(57)【要約】【課題】  Siウェハ表面に微細加工した格子の形状精度を損なわず、60mm角を超える大面積でもGdを高密度に埋め込んで力学的に安定で中性子線に対するコントラストの高い中性子格子を提供する。【解決手段】  まず、Siウェハ表面に所望の格子形状を微細加工で構成し、次に、微細加工されたSiウェハの溝部分に室温で真空蒸着法によりGdを埋め込むことにより、実際に使用する温度で構造緩和させることによりSiの微細加工形状と埋め込まれるGdとの間で熱膨張係数の差による応力が生じないようにGd中性子格子を構築する。上面に成膜されたGd金属を研削・研磨により除去し、剥離した側壁付着Gd金属を溝内部に押し込むか、溝内部にGd合金やGd2O3微細粉末を充填、あるいは両方の工程を実施した上で更にGd金属の蒸着を行い、Si格子の上面が露出するまで研削・研磨することにより中性子線の透過抑制機能を損なわないようにした構造とする。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子線を用いた画像形成を行う20ｍｍ角を超える位相イメージング用中性子格子であって、
所定のアスペクト比の矩形断面を有する格子状の溝が格子ピッチ10μｍ以下（但し、0μｍ以上）で表面に形成されたSi基板と、
前記Si基板の前記格子状の溝中に埋設されたGd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる中性子の遮蔽体を備えて構成されており、
前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる遮蔽体は、前記格子状の溝中に所定の体積密度で埋設されており、かつ、
前記格子の前記Gd埋設面側が表面粗度０．５μｍより平坦に形成されていることを特徴とする位相イメージング用中性子格子。
【請求項２】
請求項１に記載した位相イメージング用中性子格子において、
前記格子状の矩形溝のアスペクト比は３〜５の範囲、或いは、それ以上であることを特徴とする位相イメージング用中性子格子。
【請求項３】
請求項１に記載した位相イメージング用中性子格子において、
前記格子の溝中に埋設される前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる前記遮蔽体の厚さが、Gd金属換算で１０〜２５μｍであることを特徴とする位相イメージング用中性子格子。
【請求項４】
請求項１に記載した位相イメージング用中性子格子において、
前記中性子格子を複数枚、平面上に配置することにより構成されたことを特徴とする位相イメージング用中性子格子。
【請求項５】
請求項１に記載した位相イメージング用中性子格子において、
前記格子の溝を形成するSi格子の高さは、１５μｍ〜２５μｍ程度であることを特徴とする位相イメージング用中性子格子。
【請求項６】
請求項１に記載した位相イメージング用中性子格子において、
前記格子の溝中に埋設される前記遮蔽体は、前記Gd金属又は前記Gd化合物の少なくとも一方であることを特徴とする位相イメージング用中性子格子。
【請求項７】
中性子線を用いた画像形成を行う位相イメージング用中性子格子の製造方法であって、
所定の大きさのSi基板を用意し、
前記Si基板の表面に格子ピッチ10μｍ以下（但し、0μｍ以上）の格子状の溝を形成し、
前記Si基板の前記格子状の溝中に遮蔽体となるGd金属及びGd化合物の少なくとも一方を所定の体積密度で埋設し、
前記格子の前記Gd埋設面側を表面粗度０．５μｍより平坦に研磨することを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載した製造方法において、
前記Si基板の表面の格子状の溝の形成を、反応性イオンエッチングにより行うことを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載した製造方法において、
前記格子状の溝中への前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる前記遮蔽物の埋設工程は、前記Gd埋設面側からの前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方の加圧工程を含んでいることを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載した製造方法において、
前記加圧工程は、加圧装置により、前記Si基板のGd埋設面側を展性に優れた金属膜を媒介として圧縮することにより、前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方を所定の体積密度で埋設することを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載した製造方法において、
