JP2013117444A

JP2013117444A - Ｘ線光学素子及びｘ線光学システム

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Publication number: JP2013117444A
Application number: JP2011265067A
Authority: JP
Inventors: Wataru Kubo; 亘久保
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-13

Abstract

【課題】簡便に、より高い伝搬効率で高度に位相の揃ったＸ線を出射可能なＸ線光学素子を提供する。
【解決手段】Ｘ線導波路と前記Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構を有するＸ線光学素子であって、前記Ｘ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのコアと、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッドを有し、前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、前記クラッドと前記コアとの界面における前記Ｘ線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、前記Ｘ線を選択的に透過する機構は、所定の出射角度で前記Ｘ線導波路を出射したＸ線を選択的に透過することを特徴とするＸ線光学素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線光学素子に関する。

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非常に小さいために、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、ニッケルと炭素の多層膜からなるＸ線導波路が開示されている。

ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ，Ｖｏｌｕｍｅ６２，ｐ．１６９３９（２０００）

非特許文献１に開示されている導波路は、ニッケルよりなるＸ線導波路のクラッドと、炭素よりなるＸ線導波路のコアから構成される。この導波路は、炭素／ニッケル界面の全反射によりＸ線が閉じ込められ、導波する構成の導波路が、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（以降、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。

一方で、このような構成の導波路は、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減じることとなる。

これに対し発明者らは、クラッドとコアを備え、コア／クラッド界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込める構成のＸ線導波路であって、そのコアとして、屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配置されたＸ線導波路を提案した。この導波路では、そのコアを導波するＸ線が多重干渉し、この周期構造に対応して効率的に導波するモード（以降、周期共鳴導波モードと記載する）が選択されるために、高効率に大きな光量の位相の揃ったＸ線を導波することが可能となる。

本発明は、Ｘ線導波路と前記Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構を有するＸ線光学素子であって、
前記Ｘ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのコアと、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッドを有し、
前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、
前記クラッドと前記コアとの界面における前記Ｘ線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、
前記Ｘ線を選択的に透過する機構は、所定の出射角度で前記Ｘ線導波路を出射したＸ線を選択的に透過することを特徴とするＸ線光学素子に関する。

本発明によれば、本発明のＸ線導波路に対して位置が固定されたＸ線を選択的に透過する機構を有するＸ線光学素子により、簡便に、より高い伝搬効率で高度に位相の揃ったＸ線を出射可能なＸ線光学素子を提供することができる。

本発明のＸ線光学素子の概念図を示す。本発明のＸ線導波路の概念図を示す。波数ベクトルと有効伝搬角度の説明図である。実施例１のＸ線導波路を示す。Ｘ線の透過強度の入射角度依存性の模式図を示す。

本発明のＸ線光学素子は、Ｘ線導波路と、Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構とを有することを特徴とする。

本発明者らは、クラッドとコアを備え、コアとクラッドとの界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込める構成のＸ線導波路であって、そのコアとして、屈折率実部が異なる複数の物質が周期的に配置されたＸ線導波路を見出した。この導波路では、そのコアを導波するＸ線が多重干渉し、この周期構造に対応して効率的に導波するモード（以降、『周期共鳴導波モード』と記載する）が選択されるために、高効率に大きな光量の位相の揃ったＸ線を導波することが可能となる。

従来、Ｘ線を収束するために、一般的にガラスキャピラリと呼ばれる素子が使用されている。この素子では、そのキャピラリの内部を、Ｘ線を全反射して進行させることで、エックス線を収束させることができる。この素子は、本発明における導波路に対して、一般に管径が大きいために、本発明における導波路とは異なり、コヒーレントなエックス線を得ることができない。この点で本発明におけるＸ線導波路とは異なる。

この導波路は、コア／クラッド界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込め、導波させる。この際に、周期共鳴導波モード以外にも、周期構造とは関係なくコア／クラッド界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込めることで導波するモード（単層導波路においても発生するモードであるため、以降、『単層導波モード』と記載する）が存在しうる。単層導波モードは、周期共鳴導波モードと比較してその導波効率は低いことが多い。しかし、効率は低いものの、後者のモードによって導波したＸ線が前者のモードによって導波されたＸ線と同時に出射される。この場合、周期共鳴導波モードのみが出射された場合より、比較的にＸ線の位相が乱れたものとなる。このことは、たとえば、このＸ線を位相差イメージングに用いる場合に像が不鮮明となるといった問題を生じうる。

