JP2008221376A - 加工用カンチレバー - Google Patents

Abstract

【課題】
微細加工をするためのＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の機能を利用した加工法に使用する加工用カンチレバーについて、加工抵抗によってプローブの姿勢が変化しない加工用カンチレバーを実現し、これによって、高精度な微細形状の形成を可能とすること。
【解決手段】
工作物を加工するためのプローブが固定されていて、弾性変形することによって工作物に荷重を負荷するためのレバー部を有する加工用カンチレバーについて、そのレバー部の支持部を複数設け、そのレバー部の重心位置にプローブを配置したこと。
【選択図】 図６

Description

この発明は、微細加工をするためのＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の機能を利用した加工法に使用する加工用カンチレバーに関するものであり、加工抵抗によってプローブの姿勢が変化しない加工用カンチレバーを実現し、これによって、高精度な微細形状の形成を可能にしたものである。

この発明に先行する従来技術として、特開２００５−２５８２８５号公報（公知文献１）に記載されているものがある。この従来技術は、フォトマスクの黒欠陥（凸状欠陥）をプローブ顕微鏡技術を用いて修正する際、プローブとマスクガラス基板間の摩擦による静電気の帯電を起因とするマスクパターン間の放電を防止することにより、パターンを破損させることなくマスクパターンを修正させることが可能な加工用カンチレバーを提供することを目的とし、次の事項を解決手段とするものである。

すなわち、欠陥部を機械的に削りとるのに用いられるプローブに導電性をもたせるようにし、また、加工時の摩擦による静電気をプローブ、カンチレバー、カンチレバー保持部材から装置筐体へと逃がすことで、マスクガラス基板の静電気帯電を防ぎ、マスクパターン間の放電を起こさせること無く、パターンを破損させることなしにマスクパターンを修正できるものである（図１参照）。
公知文献１の加工用カンチレバーは、シリコンを異方性エッチングによる短冊状に加工してカンチレバー部１とレバー基部２（ベース部）とを形成したものであり、カンチレバー部１がレバー基部２から一体に突設された構造であり、カンチレバー部１の先端下面に導電性ダイヤプローブ５を固定しているものである。

また、特開平５−７１９５１号公報（公知文献２）に記載されているものがある。この従来技術は、光てこ方式の原子間力顕微鏡において、レーザー光の反射ビームが拡散するのを防止し、検出精度、感度の向上を図ることを目的とし、次の事項を解決手段とするものである。

すなわち、光てこ方式の原子間力顕微鏡において、試料表面の形状を測定するためのプローブ１０３が、ヒンジ１０６により支持された光反射平板１０５の一端部に突設されたカンチレバー部１０４の先端下面に設けられており、原子間力にて上下動する該プローブ１０３の移動により生じる、ヒンジ部１０６のねじれ角に対応した光反射平板１０５の回転角により、試料表面の形状変化を検出するものである（図２参照）。

〔従来技術の問題点〕
微細形状を形成するための加工法として、フォトリソグラフィーやエッチング等の半導体プロセスがあるが、一般的には２．５次元の加工であり、３次元的な形状を加工するのは困難である。３次元的な形状を加工するために期待されている加工法の１つにＳＰＭの機能を利用した加工法がある。
ＳＰＭの原理を図３を参照して説明する。

ＳＰＭは先端を尖らせたプローブを用いて、物質の表面をなぞるように動かして表面状態を観察する顕微鏡の種類である。原子間力を利用したＡＦＭ（原子間力顕微鏡）が代表的な顕微鏡であり、図３はＡＦＭの原理をも示している。プローブが物質の表面をなぞるときに、カンチレバーの反り量が一定に維持されるように、つまりフォトダイオードでのレーザー光の検出位置が一定となるようにピエゾのＺ軸の上下動がフィードバック制御される。カンチレバーの反り量を一定に維持することは、プローブと物質との間に働く力を一定に維持することであり、その力は微小であるため原子間力といわれる。

