JP2004148458A

JP2004148458A - 微細加工装置および微細加工方法

Info

Publication number: JP2004148458A
Application number: JP2002317558A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Mizuno; 真一水野; Shigeru Moriya; 茂守屋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】ＬＳＩやマイクロオプティックス等で必要となるサブミクロン程度以下の高精度加工を可能にし、しかも三次元的な加工精度をも保証することのできる微細加工装置および微細加工方法を提供する。
【解決手段】フッ化水素酸を含む溶液の容器と、前記容器内の溶液中にセットされた被加工物１と対向する加工用針３と、前記被加工物１と前記加工用針３との間に電流を流すための電源４と、前記加工用針３に光を入射するための光学系とを備える微細加工装置において、前記加工用針３の先端を尖鋭に形成して、前記光学系からの光の入射に応じて前記先端にエバネセント波が生成されるようにし、前記エバネセント波で前記被加工物１に正孔を励起することによって、前記加工用針３の近傍のみを電解研磨する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩに代表される半導体デバイスの製造プロセスに用いて好適な微細加工装置および微細加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高集積化・微細化が進むＬＳＩやマイクロオプティックス（半導体レーザ等のオプトエレクトロニクスデバイス）といった半導体デバイスの製造プロセスでは、走査トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」という。）の原理を用いた微細加工技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、ＳＴＭの探針を被加工物表面に接近させ、これらを電解液中に浸した状態で探針と被加工物との間に電圧を印加することにより、被加工物表面に微細加工を施すというものである。
【０００３】
また、微細加工技術としては、被加工物表面の微小領域に選択的に光を照射しながら電流を流すことによる光電気化学反応を原理とした微細加工を行うことも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。さらには、その他にも、例えば被加工物であるｎ型シリコン基板の裏面から光学系で加工パターンを投影して電解研磨することによって、投影パターンの形状にｎ型シリコン基板をエッチングする技術も報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２９７２５２号公報
【特許文献２】
特開平６−７４８９９号公報
【非特許文献１】
グラニング（Ｇｒｕｎｉｎｇ）他著、「ファブリケーション・オブ・２ディー・インフレアード・フォトニック・クリスタルズ・イン・マクロポーラス・シリコン：フォトニック・バンド・ギャップ・マテリアルズ（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ２−ＤｉｎｆｒａｒｅｄＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌｓｉｎｍａｃｒｏｐｏｒｏｕｓｓｉｌｉｃｏｎ：ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄＧａｐＭａｔｅｒｉａｌｓ）」、クルーワー・アカデミック・パブリッシャーズ（ＫｌｕｗｅｒＡｃａｄｅｍｉｃＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ）、オランダ、ｐｐ．４５３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の微細加工技術では、以下に述べるような難点が生じてしまうことが考えられる。
【０００６】
例えば特許文献１に記載されたように、被加工物と加工針の間に電流を流すことで電解研磨を行って局所的に微細加工を施す技術では、局在電場の広がりが１ｎｍ程度まで小さくできるので、トンネル電流を利用した真に局所的な加工を行うためには、加工針を被加工物に１ｎｍ程度まで近づけなくてはならない。したがって、ＬＳＩやマイクロオプティックス等で必要となるサブミクロンメートル程度以下の加工を行う場合には、必ずしも好適であるとはいえない。この点については、加工針と被加工物の距離を１０〜１００μｍ程度に保って加工することも報告されているが、その場合は局在場を利用しているわけではないので、三次元的な加工精度を保証することが困難となることが考えられる。
【０００７】
また、例えば特許文献２または非特許文献１に記載されたように、光学系による投影パターンの形状に加工を施す技術では、投影光学系の分解能によって加工分解能が制限されてしまう。特に、シリコンに対する透過率が高い赤外光を利用するときには、ＬＳＩの製作等で要求される分解能を満足することは不可能であるといえる。また、光学系の焦点深度方向の光強度分布が一様なので、三次元的な加工は困難であると考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、ＬＳＩやマイクロオプティックス等で必要となるサブミクロン程度以下の高精度加工を可能にし、しかも三次元的な加工精度をも保証することのできる微細加工装置および微細加工方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された微細加工装置である。すなわち、フッ化水素酸を含む溶液の容器と、前記容器内の溶液中にセットされた被加工物と対向する加工用針と、前記被加工物と前記加工用針との間に電流を流すための電源と、前記加工用針に光を入射するための光学系とを備える微細加工装置において、前記加工用針の先端を尖鋭に形成して、前記光学系からの光の入射に応じて前記先端にエバネセント波が生成されるようにし、前記エバネセント波で前記被加工物に正孔を励起することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された微細加工方法である。すなわち、フッ化水素酸を含む溶液の容器と、前記容器内の溶液中にセットされた被加工物と対向する加工用針と、前記被加工物と前記加工用針との間に電流を流すための電源と、前記加工用針に光を入射するための光学系とを備える微細加工装置を用いて行う、前記被加工物と対する微細加工方法であって、前記加工用針の先端を尖鋭に形成して、前記光学系からの光の入射に応じて前記先端にエバネセント波が生成されるようにし、前記エバネセント波で前記被加工物に正孔を励起することによって、前記加工用針近傍のみを電解研磨することを特徴とする方法である。
【００１１】
上記構成の微細加工装置および上記手順の微細加工方法によれば、加工用針の先端を尖鋭に形成していることから、その加工用針に光学系から光を入射すると、その加工用針の先端からは、伝搬光は出射しないが、入射光の波長の何分の１という微小なエバネセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）波が染み出すように生成される。このエバネセント波は、空間を伝搬せずに針先端に局在し、その大きさは光波長には依存せず針先端の径と略同程度になる。したがって、そのエバネセント波で被加工物に正孔を励起し、そのときに加工用針と被加工物との間に電流を流して電解研磨を行えば、その電解研磨が行われる領域は、加工用針の先端近傍のみに限定されることになる。すなわち、加工用針の先端の径を細くすることでエバネセント波の大きさも小さくできるので、細い加工用針先端を高精度に位置制御することで微細加工が可能となる。また、加工用針先端に局在するエバネセント波を利用するので、加工用針を三次元的に移動することによって、高精度な三次元加工も可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る微細加工装置および微細加工方法について説明する。ただし、以下に説明する実施形態は本発明を実現した一例に過ぎず、これに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
ここでは、本発明の第１の実施の形態として、請求項１および請求項２に記載の発明に係る微細加工装置、並びに請求項１９に記載の発明に係る微細加工方法について説明する。
【００１４】
