JP2005177878A

JP2005177878A - 微細３次元凸形状体の作成方法

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Publication number: JP2005177878A
Application number: JP2003418618A
Authority: JP
Inventors: Masao Murakawa; 正夫村川; Hiroyuki Noguchi; 裕之野口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】マイクロアレーレンズなどで代表される一つの面上に多数の微細な３次元凸形状が配されたような製品を、比較的短時間で能率よく作成することができる方法を提供する。
【解決手段】マイクロレンズアレーなどの微細３次元凸形状体を得るにあたり、第１工程として除去速度および除去面積の大きな加工法にて凸形状加工予定箇所以外の被加工材部分を除去加工して粗凸形状部を有する一次加工品を作り、第２工程として、一次加工品の個々の粗凸形状部に対してビーム加工法により３次元加工を行う。
【選択図】図５

Description

本発明はマイクロレンズアレーなどの微細な寸法の３次元凸形状体を作成する方法に関する。

微細な寸法の３次元凸形状製品たとえばマイクロアレーレンズなどの光学部品、多数個取り雄金型などを工業的に製作加工する要望が高まっている。
従来、微細形状加工方法として、微細に絞ったイオンビームを用いて試料をスパッタリング加工する集束イオンビーム加工方法が知られている。しかし、ブロック状あるいは板状の試料から一つ一つ凸形状を除去加工することになるため、多数個の加工には多大な時間がかかり、製作コストが高くなるという問題があった。
また、コンピュータを利用して平面データを作成し、それを加工データとして加工するようにしているので、実際上は３次元形状とならず、せいぜい２．５次元の加工を行えるにとどまるという問題もあった。

本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、マイクロアレーレンズなどで代表される一つの面上に多数の微細な３次元凸形状が配されたような製品を、比較的短時間で能率よく作成することができる方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記目的に加えて、精度のよい３次元凸形状を得ることができる方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、微細３次元凸形状体を得るにあたり、除去速度および除去面積の大きな加工法にて凸形状加工予定箇所以外の被加工材部分を除去加工して粗凸形状部を有する一次加工品を作り、次いで一次加工品の個々の粗凸形状部に対してビーム加工法により３次元加工を行うことを特徴としている。

本発明の好適なビーム加工工程は、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２次電子検出器を用い、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次電子または２次イオンを前記２カ所以上の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（ビーム加工第１方法）。

また、本発明は、一次加工品の粗凸形状部に対するビーム加工を行うにあたり、加工すべき凸形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割してＸＹＺ座標の点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御することを特徴としている（ビーム加工第２方法）。

また、本発明は、一次加工品の粗凸形状部に対するビーム加工を行うにあたり、加工すべき凸形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御することを特徴としている。（ビーム加工第３方法）

本発明によるときには、ビーム加工のベースとなる凸形状部分を残して３次元加工を必要としない部分を短時間に除去加工し、その後ビーム加工法により個々の凸形状部分に対して３次元加工を行って仕上げるので、多数の微細な凸形状を有する製品を、短時間で能率よく作成することができ、コストの低減を図ることができる。このため、たとえば、光を利用して微小な記録されたデーターを読み出すためのＤＶＤなどの高密度化対応ダイヤモンド製マイクロ凸レンズアレーやレンズを、簡単に低コストで製作することが可能となる。

ビーム加工工程において、第１加工方法を採用した場合には、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停止時間を制御するため，高精度な微細３次元形状を加工することができる効果が得られる。
また、ビーム加工工程において、第２加工方法または第３加工方法を採用した場合には、電子ビーム照射系の付加と言った特別な手段を持ちいずとも、３次元の微細形状を簡単にかつ比較的精度よく加工することができる効果が得られる。
なお、微細な３次元形状を加工する対象製品としては、マイクロ凸レンズアレーやレンズで代表される光学系あるいは非光学系の各種部品のほか、雄雌で組をなす金型などがある。

