JPH02129386A - イオンビームエッチング加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばマイクロオブティクスデバイスの金型
などのように微細かつ高精度の加工を必要とする加工物
に対し、イオンビームを用いて所望の精度に加工する方
法に関するものである。

〔従来の技術〕

第８図は、例えば文献、「プラスチックレンズの超精密
加工」　（桜井著、機械技術、第３４巻第１１号、Ｐ５
１〜５５）及び特開昭６２−２９６９７６号公報に記載
されている、例えば非球面プラスチックレンズ用金型に
対する従来の前加工から形状仕上げ加工までの一連の加
工法を示す加工工程図であり、第９図（ａ）〜（ｄ）は
その各工程における加工物の横断面図である。

第８図中、ステップ１０１では切削工具による切削性に
優れた材料の選択を行い、その材料により金型基材に成
膜を施している。ステップ１０２では精密な切削加工に
より前加工を行い、ステップ１０３で所望形状に対する
形状誤差のを無を判断する。形状誤差がない場合にはス
テップ１０４で加工完了となるが、一方、形状誤差があ
る場合にはステップ１０５あるいは１０６で研磨加工あ
るいはイオンビームエツチング加工による形状仕上げ加
工を行う。

第９図（ａ）は前加工としての旋削加工法を示しており
、図中、１は精密旋削加工の工具としてのバイトの刃先
で、例えばステンレス鋼を用いている。２は基材で、こ
の基材２はバイト１による切削性に優れた被覆材３、例
えばＮｉＰ膜で被覆されている。４は基材２及び被覆材
３から成る加工物であり、５は加工物４の切削時におけ
る回転中心軸である。、６は切削時のバイト１の移動軌
跡を示しており、７の破線はこれにより加工物４に施さ
れる所望の加工形状を示している。

第９図（ｂ）は当該旋削加工を行った結果の加工物の横
断面図であり、図中、］０は加工面８にツールマークの
一部あるいはバイト刃先のうねりが原因で生じた形状誤
差部分である。当該形状誤差部分が所望の形状精度を越
えた場合、形状の修正、すなわち形状仕上げ加工を施す
必要がある。

第９図（Ｃ）はこの形状仕上げ加工法の一つである研磨
加工法を示しており、１２は砥粒を、１４は矢印１５方
向に回転運動をするポリラシャを示している。

また、第９図（ｄ）は形状仕上げ加工法の他の例として
イオンビームを用いた加工法を示しており、１６は形状
誤差部分１０の形状仕上げ用のために最適に制御された
イオンビームである。

次に加工の内容について説明する。第８図中、ステップ
１０２での旋削加工は加工物４としての金型材を回転中
心軸５を中心に回転させ、所望の加工形状に応じてプロ
グラムされたバイトの刃先１の移動軌跡６により行われ
る。この際、加工領域は切削性の問題から被覆材３の領
域に限られる。

また、ステップ１０１中の被覆材３には非晶質性の材料
が用いられることが多い。なぜなら、多結晶材では結晶
粒の方位により切削性に違いがあり、そのため結晶粒界
に段差が発生し、加工精度、特に加工面８の表面粗さの
劣化が生じる。これに対し、非晶質材では結晶粒界がな
く、平滑な加工が期待できるからである。形状仕上げ加
工は、旋削加工の後加工として行われるものであるが、
ステップ１０Ｂの判断で切削加工のみで所望の加工精度
が得られれば、ステップ１０４の加工完了となり、不必
要である。しかし、一般に旋削加工後、加工面８にはツ
ールマークが残る、あるいはバイトの刃先１のうねりが
転写されるため所望形状に加工できない。すなわち形状
誤差部分１０が生じることがある。そこで、形状仕上げ
方法として、第８図のステップ１０５と１０６にそれぞ
れ相当する第９図（Ｃ）と（ｄ）の加工法がある。前者
の（ｃ）に示す研磨加工においては、回転運動をしてい
るポリラシャ１４と加工面８との間の微小な隙間に砥粒
１２を流すことにより加工面８を研磨し、形状誤差部分
１０の除去、あるいは表面粗さの向上を図る。一方、後
者の（ｄ）では、形状仕上げのツールとして微小領域の
加工が可能で、かつ加工深さの制御性にも優れたイオン
ビーム１６を用いたエツチング加工により加工面８の形
状を仕上げる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の加工法は以上のようであるため、旋削加工の後に
、一般に研磨加工やイオンビームエツチング加工による
形状仕上げ加工を必要とする。また、研磨加工において
は小口径で深い、あるいは複雑な形状の加工面の形状誤
差部分の加工は困難である。一方、イオンビームエツチ
ング加工では加工物材料の結晶性が旋削加工におけるダ
イヤモンドバイトの切削性から一意的に決定され、結晶
性の違いによるエツチング特性の違いから加工面の表面
粗さが悪くなるなどの問題があった。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するためにな
されたもので、小口径で深い、あるいは複雑な形状の加
工面の形状誤差部分の形状仕上げ加工が可能で、加工面
の表面粗さの劣化も抑えることができる加工法、さらに
は旋削加工の代りに旋削加工では困難な複雑あるいは微
細な形状の創製が可能となり、加工工程を減らすことも
可能となる加工法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るイオンビームエツチング加工法は、同一の
組成から成るものでありながら作製方法や処理方法によ
り結晶性の異なる材料の加工に際し、あらかじめその結
晶性の違いによるイオンビームエツチング特性の違いを
考慮して所望の加工粘度を設定し、設定された加工精度
に応じてその結晶性を最適な状態に制御したうえで、そ
の材料に対し機械加工時に発生する形状誤差部分または
機械加工では困難な形状をイオンビームを用いて形状仕
上げあるいは形状創製を行うものである。

