JP2003131000A

JP2003131000A - 投影型ｘ線顕微鏡

Info

Publication number: JP2003131000A
Application number: JP2001329645A
Authority: JP
Inventors: Hideyasu Yoshimura; 英恭吉村
Original assignee: Meiji University; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Meiji University
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】実験室レベルで簡便に利用可能であり、か
つ、高い分解能を持つＸ線顕微鏡を提供する。【解決手段】電子ビームをＸ線ターゲットに照射しＸ
線を発生せしめ、発生したＸ線を試料に投影し、試料の
Ｘ線透過像を撮像する投影型Ｘ線顕微鏡において、Ｘ線
ターゲットが軽元素膜と軽元素膜上に固定された金属片
とからなり、Ｘ線ターゲットを構成する金属片上方に電
子ビームに照射することで金属片下方における径が数十
ｎｍの範囲の領域からＸ線を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、投影型Ｘ
線顕微鏡に関するものである。さらに詳しくは、この出
願の発明は、マイクロオーダーまたはナノオーダーの高
い分解能での生体や電子材料の観察に有用な投影型Ｘ線
顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術と発明の課題】透過力も大きく、波長が短
く分解能も高いといった特長を持つＸ線顕微鏡の開発
が、１９５０年代から盛んに行われてきた。しかし、Ｘ
線はその光学的特性から、屈折を利用した単純なレンズ
を適用することが不可能であり、現在においても、汎用
的に利用されている光学顕微鏡や電子顕微鏡のような実
用化がなされていないのが現状である。

【０００３】これまで、回折現象を利用したレンズであ
るゾーンプレートを用いることで２０ナノメートル程度
の分解能を実現したＸ線顕微鏡が開発されている。この
Ｘ線顕微鏡においては、レンズの効率が低いことから、
放射光のような極めて強力なＸ線源が必要となり、汎用
性の低い特殊な顕微鏡装置となってしまっている。

【０００４】近年のナノテクノロジーやバイオテクノロ
ジーの発展に伴い、半導体の非破壊検査やたんぱく質や
染色体の構造解析のようなマイクロオーダーまたはナノ
オーダーでの構造物の観察を、手軽に実施したいという
要望が高まってきている。光学顕微鏡においては、分解
能が足りないため、マイクロオーダーまたはナノオーダ
ーでの構造物の観察は不可能であり、また、電子顕微鏡
においては、透過力が足りずに半導体や染色体などの観
察は難しい。このため、実験室レベルで簡便に利用可能
であり、なおかつ、高い分解能を持つＸ線顕微鏡の開発
が求められている。

【０００５】従来、Ｘ線源から発生するＸ線の強度を向
上させる方法としては、回転対陰極を用いる方法とシン
クロトロンの電子軌道上に細線を挿入する方法とが広く
知られている。前者においては、ターゲットを回転させ
ることで発熱を抑制し、また、電子線を絞ることでＸ線
の強度を増大している。しかし、この方法においては、
空間電化効果による制限によりＸ線強度の向上には限界
がある。後者においては、ターゲットを細線とすること
でＸ線強度を向上させている。しかし、細線を微細なも
のとする際に力学的に限界があり、また、あまりに細線
化がなされ過ぎると熱によりターゲットの蒸発してしま
うという問題が残されている。

【０００６】以上の手法で問題となるターゲットの発熱
を抑制しつつ、高い強度でのＸ線を発生させるＸ線源に
関する提案として、特開２００１−２１６９２７の発明
が公知である。この発明においては、球状または棒状の
ターゲットおよび軽元素からなるターゲット支持部材か
らＸ線ターゲットを構成する。そして、ターゲットは、
ターゲット支持部材によって支持されるか、もしくは、
ターゲット支持部材内部に埋め込まれることを特徴とし
ており、ターゲットの発熱を抑制しつつ、高い強度での
Ｘ線の発生を実現している。

【０００７】Ｘ線顕微鏡の分解能の向上を実現するため
には、Ｘ線ターゲットにおけるＸ線発生領域の面積を小
さくする必要がある。従来のＸ線ターゲットにおいて
は、図５に示すように、電子ビームの径を絞ったとして
も、Ｘ線ターゲットである金属の内部において電子線が
散乱してしまうために、Ｘ線ターゲットからＸ線が発生
する領域が広がってしまう。このため、従来のＸ線源を
用いたＸ線顕微鏡においては、その分解能を０．１μｍ
以下にすることは困難であった。