本発明のＸ線光学素子は、Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構を有しているので、周期共鳴導波モードによって導波されたＸ線を選択的に透過することができる。これにより、Ｘ線を選択的に透過させる機構を有さず、周期共鳴導波モードと単層導波モードによって導波したＸ線がともに出射される場合と比較して、Ｘ線の位相をより揃ったものとすることができる。したがって、本発明の光学素子は、イメージングにおいて、像が鮮明になるといった、この導波路のもつ特長を増幅する。

以下に、本発明のＸ線光学素子及びＸ線光学システムについて、図面を用いて詳しく説明する。

本発明に係るＸ線光学素子の概念図を図１に示す。

図１において、コア１０００は屈折率実部が異なる複数の物質１０８０、１０９０を含む周期構造を有し、クラッド１０１０、１０２０は、同コアにＸ線を閉じ込める。Ｘ線導波路１０３０は、このコアとクラッドからなる。このＸ線導波路に入射された単色Ｘ線１０４０は、コア／クラッド界面の全反射によってコア中に閉じ込められることで導波する。その結果、導波路の端部から出射される。このとき出射されるＸ線の光路は、遠距離場においては、それぞれの導波モードについて、導波路に対して特定の角度をもつ。本発明の光学素子は、このＸ線導波路に対して位置が固定された、周期共鳴導波モードによって導波したＸ線１０５０を選択的に透過する機構１０６０を持つ。これによって、周期共鳴導波モードによって導波したＸ線以外のＸ線１０７０を除去することで、簡便に、高度に位相の揃ったＸ線を出射することを可能とする。

ここでは、本実施形態に係るＸ線導波路について、以下の項目、（１）Ｘ線について、（２）Ｘ線導波路について、（３）コアについて、（４）クラッドについて、（５）Ｘ線を選択的に透過する機構について、（６）効果、（７）Ｘ線光学システム、に分けて説明する。

（１）Ｘ線について
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である。具体的には、本発明におけるＸ線とは、１ｐｍ以上で、極端紫外光（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。本発明は上記Ｘ線に相当する電磁波を制御するためのものである。本明細書中で単に電磁波という場合、上記Ｘ線のことと同義で用いることがある。

またこのような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。

δは物質の電子密度ρ_ｅ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、ρ_ｅは原子密度ρ_ａ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。本明細書中では、その実部を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』と記載した場合には、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材料であるメソ構造体は、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。

（２）Ｘ線導波路について
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２００１が、クラッド２００２とクラッド２００３に挟まれた形態である。そしてこのコア２００１は、高屈折率実部をもつ物質の層２００５と低屈折率実部をもつ物質の層２００６よりなる基本構造から構成されている。ここで、本発明のＸ線光学素子で用いられる導波路のコアの周期構造は、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。２００７はクラッドとコアの界面における全反射臨界角、２００８はブラッグ角、２００９は基本構造中の物質界面における全反射臨界角を表す。

図２中において、クラッドとコアの界面における全反射臨界角θ_{ｃ−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θ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}、多層膜の周期性に起因するブラッグ角θ_Ｂ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。図中の矢印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ｎ_ｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎ_ｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θ_{ｃ−ｔｏｔａｌ}（°）は、ｎ_ｃｌａｄ＜ｎ_ｃｏｒｅとして、下記の式（２）

で表される。

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ｎ_ａｖｇ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θ_Ｂ（°）が定義される。

λはＸ線の波長である。

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。

このことにより、周期構造体であるコアがもつ周期性に起因するブラッグ角付近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）ｋ_ｚ、真空中の波数ベクトルｋ_０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ｋ_ｚ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ｋ_ｚと真空中の波数ベクトルｋ_０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。

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θ_{ｃ−ｍｕｌｔｉ}（°）とする。

上記の式（６）のように、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。

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１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。