先ず、微細加工装置の概略構成について説明する。図１は、本発明に係る微細加工装置の第１の実施の形態における概略構成例を示す模式図である。本実施形態で説明する微細加工装置は、被加工物であるｎ型シリコン基板（以下、単に「Ｓｉ基板」と記す。）１に対して、電解研磨による微細加工を施すものである。そのために、微細加工装置では、図例のように、Ｓｉ基板１が載置されるＸＹＺステージ２と、そのＸＹＺステージ２上のＳｉ基板１と対向する加工用シリコン針（以下、単に「Ｓｉ針」と記す。）３と、これらＳｉ基板１、ＸＹＺステージ２およびＳｉ針３をフッ化水素酸を含む酸溶液（以下、単に「ＨＦ溶液」と記す。）中に浸すためのフッ素樹脂容器（ただし不図示）と、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間に電流を流すための電源４および配線と、Ｓｉ針３にレーザ光を入射するための光学系とを備えている。このうち、ＸＹＺステージ２は、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との相対位置を変化させるため移動機構として機能するものである。また、そのＳｉ針３にレーザ光を入射する光学系は、レーザ光の光源５と、レーザ光を導くための光ファイバ６と、そのレーザ光をＳｉ針３に入射させるためのレンズ７とからなるものである。
【００１５】
図２は、上述した微細加工装置における要部の構成例を示す模式図である。図例のように、Ｓｉ針３はカンチレバー８の先端に配設されており、カンチレバー８は支持台９によって支持されている。Ｓｉ針３がカンチレバー８の先端に配設されているのは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等で使用されるプローブと略同様の構成である。また、ＨＦ溶液１０の容器１１には、そのＨＦ溶液１０の液面の揺らぎによってレンズ７からのレーザ光が揺らいでしまうのを防止するために、液面を覆う透明なフッ素樹脂材１２が設けられている。
【００１６】
ところで、ここで説明する微細加工装置は、以上のように構成されているのに加えて、Ｓｉ針３の形状に大きな特徴がある。すなわち、Ｓｉ針３は、単結晶シリコン材を異方性エッチングすることによって製作されたものであり、その先端（Ｓｉ基板１と対向する側の端）が尖鋭に形成され、後述するように光学系からの光の入射に応じて先端にエバネセント波が現れるように構成されている。
【００１７】
続いて、以上のような構成の微細加工装置を用いて行う、Ｓｉ基板１に対する微細加工について説明する。微細加工装置では、Ｓｉ基板１に対する微細加工を、電解研磨を利用して行う。
【００１８】
電解研磨は、一般に、Ｓｉ中の正孔とＨＦ、陰極からの電子とＳｉとが、それぞれ次のように反応することによって行われる。
Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｅ^＋→ＳｉＦ_２＋２Ｈ^＋＋ｎｅ⁻
ＳｉＦ_２＋２ＨＦ→ＳｉＦ_４＋Ｈ_２
ＳｉＦ_４＋２ＨＦ→Ｈ_２ＳｉＦ_６
または
Ｓｉ＋４ＨＦ＋（４−λ）ｅ^＋→ＳｉＦ４＋４Ｈ^＋＋λｅ⁻
ＳｉＦ_４＋２ＨＦ→Ｈ_２ＳｉＦ_６
ここで、ｎ＜２、λ＜４、ｅ^＋はレーザ光で励起された正孔、ｅ⁻は電子であるである。
【００１９】
本実施形態で説明する微細加工装置では、電解研磨を行うのにあたり、Ｓｉ基板１に光照射することで正孔を発生させる。すなわち、Ｓｉ基板１およびＳｉ針３がＨＦ溶液１０中に存在する状態で、Ｓｉ基板１を正極、Ｓｉ針３を負極にして、これらの間に電流を流すとともに、Ｓｉ針３のＳｉ基板１とは反対側の端面から光を入射することで、Ｓｉ基板１に対して光照射を行い、光電気化学反応を原理とした微細加工を可能とする。
【００２０】
ただし、このとき、Ｓｉ針３の先端が尖鋭に形成されていることから、Ｓｉ針３に光を入射すると、その加工用針の先端からは、伝搬光は出射しないが、入射光の波長の何分の１という微小なエバネセント波が染み出すように生成される。したがって、Ｓｉ基板１に対する光照射は、先端にエバネセント波が生成されたＳｉ針３を、Ｓｉ基板１に近接させることよって行われるのである。
【００２１】
この光照射に用いられるエバネセント波は、空間を伝搬せずに針先端に局在し、その大きさは光波長には依存せず針先端の径と略同程度になるという特徴を持っている。そのため、光照射され、これにより電解研磨される領域は、Ｓｉ針３の先端の極近傍のみに限定されることになる。また、エバネセント波の大きさは、Ｓｉ針３の先端の径を細くすることで小さくできる。これらのことから、エバネセント波を用いた電解研磨によりＳｉ基板１に対する加工を行えば、先端が細く形成されたＳｉ針３を高精度に位置制御することで、従来よりも更なる微細加工を実現することが可能となる。例えば、Ｓｉ針３の先端径をオングストロームオーダーまで細くすれば、Ｓｉ基板１上で原子サイズの微細加工も可能であると考えられる。また、Ｓｉ針３とＳｉ基板１とを近接させる際の間隔は、エバネセント波の大きさ程度で十分であるが、さらにトンネル電流が流れる距離までＳｉ針３を接近させれば、加工部位以外への漏れ電流を無くすことができるので、より高精度な加工も可能になる。
【００２２】
Ｓｉ針３の先端にエバネセント波を生成させるための光源としては、光源５から出射されるレーザ光を用いる。光源５は、Ｓｉ針３での光吸収が小さい波長のレーザ光、具体的には光波長はおよそ５００ｎｍ以上であるレーザ光を出射するものとする。このとき、Ｓｉ針３での光吸収は長波長の方が小さいが、波長よりも細いＳｉ針３中での伝播損失を小さくするためには、短い波長のほうが有利である。
【００２３】
したがって、Ｓｉ針３の先端は、そのＳｉ針３に入射する光の波長よりも小さい（細い）ことになる。このような場合、すなわち光導波路の導波層が波長よりも薄いために伝播モードが存在しない光導波路であっても、導波機能があることが知られている。そのために、光の波長よりも小さいＳｉ針３であっても、光を導波して、その先端にエバネセント波を生成することができるのである。なお、波長より細いと光の減衰があるため、より正確にエバネセント波の生成を予測するためには、有限要素法（ＦＥＭ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）や差分時間領域（ＦＤＴＤ；ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法等によるシミュレーションと実験が必要である。
【００２４】
ところで、Ｓｉ針３の先端が光波長よりも小さい場合には、光強度の減衰を無視できない。このような光強度の減衰を小さくするためには、Ｓｉ針３の先端以外を金属でコーティングするのが有効である。ただし、Ｓｉ針３は容器１１内のＨＦ溶液１０中で使用するので、コーティング材料として銀やアルミニウムを使用することができない。そのため、コーティング材料としては、金や白金等を使用するのが適当である。この金属コーティングを行えば、Ｓｉ針３からの散乱光を少なくすることも可能となる。そのため、加工部位以外を励起すること、すなわち加工部位以外を加工してしまうことがなくなり、より一層の加工精度の向上が期待できる。
【００２５】
また、光強度の減衰は、Ｓｉ針３の先端のテーパ角が大きいほど小さくなると考えられる。そのため、Ｓｉ針３の先端は、被加工物であるＳｉ基板１と干渉しなければ、およそ６０°以上のテーパ角に形成することが望ましい。さらには、テーパ角を２段階で変化させれば、光強度の減衰も減少すると考えられることから、このような形状のＳｉ針３を使用することも有効である。
【００２６】
先端が細く形成されたＳｉ針３からのエバネセント波を用いてＳｉ基板１に対する加工を行うためには、そのＳｉ針３を高精度に位置制御しつつ、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との相対位置を変化させることが必要となる。相対位置の変化は、既に説明したように、ＸＹＺステージ２によって実現される。ＸＹＺステージ２では、例えば、ナノメータオーダーの高分解能な移動を行うために、板バネで移動部分を支持してピエゾトランスレータで移動させるステージを使用し、Ｓｉ基板１全体に渡る広範囲の移動には、ボールガイドやローラガイドを使用した高精度ステージを使用する。これら二種類の機構を組み合わせることで、大型のＳｉ基板１も加工可能となる。そして、ＸＹＺステージ２を用いた相対位置の変化は、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との各々をレーザ干渉計若しくはレーザスケールまたは静電容量センサー等で測定することによって、クローズドループで制御する。これらによって、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との相対位置は、高精度に制御されることになる。なお、ＸＹＺステージ２は、主にＨＦ溶液１０で腐食されないステンレス等の材料を用いて構成されるものとする。さらに、ＨＦ溶液１０によって腐食され得るピエゾトランスレータ等の部品については、フッ素樹脂やポリ塩化ビニル樹脂等のコーティングによって保護されているものとする。
【００２７】
