JPWO2017213078A1 - ガスクラスターイオンビーム加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

被加工物が非回転対称形状を有する場合でも、被加工物に目標形状を加工することができるガスクラスターイオンビーム加工方法を提供する。被加工物（ＷＯ）に照射するガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を所定サイズに絞るアパーチャー部材（２３）を通して、ＧＣＩＢを被加工物（ＷＯ）に照射する照射工程と、アパーチャー部材（２３）の開口部（２３ａ）と被加工物（ＷＯ）との間の距離を一定に保ちつつ、被加工物（ＷＯ）をアパーチャー部材（２３）に対して相対的に３次元並進移動させる走査工程とを備え、走査工程において、相対走査速度を加工目標を達成するように制御する。

Description

本発明は、金型や光学素子を精密に加工することができるガスクラスターイオンビーム加工方法及び加工装置に関する。

光学素子等の成形品を大量生産するためには成形型を使用したプレス成形や射出成形等が有力な加工手段となっている。このような成形型の転写面が粗面であったり、形状精度が悪かったりすると、成形後の成形品の面粗さや形状精度の劣化も大きくなり、成形品の性能が低下する。

そこで、ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を被加工面に照射することにより、被加工面の表面粗さを改善したり、形状修正を行ったりする加工方法がある（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１には、被加工物である球面成形型の表面位置に応じてＧＣＩＢの照射時間を制御し、垂直照射するために揺動させて形状創成及び研磨する加工方法が開示されている。特許文献２には、ＧＣＩＢが被加工物の表面上の任意の位置で垂直に入射するように被加工物の姿勢を制御し、かつ被加工物の表面の各位置に所定の照射ドーズ量でＧＣＩＢが照射されるようにＧＣＩＢの走査速度を制御して研磨する加工方法が開示されている。特許文献３には、ＧＣＩＢの照射距離を一定に保ち、ＧＣＩＢが垂直に照射されるように被加工物の姿勢を制御して加工する加工方法が開示されている。特許文献４には、揺動ステージにおける、被加工物に対するＧＣＩＢの相対走査速度を制御して加工する加工方法が開示されている。上記特許文献１〜４のいずれも、被加工物を回転させながら加工を行っている。

しかしながら、特許文献１〜４の方法では、被加工物が回転対称形状を有する場合の加工に対応したものとなっており、自由曲面等の非回転対称形状の場合の加工にそのまま適用することが難しい。例えば、特許文献３の方法では、ＧＣＩＢの照射距離を一定に保つものの、自由曲面等の非回転対称形状を有する被加工物の加工において、揺動軸の角度計算が煩雑となり、加工量の制御も容易でない。また、上記特許文献１〜４の加工方法では、被加工物を回転させながら加工することが前提となっており、回転中心付近に急峻な段差が発生しやすくなる。

特開２００５−１２０３９３号公報 特開２００７−３２１１８５号公報 特開２００９−１９００６８号公報 特開２００９−２７４０８５号公報

本発明は、被加工物が回転対称形状を有する場合だけでなく、非回転対称形状を有する場合でも、被加工物に目標形状を加工することができるガスクラスターイオンビーム加工方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、上述のガスクラスターイオンビーム加工方法に用いられるガスクラスターイオンビーム加工装置を提供することを目的とする。

上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したガスクラスターイオンビーム加工方法は、被加工物に照射するガスクラスターイオンビームを所定サイズに絞るアパーチャー部材を通して、ガスクラスターイオンビームを被加工物に照射する照射工程と、アパーチャー部材の開口部と被加工物との間の距離を一定に保ちつつ、被加工物をアパーチャー部材に対して相対的に３次元並進移動させる走査工程とを備え、走査工程において、相対走査速度を加工目標を達成するように制御する。なお、照射工程と走査工程とは並行して行われる。

