CZ304298B6 - Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku - Google Patents
Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku Download PDFInfo
- Publication number
- CZ304298B6 CZ304298B6 CZ2012-18A CZ201218A CZ304298B6 CZ 304298 B6 CZ304298 B6 CZ 304298B6 CZ 201218 A CZ201218 A CZ 201218A CZ 304298 B6 CZ304298 B6 CZ 304298B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- silicon wafer
- starting
- range
- silicon
- slice
- Prior art date
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Tepelné tvarování se provádí plastickou deformací z rovinných monokrystalických výchozích křemíkových plátků (1), kde každý výchozí křemíkový plátek (1) se připraví z materiálu, který se předem dopuje alespoň jedním prvkem ze skupiny, zahrnující bor, fosfor, arsen, antimon, v množství do 1,8.10.sup.21.n. atomů v jednom cm.sup.3.n. materiálu monokrystalického výchozího křemíkového Si plátku (1). Každý výchozí křemíkový Si plátek (1) vykazuje rovinnost pod 10 .mi.m; tloušťku 0,2 až 0,8 mm; krystalografickou orientaci <100> nebo <111>; a střední hodnotu mikrodrsnosti R.sub.a.n. povrchu 0,2 až 0,6 nm na funkčním odrazovém povrchu. Každý takovýto monokrystalický výchozí křemíkový plátek (1) se zahřívá z teploty okolí na tvarovací teplotu v rozmezí 1200 až 1400 .degree.C s výdrží na konstantní teplotě po dobu 1 minuty až 6 hodin a poté se ochladí, což se provádí v ochranné atmosféře s parciálním tlakem kyslíku v rozmezí 1.10.sup.-8 .n..sup.Pa.n.až 21 kPa nebo v ochranné atmosféře samotného čistého vodíku. Po celou tuto dobu se na výchozí křemíkový plátek (1) působí přítlačnou silou v rozpětí 1 až 200 N, až se dosáhne přesného finálního optického tvaru funkčního odrazového povrchu výsledného křemíkového plátku (10) s odchylkou od požadovaného tvaru pod 20 .mi.m a se střední hodnotou mikrodrsnosti R.sub.a .n.povrchu pod 1,0 nm.
Description
Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku plastickou deformací z výchozích rovinných monokrystalických křemíkových plátků, které se zahřívají nad 1000 °C a poté se udržují na konstantní teplotě a jsou přesně vytvarovány do předem požadovaného geometrického a optického tvaru a jejichž funkční odrazový povrch vykazuje optickou kvalitu.
Dosavadní stav techniky
Rentgenová optika rozšiřuje možnosti a zlepšuje parametry téměř všech měřicích a zobrazovacích metod a přístrojů využívajících rentgenové záření. Rentgenová optika prochází v posledních dvou desetiletích intenzivním rozvojem, který zjevně ještě neskončil. S tím souvisí trvající potřeba výzkumu v oblasti materiálových věd a objevování nových optických soustav. Rentgenová optika nachází aplikace ve vědě a výzkumu a v mnoha dalších oblastech lidské činnosti, jmenovitě v krystalografii, v makromolekulám! biologii, v medicíně, v rentgenografii, ve studiu a konzervaci kulturních památek, v astrofyzice, v metodách pro bezpečnostní složky a v průmyslu.
Potenciální aplikace rentgenové optiky ve vědě a výzkumu se týkají především rentgenové difrakce, rentgenové fluorescence a prvkové analýzy, rentgenografie a rentgenové mikroskopie, tomografie, mikrotomografie a nanotomografie, nanofokuzace rentgenového záření, rentgenové spektroskopie, astrofyziky a kosmických rentgenových teleskopů pro studium gama záblesků a ostatních jevů ve vesmíru, které vedou ke vzniku rentgenového záření.
Aplikace křemíkových destiček pro konstrukci optických prvků, zejména kosmických rentgenových teleskopů, je uvedena např. v patentu US 7 321 127 B2 (priority FR 16. 2. 2004) majitele European Space Agency, FR. Tento patent popisuje optický odrazový prvek, způsob jeho výroby a použití takovéhoto prvku v optickém zařízení. Optický prvek je určen pro rentgenové paprsky nebo gama paprsky nebo vysoce energetické částice dopadající pod úhlem totálního odrazu. Optický prvek se skládá z více vrstev křemíkových destiček. Každá má případně funkční odrazovou plochu pokrytou kovovou vrstvou nebo rozptylovou mřížkou. Spodní strana křemíkové destičky je opatřena žebry, vymezující prostor mezi dvěma sousedními destičkami a definující vzdálenost mezi dvěma odrážejícími povrchy. Vynález se týká vytvoření optických zařízení zahrnujících více takových optických prvků, zejména teleskop Wolter I, obsahující dvojici zrcadel s paraboloidními a hyperboloidními povrchy nebo alternativní systém Kirkpatrick-Beaz systém. Způsob výroby optického odrazového prvku spočívá v několika krocích, a to ve výrobě destičky z definovaného materiálu, jako je monokrystalický křemík, hliník, berylium, nikl nebo kombinace těchto materiálů. Dalším krokem je vytvoření žeber mezi destičkami a následné řezání destiček za účelem vytvoření předem definované konfigurace. Dalším krokem je pokrytí funkčních stran destiček alespoň jednou vrstvou druhého definovaného ochranného materiálu ze zlata nebo iridia. Pokrytí každé první i druhé strany destiček je zpracováno mechanicky nebo chemicky nebo obojím postupem. Na obr. 5A až 5D jsou znázorněny hlavní kroky vedoucí k sestavení zmíněného optického odrazového prvku. Jednotlivé destičky opatřené žebry, jsou mechanicky vtlačovány do formy a následně k sobě slepeny.
