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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-29
(45)【発行日】2024-08-06
(54)【発明の名称】Ｘ線素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
G21K 1/06 20060101AFI20240730BHJP
【ＦＩ】
G21K1/06 B
G21K1/06 D
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2020104051
(22)【出願日】2020-06-16
(65)【公開番号】P2021196300
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-04-28
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 〔１〕 刊行物名 ２０１９年度 首都大学東京 理工学部 物理学コース 卒業研究発表会Ａｂｓｔｒａｃｔ 発行日 ２０２０年２月６日 ＜資料＞ 卒業研究発表会プログラム及びＡｂｓｔｒａｃｔ（抜粋） 〔２〕 集会名 ２０１９年度 首都大学東京 理工学部 物理学コース 卒業研究発表会 開催日（公開日） ２０２０年２月１２日 ＜資料＞ 卒業研究発表会 発表スライド（抜粋）
(73)【特許権者】
【識別番号】305027401
【氏名又は名称】東京都公立大学法人
(73)【特許権者】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】江副 祐一郎
(72)【発明者】
【氏名】大橋 隆哉
(72)【発明者】
【氏名】沼澤 正樹
(72)【発明者】
【氏名】伊師 大貴
(72)【発明者】
【氏名】大坪 亮太
(72)【発明者】
【氏名】福島 碧都
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 光
(72)【発明者】
【氏名】湯浅 辰哉
(72)【発明者】
【氏名】内野 智樹
(72)【発明者】
【氏名】作田 紗恵
(72)【発明者】
【氏名】石川 久美
(72)【発明者】
【氏名】満田 和久
【審査官】藤本 加代子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－０３０２３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０４８１９８２８（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０２２００６４０（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１９０９８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－００３７６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００９－５０３５０６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ２１Ｋ １／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１方向で所定の厚みを有する第１基板に、ドライエッチングによって、前記第１方向に貫通し、前記第１方向から見たときに前記第１方向に交差する第２方向よりも前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向に長い第１貫通孔を形成する第１貫通孔形成工程と、第１方向で所定の厚みを有する第２基板に、ドライエッチングによって、前記第１方向に貫通し、前記第１方向から見たときに前記第３方向よりも前記第２方向に長い第２貫通孔を形成する第２貫通孔形成工程と、
前記第１方向から見て前記第１貫通孔が前記第２貫通孔の前記第２方向の両端部よりも中央部の少なくとも一部と重なり、且つ前記第２貫通孔が前記第１貫通孔の前記第３方向の両端部よりも中央部の少なくとも一部と重なるように位置合わせし、前記第１基板と前記第２基板とを前記第１方向で重ねる位置合わせ工程と、
前記第１基板と前記第２基板とを所定の曲率半径で曲げ、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の各々の周壁面を所定の位置を中心とする径方向に沿う第４方向に沿って延在させ、前記第１基板の前記第４方向の両端を前記所定の位置を中心とする周方向に沿う第５方向に沿って湾曲させ、前記第２基板の前記第４方向の両端を前記所定の位置を中心とする周方向に沿い且つ前記第５方向に交差する第６方向に沿って湾曲させる曲率付与工程と、
を備え、
前記第１貫通孔の側壁をなす表面の粗さ及び前記第２貫通孔の側壁をなす表面の粗さの各々を１０ｎｍ以下とする、
Ｘ線素子の製造方法。
【請求項2】
前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の各々の側壁をなす前記第１基板及び前記第２基板の表面でＸ線を反射可能に加工する周壁面加工工程をさらに備える、請求項１に記載のＸ線素子の製造方法。
