(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を吸収し熱を発生する吸収体と、
前記吸収体の下に配置され、前記吸収体から発生する熱により抵抗値が変化する抵抗体と、
前記抵抗体を支持し前記吸収体から発生する熱の逃げをコントロールするメンブレンとからなる超伝導転移端を用いたカロリーメータにおいて、
前記吸収体の前記抵抗体に向き合う側と反対側の面積は、前記抵抗体の前記吸収体に向き合う側の面積と同じか、または、前記抵抗体の前記吸収体に向き合う側の面積よりも大きく、
前記抵抗体と前記吸収体との間に短冊状の絶縁膜が複数個配置され、
前記絶縁膜下部の前記抵抗体の領域で超伝導転移温度を決定することを特徴とするカロリーメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超伝導転移端を利用した高エネルギー分解能、高計数率の特徴をもつカロリーメータに関し、特に放射線の検出効率の向上とカロリーメータの高速化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
元素分析や不純物検査等で用いられる従来の半導体を利用した検出器のエネルギー分解能、計数率を上回る超伝導転移端を利用したカロリーメータが注目されている（以後カロリーメータと呼ぶ）。従来の半導体を用いた検出器として、Energy Disperse Spectroscopy (EDS)が知られており、広いエネルギー範囲を短時間で元素分析ができることが特徴である。しかしエネルギー分解能は、半導体がもつエネルギーギャップ幅に依存するために、１００eVを下回ることは難しかった。このエネルギー分解能の性能を改善し、かつ高計数率の性能を併せ持つ検出器としてカロリーメータが期待されている。計数率とは、放射線検出により発生するパルスの時定数を４〜20倍した時間の逆数であり、１秒あたりにカウント可能なパルス数を表す。
【０００３】
カロリーメータは、超伝導転移近傍に温度設定をし、定電圧駆動させることによりネガティブフィードバック状態にして動作させることにより高エネルギー分解能、高係数率を達成している。ネガティブフィードバックとは、定常状態にあるカロリーメータに放射線を入射させ不安定状態になると自己フィードバックにより安定状態に戻る動作を表す。カロリーメータの詳細な説明は、K. D. Irwin, Applied physics Letters 66, 1988 (1995) に記載されている。超伝導転移温度は、物質が常伝導状態から超伝導状態へ転移する温度を表す。超伝導体に薄く常伝導体を成膜すると近接効果により超伝導転移温度を単層のそれに比べ低温側にシフトさせることができる。近接効果とは、超伝導体に常伝導体を積層すると常伝導体により超伝導体の超伝導性が弱められ、超伝導転移温度をシフトさせる効果を表す。温度のシフト量は超伝導体と常伝導体の膜厚比により決定される。カロリーメータが超伝導体と常伝導体の２層構造である場合、放射線の吸収にともない発生した活性電子は常伝導体の中を拡散する。電子の拡散はできるだけ早いほうがよく、電子の拡散長が短いとカロリーメータが昇温される時間が長くなる。電子の拡散長とは、電子が拡散する物質を構成する原子により散乱され、さらに次の原子に散乱されるまでの長さを表す。昇温される時間が長い場合、均一のカロリーメータが昇温される前に一部の電子がカロリーメータから外部に拡散する。カロリーメータの温度は、拡散する電子の数に依存するため、一部の電子が外部へ拡散すると、カロリーメータの温度にばらつきが生じる。その結果、エネルギー分解能を決定する信号パルスの波高値のばらつきに影響を及ぼす。特に薄膜になるほど電子の拡散長が短くなることを薄膜効果と呼ぶ。薄膜効果とは、電子の拡散長より薄膜の厚みが薄い場合、薄膜表面で電子が散乱されるため、電子の拡散長は薄膜の厚みに依存する効果である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のカロリーメータを図３に示す。図３(a)は真上からみたカロリーメータの図であり、図３(b)はA-A ’線に沿った断面図である。カロリーメータは、放射線を吸収する吸収体１と、吸収体１で発生した熱により電気信号を発生する抵抗体２と、吸収体１と抵抗体２で発生した熱の基板３への逃げをコントロールするメンブレン４と超伝導配線５から構成されている。抵抗体２は、超伝導体のみ、または超伝導体上に常伝導体が積層された２層構造(Bilayer)になっている。