前記加圧工程を、前記金属膜を所定の温度に加熱しながら行うことを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項１２】
請求項７に記載した製造方法において、
前記格子状の溝中へ埋設される前記遮蔽物は、前記Gd金属からなり、かつ、
前記遮蔽物の埋設工程は、当該Gd金属の蒸着工程を含んでいることを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項１３】
請求項７に記載した製造方法において、
前記格子状の溝中へ埋設される前記遮蔽物は、前記Gd化合物からなり、かつ、
前記遮蔽物の埋設工程は、前記Gd化合物の微細粉末を含むスラリーの前記溝への埋め込み工程を含んでいることを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【請求項１４】
請求項９に記載した製造方法において、更に、
前記加圧工程の後、前記Si基板の表面から蒸着により前記Si基板の表面まで前記Gd金属の成膜を行ない、その後、
前記研磨工程により、前記格子の前記Gd埋設面側を表面粗度０．５μｍより平坦に研磨することを特徴とする位相イメージング用中性子格子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子線を用いたイメージングに関し、特に、中性子線が物質を通過した時の位相変化を計測するためのデバイスに中性子格子を用いて試料となる物質の構造を計測する位相イメージング測定装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子線を用いたイメージングは、Ｘ線と比較して物質の透過特性が高いことから特に大型試料の内部構造を観察する等に広く用いられている。これは、試料に中性子線を照射し、当該試料を透過した中性子線を、検出器上に投影し、試料内部の構造を透かし観る手法であり、試料物体内部の中性子の吸収度を反映した投影像が得られるものであり、例えば、以下の非特許文献１により既に知られている。また、Ｘ線では原子番号が近い元素の透過吸収係数は同程度であり、区別が困難な場合が多い。一方、中性子線の場合は元素毎に中性子との相互作用が異なり、水やプラスチックなどを判別することが可能となる。
【０００３】
更に、中性子線吸収像の異なる方向から撮影された複数の投映像から試料の３次元像を構成する手法については、Ｘ線で幅広く用いられている方法が使用可能で、例えば、以下の非特許文献２によって知られている。
【０００４】
次に、中性子線を用いた位相イメージングについては、中性子格子を用いて位相検出する方法が用いられ、例えば、以下の非特許文献３によりよく知られている。この文献の中では中性子線対応の格子の作製方法についても述べられている。
【０００５】
格子を用いる位相イメージングでは、中性子をよく通す部分と遮蔽する部分とを交互に配した格子を用いるが、非特許文献１にあるようにGd元素が極めて高い中性子遮蔽能力を示すことが知られており、格子の遮蔽材に用いられる。空間分解能を高く取ろうとするとき、格子のピッチを狭くすることが重要であり、非特許文献３の方法はSiウェハ表面の微細加工と薄膜プロセスを用いて４μmピッチの格子の作製例について述べている。また、非特許文献４では格子状に削った溝にGd2O3の粉末を詰めることにより、774μｍピッチの中性子格子を形成している。
【０００６】
特許文献１ではGd金属に他の金属元素を混合して融点を降下させ、表面を微細加工したSiウェハを鋳型として、Gd合金あるいはGd非晶質合金を高圧で押し込むことにより、鋳型の形状精度に相当する8μｍピッチの中性子格子を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】鬼柳善明：中性子線を用いたイメージング, 中性子イメージング技術の基礎と応用（基礎編第１回）, RADIOISOTOPES 56(2007), 211-217
【非特許文献２】Momose, A., Fujii, A., Kadowaki, H., and Jinnai, H.：Three-Dimensional Observation of Polymer Blend by X-ray Phase Tomography, Macromolecules 38 (2005), 7197-7200,
