JPH08206866A - エネルギービーム加工法及びエネルギービーム加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギービームをマスクを介して被加工物
に照射し、照射量に応じた局所的な深さ加工を施す。 【解決手段】 マスク１４に形成されたビーム透過孔１
４ａを透過させて被加工物１２にエネルギービームを照
射し、そのさいにマスク１４と被加工物１２の相対位置
を制御し、被加工物１２の特定領域をエネルギービーム
の照射量に応じた深さに加工する。これにより、レジス
ト塗布や露光や現像といった工程を繰り返して三次元的
凹凸のある基板表面を形成するに従来のリソグラフィ技
術と異なり、局所的に加工深さが異なる加工物の製作が
非常に容易であり、しかも一度の加工で短時間で精度よ
く所望の深さ加工が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスクパターンを
透過して被加工物に照射するビームの透過量を被加工物
の加工箇所ごとに異ならしめ、加工深さが随意可変でき
るようにしたエネルギービーム加工法及びエネルギービ
ーム加工装置に関する。

【０００２】また、本発明は、加工の際に被加工物とマ
スクとの位置合わせを精度よくかつ効率的に行うことが
できる方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】従来、マイクロマシン、医療器具、情報
機器等に用いる微小物体の製作において、被加工物の表
面に微細な切削加工を施す一般的な加工技術としては、
切削バイト、化学反応、或いは収束性ビームを利用した
切削加工があるが、特に半導体製造等における微細加工
技術としてはレジストを利用したドライエッチングやウ
エットエッチングが用いられている。

【０００４】図２４は、従来のレジストを利用した微細
加工の工程例を示す。まず初めに加工基板１にレジスト
材２をコーティングし（工程１）、次にフォトマスク３
を介在させて紫外線４を照射し、フォトマスクに形成さ
せてあるパターン穴３ａをレジスト２に転写する（工程
２）。次に、現像することによりパターン穴３ａを通し
て紫外線４が照射された部分のレジスト材２を除去する
（工程３）。次に、プラズマ中のイオンやラジカル種を
利用して加工基板の上のレジスト材が無い部分の異方性
エッチングを行い（工程４）、最後にレジスト材２を除
去する（工程５）。以上の工程を経て加工基板の表面に
フォトマスクのパターン穴と同形の穴が形成されて微細
加工が行われる。通常はこの工程を繰り返して半導体デ
バイスが作製される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の加工方法は、レジスト材の塗布や、露光および現像
によるレジストパターンの形成、ベーキング等きわめて
複雑で手間のかかる工程が必要であり、効率良い加工を
行うことができなかった。また、プラズマ中のイオンや
ラジカル種を利用したエッチングは平面を一様に加工す
るため各部の深さが異なった構造や、３次元構造を高精
度で加工することは困難であった。さらに、各工程ごと
にそれぞれ装置を使用し、高精度の位置合わせをするの
で多くの時間と費用がかかった。

【０００６】また、上記半導体デバイス用の加工基板１
と同様に微細な加工を必要とするものに、直径がミクロ
ンオーダーのマイクロ球レンズなどがあるが、こうした
マイクロ球レンズを製作する場合、従来は例えば図２５
に示したように、棒状のガラス材５の先端をバーナ６で
炙って熔かし、熔融したガラス球を落下させて冷却する
方法によっていた。しかしながら、こうした方法で製作
されたマイクロ球レンズ７は、表面粗さや真球度におい
て要求精度を満たすものが少なく、そこで冷却を終えた
上記のマイクロ球レンズ７を、例えば図２６に示したよ
うに研磨剤８の撒かれた研磨台９上に載せ、回転円盤１
０を軸周りに回転させながらマイクロ球レンズ７を押圧
し、レンズ表面を研磨する方法を採ることもあった。し
かしながら、こうして研磨したマイクロ球レンズ７も、
表面粗さや真球度の改善効果には一定の限界があり、従
来の方法では光学レンズとしての一定の基準品質を満た
すマイクロ球レンズを効率よく製作するのが困難であっ
た。

【０００７】従って、本発明の目的は、各部の深さが異
なった構造や、３次元構造を有する加工部品を高精度に
かつ効率よく加工できる方法および装置を提供すること
にある。

【０００８】また、本発明の他の目的は、上記加工にお
いて被加工部品とマスクとの位置合わせを迅速かつ精度
よく行うことができるようにすることにある。

【０００９】さらに、本発明の他の目的は、マイクロ球
レンズ等高精度な３次元加工を要するマイクロ部品を簡
単にしかも効率よく製作できるようにすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、エネルギービ
ーム源が発するエネルギービームを、マスクに穿設され
た所定形状パターンのビーム透過孔を透過させて被加工
物に照射するとともに、前記エネルギービーム源と前記
マスクの相対位置関係又は該マスクと前記被加工物の相
対位置関係の少なくとも一方を変化させ、該被加工物に
対する前記エネルギービームの照射量を制御することに
より被加工物の加工深さを加工位置によって変化せしめ
たことを特徴とするエネルギービーム加工法を提供する
ことにより、前記目的を達成するものである。

【００１１】また、本発明は、前記方法において、前記
マスク又は前記被加工物は、前記エネルギービームの照
射方向に沿う軸を中心に回転駆動され、該マスクは、前
記軸を中心とする径方向に沿う開口面積変化率が漸増す
るビーム透過孔が穿設してあることを特徴とするエネル
ギービーム加工法を提供することにより、前記目的を達
成するものである。

