2017 Fiscal Year Annual Research Report
タイコグラフィ位相回復法の高度化と回折限界軟X線集光の実現
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17J04201
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹尾 陽子 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 軟X線 / 集光素子 / 回転楕円ミラー / タイコグラフィ / 顕微鏡 / 形状計測 / 波面計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
軟X線回転楕円ミラーは，高NAと色収差が存在しないという利点を兼ね備えた光学素子であり，軟X線解析技術の発展を促すと期待されている．想定する軟X線は1 nmから10 nmの波長を持つことから，実用化にあたっては反射面の形状誤差をシングルナノメートルに抑える必要がある．一方で，反射面は直径が10 mm以下の中空形状内面であるため，安定した高精度計測が困難である．これまでに可視レーザ光を用いた非接触の形状計測手法を提案してきたが，回折の影響により十分な水平方向空間分解能を得られなかった．
今年度，より良い水平方向分解能を得るために，軟X線ビームを照明光として使用し回転楕円ミラーの形状計測を実施した．大型放射光施設SPring-8に設置された専用の光学系に，電鋳法を用いて作製されたミラーを導入し，360°全周を照明した．ミラーが生成する収束球面波に対してタイコグラフィという位相回復手法の一種を適用し，波面誤差の解析を行った．結果，別個のミラー作製プロセスに起因する形状誤差を，それぞれ独立に評価することが可能となった．現状のミラーは全周で100 nm以下の精度を持ち，波長4 nmの軟X線を鉛直水平ともに300 nm以下に集光できることが確認された．
波面計測に用いたタイコグラフィは本来，顕微観察を目的に開発された手法である．照明ビームに対して試料を面的に走査し，回折パターンからビームと試料構造双方を回復する．ミラーの波面計測と同時に，文字サンプルの顕微観察を行い，25 nmの分解能で回復することに成功した．この分解能はミラー高精度化に伴って向上することが予想される．
これらの研究成果は現状の性能を明らかにし作製プロセスの改善指針を与えたことで，次年度以降の研究遂行を容易にした．同時に，回転楕円ミラーの軟X線領域での応用可能性を示した点で，学術的な意義があるといえる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成30年度は計画当初，軟X線回転楕円ミラー全周の集光性能及び形状の評価を行う予定であった．
実際に大型放射光施設SPring-8に設置された専用光学系に回転楕円ミラーを導入し，波長4 nmの軟X線を用いて評価を行った．まず初めにミラー周方向10°の範囲を部分的に，その後360°全周を照明して，エッジスキャン法により集光サイズ及び位置安定性を評価した．その結果，少なくとも24時間以上にわたって，鉛直水平ともに300 nm以下という集光サイズを安定して維持できることを確認した．回転楕円ミラーは高いエネルギー効率を持つことから，大型放射光施設が生み出す指向性が高く強力な軟X線ビームに対して最適である．そのため，SPring-8におけるミラー集光光学系の構築は軟X線研究領域の発展に資するものである．
同一の光学系において，軟X線タイコグラフィ法により反射面の形状誤差を計測した．得られた形状誤差をミラー作製プロセスのそれぞれの段階と照らし合わせ，要因ごとに5種類に大別した．この解析結果は作製プロセスの改良に利用することができ，ミラー開発において非常に有益な情報である．
これらに加えて，回転楕円ミラーを用いたタイコグラフィ顕微システムの開発及び実証実験を行った．薄膜上にFIB加工で作製した文字パターンを集光ビームに対して走査し，25 nmの空間分解能を得た．この値は現状の集光サイズと比較して格段に小さいものである．今後，ミラーの作製精度を向上させ集光サイズを理論限界である20 nmに低減させることで，タイコグラフィ顕微観察のさらなる高分解能化が期待される．
以上のように，当初の計画を遂行しただけでなく，顕微観察という応用例を示した．これは軟X線回転楕円ミラーを用いた回折限界集光という研究全体の目的に対して，実現後の展望を与えたという点で期待以上の成果を得たといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度，軟X線ビームを用いて回転楕円ミラーの形状誤差を空間波長80 μmから20 mmの広い範囲で計測した．この成果により，ミラー作製時の各プロセスで別個に発生した複数の形状誤差が組み合わさり，最終的なミラーの性能を劣化させていることが判明した．回転楕円ミラーを用いた回折限界集光を目指すにあたり，ミラー形状誤差は最優先で解決すべき課題である．今後，集光シミュレーションによってそれぞれの形状誤差が集光性能に与える影響を調査し，優先度の高いものから順に作製プロセスの改善に取り組む．並行して，大型放射光施設SPring-8における軟X線集光性能及び形状評価を継続して行う．
本年度から始めた回転楕円ミラーを用いた顕微観察は，今後さらに発展させる必要がある．現在，各国のタイコグラフィ顕微鏡はサンプルの照明にフレネル・ゾーンプレートの集光ビームを用いている．しかしながらフレネル・ゾーンプレートには色収差が存在するため，使用する軟X線の波長を大きく変化させることは難しい．回転楕円ミラーは異なる波長の軟X線を同一の地点に集光させることが可能であり，複数波長を用いたタイコグラフィ顕微鏡が格段に容易である．これは，無機試料などに含まれる複数の軽元素の分布をシングルナノメートル分解能で観察する可能性があることを示している．実際に同一のサンプルに対して，複数波長の軟X線タイコグラフィ観察を行い，それぞれの波長で顕微鏡として機能させることを目指す．
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Research Products
(4 results)
