【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオンや電子のビームを照射して微細な３次元形状を加工するための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料に対する微細な形状を加工する要望が高くなっている。かかる微細形状加工手段として、電子ビーム描画装置が知られているが、これによる加工方法は、マスクを加工し，加工された部分をエッチング加工により除去するいわば２．５次元の加工しかできない問題があった。
【０００３】
しかも、電子ビーム描画装置はビームのエネルギーが極めて弱いため，材料を直接加工することができない。このため，電子ビームで加工できる高分子材料を材料表面に塗布し、その塗布面に対して平面図形を電子描画し，電子線が当たった部分を現像処理して除去し，その後，現像処理により除去された部分の材料を露出させ、溶媒等のエッチング処理剤で材料をエッチング加工していくという煩雑で時間と手間のかかる工程が必要であった。
【０００４】
他の加工手段として、集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）が知られている。この装置は、材料を直接加工できるメリットがあるが，従来では、加工できる形状は２．５次元形状や２．５次元を組み合わせた疑似３次元形状であり、任意の３次元曲面加工を実現できないという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、ＦＩＢによる形状加工は，切削工具等による機械的な加工方法と異なり，工具先端の座標値で制御することはできない．そこで既存のＦＩＢ装置では，１点におけるビームの滞在時間に比例して除去量はほぼ一定であるとの考えをもとにして、その座標におけるビーム滞在時間の累積値を加工深さに見立てて、加工深さの制御をおこなっている。しかし、ビームの強度、ビームのスポット径により深さ方向の加工精度は当然異なるため、１点ごとを所望深さに加工したり、加工領域全体を所望の形状に加工することは困難であった。
【０００６】
また，既存のＦＩＢ装置では，一定強度のビームで加工を行うことは可能であっても，除去量が多い場合でも，最終的に微細形状を得るためには，ビーム強度を弱くして，スポット径の小さな弱いビームを用いて，はじめから加工を行わなければならないため，加工時間が長くなる問題があった。
【０００７】
また，ＦＩＢによる加工は，加工対象の面が平面であるか傾斜面であるかの違いにより，同じ強度のビームを用いても，その除去される量には大きな違いが生じるが、従来では、加工対象の面がビームスキャンごとにどのような傾斜面なのかを加工作業の開始前に測定しておき、それに基づいてビーム滞在時間のスケジュールを立てて制御しないと所望の深さを除去加工することができなかった。
【０００８】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、ダイヤモンドなど任意の材料の表面に３次元の微細形状を高精度に加工することができ、微細な３次元表面を有する金型や微細径の工具などの製作に好適なビーム照射による３次元加工装置および加工方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、高速で３次元の微細形状加工を行えるビーム照射による３次元加工装置および加工方法を提供することにある。
【００１０】
さらに本発明の目的は、傾斜面を有していても精度よく３次元の微細形状加工を行えるビーム照射による３次元加工装置および加工方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のビーム照射による３次元加工装置は、イオンまたは電子のビームを用いて３次元形状の除去加工を行う微細３次元加工置であって，該装置が、ビーム照射装置本体と、照射ビーム本体の照射ビーム近傍に２個所以上に配され、前記ビーム照射装置本体による加工点から放出される２次イオンまたは２次電子を計測して加工面の３次元形状情報を送出する複数個の２次検出器と、前記複数個の２次検出器からの加工形状計測情報に基きビームの座標およびその座標でのビーム滞在時間を制御する手段を備えていることを特徴ことを特徴としている。
好適には、前記装置は３次元座標データ作成のためのＣＡＤ／ＣＡＭとリンクしている
【００１２】
また本発明のビーム照射による３次元加工方法は、イオンまたは電子のビームを用いて３次元形状の除去加工を行うにあたり、ビーム照射装置本体と、照射ビーム近傍に２個所以上に配された複数個の２次検出器と、前記複数個の２次検出器からの加工形状計測情報からビームの座標およびその座標でのビーム滞在時間を制御する手段を備えた装置を用い、照射ビームによる加工の途中に、加工点から放出される２次イオンまたは２次電子を２カ所以上の前記２次電子検出器で同時に取り込むことにより加工面の３次元形状の情報を計測し，さらに２回以上の前記加工面の形状計測情報から各加工座標におけるビームの加工加速度を計測し、これから残された加工距離に対する加工時間を算出して所望の深さ方向位置までビーム加工することを特徴としている。
【００１３】
好適には、ビーム照射による３次元加工方法は、加工初期はビーム強度を高くして高速な除去加工を行い、順次ビーム強度を下げて行なう。また、加工対象材料を回転または傾斜させながら行なう
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１ないし図３は本発明によるビーム照射による３次元加工装置の概要を示している。１は真空チャンバーであり、バルブ１１を介して真空ポンプ１０に接続されている。２は前記真空チャンバー１に配置されたビーム照射装置本体であり、集束イオンビーム装置または電子ビーム加工装置が用いられる。
