JPH08120470A - ガスクラスターイオンビームによる 超精密研磨加工方法 - Google Patents
ガスクラスターイオンビームによる 超精密研磨加工方法Info
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- JPH08120470A JPH08120470A JP26291094A JP26291094A JPH08120470A JP H08120470 A JPH08120470 A JP H08120470A JP 26291094 A JP26291094 A JP 26291094A JP 26291094 A JP26291094 A JP 26291094A JP H08120470 A JPH08120470 A JP H08120470A
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- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
Abstract
表面を超精密研磨する。 【効果】 ガスクラスターイオンを用いるため、原子レ
ベルでの超精密研磨が可能で、イオンの持つエネルギー
が通常のイオンエッチングと異なり低いため低損傷での
研磨が可能となる。
Description
ビームによる超精密研磨加工方法に関するものである。
さらに詳しくは、この発明は、超精密に固体表面の研磨
加工を行うためのガスクラスターイオンビームによる超
精密研磨加工方法に関するものである。
仕上には、旋盤やフライス、研磨機等が用いられてい
る。たとえば金属(Al、Cu、Bsp、Ni等)表面
は、ダイヤモンドバイトによって研磨加工が可能であ
る。そして、鉄および鉄系金属の場合にはダイヤモンド
と反応して削れなくなるので、ダイヤモンド粉末入りの
砥石が用いられている。
か、その面精度の向上には限界がある。また、従来、プ
ラスチック成形用の金型については、多くの場合、金型
材として鋼材(SUS系)を機械加工した後に最終工程
で研磨加工を施している。この場合の研磨方法として
は、全て機械的研磨方法であり、その研磨レベルは、金
型の面精度で表すとRa=0.01μm程度である。し
かしながら、このレベル程度の面精度では、光学顕微鏡
での観察によって明らかに機械加工の加工線が確認で
き、面仕上げのレベルとしては不充分な状況にある。
型加工の最終工程として人の手による研磨が施される例
があるが、面の荒さ精度は向上するが、非球面の形状精
度に悪影響を及ぼしてしまうという問題がある。精密な
光学プラスチック用金型では、鋼材の上にNiメッキを
100〜200μm付けた後にこのNiメッキ層を最終
仕上げしているが、この場合には研磨精度の問題の他
に、研磨時に形状が変化して精度が悪くなるという重大
な問題が発生している。非球面の曲面プラスチック金型
では特にこの点が指摘されている。
にくい柔らかい金属(Al,Cu等)における機械加工
の工程においても大きな問題となっている。ガラス基
板、セラミック基板の研磨加工では、通常のピッチ研磨
加工やその他の研磨加工がよく行われているが、研磨後
の面の凸凹は、なお問題として残っている。これらの面
精度および形状精度の向上は、現在のところ困難であっ
た。
されたものであって、従来技術の欠点を解消し、表面の
面精度を大きく向上させ、モールド用金型の表面や、光
学用金属ミラー、その他の光学用のガラス基板、さらに
セラミック基板等の表面を超精密に研磨仕上げして、面
粗さの非常に小さい平滑な面を得ることを可能とする、
新しい超精密研磨加工方法を提供することを目的として
いる。
を解決するものとして、ガスクラスターイオンビームを
照射して固体表面を研磨することを特徴とする超精密研
磨加工方法を提供する。また、より具体的には、この発
明は、ガスクラスターイオンビームを照射してプラスチ
ックまたはガラスモールド用の金型表面を研磨する超精
密研磨加工方法や、光学用金属ミラー、ガラス基板、セ
ラミック基板等をもガスクラスターイオンビームにより