上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映したガスクラスターイオンビーム加工装置は、ガスクラスターイオンビームを所定サイズに絞るアパーチャー部材の開口部と被加工物との間の距離を一定に保ちつつ、被加工物をアパーチャー部材に対して相対的に３次元並進移動させるステージ装置と、ステージ装置に３次元並進移動を行わせることによって、ガスクラスターイオンビームを被加工物に照射しつつ走査するとともに、ガスクラスターイオンビームの照射位置の相対走査速度を加工目標に応じて変化させるステージ制御部とを備える。

実施形態に係る加工装置を説明する断面概念図である。 図１の加工装置のうち制御系を説明する図である。 図３Ａは、図１の加工装置のうちＧＣＩＢ照射装置のアパーチャー部材周辺を説明する図であり、図３Ｂは、図３Ａのアパーチャー部材周辺の変形例を説明する図である。 図４Ａ〜４Ｃは、ＧＣＩＢの走査状態を説明する図である。 形状測定装置を説明する概念図である。 図６Ａ及び６Ｂは、被加工物等を説明する図である。 図１の加工装置を用いた加工方法を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して、ガスクラスターイオンビーム加工方法、及び当該加工方法に用いられるガスクラスターイオンビーム加工装置の一実施形態について説明する。

〔ＧＣＩＢ加工装置〕
図１及び図２に示すように、本実施形態のガスクラスターイオンビーム加工装置（以下、加工装置１００）は、後述する被加工物ＷＯの表面に対して目標形状の加工を行うものであり、加工装置本体１０と、ステージ制御部９６と、ＧＣＩＢ制御部９７と、主制御装置９９とを備える。

加工装置１００の加工装置本体１０は、ＧＣＩＢ照射装置２０と、ステージ装置３０とを備える。加工装置本体１０は、チャンバー１１内に配置されている。加工時において、チャンバー１１内は、真空装置１２によって適切な真空度（例えば、１０^−５Ｐａ程度）で減圧されている。

ＧＣＩＢ照射装置２０は、真空技術を利用してガスクラスターを照射するエッチングによって研磨又は形状創成を行う装置である。ＧＣＩＢ照射装置２０は、ＧＣＩＢ照射ユニット２１と、シャッター２２と、アパーチャー部材２３と、シャッター駆動装置２５と、アパーチャー支持部２６とを備える。

ＧＣＩＢ照射ユニット２１では、ＧＣＩＢ照射装置２０に付随する不図示のガス源から、ＧＣＩＢ照射装置２０にＧＣＩＢのビーム発生ガスが供給される。ビーム発生ガスは、ハロゲン元素を含むガスである。これにより、除去レートを高くすることができる。ハロゲン元素を含むガスとしては、例えば、Ｆ_２、Ｃｌ_２、Ｂｒ_２、ＮＦ_３、ＳＦ_６、ＣＦ_４、ＳＦ_６＋Ｈｅ混合ガス、ＳＦ_６＋Ａｒ混合ガス等が挙げられる。ガス源からは０．１〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスが供給されている。ガスの条件は後述する被加工物ＷＯの材質や加工量等によって適宜設定されるが、例えばＳＦ_６＋Ｈｅ混合ガス（混合比がＳＦ_６：Ｈｅ＝１：９）を用いるとして、ガス圧は、例えば０．４ＭＰａであり、照射ドーズ量は、例えば２×１０^１６〜２×１０^１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２程度とすることができる。照射ドーズ量の目標値がある場合、ＧＣＩＢの理論上の照射時間は、以下の式によって求めることができる。
照射時間
＝（照射ドーズ量×照射面積×電気素量ｅ）／（検出イオン電流量）
ＧＣＩＢの照射ドーズ量（注入された物質の総量）は照射時間に比例するため、照射時間によってナノオーダーという非常に小さい量の加工深さを制御することができる。なお、本実施形態では、被加工物ＷＯ上の位置によってＧＣＩＢの照射ドーズ量が変化する。このため、被加工物ＷＯ上の各被加工点における照射時間が異なっており、被加工物ＷＯの各被加工点を通過するＧＣＩＢの照射時間（滞留時間）の積分値が結果的な照射時間となっている。また、照射面積は、アパーチャー部材２３によってＧＣＩＢを絞った場合、被加工物ＷＯ上の局所的な照射領域の面積となる。検出イオン電流量は、被加工物ＷＯに流れる電流である。

