DE69504004T2 - Roentgenstrahlungsoptik mit streifendem lichteinfall und sphaerischen spiegeln - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln von Röntgenstrahlung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zum Interferieren eines ersten Röntgenstrahls mit einem zweiten Röntgenstrahl auf einer Brennebene gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 und auf ein Verfahren des Linienfokussierens einfallender Röntgenstrahlung von einem Gegenstand auf eine Brennebene gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7.
• Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum optischen Behandeln von Röntgenstrahlen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die Verwendung von sphärischen Spiegeln in Reflexionseinfall zum Fokussieren, bildlichen Darstellen, Kollimieren und Durchführen von Interferometrie bei dem Röntgenstrahlbereich des Spektrums. Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für den vollständigen Bereich des Röntgenstrahlabbildens, insbesondere zum Verbessern der Qualität des Brennpunkts des Endbildes, und für Röntgenstrahllithographie.
• Der Wert des Brechungsindex von Materialien in dem weichen Röntgenstrahlbereich ist leicht unterhalb eins und gekoppelt an einen hohen Absorptionskoeffizienten. Die hohe Absorption hat alle Versuche zur Brechungsröntgenstrahloptik bis heute unzufriedenstellend gemacht. Drei Annäherungen werden verwendet: Zonenplatten, normale Einfallsmultischichtspiegel und Reflexionseinfallsspiegel.
• Die Zonenplatte bildet durch Verwendung von Diffraktion ab. Konzentrische Ringe sind auf einer dünnen Lage eingeritzt und lenken etwas der Strahlung zu dem Zentrum, wo sich ein Bild bildet, ab. Die Systeme sind typischerweise aufgrund der Diffraktionsphysik uneffizient, und das sich ergebende Bild hat üblicherweise schwerwiegende chromatische Aberrationen.
• Mehrschichtspiegel werden hergestellt, indem alternierende dünne Schichten von zwei Elementen mit unterschiedlichen Brechungsindices abgelagert werden. Dieses erzeugt konstruktive Interferenz und somit hohes Reflexionsvermögen bei einer Wellenlänge. Diese Annäherung hat den Vorteil, daß sie bei normaler Einfallsoptik verwendet werden kann, aber hat den Nachteil des sehr begrenzten spektralen Bandpasses. Mehrfachschichten werden bei Wellen länger länger als etwa 4 nm verwendet, weil es unterhalb davon schwierig ist, adäquate Schicht zu Schicht Kohäsion zu erzielen.
• Reflexionseinfalloptik macht von der Tatsache Gebrauch, daß der Brechungsindex unterhalb eins ist, was es bei einem geringen Reflexionswinkel einfallender Strahlung ermöglicht, äußere Gesamtreflexion zu erfahren. Reflexionseinfallspiegel haben auch den Vorteil, daß Schliffanfordeungen als eine Funktion von sind abfallen, wobei θ der Reflexionswinkel ist, wodurch die Notwendigkeit der Sub-Nanometer-Oberflächenqualität selbst in dem Röntgenstrahlspektrum vermieden wird.
• Die ersten auf Reflexionseinfall basierenden optischen Designs wurden von Kirkpatrick und Baez (K-B) 1948 (1951 Patent) beschrieben. Sie verwendeten Platten, Kugeln und Zylinder zum Erzeugen eines eindimensionalen Linienfokus. Die zweite Dimension des Fokus wird durch eine zweite Optik, angeordnet neben der ersten, orientiert um 90 Grad, erzielt. Diese Anordnung hat schwerwiegende komatische Aberration, die die Verwendbarkeit bei Hochauflösungsanwendungen begrenzt. Es wurde bis heute nicht gewürdigt, daß zwei sphärische Spiegel für jede Dimension des Fokus ausgewählt und orientiert werden konnten, um Streukreis und auch sphärische Aberration zu minimieren.
• Im Jahr 1952 beschrieb Wolter ein System von extremen asphärischen Paraboloiden, Hyperboloiden und Ellipsoiden, die Hochauflösungsbilder auf der X-Achse und bessere Off- Achsenauflösung erzeugten. Unglücklicherweise haben die Schwierigkeit und Herstellungskosten und das Ausrichten extremer Asphären sowohl die Verfügbarkeit wie auch die Endqualität der Optik begrenzt.
• Eine kürzliche Variation dieser Annäherung besteht darin, den Paraboloid und Hyperboloid eines typischen Walter durch zwei Toroide zu ersetzen. Dieses ermöglicht einem divergierenden Synchrotronstrahl in eine gerade enge Linie mit zwei Reflexionseinfallsreflexionen eingestellt zu werden. Eine Vorrichtung dieser Natur ist in dem U.S. Patent Nr. 5 031 199 von Cole et al. offenbart. Jedoch ist die Aberrationskontrolle von Toroiden beträchtlich minderwertiger als diejenige von Sphären, ihre Herstellungskosten sind viel höher, und ihre sich ergebende optische Herstellungsqualität ist viel geringer in Bezug auf Figur und Streuung.
