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JP7704332B2 - Method for manufacturing channel-cut X-ray optical element - Google Patents
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JP7704332B2 - Method for manufacturing channel-cut X-ray optical element - Google Patents

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JP7704332B2 JP2021152349A JP2021152349A JP7704332B2 JP 7704332 B2 JP7704332 B2 JP 7704332B2 JP 2021152349 A JP2021152349 A JP 2021152349A JP 2021152349 A JP2021152349 A JP 2021152349A JP 7704332 B2 JP7704332 B2 JP 7704332B2
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Description

本発明は、チャネルカットX線光学素子及びその製造方法に係わり、更に詳しくはX線のブラッグ反射面を高品位化したチャネルカットX線光学素子及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a channel-cut X-ray optical element and a manufacturing method thereof, and more specifically to a channel-cut X-ray optical element with a high-quality X-ray Bragg reflection surface and a manufacturing method thereof.

チャネルカット結晶は、バルク単結晶材表面に形成された溝形状の向かい合う二面をブラッグ反射面として用いるもので,二面での反射により入射方向と平行な方向に単色X線ビームを取り出せるX線光学素子である(特許文献1参照)。この反射面は内向きの面であるため、高精度な研磨を行うことが困難であり、研削等の機械的加工法による溝形成時に導入された加工歪を完全に除去することが困難であるという課題があった。反射面に加工歪が存在するということは、微視的には結晶格子に欠陥が多数存在することを意味し、格子欠陥によってブラッグ反射率が理論値から大きく低下することになる。 A channel-cut crystal is an X-ray optical element that uses two opposing surfaces of a groove formed on the surface of a bulk single crystal material as Bragg reflecting surfaces, and can extract a monochromatic X-ray beam in a direction parallel to the direction of incidence by reflection on the two surfaces (see Patent Document 1). Because this reflecting surface faces inward, it is difficult to polish it with high precision, and there is an issue that it is difficult to completely remove the processing distortion introduced when forming the grooves by mechanical processing methods such as grinding. The presence of processing distortion on the reflecting surface means that microscopically there are many defects in the crystal lattice, and the lattice defects cause the Bragg reflectivity to be significantly reduced from the theoretical value.

反射面の加工歪を除去する方法として一般的なウェットエッチングにおいては、エッチング速度は結晶面方位に依存することから、エッチング面にバンチングが生じたりエッチピットが形成されたりするため、良好な表面形状を維持したまま加工歪を除去することは困難である。加工歪は表面から数μmの深さ、深くても10μm以内に存在し、これを加工変質層と称する。 In wet etching, a common method for removing processing distortion on a reflective surface, the etching speed depends on the crystal plane orientation, and bunching or etch pits are formed on the etched surface, making it difficult to remove the processing distortion while maintaining a good surface shape. Processing distortion exists several μm deep from the surface, and at most within 10 μm, and is called the processing-affected layer.

そこで、本発明者らは高圧力プラズマを用いた無歪エッチング技術であるPCVM(Plasma Chemical Vaporization Machining)を用いてチャネルカット結晶のX線反射面の加工変質層を除去することを考案した(非特許文献1,2参照)。大気圧近傍の高圧力プラズマを用いたPCVMの基本原理は、特許文献2に開示され、また電極の形態に関してもワイヤー電極、回転電極、プロセスガスを噴出するノズル電極又は幅の狭いブレード電極など各種提案されている(特許文献2~4参照)。更に、プラズマの制御のためにパルス変調した高周波電圧を印加する方法も提案されている(特許文献5参照)。 The inventors therefore devised a method of removing the altered layer on the X-ray reflecting surface of a channel-cut crystal by using PCVM (Plasma Chemical Vaporization Machining), a distortion-free etching technique that uses high-pressure plasma (see Non-Patent Documents 1 and 2). The basic principle of PCVM, which uses high-pressure plasma at near atmospheric pressure, is disclosed in Patent Document 2, and various electrode configurations have been proposed, including wire electrodes, rotating electrodes, nozzle electrodes that eject process gas, and narrow blade electrodes (see Patent Documents 2 to 4). Furthermore, a method of applying a pulse-modulated high-frequency voltage to control the plasma has also been proposed (see Patent Document 5).

しかしながら、チャネルカット結晶に用いられるFZ-Si単結晶は、高純度で比抵抗が大きいため、電極の近傍に十分な電界強度が得られず、安定にプラズマを発生させることが困難である。更に、チャネルカット結晶は、向かい合う二面を精度良く加工する必要があるが、、チャネル幅が狭く、また対となった反射面の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分(重複部)がある場合には、従来のPCVMの手法をそのまま用いることができない。 However, the FZ-Si single crystal used in channel-cut crystals is highly pure and has a high resistivity, making it difficult to obtain sufficient electric field strength near the electrodes and stably generate plasma. Furthermore, channel-cut crystals require precise machining of the two opposing surfaces, but when the channel width is narrow and there is a portion where the normal direction of one of the pair of reflecting surfaces intersects with the other (overlapped portion), conventional PCVM techniques cannot be used as is.

特開平09-049899号公報Japanese Patent Application Publication No. 09-049899 特開平01-125829号公報Japanese Patent Application Publication No. 01-125829 特開平04-246184号公報Japanese Patent Application Publication No. 04-246184 特開平09―031670号公報Japanese Patent Application Publication No. 09-031670 特開2014-177673号公報JP 2014-177673 A

T Hirano,T Osaka,Y Sano,Y Inubushi,S Matsuyama,K Tono,T Ishikawa,M Yabashi,and K Yamauchi,Review of Scientific Instruments.87(2016)063118.T Hirano, T Osaka, Y Sano, Y Inubushi, S Matsuyama, K Tono, T Ishikawa, M Yabashi, and K Yamauchi, Review of Scientific Instruments.87(2016)063118. T Hirano,Y Morioka,S Matsumura,Y Sano,T Osaka,S Matsuyama,M Yabashi,and K Yamauchi,Int.J.of Automation Technology.13(2019)246.T Hirano,Y Morioka,S Matsumura,Y Sano,T Osaka,S Matsuyama,M Yabashi,and K Yamauchi,Int.J.of Automation Technology.13(2019)246.

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、チャネルカット結晶の対向する反射面において、機械加工によって導入された加工変質層を大気圧近傍の高圧力プラズマを用いたPCVMによって除去し、表面平坦度が1μm以下、表面粗さが1nmRMS以下、X線に対するピーク反射率が理論値の90%以上である反射面を備えたチャネルカットX線光学素子及びその製造方法を提供する点にある。 In view of the above situation, the present invention aims to provide a channel-cut X-ray optical element and its manufacturing method, in which the processing-induced alteration layer on the opposing reflective surfaces of the channel-cut crystal introduced by machining is removed by PCVM using high-pressure plasma at near atmospheric pressure, and the element has reflective surfaces with a surface flatness of 1 μm or less, a surface roughness of 1 nm RMS or less, and a peak reflectivity to X-rays of 90% or more of the theoretical value.

本発明は、前述の課題解決のために、以下に構成するチャネルカットX線光学素子及びその製造方法を構成した。 To solve the above-mentioned problems, the present invention provides a channel-cut X-ray optical element and a manufacturing method thereof as described below.

(1)
不純物濃度が0.1ppm以下の単結晶からなる光学素子材料に、少なくとも特定の結晶面を向いた一対の平行な内壁面を有するチャネルが形成され、該チャネルの内壁面を、X線の回折現象を利用して反射させるブラッグ反射面としたチャネルカットX線光学素子であって、
前記ブラッグ反射面は、表面平坦度が1μm以下、表面粗さが1nmRMS以下、X線に対するピーク反射率が理論値の90%以上である、
チャネルカットX線光学素子。
(1)
A channel-cut X-ray optical element, comprising an optical element material made of a single crystal with an impurity concentration of 0.1 ppm or less, a channel having a pair of parallel inner wall surfaces facing at least a specific crystal plane, the inner wall surfaces of the channel being Bragg reflecting surfaces that reflect X-rays by utilizing the diffraction phenomenon of the X-rays,
The Bragg reflecting surface has a surface flatness of 1 μm or less, a surface roughness of 1 nm RMS or less, and a peak reflectance to X-rays of 90% or more of a theoretical value.
Channel-cut X-ray optics.

