JP4714820B2

JP4714820B2 - 微細加工装置

Info

Publication number: JP4714820B2
Application number: JP2003072051A
Authority: JP
Inventors: 昇森田; 極芦田; 潤二斎藤; 清紀稲垣; 弘樹山下
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004276177A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子間力顕微鏡の原理を利用した、ナノメートルオーダーの加工や素子の作製のための微細加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−２４６６００号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４０２４号公報
【特許文献３】
特開２００２−１５４１００号公報
近年超精密加工技術が発達し、機械加工においてもマイクロメータレベルの機械加工が存在している。しかし、今日の電子機器におけるＩＣや素子などの高集積化やマイクロマシン等の製造において、より微細な加工技術が求められている。そのような情勢の中で、ナノメートルオーダーから原子分解能を有する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）といった走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を応用した微細加工の研究が行われている。
【０００３】
例えば特許文献３に開示されている微細加工装置は、弾性体に支持され少なくとも先端に導電性部分を有する探針を、被加工物表面に対向させ、この探針を被加工物表面と平行な方向に相対的に移動させ、探針先端の導電性部分と被加工物の間に電圧を印加して、被加工物に微細加工を施すものである。被加工物は、探針先端から被加工物に電流が流れることにより、形状、導電率、屈折率、電気分極率などの物性や構造が変化するものである。
【０００４】
特許文献３の微細加工装置は、試料台をピエゾ素子により駆動して、探針に対して任意の方向に任意の距離移動させることが可能である。さらに、探針を支持した弾性体をその共振周波数近傍の振動数で被加工物表面に対して垂直方向に振動させ、被加工物表面上の凹凸構造による、探針と被加工物表面の距離のずれによる弾性体の共振周波数のずれの信号を制御装置へフィードバックして、探針と被加工物表面間の距離を一定に保つものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術の特許文献３に記載された微細加工装置は、探針から被加工物に電流を流して、被加工物の物性を変化させて加工を行うもので、純粋な機械加工を行うことができるものではない。また、加工を施した部分の加工状態や形状を簡単に知ることができるものではなく、一定の加工が終了した後、被加工物を原子間力顕微鏡等にセットし直して加工状態を確認しなければならないものであり、加工の修正や追加工等を簡単に行うことができるものではない。
【０００６】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、超微細寸法の機械加工を行うことができ、可搬性があり、加工対象を選ばない微細加工装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、被加工物に接触して加工を行う第一の探針と、この探針が固定された第一のカンチレバーと、被加工物に接近してその表面形状を検知する第二の探針と、この第二の探針が固定された第二のカンチレバーと、これら第一、第二のカンチレバーを所定間隔空けて保持したカンチレバー取付部材と、上記第一、第二の探針の先端から等距離の回動軸であって上記第一、第二の探針の先端を含む面に対して直角な回動軸で上記カンチレバー取付部材を回動自在に保持した支持部材と、この支持部材とともに上記第一、第二のカンチレバーを任意の方向に微小駆動する共通の圧電駆動装置と、上記カンチレバー取付部材を回動させて上記第一、第二のカンチレバーの位置を切り替えるカンチレバー切替装置と、上記第一、第二のカンチレバーの各探針の変位を検知する光学的検知装置と、上記カンチレバー取付部材、上記支持部材、上記圧電駆動装置、上記カンチレバー切替装置、及び上記光学的検知装置を収容するとともに一側面の開口部から上記第一、第二のカンチレバー及び上記各探針が計測又は加工可能に露出した本体ケースと、上記圧電駆動装置を作動させて上記支持部材を介して上記第一のカンチレバーを微小変位させ上記第一の探針により被加工物を機械加工する加工制御手段と、上記第二の探針及び上記光学的検知装置により被加工物の表面形状を測定する計測制御手段とを備え、上記支持部材は、上記被加工物の設置面に対して上記カンチレバー取付部材を僅かに斜めに位置決めして支持し、上記回動軸も上記被加工物の設置面に立てた垂線に対して僅かに傾斜して設けられ、上記被加工物に一方の上記探針が接する状態で、他方の探針は上記被加工物の設置面から上記回動軸方向に離れた退避位置に位置決めされ、上記カンチレバー取付部材を回動させて上記第一、第二のカンチレバーの位置を切り替え可能に設け、上記第一のカンチレバーの上記第一の探針による加工の途中または終了後に、上記第一のカンチレバーから上記第二のカンチレバーに切り替えて、上記第二の探針により上記被加工物の表面形状を計測し、上記第一の探針による加工状態を上記第二の探針により計測可能とした微細加工装置である。
