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放射光第巻第号

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トピックス

コヒーレント照射での X 線全反射ミラー
石川哲也1,2，矢橋牧名2，玉作賢治1，スボロフ アレクセイ2，山内和人3，
山村和也4，三村秀和3，斉藤 彰3，森 勇藏3,4
1理化学研究所播磨研究所
，2高輝度光科学研究センター放射光研究所，
3大阪大学大学院工学研究科精密科学専攻，4大阪大学大学院工学研究科超精密科学研究センター

X-Ray Total Re‰ection Mirrors for Coherent Illumination
Tetsuya ISHIKAWA1,2, Makina YABASHI2, Kenji TAMASAKU1, Alexei SOUVOROV2, Kazuto YAMAUCHI3,
Kazuya YAMAMURA4, Hidekazu MIMURA3, Akira SAITO3 and Yuzo MORI3,4
1Harima Institute, RIKEN /SPring-8, 2JASRI/SPring-8,
3Department of Precision Science and Technology, Graduate School of Engineering, Osaka University,
4Research Center for Ultra-Precision Science and Technology, Graduate School of Enginnering, Osaka University
Abstract
X-ray mirrors for coherent illumination demand much higher surface quality than is achievable with the conventional
polishing techniques. Plasma chemical vaporization machining (CVM) and elastic emission machining (EEM) have been
applied for x-ray mirror manufacturing. Figure error of a ‰at silicon single crystal mirrors made with CVM＋EEM
process was reduced to 2.0 nm peak-to-valley and 0.2 nm RMS. The machining process was also applied to make ellipticalmirrors. One-dimensional focusing with a single elliptical mirror showed diŠraction-limited properties with the focal
width of 200 nm. Two-dimensional focusing with Kirkpatric-Baez conˆguration gave a focal spot size of 200 nm×200
nm.

.

はじめに

SPring-8 では，かねてから大阪大学工学部精密科学科

X 線全反射ミラーは，放射光ビームラインでの主要なで開発されていたプラズマ CVM 加工法5,6) や EEM 加工

光学要素の一つであり，全反射臨界角のエネルギー依存性

法79) に注目していたが，平成 13 年初頭に阪大側で放射光を利用した高調波 X 線の除去，凹面鏡によるビームの集ミラー加工の準備が整い，SPring-8 側でも1000 m ビーム

光平行化などに広範に利用されている1)。世界中の放射

ラ イン10) が超 精密 測定に 対応 すべ く整備 され 大面積 コ

光施設で全反射ミラーを使っていない所は無い。これまで，

ヒーレントビームでの精密測定が可能となった結果，まさX 線全反射ミラーでは，反射ビームのモーメンタム制御に卒啄同時（どちらが卒でどちらが啄かは敢えて議論しなに関連して，形状誤差の中でもスロープエラーが重要な量いが）のタイミングで「世界最高の X 線全反射ミラーをとされ，Long Trace Proˆler (LTP)2)を用いたマイクロラ作る」共同研究開発プロジェクトが開始された。

ジアン領域でのスロープエラー計測が標準的な評価方法と本稿では，阪大の持つ最先端表面加工技術と SPring-8のコヒーレント X 線ビームを用いた最先端評価技術が出なっている。

SPring-8 をはじめとする第三世代光源は，小さな光源

会い，共同研究が開始されてから 1 年半余りの間に X 線

サイズを活かしたマイクロビーム形成に有利である。基本

ミラーの加工と評価にもたらされた変化について報告す

的には分散性がなく，ニュメリカルアパーチャの大きな全る。大阪の手（加工技術）と兵庫の眼（評価技術）との出反射ミラーは，このための有力な方法として各施設で高性会いが，従来の X 線ミラーの諸概念を根本的な部分で変能化を目指した研究開発が進められている3,4) 。第三世代

革しつつあることを感じ取って頂ければ幸甚である。

放射光での全反射ミラーの問題点の一つは， X 線の高い
干渉性により，従来問題外であった微小な形状誤差がスペ.