また、Ｓｉ基板１に対する加工を行うためには、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との相対位置を変化させるだけではなく、Ｓｉ針３をＳｉ基板１に接近させることが必要となる。その際には、Ｓｉ針３を走査型近接場光学顕微鏡または原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のプローブとして使用して、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間の距離を測定しながら加工を行うことが考えられる。具体的には、先ず、先端に生成されたエバネセント波がＳｉ基板１に吸収される位置までＳｉ針３を移動し、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間に通電して電解研磨を行う。このとき、電解研磨によってＳｉ基板１の被加工部位はＳｉ針３の先端から遠ざかるので、プローブによって加工位置を測定しながら、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間の距離が一定になるように制御する。被加工部位の深さ等の位置は、例えばＳｉ針３をＡＦＭ探針として使用する場合には、そのＳｉ針３に加わる力で測定できる。Ｓｉ針３に加わる力は、Ｓｉ基板１の被加工部位における光散乱の応力、ファンデルワールス力であり、カンチレバー８の撓みによって測定できる。カンチレバー８の撓みは、光テコやレーザ干渉計で測定できる。そして、測定された撓みの大きさを一定に保つように、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間の距離を変化させながら加工する。このように加工を進めれば、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との接近距離を高精度に制御しつつ、レーザ測長機等による測定値が目標位置に到達したときに加工を終了するといったことも可能になる。
【００２８】
以上に説明したように、本実施形態における微細加工装置および微細加工方法によれば、Ｓｉ針３の先端を尖鋭に形成して、光学系からの光の入射に応じてその先端にエバネセント波が生成されるようにしており、そのエバネセント波でＳｉ基板１に正孔を励起することによって、Ｓｉ針３近傍のみを電解研磨するようになっている。つまり、Ｓｉ針３の先端に生成されたエバネセント波を利用してＳｉ基板１に対する加工を行うため、その加工をＳｉ針３の先端径と同程度の分解能で行うことができる。このエバネセント波の局在領域の大きさは、Ｓｉ針３先端が光波長よりも十分に小さい場合には、光波長には依存せずＳｉ針３の先端の大きさと同程度になる。したがって、加工の細かさに合わせてＳｉ針３の先端形状を決定すれば、ＬＳＩやマイクロオプティックス等で必要となるサブミクロンメートル程度以下の高精度加工を行うことも可能となる。
【００２９】
さらに、本実施形態の微細加工装置および微細加工方法によれば、投影光学系を使用せずに、Ｓｉ針３の先端に局在するエバネセント波を利用しているので、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との相対位置を三次元的に変化させれば、高精度な三次元加工も実現可能となる。その際には、Ｓｉ針３を走査型近接場光学顕微鏡またはＡＦＭのプローブとして使用することが可能であり、これによりＳｉ基板１の表面を測定しながら加工することもできるようになる。
【００３０】
また、本実施形態の微細加工装置および微細加工方法では、被加工物にレジストをコーティングする必要がないので、例えばＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）のような凹凸のある立体的な微小部品であっても、高精度に加工することができる。しかも、被加工物がレジストで覆われないため、加工しようとする位置の観察が容易である。そのため、光学顕微鏡やＡＦＭ、近接場光学顕微鏡等と組み合わせることで、高精度に位置決めして加工することができる。また、ＭＥＭＳ等への追加工も容易である。
【００３１】
なお、本実施形態では、被加工物がｎ型シリコンからなるＳｉ基板１である場合を例に挙げて説明したが、他に炭化ケイ素（ＳｉＣ）やダイヤモンド等の半導体、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の化合物半導体についても、全く同様に加工可能である。また、被加工物と対向する加工用針についても、本実施形態では、ｎ型シリコンからなるＳｉ針３である場合を例に挙げて説明したが、ＨＦ溶液１０で腐食されず、透明であり、導電性がある材料であれば、例えばＳｉＣやダイヤモンド等の半導体、ＧａＡｓ等の化合物半導体、白金（Ｐｔ）等の金属を用いることができる。つまり、本実施形態で説明した微細加工装置および微細加工方法によれば、金属よりも熱膨張率が小さく剛性が高いシリコンやダイヤモンド等を高精度に加工することが可能である。このようにして高精度に加工されたシリコンやダイヤモンド等は、例えば超高精度な金型として使用でき、その金型の使用により高精度なマイクロレンズ等を製作するといったことも可能になる。
【００３２】
さらには、本実施形態で説明した微細加工装置および微細加工方法を用いて、当該微細加工装置および微細加工方法において使用するＳｉ針３を加工する、といったことも考えられる。Ｓｉ針３は、一般的には、例えばｎ型シリコン材に異方性エッチングによる加工を行って形成する。ところが、異方性エッチングでは、形成されたＳｉ針３の形状が角錐状になる。そのため、角錐状先端の稜の部分での光の散乱によって、エバネセント波の減衰や不要な迷光等が生じてしまい、加工精度の低下を招いてしまうおそれがある。これに対して、本実施形態で説明した微細加工装置および微細加工方法を用いてＳｉ針３を加工すれば、そのＳｉ針３の形状を円錐状に加工できるので、エバネセント波の生成の際に光散乱が生じ難くなる。したがって、円錐状に形成されたＳｉ針３を用いれば、被加工物の不要な部分を励起して電解研磨してしまうことがなくなり、結果として加工精度の向上が期待できるようになる。また、本実施形態で説明した微細加工装置および微細加工方法を用いれば、円錐状以外の任意の形状にもＳｉ針３を形成することができる。つまり、被加工物に最適化された形状や、先端に効率的にエバネセント波を生成できる形状等に、Ｓｉ針３の形状を形成することもできる。このような任意のＳｉ針３の形状は、ＦＥＭやＦＤＴＤ法、あるいはビーム伝搬法（ＢＰＭ；ＢｅａｍＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）、による電磁場の解析を行うこと等で特定が可能である。ただし、複雑な形状を加工するためのＳｉ針３や、高効率にエバネセント波を生成できるＳｉ針３等の形状であれば、等間隔な長方形要素しか計算できないＦＤＴＤ法よりも、任意な四角形または三角形要素に分割して計算できるＦＥＭを用いたほうが適しているといえる。
【００３３】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。ここでは、請求項３に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態では、上述した第１の実施の形態との相違点についてのみ説明を行うものとする。したがって、第１の実施の形態と同一の構成要素については、図中において同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３４】
図３は、本発明に係る微細加工装置の第２の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。図例のように、本実施形態で説明する微細加工装置は、集積化された複数のＳｉ針３からなる加工用集積化電極（以下、単に「加工用電極」と記す。）２０を備えたことを特徴とするものである。すなわち、加工用針であるＳｉ針３をアレイ状に多数本集積したものを加工用電極２０として使用する。この加工用電極２０は、その両側に付設された板バネ２１によって支持され、上下方向に変位できるようになっている。そして、加工用電極２０では、第１の実施の形態における場合と同様に、Ｓｉ基板１の被加工部位における光散乱の応力、ファンデルワールス力によって変位するので、この変位量から被加工部位の位置を検出することができる。
【００３５】
このような加工用電極２０に対して、エバネセント波を生成するための光を照射する光学系（以下「加工用光学系」と記す。）と、その変位量を測定するための光学系（以下「変位量測定用光学系」と記す。）とは、以下のように構成することが考えられる。図４は、本発明に係る微細加工装置の第２の実施の形態における光学系の構成例を示す模式図である。図例のように、加工用光学系では、加工用レーザ光の光源５と、そのレーザ光を拡大するビームエクスパンダ２２とを有しており、変位量測定用光学系では、測定用レーザ光の光源２３と、そのレーザ光を拡大するビームエクスパンダ２４とを有している。そして、各々からのレーザ光は、ダイクロイックビームスプリッタ（以下「ＤＢＳ」と記す。）２５で合波されて、加工用電極２０に入射するようになっている。
