JP2017208355A - 非晶質炭素およびアルミニウムのｘ線窓 - Google Patents

Abstract

【課題】強度が大きく、Ｘ線の減衰が最小化され、Ｘ線スペクトルへの混濁が最小化されるＸ線窓を提供する。
【解決手段】Ｘ線窓１０は、少なくとも１つのアルミニウム層および少なくとも１つの非晶質炭素層を含む。さらに、少なくとも１つのポリマー層を含んでもよい。アルミニウム層は、窓のガス不浸透性を高めることができる。非晶質炭素層は、耐食性を与えることができる。ポリマー層は、構造的強度を強めることができる。
【選択図】図１

Description

本願は、全般的に、Ｘ線窓に関する。

Ｘ線窓を使用してＸ線源または検出装置を包囲することができる。窓を使用すると、包囲内の真空状態を周囲空気から隔離しつつ、Ｘ線を窓から通過させることができる。

Ｘ線窓は薄膜から形成することができる。Ｘ線（とくに、低エネルギーＸ線）の減衰は最小化されることが望ましく、したがって、膜はＸ線の減衰を最小化させる材料および厚さで形成されることが望ましい。薄い膜は、厚い膜よりもＸ線の減衰が少ない。しかし、膜は、薄すぎると、たるみや破損を生じうる。膜がたるむと、腐食防止コーティングが割れてしまう可能性がある。膜が破損した場合は、包囲内に空気が進入できるようになり、装置の機能が破壊されてしまうことが多い。したがって、破損またはたるみが回避される十分な強度を持ち、他方で、Ｘ線の減衰が最小化されるよう可能な限り薄い材料で膜を形成することが望ましい。

Ｘ線窓は、Ｘ線検出器とともに用いられることが多い。測定対象の試料から放射されるＸ線スペクトルへの混濁を回避するべく、Ｘ線検出器に衝突するＸ線は、測定対象の源だけから放射されていることが望ましい。あいにく、Ｘ線窓も蛍光発光可能であり、したがって、Ｘ線スペクトルに混濁する線を発生させるＸ線を放射する。低原子番号元素のＸ線スペクトルへの混濁は、通常、高原子番号元素の混濁よりも問題が少ない。したがって、このノイズを最小化するには、窓および支持構造は、原子番号が可能な限り低い材料から形成されることが望ましい。

これらの問題に取り組む試みに関する情報は、米国特許第５，０９０，０４６号に見受けられる。

強度が大きく、Ｘ線の減衰が最小化され、Ｘ線スペクトルへの混濁が最小化されるＸ線窓を提供することが有利であることは認識されてきた。本発明は、これらのニーズを満たすＸ線窓に関する。

一つの実施形態では、Ｘ線窓は、第１非晶質炭素層と第２非晶質炭素層との間に配置されたアルミニウム層を含む。別の実施形態では、Ｘ線窓は、アルミニウム層、ポリマー層、および非晶質炭素層を含む薄膜層の積層体を備える。上記の実施形態を、中心が空洞となった囲みに気密に閉止することができる。非晶質炭素層は、空洞となった中心から最も遠い層となるよう配置することができる。

本発明の実施形態に係る３層の材料を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係る、非晶質炭素層２３、２層のアルミニウム層２１ａ〜ｂ、およびポリマー層２２を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係る２層の非晶質炭素層２３ａ〜ｂ、２層のアルミニウム層２１ａ〜ｂ、およびポリマー層２２を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係る２層の非晶質炭素層２３ａ〜ｂ、２層のアルミニウム層２１ａ〜ｂ、およびポリマー層２２を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係るポリマー層２２とアルミニウム層２１との間に設けられた非晶質炭素層２３を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係るポリマー層２２と非晶質炭素層２３との間に設けられたアルミニウム層２１を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係る２層の非晶質炭素層２３ａ〜ｂの間に設けられたアルミニウム層２１を含むＸ線窓の概略的な側断面図である。 本発明の実施形態に係る、中心が空洞となった囲み８３の開口に気密に閉止されたＸ線窓８０の概略的な側断面図である。

