JPH0377255A - イオンビーム加工方法 - 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、マイクロエレクトロニクスデバイスやマイク
ロメカニクスデバイス等の製造に用いられる微細部品の
製造方法に関し、とくに細く絞られた集束ビームを用い
て微細部品を切り抜き加工する方法に関する。 ［従来の技術］ この分野の従来技術として例えば第４回ソリッドステー
ト・センサー・アンド・アクチュエーター国際会議（Ｔ
ｈｅ　４ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｃｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅｏｎ　５ｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　５ｅｎｓ
ｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ（１９８７）ｐｐ
。 ８５３−８５６）において報告されているものがある。 この報告において、直径３００μｍの歯車がフォトリソ
グラフィーとりアクティブ・イオン・エツチングにより
形成されている３ また、電子技術総合研究所ニュース３８０号第１頁から
第６頁（１，９８１年）において、集束イオンビーム照
射によるスパッタリング加工によりニッケルメツシュに
文字の打ち抜き加工を行なった例が示されている。 〔発明が解決しようとする課Ｍ］ 前者従来技術は、安価に大量に微細部品を製作できる利
点を有する。しかし、部品の完成までに（１，）フォト
マスクの作成、（２）レジストの塗布、（３）露光、（
４）現像、（５）エツチングと多くの工程を必要とし、
部品形状の設計後実際に部品ができるまでに多くの時間
を費やしてしまう。電子線描画装置によるレジストへの
直接描画技術を利用すると、（１）のフォトマスク作成
工程時間が大幅に短縮されるが、それ以下の工程は同様
に必要である。従って２部品形状の手直し等が発生する
部品の試作時や、少ロット製品生産時には、この従来技
術は不向きである。 また、後者従来技術は、集束ビームを利用して直接的な
微細加工ができることを示した点で評価できる。しかし
２文字のパターン部分を加工するに留まっており、必要
とする部品形状の輪郭部を加工し、所望の部品形状を得
るまでには及んでいない。 本発明の課題は、歯車等の微細部品の製作を単一の装置
内で一工程で行ない、所望の形状を有する微細部品を高
速かつ高精度に製造する方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

上記課題は、薄膜母材を集束ビームにより切り抜き加工
することにより達成される。 ［作用１ 薄膜母材を集束ビームを用いて切り抜き加工することに
よって、必要とする部品の輪郭部形状を高速かつ精度よ
く加工することができる。

【実施例１ 以下１本発明の実施例を図を用いて説明する。 第２図は実施例で用いた集束イオンビーム（以下、ＦＩ
Ｂと云う）装置の基本構成図である。 液体金属イオン１ｌｉＫ１００から放出したイオンは、
コンデンサーレンズ１０１と対物レンズ１０２により集
束され、ＦＩＢＩとなって被加工物２上に照射される０
両レンズ間には、アパーチャー１０４、アライナ−・ス
ティグマ１０５．プランカー１０６、デフレクタ１０７
が配されている。被加工物２は２軸（ｘ、ｙ）方向に移
動可能なステージ１０３上に固定されている。ＦＩＢＩ
の照射により試料から発生した二次電子ｅは、二次電子
検出器１０８により検出され、ＦＩＢｌの偏向制御と同
期させることによりコンピュータのＣＲＴ上にＳ　Ｉ　
Ｍ、　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｉｏｎ　ＭｉｃｒｏＳｃｏ
ｐｅ）像として表示される。また、被加工物もしくはス
テージに流入する電流は、電流検出器１０９により測定
される。ビーム偏向、信号検出、ステージ等の制御はシ
ステム・バスを介しコンピューターにより制御される。 第１図は本発明を最もよく表した実施例である。 薄膜母材２に加速電圧２５ｋＶ、ビーム電流５ｎＡのサ
