイズは約１０ナノメートル程度となる。
【００６０】
Ｘ線導波路部８，９とＸ線ゾーンプレート部１０とＸ線集光部１１とからなるＸ線導波路レンズ構造によるＸ線の集光原理は第１の実施の形態で説明したとおりである。第１の実施の形態と異なる点は、水平方向の集光位置が図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示したＸ線導波路出口１２から焦点１６に変わったことである。
【００６１】
Ｘ線導波路レンズ構造の出口１２におけるＸ線ビームの垂直方向のサイズは約１０ナノメートル程度となる。出口１２から出射するＸ線ビームは、垂直方向に入射角の２倍の発散角をもって出射する。このＸ線ビームは、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造１５により再び集光する。
【００６２】
一方、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部１０から出たＸ線は一次元の球面波としてＸ線集光部１１と積層型フレネルゾーンプレート構造１５の中を進行する。この結果、Ｘ線集光部１１と積層型フレネルゾーンプレート構造１５の中を進行するＸ線は、干渉効果によって水平方向（図３（Ａ）の上下方向）に集光される。
【００６３】
したがって、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部１０及びＸ線集光部１１による焦点１６の位置と積層型フレネルゾーンプレート構造１５による集光位置とを一致させるようにすれば、Ｘ線集光レンズと焦点１６との間に距離をとることができる。
第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、Ｘ線がＸ線導波路の端面に集光されるため、立体構造を持つ試料の測定では、試料の形状によっては微小部分の調整が困難である。すなわち、第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、仮に試料をＸ線導波路の端面から離れた場所に置いた場合、導波路から出射したＸ線はその進行方向に対して垂直な方向について再び発散光となり試料に照射されるため、Ｘ線集光レンズで集光したナノビームの特性を有効に利用することができない。
【００６４】
これに対して、本実施の形態では、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。これにより、本実施の形態では、試料測定時における位置合わせの自由度を高めることができる。
【００６５】
なお、本実施の形態では、重元素層１３の材料としてタングステンを用いているが、重元素層１３の材料は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、軽元素層１４の材料としてタングステンシリサイドを用いているが、軽元素層１４の材料は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、Ｘ線集光装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＸ線位相シフター層の位置を説明するための平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層の位置を説明するための断面図である。
【図５】従来のＸ線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…シリコン基板、２…下部ルテニウム層、３…カーボン層、４…上部ルテニウム層、５…Ｘ線位相シフター層、６…Ｘ線遮蔽層、７…Ｘ線ビーム、８…Ｘ線導波路部、９…Ｘ線導波路部、１０…Ｘ線ゾーンプレート部、１１…Ｘ線集光部、１２…Ｘ線導波路出口、１３…重元素層、１４…軽元素層、１５…積層型フレネルゾーンプレート構造、１６…Ｘ線集光レンズの焦点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線集光装置に関し、より詳細には導波路と位相シフトゾーンとＸ線遮蔽構造を併用して集光するＸ線集光レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノテクノロジー開発の進展に伴い、ナノメートルレベルでの材料の構造評価が求められている。ナノメートルレベルの評価手法としては走査型顕微鏡や電子顕微鏡等があるが、いずれも高真空条件や試料の薄片化などが必要であり、観察したい試料をそのまま測定することは困難であった。これに対し、近年Ｘ線の集光化技術の進展に伴い、マイクロメーターレベルのＸ線ビームが得られるようになってきており、このようなＸ線ビームを利用したＸ線回折や蛍光Ｘ線分析などの材料評価がようやく可能となってきた。
【０００３】
Ｘ線ビームの集光には大きく分けて、（Ａ）Ｘ線ミラー等のＸ線用光学素子を利用する手法（非特許文献１参照）、（Ｂ）結晶の非対称ブラッグ（Bragg ）反射を利用する手法（非特許文献２参照）、（Ｃ）Ｘ線フレネルゾーンプレートを利用する手法（非特許文献３と非特許文献４参照）、（Ｄ）透過積層型ゾーンプレートを利用する手法（非特許文献５参照）、（Ｅ）Ｘ線導波路を利用する手法（非特許文献６参照）がある。
【０００４】
このうち（Ａ）のＸ線ミラー等のＸ線用光学素子を利用する手法および（Ｂ）の結晶の非対称ブラッグ反射を利用する手法については現状でほぼ技術的限界に来ており、これ以上の集光化は困難である。
【０００５】
これに対しＸ線のエネルギーが５ｋｅＶ以上である硬Ｘ線領域では、（Ｃ）のＸ線フレネルゾーンプレートを利用する手法でビームサイズが１００ナノメートル以下の集光ビームが得られている。フレネルゾーンプレートにＸ線ビームを照射すると、Ｘ線ビームの一部はゾーンプレートにより吸収されるため透過しないが、他のＸ線ビームはゾーンプレートをそのまま透過する。このとき、Ｘ線ビームの波長をλ、Ｘ線フレネルゾーンプレートの焦点距離をｆとして、Ｘ線ビームの中心からビームの進行方向に対して直交する方向に対して（２ｎλｆ）1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2の位置との間、または｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2の位置と｛（２ｎ＋２）λｆ｝1/2の位置との間にＸ線が透過しない材料からなる遮蔽ゾーンを設けると、透過したＸ線が相互に干渉することにより、Ｘ線ビームを集光することができる。
【０００６】
この集光原理は可視光と同様であり、その詳細については例えば非特許文献７に述べられており、ゾーンプレート集光系の空間分解能はほぼ最外殻ゾーン幅と等しいことが知られている。したがって、Ｘ線フレネルゾーンプレートの場合、最大空間分解能はゾーンプレートを構成する遮蔽ゾーンのうち最も細いものの幅で規定される。このようなゾーンプレートを作製するためには、電子ビーム描画を初めとする半導体作製用のリソグラフィ技術が用いられる。半導体リソグラフィ技術自体は１０ナノメートルの直線状パターンの描画が可能であるが、Ｘ線フレネルゾーンプレートとして必要なリング状のパターンを作製する場合、４０ナノメートル程度の幅の描画が現状では限界であり、Ｘ線フレネルゾーンプレート自体の分解能も５０ナノメーター程度である。さらに、Ｘ線フレネルゾーンプレートを作製する際、リング状の非常に多くのパターンを精密に作製する必要があるため、Ｘ線フレネルゾーンプレート自体も非常に高価なものとなる。
【０００７】