Materiál destiček je tvarován za studená. Takto vytvarovaná destička má trvalé mechanické napětí, což může vést během dlouhodobého užívání k nebezpečí šíření trhlin a poruch v krystalické mřížce, a tím k významnému snížení požadované mechanické pevnosti a zvýšení rizika praskání, tedy i případné k destrukci. Mechanické změny destičky též mohou vést po určité době ke změně požadované geometrie destičky, a tím ke zhoršení úhlového rozlišení optického prvku.
- 1 CZ 304298 B6
Podstata vynálezu
Uvedené nevýhody se odstraní nebo omezí způsobem tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku, kde křemíkové plátky jsou zhotoveny z monokrystalického křemíkového materiálu plátků, podle tohoto vynálezu. Podstata tohoto vynálezu spočívá v tom, že tepelné tvarování se provádí plastickou deformací z monokrystalických výchozích křemíkových plátků, kde každý výchozí křemíkový plátek se připraví z materiálu, který se předem dopuje alespoň jedním prvkem ze skupiny, zahrnující bor, fosfor, arsen, antimon, v množství od 0 do 2,0.1021 atomů v jednom cm3 materiálu pro výchozí monokrystalický křemíkový plátek. Každý výchozí křemíkový plátek vykazuje rovinnost pod 10 pm a má tloušťku 0,2 až 0,8 mm; krystalografickou orientaci <100> nebo <111>; a střední hodnotu mikrodrsnosti Ra povrchu 0,2 až 0,6 nm na své funkční odrazové ploše. Takovýto výchozí monokrystalický křemíkový plátek se zahřívá z teploty okolí na tvarovací teplotu v rozmezí 1200 až 1400 °C s výdrží na konstantní teplotě po dobu 1 minuty až 6 hodin a poté se ochladí, což vše probíhá v ochranné atmosféře s parciálním tlakem kyslíku v rozmezí 1.10'8 Pa až 21 kPa, nebo v ochranné atmosféře samotného čistého vodíku. Po celou dobu, a za uvedených podmínek, se na výchozí křemíkový plátek působí přítlačnou silou keramické tvarovací formy v rozpětí 1 až 200 N, s výhodou 1 až 20 N, až se dosáhne přesného výsledného optického tvaru funkčního odrazového povrchu s odchylkou od požadovaného tvaru pod 20 pm a se střední hodnotu mikrodrsnosti Ra pod 1,0 nm.
Hlavní výhodou tohoto vynálezu je, že se získá výsledný křemíkový plátek, který má přesný optický tvar funkčního odrazového povrchu s odchylkou od požadovaného v rozmezí pod 20 pm; a má vysokou optickou kvalitu, která vykazuje střední hodnotu mikrodrsnosti Ra pod 1,0 nm. Výsledný křemíkový plátek podle tohoto vynálezu vyhovuje vysokým požadavkům na přesnou rentgenovou optiku.
Je výhodné, když každý výchozí monokrystalický křemíkový plátek se připraví z materiálu, který se předem dopuje borem v množství do 6.1020 atomů v cm3, nebo fosforem v množství do 1,3.1021 atomů v cm3, nebo arsenem v množství do 1,8.1021 atomů v cm3, nebo antimonem v množství od 0 do 7,0.1019 atomů v cm3 materiálu výchozího monokrystalického křemíkového plátku. Nárokované dopování materiálu pro výchozí monokrystalický křemíkový plátek zajistí dostatečnou koncentraci dislokací pohyblivých za vysokých teplot. Dislokace se pak ve hmotě výchozího monokrystalického křemíkového plátku při teplotách nad 1200 °C pohybují mechanizmem viskózního toku. Snadný pohyb diskokací v materiálu je podmínkou dosažení dostatečné plastické deformace nutné pro získání přesného tvaru výsledného křemíkového plátku v požadované optické kvalitě funkčního odrazového povrchu. Pokud by byla koncentrace dopování pod nárokovanou hodnotu tohoto vynálezu, tak by koncentrace dislokací byla příliš nízká, a jejich pohyb ve hmotě během tvarování by byl obtížný. Pokud by byla koncentrace dopování nad nárokovanou hodnotu tohoto vynálezu, potom by krystalická struktura křemíkového plátku mohla být narušena, a mohlo by dojít i k nežádoucímu zhoršení mechanických vlastností výsledného křemíkového plátku. To by mohlo vést i ke zhoršení optické kvality funkčního odrazového povrchu vytvarovaného křemíkového plátku.