• Es bleibt ein Verlangen in der Technik nach einer Vorrichtung und Verfahren zum billigen Bearbeiten von Röntgenstrahlen und ohne beträchtliche komatische oder sphärische Aberrationen bestehen.
• Die Vorrichtung zum Behandeln von Röntgenstrahlung ist in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definiert, die Vorrichtung zum Interferieren eines ersten Röntgenstrahls mit einem zweiten Röntgenstrahl ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 definiert, und das Verfahren des Linienfokussierens einfallender Röntgenstrahlung von einem Gegenstand zu einer Brennebene ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 definiert.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren und Vorrichtung zum billigen optischen Behandeln von Röntgenstrahlen und ohne beträchtliche komatische oder sphärische Aberrationen zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch zur Verfügungstellen eines Systems von Reflexionseinfallspiegeln, herstellbar bis zu hoher Toleranz mittels optischer Standardtechniken, die hohes Auflösungsfokussieren, bildliches Darstellen, Kollimation und Interferometrie in dem Röntgenstrahlbereich des Spektrums unterstützen werden. In dieser Schrift soll der Ausdruck "Fokussieren" Linien- und Punktfokussieren, bildliches Darstellen und Kollimieren bedeuten, sofern nicht etwas anderes angegeben ist.
• In Übereinstimmung mit dieser Erfindung wird einfallende Strahlung zwischen einem Gegenstand und einer Brennebene durch einen ersten und einen zweiten Spiegel mit sphärischen Oberflächen behandelt. Die Spiegel sind so orientiert, daß die Gegenstandstrahlung von dem ersten Spiegel in Reflexionsorientierung reflektiert wird und dann von dem zweiten Spiegel in Reflexionsorientierung auf eine Brennebene reflektiert wird, wodurch die komatische Aberration von Extremstrahlen auf mindestens das Niveau sphärischer Aberration von Extremstrahlen reduziert wird. Sowohl die Koma- wie auch sphärische Aberration von Extremstrahlen können auf das Niveau fünfter Ordnung der Aberration reduziert werden. Dieser Aufbau kann beispielsweise zum in Linie bringen von Fokusstrahlung verwendet werden.
• In Übereinstimmung mit dieser Erfindung kann einfallende Strahlung von einem Gegenstand in zwei Dimensionen auf einer Brennebene fokussiert werden, indem vier sphärische Spiegel so orientiert werden, daß die einfallende Strahlung der Reihe nach in Reflexionsrichtung reflektiert wird, so daß die komatische Aberration von Extremstrahlen auf das Niveau sphärischer Strahlung reduziert wird, oder so, daß sowohl Koma- wie auch sphärische Strahlung von Extremstrahlen auf das Niveau fünfter Ordnung der Aberration reduziert werden.
• Ein Röntgenstrahlinterferometer in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfaßt mindestens sechs sphärische Spiegel. Drei der Spiegel in Reflexionseinfall zu einem ersten Strahl fokussieren den ersten Strahl auf eine Brennebene, und drei andere Spiegel in Reflexionseinfall zu einem zweiten Strahl fokussieren den zweiten Strahl so auf die Brennebene, daß die beiden Strahlen interferieren. Die Koma der Extremstrahlen wird auf mindestens das Niveau sphärischer Aberration der Extremstrahlen reduziert.
• Es ist möglich, Strahlung zu fokussieren und ihre komatische Aberration in einem System zweier sphärischer Spiegel zu minimieren, indem man die Spiegel unter Minimieren beider Ausdrücke in der Gleichung für die hier diskutierte Koma auswählt und orientiert. Es ist auch möglich, sphärische Aberration in einem derartigen System unter Verwenden einer Gleichung hier zu minimieren. Gleichungen sind hier auch zum Reduzieren der Koma und sphärischen Aberration in einem Vier- Spiegel-System gegeben.
• Die Fachleute werden das vorhergehende und andere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungen der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, wie in den Begleitzeichnungen veranschaulicht, erkennen.
• Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines sphärischen Spiegels, die eine Strahlenweglänge zeigt.
• Fig. 2 ist eine Seitenabschnittsansicht eines Einzelspiegel-Reflexionseinfall-Optiksystems für einen Röntgenstrahl.
• Fig. 3 ist eine Seitenabschnittsansicht eines Zwei- Spiegel-Systems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Fokussieren und Korrigieren einer Dimension des Röntgenstrahls.
• Fig. 4 ist eine Seitenabschnittsansicht eines Vier- Spiegel-Systems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Fokussieren und Korrigieren zweier Dimensionen eines Röntgenstrahls.
• Fig. 5 ist eine Tabelle, die die Parameter der Elemente des Systems von Fig. 4 zeigt.