(2)
前記光学素子材料が、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム又は単結晶ダイヤモンドである、(1)記載のチャネルカットX線光学素子。
(2)
2. The channel cut X-ray optical element according to claim 1, wherein the optical element material is single crystal silicon, single crystal germanium or single crystal diamond.

(3)
相対向するブラッグ反射面の間隔が20mm以下である、(1)又は(2)記載のチャネルカットX線光学素子。
(3)
3. The channel cut X-ray optical element according to claim 1, wherein the distance between the opposing Bragg reflecting surfaces is 20 mm or less.

(4)
対となった前記ブラッグ反射面の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分があり、且つ相対向するブラッグ反射面の間隔が2mm~50μmである、(3)記載のチャネルカットX線光学素子。
(4)
The channel cut X-ray optical element according to (3), wherein the normal direction of one of the pair of Bragg reflecting surfaces intersects with the other surface at a portion, and the distance between the opposing Bragg reflecting surfaces is 2 mm to 50 μm.

(5)
不純物濃度が0.1ppm以下の単結晶からなる光学素子材料に、少なくとも特定の結晶面を向いた一対の平行な内壁面を有するチャネルが形成され、該チャネルの内壁面を、X線の回折現象を利用して反射させるブラッグ反射面としたチャネルカットX線光学素子の製造方法であって、
前記光学素子材料に前記チャネルを含む構造を形成する前工程と、
前記光学素子材料に対してエッチング性を有する反応ガスを含むプロセスガスの圧力が10kPa~1000kPaで、前記チャネルの内壁面に対向配置した電極に高周波電圧を印加して高周波プラズマを局所的に発生させ、該局所プラズマを前記内壁面に対して相対的に走査して該内壁面の加工変質層を除去し、表面平坦度が1μm以下、表面粗さが1nmRMS以下、X線に対するピーク反射率が理論値の90%以上の前記ブラッグ反射面を形成する反射面高品位化工程と、
を含む、チャネルカットX線光学素子の製造方法。
(5)
A method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element, comprising forming a channel having a pair of parallel inner wall surfaces facing at least a specific crystal plane in an optical element material made of a single crystal having an impurity concentration of 0.1 ppm or less, and making the inner wall surfaces of the channel into Bragg reflecting surfaces that reflect X-rays by utilizing the diffraction phenomenon of X-rays, comprising:
a pre-step of forming a structure including the channel in the optical element material;
a reflection surface improvement process in which a process gas containing a reactive gas having an etching property for the optical element material has a pressure of 10 kPa to 1000 kPa, a high frequency voltage is applied to an electrode disposed opposite to the inner wall surface of the channel to locally generate high frequency plasma, and the localized plasma is scanned relatively to the inner wall surface to remove a processing-affected layer of the inner wall surface, thereby forming the Bragg reflection surface having a surface flatness of 1 μm or less, a surface roughness of 1 nm RMS or less, and a peak reflectivity to X-rays of 90% or more of the theoretical value;
A method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element, comprising:

(6)
前記前工程に、少なくとも前記チャネルの内壁面を精密研磨する工程を含む、(5)記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。
(6)
The method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element according to (5), wherein the pre-processing step includes a step of precision polishing at least an inner wall surface of the channel.

(7)
前記光学素子材料が、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム又は単結晶ダイヤモンドである、(5)又は(6)記載のチャネルカットX線光学素子。
(7)
The channel cut X-ray optical element according to (5) or (6), wherein the optical element material is single crystal silicon, single crystal germanium or single crystal diamond.

(8)
前記反射面高品位化工程における前記チャネルの内壁面の除去量が10μm以上である、(5)~(7)何れか1に記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。
(8)
The method for producing a channel-cut X-ray optical element according to any one of (5) to (7), wherein the amount of removal of the inner wall surface of the channel in the reflecting surface quality improvement step is 10 μm or more.

(9)
前記電極が、支持体に導電性ワイヤーを張ったワイヤー電極、回転軸に導電性回転対称体を固定した回転電極、プロセスガスを噴出する導電性のノズル電極又はブレード電極である、(5)~(8)何れか1項に記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。
(9)
The method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element described in any one of (5) to (8), wherein the electrode is a wire electrode in which a conductive wire is stretched across a support, a rotating electrode in which a conductive rotational symmetric body is fixed to a rotating shaft, or a conductive nozzle electrode or blade electrode that ejects a process gas.

(10)
前記電極が、前記ワイヤー電極であり、該ワイヤー電極にパルス変調した高周波電圧を印加するプラズマ発生機構を用いる、(9)記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。
(10)
The method for producing a channel-cut X-ray optical element according to (9), wherein the electrode is a wire electrode, and a plasma generating mechanism is used that applies a pulse-modulated high-frequency voltage to the wire electrode.

(11)
前記電極が、前記回転電極、前記ノズル電極又は前記ブレード電極であり、前記チャネルの内壁面と反対側の裏面にアース補助電極を配置し、前記電極に高周波電圧を印加するプラズマ発生機構を用いる、(9)記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。
(11)
A method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element as described in (9), wherein the electrode is the rotating electrode, the nozzle electrode or the blade electrode, an earth auxiliary electrode is placed on the back surface opposite the inner wall surface of the channel, and a plasma generating mechanism is used that applies a high-frequency voltage to the electrode.

(12)
相対向するブラッグ反射面の間隔が20mm以下である、(9)~(11)何れか1に記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。
(12)
The method for producing a channel-cut X-ray optical element according to any one of (9) to (11), wherein the distance between the opposing Bragg reflecting surfaces is 20 mm or less.

(13)
対となった前記ブラッグ反射面の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分があり、且つ相対向するブラッグ反射面の間隔が2mm~50μmである、(10)記載のチャネルカットX線光学素子。
(13)
The channel cut X-ray optical element according to (10), wherein the normal direction of one of the pair of Bragg reflecting surfaces intersects with the other surface at a portion, and the distance between the opposing Bragg reflecting surfaces is 2 mm to 50 μm.

以上にしてなる本発明のチャネルカットX線光学素子の製造方法は、大気圧近傍の高圧力プラズマを用いたPCVMによって、機械加工で導入された反射面の加工変質層が除去され、表面平坦度が1μm以下、表面粗さが1nmRMS以下、X線に対するピーク反射率が理論値の90%以上である反射面を備えたチャネルカットX線光学素子を提供できる。 The above-described manufacturing method of the channel-cut X-ray optical element of the present invention uses PCVM using high-pressure plasma at near atmospheric pressure to remove the process-affected layer on the reflecting surface introduced by machining, and can provide a channel-cut X-ray optical element with a reflecting surface having a surface flatness of 1 μm or less, a surface roughness of 1 nm RMS or less, and a peak reflectivity to X-rays of 90% or more of the theoretical value.

また、回転電極、ノズル電極又はブレード電極であっても、チャネルの内壁面と反対側の裏面にアース補助電極を配置することにより、あるいは電界強度の高いワイヤー電極を用いることにより、高抵抗の光学素子材料でも安定にプラズマを発生させて処理することができる。特に、ワイヤー電極にパルス変調した高周波電圧を印加するプラズマ発生機構を用いれば、チャネル幅が狭い場合でも、また反射面に重複部がある場合でも、安定にプラズマを発生させて加工変質層を高効率で除去することができる。尚、ワイヤー電極においては、今後開発が期待される小型のチャネルカット結晶、特にチャネル幅が2mm~50μmの高品位のチャネルカットX線光学素子においても適用可能であること、結晶端部まで安定に処理が可能であること等,他の電極に比べて優位な点を有している。 In addition, even if a rotating electrode, nozzle electrode, or blade electrode is used, by placing an auxiliary earth electrode on the back surface opposite the inner wall surface of the channel, or by using a wire electrode with a high electric field strength, it is possible to stably generate plasma and process even high-resistance optical element materials. In particular, by using a plasma generation mechanism that applies a pulse-modulated high-frequency voltage to the wire electrode, it is possible to stably generate plasma and remove the processing-affected layer with high efficiency even when the channel width is narrow or there is an overlapping portion on the reflective surface. Furthermore, wire electrodes have advantages over other electrodes, such as their applicability to small channel-cut crystals that are expected to be developed in the future, especially high-quality channel-cut X-ray optical elements with channel widths of 2 mm to 50 μm, and their ability to stably process up to the crystal ends.