【０００８】そこで、この出願の発明は、以上の通りの
事情に鑑みてなされたものであり、実験室レベルで簡便
に利用可能であり、かつ、高い分解能を持つＸ線顕微鏡
を提供することを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１に、電子ビームをＸ
線ターゲットに照射することでＸ線を発生し、発生した
Ｘ線を試料に投影し、試料のＸ線透過像を撮像する投影
型Ｘ線顕微鏡において、Ｘ線ターゲットが軽元素膜と軽
元素膜上に固定された金属片とからなり、Ｘ線ターゲッ
トを構成する金属片上方に電子ビームに照射することで
金属片下方における径が数十ｎｍの範囲の領域からＸ線
を発生することを特徴とする投影型Ｘ線顕微鏡を提供す
る。

【００１０】また、この出願の発明である投影型Ｘ線顕
微鏡は、第２に、Ｘ線ターゲットを構成する金属片を円
柱状または球状とすること、第３に、Ｘ線ターゲットを
構成する金属片を、直径が２０〜２００ｎｍ、また、高
さが２０〜２００ｎｍである円柱状、もしくは、直径が
２０〜２００ｎｍである球状とすること、第４に、Ｘ線
ターゲットを構成する金属片を、原子番号が６０以上で
ある金属から選択すること、第５に、Ｘ線ターゲットを
構成する軽元素膜の膜厚を２０〜２００ｎｍとするこ
と、第６に、Ｘ線ターゲットを構成する軽元素膜を窒化
シリコン膜もしくはダイヤモンド膜とすることを特徴と
する。

【００１１】そして、この出願の発明は、上記の投影型
Ｘ線顕微鏡のＸ線ターゲットにおいて軽元素膜上に複数
個の金属片をそれぞれ孤立して固定し、電子ビームをい
ずれかの金属片に対して選択的に照射することでＸ線の
発生位置を変化させ、それぞれの発生位置から投影され
た試料のＸ線透過像を撮像し、２枚以上の撮像の視差か
ら試料の立体構造を再構成することを、第７の発明の態
様として提供する。

【００１２】さらに、この出願の発明は、第８の発明の
態様として、電子ビームを照射することでＸ線を発生す
るＸ線ターゲットの作製方法であって、軽元素膜上に陽
極酸化法またはエッチングにより孤立した金属製の円柱
を生成することを特徴とするＸ線ターゲットの作製方法
をも提供する。

【００１３】上記のＸ線ターゲットの作製方法において
は、第９に、金属製の円柱の直径が２０〜２００ｎｍ、
また、高さが２０〜２００ｎｍであること、第１０に、
円柱を構成する金属を原子番号が６０以上である金属か
ら選択すること、第１１に、軽元素膜の膜厚を２０〜２
００ｎｍとすること、第１２に、軽元素膜を窒化シリコ
ン膜もしくはダイヤモンド膜とすること、第１３に、生
成される金属製の円柱の個数を複数とすることを特徴と
する。

【００１４】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態に
ついて説明する。

【００１５】図１は、この出願の発明である投影型Ｘ線
顕微鏡の構成について示した概要図である。この出願の
発明である投影型Ｘ線顕微鏡においては、電子ビーム
（１）をＸ線ターゲット（２）に照射しＸ線（３）を発
生する。Ｘ線ターゲット（２）より発生したＸ線（３）
は、試料（４）に照射される。試料（４）に照射された
Ｘ線（３）は、試料（４）後方の平面上にＸ線透過像を
投影する。このＸ線透過像を撮像手段（５）により撮像
することで、試料内部の構造を観察することができる。

【００１６】Ｘ線ターゲット（２）に照射される電子ビ
ーム（１）のビーム径は、金属片の径よりも小さくなる
ように絞り込まれている。電子ビーム（１）を絞り込む
ための手段としては、例えば、電子ビームの発生源とし
て電子顕微鏡（６）を利用すればよい。具体的には、電
子ビームのビーム径は、数十ｎｍ以下に絞り込まれる。

【００１７】この出願の発明である投影型Ｘ線顕微鏡は
以上のような構成をもつものであるが、Ｘ線光学系にレ
ンズを使用しないことから、光軸調整や焦点合わせなど
の煩雑な手順を必要としない。この出願の発明である投
影型Ｘ線顕微鏡において、撮像の拡大倍率は、Ｘ線源と
試料との距離Ｒ１とＸ線源と撮像手段との距離Ｒ２によ
りＲ２／Ｒ１と決定される。例えば、Ｒ１が０．１ｍ
ｍ、また、Ｒ２が１００ｍｍである場合には、拡大倍率
１０００倍のＸ線透過像を取得することが可能である。