• Fig. 6 ist eine Seitenabschnittsansicht eines Interferometers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 1 zeigt Strahlung von Punkt 8, auch als "A" bezeichnet, die von dem sphärischen Spiegel 9 wegreflektiert wird und bei dem Punkt 10, auch als "B" bezeichnet, fokussiert wird. Ein Röntgenstrahl 12 wird bei einem willkürlichen Punkt 11, als "P" bezeichnet, auf der Sphäre 9 reflektiert. Die obere Seite des Spiegels 9 ist tatsächlich die innere Oberfläche einer Sphäre, welche einen relativ großen Radius hat. Somit ist die Krümmung des Spiegels 9 in Fig. 1 nicht gegenständlich offensichtlich. Die Fachleute werden würdigen, daß eine Weglängenausdehnung für den Weg von A nach P nach B die folgende Gleichung ergibt:
• (AP) + (PB) = M&sub0; + zM&sub1; + z²M&sub2; + z³M&sub3; + z&sup4;M&sub4; + ..., (1)
• wobei
• M&sub0; = r + r' (2)
• M&sub1; = 0 (3)
• M&sub0; ist die Gesamtlänge des Zentralstrahls. Der Ausdruck M&sub1; ist das Brennpunktzentrum. Für M&sub2; und höher ist Mn die Aberration unter Ordnung des Systems. Der Begriff M&sub2; gibt den Betrag an, mit dem das System aus dem Brennpunkt liegt. Der Begriff M&sub3; gibt die Koma des Systems an. Der M&sub4; Ausdruck bezeichnet die sphärische Aberration des Systems. M&sub5; gibt die Aberration fünfter Ordnung an und so weiter. Jede Ordnung der Aberration ist kleiner als die vorhergehenden.
• Fig. 2 zeigt Röntgenstrahlung 12, die von einem Gegenstand 14 herrührt, die von dem sphärischen Spiegel 16 wegreflektiert wird und nach rechts vom Spiegel 16 zu einem annähernden Brennpunkt bei Punkt 18 konvergiert. Es kann kein genauer Brennpunkt wegen sphärischer und komatischer Aberrationen für ein Ein-Spiegel-System erhalten werden. Sphärische Aberrationen treten auf, weil Strahlen von einem Auf-Achsen-Gegenstand, die die Spiegeloberfläche mit größeren Abständen von der Achse treffen, näher zu dem Spiegel fokussiert werden als Strahlen, die den Spiegel näher zu seiner Achse treffen. Komatische Aberration tritt auf, weil ein Gegenstandspunkt weg von der Spiegelachse nicht zu einem einzelnen Punkt in dem Bild fokussiert wird. In Reflexionseinfallsystemen wie diesem einen dominiert komatische Aberration.
• Gleichung 7 unten ist die gleiche wie Gleichung 4 oben und gibt die Parameter eines fokussierten Systems für ein Ein- Spiegel-System an. Das System ist annähernd im Fokus, wenn M&sub2; = 0. θ ist der Einfallswinkel des Strahls 14 auf den Spiegel 16, r ist der Abstand von dem Gegenstandspunkt zu dem Spiegel, r' ist der Abstand von dem Spiegel zu dem Bildpunkt, und R ist der Krümmungsradius des Spiegels 16. Wenn R negativ ist, ist die Sphäre konvex.
• Gleichung 8 gibt eine Annäherung der komatischen Aberration, M&sub3;, für ein Ein-Spiegel-System an. Nur die ersten zwei Ausdrücke der Gleichung 5 sind inbegriffen, weil die letzten zwei Ausdrücke in einer Reflexionswinkelkonfiguration vernachlässigbar sind. Es ist aus Gleichung 8 offensichtlich, daß komatische Aberration nicht auf Null in einem Ein-Spiegel- System reduziert werden kann, sofern nicht der Abstand zu dem Gegenstand gleich dem Abstand zu dem Brennpunkt ist, welches im allgemeinen unpraktisch ist. Beispielsweise nähert sich der Abstand zu dem Gegenstand in Teleskopen Unendlichkeit.
• Das meiste der Aberration in dem Fokus kommt von der Koma, und ein System, bei dem M&sub3; auf 0 reduziert ist, wird einen sehr guten Brennpunkt haben. Für einen sogar noch besseren Brennpunkt kann sphärische Aberration ebenso auf Null reduziert werden. Sphärische Aberration, M&sub4;, in einem Einzelspiegelsystem ist durch Gleichung 9 angenähert. Wiederum sind nur die ersten zwei Ausdrücke der Gleichung 6 bei Reflexionseinfall nicht vernachlässigbar.
• Wie im Fall der Koma kann sphärische Aberration nicht auf Null reduziert werden, wenn nicht der Abstand zu dem Gegenstand gleich dem negativen Wert des Abstandes zu dem Brennpunkt ist.
