JP4274893B2 - Ultraprecision polishing method and ultraprecision polishing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光学ガラス素子を成形する成形型等の被加工物表面を研磨するために用いる超精密研磨方法及び超精密研磨装置に関する。 The present invention relates to an ultraprecision polishing method and an ultraprecision polishing apparatus used for polishing a surface of a workpiece such as a mold for forming an optical glass element.
レンズ等の光学ガラス素子には回転軸対称の球面レンズや非球面レンズ等があり、これらを大量生産するためには成形型を使用したプレス成形が有力な加工手段となっている。この場合、成形型によってプレス成形されたレンズの形状精度が悪いと、レンズが組み込まれたカメラ等の光学機器に収差が発生するため、光学機器としては機能が低下する。また、成形型の面粗さが粗面の場合には、成形後のレンズの面粗さも粗面になり、光学機器にフレアーが発生する。このようにレンズのプレス成形においては、レンズの加工精度が重要となっているが、レンズの加工精度を左右するのは、レンズに転写される成形型の表面の形状精度である。 Optical glass elements such as lenses include rotationally symmetric spherical lenses and aspherical lenses. In order to mass-produce these, press molding using a mold is an effective processing means. In this case, if the shape accuracy of the lens press-molded by the mold is poor, aberration occurs in an optical device such as a camera in which the lens is incorporated, so that the function of the optical device is degraded. Further, when the surface roughness of the mold is rough, the surface roughness of the lens after molding becomes rough, and flare occurs in the optical device. As described above, in the lens press molding, the lens processing accuracy is important, but the lens processing accuracy is affected by the shape accuracy of the surface of the molding die transferred to the lens.
特開平8−120470号公報には、成形型等の被加工物の表面に対して、ガスクラスターイオンビームを照射することにより、その表面を超精密研磨する方法が開示されている。ガスクラスターイオンビームは被加工物に照射されることによる被加工物との衝突によって壊れ、その際に、クラスター構成原子または分子及び被加工物構成原子または分子と多体衝突が生じ、被加工物の表面に対して水平方向への運動が顕著となる。これにより、被加工物の表面における凸部が主に削られ、原子サイズでの平坦な超精密研磨が可能となるものである。
ガスクラスターイオンビームを構成する1個の原子半径は数Åであるため、これの原子が数百〜数千個集まったクラスターであってもクラスターサイズは数nm〜数十nmレベルのサイズである。図7に示すように、被加工物の表面に存在する突起TのピッチPがミリ単位である場合、太径である慣用のクラスターイオンビームを被加工物に一様に照射すると、図7のA部拡大である図8に示すようにクラスターサイズ程度以下の極小面積では微小凸部が主に削られるため、図9に示すように面粗さは向上できるが、表面全体に存在するミリ単位のピッチPの突起Tについては依然として除去されることがなく、目標形状に対して形状差を修正することができない。その結果、形状精度を向上させることができない問題を有している。 Since the radius of one atom constituting the gas cluster ion beam is several tens of meters, the cluster size is several nanometers to several tens of nanometers even if the cluster is composed of several hundred to several thousand atoms. . As shown in FIG. 7, when the pitch P of the projections T existing on the surface of the workpiece is in millimeters, when the conventional cluster ion beam having a large diameter is uniformly irradiated to the workpiece, As shown in FIG. 8, which is an enlargement of the portion A, the micro-projections are mainly shaved in a minimum area of about the cluster size or less, so that the surface roughness can be improved as shown in FIG. The protrusions T having the pitch P are still not removed, and the shape difference cannot be corrected with respect to the target shape. As a result, there is a problem that the shape accuracy cannot be improved.
