JP3923180B2 - X-ray optical element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線用光学素子およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
X線はその波長の短さゆえに、多くの物質に対して高い透過率を示す。この特徴を利用して、X線は医療診断や構造物の欠陥発見などに使用されてきた。また最近では、半導体産業などでより高い分解能をもつリソグラフィー技術が必要とされているのに伴い、現在使用されている光源のうち、最も短波長であるエキシマレーザより更に波長が短いX線を利用したリソグラフィー技術が開発の途上にある。
【0003】
ところで、可視や赤外の波長域で通常使用される、ガラス、結晶などの誘電体材料は、X線の波長域では屈折率がきわめて小さくなり、レンズなどの光学素子として使用することができない。また、金属の屈折率も同様に小さくなり、X線波長域では通常の反射鏡として使用できなくなる。
【0004】
そこで、光線を90度に近いきわめて大きな角度で物質に入射するグレージング入射の際には、高い反射率が得られるということを利用したグレージング入射光学系や、2種類以上の異なる物質の、オングストロームオーダのきわめて薄い膜を多数積層することにより構成される多層膜光学系、またはゾーンプレートといった特殊な光学系などが、X線を集光、反射させるために使用される。しかしこれらの光学系は、構成が複雑で、きわめて微妙な調整を必要としたり、製作工程がきわめて複雑であるという理由により、非常に高価なものとなってしまう。
【0005】
そこで、これらの複雑な構造を有する光学系に代わるものとして、細径のガラスキャピラリを複数束ねることにより構成されたキャピラリ光学素子や、複数の細孔を有するガラスプレートを利用したロブスターズ・アイ光学素子をX線の集光やコリメート光学系として使用することが提案、検討されている。これらの光学素子においては、光線は細孔の内壁面にきわめて大きな角度で入射し、内壁面での反射を繰り返しながら伝搬する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常の石英ガラスやパイレクスガラスにより構成された従来の光学素子では、X線領域でのガラスの複素屈折率の虚部が小さいため、きわめて大きな入射角でのグレージング入射の場合でも反射率はあまり大きくなく、X線のエネルギーの一部が内壁に吸収もしくは透過してしまい、結果として光学素子の効率の低下を招いてしまう。
【0007】
この欠点を補うために比較的高い反射率を示す鉛ガラスを用いて光学素子を構成した例はあるが、その効果はあまり大きくなく、著しい効率の上昇をもたらすことはできない。また、非常に高い反射率を示すニッケルなどの金属細管を用いて光学素子を構成しようとする試みもあるが、金属細管の内壁には比較的大きな表面粗さが存在し、それに起因する散乱損失が光学素子としての効率を低下させてしまい、実用化は困難である。
【0008】
そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、単純な構造を有し、低コストでの製造が可能な、高効率なX線光学素子、およびその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、複数の細孔を有するガラスで構成された光学素子であり、その細孔の内壁に金属の薄膜が形成されていることを特徴とするX線用光学素子を提供する。
【0010】
ここで、前記の前記金属は、金、銀、銅、モリブデン、ニッケル、コバルト、ベリリウム、アルミニウムのいずれかであっても良い。
【0011】
また、本発明のX線光学素子の製造方法は、金属有機化合物の蒸気を、複数の細孔を有するガラスで構成された光学素子の細孔内に流入させながら、化学気相成長法により細孔の内壁面に金属の薄膜を形成することを特徴とするX線用光学素子の製造方法である。
【0012】
そして、このような本発明のX線光学素子であれば、単純な構造を有し、低コストでの製造が可能な、高効率なX線光学素子を構成できる。
【0013】
また、本発明のX線光学素子の製造方法によれば、複数の細孔の内壁に一様な金属薄膜を形成することが可能である。また、軟X線から硬X線にわたる広い波長域においても、各種の金属材料を適当に選択することにより、内壁での反射率を向上させることが可能で、効率の高い光学素子を製造可能である。生成される金属薄膜の表面はガラス表面の平滑さに準ずる、きわめて平滑な表面とすることが可能であるため、X線に対しても、散乱による付加損失が小さい光学素子を製造可能である。本発明の製造方法では、原料を蒸気として細孔内に流入させるため、極めて微少な複数の細孔内に同時に成膜を行うことが可能であり、各種形状の光学素子の製造に応用することが可能である。
【0014】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。図1は本発明の光学素子の一実施形態を示す断面図である。同図に示すように、複数のガラスキャピラリチューブ1Aと、このキャピラリチューブ1Aの内壁に設けられた金属薄膜1Bと、この金属薄膜1Bの内壁によって区画される中空領域1Cと、複数のキャピラリチューブ1Aを束ねるためのジャケット1DでX線光学素子1が形成されている。
【0015】
図2は、本発明の光学素子をコリメータとして使用する場合の、一実施形態を示す斜視図および端面における拡大図2Aである。X線光学素子2は複数のガラスキャピラリチューブ1Aを束ねて互いに融着し、形状をテーパ型に成形したものであり、キャピラリチューブ1Aの内面には金属薄膜1Bが形成されている。
【0016】
図3は、コリメータ光学素子2の機能の説明図である。X線管などのX線源3から放射状に発生するX線4をコリメータ光学素子2に入射すると、X線はキャピラリチューブの細孔内に入り、内壁における反射を繰り返した後、平行光線状のX線5となって光学素子2から出射する。
【0017】
図4は、本発明のX線光学素子をレンズとして用いる場合の、実施形態の一例である。複数のキャピラリチューブを束ねて融着して、その内面に金属薄膜を形成することにより、X線レンズ素子6が構成される。
【0018】