• Fig. 3 zeigt Röntgenstrahlung 12 in einem Zwei-Spiegel- System der vorliegenden Erfindung, umfassend Spiegel 20 und 22. Die Strahlung von einem einzelnen Gegenstandspunkt 24 wird auf einer Linie 26 fokussiert, welche sich in und aus der Seite in Fig. 3 erstreckt. Der Fokus ist ein Linienfokus mit einer sehr leichten Krümmung in der zweiten Dimension. Diese Kurve resultiert aus der Kurve der Sphären in der zweiten Dimension und kann signifikant sein, wenn die Linie lang genug ist. Ersetzen der Sphären durch Zylinder entfernt diese Wirkung gänzlich. Gleichung 10 für den Brennpunkt in einem Zwei- Sphären-System ist im nachfolgenden angegeben. Beide Ausdrücke in Klammern müssen gleich Null für ein In-Fokus-System sein, so daß der Wert von σ&sub2; unwichtig ist. In der Gleichung 10 ist θ der Reflexionswinkel der Strahlung 12 auf den Spiegel 20. θ2 ist der Reflexionswinkel auf Spiegel 22. r ist der Abstand von dem Gegenstand zu dem ersten Spiegel, 20. r&sub2; ist der Abstand von dem Brennpunkt des Spiegels 20 zu Spiegel 22. r&sub2;' ist der Abstand vom Spiegel 22 zu der Brennebene. r' ist der Abstand vom Spiegel 20 zu dem Fokus des Spiegels 20. R ist der Krümmungsradius des Spiegels 20, und R&sub2; ist der Krümmungsradius des Spiegels 22.
• r' wird gefunden, indem der erste Ausdruck in Klammern Null gesetzt wird, und dann wird r2 gefunden, weil r' + r&sub2; gleich dem Abstand zwischen den Zentren der zwei sphärischen Oberflächen sein muß. In dem in Fig. 3 dargestellten System ist r&sub2; negativ.
• Komatische Aberration M&sub3;, angenähert durch Gleichung 11, kann Null gesetzt werden, indem entsprechende Einfallswinkel auf die zwei Spiegel 20 und 22 und der Radius der Spiegel gewählt werden.
• σ&sub3; bestimmt werden, weil der Wert von M&sub3; auf Null gesetzt wird. In der Vergangenheit haben diejenigen, die auf dem Gebiet arbeiten, einen Wert von σ&sub3; gleich (r&sub2;/r')³ verwendet. Dieser Wert ist genau für normale Einfallsysteme, aber der Erfinder hat festgestellt, daß der Wert von σ&sub3; durch Gleichung 12 gegeben ist:
• Natürlich ist in normalen Einfallsystemen der sin θ Faktor nahe eins und kann somit abgezogen werden.
• Wiederum führt Einstellen der Koma gleich Null zu einem sehr guten Fokus. Es ist möglich, den Fokus selbst weiter zu verbessern, indem die sphärische Aberration auf Null eingestellt wird. Die Gleichung für sphärische Aberration in einem Zwei-Spiegel-System ist durch Gleichung 13 unten gegeben.
• M&sub4; kann auch Null gesetzt werden, indem entsprechende Einfallswinkel der zwei Spiegel 20 und 22 und der Radius der Spiegel gewählt werden.
• Der Erfinder hat festgestellt, daß σ&sub4; in Gleichung 13 gegeben zu sein scheint durch:
• Im allgemeinen gibt Gleichung 15 für Mehrfachelementsysteme die Fokus-, komatischen Aberrations- und sphärischen Aberrationsausdrücke,
• wobei die Summierung über die Spiegel i ist.
• Diese Erfindung basiert auf der Verwendung von sphärischen Oberflächenspiegeln, aber die Fachleute werden es würdigen, daß beinahe sphärische Oberflächen auch verwendet werden können. Die Sphäre ist die äußerste optische verfügbare Grundform, wobei die natürliche Konfiguration von Feinschleifen zweier Oberflächen zusammen herrührt, da zwei sphärische Oberflächen mit dem gleichen Radius maßfrei und richtungsfrei gegeneinander gleiten können. Als Ergebnis ist es möglich, eine Sphäre von sehr hoher Qualität mit geringen Kosten herzustellen. Sphären haben ausgezeichnete Form und Glätte, geringe Kosten und allgemeine Verfügbarkeit. Somit sind Sphären allgemein erhältlich und bilden die Grundlage der Erfindung. Jedoch kann etwas Abweichung von einer echten Sphäre in bestimmten Fällen das Systemleistungsvermögen verbessern. Beispielsweise können Zylinder Sphären ersetzen und die Krümmung von dem Linienfokus entfernen. In ähnlicher Weise kann Hinzufügen von etwas Exzentrizität zu der Sphäre, üblicherweise in der Form von einer großen hyperbolischen Exzentrizität, zusätzliche Kontrolle von sphärischer Aberration erlauben und somit ein schnelleres System erzeugen. Toroide können in ähnlicher Weise nützlich sein.