Ｘ線フレネルゾーンプレートではＸ線が透過できない遮蔽ゾーンを設けることによりＸ線を集光した。また、集光効率を上げるために、遮蔽ゾーンに代えて、Ｘ線を透過するがＸ線の位相をシフトさせるＸ線位相シフター層を設けることにより、あるいはこの位相シフター層を多段構造にすることにより、さらに集光効率を向上させる方法が提案されている。これに対し、（Ｄ）の透過積層型ゾーンプレートを利用する手法の場合、Ｘ線が透過する重元素層とＸ線が透過する軽元素層とを積層した構造を用いる。非特許文献５には、Ｘ線ビームの中心からＺ方向に沿った距離が（２ｎλｆ1）1/2（ｎ＝０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｎ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第１の領域、この第１の領域を除く第２の領域のうちいずれかに配置された積層型フレネルゾーンプレート構造により、Ｘ線を線状に集光する可能性が提案されている。また、２つの積層型フレネルゾーンプレート構造を組み合わせることにより、点状に集光する方法が最近提案されている。
【０００８】
一方、（Ｅ）のＸ線導波路を利用する手法の場合、導波路を構成するコアのサイズでＸ線ビームの大きさが決まる。ここで、コア層のＸ線領域での屈折率をＮ1、コア層を覆うクラッド層のＸ線領域での屈折率をＮ2とすると、（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係がある。Ｘ線導波路のコア層にＸ線ビームを入射させると、Ｘ線ビームはコア層の中を進行する。このとき、コア層の厚さＤが充分小さいとき、ある特定の状態のＸ線しか伝達されず、このときにコア層の厚さＤとＸ線ビームの波長λとＸ線ビームのクラッド層への入射角φとの間に以下の関係があることが知られている（非特許文献８参照）。
２Ｄｓｉｎ（φ）＝ｍλ（ｍ＝０，１，２，・・・） ・・・（１）
【０００９】
式（１）の条件は、Ｘ線導波路に入射するＸ線の入射角φに制限があることを示しており、それ以外の入射角を持つＸ線はコア層を透過することができないことを示している。コア層からクラッド層へのＸ線ビームの入射角φとして全反射を起こす角度程度を選択し、クラッド層を通過するＸ線ビームがすべて吸収されてしまって導波路出口に透過しないような長さのＸ線導波路を用いると、導波路の出口ではＸ線ビームをコア層のサイズとほぼ同程度のサイズまで集光することができる。このようなＸ線導波路は蒸着によって作製することができるため、コア層の厚さを１０ナノメートル以下にすることは容易であり、数ナノメートルのサイズを持つＸ線ビームを作製することが原理的に可能となる。
【００１０】
しかし、Ｘ線導波路を利用する手法の場合、コアの厚み方向にＸ線ビームを集光することはできるが、厚み方向及びビームの進行方向に対して垂直なコアの面内方向に対してＸ線を集光することはできない。すなわち、Ｘ線導波路の出口で取り出すことのできるＸ線は水平方向については入射Ｘ線と同じサイズとなるので、このＸ線導波路で得られるのは一次元方向のみに集光された線状のＸ線マイクロビームであり、二次元方向に集光された点状のＸ線マイクロビームを得ることは困難である。
【００１１】
以上のように、Ｘ線フレネルゾーンプレートを利用する手法では、１０ナノメートルサイズのＸ線ビームを得ることは困難であり、またＸ線導波路を利用する手法では、数ナノメートルのサイズのＸ線ビームを得ることが可能であるが、Ｘ線ビームの集光方向が一次元方向のみで、二次元方向に集光されたＸ線ビームを得ることができず、Ｘ線強度が弱いという問題点があった（非特許文献９参照）。前述のとおり、ナノ構造材料研究の進展に伴って、１０ナノメートルレベルの空間分解能でナノ構造材料を評価する技術が要求されているが、従来のＸ線ビームの集光方法では１０ナノメートルレベルの空間分解能を実現することは困難である。
【００１２】
このような技術的困難を克服するために、発明者は、Ｘ線領域における屈折率がＮ1であるコア層の上下を、屈折率Ｎ2であるクラッド層で挟み、屈折率Ｎ1とＮ2の間に（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係があるＸ線導波路を用いて、導波路の一部にＸ線を透過しない遮蔽層により構成されたフレネルゾーンプレートを組み込むことにより垂直方向および水平方向に対するナノメーターレベルで集光されたＸ線マイクロビームの形成を可能とするＸ線集光レンズを提案した（特許文献１参照）。以下、この特許文献１で提案したＸ線集光レンズを従来技術１のＸ線集光レンズと呼ぶ。
【００１３】
図５（Ａ）は従来技術１のＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図である。なお、図５（Ａ）では、後述する上部ルテニウム層の下にあるＸ線遮蔽層およびＸ線ビームを透視しているものとする。
このＸ線集光レンズは、Ｘ線ビームを垂直方向に集光するためのＸ線導波路部１１４と、Ｘ線ビームを水平方向に集光するためのＸ線ゾーンプレート部１１５およびＸ線集光部１１６とから構成される。
【００１４】
図５（Ａ）、図５（Ｂ）において、１０８はシリコン基板、１０９はシリコン基板１０８の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、１１０は下部ルテニウム層１０９の上に形成されたコア層であるカーボン層、１１１はカーボン層１１０の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、１１２は下部ルテニウム層１０９とカーボン層１１０と上部ルテニウム層１１１とからなるＸ線導波路の一部に形成された、Ｘ線ゾーンプレートとして機能するタンタル材料からなるＸ線遮蔽層である。
【００１５】
Ｘ線遮蔽層１１２は、Ｘ線の波長をλ、集光レンズとしての焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビーム１１３の中心からＸ線ビーム１１３の進行方向と直交する方向に沿った距離がＺ2n（ｎは０，１，２，・・・）の位置とＺ2n+1の位置との間の第１の領域、この第１の領域を除く第２の領域のうちのいずれかに配置され、かつＸ線導波路出口１７からＸ線ビーム１１３の進行方向と逆方向に沿って焦点距離ｆだけ上流に配置される。図５（Ａ）、図５（Ｂ）の例では、Ｘ線ビーム１１３の進行方向が図５（Ａ）、図５（Ｂ）の右方向、Ｘ線ビーム１１３の進行方向と直交する方向が図５（Ａ）の上下方向である。
【００１６】
Ｘ線遮蔽層１１２のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｚ2n，Ｚ2n+1は以下の式で求められる。
Ｚ2n＝（２ｎλｆ）1/2 ・・・（２）
Ｚ2n+1＝｛（２ｎ＋１）λｆ｝1/2 ・・・（３）
【００１７】
また、発明者は、従来技術１のＸ線集光レンズにおけるＸ線遮蔽層１１２を、Ｘ線を透過するがＸ線の位相をシフトさせるＸ線位相シフター層に置き換えることにより、Ｘ線の透過率を４倍にすることができるＸ線集光レンズを提案した（特願２００７−２１０８３１）。以下、この特願２００７−２１０８３１で提案したＸ線集光レンズを従来技術２のＸ線集光レンズと呼ぶ。さらに、発明者は、従来技術２のＸ線集光レンズにおけるＸ線位相シフター層を多段構造の位相シフター層に置き換えることにより、Ｘ線の透過率をさらに向上させることができるＸ線集光レンズを提案した（特願２００７−２９５２４４）。以下、この特願２００７−２９５２４４で提案したＸ線集光レンズを従来技術３のＸ線集光レンズと呼ぶ。
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−２９３９号公報