【００３６】
このとき、変位量測定用光学系では、ビームエクスパンダ２４を経た測定用レーザ光に対し、偏光ビームスプリッタ（以下「ＰＢＳ」と記す。）２６によって光軸方向を変化させ、４分の１波長板（以下「ＱＷＰ」と記す。）２７および参照面２８を透過させて、ＤＢＳ２５まで導く。そして、測定用レーザ光が加工用電極２０で反射されると、その反射レーザ光は、ＰＢＳ２６まで戻ってくる。ただし、反射レーザ光は、ＱＷＰ２７を往復で二回透過しているため、偏光が９０°回転している。そのために、ＰＢＳ２６まで戻った反射レーザ光は、ＰＢＳ２６によって分岐されて、光源２３側ではなく、検出器２９に入射することになる。
【００３７】
検出器２９は、例えば二次元イメージセンサからなるものであり、干渉縞の変位、回転、間隔変化から加工用電極２０の変位、傾斜角を検出するようになっている。ただし、加工用電極２０は、その両側が板バネ２１で支持されている。そのため、加工用電極２０の傾斜は、第１の実施の形態で説明したようなカンチレバーの場合よりも小さいので、無視できる程度に小さければ、傾斜角を測定しなくても良いことは勿論である。なお、加工用電極２０の変位の検出は、公知技術であるサブフリンジ干渉法やヘテロダイン干渉法等を用いて行えばよい。また、光テコによって電極両側の板バネ２１の傾斜角を測定することも考えられる。
【００３８】
一方、加工用光学系では、光源５から出射された加工用レーザ光が、ビームエクスパンダ２２によって拡大されて、加工用電極２０を構成する各々のＳｉ針３に入射することになる。これにより、アレイ状に集積された各Ｓｉ針３の先端からは、第１の実施の形態の場合と全く同様にエバネセント波が染み出す。したがって、そのエバネセント波で被加工物であるＳｉ基板１に正孔が励起され、集積化された各Ｓｉ針３近傍のみで電解研磨が行われることになる。
【００３９】
以上に説明したように、本実施形態における微細加工装置によれば、単なるＳｉ針３ではなく、複数のＳｉ針３が集積化された加工用電極２０を備えているため、一つのＳｉ針３による一筆書き的な加工だけでなく、線状溝を一度に加工したり、複数領域を同時に加工したりすることができる。つまり、加工用電極２０を被加工物の形状に合わせることによって、その被加工物に対する加工を高速に行うことができる。さらには、加工用電極２０を用いた場合であっても、その加工用電極２０は被加工物による光散乱の応力、ファンデルワールス力によって変位するので、この変異量から被加工物の位置を検出でき、加工精度の向上が図れるようになる。
【００４０】
なお、本実施形態では、円錐状に形成されたＳｉ針３がアレイ状に集積化して加工用電極２０を構成する場合を例に挙げて説明したが、加工用電極２０は被加工物に合った形状とすればよい。図５は、第２の実施の形態における他の構成例を示す模式図である。加工用電極２０は、必ずしも円錐状のＳｉ針３が集積化されたものである必要はなく、図例のように、その断面が三角形、四角形、半円等の棒状のものを配列したものであってもよい。この場合であっても、先端から染み出すエバネセント波を利用した高精度加工を行うことが可能となる。しかも、加工用電極２０が棒状であるため、例えばＳｉ基板１上に凹凸構造のグレーティングを加工する場合等、線状の加工を行う場合であっても、その加工を一度に行うことができ、結果として加工の大幅な高速化が期待できる。
つまり、加工用電極２０の形状は、被加工物の形状に合わせたものであればよく、例えば被加工物における加工しようとする箇所が周期的でない場合には、形状の異なるＳｉ針３を集積化する、といったことも考えられる。
【００４１】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。ここでは、請求項４に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１および第２の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１または第２の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
図６および図７は、本発明に係る微細加工装置の第３の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態で説明する微細加工装置は、加工用電極３０の表面に、特定の回折光を励起する分光手段として機能するフォトニック結晶３１が設けられていることを特徴とするものである。
【００４３】
フォトニック結晶とは、一般に光の波長と同程度の周期的な屈折率分布を持ち、光の伝藩や発生を自在に制御できるものをいう。ここで説明するフォトニック結晶３１は、加工用電極３０の表面に設けられた細い溝からなるもので、例えば分光器で使用されるブレーズドグレーティングと同様な構造を有するものである。
【００４４】
また、フォトニック結晶３１が設けられている加工用電極３０の表面は、被加工物の形状に合わせて、その断面が弧を描くように下方に向けて膨出した形状の非球面に形成されている。その非球面状の表面部分に、フォトニック結晶３１が配設されている。
【００４５】
このような加工用電極３０に対し、その上方から光が入射すると、その加工用電極３０における非球面状の表面部分からは、上述した各実施形態の場合と同様に、エバネセント波が染み出す。ただし、この加工用電極３０の表面には、フォトニック結晶３１が設けられている。そのために、エバネセント波の染み出す厚さは、フォトニック結晶３１の溝の周期が光の波長よりも大きければ当該波長程度であるが、溝の周期が光の波長よりも小さいときには、その溝周期と同程度の厚さとなる。つまり、フォトニック結晶３１の溝を微細にすれば、エバネセント波の染み出しを薄くすることができ、結果として高精度な微細加工が可能になる。
【００４６】
また、フォトニック結晶３１が設けられた加工用電極３０の表面は、非球面に形成されている。そのために、その表面から染み出すエバネセント波は、非球面の頂点から外側に向かって伝播するようになる。つまり、非球面の頂点から外側に向かってエバネセント波が進行する。したがって、非球面の頂点に励起光が集光して光強度が周辺部よりも極端に強くなることがなくなり、均一な加工が可能になる。
【００４７】
以上に説明したように、本実施形態における微細加工装置によれば、加工用電極３０の表面にフォトニック結晶３１が設けられているので、そのフォトニック結晶３１の溝周期を光の波長よりも小さくすることによって、電極表面に励起光が染み出す厚さを微細構造の周期程度にすることができ、より一層の高精度な微細加工を行うことが可能になる。
【００４８】
なお、本実施形態では、加工用電極３０の表面にフォトニック結晶３１を設けた場合を例に挙げて説明したが、特定の回折光を励起する分光手段として機能するものであれば、例えば図７に示すように、加工用電極３０の表面に鋸歯形状の微細グレーティング構造３２を設けるようにしてもよく、その場合であってもエバネセント波の染み出しの厚さを小さくすることができる。
【００４９】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。ここでは、請求項５に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第３の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第３の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図８は、本発明に係る微細加工装置の第４の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。図例のように、本実施形態で説明する微細加工装置は、第１〜第３の実施の形態の場合のようにＸＹＺステージ２上に被加工物であるＳｉ基板１をセットして移動させる代わりに、Ｓｉ針３を並進、傾斜または回転のうちの少なくとも一つの移動機能を有したピエゾアクチュエータ４０の先端に取り付け、これによりＳｉ針３を移動させてＳｉ基板１に対する加工を行うことを特徴とするものである。
【００５１】
ピエゾアクチュエータ４０は、その詳細については公知であるため、ここではその説明を省略するが、並進、傾斜または回転のうちの少なくとも一つの移動機能、特に並進移動の機能を備えているものとする。ただし、ピエゾアクチュエータ４０は、高精度な移動には適しているが、長距離の移動には適さない。そこで、第１〜第３の実施の形態の場合と同様に、ピエゾアクチュエータ４０と、Ｓｉ基板１をローラガイドやボールガイドステージで移動させるＸＹＺステージ２とを組み合わせれば、大面積のＳｉ基板１を加工するのに有効である。また、ピエゾアクチュエータ４０そのものを、ＸＹＺステージを用いて移動させることで、大面積のＳｉ基板１に対する加工を可能にしても構わない。