【非特許文献３】C. Grunzweig, F. Pfeiffer, O. Bunk, T. Donath, G. Kuhne, G. Frei, M. Dierolf, and C. David：Design, fabrication, and characterization of diffraction gratings for neutron phase contrast imaging, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79(2008), 053703 1-6
【非特許文献４】Jongyul Kim, Kye Hong Lee, Chang Hwy Lim, Taejoo Kim, Chi Won Ahn, Gyuseong Cho, and Seung Wook Lee：Fabrication and characterization of the source grating for visibility improvement of neutron phase imaging with gratings, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 84 (2013), 063705 1-5
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許公開公報（国際公開）WO2016/208517
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
先行研究での例では、中性子格子を作製する上で、目標とする格子のスペックは、格子ピッチ10μm以下、格子高さ10μm以上且つ、格子サイズ60mm角以上であり、現状の格子構造及び製造方法ではこのスペック満たしているものは報告されていない。格子サイズを大きくするためには小サイズの格子をタイル状に並べて実現することが可能であるが、微小ピッチの格子の溝と畝を幾何学的に正確に揃えることには困難を伴い、ある程度以上の大きさの格子が必要である。
【００１０】
非特許文献３の例では、Siウェハ表面に微細加工技術を用いて格子状に溝を形成し、溝の壁面に斜め蒸着によりGd金属を蒸着させる方法をとっている。この方法は４μmピッチの格子で10μｍ程度の深さの作製例について述べているが、蒸着源とSiウェハの幾何学的な位置関係からSiウェハ全面に均一な蒸着量・形態を得ることは困難であり、一般的な蒸着装置では10-20ｍｍ程度の幅のエリアのみが一定の形状精度をもった格子を得られるに過ぎない。蒸着源とSiウェハとの距離を極端に長くすることにより、60mm角以上の格子を得ることは可能であるが、蒸着装置の大型化を招き、製造装置コストの上昇等に繋がり実現が困難であった。
【００１１】
非特許文献４の例では、15cm径Siウェハ表面に微細加工技術を用いて格子状に溝を形成し、溝の中にGd2O3粉末とUV硬化樹脂の混合物を押し込んで格子を形成する方法を報告している。この報告では774μｍの格子ピッチで格子高さが500μｍの格子を作製した。しかし、この方法で報告されているものは、Gd金属の厚さにして約15μｍ程度に相当するものである。換言すれば、10μｍ以下の狭い格子ピッチで格子高さ500μｍの格子をSiウェハ表面に形成することは困難を極めるため、Gd2O3粉末の充填率の低さから、高空間分解能を目論む狭いピッチの格子の作製例は無い。
【００１２】
特許文献１の例では、非特許文献３及び４と同様にSiウェハ表面に微細加工により格子形状を形成し、このSiウェハを鋳型として、Gd金属に他の金属元素を混合して融点を降下させ、Gd合金あるいはGd非晶質合金を高圧で押し込むことにより、鋳型の形状精度に相当する8μｍピッチの中性子格子を実現している。この押し込み圧力は２０〜５０MPaであり、加圧時の温度は350℃程度になっている。また、Siの鋳型及び金属は真空中に置かれており、20mm角を超える（≧20mm角）格子を作製しようとするとき、製造装置としては大掛かりとなり、現実的ではなくなる。このように形成されたSi格子はSiウェハ表面に形成された格子状の溝に倣って押し込められるため、非特許文献３のように高さや厚さにばらつきは無く、また、非特許文献４のような低充填率ではないため、中性子格子として理想的な形状となる。
【００１３】
しかし、この特許文献１の中性子格子例では350℃の高温で熱緩和した状態から、室温に冷却されることになる。このとき、鋳型であるSiと中性子遮蔽材となるGd含有合金との熱膨張係数の差と緩和状態との温度差による変形量は約0.34％となり、大きな内部歪が発生する。この変形による内部歪は格子形状に微細加工を施したSiウェハ表面部分の抗折強度に達することがあり、Siウェハの破壊等非常に力学的に不安定な状態の格子となる。これでは、僅かの衝撃や表面の研磨等の力の付加で破壊することがあり、製造プロセスの安定化は難しい。