現実の１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１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。

周期構造に対応する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。

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で伝搬する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。

（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、１次元から３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、周期性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。

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、これらの物質の組み合わせも好ましく用いられる。無機物の例としては、ホウ素、ホウ素化合物、ベリリウム、炭素、窒化物、酸化物、リンがあげられる。具体的な例としては、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｂ_４Ｃ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｐあげられる。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。有機物の例としては、ポリマー、低分子化合物をあげることができる。有機物であることにより、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。

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周期性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。

（３−１）メソ構造体膜について
多孔質材料は、ＩＵＰＡＣ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＵｎｉｏｎｏｆＰｕｒｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ）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。

本明細書中において、メソ構造体膜は、以下のものを意味する。
（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
以下に詳細な説明を行う。

（Ａ）メソポーラス膜について
孔径が２−５０ｎｍの多孔質材料で、壁部の材料は特に限定されるものではないが、その例としては、製造可能性、鋳型となる分子または空孔とともに屈折率実部が異なる物質により構成された周期構造体を形成する、という観点から、酸化物が挙げられる。この酸化物の例としては、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、酸化亜鉛を挙げることができる。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。

メソポーラス膜の調製法は、特に制限されるものではないが、たとえば、以下の方法で調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。

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。界面活性剤分子の例としては、イオン性、非イオン性の界面活性剤を挙げることができる。このイオン性界面活性剤の例としては、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挙げることができる。このアルキル鎖の鎖長の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。非イオン性の界面活性剤の例としては、ポリエチレングリコールを親水基として含むものを挙げることができる。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の具体例としては、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挙げることができる。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の例としては、炭素数で１０から２２、ポリエチレングリコールの繰返し数の例としては、２から５０を挙げることができる。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、疎水性物質が挙げられる。この疎水性物質の例としては、アルカン類、親水性基を含まない芳香族化合物が挙げられ、その具体的な例としては、オクタンが挙げられる。

無機酸化物の前駆体の例としては、ケイ素や金属元素のアルコキサイド、塩化物が挙げられる。さらに具体的な例としては、Ｓｉ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｚｎ，Ｓｎのアルコキサイド、塩化物が挙げられる。アルコキサイドの例としては、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が挙げられる。

製膜法の例としては、ディップコート法、スピンコート法、水熱合成法が挙げられる。

鋳型分子の除去方法の例としては、焼成、抽出、紫外線照射、オゾン処理が挙げられる。

（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について
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の例としては、炭素数で１０から２２が挙げられる。

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。

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調製法は、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調製法の鋳型の除去以前の工程を挙げることができる。

（Ｃ）ラメラ構造を持つメソ構造体膜について
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指す。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。

（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の具体的な例としては、密度の大きな金属が挙げられる。さらに具体的には、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が挙げられる。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。厚さの例としては、１ｎｍから３００ｎｍ、好ましくは、１ｎｍから５０ｎｍ程度の値が挙げられる。このクラッドについては、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。

（５）Ｘ線を選択的に透過する機構について
本発明のＸ線光学素子は、周期共鳴導波モードによってＸ線を導波するＸ線導波路を出射したＸ線のうち、同モードによって透過した成分を選択的に透過させるために、出射角度に制限を設ける機構を有する。

（５−１）様式、位置関係
この出射角度に制限を設ける機構は、所望のＸ線を選択的に透過させるために、出射角度に制限を設ける機構であれば、どのような様式のものであっても用いることができる。例としては、スリット、ピンホール、コリメータ様の機構を上げることができる。この出射角度に制限を設ける機構は、一方では、所望の角度方向に出射しないＸ線を遮断する機構でもある。そのため、構成する材料としては、Ｘ線を遮断するために用いる材料を用いることができる。この材料の例としては、金属を挙げることができる。