以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明すると、図１ないし図４は、本発明の第１工程を示している。
図１において、３は被加工材であり、単結晶（ダイヤモンド，ルビー，シリコンなど）や、金属、アモルファス金属、ｃＢＮ，ＤＬＣ，サファイアなど、エッチングおよびビームの照射で加工が行えるもの全てを含む。形態はブロック、板、シート、膜など任意であり、、平面的な大きさも任意であるが、通常は直径１５ｃｍ以下である。
本発明は、第１工程として、前記被加工材３に対し、凸形状加工予定箇所以外の部分を、ビーム以外の除去速度および除去面積の大きな加工法にて除去加工し、図４のような、多数個の粗凸形状部３１を表面に有する一次加工品３０を得る。

「ビーム以外の除去速度および除去面積の大きな加工法」としては、反応性エッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ）、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）、プラズマエッチング等のリソグラフィーとこれに続くエッチングの２つのプロセスから構成される方法が用いられる。

図１〜図３はこの工程を示しており、被加工材３における凸形状加工予定箇所に一般的なＥＢ露光などにより作成されたパターンや膜状のマスクＭを装着する。マスクＭの平面形状は任意であるが、第２工程のビーム加工をより能率化するため、目的とする凸形状の輪郭に近いものとすることが好ましい。たとえばマイクロレンズであれば、円形状である。

ついで、図２のようにマスクパターン以外の部分の露出した被加工材３をエッチングし、マスク部分Ｍをエッチングさせないで残す。エッチングを持続し、図３のように、目的の深さまで粗凸形状部３１を形成する。Ｅはエッチング要素である。粗凸形状部３１の高さは、製作目的とする凸部形状部の厚さに近似したものとする。このエッチング処理後、マスク部分Ｍを除去し、図４の一次加工品３０とする。

エッチングは、反応試薬によるウェットエッチング法と、ガスによるドライエッチング法つまり低真空のプラズマを利用したドライエッチング法がある。
後者は、プラズマ中にて反応性ガス（ＣＦ_４、ＣＣｌ_４等）の活性種を被加工材料の表面に反応させて揮発性を有する反応生成物（ＣＦ_４、ＣＣｌ_４等のハロゲンガスを用いた場合にはハロゲン化合物）を生成させ、これを被加工材表面から脱離させることによりエッチングするため、加工精度、プラズマの方向性による等方性加工の実現、マスクと被加工材料の密着性等がすぐれているので、推奨される。しかし、結晶方位の影響が無い被加工材では、生産コストが安価なウエットエッチングも有用であるから、本発明から除外されない。

反応性イオンエッチングの場合は、チャンバー内に図１の被加工材３を入れ、真空に減圧した状態で必要な反応ガスを導入する。チャンバー外側の電極に高周波電界をかけるとプラズマが発生し、活性化の高い反応種（ラジカル）が生成される。被加工材３がダイヤモンドの場合には、反応ガスとして酸素を使うと酸素ラジカルができ、エッチングができるのである。
すなわち、ガスはプラズマ化され、プラズマ中では正・負のイオンや電子などの電荷粒子、中性活性種などがバラバラな状態で存在している。エッチング種が被加工材に吸着されると、表面で化学反応が起こり、生成物は表面から離脱して外部へ排気され、エッチングが進行するのである。

このようなエッッチングは早い速度で一度に大面積の除去加工が行えるので、多数個の２.５次元形状の粗凸形状部３１を有する一次加工品３０を能率よく製作できる。
たとえば、ダイヤモンドに対する酸素を用いた反応性イオンエッチングでの加工速度は、イオンの傾斜をしない垂直エッチングの場合で、１時間あたりの除去加工速度は１μｍ程度の除去が可能である。たとえば、ダイヤモンドにアルミニウム蒸着マスクを施し、１３．５６Ｍｈｚの高周波を用い、電極間隔１．５センチメートル、ＲＦ電力１００Ｗにおいて、酸素ガス２０％／ＣＦ４ガスの混合ガスを流し、圧力２０Ｐａにおいて最大エッチング速度１．９μｍ／時間を得ることが可能である。

本発明は、次いで、第２工程として、一次加工品３０の各粗凸形状部３１を目的３次元形状にビーム加工する。たとえば、このビーム加工法としては３つの態様があり、それらについて以下詳細に説明する。