【０００８】
さらに、上記圧電駆動装置は本体ケースに固定され、上記第一、第二のカンチレバーは上記圧電駆動装置により、上記本体ケースに対して微小変位可能に設けられている。上記カンチレバー切替装置は、駆動用のモータと、ウォームホイール機構等により構成しても良い。
【０００９】
上記光学的検知装置は、半導体レーザー素子と、この半導体レーザー素子からの光を上記第一または第二のカンチレバー上に導く光学系と、上記カンチレバーに照射されたレーザー光の反射光を検知するとともに上記カンチレバーの変位を検知する４分割フォトダイオード等の光検知素子と、上記カンチレバーに照射されたレーザー光の反射光を上記光検知素子に導く光学系とから成る。
【００１０】
この発明の微細加工装置は、第一、第二の探針を切り替え可能に設け、第一の探針で加工を行い、第一、第二の探針を切り替えて、その加工状態を第二の探針で簡単に測定できるようにしたものである。また、第一、第二探針を保持した第一、第二のカンチレバー及びそのカンチレバー取付部材を圧電駆動装置により駆動可能に設け、被加工物を固定した状態で、任意の微細加工を行うことができるようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図４はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の微細加工装置１０は、図示するように、被加工物１２が載せられた定盤１４に設置可能なもので、一側面が開口した金属製の箱状の本体ケース１６に設けられている。本体ケース１６内には、被加工物１２に接触して加工を行う角錐状のダイヤモンドバルクチップ等の第一の探針１８と、この探針が固定された第一のカンチレバー２０、及び被加工物１２に接近してその形状や物性その他の性状を検知する探針であって、角錐状のシリコン系材料のチップにダイヤモンドコーティングした第二の探針１９と、この第二の探針１９が固定された第二のカンチレバー２１とを有する。第一、第二のカンチレバー２０，２１は、互いに９０°の角度を成して延出し、この第一、第二のカンチレバー２０，２１を保持したカンチレバー取付部材２４が本体ケース１６内に設けられている。
【００１２】
カンチレバー取付部材２４は、第一、第二の探針１８，１９の先端から等距離の位置にある軸であって第一、第二の探針１８，１９の先端を含む仮想の面に対して直角な回動軸２６で回動自在に軸支されている。この回動軸２６とカンチレバー取付部材２４との間には、ベアリング２８が設けられている。また、回動軸２６は、固定部材３０に固定され、回動軸２６と固定部材３０により、カンチレバー取付部材２４の支持部材を構成している。固定部材３０の取付面３０ａは、図１に示すように、カンチレバー取付部材２４を定盤１４の表面に対して僅かに斜めに位置決めし、回動軸２６も、定盤１４の表面に立てた垂線に対して僅かに傾斜して設けられている。そして、本体ケース１６に設けられた状態で、被加工物１２に第一探針１８または第二の探針１９が接する状態で、他方の第二の探針１９または第一探針１８は定盤１２から回動軸２６方向に僅かに離れた退避位置に位置決めされるように設けられている。
【００１３】
固定部材３０は、図示しない圧電素子を備えた圧電駆動装置３２に固定されている。圧電駆動装置３２は、互いに直角な方向であるＸＹＺ方向に固定部材を変位させ、カンチレバー取付部材２４を介して、第一、第二のカンチレバー２０，２１を任意の方向に微小変位させる。圧電駆動装置３２は、位置決めステージ３４に固定され、位置決めステージ３４は本体ケース１６の内面である天井面１６ａに固定されている。
【００１４】
第一、第二のカンチレバー２０，２１の所定の加工計測位置には、第一、第二の探針１８，１９の変位を検知する光学的検知装置４０が、本体ケース１６内に設けられている。光学的検知装置４０は、レーザーダイオードである半導体レーザー素子４２と、この半導体レーザー素子４２からのレーザー光を所定の加工計測位置の、第一または第二のカンチレバー２０または２１上に導くミラーやその他図示しないレンズから成る光学系４４を備えている。さらに、光学的検知装置４０は、第一または第二のカンチレバー２０または２１上に照射されたレーザー光の反射光を検知するとともに、その第一または第二のカンチレバー２０または２１の変位を検知する４分割フォトダイオードから成る光検知素子４６と、第一または第二のカンチレバー２０または２１に照射されたレーザー光の反射光を、光検知素子４６に導くプリズムやその他図示しないレンズから成る光学系４８とを備えている。