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、被加工物の表面に存在する突起のピッチP以下のスポット径に設定したガスクラスターイオンビームであっても、被加工物表面の突起を除去して形状創成を行うことが可能な超精密研磨方法及び超精密研磨装置を提供することを目的とする。また、本発明は、形状創成を行うプロセスにおいて、ガスクラスターイオンビームの加工原理を利用することにより、極小面積における面租さを向上させることが可能な超精密研磨方法及び超精密研磨装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such conventional problems, and even with a gas cluster ion beam set to a spot diameter equal to or less than the pitch P of protrusions existing on the surface of the workpiece, It is an object of the present invention to provide an ultraprecision polishing method and an ultraprecision polishing apparatus capable of creating a shape by removing protrusions on a workpiece surface. The present invention also provides an ultraprecision polishing method and an ultraprecision polishing apparatus capable of improving surface roughness in a minimum area by utilizing the processing principle of a gas cluster ion beam in a shape creation process. The purpose is to do.
上記目的を達成するため、請求項1の発明の超精密研磨方法は、被加工物の表面位置に対する突起高さを測定する工程と、前記測定した突起高さ、その表面位置及び予め求めた突起を除去するのに必要なガスクラスターイオンビームの照射ドーズ量に基づいて、被加工物の表面位置に対するガスクラスターイオンビームの照射時間を算出する工程と、算出された照射時間に基づいて、ガスクラスターイオンビームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させることにより被加工物の表面の形状創成及び研磨を行う工程と、を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, an ultra-precision polishing method according to the invention of
請求項1の発明では、ガスクラスターイオンビームの照射時間を予め算出し、被加工物の表面位置によりガスクラスターイオンビームの照射時間を変化させるため、被加工物の表面状態に応じた研磨を行うことができる。このため、高精度の研磨を行うことができる。 In the first aspect of the invention, the irradiation time of the gas cluster ion beam is calculated in advance, and the irradiation time of the gas cluster ion beam is changed depending on the surface position of the workpiece, so that polishing according to the surface state of the workpiece is performed. be able to. For this reason, highly accurate polishing can be performed.
請求項2の発明は、請求項1に記載の超精密研磨方法であって、前記ガスクラスターイオンビームの照射方向と被加工物の表面とが常に垂直になるように、ガスクラスターイオンビームを照射する照射手段と、前記被加工物とを相対的に揺動させることを特徴とする。
The invention according to
請求項2の発明では、ガスクラスターイオンビームの照射手段と被加工物とを揺動させることにより、ガスクラスターイオンビームの照射方向を被加工物の表面と垂直になるように制御するため、凸形状、凹形状等の複雑な被加工物の表面に応じた研磨を行うことができる。 According to the second aspect of the present invention, since the irradiation means of the gas cluster ion beam and the workpiece are swung, the irradiation direction of the gas cluster ion beam is controlled to be perpendicular to the surface of the workpiece. Polishing according to the surface of a complicated workpiece such as a shape or a concave shape can be performed.
請求項3の発明の超精密研磨装置は、被加工物の表面位置に対する突起高さを測定する測定手段と、ガラスクラスターイオンビームを被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、ガスクラスターイオンビームが照射される被加工物の表面位置を変えるために、前記照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、前記測定手段で測定した突起高さ、その表面位置及び予め求めた突起を除去するのに必要なガスクラスターイオンビームの照射ドーズ量に基づいて、被加工物の表面位置に対するガスクラスターイオンビームの照射時間を算出する算出手段と、算出手段で算出された照射時間に基づいて前記移動手段を制御してガスクラスターイオンビームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させる制御手段と、を具備することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an ultraprecision polishing apparatus comprising: a measuring means for measuring a projection height with respect to a surface position of a workpiece; an irradiation means for irradiating a surface of the workpiece with a glass cluster ion beam; In order to change the surface position of the workpiece irradiated with the ion beam, the moving means for relatively moving the irradiation means and the workpiece, the protrusion height measured by the measuring means, the surface position and Calculation means for calculating the irradiation time of the gas cluster ion beam with respect to the surface position of the workpiece based on the irradiation dose of the gas cluster ion beam necessary for removing the obtained protrusion, and the irradiation calculated by the calculation means It is equipped with a control means for changing the surface position of the workpiece irradiation time of said controlled movement means gas cluster ion beam on the basis of the time It is characterized in.