【００１８】Ｘ線は焦点深度が深いため、数ミリメート
ル程度の厚さを持つ光学的に不透明な試料の内部構造を
観察するのに適している。また、電子顕微鏡のように、
真空中に試料を設置する必要が無い。この投影型Ｘ線顕
微鏡においては、試料は空気またはＨｅガス（７）の中
に設置されることから、生体細胞や微小生物を試料とし
て適用することが可能である。

【００１９】この出願の発明である投影型Ｘ線顕微鏡に
おいては、図２に示すように、Ｘ線ターゲットは、軽元
素膜（２１）と軽元素膜上に固定された金属片（２２）
とから構成される。Ｘ線ターゲットを構成する金属片
（２２）の形状を、円柱状または球状にすることで、金
属片（２２）の断面積を小さくすることができ、その結
果、電子ビーム（２３）を照射した際にＸ線が発生する
領域（２４）の面積を小さく抑えることが可能となる。

【００２０】金属片（２２）の形状が円柱状である場合
には、直径を２０〜２００ｎｍ、高さを２０〜２００ｎ
ｍの範囲に設定することで、ナノオーダーの分解能を持
つＸ線顕微鏡が実現する。同様に、金属片（２２）の形
状が球状である場合には、直径を２０〜２００ｎｍの範
囲に設定することが好ましい。

【００２１】金属片（２２）の種類としては、Ｘ線の発
生効率が金属片の原子番号の自乗に比例することから、
原子番号の大きな金属が選択されることが好ましく、具
体的には、原子番号が６０以上の金属を選択するのが好
適である。また、Ｘ線ターゲットを構成する軽元素膜
（２１）としては、窒化シリコンやダイヤモンドなどの
軽元素膜が選択され、膜厚を例えば２０〜２００ｎｍと
することが好ましい。

【００２２】また、この出願の発明である投影型Ｘ線顕
微鏡においては、Ｘ線ターゲットの軽元素膜上に固定さ
れる金属片を、複数個としてもよい。複数個の金属片
は、それぞれ軽元素膜上に孤立して存在するように固定
されている。このとき、電子ビームをいずれかの金属片
に対して選択的に照射することでＸ線の発生位置を変化
させることができる。Ｘ線の発生位置を変化させること
で、取得される試料のＸ線透過像において撮像位置に変
化が生じる。２枚以上のＸ線透過像における試料のズレ
（視差）を調べることで、ステレオ撮影の原理により試
料の３次元的な構造を再構成することが可能である。

【００２３】この出願の発明である投影型Ｘ線顕微鏡の
Ｘ線ターゲットは、軽元素膜上に対して陽極酸化法また
はエッチングを適用して、孤立した金属製の円柱を生成
することで作製される。例えば、図３に示すように、軽
元素膜（３１）上に成膜した金属膜（３２）に対してエ
ッチングを施し、孤立した円柱（３３）を形成する。図
４は、以上の手順により実際に作製した直径８０ｎｍの
円柱の電子顕微鏡像である。

【００２４】この出願の発明である投影型Ｘ線顕微鏡に
より、光学顕微鏡では分解能が足りず、また、電子顕微
鏡では電子が透過できなかった細胞の染色体の内部構造
を、水分を含んだ状態で観察することが可能となる。ま
た、放射光などの大掛かりな設備を用いることもないこ
とから、実験室レベルでＸ線顕微鏡が利用でき、フィー
ドバックが容易である。

【００２５】撮像手段として、顕微鏡ＣＴを用いること
で、試料の立体構造を数値的に捉えることが可能であ
る。また、撮像手段としてＣＣＤカメラを適用すれば、
試料の経時的な変化を動画像として捉えることもでき
る。さらに、電子ビームの加速電圧を高め、Ｘ線の波長
を短くすることで、半導体材料の非破壊検査にも適用す
ることが可能となる。