この反り量の設定によって原子間力より大きな荷重を発生させることが可能であり、物質を加工することができる。そして、発生させた荷重を一定に維持することができるので、深さ一定で溝加工することが可能である。加工対象が曲面であっても、原理的にはその曲面に対して追従することで深さが一定の溝加工が可能である。ピエゾのフィードバック制御のストロークは数μｍ程度であるため、曲面の加工には図３に示すような構成からなる加工ヘッド部を、３次元的に走査できる装置が必要となる。

従来からカンチレバー加工で使用されるカンチレバーは、特開２００５−２５８２８５号公報（図１参照）にも示されているように、片持ち梁状のものである。片持ち梁はその自由端すなわちプローブが固定されている端部が反ったり、ねじれたりし易く、このように高感度で反ったり捩れたりする特性を形状測定や摩擦力測定に利用している。しかし、加工を目的とするときには、測定を目的とする場合に比して大きな加工抵抗をプローブが受けることになるため、図４，図５に示すように、プローブが存在する部分が反ったり、ねじれたりして、プローブの姿勢が大きく変化し、プローブが傾斜してしまうことになる。特にサブμｍレベルの幅や深さの加工を行うとしたときに大きな加工抵抗が発生するため、このような現象が顕著になってくる。

プローブの姿勢が変化してしまうと、例えば溝加工をする場合に加工された溝が傾斜してしまうことや、溝の位置がずれてしまうことになり、その結果、所望の形状を所望の位置に加工することが不可能になってしまう。また、このような反りやねじれが周期的に発生すると、例えば一直線の加工をしようとしたときに波線の加工になってしまう。この周期が短くなってくると加工面のうねりや表面粗さにその影響が出てしまう。このように、片持ち梁からなるカンチレバーを加工に使用すると、高精度な加工が不可能となる。上記公知文献１（特開２００５−２５８２８５号公報）に記載されている従来技術ではこのようなことは考慮されていない。

また、上記公知文献２（特開平５−７１９５１号公報）の従来技術ではプローブがヒンジに支持された平板の一端部に設けられ、原子間力にて上下するプローブの移動によってヒンジ部がねじれる機構でカンチレバーが構成されているものが考案されているが、ヒンジ部のねじれによってプローブの姿勢が容易に変化してしまう構造であるため、加工に使用することはできない。
特開２００５−２５８２８５号公報 特開平５−７１９５１号公報

本発明は、微細加工をするためのＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の機能を利用した加工法に使用する加工用カンチレバーについて、加工抵抗によってプローブの姿勢が変化しない加工用カンチレバーを実現し、これによって、高精度な微細形状の形成を可能にすることをその課題とするものである。

上記課題を解決するための手段は、工作物を加工するためのプローブが固定されていて、弾性変形することによって工作物に荷重を負荷するためのレバー部を有する加工用カンチレバーについて、そのレバー部の支持部を複数設け、そのレバー部の重心位置にプローブを配置したものである。
なお、上記の「支持部を複数設け」たレバー部の平面形状は、棒形、十字形、星形等であり、その複数の端部が支持部にそれぞれ支持されている形状である。
また、上記の「レバー部の重心位置」は、簡単に言えば、荷重を負荷する方向から見て、幾何学的に点対称形状ならばその対称中心に相当する位置であり、プローブが存在する位置を意味する。

この発明の効果を各請求項毎に整理すれば次のとおりである。
（１）請求項１について
請求項１においては、レバー部はその支持部が２箇所以上あり、レバー部の重心位置にプローブを配置したことを特徴とするものであるから、従来の支持部が１箇所しかない片持ち梁であるのに比して、レバー部の捩れに対して強度が顕著に強くなり、捩れモーメントが極力かからない位置に存在するので、加工抵抗によってプローブが傾斜することが防止される。

（２）請求項２について
請求項２においては、工作物に荷重を負荷する方向から見て、レバー部が点対称形状であることを特徴とするものであるから、工作物に荷重を負荷するときに、レバー部が均等に変形するので、プローブが傾斜することが防止される。
その理由は次のとおりである。
点対称のレバー部形状の中心点、つまり重心位置にプローブが位置しており、プローブと工作物との間に荷重が発生したときに、レバー部の対称中心、つまり重心位置に荷重がかかることになるので、点対称な形状のレバー部は対称中心に対して均等に変形することになる。それゆえ、プローブが傾斜しないで上下に変位するのである。なお、上記の「レバー部が対称形状である」は、レバー部がレバー部の重心位置を中心として対称な形状であることを意味する。