請求項3の発明では、算出手段がガスクラスターイオンビームの照射時間を算出し、制御手段が被加工物の表面位置によってガスクラスターイオンビームの照射時間を変化させるため、被加工物の表面状態に応じた研磨を行うことができる。
In the invention of
請求項4の発明は、請求項3に記載の超精密研磨装置であって、前記照射手段から照射されるガスクラスターイオンビームの照射方向と被加工物の表面とが常に垂直になるように照射手段と被加工物とを相対的に揺動させる揺動手段をさらに具備することを特徴とする。
The invention of
請求項4の発明は、揺動手段がガスクラスターイオンビームの照射手段と被加工物とを揺動させることにより、これらが垂直となるように制御されるため、凸形状、凹形状等の複雑な被加工物の表面に応じた研磨を行うことができる。
In the invention of
本発明の超精密研磨方法によれば、被加工物の表面位置に応じてガスクラスターイオンビームの照射時間を制御して研磨を行うため、被加工物の形状精度を高精度化することができると共に、面粗さを向上させることができる。 According to the ultraprecision polishing method of the present invention, polishing is performed by controlling the irradiation time of the gas cluster ion beam in accordance with the surface position of the workpiece, so that the shape accuracy of the workpiece can be increased. At the same time, the surface roughness can be improved.
本発明の超精密研磨装置によれば、ガスクラスターイオンビームの照射手段と、照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、ガスクラスタービームを照射する照射時間を制御する制御手段とを有しているため、被加工物の表面位置に応じたガスクラスターイオンビームの照射を制御することができ、これにより、被加工物の形状精度を高精度化することができると共に、面粗さを向上させることができる。 According to the ultraprecision polishing apparatus of the present invention, the irradiation means of the gas cluster ion beam, the moving means for relatively moving the irradiation means and the workpiece, and the control means for controlling the irradiation time for irradiating the gas cluster beam Therefore, it is possible to control the irradiation of the gas cluster ion beam in accordance with the surface position of the workpiece, thereby improving the shape accuracy of the workpiece and improving the surface. Roughness can be improved.
以下、本発明を図示する実施の形態により具体的に説明する。なお、各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させてある。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to embodiments shown in the drawings. In each embodiment, the same members are assigned the same reference numerals.
(実施の形態1)
図1は、本発明の超精密研磨に用いるガスクラスターイオンビーム加工装置を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a gas cluster ion beam processing apparatus used for ultraprecision polishing of the present invention.
ガスクラスターイオンビーム加工装置は、ソース部1と、差動排気部2と、イオン化部3との3つのチャンバーによって構成されていると共に、制御部100に接続されている。これらのチャンバー内においては、イオンビーム照射前の準備として不純物ガス、水、酸素及び窒素等を極力俳除する必要があり、このため不図示のポンプにより所望の真空度まで減圧されるようになっている。
The gas cluster ion beam processing apparatus is constituted by three chambers of a
ソース部1の内部には、ノズル部4及びスキマー5が配置される。ノズル4には不図示のガスボンベから0.6〜1.0MPa程度の高圧ガスが供給される。このガスとしては、例えばアルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、SF6ガス、ヘリウムガスの他、炭酸ガスあるいは2種以上を混合したガスを用いることができる。このような高圧ガスが超音速でノズル4から噴出する瞬間の断熱膨張によってガスクラスターが生成され、次に、スキマー5を通過してガスクラスターのビーム径が整えられる。