【０００５】
吸収体１の面積は抵抗体２の面積より小さく設計されており、吸収体１が積層されていない抵抗体２の領域で超伝導転移温度が決定される。理由は、カロリーメータの超伝導転移温度は、吸収体１が常伝導体の場合、吸収体２が積層された抵抗体は近接効果により抵抗体２の超伝導性は消失され、吸収体１が積層されていない超伝導性が残っている抵抗体２の領域で決定されるためである。そのため従来構造では、吸収体１と抵抗体２の面積を等しくすることはできない。
【０００６】
吸収体１と抵抗体２の面積が異なる場合、吸収体１だけでなく必ず抵抗体２に直接放射線が吸収されてしまう問題がある。抵抗体２に直接放射線が吸収された場合と、吸収体１で吸収された場合では発生した熱の拡散時間が異なるため、異なる信号が発生する。その結果、抵抗体２で発生した信号は除去する必要があり、放射線検出の時間にロスが生じる。また、抵抗体２が露出している領域が無駄になってしまい、面積的な吸収効率が低下する。
【０００７】
抵抗体２が常伝導体と超伝導体の２層構造で構成されている場合、吸収体で発生した活性電子は抵抗体の常伝導層を伝わり、抵抗体を暖める。しかし、常伝導層が薄く面積が大きい場合、薄膜効果により電子の拡散長が短くなるため、抵抗体が昇温される時間が長くなる問題が生じる。
【０００８】
メンブレンは、例えばシリコン窒化膜などの薄い薄膜であり、基板４上に成膜された薄い薄膜下部の一部の基板をエッチングすることにより作製される。基板４がシリコンである場合、例えばウェットエッチングにより基板をエッチングするが、エッチング液に吸収体１と抵抗体２を形成した後エッチング工程を行うと、吸収体１が積層されていない抵抗体２がエッチングまたは破壊される問題が生じる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、放射線を吸収し熱を発生させる吸収体が、熱により抵抗値を変化させる抵抗体の上に形成されており、前記抵抗体が熱の逃げをコントロールするメンブレン上に形成されている超伝導転移端を用いたカロリーメータにおいて、熱伝導率を決定するメンブレン上に温度によって抵抗値を変化させる抵抗体が形成されており、吸収体と抵抗体の一部が接触しており、抵抗体上に放射線を吸収する吸収体が形成されており、かつ吸収体と前記抵抗体の間に絶縁膜が形成されており、絶縁膜下部の抵抗体領域で超伝導転移温度を決定することを特徴とするカロリーメータを用いた。その結果、絶縁膜が積層された抵抗体上に抵抗体と面積が等しい、または抵抗体より面積が大きい吸収体を積層することができる。絶縁膜が積層された抵抗体は吸収体と接触していないため、吸収体との近接効果により超伝導性が破壊されず、超伝導転移温度は絶縁膜下部の抵抗体の超伝導性により保たれる。また、抵抗体の上には必ず吸収体があるため、カロリーメータの面積的な放射線吸収効率は場所によらず一定になり、検出効率が向上する。また、厚い吸収体が薄い抵抗体上に重なっているため、メンブレン作製時に抵抗体が基板のエッチング液によりエッチングされない。そのため再現性よく、かつ安定にカロリーメータを作製することができる。
【００１０】
また、絶縁膜が短冊状にパターニングされており、短冊状の絶縁膜が抵抗体上に複数個配置されていることを特徴とするカロリーメータを用いた。放射線吸収により吸収体で発生した活性電子は抵抗体へと拡散し、次に絶縁膜下部の抵抗体へと拡散する。絶縁膜の幅が短冊上であり、かつ長さが十分短いと活性電子が抵抗体中を拡散する長さが短くなる。抵抗体の長さが電子拡散長に比べ大きい場合、絶縁膜下部の電子拡散時間を十分短くなるように設計し、絶縁膜を複数個配列すると電子拡散時間を低下させずに絶縁膜の数に応じてカロリーメータの抵抗値を変化させることができる。その結果、放射線の吸収によりカロリーメータが消温される時間が短くなり、カロリーメータの高速化を図ることができた。
【００１１】
また、吸収体の面積が前記抵抗体の面積より大きいカロリーメータを用いた。吸収体の面積を抵抗体の面積より大きくすることにより、吸収体と抵抗体の面積が同じ場合と比較し、メンブレンを形成するときのエッチング液により抵抗体が破壊されることを防ぐ事ができる。そのため再現性よく、かつ安定にカロリーメータを作製することができる。以上により、従来のカロリーメータと比較し、高速にカロリーメータを消温することができ、かつ放射線の吸収効率がよく、かつ再現性よく安定してカロリーメータを作製することができるカロリーメータを得る事ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、放射線を吸収し熱を発生させる吸収体が、熱により抵抗値を変化させる抵抗体の上に形成されており、抵抗体が熱の逃げをコントロールするメンブレン上に形成されている超伝導転移端を用いたカロリーメータにおいて、