［作　用］ 本発明におけるイオンビームエツチング加工法は、あら
かじめ加工物の材料の各種結晶性に対するエツチング特
性を把握しておき、加工物に要求される加工精度に応じ
て加工物の材料及びその結晶性を選択することから、表
面性状の劣化をあらかじめ推測することができ、寸法及
び形状を所望の精度内に抑えることができる。また、加
工ツールとしてイオンビームを用いていることから、電
気的にビームのパワー及び形状を制御できるので、小口
径で深い、あるいは複雑な形状の加工面の形状仕上げや
切削加工では困難な微細で複雑な形状の創製ができる。

さらに、ツール自体の劣化（摩耗、チッピング等）がな
く、再現性のよい加工が可能である。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図により説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す加工工程図であり、図
において、ステップ２１は加工に際しあらかじめ所望の
加工精度を決定する工程である。この加工精度として要
求される表面粗さには、次の３つの選択基準があり、ス
テップ２２〜２４の中から選択する。

（１）表面粗さの劣化を積極的に利用する場合・・・ス
テップ２２ （ＩＩ）表面粗さの劣化を極力抑える場合・・・ステッ
プ２３ （ＩＩＩ）表面粗さの多少の劣化は許容する場合・・・
ステップ２４ 上記３つの選択基準に対応して、次のステップ２５〜２
７で加工物材料の結晶性を制御する。すなわち、（Ｉ）
の場合は、多結晶材（合金地）に、（ＩＩ）の場合は、
過飽和固溶体からアモルファスへの過渡的状態にある材
料に、そし°ｒ　（ｍ）の場合は、アモルファス材にそ
れぞれ制御している。

また、ステップ２８〜３２はそれぞれの結晶性材料を用
いたときに最適な加工工程を示しており、ステップ３３
は８髪に応じて行われる熱処理工程である。これらの加
工工程の具体的な内容については後述する。

次に、第２図、第３図及び第４図は実施例の一つとして
、作製方法及び処理方法により結晶性が制御可能で、組
成がＮｉとＰとから成る材料について、いろいろな結晶
性の材料をイオンビームでエツチングした後の加工表面
性状及び表面粗さを示している。具体的には、無電解メ
ツキ法で基材上に作製したＮｉＰであり、Ｐの濃度によ
り約７ｗｔ％Ｐ以下では過飽和固溶体、約１１ｗｔ％Ｐ
以上ではアモルファス、及び約７〜１１　ｗ　ｔ％Ｐの
間では過飽和固溶体からアモルファスへの過渡的状態に
あるとされているものである。また、これらは４００℃
、１時間の熱処理を行うことにより結晶化し、多結晶と
なる。

すなわち、第２図（ａ）は多結晶材をイオンビームでエ
ツチングした後の表面性状を表したちのであり、その表
面は、結晶方位の違いによるエツチング特性の違いを反
映し、結晶粒４１間に段差が生じ、その表面粗さは加工
時間と共に悪くなる。

例えば、アルゴンイオンにより、イオン電流密度１．６
ｒｎＡ／ｃｄで１０分間加工した後の表面粗さは、同図
中（ｂ）に示すように多結晶材の加工後の表面粗さの１
ｌｌｌ定結果から、加工前の最大表面粗さ０．０１μｍ
Ｒｍａｘに対して約４倍の０．０４μｍ　ＲｍａＸに劣
化した。