Inside the
差動排気部2には、ガスクラスタービーム10を開閉するシャッター18が配設されている。ソース部1を出たときのガスクラスタービーム10は中性ビームであるが、差動排気部2を経由してイオン化部3に入り、イオン化部3内のタングステンフィラメント6の熱電子の衝突によってイオン化される。従って、ガスクラスターを生成するノズル部4及び熱電子の衝突によってイオン化を行うタングステンフィラメントとによって照射手段が構成される。
A
ガスクラスターイオンビーム10は、次に加速電極7により加速される。このとき、慣用ガスクラスターイオンビーム10の径は数〜数十mm程度であるため、グランド電極8の形状の変更と、第三電極9とグランド電極8の距離の変更とにより、ガスクラスターイオンビーム10が安定して細く絞れる最適条件に設定する。
The gas
さらに、これらの下流側には、アパーチャ11が配置されている。アパーチャ11は、ガスクラスターイオンビーム10を所望のスポット径とするものである。このアバーチャ11は板材に穴を開けるだけの簡単な構造なため、数十μm〜数十mmまでスポット径を任意に且つ高精度に設定することができる。アパーチャ11の下流側には、被加工物としての平面成形型12がその表面がガスクラスターイオンビーム10の入射方向に対して垂直になるように配設されている。
Further, an
平面成形型12はガスクラスターイオンビーム10の入射方向と平方な回転軸を中心として回転可能な回転手段としての回転ステージ13に搭載されている。回転ステージ13は紙面に対して前後方向(回転ステージ13の回転軸に対して垂直なX軸方向(図5参照))に移動可能なX軸ステージ14に搭載されている。
The
回転ステージ13及びX軸ステージ14には、不図示のサーボモータあるいはステッピングモータが搭載されており、制御手段としての制御部100により制御自在となっている。この回転ステージ13及びX軸ステージ14とによって、移動手段が構成されている。
The
X軸ステージ14の側面には、Y軸ステージ15が取り付けられている。Y軸ステージ15は、回転ステージ13の回転軸及びX軸ステージ14のX軸のそれぞれに対して垂直なY軸方向への位置調整が可能となっており、このY軸ステージ15を調整することによりガスクラスターイオンビーム10の高さ位置を調整することが可能となっている。Y軸ステージ15は不図示のネジによって手動微調整が可能あるいはサーボモータ、ステッピングモータによる自動微調整が可能となっている。回転ステージ13、X軸ステージ14及びY軸ステージ15は、ベース17上に固定されているブラケット16に搭載されている。
A Y-
制御部100は、制御手段を構成するものであり、算出手段としての算出部102と、記憶部103とを有している。この制御部100に対しては制御プログラムを作成することが可能となっている。そして、作成した制御プログラムによって、回転ステージ13とX軸ステージ14を駆動させることができる。干渉計101は、測定手段を構成するものであり、平面成形型12の表面形状を測定し、そのデータを制御部100に送出する。
The
次に、以上の装置による平面成形型12の加工を行う前に必要な準備について図1〜図5により説明する。
Next, preparations required before processing the
まず、干渉計101を用い、加工する平面成形型12の全面形状における表面の位置に対する突起高さを測定する。図2は、測定した突起高さの一例を示し、B部は高く、C部は低くなっている。B部の高さは約0.2μm、C部の高さは約0.05μmであり、B部とC知の差は約0.15μmとなる。従って、形状精度はPV(peak to valley)値:約0.15μmとなる。このPV値を小さくすることにより形状精度を向上させることができる。
First, using the
そして、予め記憶部103に記憶されている目標形状と干渉計101の測定結果により得られた突起高さおよび突起位置の点列データを使用して制御プログラムを作成する。また、この測定結果によって突起の水平断面の面積が判明するため、この突起の面積よりも小さいアパーチャ11を選定してガスクラスターイオンビーム10のスポット径を設定する。
Then, a control program is created using the target shape stored in advance in the
次に、照射位置が動かない状態のガスクラスターイオンビーム10と平面形状を有する平面成形型12の中心位置とを一致させる。このとき、ガスクラスターイオンビーム10の高さ方向についてはY軸ステージ15を手動あるいはサーボモータやステッピングモータによる自動での操作により移動させる。一方、水平方向についてはX軸ステージ14を不図示のサーボモータやステッピングモータを駆動して移動させる。
Next, the gas
また、突起を除去するために必要な照射ドーズ量をあらかじめ実験データとして把握しておく。図3は、この実験データの一例を示す。同図は、平面成形型を固定し、アパーチャ11の穴径を約3000μmとして、照射ドーズ量が3×1016(ions/cm)のガスクラスターイオンビーム10を一点に照射したときのビーム加工痕である。この測定は、測定子を接触させた状態で走査させ、形状や面粗さを測定する計測器(フォームクリサーフ)により算出することができる。図3において、横軸はビーム加工痕の測定位置であり、縦軸はその測定位置でのスパッタリング深さを示す。また、この実験は、照射ドーズ量が9×1016(ions/cm2)の場合も示しており、図4は、その結果をグラフにプロットしたものである。この結果より、照射ドーズ量に対するスパッタリング深さは比例関係となっていることが確認できる。また、ガスクラスターイオンビームの特長としては大量の原子を低速で輸送できるため、クラスターが有しているエネルギーが低くなり、表面に損傷を与えず微量のスパッタリングができ、これにより細かなスパッタリング深さ制御が可能となる。