コヒーレント X 線

SPring-8 の 1000 m ビームラインでは，蓄積リング内のックルを生成し，反射ビームの空間的一様性を損ねることである。これを解決するためには，今までの加工方法や評

電子ビームの垂直方向のサイズが10 mm 程度と小さくしか価方法から一歩進んだ技術開発が必要であることは，このもアンジュレータからの X 線の垂直発散角が小さいため

数年間 ESRF / APS / SPring-8 の 3 施設のオプティクス関に，垂直方向には回折限界に近い X 線ビームとなる11) 。

係者の間では共通の認識となっていた。またこの開発は，これを遠くで観測した場合，空間的コヒーレンスが非常に

X 線ビームが完全に空間的コヒーレンスを持つことが期高くなるが，直感的に把握していただくためには Fig. 1

待される第四世代放射光（XFEL ）の光学系を考える上でを見て頂くのがよいだろう12) 。これは，光源から約 1000も非常に重要である。

m 下流に置かれたビームライン真空と大気を遮断するベ

5148 兵庫県佐用郡三日月町光都 1
1
1
理化学研究所播磨研究所 〒679
58-2805 FAX: 0791
58
2807 E-mail: ishikawa＠spring8.or.jp
TEL: 0791

――(C) 2002 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第巻第号()

布にある程度の影響を与えている。つまり，コヒーレント
照射での X 線ミラーでは，空間分解能0.1 mm 程度で形状誤差がサブナノメータの加工が必要だと結論される。プラ
ズマ CVM と EEM を組み合わせた加工方法は原理的にこの精度での加工が可能であり，高精度形状計測ができれば，そのデータをもとに形状修正を行うことも可能である。しかしながら，今まで広く用いられている LTP による形状測定の空間分解能 1 mm では不足しており，より空間分解能の高い形状計測法を開発する必要があることを示している。
Figure 1. Airy pattern from a Be window observed at the 1000 m
end-station of BL29XUL in SPring-8. 0.48 mm×0.48 mm ˆeld ofview.

高 空 間 分 解 能 の 形 状 計 測 方 法 と し て は ， Zygo New

View などの顕微干渉計測方法があるが，これだけでは視野が狭く X 線ミラーのように大面積で高精度計測を行う用途には向いていない。そこで我々は顕微干渉計測法で計

リリウム窓のエネルギー16 keV での X 線イメージをその測した局所的形状を大型フィゾー干渉計で計測したグロー

3 m 後方に置かれたイメージ検出器で観察したものであバルな形状を用いてつなぎ合わせ，全体として大面積かつる。このベリリウム窓は表面粗度0.1 mm RMS に研磨され高空間分解能形状計測を可能とするマイクロステッチングたものであり，それまで SPring-8 で標準的に使っていた

インターフェロメターを作製した14) 。この方法で， 0.1

1 mm RMS のものでは窓からの散乱イメージがビームにmm 以下の空間分解能で0.1 nm（PV）オーダーの形状計

重畳されて多くのイメージング測定でデータ劣化の原因と測が可能となった。この方法では，局所的なデータを貼りなっていたのを改善するために製作されたものである。全

合わせてグローバルなデータを作るため，絶対精度に問題

体的なビームの一様性はこれまでのものと比べて大幅に改があるが，個々の計測結果の再現性が非常に良好であるこ

善されたが，ところどころに同心円状の干渉パターンが観と，そのデータを用いて前述の Fresnel-KirchhoŠ 積分で察される。これは可視光レーザービームで埃のついたレン

予測した反射波のイメージが測定結果を非常に良く再現すズを使ったときに観察される Airy パターンそのものであること，またこれと独立に測定された反射波の強度分布かり，ベリリウムの鏡面研磨時に用いられた研磨材が残存しら逆問題を解いてミラー形状を導出した結果15) と良好なているために生じている。これから示唆されるように，コ一致を見ること，の 3 点から十分な絶対精度をもつ計測

ヒーレント X 線に対する光学素子形状は従来のインコ方法だと考えている。

ヒーレント X 線用のものと比較して，ずっと高精度なものが要求される。逆にコヒーレント X 線を用いた評価は

.