本発明のチャネルカットX線光学素子の簡略図である。1 is a simplified diagram of a channel cut X-ray optical element of the present invention. 同じく平面図である。FIG. モノクロメータとしての使用例を示す説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of use as a monochromator. ワイヤー電極を用いた加工例を示す簡略説明図である。FIG. 1 is a simplified explanatory diagram showing an example of machining using a wire electrode. ノズル電極を用いた加工例を示す簡略説明図である。1A to 1C are schematic explanatory diagrams showing a processing example using a nozzle electrode. チャネル幅が狭く且つ重複部がある場合のワイヤー電極を用いた加工例を示す簡略説明図である。FIG. 13 is a simplified explanatory diagram showing an example of processing using a wire electrode when the channel width is narrow and there is an overlapping portion. 同じく省略平面図である。FIG. パルス変調した高周波電圧の波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram of a pulse-modulated high-frequency voltage. ノズル電極を用いたPCVMによってSiの各面方位を除去加工した場合の加工速度(MMR)の結晶面依存性を示すグラフである。1 is a graph showing the crystal plane dependency of the processing rate (MMR) when removing each plane orientation of Si by PCVM using a nozzle electrode. (a)はPCVM処理前のチャネルカット結晶のX線トポグラフィ像、(b)はPCVM処理後のチャネルカット結晶のX線トポグラフィ像である。(a) is an X-ray topography image of the channel-cut crystal before PCVM treatment, and (b) is an X-ray topography image of the channel-cut crystal after PCVM treatment. PCVM処理前後のSi(220)結晶のX線反射率の入射角依存性を示すグラフである。1 is a graph showing the incidence angle dependence of X-ray reflectivity of a Si(220) crystal before and after PCVM treatment. マイクロチャネルカット結晶を模擬したPCVM加工実験の配置図である。FIG. 1 is a diagram showing the layout of a PCVM processing experiment simulating a microchannel-cut crystal. 図12により加工したSiウエハを取り外し、加工痕のプロファイルを観察する位置を示した説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram showing a position for observing a profile of processing marks after removing the Si wafer processed according to FIG. 12 . (a)はSiウエハW1のプロファイル観察ライン32でのプロファイルを示し、(b)はSiウエハW2のプロファイル観察ライン33でのプロファイルを示す。13A shows a profile of the Si wafer W1 along a profile observation line 32, and FIG. 13B shows a profile of the Si wafer W2 along a profile observation line 33. FIG. ワイヤー電極を用いたPCVMにおいて、パルス変調した高周波電圧による加工特性を調べるための実験配置である。This is an experimental setup for investigating the machining characteristics of pulse-modulated high-frequency voltage in PCVM using a wire electrode. 高周波電圧のON時間を50μsに固定し、OFF時間を200,450、950μsと変化させた場合の表面粗さ(RMS)の変化を示すグラフである。13 is a graph showing the change in surface roughness (RMS) when the ON time of the high frequency voltage is fixed at 50 μs and the OFF time is changed to 200, 450, and 950 μs. ON時間とOFF時間のデューティ比における表面粗さ(RMS)の変化を示すグラフである。1 is a graph showing changes in surface roughness (RMS) depending on the duty ratio of ON time to OFF time. (a)加工前の表面観察結果、(b)ON/OFF時間=50/200[μs]で加工後の表面観察結果、(c)はON/OFF時間=50/450[μs]で加工後の表面観察結果を示す。(a) shows the surface observation result before processing, (b) shows the surface observation result after processing with ON/OFF time = 50/200 [μs], and (c) shows the surface observation result after processing with ON/OFF time = 50/450 [μs].

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図1は、本発明のチャネルカットX線光学素子(チャネルカット結晶)の概略図、図2はその平面図、図3はその使用例を示している。 Next, the present invention will be described in more detail based on the embodiment shown in the attached drawings. Figure 1 is a schematic diagram of a channel-cut X-ray optical element (channel-cut crystal) of the present invention, Figure 2 is a plan view of the same, and Figure 3 shows an example of its use.

本発明のチャネルカットX線光学素子は、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム又は単結晶ダイヤモンドからなる光学素子材料から切り出して作製する。この光学素子材料は、不純物濃度が0.1ppm以下であり、純度が高いため高抵抗である。そのため、一般の半導体素子を製造するためのシリコンウエハよりも高抵抗であるため、電極との間でプラズマを安定に発生させることが難しい。現在、入手可能なFZ-Si単結晶は純度が99.999999999%(不純物濃度が0.001ppm)、FZ-Ge単結晶は純度が99.9999999%(不純物濃度が0.1ppm)である。 The channel cut X-ray optical element of the present invention is manufactured by cutting out an optical element material made of single crystal silicon, single crystal germanium, or single crystal diamond. This optical element material has an impurity concentration of 0.1 ppm or less, and is highly pure, so it has high resistance. Therefore, it has a higher resistance than silicon wafers used to manufacture general semiconductor elements, making it difficult to stably generate plasma between the electrodes. Currently available FZ-Si single crystals have a purity of 99.999999999% (impurity concentration of 0.001 ppm), and FZ-Ge single crystals have a purity of 99.9999999% (impurity concentration of 0.1 ppm).

本発明のチャネルカットX線光学素子1は、図1及び図2に示すように、ほぼ直方体の基台2の上面に、第1のブラッグ反射面3を備えた突出部4と第2のブラッグ反射面5を備えた突出部6を有し、その他X線の光路に干渉する部分は除去されている。両ブラッグ反射面3,5は、完全に平行であり、特定の結晶面を向いている。また、チャネルカットX線光学素子1の基台2は、使用時にはX線発生施設(放射光施設(SPring-8等)、X線自由電子レーザー(XFEL)施設(SACLA等)の適所に固定されて使用するが、該基台2の固定部からの歪がブラッグ反射面3,5に伝播しないように、両側面から互い違いにスリット7,7を入れてS字構造を構成している。 As shown in Figs. 1 and 2, the channel cut X-ray optical element 1 of the present invention has a protrusion 4 with a first Bragg reflecting surface 3 and a protrusion 6 with a second Bragg reflecting surface 5 on the upper surface of a substantially rectangular parallelepiped base 2, and other parts that interfere with the optical path of X-rays have been removed. Both Bragg reflecting surfaces 3 and 5 are completely parallel and face a specific crystal plane. In addition, the base 2 of the channel cut X-ray optical element 1 is fixed in an appropriate position in an X-ray generating facility (a synchrotron radiation facility (SPring-8, etc.), an X-ray free electron laser (XFEL) facility (SACLA, etc.) during use, and slits 7, 7 are inserted alternately on both sides to form an S-shaped structure so that distortion from the fixed part of the base 2 does not propagate to the Bragg reflecting surfaces 3 and 5.

その製造方法は、先ず光学素子材料に、少なくとも特定の結晶面を向いた一対の平行な内壁面9,9を有するチャネル8を含む構造を機械加工にて形成する前工程を経る。前記チャネル8の内壁面9,9は、X線の回折現象を利用して反射させるブラッグ反射面3,5となる。この前工程には、通常は少なくとも前記チャネルの内壁面9,9を精密研磨する工程を含む。研磨は、通常の機械的な精密研磨をすることが不可能な場合には手作業で研磨する。機械加工には、精密切削加工の他に、ダイシングやワイヤソー等、半導体加工に使用する加工技術を含む。 The manufacturing method first involves a pre-process in which an optical element material is machined to form a structure including a channel 8 having a pair of parallel inner wall surfaces 9, 9 facing at least a specific crystal plane. The inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8 become Bragg reflecting surfaces 3, 5 that reflect X-rays using the diffraction phenomenon. This pre-process usually includes a step of precision polishing at least the inner wall surfaces 9, 9 of the channel. Polishing is performed manually when normal mechanical precision polishing is not possible. In addition to precision cutting, machining includes processing techniques used in semiconductor processing, such as dicing and wire sawing.