ブミクロンＦＩＢを偏向照射し、スパッタリング現象を
利用して母材に切り抜き加工を施し、微細部品３ａ及び
３ｂを製作した。薄膜母材の材料としては、２μｍ厚の
ステンレス及びシリコンを用い、どちらの場合も良好な
加工形状が得られた６ステンレス薄膜は１０μｍ厚の板
材をエツチングにより薄くしたものであり、シリコン薄
膜は半導体用のシリコン基板をパックエッチして薄膜化
したものである。 本実施例では、ＦＩＨによるスパッタ・エツチングを利
用したが、その他、微細形状を加工できる手法として ｌ）エツチング・ガス雰囲気中でのＦＩＢ照射によるＦ
ＩＢアシストエツチング ２）エツチング・ガス雰囲気中での集束電子ビーム（以
下、ＦＥＢと云う）照射によるＦＥＢアシストエツチン
グ ３）エツチング・ガス雰囲気中での集束レーザービーム
（以下、ＦＬＢと云う）照射によるＦＬＢアシストエツ
チング がある。ＦＬＢは加工速度に優れ、ＦＥＢは集束性に優
れる。ＦＩＢは加工速度と集束性をバランス良く持ち合
わせている。また、加工部の位置合わせや加工後の形状
をａｍする手段としては、１）ＦＥＢの偏向走査に同期
して薄膜等から発生する二次電子信号により像ｌｔ察を
行なう。ＦＥＢは試料に与えるダメージが小さく集束特
性が良好なため、像Ｉｔ察には好適である。 ２）ＦＩＢの偏向走査に同期して薄膜等から発生する二
次荷電粒子により像観察を行なう。ＦＩＢ照射によりＷ
Ａ察する試料がスパッタリングされるため、観察時はビ
ーム電流量を少なくし高速に掃引して、試料のダメージ
を小さくする必要がある。 ３）光学顕微鏡により像ａ祭を行なう。装置構成が簡単
で、安価にできる。 が、考えられる０例えば、像Ｒ祭をＦＥＢで行ない加工
をＦＩＢで行なうといったハイブリッドシステムにより
、ダメージレスで微細な加工ができるシステムを構築す
ることができる。また、本実施例のように、ＷＡ察と加
工を同一のＦＩＢで行なうと、ハードウェア構成が簡略
化できる利点がある。 本実施例では、微細部品３ａ及び３ｂと薄膜母材２の間
に細いアーム４が残る様に切り抜き加工を施した。これ
は、微細部品３ａ、３ｂの運搬を薄膜母材２に保持した
まま行うことを意図したものである。運搬後、アーム４
は集束ビーム１の局所照射もしくは機械的な破断により
除去される。 歯車等の機械部品では特に、機械強度の確保が重要であ
り、均質の薄膜から切り出された均質の部品では機能的
に問題を起す場合がある。この問題の解決には、 １）高加速のＦＩＢ照射によりイオン注入を行ない、微
細部品の一部分もしくは全体を改質する。 ２）ＦＬＢもしくはＦＥＢを微細部品の一部分もしくは
全体しこ照射し、アニーリング効果により材料を改質す
る。 の手法を用いることができる。 また、Ｗ　＜ＣＯ＞　、等のＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）用ガスを導入
しなから集束ビームを局所照射すると、 １）誤って削りすぎた部分の補修 ２）切り抜き加工だけでは実現できない部品形状の実現
が行なえる。 第３図から第５図は、切り抜き加工の加工終点検出方法
を示すものである。第３図はＦＩＢ照射により二次的に
発生した粒子９を二次粒子検出器２０で検出し、検出器
の出力信号によりビーム照射部の加工の進行状態をモニ
ターするものである。 本実施例では、薄膜材料を接地電位とし、検出器２０先
端の格子に正の電圧を印加して、二次電子を導き、シン
チレータ−とフォトマルチプライアにより信号増幅して
モニター信号を作成した。二次イオンを検出したい場合
は、格子に負の電圧を印加し、後段に増幅器を配するこ
とになる。第４図は薄ｖＡ２に流入する電流により加工
の進行をモニターするもので、電流検出のため、薄膜と
接地電位との間に電流計２１を挿入した。電流計で検出
される電流値は、薄膜に入射するＦＩＢのビーム電流と
薄膜から放出される二次荷電粒子によって発生する電流
の和となる。切り抜き加工の終点は電流値が極端に小さ
くなった時点となる。第５図は薄膜２を貫通したビーム
の強度を測定して、加工の進行をモニターするもので、
ビームの偏向領域より大きい電流検出板２２を薄膜の下
