JP4025779B2

JP4025779B2 - Ｘ線集光装置

Info

Publication number: JP4025779B2
Application number: JP2005007263A
Authority: JP
Inventors: 和久満田; 祐一郎江副
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: US7817780B2; US20060158755A1; US20090262900A1; US7881432B2; JP2006194758A; EP1688963A3; EP1688963A2; EP1688963B1

Description

本発明は、宇宙空間におけるＸ線観測機器、あるいは地上における放射線計測や微量分析装置に利用されるＸ線集光装置に関する。

Ｘ線は、可視光とは異なり、直入射光学系の利用が困難である。このため、金属のＸ線に対する屈折率が１よりも小さいことを利用して金属面の全反射による斜入射光学系が用いられている。この場合の全反射の臨界角は１度程度と小さいため、反射面の有効面積を大きくとるために、直径の異なる金属製の円筒状の反射鏡を、同心円状に多数配置する方法が知られている。しかしながら、この方法ではＸ線反射装置全体の重量が増大するため、宇宙空間で利用する場合に、地上からの輸送に支障を来すという問題があった。

また、Ｘ線反射装置は、反射鏡の表面がＸ線の波長程度まで滑らかでなければ、一定以上の反射率を確保することができない。このため、これまでのＸ線反射装置は、表面を滑らかにするために、反射面を研磨する必要があった。そのためこれまでは、研磨成形した母型に薄膜を押しつけて作ったレプリカ鏡を多数用意するなどして、一枚一枚の鏡を作成する手間がかかっていた（非特許文献１参照）。

さらに、軽量化をめざしてシリコンポア光学系（Silicon Pore Optics）を利用した反射装置が提案されている（非特許文献６参照）。これは、研磨されたシリコン基板表面を反射鏡として用い、かつ、その裏面に溝を掘ることでＸ線光路を確保し、そしてこのようなシリコン基板同士を密着するように並べたものである。しかしながら、この反射装置の軽量化は、後述する鏡の間隔（下記図１のＤに相当する）がシリコン基板の厚さ（２００〜５００ミクロン）で決まることで制限されてしまう。また、研磨された鏡を用いることから、前述の金属を用いたものと同様に、やはり製作に大きな手間がかかる。

近年、ガラスファイバをＸ線導波管として使う光学系も実用化されているが（例えば非特許文献２参照）、高価であるという問題がある。

『Ｘ線結晶光学』波岡武、山下広順共編（培風館）（従来のＸ線反射装置について） Kumakov & Sharov (1992) Nature 357, 390（ファイバー光学系について） Song et al. (1999) SPIE 3878, 375（シリコン基板の異方性エッチングと面粗さについて） Kondo et al. 2000, Microsystem. Technologies, 6, 218 （ＬＩＧＡプロセスについて） Nilsson et al. 2003, J. Micromech. Microeng, 13, 57 （ドライエッチングと異方性エッチングの組み合わせについて） Beijersbergen et al. (2004) Proc. SPIE Vol.5488, pp.868-874 （シリコンポア光学系について）

本発明は上記課題を解決し、軽量かつ比較的容易に製造できるＸ線反射装置及び当該Ｘ線反射装置を構成するためのＸ線反射素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するためになされた本発明は、以下のような特徴を有する。
本発明に係るＸ線反射素子は、シリコン板又は金属板からなる本体と、前記本体の表面から裏面に貫通するよう形成された複数のスリットとを有し、前記各スリットの壁面をＸ線反射面とする。前記スリットの形成には、シリコン板の場合はエッチングプロセスを、また、金属板の場合はＸ線ＬＩＧＡプロセスを用いることができる。

上記Ｘ線反射面の面粗さは、１００オングストローム以下であることが望ましく、さらに望ましくは、３０オングストローム以下とする。
また、本発明に係るＸ線反射素子には、前記本体に、複数のＸ線反射素子を相互に固定するための固定手段を設けることができる。

本発明に係るＸ線反射装置は、上記いずれかのＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう複数段積層して構成するか、互いのスリットが所定の位置関係となるよう横方向に並べて構成するか、あるいは、上記いずれかのＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう上下方向に積層し、かつ、横方向に並べて構成することができる。

また、本発明にかかるＸ線反射装置は、上記いずれかのＸ線反射素子を、互いのスリットを所定の位置関係に配置し、あるいは上下方向に積層することによって、Ｘ線集光結像光学系をスリットの反射面の組み合わせで近似し、構成することができる。

