JP5344123B2 - Ｘ線反射体、ｘ線反射装置およびｘ線反射鏡作成方法 - Google Patents

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線反射装置に関する。

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、同軸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、一定以上の反射率を確保するために、反射鏡の表面がＸ線の波長と同程度まで滑らかである必要がある。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、軽量化のために、薄いアルミニウムのフォイルを鏡として利用する方法も存在するが、フォイルのゆがみによって、結像性能が落ちるという欠点があった（非特許文献１）。

そこで、欧州宇宙機構（ＥＳＡ）のＥＳＴＥＣのグループは、表面を研磨したシリコンウェハをＸ線反射鏡として用いる方法を提案した（非特許文献２）。市販されている研磨されたシリコンウェハの表面は、オングストロームレベルの滑らかさがあり、そのままＸ線反射鏡として使うことができる。ウェハの表面は極めて平坦に仕上げることができるため、結像性能もよい。シリコンウェハの薄さは、アルミニウムフォイルと同程度のレベルであり、比較的軽量な光学系となる。

上記非特許文献２に記載されている方法で光学系を組む際には、ウェハを押し曲げる、いわゆる弾性変形を行って理想曲面に近づけた上で、多数の鏡を同心円状に多数並べる。しかしながら、シリコンを弾性変形させると、例えば、押さえつける部材とシリコンとの間に微少なダストが挟まるなどして、押さえ方が微妙にずれたり、経年変化や温度の変化によって鏡の曲面形状に狂いが生じ、結像性能が安定しないという問題があった。

『Ｘ線結晶光学』波岡武、山下広順共編（培風館）（136〜143ページなど）（従来のＸ線反射装置及び多層膜反射鏡について） Bavdaz et al. 2004, Proc. of SPIE, 5488, 829 （表面研磨したシリコンウェハを弾性変形して用いるＸ線光学系について） Nakajima et al. 2005, Nature Materials, 4, 47 （シリコンウェハの熱塑性変形及びブラッグ反射を利用した光学系について） Sato & Tonehara, 1994, applied Physics Letter, 65, 1924 （シリコンウェハの水素アニールによる平滑化について）

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線反射鏡、さらにこのようなＸ線反射鏡を作成する方法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。まず、本発明に係るＸ線反射鏡は、塑性変形されたシリコン基板本体と、Ｘ線の反射に供しうる平滑度を有する反射面であって前記塑性変形により所定の曲面形状とされた反射面とを有することを特徴とする。

前記曲面形状としては、例えば、回転放物面の一部と回転双曲面の一部とを含むものとすることができる。

本発明のＸ線反射装置は、上記のＸ線反射鏡を、直線の周囲に、当該直線を軸とするよう複数配置し、前記複数のＸ線反射鏡の角度を、軸Ｌに平行に入射したＸ線が前記回転放物面と回転双曲面でそれぞれ一回ずつ反射して収束するようにしたことを特徴とする。

本発明のまた別のＸ線反射鏡は、塑性変形されたシリコン基板本体と、Ｘ線の反射に供しうる平滑度を有する反射面であって前記塑性変形により所定の曲面形状とされた反射面と、前記反射面の裏面側に平行に多数設けられた、Ｘ線光路用の溝とを有することを特徴とする。

本発明に係るＸ線反射体は、上記の複数のＸ線反射鏡を、溝が形成された側と反射面とが対向するように積層したＸ線反射体であって前記溝に略平行に入射したＸ線が、前記溝が対向するシリコン基板本体の反射面において全反射した後、前記溝の他端側から出射するよう構成したことを特徴とする。

本発明に係るＸ線反射装置は、上記のＸ線反射体を、前記Ｘ線の入射方向に平行な直線の周囲に、当該直線を軸とするよう複数配置し、前記複数のＸ線反射体から出射したＸ線が収束するようにしたことを特徴とする。

本発明に係るＸ線反射鏡作成方法は、シリコン基板の表面を、Ｘ線の反射に供しうる程度に平滑化する平滑化工程と、前記シリコン基板に対し、所定の曲面形状を有する母型により圧力及び熱を加えて塑性変形させて、前記シリコン基板の表面を所定の曲面形状とする塑性変形工程と、を有することを特徴とする。より詳しくは、シリコン基板の任意の塑性変形を可能とする温度範囲内で高温加圧加工法により所定の曲面形状とされた反射面を作成する。

ここで、前記曲面形状は、回転放物面の一部と回転双曲面の一部とを含むものとすることができる。これにより、回転放物面と回転双曲面のそれぞれで一回ずつ全反射させるＸ線反射鏡とすることができ、しかもこれを一回のプロセスで形成することができる。

本発明の他のＸ線反射鏡作成方法は、シリコン基板の表面を、Ｘ線の反射に供しうる程度に平滑化する平滑化工程と、前記シリコン基板の裏面に、リソグラフィ技術により多数の平行な溝を形成する溝形成工程と、前記シリコン基板に対し、所定の曲面形状を有する母型により圧力及び熱を加えて塑性変形させて、前記シリコン基板の表面を所定の曲面形状とする塑性変形工程とを有することを特徴とする。

