JPH03274500A - Ｘ線源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、Ｘ１１１Ｊ微鏡等において高い分解能が得ら
れる微小Ｘ線源に関するものである。

［従来の技術］ 従来、試料の拡大透過Ｘ線像を得る装置として投影型Ｘ
線顕微鏡が知られており、該装置のＸ線源は単一の金属
箔に対して加速した電子を対物レンズで収束して当て、
該金属箔から発生する特性Ｘ線を利用するという方法が
採用されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のｘｉ源においては微小な高輝度Ｘ
線が得られないために分解能を向上できない、信号のバ
ックグランドが多い等、多くの問題を抱えていた。

その理由は次のようである。電子が金属箔に入射した後
の拡散領域の形状については、Ａｒｃｈａｒｄの説明を
全容、岡山が修正したモデルが一般的に使用されており
、それによれば、第１図に示すように、金属箔１に入射
した電子２はＲ１の深さまで直線的に進んでそこから球
状に等方散乱し、半径Ｒ２の距離で消滅する。従って、
金属箔１の表面からの電子の最大侵入深さＲは次の＜１
）式で示される。

Ｒ＝　ＲＩ＋　Ｒｔ　　　　　　　　　　・・・（１）
なお、第１図において、３は金属箔１から発生された特
性Ｘ線、Ｒｓは完全拡散深さ、４はＸ線発生最大領域、
５は実効的な電子拡散領域、６は実効的なＸ線発生領域
を示す。

電子の最大侵入深さＲは次の（２）式で与えられる。

・・・（２） ここで、Ｅ＠は加速電圧、Ａは原子量、ρは密度、Ｚは
原子番号である。

また、Ｒ１とＲとは、γ＝０．１８７２”　としたとき
、次の（３）式で示される関係にある。

Ｒ＋＝Ｒ（１＋２γ−０，２１γす／２（ｌ＋γリ　・
・・（３）ところで、金属箔１に入射した電子の大部分
はＲの７０％程度の深さまでしか達しない。これをＲｏ
とする。また、Ｘ線の最大発生深さＲｏは、（２）式の
Ｅ、！／３に代えて（Ｅ　ａ””　−Ｅ　ｃ”りを用い
ることにより求めることができる。Ｅｃは特性Ｘ線の臨
界励起電圧である。Ｒ，の７θ％をＲ１８とすると、大
部分のＸ線はこの深さＲ，。の範囲内で発生しているこ
とが知られている。

従来のＸ線源においては、ターゲットである金属箔１の
厚さは、上記の（２）式で得られるＲより厚くなされて
おり、従って、Ｘ線発生源の直径は第１図のして示すよ
うであり、大きいものであった。

ところで、ｘｗａｓ微鏡においては、Ｘ線発生領域を狭
くして、分解能および輝度を向上させることが求められ
ているが、従来のように厚さがＲ以上の金属箔１を用い
て特性Ｘ線３を発生させる方式においては、これらの要
求を部分的にしか満足することができないものであった
。即ち、輝度を向上させるためには、単位面積当りの電
子ビーム量を多くするか、その加速電圧を高くすればよ
いが、電子ビーム量を多くすると、電子ビームが照射さ
れた部分の温度が上昇して金属箔１が熱的に損傷を受け
るので、動作中に金属箔１が溶解して穴が開いてしまう
という問題があり、他方、加速電圧Ｅａを高くすると、
電子の侵入深さが深くなるのでＲが大きくなり、それに
伴って実効的なＸ線発生深さＲ０８も増大し、特性Ｘ線
発生部が拡大してしまうという問題があった。以上は電
子ビーム２の太さを零とした場合の考察であるが、実際
には電子ビームはある太さを存するから、Ｘ線発生源は
より大きなものとなる。

また、電子ビーム２が金属箔１に当たったときに発生す
る反射電子が対物レンズや対物絞り等（共に図示せず）
に当たってＸ線や二次電子を発生させ、それらが信号の
バックグラウンドや雑音要因になるものであった。

更に、−次電子が電子対物レンズの近傍に設置されてい
る対物絞りに当たったときに発生するＸ線は、金属箔１
を通過し、金属箔１で発生する特性Ｘ線と混ざりあって
拡大投影像の中心部に別の投影像を形成するため、投影
像に使用不能な部分が生じるものであった。