【００１４】
そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、Siウェハ表面に微細加工で作製した所望の格子の形状精度（後にも述べる格子ピッチやアスペクト比を含む）を損なわずに、20mm角を超える大面積でもGdをSi溝部分に十分な高さで埋め込むことにより、中性子の透過を抑制する構造を構成し、力学的に安定で中性子線に対するコントラストの高い位相イメージング用中性子格子と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】
【００１５】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、まず、中性子線を用いた画像形成を行う20ｍｍ角を超える位相イメージング用中性子格子であって、所定のアスペクト比の矩形断面を有する格子状の溝が格子ピッチ10μｍ以下（但し、0μｍ以上）で表面に形成されたSi基板と、前記Si基板の前記格子状の溝中に埋設されたGd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる中性子の遮蔽体を備えて構成されており、前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる遮蔽体は、前記格子状の溝中に所定の体積密度で埋設されており、かつ、前記格子の前記Gd埋設面側が表面粗度０．５μｍより平坦に形成されている位相イメージング用中性子格子が提供される。
【００１６】
また、本発明では、上記に記載した位相イメージング用中性子格子において、前記格子状の矩形溝のアスペクト比は３〜５の範囲、或いは、それ以上であることが好ましく、或は、前記格子の溝中に埋設される前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる前記遮蔽体の厚さが、Gd金属換算で１０〜２５μｍであることが好ましい。又は、前記中性子格子を複数枚、平面上に配置することにより構成され、或は、前記格子の溝を形成するSi格子の高さは、１５μｍ〜２５μｍ程度であることが好ましい。また、更には、前記格子の溝中に埋設される前記遮蔽体は、前記Gd金属又は前記Gd化合物の少なくとも一方であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、上記の目的を達成するため、中性子線を用いた画像形成を行う位相イメージング用中性子格子の製造方法であって、所定の大きさのSi基板を用意し、前記Si基板の表面に格子ピッチ10μｍ以下（但し、0μｍ以上）の格子状の溝を形成し、前記Si基板の前記格子状の溝中に遮蔽体となるGd金属及びGd化合物の少なくとも一方を所定の体積密度で埋設し、前記格子の前記Gd埋設面側を表面粗度０．５μｍより平坦に研磨する位相イメージング用中性子格子の製造方法が提供される。
【００１８】
なお、本発明では、上記に記載した位相イメージング用中性子格子の製造方法において、前記Si基板の表面の格子状の溝の形成を、反応性イオンエッチングにより行うことが好ましく、或は、前記格子状の溝中への前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方からなる前記遮蔽物の埋設工程は、前記Gd埋設面側からの前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方の加圧工程を含んでいることが、加えて、前記加圧工程は、加圧装置により、前記Si基板のGd埋設面側を展性に優れた金属膜を媒介として圧縮することにより、前記Gd金属及びGd化合物の少なくとも一方を所定の体積密度で埋設することが、そして、前記加圧工程を、前記金属膜を所定の温度に加熱しながら行うことが好ましい。又は、上記に記載した製造方法において、前記格子状の溝中へ埋設される前記遮蔽物は、前記Gd金属からなり、かつ、前記遮蔽物の埋設工程は、当該Gd金属の蒸着工程を含んでいることが、又は、前記格子状の溝中へ埋設される前記遮蔽物は、前記Gd化合物からなり、かつ、前記遮蔽物の埋設工程は、前記Gd化合物の微細粉末を含むスラリーの前記溝への埋め込み工程を含んでいることが好ましい。或は、更に、前記加圧工程の後、前記Si基板の表面から蒸着により前記Si基板の表面まで前記Gd金属の成膜を行ない、その後、前記研磨工程により、前記格子の前記Gd埋設面側を表面粗度０．５μｍより平坦に研磨することが好ましい。
【００１９】
