多ピクセル化を目的とした高エネルギー分解能X線マイクロカロリーメータの開発

开发用于多像素设计的高能量分辨率X射线微量热计

基本信息

批准号：
13750398
负责人：
工藤寛之
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Waseda University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

従来のX線分光器は、X線の検出効率に優れるエネルギー分散型と、エネルギー分解能に優れる波長分散型の素子に大別される。X線マイクロカロリーメータは光子のエネルギーを熱に変換して検出するエネルギー分散型の素子であるが、100%に近い検出効率はそのままに波長分散型の素子に匹敵するエネルギー分解能を広いエネルギー領域で実現できる。この優れた特性を生かし、これまで不可能であった新しいX線分光分析技術、中でもナノ構造分析や高エネルギー天体観測を中心とした実用化を目指して、MEMS技術を用いたカロリーメータの大面積化技術を開発した。高エネルギー分解能X線マイクロカロリーメータの実用化には、現在いくつかの技術的ブレークスルーが求められている。そのうちの一つが三次元的な微細構造を持つX線吸収体のアレイ化技術であり、これを実現するために非常に有効な手法として、多段階フォトリソグラフィと電析を用いた微細構造形成法を早稲田大学理工学部逢坂・本間研究室との共同研究によって確立した。本手法を用いることで、カロリーメータを動作させる極低温でも変形の少ない微細構造をウエハレベルで形成することが可能になり、T字型の断面構造を持ち、大面積の吸収体を基板から8μm程度浮かせて自立させることに成功した。また、同構造体をシリコン基板上にアレイ状に配列するデモンストレーションを行った。また、X線マイクロカロリーメータのアレイ化に要求されるもう一つの課題として、基板フィードスルー配線を実現した。カロリーメータは、ノイズの低減を目的として、配線に超伝導体を用いてTc以下の温度で動作させる。このため、配線材料として、電析スズを用いた。配線はウエハ上にアレイ状50μmφのスルーホールを形成し、スズを充填することで構造的には形成可能だが、この状態ではデバイスとのコンタクトに問題があることが判明した。この問題は、コンタクト層として薄い銅のレイヤーを設けることで解決した。多ピクセル化を前提としたX線マイクロカロリーメータの性能評価では、ホワイトノイズレベルから6keVの入射光子に対して、最高4.5eV程度の分解能を達成できるという見積りが得られている。

传统的X射线光谱仪大致分为能量色散装置和波长色散装置，能量色散装置具有优异的X射线检测效率，波长色散装置具有优异的能量分辨率。 X射线微热量计是一种能量色散装置，可将光子的能量转换为热量并对其进行检测，它在宽能量范围内保持接近100%的探测效率，同时可实现与波长色散装置相当的能量分辨率。。利用这一优异特性，我们的目标是将以前不可能实现的新 X 射线光谱分析技术商业化，特别是纳米结构分析和高能天文观测开发技术。高能分辨率X射线微量热计的实际应用目前还需要多项技术突破。其中之一是具有三维微结构的X射线吸收体的阵列技术，通过与大阪本间公司的联合研究，建立了使用多步光刻和电沉积的微结构形成方法，这是实现该技术的极其有效的方法。早稻田大学理工学院实验室。通过使用这种方法，可以在晶圆级形成精细结构，即使在热量计运行的极低温度下也不会变形，并且具有T形截面结构和8μm的大面积吸收体我成功地使其在某种程度上独立。我们还演示了在硅基板上以阵列形式排列相同的结构。此外，我们还实现了基板馈通布线，这是排列X射线微量热计所需的另一个问题。热量计在接线中使用超导体，并在低于 Tc 的温度下运行，以减少噪音。因此，使用电解锡作为配线材料。从结构上来说，可以通过在晶圆上形成直径为50μm的通孔阵列并用锡填充来形成布线，但发现在这种状态下与器件的接触存在问题。通过提供薄铜层作为接触层解决了这个问题。在基于多像素配置的 X 射线微量热计的性能评估中，估计对于来自白噪声水平的 6 keV 入射光子，可以实现约 4.5 eV 的最大分辨率。