JP3706414B2

JP3706414B2 - ラジカル反応を用いた加工装置および加工方法

Info

Publication number: JP3706414B2
Application number: JP21356895A
Authority: JP
Inventors: 日出雄瀧野; 伊藤　　博; 勇藏森
Original assignee: Nikon Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Nikon Corp; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1995-08-22
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2015-08-22
Also published as: JPH0963791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラジカル反応を利用した無歪加工装置および加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ラジカル反応を利用した無歪加工方法は、例えば、特開平１−１２５８２９号公報等によってすでに開示されている。この加工方法において、プラズマを用いるものは特にプラズマＣＶＭ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇ）と呼ばれている（森ら、精密工学会春季大会学術講演会講演論文集Ｐ．６３７１９９２）。
【０００３】
プラズマＣＶＭとは、つぎのような原理に基づくものである。すなわち、高圧力下において、被加工物近傍に設置された加工電極からプラズマを発生させる。このプラズマにハロゲンなどの電気陰性度の高い反応ガスを供給する。これにより、反応ガスは解離し、反応性に富んだラジカルになる。ラジカルを被加工物表面と反応させ、反応により生じた生成物を連続的に気化させることにより、被加工物表面を加工する。なお、反応ガスは、被加工物と反応し、生成物が気化する特性を有するものを選択して用いる。
【０００４】
この加工方法では、高圧力下でプラズマを生成するために、従来にない高濃度のラジカルを生成できる。このため、機械加工に匹敵する高加工速度が得られる。また、高圧力下であるために、加工電極周辺の電界強度の高い箇所だけに局在化したプラズマを生成できる。その結果、加工領域を加工電極近傍に限定することができ、加工電極形状に依存した極めて空間分解能の高い加工を達成できる。さらに、機械加工では塑性変形、ぜい性破壊といった物理現象を利用しているために、加工によって被加工物表面にダメージを与えることになるが、プラズマＣＶＭでは化学的に加工が進行するので、被加工物表面に欠陥や熱的変質層が形成されず無歪である。
【０００５】
このような従来のプラズマＣＶＭにおいて、プラズマ内への反応ガスの供給方法、および、生成ガスのプラズマ外への排出方法には、大別すると次のようなものがあった。
【０００６】
（１）加工電極とは独立したガス供給手段のノズルの先からプラズマにガスを吹き付ける。生成ガスをプラズマ外に排出するための手段は備えず、自然に排出させる。
（２）加工電極を筒状にし、加工電極の内部に反応ガスを流し、加工電極の先端から反応ガスを吹き出し、プラズマに供給する。生成ガスをプラズマ外に排出するための手段は備えず、自然に排出させる。
【０００７】
（３）特開平５−２３４９４２号公報のように、加工電極内部に、反応ガスを流すための流路と、生成ガスを流すための流路とを設け、加工電極の先端から反応ガスを吹き出させ、プラズマに供給すると共に、加工電極の先端から生成ガスを吸引する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、加工電極を小型にしても、加工電極径に比べて加工痕が大きく、微細な加工ができないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、ラジカル反応を用いた無歪加工装置であって、微細な加工に適した装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの研究によれば、加工電極を小型にしても加工痕が大きくなる原因は、反応ガスの供給方法と、生成ガスの排出方法とにあると考えられる。というのは、プラズマ内で生成されたラジカルは、すべてプラズマ内で被加工物と反応するとは限らず、この未反応のラジカルが、ガスの流れにのってプラズマ外に流れ、プラズマの外側の被加工物と反応するため、加工痕が大きくなってしまうと考えられる。また、反応ガスの流れによってプラズマ自体が広がってしまうことも加工痕拡大の原因と考えられる。