ガス源からノズルを介して超音速で噴射した高圧ガスは、断熱膨張し、ガスクラスターが生成される。ＧＣＩＢ照射ユニット２１のチャンバー内で中心側のガスクラスターが選択的にビーム化し、さらにイオン化及び加速化することで加工用のガスクラスターイオンビーム（以下ではＧＣＩＢとも呼ぶ）が生成される。ＧＣＩＢを構成する粒子は、被加工物ＷＯとの衝突によって壊れ、その際に、クラスター構成原子又は分子と被加工物構成原子又は分子との多体衝突が生じ、被加工物ＷＯの表面に対して水平方向への運動が顕著となる。これにより、被加工物ＷＯの照射表面における突起が主に削られつつ、照射表面全体が削られ、原子サイズでの平坦な超精密研磨が可能となる。

シャッター２２は、ＧＣＩＢ照射ユニット２１でコリメートされた比較的大きな直径を有するＧＣＩＢが射出される部分であり、ＧＣＩＢを所望のタイミングでオン・オフする。シャッター２２は、シャッター駆動装置２５の制御によって開閉駆動される。

アパーチャー部材２３は、被加工物ＷＯを照射するＧＣＩＢを部分的に遮蔽し、円形の開口部２３ａによってビームを所定サイズに絞るものである。図１及び図３Ａに示すように、アパーチャー部材２３は、被加工物ＷＯ側の端面２３ｃが被加工物ＷＯに対向するようにアパーチャー支持部２６に支持されている。アパーチャー部材２３は、中心部に開口部２３ａを有する肉厚の筒状部材である。アパーチャー部材２３は、アパーチャー支持部２６によって、ＧＣＩＢの照射軸ＢＸが開口部２３ａの中心軸と一致するように位置決めされている。開口部２３ａの形状やサイズは、加工条件に応じて適宜設定され、そのサイズは、ＧＣＩＢ照射装置２０の性能にもよるが、被加工物ＷＯに局所的な形状誤差部分（設計形状と加工前形状との差がある部分）が存在する場合、その面積以下であり、例えば直径数ｍｍ〜数十ｍｍとなっている。アパーチャー部材２３のＧＣＩＢ照射ユニット２１側の端面２３ｂ及び被加工物ＷＯ側の端面２３ｃは、ＧＣＩＢの照射軸ＢＸや被加工物ＷＯの中心軸ＡＸに垂直な輪帯状の平面となっている。ここで、被加工物ＷＯの中心軸ＡＸとは、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂの基準線であり、光軸に相当するものである。なお、アパーチャー部材２３の端面２３ｃは、被加工物ＷＯの底面Ｍａが平面である場合には、被加工物ＷＯの底面Ｍａに平行となっている。被加工物ＷＯには、アパーチャー部材２３の開口部２３ａを通過したＧＣＩＢのみが局所的に入射する。これにより、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂについて局所的な偏りを持たせて精密加工することができる。

アパーチャー部材２３は、図３Ａに示すように、開口部２３ａのサイズや形状の異なるものを条件に応じて個別に交換してもよいし、図３Ｂに示すように、アパーチャー変更機構２７を設けて交換してもよい。図３Ｂに示すアパーチャー変更機構２７は、円盤状の回転盤２８と、回転盤２８を回転動作させる駆動機構２９とを有している。回転盤２８には、大きさの異なる開口部２３ａを有するアパーチャー部材２３が複数設けられており、回転盤２８を回転させることで所望の大きさの開口部２３ａを有するアパーチャー部材２３を選択できるようになっている。

