JP2014123726A - 入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェルを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェルを製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明は、特にＥＵＶ放射線及び／又はＸ線用の入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェル（１１）を製造する方法に関する。方法において、バルク材料のブランク（１）が、シェル（１１）のミラー本体（２）を形成するために用意され機械加工される。機械的構造（３、４）が、機械加工のステップ中及び／又はその後で、ミラー本体（２）に統合及び／又は装着される。機械的構造（３、４）は、ミラーシェル（１１）を取り付ける及び／又は動作させるために必要とされる。これらのステップの後で、光学面（７）が、ダイヤモンド旋削によってミラー本体（２）上に形成される。提案される方法は、１回又は数回再研磨することも可能な高光学品質を備えた、入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェルを低コストで製造できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に極紫外線（ＥＵＶ）及び／又はＸ線用の、入れ子式シェルかすめ入射ミラー（nested shells grazing incidence mirror）のミラーシェルを製造する方法に関する。かかる入れ子式シェルかすめ入射ミラーは、光学軸、即ち、それに沿って入射放射線がミラーに入る光学軸を中心に、典型的には同軸的に配置された幾つかのミラーシェルを備えて構成される。

入れ子式シェルかすめ入射ミラーは、Ｘ線、軟Ｘ線、及びＥＵＶ用途において、例えば、宇宙Ｘ線望遠鏡で、又はＥＵＶリソグラフィのようなＥＵＶ用途におけるコレクタミラー若しくはコレクタ光学系として使用される。

かすめ入射ミラーは、小さな入射角度の下で媒体の表面に当たる放射線における全反射の物理的効果を利用する。これは、近垂直入射ミラーの場合のように高精度多層コーティングの必要なしに、Ｘ線又はＥＵＶ放射線用ミラーの幾分単純な実現を可能にする。近垂直入射ミラーとは対照的に、入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェルは、シェルの側縁にもまた当たる入射放射線の損失を最小化するために、反射面に垂直な方向において比較的薄い厚みを有する。

かかるミラーシェルの薄い厚み及び光学面の要求される高光学品質は、注意深い製造プロセスを必要とする。特許文献１は、かかるミラーシェルを製造する２つの方法を開示する。

特許文献１において提案されている方法の１つにおいて、シェルは、シェル材料がマンドレルにガルバニックに堆積される電鋳により製造されるが、これは、形状及び粗さに関して、必要とされる光学面の欠点を抱える。シェル及びマンドレルの断熱層の後で、必要に応じて、反射コーティングが、シェルの光学面に適用され得る。マンドレルは、分離プロセス中に破壊されなければ、更に繰り返すために再使用することができる。次に、個別のシェルは、入れ子式シェルかすめ入射ミラーを形成するために、機械的支持構造、典型的にはある種のスパイダーホイールに取り付けられる。しかしながら、ガルバニック堆積によるミラーシェルの製造は、多くの欠点を有する。シェルのバルク材料は、電鋳プロセスと適合しなければならない。これは、ほんのわずかの例外だけを別として、材料選択を２、３の純金属に制限する。従って、用途に望ましい材料特性に関して制限がある。材料の専用ガルバニック堆積は、遅く、更なる手段なしにはシェルの厚みにおける変動を可能にしない。更に、製造されたシェルは、非常に脆弱であり、例えばＥＵＶ源に近いミラーの動作中に発生する劣化後に、光学面の再研磨をできるようにはしない。ガルバニック堆積は、更に、かすめ入射ミラーのコストに著しい影響を有する。ミラーシェルの脆弱性ゆえに、ミラーの取り付けのために、又はミラーの動作、例えば構造の冷却中に必要とされる更なる機械的構造を装着することがまた困難である。かかる後続の製造ステップ中に、特に溶接、削孔、又はミリングのような技術が必要な場合に、表面を損傷する高いリスクがある。