【非特許文献１】山内他，「Two-dimensional Submicron Focusing of Hard X-rays by Two Elliptical Mirrors Fabricated by Plasma Chemical Vaporization Machining and Elastic Emission Machining」，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.42，2003，p.7129-7134
【非特許文献２】津坂他，「Formation of Parallel X-Ray Microbeam and Its Application」，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.39，2000，p.635-637
【非特許文献３】E.Spiller，「Soft X-ray Optics」，The international Society for Optical Engineering，p.81-97
【非特許文献４】E.DiFabrizio，et al.，「High-efficiency multilevel zone plates for keV X-rays」，Nature，Vol.401，1999，p.895-898
【非特許文献５】H.C.Kang，J.Maser，G.B.Stephenson，C.Liu，R.Conley，A.T.Macrander，and S.Vogt，「Nanometer Linear Focusing of Hard X Rays by a Multilayer Laue Lens」，Phys.Rev.Lett.，96，127401，2006
【非特許文献６】河合潤，「Ｘ線進行波」，表面科学，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．６，ｐ．３９７−４０３，２００１年
【非特許文献７】久保田広，「波動光学」，岩波書店，ｐ．３０５，１９７１年
【非特許文献８】W.Jark他，「High gain beam compression in new-generation thin-film x-ray waveguide」，Applied Physics Letters，Vol.78，No.9，2001，p.1192-1194
【非特許文献９】青木貞雄他，「放射光実験の基礎 III．Ｘ線マイクロビームとその応用」，ＰＦ懇談会，ｐ．６８−８６，１９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来技術１，２，３のＸ線集光レンズでは、入射Ｘ線はＸ線導波路の側面からＸ線導波路のコア層内に導入されることを前提としている。これらの従来技術では、ナノスケールのコア層に導入されるＸ線以外は、クラッド構造にＸ線を殆ど吸収させることになり、Ｘ線導波路へのＸ線の導入効率が非常に悪い。この問題を解決するために、Ｘ線集光レンズのさらに上流側にＸ線ミラーなどの別の集光レンズを設け、Ｘ線導波路のコア層にＸ線を導入する方法も提案されているが、この場合、集光レンズ全体が高価となり、複雑な光学系の調整が必要となる。さらに、この方法を利用したとしても、Ｘ線ミラーなどで集光した入射Ｘ線を導波路の入口のナノスケールのコア層にのみに導入することは非常に困難であり、クラッド層あるいは基板にもＸ線が入射するので、結果として、Ｘ線が大きく失われる。
【００２０】
一方、共鳴ビームカップリングと呼ばれる方法を使うと、上部クラッド層の表面からコア層にＸ線を入射させることができるので、効果的にＸ線を導波路内に導入することができる（非特許文献８参照）。この場合、上部クラッド層の厚さは薄ければ薄いほど、Ｘ線を効率良くコア層に導入することができるが、コア層が薄くなると別の問題が生じる。すなわち、従来技術１，２，３のＸ線集光レンズでは、上部クラッド層の厚さが薄い場合、Ｘ線がコア層を進行する間に主に上部クラッド層からＸ線が顕著に漏れてしまう。つまり、共鳴カップリングの効率と導波路内Ｘ線のリークとは、相反の関係にある。
【００２１】
一方、共鳴ビームカップリング法を利用した場合、入射Ｘ線の一部はクラッド層の表面から導波路内に進行するが、残りの一部はコア層の上部にあるクラッド層の表面で全反射を起こし、Ｘ線集光レンズによって集光したＸ線とほぼ同じ方向に進行する。このため、Ｘ線集光レンズによる集光点では、この全反射Ｘ線およびその散乱などに起因してバックグランド強度が上がり、Ｘ線集光レンズによる集光ビームの強度が相対的に弱くなってしまうという問題がある。
【００２２】
本発明は、以上の課題を解決するためのものであり、従来のＸ線ビ−ムの集光技術では困難であったナノメートルレベルの高強度なＸ線マイクロビームを高効率で実現することができるＸ線集光レンズ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】
【００２３】
本発明は、Ｘ線の屈折率がＮ1のコア層の上下をＸ線の屈折率がＮ2のクラッド層で挟んだＸ線導波路を用いてＸ線を集光するＸ線集光レンズであって、Ｘ線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に形成された、Ｘ線が透過する材料からなる屈折率がＮ3（Ｎ1の実数部分＜Ｎ3の実数部分＜Ｎ2の実数部分）の位相シフター層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層の表面上の一部に形成された屈折率がＮ2以上のＸ線遮蔽層とを有し、前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、前記コア層内におけるＸ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹ、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の第１の領域に配置され、前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝であることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記位相シフター層は、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点から前記進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記Ｘ線遮蔽層は、Ｘ線ビームの前記上部クラッド層への入射角をφ、このＸ線ビームの幅をＷ、前記上部クラッド層の膜厚をＫ1、前記コア層の膜厚をＤ、前記コア層の下に形成された下部クラッド層の膜厚をＫ2としたとき、入口側の端面の位置が前記コア層の出口側の端面から前記進行方向と逆方向に沿って（ｆ＋ｔ（１）＋Ｗ／ｓｉｎφ）以上の上流の位置になり、かつ入口側の端面の位置から前記コア層の入口側の端面の位置までの距離が０以上になるように配置され、前記Ｘ線遮蔽層の膜厚Ｋ3は、Ｋ3＞Ｗ／ｃｏｓφを満たすことを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記クラッド層およびＸ線遮蔽層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記コア層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記位相シフター層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料、あるいはＣ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例は、さらに、前記位相シフター層を含むＸ線導波路の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造を備え、前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ1としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｍλｆ1）1/2（ｍは０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の入口側の端面から前記Ｘ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置にあり、前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするものである。