【請求項3】
前記第１基板及び前記第２基板はそれぞれ、第１半導体基板及び第２半導体基板のそれぞれであり、前記周壁面加工工程において、
前記第１貫通孔の側壁をなす前記第１半導体基板の表面にＸ線を反射可能な第１金属膜を形成し、
前記第２貫通孔の側壁をなす前記第２半導体基板の表面にＸ線を反射可能な第２金属膜を形成する、
請求項２に記載のＸ 線素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、Ｘ線素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
天体から放射されるＸ線の観測は、天体や宇宙で起こっている現象の理解を深めるため、Ｘ線天文学、宇宙物理学等の分野で重要である。Ｘ線は地球の大気によって吸収されるため、Ｘ線を観測するための装置は、人工衛星等に搭載され、大気よりも高い高度に運ばれる。そのため、軽量で高性能な装置が求められる。
【0003】
Ｘ線を観測するための装置には、Ｘ線をＸ線検出器に入射させるためのＸ線素子が設けられている。Ｘ線は可視光よりも約１０００倍エネルギーが高く、透過力があるため、反射面に対して略垂直に入射させても概ね透過してしまい、Ｘ線の向きを変えられない。そのため、Ｘ線を観測する装置には、１°以下の入射角度で全反射させることによってＸ線の向きをＸ線検出器に合わせる斜入射光学系が広く採用されている。斜入射光学系に用いるＸ線素子として、例えば特許文献１には、ドライエッチングによって複数の曲線状のスリットが形成されたシリコンウェハを所定の曲率半径で曲げて変形させたＸ線素子が開示されている。
【0004】
上述のようにシリコンウェハ等の基材で形成可能なＸ線素子として、例えばＸ線の進行方向の中心に沿って延びる複数の膜状の基材が径方向に互いに間隔をあけて配置されたＷｏｌｔｅｒ Ｉ型の素子が知られている。但し、Ｗｏｌｔｅｒ Ｉ型の素子の製造には、多段の工程を要する。Ｗｏｌｔｅｒ Ｉ型に比べて一段の工程でＸ線素子として、甲殻類の眼を模したＬｏｂｓｔｅｒ ｅｙｅ型の素子が提案されている。Ｌｏｂｓｔｅｒ ｅｙｅ型の素子を用いることによって、Ｘ線の進行方向の中心に対称な広い視野を得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１０－０８５３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
Ｌｏｂｓｔｅｒ ｅｙｅ型の中でもＡｎｇｅｌ配置と呼ばれるＸ線素子には、入射する線の進行方向から見たとき、矩形状の孔が形成されている。ドライエッチングによってシリコンウェハ等の基材に矩形状の孔を形成すると、成熟した技術を用いて容易に実現できる利点がある一方で、厚み方向に沿って見たときに孔の角部に丸みが生じる虞がある。矩形状の孔の角部に丸みが生じると、孔の周壁で反射したＸ線を所定の位置に向けることが難しいという問題があった。つまり、Ｘ線を所定の位置に向けて高精度に出射し且つ容易に製造可能なＸ線素子が求められていた。
【0007】
本発明は、Ｘ線を所定の位置に向けて高精度に出射し且つ容易に製造可能なＸ線素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係るＸ線素子の製造方法は、第１方向で所定の厚みを有する第１基板に、ドライエッチングによって、前記第１方向に貫通し、前記第１方向から見たときに前記第１方向に交差する第２方向よりも前記第１方向及び前記第2方向に交差する第３方向に長い第１貫通孔を形成する第1貫通孔形成工程と、第１方向で所定の厚みを有する第２基板に、ドライエッチングによって、前記第１方向に貫通し、前記第１方向から見たときに前記第３方向よりも前記第２方向に長い第２貫通孔を形成する第２貫通孔形成工程と、前記第１方向から見て前記第１貫通孔が前記第２貫通孔の前記第２方向の両端部よりも中央部の少なくとも一部と重なり、且つ前記第２貫通孔が前記第１貫通孔の前記第３方向の両端部よりも中央部の少なくとも一部と重なるように位置合わせし、前記第１基板と前記第２基板とを前記第１方向で重ねる位置合わせ工程と、前記第１基板と前記第２基板とを所定の曲率半径で曲げ、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の各々の周壁面を所定の位置を中心とする径方向に沿う第４方向に沿って延在させ、前記第１基板の前記第４方向の両端を前記所定の位置を中心とする周方向に沿う第５方向に沿って湾曲させ、前記第２基板の前記第４方向の両端を前記所定の位置を中心とする周方向に沿い且つ前記第５方向に交差する第６方向に沿って湾曲させる曲率付与工程と、を備える。本発明に係るＸ線素子の製造方法では、前記第１貫通孔の側壁をなす表面の粗さ及び前記第2貫通孔の側壁をなす表面の粗さの各々を１０ｎｍ以下とする。
【0011】
上述のＸ線素子の製造方法では、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の各々の側壁をなす前記第１基板及び前記第２基板の表面でＸ線を反射可能に加工する周壁面加工工程をさらに備えてもよい。
【0012】