熱伝導率を決定するメンブレン上に温度によって抵抗値を変化させる抵抗体が形成されており、抵抗体上に放射線を吸収する吸収体が形成されており、かつ吸収体と抵抗体の間に絶縁膜が形成されており、吸収体と抵抗体の一部が接触しており、絶縁膜下部の前記抵抗体領域で超伝導転移温度を決定するカロリーメータを表した模式図である。
【００１３】
図１(a)は、カロリーメータ１１を上からみた図を表し、図１(b)は図１(a)に示されたA-A ’線に沿った断面図を表す。
【００１４】
カロリーメータ１１の構成は、支持基板１２上にメンブレン１３が形成され、メンブレン１３上に抵抗体１４と吸収体１５と超伝導配線１６が形成されている。抵抗体１４は超伝導体１７と常伝導体１８の２層構造となっている。なお、所望とする超伝導転移温度が超伝導体１７単層で得られるならば常伝導体１８を必要としない。吸収体１５は超伝導体、常伝導体どちらでもかまわないが、測定する放射線のエネルギーが低い場合（例えば数十keV以下）、できるだけ常伝導体を用いたほうがよい。抵抗体１４と吸収体１５の間にはコンタクト部分１９を残して絶縁膜２０により電気的に絶縁されている。抵抗体１４と吸収体１５の面積は等しい、または吸収体１５の方が大きくなるように設計する。超伝導配線１６は、例えば抵抗体１４の下部に設置することができる。メンブレン１３は、熱的に基板１２と弱い結合をもつ構造であり、例えば窒化シリコンを用いた薄膜を用いる事ができる。
【００１５】
抵抗体４を例えば金（常伝導体）とチタン（超伝導体）の２層構造とし、吸収体５を抵抗体４に比べ十分厚い金（常伝導体）である場合、放射線のほとんどは吸収体５に吸収され、抵抗体１４上を完全に覆うように吸収体１４が形成されている。従って、従来のマイクロカロリーメータでは抵抗体２に直接放射線が吸収される問題を、本発明により解決することができる。その結果、本発明では放射線の吸収効率が従来のカロリーメータと比較し向上した。以上から、高感度なカロリーメータを得ることができた。
【００１６】
またカロリーメータ１１は、抵抗体１４の上に吸収体１５を配置するために、吸収体１５と抵抗体１４の間に絶縁膜２０が挟まれている。超伝導転移温度は、抵抗体１４の常伝導体１７と超伝導体１１８の２層構造であるが、常伝導体１８の厚みが式(１)に示すコヒーレント長さより厚くなると抵抗体１４の超伝導性は消失する（近接効果）。
【００１７】
【数１】
0004357759.tif 000002
【００１８】
【数２】
0004357759.tif 000003
vFN,Sは常伝導体で用いられる材料のフェルミ速度であり、lN,Sは常伝導体で用いられる材料の平均自由行程を表す。
【００１９】
本発明では、抵抗体１４と吸収体１５の一部に、吸収体１５で発生した活性電子を抵抗体１４に拡散させるためのコンタクト部分１９を作製し、それ以外は絶縁膜２０により電気的に絶縁させることにより、絶縁膜２０下部の抵抗体１４の超伝導性は失われない構造にした。絶縁膜２０の厚みは十分薄くても、抵抗体１４と吸収体１５の間で電子の移動ができないため、絶縁膜２０の厚みは絶縁膜２０が抵抗体１４を完全に覆う事ができる程度でかまわない。絶縁膜２０の材質としては、例えば２酸化シリコンを用いることができる。
【００２０】
また絶縁膜２０は、図２に示すように短冊状にし、抵抗体１４に対して複数個平行に並べることも可能である。抵抗体１４を構成する常伝導体１７の膜厚が薄い場合、薄膜効果により電子の拡散長さが短くなる。しかし、短く切られた短冊状下部の抵抗体１７の長さは短いため、常伝導体１７の拡散長が短くても短時間で抵抗体１４中を拡散することができる。短冊状に切られた絶縁膜２０を複数個並べる事によりコンタクト部分９と絶縁膜１０の面積比を調整することができ、カロリーメータ１１の抵抗値を制御することができ、かつ絶縁膜２０下部の抵抗体１４の超伝導温度によりカロリーメータ１１の超伝導転移温度は設定される。その結果、抵抗体１４の面積が大きい場合でも放射線吸収にともない発生する活性電子が絶縁膜２０下部の抵抗体１４中を拡散する時間を短縮することができた。以上から、高速応答可能なカロリーメータを得ることができた。
【００２１】