方に配し、流入するビーム電流を電流計２１により検出
する。二次電子、イールドの低い材料で電流検出板２２
を構成すると電流計２１の表示は電流検出板に照射され
るＦＩＢＩのビーム電流とほぼ等しくなる。従って、Ｆ
ＩＨのビーム電流を予め測定しておき、電流計２１の表
示がＦＩＢのビーム電流とほぼ等しくなった時、ＦＩＢ
はその全部が薄膜を貫通していることになり、加工終点
検出ができる。また、電流検出板２２を薄膜に対し正電
位（１０Ｖ程度で良い）とすることで、二次電子電流の
発生がより押えられ、加工終点検出精度が向上する。 第６図は他の実施例で用いたＦＩＢ装置の構成図である
。この装置は、第２図の装置に３軸マニピユレーター２
００とガス導入機構２０１を付加したものである。この
マニピュレーター・アーム先端に薄膜２を固定すること
で、加工後、微細部品を所望場所に運搬することが可能
となる。また、ガス源からＷ　（Ｃｏ）、等のガスをＦ
ＩＢ照射部に導入することにより、体積膜の形成が可能
となる。第７図は、基体上に形成された微細シャフト５
に歯車３ａをはめ（同図（ａ）〜（ｂ）Ｌ　さらにキャ
ップ３ｂをシャフト５にはめ（同図（ｃ）〜（ｄ））、
さいごにキャップ３ｂとシャフト５とを接着（同図（ｅ
））してシャフトを軸として回転する歯車機徹同図（ｆ
））を実現した実施例の工程図である。以下工程を順に
説明する。 （ａ）ステージ１０３を移動し、シャフト５をＦＩ　Ｂ
　１．の光軸付近に移動する。また、歯車３ａをシャフ
ト５にはめるため運搬する。歯車３ａはアーム４を介し
薄膜２に保持されており、３軸マニピユレーター２００
により任意方向への移動が可能である。〔第７図（ａ）
〕（ｂ）１！ｒ車３ａをシャフト５にはめ、ＦＩＢＩを
アーム４に照射して切断する。歯車３ａは薄膜２からフ
リーとなる。〔第７図（ｂ）〕（Ｃ）マニピュレーター
を駒動し、キャップ３ｂをシャフト５にはめる。〔第７
図（Ｃ）。 （ｄ）〕 （ｄ）Ｆより１をアーム４に照射して切断する。 キャップ３ｂは薄膜２からフリーとなる。 〔第７図（ｄ）〕 （ｅ）ガス供給ノズル６からのガス雰囲気７中でキャッ
プ３ｂおよびシャフト５の最上部にＦＩＢＩを照射し堆
積膜８を形成し、シャフト５とキャップ３ｂを機械的に
接続する。〔同図（ｅ）〕 （ｆ）以上の工程によりシャフト５を軸として回転する
微細な歯車機構が実現できる６　〔同図（ｆ）〕 薄膜２をマニピュレーター２００に搭載する場合、特に
薄膜２が脆性材料であると、チャッキング時に不用意に
破壊してしまう場合がある。そこで、薄膜２のチャッキ
ング部のみを膜厚を厚くして作成し、チャッキング部の
機械的強度を向上させる工夫を施した。 本実施例では、ＦＩＢはアーム４の切断と堆積ｌｌｌ８
の形成にのみ使用したが、ＦＩＢは原理的に微小領域に
イオン注入層を形成することも可能であり、例えば、歯
車の摩擦部分の機械的性質（硬さ、摩擦係数等）を改善
することが可能である。 また、薄膜を多層膜にして、製造される部品に潤滑や絶
縁等、機械的、電気的に多くの機能を持たせることも可
能である。この他、薄膜層を含む積層基板を材料とし、
少なくとも薄膜層を貫通加工することにより、基板上に
微細部品を製造することも可能である。エツチング加工
時に発生する二次イオンを質量分析したり光を分光分析
することにより、加工している物質を判定することがで
きる。従って、積層基板のどの層まで加工が進行してい
るかを正確にモニターすることができる。この手法によ
り製造された微細部品は、周囲の層をエツチング等で除
去することにより単体部品として機能する。 第８図は他の実施例であり、切り抜きの手順について工
夫したものである。前述の実施例において採用したよう
に、微細部品をアームを残して加工し、微細部品の周囲
を窓開は加工すると、加工後の運搬と組み立てに都合が
良い。このような切り抜き加工を行なうには、部品３と
アーム４と窓枠３４の輪郭部３５を貫通加工すれば窓部
３３は薄膜から分離する。従って、少ない加工体積で切
り抜き加工が完了し、高速加工が実現できる。窓部３３
（部品輪郭部を含めた全ての加工部）を全てビーム照射
により加工する手法を用いると、加工時間が長くなる欠
点があるが、ビーム偏向をラスター走査して部品部及び