換言すれば、本発明では、Siウェハ表面に所望の格子形状を微細加工で構成し、次に、微細加工されたSiウェハの溝部分に室温で真空蒸着法によりGdを埋め込むことにより、Siの微細加工形状と埋め込まれるGdとの間で熱膨張係数の差による応力が生じないようにGd中性子格子を構築する。
【００２０】
前記真空蒸着法によるGdの埋め込みはSiウェハ表面に所望の格子形状を微細加工で構成された溝の底面だけでなく、側壁、上面にも膜形成される。成膜が進むにつれ溝側面への付着により溝開口部の面積が小さくなり溝底面への蒸着量が減少するため、一度に全膜厚を形成しないで複数回に分割し、成膜の途中で前記Siウェハ上面部分のGd蒸着膜を研削・研磨することにより溝底面部分への蒸着量を確保することで、Gd中性子格子を構成する。
【００２１】
また、前記Gd中性子格子において、前記Siウェハ表面の溝部分に埋め込まれるGdの高さはGd純金属相当で５μｍ以上25μｍ以下、10〜25μｍが好ましい。更には、Gd金属の化学反応性を抑制するため、Siと接しない部分には表面にCr、Tiの金属皮膜あるいはAl2O3あるいはTi-N等の酸化膜や窒化膜等を最表面に成膜し、化学的安定性を得るようにしても良い。
【００２２】
また、前記Gd中性子格子において、前記Siウェハ表面の溝部分に埋め込み、上面に成膜されたGd金属を研削・研磨により除去し、剥離した側壁付着Gd金属を溝内部に押し込むか、溝内部にGd合金やGd2O3微細粉末を充填、あるいは両方の工程を実施した上で更にGd金属の蒸着を行い、Si格子の上面が露出するまで研削・研磨することにより中性子線の透過抑制機能を損なわないようにした構造としてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
上述した本発明によれば、Siを用いて、即ち、前記Siウェハ表面に所望の格子形状を微細加工で構成された溝に中性子を遮蔽能力の大きなGd金属、Gd合金、あるいは、Gd化合物粉末を所定のアスペクト比でかつ高密度で充填し、中性子に対する遮蔽能力の小さな格子構造を構成することにより、従来技術より面積が大きく、従来技術では難しかった狭ピッチのGd中性子格子の作製が可能となる。即ち、中性子用位相イメージング用Gd中性子格子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のGd中性子格子用Si格子作製プロセス概念図である。
【図２】本発明のGd金属膜形成プロセスの説明図である。
【図３】実施例１の第一のGd金属膜形成プロセスによるGd金属の構造図である。
【図４】実施例１の第一の研磨プロセスまでの構造図である。
【図５】実施例１の第一の研磨プロセス前後のSEM写真を含む図である。
【図６】実施例１の加圧プロセスによる高充填率化を示す断面図である。
【図７】実施例１の加圧プロセス用真空チャンバーの構造図である。
【図８】実施例１の第二のGd金属膜形成と第二の研磨プロセスによるGd中性子格子の構造図である。
【図９】実施例２の加圧プロセスによる高充填率化を示す断面図である。
【図１０】実施例２の第二のGd金属膜形成と第二の研磨プロセスによるGd中性子格子の構造図である。
【図１１】実施例３の第一のGd金属膜形成プロセスによるGd金属の構造図である。
【図１２】実施例３の加圧プロセスによる高充填率化、第二のGd金属膜形成と研磨プロセスによるGd中性子格子の構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付の図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
＜実施例１＞
【００２６】
中性子用の格子は、図１にその作製プロセスを示すように、まず、Siウェハ表面に格子状の構造を形成する。より具体的には、図１（ａ）のようにシリコンウェハ３上に感光性レジスト材料膜２を形成し、ＵＶマスク１を通してＵＶ光を照射する。ＵＶ光照射された感光性レジスト材料膜２を現像することにより、ＵＶマスクパターンが転写され、感光性レジスト材料膜２の一部２−１がシリコンウェハ３上に残る。これに図１（ｂ）に示すようにIon Beamを照射することにより、Siが削られ、図１（ｃ）に示すように格子パターン３−１を形成することが出来る。このプロセスは非特許文献４に記載されている。ここで作製された、Siの格子の溝部分に中性子の遮蔽効果が高い金属Gd（ガドリニウム）を埋め込むことにより構造を形成する。非特許文献１で説明されているように、Gdは中性子の線減衰係数が全元素中で最大であり、一方、中性子の遮蔽能力が非常に小さいSiとで格子構造を形成することにより、中性子ビームがGd中性子格子に照射され、格子状の濃淡をもったビームとすることができる。