ステージ装置３０は、被加工物ＷＯの位置決めや走査移動を行うものである。ステージ装置３０は、Ｘ軸ステージ３２と、Ｙ軸ステージ３３と、Ｚ軸ステージ３４と、回転ステージ３５と、揺動ステージ３６とを有する。図示の例では、Ｘ軸ステージ３２及びＺ軸ステージ３４は、ステージ装置３０の台座３７に組み込むように設けられており、被加工物ＷＯをＸ軸方向又はＺ軸方向に間接的に移動させる。Ｙ軸ステージ３３は、Ｘ軸ステージ３２及びＺ軸ステージ３４の上部に設けられており、被加工物ＷＯをＹ軸方向に間接的に移動させる。ステージ装置３０は、Ｘ軸ステージ３２、Ｙ軸ステージ３３、及びＺ軸ステージ３４を同期動作させることにより、被加工物ＷＯを任意の位置に３次元並進移動（すなわち、直交３軸（ＸＹＺ軸）移動）させることができる。回転ステージ３５は、揺動ステージ３６に支持されており、回転軸（ＧＣＩＢの照射軸ＢＸ及びＺ軸に平行な軸）を中心に回転動作することで、被加工物ＷＯのＸＹ面（ＧＣＩＢの照射軸ＢＸに垂直な面）内における回転姿勢を調整する。回転ステージ３５のＧＣＩＢ照射装置２０側には、被加工物ＷＯがアライメントされた状態で取り付けられている。揺動ステージ３６は、Ｙ軸ステージ３３を構成する支持部３３ａに支持されており、揺動軸ＣＸ（ＧＣＩＢの照射軸ＢＸに垂直でＹ軸に平行な軸）を中心に揺動動作又は旋回動作することで、ＸＺ面（ＧＣＩＢの照射軸ＢＸに平行な面）内において被加工物ＷＯの姿勢又は傾きを調整する。各ステージ３２，３３，３４，３５，３６は、後述するステージ制御部９６の動作によって駆動される。被加工物ＷＯの実質的な加工、つまり相対走査において、Ｘ軸ステージ３２、Ｙ軸ステージ３３、及びＺ軸ステージ３４のみが使用され、回転ステージ３５及び揺動ステージ３６は使用されない。つまり、実質的な加工では、被加工物ＷＯは、３次元並進移動のみとなっている。これにより、被加工物ＷＯを、ＸＹ面に平行な面内の所望の位置において所望の速度で移動させることができる。回転ステージ３５及び揺動ステージ３６は、被加工物ＷＯをステージ装置３０に固定した際に、被加工物ＷＯ（具体的には、底面Ｍａ等）がＧＣＩＢに対して適切な姿勢となるよう調整するために用いられるのみである。各ステージ３２，３３，３４，３５，３６には、不図示のサーボモーター、ステッピングモーター等が搭載されており、ステージ制御部９６によって駆動される。

ステージ装置３０に固定される被加工物ＷＯは、図示の例では、ＧＣＩＢのビームサイズに比較して大面積を有し、非回転対称形状を有する成形金型５０（図６Ａ参照）となっている。揺動ステージ３６等の動作により、ＧＣＩＢの照射軸ＢＸは、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂの中心軸ＡＸに平行となっている。この場合、被加工物ＷＯの中心軸ＡＸを基準として、ビームの照射方向を設定することができる。また、ＧＣＩＢの照射軸ＢＸは、本実施形態の場合、被加工物ＷＯの底面Ｍａが平坦面であり、被加工物ＷＯの底面Ｍａに垂直となっている。この場合、被加工物ＷＯの中心軸ＡＸを特定することなくビームの照射方向を設定することができる。

ステージ装置３０の動作、具体的にはＺ軸ステージ３４の動作により、ＧＣＩＢの照射距離（アパーチャー部材２３と被加工物ＷＯとの間の距離）は、一定に保たれている。つまり、被加工面Ｍｂの形状に応じて被加工物ＷＯがＺ軸方向に変位する。アパーチャー部材２３から出たビームは、被加工面Ｍｂから距離が離れるにつれて広がる傾向にある。そのため、照射距離が変化すると、加工範囲と加工深さとが変化する。照射距離を一定にすることにより、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂ上のビームサイズの変化を低減しつつ、安定した加工を行うことができる。照射距離は、例えば５ｍｍ以上２５ｍｍ以下となっている。照射距離を５ｍｍ以上とすることで、被加工面Ｍｂの除去物がアパーチャー部材２３に付着することを防ぐことができる。また、照射距離を２５ｍｍ以下とすることで、ビームサイズが広がりすぎず、形状誤差の横分解能（形状誤差の周波数、面方向の広がり等）を小さくすることができる。