Nárokovaná rovinnost výchozího křemíkového plátku pod 10 μιη je nezbytná pro dosažení optické kvality funkčního odrazového povrchu a potřebné přesnosti jejího tvaru.
Tloušťka výchozího křemíkového plátku 0,6 až 0,8 mm umožňuje snadnější dosažení plastické deformace při tvarovacích teplotách, což je nezbytné pro optickou kvalitu výsledného křemíkového plátku.
Krystalografická orientace <100> nebo <111> výchozího křemíkového plátku zabezpečuje během tvarování žádoucí průběh pohybu dislokací v potřebném směru ve hmotě křemíkového plátku.
Střední hodnota mikrodrsnosti Ra povrchu 0,2 až 0,6 nm na funkční odrazové ploše výchozích křemíkových plátků musí být dostatečně nízká, aby po tvarování, kdy se mikrodrsnost zvýší, byla
-2 CZ 304298 B6 zajištěna požadovaná střední hodnota mikrodrsnosti Ra povrchu pod 1,0 nm na funkční odrazové ploše výsledných křemíkových plátků pro zajištění optických vlastností této plochy.
Teplota tání křemíku je 1414 °C. Proto se výdrž na konstantní teplotě 1200 až 1400 °C volí z důvodu, aby při tvarování výchozího křemíkového plátku došlo k potřebné plastické deformaci, ale aby nedošlo k tání křemíku. Doba výdrže na konstantní teplotě, i samotná konstantní teplota závisí na rozměrech výchozího křemíkového plátku a požadovaném výsledném tvaru.
Ochranná atmosféra je nutná, aby bylo možné během tvarování řídit případně omezit průběh oxidace křemíku. Ochranná atmosféra byla vybrána z vhodné směsi kyslíku s argonem nebo kyslíku s dusíkem, kde argon a dusík představují inertní plyny a pomocí kyslíku se dá nastavit potřebný parciální tlak atmosféry v rozmezí 1.10'8 Pa až 21 kPa. V případě ochranné atmosféry vodíku bude oxidace křemíku výrazně potlačena.
Během tvarování se musí na výchozí křemíkový plátek působit přítlačnou silou, s výhodou keramické tvarovací formy potřebného tvaru, v rozpětí 1 až 200 N, přednostně 1 až 20 N, aby se dosáhlo přesného výsledného optického tvaru funkčního odrazového povrchu s odchylkou od požadovaného tvaru pod 20 pm a má střední hodnotou mikrodrsnosti Ra pod do 1,0 nm.
Rovněž je výhodné, když na výchozí křemíkový plátek působí keramická tvarovací forma svým vnějším tvarem, který může být válcový, kulovitý, parabolický či paraboloidní, hyperbolický či hyperboloidní, eliptický či elipsoidní nebo kuželovitý, podle požadavku na var výsledného křemíkového plátku před a/nebo při tvarování
Před, během nebo i po tvarování se na povrchu výsledného křemíkového plátku po přetvařování může vytvořit tenká vrstva oxidu křemičitého. Tato vzniklá vrstva oxidu křemičitého se může odstranit, případně se může ponechat. Totiž, při tepelném tvarování plastickou deformací výchozích monokrystalických křemíkových plátků zahřátím na tvarovací teplotu v rozmezí 1200 až 1400 °C, na povrchu výsledného křemíkového plátku dochází k částečné oxidaci povrchu křemíku a vytvoření tenké vrstvy oxidu křemičitého. Vzniklá vrstva pak brání vystupování dislokací na povrch plátku během tvarování plastickou deformací za dané vysoké teploty. Tímto způsobem se dosahuje zachování vysoké kvality povrchu výsledných křemíkových plátků, která je nezbytná pro vytvoření velmi přesné rentgenové optiky. Vrstva oxidu křemičitého se případně odstraní, např. se odleptá vodným roztokem obsahujícím kyselinu fluorovodíkovou.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález je podrobně popsán na příkladných provedeních a blíže osvětlen pomocí schematických výkresů, z nichž znázorňuje obr. 1 boční pohled na tvarovací zařízení s rovinným výchozím křemíkovým plátkem, obr. 2 boční pohled na tvarovací zařízení s tvarovaným výsledným křemíkovým plátkem, obr. 3 AFM snímek výchozího rovinného monokrystalického křemíkového plátku, obr. 4 AFM snímek monokrystalického tvarovaného výsledného křemíkového plátku, obr. 5 axonometrický pohled na tvarovací zařízení s přítlakem kulovou formou seshora, obr. 6 axonometrický pohled na tvarovací zařízení s přítlakem kulovou formou zezdola, obr. 7 boční pohled na tvarovací zařízení s přítlakem kuželovou formou seshora a obr. 8 boční pohled na tvarovací zařízení s přítlakem prstencovité trubkovité formy seshora.