（３）請求項３について
請求項３においては、レバー部の厚さをレバー部近傍の支持部材の厚さより薄くしたことを特徴とするものであるから、レバー部のみが選択的に変形するので、プローブが傾斜することが防止される。
その理由は次のとおりである。
梁のたわみは断面二次モーメントに反比例することと、断面二次モーメントは梁の厚さの３乗に比例することから、梁の厚さを大きくするとたわみは小さくなる。このことから、厚さの小さいレバー部のみが選択的に変形することになる。レバー部のみを選択的に変形させるには、レバー部の厚さをレバー部近傍の支持部材の厚さより可能な限り薄くすることが好ましい。
なお、上記の「レバー部の厚さ」は、レバー部の最大厚さを持つ部分の厚さを意味し、「レバー部の厚さをレバー部近傍の支持部材の厚さより薄くした」とは、レバー部の最大厚さを持つ部分の厚さを支持部材の最小厚さを持つ部分の厚さよりも概略１／２以下にしたことを意味する。
また、上記の「選択的に変形する」は、レバー部だけが工作物に与えた荷重の向きと反対の方向にたわんで変形することを意味する。このように変形すると、レバー部以外の部分が変形しないのであるから、プローブが傾斜することはない。

（４）請求項４について
請求項４においては、レバー部の幅をレバー部近傍の支持部材の幅より小さくしたことを特徴とするものであるから、レバー部のみが選択的に変形するので、プローブが傾斜することを防止できる。
その理由は、次のとおりである。
梁のたわみは断面二次モーメントに反比例することと、断面二次モーメントは梁の幅に比例することから、梁の幅を大きくするとたわみは小さくなる。このことから、幅の小さいレバー部のみが選択的に変形することになる。レバー部のみを選択的に変形させるには、レバー部の幅をレバー部近傍の支持部材の幅より可能な限り小さくすることが好ましい。
なお、上記の「レバー部の幅」は、レバー部の最大幅を持つ部分の幅を意味し、「レバー部の幅をレバー部近傍の支持部材の幅より小さくした」とは、レバー部の最大幅を持つ部分の幅を支持部材の最小幅を持つ部分の幅よりも概略１／１０以下に小さくしたことを意味する。
また、上記の「選択的に変形する」は、レバー部だけが工作物に与えた荷重の向きと反対の方向にたわんで変形することを意味する。このように変形すると、レバー部以外の部分が変形しないのであるから、プローブが傾斜することはない。

（５）まとめ
本発明により、加工用カンチレバーのねじれによるプローブの傾斜を防止できるので、表面粗さや、うねりが小さい微細形状の加工をすることができ、また、所望の位置に加工できることになるので、高精度な微細形状の形成を可能にすることができる。

この発明の技術的特徴は、加工用カンチレバーにおけるレバー部の支持部を複数設け、そのレバー部の重心位置にプローブを配置した点にある。そしてその具体例が図６に示されている。この例においては、レバー部は直線棒状であり、これに対する支持部が２箇所である。この構造によりレバー部のねじれに対する強度が、従来の片持ち梁のカンチレバーに比して著しく高い。さらに、プローブをレバー部の重心位置に配置することで、ねじれのモーメントが極力かからない構造になっている。例えばレバー部の部材のヤング率をＥ、レバー部（梁）の長さをＬ、幅をＷ、厚さをＨとしたときに、レバー部が片持ち梁の場合のバネ定数はｋ＝Ｅ・Ｗ・Ｈ^３／（４・Ｌ^３）となるが、両端固定梁の場合のバネ定数はｋ＝１６・Ｅ・Ｗ・Ｈ^３／Ｌ^３となり、両端固定梁はバネ定数も６４倍となる。カンチレバーを加工するのに使用したときのレバーの変位が同じになるように変位量を設定すると、両端固定梁の方が大きな荷重を負荷することができる。
ちなみに、上記の「片持ち梁」は、図１３に模式的に示すように、固定部Ｆに一端が固定され、固定部Ｆから張り出していて他端が自由端である片持梁Ｌであり、荷重点Ｐ１の撓み量が大きく、荷重点の傾斜が大きい。また、上記の「両端固定梁」は、図１４に模式的に示すように、両端が固定部Ｆ，Ｆに梁Ｂが固定されて支持されており、荷重点Ｐ２の撓み量が比較的小さく、この荷重点Ｐ２を中心にして左右対称であるから、荷重点Ｐ２における傾斜角度は、理論上はゼロである。

