JP2012064968A - 表面加工方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被加工物表面の加工前のプロファイルを測定し、気体又は液体から成るエッチング剤を前記表面に向けて所定の流量で供給する供給手段を、該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させることにより、該表面をエッチングし、前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の液体又は気体を吸引除去する。ここでエッチング剤が液体の場合には、液体と共に、該液体が気化した気体も吸引除去する。
【選択図】図6
Description
a) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 液体又は気体から成るエッチング剤を供給する供給手段を複数並べた供給手段集合体を所定の速度で前記表面に沿って移動させつつ、各供給手段毎に、対向する該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さに応じて温度及び流量のいずれか一方又は両方を制御しつつエッチング剤を該表面に向けて供給することにより、該表面をエッチングし、
c) 前記被加工物表面付近の液体及び気体を吸引除去する、
ことを特徴とする。
a) 前記被加工物の表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 液体又は気体から成るエッチング剤を前記被加工物の表面に向けて所定の流量で供給する供給手段を、被加工物表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させることにより、該被加工物表面をエッチングし、
c) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の液体及び気体を吸引除去する、
ことを特徴とする。
第1の態様の表面加工方法では、まず、被加工物の表面の加工前のプロファイルを測定する。この測定には、従来の表面形状測定装置や表面粗さ測定装置をそのまま用いることができる。この測定を行う装置は表面加工装置に組み込んでおいてもよいし、表面加工装置とは別体の装置を用いて測定を行うようにしてもよい。各点においてエッチングすべき加工深さは、各点における目的のプロファイルと測定した加工前プロファイルの差により求めることができる。
例えば特許文献1に記載の方法では、供給手段を1個のみ使用するため、被加工物表面上の各位置において、その周辺を繰り返し移動させる必要がある。その移動操作の度に、表面付近に残留したエッチング剤のガス(液体のエッチング剤が気化したものを含む)に起因した不所望のエッチングにより、その表面に凹凸が生じる。それに対して、第1の態様の表面加工方法では1回の移動操作で加工を行うため、そのような気体による不所望のエッチングを最小限に抑えることができる。
まず、第1の態様と同様に、被加工物の表面の加工前のプロファイルを測定し、目的のプロファイルと測定した加工前プロファイルの差により、各点においてエッチングすべき加工深さを求める。
供給手段の断面積は加工の空間分解能と加工の能率に応じて適宜定めるとよい。加工の空間分解能を高めるには断面積を小さくする方が望ましく、加工の能率を高めるには加工精度が維持できる範囲内で断面積を大きくする方が望ましい。
そこで、第2の態様では更に、エッチング液を供給した被加工物表面付近において、供給したエッチング液の供給量よりも多くの量の液体及び気体を吸引除去する。これにより、エッチング液のみならずエッチング液が気化した気体等を被加工物表面から十分に除去することができる。そのため、この気体による不所望のエッチングにより凹凸が生じることを防ぐことができる。このような操作は第1の態様の表面加工においても行うことが望ましい。
例えば略同軸の外側管と内側管から成る供給手段を用いることにより、内側管からエッチング液を被加工面に供給すると共に、外側管から被加工面付近の気体、液体、固体を吸引除去することができる。あるいは、供給手段とは別に吸引除去を行う吸引手段を設けてもよい。この場合、吸引手段は供給手段に後行させて吸引除去を行うとよい。吸引手段は第1の態様の表面加工においても適用することができる。
この加工痕の形状を考慮して加工精度を高める方法について検討する。ここでは簡単のため、図1(b)に示すように1次元系、即ち供給手段を直線状に移動させる場合を例にとって説明する。まず、供給手段を固定した状態で所定の流量で単位時間だけ被加工物をエッチングした時の加工痕の形状を、供給手段の中心を原点O'とする表面上の位置uの関数f(u)(単位加工痕関数)で表す。また、被加工物の表面上の座標系Xにおける原点O'の座標をsとする。座標系Xでの位置xにおいて、微小時間の間に被加工物がエッチングされる深さΔhは、