【００５２】
なお、ここでは、ピエゾアクチュエータ４０が移動させる加工用針がＳｉ針３である場合を例に挙げたが、第２または第３の実施の形態で説明した加工用電極２０，３０を移動させるようにしてもよい。つまり、ピエゾアクチュエータ４０が移動させる加工用針には、Ｓｉ針３の他に、加工用電極２０，３０も含まれる。ただし、加工用針が加工用電極２０，３０である場合には、ピエゾアクチュエータ４０は並進移動の他に、傾斜および回転の全６軸についての移動機能を備えていることが望ましい。加工用電極３０では、傾斜または回転の調整が必要になることもあり得るからである。
【００５３】
〔第５の実施の形態〕
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。ここでは、請求項６に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第４の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第４の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
図９は、本発明に係る微細加工装置の第５の実施の形態における概略構成例を示す模式図である。本実施形態で説明する微細加工装置は、Ｓｉ針３がそのＳｉ針３とＳｉ基板１との間の距離を測定するためのプローブとしての機能をも兼ね備えることを特徴とするものである。つまり、Ｓｉ針３とＳｉ基板１との間の距離を測定するために、Ｓｉ針３自体を例えば走査型近接場光学顕微鏡のプローブとして使用するようになっている。
【００５５】
そのために、本実施形態における微細加工装置では、図例のように、光源５およびビームエクスパンダ２２を有する加工用光学系の他に、測定用レーザ光の光源５１と、そのレーザ光を拡大するビームエクスパンダ５２とを有した距離測定用光学系を備えている。そして、光源５からの加工用レーザ光と光源５１からの測定用レーザ光とがＤＢＳ５３で合波されて、Ｓｉ針３に入射するようになっている。なお、加工用レーザ光と測定用レーザ光との合波は、ＤＢＳ５３を使用せずに、例えばＳｉ針３端面で両レーザ光が重なるように入射させる等、他の方法を用いて行ってもよい。
【００５６】
測定用レーザ光の波長としては、Ｓｉ針３での光吸収が小さい８００〜１００００ｎｍ程度がよい。ただし、Ｓｉ針３が測定用レーザ光の波長より小さいことによって生じる減衰を小さくして高い測定感度を得るためには、８００〜１５００ｎｍ程度の波長の測定用レーザ光を使用するほうが望ましい。
【００５７】
また、本実施形態における微細加工装置では、ＸＹＺステージ２がＳｉ基板１の裏面側（加工部位の反対面側）に中空部５４を有しており、さらにはその中空部５４の下方側（Ｓｉ基板１から遠い側）に、フォトディテクタ（以下「ＰＤ」と記す。）５５と、そのＰＤ５５を移動させるＰＤ用ステージ５６とが配設されている。
【００５８】
このような構成の微細加工装置において、Ｓｉ針３がＳｉ基板１に接近すると、加工用光学系からの光入射に応じてＳｉ針３の先端から染み出すエバネセント波の一部が、そのＳｉ基板１中に吸収される。このとき、Ｓｉ基板１の裏面側にはＰＤ５５が配設されている。したがって、Ｓｉ基板１と透過してきた光をＰＤ５５で検出すれば、Ｓｉ基板１での光の吸収量を基に、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間の距離を測定することができる。
【００５９】
以上に説明したように、本実施形態における微細加工装置によれば、Ｓｉ針３が距離測定用のプローブとしての機能をも兼ね備えることから、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間の距離を測定しながらＳｉ基板１に対する加工を行うことができ、結果として高精度な加工が可能になるとともに、凹凸のある立体的な微小部品に対する三次元加工も容易となる。
【００６０】
なお、Ｓｉ針３をプローブとして使用するのは、走査型近接場光学顕微鏡のみならず、ＡＦＭ等であっても適用可能であることは勿論である。
【００６１】
〔第６の実施の形態〕
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。ここでは、請求項７および請求項８に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第５の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第５の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
本実施形態で説明する微細加工装置は、容器１１内のＨＦ溶液１０を、超臨界状態とするための加圧または加熱手段を備えていることを特徴とするものである。超臨界状態とは、液体でも気体でもない、その中間の状態のことをいう。また、ここでいう加圧または加熱には、加圧のみ、加熱のみ、加圧および加熱の両方のいずれが該当する。なお、ＨＦ溶液１０に対する加圧または加熱は、周知技術を利用して実現すればよいため、ここではその詳細な説明を省略する。
【００６３】
ＨＦ溶液１０に対する加圧または加熱を行うと、そのＨＦ溶液１０は、超臨界状態となる。ＨＦ溶液１０が超臨界状態になると、粘性が低下し拡散性が増大する。したがって、超臨界状態のＨＦ溶液１０中では、電解研磨によって発生するＨ_２等の気体を加工部位から排気することが容易となり、また加工部位にＨＦ溶液１０を供給することも容易となる。つまり、電解研磨により発生する気体の排気や加工部位におけるＨＦ溶液１０の交換が効率的に行えるようになる。さらには、発生する気体とＨＦ溶液１０の交換が短時間かつ効率的に行えるので、例えば大型の加工用電極２０，３０を使用した場合であっても、被加工物であるＳｉ基板１または加工用電極２０，３０にＨ_２等の気体が吸着することによって電流の流れが阻害され電解研磨され難くなってしまうといったこと回避し得るようになる。これらのことから、ＨＦ溶液１０を超臨界状態とすれば、気体が不均一に吸着することによって加工が不均一になることがないため、均一で高精度な加工が実現可能になる。
【００６４】
また、超臨界状態では、反応速度が向上するので、加工速度も向上する。このため、光励起により生成した正孔が微細な穴に集中する前に電解研磨が行われるので、微細な穴が成長し難い。したがって、超臨界状態のＨＦ溶液１０中で加工を行えば、加工精度が高くなり、表面の荒れも少なくなる。
【００６５】
このような超臨海状態を実現しやすくするためには、炭酸ガスをＨＦ溶液１０に混合して使用することが考えられる。すなわち、容器１１内のＨＦ溶液１０が炭酸ガスを混入したものであれば、超臨海状態を低圧力で実現できるようになり、より一層容易に高精度かつ高効率な加工を行うことが可能になる。
【００６６】
〔第７の実施の形態〕
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。ここでは、請求項９に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第６の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第６の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６７】
本実施形態で説明する微細加工装置は、容器１１内のＨＦ溶液１０からのガスの気化を抑制するための加圧手段を備えていることを特徴とするものである。加圧手段は、第６の実施の形態で説明した、ＨＦ溶液１０を超臨界状態とするための加圧または加熱手段と兼用してもよいし、あるいはこれとは全く別のものであってもよい。なお、ガス気化抑制のための加圧手段も、周知技術を利用して実現すればよく、ここではその詳細な説明を省略する。
【００６８】
ガス気化抑制のための加圧手段によってＨＦ溶液１０を加圧すれば、電解研磨によって発生するＨ_２等が気化するのを抑制することができる。この電解研磨によって発生するＨ_２等の気体は、被加工物であるＳｉ基板１または加工用電極２０，３０に付着すると、これらの間における電流の流れを阻害してしまい、電界研磨を困難にする要因となってしまう。また、気体は気泡のように集中し易いので、Ｓｉ基板１が均一に加工されずに加工精度が低下してしまい、結果として加工面が荒れた状態になってしまう。したがって、電解研磨によって発生するＨ_２等が気化するのを抑制できれば、電界研磨を均一に行い得るようになり、加工精度が向上して、表面の荒れも減少することになる。さらには、加工時間の短縮も期待できるようになる。
【００６９】
〔第８の実施の形態〕