【００１２】さらに、本発明は、前記方法において、前
記エネルギービーム源は、揺動周期をもって完結する規
則的な速度変化を伴って揺動駆動され、前記被加工物
は、前記エネルギービーム源が揺動中心にあるときの前
記エネルギービームの照射方向と平行な軸を中心に回転
駆動されることを特徴とするエネルギービーム加工法を
提供することにより、前記目的を達成するものである。

【００１３】また、本発明は、前記方法において、前記
マスクと前記被加工物は、相互の位置関係に応じた規則
的な速度変化を伴って相対的に並進駆動され、かつ該被
加工物は、前記エネルギービームの照射方向と直交又は
斜交する軸を中心に回転駆動されることを特徴とするエ
ネルギービーム加工法を提供することにより、前記目的
を達成するものである。

【００１４】さらに、本発明は、前記方法において、前
記エネルギービーム源と前記マスクと前記被加工物は、
顕微鏡を用いて真空中で整合させることを特徴とするエ
ネルギービーム加工法を提供することにより、前記目的
を達成するものである。

【００１５】また、本発明は、前記方法において、前記
マスクと前記被加工物の相対位置関係を顕微鏡で観察し
ながら微動位置決め装置を用いて位置決めすることを特
徴とするエネルギービーム加工法を提供することによ
り、前記目的を達成するものである。

【００１６】また、本発明は、被加工物と所定形状のパ
ターン穴が形成されたマスクとの相対位置関係を顕微鏡
で観察しながら微動位置決め装置を用いて位置決めし、
エネルギービームを前記マスクを介して前記被加工物に
照射することにより該被加工物を加工することを特徴と
するエネルギービーム加工法を提供することにより、前
記目的を達成するものである。

【００１７】また、本発明は、前記方法において、前記
被加工物とマスクとの相対位置関係を顕微鏡で多方向よ
り観察し位置決めすることを特徴とするエネルギービー
ム加工法を提供することにより、前記目的を達成するも
のである。

【００１８】さらに、本発明は、前記方法において、前
記被加工物とマスクとを前記微動位置決め装置に保持し
たまま加工を行うことを特徴とするエネルギービーム加
工法を提供することにより、前記目的を達成するもので
ある。

【００１９】また、本発明は、前記方法において、前記
被加工物とマスクとの相対位置関係をあらかじめ顕微鏡
で観察しながら前記微動位置決め装置により位置決め
し、これを固定具により保持した状態で加工を行うこと
を特徴とするエネルギービーム加工法を提供することに
より、前記目的を達成するものである。

【００２０】さらに、本発明は、前記方法において、前
記微動位置決め装置を真空容器中に配置し、前記位置決
め操作を該真空容器外部より行うことを特徴とするエネ
ルギービーム加工法を提供することにより、前記目的を
達成するものである。

【００２１】さらに、本発明は、エネルギービームを発
するエネルギービーム源と、所定形状パターンのビーム
透過孔を有し、該ビーム透過孔を介して前記エネルギー
ビームを透過させるマスクと、該マスクを透過した前記
エネルギービームを照射されて加工される被加工物と、
該被加工物の加工深さを加工位置によって変化させるべ
く前記エネルギービーム源と前記マスクの相対位置関係
又は該マスクと前記被加工物の相対位置関係の少なくと
も一方を変化させ、これにより被加工物に対するエネル
ギービームの照射量を制御する制御手段とを具備するこ
とを特徴とするエネルギービーム加工装置を提供するこ
とにより、前記目的を達成するものである。

【００２２】また、本発明は、前記装置において、前記
制御手段が前記エネルギービーム源とマスクの相対位置
を変化させるようになっており、前記被加工物とマスク
との相対位置関係を観察するための顕微鏡と、該被加工
物とマスクとの相対位置決めをするための微動位置決め
装置とをさらに備えたエネルギービーム加工装置を提供
することにより、前記目的を達成するものである。

【００２３】さらに、本発明は、前記装置において、前
記微動位置決め装置で位置決めした被加工物とマスクと
を位置保持する固定具をさらに備えたエネルギービーム
加工装置を提供することにより、前記目的を達成するも
のである。

【００２４】本発明によれば、従来のように複雑なレジ
スト塗布およびレジストパターン形成工程を必要とする
ことがなく、また、被加工物とマスクとの位置合わせを
迅速に行うことができるので、被加工物の加工を効率良
く行うことができる。

【００２５】また、本発明によれば、マスクに形成され
たビーム透過孔を透過させてエネルギービームを被加工
物に照射し、そのさいにエネルギービーム源とマスク或
いはマスクと被加工物の相対位置を変化させることによ
り、被加工物の加工箇所こどにエネルギービームの照射
量を異ならしめることができるので、被加工物の加工箇
所こどの加工深さを精度よく制御することができる。

【００２６】この場合、パターン穴が形成されたマスク
を通して被加工物にエネルギービームを照射し、パター
ン形状の加工を行う際に、パターン形状が１ｍｍ以下の
微小パターンである場合や、被加工物が同様に微小な物
体である場合には、微動位置決め装置や顕微鏡なしで位
置決めすることは困難であるが、被加工物とマスクとを
顕微鏡で観察しながら微動位置決め装置により微細な位
置決めを行い、これを位置決め装置または固定具により
位置保持した状態でエネルギービームによる加工を行う
ことにより、精度良く微小パターンの加工を行うことが
できる。

【００２７】さらに、真空中で上記位置決めを行い、被
加工物とマスクとを一度大気中に取り出す必要をなくす
ことにより、加工の継続性を維持できるので効率良く作
業ができるばかりではなく、場所移動に伴って生ずる被
加工物とマスクおよび関連機器との相対位置に位置ずれ
を生ずることがなく、精度よく加工を行うことができ
る。さらに、被加工物の加工面が酸化されるという問題
もない。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１ないし図１２を参照して説明する。図１は、本
発明のエネルギービーム加工法を適用したエネルギービ
ーム加工装置の第１実施例を示す概略斜視図、図２は、
図１に示したエネルギービーム加工装置による加工形状
を説明するための被加工物の縦断面図である。