３は加工用のワークであり、ビーム照射装置本体２と対峙する関係位置にあるステージ４に配置される。
【００１５】
前記ビーム照射装置本体２は、それ自体は公知であり、鏡筒内に、図１（ｂ）のように、ガリウムイオン源２０と、集束レンズ２１と、ブランキング電極２２と、絞り２３と、８極収差補正電極２４と、対物レンズ２５と、走査偏向器２６を備え、先端から前記ワーク３にイオンビームまたは電子ビーム（以下ビームという）５が照射され、それにより除去加工が行われるようになっている。
【００１６】
ビーム照射装置本体２は、前記走査偏向器２６によってビーム５がＸ、Ｙの両座標で自由に移動され、ワーク３の所望の位置や領域でのビーム５の走査で、所望形状が加工されるようになっている。
ステージ４は、ワーク３を傾けてもビーム加工点５０を中心として傾斜され、またワーク３の回転を行なっても加工点が同じ位置を維持するようにするため、好適には、図２のように、支持用部体４ａと、これを上下移動させる移動用部体４ｂと、これを支えつつ３６０度の円弧軌跡上で移動する傾斜用部体４ｃを組み合わせたユーセントリック機構からなっている。支持用部体４ａはそれ自体が回転させられるようなっているかあるいは移動用部体４ｂによって回転させられるようなっている。
【００１７】
６、６’はビーム加工中に放出される２次イオンまたは２次電子を捕えて検出し、加工面（加工された面）の深さを監視するための複数個の２次検出器である。
前記各２次検出器６，６’は、ビーム照射装置本体２のビーム照射位置すなわち加工点５０に常に検出面が臨むように、ビーム照射装置本体２の鏡筒２ａあるいは真空チャンバー１のフレームに固定されている。信号出力側は後述するコンピュータに接続されている。
【００１８】
２次検出器６，６’が２個である場合、通常相互に９０度変位した位置あるいは１８０度対称位置に配される。２次検出器６，６’でそれぞれの方向に発生したイオンまたは電子の差を取ることにより、照射イオンまたは電子線に対するワーク加工面の傾斜角が計算され、それを積分することにより形状測定が行なわれる。すなわち、原理的には、表面傾斜角θにおける２つの検出器Ｌ，Ｒからの２次イオン強度ないし２次電子強度をａ、ｂ、垂直照射における２次イオン強度ないし２次電子強度をそれぞれｌｎ、ｒｎとし、ｋを比例定数とすると、ｔａｎθ＝ｋ（Ｌ２−Ｒ２）／（Ｌｎ２＋Ｒｎ２）が成り立つことを利用するのである。
【００１９】
７はビーム照射装置本体２に付属するコントローラとしてのコンピュータであり、制御装置７ａとモニター７ｂを備え、制御装置７ａは、図３のように、希望する３次元加工形状データを作成するＣＡＤ機能部と、このＣＡＤデータをもとに加工データ、すなわちを荒加工形状データ、仕上げ加工形状データおよびビーム軌跡を作成するＣＡＭ機能部を有する。
【００２０】
また、制御装置７ａは、前記ＣＡＭ機能部で作成された加工データと前記２次検出器６，６’からの検出信号に基いて実際のビーム照射装置本体２を駆動制御するために、形状測定機能部および加工速度算出機能部と、ビーム制御機能部およびワーク制御機能部を有している。これらはハードウエアおよび／またはソフトウエアの形式で構築されている。
【００２１】
形状測定機能部および加工速度算出機能部は前記２次検出器６，６’からの３次元形状情報の信号を受けて、ビーム座標、その座標でのビーム滞在時間、残存する加工距離に対する加工時間の算出などの各種計算を行う。
ビーム制御機能部は、加工データに基いてビーム照射装置本体２のＸ軸方向移動装置８とＹ軸方向移動装置９に信号を送ってビーム位置と滞在時間を制御するとともに、ビーム照射装置本体２のイオン銃または電子銃に信号を送ってビーム強度（加速電圧）の制御を行い、かつ形状測定機能部および加工速度算出機能部からの信号で前記ビーム位置と、滞在時間またはビーム強度を調整する。滞在時間とビーム強度は加工深さに関係するパラメータであり、通常は、一連の加工途中でのビーム強度（加速電圧）は一定として行なう。
アンダーカット部は、加工データあるいは形状測定機能部および加工速度算出機能部からの信号に応じてステージ４に信号を送ってワーク３の位置と傾斜角を制御するためのものである。
【００２２】
なお、図示するものは本発明の単なる例であり、これに限定されるものではない。
１）ビーム照射装置本体２のビーム５とワーク３は相対移動させることが必要であり、加工精度上、通常、ビーム照射装置本体２のビームをＸ，Ｙ軸方向に移動させるが、機械精度がよい場合などにおいては、ワーク（ステージ）をＸ，Ｙ軸方向あるいは更にＺ軸方向、チルト方向などに移動させるようにしてもよい。
２）２次検出器６，６’は２個に限らず、３個あるいは４個でもよい。
【００２３】
３）本発明はＣＡＤおよびＣＡＭとリンクし、加工用データを作成するが、それらは必ずしもビーム照射装置本体２に付属するコンピュータ７の内部で行なわれる場合に限定されず、図３の仮想線のように、別のコンピュータで作成し、ネット上または他の媒体を介してデータ（ＣＡＤデータ、ＣＡＤ変換データ、ＣＡＭデータ、点群データなど）の受け渡しを行なってもよい。
４）本発明は、所望の材質、たとえばダイヤモンド、ｃＢＮ，ＤＬＣ，ルビー、サファイア、金属、セラミックなどの表面に微細な３次元形状を加工するのに好適であり、加工対象製品としては、たとえば金型、微細径の工具、各種部品、工芸品、装飾品などがあるが、これに限られるものではない。
【００２４】
次に、実施例の装置による３次元加工方法を説明すると、基本的には、ビーム照射装置本体２によりビーム５をワーク３に照射しつつ、ビーム５をＸ、Ｙの両座標で走査させるとともに、必要に応じてステージ４を動かしてワーク３の位置と傾斜角等を制御する。
【００２５】
