(57)【要約】【課題】シリコン基板を高温下でプレス加工により塑性変形させて湾曲させる場合の問題点を解決することのできるＸ線反射装置及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】Ｘ線反射装置の製造方法は、シリコン基板に、一方の面から他方の面へ貫通する複数の穴であって、それぞれの側壁をＸ線反射面として使用する複数の穴を設けるステップと、前記複数の穴を有するシリコン基板の一方の面に金属薄膜を鍍金することにより、当該金属薄膜の応力によって前記シリコン基板を湾曲させるステップとを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面から他方の面へ貫通する穴を複数有し、当該穴の側壁をＸ線反射面として使用するシリコン基板であって、当該一方の面又は他方の面のいずれか一方に金属薄膜を鍍金し、当該鍍金した薄膜の応力により湾曲したシリコン基板を含むことを特徴とするＸ線反射装置。
【請求項２】
前記鍍金した金属薄膜と前記シリコン基板との間に、シード層となる金属薄膜を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線反射装置。
【請求項３】
前記複数の穴は、同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線反射装置。
【請求項４】
前記鍍金される金属薄膜はニッケルを含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のＸ線反射装置。
【請求項５】
シリコン基板に、一方の面から他方の面へ貫通する複数の穴であって、それぞれの側壁をＸ線反射面として使用する複数の穴を設けるステップと、
前記複数の穴を有するシリコン基板の一方の面に金属薄膜を鍍金することにより、当該金属薄膜の応力によって前記シリコン基板を湾曲させるステップと、
を含むことを特徴とするＸ線反射装置の製造方法。
【請求項６】
前記金属薄膜を鍍金する前に、前記シリコン基板の鍍金する面にシード層となる金属薄膜を成膜するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【請求項７】
前記シード層となる金属の成膜は、イオンビームスパッタ法により行うことを特徴とする請求項６に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【請求項８】
前記シード層となる金属の成膜は、金属蒸着法により行うことを特徴とする請求項６に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【請求項９】
前記シード層となる金属を成膜した後、前記金属薄膜を鍍金する前に、前記シリコン基板を洗浄することを特徴とする請求項６乃至８のうちいずれか一項に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【請求項１０】
前記シリコン基板に金属薄膜を鍍金する前に前記複数の穴にレジストを設ける工程、及び、前記鍍金後に当該レジストを除去する工程を含むことを特徴とする請求項５乃至９のうちいずれか一項に記載のＸ線反射装置機製造方法。
【請求項１１】
前記レジストを設ける工程は、感光性ポリマーフィルムを前記シリコン基板の表面に貼り合わせ、加圧して前記穴の中にポリマーフィルムを充填し、基板裏面から光を照射して前記穴の部分のみを感光させた後、現像して前記穴以外の部分のポリマーフィルムを取り除くことにより前記穴に設けることを特徴とする請求項１０に記載のＸ線反射装置を製造する方法。
【請求項１２】
前記複数の穴を設けるステップは、ＭＥＭＳプロセスによって行うことを特徴とする請求項５乃至１１のうちいずれか一項に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【請求項１３】
前記複数の穴を設けるステップは、フォトリソグラフィ法とエッチングの組み合わせによって行うことを特徴とする請求項５乃至１１のうちいずれか一項に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【請求項１４】