【００２９】図１に示すエネルギービーム加工装置１１
は、金属材料やガラス材料からなる円盤状の被加工物１
２の表面を凸面状にエネルギービームにより加工するた
めの装置であり、エネルギービームは、エネルギービー
ム源１３より均一密度のビームとして下方に照射され
る。被加工物１２は、円形スポット状に照射されるエネ
ルギービームのスポット中心を通るビーム軸に対し同軸
配置されており、その軸芯を中心に一定速度で回転駆動
される。また、エネルギービーム源１３と被加工物１２
との間には、被加工物に対して照射パターンを周期的に
可変制御するためのマスク１４が介在しており、このマ
スク１４に形成した銀杏形に開口するビーム透過孔１４
ａにより、被加工物１２の特定領域に対するビーム照射
量の制御がなされる。

【００３０】ビーム透過孔１４ａは、銀杏形状の要の位
置がビーム軸すなわち被加工物１２の回転中心に一致し
ており、この要の位置から左右に曲線的に裾を延ばすよ
う末広がり状態で開口している。このため、径方向に沿
うビーム透過孔１４ａの開口面積変化率は漸増し、円周
に沿うビーム照射量は被加工物１２の回転中心から離れ
た位置ほど大となる。従って、被加工物１２がその回転
軸を中心に回転すると、単位時間当たりのエネルギービ
ームの照射量が径方向に沿って大となる分だけ加工深さ
も径方向に漸増し、最終的には図２に示した球状凸面１
５ａを有する加工物１５が得られる。

【００３１】なお、上記実施例では、被加工物１２をそ
の軸回りに回転させる構成としたが、代わりに図示点線
矢印で示すように、マスク１４を軸回りに回転させても
よい。

【００３２】なお、上記第１実施例では、被加工物１２
だけを軸周りに回転させる構成としたが、エネルギービ
ーム源も被加工物の回転に同期させて揺動させることが
可能であり、例えばビーム軸を被加工物の回転中心軸に
対し角度をもたせることで、被加工物のビーム照射面に
対して回転中心軸から径方向にエネルギービーム量を制
御することが可能である。

【００３３】図３に示すエネルギービーム加工装置２１
は、被加工物２２の回転に合わせてエネルギービーム源
２３を揺動させるようにしたものであり、特に加工箇所
に応じて加工深さを変えるため、エネルギービーム源２
３の揺動速度を左右の揺動端ほど遅く揺動中点ほど速く
設定してある。また、この実施例では、マスク２４のビ
ーム透過孔２４ａは円形貫通孔に過ぎないが、エネルギ
ービーム源２３とマスク２４及び被加工物２２の相対位
置関係には、エネルギービーム源２３が揺動端にあると
きに被加工物２２の周縁部が加工され、かつエネルギー
ビーム源２３が揺動中点にあるときに被加工物２２の中
央部が加工されるような関係をもたせてある。このた
め、被加工物２２は、周縁部が中央部に比べより深く加
工され、最終的に得られる加工物２５は、図４に示した
ように、先端から周縁にかけて半球状に丸まった凸面２
５ａを有する形状となる。

【００３４】また、上記第２実施例において、エネルギ
ービーム源の揺動速度は、左右の揺動端ほど速く揺動中
点ほど遅く設定することもできる。図５に示したエネル
ギービーム加工装置３１は、エネルギービーム源３３の
揺動速度の変化態様を図３の場合と逆に切り替えるとと
もに、前記実施例よりもエネルギービーム源３３の揺動
範囲を狭めたものである。この実施例では、エネルギー
ビーム源３３とマスク３４及び被加工物３２の位置関係
は、エネルギービーム源３３が揺動端にあるときに被加
工物３２の半径方向中間部が加工され、エネルギービー
ム源３３が揺動中点にあるときに被加工物３２の中央部
が加工されるような位置関係としてある。このため、被
加工物３２の中央部が半径方向中間部に比べより深く加
工され、最終的に得られる加工物３５は、図６に示した
ように、中央が最も深い皿穴３５ａを有するものとな
る。なお、本実施例の場合、マスク３４としては、前記
実施例と同様、円形に開口するビーム透過孔３４ａを有
するものが用いられる。

【００３５】さらに、上記第１〜第３実施例と異なり、
エネルギービーム源は固定したまま、被加工物を軸周り
に回転させる一方で軸方向に往復駆動することもでき
る。図７に示すエネルギービーム加工装置４１は、円柱
状の被加工物４２を先端側から球形にくびれ加工するた
めの装置であり、被加工物４２はエネルギービーム源４
３のビーム照射方向と直交する回転軸周りに回転し、同
時にまたこの回転軸に沿って往復動すなわちマスク４４
に対して並進する。マスク４４には、ビーム透過孔４４
ａとして被加工物４２の往復動方向と直交する方向に長
方形のスリットが形成してあり、このスリット状ビーム
透過孔４４ａを透過したビームが被加工物４２の先端付
近に照射される。実施例の場合、被加工物４２の往復動
速度は、往復端点ほど遅く往復中点ほど速くするよう設
定されるため、エネルギービームが往復端点を照射する
ときに加工深さは最大であり、エネルギービームが往復
中点を照射するときは加工深さは最小となる。従って、
加工物４５の最終形状は、図８に示したように、球形部
４５ａとなる。