図７の具体例ではレバー部に対する支持部が２箇所ある。レバー部はカンチレバーの他の部分（レバー支持枠部）よりも幅が狭いため、この部分が選択的に変形する。
図８の具体例ではレバー部の支持部が４箇所ある。このレバー部はカンチレバーのレバー部近傍の支持枠部よりも厚さが薄いため、この部分が選択的に変形する。
図９の例、図１０の例もレバー部の支持部が４箇所ある例である。どちらもレバー部の幅が支持枠部の幅よりも狭くなっているので、この部分が選択的に変形する。なお、カンチレバーのレバー部近傍のレバー支持枠部に比して、レバー部の厚さが薄く、かつ、幅が狭いようにしても良い。
図１１の例と図１２の例はレバー部の支持部が５箇所ある例と、４箇所ある例であるが、これらは、レバー部の支持部と連続する部分の幅が狭くなっているので、レバー部が選択的に変形する。
次いで、図６から図１７を参照して実施例を説明する。

実施例１のカンチレバー６０は図６に示す構造のステンレス製のものであり、その一直線状のレバー部６１がカンチレバー６０の長手方向に延びており、その一端がレバー基部６５に一体に固定され、他端がレバー支持枠部６２に支持部６２ｊで一体に固定されている。そして、レバー部６１の重心位置にダイヤモンド製のプローブｐが固定されている。
レバー部６１の長さは５００μｍであり、幅は１００μｍであり、厚さは２０μｍである。そしてまた、レバー支持枠部６２は矩形であって、その左右両側辺６２ａ、６２ｂの幅は１．２ｍｍであり、厚さは２０μｍである。
以上のカンチレバーをＡＦＭに装着して加工を行った。荷重を３００μＮに設定し、送り速度を２００μｍ／ｓとして、無電解ニッケル平面に直線のＶ溝を形成し、形成されたＶ溝をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した。その結果は図１５（ｂ）に示すとおりである。従来例として片持ち梁からなるレバー部を持つカンチレバーによる加工結果は図１５（ａ）に示すとおりであり、レバー部の捩れに対する強度が不足しているために、加工中にプローブが撓んで傾斜したり戻ったりという現象が起き、これによって、レバー部先端に固着されたプローブの姿勢が変化するため、形成されるＶ溝がうねっている。これに対してこの実施例１の加工結果においては、直線のＶ溝が形成されており、このことは図１５（ｂ）から明らかである。これは、実施例１ではそのレバー部が両端支持梁状のものであり、その重心位置にプローブｐが固着されているので、レバー部の撓みと捩れによるプローブの姿勢変動がないことによるものである。

また、図７に示すカンチレバー７０は、図６のカンチレバー６０の変形例であり、一直線状のレバー部７１がカンチレバー７０の横方向に延びていて、その端部が四角なレバー支持枠部７２の左右側辺７２ａ，７２ｂにそれぞれ支持部７２ｊで一体に固定されている。
レバー部７１の長さは４５０μｍであり、幅は９０μｍであり、厚さは２０μｍである。そしてまた、レバー支持枠部７２は矩形であって、その左右両側辺７２ａ，７２ｂの幅は１．２ｍｍであり、厚さは２０μｍである。
このカンチレバー７０をＡＦＭに装着してＶ溝を加工した。荷重、送り速度、加工面等の加工条件は図６の実施例１と同じである。加工されたＶ溝をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した結果は、実施例１の結果（図１５（ｂ）のもの）と同様に、良好であった。

