JP2005120393A - 超精密研磨方法及び超精密研磨装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスクラスターイオンビームを被加工物表面に照射することにより、被加工物表面の突起を高精度に除去して形状創成を行う。
【解決手段】ガスクラスターイオンビーム１０を被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、ガスクラスタービーム１０が照射される被加工物１２の表面位置を変えるために照射手段と被加工物１２とを相対的に移動させる移動手段１３，１４と、被加工物１２の表面位置に対し、ガスクラスタービーム１０を照射する照射時間を制御する制御手段１００とを具備する。
【選択図】図１
【解決手段】ガスクラスターイオンビーム１０を被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、ガスクラスタービーム１０が照射される被加工物１２の表面位置を変えるために照射手段と被加工物１２とを相対的に移動させる移動手段１３，１４と、被加工物１２の表面位置に対し、ガスクラスタービーム１０を照射する照射時間を制御する制御手段１００とを具備する。
【選択図】図１
Description
本発明は、光学ガラス素子を成形する成形型等の被加工物表面を研磨するために用いる超精密研磨方法及び超精密研磨装置に関する。
レンズ等の光学ガラス素子には回転軸対称の球面レンズや非球面レンズ等があり、これらを大量生産するためには成形型を使用したプレス成形が有力な加工手段となっている。この場合、成形型によってプレス成形されたレンズの形状精度が悪いと、レンズが組み込まれたカメラ等の光学機器に収差が発生するため、光学機器としては機能が低下する。また、成形型の面粗さが粗面の場合には、成形後のレンズの面粗さも粗面になり、光学機器にフレアーが発生する。このようにレンズのプレス成形においては、レンズの加工精度が重要となっているが、レンズの加工精度を左右するのは、レンズに転写される成形型の表面の形状精度である。
特開平８−１２０４７０号公報には、成形型等の被加工物の表面に対して、ガスクラスターイオンビームを照射することにより、その表面を超精密研磨する方法が開示されている。ガスクラスターイオンビームは被加工物に照射されることによる被加工物との衝突によって壊れ、その際に、クラスター構成原子または分子及び被加工物構成原子または分子と多体衝突が生じ、被加工物の表面に対して水平方向への運動が顕著となる。これにより、被加工物の表面における凸部が主に削られ、原子サイズでの平坦な超精密研磨が可能となるものである。
特開平８−１２０４７０号公報
ガスクラスターイオンビームを構成する１個の原子半径は数Åであるため、これの原子が数百〜数千個集まったクラスターであってもクラスターサイズは数ｎｍ〜数十ｎｍレベルのサイズである。図７に示すように、被加工物の表面に存在する突起ＴのピッチＰがミリ単位である場合、太径である慣用のクラスターイオンビームを被加工物に一様に照射すると、図７のＡ部拡大である図８に示すようにクラスターサイズ程度以下の極小面積では微小凸部が主に削られるため、図９に示すように面粗さは向上できるが、表面全体に存在するミリ単位のピッチＰの突起Ｔについては依然として除去されることがなく、目標形状に対して形状差を修正することができない。その結果、形状精度を向上させることができない問題を有している。
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、被加工物の表面に存在する突起のピッチＰ以下のスポット径に設定したガスクラスターイオンビームであっても、被加工物表面の突起を除去して形状創成を行うことが可能な超精密研磨方法及び超精密研磨装置を提供することを目的とする。また、本発明は、形状創成を行うプロセスにおいて、ガスクラスターイオンビームの加工原理を利用することにより、極小面積における面租さを向上させることが可能な超精密研磨方法及び超精密研磨装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１の発明の超精密研磨方法は、被加工物の表面位置に対して照射するガスクラスターイオンビームの照射時間を制御して被加工物の表面の形状創成及び研磨を行うことを特徴とする。
請求項１の発明では、被加工物の表面位置に応じてガスクラスターイオンビームの照射時間を制御するため、被加工物の表面状態に応じた研磨を行うことができ、被加工物の形状創成及び表面の突起を除去することが可能となる。
請求項２の発明の超精密研磨方法は、被加工物の表面形状と被加工物の目標形状との形状差及びガスクラスターイオンビームの照射ドーズ量に対するスパッタリング深さのデータに基づいて被加工物の表面位置に対するガスクラスタービームの照射時間を算出する工程と、算出された照射時間に基づいて、ガスクラスタービームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させることにより被加工物の表面の形状創成及び研磨を行う工程と、を有することを特徴とする。
