JP2010044074A

JP2010044074A - 電磁放射線用の検出装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2010044074A
Application number: JP2009187329A
Authority: JP
Inventors: Abdelkader Aliane; アブデルカデル、アリアヌ; Thierry Farjot; ティエリー、ファルジョ; Claude Pigot; クロード、ピゴ
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2010-02-25
Also published as: FR2935053A1; EP2154549A2; US20100041558A1; FR2935053B1

Abstract

【課題】電磁放射線用の検出装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】電磁放射線用の検出装置は、該放射線を吸収する少なくとも一つの吸収膜を備える。該吸収膜は、窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）で形成されて窒素に対するタングステンの化学量論比が２に等しい吸収層（４）により形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁放射線の吸収膜を少なくとも一つ備える電磁放射線用の検出装置に関する。

電磁放射線用の検出装置は、該放射線のエネルギを吸収膜１内で熱に変換することを可能にする。図１に示すように、吸収膜１は、伝統的に、熱の移動を可能にする組立層３によって温度計２へ接続される。

Ｘ線の検出装置の場合、Ｘ線用の吸収膜は、抵抗性、即ち、温度計の材質の抵抗変化が温度に依存するか、または、超電導性である。検出装置の感度を向上させるために、吸収膜の固有熱容量はできるだけ低いものでなければならない。従って、その超電導転移温度の下でその固有熱容量がゼロになる、即ち、この温度の下で抵抗がゼロになる超電導物質を使用することが好ましい。

天体物理学で使用される検出装置は、一般的に非常に低い温度、典型的には５０〜１００ｍＫで動作し、Ｘ線の検出のためには空間調査の分野において１００ｅＶから６ｋｅＶ、そして３０ｋｅＶまでの範囲内で動作する。

既知のように、超電導物質に基づく吸収膜は、銅とビスマスとの合金（ＣｕＢｉ）、またはビスマスと金との合金から製造され得る。これらの物質は良好な超電導特性を有しているが、Ｘ線に対する比較的低い吸収容量を有する。

Ｘ線は物質と相互に作用し、その吸収は原子番号Ｚと、使用される物質の密度とに依存する。実際に、物質の原子番号が大きいほど、その物質の密度が高くなり、従って、吸収性が高まる。このような理由で、Ｘ線用の検出装置の実現において、原子番号Ｚが大きい超電導物質が使用される。この点は、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、およびタンタル（Ｔａ）の場合に顕著である。

本発明の目的は、その吸収層が高い吸収率を有する、電磁放射線、特にＸ線用の検出装置を提供することにある。

本発明の目的はまた、第１の支持基板を覆う酸化シリコン層上に窒化タングステン層を堆積させる工程と、前記窒化タングステン層を含む前記第１の支持基板の面を、第２の支持基板に配設された接着膜上に移送する工程と、前記第１の支持基板と前記酸化シリコン層とを除去する工程と、を備える、電磁放射線用の検出装置の製造方法を提供することにある。

上記目的は、請求項に記載の発明、特に、窒素に対するタングステンの化学量論比が２に等しい窒化タングステンで形成された吸収層により形成される吸収膜により達成される。

他の利点および特徴は、非制限的な実施例として与えられ、かつ、添付図面に表される本発明の具体的な実施の形態に関する以下の記載からより明らかになる。

従来の技術による電磁検出装置を示す。本発明による検出装置の断面図を示す。窒化タングステン吸収層の光子エネルギによる、Ｘ線の伝送曲線を示す。従来の技術による吸収層の光子エネルギによる、Ｘ線の伝送曲線を示す。従来の技術による吸収層の光子エネルギによる、Ｘ線の伝送曲線を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。本発明による検出装置の製造方法を示す。

電磁放射線、特にＸ線用の検出装置は、伝統的に、該放射線用の吸収膜１と、組立層３により吸収膜１に接続される温度計２とが設けられた少なくとも一つの画素を備える。本発明によれば、吸収膜１は、窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）で形成されて窒素に対するタングステンＷ／Ｎの化学量論比が２に等しい（Ｗ／Ｎ＝２）吸収層４により形成される。

窒化タングステンＷ_２Ｎは、転移温度Ｔｃが高い超電導転移材料である。実際に、体積密度は約１８ｇ／ｃｍ^３であり、その転移温度Ｔｃは４．５７Ｋとなり得る。

吸収層により吸収されるＸ線のパーセンテージを算定することは可能である。放射線の伝送は、次式によるＸ線の強度の減衰から計算され得る。

ここで、
Ｉ_０は吸収材に照射する流束（ｆｌｕｘ）の強度であり、
μ／ρはｃｍ^２・ｇ^−１での質量吸収係数であり、
ρは吸収材を構成する物質の密度（ｇ・ｃｍ^−３）であり、
μは吸収材を形成するプレート（ｐｌａｔｅ）の材料の線形吸収係数（ｃｍ^−１）であり、そして、
Ｌは吸収材の厚さ（ｃｍ）である。