また、本発明のＸ線集光レンズの１構成例において、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、前記軽元素層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、Ｘ線導波路に多段の位相シフター層を設けることにより、コア層の厚み方向についてＸ線導波路構造を用いてＸ線ビームを集光することができ、コア層の厚み方向およびＸ線ビームの進行方向と直交する方向についてはＸ線フレネルゾーンプレートと同様の集光作用を利用してＸ線ビームを集光することができる。その結果、本発明では、ナノメートルオーダーまで集光した高強度のＸ線マイクロビームを簡便に得ることができ、量子ドット、ナノドット、ナノワイヤー、ナノ粒子や高集積化した半導体材料の微細ゲートなど種々のナノ材料の構造評価が可能となり、半導体材料や半導体デバイスの開発に貢献することができる。また、本発明では、Ｘ線導波路構造に位相シフター層を用いる従来のＸ線集光レンズに比べ、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上、Ｐ＝３の場合には１．７倍（６８．３％）、Ｐ＝４の場合には約２倍（８１．２％）に高めることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。また、本発明では、上部クラッド層の表面上の一部にＸ線遮蔽層を形成し、上部クラッド層を凸構造にすることにより、上部クラッド層の表面で全反射するＸ線を遮蔽することができる。これにより、本発明では、強度むらと焦点ぼけの少ないコヒーレントなナノスケールのＸ線集光ビームを得ることができる。
【００２７】
また、本発明では、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点からＸ線ビームの進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように位相シフター層を配置することにより、通常のＸ線ミラー等で更に集光することが容易で、分析等にも利用し易いＸ線ビームを得ることができる。
【００２８】
また、本発明では、Ｘ線導波路構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。
【００２９】
また、本発明では、積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面が、位相シフター層の入口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）になるようにし、Ｘ線導波路の焦点距離ｆと積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つようにすることにより、Ｘ線集光レンズから離れた位置にＸ線を集光することが容易になり、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図である。なお、図１（Ａ）では、後述する上部ルテニウム層の下にあるＸ線位相シフター層と、Ｘ線集光レンズを透過するＸ線ビームとを透視しているものとする。また、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線の位置には実際にはＸ線位相シフター層は存在しないが、図１（Ｂ）ではＸ線位相シフター層の位置を明らかにするためにＸ線位相シフター層を便宜的に記載するものとする。
【００３１】
本実施の形態のＸ線集光レンズは、Ｘ線導波路の一部にフレネルゾーンプレートを組み込んだものであり、Ｘ線ビーム７を垂直方向に集光すると共にＸ線ビーム７をＸ線導波路内に効果的に導入するためのＸ線導波路部８と、Ｘ線を効果的に進行させるためのＸ線導波路部９と、Ｘ線ビーム７を水平方向に集光するためのＸ線ゾーンプレート部１０と、Ｘ線導波路を進行するＸ線の損失を少なくし、全反射Ｘ線を遮蔽するためのＸ線集光部１１とから構成される。
【００３２】
図１において、１はシリコン基板、２はシリコン基板１の上に形成されたクラッド層である下部ルテニウム層、３は下部ルテニウム層２の上に形成されたコア層であるカーボン層、４はカーボン層３の上に形成されたクラッド層である上部ルテニウム層、５は下部ルテニウム層２とカーボン層３と上部ルテニウム層４とからなるＸ線導波路の一部に形成された、Ｘ線ゾーンプレートとして機能する銀材料からなるＸ線位相シフター層、６は上部ルテニウム層４の表面上の一部に形成された、クラッド層としての機能を兼ねるＸ線遮蔽層である。
【００３３】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの中心が図１（Ａ）のＩ−Ｉ線、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸおよびＡＺと直交する方向をＡＹとしている。ここで、Ｘ線導波路構造のコア層のＸ線領域での屈折率をＮ1、クラッド層のＸ線領域での屈折率をＮ2、位相シフター層の屈折率をＮ3とすると、屈折率Ｎ1とＮ2とＮ3の間には、（Ｎ1の実数部分）＜（Ｎ3の実数部分）＜（Ｎ2の実数部分）の関係がある。
【００３４】
また、入射Ｘ線の幅をＷ、Ｘ線の上部ルテニウム層４への入射角をφ、上部ルテニウム層４の膜厚をＫ1、下部ルテニウム層２の膜厚をＫ2、カーボン層３の膜厚をＤ、Ｘ線遮蔽層６の膜厚をＫ3、Ｘ線集光レンズの焦点距離をｆとすると、Ｘ線遮蔽層６は、Ｘ線入口側の端面がカーボン層３のＸ線出口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って（ｆ＋ｔ（１）＋Ｗ／ｓｉｎφ）以上の上流の位置に配置される。また、Ｋ3＞Ｗ／ｃｏｓφで、Ｋ1＜Ｋ2，Ｋ3であり、さらに、カーボン層３のＸ線入口側の端面からＸ線遮蔽層６のＸ線入口側の端面までの距離がゼロ以上という関係がある。なお、ｔ（１）はＸ線位相シフター層５のビーム進行方向の長さであるが、このｔ（１）の詳細については後述する。
【００３５】
Ｘ線集光レンズのＸ線位相シフター層５は、Ｘ線の波長をλ、Ｘ線集光レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ｘ線ビームの中心からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＹに沿った距離がＹn（Ｑ／Ｐ）（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の領域に配置され、かつＸ線入口側の端面がＸ線導波路出口１２からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置に配置される。