【００２７】
位相イメージングでは格子の間隔が画像の空間分解能に関係し、空間分解能を高く取るためには格子間隔を小さくする必要がある。本実施例ではSi格子のピッチを９μｍとした。矩形断面の溝の溝幅は4.9μｍにとり、Si格子の高さを15μｍとなるようにRIE（反応性イオンエッチング）プロセスでSiウェハ表面に微細加工を行った。この加工方法は半導体やＭＥＭＳの製造プロセスで用いられており、300ｍｍ直径のSiウェハでも加工が可能である。なお、一般的に、位相イメージング用の格子では、このようにして微細加工されたアスペクト比（溝高さ／溝幅）が約３〜５の範囲、或いは、それ以上の極めて微小な溝の内部に、中性子ビームの遮蔽体であるGdを高い充填密度で埋め込む必要がある。そのため、本発明で以下のような埋め込み方法を採用している。
【００２８】
Siは中性子に対して、遮蔽能力はほとんどないため、溝の部分にGdを埋め込むことにより中性子ビームの遮蔽体とする。今回はSi格子の高さを15μｍとしたが、RIEで25μｍ程度まで加工が可能であり、同様な埋め込みを行うことが可能である。具体的には、次に示す３つの実施例方法で埋め込みを行い、Gd中性子格子を作製した。これらの実施例での格子作製工程を考慮して、Siウェハの厚さは機械的強度から150μｍ以上であることが望ましい。
【００２９】
上記で作成したSi格子に真空蒸着にて、図２に示すようにSiウェハ３−１の全面にGd金属膜を成膜する。このときGdを蒸散させるTaボート４は幅１ｃｍ長さ４ｃｍのものを使いGd金属粒を載置して行った。Taボート４とSiウェハ３−１との距離は、上述したように、格子のアスペクト比が約３（≒15μｍ／4.9μｍ）であることから１３ｃｍの距離とした。図２に示すようにTaボート４とSiウェハ３−１の相対位置関係を水平方向に４ｃｍずらして（図２のA,B,Cの相対位置）３回蒸着操作を行い、ウェハ３−１の全面に平均で約５μｍのGd金属膜厚が得られるようにした。このときSi格子の側壁に蒸着される膜厚は平均で約0.8μｍである。ここで、Siウェハ３−１をTaボート４の長手方向に±４ｃｍ連続的に移動させながら蒸着しても、同様に、好ましい成膜の結果が得られる。更に、Si格子３−１の方向をＴａボート４の長手方向と平行な位置関係として、Ｔａボート４の長手方向と直行させて±３ｃｍ連続的に移動させながら蒸着するとより良い均一性でGd金属膜を製膜することが可能である。
【００３０】
図３はSi格子を形成したウェハの断面図を示している。図２に示す３回蒸着操作を行うことにより、図３に示すように、Si格子の上面には、溝内部と同様に、Gd金属膜が形成される。図３の中でA、B、Cはそれぞれ、図２のA、B、Cのボート位置で蒸着されるGd金属膜を表す。図３における（１）、（２）、（３）は、それぞれ、Siウェハの左端部、中央部、右端部での製膜状況を拡大して表す。
【００３１】
中性子格子を作製するにあたり、中性子の吸収を行わないSi格子の上面に形成されるGd金属膜は、後の工程からも明らかなように不要なので、これを研磨により除去する。また、溝部分には、中性子吸収を高めるため、Gd金属膜と同様に中性子吸収体となるGd2O3微細粉末を詰める。Gd2O3微細粉末は、本例では一例として、平均粒径が100nm程度のものと15nm程度のものを重量比１：１で混合したものを用いた。まず、Gd2O3微細粉末とイソプロピルアルコールを溶媒としたスラリーを用いてラッピングを行った。このプロセスは、表面の研磨よりは、溝部分にGd2O3微細粉末を詰め込むことを主目的とするものである。顕微鏡で溝の埋まり具合を観察して、Gd2O3微細粉末がSi格子部の高さと同等となるところで終了した。次にナノダイヤモンドと前記Gd2O3微細粉末を混合し、イソプロピルアルコールを溶媒としたスラリーを用いて研磨を行った。スラリーは研磨工程の中で格子の溝の中に詰まるため、Gd金属膜を形成したSiウェハの研磨によりSi格子上面のGd金属膜を除去すると同時に溝中スラリーの上部をナノダイヤモンド含有のスラリーとGd金属膜研磨屑で置換した。
【００３２】
前記工程について、図４と図５を用いて説明する。図４（a）は蒸着前のSi格子断面図、図４(b)は蒸着後のSi格子断面図、図４(c)はGd2O3微細粉末５の埋め込み及びSi格子上のGd金属膜の研磨後の断面図を示す。図４(b)及び図４(c)を実際に行って撮影したSEM観察像を図５(a)、図５（ｂ）に示す。
【００３３】