-3 CZ 304298 B6
Příklady provedení vynálezu
Příklad 1 (obr. 1,2,3,4)
Tepelné tvarování monokiystalických výchozích křemíkových plátků 1 podle tohoto vynálezu, se provádí plastickou deformací. Každý výchozí křemíkový plátek i se připraví z materiálu, který se předem dopuje alespoň jedním prvkem ze skupiny, zahrnující bor, fosfor, arsen, antimon, v množství od 0 do 2,0.1021 atomů v jednom cm3 materiálu monokrystalického výchozího křemíkového plátku 1. Přitom každý výchozí křemíkový plátek 1 je rovinný a vykazuje rovinnost pod 10 pm; má tloušťku pod 0,8 mm; má krystalografickou orientaci < 100> nebo <111>; a má střední hodnotu mikrodrsnosti Ra povrchu menší než 0,6 nm na funkční odrazové ploše. Každý takovýto monokrystalický výchozí křemíkový plátek 1 se zahřívá z teploty okolí na konkrétní konstantní tvarovací teplotu v rozmezí 1200 až 1400 °C, s výdrží na konstantní teplotě po dobu 1 minuty až 6 hodin, a poté se ochladí.
To vše probíhá v ochranné atmosféře s parciálním tlakem kyslíku v rozmezí 1.108 Pa až 21 kPa nebo v ochranné atmosféře samotného čistého vodíku. Po celou tuto dobu se na výchozí křemíkový plátek I působí přítlačnou silou v rozpětí 1 až 200 N, až se dosáhne přesného finálního výsledného optického tvaru funkčního odrazového povrchu vytvarovaného křemíkového plátku 10 s odchylkou od požadovaného tvaru pod 20 pm a se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra povrchu pod 1,0 nm. Takto získaný výsledný křemíkový plátek 10 má vynikající optické vlastnosti, využitelné zejména pro přesnou rentgenovou optiku.
Monokrystalický výchozí křemíkový plátek 1 je schematicky znázorněn na obr. 1 v bočním pohledu, před počátkem jeho přetvařování. Je uložený na nosiči 2.
Na obr. 2 je schematicky vyobrazen v bočním pohledu výsledný křemíkový plátek Π) na nosiči 2 po provedení tvarovacího procesu podle tohoto vynálezu. Na obr. 2 je šipkou naznačen směr působení přítlačné síly během tvarování, která působí na horní stranu křemíkového plátku i a vyvolává jeho plastickou deformaci.
Na obr. 3 je snímek horního povrchu výchozího křemíkového plátku F Snímek byl pořízen mikroskopií AFM (Atomic Force Microscopy). Na obr. 2 jsou znázorněny tři osy. Osa a a osa b představují rozměr snímané plochy výchozího křemíkového plátku i udaný v pm. Z obr. 3 je parné, že snímaná plocha vzorku byla 1 pm2. Na další ose Aje vidět výška nerovnosti snímaného povrchu v nm, což znázorňuje vizuálně mikrodrsnost daného povrchu, přičemž střední hodnota mikrodrsnosti Ra se určí standardním výpočtem. Osa h má měřítko do 1,2 nm. Z obr. 3 je zřejmé, že nejvyšší hodnoty nerovností povrchu jsou cca 0,5 nm, a nejnižší 0,1 nm. Standardním výpočtem bylo zjištěno, že střední hodnota mikrodrsnosti Ra pro tento vzorek výchozího křemíkového plátku 1 je 0,3 nm.
Na obr. 4 je snímek horního povrchu výsledného křemíkového plátku 10 téhož vzorku po tvarování. Snímek byl též pořízen mikroskopií AFM (Atomic Force Microscopy). Na obr. 4 jsou obdobně znázorněny tři osy a, b, představující rozměr snímané plochy výsledného křemíkového plátku 1 udaný v pm. Snímaná plocha vzorku byla 1 pm2. Na ose Aje vidět horní funkční odrazový povrch výsledného křemíkového plátku J_0 po tvarování, kde výška nerovnosti je v nm. Osa A má též měřítko do 1,2 nm. Z obr. 2 je zřejmé, že horní funkční odrazový povrch výsledného křemíkového plátku 10 má nejvyšší hodnoty nerovností povrchu cca 0,9 nm a nejnižší 0,2 nm. Standardním výpočtem bylo určeno, že střední hodnota mikrodrsnosti Ra pro tento vzorek výsledného křemíkového plátku 10 je 0,7 nm.