【００３６】
Ｘ線位相シフター層５のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｙn（Ｑ／Ｐ）は、以下の式で求められる。
Ｙn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2 ・・・（４）
また、Ｘ線位相シフター層５のビーム進行方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、以下の式で求められる。
ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝ ・・・（５）
【００３７】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）はＰ＝３の場合を示している。Ｐ＝３の場合、Ｘ線ビ−ムの中心からの距離（座標）はＹn（Ｑ／Ｐ）（ｎ＝０，２，４，・・・、Ｑ／Ｐ＝１／３，２／３，１）となり、Ｘ線位相シフター層５は、図２の黒地の領域に配置すればよい。
【００３８】
本実施の形態では、クラッド層から漏洩するＸ線を防止するため、下部ルテニウム層２およびＸ線遮蔽層６の厚さを１００ナノメートルとし、上部ルテニウム層４の厚さを１０ナノメートル、Ｘ線が透過するカーボン層３の厚さを１０ナノメートルとしている。
【００３９】
また、Ｘ線ゾーンプレート部１０でＸ線を効率良く集光するためには、Ｘ線位相シフター層５を透過するＸ線が存在しなくなるまでＸ線位相シフター層５を長くするか、あるいは透過したＸ線を焦点（Ｘ線導波路出口１２）で位相を揃えて干渉させる必要がある。本実施の形態では、Ｘ線を焦点で位相を揃えて干渉させる手法を採用する。このため、本実施の形態では、カーボン層３の密度３．５ｇ／ｃｍ3、Ｘ線位相シフター層５の密度１０．５ｇ／ｃｍ3から見積もることにより、Ｐ＝３の場合には、Ｙn（１）とＹn（２／３）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（１）を、式（５）より４．８ミクロン、Ｙn（２／３）とＹn（１／３）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（２／３）を２．４ミクロン、Ｙn（１／３）とＹn（０）の間の領域のＸ線位相シフター層５の長さｔ（１／３）をゼロとしている。
【００４０】
この見積もりでは、近似式としてｔ＝λ／｛３×（Ｎ3−Ｎ1）｝＝λ／｛３×（δ3−δ1）｝、δ3＝１．３×１０-6ρ3λ2、δ1＝１．３×１０-6ρ1λ2の関係式を用いた（非特許文献９参照）。ここで、ρ3はＸ線位相シフター層５を構成する銀の密度、ρ1はカーボンの密度である。このような長さｔ＝２．４ミクロンの整数倍の銀の位相シフター層をｎ＝０，２，４，・・・の各ゾーン（ｎは偶数）に設けると、Ｘ線の位相を揃えることができる。なお、ここでは入射Ｘ線の波長λは０．１５４ナノメートルとしている。また、各層の屈折率はＸ線の波長λと各層の密度から求めることができる（非特許文献９参照）。ちなみに、ルテニウム、カーボン、銀の密度は、それぞれ１２．４、３．５、１０．５ｇ／ｃｍ3である。
【００４１】
次に、本実施の形態のＸ線集光レンズの作製方法を説明する。まず、シリコン基板１の上に下部ルテニウム層２を例えば蒸着によって形成する。この下部ルテニウム層２の上に銀を蒸着後、電子ビームリソグラフィ等の方法により加工して、Ｘ線位相シフター層５を形成する。続いて、下部ルテニウム層２の上にカーボン層３を例えばスパッタによって形成する。このとき、カーボン層３の厚さは、Ｘ線位相シフター層５の厚さ以下となるようにする。続いて、カーボン層３とＸ線位相シフター層５の上に上部ルテニウム層４を例えば蒸着によって形成する。最後に、上部ルテニウム層４の上部の一部にルテニウムからなるＸ線遮蔽層６を例えば蒸着によって形成することにより、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。
【００４２】
こうして作製したＸ線集光レンズの上部ルテニウム層４にＸ線ビーム７を図１（Ａ）、図１（Ｂ）の左側から入射角φで入射させた場合、Ｘ線導波路部８に入射し透過したＸ線は、Ｘ線の損失が小さいＸ線導波路部９を透過し、次にＸ線ゾーンプレート部１０に入射する。このとき、Ｘ線の一部は各ゾーンに配置された３段の位相シフター層５によって位相変調され、Ｘ線集光部１１に到達する。シリコン基板１と垂直な方向についてＸ線ビームは広がることができないため、垂直方向（図１（Ｂ）の上下方向）のＸ線ビームのサイズはＸ線導波路部８，９の場合と同様に約１０ナノメートル程度となる。
【００４３】
一方、導波路の水平面内についてはＸ線ビームのモードを束縛するものはないため、Ｘ線ゾーンプレート部１０の開口部から出たＸ線は、Ｘ線集光部１１の中と１次元フレネルゾーンプレート構造部を進行し、Ｘ線導波路出口１２の位置に集光される。このときのＸ線ビームの水平方向のサイズは、Ｘ線位相シフター層５の最小幅（図１（Ａ）の上下方向の寸法）によって決まる。一方、Ｘ線導波路出口１２において、垂直方向のビームサイズは約１０ナノメートルとなる。また、Ｘ線位相シフター層５の幅の最小値は約８ナノメートルであるから、水平方向ビームサイズは約１０ナノメートルとなる。
【００４４】
本実施の形態では、共鳴ビームカップリング法を利用することにより、Ｘ線遮蔽層６が形成されていない上部ルテニウム層４の表面からカーボン層３にＸ線を入射させることができるので、効果的にＸ線を導波路内に導入することができる。さらに、本実施の形態では、上部ルテニウム層４の表面上の一部にＸ線遮蔽層６を形成し、上部クラッド層を凸構造にすることにより、上部クラッド層の表面で全反射するＸ線を遮蔽することができる。これにより、本実施の形態では、強度むらと焦点ぼけの少ないコヒーレントなナノスケールのＸ線集光ビームを得ることができる。
【００４５】
以上例示したように、本実施の形態のＸ線集光レンズでは、入射するＸ線ビームのエネルギーを有効に活用しながらＸ線ビームの点状集光を行うことができ、ナノメートルレベルの高強度なＸ線マイクロビームを実現することができるので、ナノメートルレベルの材料の高度な構造評価が可能になる。
【００４６】
本実施の形態では、Ｘ線導波路構造に位相シフター層を用いる従来技術２のＸ線集光レンズに比べ、Ｘ線集光レンズの集光効率を理論上、Ｐ＝３の場合には１．７倍（６８．３％）、Ｐ＝４の場合には約２倍（８１．２％）に高めることができ、分析などにも利用しやすいＸ線ビームを得ることができる。なお、従来技術２のＸ線集光レンズはＰ＝２の場合に相当し、この時の集光効率は４０．５％である。また、本実施の形態において、さらに集光効率を高めるためには、Ｐを４以上の整数とし、多段のＸ線位相シフター層をｎが偶数となる各ゾーンに配置すればよい。
【００４７】
本実施の形態のＸ線集光レンズを材料評価に用いる場合には、Ｘ線集光レンズを出射した光をそのまま評価対象の材料に照射したり、Ｘ線集光レンズを出射した光をさらにミラーで集光して評価対象の材料に照射したりして、材料によって回折したＸ線または材料から発生した蛍光Ｘ線を検出して材料を評価すればよい。
【００４８】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではない。例えば本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５をＸ線導波路のコア層中に設けているが、コア層の外に設けてもよい。この場合には、Ｘ線入口側の端面の位置がＸ線導波路出口１２からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように、Ｘ線位相シフター層５を設けるようにすればよい。