〔ビーム加工第１方法〕
図５ないし図１２はこの方法を示しており、２個の電子検出器を使用して、エッチングにより作成された個々の粗凸形状部に対して３次元ビーム加工を実施することが特徴であり、２個の電子検出器を使用することで、同時に検出器に到達する２次電子や２次イオンの速度の差分を算出することで加工深さを求めることができるため、精度を高めることができる。

図５と図６は装置と方法の概要を示しており、１は真空チャンバーで、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。前記第１工程で得られた一次加工品３０は、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。

前記ビーム照射装置本体２は、鏡筒内に、図５（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、先端から前記一次加工品３０の粗凸形状部３１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。

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、一次加工品３０の粗凸形状部３１でのビーム５の走査で、目的とする凸形状が加工されるようになっている。
ステージ４は、一次加工品３を傾けてもビーム加工点５０を中心として傾斜され、また一次加工品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、好適にはユーセントリック機構からなっている。

６、６’はビーム加工中に放出される２次電子（または２次イオン）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次電子検出器である。
前記各２次電子検出器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粗凸形状部３１に対する加工点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。

２次電子検出器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次電子検出器６，６’でそれぞれの方向に発生した電子またはイオン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。

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６のように、希望する３次元凸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。

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。

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に信号を送って一次加工品３の位置と傾斜角を制御するためのものである。

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と一次加工品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、一次加工品側（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。

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６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。

次に、ビーム加工工程を説明すると、基本的には、ビーム照射装置本体２によりビーム５を一次加工品３０の粗凸形状部３１に照射しつつ、ビーム５をＸ、Ｙの両座標で走査させ、必要に応じてステージ４を動かして一次加工品３の位置と傾斜角等を制御する。

マイクロレンズのごとき３次元曲面形状の加工を行うためには，加工ビーム５が粗凸形状部３１に照射されている時間を制御する。図８はこれの原理を示しており、（ａ）は粗凸形状部３１の状態を示している。Ｐはビームのピッチであり、（ｂ）、（ｃ）のように粗凸形状部３１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。

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、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、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、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を動かして一次加工品３０を回転させることで実現できる。

本発明は、通常、図７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。

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に信号を送って一次加工品３０の位置と傾斜角を制御する。

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。

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’により面形状として計測し，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。

詳細に説明すると、図９（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。

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９（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。

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、精度が悪いと考えられるからである。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。

以上のように、エッチングにより作成された一つの粗凸形状部３１に対して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次電子または２次イオンを前記２カ所以上の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して、微細な凸形状部３１０が製作される。予め粗凸形状部３１が加工されているので、加工時間は短くなる。

以下、図１０（ａ）のように各粗凸形状部３１に対して、前記手法により凸形状部３１０を加工する。これで、図１１（ａ）に示すような、平面上に多数の微細な３次元凸形状部３１０を配した製品３００が完成する。なお、個々の製品３００’たとえばマイクロ凸レンズとしたい場合には、図１１（ａ）で点線で示すように製品３００を切断すればよい。

図１２は本発明の方法により、３次元凸形状部３１０が能面形状の雄金型部を有する多数個取り雄金型３００を製作した例を示している。この場合には、一次工程で被加工材３に図１２（ｂ）のような一つだけ代表的に示す粗凸形状部３１をエッチング加工して一次加工品３０を作り、各粗凸形状部３１を前記方法で順次ビーム加工し、３次元凸形状部３１０が配列された製品とするのである。

加工形状のＣＡＤデータを図１２（ａ）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。この場合の加工データ数は８３０×６００点(座標値：４９８０００点)、粗凸形状部３１の加工寸法は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。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。

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、図１２（ｂ）の加工前の平坦形状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。
このように、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てビーム加工を行なうので、きわめて精度のよい微細凸形状を作ることができる。