ミラーシェルを製造する別の方法が、特許文献１においてごく簡単にだけ言及されている。この更なる方法は、０．５〜４ｍｍの厚みを備えたシェルを達成するために、ダイヤモンド旋削によってミラーシェルを製造することを含む。その文献は、この製造プロセスを更には説明していない。熱管理システム用の更なる必要な機械的構造が、例えばミラーシェルの裏面を微細加工することによって、ミラーシェルに取り付けられる。しかしながら、この文献で言及されているシェルの厚みもまた、高い脆弱性に帰着し、その結果、上記で言及された欠点の幾つかが、やはり当てはまる。

ダイヤモンド旋削は、反射光学素子の製造用の十分に確立された技術である。特許文献２は、高光学品質を備えた光学面を達成するために、機械的プロセスが平滑層の堆積と組み合わされる超精密ダイヤモンド旋削技術を説明している。

ＥＰ ２０８３３２８ Ａ１ ＵＳ ６，６３４，７６０

本発明の目的は、高光学品質を備えて低コストの、同様に１回又は数回再研磨され得る入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェルを製造する方法を提供することである。

上記目的は、請求項１に従ってミラーシェルを製造する方法で達成される。方法の有利な実施形態は、従属請求項の主題であり、又は本発明及び実施形態の説明の後続部分から推定することができる。

提案される方法は、シェルのミラー本体を形成するために、バルク材料のブランク（未完成品、半加工品）を用意及び機械加工するステップを含む。ブランクの機械加工中又はその後で、機械的構造が、ミラー本体に統合及び／又は装着される。これらの機械的構造は、ミラーシェルを取り付け、及び／又は動作させるために必要とされ得る。かかる機械的構造の例が、動作中にミラーシェルを冷却するために必要とされる冷却チャネルである。かかる機械的構造はまた、ミラーシェルを、入れ子式シェルかすめ入射ミラーを組み立てるために必要とされる対応する機械的支持構造に取り付けるための取り付け要素であっても良い。機械的構造を統合するか、又はこれらの構造を装着するステップ（又は組み合わされた両方の手段）は、例えば、冷却チャネル用の適切な溝を形成することによってブランクの機械加工中に又はミラー本体を形成した直後に実行しても良い。構造はまた、例えば、溶接、蝋付け、又は螺合のような適切な技術によって装着することができる。機械的構造の統合及び／又は装着後に、光学面は、ダイヤモンド旋削によってミラー本体上に形成される。ミラー本体用に選択された材料に依存して、ダイヤモンド旋削は、ミラー本体の表面上で直接実行しても良く、又はダイヤモンド旋削のこの最後のステップに先立って本体表面の対応する領域に適用され得る適切な材料のコーティング層上で実行されても良い。

ミラー本体を形成し、且つ全ての必要とされる更なる機械的構造を統合及び／又は装着するための製造ステップが、光学面をダイヤモンド旋削する製造ステップに先立って実行されるので、大まかなプロセスステップによる光学面の変形又は損傷のリスクが回避される。これによって、蝋付け、溶接、削孔、ミリング、及び旋削のような通常の製造技術が、冷却及び取り付けのための必要とされる機械的構造を生成するために可能になる。光学面が、更なる研磨又はコーティングを含む可能性がある最後のステップで形成されるので、光学システムの結像品質は、機械的構造が光学面の形成後に適用される他の技術を用いるよりも良い。例えばミリングによってブランクからミラー本体を機械加工し、且つダイヤモンド旋削によって光学面を形成する提案される方法は、大量のシェル材料の選択を可能にする。従って、ミラー本体の材料は、例えば熱機械的に及び／又は化学的に、用途の必要性を最適に支えるように選択することができる。製造プロセスは、シェル厚さに対するどんな制限も結果としてもたらさず、従ってまた、必要に応じてシェル内における厚みの著しい変更が可能である。ミラー本体は、ある動作時間後に表面が劣化された場合に、第２の又は更なるダイヤモンド旋削作業による光学面の再研磨を可能にするように、適切な厚みで形成しても良い。ダイヤモンド旋削がミラー本体上のコーティングにおいて実行される場合に、第２のダイヤモンド旋削作業も、コーティングにおいて可能である。代替として、コーティング（又はその残滓）が最初に除去され、新しいコーティングが適用される。次に、ダイヤモンド旋削仕上げプロセスが、この新しいコーティングに対して繰り返される。コーティングは、例えば、別のダイヤモンド旋削ステップによって、又は化学処理によって除去することができる。かかる再研磨を用いれば、複雑な冷却構造の形成のような、ブランクに対する高価な製造ステップが、回避され得る。何故なら、ミラーシェルが、簡単に再利用されるからである。

