JPH0689677A - 撮像方法並びにそれに使用する撮像媒体および撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高分解能で撮像可能な方法および手段を提供
する。 【構成】 電荷蓄積層２に画像情報を含んだ光を照射
し、外部光電効果によって蓄積層２に形成された電荷分
布を前記画像として記録する。画像の読み出しは、蓄積
層２にｐ型半導体からなる補助層４を積層して前記電荷
分布に対応した空乏層１６を形成させ、この状態で電荷
分布を測定することで行う。そのために、蓄積層２と補
助層４からなる撮像媒体１の蓄積層２表面を走査する探
針５と、探針５と撮像媒体１とを相対移動させる移動手
段１２と、補助層４と探針５との間の静電容量を測定す
る電荷分布測定手段とで撮像装置を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高分解能が得られる光
学分析装置（例えば、Ｘ線望遠鏡、Ｘ線顕微鏡等）に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常の可視光よりも分解能が高い撮像方
法としてＸ線を用いる方法がある。例えば、波長が２〜
５nmの軟Ｘ線を用いるＸ線顕微鏡は、可視光（波長が約
400〜800nm ）を用いるよりも分解能が高く、また生物
試料を水中で生きたまま観察できるため医学や生物光学
の分野で有用である。

【０００３】このようなＸ線顕微鏡の場合、その基本的
な構成は、Ｘ線発生器、このＸ線発生器から出射したＸ
線を集光して試料を照明する集光用光学系、試料を透過
したＸ線を結像させる結像用光学系、結像用光学系の結
像位置に配置された撮像装置、Ｘ線発生器から撮像装置
までの光路を真空にするための真空容器、および該真空
容器内を真空に排気するための排気系からなる。そし
て、前記撮像装置としては、主に写真、レジスト、 MCP
（マイクロチャンネルプレート）に蛍光板を組み合わせ
たもの、CCD 等が用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｘ線の分解能に対応し
たＸ線光学分析装置（例えばＸ線顕微鏡）を得るために
は、この装置の光学系（結像系）の分解能を高めると共
に、撮像装置（受光手段）の分解能を高める必要があ
る。従来、撮像装置として使用していた CCDの１画素の
サイズは約10μｍであり、その撮像装置として分解能は
Ｘ線の波長から期待される分解能よりもはるかに低い。
同様に、 MCPと蛍光板とを組み合わせた場合も撮像装置
としての分解能はＸ線の分解能より低い。そこで、光学
系の倍率を高くすることが考えられるが、その場合、光
学系の構成が大型化して分析装置自体も大型化してしま
う。

【０００５】一方、撮像装置として写真やレジストを用
いる方法は、分解能はある程度得ることができるが、撮
像する度に真空容器から取り出して現像する必要があり
作業が煩雑になってしまう。本発明は、このような問題
点を解決することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、画
像の情報を含んだ光を非電導性物質からなる電荷蓄積層
に照射して外部光電効果を生じさせ、該光電効果によっ
て形成された前記蓄積層の電荷分布を前記画像として記
録する（請求項１）ようにした。そして、前記蓄積層に
ｐ型半導体からなる補助層を積層して該補助層に前記蓄
積層の電荷分布に対応した空乏層を形成させた状態で前
記電荷分布を測定することで、前記記録した画像を読み
出す（請求項２）ようにした。

【０００７】また、光が照射されると光電子を放出する
非電導性物質からなる電荷蓄積層と該蓄積層に積層され
蓄積層の電荷分布に応じた空乏層を形成するｐ型半導体
からなる補助層とで撮像媒体を構成した（請求項３）。
さらに、この撮像媒体の電荷蓄積層の表面を走査する探
針と、該探針と撮像媒体とを相対移動させる移動手段
と、前記撮像媒体の補助層と探針との間の静電容量を測
定して前記電荷分布を求める電荷分布測定手段と、を備
えた撮像装置（請求項４）によって撮像媒体に記録され
た画像を読み出すようにした。

【０００８】

【作用】本発明は、光（Ｘ線）の強度分布を撮像媒体の
電荷蓄積層の電荷分布に変換して記録し、この電荷分布
を読み出すことにより画像を得るものである。図２は、
本発明における撮像原理を示す概略図であり、以下、図
２を用いて本発明の作用を説明する。