即ち、従来のＸ線源は、金属箔１として単一純金属を用
いるので、耐熱性に優れ、且つ高輝度で微小であり、更
に反射電子がなく、特性Ｘ線、連続Ｘ線、バックグラウ
ンド、雑音の分離が良好であり、エネルギー選択が可能
で発生源の大きさや輝度、位置を可変にでき、かつ再現
性が良い等のＸ線源として望まれる要件を同時に満たす
ことはできないものであり、良好な拡大透過Ｘ線像が得
られるＸ線源として確立されたものとは言えないもので
あった。

本発胡は、上記の課題を解決するものであって、高分解
能で高輝度な微小なＸ線源を提供することを目的とする
ものである。

口課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明においては特性Ｘ
線を発生させる金属箔の厚さＲ１は、上記の（３）式で
定まる値Ｒ７であることを特徴とし、また、本発明のＸ
線源は、上記の（３）式で定まる値Ｒ４の厚さを有する
金属箔と、その中心近傍に所定の大きさの空隙を有し、
前記金属箔で発生する熱を拡散する熱拡散層と、導電性
薄膜が形成され、前記金属箔を透過した電子を吸収し、
前記金属箔で発生した特性Ｘ線を透過するＸ線透過フィ
ルタとを具備することを特徴とする。

［作用コ 本発明においては、特性Ｘ線を発生する金属箔の厚さを
上記（３）式で求められるＲｏとするので、Ｘ線源を従
来より微小なものとすることができ、分解能を向上させ
ることができる。また、金属箔を透過した電子は熱拡散
層およびＸ線透過フィルタにより阻止することができる
。

更に、本発明に係るＸ線源は電子ビーム入射位置を中心
として回転可能となされているので、電子ビームに対す
る金属箔の厚さをフォーカスずれを生じることなく変更
でき、以て加速電圧の変更に容易に対応することができ
る。

［実施例コ 以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第２図は本発明に係るＸ線源をＸ線顕微鏡に適用した場
合の構成例を示す図であり、図中、１０はＸ線源、１１
は金属箔、１２は熱拡散層、１３は空隙、１４は導電性
薄膜、１５はＸ線透過フィルタ、１６は直流高圧電源、
１７は対物レンズ、１８は電子ビーム、１９は特性Ｘ線
、２０は試料、２１はＸ線像検出器、２２は多軸ステー
ジを示す。

本発明に係るＸ線源１０は、金属箔１１、熱拡散層１２
、導電性薄膜１４、Ｘ線透過フィルタ１５および直流高
圧電源１６で構成されている。

金属箔１１の厚さは上記の（３）式で求められるＲ１の
値となされている。従って、加速電圧を高くすると、従
来とは逆にＸ線発生源が小さく、且つ強度が増加する。

熱拡散層１２は、その中心に所定の大きさの空隙１３を
有し、金属箔１１で発生した熱を拡散させると共に、直
流高電圧により金属箔１１を透過した電子を吸引し、透
過電子が試料２０およびＸ線像検出器２１に到達しない
ようにするものであグ リ、銅、銀、ヂラファイト等の熱伝導性が良好で、且つ
導電性を有する材料が使用される。

Ｘ線透過フィルタ１５は金属箔１１で発生した特性Ｘ線
を透過し、金属箔１１を透過した電子を吸収するもので
あり、その熱拡散層１２側にはチャージアップを防止す
るために導電性薄膜１４が形成されている。導電性薄膜
１４は炭素あるいは不銹金属で形成され、Ｘ線透過フィ
ルタ１５はベリリウム、アルミニウム、高分子膜などで
形成される。

直流高圧電源１６は、実効加速電圧の増減、金属箔１１
の透過電子の拡散、対物レンズ絞りからの不要なＸ線の
低減、反射電子エネルギーの低減を目的として、金属箔
１１、熱拡散層１２、導電性薄膜１４およびＸ線透過フ
ィルタ１５に対して、目的とする特性Ｘ線の臨界励起電
圧程度の電圧を印加するために設けられているものであ
り、これにより金属箔１１の表面からの反射電子の発生
を抑制し、以てＸ線発生効率を向上させると共に、熱拡
散層１２、Ｘ線透過フィルタ１５においては透過電子の
吸収を行っている。