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１０に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第７の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第７の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７０】
本実施形態で説明する微細加工装置は、被加工物であるＳｉ基板１とＳｉ針３との間にパルス電流を流すことを特徴とするものである。具体的には、例えば電源４にコンデンサおよびスイッチを直列に接続した構成を備えている。この構成によって、電界研磨のための電流がパルス電流となる。パルス電流のパルス幅は、１μｓｅｃ以下が望ましい。
【００７１】
通常、Ｓｉ基板１とＳｉ針３との間では、電界研磨のために電流を流すと、印加した電場がＳｉ基板１における被加工部位表面の微細な突起に集中し、その突起へ電子の集中によって正孔密度が減少する。そのため、被加工部位表面の突起部分は、電界研磨されず残存してしまい、加工精度の低下や表面の荒れの要因となるおそれがある。
【００７２】
これに対して、電界研磨のための電流をパルス電流とすれば、加工電流をパルス化し、突起部分に電子が集中する前に電荷研磨を終了することが可能となる。すなわち、突起部分についても電界研磨されることになり、加工精度の低下や表面の荒れの要因を排除できるようになる。また、このときの加工深さをパルス電流のパルス数で制御でき、更なる加工精度の向上も期待できる。
【００７３】
なお、本実施形態では、コンデンサおよびスイッチを用いてパルス電流を発生させる場合を例に挙げたが、パルスを発生させることができれば、他の構成による電源を用いても構わないことは勿論である。また、パルス電流が流れる加工用針には、Ｓｉ針３の他に、加工用電極２０，３０も含まれる。
【００７４】
〔第９の実施の形態〕
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１１に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第８の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第８の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７５】
本実施形態で説明する微細加工装置は、加工用光学系がＳｉ針３に入射する加工用レーザ光が、パルスレーザであることを特徴とするものである。つまり、Ｓｉ針３中に正孔を励起するための光にパルスレーザ光を使用する。パルスレーザは、周知技術を利用して発生させればよい。例えば、加工用光学系における光源５として、パルスレーザに対応した周知のものを用いる。パルスレーザ光をＳｉ針３に入射すると、Ｓｉ基板１中に正孔が瞬間的に発生し、電界研磨のための電流がパルス状に流れることになる。このときのパルス幅は１μｓｅｃ以下であることが望ましい。
【００７６】
このような構成の微細加工装置では、Ｓｉ針３に入射する加工用レーザ光をパルス化することによって、Ｓｉ基板１における被加工部位表面の突起部分に電子が集中する前に電荷研磨が終了する程度の個数の正孔を瞬間的に励起する。したがって、第８の実施の形態で説明した場合と同様に、突起部分についても電界研磨されることになり、加工精度の低下や表面の荒れの要因を排除できるようになる。また、このときの加工深さをパルス電流のパルス数で制御でき、更なる加工精度の向上も期待できる。
【００７７】
なお、パルスレーザ光が入射される加工用針には、Ｓｉ針３の他に、加工用電極２０，３０も含まれることは、上述した第８の実施の形態の場合と同様である。
【００７８】
〔第１０の実施の形態〕
次に、本発明の第１０の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１２に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第９の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第９の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７９】
本実施形態で説明する微細加工装置は、Ｓｉ針３が、液体および気体を透過する、いわゆるポーラス材料からなることを特徴とするものである。ポーラス材料としては、例えば、Ｓｉ基板を低電流で電解研磨（陽極化成）することによって容易に製作できるポーラスシリコン材（以下、単に「ｐ−Ｓｉ」と記す。）が挙げられる。なお、ｐ−Ｓｉの加工は、上述した各実施形態におけるＳｉ針３等を使用した電解研磨によって行うことも可能である。また、ポーラス材料としては、ｐ−Ｓｉの他にも、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＧａＡｓ等の半導体やＰｔ等の金属を低電流で陽極化成することによって製作された材料を使用してもよい。
【００８０】
このようなｐ−Ｓｉに代表されるポーラス材料を用いてＳｉ針３を形成すれば、ポーラス材料は液体および気体を透過させるので、電界研磨によってＨ_２等の気体が発生した場合であっても、発生した気体を加工部位から排気することが可能になる。したがって、被加工物であるＳｉ基板１の表面への気体の吸着が減少するので、そのＳｉ基板１に対する加工精度が向上し、表面の荒れも低減できる。また、ポーラス材料は液体および気体を透過させることから、Ｓｉ針３の内部へのＨＦ溶液１０の注入、その外部へのＨＦ溶液１０の排出も行えるので、連続的に電解研磨ができるようになる。
【００８１】
なお、ポーラス材料を用いて形成する加工用針には、Ｓｉ針３の他に、加工用電極２０，３０も含まれることは、上述した第８および第９の実施の形態の場合と同様である。特に、大型の加工用電極２０，３０の場合には、ポーラス材料を用いて形成すれば、電界研磨により発生する気体の排出やＨＦ溶液１０の循環が効率的に行えるので、加工速度や加工精度等を向上させる上で非常に有効なものとなる。
【００８２】
〔第１１の実施の形態〕
次に、本発明の第１１の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１３に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第１０の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第１０の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８３】
図１０は、本発明に係る微細加工装置の第１１の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。図例のように、本実施形態で説明する微細加工装置は、加工用電極３０がポーラス材料からなることに加えて、その一部に非貫通穴状に形成されたＨＦ溶液１０の注入経路６１が設けられていることを特徴とするものである。この注入経路６１には、パイプ６２およびポンプ６３が接続されている。そして、そのポンプ６３によって強制的にＨＦ溶液１０が循環するようになっている。
【００８４】
このような構成の微細加工装置では、ポーラス材料からなる加工用電極３０に、ＨＦ溶液１０や発生した気体が流れ易いように非貫通穴状の注入経路６１が設けられており、ポンプ６３によって強制的にＨＦ溶液１０が循環するようになっているため、ＨＦ溶液１０の交換や発生する気体の排気がより一層効率的に行われ、更なる加工速度の向上、加工精度の向上、表面の荒れの減少等が期待できる。
【００８５】
なお、注入経路６１を設ける加工用針には、加工用電極３０の他に、集積化されていないＳｉ針３も含まれるが、特に大型の加工用電極２０，３０の場合に適用すれば、電界研磨により発生する気体の排出やＨＦ溶液１０の循環を効率的に行う上で、非常に有効であるといえる。
【００８６】
〔第１２の実施の形態〕
次に、本発明の第１２の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１４および請求項１５に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第１１の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第１１の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８７】
図１１は、本発明に係る微細加工装置の第１２の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。図例のように、本実施形態で説明する微細加工装置は、Ｓｉ針３または加工用電極２０，３０の表面に、電解研磨で発生する気体の排気を行うための溝７１と、ＨＦ溶液１０の交換を行うための溝７２との少なくとも一方が設けられていることを特徴とするものである。
