2022 Fiscal Year Annual Research Report
大気圧プラズマを用いたX線結晶光学素子の超精密無歪み加工
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21J20502
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
松村 正太郎 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 大気圧プラズマエッチング / 高圧プラズマ / X線結晶光学素子 / チャネルカット結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
極狭空間でのプラズマ安定生成手法として、最大圧力10気圧条件下におけるPlasma Chemical Vaporization Machining (PCVM) 加工に向け、前年度製作した高気圧プラズマ生成チャンバーに取り付ける、インピーダンス整合回路の設計、製作を行った。チャンバー内のL（インダクタンス）およびC（キャパシタンス）の分布を概算，あるいは実際に測定し，高周波導入のためのインピーダンス整合回路を完成させ、電力等を厳密にパラメータとできるよう装置系を構築した。製作したチャンバーにおいて、シリコンウエハを用いた基礎検討を行い、現状最大で目標としていた10気圧条件下でのプラズマ生成を確認した。また、電解集中を有効に利用できる電極とし前年度検討した極細ワイヤ電極を用い、さらに前年度考案した粗さの悪化を抑制するための電源へのパルス変調の導入について、さらに詳細に検討を行った。電源のオフ時間を長くとるほど、拡散による反応生成物の排出が進み、粗さの悪化が抑制されることが分かった。また、ターボ分子ポンプを導入しガス導入前の真空度を向上させたところ、表面粗さがさらに良化したことから、やはり雰囲気ガス中の不純物が表面粗さに与える影響は大きく、多くの知見が得られた。さらに、実際の結晶光学素子に対してワイヤ電極による加工を適用し、大型放射光施設にて結晶性評価実験を行った。結果として、幅約100ミクロンの結晶はやはりまだ加工分解能の不足を示唆しており、本研究の目標である高圧プラズマによる加工の重要性が増したと考えられる。対して、こちらもこれまで未達成であった幅1ミリ程度の結晶に関しては、加工により結晶性が改善し、高品質な反射面が創生されていることが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
まず、装置製作に関してはおおむね順調に進行したと言える。チャンバー内のL（インダクタンス）およびC（キャパシタンス）の分布を概算，あるいは実際に測定し，高周波導入のためのインピーダンス整合回路の設計を早くに終え、完成させた。また、デモンストレーション実験により反射波電力をゼロにできることも確認した。ただ、完成した装置を用いた実際の実験に関しては、大学の実験施設の取り壊し、それに伴う移転作業や実験環境再構築のため、多少の遅れが生じている。
電極形状の検討に関しては、前年度の研究において候補として挙がった極細ワイヤについて詳細に調査を行い、おおむね順調に進行した。ワイヤ電極による加工特性やワイヤの材質による加工特性の変化など様々な要素について実験を行った。前述の理由で高圧プラズマエッチング装置が使えなかったため、既存の大気圧プラズマ装置を用いて実験を行ったが、本研究の最終目標である幅100ミクロンの加工領域を持つ結晶だけでなく、汎用的な幅数ミリの結晶に対する加工手法としても実用的であることがわかった。
さらに当該年度も大型放射光施設における結晶性評価実験も無事に行うことができた。幅1ミリのチャネルカット結晶へのプラズマ加工と放射光施設を用いた評価実験はいまだ行えていなかったため、良い進捗が得られたと言える。結果も良好であり、前年度でわかった幅数ミリから1ミリのチャネルカット結晶への、本研究で扱うプラズマ加工手法の適用可能性への課題は明るい方向に確認されたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の推進方策としては、完成した最大圧力10気圧に対応可能な高圧プラズマエッチング用チャンバーと高周波インピーダンス整合回路を用い、チャンバー内の雰囲気圧力とプラズマサイズの関係、あるいは電極－試料間ギャップとプラズマ点灯電力の関係などを詳細に調査していく。また、加工中に関しても、チャンバー内のインピーダンスを仮定、シミュレーションにより解析することでプラズマ点灯の詳細なメカニズムやコントロールを追っていく。
さらに、極細ワイヤ電極に関しても、材質による加工特性の違いの更なる調査や、ワイヤ径、張力など電極の詳細なパラメータを制御することで性能や加工特性がどう変わっていくのかも引き続き調査を行っていく。昨年度既にワイヤ電極を用いた実際の狭空間を持つ結晶光学素子（1 mm程度）の加工に取り組んでおり、今後は100ミクロン領域の加工にも取り組んでいく。さらに、極細ワイヤ電極以外のアプローチ法についても追及を続ける。また、昨年度データ取得をした幅1 mm程度のチャネルカット結晶のプラズマ加工の結果については、論文投稿を行う予定である。さらに、大気圧以上の高圧プラズマエッチングに関する研究はいまだ例がないため、こちらに関しても検討を進め論文執筆を行っていきたいと考えている。
また、もう一つの研究テーマであるX線自由電子レーザーのパルス幅伸長光学系の実現に向けても検討を行っていく。理化学研究所の研究者らと密に連絡を取り合いながら、集光光学系との併用が困難であるという現状の光学系の問題点への解決策を検討しつつ、取得したデータの論文発表を目指す。
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