平板ミラー

従来問題とならなかった微小な形状誤差にも敏感である。

コヒーレント X 線照射による全反射ミラー評価は，平

このことを利用して，全反射ミラーの評価研究が進められ

板ミラー試料から始められた。Si(001 )面を従来法で研磨た。

したミラーの一部をプラズマ CVM 法で研磨し，さらにその一部を EEM 法で研磨した試料を作成し，各々の場所で

.

の単色 X 線（ 20 keV ）反射ビーム内の強度分布を浜松ホ

コヒーレント照射で要求されるミラー形状精度
コヒーレント照射時に要求されるミラーの形状精度は直トニクス製 X 線スーミング管で，ミラー検出器間の距離

感的に従来のインコヒーレント照射の場合より厳しくなる（カメラ長）を変えて観察した16)。Figure 3 は，マイクロことは明らかであるが，より定量的に抑えておくことがミ

ステッチングインターフェロメターによるそれぞれの場所

ラー加工精度計測精度を決定する上で重要である。従来での形状計測データを示す。従来法研磨での表面形状は凹広く用いられている幾何光学を基礎とした光線追跡法によ面となっているが，プラズマ CVM 法で空間波長 5 mm 以

るミラーの性能予測はコヒーレント照射では破綻すること

上の形状誤差が修正され，P V で3.5 nm 程度の平面までは明白であり，これに換わって波動光学的な性能予測手法

到達する。さらに EEM 法では空間波長 0.1 mm 程度までを整備する必要がある。このために， Fresnel-KirchhoŠの形状修正が可能であり，P 
V で 2 nm の平面まで到達し積分の数値解法コードを作製した13)。

た。 Figure 4 にカメラ長 166 mm ， 566 mm ， 966 mm で

このコードを用いて，ミラーの形状誤差モデルとして完の反射ビームのイメージを示す。従来法による研磨では，全平面ミラー上に高さを 1.0 nm に固定した二次元ガウシ

凹面形状に対応して距離によるビーム幅の減少が観察されアンバンプを置き，ガウシアンの幅（ 2s ）を変数としてる。また，ビーム内部には干渉効果による非常に強いフリ

反射波の強 度分布位 相変化を計 算した。こ の結果を

ンジコントラストが観察される。プラズマ CVM 法での研Fig. 2 に示すが，0.1 mm 程度の幅でも，反射波の強度分

磨面では，形状が平面に近づくために距離によるビーム幅

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

放射光

第巻第号()Figure 2. Calculated intensity distributions at 966 mm downstream of a mirror having a 2-dimensional Gaussian bumpof 1 nm height and width W in 2s. Intensity ‰uctuation caused by Fresnel diŠraction at the mirror edges was subtracted.

の変化はなくなる。ビーム内部の干渉コントラストのビジ

果を Fig. 5 に示す。計算結果は，測定データの傾向をほ

ビリティも従来法研磨面に比べると低くなるが，それでもぼ再現している。計算値の方により細かい構造が現れてい反射ビーム全面に残っている。さらに EEM 法で修正した

るが，検出器のポイントスプレッド関数でのコンボリュー

研磨面では，ビームの両端にエッジの効果による強いコンションを行えば一致の程度はさらに向上する。

トラストのフリンジがあるものの，ビーム中央部ではほぼ一方，異なるカメラ長での測定データから，Gerchberg-

Saxon アルゴリズム17) によって位相を回復することによ一様なコントラストを与える。

3 種類の異なる研磨方法で仕上げた表面のそれぞれで，って反射表面形状を計算する逆問題の解法コードも整備さマイクロステッチングインターフェロメータでの計測結果

れた15) 。この方法で得られた表面形状はマイクロステッ

を境界条件として用いて Fresnel-KirchhoŠ 積分を数値計

チングインターフェロメータでの計測結果と良く一致する。

算して得た反射ビーム内の強度分布と実測値を比較した結この段階で，オフラインでのマイクロステッチングイン

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放射光

第巻第号()