またカロリーメータ１１を作製する工程は、支持基板１２に抵抗体１４と吸収体１５と超伝導配線１６を作製する工程と、メンブレン１３下部の支持基板１２をエッチングする工程から成り立っている。詳細なプロセスは、例えばK. Tanaka et.al. Appl.Phys.Lett. 77, 4196 (2000)に報告されている。支持基板１３がシリコンである場合、支持基板１３はウェットエッチングによりエッチングされる。エッチング液は強アルカリ性であることが多く、吸収体１５に覆われていない抵抗体１４はエッチング液により破壊されることがあった。しかし、本発明のカロリーメータ１１は、抵抗体１４の上に吸収体１５が必ず積層されているため、エッチング液が抵抗体１４に触れないため抵抗体１４が破壊される心配がなくなった。また、吸収体１５の大きさを抵抗体１４の大きさより大きくすることにより、ウェットエッチングによる抵抗体１４のサイドエッチングによる破壊も完全に防ぐ事ができた。
【００２２】
【発明の効果】
このような目的を達成するために、放射線を吸収し熱を発生させる吸収体が、熱により抵抗値を変化させる抵抗体の上に形成されており、抵抗体が熱の逃げをコントロールするメンブレン上に形成されている超伝導転移端を用いたカロリーメータにおいて、熱伝導率を決定するメンブレン上に温度によって抵抗値を変化させる抵抗体が形成されており、抵抗体上に放射線を吸収する吸収体が形成されており、かつ吸収体と抵抗体の間に絶縁膜が形成されており、吸収体と前記抵抗体の一部が接触しており、絶縁膜下部の抵抗体領域で超伝導転移温度を決定するカロリーメータを用いた。その結果、絶縁膜が積層された抵抗体上に抵抗体と面積が等しい、または抵抗体より面積が大きい吸収体を積層することができる。絶縁膜が積層された抵抗体は吸収体と接触していないため、吸収体との近接効果により超伝導性が破壊されず、超伝導転移温度は絶縁膜下部の抵抗体の超伝導性により保たれる。また、抵抗体の上には必ず吸収体があるため、カロリーメータの面積的な放射線吸収効率は場所によらず一定になり、検出効率が向上する。また、厚い吸収体が薄い抵抗体上に重なっているため、メンブレン作製時に抵抗体が基板のエッチング液によりエッチングされない。そのため再現性よく、かつ安定にカロリーメータを作製することができる。また、絶縁膜が短冊状にパターニングされており、短冊状の絶縁膜が抵抗体上に複数個配置されているカロリーメータを用いた。放射線吸収により吸収体で発生した活性電子は抵抗体へと拡散し、次に絶縁膜下部の抵抗体へと拡散する。絶縁膜の幅が短冊上であり、かつ長さが十分短いと活性電子が抵抗体中を拡散する長さが短くなる。抵抗体の長さが電子拡散長に比べ大きい場合、絶縁膜下部の電子拡散時間を十分短くなるように設計し、絶縁膜を複数個配列すると電子拡散時間を低下させずに絶縁膜の数に応じてカロリーメータの抵抗値を変化させることができる。その結果、放射線の吸収によりカロリーメータが消温される時間が短くなり、カロリーメータの高速化を図ることができる。
【００２３】
また、吸収体の面積が前記抵抗体の面積より大きいカロリーメータを用いた。吸収体の面積を抵抗体の面積より大きくすることにより、吸収体と抵抗体の面積が同じ場合と比較し、メンブレンを形成するときのエッチング液により抵抗体が破壊されることを防ぐ事ができる。そのため再現性よく、かつ安定にカロリーメータを作製することができる。以上により、従来のカロリーメータと比較し、高速にカロリーメータを消温することができ、かつ放射線の吸収効率がよく、かつ再現性よく安定してカロリーメータを作製することができるカロリーメータを得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に関わるカロリーメータ示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態２に関わるカロリーメータを示す概略図である。
【図３】従来のカロリーメータを示す概略図である。
【符号の説明】
１  吸収体
２  抵抗体
３  基板
４  メンブレン
５  超伝導配線
１１  カロリーメータ
１２  支持基板
１３  メンブレン
１４  抵抗体
１５  吸収体
１６  超伝導配線
１７  超伝導体
１８  常伝導体
１９  コンタクト部分
２０  絶縁膜
【図１】
0004357759.tif 000004
【図２】
0004357759.tif 000005
【図３】
0004357759.tif 000006