実施例２のカンチレバー８０は図８に示す構造のシリコン製カンチレバーであり、カンチレバー８０の長手方向のレバー部８１ｙと横方向のレバー部８１ｘとによる十字状レバー部８１を有し、その重心位置にダイヤモンド製のプローブｐが固定されている。
長手方向のレバー部８１ｙの長さは１ｍｍ、幅は７０μｍ、厚さは５０μｍであり、横方向のレバー部８１ｘの長さは１ｍｍ、幅は７０μｍ、厚さは５０μｍである。この十字状のレバー部８１は、レバー基部８５と、レバー支持枠部８２とに４つの支持部８２ｊで一体に固定されている。
なお、レバー支持枠部８２の左右両側辺８２ａ，８２ｂの幅は９０μｍであり、厚さは１２０μｍである。
以上の実施例２のカンチレバー８０をＡＦＭに装着して、無電解ニッケル平面にＶ溝を加工した。この加工で形成したＶ溝は、ピッチが２００ｎｍ、幅が２００ｎｍ、深さが３５０ｎｍである。このＶ溝の表面粗さを測定したところ、６ｎｍＲａであった。従来例の片持ち梁によるレバー部を持つカンチレバーによる加工では、加工抵抗に対してプローブがビビリを生じ、このビビリの影響により、表面粗さが１９ｎｍＲａであった。これに対してこの実施例２で作製したものを型とし、これを樹脂に転写し、その転写面の反射率を測定したところ、可視光の領域において０．６％以下の反射率に抑えることができ、これにより、樹脂製レンズに反射防止機能をもたせることができた。

また、図９および図１０に示すものは、実施例２のカンチレバーの変形例であり、図９の変形例は十字状レバー部９１を支持するレバー支持枠部９２の内側面形状が概略円形で、外側面の形状が四角形である。また、図１０の変形例は十字状レバー部１０１を支持するレバー支持枠部１０２の内側面形状が略円形で、先端外側面の形状が半円形であり、この部分の幅は８００μｍである。
なお、十字状のレバー部９１，１０１の長さ、幅、厚さは図８の十字状のレバー部８１と違いはない。
これらの変形例のカンチレバーを作成し、これを使用して試験加工を行った。試験条件は実施例２と同じであり、実施例２と同様に良好なＶ溝を形成できることが確認された。

実施例３のカンチレバー１１０は、実施例２と同様のシリコン製で、図１１に示す構造を有し、５つのアームを備えた星形のレバー部１１１によるものであり、この星形のレバー部１１１が５つの支持部１１２ｊでレバー支持枠部１１２に一体に固定されている。そして、星形のレバー部１１１の重心位置にダイヤモンド製のプローブｐが固定されている。なお、星形のレバー部１１１に対するレバー支持枠部１１２は、図１０に示す実施例２の変形例のレバー支持枠部１０２と同様である。
星形のレバー部１１１の各アーム１１１ｘの根元の幅は８０μｍ、先端部（支持部１１２ｊに接続されている部分）の幅は３０μｍである。
以上のような実施例３のカンチレバー１１０を使用して微細溝加工を行い、また、図３に示すような機構の加工ヘッドを、図１６に示すようなパラレルリンク機構Ｒに装着して、３次元曲面である金型Ｄの成形面に加工を行った。これはパラレルリンク機構Ｒによって自在な角度で加工を行った装置であり、パラレルリンク機構Ｒによって加工ヘッドＨを動かすことで、金型Ｄの成形面に対してツールパスを発生させ、加工荷重が一定となるように加工ヘッド部Ｈのピエゾを制御することによって、金型Ｄの成形面に一定深さの微細溝を加工することが可能である。

