JP2012527747A - イオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法 - Google Patents

イオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、表面改質により超精密切削加工を行う新規技術に属し、具体的に陽子ビームアシストによる脆性材料の超精密加工方法に関する。本発明は、陽子ビームにより対象物の表面を照射して改質アシスト加工を行う超精密加工技術であり、超精密加工脆性材料の加工精度と表面粗さを著しく向上し、カッターの摩耗を大幅に低減させることができる。本発明は以下のステップを含む。a)シミュレーションソフトウェアを利用して、切削深さ、表面粗さまたはその他の加工要求に従って加工パラメータをシミュレートし、b)イオンビームにより被加工の単結晶脆性材料に衝撃を与えまたは照射することにより、超精密切削加工を行い、c)超精密切削技術により、イオンビーム衝撃した単結晶材料に対して超精密切削加工を行い、d)加工した材料の表面特徴を示す品質を測定し、加工表面品質の改善状況を対比する。本発明は主に単結晶脆性材料の加工に応用される。

Description

本発明は、表面改質により超精密切削加工を行う新規技術に属し、具体的にイオンビームアシストによる脆性材料の超精密加工方法に関する。
超精密加工とは、国民経済の急速な発展のニーズに対応するために発達してきた高精度の加工技術である。超精密加工には、超精密切削、超精密研削、研磨およびラッピングなどが含まれる。単結晶脆性材料（例えば、単結晶シリコン）に対する超精密加工において、材料が硬く、脆い（もろい）という特性により、被加工表面に脆性破壊状態が現れるため、加工品質および精度に深刻な影響を与える。
いかに脆性材料加工の過程における脆性破壊を減少させ、または除去して、超精密加工の加工精度と表面の粗さとを改善するかが、かねてより超精密加工分野の研究課題である。
本発明は、従来技術の課題を解決するために、脆性材料の加工精度と表面粗さを著しく改善し、カッターの摩耗を大幅に減少させることができる、イオンビーム照射による対象物の表面改質アシスト加工の超精密加工技術を提供することを目的とする。本発明は以下のステップを含む。
a)シミュレーションソフトウェアを利用して、切削深さ、表面粗さまたは他の加工要求に従って加工パラメータをシミュレートし、
b) シミュレーション結果により得られたエネルギーと流束で、イオンビームにより被加工の単結晶脆性材料の表面に衝撃を与え、または照射し、
c)超精密切削技術により、イオンビーム衝撃後の単結晶材料に対して超精密切削加工を行い、
d)加工した表面品質を測定し表現し、従来の超精密切削技術で加工した表面と加工表面品質の改善状況を対比する。
また、シミュレーションで使われたソフトウェアは、シミュレーション機能を備えるSRIMソフトウェアである。
イオンビームは陽子ビームまたはHe（ヘリウム）イオンビームである。
前記切削加工深さは、イオンビームによる衝撃或は照射の深さよりも小さい。
前記単結晶脆性材料は、単結晶シリコンまたは単結晶ゲルマニウムである。
超精密切削技術とは、単結晶ダイヤモンド・カッターを使って切削加工を行うことである。
本発明の効果は以下のとおりである。
まず、本発明は、イオンビームにより一定流束で被加工表面に一定時間衝撃を与える（一定時間照射する）ことで、イオンビームの作用により、表面の被加工層の構造が変化して、材料表面の塑性性能を向上させ、加工中の脆性破壊の発生を効果的に減少させることにより、超精密加工表面の加工精度と表面粗さを改善し、カッターの摩耗を減少させるという目的を達する。この方法は、順応性が高く、簡単であり、脆性材料を超精密加工するときに生じる表面脆性破壊の加工表面の粗さに対する影響を、加工メカニズムの面から根本的に減少させ、表面品質を向上し、かつカッターの摩耗を低減させることができる。
また、この方法は、順応性が高く、簡単である。加工深さと加工材料に応じて、イオンビームによる衝撃（照射）の流束と時間とを適切に選ぶことができる。
図1は、陽子ビーム（H+）の脆性材料に対する衝撃（照射）を示す。（a）は、陽子ビームによる衝撃（照射）が行われていない脆性材料を示し、（b）は、陽子ビーム衝撃（照射）後の脆性材料を示し、（c）は、陽子ビームによる衝撃（照射）が行われていない脆性材料に対して、カッターで加工を行い、破壊が生じた様子を示し、（d）は、陽子ビームによる衝撃（照射）後の脆性材料に対して、カッターで加工を行い、破壊が生じない様子を示す。 図2は、同じ流束の陽子ビームでシリコン基板に衝撃を与える（照射する）SRIMシミュレーション結果を示す。シミュレーション結果から、陽子ビームによる衝撃（照射）の程度や深さなどについては制御可能であることがわかる。（a）は、加速電圧が200KeVであり、（b）は、加速電圧が50KeVである。