相対向するブラッグ反射面の間隔(チャネル幅)Wは、X線のエネルギー範囲やX線のブラッグ反射時の許容される遅延時間によって決定される。チャネル幅Wは、X線のエネルギー範囲が広いほど、また許容される遅延時間が短いほど、狭く設定される。本発明の特徴が発揮されるチャネル幅Wは、製造の難易度が高いおおよそ20mm以下であるが、20mm以上であっても構わない。特に、チャネル幅Wが2mmを下回ると、製造の難易度が極端に高くなる。チャネル幅Wの下限は後述の理由により50μmくらいである。 The distance (channel width) W between the opposing Bragg reflecting surfaces is determined by the energy range of X-rays and the allowable delay time during Bragg reflection of X-rays. The wider the X-ray energy range and the shorter the allowable delay time, the narrower the channel width W is set. The channel width W at which the features of the present invention are exhibited is approximately 20 mm or less, which is difficult to manufacture, but it can be 20 mm or more. In particular, if the channel width W is less than 2 mm, the difficulty of manufacturing becomes extremely high. The lower limit of the channel width W is about 50 μm for reasons described below.

次に、前記チャネルの内壁面9,9を、PCVM技術を使って高品位化する。このPCVM法は、ハロゲン等の化学的活性度の大きな原子を高圧力雰囲気中(大気圧近傍)で空間的に局在した高周波(例えば150MHz)プラズマ内で励起し、高密度の中性ラジカルを生成することにより、被加工物と反応させ、揮発性物質(反応生成物)に変えることによって除去を行う加工法であり、加工雰囲気を高圧力とすることにより、空間分解能を高めつつ機械加工に匹敵する除去レートで高速加工を実現することができる。 Next, the inner wall surfaces 9, 9 of the channel are made high quality using PCVM technology. This PCVM method is a processing method in which highly chemically active atoms such as halogens are excited in a spatially localized high frequency (e.g. 150 MHz) plasma in a high pressure atmosphere (near atmospheric pressure) to generate high density neutral radicals that react with the workpiece and turn them into volatile substances (reaction products), thereby removing the material. By using a high pressure processing atmosphere, it is possible to achieve high speed processing with a removal rate comparable to mechanical processing while increasing spatial resolution.

具体的には、前記光学素子材料に対してエッチング性を有する反応ガスを含むプロセスガスの圧力が10kPa~1000kPaで、前記チャネル8の内壁面9,9に対向配置した電極に高周波電圧を印加して高周波プラズマを局所的に発生させ、該局所プラズマを前記内壁面9,9に対して相対的に走査して該内壁面9,9の加工変質層を除去し、表面平坦度が1μm以下、表面粗さが1nmRMS以下、X線に対するピーク反射率が理論値の90%以上の前記ブラッグ反射面3,5を形成する反射面高品位化工程を実行する。より好ましくは、X線に対するピーク反射率が理論値の95%以上である。 Specifically, a process gas containing a reactive gas having an etching property for the optical element material has a pressure of 10 kPa to 1000 kPa, and a high-frequency voltage is applied to electrodes arranged opposite the inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8 to locally generate high-frequency plasma, and the localized plasma is scanned relatively to the inner wall surfaces 9, 9 to remove the processing-affected layer of the inner wall surfaces 9, 9, thereby performing a reflection surface improvement process to form the Bragg reflection surfaces 3, 5 having a surface flatness of 1 μm or less, a surface roughness of 1 nm RMS or less, and a peak reflectivity for X-rays of 90% or more of the theoretical value. More preferably, the peak reflectivity for X-rays is 95% or more of the theoretical value.

ここで、電極として使用可能なものは、支持体に導電性ワイヤーを張ったワイヤー電極、回転軸に導電性回転対称体を固定した回転電極、プロセスガスを噴出する導電性のノズル電極又はブレード電極である。前記チャネル8の内壁面9,9に機械加工時に導入された加工変質層を除去するのに必要な加工深さは、経験上10μmあれば十分であり、5μm程度でも大部分除去可能である。また、電極と加工面(内壁面9)との間に所定のギャップが必要である。このギャップは、電極に印加する高周波電源の周波数やプロセスガスの種類と圧力にもよるが、プラズマが安定に生成可能な条件を用いる。通常、PCVMにおいて、電極と被加工面とのギャップは、10μm~数mmに設定される。 Here, the electrodes that can be used are wire electrodes with conductive wires stretched over a support, rotating electrodes with a conductive rotational symmetric body fixed to a rotating shaft, and conductive nozzle or blade electrodes that spray process gas. Empirically, a machining depth of 10 μm is sufficient to remove the machining-affected layer introduced into the inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8 during machining, and even a depth of about 5 μm can remove most of it. In addition, a certain gap is required between the electrode and the machining surface (inner wall surface 9). This gap depends on the frequency of the high-frequency power source applied to the electrode and the type and pressure of the process gas, but conditions that allow stable generation of plasma are used. Normally, in PCVM, the gap between the electrode and the surface to be machined is set to 10 μm to several mm.

プロセスガスは、前記光学素子材料に対してエッチング性を有する反応ガスとキャリアガスとして希ガスを含み、圧力は10kPa~1000kPaである。この圧力は、大気圧を中心に約1/10~10気圧の範囲に相当する。プロセスガスの圧力が高いとプラズマ発生領域が電極近傍に制限され、空間的に制御された加工が可能になる反面、プラズマの発生、維持が難しくなる。 The process gas contains a reactive gas that has etching properties for the optical element material and a rare gas as a carrier gas, and has a pressure of 10 kPa to 1000 kPa. This pressure corresponds to a range of approximately 1/10 to 10 atmospheres around atmospheric pressure. If the process gas pressure is high, the plasma generation area is limited to the vicinity of the electrode, making it possible to perform spatially controlled processing, but it becomes difficult to generate and maintain the plasma.

PCVMにおける反応ガスとしては、ハロゲン系ガスや酸素ガス、オゾンガス等が用いられる。ハロゲン系ガスとしては、フッ素系ガスと塩素系ガスがある。フッ素系ガスとしては、F、CF、C、C、C、SF等が挙げられる。また、塩素系ガスとしては、Cl、BCl、CCl等が挙げられる。また、フッ素と塩素を共に含むCClFもある。反応ガスは、加工対象物の材質に応じて適宜に選定され、例えば、加工対象物がシリコンやゲルマニウムであればSFを選定し、ダイヤモンドであればSF又はOを選定する。 Reactive gases used in PCVM include halogen-based gases, oxygen gases, ozone gases, etc. Halogen-based gases include fluorine-based gases and chlorine-based gases. Fluorine-based gases include F2 , CF4 , C2F6 , C3F6 , C4F8 , SF6 , etc. Chlorine- based gases include Cl2 , BCl3 , CCl4 , etc. CClF3 contains both fluorine and chlorine. The reactive gas is appropriately selected according to the material of the workpiece. For example, if the workpiece is silicon or germanium, SF6 is selected, and if the workpiece is diamond, SF6 or O2 is selected.

キャリアガスとしては、希ガスで代表される不活性ガスが用いられ、希ガスとしては、He、Ne、Ar、Xe等が挙げられる。 As the carrier gas, an inert gas, such as a rare gas, is used. Examples of rare gases include He, Ne, Ar, and Xe.

その他にプラズマの発生、安定化に寄与するガスを添加する場合もある。 In addition, gases that contribute to plasma generation and stabilization may also be added.