次いで、上記のように加工された金型を使用して成形した光学素子を説明する。
図１７は、レーザープリンターの走査レンズを示している。
自由曲面からなる光学表面に、図１７のように光学表面の法線方向と光学素子成形時の離型の方向とが一致する付近を中心点とする。ここで、離型方向は図１７の光学表面に対して垂直方向（紙面に対して垂直方向）である。上記中心点から放射状に２０分割する微細溝がその光学表面に存在する。さらに放射状の微細溝と微細溝の間にも微細溝が存在し、それぞれの隣り合う微細溝と微細溝との間隔を１９０ｎｍとしている。このようなパターンで配列する１９０ｎｍの幅で３００ｎｍの深さのＶ溝形状を金型の成形面に形成した。Ｖ溝の表面粗さについては、６ｎｍＲａという良好な粗さを得ることができた。Ｖ溝の配列も所望のパターンからの大きなずれも発生しなかったため、成形した光学素子の反射率を測定したところ、波長が６５０ｎｍのレーザービームに対しての光学表面の反射率を０．６％以下に抑えることができた。

ここで、パラレルリンク機構ではなく、５軸あるいは６軸の多軸の機構をもつ装置に図３に示すような機構の加工ヘッドを装着した場合でも、上記の加工を実現することが可能である。
また、図１２のカンチレバー１２０は十字状のレバー部１２１によるものであり、その各アームの根元の幅は９０μｍ、先端部（支持部１２２ｊに接続されている部分）の幅は３０μｍである。
このカンチレバー１２０は、図１１のカンチレバー１１０に対する比較例であり、このカンチレバー１２０について、実施例３と同様に良好な加工結果をすることができた。
ただし、カンチレバーの星形レバーである実施例３は、図１２の比較例ではアームが４つであるのに対して５つであるので、プローブの傾斜をより抑えられるという利点がある。

は、加工用カンチレバーの従来例の斜視図である。 は、加工用カンチレバーの他の従来例の斜視図である。 は、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の原理を示す斜視図である。 は、加工用カンチレバーが捩れて先端のプローブが傾斜した状態を示す模式図である。 は、加工用カンチレバーが反って先端のプローブが傾斜した状態を示す模式図である。 は、実施例１の平面図である。 は、実施例１の変形例の平面図である。 は、実施例２の平面図である。 は、実施例２の変形例の平面図である は、実施例２の他の変形例の平面図である。 は、実施例３の平面図である。 は、実施例３に対する比較例の平面図である。 は、片持ち梁の模式図である。 は、両端固定梁の模式図である。 （ａ）は、従来技術の加工用カンチレバーを用いて形成したＶ溝をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した写真であり、（ｂ）は、、実施例１の加工用カンチレバーで形成したＶ溝をＳＥＭで観察した写真である。 は、３次元曲面上の微細溝加工の様子を示す模式図である。 は、光学素子表面の微細溝の平面図である。

符号の説明

６０，７０，８０，１１０，１２０：カンチレバー
６１，７１，８１，９１，１０１，１１１，１２１：レバー部
６２，７２，８２，９２，１０２，１１２：レバー支持枠部
６５，８５，１０５：レバー基部
Ｐ：プローブ
Ｆ：固定部
Ｂ：梁
Ｒ：パラレルリンク機構
Ｌ：支持梁
Ｐ１，Ｐ２：荷重点
Ｄ：金型
Ｈ：加工ヘッド

Claims (4)

1. 工作物を加工するためのプローブが固定されていて、弾性変形することによって工作物に荷重を負荷するためのレバー部を有する加工用カンチレバーにおいて、レバー部の支持部が２箇所以上あり、レバー部の重心位置にプローブを配置したことを特徴とする加工用カンチレバー。
2. 請求項１の加工用カンチレバーにおいて、工作物に荷重を負荷する方向から見て、レバー部が点対称形状であることを特徴とする加工用カンチレバー。
3. 請求項２の加工用カンチレバーにおいて、レバー部の厚さをレバー部近傍の支持部材の厚さより小さくしたことを特徴とする加工用カンチレバー。
4. 請求項２の加工用カンチレバーにおいて、レバー部の幅をレバー部近傍の支持部材の幅より小さくしたことを特徴とする加工用カンチレバー。