アーム部のみブランキングする手法が利用できるため、
ハードウェアが簡帖化できる利点がある。 薄膜２がシリコン等の脆性材料の場合、前記輪郭部をど
の様な手順で加工しても特に問題は生じない。しかし、
薄膜２がステンレス等の延性材料の場合、加工が完了す
る直前にある限定された部分で薄膜母材２と窓部３３と
が微かにつながった状態となった時、窓部３３が、つな
がった部分を蝶番にして不用意に折れ曲がる現象が観測
された。 この蝶番部が部品３もしくはアーム４の輪郭で発生した
場合、部品３から窓部３３が除去できない状態になるこ
とがあり、対策が必要となった。そこで１本実施例では
図中に示すように、少なくとも部品３とアーム４の輪郭
部分は先に貫通加工して、この部分に蝶番部が発生しな
いようにした。 これにより、たとえ窓部３３が折れ曲がっても部品３に
は影響を与えず１歩留まりの良い加工が可能となった。 【発明の効果】 本発明によれば、微細部品を一工程で高速に製造できる
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の斜視図、第２図は本発明を
実施した集束イオンビーム・システムの概略構成図、第
３図、第４図、第５図は加工終点検出方法を示す説明図
、第６図は他の実施例に用いた集束イオンビーム・シス
テムの概略構成図、第７図は回転歯車機構の組み立て手
順を示す工程説明図、第８図は他の実施例の斜視図であ
る。 １・・・集束イオンビーム　　　２・・・薄膜材料３・
・・微細部品 ５・・・シャフト ４・・・アーム ６・・・ノズル 卒　／　母 ９、・・念＃＃ズ　　　　　　１０−・・配線パターン
２００・・・３軸マニピユレーター ２０１・・・ガス導入機構 ／・・　−Ｉ禾何〉ご−へ。 ２・・・　４硬 ３に・ニアｂ・・・胤＃軸 り・・・　　アーム 多 工 閏 不 、４゜ 閃 １７　・・ ｃ″Ｊｔ−訂 第３ 図 ブ・・・ ；二ン（、オ立、子 ユＯ ニンクーλ１−子４う懸ム４迭１ 茶 図 ス２ む；を積ム灰 茅 ｔ 率 図 （ａン （ｄ、） （Ｃ） （ｆ） ｙ。 シャツム ト ・　ノ尺１ル　。 ７・・ 矛゛乙。 ？・・、誰挿項。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、集束ビームを薄膜母材に照射して必要とする部品を
   切り抜き加工する微細部品の製造方法であって、必要と
   する部品の少なくとも輪郭部を加工して所望の部品形状
   を得ることを特徴とする微細部品の製造方法。 ２、微細部品と薄膜母材との間に両者間を接続する細い
   アームが残るように切り抜き加工することを特徴とする
   請求項１記載の微細部品の製造方法。 ３、薄膜母材が独立した単一膜であり、その薄膜母材を
   集束ビームにより貫通加工することを特徴とする請求項
   １または２記載の微細部品の製造方法。 ４、薄膜母材が多層膜であり、その薄膜母材を集束ビー
   ムにより貫通加工することを特徴とする請求項１または
   ２記載の微細部品の製造方法。 ５、薄膜母材として少なくとも一層以上の薄膜部が含ま
   れる積層基板を用い、少なくとも一層以上の薄膜部を貫
   通加工することを特徴とする請求項１または２記載の微
   細部品の製造方法。 ６、薄膜母材の加工法として集束イオンビームを照射す
   ることによるスパッタリング加工もしくはエッチングガ
   ス雰囲気中での集束イオンビーム照射によるアシストエ
   ッチング加工を用いることを特徴とする請求項１から５
   のいずれかに記載の微細部品の製造方法。 ７、薄膜母材の加工法として集束電子ビームをエッチン
   グガス雰囲気中で照射することによるアシストエッチン
   グ加工を用いることを特徴とする請求項１から５のいず
   れかに記載の微細部品の製造方法。 ８、薄膜母材の加工法として集束レーザービームをエッ
   チングガス雰囲気中で照射することによるアシストエッ
   チング加工を用いることを特徴とする請求項１からのい
   ずれかに記載の微細部品の製造方法。 ９、集束電子ビームの偏向走査に同期して薄膜母材から
   発生する二次電子信号により像観察を行ない、加工の位