請求項２の発明では、ガスクラスターイオンビームの照射時間を予め算出し、被加工物の表面位置によりガスクラスターイオンビームの照射時間を変化させるため、被加工物の表面状態に応じた研磨を行うことができる。このため、高精度の研磨を行うことができる。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の超精密研磨方法であって、前記ガスクラスタービームの照射方向が被加工物の表面に対して垂直であることを特徴とする。
請求項３の発明では、ガスクラスターイオンビームを被加工物の表面に対して垂直に照射するため、被加工物表面の面粗さを向上させることができる。
請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載の超精密研磨方法であって、前記ガスクラスタービームの照射方向と被加工物の表面とが常に垂直になるように、ガスクラスタービームの照射手段と前記被加工物とを相対的に揺動させることを特徴とする。
請求項４の発明では、ガスクラスターイオンビームの照射手段と被加工物とを揺動させることにより、ガスクラスタービームの照射方向を被加工物の表面と垂直になるように制御するため、凸形状、凹形状等の複雑な被加工物の表面に応じた研磨を行うことができる。
請求項５の発明の超精密研磨装置は、ガスクラスターイオンビームを被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、ガスクラスタービームが照射される被加工物の表面位置を変えるために、前記照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、被加工物の表面位置に対し、ガスクラスタービームを照射する照射時間を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
請求項５の発明は、移動手段が照射手段と被加工物とを相対的に移動させ、制御手段が照射手段の照射時間を制御するため、被加工物の表面状態に応じた研磨を行うことができ、これにより被加工物の形状創成及び表面の突起を除去することができる。
請求項６の発明の超精密研磨装置は、ガラスクラスターイオンビームを被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、ガスクラスタービームが照射される被加工物の表面位置を変えるために、前記照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、被加工物の表面形状と被加工物の目標形状との形状差及びガスクラスタービームの照射ドーズ量に対するスパッタリング深さのデータに基づいて被加工物の表面位置に対するガスクラスタービームの照射時間を算出する算出手段と、算出手段で算出された照射時間に基づいて前記移動手段を制御して、ガスクラスタービームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させる制御手段と、を具備することを特徴とする。
請求項６の発明では、算出手段がガスクラスタービームの照射時間を算出し、制御手段が被加工物の表面位置によってガスクラスターイオンビームの照射時間を変化させるため、被加工物の表面状態に応じた研磨を行うことができる。
請求項７の発明は、請求項５または請求項６に記載の超精密研磨装置であって、前記照射手段から照射されるガスクラスタービームの照射方向と被加工物の表面とが常に垂直になるように照射手段と被加工物とを相対的に揺動させる揺動手段をさらに具備することを特徴とする。
請求項７の発明は、揺動手段がガスクラスターイオンビームの照射手段と被加工物とを揺動させることにより、これらが垂直となるように制御されるため、凸形状、凹形状等の複雑な被加工物の表面に応じた研磨を行うことができる。
本発明の超精密研磨方法によれば、被加工物の表面位置に応じてガスクラスターイオンビームの照射時間を制御して研磨を行うため、被加工物の形状精度を高精度化することができると共に、面粗さを向上させることができる。
本発明の超精密研磨装置によれば、ガスクラスターイオンビームの照射手段と、照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、ガスクラスタービームを照射する照射時間を制御する制御手段とを有しているため、被加工物の表面位置に応じたガスクラスターイオンビームの照射を制御することができ、これにより、被加工物の形状精度を高精度化することができると共に、面粗さを向上させることができる。