【００１５】
光検知素子４６の出力は、電流／電圧変換回路５０を介して信号処理回路５２に接続されている。信号処理回路５２では、４分割フォトダイオードの光検知素子４６からの出力を処理して、第一または第二のカンチレバー２０または２１の変位を計測可能な信号にする。信号処理回路５２の出力は、Ａ／Ｄ変換器５４によりアナログ信号をディジタル信号に変換されて、コンピュータである制御装置５６に入力する。制御装置５６には、モニタ５８が接続され、さらに、制御装置５６の制御信号出力は、Ｄ／Ａ変換器６０を介して、ディジタル信号がアナログ信号に変換されて、圧電駆動装置３２の圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路に入力している。
【００１６】
コンピュータである制御装置５６は、内部に所定のプログラムを有し、圧電駆動装置３２を作動させて第一カンチレバー２０を微小変位させ、第一の探針１８により被加工物１２を機械加工する加工制御手段と、第二のカンチレバー２１を微小変位させ、第二の探針１９により被加工物１２の表面を検知し、光学的検知装置４０により被加工物１２の表面を測定する計測制御手段とを兼ねている。
【００１７】
また、カンチレバー取付部材２４は、本体ケース１６内の図示しないウォームホイール機構を介して、本体ケース１６内に固定されたモータ６４に接続されている。モータ６４は、制御装置５６からの指示により、カンチレバー取付部材２４を９０°回動させ、第一、第二のカンチレバー２０，２１の位置を任意に切り替える。
【００１８】
この実施形態の微細加工装置の動作は、定盤１４上に被加工物１２を載置し、先ず加工用の第一の探針１８により被加工物１２の所定位置に微細加工を施す。この微細加工は、制御装置５６により被加工物１２の表面上で探針１８が所定の圧力で所定の動きをするように、圧電素子駆動回路６２を介して圧電駆動装置３２を動作させる。これにより、固定部材３０を経てカンチレバー取付部材２４が駆動され、第一のカンチレバー２０が微小変位し、先端の探針１８が微細に移動する。この探針１８の移動により、ダイヤモンドチップ等の探針１８の先端により被加工物１２の表面が切削され、ナノメートルオーダーの加工が成される。この加工は、制御装置５６により３次元的にＸＹＺ方向に制御される。加工データは、第一のカンチレバー２０のたわみとして光学的検知装置４０により検出される。この検出は、第一のカンチレバー２０の加工時の力により第一のカンチレバー２０の上面に僅かなたわみが生じ、このたわみにより半導体レーザー素子４２からのレーザー光の反射光の位置が僅かにずれ、この反射光の変化を４分割フォトダイオードによる光検知素子４６により検知し、信号処理回路５２等を介して制御装置５６にフィードバックされる。これにより、所定の形状の微細加工が行われる。
【００１９】
次に、微細加工の途中または終了後に、モータ６４によりカンチレバー取付部材２４を９０°回動させて第一の探針１８を退避位置に位置させるとともに、第二の探針１９を被加工物１２の微細加工箇所上に位置させる。この回動時には、第一、第二の探針１８，１９を、圧電駆動装置３２等により被加工物１２の表面よりも上方に待避させて回動する。そして、計測用の第二の探針１９を、加工を施した箇所に接触させ、制御装置５６により被加工物１２の表面形状を検知する。この計測は、従来の原子間力顕微鏡と同様である。このときも、第二探針１９の位置変化を第二のカンチレバー２１に照射されたレーザー光の反射光の位置により検知し、被加工物１２の表面形状を計測する。
【００２０】
この実施形態の微細加工装置１０は、第一、第二の探針１８，１９が切り替え可能に設けられ、第一の探針１８で微細な加工を行い、その加工状態を第二の探針１９で簡単に計測することができる。これにより、加工後に加工状態を迅速に測定することができ、より微細な加工や複雑な加工も行うことができ、被加工物１２の材質も問わないものである。さらに、装置全体がケース本体１６内に設けられ、可搬性が高く、被加工物１２の場所や位置を問わず微細加工を行うことができる。
【００２１】
なお、この発明の微細加工装置は、上記実施形態に限定されるものではなく図５に示すように、カンチレバー取付部材２４は、微細加工用の第一の探針１８を保持した第一のカンチレバー２０と、計測用の第二の探針１９を保持した第二のカンチレバー２１の他、さらに、他の加工を行う加工工具７０を第二のカンチレバー２１に対し回動軸２６を中心に、１８０°反対側に設けても良い。この位置に設ける加工工具７０としては、例えば、ナノメートルオーダーの切削加工を行うことができるフライス装置７２である。このフライス装置７２の加工工具７０の先端には、第一の探針１８と同様に、ダイヤモンドバルクチップ等の微細加工用チップ７４が固定される。またこのフライス装置７２の加工工具７０は、超小型モータ７６の回転軸に接続され、この超小型モータ７６がカンチレバーまたはカンチレバー取付部材２４に設けられている。この超小型のフライス装置７２によれば、広い範囲で微細な切削加工を行うことができる。