-4CZ 304298 B6
Příklad 2 (Obr. 5)
Na obr. 5 je znázorněno schematicky zařízení ke tvarování křemíkového plátku. Zařízení se sestává z vodícího rámu 3 se středovým otvorem, jímž prochází přítlačná forma 4, na niž je připevněna keramická tvarovací forma 5. Keramická tvarovací forma 5 kulovitého tvaru dosedá seshora na výchozí křemíkový plátek 1, který je uložen na nosiči 2. Přítlačná forma 4 působí přítlačnou silou, znázorněnou šipkou, na keramickou tvarovací formu 5, která se přenáší na výchozí křemíkový plátek 1.
Tvarování výchozího křemíkového plátku i probíhá např. v neznázoměné super- kanthalové elektrické peci s ochrannou atmosférou.
Výchozí křemíkový plátek 1 byl předem nadopován borem, a to v množství 1,2.1018 atomů v jednom cm3 křemíkového materiálu. Výchozí křemíkový plátek 1 měl rozměry 100 x 100 mm a tloušťku 0,6 mm. Krystalografická orientace výchozího křemíkového plátku i byla <100>. Střední hodnota mikrodrsnosti Ra výchozího křemíkového plátku Ije 0,3 nm. Materiál výchozího křemíkového plátku 1 má měrný odpor 102 kQ.cm.
Výchozí křemíkový plátek 1 byl zahříván z teploty okolí po dobu cca 5 hodin na tvarovací teplotu 1350 °C, s výdrží na této teplotě po dobu 3 hodin, v ochranné atmosféře argonu s kyslíkem o parciálním tlaku kyslíku 2 kPa. Při zahřívání, výdrži na konstantní teplotě i při ochlazování se na výchozí křemíkový plátek 1 působí přítlačnou silou 2 N keramickou tvarovací formou 5 o průměru 15 mm. Doba ochlazování na okolní teplotu činila cca 6 hodin. Tyto hodnoty se stanovují experimentálně a výpočty.
Tímto postupem byl získán neznázoměný výsledný křemíkový plátek 10 s kulovitým funkčním odrazovým povrchem s maximální odchylkou od požadovaného kulovitého tvaru 10 pm a se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra 0,6 nm. Dosažený průhyb ve středu výsledného křemíkového plátku 10 byl 27 mm.
Získaný výsledný křemíkový plátek K) je vhodný, např. pro rentgenové spektroskopy, jakožto fokusační optický prvek. Nebo se může využít jako čočka nebo zrcadlo pro odraz nebo fokusaci rentgenového záření.
Příklad 3 (Obr. 6)
Na obr. 6 je znázorněno schematicky zařízení, sestávající z vodícího rámu 3, jehož horní deskou se středovým otvorem prochází válcová přítlačná forma 4, která dosedá přímo na výchozí křemíkový plátek 1. Výchozí křemíkový plátek 1 je uložen na keramické tvarovací formě 5 kulovitého tvaru, kteráje připevněna k nosiči 2. Přítlačná forma 4 působí přítlačnou silou, znázorněnou šipkou, na výchozí křemíkový plátek 1.
Výchozí křemíkový plátek i byl předem nadopován fosforem v množství 0,8.1017 atomů vjednom cm3 křemíkového materiálu. Výchozí křemíkový plátek i měl rozměry 100 x 100 mm a tloušťku 0,6 mm. Krystalografická orientace výchozího křemíkového plátku i byla <100>. Střední hodnota mikrodrsnosti Ra výchozího křemíkového plátku 1 je 0,4 nm. Materiál výchozího křemíkového plátku 1 má měrný odpor 103 kQ.cm.
Výchozí křemíkový plátek 1 se zahříval z teploty okolí po dobu cca 4 hodiny na tvarovací teplotu 1250 °C, s výdrží na této teplotě po dobu 5 hodin, v ochranné atmosféře dusíku s kyslíkem s parciálním tlakem kyslíku 10 kPa. Současně se zahříváním, výdrží na konstantní teplotě a při
-5CZ 304298 B6 ochlazování se na výchozí křemíkový plátek 1 působí přítlačnou silou 7 N keramickou tvarovací formou 5 o průměru 20 mm. Doba ochlazování na okolní teplotu činila cca 4 hodiny.
Tímto postupem byl získán neznázorněný výsledný křemíkový plátek 10 s kulovitou funkčním odrazovým povrchem s maximální odchylkou od požadovaného kulovitého tvaru 15 pm a se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra 0,8 nm. Dosažený průhyb ve středu výsledného křemíkového plátku JO byl 22 mm.
Takto získaný výsledný křemíkový plátek 10 je vhodný jako zrcadlo pro rentgenové optické přístroje, např. pro rentgenovou difraktometrii nebo rentgenovou mikroskopii.