上述のＸ線素子の製造方法では、前記第１基板及び前記第２基板はそれぞれ、第１半導体基板及び第２半導体基板のそれぞれであり、周壁面加工工程において、前記第１貫通孔の側壁をなす前記第１半導体基板の表面にＸ線を反射可能な第１金属膜を形成し、前記第２貫通孔の側壁をなす前記第２半導体基板の表面にＸ線を反射可能な第２金属膜を形成してもよい。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、Ｘ線を所定の位置に向けて高精度に出射し且つ容易に製造可能なＸ線素子及びＸ線素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明に係る一実施形態のＸ線素子を用いてＸ線をＸ線検出器で検出する様子を示す模式図である。
【図2】本発明に係る一実施形態のＸ線素子をＸ線の進行方向の後方から前方に向かって見た正面図である。
【図5】本発明に係る一実施形態のＸ線素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図6】本発明に係る一実施形態のＸ線素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図9】本発明に係る一実施形態のＸ線素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図10】本発明に係る一実施形態のＸ線素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図12】従来のＸ線素子の要部を拡大した斜視図である。
【図13】実施例で使用したフォトマスクの平面図である。
【図19】実施例においてＳｉ基板に複数の矩形状の貫通孔を形成したときのＳｉ基板の表側から見た光学顕微鏡写真である。
【図20】実施例においてＳｉ基板に複数の矩形状の貫通孔を形成したときのＳｉ基板の裏側から見た光学顕微鏡写真である。
【図21】実施例において第１のパターンの第１貫通孔の周壁面の粗さを測定した結果を示すグラフである。
【図22】実施例において第２のパターンの第１貫通孔の周壁面の粗さを測定した結果を示すグラフである。
【図23】実施例における１枚目のＳｉ基板の平面図である。
【図24】実施例における２枚目のＳｉ基板の平面図である。
【図25】実施例における１枚目のＳｉ基板と２枚目のＳｉとを組み合わせたときの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図１に示すように、本発明に係る一実施形態のＸ線素子１０は、不図示の天体等からのＸ線１００をＸ線検出器２００に集め、Ｘ線検出器２００によって検出可能とする。
【0016】
Ｘ線素子１０は、第１層２１と、第２層２２と、を備え、第１層２１と第２層２２との積層構造を有する。図２に示すように、第１層２１は、半導体基板（第１半導体基板）２５と、金属膜（第１金属膜）６１と、を備える。第２層２２は、半導体基板（第２半導体基板）２６と、金属膜（第２金属膜）６２と、を備える。半導体基板２５、２６は、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術で加工可能且つ曲げ加工可能な半導体で形成され、例えばシリコン（Ｓｉ）で形成されている。図１から図３に示すように、Ｘ線素子１０において、第１方向（第４方向）Ｒ１は、Ｘ線検出器２００においてＸ線１００が集まる所定の位置５０を中心とする径方向を表す。曲げ加工前の半導体基板２５、２６の第１方向Ｒ１から見た直径は、例えば３ｉｎｃｈから１２ｉｎｃｈ（即ち、７６．２ｍｍから３０４．８ｍｍ）程度であるが、Ｘ線素子１０に求められる条件等を勘案して適宜設定される。
【0017】
図１から図３に示すように、第２方向（第６方向）Ｓ２は、第１方向Ｒ１に交差する曲面に含まれ、位置５０を中心とする周方向のうちの一方向である。第３方向（第５方向）Ｓ３は、位置５０を中心とする周方向に沿い且つ第２方向Ｓ２に交差する方向であり、位置５０を中心とする周方向のうちの一方向である。第１層２１は、第１方向Ｒ１で所定の厚みＴ２１を有し、第１方向Ｒ１から見て円形状に形成され、所定の位置５０を中心とする曲面に沿い、所定の大きさを有する。第２層２２は、第１方向Ｒ１で所定の厚みＴ２２を有し、第１方向Ｒ１から見て円形状に形成され、所定の位置５０を中心とする曲面に沿い、所定の大きさを有する。厚みＴ２１、Ｔ２２の各々は、例えば１００μｍから１０００μｍ程度であるが、Ｘ線素子１０に求められる条件等を勘案して適宜設定される。第２層２２は、第１層２１よりもＸ線１００の進行方向前方、即ち第１方向Ｒ１において第１層２１とＸ線検出器２００との間に配置され、第１方向Ｒ１で第１層２１と隣り合っている。
【0018】
半導体基板２５には、第１方向Ｒ１に貫通する複数の第１貫通孔３１が形成されている。複数の第１貫通孔３１は、位置５０を中心とする周方向に沿う第２方向Ｓ２で互いに間隔をあけて形成されている。第１方向Ｒ１から見たとき、各々の第１貫通孔３１の第３方向Ｓ３の大きさＬ３３は、同じ第１貫通孔３１の第２方向Ｓ２の大きさＬ３２よりも大きい。図２には、複数の第１貫通孔３１のうちの１つの第１貫通孔３１－１の大きさＬ３２、Ｌ３３を例示している。複数の第１貫通孔３１の大きさＬ３２は、互いに略同一である。一方、複数の第１貫通孔３１のうち第２方向Ｓ２で互いに隣り合う第１貫通孔３１の大きさＬ３３は、互いに異なる。
【0019】