前記塑性変形工程では、水素雰囲気中でのアニールを併せて行うことができる。これにより、反射面の平滑度を高め、反射性能を向上させることができる。

前記塑性変形工程の後に前記平滑化したシリコン表面に単層又は多層の金属薄膜を形成する工程を含めることができる。これにより、シリコン表面そのものを反射鏡する場合に比べ、よりエネルギーの高いＸ線まで反射させることができる。

本発明によれば、Ｘ線反射鏡を構成する材料がシリコンであり、しかもこれを十分に薄く加工することができるので、全体の重量を軽量化することができ、宇宙空間に搬送するのに有利となる。また、シリコン基板（シリコンウェハ）を塑性変形させることにより反射面の曲面形状が安定し、したがって結像性能（反射性能）の高いＸ線反射鏡を提供することができる。

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。まず、本発明の実施の形態の特徴は、シリコン基板（シリコンウェハ）を熱塑性変形させることによって、反射面の曲面形状が安定したＸ線反射鏡を提供する。シリコンウェハは、１３００度程度の高温、水素雰囲気中で圧力をかけることで、自由な形状に変形させることができる（非特許文献３）。また、副次的効果として、基板を水素アニールすることによって、シリコン表面の粗さがさらに低減し、反射率が向上する（非特許文献４）。熱変形後のシリコンウェハを、ブラッグ反射（直入射）を利用した光学系として使う技術思想は知られていたが（非特許文献３）、Ｘ線全反射鏡に使うという技術思想はこれまでにはなかった。

［実施形態１］
図１は、塑性変形する前の平面状のシリコン基板（シリコンウェハ）１０（同図（ａ））と、シリコン基板１０を塑性変形させて得られるシリコン反射鏡１２（同図（ｂ））を示している。また、図１（ｂ）には、左側から入射したＸ線がシリコン反射鏡１２の左側の表面で反射した後、さらに右側の表面でも反射されて右側へ出射する様子を示している。図１に示した例では、シリコン反射鏡１２は、中央の境界線１４を境にして左右で曲面の形状が異なっており、左側の部分１２ａは回転放物面の一部、右側の部分１２ｂは回転双曲面の一部である、二曲面Ｘ線反射鏡とされている。

シリコン基板１０の塑性変形は、例えば次のようにして行うことができる。まず、図１（ａ）の平面状シリコン基板を母型（図示せず）の間に挟み込む。この段階では、シリコン基板１０は弾性変形した状態である。この状態で、１３００度程度の水素雰囲気中で水素アニールしながら母型に圧力を加えて押しつけて一定時間経過させる。その後に徐々に冷却していって、完全に冷却した後に、母型から取り出す。このようなプロセスを経ることにより、シリコン基板１０は塑性変形し、このような比較的簡単なプロセスで、図１（ｂ）に示すシリコン反射鏡１２を作成することができる。シリコン反射鏡１２をどのような形状とするかは、予め用意する母型によって決まる。また、従来から宇宙Ｘ線光学系でしばしば用いられてきた２回反射型光学系（Wolter type-I）の２回反射の２枚の光学系を１回の熱変形だけで作成できるので、その分手間とコストを削減することができる。

このようなシリコンの塑性変形は、変形後の形状が安定するため、弾性変形とは異なり、シリコンを押さえ続けなくても曲面形状は変化せず、また、経年変化や温度による変化もほとんど生じないため、結像性能を一定に維持できる。また、非特許文献４等に記載されているように、水素アニールすることによって、シリコンウェハの表面はオングストロームレベルまで平滑化されることが知られており、このような平滑化の向上に応じて、反射率をさらに向上させることができる。

また、得られたシリコン反射鏡１２は、そのままでも実用に供されるが、必要に応じて反射面に重金属薄膜や多層膜を形成することもでき、これによりエネルギーの高いＸ線まで反射させることが可能となる。例えば、スパッタによって金属多層膜を形成すれば、１０ＫｅＶ以上のエネルギーのＸ線まで反射させることのできる多層膜反射鏡が得られる。

図２は、図１（ｂ）に示した二曲面Ｘ線反射鏡の断面を示した図である。図２に示した点線は、シリコン反射鏡１２を構成する二つの曲面を延長した部分を示しており、一方は１２ａを延長した回転放物面、他方は１２ｂを延長した回転双曲面である。また、図２において、点Ａは回転放物面の焦点を、点Ｂは回転双曲面の焦点を示している。そして、このようなシリコン反射鏡１２を、図２の直線Ｌが中心軸となるように、直線Ｌの回りに多数配置することによって、Ｘ線反射鏡を構成することができる。