以下、本発明を図示する実施の形態により具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。
（実施の形態１）
図１は、本発明の超精密研磨に用いるガスクラスターイオンビーム加工装置を示す。
図１は、本発明の超精密研磨に用いるガスクラスターイオンビーム加工装置を示す。
ガスクラスターイオンビーム加工装置は、ソース部１と、差動排気部２と、イオン化部３との３つのチャンバーによって構成されていると共に、制御部１００に接続されている。これらのチャンバー内においては、イオンビーム照射前の準備として不純物ガス、水、酸素及び窒素等を極力俳除する必要があり、このため不図示のポンプにより所望の真空度まで減圧されるようになっている。
ソース部１の内部には、ノズル部４及びスキマー５が配置される。ノズル４には不図示のガスボンベから０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスが供給される。このガスとしては、例えばアルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、ＳＦ６ガス、ヘリウムガスの他、炭酸ガスあるいは２種以上を混合したガスを用いることができる。このような高圧ガスが超音速でノズル４から噴出する瞬間の断熱膨張によってガスクラスターが生成され、次に、スキマー５を通過してガスクラスターのビーム径が整えられる。
差動排気部２には、ガスクラスタービーム１０を開閉するシャッター１８が配設されている。ソース部１を出たときのガスクラスタービーム１０は中性ビームであるが、差動排気部２を経由してイオン化部３に入り、イオン化部３内のタングステンフィラメント６の熱電子の衝突によってイオン化される。従って、ガスクラスターを生成するノズル部４及び熱電子の衝突によってイオン化を行うタングステンフィラメントとによって照射手段が構成される。
ガスクラスターイオンビーム１０は、次に加速電極７により加速される。このとき、慣用ガスクラスターイオンビーム１０の径は数〜数十ｍｍ程度であるため、グランド電極８の形状の変更と、第三電極９とグランド電極８の距離の変更とにより、ガスクラスターイオンビーム１０が安定して細く絞れる最適条件に設定する。
さらに、これらの下流側には、アパーチャ１１が配置されている。アパーチャ１１は、ガスクラスターイオンビーム１０を所望のスポット径とするものである。このアバーチャ１１は板材に穴を開けるだけの簡単な構造なため、数十μｍ〜数十ｍｍまでスポット径を任意に且つ高精度に設定することができる。アパーチャ１１の下流側には、被加工物としての平面成形型１２がその表面がガスクラスターイオンビーム１０の入射方向に対して垂直になるように配設されている。
平面成形型１２はガスクラスターイオンビーム１０の入射方向と平方な回転軸を中心として回転可能な回転手段としての回転ステージ１３に搭載されている。回転ステージ１３は紙面に対して前後方向（回転ステージ１３の回転軸に対して垂直なＸ軸方向（図５参照））に移動可能なＸ軸ステージ１４に搭載されている。
回転ステージ１３及びＸ軸ステージ１４には、不図示のサーボモータあるいはステッピングモータが搭載されており、制御手段としての制御部１００により制御自在となっている。この回転ステージ１３及びＸ軸ステージ１４とによって、移動手段が構成されている。
Ｘ軸ステージ１４の側面には、Ｙ軸ステージ１５が取り付けられている。Ｙ軸ステージ１５は、回転ステージ１３の回転軸及びＸ軸ステージ１４のＸ軸のそれぞれに対して垂直なＹ軸方向への位置調整が可能となっており、このＹ軸ステージ１５を調整することによりガスクラスターイオンビーム１０の高さ位置を調整することが可能となっている。Ｙ軸ステージ１５は不図示のネジによって手動微調整が可能あるいはサーボモータ、ステッピングモータによる自動微調整が可能となっている。回転ステージ１３、Ｘ軸ステージ１４及びＹ軸ステージ１５は、ベース１７上に固定されているブラケット１６に搭載されている。
制御部１００は、制御手段を構成するものであり、算出手段としての算出部１０２と、記憶部１０３とを有している。この制御部１００に対しては制御プログラムを作成することが可能となっている。そして、作成した制御プログラムによって、回転ステージ１３とＸ軸ステージ１４を駆動させることができる。干渉計１０１は、測定手段を構成するものであり、平面成形型１２の表面形状を測定し、そのデータを制御部１００に送出する。
次に、以上の装置による平面成形型１２の加工を行う前に必要な準備について図１〜図５により説明する。
まず、干渉計１０１を用い、加工する平面成形型１２の全面形状における表面の位置に対する突起高さを測定する。図２は、測定した突起高さの一例を示し、Ｂ部は高く、Ｃ部は低くなっている。Ｂ部の高さは約０．２μｍ、Ｃ部の高さは約０．０５μｍであり、Ｂ部とＣ知の差は約０．１５μｍとなる。従って、形状精度はＰＶ（ｐｅａｋ ｔｏ ｖａｌｌｅｙ）値：約０．１５μｍとなる。このＰＶ値を小さくすることにより形状精度を向上させることができる。