Δh(x)=f(x-s)dt (1)
となる。式(1)を時間積分することにより位置xにおけるエッチングの深さを表す関数h(x)が求められるが、その際、供給手段が速度v(s)=ds/dtで移動することから、h(x)は
これら種々の移動方法を適宜使い分け、あるいは組み合わせることにより、平坦性の高い表面形状や、複雑な表面形状を得ることができる。
また、供給手段の形状は目的に応じて適宜定めることができる。例えば、移動方向に対して幅広の矩形ノズルを用いることにより、走査加工の重ね合わせによって生じる深さムラを少なくすることができる。
エッチング剤は被加工物に応じて選択すればよい。例えば、被加工物がガラス材、石英、水晶等、SiO2を材料として含むものである場合には、エッチング剤にはフッ化水素酸又はフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合溶液を用いることが望ましい。被加工物がSi半導体ウエハ等、Siを材料として含むものである場合には、エッチング剤にはフッ化水素酸と硝酸の混合溶液又はフッ化水素酸と硝酸と酢酸の混合溶液、又は水酸化カリウムを用いることが望ましい。また、被加工物がSi3N4、Al2O3又はGaNを材料とするものである場合には、エッチング剤には熱リン酸(H3PO4)を用いることができる。熱リン酸の温度は、例えばSi3N4に対しては150℃〜250℃、Al2O3に対しては250℃程度とすればよい。
エッチング剤は使い捨てにしてもよいが、一度エッチングに使用したエッチング剤を回収して再利用することが望ましい。その場合、エッチング剤を繰り返し使用するとその間に濃度が変動する可能性がある。そのため、例えば液体をエッチング剤に用いる場合には、溶液濃度を測定してその値が所定値よりも低くなれば溶質を追加することにより、溶液濃度が所定の範囲内になるように制御することが望ましい。気体をエッチング剤に用いる場合にも同様の制御をすることができる。前述の温度範囲と同様に、濃度範囲もあらかじめ予備実験を行い決定することができる。
また、一度使用したエッチング剤には被加工物の材料成分が混入するため、エッチング剤の再利用はその材料成分を除去してから行うとよい。但し、エッチング剤に材料成分が混入してもエッチング速度が低下しない場合には、このような除去を行う必要はない。例えば被加工物がSiO2を材料として含むものであってエッチング剤がフッ化水素酸(フッ酸)である場合には、SiO2はフッ化水素酸に十分によく溶解するため、通常は溶解したSiO2の成分を除去する必要はない。
エッチング速度を高めるとために、被加工物のエッチングを促進する触媒をエッチング剤に添加したり、被加工物表面に光を照射したりこの表面を加熱したりすることもできる。
また、水晶振動子や弾性表面波デバイス等の製造工程において、振動体の厚さを均一化するために用いることができる。
本発明に係る第1の態様の表面加工方法及び表面加工装置の実施例を図2〜図4を用いて説明する。図2は本実施例の表面加工装置10の概略構成図である。この装置10は被加工物1の表面を所定のプロファイルになるようにエッチングするためのものである。装置10は、エッチング液を被加工物1の表面に送出するノズル(供給手段)12を多数、1方向に配列したノズル集合体(供給手段集合体)11を有する。各ノズル12はそれぞれ、ヒータ131及び温度センサ132を有し、ノズル毎に送出されるエッチング液の温度を調整することができる。ノズル集合体11は被加工物1の表面に沿って、ノズル12の配列方向に垂直な方向に移動する。
なお、ノズル12を移動させる代わりに、ノズル12を固定して被加工物1を移動させてもよいし、ノズル12と被加工物1の双方を移動させてもよい。
まず、表面加工装置10を使用する前に、予備実験として、被加工物1と同じ材料から成る試料を用いて、ノズル12から所定の一定流量のエッチング液を試料表面に送出した場合における、エッチング液の温度と試料がエッチングされる深さの関係を求めておく。この予備実験では試料は石英であり、濃度20重量%のフッ化水素酸から成るエッチング液を0.5リットル/分の流量で試料表面に供給した。測定結果の一例を図4に示す。この図では、2個の試料に関する測定データをそれぞれ丸印及び四角印で示し、この測定データを指数関数で近似した計算値を実線で示した。なお、この図には測定結果は温度が40℃以下の範囲のみ示したが、それ以上の温度でも、70℃程度までは計算値からのずれは無視できる程小さい。この計算値より、例えばエッチング液の温度を50℃から60℃に変化させることにより、1分間あたりの加工深さを約0.5μm変化させることができることがわかる。被加工物1上の各点におけるエッチングすべき加工深さが決まれば、この計算値で示された温度と加工深さの関係から、ノズル12からそれら各点に供給するエッチング液の温度を定めることができる。