このようにして構成されたＸ線反射鏡に対し、図２に示すように、右側から水平なＸ線が入射すると、Ｘ線は一点Ｚに収束する。したがって、このようなＸ線反射鏡は、Ｘ線望遠鏡として利用することができる。逆に、点ＺをＸ線の点源とすれば、平行Ｘ線を得る逆望遠鏡として利用することができる。このような構成のＸ線望遠鏡及び逆望遠鏡は、従来の金属を用いたＸ線望遠鏡と比較してかなりの軽量化が図られるため、特に宇宙空間におけるＸ線観測において有用である。

さらに、図３に示すように、前述の二曲面Ｘ線反射鏡二つを対向するように配置することによって、左側の点源から発せられるＸ線を右側の焦点に収束させることができる。このように構成されたＸ線反射鏡は、地上におけるＸ線を利用した微量分析装置などに利用することができる。

［実施形態２］
図４乃至図６は、本発明の実施形態２に係るＸ線反射鏡を説明するための図である。図４（ａ）は、裏面（図の上側）に同図（ｂ）に拡大して示すような多数の溝２２が形成されたシリコン基板２０を示している。このような溝２２は、半導体デバイスにおけるリソグラフィ技術を利用して形成することができる。図４（ａ）に示したシリコン基板２０の下側（表側）は、Ｘ線を反射する反射面となる。

図５（ａ）は、図４に示したシリコン基板２０と、これを塑性変形させるための母型３０ａ、３０ｂを示している。母型３０ａ、３０ｂは、予め所定の表面形状として用意されている。このような母型３０ａ、３０ｂを用いて、図５（ｂ）に示すように溝２２が形成された側が下になるようシリコン基板２０を挟み、実施形態１の場合と同様に１３００度程度の温度の水素雰囲気中で水素アニールしながら圧力を加えて押しつける。そして、一定時間経過させ、その後に徐々に冷却する。こうして、裏面に多数の溝を有する１枚のＸ線反射鏡２４が得られる。

こうして得られたＸ線反射鏡２４を図６に示すように、多数積層することによって、Ｘ線反射体２６が得られる。このＸ線反射体２６に対しては、紙面の表側からＸ線が、形成された各溝にほぼ平行に入射し、各Ｘ線反射体２６の反射面（表面）で全反射されて、紙面の裏側へと出射するよう配置される。したがって、このようなＸ線反射体２６を円周状に多数配置することによって、平行に入射するＸ線を収束させるＸ線反射装置を構成することが可能となる。

このように構成されるＸ線反射装置は、実施形態１の場合と同様に、変形後の形状が安定し、経年変化や温度による変化もほとんど生じないので、結像性能を一定に維持できるという効果がある。

塑性変形する前の平面状のシリコン基板と、シリコン基板を塑性変形させて得られるシリコン反射鏡を示した図である。 図１の二曲面反射鏡の断面を示した図である。 左側の点源から発せられるＸ線が右側の焦点に収束するよう、二つの二曲面Ｘ線反射鏡対向配置した状態を示した図である。 裏面（図の上側）に多数の溝が形成されたシリコン基板を示した図である。 図４に示したシリコン基板と、これを塑性変形させるための母型を示した図である。 Ｘ線反射鏡を多数積層して得られるＸ線反射体を示した図である。

符号の説明

１０、２０ シリコン基板
１２ シリコン反射鏡
１４ 境界線
２２ 溝
２４ Ｘ線反射鏡
２６ Ｘ線反射体
３０ａ、３０ｂ 母型

Claims (5)

1. 塑性変形されたシリコン基板本体と、Ｘ線の反射に供しうる平滑度を有する反射面であって、前記塑性変形により所定の曲面形状とされた反射面と、前記反射面の裏面側に平行に多数設けられたＸ線光路用の溝とを有するＸ線反射鏡を、
   前記溝が形成された側と反射面とが対向するように複数積層したＸ線反射体であって、前記溝に略平行に入射したＸ線が、前記溝が対向するシリコン基板本体の反射面において全反射した後、前記溝の他端側から出射するよう構成したことを特徴とするＸ線反射体。
2. 請求項１に記載のＸ線反射体を、前記Ｘ線の入射方向に平行な直線の周囲に、当該直線を軸とするよう複数配置し、前記複数のＸ線反射体から出射したＸ線が収束するようにしたことを特徴とするＸ線反射装置。
3. シリコン基板の表面を、Ｘ線の反射に供しうる程度に平滑化する平滑化工程と、
   前記シリコン基板の裏面に、リソグラフィ技術により多数の平行な溝を形成する溝形成工程と、
   前記シリコン基板に対し、所定の曲面形状を有する母型により圧力及び熱を加えて塑性変形させて、前記シリコン基板の表面を所定の曲面形状とする塑性変形工程と、
   前記反射面上に、単層又は多層の金属薄膜を形成する工程と、
   を有することを特徴とするＸ線反射鏡作成方法。
4. 前記塑性変形工程では、水素雰囲気中でのアニールを併せて行う、請求項３に記載のＸ線反射鏡作成方法。
5. 前記塑性変形工程の後に前記平滑化したシリコン表面に単層又は多層の金属薄膜を形成する工程を含む、請求項３又は４に記載のＸ線反射鏡作成方法。

Images