ターフェロメータによる形状計測データを用いた Fresnel-

KirchhoŠ 積分の数値解による性能予測と X 線を用いて測形定された結果が概ね一致したことはここで開発された
 数値計算方法も正しく，また
状計測方法が正しく，

X 線による計測システムが期待通りコヒーレント照射を実現していることを示している。このことは，オフラインの形状計測からミラー性能が波動光学的に予測可能なことを意味し，しかもプラズマ CVM 加工や EEM 加工では数値制御による形状修正が可能であることから，オフライン
での形状計測結果を用いての形状修正が可能であり，最終形状に到達するまでの全工程をオフラインで行えることを示すものである。
.

非球面ミラー18,19)
ここまでの平面ミラーの開発評価は平成 13 年 2 月から 6 月にかけて行われ，この開発過程で形状計測方法と波動光学計算方法に大きな進展があった。これらの成果に基づき，平成 13 年の秋に非球面ミラーの開発研究に着手した。具体的には，楕円面ミラーを 2 枚組み合わせて良くしられた Kirkpatric-Baez（KB）配置20)での二次元集光
Figure 3. Surface ˆgures measured with micro-stitching interferometer. (a) Conventionally polished surface, (b) CVM
processed surface and (c) CVM＋EEM processed surface.

系で回折限界集光を実現することを当面の目標とした。整形ミラーでの二次元集光は湾曲ミラーを用いる方法に比べ長時間安定性に勝ることが容易に想像でき，フォトンファ
クトリィで開発が進められた経緯があるが21,22)，SPring-8

Figure 4. X-ray images of the re‰ected beams from the conventionally polished mirror (left column), CVM processed
mirror (center column) and CVM＋EEM processed mirror (right column) at camera distance of 166 mm (1st row), 566
mm (2nd row) and 966 mm (3rd row).

Figure 5. Measured (black) and calculated (gray) intensity distributions for the conventionally polished mirror (left),
CVM processed mirror (center) and CVM＋EEM processed mirror (right) at camera distance of 966 mm.

――




放射光

第巻第号()Figure 7. Focused beam proˆle calculated from ideal ellipticalshape by using Fresnel-KirchhoŠ integral.

Figure 6. Figure (a) and ˆgure error (b) of the manufactured
elliptical mirror surface.

でも微小領域蛍光分析への応用を目指した開発が進められてきた23) 。しかしながら，従来の研磨方法による整形ミラーではスロープエラーが大きいため，サブミクロンの焦Figure 8.

Experimental setup at BL29XUL of SPring-8.

点サイズを得るためにはワークディスタンスを数センチ以下とする必要があった。今回平板ミラーで達成された技術水準を考慮すると， 10 ～ 20 センチのワークディスタンス

とすると，集光強度プロファイルの第一極小点間で定義さを持つ KB ミラー集光系が現実的に可能であり，より広範

れるスポットサイズ d は，な応用を考慮して長焦点距離の KB 集光系を開発すること

d＝2.0×lf/D

とした。

（ 1）

ミラー材質は平板ミラーと同じく，Si 単結晶の(001)面を用いた。最終的には焦点距離300 mm と150 mm の 2 枚で与えられる。ここでは，入射角度が 1.4 mrad であるこの楕円ミラーで KB 配置を構成することとし，最初に焦点とから，140 mm の開口のミラーと見なせ，それぞれを代