半導体基板２６には、第１方向Ｒ１に貫通する複数の第２貫通孔３２が形成されている。複数の第２貫通孔３２は、第３方向Ｓ３で互いに間隔をあけて形成されている。第１方向Ｒ１から見たとき、各々の第２貫通孔３２の第２方向Ｓ２の大きさＬ３５は、同じ第２貫通孔３２の第３方向Ｓ３の大きさＬ３６よりも大きい。図２には、複数の第２貫通孔３２のうちの１つの第２貫通孔３２－１の大きさＬ３５、Ｌ３６を例示している。複数の第２貫通孔３２の大きさＬ３６は、互いに略同一である。一方、複数の第２貫通孔３２のうち第３方向Ｓ３で互いに隣り合う第２貫通孔３２の大きさＬ３５は、互いに異なる。なお、図１では、第２方向Ｓ２で互いに隣り合う第１貫通孔３１同士の間の第１層２１の厚み、及び第３方向Ｓ３で互いに隣り合う第２貫通孔３２同士の間の第２層２２の厚みは略省略されている。
【0020】
図４は、一例として、第１貫通孔３１－１及びその周壁を構成する第１層２１と第２貫通孔３２－１及びその周壁を構成する第２層２２の要部を拡大した図である。図２及び図４に示すように、第１方向Ｒ１から見たとき、第１貫通孔３１－１は、第２貫通孔３２－１の第２方向Ｓ２の端部４１、４２よりも中心側の中央部４３の一部と重なっている。第２貫通孔３２－１の端部４１（即ち、図２の紙面左側の端部）とは、第２貫通孔３２－１の第２方向Ｓ２の一方の端（即ち、図２の紙面左側の端）から他方の端に向かって所定の寸法移動した位置までの第２方向Ｓ２の領域を表す。所定の寸法は、半導体基板２５にエッチング技術で矩形状の貫通孔を形成した際に角部に生じる丸みの曲率半径と略同じであって、例えば５μｍ程度、若しくは１μｍ程度である。第２貫通孔３２－１の端部４２（即ち、図２の紙面右側の端部）とは、第２貫通孔３２－１の第２方向Ｓ２の他方の端（即ち、図２の紙面右側の端）から一方の端に向かって上述の所定の寸法移動した位置までの第２方向Ｓ２の領域を表す。
【0021】
第１方向Ｒ１から見たとき、第２貫通孔３２－１は、第１貫通孔３１－１の第３方向Ｓ３の端部４５、４６よりも中心側の中央部４７の一部と重なっている。第１貫通孔３１－１の端部４５（即ち、図２の紙面上側の端部）とは、第１貫通孔３１－１の第３方向Ｓ３の一方の端（即ち、図２の紙面上側の端）から他方の端に向かって上述の所定の寸法移動した位置までの第３方向Ｓ３の領域を表す。第１貫通孔３１－１の端部４６（即ち、図２の紙面下側の端部）とは、第１貫通孔３１－１の第３方向Ｓ３の他方の端（即ち、図２の紙面下側の端）から一方の端に向かって上述の所定の寸法移動した位置までの第３方向Ｓ３の領域を表す。
【0022】
図４に示すように、第１方向Ｒ１から見たとき、各々の第１貫通孔３１の周壁面７１は、Ｘ線を反射可能に構成されている。同じく第１方向Ｒ１から見たとき、各々の第２貫通孔３２の周壁面７２は、Ｘ線を反射可能に構成されている。周壁面７１、７２の各々の粗さは、少なくとも１０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以下である。周壁面７１、７２の各々の粗さは、例えば二乗平均粗さ（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ：ＲＭＳ）を意味する。前述の粗さは、適当な測定方法によって測定可能な値であり、例えば原子間力顕微鏡を用いた観測によって得られる。
【0023】
具体的には、第１貫通孔３１の周壁をなす半導体基板２５の側面（表面）２５ａ、２５ｂに、金属膜６１が設けられている。金属膜６１の表面６１ａは、第１貫通孔３１に露出している。第２貫通孔３２の周壁をなす半導体基板２６の側面２６ａ、２６ｂに、金属膜６２が設けられている。金属膜６２の表面６２ａは、第１貫通孔３１に露出している。金属膜６１の表面６１ａ及び金属膜６２の表面６２ａの各々の粗さは、少なくとも１０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍ以下である。金属膜６１、６２は、Ｘ線を反射可能な金属で形成され、重金属を含むことが好ましい。金属膜６１、６２を形成する重金属で酸化物としては、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化タンタル（ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が挙げられる。窒化物としては、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（Ｔａ３Ｎ５）、窒化ハフニウム（ＨｆＺｎ）等が挙げられる。金属膜６１、６２を形成する金属としては、例えばルビジウム（Ｒｂ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）等が挙げられる。
【0024】
上述の構成を備えたＸ線素子１０には、第１方向Ｒ１から見て格子状の貫通孔８０が形成されている。貫通孔８０の第１方向Ｒ１の深さは、厚みＴ２１と厚みＴ２２との合計値に相当する。貫通孔８０のうちＸ線１００の進行方向の後側の厚みＴ２１に相当する範囲は第１貫通孔３１の中央部４７であり、貫通孔８０のうち、第１貫通孔３１よりもＸ線１００の進行方向の前側の厚みＴ２２に相当する範囲は第２貫通孔３２の中央部４３である。図３では、金属膜６１、６２は、省略されている。図１及び図３に示すように、第１層２１及び第２層２２は、入射するＸ線１００が金属膜６１の表面６１ａに対して１°程度の入射角で入射し、全反射すると共に、金属膜６２の表面６２ａに対して１°程度の入射角で入射し、全反射するように、Ｘ線１００が集まる位置５０を中心に所定の曲率半径で曲がっている。所定の曲率半径は、例えば１０ｃｍから１０ｍ程度であるが、前述のようにＸ線がふるまうように適宜設定されている。