そして、予め記憶部１０３に記憶されている目標形状と干渉計１０１の測定結果により得られた突起高さおよび突起位置の点列データを使用して制御プログラムを作成する。また、この測定結果によって突起の水平断面の面積が判明するため、この突起の面積よりも小さいアパーチャ１１を選定してガスクラスターイオンビーム１０のスポット径を設定する。
次に、照射位置が動かない状態のガスクラスターイオンビーム１０と平面形状を有する平面成形型１２の中心位置とを一致させる。このとき、ガスクラスターイオンビーム１０の高さ方向についてはＹ軸ステージ１５を手動あるいはサーボモータやステッピングモータによる自動での操作により移動させる。一方、水平方向についてはＸ軸ステージ１４を不図示のサーボモータやステッピングモータを駆動して移動させる。
また、突起を除去するために必要な照射ドーズ量をあらかじめ実験データとして把握しておく。図３は、この実験データの一例を示す。同図は、平面成形型を固定し、アパーチャ１１の穴径を約３０００μｍとして、照射ドーズ量が３×１０１６（ｉｏｎｓ／ｃｍ）のガスクラスターイオンビーム１０を一点に照射したときのビーム加工痕である。この測定は、測定子を接触させた状態で走査させ、形状や面粗さを測定する計測器（フォームクリサーフ）により算出することができる。図３において、横軸はビーム加工痕の測定位置であり、縦軸はその測定位置でのスパッタリング深さを示す。また、この実験は、照射ドーズ量が９×１０１６（ｉｏｎｓ／ｃｍ２）の場合も示しており、図４は、その結果をグラフにプロットしたものである。この結果より、照射ドーズ量に対するスパッタリング深さは比例関係となっていることが確認できる。また、ガスクラスターイオンビームの特長としては大量の原子を低速で輸送できるため、クラスターが有しているエネルギーが低くなり、表面に損傷を与えず微量のスパッタリングができ、これにより細かなスパッタリング深さ制御が可能となる。
この実施の形態による加工法では、以下に示す関係式が成り立つものである。
照射時間＝（照射ドーズ量×照射面積×電気素量ｅ）／（検出イオン電流量）…式（１）
照射時間＝（照射ドーズ量×照射面積×電気素量ｅ）／（検出イオン電流量）…式（１）
従って、突起高さ分を除去する場合には、平面成形型１２の表面位置におけるスパッタリング深さを設定し、そのときの照射ドーズ量を算出部１０２により図４のグラフに基づいて算出し、式（１）により照射時間を決定することにより可能となる。
研磨を行う加工方法の実際について説明すると、ガスクラスターイオンビーム１０が平面成形型１２の外周近傍に照射できるようにＸ軸ステージ１４を移動する。その後、シャッター１８を開けてガスクラスターイオンビーム１０を照射する。平面成形型１２の形状創成を行うために回転ステージ１３を回転させ、Ｘ軸ステージ１４を移動させてガスクラスターイオンビーム１０の照射を行う。このとき、上述したように、突起の高さと位置が事前に分かっており、ガスクラスターイオンビーム１０を照射する際は突起を除去するのに必要な分だけのガスクラスターイオンビーム１０を照射する。
図５は、ガスクラスターイオンビーム１０の照射方法を示す。まず平面成形型１２の外周部に回転ステージ１３を回転させながら照射し、突起位置に達したとき低速回転とする、あるいは回転を停止することにより、照射の滞留時間を制御部１００で制御して、所望の形状になるように突起を除去する。
１周の照射が完了した後、ガスクラスターイオンビーム１０が中心方向に照射できるようにＸ軸ステージ１４をＸ軸方向に移動する。図５には、このときの移動量を移動ピッチ１９で示してある。そして、上述と同様に、回転ステージ１３を制御しながら回転させる。以上のサイクルを繰り返して行うことにより、平面成形型１２の全面の形状創成を行う。
この実施の形態では、形状創成を行うプロセスにおいて、ガスクラスターイオンビーム１０の加工原理を利用して、極小面積における面粗さを向上させることができる。すなわち、クラスターは原子あるいは分子が緩く結合された状態であり、クラスターが被加工物である平面成形型１２に垂直に衝突した場合、クラスターが飛散してクラスターによりはじき飛ばされた被加工物１２の粒子が水平方向に飛散して堆積される。その結果、面粗さを向上させることが可能となるラテラルスパッタリング効果を利用するものである。
このような実施の形態によれば、事前に測定した平面成形型１２の突起の高さ及び位置のデータに基づき、ガスクラスターイオンビーム１０の加工プロセスにより、突起を選択的に除去する。このため、平面成形型１０の形状精度の向上を図ることができる。また、ガスクラスターイオンビーム加工の加工原理をもちいることにより、極小面積における面粗さを向上させることも可能となる。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２を示す。この実施の形態では、被加工物として、凸形状の球面成形型２０に対する加工を行うものである。