Further, the irradiation dose necessary for removing the protrusions is previously grasped as experimental data. FIG. 3 shows an example of this experimental data. This figure shows a beam processing trace when a flat mold is fixed, a hole diameter of the
この実施の形態による加工法では、以下に示す関係式が成り立つものである。
照射時間=(照射ドーズ量×照射面積×電気素量e)/(検出イオン電流量)…式(1)
In the processing method according to this embodiment, the following relational expressions hold.
Irradiation time = (irradiation dose amount × irradiation area × elementary electron amount e) / (detection ion current amount) (1)
従って、突起高さ分を除去する場合には、平面成形型12の表面位置におけるスパッタリング深さを設定し、そのときの照射ドーズ量を算出部102により図4のグラフに基づいて算出し、式(1)により照射時間を決定することにより可能となる。
Therefore, when removing the protrusion height, the sputtering depth at the surface position of the
研磨を行う加工方法の実際について説明すると、ガスクラスターイオンビーム10が平面成形型12の外周近傍に照射できるようにX軸ステージ14を移動する。その後、シャッター18を開けてガスクラスターイオンビーム10を照射する。平面成形型12の形状創成を行うために回転ステージ13を回転させ、X軸ステージ14を移動させてガスクラスターイオンビーム10の照射を行う。このとき、上述したように、突起の高さと位置が事前に分かっており、ガスクラスターイオンビーム10を照射する際は突起を除去するのに必要な分だけのガスクラスターイオンビーム10を照射する。
The actual processing method for polishing will be described. The
図5は、ガスクラスターイオンビーム10の照射方法を示す。まず平面成形型12の外周部に回転ステージ13を回転させながら照射し、突起位置に達したとき低速回転とする、あるいは回転を停止することにより、照射の滞留時間を制御部100で制御して、所望の形状になるように突起を除去する。
FIG. 5 shows an irradiation method of the gas
1周の照射が完了した後、ガスクラスターイオンビーム10が中心方向に照射できるようにX軸ステージ14をX軸方向に移動する。図5には、このときの移動量を移動ピッチ19で示してある。そして、上述と同様に、回転ステージ13を制御しながら回転させる。以上のサイクルを繰り返して行うことにより、平面成形型12の全面の形状創成を行う。
After one round of irradiation is completed, the
この実施の形態では、形状創成を行うプロセスにおいて、ガスクラスターイオンビーム10の加工原理を利用して、極小面積における面粗さを向上させることができる。すなわち、クラスターは原子あるいは分子が緩く結合された状態であり、クラスターが被加工物である平面成形型12に垂直に衝突した場合、クラスターが飛散してクラスターによりはじき飛ばされた被加工物12の粒子が水平方向に飛散して堆積される。その結果、面粗さを向上させることが可能となるラテラルスパッタリング効果を利用するものである。
In this embodiment, it is possible to improve the surface roughness in the minimum area by utilizing the processing principle of the gas
このような実施の形態によれば、事前に測定した平面成形型12の突起の高さ及び位置のデータに基づき、ガスクラスターイオンビーム10の加工プロセスにより、突起を選択的に除去する。このため、平面成形型10の形状精度の向上を図ることができる。また、ガスクラスターイオンビーム加工の加工原理をもちいることにより、極小面積における面粗さを向上させることも可能となる。
According to such an embodiment, the protrusions are selectively removed by the processing process of the gas
(実施の形態2)
図6は本発明の実施の形態2を示す。この実施の形態では、被加工物として、凸形状の球面成形型20に対する加工を行うものである。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the convex spherical molding die 20 is processed as a workpiece.