[定義]
本明細書で用いる非晶質炭素という用語は、結晶質構造を持たず、ｓｐ３（四面体またはダイヤモンド様）結合およびｓｐ２（三方晶またはグラファイト）結合の両方を含む炭素の同素体を意味する。 水素化非晶質炭素は、炭素原子のいくつかが水素原子に結合した非晶質炭素を意味する。

図１に示すように、少なくとも３層の材料層１１〜１３が積層されたＸ線窓１０が示されている。層１１〜１３は、少なくとも１層のアルミニウム層、少なくとも１層の非晶質炭素層、および／または、少なくとも１層のポリマー層を含むことができる。各層は、それぞれ厚さＴ１〜Ｔ３を持つことができる。

ポリマー層の使用は、窓に構造的強度を与えるのに有利である。アルミニウム層は、窓のガス不浸透性を高めることができる。非晶質炭素層は、耐食性を与えることができる。これらの材料は、原子番号が極めて低く、したがって、Ｘ線スペクトルへの混濁が最小化される。

アルミニウム層は、実質的に純アルミニウムであってよく、または、その他の元素を含むこともできる。たとえば、アルミニウム層におけるアルミニウムの重量パーセントは、一つの実施形態では、少なくとも８０％とすることができ、別の実施形態では、少なくとも９５％とすることができ、別の実施形態では、少なくとも９９％とすることができる。本明細書に記載する多様な実施形態では、アルミニウム層は、多様な厚さを持つことができる。たとえば、アルミニウム層は、一つの実施形態では、１０〜３０ナノメートルの厚さを持つことができ、別の実施形態では、１０〜６０ナノメートルの厚さを持つことができる。

非晶質炭素層は、炭素だけを含むことができ、または、一つの実施形態では、実質的に炭素だけを含むことができる。非晶質炭素層の炭素の割合は多様であってよい。たとえば、非晶質炭素層における炭素の重量パーセントは、一つの実施形態では、少なくとも８０％とすることができ、別の実施形態では、少なくとも９５％とすることができ、別の実施形態では、少なくとも９９％とすることができる。

非晶質炭素層において炭素をハイブリッドする場合、ｓｐ３ハイブリッドおよびｓｐ２ハイブリッドの両方を多様な相対的割合で含めることができる。たとえば、ｓｐ３ハイブリッドの割合は、一つの実施形態では５％〜２５％とすることができ、別の実施形態では１５％〜２５％とすることができ、別の実施形態では５％〜１５％とすることができ、別の実施形態では２５％未満とすることができる。ｓｐ２ハイブリッドの割合は、一つの実施形態では７５％〜９５％とすることができ、別の実施形態では７５％〜８５％とすることができ、別の実施形態では８５％〜９５％とすることができ、別の実施形態では、７５％超とすることができる。

非晶質炭素層は、別の実施形態では、水素化非晶質炭素層とすることができる。非晶質炭素基質中の水素は、ｓｐ３炭素原子の安定化の助けとなり、層の凝集性を高めることができる。水素化非晶質炭素層における水素の原子百分率は多様であってよい。たとえば、水素化非晶質炭素層における水素の原子百分率は、一つの実施形態では５０％〜７０％とすることができ、別の実施形態では２５％〜５１％とすることができ、別の実施形態では１４％〜２６％とすることができ、別の実施形態では５％〜１５％とすることができ、別の実施形態では１％〜１０％とすることができ、別の実施形態では０．１％〜２％とすることができる。

非晶質炭素層は、多様な厚さを持つことができる。たとえば、水素化非晶質炭素層を含む非晶質炭素層は、一つの実施形態では５〜２５ナノメートルの厚さを持つことができ、別の実施形態では１〜２５ナノメートルの厚さを持つことができる。

ポリマー層は、多様な重量パーセントのポリマーを含むことができる。たとえば、ポリマー層におけるポリマーの重量パーセントは、一つの実施形態では少なくとも８０％とすることができ、別の実施形態では少なくとも９５％とすることができ、別の実施形態では少なくとも９９％とすることができる。「ポリマーの重量」という用語は、層における選択したポリマーの元素、たとえば、炭素、水素、および、選択したポリマーによっては、その他の元素の重量パーセントを意味する。ポリマー層は、一つの実施形態では、一つのポリマーだけから構成することができ、別の実施形態では、その他の元素または分子を含めることができる。