図5はレンズ素子6の機能を示す説明図である。放射状の広がりをもつX線4がレンズ素子6に入射すると、キャピラリチューブ内面で反射されてレンズ素子から出射する。図5に示すように出射するX線5は集光されるため、素子6がレンズとして機能することになる。
【0019】
図3および図5に示す説明図において、X線はキャピラリチューブ内面において反射されるが、金属薄膜1Bはその際の反射率を高め、素子全体の透過効率を向上させるという機能を有する。そのため金属薄膜1Bは、使用するX線波長において高反射率を呈することが望ましい。一般に金属の反射率は波長によって異なるため、使用するX線波長に応じて適当な材質の金属を形成する必要がある。また、金属薄膜1Bの膜厚は使用する波長のスキンデプスより厚ければ充分である。
【0020】
また、X線光学素子1の細孔1Cの断面形状は、円形のほか、六角形、四角形などであってもいい。製作工程は複雑になるが、六角形、四角形などにすることにより素子全体のスループットが向上することになる。
【0021】
次に、本発明の中空導波路の製造方法の一例を図6をもちいて説明する。有機金属原料の蒸気ガスを、ガラスキャピラリ1Aの内部に流入させる。その際には、使用する原料により、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスや酸素、窒素、水素などのガスと混合させてガラスキャピラリ1A内に流入させても良い。
【0022】
ガラスキャピラリ1Aの下流側にはターボ分子ポンプまたは油拡散ポンプなどの高真空が得られるポンプ7とメカニカルブースターポンプなどの大きな排気量が得られるポンプ8を配置してある。原料蒸気を流入させる前に、ガラスキャピラリ1Aの内部の空気等を除去するために、高真空ポンプ7を駆動させ、パイプ内の圧力を10−3Pa以下の真空状態にする。その後、原料蒸気を流入させる際には、ポンプを大排気量ポンプ8に切り替え、圧力が10ないし1000Paとなるように原料の流量およびバルブのコンダクタンスを調整する。
【0023】
また、金属成膜の前処理として、ガラスキャピラリ1Aに四塩化チタンなどの蒸気を通すと、パイプの内面が活性化され、低い温度で金属薄膜を生成でき、表面が極めて平滑な金属薄膜が形成できるようになる。本実施例では、圧力10〜1000Paのもと四塩化チタンの入った容器9のバルブを開き、発生した蒸気を1ないし3分程度ガラスキャピラリ1A内に流入させている。
【0024】
その後、30〜60分程度真空状態を保持した後、原料蒸気をガラスキャピラリ1A内に流入させる。その状態で、環状電気炉などの加熱機構10を用いてパイガラスキャピラリ1Aを80〜500℃に加熱することにより、ガラスキャピラリ1A内面に金属薄膜を形成する。この際の温度があまり高いと、成膜速度が大きくなりすぎ、金属薄膜の表面粗さが大きく。そのため、必要最低限の温度に設定することが重要である。
【0025】
【発明の効果】
以上要するに、本発明によれば次のような優れた効果を発揮する。
【0026】
▲1▼使用波長に対し適当な金属を選択することにより透過効率をきわめて高くすることができる。
【0027】
▲2▼各種形状の素子を構成可能で、さまざまな機能をもつ光学素子を形成できる。
【0028】
▲3▼量産性に優れて、低コストでの生産が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す断面図である。
【図2】コリメータ光学素子の斜視図および端面拡大図である。
【図3】コリメータ光学素子の機能についての説明図である。
【図4】レンズ光学素子の斜視図である。
【図5】レンズ光学素子についての説明図である。
【図6】本発明の光学素子の製作方法の説明図である。
【符号の説明】
1 X線光学素子
1A ガラスキャピラリ
1B 金属薄膜
1C 中空領域
2 コリメータ光学素子
2A 端面拡大図
3 X線源
4 入射X線
5 出射X線
6 レンズ光学素子
7 高真空ポンプ
8 大排気量ポンプ
9 塩化チタン容器
10 加熱機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical element for X-rays and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
X-rays exhibit high transmittance for many substances because of their short wavelength. By utilizing this feature, X-rays have been used for medical diagnosis and structural defect detection. Recently, with the need for lithography technology with higher resolution in the semiconductor industry, among the currently used light sources, X-rays with shorter wavelengths than the shortest excimer laser are used. Lithography technology is in the process of development.
[0003]
By the way, a dielectric material such as glass or crystal that is usually used in the visible or infrared wavelength range has a very low refractive index in the X-ray wavelength range and cannot be used as an optical element such as a lens. Further, the refractive index of the metal is similarly reduced, and cannot be used as a normal reflecting mirror in the X-ray wavelength region.