〔ビーム加工第２方法〕
この第２方法は、エッチングにより作成された個々の粗凸形状部３１に対して１個の検出器を使用しても３次元ビーム加工が可能なことを特徴としている。
図１３ないし図１８はこの方法を示している。図１３は装置の概要を示しており、基本的には加工第１方法の場合と同様であるが、ビーム加工中に放出される２次電子またはイオンを捕えて検出し、加工面(加工された面)の形状を画像として観察するために２次検出器６が一つだけ用いられ、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。もちろん、２個以上の２次検出器を使用することを妨げない。

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、本体７ａとモニター７ｂを備えている。７’は外部のコントローラとしてのコンピュータであり、本体７ａ’は、図１４のように、加工を希望する３次元凸形状データを作成するＣＡＤ機能部７０と、このＣＡＤデータをもとにＣＬデータ（ＣｕｔｔｅｒＬｏｃａｔｉｏｎＤａｔａ）すなわち、ビーム移動軌跡とビーム移動速度さらには機械への指令を含んだデータを作成するＣＡＭ機能部７１を有する。

さらに、前記ＣＡＭ機能部７１で作成されたＣＬデータを点群データに変換する点群データ変換機能部７２を備えている。かかる点群データ変換機能部７２はハードウエアでもよいが、通常、ソフトウエアの形で構築され、ネット上または他の媒体を介して本体７ａとデータの受け渡しを行うようになっている。

前記本体７ａは、前記点群データ変換機能部７２で作成された点群データからなる加工データ情報を受け、これらによりビーム座標、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。また、本体７ａは、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。

ビーム制御機能部は、加工データベースに基いてビーム照射装置本体２のＸ軸方向移動装置とＹ軸方向移動装置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。
なお、ＣＡＤ機能部７０、ＣＡＭ機能部７１および点群データ変換機能部７２は、外部コンピュータでなしに、ビーム照射装置本体２に付属するコンピュータ７の内部に設けられてもよい。

この方法による３次元形状加工過程を説明すると、図１５に示すプログラムのように、まず、製品形状たとえばマイクロレンズに応じてＣＡＤ機能部７０で形状データを作成し、これに基づいてＣＡＭ機能部７１でＣＬデータを作成する。そして、点群データ変換機能部７２により、ＣＬデータを多分割し、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求める。

この点群データを本体７ａ’から本体７ａに送り、位置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によって、ビーム照射装置本体２を駆動し、ビーム５を一次加工品３０の粗凸形状部３１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を動かして一次加工品３の位置と傾斜角等を制御して、ビームを走査し、加工を行う。走査は、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を動かして一次加工品３を回転させることで実現できる。

そして、ビーム加工と同時に加工データベースと比較が行なわれ、各座標でのビーム滞在時間を制御する。すなわち、各座標ごとにビームが設定された加工時間に達したかどうかによって加工深さを推定する。設定された加工時間に達していないと判断されたときには、加工を継続して深く切削し、設定された加工時間に達していたと判断されたときには加工完了として、ビームを移動する。
また、トータルのビーム滞在時間で除去量が決定されるため、ビームは加工領域前面を何度かに分割してスキャンし、各点の総トータル滞在時間が同じになるようにしてもよい。こうした加工を図１３（ｂ）に示す各粗凸形状部３１に対して行なうことにより、図１１のような３次元凸形状部３１０が配列された製品３００とするのである。

本発明の特徴である集束イオンビーム加工のための加工データ作成工程を、マイクロレンズを作成する場合を例にとって説明すると、第1工程として、図１６のようにＣＡＤ機能部７０でライン1を画成する。次いで、第2工程として、図１７（ａ）のようにライン1を３６０度回転させ、椀状面を画成し、ＣＡＤデータを得る。

次いで、第３工程として、ＣＡＭ機能部７１において、図１８のようにＣＡＤデータからＣＬデータ１〜ＣＬデータｎを作成する。図１８（ａ）はＸＹ平面、（ｂ）はＸＺ平面である。ＣＬデータのデータ出力ピッチは、使用するビーム照射装置の最大分解能に対応させるか、それ以上とするもので、たとえば１０００分割とするが、メモリーによって増加は自在である。

