X線望遠鏡用反射鏡製作のための スパッタマスクの開発 私は卒業研究として、次期X線天文衛星NeXTへの搭載を目指した反射鏡を制作するためのスパッタマスクの開発を行ないました。 宇宙物理学実験研究室 窪田 廉

X線望遠鏡 40cm NeXT 回転双曲面鏡 NeXTの反射鏡 多層膜 ブラッグ反射 X線 焦点面 10keV以上でも 高い反射率 回転放物面鏡 回転双曲面鏡 焦点面 X線 NeXTの反射鏡 　多層膜　ブラッグ反射 NeXTの特徴は今までと違い、１０keV以上の硬X線領域を望遠鏡を用いて観測する計画になっています。 X線望遠鏡はX線光子を集める装置ですが、これには斜入射光学系を用いています。斜入射光学系はこのように、回転放物面鏡と回転双曲面鏡の反射鏡に０°に近い入射角度でX線を入射させ、２回反射させることにより、就航させる仕組みになっています。反射鏡の材質には金や白金などの、重金属を用いています。１０keV以上ではブラッグ反射を用いて、集光する仕組みになっています。 10keV以上でも 高い反射率 斜入射光学系 X線入射角度：0.2〜0.6°

ブラッグ反射 X線入射角度：0.5° 反射率 Bragg反射条件 エネルギー(keV) 高エネルギー側で 高い反射率を得られる 単層膜 ブラッグ反射を用いる理由を説明します。X線の反射率はエネルギーに依存します。こちらは反射率とX線のエネルギーの関係を表したグラフです。単層膜反射鏡の場合、１０keV以下では高い反射率を実現できますが、１０keV以上では反射率が急激に落ちてしまいます。これでは理想的な反射鏡とは言えません。そこでブラッグ反射を用いる事により、１０keV以上の硬X線領域でも高い反射率を得ます。 具体的には白金と炭素を数十Åごとに周期的に重ねて多層膜を作る事により、ブラッグ反射を実現します。こうする事により硬X線領域でも単層膜に比べて高い反射率を得る事が出来ます。 エネルギー(keV) 高エネルギー側で 高い反射率を得られる 単層膜 多層膜

反射鏡の製作 レプリカ法 スパッタ ミラー完成 20cm 15cm 剥離 ガラスマンドレル 10cm ガラスマンドレル Pt,C 次に望遠鏡の反射鏡の製作の方法について説明します。 私たちはレプリカ法という方法を用いて、反射鏡の製作を行なっています。 レプリカ法とは表面形状が滑らかであるガラスマンドレルに反射鏡面の物質白金や炭素を蒸着させます。それに反射鏡の基板となるアルミ板に接着し、剥がしとる事で反射鏡を制作しています。 15cm 剥離 ガラスマンドレル

目的 膜厚分布の測定 マンドレルを回転させずにスパッタ ターゲット粒子の分布を得る マスク 問題点 マスクで飛散を調整 膜厚の均一化 理想的なブラッグ反射を得る 問題点 高さ方向に１０％以上の 膜厚のムラが生ずる 高さ方向のムラを５％以下に 抑える Pt,C ところがここで問題があります。ガラスマンドレルは回転させながら成膜をするので円周方向にはムラが生じませんが、ターゲットの大きさが有限であるため、でき上がった膜の厚さには高さ方向に１０％程度のムラが出来てしまいます。これでは理想的な均一な膜厚の反射鏡を作る事が出来ません。 蒸着の際、マンドレルに飛んでいく物質の量をコントロールする必要があります。そこで飛散していく粒子の量をコントロールするマスクを製作する事にしました。目標は５％以下に高さ方向の膜圧分布を抑えることにします。 まず粒子の飛散の仕方を調べるために、マンドレルを普段と違い回転させないでスパッタしました。そして、飛散した粒子の分布、すなわち膜厚の分布を調べました。

膜厚の分布の測定 レーザーの透過強度により膜厚を測定 レーザー光源 ガラスマンドレル フォトダイオード レーザー光源 透過光(V) こちらが膜厚の分布を調べるための装置です。レーザー光の透過強度を調べる事で膜厚の分布がどうなっているかを調べる仕組みになっています。膜厚と透過光の強度の関係はこのような関係になっていて、この式を変形する事により、膜厚dを求める事が出来ます。この装置を用いて、ガラスマンドレル上の膜圧の分布を調べました。 レーザーの透過強度により膜厚を測定 透過光(V) ダイレクト(V) 吸収係数 膜厚(Å)