有利な実施形態において、ミラー本体は、可変厚さを有するように形成されるが、厚さは、光学面に垂直に測定される。この厚さは、中間に１つ又は幾つかのより厚い部分を設けるために、縁で最も薄く、両方の縁から増加する。これらのより厚い部分の数、位置、形状、及び最大厚さは、シェルが、入れ子式シェルかすめ入射ミラーに取り付けられた場合に、より厚い部分による入射放射線の遮断を回避するように選択される。ミラー本体のかかる設計を用いれば、特にミラー本体がナイフエッジ形の縁を有するように形成された場合に、より厚い部分は、入射を遮断せずに、最大で数センチメートルの厚さを有することができる。

好ましくは、ミラー本体は、より厚い部分の少なくとも１つにおける厚さの最大では≧５ｍｍの厚さで製造される。かかる厚さを用いれば、シェルの脆弱性に関連する問題は、実質的に低減され、製造及び／又は後続の再研磨中における損傷リスクの低下に帰着する。

提案される方法において、ダイヤモンド旋削プロセス後に、光学面を更に研磨することがまた可能である。更にまた、１つ又は幾つかの追加コーティング、例えば、表面の反射率を向上させるためのコーティング、又は表面の機械的及び／又は化学的安定性を向上させるためのコーティングが、光学面に適用されても良い。

提案される方法は、添付の図に関連して、例として以下で説明される。

提案される方法の製造ステップの例である。 入れ子式シェルかすめ入射ミラーの概略図である。 可変厚さを備えたミラーシェルを有する入れ子式シェルかすめ入射ミラーの一部の概略断面図である。

入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェルを製造する提案される方法において、第１に、例えば冷却チャネル及び後の取り付けための固定点を含むミラーの本体が作製される。本体が完全に仕上げられた後で、光学面は、超精密ダイヤモンド旋削プロセスによって生成される。ダイヤモンド旋削のために、例えば米国特許第６，６３４，７６０号明細書に説明されているプロセスが用いられても良い。提案される方法のプロセスフローを用いれば、これより先で説明されているように、シェルを再研磨することもまた可能である。提案される方法の方法ステップ、即ち、その幾つかが任意選択のステップである方法ステップの例が、図１に関連して示されている。図は、ミラーシェルの製造プロセスを断面図で示す。

出発点は、シェルの本体を機械加工するために十分なサイズを備えた材料のブロック１である。材料は、例えばＥＵＶ用途のためのコレクタシェルにおける適用に適合する材料特性を有するように選択される。まず第１に、材料のブロック１をミリングするような大まかな製造ステップが、図１ａ及び１ｂに概略的に示されているようなミラーシェルの本体２を形成するために実行される。適切な材料は、例えばアルミニウムである。

ミラー本体の形成後に、冷却チャネル３が、図１ｃに概略的に示されているような冷却構造を形成するために、ミラー本体２の側面にミリングされる。冷却構造は、例えば図１ｄにおいて溶接又は蝋付けによって密閉される。図１ｅは、溶接又は螺合によって固定され得る取り付け治具４の装着を示す。これらの取り付け治具４は、入れ子式シェルかすめ入射ミラーの取り付け構造にシェルを取り付けて接続するために必要である。これらの大まかな製造ステップ後に、これらのコンポーネントの機能試験、例えば、冷却構造の漏れ試験又はミラー本体の剛度試験が適用されても良い。

必要な機械コンポーネント又は構造の全ての製造後に、シェルの光学面が機械加工される。この目的のために、光学面に垂直な方向におけるミラー本体の厚みは、必要とされるよりもわずかに大きく選択しても良い。光学面を形成するために、製造ステップの異なる組み合わせが適用されても良く、これらのステップの全てが、光学面の仕上げのためにダイヤモンド旋削プロセスを含む。図１ｆ〜１ｊは、これらの異なるステップを示すが、それらの幾つかは、単に任意選択のステップである。