本発明のＸ線を角度選択的に透過する機構は、Ｘ線導波路より出射されるＸ線のうち、周期共鳴導波モード以外のモードによって導波されたＸ線を、遠距離場において遮蔽するものである。このために、この機構は、導波路の出射端に対してフラウンホーファー領域に設置されるものである。この領域は、導波路のコアの厚さをＤ、Ｘ線の波長をλとして、出射端よりＤ^２／λより離れた領域である。一方で、この機構が出射端より離れすぎていると、Ｘ線ビームの断面積の拡大（結果として得られるスポットの密度の低下）、強度の減衰を生じるために好ましくない。また、素子の大型化防止の観点からは、この距離は小さいほうが好ましい。このため、出射端からこの機構までの距離の上限は、３０ｃｍ以下、好ましくは１ｃｍ以下である。すなわち、コアとクラッド界面に垂直な方向におけるコアの厚さをＤとした場合、Ｘ線導波路の出射端とＸ線を選択的に透過する機構の距離は、Ｄ^２／λ以上１ｃｍ以下であることが好ましい。

（５−２）角度
周期共鳴導波モードによってＸ線導波路中を導波したＸ線は、導波路に対して特定の角度で出射される。この角度は、主に導波路を構成する周期構造体の周期、周期構造体を構成する物質の屈折率、周期数によって決定される。おおよそには、この導波路を構成する周期構造体のブラッグ角の近傍であって、それより小さな角度と記載することができる。

この導波路は、コア／クラッド界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込め、導波させる構造を持つ。そのために、周期共鳴導波モード以外にも、周期構造とは関係なくコア／クラッド界面の全反射によってコアにＸ線を閉じ込めることで導波するモードが存在しうる。この導波モードは、単層導波路の導波モードと同様のモード（単層導波モード）である。この単層導波モードは、周期共鳴導波モードと比較してその導波効率は低いことが多い。しかし、効率は低いものの、このモードによって導波したＸ線が周期共鳴導波モードによって導波されたＸ線と同時に出射されることはありえる。この単層導波モードによって透過してくるＸ線の導波効率は、モードの次数が低次のモードから高次へと増大するに従って大幅に低下する。そのため、この周期共鳴導波モードによってＸ線を導波するＸ線導波路の特徴である位相の揃ったＸ線を得るためには、単層導波モードによって透過するＸ線のうち、低次のモードによって透過するＸ線を遮蔽することがより重要である。（反対に、高次のモードによって透過されるＸ線であれば、多少周期共鳴導波モードによって伝搬したＸ線と同時に出射されてもその影響は比較的に小さい。）この単層導波モードによって出射されるＸ線の出射角度は、次数の増大とともに増大する。この次数が、（（周期構造の周期数）−１）と一致するモードが、周期共鳴導波モードである。このため、位相の揃ったＸ線を得るためには、周期共鳴モードよりも出射角の小さいＸ線を遮蔽することが効果的である。

技術的、コスト的な観点から、許容されるのであれば、当然、本発明のＸ線光学素子が透過するＸ線の角度領域は、周期共鳴導波モードによって透過されるＸ線のみに対応する角度領域であることが最も効果的である。一方で、出射角度の厳しい制限は、本光学素子から出射するＸ線の強度を低下させる。そのため、その使用目的に適合した角度範囲が選択されることになる。これらを勘案すると、このＸ線光学素子によって選択的に透過されるＸ線の好ましい角度条件は、以下のように記述できる。

周期共鳴導波モードに共鳴する構造の周期数をｎとしたときに、７０（ｎ−１）／１００に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以上で、１３０（ｎ−１）／１００に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以下であること。さらに好ましくは、９０（ｎ−１）／１００に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以上で、１１０（ｎ−１）／１００に最も近い整数の次数を持つ単層導波モードの出射角度以下であること。

この周期共鳴導波モード周辺の単層導波モードを分離して確認する方法として、以下の方法が挙げられる。導波路に発散角の小さなＸ線ビームを入射した際の、導波するＸ線の透過強度の入射角依存性を測定する。図５には、Ｘ線導波路から出射されるＸ線の透過強度の入射角度依存性の模式図（周期共鳴導波モードの周辺角度）を示す。図中の符号を付したピークは、単層導波モードによって導波されたＸ線であり、そのなかでもｎ−１の符号で示すピークが、周期共鳴導波モードによって導波されたＸ線である。そして、周期共鳴導波モード周辺の単層導波モードによって導波されたＸ線の出射角度は、それぞれのモードがピークを与える入射角でＸ線を入射した際に強く導波されるＸ線の出射角度を観測することで決定できる。