ステージ装置３０の動作により、被加工物ＷＯの被加工面ＭｂのＸ軸方向又はＹ軸方向の位置又は座標と、ＧＣＩＢの照射方向（すなわちＺ軸方向）の位置又は座標とを連動させて、ＧＣＩＢと被加工物ＷＯとを相対的に３次元並進移動させることができ、走査速度が位置に応じて変化するラスター型の走査であって、照射距離を一定に保った動作が可能になる。本実施形態において、主走査に関しては、例えば、Ｘ軸ステージ３２及びＺ軸ステージ３４を動作させて、被加工物ＷＯのＸ軸方向の位置とＺ軸方向の位置とを同時に制御している。また、ステージ装置３０は、Ｘ軸方向における相対走査速度を被加工物ＷＯの加工目標を達成（具体的には、形状誤差を補正）するように制御されている。つまり、加工目標（具体的には、形状誤差量）に合わせて相対走査速度を制御することで、被加工点におけるビーム滞在時間で加工量を制御している。ここで、相対走査速度とは、被加工物ＷＯとＧＣＩＢとが相対的に動く（主走査する）ときの速度である。本実施形態では、相対走査速度はＸ軸ステージ３２による被加工物ＷＯの移動速度を示す。副走査に関しては、Ｙ軸ステージ３３を動作させている。つまり、Ｙ軸ステージ３３は、ピッチ送りに利用されており、被加工物ＷＯを連続的に全面加工することを可能にしている。なお、被加工面Ｍｂの形状にもよるが、Ｙ軸ステージ３３に連動させてＺ軸ステージ３４も動作させる。例えば、図４Ａに示すように、Ｘ軸ステージ３２によって被加工物ＷＯの長手方向の端から端までＧＣＩＢを相対的に移動させた後、Ｙ軸ステージ３３によってＹ軸方向に所定距離ずらした後に、Ｘ軸ステージ３２によって前の走査と逆方向にＧＣＩＢを相対的に移動させることを繰り返すことで、ＧＣＩＢは、一筆書きの走査軌跡ＴＫを描いて被加工面Ｍｂ上を走査することができる。また、図４Ｂに示すように、被加工物ＷＯは、ＧＣＩＢの入射位置に応じて連動するＺ軸ステージ３４によってＺ軸方向に変位するため、結果的に、照射距離ＤＲが一定で被加工面Ｍｂの形状に沿ってＧＣＩＢが２次元的に一様に照射されることとなる。ＧＣＩＢの走査軌跡ＴＫは、図示のようにＧＣＩＢ照射装置２０側からみて直線状に行ってもよいし、被加工面Ｍｂの外形に応じて円弧のような曲線を含むものとなってもよい。ＧＣＩＢの走査ピッチ（又はスキャンピッチ）は、アパーチャー部材２３の開口部２３ａのサイズやＧＣＩＢの照射距離等によって適宜設定され、例えば、アパーチャー部材２３の開口部２３ａの直径サイズが５ｍｍで、照射距離ＤＲが２０ｍｍの場合、走査ピッチは０．１ｍｍ程度となっている。走査ピッチは、小さい方が好ましいが、小さすぎると加工時間が増加する。また、加工ができていれば、常に一定のピッチでなく、ピッチを変化させてもよい。また、同じピッチでも、ピッチを例えば半ピッチずらしてもよい。

