数値制御ローカルウェットエッチング法による高精度光学素子の作製―中性子集光用楕円面ミラーの試作

摘要

近年, 最先端の基礎科学分野においては, 中性子を利用した種々の計測法が注目されている．X 線は原子番号が大きい原子ほど相互作用が大きいのに対し, 中性子は水素やホウ素等,原子番号の小さい物質とも相互作用をし, さらに同じ元素でも1H は2H の約10 倍の散乱断面積を持つ等, 同位体でも違う性質を持つという特徴がある．この性質を利用して, 中性子ビームを用いた元素分析や, 酵素の解離状態を把握することによる創薬研究, また, たhぱく質の立体構造解析等が現在中性子源施設で行われている．これらの研究はサンプルに中性子を照射し, 中性子回折及び中性子小角散乱実験によって行われるが, 実験を効率的に行うには, 原子炉で発生させた中性子を発散させずに集光し, サンプルに照射させる必要がある．また, サンプルそのものが小さい場合は, 検出されるシグナルも弱くなるため, 中性子ビームの集光光学素子は必要不可欠である．しかし，このような非常に厳しい精度を要求される光学素子を作製する際, 従来の機械加工では，加工速度は大きいものの,塑性変形や脆性破壊を利用する加工原理から考えて，表面層に多大な欠陥が導入されることは避けることができない．また，脆性破壊，塑性変形による表面へのダメージや，母性原理のために中性子集光用ミラーに要求される精度を満足することはきわめて困難である．このような欠陥やダメージを導入せずに加工を行うためには，化学的な方法に頼らざるを得ないが，現在汎用的に用いられているウェットエッチングやドライエッチングでは，加工現象は化学的であるものの，加工の空間的な制御性や加工能率の点においては，機械加工に置き換わるほどの加工特性は得られておらず，また，そのような用途開発も行われていないのが実状である．我々はこれらの現状を打破すべく, 新たな加工法として数値制御ローカルウェットエッチング法（NC-LWE: Numerically Controlled Local Wet Etching）を提案している．この加工法の原理は，加工試料に応じたエッチャントを用いたウェットエッチングであるが，加工ヘッドを二重のパイプ型にし，エッチャントの供給と回収を行うことでマスクを用いることなく局所的なエッチング領域が形成できるという特長を持つ．そして，化学的な加工法であるため，機械加工に見られる塑性変形や脆性破壊を起こすことなく，空間的な制御性の高い加工を行うことが可能である．また，エッチャントの組成や温度を変化させることで，研磨加工と同等の加工能率を有する．さらに非接触な化学的無歪加工法であるため，振動等の外乱に対して鈍感であるので，加工装置の機械的な剛性はそれほど高くする必要がなく，装置コストを低く抑えることができる．また，プラズマ加工やイオンビーム加工の場合には必要不可欠なチャンバーや真空排気系等の高価なインフラが不要であるため，装置導入時のイニシャルコストも極めて安価である．以上の様な特性から, 数値制御ローカルウェットエッチング法は, 高精度光学素子の加工を高精度, 高能率かつ決定論的に行える加工法であるといえる．