３次元曲面加工を行うためには，加工ビーム５がワーク３に照射されている時間を制御する。図７はこれの原理を示しており、（ａ）はワーク３の元の状態を示している。Ｐはビームのピッチであり、（ｂ）、（ｃ）のようにワーク３に対する加工ビーム５００と５０１において，加工ビーム５００の滞在時間をＴ１とし、加工ビーム５０１のそれをＴ２とし、Ｔ１に比べてＴ２が長い場合は，加工ビーム５０１の除去量が多くなる。本発明は、この加工量の差を利用して曲面の加工を行うもので、図では段差があるが、実際にはビームの径が細いため段差は問題とならない。
【００２６】
加工面のビーム照射回数は，形状が比較的浅い加工であれば、図６（ａ）のように１回の走査でよく，深い場合には、除去加工された“かす”が１度の加工では加工部位から除去されずに残る傾向が強いため、図６（ｂ）のように複数回に分けて加工する方が加工面に加工かすが残らず良好な面となる。走査は、図５（ａ）のようにジグザグ状でもよいし、スパイラル状でもよい。後者はステージ４を動かしてワーク３を回転させることで実現できる。
【００２７】
本発明は、通常、図４に示すプログラムによって遂行されるもので、ＣＡＤ／ＣＡＭにより作成されたデータにより、はじめは強度の強いビームによる荒加工を想定してＣＡＤ／ＣＡＭにより荒加工データを作成し，それに基いてビーム制御機能部により強いビームによる高速度の除去加工を行い，その後スポット径の小さな弱いが精度の良いビームに切り替え，加工面の微細な仕上げ加工を行う。さらに，ＣＡＤ／ＣＡＭとリンクさせることにより，設計変更に対応することが可能になる。
【００２８】
しかも、本発明は、ビーム照射装置本体２に２個以上の２次検出器６，６’を付属させており、ビーム加工と同時に加工中に放出される２次イオンあるいは２次電子を検出し、加工面の加工深さを監視するとともに、その検出結果に基いてビーム位置と、滞在時間またはビーム強度を調整し、また、ステージ４に信号を送ってワーク３の位置と傾斜角を制御する。
【００２９】
詳述すると、ビーム加工においてビーム先端の座標を計測しながら加工を行うことができれば高精度な加工が実現する。このビーム加工位置を検出するためには，ビームを走査させて２個以上の２次電子検出器により形状データの差分から３次元形状データーを算出しなければならないため，原理的に停止しているビーム加工位置を検出することはできない。
機械加工では工具の先端位置は機械を移動させない限り一定位置を保つが、ビーム５により除去加工を行う場合には、ビーム５を移動させなくともビーム５が照射される時間によって除去が進行する。さらにビームを平面に照射した場合と傾斜面に照射した場合では除去能率が異なる。これらが高精度に３次元形状に加工することが困難な要因であった。
【００３０】
そこで、本発明は、ビーム加工において，傾斜面を含む目的の形状を加工するために，加工途中において、加工に使用しているビームから放出される２次電子，２次イオンなどを複数個の検出器６，６’により面形状を計測し，その差分から各座標での深さを計測する。しかも、かかる面形状の計測を２回以上行ない、これら２回の面形状計測により，傾斜面を含む各座標における加工加速度を求め，最終目的形状に加工するための各座標の加工エネルギー，すなわち各座標の滞在時間を予測して加工を行うのである。
【００３１】
詳細に説明すると．図８（ａ）に示すＦ４を加工目標の形状とする。この形状はＣＡＤによる荒加工の目的の形状としてもよいし，荒加工を必要としない場合は最終的な形状としてもよい。
いま、Ｆ１で示す加工前の平坦形状から，加工ビームの滞在時間またはビーム強度を変化させてＦ２の形状まで深さＡを加工したとする。まず、この時点で加工面のビームスキャンを行い，位置に対する加工深さを計測するために、２次検出器６，６’により面全体の加工形状を計測する。この時には、形状計測ビームによる加工を避けるためビーム強度を弱めるとよい。
さらに同じ加工条件（ビーム滞在時間および加工時間Ｔ）で加工を進め、Ｆ３まで深さＢを加工したとする。同様に２回加工後のＦ３の状態での面全体の加工形状を計測する．
これら２回の除去加工によるＦ２の加工速度（ｖ１＝ｄＡ／ｄｔ）およびＦ３の加工速度（ｖ２＝ｄＤ／ｄｔ）の差に基づき、加工速度算出機能部で、各座標に対して，加工加速度｛（ｖ２−ｖ１）／ｄｔ｝を算出する。求めた加工加速度をもとに，残りの加工代Ｅに対する加工時間を予測し，ビーム制御機能部によりこの後のビーム滞在時間を変化させて目標の加工量となるように制御を行う。
【００３２】
特にビーム加工において、平坦部と傾斜部では，同じ強度のビームでも除去速度が異なり，傾斜部では除去量が多くなるため，傾斜部を含む除去加工において，形状を計測することが必須となる．
上記の加工が荒加工の場合には，図８（ｂ）に示すように，仕上げ代分Δｔに対して，さらにビームの強度を弱くして，すなわちビーム５のスポット径を小さくして仕上げ加工を行う。ただし、このΔｔに対しても，ビームが変化したため，上述した２回以上の加工を行い，同様に各座標に対する加工加速度を算出して仕上げ加工を行う。
【００３３】
なお、２次検出器６，６’による計測時には、ビームによる除去加工が行われない程度までビーム強度を弱くしてスキャンを行なうことが好ましい。
加工された面を計測する回数は２回以上の加工として記述したが，これは、初期の平面に対して１回の加工を行い，その差から加工加速度を予測することは可能であるが，加工加速度を予測するには精度が悪いので，２回以上の除去加工を行っているためである。したがって、本発明は、１回の加工を含めないわけではない。
【００３４】
また、加工形状において、図９（ｂ）のように製品が凹部３２にアンダーカット３３を有する場合には、通常ではビーム加工を行なえない。この場合には、図９のように、ステージ４を傾斜させ、アンダーカット予定部３３０をビーム５と正対させる制御を行なえばよい。これは、ＣＡＤ／ＣＡＭ機能によりアンダーカット部を検出し、それにもとづいてビーム制御機能部からの信号で照射装置本体２を動かし、アンダーカット予定部に到った時にワーク制御機能部からの信号でステージ４を傾斜させることで自動的に加工することができる。