【００１１】
発明者らは、加工装置内のガスの流れを、プラズマの周囲から均等にプラズマの内部に向かって流れる一つの流れのみに制御することにより上記問題が解決できると考えた。このためには、プラズマの周囲に均一に生成ガスを満たした空間を形成し、プラズマの内部でガスを吸引し、この吸引力によって、プラズマの周囲の反応ガスをプラズマ内に供給するとともに、未反応なラジカルおよび生成ガスを排気する。
【００１２】
このため、本発明では、
被加工物を搭載するためのワークテーブルと、前記被加工物の表面に局部的なプラズマを生成するための電極と、前記電極を前記被加工物に対して相対的に移動させるための移動手段と、前記局部的なプラズマに反応ガスを供給するためのガス供給手段と、ガスを排出するためのガス排出手段と、前記ワークテーブルおよび前記電極が内部に配置される容器とを有し、
前記ガス供給手段は、前記容器の内面に沿い且つ前記プラズマが生成される空間と対向せず該空間に前記反応ガスが直接吹き付けられない位置に形成された、前記反応ガスの供給口を有し、該プラズマが生成される空間の外周側から均等に該反応ガスを供給し、
前記ガス排出手段は、ガスを吸引するための吸入口を有し、前記吸入口は、前記局部的なプラズマが生成される空間の内部に位置するように配置されていることを特徴とする加工装置を提供する。
【００１３】
従来の技術において、プラズマの外側に配置されたノズルの先から、プラズマに向かって反応ガスを吹き付ける方法では、吹き付けによって、プラズマを吹き抜けるガスの流れが形成されるため、未反応なラジカルが、この流れにのって、プラズマ外に流れ出るとともに、プラズマの形状がガスの流れに沿って広がる。また、電極の先端からプラズマの内部に反応ガスを吹き出す方法では、ガスの流れが、プラズマ内部から外部に向かう流れになるため、未反応なラジカルがプラズマ外に流れ出てしまうとともに、プラズマも外側に向かって広がる。また、特開平５−２３４９４２号公報のように、電極の先端から反応ガスを吹き出すとともに、電極の先端から吸引を行う方法は、プラズマ内でのガスの流れが複雑であり、ガスの流れを解析しない限り、未反応なラジカルをプラズマの外側に吹き出させることなく、すべて吸引することは困難である。また、加工電極先端に、ガス吸引口とガス供給口とを設けるために電極先端が大型化してしまい、そのためにプラズマも広がってしまう。
【００１４】
これに対し、本発明の加工装置は、プラズマに生成ガスを吹き付けず、プラズマの外側の空間を生成ガスで満たし、プラズマ内の吸引口から吸引を行うことで、ガスの流れをつくっている。したがって、プラズマの中から外へのガスの流れが形成されないため、未反応なラジカルをプラズマの外側に漏れ出させずに、吸引することができる。また、プラズマの広がりを防ぐことができる。この結果、加工痕を小さくでき、微細な加工を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
本発明の一実施の形態の加工装置の構成について、図１、図５、および、図９を用いて説明する。
【００１７】
被加工レンズ１０を搭載するためのワークテーブル１と、被加工レンズ１０の近傍でプラズマを発生させるための加工電極２とは、図５のように、チャンバ９ａの内部に備えられている。ワークテーブル１には、連結棒１０１を介して、位置決めユニット６が接続されている。位置決めユニット６は、チャンバ９ｂ内に配置されている。チャンバ９ａとチャンバ９ｂとは、蛇腹９ｃと隔壁９ｄとにより連結されている。連結棒１０１は、隔壁９ｄを貫通している。位置決めユニット６は、ワークテーブル１をｘ，ｙ，ｚの３軸の直進移動と、回転移動させる機能を有する。これにより、被加工レンズ１０を加工電極２に対して相対的に移動させることができ、被加工レンズ１０の任意の部分を加工することができる。
【００１８】
図１のように、チャンバ９ａの側壁面の底面に近い部分には、開口部４０２が設けられ、反応ガス供給システム４のダクト４０１が接続されている。
【００１９】
一方、加工電極２は、図１、図９のように、先端部２０１が細い管状に加工されている。また、加工電極２には、ガス吸引システム５の吸引ダクト５０４が接続されている。加工電極２には、先端部２０１と、吸引ダクト５０４とを接続する流路２０２が形成されている。加工電極２の先端部２０１の開口部２０３から吸引されたガスは、加工電極２の流路２０２および吸引ダクト５０４を通ってガス吸引システム４に吸引される。