研磨する超精密研磨加工方法を提供する。
ンビームによって固体表面を研磨し、これまでの技術に
よっては到底不可能であった超精密な表面粗さのレベル
を得るものである。ガスクラスターイオンビーム技術そ
のものは、この発明の発明者によってすでに提案されて
いるものであるが、この技術を超精密研磨加工に適用す
ることはこの発明は初めて実現したものである。
の発明を実施するのに用いられる精密研磨加工装置に構
成を例示した模式図である。たとえばこの図1に例示し
たように、精密研磨加工装置は、ソースチャンバー排気
ポンプ(11)とメインチャンバー排気ポンプ(12)
とによって作動排気されるソースチャンバー(1)とメ
インチャンバー(2)の2つの真空室を有している。
スを、超音速でノズル(4)より噴出させることによっ
て、断熱膨張によりガスクラスターを形成する。生成し
たクラスターはスキマー(5)を通過させ、ビーム形状
を整えてイオン化部(7)に供給される。このイオン化
部(7)では、フィラメント(6)による電子衝突によ
りイオン化される。この際に、加速部(8)において、
電界によりクラスターは加速される。ガスクラスターイ
オンは、減速電界部(9)での減速電界によりクラスタ
ーの大きさが選別され、さらに加速部(13)において
加速されて高電圧を印加した被加工物(10)へ照射さ
れる。被加工物(10)ヘ照射されたガスクラスターイ
オンは被加工物(10)との衝突で壊れ、その際クラス
ター構成原子または分子およ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(10)表面に対して
水平方向への運動が顕著になり、その結果、被加工物
(10)表面に対して横方向の切削が可能となる。さら
に被加工物(10)表面を横方向に粒子が運動すること
により、表面の凸部が主に削られ原子サイズでの平坦な
超精密研磨が得られることになる。
ス、たとえばアルゴンや、窒素ガス、酸素ガス等の他、
化合物の炭酸ガス等、必要に応じて1種または2種以上
のガスを単独にあるいは混合して使用することができ
る。ソースガス圧力については、一般的にはこれを適宜
に選択することができるが、この圧力を高くするとクラ
スターサイズが大きくなり、またクラスターの発生個数
も大きくなるため研磨効果や効率を高めることができ
る。また、スキマーによりクラスターのビーム形状は例
えば円形に整えることができる。さらに差動排気による
加工室内を真空に保つためのコンダクタンスをもたせる
こともできる。
ーイオンの持つエネルギーが大きくなり、研磨効果を高
めるが、適切な値を超えると研磨加工表面が粗くなる傾
向になる。このため、被加工物との関係において適切に
選択される。イオン化電圧が低い場合には、電子衝撃の
ための電子が十分に引き出されず、クラスターのイオン
化が十分に起こらない。また、高すぎる場合にはイオン
化が進みすぎ、クラスターがクーロン力で分割され、結
果としてクラスター量が減少する。このため、イオン化
電圧は、通常は、ガスの種類によっても異なるが、数1
0V〜数100V程度とするのが好ましい。
ることが可能である。もちろん、サイズの異なるクラス
ターの他、クラスター状になってないモノマーイオンを
単独に使用してもよいし、またクラスターとモノマーの
混合照射を行ってもよい。これらの諸条件を適宜に選択
して被加工物としての固体表面を超精密研磨する。この
場合の被加工物は、その素材として金属、合金、ガラ
ス、セラミックス等の任意のものであってよく、その種
類はプラスチックまたはガラスモールド用金型、たとえ
ばメガネレンズキャスト用金属表面や、光学用金属ミラ
ー表面、ガラス基板やセラミックス基板等であってよ
い。
により、たとえば表面粗さは、原子レベルサイズにまで
向上する。また、ガスクラスターイオンビームは、イオ
ンの持つエネルギーが通常のイオンエッチングと異って
より低いため、被加工表面に損傷を与えることなく、所
要の超精密研磨を可能とする。
工物表面への照射では、通常は、その表面に対して略垂