Příklad 4 (Obr. 7)
Zařízení k přetvařování výchozího křemíkového plátku 1 je znázorněno na obr. 7. Zařízení zahrnuje vodicí rám 3, v němž je na spodní desce uložen nosič 2, na němž je položen výchozí křemíkový plátek 1, na nějž seshora dosedá keramická tvarovací forma 5 kuželovitého tvaru, která současně působí přítlačnou silou kolmou na výchozí křemíkový plátek 1, jak je znázorněno šipkou. V tomto příkladném provedení keramická tvarovací forma 5 zastává funkci i přítlačné formy
4.
Výchozí křemíkový plátek 1 byl předem nadopován antimonem v množství 5,0.1017 atomů vjednom cm3 křemíkového materiálu. Výchozí křemíkový plátek 1 měl rozměry 100 x 100 mm a tloušťku 0,5 mm. Krystalografická orientace výchozího křemíkového plátku 1 byla <111>. Střední hodnota mikrodrsnosti Ra výchozího křemíkového plátku 1 je 0,3 nm. Materiál výchozího křemíkového plátku 1 má měrný odpor 5.104 kQ.cm.
Výchozí křemíkový plátek i se zahříval z teploty okolí po dobu cca 5 hodiny na tvarovací teplotu 1330 °C, s výdrží na této teplotě po dobu 4 hodiny, v ochranné atmosféře vodíku o atmosférickém tlaku. Současně se zahříváním, výdrží na konstantní teplotě a při ochlazování se na výchozí křemíkový plátek 1 působí přítlačnou silou 6 N keramickou tvarovací formou 5 zhotovenou z korundu. Doba ochlazování na okolní teplotu činila cca 5 hodin.
Tímto postupem byl získán neznázorněný výsledný křemíkový plátek 10 s kuželovitou funkčním odrazovým povrchem s maximální odchylkou od požadovaného kuželovitého tvaru 11 pm a se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra 0,9 nm.
Výsledný křemíkový plátek £0 je vhodný jako fokusační zrcadlo pro rentgenové vesmírné teleskopy nebo rentgenové zobrazovací optické prvky.
Příklad 5 (Obr. 8)
Na obr. 8 je znázorněno zařízení, zahrnující vodicí rám 3, na jehož spodní desce je uložen nosič 2, na který je vložen výchozí křemíkový plátek T Na výchozí křemíkový plátek 1 seshora dosedá keramická tvarovací forma 5 válcového tvaru, která současně působí přítlačnou silou kolmou na výchozí křemíkový plátek I, jak je znázorněno šipkou. Zde rovněž jako v předchozím příkladném provedení keramická tvarovací forma 5 zastává funkci i přítlačné formy 4.
Výchozí křemíkový plátek 1 byl předem nadopován borem v množství 3,0.1018 atomů vjednom cm3 křemíkového materiálu. Výchozí křemíkový plátek i měl rozměry 100 x 100 mm a tloušťku 0,5 mm. Krystalografická orientace výchozího křemíkového plátku I byla <100>. Střední hodnota mikrodrsnosti Ra výchozího křemíkového plátku 1 je 0,3 nm.
-6CZ 304298 B6
Materiál výchozího křemíkového plátku 1 měl měrný odpor 50 kQ.cm.
Výchozí křemíkový plátek i se zahříval z teploty okolí po dobu cca 5 hodin na tvarovací teplotu 1360°C, s výdrží na této teplotě po dobu 4 hodiny, v ochranné atmosféře argonu s kyslíkem s parciálním tlakem kyslíku 4 kPa. Současně se zahříváním, výdrží na konstantní teplotě a při ochlazování se na výchozí křemíkový plátek i se působí přítlačnou silou 5 N keramickou tvarovací formou 5 ve tvaru válce o průměru 50 m. Doba ochlazování na okolní teplotu činila cca 6 hodin.
Tímto postupem byl získán neznázoměný výsledný křemíkový plátek 10 s válcovým funkčním odrazovým povrchem s maximální odchylkou od požadovaného válcového tvaru 8 pm a se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra 0,4 nm.
Výsledný křemíkový plátek 10 je vhodný jako fokusační zrcadlo pro rentgenové vesmírné teleskopy s vysokým rozlišením a velkou sběrnou plochou.
Průmyslová využitelnost
Rentgenová optika nachází aplikace ve vědě a výzkumu a v mnoha dalších oblastech lidské činnosti. Jmenovitě v krystalografii, v makromolekulám! biologii, v medicíně, v rentgenografii, ve studiu a konzervaci kulturních památek, v astrofyzice, v metodách pro bezpečnostní složky a v průmyslu.
Potenciální aplikace rentgenové optiky ve vědě a výzkumu se týkají především rentgenové difrakce, fluorescence a prvkové analýzy, rentgenografie a rentgenové mikroskopie, tomografie, mikrotomografie a nanotomografie, nanofokuzace rentgenového záření, rentgenové spektroskopie, astrofyziky a kosmických rentgenových teleskopů pro studium gama záblesků a ostatních jevů ve vesmíru, které vedou ke vzniku rentgenového záření.