【００３６】また、上記第４実施例を変形発展させたも
のに、図９に示すエネルギービーム加工装置５１があ
る。このエネルギービーム加工装置５１は、エネルギー
ビーム源５３を固定したまま、被加工物５２を回転及び
往復駆動させる点は前記実施例と変わらないが、マスク
５４に形成するスリット状ビーム透過孔５４ａが１本で
はなく、３本のスリット状ビーム透過孔５４ａを互いに
平行にかつ等間隔に配設した点が異なる。この実施例の
場合、３本のスリット状ビーム透過孔５４ａは、全てエ
ネルギービーム源５３のエネルギービーム照射範囲に含
まれるため、一度の加工で３個の球形部５５ａがくびれ
部５５ｂを介して連なる加工物５５を形成することがで
きる。このため、マイクロ球レンズを大量に工業生産す
る場合、被加工物５２として例えば光学ガラス，石英ガ
ラス，ルビー，サファイア，フッ化マグネシュウム，Ｚ
ｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＡｓ等のレンズ用ガラス材料を
用い、スリット状ビーム透過孔５４ａの幅設定と被加工
物５２の往復動（並進移動）速度制御とを適宜組み合わ
せることにより、０．１ｎｍ〜１００ｎｍの大きさの球
形部５５ａすなわちマイクロ球レンズを高精度で能率よ
く製作することができる。特に、量子レベル或いは可視
光レベルの精度までレンズ面の加工が可能であるため、
マイクロ球レンズに加工した加工物５５に単色光を入射
させる場合には、レンズ作用を行う有効部分の大きさを
該単色光の波長以下の大きさとすることができる。

【００３７】さらにまた、前述の第１実施例に示したエ
ネルギービーム加工装置１１に関しても、マスク１４に
設けるビーム透過孔１４ａの数を増やすことで円盤状の
ガラス素材をフレネルレンズに加工することも可能であ
る。具体的には、図１１に示すエネルギービーム加工装
置６１のごとく、円盤状の被加工物６２を覆うマスク６
４に、銀杏形状のビーム透過孔６４ａを相似的に三連形
成したものを用い、最小のビーム透過孔６４ａの要の部
分を通る回転軸を中心に被加工物６２を回転駆動しつ
つ、エネルギービーム源６３からエネルギービームを照
射する。この場合、照射ビームの中心軸から離れるほど
ビーム透過孔６４ａの開口面積は大きくなり、しかも個
々のビーム透過孔６４ａが銀杏形状をなすため、最終的
に得られる加工物６５は、図１２に示したように、円盤
状ガラス素材の表面に環状の平凸レンズ部６５ａが同心
形成されたフレネルレンズとなる。

【００３８】なお、上記実施例において、エネルギービ
ームとしては高速原子線やイオンビーム或いは電子線や
原子・分子ビームさらには放射光等を用いることもでき
る。高速原子線は、中性な高速粒子ビームであるため、
金属や半導体或いは絶縁物などあらゆる材料に対して応
用でき、イオンビームは金属材料に有効である。電子線
は、電子線照射と同時に被加工物に対して反応性のある
ガスを導入し、電子線が照射された場所にのみ化学反応
が行われるようにする。また、原子・分子ビームは低エ
ネルギビームとして用いることができ、反応性ガスの原
子・分子ビームを照射して加工を行うことができる。さ
らに、放射光は、直接放射光のみを被加工物表面に照射
して加工を行ったり、反応性ガス粒子との総合作用を利
用して加工を行ったりでき、あらゆる材料に適用できる
等の特徴がある。

【００３９】また、後述するように、上記実施例におい
て、マスクと被加工物とビーム軸の位置合わせやマスク
の交換といった作業を全て真空容器内において行うこと
もでき、その場合は、被加工物を一度も大気中にさらす
ことのないクリーンな環境下での加工工程が実現でき、
加工物表面の酸化や汚染が問題となるときに特に有効な
加工法として、極めて高い作業性が得られる。また、こ
うした真空内加工工程を実現する場合に、光学顕微鏡や
走査型２次電子顕微鏡（ＳＥＭ）或いはレーザ顕微鏡等
の顕微鏡を用い、マスクと被加工物とビーム軸の位置合
わせを行うとよく、エネルギービーム源とマスクと被加
工物とを極めて高い精度で整合させることができる。

【００４０】図１３は、本発明の方法を実施する装置の
一実施例を示すもので、該実施例のものはベース１０５
上に水平面内で直行する方向に併進移動可能なＸＹ軸ス
テージ１０６を設け、該ＸＹ軸ステージ上に主軸或いは
Ｘ軸１０７回りに回転可能なθ軸ステージ１０８を設
け、該θ軸ステージに取り付け手段１０９を介して被加
工物Ｗを着脱可能に固定する一方、上記ベース１０５上
にＺ軸方向に移動可能なＺ軸ステージ１１１を設け、該
Ｚ軸ステージ上にＺ軸回りに回転可能なβ軸ステージ１
１３を設け、該β軸ステージにＹ軸１１５回りに回転可
能にα軸ステージ１１７を設け、該α軸ステージ１１７
上にマスクＭを着脱可能に固定し、該マスク上のエネル
ギービーム源（例えば高速原子線源）１１９よりマスク
Ｍのパターン孔ｐを介して被加工物Ｗにエネルギービー
ム１２１を照射するようにしたものである。上記ＸＹ軸
ステージ１０６およびＺ軸ステージ１１１は位置決め精
度が０．１Ａから１０マイクロメートル、好ましくは
０．１Ａから１ナノメートルで位置決め可能な微動移動
ステージである。