【００４９】
また、本実施の形態では、コア層の材料として、カーボンを用いているが、コア層の材料はカーボン、酸素、シリコン、ベリリウム、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、コア層の材料として、ホウ素、酸素、アルミニウム、フッ素、カルシウム、マグネシウム、チタンのうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では、クラッド層およびＸ線遮蔽層の材料としてルテニウムを用いているが、タングステン、ルテニウム、タンタルのうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、クラッド層およびＸ線遮蔽層の材料として、ニッケル、コバルト、クロム、バナジウム、チタン、ゲルマニウム、モリブデン、ジルコニウム、インジウム、レニウム、銀、金、白金、タンタルのうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよい。Ｘ線位相シフター層５の材料はクラッド層と同一でもよいし、クラッド層の材料としてあげたものの中からクラッド層とは別の材料を用いてもよい。
【００５１】
また、本実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５の材料に銀を用いているが、タングステン、ルテニム、タンタル、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、カドミウム、インジウム、バリウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、鉛、タリウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のうち少なくとも１つを含む材料、あるいはカーボン、酸素、シリコン、ベリリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジム、クロム、マンガン、テルル、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料を用いてもよい。
【００５２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ線集光レンズのＩ−Ｉ線断面図であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図３（Ａ）では、Ｘ線位相シフター層５と、Ｘ線導波路レンズ構造及び積層型フレネルゾーンプレート構造を透過するＸ線ビームとを透視しているものとする。また、図３（Ａ）のＩ−Ｉ線の位置には実際にはＸ線位相シフター層５は存在しないが、図３（Ｂ）ではＸ線位相シフター層５の位置を明らかにするためにＸ線位相シフター層５を便宜的に記載するものとする。
【００５３】
本実施の形態のＸ線集光レンズは、Ｘ線導波路部８とＸ線導波路部９とＸ線ゾーンプレート部１０とＸ線集光部１１とからなるＸ線導波路レンズ構造と、１次元型のフレネルゾーンプレートと呼ばれる積層型フレネルゾーンプレート構造１５とを同一基板上に形成したものである。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例では、Ｘ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうちＸ線導波路レンズ構造のコア層とクラッド層の積層方向をＡＺ、ＡＸおよびＡＺと直交する方向をＡＹとしている。
【００５４】
Ｘ線導波路レンズ構造は第１の実施の形態と同様の構成なので、説明は省略する。ただし、第１の実施の形態では、Ｘ線位相シフター層５のＸ線入口側の端面の位置がＸ線導波路出口１２からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるようにＸ線位相シフター層５を配置したのに対し、本実施の形態では、Ｘ線入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点１６からｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるようにＸ線位相シフター層５を配置する。
【００５５】
積層型フレネルゾーンプレート構造１５は、Ｘ線がほとんど透過しない重元素層１３とＸ線が透過する軽元素層１４とを交互に積層した構造である。
重元素層１３は、集光レンズとしての焦点距離をｆ1としたとき、Ｘ線ビームの中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）からＸ線ビームの進行方向ＡＸと直交する方向ＡＺに沿った距離がＺ2m（ｍは０，１，２，・・・）の位置とＺ2m+1の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置され、かつＸ線集光レンズの焦点１６からＸ線ビームの進行方向ＡＸと逆方向に沿って焦点距離ｆ1だけ上流に配置される。重元素層１３のＸ線ビームの中心からの距離（座標）Ｚ2m，Ｚ2m+1は以下の式で求められる。
Ｚ2m＝（２ｍλｆ1）1/2 ・・・（６）
Ｚ2m+1＝｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2 ・・・（７）
【００５６】
重元素層１３をＺ2m（ｍは０，１，２，・・・）とＺ2m+1との間の第２の領域に設ける場合を図４に示す。重元素層１３をＺ2mとＺ2m+1との間を除く第３の領域に設ける場合は、図４の黒地の領域の間に重元素層１３を配置し、図４の黒地の領域に軽元素層１４を配置すればよい。
【００５７】
Ｘ線導波路部８，９とＸ線ゾーンプレート部１０とＸ線集光部１１とからなるＸ線導波路レンズ構造の作製方法は、第１の実施の形態とほぼ同じであるが、本実施の形態では、シリコン基板１にエッチングによりメサ構造を形成し、マスクを用いてメサ構造の上にのみ下部ルテニウム層２を形成する。以後の工程は第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００５８】
次に、本実施の形態の積層型フレネルゾーンプレート構造１５の作製方法を説明する。Ｘ線位相シフター層５のＸ線入口側の端面からＸ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置が積層型フレネルゾーンプレート構造１５のＸ線出口側の端面となるように、タングステンからなる重元素層１３とタングステンシリサイドからなる軽元素層１４とを交互に例えばスパッタによって形成する。本実施の形態では、重元素層１３を式（６）に示したＺ2mと式（７）に示したＺ2m+1との間の第２の領域に設けている。このとき、Ｘ線導波路レンズ構造から入射するＸ線ビームのＡＺ方向の中心（図３（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ線）の位置が、中央の重元素層１３の中心と一致するように配置する。これで、Ｘ線集光レンズの作製が完了する。
【００５９】
こうして作製したＸ線集光レンズにＸ線ビーム７を図３（Ａ）、図３（Ｂ）の左側から入射させた場合、Ｘ線導波路レンズ構造の長さによっては導波路モードで進行するＸ線以外のＸ線の存在が無視できない可能性もあるが、本実施の形態ではＸ線導波路レンズ構造の長さと積層型フレネルゾーンプレート構造１５の長さをそれぞれ１０ミリメートルとしている。この値はＸ線の波長に比べると十分に大きいことから、Ｘ線導波路レンズ構造を透過するＸ線ビームは式（１）を満足するビームのみしか存在せず、シリコン基板１に垂直な方向（図３（Ｂ）の上下方向）のＸ線ビームのサイズは約１０ナノメートル程度となる。