Potenciální aplikace rentgenové optiky využívající křemíkové monokrystaly jsou aktuálně očekávané v astrofyzice, kteráje nyní silně závislá na stále výkonnějších kosmických rentgenových teleskopech. Uhlové rozlišení, váha, tepelné vlastnosti a cena jsou silně ovlivněné vlastnostmi zrcadel použitých v teleskopu. Potenciální aplikace rentgenové optiky využívající křemíkové monokrystaly jsou dále očekávané v oblasti difraktivní rentgenové optiky. Jmenovitě především mikrofokusace a nanofokusace rentgenového záření, monochromatické rentgenové zobrazování a rentgenová spektroskopie.
Aplikace rentgenové optiky v průmyslu se týkají především rentgenografie, rentgenové tomografie a NDT metod založených na využití rentgenového záření.
Claims (9)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku, plastickou deformací z výchozích rovinných monokrystalických křemíkových plátků, které se zahřívají nad 1000 °C a poté se udržují na konstantní teplotě, ajsou přesně vytvarovány do předem požadovaného geometrického a optického tvaru a jejichž funkční odrazový povrch vykazuje optickou kvalitu, vyznačující se tím, že každý výchozí křemíkový plátek (1):-7 CZ 304298 B6 se připraví z materiálu, který se předem dopuje alespoň jedním prvkem ze skupiny, zahrnující bor, fosfor, arsen, antimon, v množství do 1,8.1021 atomů v jednom cm'1 monokrystalického materiálu výchozího křemíkového plátku (1); přitom každý výchozí křemíkový plátek (1) vykazuje rovinnost pod 10 pm; tloušťku 0,6 mm až 0,8 mm; krystalografickou orientaci <100> nebo <111>; a střední hodnotu mikrodrsnosti Ra povrchu 0,2 až 0,6 nm na funkční odrazové ploše; přičemž každý takovýto monokrystalický výchozí křemíkový plátek (1):se zahřívá z teploty okolí na tvarovací teplotu v rozmezí 1200 až 1400 °C s výdrží na konstantní teplotě po dobu 1 minuty až 6 hodin a poté se ochladí, což se provádí v ochranné atmosféře s parciálním tlakem kyslíku v rozmezí 1.10'8 Pa až 21 kPa nebo v ochranné atmosféře samotného vodíku; přičemž se po celou tuto dobu na výchozí křemíkový plátek (1) působí přítlačnou silou v rozpětí 1 až 200 N, až se dosáhne přesného finálního optického tvaru s funkčním odrazovým povrchem vytvarovaného křemíkového plátku (10) s odchylkou od požadovaného tvaru pod 20 pm a se střední hodnotou mikrodrsnosti Ra povrchu pod 1,0 nm.
- 2. Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku podle nároku 1, vyznačující se tím, že každý monokrystalický výchozí křemíkový plátek (1) se připraví z materiálu, který se předem dopuje borem v množství do 6.1020 atomů v cm3; nebo fosforem v množství do 1,3.1021 atomů v cm3 ; nebo arsenem v množství do 1,8.1021 atomů v cm3; nebo antimonem v množství do 7,0.1019 atomů v cm3 v materiálu monokrystalického výchozího křemíkového plátku (1).
- 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochranná atmosféra je vybrána ze vhodné směsi kyslíku s argonem nebo kyslíku s dusíkem, případně samotného vodíku.
- 4. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že přítlačná síla na výchozí křemíkový plátek (1) se vyvodí působením keramické tvarovací formy (5) potřebného tvaru.
- 5. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, , že přítlačná síla keramické tvarovací formy (5) potřebného tvaru se pohybuje v rozpětí od 1 do 20 N.
- 6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramická tvarovací forma (5) působí na výchozí křemíkový plátek svým vnějším tvarem, kterýje válcový, kulovitý, parabolický či paraboloidní, hyperbolický či hyperboloidní, eliptický či elipsoidní nebo kuželovitý.
- 7. Způsob podle některého z předcházejících nároků nároku laž4, vyznačující se tím, že na povrchu výsledného křemíkového plátku (10) se před a/nebo při tvarování vytvoří vrstva oxidu křemičitého.