【００８８】
これらの溝７１，７２によって、微細加工装置では、その溝７１を用いて電解研磨により発生する気体を効率的に排気することができ、また溝７２を用いてＨＦ溶液１０の交換を効率的に行うことができる。したがって、加工速度が向上するのに加えて、Ｓｉ基板１や加工用電極２０，３０等の表面に気体が吸着されるのを防止できるため、加工精度も向上し、表面の荒れを有効に防止できるようになる。
【００８９】
さらには、本実施形態で説明する微細加工装置は、これらの溝７１，７２が、疎水性を有する材料でコーティングされていることを特徴とするものである。疎水性を有する材料としては、シランカップリング剤、フッ素樹脂、フラーレン（炭素同位体）、カーボンナノチューブ（炭素原子が網目の形で結びついてできたナノメートルサイズの非常に小さなチューブ状の物質）等が挙げられる。なお、これらの材料自体はいずれも公知であるため、ここではその詳細な説明を省略する。このように、各溝７１，７２を疎水性を有する材料でコーティングすれば、気体の通過等が非常に容易となるので、より一層の気体の排気やＨＦ溶液１０の交換等の効率化が期待できるようになる。
【００９０】
なお、Ｓｉ針３または加工用電極２０，３０の表面に溝７１，７２があると、その溝７１，７２に対応する部分が電解研磨されなくなってしまう。そのために、溝７１，７２を設けて上述したような効率化を図る場合には、溝位置が異なる１組の加工用電極等を用意し、それぞれの加工用電極等を交代で使用することによって、Ｓｉ基板１の全面について加工を行い得るようにすることが望ましい。また、Ｓｉ基板１の被加工部位の形状が回転対称またはそれに近い形状の場合には、加工用電極等を回転させるようにすることも考えられる。
【００９１】
〔第１３の実施の形態〕
次に、本発明の第１３の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１６および請求項１７に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第１２の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第１２の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００９２】
図１２は、本発明に係る微細加工装置の第１３の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。図例のように、本実施形態で説明する微細加工装置は、Ｓｉ針３または加工用電極２０，３０の表面が、気体吸着機能を有する材料８１でコーティングされていることを特徴とするものである。
【００９３】
気体吸着機能を有する材料８１としては、例えばＣ_６０、Ｃ_７０、Ｃ_２０等のフラーレンやカーボンナノチューブが挙げられる。フラーレンやカーボンナノチューブであれば、電気伝導性があるので、電界研磨のための電流を流すこともできる。これらフラーレンやカーボンナノチューブのコーティングは、真空蒸着やスパッタ等によって行うことができるが、例えばＣＶＤ法といった、その他の方法を用いて行っても構わない。ただし、フラーレンやカーボンナノチューブは、電極等の表面を平滑にするために、分子量が小さいものを使用するほうが望ましい。一般に使用されるＣ_６０やＣ_７０であってもその径は０．７ｎｍ程度であるため高精度な加工が可能であるが、Ｃ_２０等のより低分子量のものを使用することによって、１ｎｍ以下のより高精度な加工を実現することも可能となる。なお、コーティングする材料８１は、フラーレンやカーボンナノチューブのみに限定されるわけではなく、同様な機能を有するものであれば他の材料に置換えても構わない。
【００９４】
このように、Ｓｉ針３または加工用電極２０，３０の表面が、気体吸着機能を有する材料８１でコーティングされた微細加工装置では、電界研磨によってＨ_２等の気体が発生した場合であっても、そのコーティングされた材料８１の気体吸着機能によって、発生した気体を効率的に加工部位から除くことができる。したがって、被加工物であるＳｉ基板１の表面への気体の吸着が減少するので、そのＳｉ基板１に対する加工精度が向上し、表面の荒れも低減できる。
【００９５】
なお、ここでは、フラーレンやカーボンナノチューブといった材料８１を、Ｓｉ針３または加工用電極２０，３０の表面にコーティングした場合を例に挙げて説明したが、これらＳｉ針３や加工用電極２０，３０等の加工用針自体がフラーレンやカーボンナノチューブといった材料８１で形成されていてもよく、その場合であっても、Ｓｉ基板１に対する加工精度が向上し、表面の荒れも低減できるようになる。
【００９６】
しかも、加工用針自体を気体吸着機能を有する材料８１で形成した場合には、その材料８１として、分子量の大きなフラーレンやカーボンナノチューブを使用すれば、ナノメータサイズだけではなく、マイクロメータサイズの加工にも対応可能となる。また、Ｃ_２０等の分子量が小さいフラーレンやカーボンナノチューブを使用することによって、１ｎｍ以下のより高精度な加工も可能となる。
【００９７】
〔第１４の実施の形態〕
次に、本発明の第１４の実施の形態について説明する。ここでは、請求項１８に記載の発明に係る微細加工装置について説明する。ただし、本実施形態でも、上述した第１〜第１３の実施の形態との相違点についてのみ説明を行い、第１〜第１３の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００９８】
本実施形態で説明する微細加工装置は、ＨＦ溶液１０中に気体吸着機能を有する材料が混入されていることを特徴とするものである。気体吸着機能を有する材料としては、第１３の実施の形態において説明したように、フラーレンやカーボンナノチューブが挙げられる。ただし、これらの材料は、疎水性であるため、親水基を付加するか、またはＨＦ溶液１０に界面活性剤を混合して使用することが考えられる。なお、混入する材料は、フラーレンやカーボンナノチューブのみに限定されるわけではなく、同様な機能を有するものであれば他の材料に置換えても構わない。
【００９９】
このように、ＨＦ溶液１０中に気体吸着機能を有する材料が混入された微細加工装置では、第１３の実施の形態の場合と略同様に、電界研磨によってＨ_２等の気体が発生しても、その混入された材料の気体吸着機能によって、発生した気体を効率的に加工部位から除くことができる。したがって、被加工物であるＳｉ基板１の表面への気体の吸着が減少するので、そのＳｉ基板１に対する加工精度が向上し、表面の荒れも低減できる。
【０１００】
〔第１５の実施の形態〕
次に、本発明の第１５の実施の形態について説明する。ここでは、上述した第１〜第１４の実施の形態を適宜組み合わせて得られる微細加工装置について説明する。具体的には、大面積を同時に加工するための微細加工装置であり、被加工物の凹凸を反転した形状の加工用電極を使用して加工する微細加工装置を例に挙げて説明する。
【０１０１】
図１３は、本発明に係る微細加工装置の第１５の実施の形態における概略構成例を示す模式図である。図例は、表面にグレーティング状の溝を形成したシリコン基板を加工用電極９０として使用する場合を示している。このような加工用電極９０を用いた微細加工装置においても、被加工物であるＳｉ基板１に対する加工を行う際には、加工用電極９０のグレーティング表面に生成したエバネセント波を利用して、Ｓｉ基板１に正孔を励起して電解研磨を行う。
【０１０２】
このとき、微細加工装置では、Ｓｉ基板１から漏洩した光をレンズ９２を介して二次元イメージセンサ９３で検出して、加工用電極９０とＳｉ基板１との間隔を測定する。そして、その測定結果に基づき、ＸＹＺステージ２で加工用電極９０を移動させることによって、電荷研磨を行う際の制御を行う。
【０１０３】
一方、加工用電極９０の上方側には、導光機能を有するプリズム９４が透明な接着剤によって装着されている。そして、プリズム９４の加工用電極９０と反対側の面には、そのプリズム９４よりも屈折率が低く透明なフィルム（ただし不図示）が貼付されている。このフィルムがＸＹＺステージ２に真空吸着または静電吸着されることで、加工用電極９０がＸＹＺステージ２上に固定されることになる。
【０１０４】
また、被加工物であるＳｉ基板１は、デフォーマブルホルダ９５に静電吸着または真空吸着されている。デフォーマブルホルダ９５は、その表面形状を変形する機能を有したものである。具体的には、例えばプラスチック等の弾性のある材料からなり、その両面に形成された電極間に電圧を印加することによって、静電気力で厚さが変化するように構成されている。
【０１０５】