【００４１】この位置決め装置では、被加工物ＷがＸＹ
ステージ１０６によりＸＹ軸の２方向に併進微動できる
とともに、θ軸ステージ１０８によって被加工物Ｗ自体
の回りに回転移動できるようになつており、これにより
マスクＭに対して被加工物の一軸回りの任意の面を位置
合わせし、エネルギービームによる加工が可能となって
いる。従って、該装置により上記図７，８，９，１０に
関連して述べた加工方法の実施が可能である。また、マ
スクＭは、Ｚ軸ステージ１１１により被加工物Ｗに対し
離間距離（Ｚ軸方向）を微動制御でき、またβ軸ステー
ジ１１３およびα軸ステージ１１７によって水平面内の
傾きや、被加工物との平行度を精度よく調整できるなっ
ている（α、β回転角）。これにより、被加工物Ｗとマ
スクＭとの離間距離、平行度、平行平面内における相対
位置を微細に調整することができる。

【００４２】なお、被加工物Ｗの加工面とマスクＭとの
離間距離は、通常、密着状態から１ｍｍ程度の距離に設
定される。また、マスクＭは、予め形成されたもの、例
えば電鋳によりパターニングされた数ミクロン厚のＮｉ
箔を用いることができ、これを平坦度のよい粘着テープ
でα軸ステージ１１７のマスク取り付け部１１７ａに固
定することができる。なお、被加工物ＷとマスクＭとの
位置合わせは光学顕微鏡１２３により観察しながら行
い、被加工物ＷとマスクＭの動きを示す画像表示装置を
見ながら遠隔操作によって行うことができる。この際、
光学顕微鏡で２方向以上から観察することにより、被加
工物とマスクとの平行度を見ることができる。このため
エネルギービーム源１１９および光学顕微鏡１２３は図
示しないガイドにより、それぞれ加工位置および観察位
置に出入りできるようになっている。これにより、被加
工物Ｗの任意の加工面に対しマスクＭを所望の位置関係
に設定して加工を行うことができる。

【００４３】図１４は、本発明方法を実施する装置の他
の実施例を示すもので、該実施例では、ベース１０５の
下面が球面状をなしており、装置全体がベースガイド１
０５ａの上を図示矢印Ｂのごとく一軸または多軸回りに
揺動できるようになっており、これにより被加工物Ｗを
エネルギービームの照射方向と斜交する軸回りに回転さ
せることができる。

【００４４】図１５は、本発明加工方法に使用される装
置のさらに他の実施例を示すものであり、該実施例の装
置では、ＸＹステージ１０６にサポート１０２を固定
し、該サポート上にターンテーブル１０４をエネルギー
ビーム１２１の照射方向に沿う軸回りに回転可能に取り
付け、該ターンテーブル上に被加工物Ｗを粘着テープ等
により取り付けたものである。他の構成は図１３の装置
と同じである、該装置により図１，２，１１，１２に関
連して述べた加工方法を実施することができる。

【００４５】図１６は、本発明の他の方法を示すもの
で、該方法は固定具により被加工物をマスクと所定の位
置関係に固定設置した状態で加工を行うものである。こ
のため、被加工物Ｗは平坦な固定台１２５上に平坦度の
良い粘着テープやボルト、ネジ等により固定され、マス
クＭは該被加工物Ｗ上にスペーサ１２７を介して設置さ
れる。スペーサ１２７は固定台１２５上に立設されてお
り、マスクＭは該スペーサ上に平坦度の良い粘着テープ
やボルト、ネジ等１２９（図では粘着テープ）を利用し
て取り付けられる。

【００４６】被加工物Ｗに対しマスクＭを位置合わせす
るには、図２０に示すように、被加工物Ｗを固定した固
定台１２５に対し、マスクＭを位置決め装置１３１によ
り光学顕微鏡１２３で観察しながら位置決めを行い、こ
の際同時にマスクＭのスペーサ１２７上への固定も行
う。光学顕微鏡１２３は焦点深度の深いものが使用され
るが、光学顕微鏡の代わりにレーザー顕微鏡を使用して
もよい。マスクＭはネジ、ボルトや粘着テープ１３３
（図ではネジ）により位置決め装置の支持アーム１３５
に固定されている。位置決め装置１３１はＸＹ軸ステー
ジ１３７とＺ軸ステージ１３９とでマスクＭを直交３軸
方向に微動制御することができる。なお、ＸＹ軸方向と
Ｚ軸方向との位置決めを精度よく行うために複数の光学
顕微鏡、レーザー顕微鏡もしくはそれらの双方を用いる
ことができる。なお、図示しないが、位置決め装置１３
１にＺ軸回りに回転可能なβ軸ステージを取り付け、被
加工物とマスクとの水平面内の傾きを調整することもで
きる。被加工物Ｗに対し、マスクＭの位置決めを完了し
た後は、図１６に示すように、位置決め装置１３１から
マスクＭを切り離し、光学顕微鏡１２３と位置決め装置
１３１を被加工物ＷおよびマスクＭ上から後退させ、代
わりに図示しないエネルギービーム源を該位置決めされ
た被加工物およびマスク上の加工位置に位置決めして加
工を行う。

【００４７】なお、図示例では、エネルギービーム１２
１とマスクＭとの相対位置関係を固定してあるが、図１
７に示すように、エネルギービーム源１１９をマニピュ
レータ１２０に取り付け、矢印Ａで示すように、エネル
ギービームを一軸または多軸回りに揺動させるか、或い
はステージ１２５の下面を球面状として装置全体をステ
ージガイド１２５ｂ上で矢印Ｂで示すように一軸または
多軸回りに揺動させることにより、エネルギービーム１
２１とマスクＭ間を相対移動させることができる。