次いで、ＣＬデータを点群データ変換機能部７２に送り、第４工程として、図１９（ａ）（ｂ）のように、各ＣＬデータを交差方向で多分割たとえば１０００分割し、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求める。図１９（ａ）はＸＹ平面、図１９（ｂ）はＸＺ平面において１個のＣＬデータで見た場合を示している。これでたとえば１０００×１０００の点群データが得られる。

なお、図１５において、「加工条件」とは、ビーム滞在時間（基本的にはＺの高さ）、ビーム加工電圧、ビーム加工電流、加工ピッチ（座標と座標の距離）及び被加工材の材質であり、これを決めて加工した製品の凸形状を後に測定することで加工速度などが決まるので、各材質に対して、ビーム加工電圧、ビーム加工電流、加工ピッチごとに加工深さのデータを集め、蓄積することで「加工データベース」とする。
そこで、これから加工を行おうとする加工条件と「加工データベース」を比較することにより、目的の深さまでのビーム滞在時間を予測することができるのである。

本発明では、ＣＡＭ機能部７１でＣＬデータを作成し、さらに、そのＣＬデータを点群データ変換機能部７２により多分割し、データが長さを持たない、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求め、それを加工データとするので、加工ピッチとビーム滞在時間の的確な制御のための「加工データベース」を作り出すことができる。

この第２方法においては、ビームによる３次元凸形状加工にとってもっとも重要な加工用データを、簡単、迅速かつ正確に作成することができ、ビーム照射装置本体とリンクしたＣＡＤ／ＣＡＭと、３次元座標データ作成のため前記ＣＡＭで作成されたＣＬデータを点群データに変換する手段とを使用してビーム照射装置本体で加工を行うので、加工条件とデーターベース上に蓄積されている加工データを比較することにより、同一の加工条件での加工時間すなわち総ビーム滞在時間を比較して見出すことができるので、検出器が１個であっても、比較的高精度に加工深さを加工することが可能である。

〔ビーム加工第３方法〕
この方法も、エッチングにより作成された個々の粗凸形状部３１に対して少なくとも１個の検出器を使用して３次元ビーム加工を実施するが、ＣＡＭ機能部７１および点群データ変換機能部７２を用いずに、より簡単にビーム加工データの作成を行うことが特徴である。
すなわち、この実施例では、図２０のように、ＣＡＤ機能部７０で作成された画像の表面にメッシュを張り、各メッシュの交点のＸＹＺ座標を求めて加工データとする。それ以降は第１実施例と同様である。

図２１は、第３加工法を用いて多数個取り金型の雄型（能面形状）の加工データを作成した例を示している。
この例では、画像の左下を原点（０，０）としているが，原点の位置はその他の場所にあってもよい。また、メッシュのピッチは上記の例では１としているが，１以外としてもよい。たとえば、装置の分解能が１０００であるときには、縦または横の大きい寸法を１０００等分したものを１ピッチとする。しかし、縦横の小さい方のピッチも大きいものと同一にしてもよいし、しなくてもよい。同一とした方が位置制御しやすい利点がある。

なお、ビームの位置制御するための各Ｘ，Ｙ座標に対するＺ座標のデーターの出力方法は任意であるが、たとえば下記のような態様があげられる。
１）原点を始発点としＸ方向に（１，０），（２，０）順次出力し、終端（ｎ，０）でＹ方向に１ピッチ分（ｎ，１）増やして逆方向に（ｎ−１，１），（ｎ−２，１）と出力する。
２）終端で（０，１）に飛び同様にＸ方向に順次出力する。
３）原点からはじめにＹ方向に出力する。

４）Ｚ座標の値が０のデータは加工には使用しないため、０以外のＺ座標のデータを出力する。この方が、扱うデーター数が少なくなるため好ましい。
５）データの出力する順番はＸ方向またはＹ方法または等高線を作成する要領で座標値が小さいものから右回りまたは左周りにデータを出力する。
６）データを出力する順番を現在地の次が隣のデータではなく、１個とばしなど、連続したＸＹ座標のデーターでなくしてもよい。

