| 研究課題/領域番号 |
20J21562
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
島村 勇徳 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | X線 / 集光ビーム / 高精度成膜 / 短い焦点距離 / 大きな開口数 / 軟X線 / 集光鏡 / X線ミラー |
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| 研究実績の概要 |
【概要】本研究は世界で最も微細なX線ビームの実現を目標とし、２つの独創的アイデアを集光鏡設計に盛り込み、その作製手法から開発している。1年目の令和2年度は、これら新アイデアのうち「集光鏡の超小型化」について実証実験を行い、成功を収めた。
【具体的内容】集光鏡を超小型化すると、有限サイズの光源を集光する倍率の向上及び形状誤差の影響の緩和といった観点で、小さいスポットに集光が可能となる。この理由に、集光鏡自体の大きさで長大化していた焦点距離を短くできることが挙げられる。本設計では、集光鏡の湾曲度を表す曲率半径を従来の数十メートルから150 mmと100倍以上急峻にする必要があり、加工・計測手法が確立していなかった。円筒基板上に反射膜を成膜して楕円筒形状の集光鏡を作製しつつ、既存集光鏡の形状計測に使用されてきた白色干渉計を計測に応用した。実証実験ではエネルギーが低い300 eVから1 keVの「軟X線」をほぼ理論的な下限値に集光し、特に1 keVで50 nm集光サイズを達成した。
【意義】本結果は超小型化がX線集光に有効であることを立証する最良の結果である。また、1 keVで達成された集光サイズ50 nmは、既存の集光鏡では軟X線で実現されなかった記録である。
【重要性】2つある。まず、今後の研究に与える影響である。集光鏡設計に不可欠な2つのアイデアは「集光鏡の超小型化」と「反射層の多層膜構造の新設計」で構成され、今回使用した成膜法は後者のアイデアでも採用する。最大3 μmの成膜量に対して達成した形状誤差3 nm（誤差0.1%）という結果を鑑みると、確立した作製プロセスを応用して高精度な多層膜が作製可能だと期待できる。次に、X線集光・顕微技術に与える影響である。X線のエネルギーに関わらず軟X線を同じ場所に集光し、試料を50 nm分解能で顕微観察できる世界初の集光素子が誕生したと言える。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
進捗を評価する点は2点ある．1点目に，1年目の令和2年度で目標とした内容の達成である．「集光鏡の超小型化」と「反射層の多層膜構造の新設計」というアイデアのうち前者の実証実験を行い，1 keVの軟X線を用いた回折限界集光（集光サイズ39 nm）を実現することを本年度は目標としていた．感染症の影響で令和2年度の集光鏡作製は実質9月に開始したものの，令和1年に行った作製実験や集光実験結果を詳細に解析して得た知見によって，集光鏡作製を迅速に進められた．1 keVの軟X線を用いて得られている集光サイズ50 nmは暫定値であり，今後の解析・評価で小さくなる可能性がある．ほとんど回折限界集光値と変わらない成果が得られたと判断し，目標が十分達成されたと考えている．
2点目に，2つ目のアイデアとして挙げている「反射層の多層膜構造の新設計」についての進捗である．今後，単層反射膜の集光鏡同様に，厚み方向に反射膜を重ねて成膜することで多層膜構造を作製する．一方，これまでとは異なり，円筒形基板を成膜ではなく研磨によって前加工することを考えている．研磨に使用するOrganic Abrasive Machining法を実現する装置は組立て済みであり，現時点で令和３年度に目標とした内容に取り掛かっている．
以上から，令和2年度で目標とした内容に加えてさらに進捗があったと評価し，「当初の計画以上に進展している」と報告する．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度で開発した超小型ミラーに新設計の多層膜構造を採用する．硬Ｘ線（波長０．０３ｎｍ）用の集光素子は軟Ｘ線より要求精度が厳しいため，超小型多層膜ミラーの作製法を十分検討して開発し，実際に作製する．
単層構造の反射面から２０層程度の多層膜構造へと拡張するために２点装置開発を行う．１つ目に，使用する成膜装置を改造し，複数成膜源を実装する．硬Ｘ線の反射率向上のためにＰｔと軽元素による多層膜を採用し，成膜の密着性向上のためにＣｒをバインダーに用いる．複数材料の成膜を１真空プロセス中で可能にし，高品質な多層膜を迅速に作製する．２つ目に，成膜量を減らすために，超小型ミラー用基板に追加工して形状を最適化する前研磨装置を開発する．本装置はＮＣ加工用に高分解能ステージを３つ備える．採用する加工法ＯＡＭは超小型ミラー基板の前加工に最適である．その他，新多層膜構造と超小型多層膜ミラー作製について論文投稿を行う．
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