JPH06150870A - 針切削用イオン加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 棒状部材の先端部を金属原子の数個分の大き
さまで研磨する。 ［構成］ 図（平面図）に示すように、矢印ｄ方向に回
転可能な支持部材２の支持部２ａには針状の棒状部材２
１が固定されている。冷陰極形のイオンビーム装置１で
はイオン源本体５からイオンビームが引き出され、引き
出されたイオンビームはビームライン１３を搬送され、
棒状部材２１を斜め後方から照射する。棒状部材２１は
回転されながら、斜め後方からイオンビームにより削ら
れるので、先端部が原子単位まで鋭く切削される

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は棒状や針状の加工物の先
端を原子数個程度（原子数個程度のとがった先端を持つ
針状物は、例えばＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）、原子
１個１個を、埋めこんだり、剥がしたりする、超微細半
導体加工器に用いられる。）まで研磨するための針研磨
用イオン加工装置である。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来における棒状部材の先端を
細くするために用いられる研磨装置２０である。この従
来の研磨装置２０には、台座２３が、図示されていない
駆動部に取り付けられ、図に示す矢印ｈ方向に回転す
る。台座２３上にはこれと共に一体的に回転させられる
砥石２２が取り付けられている。砥石２２は棒状部材２
１の先端を研磨するものであり、これ自体は研磨する部
材の硬度やその粗仕上げの段階に応じて随時交換して使
用される。砥石２２上には被加工物である棒状部材２１
が、その先端部２１ａを砥石２２に当接させて配設され
ている。棒状部材２１はその軸線の周り、すなわち矢印
ｉ方向に自転機構を持つ支持部材２４に固定されてい
る。

【０００３】このような構成により、図示されていない
駆動部が駆動することにより台座２３を矢印ｈ方向に回
転させ、更に支持部材２４が棒状部材２１を矢印ｉ方向
に回転させながら、棒状部材２１の先端部２１ａを砥石
２２に押し当てることにより、その先端を研磨する。棒
状部材２１を支持部材２４毎、一定方向に回転させるの
は、研磨される先端部２１ａの一様性を向上させるため
である。また砥石２２の回転速度、支持部材２４の回転
速度、棒状部材２１の先端部２１ａが押当てられる押圧
力などは棒状部材２１の材質、砥石２２の有する研磨能
力などにより適宜、調節が行なわれる。

【０００４】しかし、機械研磨をようして、被加工物の
切削加工仕上げを行なう場合、肉眼で見て非常に鋭くて
も、顕微鏡などで拡大してその最高倍率で被加工物の研
磨箇所の観察を行ない、先端の確認が不可能となるまで
切削を施しても、実際にはＦＥＭ（電界放電イオン顕微
鏡）などを用いて棒状部材２１の先端の形状を観察して
みると、数万オングストロ−ムから数１０万オングスト
ロ−ム四方の広さを有する程度まで、その先端に平面が
残ってしまう。また、棒状材２１の材質によらず、機械
的加工方法の手段ではその直径が、原子が数個程度（数
オングストロ−ム程度）の先端を持つような鋭い仕上げ
を行なうことは不可能である。

【０００５】そのため、機械加工で粗仕上げを行なった
後、電解研磨により棒状部材の先端の仕上げ加工を行な
い、機械加工では到達できない細い径まで加工を行なう
ことが一般に行なわれている。図５はその作業を行なう
ための電解研磨装置３０を示し、これは容器２７に電解
液２８が貯蔵され、容器２７の底部には電極２５が設け
られ、これには電源２６からの配線２９ａが接続されて
いる。また、電極２５の直上方には前述の機械研磨が施
された棒状部材２１が配設され、棒状部材２１の先端部
２１ａは電解液２８中に浸漬されている。この棒状部材
２１には電源２６の他方の配線２９ｂが接続されてい
る。

【０００６】このような構成により、棒状部材２１と電
極２５との間に電源２６から電圧が印加されると、電解
液２８中に棒状部材２１の表面部が電気分解により溶出
し、電解液に浸漬された先端部２１ａが全体的に滑らか
で細くなる。このようにして、電解研磨が施された棒状
部材２１の先端部２１ａは粗仕上げ時よりも、更に細く
なり、機械加工では得られない程のより鋭さを持ち、機
械的な寸法測定が相当困難となるほどまで細くなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被加工
物と電解溶液の化学的な反応現象を利用する加工方法で
は、被加工物の端形状を容易に制御することは困難であ
り、針状の先端を原子数個残すのみの径に仕上げること
は不可能に近い。又、材料の化学研磨過程において、加
工箇所の形状が均一に仕上がる可能性は非常に低い。