前記複数の穴は、同心円状であることを特徴とする請求項５乃至１３のうちいずれか一向に記載のＸ線反射装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱なＸ線を集光結合するＸ線反射装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線の波長領域では、物質の屈折率が１よりも小さいため、可視光のような直入射光学系の利用が難しく、主として全反射を利用した斜め入射光学系が用いられている。しかし、全反射の許される角度は、１ｋｅＶのＸ線に対し典型的に１度程度と非常に小さい。そこで、Ｘ線望遠鏡などでは、２回の全反射を利用したＷｏｌｔｅｒＩ型の光学系がよく用いられる。さらに、有効面積を向上させるため、図１に示すような、光軸に対して同心円状に複数の反射鏡を並べる光学系も提案されている。しかし、このような光学系では、多数の反射鏡を用意しなければならないため、望遠鏡の作製に要する時間及び労力が過大となり、また、全体の重量が増大するので、宇宙機に搭載する場合を考えると搬送において不利となる。
【０００３】
また、ＭＥＭＳ技術を用いて、厚さ数百μｍの薄いシリコン（Ｓｉ）基板に、直径数μｍ程度の多数の微細な穴を開け、これらの穴の側面を反射鏡として利用することが考えられている（特許文献１、特許文献２参照）。図２のグラフに、ＭＥＭＳ技術によるＸ線望遠鏡を、その他の技術、すなわちガラス薄板、シリコン薄板、シリコンポア及びＭＣＰ等と比較した場合の性能の違いを示した。図２のグラフは、下に行くほど軽く、左に行くほど解像度が良いことを示している。有効面積の側面から見ると、ＭＥＭＳ技術によるＸ線反射鏡を使えば、従来のＸ線反射鏡に比べ、一桁以上軽い光学系を組むことができる（非特許文献２参照）。このような光学系は、衛星や惑星探査機への搭載のみならず、鏡を安価に作製できるので、医療用など地上での用途も考えられる。
【０００４】
Ｘ線を集光・結像させるためには、ＭＥＭＳプロセスにより作製したシリコン基板を湾曲させる必要がある。このための方法として、予め所定の形状とされた凹及び凸のモールドの間にシリコン基板を挟み込み、７００℃以上の高温下でプレスすることによってシリコン基板を塑性変形させて湾曲させることが提案されている（非特許文献１、非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１９４７５８号公報
【特許文献２】特開２０１０−８５３０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「Ultra light-weight and high-resolution X-ray mirrors using DRIE and X-ray LIGA techniques for space X-ray telescopes」(Microsyst Technol (2010) 16:16331641)
【非特許文献２】「将来木星探査とＸ線観測」（日本惑星科学会誌Vol. 20, No. 4, 2011）
【非特許文献３】「Shaped silicon-crystal wafers obtained by plastic deformation and their application to silicon-crystal lenses」（nature materials, VOL 4, JANUARY 2005, www.nature.com/naturematerials）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、シリコン基板を高温下でプレス加工により塑性変形させて湾曲させる方法には、次のような問題がある。まず、高温下でプレス加工するには、大がかりな装置が必要となり、加工コストが増大する。また、プレス加工するには、シリコン基板の両端を固定して中央部を押すことになるため、塑性変形により加工する際に応力集中が起こる。さらに、高温下でプレス加工する際に、加熱中の形状と冷却後の形状が必ずしも同一でないため、モールドの設計が難しく、モールドには高精度の形状が要求され、また、シリコンをプレス加工すると、加工後の修正や追加工ができないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、シリコン基板を高温下でプレス加工により塑性変形させて湾曲させる場合の問題点を解決することのできるＸ線反射装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係るＸ線反射装置は、一方の面から他方の面へ貫通する穴を複数有し、当該穴の側壁をＸ線反射面として使用するシリコン基板であって、当該一方の面又は他方の面のいずれか一方に金属薄膜を鍍金し、当該鍍金した薄膜の応力により湾曲したシリコン基板を含む。
