超精密表面加工技术在硬X射线纳米聚焦椭球镜中的应用研究

作者及机构
本研究的核心作者包括Hirokatsu Yumoto（日本同步辐射研究所SPring-8/RIKEN SPring-8中心）、Takahisa Koyama（同机构）、Satoshi Matsuyama与Kazuto Yamauchi（大阪大学精密科学与技术系）。研究发表于SPIE会议论文集*Advances in Metrology for X-Ray and EUV Optics V*（2014年），DOI编号10.¹¹¹⁷⁄₁₂.2063146。

学术背景
硬X射线显微技术是材料科学、生命科学及工业领域的关键分析工具，其分辨率提升依赖于高精度X射线光学元件的进步。传统Kirkpatrick-Baez（K-B）几何光学系统（由正交放置的椭圆柱面镜组成）虽广泛用于硬X射线二维纳米聚焦，但理想的光学形状应为椭球面镜（ellipsoidal mirror），因其单镜即可实现二维聚焦且具备高反射率与无色差特性。然而，椭球面镜的纳米级精度加工面临技术瓶颈，尤其是表面形状控制与粗糙度优化。本研究旨在通过改进弹性发射加工技术（Elastic Emission Machining, EEM），开发两种超精密加工设备，解决硬X射线纳米聚焦椭球镜的制造难题。

研究流程
1. 问题定义与需求分析
- 目标镜面设计：设计离轴椭球镜，焦距50 m（长轴）与0.2 m（短轴），掠入射角9 mrad，反射区100 mm×1 mm，目标聚焦束斑35 nm×30 nm（7 keV X射线）。
- 精度要求：根据瑞利四分之一波长规则，表面形状误差需≤2.5 nm（峰谷值）；根据德拜-沃勒因子，粗糙度需≤0.27 nm（均方根值，RMS）以保持反射率损失%。

1. 加工设备开发

   • 旋转式加工机（Rotary Type Machine）
     
     • 功能：改善短空间波长范围（<100 µm）的表面粗糙度。
       
     • 创新点：将旋转头曲率半径缩小至 mm，实现亚毫米级接触区域，形成0.2 mm×1.0 mm的椭圆形去除斑点。
       
     • 验证实验：在石英玻璃基底上，将初始粗糙度4.32 nm（RMS）改善至0.14 nm（RMS），并消除40 µm周期的研磨痕迹（通过功率谱密度分析证实）。
       
   • 喷嘴式加工机（Nozzle Type Machine）
     
     • 功能：长空间波长范围（>100 µm）的计算机控制形状校正。
       
     • 创新点：喷嘴孔径从150 µm缩小至65 µm，实现130 µm的去除斑点尺寸，纳米级高度精度校正。
       
     • 验证实验：成功加工线宽<100 µm、高度~5 nm的测试结构，证明其在>100 µm波长范围的校正能力。
       

2. 三步骤加工流程

   • 粗加工：商用多轴磨床制备离轴椭球镜基底（石英玻璃，尺寸100×50×30 mm³），长/短轴残留误差分别为~1000 nm（PV）与~30 nm（PV）。
     
   • 中加工：旋转式设备去除研磨痕迹，粗糙度从5.54 nm（RMS）降至0.14 nm（RMS）。
     
   • 精加工：喷嘴式设备校正形状误差，实现纳米级精度。
     

主要结果
1. 旋转式加工机性能
- 在100×100 µm²评估区域内，粗糙度从4.32 nm（RMS）降至0.14 nm（RMS），且在<200–300 µm空间波长范围内均显著改善（图5 PSD曲线）。
- 通过非接触式弹性流体动力润滑状态实现原子级选择性材料去除。

1. 喷嘴式加工机性能

   • 65 µm喷嘴可清晰加工线宽56 µm、高度5 nm的结构（图8-9），优于150 µm喷嘴的模糊结果。
     
   • 计算机控制驻留时间调整，实现空间波长>100 µm的纳米级形状校正。
     

2. 技术整合意义

   • 两种设备的空间波长处理范围（旋转式<几百µm，喷嘴式>100 µm）重叠，确保全波长范围的表面精度控制。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次实现离轴椭球镜的纳米级精度加工，为硬X射线纳米聚焦光学系统提供新方案。
- 通过EEM技术突破传统离子束抛光（IBF）与磁流变加工（MRF）在亚毫米至微米波长范围的局限性。

1. 应用价值
   
   • 支持同步辐射光源与X射线自由电子激光（XFEL）的高分辨率显微分析，提升材料与生命科学的研究能力。
     
   • 简化光学布局（单镜替代K-B双镜），提高光子通量与系统稳定性。
     

研究亮点
1. 技术创新
- 开发全球首台适用于毫米级曲率镜面的EEM设备，突破传统EEM仅适用于平坦表面的限制。
- 旋转式与喷嘴式设备的协同设计覆盖全空间波长范围，实现“原子级平滑+纳米级形状校正”的完整解决方案。

1. 跨学科意义
   
   • 结合精密工程、表面化学与X射线光学，为极端紫外光刻（EUVL）与高功率激光光学提供技术参考。
     

资助声明
本研究由日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI资助（编号25286095）。