図３に示すように、厚さ２μｍで密度１７．７の吸収層のために、窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）で形成された層による、１００ｅＶから６０００ｅＶの範囲のＸ線の伝送をシミュレートすると、６０００ｅＶでの伝送で０．３の値、即ち、７０％の吸収が得られる。

比較として、図４は、２μｍの厚さと８．０９の密度を有する水銀テルリウム（ＨｇＴｅ）で形成された吸収層についての同様の曲線を示す。ＨｇＴｅで形成された層について、１００ｅＶから６０００ｅＶの範囲でＸ線の伝送をシミュレートすると、６０００ｅＶで０．４４からの伝送、即ち、５６％の吸収が得られる。さらに、光子エネルギによる伝送曲線は、２および４ｋｅＶで寄生伝送ピークを有する。

また、図５は、１６．６５４の密度を有して吸収層の厚さが２μｍのタンタル（Ｔａ）についてシミュレートされた伝送曲線を示す。６０００ｅＶで、吸収率は６８％（０．３２の伝送）である。

このように、窒化タングステンによるＸ線の吸収は、水銀テルリウムでまたはタンタルで形成された既知の吸収層による吸収よりも良い。

さらに、窒化タングステンＷ_２Ｎで形成された層の厚さが増大すると、より高いエネルギ（６０００ｅＶ超）で、窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）の吸収利得はタンタルの吸収利得より優れている。窒化タングステン層は、０．１μｍと１０μｍとの間の厚さを有することが好ましい。１０μｍを超える窒化タングステンの厚さは可能だが、性能を低減させることも向上させることもない。

しかしながら、窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）は薄い層で実現することが困難な物質である。多くの窒化物と同様に、窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）は非常に制約の多い物質で、１μｍを超える厚さの層の実現には細心の注意を要する。従って、本発明はまた、これをより容易に実現する方法に関する。

図６乃至図１４を参照すると、上述の方法は、薄い窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）層４により形成される吸収膜を備える検出装置を実現することを可能にする。まず、この製造方法は、好ましくは２μｍの厚さの窒化タングステン層４（図６）を、第１の支持基板６を覆う酸化シリコン層５上に堆積させる工程を含む。支持基板６は約７２５μｍの厚さを有することができ、酸化シリコン層は約５００ｎｍの厚さを有し得る。

窒化タングステン（Ｗ_２Ｎ）層４の堆積は、例えばＰＶＤ工程（ＰＶＤ、物理的気相成長法）により実現される。これにより、タングステンと窒素との反応性混合物が堆積チャンバの内部で直接実現される。制約を最小限にするために、チャンバの不活性ガス間、例えばアルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ）との間で、２の堆積化学量論比を維持するための一定の圧力比を維持しながら堆積圧力が変更された。この実現の間、後方散乱電子（ＲＢＳ、ＲｕｔｈｅｒｆｏｒｄＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の伝統的な分析を使用することで、テストにより２．０７のＷ／Ｎ比を測定することが可能である。そうでなければ、そのようにして得られる層の固有抵抗は室温で１５６μΩ・ｃｍに等しい。

次に、両面接着膜７が第２のシリコン支持基板８（図７）の上に積層される（図７）。次いで、窒化タングステン層４を備える第１の支持基板６の面が接着膜７の露出面の上に積層される。支持基板８は窒化タングステン層にダメージを与えることなく窒化タングステン層を取り扱うことを可能にするシリコンハンドルとして機能する。一旦積層されると（図８）、第１の支持基板６と酸化シリコン層５とが、好ましくは機械的化学的研磨（ＰＣＭ）により、窒化タングステン層４を露出させるように除去される（図９）。