また、このエッチング深さの温度変化の測定を、ノズル集合体を一定の速度で移動させながら行う。そしてこの測定を複数の速度で行うことにより、エッチング液の温度及びノズル集合体の移動速度とエッチング深さの関係を求めることができる。被加工物1上の各点におけるエッチングすべき加工深さが決まれば、ここで求めた温度及び移動速度と加工深さの関係から、ノズル12からそれら各点に供給するエッチング液の温度及びノズル集合体の移動速度を定めることができる。
流量の調整は、シャッター16の開口面積を変化させることにより行ってもよいし、シャッター16を開閉してその開放時間と閉鎖時間の比を調整することにより行ってもよい。
本発明に係る第2の態様の表面加工方法及び表面加工装置の実施例を図6及び図7を用いて説明する。図6は本実施例の表面加工装置20の概略構成図である。装置20は、内側管211と外側管212が同軸状に配置されたノズル(供給手段)21を有する。内側管211はエッチング液を被加工物1の表面に送出し、外側管212は供給されたエッチング液を回収する。ノズル21は先端が上側になるように配置し、被加工物1は表面が下を向くように配置する。このような配置にする理由は、ノズル21の先端から送出したエッチング液を重力で落下させることにより、被加工物1の表面からより除去しやすくするためである。なお、本発明では後述のようにエッチング液の吸引除去を行うため、ノズル21の先端の向きを上側にすることは必須ではなく、それ以外の向きにしてもエッチング液を被加工物1の表面から除去することは可能である。ノズル21は被加工物1の表面に沿って移動することができる。なお、第1実施例と同様に、ノズル21を移動させる代わりに被加工物1を移動させてもよいし、ノズル21と被加工物1の双方を移動させてもよい。
まず、予備実験として、被加工物1と同じ材料から成る試料を用いて、ノズル21から所定の一定流量のエッチング液を試料表面に送出した場合における、ノズル21の移動速度と試料がエッチングされる深さの関係を求めておく。測定結果の一例を図7に示す。この予備実験では試料は石英であり、濃度20重量%のフッ化水素酸から成るエッチング液を0.5リットル/分の流量で試料表面に供給した。また、実験は100mm/分、133mm/分、200mm/分、400mm/分の4種類の速度でそれぞれ被加工物を移動させることにより行った。図7の横軸は移動速度の逆数であり、縦軸は加工深さ(エッチング深さ)である。実験は各移動速度毎に2回ずつ行い(図中の丸印と四角印)、実験結果に再現性があることを確認した。図7から明らかなように、移動速度の逆数と加工深さには比例関係がある。この関係から、被加工物1上の各点におけるエッチングすべき加工深さが決まれば、それら各点におけるノズル21の移動速度を定めることができる。
第1及び第2実施例の表面加工装置の変形例を図8〜図10に示す。
図8に、第2実施例の表面加工装置にリンス装置30を追設した表面加工装置を示す。リンス装置30はリンス液ノズル31、リンス液タンク32及びリンス液供給ポンプ33を有する。
本変形例においても、エッチング処理は図6の装置と同様の方法により行う。本変形例では、移動制御部22による制御を受けて、エッチング処理のために被加工物1の表面上を移動するノズル21を追尾するように、リンス液ノズル31が被加工物1の表面上を移動する。その際、リンス液を、リンス液供給ポンプ33によりリンス液タンク32からリンス液ノズル31に移送し、リンス液ノズル31から被加工物1の表面に供給する。これにより、もしエッチング処理の際にエッチング液が外側管212に吸引されずに被加工物1の表面に付着して残留していたとしても、その残留エッチング液をリンス液により洗い流すことができ、不要なエッチングの進行をより確実に止めることができる。
なお、ここでは第2実施例の装置にリンス装置30を追設した例を示したが、第1実施例でも同様にリンス装置30を追設することができる。
なお、ここに示した吸引用ノズル34は、ノズル21’ではなくノズル21と共に用いることもできる。また、第1実施例でも同様に吸引用ノズルを追設することができる。
なお、濃度コントローラ35は第1実施例でも同様に追設することができる。また、図10にはフッ化水素酸をエッチング液として用いる場合の例を示したが、フッ化水素酸と硝酸及び/又は酢酸の混合液や水酸化ナトリウム等の他のエッチング液を用いる場合や、エッチングガスを用いる場合にも同様に濃度コントローラを設けることができる。
第1実施例においても同様に、被加工物温度コントローラ36を用いて被加工物1の表面の温度を制御することができる。エッチング剤の温度により加工深さを制御する場合には、被加工物温度コントローラ36により被加工物1表面全体の温度を一定に保ちつつ、エッチング剤の温度調整によりエッチング剤と接触する部分の温度のみが変化することにより、エッチング量を制御することができる。