【００３５】
図１０は本発明の装置と方法による加工形状例としての微細ドリルを示しており、ワーク３を回転させつつ斜線部分を照射ビームにより除去して、図１０（ａ）のように先端のとがった軸部３ａを有する素体３Ａを加工し、次いで軸部３ａにビームを照射させつつ素体３Ａを回転し、ビームの滞在時間を制御して溝部の加工を行い、図１０（ｂ）のような製品３Ｂを得るのである。
【００３６】
【実施例】
本発明を適用して能面形状を集束イオンビームで加工した。加工形状のＣＡＤデータを図１１と図１２に示す。わかりやすくするため、図では実際よりも１０倍程度粗くして示している。
１）ワーク条件は、材種：合成ダイヤモンド単結晶、寸法：２×１．５×０．５ｍｍである。
２）加工データ数は８３０×６００点（座標値：４９８０００点）、加工寸法は１５×１０ミクロンの範囲、加工ピッチは１０ミクロン／６００点すなわち１７ｎｍとした。
３）加工ビームの加速電圧は４０ｋＶ，加工電流は０．０８ｎＡ、加工ビーム走査回数は１４００とした。加工時間は４．２時間であった。
【００３７】
ビーム加工に当たっては、２個の２次検出器により面全体の加工形状を計測し、加工前の平坦形状Ｆ１から，加工ビームの滞在時間またはビーム強度を変化させてＦ２の形状までの深さを加工し、この時点で加工面のビームスキャンを行い，２次検出器により面全体の加工形状を計測した。さらに同じ加工条件で加工を進め、Ｆ３まで深さを加工し、この状態での面全体の加工形状を計測し、これら２回の除去加工による加工速度の差に基づき、各座標に対して，加工加速度を算出し、求めた加工加速度をもとに，残りの加工代に対する加工時間を予測し，この後のビーム滞在時間を変化させて目標の加工量となるように制御を行った。
この、加工形状測定結果（ラインプロファイル）を図１２に示す。Ｆ２は１時間ビーム加工後、Ｆ３は２時間ビーム加工後、Ｆ４は４．２時間後の最終加工状態である。この最終加工寸法は、ＣＡＤデータに対して１００ｎｍ以内の高い加工精度であることが確認された。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項１によるときには、直接材料をビームで加工するときに、照射ビーム本体の照射ビーム近傍の２個所以上に、ビーム照射装置本体のビームによる加工点から放出される２次イオンまたは２次電子を計測して加工面の３次元形状情報を送出する複数個の２次検出器を配し、ビーム加工の途中で位置を検出し、ビームの加工状況を予測してビームを制御するため，高精度な微細３次元加工を行うことができ、これにより，加工材料を限定することなく，表面に微細な３次元表面を有する金型や微細径の工具など各種製品を製作することが可能となる。しかも、計測専用の電子ビーム照射装置を増設しないですむので、装置を安価にすることができるというすぐれた効果が得られる。
【００３９】
請求項２によれば、３次元座標データーの作成にあたり，ＣＡＤ／ＣＡＭとリンクしているので，設計された形状データを元に微細３次元形状に除去加工及び設計変更に対応することができるというすぐれた効果が得られる。
請求項３によれば、請求項１の効果に加えて、傾斜面に対して加工を行う場合に，同じ強度，同じ滞在時間のビームで加工しても加工の速度が徐々に加工速度が早くなるため，目的の深さ加工することは困難となる問題を解消し、精度良く加工することができるというすぐれた効果が得られる。
請求項４によれば、高速に微細形状加工ができるというすぐれた効果が得られる。
請求項５によれば、アンダーカット部を有する形状を自動的に形状精度よくビームで加工することができるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明によるビーム照射による３次元加工装置の概要を示す正面図、（ｂ）はビーム照射装置本体の構造説明図である。
【図２】本発明によるビーム照射による３次元加工装置のステージを示す正面図である。
【図３】本発明装置の制御系統図である。
【図４】本発明によるビーム照射による３次元加工方法の加工工程を例示するチャート図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明方法でのビーム走査例を示す平面図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は本発明方法での加工状態例を示す断面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、３次元加工の原理を示す説明図である。
【図８】（ａ）は加工ビームが１種類の場合の制御方法を示す説明図、（ｂ）は加工ビームを２種類使用し、２回目の加工をビーム径の小さな加工ビームで仕上げ加工を行う場合の制御方法を示す説明図である。
【図９】（ａ）はアンダーカット部を有する製品のビーム加工法を示す説明図、（ｂ）は製品の断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明により微細工具を加工するときの加工状態を示す説明図、（ｂ）は加工完了状態の側面図である。
【図１１】（ａ）と（ｂ）は本発明により金型加工を行った場合のＣＡＤデータ図である。
【図１２】加工形状測定結果を示すプロファイル図である。
【符号の説明】
２ ビーム照射装置本体
３ ワーク
４ ステージ
５ ビーム
６、６’ ２次検出器
７ 制御手段（コンピューター）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and method for processing a fine three-dimensional shape by irradiating a beam of ions or electrons.