直方向から照射するのが好ましい。ただ、曲面等の場合
には、その表面状況に応じて斜め方向から照射してもよ
い。また、被加工物表面とクラスターイオン照射部との
距離や加工表面範囲についても適宜に選択すればよい。
この場合、ドーズ量の選択としても考慮される。
明を説明する。
の粗さRa=20Åに仕上げたプラスチックモールド用
ステンレス金型表面に、CO2 クラスターイオンを、加
速電圧10kV、クラスターサイズが300個以上、イ
オン電流200nA、ドーズ量1×1016個イオン/c
m2 の条件で照射した。その結果、わずか25分の処理
でプラスチックモールド用ステンレス金型の表面粗さは
Ra=8Åに改善された。
の粗さRa=1000Åに仕上げたミラー用鏡面銅表面
に、CO2 クラスターイオンを、加速電圧31kV、ク
ラスターサイズ300個以上、イオン電流380pA、
ドーズ量1×1014個イオン/cm2 の条件で照射し
た。その結果、ミラー用鏡面銅の表面粗さは、Ra=1
00Å以下に改善された。
の粗さRa=50Åに仕上げたソーダライムガラスに、
CO2 クラスターイオンを、加速電圧10kV、クラス
ターサイズ300個以上、ドーズ量1×1016個イオン
/cm2 の条件で照射した。その結果、青板ソーダガラ
スの表面粗さは、Ra=20Å以下に改善された。
した表面の粗さRa=20Åの球面形状(R=10+
0.1mm)に加工したφ50mmプラスチックモール
ド用ステンレス金型表面に、CO2 クラスターイオン
を、加速電圧10kV、クラスターサイズ300個以
上、ドーズ量1×1016個イオン/cm2 の条件で照射
した。その結果、表面粗さがRa=10Å以下に改善さ
れた。このとき、処理前後で表面形状は変化がみられな
かった。
にも示した表面の粗さRa=6.1Åに仕上げたソーダ
ライムガラスにCO2 のモノマーのイオンを加速電圧1
0kV、ドーズ量1×1016個イオン/cm2 の条件で
照射した。その結果を図3に示した。青板ソーダガラス
の表面粗さは、Ra=6.2Åとなり、モノマーイオン
の照射によっては表面粗さの改善は全くみられなかっ
た。しかしながら、図2の表面の粗さRa=6.1Åの
青板ソーダガラスにCO2 クラスターイオンを加速電圧
10kV、クラスターサイズ250個以上、ドーズ量1
×1016個イオン/cm2 の条件で照射したところ、青
板ソーダガラスの表面粗さは、Ra=2.8Å以下に改
善された。図4は、そのAFM像を示したものである。
この結果から、クラスターイオン照射の研磨効果は極め
て大きいことがわかる。
って、ガスクラスターイオンによる原子レベルでの超精
密研磨が可能となり、しかもイオンの持つエネルギーが
通常のイオンエッチングと異なってより低いため、低損
傷での研磨が可能となる。
である。
た図面に代わるAFM顕微鏡写真である。
ムガラスの表面を示した図面に代わるAFM顕微鏡写真
である。
イムガラスの表面を示した図面に代わるAFM顕微鏡写
真である。
Claims (7)
- 【請求項1】 ガスクラスターイオンビームを照射して
固体表面を研磨することを特徴とする超精密研磨加工方
法。 - 【請求項2】 ガスクラスターイオンビームを使用し
て、プラスチックまたはガラスモールド用の金型表面を
研磨する請求項1の超精密研磨加工方法。 - 【請求項3】 ガスクラスターイオンビームを使用し
て、プラスチックまたはガラス製メガネレンズキャスト
用の金型表面を研磨する請求項2の超精密研磨加工方
法。 - 【請求項4】 全部または一部がセラミックからなる金
型表面を研磨する請求項2または3のいずれかの超精密
研磨加工方法。 - 【請求項5】 球面形状または非球面形状を有する金型
表面を研磨する請求項2ないし4のいずれかの超精密研
磨加工方法。 - 【請求項6】 光学用ミラー表面を研磨する請求項1の
超精密研磨加工方法。 - 【請求項7】 金属ガラスまたはセラミックス表面を研
磨する請求項1の超精密研磨加工方法。
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