Ｘ線像検出器２１は拡大投影されたＸ線像を可視化する
ためのものであり、写真フィルム、蓄積性蛍光体シート
、位置敏感検出器、あるいは蛍光板等が用いられる。

対物レンズ１７は一次電子線１８を収束して金属箔１１
に照射するためのものであり、−次電子線１８は、対物
レンズ１７および対物レンズ１７の近傍に配置された対
物絞り（図示せず）の通過時は低加速となされ、対物絞
りから発生するＸ線の強度を弱くしている。

次に、動作について説明する。

第３図は、対物レンズ１７の焦点位置Ｏに、厚さＴの特
性Ｘ線を発生させたい金属箔１１配置し、該金属箔１１
に対して対物レンズ１７を通してｌＧｏ　ｅＶ〜数１０
　ＫｅＶに加速した電子線１８を当て特性Ｘ線を発生さ
せる場合の電子の散乱をモンテカルロ法により求めたも
のであり、金属箔１１に当たった電子は、遮蔽係数をβ
としたとき下記の（４）に従った散乱角θで散乱する。

ｃｏｓθ＝１−（２βＦ（θ）／（β＋１−Ｆ（θ））
　）−（４）（４）式において、Ｆ（θ）に０．９およ
び０．９９を代入すると入射電子の９０％が散乱する角
度θ１および入射電子の９９％が散乱する角度θ２を求
めることができる。

さて、入射電子は（３）式で求められるＲ１の深さまで
直進する。この深さＲ＋を金属箔１１の厚さＴと一致さ
せてやると、厚さＴ（＝Ｒ＋）は、金属箔１１に使用す
る金属の種類と加速電圧Ｅｏが決まれば一義的に決まる
ことになり、特性Ｘ線１９が発生する最大径Ｒ１，、お
よび最小径Ｒｅも定まる。このＲ１８は従来のＸ線源の
大きさより小さいことは明らかである。なお、第３図に
おいて、Ｒｏｌは厚さＲ＋の金属箔において発生するＸ
線が最も多い領域、即ち実効的なＸ線発生範囲の半径を
示したもので、ここではＲ５に対して約７０％の深さが
設定されているが、これは金属箔の種類によって任意に
設定可能な値である。

入射した電子と金属箔１１の衝突により発生する熱は、
熱拡散層１２により周辺に拡散させられるが、従来のＸ
線源に比較すると、Ｘ線を発生しない領域、即ち熱源と
なる領域が非常に狭いので熱の発生は非常に少ないもの
である。

金属箔１１を透過した電子は、熱拡散層１２に形成され
ている空隙１３を通過する間に直流高電圧を印加された
壁に吸収される。また、拡散により電子密度が低減する
。残った透過電子は導電性薄膜１４、Ｘ線透過フィルタ
１５により除去される。該Ｘ線透過フィルタ１５は、熱
を吸収するばかりでなく連続Ｘ線も吸収するので、Ｐ／
Ｂ比の良好な拡散特性Ｘ線となって試料２０を照射し、
そのＸ線透過拡大像をＸ線像検出器２１上に形成する。

Ｘ線透過フィルタ１５の厚さは、ターゲットである金属
箔１１を透過してくる電子の中で最大のエネルギーを育
する電子の飛程によって、その最小膜厚、アルミニウム
金属箔換算値Ｒ′が定ま以上はプローブ径、即ち電子ビ
ーム径を零とした場合であるが、プローブ径を考慮し、
金属箔としてＣｕを使用して特性Ｘ線Ｃｕ−にαを発生
させる場合についてモンテカルロ法により計算した例を
第４図に示す。第４図において、プローブ径は１００　
Ａ〜数μｍでガウス分布しているものとしている。加速
電圧はＥ＠であり、ｌμＡの電流で動作させたとき、２
σを電子線１８の実効プローブ径とみなし、厚さＲ＋の
金属箔１１に電子１８を当てると、電子の飛跡は図のよ
うになり、断面Ａ、　　Ｂ。

Ｃ，Ｄを有する円錐形状の微小なＸ線源が得られること
が分かる。金属箔１１の下面におけるＸ線発生領域の直
径は４σ＋Ｒｅである。

金属箔１１の具体例およびその厚さ、従来のものとの比
較の例を第５図に示す。第５図において、計算値の欄の
値は計算により求められる特性Ｘ線発生領域の最小径Ｒ
６を示し、実施例の欄の値はプローブ直径を４σ＋Ｒｅ
としたときの特性Ｘ線発生領域の最大径Ｒ１８を示し、
従来法の欄の値はプローブ径を４σ＋２　Ｒ、、＊とし
たときの特性Ｘ線発生領域の最大径を示している。なお
、Ｒ＠Ｘ２は実効的なＸ線発生範囲の半径を示す。