[0002]
[Prior art]
There is an increasing demand for processing fine shapes for materials. As such a fine shape processing means, an electron beam drawing apparatus is known. However, the processing method using this method has a problem that only a 2.5-dimensional processing can be performed by processing the mask and removing the processed portion by etching. there were.
[0003]
In addition, since the electron beam lithography apparatus has extremely weak beam energy, the material cannot be directly processed. For this reason, a polymer material that can be processed by an electron beam is applied to the surface of the material, a plane figure is electronically drawn on the coated surface, and the portion hit by the electron beam is developed and removed. A complicated and time-consuming process of exposing the removed material and etching the material with an etching treatment agent such as a solvent is required.
[0004]
As another processing means, a focused ion beam processing apparatus (FIB) is known. This device has the merit that it can directly process the material, but conventionally, the shape that can be processed is a 2.5D shape or a pseudo 3D shape that combines 2.5D, and any 3D curved surface processing cannot be realized. There was a problem.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
That is, the shape processing by FIB cannot be controlled by the coordinate value of the tool tip, unlike the mechanical processing method by a cutting tool or the like. Therefore, in the existing FIB apparatus, based on the idea that the removal amount is almost constant in proportion to the stay time of the beam at one point, the accumulated value of the stay time of the beam at that coordinate is regarded as the machining depth. The processing depth is controlled. However, since the processing accuracy in the depth direction naturally varies depending on the beam intensity and the beam spot diameter, it is difficult to process each point to a desired depth or to process the entire processing region into a desired shape. .
[0006]
In addition, in the existing FIB apparatus, even if it is possible to perform processing with a beam having a constant intensity, even if the removal amount is large, in order to finally obtain a fine shape, the beam intensity is reduced and the spot is reduced. There was a problem that the processing time was long because processing had to be performed from the beginning using a weak beam with a small diameter.
[0007]
In addition, in FIB processing, even if beams having the same intensity are used depending on whether the surface to be processed is a flat surface or an inclined surface, the amount to be removed varies greatly. It is measured before the start of the processing operation what kind of inclined surface the processing target surface is for each beam scan, and if it is not controlled based on the schedule of the beam residence time, the desired depth is removed and processed I couldn't.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems. The object of the present invention is to process a three-dimensional fine shape on the surface of an arbitrary material such as diamond with high precision. Another object of the present invention is to provide a three-dimensional processing apparatus and processing method using beam irradiation suitable for manufacturing a mold having a three-dimensional surface or a tool having a fine diameter.
[0009]
Another object of the present invention is to provide a three-dimensional processing apparatus and processing method using beam irradiation that can perform three-dimensional fine shape processing at high speed.
[0010]
It is a further object of the present invention to provide a three-dimensional processing apparatus and processing method by beam irradiation that can accurately process a three-dimensional fine shape even if it has an inclined surface.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a three-dimensional processing apparatus using beam irradiation according to the present invention is a fine three-dimensional processing apparatus that performs removal processing of a three-dimensional shape using an ion or electron beam, and the apparatus is a beam irradiation apparatus. It is arranged at two or more places near the irradiation beam of the main body and the irradiation beam main body, and secondary ions or secondary electrons emitted from the processing point by the main body of the beam irradiation apparatus are measured and the three-dimensional shape information of the processing surface is transmitted. A plurality of secondary detectors, and means for controlling the beam coordinates and the beam dwell time at the coordinates based on machining shape measurement information from the plurality of secondary detectors. It is a feature.
Preferably, the apparatus is linked to CAD / CAM for creating three-dimensional coordinate data.
The three-dimensional processing method using beam irradiation according to the present invention includes a beam irradiation apparatus main body and a plurality of two or more disposed near the irradiation beam when performing three-dimensional shape removal processing using an ion or electron beam. And a device comprising means for controlling the beam coordinates and the beam dwell time at the coordinates based on the machining shape measurement information from the plurality of secondary detectors. In addition, the secondary ion or secondary electron emitted from the processing point is simultaneously captured by two or more secondary electron detectors to measure the three-dimensional shape information of the processing surface, and the processing is performed two or more times. Measure the beam machining acceleration at each machining coordinate from the surface shape measurement information, calculate the machining time for the remaining machining distance and process the beam to the desired depth direction position. It is characterized.
[0013]
Preferably, in the three-dimensional processing method by beam irradiation, the beam intensity is increased at the initial stage of the processing to perform high-speed removal processing, and the beam intensity is sequentially decreased. Also, it is performed while rotating or tilting the material to be processed.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 to 3 show an outline of a three-dimensional processing apparatus using beam irradiation according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a vacuum chamber, which is connected to a vacuum pump 10 via a valve 11. Reference numeral 2 denotes a main body of a beam irradiation apparatus disposed in the vacuum chamber 1, and a focused ion beam apparatus or an electron beam processing apparatus is used.
Reference numeral 3 denotes a workpiece for processing, which is disposed on the stage 4 at a position facing the beam irradiation apparatus main body 2.