このような構成の微細加工装置において、加工用電極９０には、Ｓｉ基板１に吸収されて正孔を励起するための加工用レーザ光と、加工用電極９０とＳｉ基板１との間隔および面内方向位置ずれを測定するための測定用レーザ光とが、それぞれ加工用光学系の光源５および測定用レーザ光の光源９６から同時に入射する。これらの各レーザ光は、各光源５，９６からそれぞれ独立して光ファイバ等でプリズム９４の端面に導かれ、そのプリズム９４に入射する。そして、グレーティングが加工された加工用電極９０の表面とプリズム９４とフィルムの界面の間で全反射を繰り返しながら伝播する。これらの過程を経て、加工用電極９０におけるグレーティングの表面には、両レーザ光のエバネセント波が励起されるのである。
【０１０６】
このとき、加工用レーザ光によるエバネセント波を利用して、Ｓｉ基板１に正孔を励起して電解研磨を行うことは、上述した各実施形態で説明した通りである。一方、測定用レーザ光は、Ｓｉ基板１に加工用電極９０が接近してエバネセント波が漏洩すると、そのＳｉ基板１およびデフォーマブルホルダ９５を透過して、二次元イメージセンサ９３に到達する。そして、二次元イメージセンサ９３では、レンズ９２により被加工面が結像されて、Ｓｉ基板１と加工用電極９０との間隔が二次元の光強度分布として測定される。したがって、この測定結果を基に、加工面内の間隔が一様な分布になるようデフォーマブルホルダ９５でＳｉ基板１を変形させれば、そのＳｉ基板１に対して均一な加工を行い得るようになる。
【０１０７】
図１４は、第１５の実施の形態で説明した微細加工装置によって加工した被加工物の一具体例を示す模式図である。図例のように、本実施形態で説明した微細加工装置を用いれば、先端がナノメータサイズの針をアレイ状に配置したもの、すなわち微細加工装置における加工用電極として用いて好適なものを加工することができる。
【０１０８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る微細加工装置および微細加工方法は、加工用針の先端を尖鋭に形成していることから、その加工用針に光を入射すると、その先端からエバネセント波が染み出すように生成される。したがって、そのエバネセント波で被加工物に正孔を励起し、そのときに加工用針と被加工物との間に電流を流して電解研磨を行うことで、その電解研磨を行う領域を加工用針の先端近傍のみに限定することが可能になる。つまり、加工用針先端に局在するエバネセント波を利用することで、ＬＳＩやマイクロオプティックス等で必要となるサブミクロン程度以下の微細加工を高精度に行うことができ、また高精度な三次元加工も行えるようになる、といった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る微細加工装置の第１の実施の形態における概略構成例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る微細加工装置の第１の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る微細加工装置の第２の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。
【図４】本発明に係る微細加工装置の第２の実施の形態における光学系の構成例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る微細加工装置の第２の実施の形態における他の構成例を示す模式図である。
【図６】本発明に係る微細加工装置の第３の実施の形態における要部の構成例を示す模式図（その１）である。
【図７】本発明に係る微細加工装置の第３の実施の形態における要部の構成例を示す模式図（その２）である。
【図８】本発明に係る微細加工装置の第４の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。
【図９】本発明に係る微細加工装置の第５の実施の形態における概略構成例を示す模式図である。
【図１０】
本発明に係る微細加工装置の第１１の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。
【図１１】
本発明に係る微細加工装置の第１２の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。
【図１２】
本発明に係る微細加工装置の第１３の実施の形態における要部の構成例を示す模式図である。
【図１３】
本発明に係る微細加工装置の第１５の実施の形態における概略構成例を示す模式図である。
【図１４】
第１５の実施の形態で説明した微細加工装置によって加工した被加工物の一具体例を示す模式図である。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板、２…ＸＹＺステージ、３…Ｓｉ針、４…電源、５…光源、１０…ＨＦ溶液、１１…容器、２０，３０，９０…加工用電極、３１…フォトニック結晶、３２…グレーティング構造、４０…ピエゾアクチュエータ、６１…注入経路

Claims

フッ化水素酸を含む溶液の容器と、前記容器内の溶液中にセットされた被加工物と対向する加工用針と、前記被加工物と前記加工用針との間に電流を流すための電源と、前記加工用針に光を入射するための光学系とを備える微細加工装置において、
前記加工用針の先端を尖鋭に形成して、前記光学系からの光の入射に応じて前記先端にエバネセント波が生成されるようにし、前記エバネセント波で前記被加工物に正孔を励起する
ことを特徴とする微細加工装置。
前記被加工物と前記加工用針との相対位置を変化させるため移動機構を備えることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
集積化された複数の加工用針からなる加工用集積化電極を備えることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記加工用集積化電極の表面に分光手段が設けられていることを特徴とする請求項３記載の微細加工装置。
前記加工用針を並進、傾斜または回転のうちの少なくとも一つの移動の機能を有したアクチュエータの先端に取り付けることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記加工用針は、当該加工用針と前記被加工物との間の距離を測定するためのプローブとしての機能をも兼ね備えることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記容器内の溶液を超臨界状態とするための加圧または加熱手段を備えることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記容器内の溶液は、炭酸ガスを混入したものであることを特徴とする請求項７記載の微細加工装置。
前記容器内の溶液からのガスの気化を抑制するための加圧手段を備えることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記電源は、前記被加工物と前記加工用針との間にパルス電流を流すものであることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記光学系は、パルスレーザによる光を前記加工用針に入射するものであることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記加工用針は、液体および気体を透過する材料からなるものであることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記加工用針の一部に前記溶液の注入経路が設けられていることを特徴とする請求項１２記載の微細加工装置。
前記加工用針の表面に気体の排気または前記溶液の交換を行うための溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記溝が疎水性を有する材料でコーティングされていることを特徴とする請求項１４記載の微細加工装置。
前記加工用針の表面が気体吸着機能を有する材料でコーティングされていることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記加工用針自体が気体吸着機能を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
前記溶液中に気体吸着機能を有する材料が混入されていることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。
フッ化水素酸を含む溶液の容器と、前記容器内の溶液中にセットされた被加工物と対向する加工用針と、前記被加工物と前記加工用針との間に電流を流すための電源と、前記加工用針に光を入射するための光学系とを備える微細加工装置を用いて行う、前記被加工物と対する微細加工方法であって、
前記加工用針の先端を尖鋭に形成して、前記光学系からの光の入射に応じて前記先端にエバネセント波が生成されるようにし、前記エバネセント波で前記被加工物に正孔を励起することによって、前記加工用針近傍のみを電解研磨する
ことを特徴とする微細加工方法。