【００４８】また、図１６のものは被加工物Ｗの加工面
が固定台１２５の被加工物設置面１２５ａとマスクＭと
に平行である四角柱構造の被加工物を加工する例である
が、より正確にマスクと被加工面の平行度を出すため
に、スペーサにマイクロメーターヘッド（図示せず）を
取り付けた固定具を使用することができる。また、図１
８に示すように、被加工物Ｗを固定台の被加工物設置面
上で回転させることにより任意の加工面をマスクに向け
て加工を施し、３次元加工を行うことができる。この場
合、加工物設置面上に被加工物の設置位置をマークして
おき、被加工物を該マークに合わせて位置決めする。し
たがって、粘着テープは必ずしも必要としない。

【００４９】図１９は被加工物Ｗが複雑な形状を有する
場合に、被加工物の加工面とマスクとが平行もしくは任
意の角度に設定することができるように、固定台１２５
の被加工物設置面１２５ａの形状を被加工物の形状に合
わせて適宜選択できることを示すものである。

【００５０】これら図１８，１９の固定具を使用する場
合にも、図１７の固定具と同様にエネルギービーム源を
マニピュレータにより揺動させるか、或いは固定台１２
５を揺動させることにより、図示矢印Ａ，Ｂで示すよう
に、エネルギービーム１２１とマスクＭとを相対移動さ
せることができる。

【００５１】図２１は図２０の位置決め装置１３１を真
空容器１４１中に設置し、該真空容器を真空ポンプで高
真空に排気し、真空容器１４１外部から被加工物Ｗとマ
スクＭとの位置合わせおよび加工を行うようにしたもの
である。このように真空中で位置合わせを行うことによ
り、被加工物ＷとマスクＭとを大気状態に置く必要が無
いので、引き続き行われるエネルギービームによる加工
との継続性が良く、作業時間を短縮することができるば
かりではなく、場所移動に伴う被加工物とマスクおよび
関連機器との位置ずれを生ずることがなく、また被加工
物の表面状態の酸化の問題も無いので精度よく加工する
ことができる。なお、該実施例でも、位置合わせのあ
と、光学顕微鏡が観察位置から外れ、エネルギービーム
源が加工位置に移動されるようになっている。

【００５２】図２２は、図２１の方法において、上記光
学顕微鏡１２３の代わりに走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
１４３と二次電子コレクタ１４５とを用いることにより
さらに高倍率で被加工物ＷとマスクＭとの位置合わせを
行うことができるようにしたものである。なお、上記走
査型電子顕微鏡の代わりにイオンビーム、レーザービー
ムのごとく被加工物にビームを照射して二次電子を発生
させるビーム源を使用することもできる。

【００５３】図２３は図１４の位置決め装置１３１を真
空容器１４１中に設置し、該真空容器を真空ポンプで高
真空に排気し、真空容器１４１外部から被加工物Ｗとマ
スクＭとの位置合わせおよび加工を行うようにしたもの
である。このため、ベース１０５，ＸＹステージ１０
６，θ軸ステージ１０８，Ｚ軸ステージ１１１，β軸ス
テージ１１３，α軸ステージ１１７，マニピュレータ１
２０等各部の動きは制御装置１４７によって制御され、
制御装置１４７は被加工物Ｗに所望パターンの加工を施
すべくメモリ１４８およびＣＰＵ装置１４９によって制
御される。このように真空中で位置合わせと加工とを行
うことにより、被加工物ＷとマスクＭとを大気状態に置
く必要が無いので、上記図２３の加工の場合と同様な作
用効果がえられる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マスクに形成されたビーム透過孔を透過させて被加工物
にエネルギービームを照射し、そのさいにエネルギービ
ーム源とマスク或いはマスクと被加工物の相対位置を変
化させることにより、被加工物の加工深さをを加工位置
によってエネルギービームの照射量に応じた深さに加工
するようにしたから、レジスト塗布や露光や現像といっ
た工程を繰り返して三次元的凹凸のある基板表面を形成
する従来のリソグラフィ技術と異なり、局所的に加工深
さが異なる加工物、とくにマイクロ加工部品の製作が非
常に容易であり、しかも一度の加工で短時間で精度よく
可能である等の優れた効果を奏する。

【００５５】また、被加工物とマスクとの相対位置関係
を顕微鏡で観察しながら微動位置決め装置を用いて位置
決めし、さらに被加工物とマスクとを位置決め装置に保
持したまま或いは固定具で保持した状態で加工を行うこ
とができるようにしたので、迅速かつ高精度の加工を行
うことができる。

【００５６】さらに、エネルギービーム源とマスクと被
加工物とを、光学顕微鏡又は走査型２次電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）又はレーザ顕微鏡等の顕微鏡を用いて、真空中で
整合させるようにしたから、マスクと被加工物とビーム
軸の位置合わせやマスクの交換といった作業を全て真空
容器内で行い、これにより加工中に被加工物を一度も大
気中にさらすことのないクリーンな環境下での加工工程
が実現でき、加工物表面の酸化や汚染が問題となるとき
に特に有効な加工法として、極めて高い作業性が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエネルギービーム加工法を適用したエ
ネルギービーム加工装置の第１実施例を示す概略斜視図
である。