距離300 mm のミラーによる一次元集光テストを行った。

入すると， d ＝ 0.342 mm となり，当然のことではあるがビームの入射方向に対して100 mm ，その垂直な方向に対

Fresnel-KirchhoŠ 積分の計算結果と一致する。

しては 2 mm の領域において非球面形状を作製した。実験

集光評価実験は，1000 m ビームラインで Fig. 8 に示す

では有限な大きさを持つ光源から出た光を焦点で絞り込む

配置で行われた。集光強度プロファイルはナイフエッジ法ことになるが，形状を決定するにあたり光源を点と考えそにより測定した。ミラー表面に対して垂直に，直径 200

こか ら 出た 光 が 1 点 に集 光 する 楕 円形 状 を採 用 し た。

mm の金ワイヤを走査させ，透過 X 線強度をアバランシェ

Figure 6 にミラーの設計形状と加工されたミラーの形状

フォトダイオードで測定した。ワイヤの走査はピエゾス

誤差を示す。非球面形状にもかかわらず，PV: 7.79 nm,

テージを用いて高い走査精度を得た。ワイヤのビームに対RMS: 0.92 nm の高精度の形状を実現している。形状計測

する傾きの影響を除去するために，25 mm のスリットを通の再現性は P V 1 nm 程度であり，追加加工を行うこと過してきた光を測定た。測定された強度データをイオンチ

で形状誤差をさらに小さくすることも可能である。 X 線

ェンバによる入射 X 線強度の測定値によって規格化し，による評価は 1 km 長尺ビームラインを使用するため光源

そのデータを走査間隔で微分することにより X 線の一次からミラーまでの距離を 1000 m とした。 Si で 20 keV の元強度分布が求められる。

X 線まで使用できるように，最大照射角度を1.55 mrad として設計した。

Figure 9 にこのようにして得られた一次元強度プロフ
ァイルを示す。インセットはワイヤ走査時の透過強度を示

Figure 7 は理想形状の場合の集光強度分布の計算結果す。測定は 2 回行い，それぞれ50 nm および25 nm ステッである。計算は実際の測定に合わせて，入射 X 線を 15プでワイヤを走査した。また，Fig. 6 (b )の形状計測デー

keV （ l ＝ 0.8 Å ），入射角度を 1.4 mrad ，入射スリットのタを用いて Fresnel-KirchhoŠ 積分を計算した集光強度分

幅を100 mm とし，Fresnel-KirchhoŠ 積分に基づく計算を

布を実線で示した。半値幅で 200 nm の集光度を達成して行った。この結果は，波動光学的な回折限界の集光強度プ

おり，ほぼ回折限界に到達している。測定された集光効率

ロファイルを表している。集光光学系のミラーの設計におは 80 でありゾーンプレートに比べてはるかに高い値といて，f を焦点距離，l を X 線の波長，D をミラーの開口なっている。測定プロファイルは計算結果とほぼ一致し，

――

放射光

第巻第号()

Figure 9. Measured and calculated beam proˆles at the focal
point. Solid line shows the calculated proˆle with measured surface
proˆle. The proˆles were derived by diŠerentiating transmission
proˆles of wire-scanning in the inset.

Figure 11.

Schematic drawing of a KB mirror aligning unit.

向が一致している。このことは焦点近傍での干渉による光の強めあいと弱めあいが観測されたものであり，このような X 線の波動光学的挙動からも，ほぼ回折限界に近い集光状態であることが確認できる。
同様に焦点距離150 mm の楕円ミラーの加工，形状計測，

X 線評価を行い焦点距離300 mm のミラーと組み合わせてKB ミラーを構成した。二枚のミラーの方位調整を行うための機構を試作し（Fig. 11），二次元集光試験を行った結果，ベストの状態には追い込めていないものの 200 nm ×

200 nm の集光スポットサイズを確認した（Fig. 12）。
.
Figure 10. Measured (a) and calculated (b) cross-sectional intensity proˆle at every 1 mm distance in the beam direction over the ±5mm region from the best focus position.

今後の開発項目

ナノフォーカス光学系としての KB ミラーが実現し，今後は応用に進んでいく予定であるが，光学素子光学系としても以下の開発項目が残っている。
KB ミラー調整の自動化ベストフォーカスに持ってい特に特徴的な左サイドピークについても位置と高さが一致くプロセスを自動化し，光学調整になじみの薄い利用者している。このことから以下の項目が確認されたと言える

でも簡単に調整できるようにする。目標としては，ス

1） ミラーの絶対形状計測が正確に行われている

タートから 1 時間以内ですべての調整を終了すること2 ） ナイフエッジ法による強度分布計測が正確に行わである。
前置光学系の振動除去SPring-8 の 1000 m ビームライれている