【0025】
図４に示すように、例えば、貫通孔８０に対して第１方向Ｒ１に対して数°程度の角度をなして入射するＸ線１００は、先ず第３方向Ｓ３に沿う金属膜６１で全反射され、第１貫通孔３１を通過すると、次に第２方向Ｓ２に沿う金属膜６２で全反射され、第２貫通孔３２を通過し、貫通孔８０から出射されると共にＸ線検出器２００に向かって進行する。即ち、Ｘ線１００は、貫通孔８０で２回反射することによって、位置５０に向かって進行する。
【0026】
次いで、本発明に係る一実施形態のＸ線素子の製造方法について、説明する。本実施形態のＸ線素子の製造方法は、上述のＸ線素子１０を製造する方法であり、第１貫通孔形成工程と、第２貫通孔形成工程と、位置合わせ工程と、曲率付与工程と、周壁面加工工程と、を備える。
【0027】
第１貫通孔形成工程では、Ｓｉ基板等の半導体基板（第１基板）２５に、複数の第１貫通孔３１を形成する。詳しく説明すると、図５に示すように、第１方向Ｄ１で所定の厚みＴ１を有する半導体基板２５の表面２５ｃに、例えばアルミニウム（ＡＬ）膜１１０を蒸着し、ＡＬ膜１１０上にレジスト保護膜１１２を形成する。レジスト保護膜１１２の上に、フォトマスク１２０を配置する。フォトマスク１２０には、複数の第１貫通孔３１に合わせてパターンが形成されている。図５に示す一例では、第１貫通孔３１が形成される部分は紫外線（ＵＶ）を透過する石英等で形成され、第１貫通孔３１が形成されない部分にはクロム（Ｃｒ）等のＵＶを透過しない非透過素材でパターン１２２が描画されている。つまり、非透過部材が描画されていない石英の部分は、第１方向Ｄ１から見たときに第１方向Ｄ１に略直交（交差）する第２方向Ｄ２よりも第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ３に略直交（交差）する第３方向Ｄ３に長く形成されている。図６に示すように、フォトマスク１２０の上方からＵＶを照射し、フォトリソグラフィーによって、フォトマスク１２０のパターン１２２をレジスト保護膜１１２及びＡＬ膜に転写する。
【0028】
次に、ドライエッチングによって、図７及び図８に示すように、第１方向Ｄ１から見てＡＬ膜１１０が設けられずに表面２５ｃが露出している部分の半導体基板２５をエッチングし、半導体基板２５を第１方向Ｄ１に貫通する複数の第１貫通孔３１を形成する。半導体基板２５がシリコン基板であれば、図７に示すように例えば六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを用いてエッチングできる。図８に示すように、第１方向Ｄ１に貫通する第１貫通孔３１の側壁をなす壁面（表面）２５ｗに保護膜１２８を形成する。なお、図８におけるｎは、２以上の任意の自然数を表す。
【0029】
次に、上述した第１貫通孔形成工程において、半導体基板２５を半導体基板（第２基板）２６に置き換え、図５から図８を参照して説明した手順と同様にして第２貫通孔形成工程を行う。但し、第２貫通孔形成工程では、フォトマスクのパターンの非透過部材が描画されていない石英の部分は、第１方向Ｄ１から見たときに第３方向Ｄ３よりも第２方向Ｄ２に長く形成されている。第２貫通孔形成工程では、半導体基板２６に、複数の第２貫通孔３２を形成する。半導体基板２５の壁面２５ｗ及び半導体基板２６において第２貫通孔３２の側壁をなす壁面（表面）２６ｗの各々の粗さが少なくとも１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下になるように、エッチング時のＳＦ６ガス或いはその他にエッチングで使用するガスの流量等、種々の条件等を調整する。エッチング終了後、適時にアッシングの処理によって、レジスト保護膜１１２及び保護膜１２８を除去する。
【0030】
次に説明する位置合わせ工程において半導体基板２５、２６を第１方向Ｄ１で重ねるために、第１貫通孔形成工程及び第２貫通孔形成工程の各工程で使用したフォトマスク１２０のパターンには、複数の第１貫通孔３１及び複数の第２貫通孔３２の形成位置とは互いに異なる位置に、位置合わせ用のマークやパターン（以下、単に位置合わせパターンと記載する）が形成されていることが好ましい。このことによって、図９に示すように半導体基板２５の表面２５ｃにおいて複数の第１貫通孔３１が形成されていない領域に位置合わせパターンを形成できる。また、半導体基板２６の表面において複数の第２貫通孔３２が形成されていない領域に位置合わせパターンを形成できる。
【0031】
次に、位置合わせ工程では、図９に示すように第１方向Ｄ１から見て第１貫通孔３１が第２貫通孔３２の第２方向Ｄ２の両端部よりも中央部の少なくとも一部と重なり、且つ第２貫通孔３２が第１貫通孔３１の第３方向Ｄ３の両端部よりも中央部の少なくとも一部と重なるように、半導体基板２５の位置合わせパターン１５１と半導体基板２６に形成した位置合わせパターン１５２との位置合わせを行う。互いに位置合わせした状態で半導体基板２５、２６を第１方向Ｄ１で重ねる。なお、第１貫通孔３１の両端部は、第１貫通孔３１の第３方向Ｄ３の両端から中央に向かって前述の所定の寸法移動した位置までの第３方向Ｓ３の領域を表す。第２貫通孔３２の両端部は、第２貫通孔３２の第２方向Ｄ２の両端から中央に向かって前述の所定の寸法移動した位置までの第２方向Ｓ２の領域を表す。