次に、窒化タングステン吸収材を温度計に接続することを可能にする組立層３が実現される。その後、組立層３と窒化タングステン層４とは画素を形成するように構造化される。

例えば、窒化タングステン吸収層４と温度計２との接続を実現する組立層３は、金ベースおよびインジウムベースの物質で形成される。インジウムベースの物質は、インジウムまたはインジウム合金で形成されるボールによって形成されることが好ましい。従って、組立層３の実現工程は、窒化タングステン層４上に薄い金の層９（図１０）を堆積させることを備え得る。この金層９の厚さは、好ましくは１５０ｎｍである。次に、窒化タングステン層４の表面に接続ピン１０を形成するために、金層９が窒化タングステン４に至るまでエッチングされる。次に、最初は不安定なインジウムボール１１（図１２）が、コンタクト１５（ＵＢＭ：ＵｎｄｅｒＢｕｍｐＭｅｔａｌ））が設けられたサポート１６を介して各接続ピン１０の上に堆積させられる。コンタクト１５は、例えば３００ｎｍの厚さを有してサポート１６に接するチタン層と、対応するインジウムボール１１に直接接し、好ましくは７０ｎｍの厚さを有する金の層とを含む。コンタクト１５があまり多くの金を含有しておらず、従って濡れ性が低いために、インジウムボールは、最初は不安定であると考えられる。これらのボール１１は、電気的な接続要素として使用されることを意図されたものである。一旦ボール１１が堆積させられると、コンタクト１５よりも厚い接続ピン１０の金層が、濡れ性を向上させることによりインジウムボールの安定化を可能にする。次に、図１３に示すように、接着膜７に至るまで単純にエッチングすることにより、画素をなすように窒化タングステン層４が構造化される。各画素は、一辺５００μｍの矩形状を有することが好ましい。組立層３もまた、例えば窒化タングステン層４を温度計２に接続するエポキシ系接着剤ＳＵ８（登録商標）のような導電性高分子材料から形成され得る。

窒化タングステン層４が構造化された後は、接続端子１２を備える温度計２が各画素の組立層３上に移送されてハイブリッド形成される。

温度計は、非晶質または結晶質のシリコンをベースとすることができる。温度計はまた、超電導転移温度計（ＴＥＳ：ＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＥｄｇｅＳｅｎｓｏｒ）であり得る。このような超電導転移温度計は、例えばチタン層および金層、またはモリブデン層および金層を備え得る。その場合、金層は組立層３に接する接続端子１２を直接構成し得る。

接続端子１２は、温度計２の移送中にインジウムボール１１に対向するように温度計２に接して配設される。接続端子１２は、金で形成され得る。要素１３は、接続端子１２と温度計２との間に配置されることが好ましい。この要素１３は、温度計に接するカップリング層と、インジウムのための障壁層と、を含み得る。該インジウムは、上記カップリング層と、対応する接続端子１２との間に配置される。カップリング層は、チタンから形成されることができ、また、障壁層は、ニッケルまたはパラジウムから形成され得る。

温度計２がインジウムボール１１の上に移送された後に、温度計２は、画素を形成するためにインジウムボールを安定化させることにより、窒化タングステン吸収層に固定される。このとき、インジウムボールの固定またはハイブリッド形成が再溶融により実現され、金属間化合物が接続ピン１０の金、インジウムボール１１、および接続端子１２の金とともに形成され、この金属間化合物はインジウムボールを安定化させる。

最後に、第２の支持基板８が、溶媒、例えばアセトン中での溶解により接着膜７から除去される。接着剤が溶解した後、図２に示す検出器が得られる。

このような装置は、Ｘ線に対して非常に良好な吸収特性を有する。さらに、窒化タングステンは、Ｘ線吸収材として使用するための更なる処置が不要であるという利点を有する。

得られた装置は、高いＸ線分解能を必要とするアプリケーションで、特に、天文学、天文物理学、物質解析、中性子物理、または暗黒物質調査の分野で使用され得る。

Claims

電磁放射線用の吸収膜（１）を少なくとも一つ備え、
前記吸収膜（１）は、窒素に対するタングステンの化学量論比が２に等しい窒化タングステンで形成された吸収層（４）により形成されることを特徴とする、電磁放射線用の検出装置。
前記窒化タングステン吸収層（４）は、インジウムベースまたは導電性高分子材料で形成された組立層（３）により温度計（２）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
前記温度計（２）は、非晶質または結晶質のシリコンをベースとすることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
前記温度計は、超電導転移温度計であることを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
前記超電導転移温度計は、金層に接するチタン層を含み、
前記金層は前記組立層（３）に接する、
ことを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
前記窒化タングステン層は、０．１μｍと１０μｍとの間の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の検出装置。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の検出装置の製造方法であって、
第１の支持基板（６）を覆う酸化シリコン層（５）上に、窒素に対するタングステンの化学量論比が２に等しい窒化タングステン層（４）を堆積させる工程と、
前記窒化タングステン層（４）を含む前記第１の支持基板（６）の面を、第２の支持基板（８）に配設された接着膜（７）上に移送する工程と、
前記第１の支持基板（６）と前記酸化シリコン層（５）とを除去する工程と、
の連続する工程を少なくとも備える方法。
組立層（３）を実現する工程と、
前記窒化タングステン層（４）と前記組立層（３）とを画素に構造化する工程と、
各画素の前記組立層（３）に温度計（２）を移送してハイブリッド形成する工程と、
前記接着膜（７）の溶解を可能にする溶媒中に前記画素を放出する工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
前記組立層（３）を実現する工程は、
金層（９）を窒化タングステン層（４）上に堆積させる工程と、
前記金層（９）中に接続ピン（１０）の構造を形成する工程と、
各接続ピン（１０）上に、最初は不安定なインジウムボール（１１）を移送する工程と、
を含むことを特徴とする請求項８に記載の製造方法。