前記電極材料は、反応ガスに応じて耐食性に優れたステンレス、ニッケル、アルミニウム等の耐食性の高い材料で作製する。また、反応ガスに対して耐食性に優れた材料を電極にコーティングすることも好ましい。例えば、表面にAlやMgF、Y(イットリア)等の耐食性を有する材料をコーティング及びディップすることによって腐食の問題は解決できる。 The electrode material is made of a material having high corrosion resistance such as stainless steel, nickel, aluminum, etc., which has excellent corrosion resistance according to the reaction gas. It is also preferable to coat the electrode with a material having excellent corrosion resistance against the reaction gas. For example, the corrosion problem can be solved by coating or dipping the surface with a material having corrosion resistance such as Al2O3 , MgF2 , Y2O3 (yttria), etc.

前記ブラッグ反射面3,5が、チャネルの溝方向Pにおいて離れた位置にあり、対となった前記ブラッグ反射面3,5の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分(重複部)がない場合には、予め必要のない前記チャネル8の内壁面9,9の部分を前加工時に除去しておけば、加工対象の一方の内壁面9の後方に突出部4又は突出部6が存在しないので、電極の大きさに対する制限が緩和され、各種の電極を用いることが可能である。しかし、チャネル幅Wが狭く、また前記ブラッグ反射面3,5の重複部がある場合には、電極の大きさがチャネル幅Wよりも十分に小さくなければならない。加工対象の内壁面9に対して直交する電極の寸法は、チャネル幅Wのおおよそ半分以下でなければならない。チャネル幅Wが5mm程度になると、回転電極、ノズル電極は使用が困難である。更に、チャネル幅Wが2mm以下になるとブレード電極も使用が難しくなる。チャネル幅Wが2mm以下になると、専らワイヤー電極を用いる。ワイヤー電極を用いる場合でも、ワイヤーの直径、ギャップ及び加工変質層の除去量を考慮すれば、チャネル幅Wの下限はおおよそ50μmになり、この程度までは前工程でダイシングブレードによって溝形成が可能である。 If the Bragg reflecting surfaces 3, 5 are located at positions apart in the groove direction P of the channel and there is no portion (overlap) where the normal direction of one of the paired Bragg reflecting surfaces 3, 5 intersects with the other surface, if unnecessary portions of the inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8 are removed in advance during pre-processing, there will be no protrusions 4 or 6 behind one of the inner wall surfaces 9 of the processing target, and restrictions on the size of the electrode will be relaxed, making it possible to use various electrodes. However, if the channel width W is narrow and there is an overlapping portion of the Bragg reflecting surfaces 3, 5, the size of the electrode must be sufficiently smaller than the channel width W. The dimension of the electrode perpendicular to the inner wall surface 9 of the processing target must be approximately half or less of the channel width W. When the channel width W is about 5 mm, it is difficult to use a rotating electrode or a nozzle electrode. Furthermore, when the channel width W is 2 mm or less, it is difficult to use a blade electrode. When the channel width W is 2 mm or less, a wire electrode is exclusively used. Even when using wire electrodes, the lower limit of the channel width W is approximately 50 μm, taking into account the wire diameter, gap, and amount of removed layer that has been damaged by processing, and up to this size, grooves can be formed using a dicing blade in the pre-processing step.

本発明のチャネルカットX線光学素子の使用例として、図3に示したものは、線対称形の二つの素子1A,1BをX線ビームBに対してブラッグ反射角に設定して配置したモノクロメータである。入射X線は、第1のチャネルカットX線光学素子1Aの第1のブラッグ反射面3で反射した後、第2のブラッグ反射面5で反射し、更に第2のチャネルカットX線光学素子1Bの第2のブラッグ反射面5で反射した後、第1のブラッグ反射面3で反射し、4回の反射で入射X線の延長線上に出射X線が戻るようになっている。このモノクロメータによって、入射X線の波長(エネルギー)に広がりがあっても、4回の反射の後の出射X線の波長(エネルギー)は、理想的なブラッグ反射角に適合するように単色化される。図3中、実線はチャネル幅Wが広いチャネルカットX線光学素子を用いた場合、想像線はチャネル幅Wが狭いチャネルカットX線光学素子を用いた場合である。X線の遅延時間は、この光路長の増加に起因するので、チャネル幅Wが狭いチャネルカットX線光学素子を用いれば、遅延時間も短くなる。 As an example of the use of the channel cut X-ray optical element of the present invention, FIG. 3 shows a monochromator in which two linearly symmetrical elements 1A and 1B are arranged at a Bragg reflection angle with respect to the X-ray beam B. The incident X-ray is reflected by the first Bragg reflection surface 3 of the first channel cut X-ray optical element 1A, then reflected by the second Bragg reflection surface 5, and then reflected by the second Bragg reflection surface 5 of the second channel cut X-ray optical element 1B, and then reflected by the first Bragg reflection surface 3, so that the outgoing X-ray returns on the extension line of the incident X-ray after four reflections. With this monochromator, even if the wavelength (energy) of the incident X-ray spreads, the wavelength (energy) of the outgoing X-ray after four reflections is monochromatized to match the ideal Bragg reflection angle. In FIG. 3, the solid line shows the case where a channel cut X-ray optical element with a wide channel width W is used, and the imaginary line shows the case where a channel cut X-ray optical element with a narrow channel width W is used. The delay time of X-rays is caused by this increase in optical path length, so if a channel-cut X-ray optical element with a narrow channel width W is used, the delay time will also be shortened.

図4は、前記チャネル8の内壁面9,9を、ワイヤー電極10を用いて加工する場合、図5は、ノズル電極20を用いて加工する場合を示している。図4に示すように、ワイヤー電極10は、アーム状の支持体11の先端間に所定の張力をかけて導電性のワイヤー12を張った構造である。そして、前加工後の光学素子材料をチャンバー13の内部に配置した移動ステージ14に保持し、前記ワイヤー電極10のワイヤー12を一方の内壁面9に所定のギャップを設けて平行に配置し、ワイヤー12をブラッグ反射面3又はブラッグ反射面5の幅方向に走査する。また、前記チャンバー13には、プロセスガス供給系15と排気系16が接続され、排気系16でチャンバー13の内部を真空に引いた後、プロセスガス供給系15から所定の圧力のプロセスガスを充填する。そして、前記ワイヤー電極10には、高周波電源17から高周波電圧が印加され、前記ワイヤー12の周囲に高周波プラズマを発生させて加工する。 Figure 4 shows the case where the inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8 are processed using a wire electrode 10, and Figure 5 shows the case where the inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8 are processed using a nozzle electrode 20. As shown in Figure 4, the wire electrode 10 has a structure in which a conductive wire 12 is stretched with a predetermined tension between the tips of an arm-shaped support 11. Then, the optical element material after pre-processing is held on a moving stage 14 arranged inside a chamber 13, and the wire 12 of the wire electrode 10 is arranged parallel to one of the inner wall surfaces 9 with a predetermined gap, and the wire 12 is scanned in the width direction of the Bragg reflecting surface 3 or the Bragg reflecting surface 5. In addition, a process gas supply system 15 and an exhaust system 16 are connected to the chamber 13, and after the inside of the chamber 13 is evacuated by the exhaust system 16, a process gas of a predetermined pressure is filled from the process gas supply system 15. Then, a high-frequency voltage is applied to the wire electrode 10 from a high-frequency power source 17, and high-frequency plasma is generated around the wire 12 for processing.

図5に示すように、ノズル電極20を一方の内壁面9に対して所定のギャップを設けて配置し、該ノズル電極20からプロセスガスを噴き出しながら、該ノズル電極20に高周波電圧を印加して、ギャップでプラズマを発生させる。この場合、前記内壁面9の反対側の裏面に対応する突出部6の側面には、アース補助電極21を配置して接地し、光学素子材料が高抵抗であってもギャップで安定にプラズマが発生するようにしている。尚、ノズル電極20による加工の場合でも、図4に示したように、チャンバー13,移動ステージ14,プロセスガス供給系15,排気系16、高周波電源17を備えている。また、前記ノズル電極20の代わりに、回転電極やブレード電極を用いる場合も同様である。 As shown in FIG. 5, the nozzle electrode 20 is placed with a predetermined gap from one of the inner wall surfaces 9, and while the process gas is being ejected from the nozzle electrode 20, a high-frequency voltage is applied to the nozzle electrode 20 to generate plasma in the gap. In this case, an earth auxiliary electrode 21 is placed and grounded on the side of the protrusion 6 corresponding to the back surface on the opposite side of the inner wall surface 9, so that plasma is generated stably in the gap even if the optical element material has high resistance. Even in the case of processing using the nozzle electrode 20, as shown in FIG. 4, the chamber 13, the moving stage 14, the process gas supply system 15, the exhaust system 16, and the high-frequency power supply 17 are provided. The same applies when a rotating electrode or a blade electrode is used instead of the nozzle electrode 20.