【００６０】
Ｘ線導波路部８，９とＸ線ゾーンプレート部１０とＸ線集光部１１とからなるＸ線導波路レンズ構造によるＸ線の集光原理は第１の実施の形態で説明したとおりである。第１の実施の形態と異なる点は、水平方向の集光位置が図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示したＸ線導波路出口１２から焦点１６に変わったことである。
【００６１】
Ｘ線導波路レンズ構造の出口１２におけるＸ線ビームの垂直方向のサイズは約１０ナノメートル程度となる。出口１２から出射するＸ線ビームは、垂直方向に入射角の２倍の発散角をもって出射する。このＸ線ビームは、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造１５により再び集光する。
【００６２】
一方、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部１０から出たＸ線は一次元の球面波としてＸ線集光部１１と積層型フレネルゾーンプレート構造１５の中を進行する。この結果、Ｘ線集光部１１と積層型フレネルゾーンプレート構造１５の中を進行するＸ線は、干渉効果によって水平方向（図３（Ａ）の上下方向）に集光される。
【００６３】
したがって、Ｘ線導波路レンズ構造のＸ線ゾーンプレート部１０及びＸ線集光部１１による焦点１６の位置と積層型フレネルゾーンプレート構造１５による集光位置とを一致させるようにすれば、Ｘ線集光レンズと焦点１６との間に距離をとることができる。
第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、Ｘ線がＸ線導波路の端面に集光されるため、立体構造を持つ試料の測定では、試料の形状によっては微小部分の調整が困難である。すなわち、第１の実施の形態のＸ線集光レンズでは、仮に試料をＸ線導波路の端面から離れた場所に置いた場合、導波路から出射したＸ線はその進行方向に対して垂直な方向について再び発散光となり試料に照射されるため、Ｘ線集光レンズで集光したナノビームの特性を有効に利用することができない。
【００６４】
これに対して、本実施の形態では、Ｘ線導波路レンズ構造の後方に積層型フレネルゾーンプレート構造を配置することにより、Ｘ線集光レンズと試料との間のワーキングディスタンスを十分に確保しながら、ナノメートルレベルの径のビーム集光を実現することが可能となる。これにより、本実施の形態では、試料測定時における位置合わせの自由度を高めることができる。
【００６５】
なお、本実施の形態では、重元素層１３の材料としてタングステンを用いているが、重元素層１３の材料は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料であればよい。また、軽元素層１４の材料としてタングステンシリサイドを用いているが、軽元素層１４の材料は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料を用いてもよく、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル、フッ素樹脂あるいは塩素樹脂を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、Ｘ線集光装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるＸ線位相シフター層の位置を説明するための平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るＸ線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層の位置を説明するための断面図である。
【図５】従来のＸ線集光レンズの構成を示す平面図および断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…シリコン基板、２…下部ルテニウム層、３…カーボン層、４…上部ルテニウム層、５…Ｘ線位相シフター層、６…Ｘ線遮蔽層、７…Ｘ線ビーム、８…Ｘ線導波路部、９…Ｘ線導波路部、１０…Ｘ線ゾーンプレート部、１１…Ｘ線集光部、１２…Ｘ線導波路出口、１３…重元素層、１４…軽元素層、１５…積層型フレネルゾーンプレート構造、１６…Ｘ線集光レンズの焦点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線の屈折率がＮ1のコア層の上下をＸ線の屈折率がＮ2のクラッド層で挟んだＸ線導波路を用いてＸ線を集光するＸ線集光レンズであって、
Ｘ線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に形成された、Ｘ線が透過する材料からなる屈折率がＮ3（Ｎ1の実数部分＜Ｎ3の実数部分＜Ｎ2の実数部分）の位相シフター層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層の表面上の一部に形成された屈折率がＮ2以上のＸ線遮蔽層とを有し、
前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、前記コア層内におけるＸ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹ、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の第１の領域に配置され、前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝であることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記位相シフター層は、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点から前記進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように配置されることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項３】
請求項１または２記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記Ｘ線遮蔽層は、Ｘ線ビームの前記上部クラッド層への入射角をφ、このＸ線ビームの幅をＷ、前記上部クラッド層の膜厚をＫ1、前記コア層の膜厚をＤ、前記コア層の下に形成された下部クラッド層の膜厚をＫ2としたとき、入口側の端面の位置が前記コア層の出口側の端面から前記進行方向と逆方向に沿って（ｆ＋ｔ（１）＋Ｗ／ｓｉｎφ）以上の上流の位置になり、かつ入口側の端面の位置から前記コア層の入口側の端面の位置までの距離が０以上になるように配置され、前記Ｘ線遮蔽層の膜厚Ｋ3は、Ｋ3＞Ｗ／ｃｏｓφを満たすことを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記クラッド層およびＸ線遮蔽層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記コア層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記位相シフター層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料、あるいはＣ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項５】