上述した研磨の後、乾燥を行い、溶媒を蒸発させると、図５（ｂ）のように一部に空洞が出来、充填物の充填密度が小さくなる。そこで、本発明では、この空洞の体積を縮小するため、埋め込んだGd2O3微細粉末５の加圧を行った。この加圧では、図６に示すように、加圧は圧力伝達の媒体として展性に優れたSn箔を用いた。図６（a）では、Sn箔は厚さ1.3μｍのものを複数枚重ねて使用した。加圧は格子が形成されたSiウェハ３−１の抗折強度を考慮して、格子形成面積に対して10MPaとした。この加圧により、図６（ｂ）に示すように、Si格子上部のSn箔は薄くなり、一方、溝部分のSn箔によりGd2O3微細粉末５が加圧され、Gd2O3微細粉末内部にある空洞が押しつぶされ、充填率が向上する。このときSn箔の温度を２００℃程度に上げると、よりSnの展性が高くなり、溝部分のSn箔の体積を増やし充填率を高めることが出来る。最終的には、図６（ｃ）に示すようにSn箔を取り除き、高充填率化されたGd2O3微細粉末５−１が形成される。なお、Sn箔の代わりに、Au箔、Al箔或いはAg箔を用いることも可能である。
【００３４】
この加圧に用いた装置の概念図を図７に示す。表面加工されたSiウェハ３−１は載置台８の上に置かれ、Siウェハの上に複数枚のSn箔６を置き、加圧は加圧ヘッド７によって真空チャンバー外部からの加圧により行われる。加圧ヘッド７には内部に温度制御可能なヒーターが配置され、加圧ヘッド面の温度をSnの融点である２３２℃以上より高い２５０℃まで昇温し、温度制御しながら保持することが可能となっている。真空チャンバーは、加圧ヘッド７及び排気管１２が取り付けられた上部フランジ９と、Oリング１３、そして、筐体１１とにより、真空密封可能な構造となっており、更に、加圧方向に伸縮可能なようにベローズ１０が配されている。
【００３５】
本実施例で作製した格子は、４インチSiウェハ上に６４ｍｍ角で格子状に作製した。格子を作製したSiウェハの抗折強度を勘案し、印加圧力は10MPa程度とする。４インチSiウェハ全体に10MPaを印加するとして、約８ｔのプレス力を印加して高充填率化を行った。図７の真空チャンバー内を10-5 Pa以上の真空度にしながらプレス圧を印加し、大気開放してSn箔を取り除き、その結果、格子溝の表面高さはSi格子上面より平均で約４μｍ低い位置になった。
【００３６】
この状態の断面を図８（ａ）に示しており、このGd2O3微細粉末を加圧高充填率化したGd中性子格子は、更に、新たなGd金属の真空蒸着層Dにより図８（ｂ）に示すような断面形態となり、溝部分上部にはGd金属が形成される。その後、Si格子上部に真空蒸着により堆積したGd金属を研磨により除去し、表面を平坦化することにより、図８（ｃ）に示す目的とするGd中性子格子が得られる。このようにして得られたGd中性子格子は、Gd金属とGd2O3微細粉末の充填物で形成される。
【００３７】
本実施例の場合、Gd金属が約１０μｍ、Gd2O3微細粉末が約５μｍの厚さとなった。Gd2O3微細粉末の充填率を５０％とした場合、Gd2O3微細粉末の中性子遮蔽能力がGd金属換算の約８０％であることから、Si格子の溝部分全体の中性子遮蔽能力はGd金属換算で１２μｍ厚相当となり、目標としていた１０〜２５μｍの厚さのGd中性子格子が実現できた。また、Gd2O3微細粉末を充填することでSi格子の溝部分に空間を設けることが出来ることから、見かけの熱膨張係数を下げることが可能である。
【００３８】
なお、上記の図８にも示すように、Si格子上のGd金属を研磨により除去する。この時、Gd埋設面側が表面粗度０．５μｍより良く（０≦表面粗度＜０．５μｍ）することが好ましい。即ち、上記の格子を含む光学素子は、一般的に、X線や中性子のビームの中に曝されて使用されることから、表面でのビームの散乱が少ないことが測定精度の向上からも好ましい。そのため、Si格子上のGd金属を表面研磨により除去するが、その場合においても、特に、その表面粗度を０．５μｍより小さくすることによれば、より好適な結果が得られる。
【００３９】
更に、中性子遮蔽の厚さを増大しようとする場合には、Si格子の溝深さを増し、その後、上述したGd2O3微細粉末の加圧高充填率化工程、Gd金属膜の製膜工程、及び、研磨工程を２〜３回繰り返すことで実現可能である。また、中性子格子の面積を更に大きなものとする場合には、これらの格子を平面上に複数配列して用いればよい。
＜実施例２＞
【００４０】
本発明の実施例２による、より中性子遮蔽能力の高いGd中性子格子の作製プロセスを図９により説明する。実施例１ではGd2O3微細粉末を一部に使ってGd中性子格子を作製したが、中性子遮蔽能力をより向上させるためには、Gd2O3微細粉末を使わず、全てをGd金属で形成することが好ましい。本実施例２ではその作製プロセスについて説明する。
【００４１】