膜厚の分布 高さ方向Y(cm) 15cm 20cm スパッタしたマンドレル 円周方向X(cm) Y軸(高さ方向) X軸(円周方向) 先ほどの装置を用いて導いた膜厚の分布はこの図のようになります。個々では座標をこちらの図のようにとっています。最も膜厚が厚いところを１００として分布を表しました。 20cm スパッタしたマンドレル

マスクの設計 Y(cm) それぞれの高さyで積分値が 等しくなるような 積分範囲⊿xを決める 5cm ⊿x Y軸(高さ方向) この分布からマスクの設計を行います。 この円周方向の分布をそれぞれの高さでsinでフィッティングして、X軸方向に５cmに渡って積分します。そして積分値をそれぞれの高さyで求め、最大となるyを求めました、すると積分値dはy＝８．５の時最大となります。 続いて今度は積分範囲を⊿Xにして今求めた積分値D（８．５）と一致するように積分を行い、⊿Xを求めます。それをそれぞれの高さYについて行い。⊿Xをプロットします。この形がマスクの形になります。 ⊿x

マスクの製作 マスクをつけてスパッタ マンドレルを回転させる マスク 5cm 5cm 先ほど決めた積分範囲からマスクの形を決定し、制作しました。次にこのマスクの性能を見るため、ガラスマンドレルとターゲットの間にマスクをおいて、スパッタを行ないました。今回は通常通りマンドレルを回転させながら行ないます。

マスクを使った膜厚分布 マスクなし マスクあり 高さ方向Y(cm) 高さ方向Y(cm) 高さ方向の分布は ４％以下に 高さ方向に１０％ 円周方向X(cm) 高さ方向Y(cm) X軸(円周方向) Y軸(高さ方向) 高さ方向Y(cm) 高さ方向の分布は ４％以下に 高さ方向に１０％ 以上の分布 高さ方向 先ほどと、同じレーザー光を用い、マスクを付けて成膜した場合の膜厚の分布を調べました。 すると膜厚の分布は、このようになります。スケールは最も厚いところを１００として、規格化してあります。ほとんど膜厚が一定になっている事が分かります。こちらを詳しく見てみます。 まず課題だった、高さ方向の分布を見てみると、当初１０％以上分布があったものが、４％以下に収まったことが分かります。

マスクを使った膜厚分布 高さ方向 円周方向 高さ方向の分布は ４％以下に 円周方向に５％程度の分布 次に円周方向の分布を見てみます。すると円周方向に５％程度の膜厚の分布が生じている事が分かります。マンドレルを回転させながらスパッタを行なうので、円周方向には本来なら、膜厚の分布は出ないはずなのですが、５％の分布が生じてしまっています。 高さ方向の分布は ４％以下に 円周方向に５％程度の分布

まとめ 高さ方向には膜厚分布を１０％程度から４％程度に抑える事ができた 円周方向に膜厚分布が生じている マスクとマンドレルの間の間隔 マンドレルの回転軸のずれ 原因 これらの実験の結果をまとめると、高さ方向には膜厚の分布を１０％程度あったものを、マスクを用いる事により、４％程度まで落とす事が出来ました。ところが、円周方向に膜厚の分布が生じてしまっています。膜厚が高さ方向に４％の分布を持つ原因として、マスクの設計をマンドレル表面にマスクが密着した状態で設計したのに、実際にはマスクとマンドレルの間には、マンドレルを回転させるための隙間があるためと考えられます。また、本来なら無いと考えていた円周方向に膜厚の分布を持ってしまっているのは、マンドレルが回転する際に回転軸からずれていて、マスクとマンドレルの距離が変わる事により、隙間のスパッタ粒子の回り込みの影響があるのではないかと考えられます。 今後の課題は、マンドレルとマスクの間隔をさらにつめる事によって理想の状態に近づける事。そして、円周方向の膜厚の分布をマンドレル全体に渡って調べて、回転軸のズレの影響が無いかを調べる。 課題 マンドレルーマスク間隔をつめる マンドレル回転の中心軸を合わせる