【０００９】前述のようなＸ線顕微鏡等においては、試
料を透過したＸ線は該試料を透過した部分によって透過
後の強度が異なるため、この試料像に対応するような強
度分布を有する。従って、図２（ａ）に示すように試料
透過後のＸ線９を電荷蓄積層２に照射すると、外部光電
効果によってこの電荷蓄積層２は照射されたＸ線９の光
量（強度）に応じた量の光電子１５を放出する。その結
果、蓄積層２の撮像領域１０には、放出された光電子の
量に相当する正の電荷がＸ線９の光量の分布状態に応じ
て２次元に分布することになる。つまり、蓄積層２にお
いて、照射されたＸ線の光量が多い場所では正の電荷量
が多くなり、Ｘ線の光量が少ない場所では正の電荷量は
少ない。従って、この電荷量の違いによって形成される
電荷分布を、Ｘ線により得られた画像とすることができ
る。なお、放出された光電子１５が再び電荷蓄積層２に
入り込むと、照射されたＸ線９の強度分布と蓄積層２に
形成される電荷分布とが精度良く対応しなくなる恐れが
生じる。そのため、蓄積層を有する撮像媒体を真空中に
設置して試料像の情報を含んだＸ線を照射すると共に、
図に示すように前記蓄積層の近くに正に帯電した電極７
を配置して放出された光電子１５を補足することが望ま
しい。

【００１０】電荷蓄積層２に形成された電荷分布を測定
する際は、局所的に電荷容量（静電容量）を測定するた
めの電荷分布測定手段を用いることにより空間分解能を
ナノメータオーダにまで高めることができる。電荷蓄積
層に形成される電荷分布は電荷の蓄積量に対応してい
る。そして、図２（ｂ）に示すように蓄積層２にｐ型半
導体からなる補助層４を積層させると、この補助層４内
部において蓄積層２の電荷の蓄積量に対応する厚さを有
する空乏層１６が蓄積層２との境界側に形成される。こ
の空乏層１６の厚さは、蓄積層２の表面を走査する探針
と補助層４との間の静電容量として検出できるので、こ
れら探針と補助層との間の静電容量を測定して探針の位
置する場所における静電容量を測定することにより、前
記電荷分布を求めることが可能となる。従って、前記電
荷分布測定手段と撮像媒体とを相対移動させる移動手段
を用いて撮像媒体の蓄積層の表面を探針で走査して電荷
分布を測定していくことにより、前記蓄積層に記録され
た画像の情報を得ることができる。

【００１１】なお、電荷を安定した状態で蓄積させるた
め、電荷蓄積層として用いる非電導性物質は電荷の拡散
が小さい物質（例えばSiN ：シリコンナイトライド）で
形成することが望ましい。また、蓄積層２に形成された
電荷分布を安定した状態に保つために、蓄積層２と補助
層４との間での電子の移動を防ぐ絶縁層をこれら蓄積層
２と補助層４との間に設けてもよい。本発明の撮像媒体
は、画像情報（電荷分布）を消去することで何回も使用
することができる他、真空中での撮像および読出が可能
である。そのため、高分解能で操作性の優れた撮像装置
を提供することができる。また、電荷分布の測定に際し
ては、測定領域が小さいほど探針の走査面内での位置分
解能が高くなり、得られる画像の分解能も高くなる。そ
のため、探針の先端はできるだけ鋭い方が好ましい。

【００１２】以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００１３】

【実施例１】図１は、本発明の撮像装置および撮像媒体
の一実施例を示す概略構成図である。撮像媒体１は、Si
N （シリコンナイトライド）からなる電荷蓄積層２、Si
O （シリコンオキサイド）からなる絶縁層３、およびｐ
型半導体からなる補助層４とが順に積層された構成とな
っている。本実施例では補助層４としてSi（シリコン）
のｐ型半導体を用いたが、他のｐ型半導体、例えば、Ge
（ゲルマニウム）を使用してもよい。絶縁層３は、電荷
蓄積層２と補助層４との間で電子が移動するのを阻止す
るためのもので、これにより蓄積層２に形成される電荷
分布を安定した状態に保つことができる。この絶縁層３
は、十分高い電圧が印加されると蓄積層２と補助層４と
の間にトンネル現象が生じ電子が移動できるようになっ
ている。電荷蓄積層２の厚さは、10〜50nm、絶縁層３の
厚さは、３〜５nmÅとした。補助層４の厚さは通常のSi
ウエハの厚さと同程度でよく、0.3 〜0.5 mm程度に設定
すればよい。