【０００８】本発明は上記問題に鑑みてなされ、被加工
物の材質を問わず、棒状部材の先端を切削するもので、
従来技術ではその加工領域に到達し得なかった原子数個
分の細さまで、鋭く切削することができる針切削用イオ
ン加工装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、真空槽内
で、棒状部材を支持部材で保持し、イオンビームの照射
口を前記棒状部材の斜め後方に配設し、該照射口から導
出されるイオンビームを前記棒状部材に照射しながら切
削することを特徴とする針切削用イオン加工装置によっ
て達成される。

【００１０】

【作用】棒状部材の斜め後方からイオンビームを照射さ
せるので、棒状部材の先端が数個の原子単位まで細く切
削できる。また、イオンビームにより切削しているの
で、その制御性がよくなる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例による針切削用イオン
加工装置について図面を参照して説明する。

【００１２】図１に示される針切削用イオン加速装置１
０は真空槽内に設けられ、イオン源本体１と被加工物を
支持する支持部材２とからなる。イオン源本体１は冷陰
極形のイオン源であり、イオン源カソード４はアース側
に接続され、アノード３はカソード４の内方に設けられ
た絶縁材からなる軸状部材５に取り付けられている。ア
ノード３は図２に示されるように筒状であり、電源６の
＋側端子が接続されている。軸状部材５とカソード４と
の間のギャップＢにはガス導入配管１１の排出口が配設
され、図示されていないタンクから、真空バルブ８、８
とその間に接続されているガス調整用バルブ９を介して
ガスが導入される。ギャップＢの上方及び下方には図示
されていないＯ−リングにより、ガスが漏れないように
シールされている。本実施例のイオン源本体１に用いら
れるイオン源は被加工物の形状や材質などにより、必要
なエネルギーを持ったイオン種を発生できるものがイオ
ン源本体１に搭載される。つまり、用いられるイオン源
はその種類を限定されない。電源６は放電用の電源とイ
オン源本体１にエネルギーを供給して、イオンを引き出
すための電源も兼ねている。イオン源から引き出された
イオンビーム（荷電粒子）の軌跡はビームライン１３で
示される。

【００１３】図１に示されるように、イオン源本体１は
イオンビームの照射角度が代えられるように、アノード
３を取り付けている軸状部材５を軸心として矢印ａ方向
に回転可能であると共に、矢印ｂの上下方向、更に図２
の矢印ｃに示す前後方向、矢印ｄに示す左右方向に位置
調整が可能であり、イオンビームの照射角度、すなわち
ビームライン１３の向きの設定を高精度で代えることが
できる。

【００１４】図２に示されるようにイオン源本体１の側
方には支持部材２が取り付けられ、その先端部である支
持部２ａには、従来例で説明した、既に電解研磨が終了
した被加工物である棒状部材２１が固定されている。図
示されていないが、支持部材２はこれと同軸上に配設さ
れたモータに取り付けられている。このモータが作動し
て回転すると、支持部２ａに固定されている棒状部材２
１は矢印ｄ方向に回転する。モータは棒状部材２１の研
磨作業に合わせて、支持部材２の単位時間当たりの回転
数を調節することができる。更に、支持部材２は図２の
矢印ｆで示すように、棒状部材２１の軸方向に移動する
ことができると共に、図１に示されるように矢印ｇの上
下方向にも移動することができる。この支持部材２及び
前述したイオン源本体１の、前後、上下方向の動きなど
は、例えばＸ−Ｙ−Ｚステージなどに搭載させることで
制御することができる。

【００１５】棒状部材２１とイオン源本体１のイオン照
射口１２との位置関係は図３に示されるように、イオン
ビームが棒状部材２１の先端部２１ａを斜め後方より照
射するように配置される。すなわち、ビームライン１３
と棒状部材２１の軸線ｊとの交差角αが鋭角となるよう
に配設され、かつ棒状部材２１の軸線ｊが棒状部材２１
の針状部２１ａの最先端で垂直に交わる線ｋよりもイオ
ン照射口１２が後方側に位置するように配置される。

【００１６】以上、本発明の実施例による針切削用イオ
ン加工装置１０の構成について説明したが、次にその作
用について説明する。

【００１７】始めに、支持部材２の支持部２ａに従来例
で説明した電解研磨により、可能な限り先端部２１ａが
鋭くされた棒状部材２１を固定させる。この後、棒状部
材２１を収容している真空層内Ａが排気される。イオン
源本体１ではイオンビームが棒状部材２１の先端部２１
ａを照射できるように照射口１２の向き、すなわち図３
で示される棒状部材２１の軸線ｊとビームライン７との
交差角である角度αが調節される。更に、イオン源本体
１では棒状部材２１に照射されるイオンビームのビーム
径が所望の径に調節される。これらは棒状部材２１の材
質や先端部２１ａの切削を必要とする部分の形状（例え
ば、先端部２１ａをどの位の角度に切削するかなど）や
面積、切削の量などを考慮して調節がなされる。