[0015]
The beam irradiation device body 2 is known per se, and in the lens barrel, as shown in FIG. 1B, a gallium ion source 20, a focusing lens 21, a blanking electrode 22, a diaphragm 23, An octupole aberration correction electrode 24, an objective lens 25, and a scanning deflector 26 are provided, and the workpiece 3 is irradiated with an ion beam or an electron beam (hereinafter referred to as a beam) 5 from the tip, thereby performing removal processing. It has become.
[0016]
In the beam irradiation apparatus main body 2, the beam 5 is freely moved in both X and Y coordinates by the scanning deflector 26, and a desired shape is processed by scanning the beam 5 at a desired position or region of the workpiece 3. It is like that.
Even if the workpiece 3 is tilted, the stage 4 is tilted about the beam machining point 50, and the machining point is maintained at the same position even when the workpiece 3 is rotated. Furthermore, the support part 4a, the moving part 4b that moves the support part 4a up and down, and the tilting part 4c that moves on a 360 degree arc locus while supporting the support part 4a are used. The supporting member 4a is rotated by itself or is rotated by the moving member 4b.
[0017]
6 and 6 'are a plurality of secondary detectors for capturing and detecting secondary ions or secondary electrons emitted during beam processing and monitoring the depth of the processed surface (processed surface). .
Each of the secondary detectors 6, 6 ′ is mounted on the lens barrel 2 a of the beam irradiation apparatus body 2 or the frame of the vacuum chamber 1 so that the detection surface always faces the beam irradiation position of the beam irradiation apparatus body 2, that is, the processing point 50. It is fixed. The signal output side is connected to a computer described later.
[0018]
When there are two secondary detectors 6 and 6 ', they are usually arranged at positions displaced by 90 degrees or symmetrical positions by 180 degrees. By taking the difference between the ions or electrons generated in the respective directions by the secondary detectors 6 and 6 ′, the inclination angle of the workpiece processing surface with respect to the irradiated ions or electron beams is calculated, and the shape measurement is performed by integrating the tilt angle. Done. That is, in principle, the secondary ion intensity or secondary electron intensity from the two detectors L and R at the surface inclination angle θ is a and b, and the secondary ion intensity or secondary electron intensity in vertical irradiation is ln. , Rn and k is a proportionality constant, the fact that tan θ = k (L 2 −R 2 ) / (Ln 2 + Rn 2 ) holds is used.
[0019]
Reference numeral 7 denotes a computer as a controller attached to the beam irradiation apparatus main body 2, which includes a control device 7 a and a monitor 7 b, and the control device 7 a creates a desired three-dimensional machining shape data as shown in FIG. And a CAM function unit for creating machining data, that is, rough machining shape data, finishing machining shape data, and a beam locus based on the CAD data.
[0020]
In addition, the control device 7a measures the shape in order to drive and control the actual beam irradiation device main body 2 based on the processing data created by the CAM function unit and the detection signals from the secondary detectors 6 and 6 ′. It has a function part, a processing speed calculation function part, a beam control function part, and a workpiece control function part. These are built in the form of hardware and / or software.
[0021]
The shape measurement function unit and the processing speed calculation function unit receive the signal of the three-dimensional shape information from the secondary detectors 6 and 6 ′, and the processing time for the beam coordinates, the beam stay time at the coordinates, and the remaining processing distance. Various calculations such as calculation of.
The beam control function unit sends a signal to the X-axis direction moving device 8 and the Y-axis direction moving device 9 of the beam irradiation apparatus main body 2 based on the processing data to control the beam position and the staying time, and the beam irradiation apparatus main body 2 The beam intensity (acceleration voltage) is controlled by sending a signal to the ion gun or electron gun, and the beam position, dwell time or beam intensity is adjusted by signals from the shape measurement function unit and processing speed calculation function unit . The staying time and the beam intensity are parameters related to the machining depth, and the beam intensity (acceleration voltage) during a series of machining is usually fixed.
The undercut part is for sending a signal to the stage 4 in accordance with machining data or signals from the shape measurement function part and the machining speed calculation function part to control the position and tilt angle of the workpiece 3.
[0022]
In addition, what is illustrated is only an example of the present invention, and is not limited thereto.
1) The beam 5 of the beam irradiation apparatus main body 2 and the workpiece 3 need to be moved relative to each other, and the beam of the beam irradiation apparatus main body 2 is usually moved in the X and Y axis directions for processing accuracy. In a good case, the work (stage) may be moved in the X and Y axis directions, or further in the Z axis direction, tilt direction, and the like.
2) The number of secondary detectors 6 and 6 'is not limited to two, but may be three or four.
[0023]
3) The present invention is linked with CAD and CAM to create processing data. However, they are not necessarily limited to being performed inside the computer 7 attached to the beam irradiation apparatus main body 2, and the virtual lines in FIG. As described above, the data (CAD data, CAD conversion data, CAM data, point cloud data, etc.) may be exchanged on a network or via another medium.
4) The present invention is suitable for processing a fine three-dimensional shape on the surface of a desired material, for example, diamond, cBN, DLC, ruby, sapphire, metal, ceramic, etc. There are molds, fine-diameter tools, various parts, crafts, ornaments, etc., but this is not a limitation.
[0024]
Next, a three-dimensional machining method using the apparatus of the embodiment will be described. Basically, while the beam 5 is irradiated onto the workpiece 3 by the beam irradiation apparatus main body 2, the beam 5 is scanned in both X and Y coordinates. If necessary, the stage 4 is moved to control the position and inclination angle of the workpiece 3.