【００１４】画像の記録および読み出しに使用する撮像
装置は、撮像媒体１の電荷蓄積層２表面を走査する導電
性を有する探針５、探針５と補助層４との間の静電容量
（電荷量）を測定して蓄積層２に形成された電荷分布を
求める電荷分布測定手段、撮像媒体１を載置してＸＹＺ
方向に移動することで探針５と撮像媒体１とを相対的に
移動させる移動手段（３次元アクチュエータ）１２、お
よび蓄積層２から放出された光電子を補足するための正
に帯電した電極７とを備えている。電極７は、Ｘ線の入
射を妨げないようにＸ線の撮像領域１０の領域外に配置
されるようにする。電極７には電流モニタ８を接続し、
放出された光電子の量を測定して撮像媒体１に照射され
たＸ線の強度を検出できるようにしてある。そして、Ｘ
線の強度が低い時はＸ線の照射時間（電荷の蓄積時間）
を長くしたり、Ｘ線の光源の出力を上げたりして画像を
記録するのに十分な強度のＸ線が照射されるようにし
た。

【００１５】探針５は板バネ状のカンチレバー６の先端
付近に設置され、先端の曲率半径をできるだけ小さく
（例えば、数10nm）形成してある。電荷分布測定手段
は、撮像媒体１の蓄積層２の表面を走査する探針５と補
助層４との間の静電容量を測定することで蓄積層２に形
成された電荷分布を求める容量測定系およびレバー６の
曲がり具合（探針５の変位）を測定する探針変位測定系
２０とで構成されている。カンチレバー６は、探針５と
蓄積層２との間に働く力（斥力：10^-8〜10^-9Ｎ程度）に
対して操作（反応）できるように設定してある。

【００１６】前記容量測定系は、探針５と補助層４との
間の静電容量を測定する静電容量測定器（キャパシティ
センサ）１１と、移動手段駆動回路（図示せず）を介し
て移動手段１２を所望の方向に駆動制御すると共に、蓄
積層２上での探針５の位置（測定位置）とその位置での
測定器１１による測定結果（静電容量）とを対応させて
蓄積層２の電荷分布を求める制御手段１３と、制御手段
１３で求めた蓄積層２の電荷分布を試料の像として表示
する画像表示測定１４と、を備えている。静電容量測定
器１１は、撮像媒体１とは補助層４において接続し、ま
た、探針５とはカンチレバー６を介して接続している。
さらに、本実施例では、蓄積層２に形成された電荷分布
を消去するために、探針５と補助層４との間に消去電圧
（数十Ｖ程度）を印加する消去電圧印加手段１７を設け
てある。静電容量測定器１１をカンチレバー６から離し
て設置すると測定精度が低下する場合があるので、レバ
ー６の近くに設置することが望ましい。

【００１７】探針変位測定系２０は、探針５が一定圧力
で蓄積層２の表面を走査できるように制御するものであ
る。これにより、電荷分布を測定している間、探針５は
蓄積層２の表面や探針５の先端が損傷を受けないような
状態で走査される。探針５と蓄積層２との間に働く力は
10^-8Ｎ（ニュートン）程度が望ましい。この探針変位測
定系２０は、探針５の近傍に設けられたカンチレバー６
の反射面６ａに測定光（レーザ光）２２を照射する光源
２１と、反射面６ａで反射した測定光２２を検出するた
めの光検出手段（例えば、２分割光検出器）２３と、こ
の光検出手段２３の出力によりカンチレバー６のたわみ
量を検出してこのたわみ量が一定になるよう（光検出器
２３の出力が一定となるよう）に制御手段１３を介して
移動手段１２をＺ方向に駆動させるＺ方向制御手段２４
と、で構成されている。探針変位測定系２０はサブナノ
メートルの分解能を有すると共に、走査速度が速いこと
が望ましい。このような測定系としては、本実施例で用
いたレバー６の反射面６ａに測定光２２を照射する構成
の他に、反射面６ａへの照射光とその反射光とを干渉さ
せて探針の変位を測定する構成や、レバー６の背面にＳ
ＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）の探針を配置してこのＳ
ＴＭの探針とレバー６との間のトンネル電流を測定して
変位を測定する構成等を用いることができる。

【００１８】なお、蓄積層２の表面が十分滑らかであれ
ば、カンチレバー６のバネ定数（弾性係数）を小さい値
に設定してレバー６に十分な弾力性を持たせることによ
り、前述のような探針変位測定系２０を省略することが
できる。電荷分布の測定の際は、探針５を蓄積層２に近
づけた時にカンチレバー６に所望の反発力が生じるよう
に設定すれば、探針５は一定圧力で蓄積層２の表面を走
査することが可能となる。