ガスクラスターイオンビーム10は球面成形型20の表面に垂直に照射できるように揺動手段としての揺動ステージ21を回転ステージ13に設け、揺動ステージ21を介して球面成形型20を保持する。揺動ステージ21は球面成形型20の表面形状に合わせて制御できる制御機能を具備するものである。
A
この実施の形態では、球面成形型20の表面形状に対して、常時、ガスクラスターイオンビーム10が垂直に照射できるように揺動ステージ21を傾き制御する。そして、傾き制御を行いながら、実施の形態1と同様に、回転ステージ13を回転させ、X軸ステージ14を移動させながら、ガスクラスターイオンビーム10を球面成形型20に照射して選択的に突起を除去し、形状創成を行う。
In this embodiment, the tilt of the
このような実施の形態では、実施の形態1の効果に加え、揺動ステージ21を設けることによって、凸形状の球面成形型20の形状精度及び面粗さの向上を行うことことが可能となる効果を有している。また、この実施の形態では、凸形状だけでなく凹形状に対する加工や、球面成形型だけでなく非球面成形型への加工も可能となる。
In such an embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, by providing the
1 ソース部
2 作動排気部
3 イオン化部
10 ガスクラスターイオンビーム
12 平面成形型
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記測定した突起高さ、その表面位置及び予め求めた突起を除去するのに必要なガスクラスターイオンビームの照射ドーズ量に基づいて、被加工物の表面位置に対するガスクラスターイオンビームの照射時間を算出する工程と、
算出された照射時間に基づいて、ガスクラスターイオンビームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させることにより被加工物の表面の形状創成及び研磨を行う工程と、
を有することを特徴とする超精密研磨方法。 Measuring the protrusion height relative to the surface position of the workpiece ;
Calculate the irradiation time of the gas cluster ion beam for the surface position of the workpiece based on the measured protrusion height, its surface position, and the irradiation dose of the gas cluster ion beam necessary to remove the protrusions obtained in advance. And the process of
Based on the calculated irradiation time, changing the irradiation time of the gas cluster ion beam according to the surface position of the workpiece, and creating and polishing the shape of the surface of the workpiece;
An ultraprecision polishing method comprising:
ガラスクラスターイオンビームを被加工物の表面に向かって照射させる照射手段と、
ガスクラスターイオンビームが照射される被加工物の表面位置を変えるために、前記照射手段と被加工物とを相対的に移動させる移動手段と、
前記測定手段で測定した突起高さ、その表面位置及び予め求めた突起を除去するのに必要なガスクラスターイオンビームの照射ドーズ量に基づいて、被加工物の表面位置に対するガスクラスターイオンビームの照射時間を算出する算出手段と、
算出手段で算出された照射時間に基づいて前記移動手段を制御してガスクラスターイオンビームの照射時間を被加工物の表面位置によって変化させる制御手段と、
を具備することを特徴とする超精密研磨装置。 Measuring means for measuring the height of the protrusion relative to the surface position of the workpiece;
Irradiation means for irradiating the surface of the workpiece with a glass cluster ion beam;
Moving means for relatively moving the irradiation means and the workpiece to change the surface position of the workpiece irradiated with the gas cluster ion beam;
Irradiation of the gas cluster ion beam to the surface position of the workpiece based on the projection height measured by the measurement means, the surface position thereof, and the irradiation dose of the gas cluster ion beam necessary for removing the projections obtained in advance. A calculation means for calculating time;
Control means for controlling the moving means based on the irradiation time calculated by the calculation means to change the irradiation time of the gas cluster ion beam according to the surface position of the workpiece;
An ultra-precise polishing apparatus comprising:
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