第３図（ａ）及び（ｂ）にはその結晶性が過飽和固溶体
からアモルファスへの過渡的状態にある材料のイオンビ
ームエツチング後の表面性状及び表面粗さをそれぞれ示
している。実験の結果、エツチング量が２〜３μｍまで
はクレータ４２の発生は見られないが、それ以上になる
と、図示のようにクレータ４２が発生する。当該クレー
タは当初その径も小さく、数も少ないが、エツチング時
間と共にその径は大きくなり、また数も増大する。

例えば、アルゴンイオンにより、イオン電流密度２．４
ｍＡ／ｃ−で１０分間加工した後の表面粗さは、同図（
ｂ）に示すように加工後の表面粗さの測定結果から、加
工前の最大表面粗さ０．０１μｍＲｍａｘに対してクレ
ータ部は約０．０２６μｍＲｎａｘに劣化しているのに
対して、他の部分ではほとんど劣化がみられない。すな
わち、エツチング量が２〜３μｍ以上になると、表面粗
さの劣化が生じるが、それ以内では加工前の表面粗さが
平滑であれば、それと同程度に平滑に加工できる。

第４図（ａ）はアモルファス材のイオンビームエツチン
グ後の表面性状を示している。過飽和固溶体からアモル
ファスへの過渡的状態にある材料の時と同様の加工条件
で行った結果、同図（ｂ）に示すように加工後の表面粗
さの測定結果から、加工前の最大表面粗さ０．０１μｍ
　Ｒｍａｘがイオン照射部のほぼ全面にわたって約０．
０１６μｍＲｍａｘに変化した。すなわち、アモルファ
ス材においてはイオンビームエツチング部のほぼ全面で
マイクロキャビティ４３が発生し、多少の表面粗さの劣
化は見られるものの、その量は多結晶材、あるいは過飽
和固溶体からアモルファスへの過渡的状態にある材料の
クレータの劣化に比べると少ない。すなわち、この程度
の表面の荒れが許容できるのであれば、旋削加工等の機
械加工のような前加工無しに、イオンビームで直接形状
創製が可能といえる。

次に、これらの実験結果を基に加工工程の内容について
述べる。まず、第１図中のステップ２１の所望の加工精
度に応じ、最適な加工物材料の結晶性及び加工工程を選
択する。ステップ２２で表面粗さの劣化を積極的に利用
する場合には、ステップ２５に示す多結晶が有利であり
、必要に応じてステップ２８の機械加工による形状創製
を行った後、ステップ２９でイオンビームにより加工面
のラフニングを行う。ただし、この加工工程はマイクロ
オブティクスデバイスの金型の加工に使用されることは
少ない。

また、これとは反対に、できるだけ平滑な加工面が求め
られるステップ２３の場合には、ステップ２６の過飽和
固溶体からアモルファスへの過渡的状態のものを用い、
ステップ３０の精密機械加工による形状創製の後、ステ
ップ３１のイオンビームによる形状仕上げ加工を行う。

ただし、イオンビームによるエツチング量は上述したよ
うに、深さ方向で２〜３μｍ以内に限定する必要がある
。

一方、機械加工では創製が困難な微細かつ複雑な形状の
加工においては、イオンビームエツチング加工は有効な
手段の一つであり、この場合の加工物材料の結晶性には
ステップ２７のアモルファスが適当である。前述のとお
り、多結晶材及び過飽和固溶体からアモルファスへの過
渡的状態にある材料は加工前の表面粗さに劣化を生じる
。アモルファス材においても多少の劣化はあるがその量
は他の２種の材料に比べて少なく、均一性もある。

したがって、当該材料はステップ２４で加工精度の範囲
内での多少の表面粗さの劣化を許容し、微細かつ複雑な
形状の創製を主目的とした加工、すなわちイオンビーム
による形状創製加工（ステップ３２）が適当である。

なお、第１図中のステップ３３は、ステップ２９．３１
あるいは３２のイオンビーム加工後、必要に応じて加工
物に要求されている機能、例えば硬さ等を満足させるた
めに行われる熱処理工程である。

また、上記実施例では、イオンビームエツチング量が２
〜３μｍ以内である場合の表面粗さの劣化がほとんどな
い結晶性材料として過飽和固溶体からアモルファスへの
過渡的状態にある材料をあげているが、過飽和固溶体に
対しても適用できる。

さらに、当該実施例では、機械加工として旋削加工を例
にあげているが、旋削加工の代りに他の切削あるいは研
削加工であっても問題はない。

ところで上記説明では、この発明を加工物の材料に無電
解メツキ法で作成したＮｉＰを用い、マイクロオブティ
クスデバイスの金型の加工に適用する場合について述べ
たが、他の同一組成でありながら作製方法や処理方法に
より結晶性の異なる材料を用い、他の高精度、微細、か
つ複雑な形状の加工を必要とする加工物にも適用可能な
ことは明らかである。