【００２６】以上のこの出願の発明である投影型Ｘ線顕
微鏡の構成は一例であり、以上で示した構成に限定され
ることはなく、その細部について、様々な形態をとりう
ることが考慮されるべきであることは言うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】この出願の発明により、以上詳しく説明
したとおり、実験室レベルで簡便に利用可能であり、か
つ、高い分解能を持つＸ線顕微鏡が提供される。この出
願の発明は、神経細胞のネットワークや細胞分裂時の染
色体といった微小な生物構造の解明、機能性材料研究に
おける表面現象の解析などのように生命科学分野や先端
材料工学分野の研究・開発に非常に有益であると考えら
れ、その実用化が強く期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この出願の発明である投影型Ｘ線顕微鏡の構成
について示した概要図である。

【図２】この出願の発明である投影型Ｘ線顕微鏡のＸ線
ターゲットの構成について示した概要図である。

【図３】この出願の発明であるＸ線ターゲットの製造方
法により製造されるＸ線ターゲットについて示した概要
図である。

【図４】この出願の発明であるＸ線ターゲットの製造方
法により実際に製造されたＸ線ターゲットの電子顕微鏡
像を示した図である。

【図５】従来のＸ線ターゲットによるＸ線の発生の原理
について示した概要図である。

【符号の説明】

１電子ビーム２Ｘ線ターゲット３Ｘ線４試料５撮像手段６電子顕微鏡７空気またはＨｅガス２１軽元素膜２２金属片２３電子ビーム２４Ｘ線が発生する領域３１軽元素膜３２金属膜３３円柱

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームをＸ線ターゲットに照射する
ことでＸ線を発生し、発生したＸ線を試料に投影し、試
料のＸ線透過像を撮像する投影型Ｘ線顕微鏡において、
Ｘ線ターゲットが軽元素膜と軽元素膜上に固定された金
属片とからなり、Ｘ線ターゲットを構成する金属片上方
に電子ビームに照射することで金属片下方における径が
数十ｎｍの範囲の領域からＸ線を発生することを特徴と
する投影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項２】Ｘ線ターゲットを構成する金属片を円柱
状または球状とすることを特徴とする請求項１記載の投
影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項３】Ｘ線ターゲットを構成する金属片を、直
径が２０〜２００ｎｍ、また、高さが２０〜２００ｎｍ
である円柱状、もしくは、直径が２０〜２００ｎｍであ
る球状とすることを特徴とする請求項１または２記載の
投影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項４】Ｘ線ターゲットを構成する金属片を、原
子番号が６０以上である金属から選択することを特徴と
する請求項１乃至３いずれかの投影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項５】Ｘ線ターゲットを構成する軽元素膜の膜
厚を２０〜２００ｎｍとすることを特徴とする請求項１
乃至４いずれかの投影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項６】Ｘ線ターゲットを構成する軽元素膜を窒
化シリコン膜もしくはダイヤモンド膜とすることを特徴
とする請求項１乃至５いずれかの投影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項７】Ｘ線ターゲットにおいて軽元素膜上に複
数個の金属片をそれぞれ孤立して固定し、電子ビームを
いずれかの金属片に対して選択的に照射することでＸ線
の発生位置を変化させ、それぞれの発生位置から投影さ
れた試料のＸ線透過像を撮像し、２枚以上の撮像の視差
から試料の立体構造を再構成することを特徴とする請求
項１乃至６いずれかの投影型Ｘ線顕微鏡。
【請求項８】電子ビームを照射することでＸ線を発生
するＸ線ターゲットの作成方法であって、軽元素膜上に
対して陽極酸化法またはエッチングを適用することによ
り軽元素膜上に金属製の円柱を生成することを特徴とす
るＸ線ターゲットの作製方法。
【請求項９】金属製の円柱の直径が２０〜２００ｎ
ｍ、また、高さが２０〜２００ｎｍであることを特徴と
する請求項８記載のＸ線ターゲットの作製方法。
【請求項１０】円柱を構成する金属を原子番号が６０
以上である金属から選択することを特徴とする請求項８
または９のＸ線ターゲットの作製方法。
【請求項１１】軽元素膜の膜厚を２０〜２００ｎｍと
することを特徴とする請求項８乃至１０いずれかのＸ線
ターゲットの作製方法。
【請求項１２】軽元素膜を窒化シリコン膜もしくはダ
イヤモンド膜とすることを特徴とする請求項８乃至１１
いずれかのＸ線ターゲットの作製方法。
【請求項１３】生成される金属製の円柱の個数を複数
とすることを特徴とする請求項８乃至１２いずれかのＸ
線ターゲットの作製方法。