【００１８】これらが調節された後、支持部材２が矢印
ｄの方向に回転する。他方、イオン源本体１では真空槽
内Ａが排気された後、真空バルブ８が開かれ、ガス調整
用バルブ９により流量を調整されたガスが、タンクから
ガス導入配管１１を介してアノード３の孔周辺の絶縁物
とカソード４との間の空間に導入される。放電兼イオン
引出し用の電源６によりアノード３とカソード４間に電
圧が印加されると、この間に放電が生じ、引き出された
イオンビームは照射口１２からビームライン１３を搬送
され、棒状部材２１の先端部２１ａを斜め後方から照射
する。棒状部材２１はイオンビームの照射口１２の近傍
にあるため、図に示すビームライン１３のように方向性
を持ち、棒状部材２１の先端部２１ａの表面と衝突し
て、これを切削する。棒状部材２１は矢印ｄの方向に一
定速度で回転しているので、先端部２１ａはエネルギー
を持ったイオンビームに照射されると、表面の粒子が一
様性良く徐々に削られる。この結果、先端部２１ａは原
子数個程度の径になるまで切削される。棒状部材２１と
衝突しなかったイオンビームは空間中の中性粒子と衝突
して、これにより広がってイオンが中性粒子となる。

【００１９】このように、本発明の針切削用イオン加工
装置１０は棒状部材２１の切削する部位の斜め後方よ
り、イオンビームが照射され、針状の先端をエネルギー
を持ったイオンビームにより、切削を行なえるようにし
たものである。イオンビームの発生には棒状部材２１に
適合した種々のイオン源を用いることができ、イオンビ
ームの照射角度やイオンビームのビーム径を代えること
により、適宜、研磨状態を制御することができる。例え
ば、棒状部材を注射針（但し、内部に孔が設けられてい
るものとは限らない）のように竹を斜めに切断したよう
な形状とするならば、始めに棒状部材を従来例で説明し
た機械研磨を行ない、その後、電解研磨を行ない、更に
その後、イオンビームで切削するが、この場合は支持部
２ａを回転させないで、イオンビームを照射すればよ
い。そうすれば、注射針のような形状をした棒状部材を
成形することができる。また、棒状部材の先端部でな
く、中央部を切削したいのであれば、その部分にイオン
ビームを向けて照射すればよい。

【００２０】以上、本発明の実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００２１】例えば、以上の実施例ではイオン源に冷陰
極型を用いたが、実際には用途や目的に応じＥＣＲ形、
カウフマン形、フリーマン形をはじめ、全てのイオン源
を用いることができる。

【００２２】また、以上の実施例では棒状部材２１の先
端部２１ａが針状のものを研磨したが、これは針状の物
に限らずイオンビームで加工を行ないたい全ての形状に
適用することができる。

【００２３】また更に、以上の実施例では支持部材２を
前後方向、上下方向に移動可能としたが、これを更に左
右方向や水平方向に対して傾斜させて取り付けられるよ
うにしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の針切削用
イオン加工装置によれば、棒状部材の斜め後方から、イ
オンビームを照射することにより、金属原子数個程度の
径に棒状部材を鋭く切削することができ、制御性も良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による針切削用イオン加工装置
の斜視図である。

【図２】同平面図である。

【図３】同棒状部材に対するイオンビームの照射角を示
す図である。

【図４】従来における棒状部材を機械で研磨する研磨装
置の正面図である。

【図５】同電解研磨装置を示す図である。

【符号の説明】

１ イオンビーム装置 ２ 支持部材 ２ａ 支持部 １０ 針切削用イオン加工装置 １２ 照射口 ２１ 棒状部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空槽内で、棒状部材を支持部材で保持
   し、イオンビームの照射口を前記棒状部材の斜め後方に
   配設し、該照射口から導出されるイオンビームを前記棒
   状部材に照射しながら切削することを特徴とする針切削
   用イオン加工装置。
2. 【請求項２】 前記支持部材を、前記棒状部材の軸線を
   中心に回転可能として、該棒状部材を回転させながら前
   記イオンビームを照射させるようにした請求項１に記載
   の針切削用イオン加工装置。
3. 【請求項３】 前記支持部材を、前記棒状部材の軸線方
   向に移動可能とした請求項１または請求項２に記載の針
   切削用イオン加工装置。
4. 【請求項４】 前記棒状部材に対する前記イオンビーム
   の照射角度を調節自在とするようにした請求項１または
   請求項２に記載の針切削用イオン加工装置。