【００２０】
ガス吸引システム５は、マスフローコントローラ５０１と、ドライポンプ５０２と、吸着装置５０３とにより構成されている。マスフローコントローラ５０１は、吸引するガスの流量をコントロールするために配置されている。吸着装置５０３は、吸引したガスに含まれる有害成分を除去するために配置されている。
【００２１】
加工電極２とチャンバ９ａとには、これらの間に高周波電圧を印加し、電力を供給する電力供給システム３が接続されている。電力供給システム３は、高周波電源と、マッチング回路とにより構成されている。マッチング回路は、チャンバ９ａ側と高周波電源側とのインピーダンスを一致させることにより、電力を有効に加工電極２に供給するために配置されている。加工電極２とチャンバ９ａとの間には、絶縁部材９０１が配置され、両者を絶縁している。加工電極２とチャンバ９ａとの間に、高周波電圧を印加することにより、図９のように、加工電極２の先端部２０１と被加工レンズ１０との間に、局部的なプラズマ９０２が生成される。
【００２２】
次に、本実施の形態の加工装置の動作について説明する。
【００２３】
まず、ガス供給システム４のダクト４０１によって、チャンバ９ａの底面近くの開口部４０２からチャンバ９ａ内に反応ガスを供給する。開口部４０２は、加工電極２の先端部２０１から離れた位置に配置されているため、供給されたガスが、加工電極２の先端部２０１付近に直接吹き付けられることはなく、反応ガスは、チャンバ９ａ内を満たし、加工電極２の先端部２０１と被加工レンズ１０との間の空間およびその周囲に、反応ガスが満たされた空間が形成される。
【００２４】
ここで、電力供給システム３から加工電極２に電力を供給し、加工電極２の先端部２０１と被加工レンズ１０との間に局部的なプラズマ９０２を形成する。そして、ガス吸引システム５を動作させ、加工電極２の先端部２０１の開口部２０３からガスを吸引させると、局部的なプラズマ９０２の周囲の反応ガスが満たされた空間から、プラズマ９０２に向かう一様な流れが形成される。この流れにより、反応ガスが、プラズマ９０２の周囲の空間から反応ガスがプラズマに等方的に供給される。
【００２５】
このとき、反応ガスが供給されるチャンバ９ａの開口部４０２は、プラズマ９０２から十分に離れているため、プラズマ９０２の周囲の反応ガスが満たされた空間の反応ガスの濃度は、均一になっている。よって、プラズマ９０２の全周囲から一様な量の反応ガスがプラズマに流れ込む。
【００２６】
流れ込んだガスは、プラズマ９０２内部に位置する加工電極２の先端部の開口部２０３から吸引されるが、プラズマ９０２を通過する間に反応ガスのラジカルが形成され、このラジカルが、被加工レンズ１０と反応し、反応ガスが揮発することにより、被加工レンズ１０が加工される。
【００２７】
この状態で、位置決めユニット６により、被加工レンズ１０と電極２とを相対的に移動させることにより、被加工レンズ１０を任意の形状に加工することができる。
【００２８】
反応により生成したガス、未反応な反応ガス、および、未反応なラジカルは、加工電極２の先端部２０１の開口部２０３から吸引される。ここで、プラズマ９０２内のガスの流れは、プラズマ９０２の周囲から開口部２０３に向かう流れのみであるため、生成ガス、未反応な反応ガス、未反応なラジカルは、この流れにのってすべて開口部２０３から吸引され、プラズマ９０２の外側に漏れでることはない。
【００２９】
したがって、未反応なラジカルが、プラズマ９０２の外側で、被加工レンズ１０と反応して被加工レンズ１０を加工してしまうことがない。また、ガスの流れが、プラズマの外側から内側に向かう流れのみであるため、プラズマがガスの流れによって広がることがない。これにより、加工痕が小さくでき、微細な加工を行うことが可能である。
【００３０】
本発明の加工装置では、プラズマの周囲に、均一な密度で反応ガスを満たした空間を形成するが、このための反応ガス供給システム４の構成は、上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、図２、図３のように、チャンバ９ａの上面と側面の内側に、一定の間隔を空けて壁４１１、４１２を形成する。そして、チャンバ９ａの上面に供給ダクト４０１を取り付ける。そして、供給ダクト４０１から反応ガスを供給し、チャンバ９ａと壁４１１、４１２との間の空間に反応ガスを満たし、壁４１１、４１２と、チャンバ９ａの底面との間隙４２１、４２２から反応ガスをチャンバ９ａ内に供給する。このような構成にすることにより、チャンバ９ａの底面の全周囲から反応ガスを均一な流量で供給することができる。間隙４２１、４２２は、電極２の先端２０１から離れているため、先端２０１付近に反応ガスが吹き付けられることはない。また、間隙４２１、４２２がチャンバ９ａの底面の全周囲にあるため、チャンバ９ａの全周囲からプラズマ９０２を包むように、プラズマ９０２の周囲の空間に均一に反応ガスを供給することができる。