• Eine Hauptschwierigkeit bei der Herstellung von Reflexionseinfallsoptik ist die Reduzierung der Mittelfrequenzwelligkeit (circa ein Millimeter Maßstab), welche Streuung der Röntgenstrahlung verursacht, während gleichzeitig die Form kontrolliert wird. Es ist ein zentraler Vorteil der Sphäre, daß die Rotationsfreiheit beim Schleifverfahren wirksam jeden Mittelfrequenzirrtum entfernt.
• Fig. 4 zeigt ein zweidimensionales Bilddarstellungssystem mit vier sphärischen Spiegeln, 30, 32, 34 und 36 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Krümmung der Spiegel 30, 32, 34 und 36 ist nicht aus Fig. 4 deutlich, weil die Krümmungsradien so groß sind. Zwei der Spiegel, 30 und 34, fokussieren und korrigieren den Strahl in der X- Strahlrichtung, wie in Fig. 3 dargestellt. Die anderen zwei Spiegel, 32 und 36, fokussieren und korrigieren den Strahl in der Y-Richtung, was zu einem echten zweidimensionalen Fokus in der Bildebene ohne signifikante komatische und (gewünschtenfalls) sphärische Aberration führt. Jeder Spiegel ist mit rechten Winkeln zu dem nächsten nahe bei dem konvergierenden Strahl orientiert. Das Positionieren der orthogonalen Sphären muß eingestellt werden, um zu gewährleisten, daß sie nicht gegenständlich interferieren.
• Somit werden bei der vorliegenden Erfindung, um einen Gegenstandspunkt zu einem Bildpunkt zu fokussieren, vier Spiegel verwendet. Ein Spiegel wird zum Fokussieren in jeder Dimension verwendet, und ein Spiegel wird zum Korrigieren sphärischer und komatischer Aberration in jeder Dimension verwendet. Die Kirkpatrick und Baez Annäherung verwendete nur zwei Spiegel, um die zwei Richtungen zu fokussieren, wobei beträchtliche Aberrationen verblieben. Bei der bevorzugten in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform sind alle vier Spiegel konkav, und sie sind alle als nächstes zueinander angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen den Spiegeln schmal im Vergleich zu der Länge der Spiegel ist. Jeder Spiegel ist etwa 1 cm breit und 28,6 cm lang mit entsprechender Dicke in bezug auf Steifheit. Spiegel 30 und 34 haben ihre Oberflächen, die Röntgenstrahlen in die Ebene der Seite reflektieren, und Spiegel 32 und 36 reflektieren Röntgenstrahlen aus der Ebene der Seite. Die Winkel sind wegen Klarheit übertrieben worden.
• Die bevorzugte Ausführungsform von Fig. 4 ist ein Teleskop, das auf eine Einquadratzentimeter-Eingangsöffnung (nicht dargestellt) einfallendes paralleles Licht auf einen Fünfmikrometerquadrat-Fokus (nicht dargestellt) über eine Distanz von etwa drei Metern fokussiert. Das Teleskop umfaßt die vier sphärischen Spiegel 30, 32, 34 und 36. Die spezifische in Fig. 4 dargestellte Konstruktion ist im wesentlichen komafrei, aber sphärische Aberration ist nicht entfernt worden, weil sie schon so gering ist. Bei anderen Ausführungen und Konfigurationen kann es wünschenswert sein, sphärische Aberration zu reduzieren oder zu entfernen.
• Fig. 5 ist eine Tabelle, die die Anordnung und Orientierung der vier Spiegel in einem spezifischen Beispiel der bevorzugten Ausführungsform definiert. Bei der bevorzugten Ausführungsform fokussieren und korrigieren Spiegel 30 und 34 in der X-Richtung, und Spiegel 32 und 36 fokussieren und korrigieren in der Y-Richtung. In der Praxis ist die Ordnung der Elemente nicht von Bedeutung. Für jeden der vier Spiegel ist der Krümmungsradius in der Tabelle in Spalte 2 oder 3 angegeben. Die Trennung zwischen dem Zentrumspunkt jedes Spiegels und dem Zentrumspunkt des ihm vorangehenden Spiegels ist auch angegeben. Der Winkel, bei dem die Röntgenstrahlung von jedem Spiegel abprallt, ist ebenso angegeben. Beachte, daß jeder Spiegel eine Länge von bis zu 300 Millimetern haben soll, was es den Spiegeln ermöglicht, überlappt zu sein. Die Werte der komatischen und sphärischen Aberrationskoeffizienten sind dargestellt, beide für jeden Spiegel und für die Kombinationen von Spiegeln 30 und 34 und Spiegeln 32 und 36. Die Gesamtkoma, gegeben durch z³M&sub3; (siehe Gleichung 1) ist weniger als ein Prozent der Koma für jeden Spiegel allein. Die Gesamtkoma (z³M&sub3;) ist auf das Niveau sphärischer Gesamtaberration (z&sup4;M&sub4;) reduziert worden für Werte von z (Abstand von der Achse) größer als 30 mm. Somit ist diese Konstruktion nur durch sphärische Aberration wirksamkeitsbegrenzt. Die Extremstrahlen (diejenigen am Rand der Linse), welche die schlimmsten Aberrationen von allen Typen haben, haben Koma, welche gut unterhalb des Niveaus sphärischer Aberration reduziert ist. Sphärische Aberration war nicht korrigiert, weil die Werte schon so klein waren. Die Fachleute werden es schätzen, daß es redlich sein würde, eine Konstruktion mit sowohl entfernten komatischen wie sphärischen Aberrationen auszuführen, und es mag in anderen Konfigurationen wünschenswert sein.