ポリマー層は、多様な厚さを持つことができる。たとえば、ポリマー層は１５０〜３００ナノメートルの厚さを持つことができる。

ポリマーは、ポリイミドであってよく、またはポリイミドを含んでよい。ポリイミドは、その他の多くのポリマーと比べて、強度が高く温度耐性が高いので、有用である。

図２には、第１アルミニウム層２１ａ、第２アルミニウム層２１ｂ、ポリマー層２２、および非晶質炭素層２３を含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓２０が示される。薄膜層の積層順序は、非晶質炭素層２３、第１アルミニウム層２１ａ、ポリマー層２２、第２アルミニウム層２１ｂである。換言すると、第１アルミニウム層２１ａおよびポリマー層２２が、非晶質炭素層２３と第２アルミニウム層２１ｂとの間に配置され、ポリマー層２２が２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂの間に配置される。ポリマー層２２は、構造的支持を与えることができる。ポリマー層２２を挟む２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂは、ガス不浸透性を与えることができる。非晶質炭素層２３は、第１アルミニウム層２１ａを腐食から保護することができる。

図３には、第１アルミニウム層２１ａ、第２アルミニウム層２１ｂ、ポリマー層２２、第１非晶質炭素層２３ａ、および第２非晶質炭素層２３ｂを含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓３０が示される。薄膜層の積層順序は、第１非晶質炭素層２３ａ、第１アルミニウム層２１ａ、ポリマー層２２、第２アルミニウム層２１ｂ、第２非晶質炭素層２３ｂである。換言すると、ポリマー層２２は、２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂの間に配置される。ポリマー層２２および２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂは、２つの非晶質炭素層２３ａ〜ｂの間に配置される。ポリマー層２２は、構造的支持を与えることができる。ポリマー層２２を挟む２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂは、ガス不浸透性を与えることができる。非晶質炭素層２３ａ〜ｂは、アルミニウム層２１ａ〜ｂを腐食から保護することができる。図２のＸ線窓２０または図３のＸ線窓３０の選択は、両アルミニウム層２１ａ〜ｂを腐食から保護する必要性があるか、製造可能性、コスト的観点、および第２非晶質炭素層２３ｂによるＸ線減衰量に基づいて行ってよい。

図４には、第１アルミニウム層２１ａ、第２アルミニウム層２１ｂ、ポリマー層２２、第１非晶質炭素層２３ａ、および第２非晶質炭素層２３ｂを含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓４０が示される。薄膜層の積層順序は、ポリマー層２２、第１アルミニウム層２１ａ、第２非晶質炭素層２３ｂ、第２アルミニウム層２１ｂ、第１非晶質炭素層２３ａである。換言すると、第２非晶質炭素層２３ｂが２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂの間に配置される。第２非晶質炭素層２３ｂおよび２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂがポリマー層２２と第１非晶質炭素層２３ａの間に配置される。ポリマー層２２は、構造的支持を与えることができる。２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂは、ガス不浸透性を与えることができる。非晶質炭素層２３ａ〜ｂは、腐食からの保護を与えることができる。

図５には、アルミニウム層２１、ポリマー層２２、および非晶質炭素層２３を含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓５０が示される。薄膜層の積層順序は、ポリマー層２２、第１非晶質炭素層２３、アルミニウム層２１である。換言すると、非晶質炭素層２３がポリマー層２２とアルミニウム層２１との間に配置される。この実施形態は、層の数が少ないので、Ｘ線減衰が最小化され、製造が容易であり、コストが削減されるので、有用である。アルミニウム層を、たとえば装置の真空部等の保護された環境に面するように配置し、ポリマー層を、たとえば周囲空気等のより腐食性の環境側に配置することで、アルミニウム層を腐食から保護することができる。