【００２２】
また、加工工具７０以外の測定用探針や加工工具をさらに付加しても良く、カンチレバー取付部材に直接または間接的に設けられる探針や工具の数は適宜設定することができる。
【００２３】
さらに、カンチレバー取付部材の移動方向は、回動以外に一定方向に摺動するようにしたものでも良い。第一、第二の探針等は摺動によっても同様に切り替えることができ、同様の効果を得ることができる。また、第一、第二のカンチレバーに設けられる探針は、ダイヤモンドバルクチップ以外に微細加工が可能な工具であれば良く、加工は切削加工のみならず塑性加工も可能であり、切削加工の形態も問わないものである。さらに、探針と被加工物との間に通電しながら加工を行うものでも良く、加工環境や雰囲気は問わない。
【００２４】
【発明の効果】
この発明の微細加工装置は、簡単な構造で、加工と計測を適宜切り替えることができ、より微細な加工を高精度に行うことができる。また、被加工物の材質を選ばず微細な加工が可能である。さらに、装置がケース本体内に設けられているので、可搬性が高く、任意の場所での微細加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の微細加工装置の概略ブロック図である。
【図２】この実施形態の微細加工装置の部分破断斜視図である。
【図３】この実施形態の微細加工装置の光学的検知装置を示す部分破断斜視図である。
【図４】この実施形態の微細加工装置の背面を示す斜視図である。
【図５】この発明の微細加工装置の他の実施形態の背面を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０微細加工装置
１２被加工物
１４定盤
１６本体ケース
１８第一の探針
１９第二の探針
２０第一のカンチレバー
２１第二のカンチレバー
２４カンチレバー取付部材
２６回動軸
３０固定部材
３２圧電駆動装置
４０光学的検知装置
４２半導体レーザー素子
４６光検知素子
５６制御装置
６２圧電素子駆動回路

Claims

被加工物に接触して加工を行う第一の探針と、この探針が固定された第一のカンチレバーと、被加工物に接近してその表面形状を検知する第二の探針と、この第二の探針が固定された第二のカンチレバーと、これら第一、第二のカンチレバーを所定間隔空けて保持したカンチレバー取付部材と、上記第一、第二の探針の先端から等距離の回動軸であって上記第一、第二の探針の先端を含む面に対して直角な回動軸で上記カンチレバー取付部材を回動自在に保持した支持部材と、この支持部材とともに上記第一、第二のカンチレバーを任意の方向に微小駆動する共通の圧電駆動装置と、上記カンチレバー取付部材を回動させて上記第一、第二のカンチレバーの位置を切り替えるカンチレバー切替装置と、上記第一、第二のカンチレバーの各探針の変位を検知する光学的検知装置と、上記カンチレバー取付部材、上記支持部材、上記圧電駆動装置、上記カンチレバー切替装置、及び上記光学的検知装置を収容するとともに一側面の開口部から上記第一、第二のカンチレバー及び上記各探針が計測又は加工可能に露出した本体ケースと、上記圧電駆動装置を作動させて上記支持部材を介して上記第一のカンチレバーを微小変位させ上記第一の探針により被加工物を機械加工する加工制御手段と、上記第二の探針及び上記光学的検知装置により被加工物の表面形状を測定する計測制御手段とを備え、上記第一、第二のカンチレバーは上記圧電駆動装置により上記本体ケースに対して微小変位可能に設けられ、上記支持部材は、上記被加工物の設置面に対して上記カンチレバー取付部材を僅かに斜めに位置決めして支持し、上記回動軸も上記被加工物の設置面に立てた垂線に対して僅かに傾斜して設けられ、上記被加工物に一方の上記探針が接する状態で、他方の探針は上記被加工物の設置面から上記回動軸方向に離れた退避位置に位置決めされ、上記カンチレバー取付部材を回動させて上記第一、第二のカンチレバーの位置を切り替え可能に設け、上記第一のカンチレバーの上記第一の探針による加工の途中または終了後に、上記第一のカンチレバーから上記第二のカンチレバーに切り替えて、上記第二の探針により上記被加工物の表面形状を計測し、上記第一の探針による加工状態を上記第二の探針により計測可能としたことを特徴とする微細加工装置。
上記光学的検知装置は、半導体レーザー素子と、この半導体レーザー素子からの光を上記第一または第二のカンチレバー上に導く光学系と、上記カンチレバーに照射されたレーザー光の反射光を検知するとともに上記カンチレバーの変位を検知する光検知素子と、上記カンチレバーに照射されたレーザー光の反射光を上記光検知素子に導く光学系とから成ることを特徴とする請求項１記載の微細加工装置。