図6~図8は、チャネル幅Wが2mmよりも狭く、しかも対となった前記ブラッグ反射面3,5の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分(重複部)がある場合におけるワイヤー電極10を用いた加工例を示している。この場合、前記チャネル8の両内壁面9,9から等距離にワイヤー12を配置し、両内壁面9,9を同時に加工するようにしている。ここで、前記ワイヤー電極10に連続して高周波電圧を印加していると、やがて両内壁面9,9の重複部でプラズマ維持ができなくなる。これは、プラズマ発生後にプラズマ維持が困難な重複部から比較的容易な非重複部のみへとプラズマ発生領域が変化したためと考えられる。この問題は、図8に示すように高周波電圧をパルス変調し、プラズマ発生領域が変化する前にプ ラズマを消灯して再び点灯させることを繰り返すことで解決できることを見出した。 Figures 6 to 8 show an example of processing using a wire electrode 10 in a case where the channel width W is narrower than 2 mm and there is a portion (overlapped portion) where the normal direction of one of the paired Bragg reflecting surfaces 3, 5 intersects with the other surface. In this case, a wire 12 is placed at an equal distance from both inner wall surfaces 9, 9 of the channel 8, and both inner wall surfaces 9, 9 are processed simultaneously. Here, if a high-frequency voltage is continuously applied to the wire electrode 10, plasma cannot be maintained at the overlapping portion of both inner wall surfaces 9, 9 in due course. This is thought to be because the plasma generation area changes from the overlapping portion, where it is difficult to maintain plasma, to only the non-overlapping portion, where it is relatively easy, after plasma generation. It has been found that this problem can be solved by pulse-modulating the high-frequency voltage as shown in Figure 8, and repeatedly turning off and on the plasma before the plasma generation area changes.

チャネル幅がsub-mmの極狭チャネルカット結晶(μCC)は、XFEL光源の高度化のためのキーデバイスとなる。高エネルギー分解能を必要とするX線分光実験等ではバンド幅が狭いプローブX線が不可欠であるが、バンド幅を制限するほど光強度が激減(典型的に2-3桁)するというジレンマを抱えていた。従来のセフルシード技術には、ダイヤモンド結晶からの前方ブラッグ回折による透過型モノクロメータを利用しているが、単色光生成効率が低く、かつ透過光と同軸上に強い透過光が存在するので、S/N比が悪く、XFEL強度が想定よりも小さいという問題があった。極狭チャネルカット結晶を用いるセフルシード技術はこのジレンマを解消する有用な手法であり、発振するXFEL自身の単色性を向上させることで、強度損失を招く透過型モノクロメータを利用することなく高強度単色XFELを生成可能である。しかしながら、このような極狭チャネルカット結晶におけるブラッグ反射面3,5の加工変質層除去は従来技術では極めて困難である。 Ultra-narrow channel cut crystals (μCCs) with a channel width of sub-mm are key devices for the sophistication of XFEL light sources. In X-ray spectroscopy experiments that require high energy resolution, narrow-bandwidth probe X-rays are essential, but the more the bandwidth is limited, the more drastic the reduction in light intensity (typically by 2-3 orders of magnitude) is. Conventional CEFC technology uses a transmission monochromator based on forward Bragg diffraction from diamond crystals, but this technology has problems such as low monochromatic light generation efficiency and the presence of strong transmitted light on the same axis as the transmitted light, resulting in a poor S/N ratio and lower XFEL intensity than expected. CEFC technology using ultra-narrow channel cut crystals is a useful method for solving this dilemma, and by improving the monochromaticity of the oscillating XFEL itself, it is possible to generate high-intensity monochromatic XFEL without using a transmission monochromator that causes intensity loss. However, it is extremely difficult to remove the processing-induced layers on the Bragg reflection surfaces 3 and 5 of such ultra-narrow channel cut crystals using conventional technology.

図9に、ノズル電極を用いたPCVMによってSiの各面方位を除去加工した場合の加工速度(MMR)の結晶面依存性を示す。試料として、FZ-Si(100),(110),(111),(422),(511)ウエハを用意した。大気圧He環境下において電極先端部とウエハ間にプラズマを生成し、プロセスガスは電極内部の流路を通してプラズマ領域に直接供給した。各ウエハに対して1軸走査加工を6回行い,それぞれの断面プロファイルの面積からMRRを導出した。加工条件は、圧力100kPa、プロセスガス(He:SF=99.5:0.5)、流量100sccm、走査速度10mm/min、ギャップ0.3mm、電力150MHz、17Wである。 Figure 9 shows the crystal plane dependence of the machining rate (MMR) when removing each surface orientation of Si by PCVM using a nozzle electrode. FZ-Si (100), (110), (111), (422), and (511) wafers were prepared as samples. Plasma was generated between the tip of the electrode and the wafer under atmospheric pressure He environment, and the process gas was directly supplied to the plasma region through a flow path inside the electrode. One-axis scanning was performed six times for each wafer, and the MRR was derived from the area of each cross-sectional profile. The processing conditions were pressure 100 kPa, process gas (He:SF 6 = 99.5:0.5), flow rate 100 sccm, scanning speed 10 mm/min, gap 0.3 mm, power 150 MHz, 17 W.

X線結晶光学素子は要求に応じて多様な面方位に設定することが求められるが、Si結晶は結晶面ごとに原子密度が大きく異なる異方性材料であり、結晶面に依存する特性を示す加工手法が多い。結晶面依存性が強い場合、結晶面毎に条件最適化が必要となる上に、エッチピットが生じて平坦且つ平滑な表面を得ることが困難になる。図9に示すように、MMRの比は(100):(110):(111):(422):(511)=1.03:1.04:1.00:1.01:0.95であり、各結晶面の加工量の差は誤差程度であると言える。Fラジカルを用いたプラズマプロセスでは、任意の結晶面に対して依存性なく同等の加工特性が得られ、エッチピットなく平坦且つ平滑な表面が得られることが示された。 X-ray crystal optical elements are required to be set to various plane orientations according to requirements, but Si crystals are an anisotropic material with atomic densities that vary greatly for each crystal plane, and many processing techniques exhibit characteristics that depend on the crystal plane. If the crystal plane dependence is strong, conditions must be optimized for each crystal plane, and etch pits occur, making it difficult to obtain a flat and smooth surface. As shown in Figure 9, the MMR ratio is (100):(110):(111):(422):(511) = 1.03:1.04:1.00:1.01:0.95, and the difference in the amount of processing for each crystal plane can be said to be within the margin of error. It has been shown that the plasma process using F radicals can obtain the same processing characteristics regardless of the crystal plane, and can obtain a flat and smooth surface without etch pits.

図5のようにチャネル8の内壁面9にアクセス可能な小型のプラズマ発生用電極(ノズル電極20)により、Si製チャネルカット結晶の反射面の加工歪をPCVMによって除去した際の、X線ビームの二回反射像の代表的な例を図10(a)、(b)に示す。PCVM加工前に無数に存在したスクラッチ状の暗線はPCVM加工によって消滅しており、PCVMによってチャネルカット結晶の反射面に存在する加工変質層が除去可能であることが示された。また、チャネルカット結晶の前後に配置した強度モニターの値から反射率を測定した結果、当初の71.5%からPCVM加工により84.1%にまで向上することが確認されており(理論値は84.4%)、その効果が確認された。 Figures 10(a) and (b) show typical examples of double-reflection images of X-ray beams when processing distortions on the reflective surface of a Si channel-cut crystal are removed by PCVM using a small plasma generation electrode (nozzle electrode 20) that can access the inner wall surface 9 of the channel 8 as shown in Figure 5. The numerous scratch-like dark lines that existed before PCVM processing have disappeared by PCVM processing, demonstrating that PCVM can remove the processing-affected layer on the reflective surface of the channel-cut crystal. In addition, the reflectance was measured from the values of intensity monitors placed before and after the channel-cut crystal, and it was confirmed that the reflectance increased from the initial 71.5% to 84.1% by PCVM processing (theoretical value is 84.4%), confirming its effectiveness.