図６には、アルミニウム層２１、ポリマー層２２、および非晶質炭素層２３を含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓６０が示される。薄膜層の積層順序は、ポリマー層２２、アルミニウム層２１、非晶質炭素層２３である。換言すると、アルミニウム層２１が、ポリマー層２２と非晶質炭素層２３との間に配置される。この実施形態は、層の数が少ないので、Ｘ線減衰の最小化およびコストの削減が可能であり、製造が容易であるので、有用である。アルミニウム層２１は、ポリマー層２２のガス不浸透性を高めることができ、非晶質炭素層は、アルミニウム層２１を腐食から保護することができる。

図７には、アルミニウム層２１、第１非晶質炭素層２３ａ、および第２非晶質炭素層２３ｂを含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓７０が示される。薄膜層の積層順序は、第１非晶質炭素層２３ａ、アルミニウム層２１、第２非晶質炭素層２３ｂである。換言すると、アルミニウム層２１が、２つの非晶質炭素層２３ａ〜ｂの間に配置される。この実施形態は、層の数が少ないので、Ｘ線減衰を最小化することができ、製造が容易であり、コストが削減されるので、有用である。アルミニウム層は、強度およびガス不浸透性を高めることができる。非晶質炭素層２３ａ〜ｂは、アルミニウム層２１を腐食から保護することができる。

図８に示すように、本明細書に記載した実施形態の一つに係る薄膜層の積層体８０を備えるＸ線窓は、囲み８３の開口に気密に閉止することができる。囲み８３は、中心８５が空洞であってよい。薄膜層の積層体８０は、内側層８１および外側層８２を含むことができる。内側層８１は、材料が異なる少なくとも２つの層を含むことができる。外側層８２は、空洞となっている中心８５から最も遠い層として配置することができる。外側層８２は、非晶質炭素層２３とすることができる。非晶質炭素層２３を外側層８２として使用すると、非晶質層２３は内側層８１を腐食から保護することができる。Ｘ線８６は、窓を透過して囲み８３に進入することができる。Ｘ線は、Ｘ線検出器８４に衝突することができる。

囲み８３は多様な材料から形成することができるが、膜の熱膨張係数とチタンの熱膨張係数とが良好に適合するので、チタンが好ましい。一つの実施形態では、チタンは、その他の元素が最小限である実質的な純チタンであってよい。または、チタンは、所定パーセントのその他の元素を含むことができる。たとえば、チタンの重量パーセントは、一つの実施形態では９９％超であってよく、別の実施形態では９０％超であってよく、別の実施形態では９０％以下であってよい。エポキシ等の接着剤により、薄膜層の積層体８０を囲み８３に付着させてよい。

内側層８１は、図２に示すように、２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂの間に配置されたポリマー層２２であってよい。内側層８１は、図３に示すように、２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂの間に配置されたポリマー層２２と、最内側層として配置された第２非晶質炭素層２３ｂとであってよい。内側層８１は、図４に示すように、２つのアルミニウム層２１ａ〜ｂの間に配置された第２非晶質炭素層２３ｂと、最内側層として配置されたポリマー層２２とであってよい。内側層８１は、図６に示すように、ポリマー層２２およびアルミニウム層２１であってよい。図７に示すように、外側層８２は、第１非晶質炭素層２３ａであってよく、内側層８１は、アルミニウム層２１および第２非晶質炭素層２３ｂであってよく、アルミニウム層は、２つの非晶質炭素層２３ａ〜ｂの間に配置されることとなる。最内側層の選択は、この最内側層の真空への作用に、たとえば、どの層が最も脱気が少ないか、どの層が最良に装置に閉止されうるか等に基づく。

非晶質炭素層の代替として、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）層の使用がある。ＨＭＤＳは、有機ケイ素化合物であり、分子式は、[（ＣＨ３）３Ｓｉ]２ＮＨである。したがって、非晶質炭素層は、本明細書におけるいずれの部分においても、ＨＭＤＳ層に置換してよい。非晶質炭素およびＨＭＤＳのいずれかが腐食バリアとして作用することができる。ＨＭＤＳは、スピンキャストまたは蒸着してよい。蒸着する場合、真空状態としてよいが、必須ではない。