ターゲット厚さの欄はＲ１の値を示し、フィルタ厚さの
欄の値はＸ線透過フィルタのアルミニウム金属箔換算値
Ｒ′を示す。

第５図から、本発明によれば、Ｘ線発生源の大きさを１
７，２〜１八にすることができることが分かる。

本発明においては、容易に理解できるように、加速電圧
Ｅａを高くすると実効プローブ径および散乱角θ、は小
さくなるので、従来法のように加速電圧を高くした場合
のＸ線源の増大はなくなる。従って、Ｐ／Ｂ比が増加す
る頼囲内で加速電圧を高くすることができるので、電流
の少ない状態で、即ち電子ビームを細く絞るのに都合の
よい条件で微小なＸ線源が得られることになり、通常は
金属箔１１を融点近傍の温度に上昇するまで電子エネル
ギーを照射することが可能である。特に、本発明のＸ線
源においてはＸ線透過フィルタ１５を有するため、−回
のＸ線投影時間内に金属箔１１に穴が開く程度の大量の
電子線を照射することもできる。また、間欠的に電子線
を照射することによってもＸ線強度を上げることができ
る。いずれにしても金属箔１１から発生した熱は熱拡散
層１２により拡散される。

ところで、Ｘ線顕微鏡は本質的には深さ方向を観察する
ものであるから、立体像の観察が要求される。そのため
にはステレオペア像、即ち視差を有する二つの像を得る
必要があるが、その場合には、第６図に示すように、ま
ず、入射点をＯとして１枚目の像を得、次に多軸ステー
ジ２２によりＸ線源１０、試料２０およびＸ線像検出器
２１を電子線１８に対して移動させて入射点をＯ′とし
て２枚目の像を得るようにする。なお、立体角γは通常
１５°以内である。

また、加速電圧Ｅｉを変更した場合には、（３）式によ
り得られるＲ１も変化するので、金属箔１１の厚さＴも
変更される必要があるが、その際には、第７図に示すよ
うに、多軸ステージ２２によって、Ｘ線源１０をＡで示
す正置の状態からＢで示す状態に、加速電圧の増加に応
じた角度εだけ電子線１８の入射点を中心として回転さ
せるようにする。

これによって入射する電子線１８に対して金属箔１１の
厚さは、 Ｔ’　　＝　Ｔｓｅｃｇ　　　　　　　　　”（５）に
増加するので、加速電圧の増加に耐えることができる。

このときＸ線透過フィルタ１５についても同様の式が成
立するので透過電子のエネルギーが増加しても有効に透
過電子を吸収することができる。

このようにＸ線源１０を電子線の入射点を中心に回転さ
せた場合には、回転に伴ってフォーカスがずれないユー
セントリック方式となる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可
能である。例えば、上記実施例では加速電圧を増加させ
る場合にＸ線源１０を電子線の入射点を中心として回転
するようにしたが、試料を回転させるようにしてもよい
ものである。

また、上記実施例においては、金属箔１１、熱拡散層１
２、導電性薄膜１４およびＸ線透過フィルタ１５に同じ
電圧を印加するようになされているが、第８図に示すよ
うに、熱拡散層１２と導電性薄膜１４との間に絶縁層３
０を設けると共に、抵抗３１を挿入し、導電性薄膜１４
およびＸ線透過フィルタ１５に印加する電圧を熱拡散層
１２に印加する電圧より低くする。これにより金属箔１
１を透過した電子に対して減速場を形成できるので、透
過電子の吸収をより良好に行うことができる。

更に、多軸ステージ２２により試料２０を光軸に沿って
上下に移動可能とすることによって倍率を可変とするこ
とができる。

［発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、次の
ような効果を得ることができる。

■従来、ターゲットである金属箔１１の厚さが電子の最
大侵入深さＲ以上であったものを、電子侵入後直線的に
進む距離Ｒ５としたので、侵入した電子の広がりが従来
の’／＋、２〜’／ｓとなり、Ｘ線発生源のサイズが小
さくなり、その結果、透過Ｘ線拡大像の分解能を向上さ
せることができる。