本発明に係るＸ線反射素子は、本体に形成されるスリットを、シリコン板の場合はエッチングプロセスを、金属板の場合はＸ線ＬＩＧＡプロセスを用いることによりシリコン板もしくは金属板に一括して形成することができるので、容易にスリットを形成することができ、このエッチングプロセス又はＸ線ＬＩＧＡプロセスを用いて形成されるスリットの壁面の面粗さは、現状の技術でも少なくとも１００オングストローム以下、あるいは３０オングストローム以下とすることができるので、好適なＸ線反射面として利用することができる。したがって、比較的容易にＸ線反射素子を形成することができる。

さらに、エッチングプロセス又はＸ線ＬＩＧＡプロセスを利用することによって微小な間隔でスリットを形成することができるので、Ｘ線反射素子自体の寸法を小さくして軽量とすることができ、ひいてはこれを組み合わせて得られるＸ線反射装置の重量の増加も抑えることができる。これにより、特に宇宙空間で利用するＸ線反射装置として非常に有利となる。

以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の一形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るＸ線反射素子１０の斜視図である。図１に示したＸ線反射素子１０は全体的に見るとほぼ長方形である。このＸ線反射素子１０には、エッチングプロセスを利用して、上下に貫通する多数のスリットが形成されている。すなわち、図１に示したＸ線反射素子は、厚さＬのシリコンウェハに所定のマスクを施し、異方性エッチングにより、あるいはドライエッチングと異方性エッチングの組み合わせにより、シリコンウェハと垂直に、幅Ｄのスリット１２₁，１２₂，・・・，１２_n（個々のスリットを指定しないときは符号１２で示す）を、１０μｍ程度あるいはそれ以下のピッチで多数開ける。

なお、Ｘ線反射素子１０の素材としては、金属を用いることもでき、その場合は、Ｘ線ＬＩＧＡプロセスにより、図１の構造に対してネガ構造を持つレジストを形成し、それを鋳型としてスリット構造を持つ金属板を形成する。なお、Ｘ線反射素子の素材とする金属としては、Ｘ線反射率が高く、ＬＩＧＡプロセスによる構造物形成の実績もあるニッケルを用いることができる。

本実施形態では、このようにして開口したスリット１２の側壁を、Ｘ線に対する反射面として利用する。すなわち、Ｘ線はＸ線反射素子の上方からいずれかのスリットに入射し、当該スリットの側壁で反射されて下方へ射出する。

半導体プロセスのこれまでの研究から、このような側壁を、シリコン異方性エッチング、又は、他のウェットあるいはドライプロセスと異方性エッチングを組み合わせたプロセス、もしくはＸ線ＬＩＧＡプロセス（金属板の場合）を用いて作成した場合、数十オングストロームほどの面粗さを有する極めて滑らかな面が得られることが知られている（非特許文献３、４、５参照）。しかしながら、これらをＸ線鏡に利用するというアイディアはこれまでにはなかった。

図１において、Ｘ線反射素子１０の厚さＬとスリット１２の幅Ｄとの比Ｄ／Ｌを、アスペクト比と呼ぶ。Ｘ線を効率的に集光するＸ線反射装置を実現するためには、アスペクト比をＸ線の全反射臨界角で決まるある値程度とすることが必要である。エッチングプロセスにより、Ｄ＝１０μｍが実現されると、アスペクト比を一定に保ったまま、従来のＸ線反射装置の長さ（円筒の軸の長さ）が数ｃｍから数十ｃｍであったものを、１ｍｍ以下に小さくすることが可能となる。

Ｘ線の反射率は、Ｘ線のエネルギー、入射角度、そして表面粗さの関数であることが知られている。図２は、Ｘ線の反射率をシミュレーションによって求めたグラフである。図２のうち、（Ａ）は、Ｘ線のエネルギーを６００ｅＶとし、表面粗さが０オングストローム、３０オングストローム、１００オングストローム、３００オングストロームの各場合に、Ｘ線の入射角度によって反射率がどのように変化するかを示しており、（Ｂ）は、Ｘ線の入射角度を０．１度とし、表面粗さが（Ａ）と同じ各場合にＸ線のエネルギーによって反射率がどのように変化するかを示している。

現状の技術を用いれば、シリコンウェハに対してエッチングプロセスを適用することによって、表面粗さが〜３０オングストローム程度の面を得ることが可能となっており、この３０オングストロームの表面粗さを仮定した場合に、Ｘ線のエネルギーが〜１ｋｅＶ以下の軟Ｘ線においては、理想的な表面（粗さ０オングストローム）とほぼ同等な優れた反射率を示すことが、図２（Ａ）（Ｂ）から分かる。