   置合わせ及び加工後の形状観察を行なうことを特徴とす
   る請求項１から５および７のいずれかに記載の微細部品
   の製造方法。 １０、集束イオンビームの偏向走査に同期して薄膜母材
   から発生する二次粒子信号により像観察を行ない、加工
   の位置合わせ及び加工後の形状観察を行なうことを特徴
   とする請求項１から６のいずれかに記載の微細部品の製
   造方法。 １１、光学顕微鏡により薄膜母材の像観察を行ない、加
   工の位置合わせ及び加工後の形状観察を行なうことを特
   徴とする請求項１から５および８のいずれかに記載の微
   細部品の製造方法。 １２、切り抜かれる微細部品にガス雰囲気中での集束ビ
   ーム照射によりガス成分を堆積させるアシストデポジシ
   ョン加工を施すことを特徴とする請求項１から１１のい
   ずれかに記載の微細部品の製造方法。 １３、切り抜かれる微細部品に高加速エネルギーの集束
   イオンビームを照射し、イオン注入効果により微細部品
   の一部もしくは全体の材料改質を行なうことを特徴とす
   る請求項１から１２のいずれかに記載の微細部品の製造
   方法。 １４、切り抜かれる微細部品に集束レーザービームもし
   くは集束電子ビームを照射し、温度上昇によるアニーリ
   ング効果により微細部品の一部もしくは全体の材料改質
   を行なうことを特徴とする請求項１から１２のいずれか
   に記載の微細部品の製造方法。 １５、切り抜き加工の進行状況を、薄膜から発生する二
   次粒子もしくは光の強度によりモニターし、加工終点検
   出を行なうことを特徴とする請求項１から１４のいずれ
   かに記載の微細部品の製造方法。 １６、切り抜き加工の進行状況を、薄膜の吸収電流によ
   りモニターし、加工終点検出を行なうことを特徴とする
   請求項１から１４のいずれかに記載の微細部品の製造方
   法。 １７、切り抜き加工の進行状況を、薄膜を貫通したビー
   ムの強度によりモニターし、加工終点検出を行なうこと
   を特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の微細
   部品の製造方法。 １８、微細部品とアームの輪郭部及び微細部品の周囲に
   空間を開けるための窓枠部にビーム照射領域を限定し、
   最小限の加工体積で切り抜き加工を行なうことを特徴と
   する請求項２から１７のいずれかに記載の微細部品の製
   造方法。 １９、薄膜が延性材料の場合、微細部品とアームの輪郭
   部を先に加工し、その後、微細部品の周囲の空間を開け
   る窓枠部の加工を行なうことを特徴とする請求項１８記
   載の微細部品の製造方法。 ２０、請求項１から１９記載の製造方法により製造した
   微細部品。 ２１、一枚の材料部材内で膜厚の薄い部分と膜厚の厚い
   部分を設け、膜厚の厚い部分をチャッキングして材料部
   材を容易に運搬できるようにした微細部品製造用薄膜材
   料部材。 ２２、イオン注入により材料基板の一定深さの所に不純
   物濃度の急変する領域を作り、基板裏面にチャッキング
   領域のマスクパターンを形成し、裏面から不純物濃度に
   より選択性の出るエッチングを行ない請求項２１記載の
   微細部品製造用薄膜材料部材を製造することを特徴とす
   る薄膜材料部材の製造方法。 ２３、設計した微細部品の形状を数値もしくは画像デー
   ターとして読み取り、切り抜きパターンを発生して、請
   求項１から１９のいずれかに記載の製造方法により切り
   抜き加工を行なう微細部品製造装置。 ２４、薄膜材料部材をマニピュレーターに搭載し、切り
   抜き加工した微細部品を試料の所望場所に移動して、組
   み立て等を行なえるようにしたマイクロ・システム製造
   装置。 ２５、切り抜いた材料部品を保持して移動するマイクロ
   ・チャック付マニピュレーターを装着し、微細部品の組
   み立て等を行なえるようにしたマイクロ・システム製造
   装置。 ２６、集束ビームと薄膜材料との相対位置を連続的に変
   化させ、ビーム貫通部の移動により形成される加工面に
   より部品形状を得る微細部品の製造方法。