[0004]
Therefore, in the case of glazing incidence where a light ray is incident on a material at an extremely large angle close to 90 degrees, a glazing incidence optical system utilizing the fact that a high reflectance is obtained, and angstrom order of two or more different materials. A multilayer optical system constituted by laminating a large number of extremely thin films or a special optical system such as a zone plate is used to collect and reflect X-rays. However, these optical systems are very expensive because they are complex in construction, require very fine adjustments, and the manufacturing process is very complicated.
[0005]
Therefore, as an alternative to an optical system having these complicated structures, lobster eye optics using a capillary optical element formed by bundling a plurality of small glass capillaries and a glass plate having a plurality of pores It has been proposed and studied to use the element as an X-ray condensing or collimating optical system. In these optical elements, light rays are incident on the inner wall surface of the pore at a very large angle and propagate while repeating reflection on the inner wall surface.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional optical element composed of ordinary quartz glass or pyrex glass, the imaginary part of the complex refractive index of the glass in the X-ray region is small, so that even in the case of glazing incidence at a very large incident angle, the reflectance Is not so large, and part of the energy of the X-ray is absorbed or transmitted through the inner wall, resulting in a decrease in the efficiency of the optical element.
[0007]
In order to make up for this drawback, there is an example in which an optical element is configured using lead glass exhibiting a relatively high reflectivity, but the effect is not so great and a significant increase in efficiency cannot be brought about. There is also an attempt to construct an optical element using a metal thin tube such as nickel that exhibits a very high reflectance, but there is a relatively large surface roughness on the inner wall of the metal thin tube, resulting in scattering loss. However, the efficiency as an optical element is reduced, and practical application is difficult.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a highly efficient X-ray optical element that solves the above-described problems, has a simple structure, and can be manufactured at low cost, and a method for manufacturing the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is an optical element made of glass having a plurality of pores, and a thin film of metal is formed on the inner wall of the pores. An element is provided.
[0010]
Here, the metal may be gold, silver, copper, molybdenum, nickel, cobalt, beryllium, or aluminum.
[0011]
Further, the X-ray optical element manufacturing method of the present invention is a chemical vapor deposition method in which a vapor of a metal organic compound is allowed to flow into the pores of an optical element made of glass having a plurality of pores. A method for manufacturing an optical element for X-rays, comprising forming a metal thin film on an inner wall surface of a hole.
[0012]
And if it is such an X-ray optical element of this invention, it has a simple structure and can comprise a highly efficient X-ray optical element which can be manufactured at low cost.
[0013]
Further, according to the method for manufacturing an X-ray optical element of the present invention, a uniform metal thin film can be formed on the inner walls of a plurality of pores. Moreover, even in a wide wavelength range from soft X-rays to hard X-rays, it is possible to improve the reflectivity on the inner wall by appropriately selecting various metal materials, and it is possible to manufacture highly efficient optical elements. is there. Since the surface of the metal thin film to be generated can be made to be a very smooth surface in accordance with the smoothness of the glass surface, it is possible to manufacture an optical element with small additional loss due to scattering even for X-rays. In the manufacturing method of the present invention, since the raw material is allowed to flow into the pores as vapor, it is possible to simultaneously form films in a plurality of extremely minute pores, which can be applied to the manufacture of optical elements of various shapes. Is possible.
[0014]
[Embodiments of the Invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the optical element of the present invention. As shown in the figure, a plurality of glass
[0015]
FIG. 2 is a perspective view showing an embodiment and an enlarged
[0016]
FIG. 3 is an explanatory diagram of the function of the collimator
[0017]
FIG. 4 is an example of an embodiment in which the X-ray optical element of the present invention is used as a lens. The
[0018]
FIG. 5 is an explanatory view showing the function of the
[0019]
In the explanatory views shown in FIGS. 3 and 5, X-rays are reflected on the inner surface of the capillary tube, but the metal
[0020]
Further, the cross-sectional shape of the pore 1C of the X-ray
[0021]
Next, an example of the manufacturing method of the hollow waveguide of this invention is demonstrated using FIG. The vapor gas of the organic metal raw material is caused to flow into the
[0022]
On the downstream side of the
[0023]
Also, as a pre-treatment for metal film formation, when a vapor such as titanium tetrachloride is passed through the
[0024]
Then, after maintaining a vacuum state for about 30 to 60 minutes, the raw material vapor is caused to flow into the
[0025]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
[0026]
(1) The transmission efficiency can be made extremely high by selecting an appropriate metal for the wavelength used.
[0027]
(2) Elements having various shapes can be configured, and optical elements having various functions can be formed.
[0028]
(3) Excellent in mass productivity and can be produced at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view and an enlarged end view of a collimator optical element.
FIG. 3 is an explanatory diagram regarding functions of a collimator optical element;
FIG. 4 is a perspective view of a lens optical element.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a lens optical element.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for manufacturing an optical element of the present invention.
[Explanation of symbols]
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