【００３１】
図２のように、壁４１２を加工電極２に取り付けることにより、壁４１２を支持する場合には、壁４１２を絶縁体により構成する。これにより、壁４１２がチャンバ９ａの内側に位置していても、プラズマを形成することができる。
【００３２】
また、図３のように、チャンバ９ａの導体部に壁４１１を取り付けることにより、壁４１１を支持する構成にする場合には、壁４１１を導体によって構成し、壁４１１とチャンバ９ａとを導通させる。これにより、壁４１１が存在していても、プラズマを形成することができる。
【００３３】
また、図１の実施の形態では、電極２の先端部２０１の先からガスを吸引する構成であったが、本発明は、プラズマが生成される空間の内側に吸引口が位置していれば良く、必ずしも、電極の先端から吸引させなくともよい。たとえば、図４、図８のように、ガス吸引システム５のダクト５０４を加工電極２の先端部までのばし、ダクト５０４の先端部５３１を細い管状に加工した形状にすることができる。そして、ダクト５０４の先端部５３１の開口部５３２がプラズマ９０２の内側に位置するように配置する。これにより、加工電極２を介することなく、ダクト５０４から直接ガスを吸引することが可能になり、図１の装置と同様の効果が得られる。この場合には、電極２の先端を管状にする必要はなく、円柱状等、ブレード状等の種々の形状の電極を用いることができる。
【００３４】
【実施例】
本発明の一実施例を説明する。
【００３５】
本実施例は、上述の図１、図５、図９を用いて説明した実施の形態の実施例である。よって、加工装置の全体の構造の説明は、上述した通りであるので説明を省略する。加工を行うチャンバ９ａは、約φ６００ｍｍ、高さ約３００ｍｍのステンレス製とした。ワークテーブル１は、φ４００ｍｍのステンレス製とした。位置決めユニット６は、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸の直進と回転の自由度を有し、Ｘ、Ｙは各々約１５０ｍｍ、Ｚは５０ｍｍのストロークを有するものとした。位置決めユニットを収納するチャンバ９ｂは、約φ１５００ｍｍ、高さ１０００ｍｍのステンレス製とした。加工電極２の先端部２０１は、外径φ１、内径φ０．８のＮｉ製パイプを用いた。ガス供給システム３の高周波電源は、１３０ＭＨｚの高周波を出力するものを用いた。
【００３６】
上記の構成の装置を用いて、以下の手順で石英ガラス（ＳｉＯ₂）製の被加工物１０を加工した。反応ガスには、Ｈｅに対してＳＦ₆を１％混合したものを用いた。
【００３７】
まず、被加工物１０をワークテーブル１上に設置したのち、チャンバ９ａを密閉し、内部を排気した。ガス供給システム４のダクト４０１から、反応ガスを３００ｃｃ／ｍｉｎの流量でチャンバ９ａ内に供給した。つぎに、チャンバ内の圧力が７００ｔｏｒｒで一定になったのを確認したのち、加工電極２の先端部２０１の先端から３００ｃｃ／ｍｉｎの一定流量でガスを吸引した。このように反応ガスの供給流量と吸引流量とを同一にしているので、チャンバ９ａ内の圧力を一定に維持することができる。そして、約１０Ｗ程度の電力を電力供給システム３から加工電極２に印加し、加工電極２の先端部２０１の先端にプラズマを生成させた。プラズマ内に吸引された反応ガスは、以下のようにラジカルを形成し、このラジカルが石英ガラスと以下のように反応し、除去加工が進行するものと考えられる。Ｈｅは反応に寄与しない。
【００３８】
ＳＦ₆ → Ｓ＋６Ｆ^*
３ＳｉＯ₂＋２ＳＦ₆ → ３ＳｉＦ₄＋３Ｏ₂＋２Ｓ
位置決めユニット６により、被加工物１０を移動させて、加工を行った。
【００３９】
図６に本実施例の加工装置により、被加工物１０上で一定時間加工電極２を移動させることなく加工を行った場合に、形成される加工痕の形状を示す。また、比較例として、上述の実施例と同じパイプ状の先端部２０１の加工電極２から反応ガスを３００ｃｃ／ｍｉｎで吹き出させ（本明細書の従来技術記載の（２）の方法）、同時間加工を行った場合の加工痕の形状を示す。図６からわかるように、本実施例の加工痕は、比較例よりも半径が小さく、最深部の深さが深くなっており、しかも、側面部の傾斜が急峻になっていることがわかる。