【００１９】ここで、本発明による撮像の過程を説明す
る。まず、所望の画像の情報を含んだ光を撮像媒体１の
電荷蓄積層２に照射する。ここで照射する光は、例えば
Ｘ線顕微鏡においては、試料を透過して結像用光学系に
より結像されたＸ線である。このＸ線の照射により、電
荷蓄積層２は外部光電効果によって光電子１５を放出
し、放出された光電子１５は正に帯電した電極７に引き
寄せられて捕捉される（図２（ａ）参照）。なお、Ｘ線
を照射する際は、探針５を図に示すようにＸ線９の撮像
領域１０の外に待避させておく。光電子の放出によっ
て、蓄積層２には正の電荷が蓄積される。そして、蓄積
層２が放出する光電子の量は照射されたＸ線の光量（強
度）に依存しているので、蓄積層２には照射されたＸ線
の強度分布に対応して正の電荷分布が形成される。この
ようにして、Ｘ線による試料の像は、電荷蓄積層２内に
形成された正の電荷量の分布として記録される。

【００２０】なお、照射されたＸ線が電荷蓄積層２に全
て吸収されない場合、一部のＸ線は蓄積層２を通過して
絶縁層３や補助層４に達する。そのため、絶縁層３や補
助層４で外部光電効果によって放出された光電子が蓄積
層２に入って来る場合がある。しかし、Ｘ線の強度は物
質を通過するにつれてこの物質に吸収されて弱くなるう
え、絶縁体である蓄積層２は補助層４に比べ光電子の放
出能率が高い。また、絶縁層３の厚みは蓄積層２に比べ
て小さいので放出される光電子の量が少ない。従って、
一部のＸ線が絶縁層３や補助層４に達した場合でも蓄積
層２には正の電荷が蓄積されることになる。

【００２１】記録された像（画像）を読み出す際は、蓄
積層２に形成された電荷分布を測定する。電荷分布の測
定は、制御手段１３により移動手段１２を駆動して撮像
媒体１と探針５とを相対移動させ、蓄積層２の表面を探
針５で２次元（ＸＹ）方向に走査する。蓄積層２に蓄積
された正の電荷によって、補助層４内部における絶縁層
３との境界付近には空乏層１６が形成される。この空乏
層１６の厚さは蓄積層２に蓄えられた正の電荷量に依存
するため、電荷量が多い場所では厚くなり、電荷量が少
ない場所では薄くなる。従って、蓄積層２に形成された
電荷分布に対応して空乏層１６の厚みの分布状態が決定
される（図２（ｂ）参照）。

【００２２】容量測定器１１は、蓄積層２の各測定箇所
における空乏層１６の厚さを探針５と補助層４との間の
静電容量として測定し、その結果を制御手段１３に出力
する。測定された静電容量は空乏層１６の厚さに対応し
ているので、この測定は蓄積層２に形成された電荷分布
を測定することに対応する。制御手段１３は、容量測定
器１１から入力した静電容量の値とこの値が検出された
蓄積層２の位置とを対応させて蓄積層２の正の電荷の分
布状態を求め表示手段１４に出力する。表示手段１４
は、制御手段１３から送られた電荷分布をＸ線による試
料の像（画像）として表示する。

【００２３】なお、測定中は、探針変位測定系２０によ
ってカンチレバー６のたわみ量が一定になるよう制御さ
れており、これにより探針５は常に一定圧力で蓄積層２
の表面を走査する。本実施例で用いた撮像装置は分解能
が高く、Ｘ線の分解能を損なうことなく撮像することが
できる。

【００２４】撮像媒体１に記録された像を消去する時
は、消去電圧印加手段１７によって探針５と補助層４と
の間に探針５を正にして数十ボルトの電圧を印加すれば
よい。このような消去操作をしない限り蓄積層２に記録
された画像は保存されるので、画像の記録と読み出しと
を異なる場所で行うことも可能である。

【００２５】

【実施例２】図３は、本発明の撮像装置を備えたＸ線顕
微鏡の一例を示す概略構成図である。図３において、図
１と同一機能を有する構成要件については、同一記号を
付してその説明を適宜省略する。このＸ線顕微鏡は、Ｘ
線３５を集光して試料３３を照明する集光用光学素子３
１と絞り（ピンホール）３２からなる集光用光学系、試
料３３を透過したＸ線を結像させる結像用光学系３４、
および結像用光学系３４の結像位置に配置された撮像媒
体１とで構成されるＸ線光学系とを有し、これらの構成
部品は真空容器（図示せず）に収納されている。