3 ） 理論計算により X 線集光強度分布が正しく算出さンには，液体窒素冷却二結晶分光器が設置されており，れている

窒素循環による振動が除去しきれていない。さらに振動1 )～ 3 )の項目のすべてが満足されなければ，計算結果と抑制方式の開発を続けるとともに，フィードバックによ実験結果は一致しない。すなわち平面ミラーで開発されたる安定化を図ることにより，見かけの光源サイズの増大

計測方法，計算方法は曲面ミラーにも適用可能であり，さを抑えることを計画している。

らに形状修正を行うことでミラーの形状精度を向上させ，

コーティング白金等のコーティングによりニュメリカ

理想強度分布により近い集光を行うことが可能であること

ルアパーチャを増大させると，さらに 1 桁小さい集光を示している。

サイズが実現可能である。しかしながら，現状でのコー

このミラーでの集光特性を更に詳しく調べるために，ワティング方法の殆どは CVM ＋ EEM で形成された理想イヤ位置を集光点の前後で動かして強度プロファイル測定に近い面精度を壊す方向に働くため，面精度を損なわずを行った。 Figure 10 ( a )に位置と強度プロファイルの関に金属コーティングを行う方法を開発する必要がある。

係を示す。測定は，最もビームが絞られている位置から 1

環境安定化微小集光ビームの応用では試料走査等によ

mm 間隔で 10 mm の領域において行った。 Figure 10 ( b )り計測に時間がかかることが想定されるため， KB ミ

は理想形状でのシミュレーション結果であり実験結果と傾

ラーには長時間安定性が求められる。これを実現するた

――




放射光

Figure 12.

7)

る。

8)

おわりに
大阪大学で開発された超精密表面形成法である CVM ＋

9)

EEM プロセスを放射光 X 線ミラーの製作に適用した。そ10)の結果，従来方法では困難であったコヒーレント X 線に適合するミラーが製作可能となった。マイクロステッチン
グインターフェロメータによる形状計測と Fresnel-Kir-chhoŠ 積分の数値解法コードの整備により，従来の光線追跡法が原理的に役にたたないコヒーレント X 線照射での X 線ミラー性能予測を可能とした。 CVM ＋ EEM プロ

11)
12)
13)

セスによるミラー形成は，非球面形状にも有効であること
を楕円面ミラーを例として示し，世界初の X 線領域でのミラーを用いた回折限界集光に成功した。楕円面ミラーを

14)
15)

2 枚組み合わせた KB 配置により， 200 nm × 200 nm の集
光スポットサイズに到達した。

16)

謝辞
本研究の一部は文部省科学研究費（ COE 形成基礎研究
費08CE2004）ならびに新技術事業団（現科学技術振興事
業団）からの研究費を受けて行われたものであることを付

17)
18)

記し，ここに深く謝意を表す。
19)

参考文献
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6) Y. Mori, K. Yamauchi, K. Yamamura and Y. Sano: Rev. Sci.
1)
2)
3)

(

)

Two-dimensional focusing property of the KB mirror. Horizontal (left) and vertical (right) proˆles.

めの，恒温環境装置等の開発の必要性があると考えてい.

第巻第号

20)
21)
22)
23)

――

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M. Yabashi, K. Tamasaku and T. Ishikawa: Phys. Rev. Lett.
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S. Goto: Proc. ESRF
APS
SP8 Optics Workshop, to be published.
K. Yamauchi, K. Yamamura, H. Mimura, Y. Sano, A. Saito,
K. Kanaoka, K. Endo, A. Souvorov, M. Yabashi, K.
Tamasaku, T. Ishikawa and Y. Mori: Proc. SPIE 4782
(2002) in press.
H. Mimura et al.: in preparation.
A. Souvorov, M. Yabashi, K. Tamasaku, T. Ishikawa, Y.
Mori, K. Yamauchi, K. Yamamura and A. Saito: J. Synchrotron Rad. 9, 223 (2002).
Y. Mori, K. Yamauchi, K. Yamamura, H. Mimura, A. Saito,
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