この第３加工法においては、高価なＣＡＭを使わずに、ＣＡＤデータからビーム加工用の３次元加工データを作成するので、加工用データの作成を、簡易、安価に行うことが可能になり、データベースとの加工条件の比較により各座標を所望の深さに加工することができるので、高価なＣＡＭも用いずに比較的高精度な３次元凸形状加工を行える。

ビーム加工による３次元加工において、平面にＦＩＢ加工を施し、金型のキャビティーに当たる凹形状を平面に多数個作成することは問題ないが、平面内に凸形状を多数個作成することは、目的以外の部分を除去する必要があり、この部分をＦＩＢで除去加工するには除去面積が大きく長時間を要する。
これに対して、本発明は、いずれにしても、目的とする３次元凸形状以外の場所の除去加工をビーム加工法以外の方法により短時間で除去加工を行い、その後、各粗凸形状部分にビーム加工法により３次元形状加工を施すので、多数個の微細な３次元凸形状部を有する製品を、短時間で能率よく作成することができるのである。
微細な３次元凸形状部は、たとえば、レンズであれば、大きさ０．１〜４００ミクロン、厚さ５０ナノメートル以上であり、２ｍｍ角の被加工材に、大きさ５０ミクロンのものを１０００個程度作ることができる。

本発明による第１工程スタート時の被加工材の状態を示す平面図である。第１工程の加工途中の状態を示す断面図である。第１工程の完了状体を示す断面図である。（ａ）は第１工程で得られた加工品の状態を示す平面図、（ｂ）はその部分切欠側面図である。（ａ）は本発明の第２工程をビーム加工第１方法で行っている状体の説明図、（ｂ）はビーム照射装置の構造説明図である。ビーム加工第１方法の制御系統図である。ビーム加工第１方法の加工工程を示すチャート図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は加工原理図である。（ａ）は（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。ビーム加工第１方法の加工状態を示す斜視図である。（ａ）本発明により製作された製品の一例を示す斜視図、（ｂ）は単体製品を示す斜視図である。（ａ）はビーム加工第１方法により多数個取り金型加工を行った場合のＣＡＤデータ図、（ｂ）は加工形状測定結果を示すプロファイル図である。（ａ）はビーム加工第２方法の概要を示す正面図、（ｂ）は加工状態を示す斜視図である。ビーム加工第２方法の制御系統図である。ビーム加工第２方法の加工工程を示すチャート図である。加工データ作成の第１工程を示す説明図である。（ａ）（ｂ）は加工データ作成の第２工程を示す説明図である。（ａ）（ｂ）は加工データ作成の第３工程を示す説明図である。（ａ）（ｂ）は加工データ作成の第４工程を示す説明図である。ビーム加工第３方法の加工工程を例示するチャート図である。ビーム加工第３方法の加工データ作成例を示す説明図である。

符号の説明

３被加工材
Ｍマスク
Ｅエッチング要素
５ビーム
３０一次加工品
３１粗凸形状部
３００製品
３１０凸形状部

Claims

微細３次元凸形状体を得るにあたり、除去速度および除去面積の大きな加工法にて凸形状加工予定箇所以外の被加工材部分を除去加工して粗凸形状部を有する一次加工品を作り、次いで一次加工品の個々の粗凸形状部に対してビーム加工法により３次元加工を行うことを特徴とする微細３次元凸形状体の作成方法。
一次加工品の粗凸形状部に対するビーム加工工程を次の方法で行なう請求項１に記載の微細３次元凸形状体の作成方法。
１）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２次電子検出器を用い、
２）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次電子または２次イオンを前記２カ所以上の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。
一次加工品の粗凸形状部に対するビーム加工を行うにあたり、加工すべき凸形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割してＸＹＺ座標の点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御する請求項１に記載の微細３次元凸形状体の作成方法。
一次加工品の粗凸形状部に対するビーム加工を行うにあたり、加工すべき凸形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを作成し、ビーム照射装置本体と照射ビーム近傍に配された２次電子検出器を用い、前記点群データを使用してビーム加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御する請求項１に記載の微細３次元凸形状体の作成方法。
ビーム加工がＦＩＢ加工である請求項１〜４に記載の微細３次元凸形状体の作成方法。