図12(a)〜(c)には、形状の異なる3種類のノズルを横断面(エッチング液の流れる方向に対して垂直な断面)図で示す。(a)に示したノズル41は図6に示したノズル21と同様に、外側管41aと内側管41bを1個ずつ有する。(b)に示したノズル42はノズル41と同様の外側管と内側管から成る単体ノズル42aを複数束ねたノズルである。ノズル42においては、各単体ノズル42aがいずれも、内側管からエッチング液を被加工物の表面に供給し、外側管からエッチング液及び気体を吸引する。個々の単体ノズル42aの径をノズル41よりも十分小さくしてノズル42全体でノズル41と同程度の大きさにすることができる。このように複数の単体ノズルを束ねることにより、エッチング液及び気体を吸引する外側管がノズル内に分散して配置されるため、効率よく吸引することができる。(c)に示したノズル43は、横断面の形状を矩形としたものである。この矩形の長辺をノズル41の径よりも十分に長くし、その長辺に垂直な方向43aにノズル43を移動させることにより、ノズル41を用いた場合よりは表面加工の空間分解能は低下するものの、被加工物の表面をより速い速度でエッチングすることができる。従って、被加工物の表面を、まずこのような長い辺を持つノズル43を用いて大まかに予備的エッチングを行った後、ノズル41を用いて精密に加工することにより、高精度のエッチングを効率よく行うことができる。
例えばノズル41等では、外側管からエッチング液を吸引する力が強すぎると、内側管の内部まで吸引力が及び、それにより内側管から放出されるエッチング液の一部が被加工物1の表面に到達することなく外側管に吸引される恐れがある。それに対してノズル46では、シャワーヘッド463を設けることにより、外側管462が内側管461の内部にまで与える吸引力は十分に抑えることができるため、エッチング液を被加工物1の表面に確実に供給することができる。このようなシャワーヘッドを有するノズルは、ノズル42のように複数束ねることもできる。また、第1実施例のノズル12にも同様にシャワーヘッドを設けることができる。
(a)に示した操作により大まかに被加工物表面を加工した後で、この表面に残った凹凸を(b)〜(d)に示した操作により除去するという、2段階の操作をすることもできる。また、同一の加工領域に対して、(a)に示した移動操作をそれぞれ異なる移動方向で行うことにより、凹凸を小さくすることができる。
本発明の加工方法によれば、非球面レンズや非球面反射鏡等の複雑な曲面形状を加工することも可能である。
10、10’、20…表面加工装置
11、11a、11b…ノズル集合体
111…外周管
112…隙間
12、12a、12b、21、41〜46…ノズル(供給手段)
121、211、41a、44a、45a、461…外側管
122、212、41b、44b、45b、462…内側管
131…ヒータ
132…温度センサ
14…制御部
15…エッチング液循環装置
151…送出管
152…回収管
153…貯留タンク
154…送液ポンプ
155…流量調節バルブ
156…流量計
157…吸引ポンプ
158…温度コントローラ
16…シャッター
22…移動制御部
30…リンス装置
31…リンス液ノズル
32…リンス液タンク
33…リンス液供給ポンプ
34…吸引用ノズル
35…濃度コントローラ
36…被加工物温度コントローラ
42a…単体ノズル
463…シャワーヘッド
51…加工痕
Claims (18)
- 被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工方法であって、
a) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 液体から成るエッチング剤を前記表面に向けて所定の流量で供給する供給手段を、該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させることにより、該表面をエッチングし、
c) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の液体及び該液体が気化した気体を吸引除去する、
ことを特徴とする表面加工方法。 - 被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工方法であって、
a) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 気体から成るエッチング剤を前記表面に向けて所定の流量で供給する供給手段を、該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させることにより、該表面をエッチングし、
c) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の気体を吸引除去する、
ことを特徴とする表面加工方法。 - 内側管と外側管から成る前記供給手段を用いて、内側管から前記エッチング剤の供給を行い、外側管から前記吸引除去を行うことを特徴とする請求項==又は2に記載の表面加工方法。