選択されたブランク材料が、所望の品質の表面仕上げを可能にする場合に、ダイヤモンド旋削プロセスは、図１ｈにおいてダイヤモンド旋削仕上げプロセス６で示されている光学面を生成するために、直接適用することができる。しかしながら、２回以上の旋削作業の必要性があり得る。その後、光学面７は、他の大まかな製造プロセスによって乱されることはない。

ブランク材料が、必要とされる表面品質を直接支えない場合に、所望の表面がわずかにブランク材料の外側になるように、ミラー本体の内面の材料が、図１ｆにおけるダイヤモンド旋削の前機械加工ステップ５において向きを変えられても良い。ここで、必要とされる表面品質を支える材料の層８が、図１ｇに概略的に示されているようなブランク内面上にコーティングされる。この材料は、ニッケル蛍光体のようにニッケルに富んだ材料であっても良い。ここで、所望の表面は、コーティング材料の層８内にある。次に、光学面は、図１ｈのダイヤモンド旋削仕上げプロセス６を用いた１回又は複数回のダイヤモンド旋削作業によって生成される。

必要に応じて、光学面の表面粗さは、図１ｊに概略的に示されている従来の研磨ステップ９（任意選択）によって更に低減することができる。また、１つ又は複数の層１０のコーティングが、必要に応じて、反射率及び／又は機械的若しくは化学的安定性を向上させるために適用されても良い。この任意選択のステップは、図１ｊに概略的に示されているが、そこでは、例えばルテニウムの層が、反射コーティングとして適用されても良い。

入れ子式シェルかすめ入射ミラーを組み立てるために必要とされる異なるミラーシェル１１を製造した後で、シェル１１は、機械的支持構造１２、例えば、入れ子式シェルミラーを形成するための、既存のかすめ入射コレクタから周知のある種のスパイダーホイールに取り付けられる。図２は、かかる入れ子式シェルかすめ入射ミラーの断面図を概略的に示す。この図では、ただ２つのシェル１１だけが示されている。かかる入れ子式シェルかすめ入射ミラーが、光学軸を中心に同軸的に配置された３つ以上のシェル１１を有しても良いことは、当業者にとって明白である。

製造ステップの提案される順序を用いれば、シェルモジュールの組み立ては、より容易である。何故なら、例えば溶接及びクランピング技術のより広い選択が、これらの技術がシェルの光学面に影響を及ぼさないので、機械的構造の製造にとって可能であるからである。提案される方法はまた、ダイヤモンド旋削により、単調でない光学面を備えたシェルの製造を可能にする。

加えて、更なる機械的構造が、提案される方法ステップの順序ゆえに、即ち、最終ステップにおける光学面の生成という順序にゆえに、光学品質を劣化させずに機械的シェルに統合又は装着され得る。例えば、ＥＵＶ光源は、光子を放射するだけでなく、小滴又は原子などの望ましくない材料、いわゆるデブリを生成する。デブリは、光学コンポーネント上に凝縮する可能性があり、その性能は、相応に劣化することになろう。システム性能に対するこの否定的影響を低減するために、ある不活性ガスの支援によってデブリ軽減システムを適用することが、当該技術分野において周知である。ダイヤモンド旋削プロセスの柔軟性及び堅牢性ゆえに、光学システムにおけるデブリ軽減性能の改善に帰着するシェルの専用レイアウトを実現することが可能である。これは、デブリ軽減性能を向上させる特定のガス分配を可能にするために、ある位置、特にシェルの機械的支持構造によって陰になる特定の位置に、例えば追加の穴をあけるか又はガスラインの配管を追加することによって達成することができる。これは、従来的に製造された入れ子式シェル光学系に関しては不可能であるが、しかし提案される製造プロセスには容易に統合することができる。提案される製造方法は、製造がはるかに安価で、より堅牢で、数回再研磨できるかすめ入射コレクタを実現可能にする。

ミラーシェル１１のミラー本体２は、両方の縁から増加し、且つ中間に１つ又は幾つかのより厚い部分を形成する可変厚さを有するように形成されるのが好ましい。図３は、かかる入れ子式シェルかすめ入射ミラーの一部の概略断面図を示す。