反射面となる側壁は、使い易さの点で、図１に示すようにシリコンウェハ表面に垂直な面とするのが望ましい。例えば、（１１０）面を表面とするシリコンウェハに対しＫＯＨ溶液をエッチング液として用いて、（１１０）面に垂直な（１１１）面がスリットの側壁として残るようにエッチングする。また、（１１０）面から僅かに傾けてシリコン基板を切り出すことによって、シリコン基板表面から僅かに傾いた側壁が得られるようにエッチングすることも可能である。異方性エッチングのエッチング液としては、ＫＯＨの他にも、ＴＭＡＨ、ヒドラジンなど種々のものが利用可能である。

なお、反射に有効な面積を増大させるために深い開口部を形成する必要がある場合には、まずドライエッチングで予め深い穴を開けておき、その後その側壁に対して異方性エッチングを行って滑らかに仕上げることもできる（非特許文献５参照）。

また、図１のようにシリコンウェハに対して異方性エッチング技術を用いてシリコンのＸ線反射素子を作成する代わりに、Ｘ線ＬＩＧＡプロセスにより、レジストを高い精度で加工し、これを金型として用いて電析を行うことでＸ線反射素子をニッケル等の金属で作成することも可能である（非特許文献４参照）。この方法を用いた場合の面精度は、プロセスに使用する放射光のエネルギーに左右されるが、１０ｋｅＶ以上の高エネルギーＸ線を利用すれば、シリコンのウェットエッチング以上の精度が期待できる。高エネルギーＸ線の生成には、例えば財団法人高輝度光科学研究センターの大型放射光施設（Ｓｐｒｉｎｇ−８）等を利用することもできる。

このように、Ｘ線ＬＩＧＡプロセスを用いて作成された金属板状のＸ線反射素子（不図示）も、前述のシリコンによるＸ線反射素子と同様に利用することができる。Ｘ線ＬＩＧＡプロセスを用いて作成するＸ線反射素子の利点として、シリコンよりも原子番号の大きな金属を利用でき、より大きな反射率を達成できるという点、スリットの側壁として曲面を形成できるのでＸ線結像性能を向上させることができる点が挙げられる。

なお、図１のＸ線反射素子１０は全体として長方形だが、必要に応じて、例えば後述の図４、図５に示すように、扇形とすることもできる。また、後述のように、このＸ線反射素子１０を多数積み重ねたり並べたりする際に、位置合わせ及び固定の目的で、Ｘ線反射素子の周辺部や上下の邪魔にならない部分に凹部及び凸部を設けることもできる。

図３は、図１のようなＸ線反射素子（同図右側）が、従来のＸ線反射鏡（同図左側）と比較してどの程度軽くなるかを模式的に示した図である。仮に、本実施形態のＸ線反射面１枚が従来のＸ線反射面と比べて１／Ｃに縮小されるとすると、Ｘ線反射面１枚の重量はＣ^-3に比例して軽くなり、一方、反射面の数密度はＣ²に比例して多くなる。したがって、本実施形態のＸ線反射素子を用いて構成される光学系（例えば後述の図４に示すＸ線反射装置２０）の重量は、大まかに見積もってＣ^-3+2＝Ｃ^-1に比例して軽くなることが分かる。そして、本実施形態のＸ線反射素子は、前述のようにスリットの幅及びピッチが１０μｍ程度と非常に細かくとれるのでＣが極めて大きく、したがって、二桁近く軽い光学系を構成することができる。

次に、図１に示したＸ線反射素子１０を多数組み合わせてＸ線反射装置を構成する場合について説明する。

図４は、扇型に形成された多数のＸ線反射素子１０を円形に敷きつめて配置して構成されたＸ線反射装置２０を示した平面図であり、図５は、このＸ線反射装置２０の一部分の断面図である。Ｘ線反射装置２０は、図５（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、上下方向に一例として４段積まれており、この図の上からＸ線が入射する。

図４に示すように、各Ｘ線反射素子１０の所定の位置には凸部１０₁及び凹部１０₂が形成され、これにより横方向に隣り合うＸ線反射素子１０同士が嵌まり合う。また、図５（Ａ）に示すように、各Ｘ線反射素子１０の所定の位置には凸部１０₃及び凹部１０₄が形成されており、これにより上下に隣り合うＸ線反射素子１０同士が嵌まり合う。

図５（Ａ）の各Ｘ線反射素子１０には、図１との関連で説明したように多数のスリットが形成されているが、この場合は、同図に示すように、上段から下段に進むほど、各Ｘ線反射素子の表面に対するスリットの形成角度が大きくなっている。これは、Ｘ線が全反射する範囲内で少しずつ反射面を傾け、最終的にＸ線を所定の領域に収束させるためである。