• Die Brennebene ist die Ebene, in der das Bild fokussiert wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist sie bei 90 Grad zu dem konvergierenden Strahl orientiert. Es existieren Lösungsklassen, die einen breiteren Ansichtsbereich normal zu dem konvergierenden Strahl liefern, wobei viele mehr als vier Reflexionen umfassen. Die Brennebene ist 2101,03 Millimeter vom Spiegel 36 angeordnet.
• Die Ausrichtungstoleranzen der vier Elemente sind bemerkenswert locker im Hinblick auf die Bildqualität. Dieses ist vorwiegend die Wirkung der sehr langsamen Natur des Strahls, typischerweise um f/300. Das Vermögen, den Oberflächentoleranzanforderungen beispielsweise für ein 0,5 Bogensekundenbild zu begegnen, wird leicht durch gegenwärtige Sphärenoptikschleifverfahren durchgeführt. Die engste Positionstoleranz zwischen zwei beliebigen Elementen des Systems für ein derartiges Bild beträgt 0,3 mm. Die engste Winkelgrenzwertbedingung beträgt 10 Bogensekunden. Diese können leicht erzielt und beibehalten werden. Die Fachleute werden es schätzen, daß viele Variationen zu der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform möglich sind. Beispielsweise können die hier beschriebenen Apparatgeometrien für die Verwendung bei einer Vielzahl von Reflexionswinkeln eingestellt werden. Winkeln nahe 10 Grad unterstützen Wellenlängen der Ordnung 10 nm und länger. Winkel von 2 Grad unterstützen Wellenlängen der Ordnung von 1 nm und länger. Von besonderem Interesse sind die Konstruktionen mit Reflexionswinkeln unterhalb von 0,5 Grad. Bei diesen geringen Winkeln können Röntgenstrahlen mit Wellenlängen der Ordnung 0,1 nm fokussiert werden, was es den Systemen ermöglicht, ohne die Notwendigkeit von Vakuumkammern zu arbeiten. Konvexe Sphären können eine sehr nützliche Rolle bei der Designoptimierung spielen, insbesondere beim Erzeugen eines breiten Bereichs von Plankonstruktionen.
• Die vorliegende Erfindung hat eine Vielzahl von Anwendungsbereichen, einschließlich Teleskopen, Mikroskopen, Relaisoptiken, Kollimatoren und Interferometern. Im wesentlichen spielt jede Vier-Spiegel-Kombination die Rolle einer Linse in der Röntgenstrahlregion, was es dem gesamten Anwendungsbogen von Linsen in dem sichtbaren Teil des Spektrums ermöglicht, zu dem Röntgenstrahlbereich übertragen zu werden. Und wie Koppeln von Linsen in Serie zu vielseitigeren Konstruktionen führt, tut dieses Koppeln mehrerer Sätze von Röntgenstrahlsphären.
• Beispielsweise ermöglichen die sehr hohe Fokusqualität und die Fähigkeit, den wirksamen Brennpunktabstand der vorliegenden Erfindung zu kontrollieren, die Konstruktion eines Röntgenstrahlinterferometers, wie in Fig. 6 dargestellt. Sphären 50 und 51 erzeugen einen Hochqualitätslinienfokus auf der Brennebene 56, der nur durch Diffraktion begrenzt ist. Die Sphäre 52 verstärkt den Fokus und ebnet den Sichtbereich auf den Detektor 56. Die Sphären 53, 54 und 55 erzeugen einen identischen Strahl, der auf die gleiche Linie auf 56 fokussiert wird. Die Diffraktionshülle wird sich bei λ/D Winkelabstand einstellen, wobei D die Trennung von Sphären 50 und 53 ist, welche größtenteils die Trennungsauflösung über in der Technik bekannte Vorrichtungen vergrößert. Wenn beispielsweise D 20 Zentimeter beträgt, und λ 10 Angstroms ist, beträgt die Auflösung 2 · 10&sup8; oder 0,001 Bogensekunden.
• Die vorliegende Erfindung verwendet Reflexionseinfall, welcher wirksamer als andere Röntgenstrahloptiksysteme ist. Unähnlich den Mehrschicht- und Zonenplattenkonstruktionen fokussieren Reflexionseinfallsysteme alle die Strahlung bis zu einer Cut-off-Energie, die durch den Reflexionswinkel gesetzt ist. Wirkungsgrade in dem 10 bis 50% Bereich sind typisch.