さらに、上記説明では、加工表面粗さの劣化を望まない
加工に当該イオンビームエツチング加工法を適用する場
合について述べたが、過飽和固溶体からアモルファスへ
の過渡的状態のものを約２〜３μｍ以上イオンビームエ
ツチングした時に発生するクレータをむしろ積極的に利
用し、第５図のように物体の摺動を示す図において、イ
オンビームエツチング加工により被覆材３上に発生した
クレータ４２部に潤滑油４４を溜め、摺動時に当該被覆
材と摺動体５０との間に潤滑油膜４５を形成させること
により、当該被覆材と摺動体５０との間の相対運動５１
を滑らかなものにすることができる。すなわち、第６図
（ａ）、（ｂ）に示すように、固体潤滑物の薄膜４８が
尽きた後の固体潤滑物４６の保持器の形成方法（図中、
４７は潤滑微粒子である）などのように表面ラフニング
工程を必要とする加工方法において、第７図のイオンビ
ームによる表面ラフニング工程に示されるとおり、ステ
ップ２０の要求される表面粗さに応じて、ステップ２６
及び２７の加工物の結晶性を制御し、必要に応じて機械
加工による形状創製（ステップ２８）を行った後、ステ
ップ２９のイオンビームによる表面ラフニングを行う一
連の加工工程は、当該イオンビームエツチング加工方法
の重要な活用例の一つである。

なお、ここでは過飽和固溶体からアモルファスへの過渡
的状態のものを約２〜３μｍ以上イオンビームエツチン
グした時に発生するクレータを利用する場合について述
べているが、他の結晶性についても同様の利用が可能で
あることはいうまでもない。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、同一組成から成り作製方
法や処理方法により結晶性の異なる材料の加工に際し、
あらかじめその結晶性とイオンビームによるエツチング
特性を把握しておき、所望の加工精度に応じた加工物の
材料と加工法の選択を行うことにより、加工物の所望の
加工精度が得られる加工が可能であるという効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による加工工程図、第２図（
ａ）、（ｂ）は多結晶材をイオンビームエツチング加工
した後の表面性状と表面粗さを示した図、第３図（ａ）
、（ｂ）は過飽和固溶体からアモルファスへの過渡的状
態にある材料をイオンビームエツチング加工した後の表
面性状と表面粗さを示した図、第４図（ａ）、（ｂ）は
アモルファス材をイオンビームエツチング加工した後の
表面性状と表面粗さを示した図、第５図は表面粗さを積
極的に利用する例として物体の摺動を示した図、第６図
（ａ）、（ｂ）は固体潤滑面の形成方法を示す説明図、
第７図はイオンビームによる表面ラフニング工程図、第
８図は従来の加工工程図、第９図（ａ）〜（ｄ）は第８
図の各工程における加工物の横断面図である。 ２１・・・所望の加工精度の設定工程 ２２・・・要求される表面粗さ（Ｉ）の選択工程２３・
・・要求される表面粗さ（ＩＩ）の選択工程２４・・・
要求される表面粗さ（ＩＩＩ）の選択工程２５・・・結
晶性（多結晶材）の制御工程２６・・・結晶性（過飽和
固溶体からアモルファスへの過渡的状態にある材料）の
制御工程２７・・・結晶性（アモルファス材）の制御工
程２８・・・機械加工による形状創製加工工程２９・・
・イオンビームによる表面ラフニング工程３０・・・精
密機械加工による形状創製工程３１・・・イオンビーム
による形状仕上げ工程３２・・・イオンビームによる形
状創製工程３３・・・熱処理工程 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人　弁理士　　佐々木　宗　治 第 図 ２（μｍ） ５（ＰＭ） 第 図 ５（ｐｍ） 第 図 ５（ｐｍン 第 図 第 図 手続補正書 （自発） １゜ ２゜ ３゜ ４゜ 事件の表示 特願昭６３−２８１３９２号 発明の名称 イオンビームエツチング加工方法 補正をする者 事件との関係 住所 名称 代 理 人 住 所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 同一の組成から成り作製方法や処理方法により結晶性の
   異なる材料の加工に際し、あらかじめその結晶性の違い
   によるイオンビームエッチング特性の違いを考慮して所
   望の加工精度を設定し、設定された加工精度に応じてそ
   の結晶性を最適な状態に制御し、その後当該材料に対し
   必要な機械加工を行った時に生じる形状誤差部分または
   機械加工では困難な形状をイオンビームを用いて除去ま
   たは創製することを特徴とするイオンビームエッチング
   加工方法。