図６は本発明の実施の形態２を示す。この実施の形態では、被加工物として、凸形状の球面成形型２０に対する加工を行うものである。
ガスクラスターイオンビーム１０は球面成形型２０の表面に垂直に照射できるように揺動手段としての揺動ステージ２１を回転ステージ１３に設け、揺動ステージ２１を介して球面成形型２０を保持する。揺動ステージ２１は球面成形型２０の表面形状に合わせて制御できる制御機能を具備するものである。
この実施の形態では、球面成形型２０の表面形状に対して、常時、ガスクラスターイオンビーム１０が垂直に照射できるように揺動ステージ２１を傾き制御する。そして、傾き制御を行いながら、実施の形態１と同様に、回転ステージ１３を回転させ、Ｘ軸ステージ１４を移動させながら、ガスクラスターイオンビーム１０を球面成形型２０に照射して選択的に突起を除去し、形状創成を行う。
このような実施の形態では、実施の形態１の効果に加え、揺動ステージ２１を設けることによって、凸形状の球面成形型２０の形状精度及び面粗さの向上を行うことことが可能となる効果を有している。また、この実施の形態では、凸形状だけでなく凹形状に対する加工や、球面成形型だけでなく非球面成形型への加工も可能となる。
１ ソース部
２ 作動排気部
３ イオン化部
１０ ガスクラスターイオンビーム
１２ 平面成形型
２ 作動排気部
３ イオン化部
１０ ガスクラスターイオンビーム
１２ 平面成形型
Claims (7)
- 被加工物の表面位置に対して照射するガスクラスターイオンビームの照射時間を制御して被加工物の表面の形状創成及び研磨を行うことを特徴とする超精密研磨方法。
- 被加工物の表面形状と被加工物の目標形状との形状差及びガスクラスターイオンビームの照射ドーズ量に対するスパッタリング深さのデータに基づいて被加工物の表面位置に対するガスクラスタービームの照射時間を算出する工程と、
算出された照射時間に基づいて、ガスクラスタービームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させることにより被加工物の表面の形状創成及び研磨を行う工程と、
を有することを特徴とする超精密研磨方法。 - 前記ガスクラスタービームの照射方向が被加工物の表面に対して垂直であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超精密研磨方法。
- 前記ガスクラスタービームの照射方向と被加工物の表面とが常に垂直になるように、ガスクラスタービームを照射する照射手段と、前記被加工物とを相対的に揺動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超精密研磨方法。
- ガスクラスターイオンビームを被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、
ガスクラスタービームが照射される被加工物の表面位置を変えるために、前記照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、
被加工物の表面位置に対し、ガスクラスタービームを照射する照射時間を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする超精密研磨装置。 - ガラスクラスターイオンビームを被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、
ガスクラスタービームが照射される被加工物の表面位置を変えるために、前記照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、
被加工物の表面形状と被加工物の目標形状との形状差及びガスクラスタービームの照射ドーズ量に対するスパッタリング深さのデータに基づいて被加工物の表面位置に対するガスクラスタービームの照射時間を算出する算出手段と、
算出手段で算出された照射時間に基づいて前記移動手段を制御してガスクラスタービームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させる制御手段と、
を具備することを特徴とする超精密研磨装置。 - 前記照射手段から照射されるガスクラスタービームの照射方向と被加工物の表面とが常に垂直になるように照射手段と被加工物とを相対的に揺動させる揺動手段をさらに具備することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の超精密研磨装置。
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