• Darüberhinaus ergibt die vorliegende Erfindung bessere Bildqualität als vorhergehende Systeme. Mit gut geschliffenen und gestalteten Sphären in einem gut konstruierten Vier-(oder Mehr-) Elementsystem ist die Auflösungsgrenze die Diffraktionsgrenze, gut bevor die Aberrationen bedeutsam werden. Beispielsweise ist die Grenzfleckgröße bei einer numerischen Öffnung von 0,01, betrieben bei 0,1 nm, 0,01 Mikrometer.
• Während die beispielhaften bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier mit Genauigkeit beschrieben sind, werden die Fachleute verschiedene Änderungen, Modifikationen, Zusätze und Anwendungen anders als diejenigen, die spezifisch hier genannt sind, erkennen, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Behandeln von Röntgenstrahlung (12), wenn sich die Röntgenstrahlung zwischen einem Gegenstand (24) und einer Brennebene (26) so erstreckt, daß komatische Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung (12) auf mindestens das Niveau sphärischer Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung reduziert wird, gekennzeichnet durch Umfassen: eines ersten Spiegels (20) mit einer sphärischen Oberfläche, eines zweiten Spiegels (22) mit einer sphärischen Oberfläche, erste Halterungsmittel zum Ausrichten des ersten Spiegels (20) in solcher Weise, daß von dem Gegenstand empfangene Röntgenstrahlung (12) von der sphärischen Oberfläche des ersten Spiegels (20) in Reflexionsausrichtung (grazing orientation) reflektiert wird, und zweite Halterungsmittel zum Ausrichten des zweiten Spiegels (22) in solcher Weise, daß von dem ersten Spiegel empfangene Röntgenstrahlung von der sphärischen Oberfläche des zweiten Spiegels (22) in Reflexionsausrichtung auf die Brennebene reflektiert wird.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Halterungsmittel den ersten und zweiten Spiegel (20, 22) derart ausrichten, daß sphärische Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung und komatische Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung mindestens auf das Niveau der Aberration fünfter Ordnung von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung reduziert werden.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Fokussieren der Röntgenstrahlung in zwei Dimensionen auf die Brennebene gekennzeichnet durch Umfassen: eines dritten Spiegels (34) mit einer sphärischen Oberfläche, eines vierten Spiegels (36) mit einer sphärischen Oberfläche, und dritte Halterungsmittel zum Ausrichten des dritten Spiegels (34) in solcher Weise, daß von dem zweiten Spiegel (32) empfangene Röntgenstrahlung von der sphärischen Oberfläche des dritten Spiegels (34) in Reflexionsausrichtung reflektiert wird, und vierte Halterungsmittel zum Ausrichten des vierten Spiegels (36) in solcher Weise, daß von dem dritten Spiegel (34) empfangene Röntgenstrahlung von der sphärischen Oberfläche des vierten Spiegels in Reflexionsausrichtung auf die Brennebene reflektiert wird.

4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten, zweiten, dritten und vierten Halterungsmittel den ersten, zweiten, dritten und vierten Spiegel (30, 32, 34, 36) so ausrichten, daß sphärische Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung und komatische Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung in den beiden Dimensionen mindestens auf das Niveau der Aberration fünfter Ordnung von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung reduziert werden.

5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (a) der erste Spiegel (20) eine sphärische Oberfläche mit Radius R hat, (a) der zweite Spiegel (22) eine sphärische Oberfläche mit Radius R&sub2; hat, wobei die Röntgenstrahlung von der sphärischen Oberfläche des ersten Spiegels (20) auf die sphärische Oberfläche des zweiten Spiegels (22) reflektiert und auf die Brennebene unter Minimieren beider Ausdrücke in Klammern in der Gleichung

fokussiert wird, und wobei komatische Aberration M&sub3; durch Minimieren der Gleichung:

minimiert wird, wobei θ ein Reflexionswinkel (graze angle) der Röntgenstrahlung (12) an den ersten Spiegel (20) ist, θ&sub2; ein Reflexionswinkel der Röntgenstrahlung an den zweiten Spiegel (22) ist, r ein Abstand von dem Gegenstand zu dem ersten Spiegel (20) ist, r&sub2; ein Abstand von einem Brennpunkt des ersten Spiegels (20) zu dem zweiten Spiegel (22) ist, r&sub2;' ein Abstand von dem zweiten Spiegel zu der Brennebene ist, r' ein Abstand von dem ersten Spiegel (20) zu einem Brennpunkt des ersten Spiegels (20) ist, und wobei