また、このＸ線光学素子によって選択的に透過されるＸ線の好ましい角度条件は、導波路を構成する周期構造体のブラッグ角を用いると、以下のように設定される。

周期共鳴導波モードに共鳴する構造の周期数をｎ、ブラッグ角をθ_Ｂとしたときに、０．７×θ_Ｂ×（ｎ−１）／ｎ以上で、１．３×θ_Ｂ×（ｎ−１）／ｎ以下であることが好ましい。また、０．９×θ_Ｂ×（ｎ−１）／ｎ以上で、１．１×θ_Ｂ×（ｎ−１）／ｎ以下であることが更に好ましい。

（５−３）位置が固定されていることについて
本発明のＸ線光学素子においては、このＸ線を角度選択的に透過する機構はＸ線導波路に対して位置が固定された機構である。この理由を以下に記述する。本発明のＸ線光学素子に用いる導波路において、周期共鳴導波モードによって導波するＸ線の出射角度領域は非常に狭い。このために、このモード以外のモードによって導波するＸ線を除去することを考えた場合には以下の方法が考えられる。１．導波路とその除去機構間の距離を長くした大型の光学系を用いて除く。２．小型の光学系を精密に制御して除く。前者の場合には、Ｘ線導波路を導入するそもそもの動機である光学系の小型化の方針に反することになる。また、距離を長くすると、Ｘ線の密度は、距離の二乗に反比例すること、さらに長波長のＸ線であれば、その間の空気等の物質による強度の低下が生じる。２の場合には、精密な角度設定に、長い時間と大きな工具が必要となる。また、前者、後者いずれの場合にも、導波路を移動して設置するたびに調整を行う必要がある。

これに対し、本発明のＸ線光学素子は、導波路を導波してくる周期共鳴導波モードに特有の波長に対してあらかじめ設定しておいた、導波路に対して位置が固定された機構を用いることで、光学系の小型化、設置の簡便さを維持しつつも、高い強度で、高度に位相の揃ったＸ線を与えることができる。また、このために、本発明のＸ線光学素子に用いられるＸ線としては、単色Ｘ線が用いられる。

本発明のＸ線光学素子で用いられる周期共鳴導波モードは、ブラッグ角が波長によって変化するのと同様、導波するＸ線の波長によって、その出射角度が変化する。これに対応するために、本発明のＸ線光学素子は、必要に応じてこの位置が固定されているＸ線を角度選択的に透過する機構を移動する機構を備えていてもよい。

（６）効果について
本発明のＸ線光学素子は、周期共鳴導波モードによってＸ線を導波するＸ線導波路と、同導波モードによって導波したＸ線を選択的に透過させる機構を有し、その機構が同導波路に対して位置が固定されていることで、周期共鳴導波モードによって導波したＸ線以外のＸ線を除去し、簡便に高度に位相の揃ったＸ線を出射することができる。

（７）Ｘ線光学システム
本発明のＸ線光学システムは、Ｘ線源と、Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構を有する。Ｘ線源は、波長λの単色Ｘ線を照射する。Ｘ線導波路は、上記のＸ線導波路を用いることができる。Ｘ線を選択的に透過する機構は、Ｘ線の出射角度を選択的に透過する機構である。また、前記Ｘ線導波路の出射端と前記Ｘ線を選択的に透過する機構の距離は、Ｄ^２／λ以上１ｃｍ以下であることが好ましい。

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。

実施例１
（１−１）導波路の調製
図４は本発明のＸ線光学素子に用いるＸ線導波路を示す図である。Ｓｉ基板４０３０上にスパッタ法により、Ｗよりなる厚さ２０ナノメートルの下部クラッド４０００、１次元の周期構造である多層膜４０２０、Ｗからなる厚さ２０ナノメートルの上部クラッド４０１０を形成した。また、この上部クラッドの一部は、Ｘ線の導波モード分離測定のために厚さを２ナノメートルとした。この周期構造である多層膜は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）からなる厚さ３ナノメートルの膜と、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる厚さ１２ナノメートルの膜が交互に積層された周期構造からなる。その周期数は１００で、周期は１５ナノメートルである。