【0032】
上述のように、位置合わせパターン１５１、１５２を互いに所定の形状をなすように合わせる、或いは互いに一致させることによって、第１方向Ｄ１から見て第１貫通孔３１を第２貫通孔３２の第２方向Ｄ２の中央部の少なくとも一部と重ね、且つ第２貫通孔３２を第１貫通孔３１の第３方向Ｄ３の中央部の少なくとも一部と重ねることができる。
【0033】
次に、曲率付与工程では、図１０に示すように互いに重ねた半導体基板２５、２６を所定の曲率半径で曲げる。なお、周壁面加工工程後の半導体基板２５、２６の各々を個別に所定の曲率半径で曲げ、半導体基板２５、２６を位置合わせパターン１５１、１５２の重なり度合いを考慮して第１方向Ｒ１（即ち、曲げる前の第１方向Ｄ１）で重ねても構わない。
【0034】
次に、周壁面加工工程では、図１１に示すように第１貫通孔３１の周壁面をなす半導体基板２５の壁面２５ｗ、及び第２貫通孔３２の周壁面をなす半導体基板２６の壁面２６ｗで、Ｘ線を反射可能に加工する。詳しく説明すると、半導体基板２５の壁面２５ｗに、例えば原子層堆積法によって金属膜６１を形成する。同様に、半導体基板２６の壁面２６ｗに、原子層堆積法によって金属膜６２を形成する。金属膜６１の表面６１ａ、金属膜６２の表面６２ａの各々の粗さが少なくとも１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下になるように、金属膜の形成時の設定や条件を調整する。
【0035】
上述の各工程を行うことによって、Ｘ線素子１０を製造できる。
【0036】
以上説明した本実施形態のＸ線素子１０は、第１層２１と、第２層２２と、を備える。第１層２１は、位置５０の径方向に沿う第１方向Ｒ１で厚みＴ２１を有する。第２層２２は、第１方向Ｒ１で厚みＴ２２を有し、前記第１方向で前記第１層と隣り合っている。第１層２１には、第１方向Ｒ１に貫通する複数の第１貫通孔３１が形成されている。第１方向Ｒ１から見たとき、第１貫通孔３１の第３方向Ｓ３の大きさは、第１貫通孔３１の第２方向Ｓ２の大きさよりも大きい。第２層２２には、第１方向Ｒ１に貫通する複数の第２貫通孔３２が形成されている。第１方向Ｒ１から見たとき、第２貫通孔３２の第２方向Ｓ２の大きさは、第２貫通孔３２の第３方向Ｓ３の大きさよりも大きい。第１方向Ｒ１から見たとき、第１貫通孔３１は、第２貫通孔の第２方向Ｓ２の中央部と重なっている。第２貫通孔３２は、第１貫通孔の第３方向Ｓ３の中央部と重なっている。第１層２１の第１貫通孔３１において第１方向Ｒ１の周壁面７１は、Ｘ線１００を全反射可能に構成されている。また、第２層２２の第２貫通孔３２において第１方向Ｒ１の周壁面７２は、Ｘ線１００を全反射可能に構成されている。周壁面７１、７２の各々の粗さは１０ｎｍ以下である。
【0037】
本実施形態のＸ線素子１０では、第１層２１の第１貫通孔３１は、第１方向Ｒ１において第２貫通孔３２の端部４１、４２とは重ならずに中央部４３と重なっている。また、第２層２２の第２貫通孔３２は、第１方向Ｒ１において第１貫通孔３１の端部４５、４６とは重ならずに中央部４７と重なっている。ドライエッチングによって、図１２に例示する従来のＡｎｇｅｌ配置と呼ばれるＸ線素子２５０のように、単一層２２１に第１方向Ｒ１から見て矩形状の貫通孔２３１を形成すると、貫通孔２３１の角部に丸みが生じる。本実施形態のＸ線素子１０では、第１方向Ｒ１から見たとき、図２等に示す第１貫通孔３１の端部４５、４６の半導体基板２５、及び第２貫通孔３２の端部４１、４２の半導体基板２６には、丸みが生じている。一方、第１貫通孔３１の中央部４７の半導体基板２５、及び第２貫通孔３２の中央部４３の半導体基板２６は、第３方向Ｓ３及び第２方向Ｓ２に沿って直線状に延び、丸みを全く帯びていない。したがって、図４に示すように、本実施形態のＸ線素子１０によれば、第１方向Ｓ１から見たときに、角部に丸みがない格子状の複数の貫通孔８０を形成できる。複数の貫通孔８０に入射して２回全反射されたＸ線１００は、位置５０に精度よく集められる。また、第１貫通孔３１の端部４５、４６の半導体基板２５、及び第２貫通孔３２の端部４１、４２の半導体基板２６に丸みが生じることに構わず、第１層２１と第２層２２との積層構造によって角部に丸みのない貫通孔８０を実現するため、Ｘ線素子１０を容易に製造可能とする。
【0038】
本実施形態のＸ線素子１０では、周壁面７１、７２の各々の粗さは１０ｎｍ以下であるため、全反射する際のＸ線１００の乱反射等を抑え、Ｘ線１００を位置５０に向けて良好に出射することができる。これらのことによって、本実施形態のＸ線素子１０によれば、Ｘ線１００を位置５０に向けて高精度に出射し且つ容易に製造できる。
【0039】
本実施形態のＸ線素子１０では、第１層２１は、半導体基板２５と、Ｘ線１００を反射可能な金属膜６１と、を備える。第２層２２は、半導体基板２６と、Ｘ線１００を反射可能な金属膜６２と、を備える。前記第１貫通孔３１は半導体基板２５に形成され、第２貫通孔３２は半導体基板２６に形成されている。第１貫通孔３１の側壁をなす半導体基板２５の側面２５ａ、２５ｂに金属膜６１が設けられている。第２貫通孔３２の側壁をなす半導体基板２６の側面２６ａ、２６ｂに金属膜６２が設けられている。
【0040】