【００１０】
上記Ｘ線反射装置の製造方法には、シリコン基板に、一方の面から他方の面へ貫通する複数の穴であって、それぞれの側壁をＸ線反射面として使用する複数の穴を設けるステップと、前記複数の穴を有するシリコン基板の一方の面に金属薄膜を鍍金することにより、当該金属薄膜の応力によって前記シリコン基板を湾曲させるステップと、を含む。
【００１１】
前記金属薄膜を鍍金する前に、前記シリコン基板の鍍金する面にシード層となる金属薄膜を成膜するステップを含むことが望ましい。また、前記シード層となる金属の成膜は、イオンビームスパッタ法により行うか、又は、金属蒸着法により行うことができる。さらに、前記シード層となる金属を成膜した後、前記金属薄膜を鍍金する前に、前記シリコン基板を洗浄することが望ましい。
【００１２】
また、前記シリコン基板に金属薄膜を鍍金する前に前記複数の穴にレジストを設ける工程、及び、前記鍍金後に当該レジストを除去する工程を含むことが望ましい。前記レジストは、感光性ポリマーフィルムを前記シリコン基板表面に貼り合わせ、加圧して穴の中にポリマーフィルムを充填する。レジストを設ける工程は、基板裏面から光を照射して前記穴の部分のみを感光させた後、現像して前記穴以外の部分のポリマーフィルムを取り除くことにより前記穴の内部だけにレジストを設けることができる。
【００１３】
前記複数の穴を設けるステップは、ＭＥＭＳプロセス又はフォトリソグラフィ法とエッチングの組み合わせによって行うことができ、また、前記複数の穴は、同心円状とすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
シリコン基板の一方の面に金属薄膜を鍍金し、当該鍍金した薄膜の応力によりシリコン基板を湾曲させることができるので、シリコン基板を塑性変形して湾曲させる場合に比べて大がかりな装置は必要なく、容易かつ低コストで、しかも高精度に湾曲したＸ線反射装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光軸に対して同心円状に複数の反射鏡を並べた従来の光学系を示す図である。
【図２】ＭＥＭＳ技術によるＸ線望遠鏡を、その他の技術、すなわちガラス薄板、シリコン薄板、シリコンポア及びＭＣＰ等と比較した場合の性能の違いを示したグラフである。
【図３】本発明の実施の一形態に係るＸ線反射鏡の作製方法の概略を示した図である。
【図４】鍍金の応力によって、シリコン基板が中心から外側へ向かうほど大きく湾曲することを示した図である。
【図５】シリコン基板上にＮｉの膜厚を変えて鍍金した場合における、基板の湾曲の度合いを測定した結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の基本的なアイディアは、シリコン基板の一方の表面に金属の鍍金を施し、その鍍金によって生じる応力を利用して、シリコン基板を湾曲させるというものである。従来、半導体製造及びＭＥＭＳプロセスなどに用いられる鍍金では、応力は望ましくないものとされ、どうやって応力が生じないようにするか、あるいはどうのようにして応力を打ち消すかという点に注力されてきた。これに対し本発明では、このよう応力を積極的に利用してシリコン基板を湾曲させる。
【００１７】
図３は、本発明の実施の一形態に係るＸ線反射鏡の作製方法の概略を示した図である。同図（Ａ）は、シリコンウェハに対してＭＥＭＳプロセスにより、貫通する微細な穴を多数設けたシリコン基板１０及び２０の平面図であり、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）に示したシリコン基板１０の断面図である。図３（Ａ）において、符号２０で示したのは、シリコン基板１０の中心から放射状に延びる梁である。梁２０とその他の部分（１０）は同一Ｓｉウエハであり、ＭＥＭＳプロセスにより同一の行程で作製されたものである。ＭＥＭＳプロセス以外にも、通常の半導体デバイスの作製に用いるのと同様のフォトリソグラフィ法とエッチングを組み合わせて、シリコン基板１０及び２０に多数の微細穴を設けることもできる。
【００１８】