内側のシェルのミラー本体２における両方の縁は、入射するＥＵＶ放射線を遮らずに、中間に数センチメートルの厚みを備えた少なくとも１つの部分をやはり有しながら形作られた成形ナイフエッジである。これらのより厚い部分の数、位置、及び形状は、放射線の遮断を回避するように選択される。これは、ＥＵＶ源１３から生じる入射ＥＵＶ光線１４の幾らかが示されている図３から分かる。従って、提案される方法を用いれば、非常に堅牢な（＝厚い）ミラーシェルからなるほぼ掩蔽のないコレクタを設計及び製造することが可能である。

図面及び前述の説明において詳細に本発明を図示し説明したが、かかる図示及び説明は、限定ではなく実例又は例示として考えられるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。 例えば、図は、ミラーシェルの特定の曲線形状を示すが、他の形状も可能である。最後のダイヤモンド旋削ステップに先立って製造される機械的構造もまた、図に示されている構造と異なっても良い。開示された実施形態の他の変形が、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の研究から、請求される発明を実行する際に当業者によって理解され実施され得る。特許請求の範囲において、単語「含む」は、他の要素もステップも排除せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を排除しない。ある手段が、相互に異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利には使用され得ないことを意味しない。特許請求の範囲における参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１ 材料ブロック（ブランク／未完成品）
２ ミラー本体
３ 冷却チャネル
４ 取り付け治具
５ ダイヤモンド旋削前機械加工ステップ
６ ダイヤモンド旋削仕上げプロセス
７ 光学面
８ 材料層
９ 研磨
１０ コーティング
１１ ミラーシェル
１２ 支持構造
１３ ＥＵＶ源
１４ ＥＵＶ光線

Claims (10)

1. 特にＥＵＶ放射線及び／又はＸ線用の、入れ子式シェルかすめ入射ミラーのミラーシェル（１１）を製造する方法であって、
   − 前記シェル（１１）のミラー本体（２）を形成するために、バルク材料のブランク（１）を用意して機械加工するステップと、
   − 前記ブランク（１）を機械加工する前記ステップ中、及び／又はその後に、機械的構造（３、４）を前記ミラー本体（２）内に、及び／又は前記ミラー本体（２）に統合、及び／又は装着するステップと、
   − 前記機械的構造（３、４）を含む前記ミラー本体（２）上に光学面（７）をダイヤモンド旋削によって形成するステップと
   を少なくとも有する、方法。
2. 前記光学面（７）を形成するステップが、
   − 少なくとも、第２の材料の層（８）を用いて前記光学面が形成される領域にて、前記ミラー本体（２）をコーティングするステップであって、前記第２の材料が、ダイヤモンド旋削によって前記第２の材料から前記光学面を形成することを可能にするように選択されるステップと、
   − 前記第２の材料の前記層（８）をダイヤモンド旋削するステップと
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 機械的構造（３、４）を統合及び／又は装着するステップが、冷却チャネル（３）及び／又は取り付け要素（４）を前記ミラー本体（２）内に、及び／又は前記ミラー本体（２）に統合、及び／又は装着することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ミラー本体（２）を形成するための前記ブランク（１）の機械加工が、少なくともミリングプロセスを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ミラー本体（２）への機械的構造（３、４）の装着が、前記ミラー本体（２）への前記構造（３、４）の溶接、蝋付け、及び螺合の少なくとも１つを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ミラー本体（２）が、中間に少なくとも１つのより厚い部分を形成するために、前記ミラー本体（２）の両方の縁から増加する厚みを有するように形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ミラー本体（２）が、ナイフエッジ形の縁を有するように形成される、請求項６に記載の方法。
8. 前記ミラー本体（２）が、前記少なくとも１つのより厚い部分における厚みの最大で≧５ｍｍの厚みを有するように形成される、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記光学面（７）が追加的に研磨される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記光学面（７）が、前記光学面（７）の反射率、及び／又は機械的安定性及び／又は化学安定性を向上させる適切な材料によって追加的にコーティングされる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
    

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