- 被加工物の表面上の各点における供給手段の移動速度を表す移動速度関数の逆数と、静止した供給手段から前記所定の流量で単位時間だけ被加工物をエッチングした時のエッチング形状を表す単位加工痕関数の畳み込み積分が、被加工物の表面上の各点におけるエッチングすべき深さを表す関数と一致するように該滞在時間分布関数を求めることにより、前記移動速度を定めることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の表面加工方法。
- 前記エッチング剤及び前記被加工物のいずれか又は両方の温度が所定の範囲内になるように温度制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の表面加工方法。
- 板状の被加工物を立設した状態で前記エッチング工程を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の表面加工方法。
- 前記被加工物がSiO2を材料として含むものであり、前記エッチング剤がフッ化水素酸又はフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合溶液であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面加工方法。
- 前記被加工物がSiを材料として含むものであり、前記エッチング剤がフッ化水素酸と硝酸の混合溶液、フッ化水素酸と硝酸と酢酸の混合溶液又は水酸化カリウムであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の表面加工方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の表面加工方法を用いて表面仕上げを行うことを特徴とする機能性ガラス材の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の表面加工方法を用いて表面仕上げを行うことを特徴とする半導体基板の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の表面加工方法を用いて表面仕上げを行うことを特徴とするガラス基板の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の表面加工方法を用いて振動体の厚さを均一化する工程を有することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の表面加工方法を用いて振動体の厚さを均一化する工程を有することを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。
- 被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工装置であって、
a) 前記被加工物表面に向けて所定の流量で液体から成るエッチング剤を供給する供給手段と、
b) 前記供給手段を、被加工物表面上の各点において前記目的プロファイルと予め測定された加工前の前記被加工物の表面のプロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させる移動制御手段と、
c) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の液体及び該液体が気化した気体を吸引除去する吸引装置と、
を備えることを特徴とする表面加工装置。 - 被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工装置であって、
a) 前記被加工物表面に向けて所定の流量で気体から成るエッチング剤を供給する供給手段と、
b) 前記供給手段を、被加工物表面上の各点において前記目的プロファイルと予め測定された加工前の前記被加工物の表面のプロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させる移動制御手段と、
c) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の気体を吸引除去する吸引装置と、
を備えることを特徴とする表面加工装置。 - 前記供給手段が、前記エッチング剤の供給を行うための内側管と、前記吸引除去を行うための外側管から成ることを特徴とする請求項14又は15に記載の表面加工装置。
- エッチング剤及び前記被加工物のいずれか又は両方の温度が所定の範囲内になるように温度制御する温度制御手段を有することを特徴とする請求項14〜16のいずれかに記載の表面加工装置。
- 前記供給手段から供給されるエッチング剤の流れの向き及び前記被加工物の向きのいずれか一方又は両方を変化させる手段を備えることを特徴とする請求項14〜17のいずれかに記載の表面加工装置。
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