【図２】図１に示したエネルギービーム加工装置による
加工形状を説明するための被加工物の縦断面図である。

【図３】本発明のエネルギービーム加工法を適用したエ
ネルギービーム加工装置の第２実施例を示す概略斜視図
である。

【図４】図３に示したエネルギービーム加工装置による
加工形状を説明するための被加工物の縦断面図である。

【図５】本発明のエネルギービーム加工法を適用したエ
ネルギービーム加工装置の第３実施例を示す概略斜視図
である。

【図６】図５に示したエネルギービーム加工装置による
加工形状を説明するための被加工物の縦断面図である。

【図７】本発明のエネルギービーム加工法を適用したエ
ネルギービーム加工装置の第４実施例を示す概略斜視図
である。

【図８】図７に示したエネルギービーム加工装置による
加工形状を説明するための被加工物の縦断面図である。

【図９】本発明のエネルギービーム加工法を適用したエ
ネルギービーム加工装置の第５実施例を示す概略斜視図
である。

【図１０】図９に示したエネルギービーム加工装置によ
る加工形状を説明するための被加工物の縦断面図であ
る。

【図１１】本発明のエネルギービーム加工法を適用した
エネルギービーム加工装置の第６実施例を示す概略斜視
図である。

【図１２】図１１に示したエネルギービーム加工装置に
よる加工形状を説明するための被加工物の縦断面図であ
る。

【図１３】本発明方法に使用される装置の一例を示す概
略側面図である。

【図１４】本発明方法に使用される装置の他の例を示す
概略側面図である。

【図１５】本発明方法に使用される装置のさらに他の例
を示す概略側面図である。

【図１６】本発明の他の方法に使用される固定具の一例
を示す概略側面図である。

【図１７】図１６の固定具を使用した加工方法における
エネルギービームとマスクとの相対移動の関係を示す図
である。

【図１８】固定具の他の例を示す概略側面図である。

【図１９】固定具のさらに他の例を示す概略側面図であ
る。

【図２０】図１６の固定具に使用される位置決め装置の
一例を示す概略側面図である。

【図２１】本発明のさらに他の方法に使用される装置の
一例を示す概略側面図である。

【図２２】本発明のさらに他の方法に使用される装置の
他の例を示す概略側面図である。

【図２３】本発明のさらに他の方法に使用される装置の
他の例を示す概略側面図である。

【図２４】従来のフォトリソグラフィ技術を利用した基
板加工方法の一例を示す工程図である。

【図２５】従来のマイクロ球レンズの製作方法の一例を
示す概略斜視図である。

【図２６】従来のマイクロ球レンズの研磨方法の一例を
示す概略側面図である。

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１，５１，６１： エネルギービ
ーム加工装置 １２，２２，３２，４２，５２，６２，Ｗ： 被加工物 １３，２３，３３，４３，５３，６３，１２１： エネ
ルギービーム源 １４，２４，３４，４４，５４，６４，Ｍ： マスク １４ａ，２４ａ，３４ａ，４４ａ，５４ａ，６４ａ：
ビーム透過孔 １５，２５，３５，４５，５５，６５ 加工物 １０５：ベース、 １０６，１３７：ＸＹ軸ステージ、
１０８：θ軸ステージ、 １１１，１３９：Ｚ軸ステー
ジ、１１３：β軸ステージ、１１７：α軸ステージ、
１２３：光学顕微鏡、１２５：固定台、 １２７：スペ
ーサ、 １３１：位置決め装置、１４１：真空容器、１
４３：ＳＥＭ用電子銃またはビーム源、１４５：２次電
子コレクタ、１４７：制御装置、１４９：ＣＰＵ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｆ 4/02 Ｈ０１Ｊ 37/305 Ａ 9508−2Ｇ // Ｂ２３Ｋ 17/00 Ｈ０１Ｌ 21/302 (72)発明者 小畑 忠輔 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原総合研究所内 (72)発明者 畑村 洋太郎 東京都文京区小日向２丁目12番11号 (72)発明者 中尾 政之 千葉県松戸市新松戸５−１ 新松戸中央パ ークハウスＣ−908