単結晶脆性材料（例えば単結晶シリコン）を加工する。まず、理論研究およびシミュレーション分析に基づいて、陽子衝撃の加工パラメータ（陽子ビームの流束、印加電圧値、衝撃（照射）時間）を研究して、最適化パラメータを取得する。そして、サンプルを陽子発生器に置き、加工要求（切削深さなど）に従って、一定の陽子流束および時間で陽子ビームにより被加工表面に衝撃を与える（照射する）。陽子ビームの作用で、表面被加工層の単結晶構造は、単結晶から多結晶、更には非晶質形態に変化するため、材料表面の塑性性能を向上させ、加工中の脆性破壊の発生を効果的に減少させる．それにより、超精密加工表面の加工精度と表面粗さとを改善するという目的を達する。
単結晶脆性材料は単結晶から多結晶、更には非晶質形態に変化するため、材料の脆性も低下し、カッターの摩耗も低減される。
また、本発明について、さらに図面と実施例とに基づいて説明する。
本発明は、超平滑な表面を実現するように、陽子ビームにより被加工物の表面に衝撃を与えて（照射して）アシスト加工する超精密加工技術であり、以下のステップを含む。
(1)シミュレーションソフトウェアを利用して、加工要求（切削深さなど）に従って加工パラメータをシミュレートし、
(2) シミュレーション結果により得られた流束で、イオンビームにより被加工の単結晶脆性材料の表面に衝撃を与え、または照射し、
(3)単結晶ダイヤモンド・カッターを使って，イオンビーム衝撃（照射）後の単結晶脆性材料に対して切削加工を行い、
(4)加工表面品質などを測定する。
上述の超平滑な表面を実現でき、陽子ビームで被加工物の表面を衝撃して（照射して）おくことに基づいたイオンビームアシストによる超精密加工技術において、ステップ(1)で使われたソフトウェアは、SRIMまたはシミュレーション類似機能を備えるその他のソフトウェアである。
上述の超平滑な表面を実現でき、陽子ビームで被加工物の表面を衝撃して（照射して）おくことに基づいたイオンビームアシストによる超精密加工技術において、ステップ(2)で使用されたイオンビームは陽子ビームであり、その流束と加工時間とは制御可能である。しかも、この技術では、陽子に限らず、ほかの粒子（例えばHeイオンなど）を使用してもよい。
ステップ(3)において、前記切削加工深さは、陽子ビームによる衝撃（照射）の深さよりも小さい。
前記被加工材料は単結晶脆性材料であり、例えば単結晶シリコンや単結晶ゲルマニウムなどである。
本実施例において、単結晶脆性材料として単結晶シリコンを用いる。
(1) SRIMシミュレーションソフトウェアを利用して、加工要求（切削深さなど）に従って加工パラメータをシミュレートする。シミュレーション結果は、陽子ビームの衝撃流束が1016/cm2、印加電圧値が2MeVである。SRIMについてはhttp://www.srim.org/を参照する。
(2)シミュレーション結果により得られた流束1016/cm2および印加電圧値2MeVで、陽子ビームにより被加工表面を衝撃する（照射する）。
(3)単結晶ダイヤモンド・カッターを使って、陽子ビーム衝撃（照射）後の単結晶Si材料に対して切削加工を行う。切削深さは3μｍ、送り速度は0.5mm/min、切削速度は50m/minである。ここで単結晶シリコンを単結晶ゲルマニウムに取替えてもよい。
(4)測定した結果、超精密切削加工した単結晶Siの表面粗さRaが約10nmであることがわかる。
上述の実施ステップは、本技術をより理解し実施しやすくするために、本発明の技術思想と特徴とを説明しているに過ぎず、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

Claims (5)

  1. a)シミュレーションソフトウェアを利用して、切削深さ、表面粗さまたは他の加工要求に従って加工パラメータをシミュレートするステップと、
    b)シミュレーション結果によって得られたエネルギーとビーム量とで、イオンビームにより被加工の単結晶脆性材料の表面に衝撃を与え、または照射するステップと、
    c)超精密切削技術により、イオンビーム衝撃後の単結晶材料に対して超精密切削加工を行うステップと、
    d)加工した材料の表面特徴の品質を測定し、加工表面品質の改善状況を対比するステップと、
    を含むことを特徴とするイオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法。
  2. シミュレーションに使われたソフトウェアは、シミュレーション機能を備えるSRIMソフトウェアであることを特徴とする、請求項１に記載のイオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法。
  3. イオンビームは陽子ビームまたはHeイオンビームであることを特徴とする、請求項１に記載のイオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法。
  4. 前記切削加工深さは、イオンビームによる衝撃または照射の深さよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のイオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法。
  5. 前記単結晶脆性材料は、単結晶シリコンまたは単結晶ゲルマニウムであることを特徴とする、請求項１に記載のイオンビームアシストによる単結晶脆性材料の超精密加工方法。

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