[0025]
In order to perform three-dimensional curved surface processing, the time during which the processing beam 5 is irradiated on the workpiece 3 is controlled. FIG. 7 shows the principle of this, and (a) shows the original state of the workpiece 3. P is the pitch of the beam. As shown in (b) and (c), in the machining beams 500 and 501 with respect to the workpiece 3, the stay time of the machining beam 500 is T1, and that of the machining beam 501 is T2. When T2 is long, the removal amount of the machining beam 501 increases. In the present invention, the curved surface is processed by utilizing this difference in processing amount, and there is a step in the figure. However, since the beam diameter is actually thin, the step does not matter.
[0026]
The number of beam irradiations on the processing surface may be one scan as shown in FIG. 6A if the shape is relatively shallow, and if it is deep, the removed “debris” is processed once. However, since there is a strong tendency to remain without being removed from the processing site, the processing surface is processed with a plurality of times as shown in FIG. The scanning may be zigzag as shown in FIG. 5A or spiral. The latter can be realized by moving the stage 4 and rotating the workpiece 3.
[0027]
The present invention is normally executed by the program shown in FIG. 4, and based on data created by CAD / CAM, rough machining data is first created by CAD / CAM assuming rough machining by a strong beam. Based on this, high-speed removal processing with a strong beam is performed by the beam control function unit, and then the beam is switched to a weak but accurate beam with a small spot diameter, and the processed surface is finely finished. Furthermore, it is possible to cope with design changes by linking with CAD / CAM.
[0028]
Moreover, in the present invention, two or more secondary detectors 6 and 6 'are attached to the beam irradiation apparatus main body 2 to detect secondary ions or secondary electrons emitted during processing simultaneously with the beam processing. The processing depth of the processing surface is monitored, the beam position, the staying time or the beam intensity is adjusted based on the detection result, and the signal and the tilt angle of the workpiece 3 are controlled by sending a signal to the stage 4. .
[0029]
More specifically, high-precision machining can be realized if the machining can be performed while measuring the coordinates of the beam tip in the beam machining. In order to detect this beam processing position, the beam is scanned and three-dimensional shape data must be calculated from the difference in shape data by two or more secondary electron detectors. The beam processing position cannot be detected.
In machining, the tip position of the tool is maintained at a constant position unless the machine is moved. However, in the case where removal processing is performed with the beam 5, the removal progresses depending on the irradiation time of the beam 5 without moving the beam 5. Further, the removal efficiency differs between when the beam is irradiated on a flat surface and when the inclined surface is irradiated. These are factors that make it difficult to process into a three-dimensional shape with high accuracy.
[0030]
Therefore, the present invention provides a plurality of secondary electrons, secondary ions, etc. emitted from a beam used for processing during processing in order to process a target shape including an inclined surface in beam processing. The surface shape is measured by the detectors 6 and 6 ′, and the depth at each coordinate is measured from the difference. In addition, the measurement of the surface shape is performed twice or more, the processing acceleration at each coordinate including the inclined surface is obtained by these two surface shape measurements, and the processing energy of each coordinate for processing into the final target shape, that is, each Processing is performed by predicting the stay time of coordinates.
[0031]
Explain in detail. Let F4 shown in FIG. 8A be the shape of the machining target. This shape may be a target shape for roughing by CAD, or may be a final shape when roughing is not required.
Assume that the depth A is processed from the flat shape before processing indicated by F1 to the shape of F2 by changing the stay time or beam intensity of the processing beam. First, a beam scan of the machining surface is performed at this time, and the machining shape of the entire surface is measured by the secondary detectors 6 and 6 ′ in order to measure the machining depth with respect to the position. At this time, it is preferable to weaken the beam intensity in order to avoid processing by the shape measurement beam.
Furthermore, it is assumed that the processing is advanced under the same processing conditions (beam stay time and processing time T) and the depth B is processed up to F3. Similarly, the machining shape of the entire surface in the state of F3 after machining twice is measured.
Based on the difference between the machining speed of F2 (v1 = dA / dt) and the machining speed of F3 (v2 = dD / dt) due to these two removal processes, the machining speed calculation function unit performs machining acceleration for each coordinate. {(V2-v1) / dt} is calculated. Based on the obtained machining acceleration, the machining time for the remaining machining allowance E is predicted, and the beam control function unit performs control so that the beam stay time thereafter is changed to reach a target machining amount.
[0032]
Especially in beam processing, the removal rate differs between the flat part and the inclined part even with the same intensity beam, and the removal amount increases in the inclined part. Therefore, it is essential to measure the shape in the removing process including the inclined part.
When the above-described machining is rough machining, as shown in FIG. 8B, the beam intensity is further reduced with respect to the finishing allowance Δt, that is, the spot diameter of the beam 5 is made smaller. I do. However, since the beam also changes with respect to Δt, the above-described machining is performed twice or more, and the machining acceleration for each coordinate is similarly calculated to perform the finishing machining.
[0033]
Note that, at the time of measurement by the secondary detectors 6 and 6 ′, it is preferable to perform scanning while reducing the beam intensity to such an extent that removal processing by the beam is not performed.
The number of times the machined surface is measured is described as two or more machining operations. This is because it is possible to perform machining once on the initial plane and predict machining acceleration from the difference. This is because the removal acceleration is performed twice or more because the accuracy in predicting the machining acceleration is poor. Thus, the present invention is not without a single process.