相対向するブラッグ反射面3,5の間隔(チャネル幅)が100μmで、対となった前記ブラッグ反射面3,5の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分(重複部)を有するチャネルカットX線光学素子(マイクロチャネルカット結晶(μCC))を製造する。 A channel-cut X-ray optical element (microchannel-cut crystal (μCC)) is manufactured in which the distance (channel width) between the opposing Bragg reflecting surfaces 3, 5 is 100 μm, and the normal direction of one of the pair of Bragg reflecting surfaces 3, 5 intersects with the other surface (overlap).

PCVMの前加工として,FZ-Si結晶ブロックより切り出され,ダイシングブレードによって幅60~70μm、深さ0.6mmのチャネルを形成した後、溶液エッチングを経て、手磨き研磨により表面仕上げを行った。チャネルの内壁面はSi(220)に設定した。チャネル幅を100μmに抑えるため,前加工でのチャネル幅を80μmとし、直径50μmのワイヤー電極を用いたPCVMでそれぞれの内壁面9,9を10μmずつ除去した。 As pre-processing for PCVM, the FZ-Si crystal block was cut and a channel with a width of 60 to 70 μm and a depth of 0.6 mm was formed using a dicing blade, after which the surface was finished by solution etching and hand polishing. The inner wall surface of the channel was set to Si(220). To keep the channel width to 100 μm, the channel width in pre-processing was set to 80 μm, and 10 μm of each inner wall surface 9, 9 was removed using PCVM with a wire electrode with a diameter of 50 μm.

作製されたマイクロチャネルカット結晶を、放射光X線を用いて評価した。2結晶分光器から供給される10keVの単色光をスリットで結晶の開口よりも小さい50×500μmに切り出し,マイクロチャネルカット結晶に照射した。透過光はビームストップを用いて遮断した。以上のように実利用条件に近い形で反射プロファイル及び反射率を取得し、PCVMの有効性を調査した。図11に、PCVM処理前後のSi(220)結晶の反射率の入射角依存性を示す。図示しない反射プロファイルからは、PCVM処理後においてもプロファイル中に強度変調が観察されるものの、PCVM処理によって開口で切り出したエッジ部の明瞭化、そして反射強度の増加が認められた。また、処理後結晶の反射率特性はピーク値が計算値に対して僅かに小さいものの、処理前と比較して明らかに改善しており、ほぼ理論値に近い回折特性が得られた。具体的には、反射率はPCVM処理前の32%から、処理後には38%(理論値40%)に改善された。この値は、X線に対するピーク反射率が理論値の95%に相当する。 The prepared microchannel-cut crystal was evaluated using synchrotron radiation X-rays. Monochromatic light of 10 keV supplied from a two-crystal spectrometer was cut into a 50 x 500 μm area smaller than the aperture of the crystal with a slit, and irradiated onto the microchannel-cut crystal. The transmitted light was blocked using a beam stop. As described above, the reflection profile and reflectance were obtained under conditions close to the actual usage conditions, and the effectiveness of PCVM was investigated. Figure 11 shows the incidence angle dependence of the reflectance of a Si (220) crystal before and after PCVM treatment. Although intensity modulation was observed in the profile even after PCVM treatment from the reflection profile not shown, the PCVM treatment clarified the edge cut out by the aperture and increased the reflection intensity. In addition, although the peak value of the reflectance characteristic of the crystal after treatment was slightly smaller than the calculated value, it was clearly improved compared to before treatment, and diffraction characteristics close to the theoretical value were obtained. Specifically, the reflectance improved from 32% before PCVM treatment to 38% after treatment (theoretical value 40%). This value corresponds to a peak reflectivity for X-rays of 95% of the theoretical value.

尚、ブラッグ反射面3,5に重複部があり、且つチャネル幅がsub-mmのチャネルカットX線光学素子(マイクロチャネルカット結晶)の場合、PCVMによる加工後の反射面を直接観察することは難しい。そこで、図12に示すように、2枚のSiウエハW1,W2を間隔100μm、重複部2mmの配置で支持台30に固定し、直径50μmのワイヤー12を備えたワイヤー電極10を静止状態で加工を行った。加工条件は、圧力100kPa、プロセスガス(He:SF=99:1)、ワイヤー直径50μm、ギャップ30-40μm、電力150MHz、ON時間2μs、OFF時間40μsである。 In the case of a channel-cut X-ray optical element (microchannel-cut crystal) in which the Bragg reflection surfaces 3 and 5 have an overlap and the channel width is sub-mm, it is difficult to directly observe the reflection surface after processing by PCVM. Therefore, as shown in Fig. 12, two Si wafers W1 and W2 were fixed to a support table 30 with a gap of 100 μm and an overlap of 2 mm, and processing was performed in a stationary state with a wire electrode 10 equipped with a wire 12 having a diameter of 50 μm. The processing conditions were a pressure of 100 kPa, process gas (He:SF 6 = 99:1), wire diameter of 50 μm, gap of 30-40 μm, power of 150 MHz, ON time of 2 μs, and OFF time of 40 μs.

図13に示すように、PCVM処理後に支持台30からSiウエハW1,W2を取り外して、加工面を観察した。図13において、SiウエハW1は加工面側から、SiウエハW2は裏面側(加工面と反対側)から見た、加工痕31、プロファイル観察ライン32,33の位置を示している。また、プロファイル観察ライン32,33は重複領域34のほぼ同じ位置である。 As shown in Figure 13, after PCVM processing, the Si wafers W1 and W2 were removed from the support table 30 and the processed surfaces were observed. Figure 13 shows the positions of the processing marks 31 and the profile observation lines 32 and 33 when the Si wafer W1 is viewed from the processed surface side and the Si wafer W2 is viewed from the back side (opposite the processed surface). The profile observation lines 32 and 33 are also at approximately the same position in the overlap region 34.

図14(a)にSiウエハW1のプロファイル観察ライン32でのプロファイル、図14(b)にSiウエハW2のプロファイル観察ライン33でのプロファイルをそれぞれ示している。この結果、sub-mmのチャネル幅であっても、ワイヤー電極を用いれば反射面の重複部でも同時加工することが可能であることが確認できた。尚、両プロファイルに若干の違いがあるのは、両SiウエハW1,W2間の中央からワイヤー電極が若干ずれているためであると推測され、またプロファイルの中央部において除去量が少なくなっているのは、ギャップにおいてプロセスガスの供給が滞っているためであると推測される。しかし、実際の反射面の加工には、ワイヤー電極を反射面の幅方向に走査して加工量が平均化されるので問題はない。 Figure 14(a) shows the profile at profile observation line 32 of Si wafer W1, and Figure 14(b) shows the profile at profile observation line 33 of Si wafer W2. As a result, it was confirmed that even with a channel width of sub-mm, it is possible to simultaneously process the overlapping portion of the reflective surface by using a wire electrode. The slight difference between the two profiles is presumed to be due to the wire electrode being slightly offset from the center between the two Si wafers W1 and W2, and the amount of removal is small in the center of the profile is presumed to be due to a stagnation in the supply of process gas in the gap. However, in actual processing of the reflective surface, the amount of processing is averaged by scanning the wire electrode in the width direction of the reflective surface, so there is no problem.