一方、図５（Ｂ）の場合は、各Ｘ線反射素子１０に形成するスリットの角度は同じであるが、Ｘ線反射素子１０そのものを少しずつ傾けて配置し、最終的にＸ線を所定の領域に収束させる。そのために、Ｘ線反射素子の各段の間に、それぞれの段のスリットが所定の角度となるようなサポート部材２４を設けてある。

このようにして得られるＸ線反射装置２０は、図３との関連で説明したように、従来に比べ非常に軽量に構成することが可能となり、人口衛星に搭載するといった宇宙空間での利用に際して、輸送時の重量を軽減できるという利点がある。

図６は、図１に示したＸ線反射素子１０を、図５に示すように４段に重ね、これをさらに仮想的な球面に沿って敷きつめるように配置した、いわゆるロブスターアイ光学系を形成するＸ線反射装置３０を示している。Ｘ線は、このＸ線反射装置３０の上方から入射し、Ｘ線反射装置３０によって結像され、反対側の狭い領域３２に収束する。また、別の並べ方として、Ｘ線反射素子の傾き角を素子ごとに僅かに変えながら全体を平面状に並べ、それを上下方向に２段あるいは４段重ねることによって、ウオルタータイプ１光学系を近似的に形成することも可能である。

図７は、図６に示したＸ線反射装置３０にＸ線を平行入射させた場合にどのように収束するかシミュレーションによって求めた結果を示したグラフ（単位は任意）である。このグラフによれば、視野中心に集光結像されたＸ線のピークを見ることができる。

図８は、図６に示したＸ線反射装置３０を二つ並べた光学系を示している。左側の一点３４から放射されるＸ線を左側のＸ線反射装置３０₁で平行光線とし、これを右側のＸ線反射装置３０₂で再び収束して一点３６に集光するものである。

図８に示した光学系は、地球上における応用例の一つであり、例えば電子線源を分析対象の物質に照射し、そこから放射される微量なＸ線を検出して物質を特定するといった微量分析に応用することができる。特に、Ｘ線検出器を分析対象の物質に近づけることができないような場合に有用である。

図６及び図８のＸ線反射装置は、いずれも従来のものと比較して大幅に軽量化することができ、また、製造も容易となる。

本発明の実施の一形態に係るＸ線反射素子の斜視図である。シリコンにエッチングを行って形成された反射面における、Ｘ線の反射率をシミュレーションによって求めたグラフである。本実施形態に係るＸ線反射素子が、従来のＸ線反射鏡と比較してどの程度軽くなるかを模式的に示した図である。本発明の実施の一形態に係るＸ線反射装置の平面図である。図４に示したＸ線反射装置の一部分の断面図である。本発明の実施の一形態に係るＸ線反射装置を示した図である。図６に示したＸ線反射装置にＸ線を平行入射させた場合にどのように収束するかシミュレーションによって求めた結果を示したグラフである。微量分析に応用できる、本発明のＸ線反射装置の応用例を示した図である。

符号の説明

１０Ｘ線反射素子
１２スリット
２０，３０Ｘ線反射装置
２４サポート部材

Claims

シリコン板からなる本体と、
エッチングプロセスにより前記本体の表面から裏面に貫通するよう形成された複数のスリットとを有し、
前記各スリットの壁面をＸ線反射面とすることを特徴とするＸ線反射素子。
前記Ｘ線反射面の面粗さは１００オングストローム以下である、請求項１に記載のＸ線反射素子。
前記Ｘ線反射面の面粗さは３０オングストローム以下である、請求項２に記載のＸ線反射素子。
前記本体に、複数のＸ線反射素子を相互に固定するための固定手段を設けた、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のＸ線反射素子。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう複数段積層して構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう横方向に並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう上下方向に積層し、かつ、横方向に並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるように仮想球面に沿って並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう上下方向に積層し、かつ、これを仮想球面に沿って並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
金属板からなる本体と、
Ｘ線ＬＩＧＡプロセスにより前記本体の表面から裏面に貫通するよう形成された複数のスリットとを有し、
前記各スリットの壁面をＸ線反射面とすることを特徴とするＸ線反射素子。
前記Ｘ線反射面の面粗さは１００オングストローム以下である、請求項１０に記載のＸ線反射素子。
前記Ｘ線反射面の面粗さは３０オングストローム以下である、請求項１１に記載のＸ線反射素子。
前記本体に、複数のＸ線反射素子を相互に固定するための固定手段を設けた、請求項１０乃至１２のうちいずれか一項に記載のＸ線反射素子。
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう複数段積層して構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう横方向に並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう上下方向に積層し、かつ、横方向に並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるように仮想球面に沿って並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のＸ線反射素子を、互いのスリットが所定の位置関係となるよう上下方向に積層し、かつ、これを仮想球面に沿って並べて構成したことを特徴とするＸ線反射装置。