この導波路の上部クラッドの厚さが２ナノメートルの領域に対して、プリズムカップリング（導波路上部への斜入射）により８ｋｅＶの平行Ｘ線ビームを入射し、導波Ｘ線強度の入射角度依存性を測定する。これにより、単層導波モード、周期共鳴導波モードによって導波されたＸ線の出射角度を確認する。この導波路を構成する周期構造体のブラッグ角は、Ｘ線回折測定により０．３６９度と確認される。

（１−２）Ｘ線光学素子の形成
半導体プロセスを用いてシリコン基板上に所定の幅を持つスリットを調製する。このスリットを、導波Ｘ線をモニタしながら、導波路の出射端から１ｃｍの距離における所定の角度に保持し、導波路と接着、導波路に対して位置を固定することで図１に示すＸ線光学素子を形成する。このときの選択透過角度（図１中の透過可能なθの範囲）は、（ａ）０．２５６度（６９次のモードの出射角度に対応）以上０．４７５度（同１２９次）以下、（ｂ）０．３２９度（同８９次）以上０．４０２度（同１０９次）以下、（ｃ）０．３６４度以上０．３６７度以下（周期共鳴導波モードのみを選択）である。

（１−３）効果の測定
形成したＸ線光学素子に対して、フロントカップリングにより１０ｋｅＶのＸ線を入射し、導波Ｘ線を測定した。表１には、導波路を導波した全Ｘ線の相対強度と、その全導波Ｘ線に含まれる周期共鳴導波モードの割合（出射角度より換算、以下同様）を示す。

本発明のＸ線光学素子は、周期共鳴導波モードによって導波したＸ線を、出射角度選択的に透過する機構を有し、その機構が導波路に対して位置が固定されていることを特徴とする。この測定結果は、この特徴を有する本発明のＸ線光学素子を用いることで、位相の揃ったＸ線を、数センチメートル程度のサイズで得ることを可能とすることを示す。

また、その時のＸ線の選択される出射角度の好ましい条件は、発明を実施する形態（５−２）項に記載の角度条件であることが示される。

実施例２
（２−１）Ｘ線光学素子の形成
ステンレス板にピンホールを形成する。このピンホールを、導波Ｘ線をモニタしながら、実施例１に記載のＸ線導波路の出射端から１ｃｍの距離における所定の角度に保持し、導波路と接着、導波路に対して位置が固定することで図１に示すＸ線光学素子を形成する。このときの選択透過角度（図１中の透過可能なθの範囲）は、０．３２９度（８９次のモードの出射角度に対応）以上０．４０２度（同１０９次）以下である。

（２−２）効果の測定
形成したＸ線光学素子に対して、フロントカップリングにより１０ｋｅＶのＸ線を入射し、導波Ｘ線を測定した。表２には、導波路を導波した全Ｘ線の相対強度と、その全導波Ｘ線に含まれる周期共鳴導波モードの割合を示す。

実施例３
本実施例では、メソ構造体膜をコアとして用いた導波路を用いたＸ線光学素子について記載する。

（３−１）導波路の調製
図４の構成を持つＸ線導波路の調製について記載する。本実施例のＸ線導波路は、Ｓｉ基板４０３０上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４０００と４０１０がコア４０２０を挟み込むように形成されている。コア４０２０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。

（３−１−１）クラッドの形成（４０００）
Ｓｉ基板上に、Ｗ（タングステン）からなるクラッド４０００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。

（３−１−２）酸化ケイ素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
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調製される。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））を使用することが可能である。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。

（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０．５ｍｍｓ^−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４０％の恒温恒湿槽で２週間、８０℃で２４時間保持される。

（３−１−２−３）評価
調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、１０．２ｎｍであることが確認される。その膜厚は４８０ナノメートルである。

（３−１−３）クラッド（４０１０）の形成
緩衝層上にＷクラッド４０１０を形成する。このクラッドは、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。また、この上部クラッドの一部は、Ｘ線の導波モード分離測定のために厚さを２ナノメートルとした。