本実施形態のＸ線素子１０によれば、第１層２１の基材として半導体基板２５を備えることで、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて形状精度の良い且つ製造容易に第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２が形成されている。また、第１貫通孔３１の周壁面７１として、金属膜６１において粗さ１０ｎｍ以下の表面６１ａが形成されている。第２貫通孔３２の周壁面７２として、金属膜６２において粗さ１０ｎｍ以下の表面６２ａが形成されている。したがって、本実施形態のＸ線素子１０によれば、Ｘ線１００を位置５０に向けて高精度に出射し且つ容易に製造できる。
【0041】
本実施形態のＸ線素子の製造方法は、上述説明した第１貫通孔形成工程と、第２貫通孔形成工程と、位置合わせ工程と、曲率付与工程と、周壁面加工工程と、を備える。第１貫通孔形成工程では、第１基板（例えば、半導体基板２５）に、複数の第１貫通孔３１を形成する。第２貫通孔形成工程では、第２基板（例えば、半導体基板２６）に、複数の第２貫通孔３２を形成する。半導体基板２５、２６において少なくとも第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２の各々の周壁面をなす表面の粗さを少なくとも１０ｎｍ以下にし、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下にする。位置合わせ工程では、第１方向Ｄ１から見て第１貫通孔３１が第２貫通孔３２の第２方向Ｄ２の中央部の少なくとも一部と重ね、且つ第２貫通孔３２が第１貫通孔３１の第３方向Ｄ３の中央部の少なくとも一部と重なるように位置合わせし、半導体基板２５、２６とを第１方向Ｄ１で重ねる。曲率付与工程では、半導体基板２５、２６を所定の曲率半径で曲げ、半導体基板２５、２６の各々に曲率を付与する。周壁面加工工程では、第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２の各々の周壁面をなす半導体基板２５、２６の表面でＸ線を反射可能に加工する。周壁面加工工程では、各々の周壁面の粗さを少なくとも１０ｎｍ以下にし、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下にする。なお、半導体基板２５、２６の全体の粗さが１０ｎｍ以下であっても構わない。
【0042】
本実施形態のＸ線素子の製造方法によれば、第１貫通孔３１の端部４５、４６の半導体基板２５、及び第２貫通孔３２の端部４１、４２の半導体基板２６に丸みが生じても、第１方向Ｄ１から見て第１貫通孔３１の第３方向Ｄ３の中央部４７と第２貫通孔３２の第２方向Ｄ２の中央部４３とを重ねることができる。したがって、第１層２１と第２層２２との積層構造によって角部に丸みのない格子状の貫通孔８０を実現し、Ｘ線素子１０を容易に製造できる。また、本実施形態のＸ線素子１０では、周壁面７１、７２の各々の粗さを１０ｎｍ以下にするため、周壁面７１、７２の各々で全反射する際のＸ線１００の乱反射等を抑え、Ｘ線１００を位置５０に向けて良好に出射することができる。これらのことによって、本実施形態のＸ線素子の製造方法によれば、Ｘ線１００を位置５０に向けて高精度に出射可能なＸ線素子１０を容易に製造できる。
【0043】
本実施形態のＸ線素子の製造方法では、第１基板は半導体基板２５であり、第２基板は半導体基板２６である。周壁面加工工程において、第１貫通孔３１の側壁をなす半導体基板２５の側面２５ａ、２５ｂにＸ線を反射可能な金属膜６１を形成する。同じ工程において、第２貫通孔３２の側壁をなす半導体基板２６の表面にＸ線を反射可能な金属膜６２を形成する。金属膜６１の表面６１ａの粗さを少なくとも１０ｎｍ以下にし、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下にする。本実施形態のＸ線素子の製造方法によれば、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２を形状精度良く且つ容易に形成できる。また、第１貫通孔３１の周壁面７１として、金属膜６１において粗さ１０ｎｍ以下の表面６１ａを形成する。第２貫通孔３２の周壁面７２として、金属膜６２において粗さ１０ｎｍ以下の表面６２ａを形成する。したがって、本実施形態のＸ線素子の製造方法によれば、Ｘ線１００を位置５０に向けて高精度に出射するＸ線素子１０を容易に製造できる。
【0044】
以上、本発明に係る好ましい実施形態について詳述した。本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、変更可能である。
【0045】
例えば、第１層２１及び第２層２２がリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を適用可能且つ前述の重金属或いは金属を含む基材等のＸ線を反射可能な基材で形成される場合は、第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２の側壁をなす壁面に金属膜６１、６２を設けなくてもよく、第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２の側壁をなす壁面を、該壁面の粗さが１０ｎｍ以下になるように加工すればよい。