実施例２では、まず、実施例１と同様に、Si格子にGd金属の成膜を行い、研磨によりSi格子の溝部分のGd金属膜を残し、Si格子上面のGd金属膜を除去する。この場合、本実施例２では、スラリーには一般的なSiO2やAl2O3の微細粒子を用い、その後、希釈した混酸等を用いてスラリーを除去した後、純水でSi格子の溝の洗浄を行う。これは、上記の実施例１で説明したように、底面に５μｍのGd金属を堆積させると、壁面に平均で約０．８μｍのGd金属膜が成膜される。しかし、これはSi格子の溝幅５μｍに対して両側の側面で３０％以上の開口を狭めることになり、次のGd金属膜成膜工程での底面へのGd堆積に障害となる。
【００４２】
そこで、図９（ａ）に示すように、このようにして作製したSi格子にSn箔を重ねて、実施例１で説明したようにホットプレスすることにより、壁面に成膜されたGd金属を壁面より剥離させて圧縮することにより、図９（ｂ）の状態とする。このように、Sn箔を除去することにより、図９（ｃ）のような形状（即ち、Gd金属を堆積させる構造）を構成できる。
【００４３】
上述した方法で作製した図９（ｃ）のSi格子は、溝の底部分がGd金属膜で埋められ、アスペクト比（溝高さ／溝幅）が図４（ａ）のGd金属膜蒸着前の約５からホットプレス後は約２のアスペクト比の格子となっている。この状態の格子に、Si格子を完全に埋めるように、実施例１と同様な金属膜形成を行うことにより、図１０（ａ）に示す状態とする。その後、研磨により図１０（ｂ）に示すように、Ｇｄ金属膜で溝を埋められた部分とGdの無いSi部分との繰り返しが構成された中性子格子が形成される。この実施例２によれば、実施例１と比較してGd2O3微細粉末を含まないため、溝部分のＧｄ金属占有率は高くなる。なお、Si格子の溝部分の深さが深い場合には、上記の工程を繰り返してその回数を多くすることにより所望の構造を実現することができる。
＜実施例３＞
【００４４】
更に、実施例３では、Si格子に直接Gd2O3微細粉末を埋め込む方法について、図１１を用いて説明する。図１１（ａ）に示すように、Si格子3-1に実施例１で作製したGd2O3微細粉末を含むスラリーを埋め込み、溶媒を揮発させる。次に、真空蒸着装置の中で、Gd金属膜を格子全体に成膜すると図１１（ｂ）に示すような構造を形成することが出来る。このとき、Ｇｄ金属膜Ａの厚さは約１μｍとした。なお、このGd金属膜Aは、Gd2O3微細粉末の溝部分の蓋として、次工程までの飛散防止及び図１１（ｃ）に示すSn箔への付着を防止するためのものである。
【００４５】
続いて、実施例１或いは実施例２と同様に、Sn箔を媒介として、ホットプレスにより図１２（ａ）に示すように圧縮する。その後、加熱圧縮変形したＳｎ箔６-1を取り除き、実施例１或いは実施例２と同様に、Gd金属膜形成を行い、図１２（ｂ）に示すような構造とする。その後、Si格子上のGd金属膜を研磨により除去し、これにより、図１２（ｃ）に示す構成のＧｄ金属膜とGd2O3微細粉末で溝を埋められた部分とGdの無いSi部分との繰り返しが構成された中性子格子を形成することができる。
【００４６】
なお、この実施例３のGd中性子格子は、実施例１或いは実施例２と比較して、Gd2O3微細粉末を含む割合が多いため、溝部分のGd金属占有率は低くなる。一方、Si格子の溝部分の深さが深い場合でも、工程を繰り返す回数を少なくすることが可能である。即ち、Si格子の溝深さと必要な中性子格子のコントラストを勘案した上で、格子の構造と作成工程を選択することを可能にする。
【００４７】
以上、本発明の実施例になる位相イメージング用中性子格子とその製造方法の幾つかについて述べた。しかしながら、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するため、その製造方法をも含む全体を説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成や工程を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１…ＵＶマスク、２…感光性レジスト材料膜、２−１…現像後の感光性レジスト材料、３…シリコンウェハ、３−１…格子が形成されたSiウェハ、４…Taボート、５…Gd2O3微細粉末、５−１…圧縮されたGd2O3微細粉末、６…Sn箔、７…加圧ヘッド、８…Siウェハ載置台、９…上部フランジ、１０…ベローズ、１１…筐体、１２…排気管、１３…Oリング、A,B,C…蒸着されたGd金属膜
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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