【００４０】
また、図７には、加工電極２の先端部２０１を、外径φ０．５ｍｍ、内径φ０．３ｍｍのＮｉ製パイプＮｉした場合の加工痕の形状を示す。投入電力、反応ガス種および濃度は、上記実施例と同じで、反応ガス流量は、１Ｌ／ｍｉｎとした。また、比較例として、同じ加工電極の先端部２０１を用いて、同条件で、反応ガスを先端部２０１から吹き出させた場合の加工痕の形状を示す。図７から、前述の外径φ１ｍｍの場合と同様に、比較例よりも、加工痕の半径が小さくなっていることがわかる。また、比較例では、Ｗ字型の加工痕となるが、本実施例では、Ｖ字型の加工痕が得られることがわかる。
【００４１】
このように、本実施例の加工装置を用いることより、半径が小さく急峻な加工痕が得られ、従来のプラズマＣＶＤと比較して微細な加工を行うことが可能である。また、本実施例で加工されたものは、機械加工されたものと異なり、加工表面が無歪である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、ラジカル反応を用いた無歪加工装置であって、微細な加工を行うことのできる装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の加工装置の部分断面図。
【図２】本発明の一実施の形態の加工装置の部分断面図。
【図３】本発明の一実施の形態の加工装置の部分断面図。
【図４】本発明の一実施の形態の加工装置の部分断面図。
【図５】本発明の一実施の形態の加工装置の全体の構成を示すブロック図。
【図６】本発明の一実施例による加工装置による加工痕の形状を示すグラフ。
【図７】本発明の一実施例による加工装置による加工痕の形状を示すグラフ。
【図８】図１の加工装置のプラズマと加工電極先端の位置関係を示す部分断面図。
【図９】本発明の一実施の形態の加工装置のプラズマと加工電極先端の位置関係を示す部分断面図。
【符号の説明】
１・・・ワークテーブル、２・・・加工電極、３・・・電力供給システム、４・・・ガス供給システム、５・・・ガス吸引システム、６・・・位置決めユニット、９ａ、９ｂ・・・チャンバ、１０・・・被加工物、２０１・・・被加工電極先端部、２０２・・・流路、９０２・・・局部的なプラズマ。

Claims

被加工物を搭載するためのワークテーブルと、前記被加工物の表面に局部的なプラズマを生成するための電極と、前記電極を前記被加工物に対して相対的に移動させるための移動手段と、前記局部的なプラズマに反応ガスを供給するためのガス供給手段と、ガスを排出するためのガス排出手段と、前記ワークテーブルおよび前記電極が内部に配置される容器とを有し、
前記ガス供給手段は、前記容器の内面に沿い且つ前記プラズマが生成される空間と対向せず該空間に前記反応ガスが直接吹き付けられない位置に形成された、該反応ガスの供給口を有し、該プラズマが生成される空間の外周側から均等に該反応ガスを供給し、
前記ガス排出手段は、ガスを吸引するための吸入口を有し、前記吸入口は、前記局部的なプラズマが生成される空間の内部に位置するように配置されていることを特徴とする加工装置。
請求項１に記載の加工装置において、
前記ガス供給手段の前記供給口は、前記被加工物の加工すべき面よりも下方に位置することを特徴とする加工装置。
請求項１または２に記載の加工装置において、
前記吸入口は、前記電極に設けられ、
前記電極は、前記吸入口から吸入されたガスを流すための流路を有することを特徴とする加工装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の加工装置において、
前記供給口は、前記ワークテーブルを囲むように、配置されていることを特徴とする加工装置。
容器の内部で被加工物の表面に局部的なプラズマを形成し、前記局部的なプラズマに反応ガスを供給して、前記反応ガスに含まれる物質のラジカルを形成し、前記ラジカルと前記被加工物との反応させ、生じた生成物を揮発させることにより、前記被加工物を加工する方法であって、
前記容器の内面に沿い且つ前記局部的なプラズマが生成される空間と対向せず該空間に前記反応ガスが直接吹き付けられない位置から、前記反応ガスを供給し、
前記局部的なプラズマが生成されている空間の内部で、ガスの吸引を行い、この吸引により、該プラズマが生成されている空間の周囲から均等に該空間へ流れる流れを形成することにより、該プラズマが生成される空間の周囲から均等に前記反応ガスを供給すること特徴とする加工方法。