- 8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že vzniklá vrstva oxidu křemičitého se odstraní.4 výkresyVztahové značky:1 výchozí křemíkový plátek2 nosič3 vodicí rám4 přítlačná forma5 keramická tvarovací forma
- 10 výsledný křemíkový plátek
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2012-18A CZ304298B6 (cs) | 2012-01-12 | 2012-01-12 | Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2012-18A CZ304298B6 (cs) | 2012-01-12 | 2012-01-12 | Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ201218A3 CZ201218A3 (cs) | 2013-07-24 |
CZ304298B6 true CZ304298B6 (cs) | 2014-02-19 |
Family
ID=48794250
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2012-18A CZ304298B6 (cs) | 2012-01-12 | 2012-01-12 | Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ304298B6 (cs) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE202023107238U1 (de) | 2022-12-06 | 2024-04-09 | Vladimír Tichý | Anordnung eines optischen Moduls für ein optisches System, insbesondere vom Typ Hummerauge |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5928786A (en) * | 1995-03-28 | 1999-07-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Monocrystalline silicon wafer and method of thermally oxidizing a surface thereof |
US20050185306A1 (en) * | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Marcos Bavdaz | Optical reflector element, its method of fabrication, and an optical instrument implementing such elements |
-
2012
- 2012-01-12 CZ CZ2012-18A patent/CZ304298B6/cs unknown
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5928786A (en) * | 1995-03-28 | 1999-07-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Monocrystalline silicon wafer and method of thermally oxidizing a surface thereof |
US20050185306A1 (en) * | 2004-02-16 | 2005-08-25 | Marcos Bavdaz | Optical reflector element, its method of fabrication, and an optical instrument implementing such elements |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
Jirí Vanek a kol.: Alternativní zdroje energie, Fakulta elektrotechniky a komunikacních technologií - Vysoké ucení technické v Brne, 2006, str. 61-70 * |
L.Pina a kol.: In-Situ Monitoring the Thermal Forming of Glass and Si Foils for Space X-Ray Telescopes, World Academy of Science, Engineering and Technology 58, 2011, str. 278-281 * |
R.Hudec a kol.: Si and Glass - Novel Technologies for Space, Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 166, 2007, str. 258-261 * |
Skulinova M. a kol. : New Light Weight X-Ray Optics - Alternative Materials, Proceedings of SPIE, volume 7360, 2009 * |
Yuichiro Ezoe a kol.: Shaped silicon wafers obtained by hot plastic deformation: performance avaluation for future astronomical x-ray telescopes, Applied Optics, vol. 48, issue 19, 2009, str. 3830-3838 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE202023107238U1 (de) | 2022-12-06 | 2024-04-09 | Vladimír Tichý | Anordnung eines optischen Moduls für ein optisches System, insbesondere vom Typ Hummerauge |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CZ201218A3 (cs) | 2013-07-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2977795B1 (en) | Production method for manufacturing a curved grating | |
Said et al. | New developments in fabrication of high-energy-resolution analyzers for inelastic X-ray spectroscopy | |
WO2017179401A1 (ja) | 曲面形状を有する結晶化ガラス部材の製造方法 | |
WO2013183601A1 (ja) | 曲面回折格子の製造方法、曲面回折格子の型およびそれを用いた曲面回折格子 | |
JP5437039B2 (ja) | 赤外線透過部材及び赤外線透過部材用シリコン材料 | |
JP4759750B2 (ja) | 曲率分布結晶レンズの製造方法、偏光制御装置、x線反射率測定装置およびx線反射率測定方法 | |
JPWO2006022333A1 (ja) | 曲率分布結晶レンズ、曲率分布結晶レンズを有するx線装置及び曲率分布結晶レンズの作製方法 | |
CZ304312B6 (cs) | Tepelně tvarované křemíkové plátky pro přesnou rentgenovou optiku | |
CZ304298B6 (cs) | Způsob tepelného tvarování křemíkových plátků pro přesnou rentgenovou optiku | |
JP4646314B2 (ja) | 均質なシリカ・チタニアガラスの製造方法 | |
Hudec et al. | Advanced x-ray optics with Si wafers and slumped glass | |
CZ23543U1 (cs) | Tepelně tvarované křemíkové plátky pro přesnou rentgenovou optiku | |
EP2196998B1 (en) | Curvature distribution crystal lens and x-ray reflectance measuring instrument | |
Winter et al. | Light-weight glass mirror systems for future x-ray telescopes | |
Hudec et al. | Novel technologies for x-ray multi-foil optics | |
Hudec et al. | Recent progress with x-ray optics based on Si wafers and glass foils | |
Morishita et al. | Near-net shaping of single-crystal silicon for optical lens by one-shot pressing at temperature just below silicon melting point and its demonstration of optical properties | |
US20040223212A1 (en) | Fluoride crystal material for optical element to be used for photolithography apparatus and method for producing the same | |
Hudec et al. | Extremely lightweight x-ray optics based on thin substrates | |
JP2005263585A (ja) | 曲面状ガラスミラーの製造方法及び曲げ加工装置 | |
Mika et al. | Slumping of Si wafers at high temperature | |
JP4839205B2 (ja) | 蛍石の製造方法 | |
Mika et al. | Lightweight Mirrors for Space X-Ray Telescopes | |
Hudec et al. | Novel x-ray optics with Si wafers and formed glass | |
Mika et al. | Slumping monitoring of glass and silicone foils for x-ray space telescopes |