6. Vorrichtung zum Interferieren eines ersten Röntgenstrahls mit einem zweiten Röntgenstrahl auf einer Brennebene (56) gekennzeichnet durch Umfassen: mindestens eines ersten (50), zweiten (51), dritten (52), vierten (53), fünften (54) und sechsten (55) sphärischen Spiegels, erste Halterungsmittel zum Ausrichten des ersten (50), zweiten (51) und dritten (52) Spiegels in einer solchen Weise, daß der erste Röntgenstrahl in Reflexionsausrichtung von dem ersten Spiegel (50) und dann in Reflexionsausrichtung von dem zweiten Spiegel (51) und dann in Reflexionsausrichtung von dem dritten Spiegel (52) in den Brennpunkt auf der Brennebene (56) reflektiert wird, wobei die Winkel der Reflexionsausrichtung gewählt sind, komatische Aberration von Extremstrahlen des ersten Röntgenstrahls zu erzeugen, die zumindest auf das Niveau von sphärischer Aberration von Extremstrahlen des ersten Röntgenstrahles reduziert wird, und zweite Halterungsmittel zum Ausrichten des vierten (53), fünften (54) und sechsten (55) Spiegels in solcher Weise, daß der zweite Röntgenstrahl in Reflexionsausrichtung von dem vierten Spiegel (53) reflektiert wird und dann in Reflexionsausrichtung von dem fünften Spiegel (54) und dann in Reflexionsausrichtung von dem sechsten Spiegel (55) in den Brennpunkt auf der Brennebene reflektiert wird, wobei die Winkel der Reflexionsausrichtung ausgewählt sind, komatische Aberration von Extremstrahlen des zweiten Röntgenstrahls zu erzeugen, die zumindest auf das Niveau von sphärischer Aberration von Extremstrahlen des zweiten Röntgenstrahls reduziert wird, wobei der erste Röntgenstrahl mit dem zweiten Röntgenstrahl auf der Brennebene (56) interferiert.

7. Ein Verfahren des Linienfokussierens von einem Gegenstand (24) auf eine Brennebene (26) in einem optischen System einfallender Röntgenstrahlung (12), wobei das optische System mindestens einen ersten (20) und einen zweiten (22) sphärischen Spiegel hat, wobei das Verfahren komatische Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung auf mindestens das Niveau sphärischer Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung reduziert, gekennzeichnet durch Umfassen der Stufen von: Positionieren des ersten Spiegels (20) zum Reflektieren der Rötgenstrahlung in Reflexionsausrichtung zu dem zweiten Spiegel (22) und Ausrichten des zweiten Spiegels (22) zum Reflektieren der Röntgenstrahlung in Reflexionsausrichtung von dem zweiten Spiegel (22) in den Brennpunkt und zu der Brennebene (26).

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungs- und Ausrichtungsstufen weiterhin die Stufen des Auswählens und Ausrichtens der zwei Spiegel (20, 22) zum Reduzieren der sphärischen Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung und der komatischen Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung auf mindestens das Niveau der Aberration fünfter Ordnung von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung umfassen.

9. Das Verfahren nach Anspruch 7 zum Fokussieren der einfallenden Röntgenstrahlung in zwei Dimensionen in einem optischen System, das einen dritten (34) und einen vierten (36) sphärischen Spiegel hat, gekennzeichnet durch Umfassen der Stufen von: Anordnen des dritten (34) Spiegels zum Reflektieren der Röntgenstrahlung von dem dritten Spiegel (34) in Reflexionsausrichtung zu dem vierten Spiegel (36) und Plazieren des vierten Spiegels (36) zum Reflektieren der Röntgenstrahlung in Reflexionsausrichtung von dem vierten Spiegel (36) in den Brennpunkt und zu der Brennebene.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierungs-, Ausrichtungs-, Anordnungs und Plazierungsstufen weiterhin Auswählen, Positionieren, Ausrichten, Anordnen und Plazieren des ersten, zweiten, dritten und vierten Spiegels (30, 32, 34, 36) zum Reduzieren der sphärischen Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung und der komatischen Aberration von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung in den zwei Dimensionen zumindest auf das Niveau der Aberration fünfter Ordnung von Extremstrahlen der Röntgenstrahlung umfassen.

11. Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (20) und zweite Spiegel (22) sphärische Oberflächensegmente mit entsprechenden Radien R und R&sub2; haben, das Positionieren und Ausrichten des ersten (20) und zweiten (22) Spiegels die Röntgenstrahlung auf der Brennebene (26) fokussiert, indem beide Ausdrücke in Klammern in der Gleichung:

minimiert werden, und die komatische Aberration M&sub3; durch Minimieren der Gleichung

minimiert wird, wobei θ ein Reflexionswinkel der Röntgenstrahlung an den ersten Spiegel (20) ist, θ&sub2; ein Reflexionswinkel der Röntgenstrahlung an den zweiten Spiegel (22) ist, r ein Abstand von dem Gegenstand zu dem ersten Spiegel ist, r&sub2; ein Abstand von einem Brennpunkt des ersten Spiegels (20) zu dem zweiten Spiegel (22) ist, r&sub2;' ein Abstand von dem zweiten Spiegel (22) zu der Brennebene (26) ist, und r' ein Abstand von dem ersten Spiegel (20) zu einem Brennpunkt des ersten Spiegels (20) ist,

und wobei