請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
さらに、前記位相シフター層を含むＸ線導波路の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造を備え、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ1としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｍλｆ1）1/2（ｍは０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置されることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項６】
請求項５記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の入口側の端面から前記Ｘ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置にあり、
前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項７】
請求項５または６記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記軽元素層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料からなることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項１】
Ｘ線の屈折率がＮ1のコア層の上下をＸ線の屈折率がＮ2のクラッド層で挟んだＸ線導波路を用いてＸ線を集光するＸ線集光レンズであって、
Ｘ線が入射する前記コア層の一部または前記コア層の前に形成された、Ｘ線が透過する材料からなる屈折率がＮ3（Ｎ1の実数部分＜Ｎ3の実数部分＜Ｎ2の実数部分）の位相シフター層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層の表面上の一部に形成された屈折率がＮ2以上のＸ線遮蔽層とを有し、
前記位相シフター層は、Ｘ線の波長をλ、焦点距離をｆとし、前記コア層内におけるＸ線ビームの進行方向をＡＸ、この進行方向ＡＸと直交する方向のうち前記コア層と前記クラッド層の積層方向をＡＺ、前記ＡＸ及びＡＺと直交する方向をＡＹ、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＹ方向に沿った距離をＹn（Ｑ／Ｐ）＝｛ｎλｆ＋２λｆ（Ｑ／Ｐ−１）｝1/2（ｎはゾーン指数で偶数、ＰとＱは１≦Ｑ≦Ｐを満たす整数）としたとき、Ｙn（Ｑ／Ｐ）の位置とＹn（（Ｑ−１）／Ｐ）（ただし（Ｑ−１）／Ｐ＞０）の位置との間の第１の領域に配置され、前記位相シフター層の前記ＡＸ方向の長さｔ（Ｑ／Ｐ）は、ｔ（Ｑ／Ｐ）＝（Ｑ−１）×λ／｛Ｐ×（Ｎ3−Ｎ1）｝であることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記位相シフター層は、入口側の端面の位置がＸ線集光レンズの焦点から前記進行方向と逆方向に沿ってｆ＋ｔ（１）だけ上流の位置になるように配置されることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項３】
請求項１または２記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記Ｘ線遮蔽層は、Ｘ線ビームの前記上部クラッド層への入射角をφ、このＸ線ビームの幅をＷ、前記上部クラッド層の膜厚をＫ1、前記コア層の膜厚をＤ、前記コア層の下に形成された下部クラッド層の膜厚をＫ2としたとき、入口側の端面の位置が前記コア層の出口側の端面から前記進行方向と逆方向に沿って（ｆ＋ｔ（１）＋Ｗ／ｓｉｎφ）以上の上流の位置になり、かつ入口側の端面の位置から前記コア層の入口側の端面の位置までの距離が０以上になるように配置され、前記Ｘ線遮蔽層の膜厚Ｋ3は、Ｋ3＞Ｗ／ｃｏｓφを満たすことを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記クラッド層およびＸ線遮蔽層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記コア層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記位相シフター層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料、あるいはＣ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうち少なくとも１つを含む材料からなることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項５】
請求項１記載のＸ線集光レンズにおいて、
さらに、前記位相シフター層を含むＸ線導波路の後方に配置された積層型フレネルゾーンプレート構造を備え、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造は、Ｘ線が透過しない材料からなる重元素層とＸ線が透過する材料からなる軽元素層とを交互に積層した構造であり、前記重元素層は、前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離をｆ1としたとき、前記Ｘ線ビームの中心から前記ＡＺ方向に沿った距離が（２ｍλｆ1）1/2（ｍは０，１，２，・・・）の位置と｛（２ｍ＋１）λｆ1｝1/2の位置との間の第２の領域、この第２の領域を除く第３の領域のうちのいずれかに配置されることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項６】
請求項５記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の出口側の端面は、前記位相シフター層の入口側の端面から前記Ｘ線ビームの進行方向ＡＸに沿って下流側に距離Ｌ＋ｔ（１）の位置にあり、
前記Ｘ線導波路の焦点距離ｆと前記積層型フレネルゾーンプレート構造の焦点距離ｆ1との間にｆ＝ｆ1＋Ｌの関係が成り立つことを特徴とするＸ線集光レンズ。
【請求項７】
請求項５または６記載のＸ線集光レンズにおいて、
前記積層型フレネルゾーンプレート構造の重元素層は、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｔｌ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうち少なくとも１つを含む材料からなり、
前記軽元素層は、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｅ、高分子材料のうちすくなくとも１つを含む材料からなることを特徴とするＸ線集光レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２５６６２（Ｐ２０１０−２５６６２Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８５７１８（Ｐ２００８−１８５７１８）
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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