この導波路の上部クラッドの厚さが２ナノメートルの領域に対して、プリズムカップリング（導波路上部への斜入射）により８ｋｅＶの平行Ｘ線ビームを入射し、導波Ｘ線強度の入射角度依存性を測定する。これにより、単層導波モード、周期共鳴導波モードによって導波されたＸ線の出射角度を確認する。この導波路を構成する周期構造体のブラッグ角は、Ｘ線回折測定により０．４８５度と確認される。

（３−２）Ｘ線光学素子の形成
半導体プロセスを用いてシリコン基板上に所定の幅を持つスリットを調製する。このスリットを、導波Ｘ線をモニタしながら、導波路の出射端から１ｃｍの距離における所定の角度に保持し、固定具を用いて導波路に対して位置を固定し図１に示すＸ線光学素子を形成する。このときの選択透過角度（図１中の透過可能なθの範囲）は、（ａ）０．３３２度（３２次のモードの出射角度に対応）以上０．６１７度（同６０次）以下、（ｂ）０．４２７度（同４１次）以上０．５２２度（同５１次）以下、（ｃ）０．４６９度以上０．４８５度以下（周期共鳴導波モードのみを選択）である。

（３−３）効果の測定
形成したＸ線光学素子に対して、フロントカップリングにより１０ｋｅＶのＸ線を入射し、導波Ｘ線を測定した。表３には、導波路を導波した全Ｘ線の相対強度と、その全導波Ｘ線に含まれる周期共鳴導波モードの割合を示す。

本発明のＸ線光学素子は、メソ構造体膜をコアとするＸ線導波路を周期共鳴導波モードによって導波したＸ線を、出射角度選択的に透過する機構を有し、その機構が導波路に対して位置が固定されていることを特徴とする。この測定結果は、この特徴を有する本発明のＸ線光学素子を用いることで、位相の揃ったＸ線を、数センチメートル程度のサイズで得ることを可能とすることを示す。

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。

１０００コア
１０１０、１０２０クラッド
１０３０Ｘ線導波路
１０６０Ｘ線を選択的に透過する機構
１０８０、１０９０物質
２００１コア
２００２、２００３クラッド
２００４基本構造
２００５、２００６物質
４０００、４０１０クラッド
４０２０コア

Claims

Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構を有するＸ線光学素子であって、
前記Ｘ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのコアと、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッドを有し、
前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、
前記クラッドと前記コアとの界面における前記Ｘ線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、
前記Ｘ線を選択的に透過する機構は、所定の出射角度で前記Ｘ線導波路を出射したＸ線を選択的に透過することを特徴とするＸ線光学素子。
前記コアの周期性に起因するブラッグ角は、前記周期構造をなす複数の物質の間における全反射臨界角よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
前記コアが周期性多層膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線導波路。
前記コアが周期性メソ構造体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線導波路。
前記コアが周期性を有するメソポーラス膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線導波路。
前記Ｘ線を選択的に透過させる機構は、前記Ｘ線導波路に対する位置が固定されてい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線光学素子。
Ｘ線源と、Ｘ線導波路と、前記Ｘ線導波路から出射したＸ線を選択的に透過させる機構を有するＸ線光学システムにおいて、
前記Ｘ線源は、波長λの単色Ｘ線を照射し、
前記Ｘ線導波路は、Ｘ線を導波させるためのコアと、前記コアに前記Ｘ線を閉じ込めるためのクラッドを有し、
前記コアは、屈折率実部が異なる複数の物質からなる周期構造を有し、
前記クラッドと前記コアとの界面における前記Ｘ線の全反射臨界角は、前記コアの周期性に起因するブラッグ角よりも大きく、
前記Ｘ線を選択的に透過する機構は、Ｘ線の出射角度を選択的に透過する機構であることを特徴とするＸ線光学システム。
前記コアと前記クラッド界面に垂直な方向におけるコアの厚さをＤとした場合、前記Ｘ線導波路の出射端と前記Ｘ線を選択的に透過する機構の距離は、Ｄ^２／λ以上１ｃｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学システム。