最後に、ワイヤー電極10を用いたPCVMにおいて、パルス変調した高周波電圧による加工特性を調べた。図15に実験配置を示す。移動ステージ14に固定した支持台40の上面にSiウエハからなる試料41を固定し、該試料41の表面に対して平行にワイヤー電極10のワイヤー12を配置した。加工条件は、圧力100kPa、プロセスガス(He:SF=99。5:0.5)、ワイヤー直径50μm、ギャップ100μm、電力150MHz、ON時間25-50μs、OFF時間200-950μsである。 Finally, the processing characteristics of a pulse-modulated high-frequency voltage were investigated in a PCVM using a wire electrode 10. The experimental arrangement is shown in Fig. 15. A sample 41 made of a Si wafer was fixed on the upper surface of a support table 40 fixed to a moving stage 14, and the wire 12 of the wire electrode 10 was placed parallel to the surface of the sample 41. The processing conditions were a pressure of 100 kPa, process gas (He: SF6 = 99.5:0.5), wire diameter of 50 µm, gap of 100 µm, power of 150 MHz, ON time of 25-50 µs, and OFF time of 200-950 µs.

ON/OFF時間=50/450μsでの静止加工痕における試料中央部での加工深さは2.67μm、試料両端部での加工深さはそれぞれ2.77μm、3.01μmであった。この結果、ワイヤー電極を用いれば、反射面の端部においても中央部と同等の加工量が得られることが分かった。 When the ON/OFF time was 50/450 μs, the machining depth at the center of the sample in the static machining marks was 2.67 μm, and the machining depths at both ends of the sample were 2.77 μm and 3.01 μm, respectively. As a result, it was found that by using a wire electrode, the same amount of machining can be obtained at the ends of the reflective surface as at the center.

次に、高周波電圧のON時間を50μsに固定し、OFF時間を200,450、950μsと変化させた場合の表面粗さ(RMS)の変化を図16に示す。図17は、図16の結果をデューティ比に対する表面粗さ示した。この結果、OFF時間が200μs(デューティ比20%)であれば、表面粗さが悪化するが、反応生成物が表面に再付着することが原因であると推測される。そして、OFF時間を450μs(デューティ比10%)、950μs(デューティ比5%)と長くすると、言い換えればデューティ比を小さくすると、PCVMによる表面粗さの劣化は防げることが分かった。尚、図18(a)は、試料のPCVM加工前の表面観察結果、(b)はOFF時間が200μsでの加工後の表面観察結果、(c)はOFF時間が450μsでの加工後の表面観察結果をそれぞれ示している。 Next, FIG. 16 shows the change in surface roughness (RMS) when the ON time of the high frequency voltage is fixed at 50 μs and the OFF time is changed to 200, 450, and 950 μs. FIG. 17 shows the surface roughness versus duty ratio for the results of FIG. 16. As a result, if the OFF time is 200 μs (duty ratio 20%), the surface roughness worsens, but it is presumed that this is due to the reaction products re-adhering to the surface. It was also found that the deterioration of surface roughness due to PCVM can be prevented by lengthening the OFF time to 450 μs (duty ratio 10%) or 950 μs (duty ratio 5%), in other words, by reducing the duty ratio. Note that FIG. 18(a) shows the surface observation result of the sample before PCVM processing, (b) shows the surface observation result after processing with an OFF time of 200 μs, and (c) shows the surface observation result after processing with an OFF time of 450 μs.

1,1A,1B チャネルカットX線光学素子(チャネルカット結晶)
2 基台
3 第1のブラッグ反射面
4 突出部
5 第2のブラッグ反射面
6 突出部
7 スリット
8 チャネル
9 内壁面
10 ワイヤー電極
11 支持体
12 ワイヤー
13 チャンバー
14 移動ステージ
15 プロセスガス供給系
16 排気系
17 高周波電源
20 ノズル電極
21 アース補助電極
30 支持台
31 加工痕
32 プロファイル観察ライン
33 プロファイル観察ライン
34 重複領域
40 支持台
41 試料
B X線ビーム
P 溝方向
W チャネル幅
W1 第1のSiウエハ
W2 第2のSiウエハ
1, 1A, 1B Channel-cut X-ray optical element (channel-cut crystal)
2 Base 3 First Bragg reflecting surface 4 Protrusion 5 Second Bragg reflecting surface 6 Protrusion 7 Slit 8 Channel 9 Inner wall surface 10 Wire electrode 11 Support 12 Wire 13 Chamber 14 Moving stage 15 Process gas supply system 16 Exhaust system 17 High frequency power supply 20 Nozzle electrode 21 Earth auxiliary electrode 30 Support table 31 Processing mark 32 Profile observation line 33 Profile observation line 34 Overlap region 40 Support table 41 Sample B X-ray beam P Groove direction W Channel width W1 First Si wafer W2 Second Si wafer

Claims (5)

不純物濃度が0.1ppm以下の単結晶からなる光学素子材料に、少なくとも特定の結晶面を向いた一対の平行な内壁面を有するチャネルが形成され、該チャネルの内壁面を、X線の回折現象を利用して反射させるブラッグ反射面としたチャネルカットX線光学素子の製造方法であって、
前記チャネルカットX線光学素子が、対となった前記ブラッグ反射面の一方の面の法線方向が他方の面と交差する部分があり、且つ相対向するブラッグ反射面の間隔が50μm以上20mm以下であり、
前記光学素子材料に前記チャネルを含む構造を形成する前工程と、
前記光学素子材料に対してエッチング性を有する反応ガスを含むプロセスガスの圧力が10kPa~1000kPaで、前記チャネルの内壁面に対向配置したワイヤー電極にパルス変調した高周波電圧を印加して高周波プラズマを局所的に発生させ、該局所プラズマを前記内壁面に対して相対的に走査して該内壁面の加工変質層を除去し、表面平坦度が1μm以下、表面粗さが1nmRMS以下、X線に対するピーク反射率が理論値の90%以上の前記ブラッグ反射面を形成する反射面高品位化工程と、
を含む、チャネルカットX線光学素子の製造方法。
A method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element, comprising forming a channel having a pair of parallel inner wall surfaces facing at least a specific crystal plane in an optical element material made of a single crystal having an impurity concentration of 0.1 ppm or less, and making the inner wall surfaces of the channel into Bragg reflecting surfaces that reflect X-rays by utilizing the diffraction phenomenon of X-rays, comprising:
the channel-cut X-ray optical element has a portion where a normal direction of one of the pair of Bragg reflecting surfaces intersects with a direction of the other of the pair of Bragg reflecting surfaces, and the distance between the opposing Bragg reflecting surfaces is 50 μm or more and 20 mm or less;
a pre-step of forming a structure including the channel in the optical element material;
a reflection surface improvement process in which a process gas containing a reactive gas having an etching property for the optical element material has a pressure of 10 kPa to 1000 kPa, a pulse-modulated high-frequency voltage is applied to a wire electrode arranged opposite to the inner wall surface of the channel to locally generate high-frequency plasma, and the localized plasma is scanned relatively to the inner wall surface to remove a processing-affected layer of the inner wall surface, thereby forming the Bragg reflection surface having a surface flatness of 1 μm or less, a surface roughness of 1 nm RMS or less, and a peak reflectivity to X-rays of 90% or more of the theoretical value;
A method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element, comprising:
前記前工程に、少なくとも前記チャネルの内壁面を精密研磨する工程を含む、請求項記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。 The method for manufacturing a channel-cut X-ray optical element according to claim 1 , wherein the pre-processing step includes a step of precision polishing at least an inner wall surface of the channel. 前記光学素子材料が、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム又は単結晶ダイヤモンドである、請求項1又は2記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法 3. The method for producing a channel-cut X-ray optical element according to claim 1 , wherein the optical element material is single crystal silicon, single crystal germanium or single crystal diamond. 前記反射面高品位化工程における前記チャネルの内壁面の除去量が10μm以上である、請求項1~3何れか1項に記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法。 4. The method for producing a channel-cut X-ray optical element according to claim 1 , wherein the amount of removal of the inner wall surface of the channel in the reflecting surface quality improvement step is 10 μm or more. 対向するブラッグ反射面の間隔が2mm~50μmである、請求項記載のチャネルカットX線光学素子の製造方法2. The method for producing a channel-cut X-ray optical element according to claim 1 , wherein the distance between the opposing Bragg reflecting surfaces is 2 mm to 50 μm.
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