【００２６】さらに、前記真空容器内には、撮像媒体１
に対する試料３３の像の記録および読み出しを行う手段
として、先端部に撮像媒体１の電荷蓄積層の表面を走査
する探針５が設置されたカンチレバー６、正に帯電させ
て撮像媒体１から放出された光電子を補足するための電
極７、電荷分布測定手段３６、探針５と撮像媒体１とを
相対移動させる移動手段３７とが設置されている。電荷
分布測定手段３６は、探針５と撮像媒体１の補助層との
間の静電容量を測定する静電容量測定器と、前記蓄積層
上での探針５の位置とこの位置での前記測定器による測
定結果とを対応させて蓄積層の電荷分布を試料３３の像
として表示する表示手段とで構成されている。

【００２７】このような構成のＸ線顕微鏡において、前
記Ｘ線光学系により試料３３にＸ線３５を照射し、この
試料３３を透過したＸ線を撮像媒体１上に照射する。試
料３３の像は、撮像媒体１に電荷分布として記録される
ので、前述のようにこの電荷分布を測定することで試料
３３の像を観察できる。その際、電荷分布測定手段３６
を前記真空容器の外部に設置すると、撮像媒体１を真空
容器から取り出さずに試料の像を観察することができ
る。そのため、像の観察のために真空容器内の真空を解
除したり、次の撮像のために容器内を再び真空に排気す
るとといった作業が不要になる。また、撮像媒体１を真
空容器に入れたまま記録された像を消去することができ
るので、何回も撮像することができる。例えば、試料３
３を移動させる機構を設けることで、試料３３の異なる
部分を観察することもできる。

【００２８】ところで、実施例で電荷蓄積層として使用
したSiN のホール密度は、１平方nm当たり10個程度であ
るため、原理的には 256階調を26平方nmで実現できるこ
ととなり１画素を５×５nmとすることが可能となる。ま
た、撮像装置の分解能は探針の形状に依存し、数10nm程
度の分解能を達成することができる。この値は、従来使
用していた CCDや MCPよりも高い値である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ｘ線の分
解能に対応できるナノメータオーダーの高分解能での撮
像が可能となる。また、画像の記録および読み出しのた
めの操作はすべて真空中で行うことができるので、画像
を読み出すために真空状態を破る必要がない。そして、
必要があれば撮像媒体を大気中に取り出して保存するこ
とや、大気中で撮像装置により電荷分布を測定すること
も可能である。

【００３０】さらに、一度使用した撮像媒体に記録され
た像を消去することでこの撮像媒体を繰り返し使用する
ことができるので、コスト低減の効果も有する。なお、
本発明の撮像媒体は、画像の読み出しや消去に要する時
間が短いため、画像情報を含んだ光が十分な強度分布を
有すれば１秒間に何枚も撮像でき、動画を記録する手段
として使用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の撮像媒体とそれに使用する撮像装
置の一実施例を示す概略図である。

【図２】は、本発明の撮像の原理を説明するための説明
図である。

【図３】は、本発明の一実施例を示すもので、撮像装置
を備えたＸ線顕微鏡の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 撮像媒体 ２ 電荷蓄積層 ３ 絶縁層 ４ 補助層（ｐ型半導体） ５ 探針 ６ カンチレバー ７ 電極 ８ 電流モニタ １０ 撮像領域 １１ 静電容量測定器（キャパシティセンサ） １２ 移動手段（３次元アクチュエータ） １３ 制御手段 １４ 画像表示装置 １５ 光電子 １６ 空乏層 １７ 消去電圧印加手段 ２０ 探針変位測定系 ３６ 電荷分布測定手段 ３７ 移動手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像の情報を含んだ光を非電導性物質か
   らなる電荷蓄積層に照射して外部光電効果を生じさせ、 該光電効果によって形成された前記蓄積層の電荷分布を
   前記画像として記録することを特徴とする撮像方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の撮像方法において、 前記蓄積層にｐ型半導体からなる補助層を積層して該補
   助層に前記蓄積層の電荷分布に対応した空乏層を形成さ
   せ、 該空乏層を形成させた状態で前記電荷分布を測定するこ
   とにより前記記録した画像を読み出すことを特徴とする
   撮像方法。
3. 【請求項３】 光が照射されると光電子を放出する非電
   導性物質からなる電荷蓄積層と該蓄積層に積層され蓄積
   層の電荷分布に応じた空乏層を形成するｐ型半導体から
   なる補助層とを有することを特徴とする撮像媒体。
4. 【請求項４】 光が照射されると光電子を放出する電荷
   蓄積層および該蓄積層の電荷分布に対応した空乏層を形
   成する補助層からなる撮像媒体の電荷蓄積層の表面を走
   査する探針と、 該探針と撮像媒体とを相対移動させる移動手段と、 前記撮像媒体の補助層と探針との間の静電容量を測定し
   て前記電荷分布を求める電荷分布測定手段と、 を備えたことを特徴とする撮像装置。