【0046】
例えば、上述のＸ線素子１０には複数の第１貫通孔３１及び複数の第２貫通孔３２が形成されているが、第１貫通孔３１及び第２貫通孔３２の各々の数は特に限定されない。また、第１方向Ｄ１から見たときに第１貫通孔３１が第２貫通孔３２の第２方向Ｄ２の中央部の少なくとも一部と重なり、且つ第２貫通孔３２が第１貫通孔３１の第３方向Ｄ３の中央部の少なくとも一部と重なれば、複数の第１貫通孔３１の大きさＬ３２、Ｌ３３及び複数の第２貫通孔３２の大きさＬ３５、Ｌ３６は適宜変更可能である。
【0047】
例えば、上述のＸ線素子１０の製造方法では、周壁面加工工程を曲率付与工程後に行う例を説明したが、曲率付与工程で半導体基板２５、２６に曲率を付与した後に金属膜６１、６２が所定の形状を有すれば、周壁面加工工程を位置合わせ工程後及び曲率付与工程前に行ってもよく、位置合わせ工程前に行ってもよい。
【0048】
また、本発明に係るＸ線素子の製造方法において、第１基板及び第２基板は、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術を適用可能な基板であれば、半導体基板２５、２６に限定されない。第１基板及び第２基板がリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を適用可能且つＸ線を反射可能な基材であれば、周壁面加工工程を行わなくてもよく、例えば上述のＸ線素子の製造方法における曲率付与工程までの各工程を行うことによってＸ線素子を製造できる。
【実施例】
【0049】
次いで、本発明に係る実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
【0050】
本実施例では、上述のＸ線素子の製造方法に沿ってＸ線素子１０の第１層２１及び第２層の前駆体、即ち所定の曲率半径で曲げる前の第１層及び第２層を形成した。半径５ｃｍのフォトマスクと２枚のＳｉ基板とを用意した。図１３に示すように、フォトマスクの表面は、中心から周方向で９０°ごとに区画されている。中心に対して向かい合う区画には、中心に対して互いに点対称にパターンが描画されている。即ち、使用したフォトマスクには、２種類のパターンが形成されている。２種類のパターンに共通する単位パターンには、図１４に示すように、複数のスリットが含まれている。スリットの縦方向の大きさは１９８０μｍであり、スリットの横方向の大きさは１６μｍである。横方向でのスリット同士の間隔は、２４μｍである。
【0051】
図１５に示すように、第１のパターンには、複数の単位パターンが縦方向及び横方向の各々で３００μｍの間隔をあけて配置されている。図１６に示すように、第２のパターンには、複数の単位パターンが縦方向及び横方向の各々で３００μｍの間隔をあけて配置されている。このフォトマスクを用いて、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術によって２枚のＳｉ基板にフォトマスクの２種類のパターンを転写し、複数のスリットと同形状を有する第１貫通孔及び第２貫通孔を形成した。
【0052】
図１７及び図１８は、第１のパターンの第１貫通孔の横方向の端部をＳｉ基板の表側及び裏側から撮影したときの光学顕微鏡写真である。図１７及び図１８に示すように、第１貫通孔の端部の角には、丸みが生じたことがわかる。また、Ｓｉ基板の表側よりも裏側の方が丸みの曲率半径が大きいことがわかる。また、参考例として、図１９及び図２０には、Ａｎｇｅｌ配置と呼ばれるＸ線素子の矩形状のパターンで貫通孔を形成した場合にＳｉ基板の表側及び裏側から撮影したときの光学顕微鏡写真を示す。図１９及び図２０に示すように、矩形状の貫通孔においても角部に丸みが生じ、丸みが生じていない中央部の確保が難しいことがわかる。参考例においても、Ｓｉ基板の表側よりも裏側の方が丸みの曲率半径が大きい。
【0053】
第１貫通孔及び第２貫通孔の側壁部分のＳｉ基板の粗さについて触針型粗さ測定器（Ｄｅｋｔａｋ ６Ｍ；ＢＲＵＫＥＲ社製）を用いた測定によって求めた結果を図２１及び図２２に示す。図２１及び図２２に示すように、金属膜の表面の粗さは１０ｎｍ以下を達成し、滑らかであることがわかる。続いて、Ｓｉ基板の第１貫通孔の側壁にＰｔからなる金属膜を形成した。
【0054】
図２３に示すように複数の第１貫通孔を形成した１枚目のＳｉ基板と、図２４に示すように複数の第２貫通孔を形成した２枚目のＳｉ基板とは、互いに中心から９０°ずらして回転させた状態と重なる。図２５に示すように、１枚目のＳｉ基板と２枚目のＳｉ基板との位置合わせパターンを互いに一致させ、２枚目のＳｉ基板上に１枚目のＳｉ基板を重ねることによって、格子状の貫通孔を構成できる。
【0055】
以上説明した実施例で得られた結果から、上述の実施形態で説明したＸ線素子の製造方法によってＸ線を所定の位置に向けて高精度に出射し且つ容易に製造可能なＸ線素子を提供可能であることを確認した。
【符号の説明】
【0056】
１０…Ｘ線素子、２１…第１層、２２…第２層、２５…半導体基板（第１半導体基板）、２６…半導体基板（第２半導体基板）、３１…第１貫通孔、３２…第２貫通孔、６１…金属膜（第１金属膜）、６２…金属膜（第２金属膜）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】