■金属箔１１の下方に正の直流高電圧が印加される空隙
を何する熱拡散層１２を設けたので、金属箔１１の熱的
損傷が減少し耐熱性、耐久性を向上させることができ、
また、金属箔１１を透過した電子の拡散、吸収を促進す
ることができる。

■金属箔１１を透過した電子と金属箔１１で発生する特
性Ｘ線の分離、熱反射、そして連続Ｘ線の吸収のために
Ｘ線透過フィルタ１５を設けたので、Ｐ／Ｂ比の良好な
特性Ｘ線が得られ、投影像のコントラストが向上し、熱
雑音を非常に低減することができる。

■Ｘ線透過フィルタ１５にチャージアップを防止するた
めの導電性薄膜１４を設けたので、酸化しやすい金属や
高分子もＸ線透過フィルタの材料として使用できる。

■加速電子の金属箔１１への入射点０を中心に回転する
多軸ステージ２２を設けたので、加速電圧を高い方向へ
変更した場合においても金属箔１１およびＸ線透過フィ
ルタ１５の厚さを最適に保つことができる。

■直流高圧電源を設け、Ｘ線源１０に特性Ｘ線の臨界励
起電圧程度の高電圧を印加するので、従来の加速電圧と
は独立に調整可能となり、Ｘ線発生領域の制御が可能と
なり、対物絞り、対物レンズの領域を比較的低加速の電
子で通過させることができ、対物絞りからの発生するＸ
線量を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＸ線源の問題点を説明するための図、第
２図は本発明に係るＸ線源をＸ線顕微鏡に適用した実施
例の構成例を示す図、第３図はプローブ径を考慮しない
場合の本発明に係るＸ線源における金属箔の厚さおよび
Ｘ線発生源の大きさを説明するための図、第４図はプロ
ーブ径を考慮した場合の本発明に係るＸ線源におけるＸ
線発生源の大きさを説明するための図、第５図は金属箔
の具体例およびその厚さ、従来のものとの比較を説明す
るための図、第６図は立体像を得るための構成を示す図
、第７図は加速電圧の上昇に応じたＸ線源の回転を説明
するための図、第８図は変形例を示す図である。 １０・・・Ｘ線源、１１・・・金属箔、１２・・・熱拡
散層、１３・・・空隙、１４・・・導電性薄膜、１５・
・・Ｘ線透過フィルタ、１６・・・直流高圧電源、１７
・・・対物レンズ、１８・・・電子ビーム、１８・・・
特性Ｘ線、２０・・・試料、２１・・・Ｘ線像検出器、
２２・・・多軸ステージ。 出　　願　　人　日本電子株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）特性Ｘ線を発生する金属箔の厚さＲ＿１が、Ｚを
   原子番号、γ＝０．１８７Ｚ＾２＾／＾３、Ｒを電子の
   最大侵入深さとしたとき次の式で定まる値であることを
   特徴とするＸ線源。 Ｒ＿１＝Ｒ（１＋２γ−０．２１γ＾２）／２（１＋γ
   ＾２）（２）Ｚを原子番号、γ＝０．１８７Ｚ＾２＾／
   ＾３、Ｒを電子の最大侵入深さとしたとき、 Ｒ＿１＝Ｒ（１＋２γ−０．２１γ＾２）／２（１＋γ
   ＾２）で定まるＲ＿１の厚さを有する金属箔と、その中
   心近傍に所定の大きさの空隙を有し、前記金属箔で発生
   する熱を拡散する熱拡散層と、導電性薄膜が形成され、
   前記金属箔を透過した電子を吸収し、前記金属箔で発生
   した特性Ｘ線を透過するＸ線透過フィルタとを具備する
   ことを特徴とするＸ線源。 （３）前記金属箔の電子ビーム入射位置を中心としてＸ
   線源を回転可能としたステージを備えることを特徴とす
   る請求項２記載のＸ線源。 （４）前記金属箔、前記熱拡散層、前記導電性薄膜およ
   び前記Ｘ線透過フィルタには、特性Ｘ線の臨界励起電圧
   程度の直流電圧が印加されることを特徴とする請求項２
   または３記載のＸ線源。