[0034]
Further, in the processed shape, when the product has the undercut 33 in the concave portion 32 as shown in FIG. 9B, the beam processing cannot normally be performed. In this case, as shown in FIG. 9, the stage 4 may be inclined and the undercut scheduled portion 330 may be controlled to face the beam 5. This is because the undercut portion is detected by the CAD / CAM function, and the irradiation device body 2 is moved based on the signal from the beam control function portion based on the detected undercut portion. Processing can be automatically performed by inclining the stage 4.
[0035]
FIG. 10 shows a fine drill as an example of a machining shape by the apparatus and method of the present invention, and the oblique line portion is removed by the irradiation beam while rotating the workpiece 3, and the tip is sharpened as shown in FIG. 10 (a). The element body 3A having the shaft portion 3a is processed, then the element body 3A is rotated while irradiating the shaft portion 3a with the beam, and the groove portion is processed by controlling the stay time of the beam, as shown in FIG. The product 3B is obtained.
[0036]
【Example】
The present invention was applied to process the active surface shape with a focused ion beam. The CAD data of the machining shape is shown in FIGS. In order to make it easy to understand, in the figure, it is shown about 10 times rougher than actual.
1) Work conditions are material type: synthetic diamond single crystal, dimensions: 2 × 1.5 × 0.5 mm.
2) The number of processed data was 830 × 600 points (coordinate value: 498000 points), the processed dimensions were in the range of 15 × 10 microns, and the processed pitch was 10 microns / 600 points, ie 17 nm.
3) The acceleration voltage of the machining beam was 40 kV, the machining current was 0.08 nA, and the machining beam scan count was 1400. The processing time was 4.2 hours.
[0037]
In beam processing, the processing shape of the entire surface is measured by two secondary detectors, and the depth from the flat shape F1 before processing to the shape of F2 by changing the stay time or beam intensity of the processing beam. The processed surface was scanned at this point, and the processed shape of the entire surface was measured by a secondary detector. Furthermore, processing is performed under the same processing conditions, the depth is processed up to F3, the processing shape of the entire surface in this state is measured, and based on the difference in processing speed between these two removal processing, The machining acceleration was calculated, the machining time for the remaining machining allowance was predicted based on the obtained machining acceleration, and control was performed so that the beam stay time after that was changed to the target machining amount.
The machining shape measurement result (line profile) is shown in FIG. F2 is a final processing state after beam processing for 1 hour, F3 is a beam processing for 2 hours, and F4 is a final processing state after 4.2 hours. This final processing dimension was confirmed to have a high processing accuracy within 100 nm with respect to CAD data.
[0038]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention described above, when the material is directly processed by the beam, the secondary material emitted from the processing point by the beam of the beam irradiation apparatus main body is emitted to two or more positions in the vicinity of the irradiation beam of the irradiation beam main body. A plurality of secondary detectors that measure ions or secondary electrons and send the 3D shape information of the processed surface are arranged, the position is detected during beam processing, the beam processing status is predicted, and the beam is Because of the control, high-precision fine three-dimensional machining can be performed, thereby producing various products such as molds having a fine three-dimensional surface on the surface and tools with fine diameters without limiting the work material. It becomes possible. In addition, since it is not necessary to add an electron beam irradiation device dedicated to measurement, an excellent effect that the device can be made inexpensive can be obtained.
[0039]
According to the second aspect, since the CAD / CAM is linked to the creation of the three-dimensional coordinate data, it is possible to cope with the removal processing and the design change to the fine three-dimensional shape based on the designed shape data. Excellent effect is obtained.
According to the third aspect, in addition to the effect of the first aspect, when processing is performed on an inclined surface, the processing speed is gradually increased even if processing is performed with beams having the same intensity and the same staying time. Therefore, it is possible to solve the problem that it is difficult to machine the target depth and to obtain an excellent effect that machining can be performed with high accuracy.
According to the fourth aspect, it is possible to obtain an excellent effect that fine shape processing can be performed at high speed.
According to the fifth aspect, it is possible to obtain an excellent effect that a shape having an undercut portion can be automatically processed with a beam with high shape accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a front view showing an outline of a three-dimensional processing apparatus using beam irradiation according to the present invention, and FIG. 1B is a structural explanatory view of a beam irradiation apparatus main body.
FIG. 2 is a front view showing a stage of a three-dimensional processing apparatus using beam irradiation according to the present invention.
FIG. 3 is a control system diagram of the device of the present invention.
FIG. 4 is a chart illustrating processing steps of a three-dimensional processing method by beam irradiation according to the present invention.
FIGS. 5A and 5B are plan views showing an example of beam scanning in the method of the present invention. FIGS.
6A and 6B are cross-sectional views showing examples of processing states in the method of the present invention.
FIGS. 7A, 7B, and 7C are explanatory views showing the principle of three-dimensional processing. FIGS.
FIG. 8A is an explanatory diagram showing a control method when one type of machining beam is used, and FIG. 8B is a diagram showing a method of using the two types of machining beams and finishing the second machining with a machining beam having a small beam diameter. It is explanatory drawing which shows the control method in the case of performing.
9A is an explanatory view showing a beam processing method of a product having an undercut portion, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the product.
10A is an explanatory view showing a machining state when machining a fine tool according to the present invention, and FIG. 10B is a side view of the machining completion state.
FIGS. 11A and 11B are CAD data diagrams when die machining is performed according to the present invention. FIG.
FIG. 12 is a profile diagram showing a processing shape measurement result.
[Explanation of symbols]
2 Beam irradiation apparatus main body 3 Work 4 Stage 5 Beam 6, 6 'Secondary detector 7 Control means (computer)