[製造方法]
アルミニウム層は、蒸着することができる。アルミニウム層および／または非晶質炭素層は、スパッタ堆積することができる。コストを削減するには、蒸着を選択しうる。膜の構造および接着性の制御性を向上させるには、スパッタを選択しうる。

非晶質炭素層は、以下のパラメータおよび処理に基づき、マグネトロン反応性ガススパッタにより、堆積を成功させることができた。
・ＤＣ電力：４００ワット
・ターゲット：グラファイト（純度９９．９９９％）
・チャンバ圧力を２．３Ｅ−５ｔｏｒｒまでポンプダウンさせる
・Ａｒガスを７ｍＴｏｒｒまで流入させる
・ＤＣ電力を、２分間で５０Ｗから４００Ｗまで上昇させる
・エチレンをＡｒ：エチレン比を９：１にして流入させ、１分間滞留させる
・堆積を行うためにシャッターを開ける。基板プレートを回転させつつ約３０℃に維持する
・シャッターを閉じ、電力を２分間低下させる
・チャンバを通気する

本明細書に記載した多様な非晶質炭素およびアルミニウムの窓膜は、支持構造、たとえば、シリコンまたは炭素等の合成支持構造に取り付けることができる。支持構造によってさらなる支持が与えられ、窓膜をより薄く、および／または、より広範囲に広がるように形成することができるようになる。窓膜は、たとえば、エポキシ、シアノアクリレート、ポリウレタン等の適切な接着剤により、たとえば、炭素合成支持構造等の支持構造に接着させることができる。

Claims (10)

1. アルミニウム層、ポリマー層、および非晶質炭素層を含む薄膜層の積層体を備えるＸ線窓。
2. 前記非晶質炭素層の炭素は
   ａ．２５％未満のｓｐ３と、
   ｂ．７５％以上のｓｐ２とがハイブリッドされている請求項１に記載のＸ線窓。
3. 前記非晶質炭素層は、水素化非晶質炭素層である請求項１または２に記載のＸ線窓。
4. 前記水素化非晶質炭素層における水素の原子百分率は、１％〜１０％である請求項３に記載のＸ線窓。
5. 前記ポリマー層は、ポリイミドである請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線窓。
6. ａ．中心が空洞であり、開口を有し、チタンからなる囲みをさらに備え、
   ｂ．前記薄膜層の積層体は、前記囲みの前記開口に気密に閉止され、
   ｃ．前記非晶質炭素層は、空洞となっている前記中心から最も遠い層となるよう配置されている
   請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線窓。
7. 前記薄膜層の積層体における層の順序は、前記ポリマー層、前記アルミニウム層、前記非晶質炭素層である請求項１から６のいずれか１項に記載のＸ線窓。
8. ａ．前記アルミニウム層は、第１アルミニウム層および第２アルミニウム層を含む、
   ｂ．前記薄膜層の積層体の順序は、前記第１アルミニウム層、前記ポリマー層、前記第２アルミニウム層、前記非晶質炭素層である
   請求項１から７のいずれか１項に記載のＸ線窓。
9. ａ．前記非晶質炭素層は、第１非晶質炭素層および第２非晶質炭素層を含み、
   ｂ．前記アルミニウム層は、第１アルミニウム層および第２アルミニウム層を含み、
   ｃ．前記薄膜層の積層体における層の順序は、前記第１非晶質炭素層、前記第１アルミニウム層、前記ポリマー層、前記第２アルミニウム層、前記第２非晶質炭素層である
   請求項１から７のいずれか１項に記載のＸ線窓。
10. ａ．前記第１非晶質炭素層の厚さは、５〜２５ナノメートルであり、
    ｂ．前記第１アルミニウム層の厚さは、１０〜３０ナノメートルであり、
    ｃ．前記ポリマー層の厚さは、１５０〜３００ナノメートルであり、
    ｄ．前記第２アルミニウム層の厚さは、１０〜３０ナノメートルであり、
    ｅ．前記第２非晶質炭素層の厚さは、５〜２５ナノメートルである
    請求項９に記載のＸ線窓。

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