微細穴を設けたあと、必要に応じて、微細穴のエッジ部に丸みを付けるために、シリコン基板をアニール処理することもできる。これは微細穴のエッジ部に応力が集中して基板が破壊する可能性を防止するためである。
【００１９】
次に、イオンビームスパッタ法又は金属蒸着法等によって、多数の微細穴が設けられたシリコン基板１０の表面にシード層となる金属を成膜する。このとき、対向電極には、高純度で円滑に溶解するものを用いることが望ましい。
【００２０】
次に、シード層と鍍金膜との密着性を向上させるために、薬品によりシード層が成膜された基板を洗浄するか、あるいはイオンビームを基板表面に照射して（逆スパッタ）洗浄する。また、この両方を行うこともできる。
【００２１】
このままの状態で鍍金を行うと、多数設けられた微細な穴の内部が鍍金されると、穴が塞がれ、あるいは穴の径が小さくなってＸ線が通過できなくなる。そこで、鍍金を行う前に、微細穴が形成されている基板表面に感光性ポリマーフィルムを貼り付け、あるいは微細穴内部にこれを埋め込んで、基板裏側から光を照射して、微細穴の部分のみを感光させる。その後、これを現像することによって微細穴以外の部分からポリマーフィルムを取り除き、微細穴の部分のみをレジストで埋める。
【００２２】
鍍金は、例えば、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸を主成分とするワット浴を使用する。このとき、微細穴はポリマーフィルムで埋められているので、微細穴の内部が鍍金されることはない。なお、微細穴にレジストが存在するとＸ線が透過しないため、鍍金後は微細穴中のレジストを有機溶媒などで除去する。
【００２３】
ここで、塩化ニッケルの量を調整することにより、鍍金時の応力を制御することができる。具体的には、塩化ニッケルの濃度を増やすことにより、応力を増加させて湾曲の曲率を大きくすることができる。また、鍍金時には、鍍金浴を攪拌することにより、鍍金膜自身をより均質にできる上に、膜厚もより均一にすることができる。鍍金の膜厚を調整することによっても応力を制御することができる。具体的には、鍍金膜厚を厚くすることにより、曲率を大きくすることができる。この膜厚は、鍍金時における電流密度分布を調整することによって所望の値にすることもできる。
【００２４】
その後、さらに必要に応じて、微細穴の側壁に対し、斜め蒸着などによってシード層を付加し、積極的に微細穴の側壁にＮｉを鍍金して、側壁におけるＸ線の反射率を向上させることもできる。
【００２５】
以上のように、シリコン基板１０及び２０の片側の面に対して鍍金によりニッケル（Ｎｉ）などの金属薄膜３０を成膜すると、図４に示すように、鍍金の応力によって、シリコン基板１０及び２０は、中心から外側へ向かうほど大きく湾曲する。
【００２６】
図５は、シリコン基板１０及び２０上にニッケルの膜厚を変えて鍍金した場合における、基板の湾曲の度合いを測定した結果を示したグラフであり、横軸はシリコン基板１０の中間からの距離、縦軸は湾曲によりシリコン基板１０の中心からどれだけの高さになったかを示す。
【００２７】
この測定では、厚さ３００μｍのシリコン基板の片面に、設定膜厚５μｍ、１０μｍ、２０μｍのＮｉをワット浴を用いて鍍金した。その結果、鍍金膜厚５μｍでは曲率半径は８．１ｍとなり、鍍金膜厚１０μｍでは曲率半径は２ｍとなり、鍍金膜厚２０μｍでは曲率半径は１．４ｍとなった。すなわち、鍍金膜厚が増加するほど曲率半径は小さくなる。言い換えると、鍍金膜厚が増加するほどシリコン基板の湾曲の度合い（曲率）が大きくなっている。この結果から、鍍金の膜厚を調整することによって、曲率を制御できることが示される。
【００２８】
このようにして湾曲されたシリコン基板１０は、特許文献２に示されているようなＸ線反射鏡と同様に、Ｘ線を集光するための反射鏡として利用することができる。しかしながら、本実施形態のように、シリコン基板１０及び２０の片面だけに鍍金を施し、その際に生じる応力によって湾曲させたものは、特許文献２に記載のＸ線反射鏡に比べて加工が容易で低コストであり、しかも高精度の加工が可能になるという利点がある。
【符号の説明】
【００２９】
１０  シリコン基板
２０  梁
３０  金属薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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