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギービーム源が発するエネルギー
   ビームを、マスクに穿設された所定形状パターンのビー
   ム透過孔を透過させて被加工物に照射するとともに、前
   記エネルギービーム源と前記マスクの相対位置関係又は
   該マスクと前記被加工物の相対位置関係の少なくとも一
   方を変化させ、該被加工物に対する前記エネルギービー
   ムの照射量を制御することにより被加工物の加工深さを
   加工位置によって変化せしめたことを特徴とするエネル
   ギービーム加工法。
2. 【請求項２】 前記マスク又は前記被加工物は、前記エ
   ネルギービームの照射方向に沿う軸を中心に回転駆動さ
   れ、該マスクは、前記軸を中心とする径方向に沿う開口
   面積変化率が漸増するビーム透過孔が穿設してあること
   を特徴とする請求項１記載のエネルギービーム加工法。
3. 【請求項３】 前記エネルギービーム源は、揺動周期を
   もって完結する規則的な速度変化を伴って揺動駆動さ
   れ、前記被加工物は、前記エネルギービーム源が揺動中
   心にあるときの前記エネルギービームの照射方向と平行
   な軸を中心に回転駆動されることを特徴とする請求項１
   記載のエネルギービーム加工法。
4. 【請求項４】 前記マスクと前記被加工物は、相互の位
   置関係に応じた規則的な速度変化を伴って相対的に並進
   駆動され、かつ該被加工物は、前記エネルギービームの
   照射方向と直交又は斜交する軸を中心に回転駆動される
   ことを特徴とする請求項１記載のエネルギービーム加工
   法。
5. 【請求項５】 前記エネルギービーム源と前記マスクと
   前記被加工物は、顕微鏡を用いて真空中で整合させるこ
   とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のエネ
   ルギービーム加工法。
6. 【請求項６】 前記マスクと前記被加工物の相対位置関
   係を顕微鏡で観察しながら微動位置決め装置を用いて位
   置決めすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１
   項記載のエネルギービーム加工法。
7. 【請求項７】 被加工物と所定形状のパターン穴が形成
   されたマスクとの相対位置関係を顕微鏡で観察しながら
   微動位置決め装置を用いて位置決めし、エネルギービー
   ムを前記マスクを介して前記被加工物に照射することに
   より該被加工物を加工することを特徴とするエネルギー
   ビーム加工法。
8. 【請求項８】 前記被加工物とマスクとの相対位置関係
   を顕微鏡で多方向より観察し位置決めすることを特徴と
   する請求項６又は７記載のエネルギービーム加工法。
9. 【請求項９】 前記被加工物とマスクとを前記微動位置
   決め装置に保持したまま加工を行うことを特徴とする請
   求項６〜８のいずれか１項記載のエネルギービーム加工
   法。
10. 【請求項１０】 前記被加工物とマスクとの相対位置関
    係をあらかじめ顕微鏡で観察しながら前記微動位置決め
    装置により位置決めし、これを固定具により保持した状
    態で加工を行うことを特徴とする請求項６〜８のいずれ
    か１項記載のエネルギービーム加工法。
11. 【請求項１１】 前記位置決めにおいて、被加工物とマ
    スクとは密着状態から１ｍｍの範囲の離間距離に設定さ
    れることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項記
    載のエネルギービーム加工法。
12. 【請求項１２】 前記位置決めにおいて、被加工物の加
    工面とマスクとの離間距離、平行度、平行平面内におけ
    る相対位置を制御することを特徴とする請求項６〜１１
    のいずれか１項記載のエネルギービーム加工方法。
13. 【請求項１３】 前記固定具が被加工物の加工面をマス
    クに対し平行になるように位置決めできる形状を有する
    ことを特徴とする請求項１０のエネルギービーム加工方
    法。
14. 【請求項１４】 前記微動位置決め装置は０．１Ａから
    １ナノメートル、あるいは１ナノメートルから１０マイ
    クロメートルの精度で位置決め可能な微動移動ステージ
    を有することを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１
    項記載のエネルギービーム加工法。
15. 【請求項１５】 前記位置決めを光学顕微鏡、レーザー
    顕微鏡、又は反射電子もしくは２次電子を用いた顕微鏡
    手法を用いて行うことを特徴とする請求項６〜１４のい
    ずれか１項記載のエネルギービーム加工法。
16. 【請求項１６】 前記顕微鏡手法で用いられる顕微鏡が
    走査型電子顕微鏡であることを特徴とする請求項１５記
    載のエネルギービーム加工法。
17. 【請求項１７】 前記微動位置決め装置を真空容器中に
    配置し、前記位置決め操作を該真空容器外部より行うこ
    とを特徴とする請求項６〜１６のいずれか１項記載のエ
    ネルギービーム加工法。
18. 【請求項１８】 前記エネルギービーム源は、高速原子
    線、イオンビーム、電子線、原子・分子ビーム、レーザ
    光、放射光等のエネルギービームを照射することを特徴
    とする請求項１〜１７のいずれか１項記載のエネルギー
    ビーム加工法。
19. 【請求項１９】 前記被加工物は、光学ガラス，石英ガ
    ラス，ルビー，サファイア，フッ化マグネシュウム，Ｚ
    ｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＡｓ等のレンズ用ガラス材料で
    あり、該被加工物の表面を加工して得られる加工物がレ
    ンズ作用を有する物体であることを特徴とする請求項１
    〜１８のいずれか１項記載のエネルギービーム加工法。
20. 【請求項２０】 前記加工物がマイクロ球レンズ又はマ
    イクロフルネルレンズであることを特徴とする請求項１
    ９記載のエネルギービーム加工法。
21. 【請求項２１】 前記マイクロ球レンズは、レンズ作用
    を行う有効部分が、０．１ｎｍ〜１０ｎｍか又は１０ｎ
    ｍ〜１μｍか又は１μｍ〜１０μｍの大きさであり、単
    色光を入射させる場合は、前記有効部分が該単色光の波
    長以下の大きさであることを特徴とする請求項２０記載
    のエネルギービーム加工法。
22. 【請求項２２】 前記被加工物が半導体デバイスである
    ことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項記載の
    エネルギービーム加工法。
23. 【請求項２３】 エネルギービームを発するエネルギー
    ビーム源と、所定形状パターンのビーム透過孔を有し、
    該ビーム透過孔を介して前記エネルギービームを透過さ
    せるマスクと、該マスクを透過した前記エネルギービー
    ムを照射されて加工される被加工物と、該被加工物の加
    工深さを加工位置によって変化させるべく前記エネルギ
    ービーム源と前記マスクの相対位置関係又は該マスクと
    前記被加工物の相対位置関係の少なくとも一方を変化さ
    せ、これにより被加工物に対するエネルギービームの照
    射量を制御する制御手段とを具備することを特徴とする
    エネルギービーム加工装置。
24. 【請求項２４】 前記制御手段が前記エネルギービーム
    源とマスクの相対位置を変化させるようになっており、
    前記被加工物とマスクとの相対位置関係を観察するため
    の顕微鏡と、該被加工物とマスクとの相対位置決めをす
    るための微動位置決め装置とをさらに備えたことを特徴
    とする請求項２３記載のエネルギービーム加工装置。
25. 【請求項２５】 前記微動位置決め装置で位置決めした
    被加工物とマスクとを位置保持する固定具をさらに備え
    たことを特徴とする請求項２４記載のエネルギービーム
    加工装置。