なお、加工装置１００に付随して、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂの表面状態や、キャリブレーション用のダミー部材ＷＢの表面状態を測定するために、形状測定装置４０と、形状測定制御部９８とが設けられている（図５参照）。形状測定装置４０は、測定対象の３次元形状測定を行うものであり、図示の例では、形状測定機（ＵＡ３Ｐ：パナソニック製）を挙げている。形状測定装置４０は、台座４１と、ＸＹ軸ステージ４２と、Ｚ軸駆動部４３とを備える。Ｚ軸駆動部４３には、触針ＰＲを昇降可能に支持する昇降部４３ａが設けられている。触針ＰＲは、先端に一定の負荷をかけた状態で、高精度で滑らかに昇降できるようになっている。ＸＹ軸ステージ４２を適宜動作させ、ＸＹ軸ステージ４２にアライメントされた状態で載置された測定対象となる被加工物ＷＯ又はダミー部材ＷＢを２次元的に走査するように移動させることで、触針ＰＲの先端を被加工物ＷＯ等の表面に沿って２次元的に移動させることができる。この際、触針ＰＲの先端位置は、台座４１上にＸＹ軸ステージ４２に対向して設けた不図示のレーザー干渉計や、触針ＰＲの上部に設けた不図示のレーザー干渉計を利用して検出される。形状測定制御部９８は、形状測定装置４０を動作させ、被加工物ＷＯ等の表面状態を測定させる。形状測定装置４０で測定された表面形状のデータは、形状測定制御部９８から主制御装置９９に転送され、形状補正ＮＣデータの作成に利用される。形状測定装置４０としては、上述の形状測定機以外にも、例えば、干渉計（ＷＹＫＯ：ブルカー製）等も用いることができる。

図１及び図２に戻って、ステージ制御部９６は、高精度の数値制御を可能にするものであり、ステージ装置３０に内蔵されたモーターや位置センサー等を主制御装置９９の制御下で駆動することによって、各ステージ３２，３３，３４，３５，３６を目的とする状態に適宜動作させる。つまり、ステージ制御部９６は、ステージ装置３０を駆動して、各ステージ３２，３３，３４，３５，３６の位置や姿勢を調整する。ステージ制御部９６は、被加工物ＷＯの実質的な加工において、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸ステージ３２，３３，３４に３次元並進移動を行わせることによって、図４Ａ等に示すように、ＧＣＩＢを被加工物ＷＯに照射しつつ走査するとともにＧＣＩＢの照射位置の相対走査速度を加工目標に応じて変化させている。さらに、後に詳述するが、相対走査速度は、被加工面ＭｂにおけるＧＣＩＢの入射位置における表面の傾き（Ｚ軸に対する角度）又はＧＣＩＢの入射角も考慮したものとなっている。図４Ｃの例では、被加工物ＷＯの長手方向又はＸ軸方向の中心付近の速度が外側付近の速度より遅くなっている。

図２に示すように、ステージ制御部９６は、モーター駆動部９６ａと、センサー駆動部９６ｂとを有する。モーター駆動部９６ａは、各ステージ３２，３３，３４，３５，３６に搭載されたモーターの動作を制御する。センサー駆動部９６ｂは、不図示のエンコーダーを介して各ステージ３２，３３，３４，３５，３６の位置、速度、方向等を検出し、モーターの動作を監視する。

ＧＣＩＢ制御部９７は、ＧＣＩＢ照射装置２０の動作を制御する。ＧＣＩＢ制御部９７は、ＧＣＩＢ照射ユニット駆動部９７ａと、シャッター駆動部９７ｂと、アパーチャー駆動部９７ｃとを有する。ＧＣＩＢ照射ユニット駆動部９７ａは、ＧＣＩＢ照射ユニット２１を動作させ、被加工物ＷＯ側にＧＣＩＢを射出させる。シャッター駆動部９７ｂは、シャッター２２のオン・オフ動作を制御する。アパーチャー駆動部９７ｃは、アパーチャー支持部２６を動作させ、アパーチャー部材２３の位置を調整する。

主制御装置９９は、加工装置本体１０、ステージ制御部９６、ＣＧＩＢ制御部９７、及び形状測定制御部９８を統括的に制御している。主制御装置９９は、演算処理部９９ａと、記憶部９９ｂと、入出力部９９ｃとを有する。主制御装置９９は、ユーザー等の操作に基づいて、真空装置１２を動作させ、加工装置本体１０内の真空度を調整する。また、主制御装置９９は、ＣＧＩＢ制御部９７を動作させ、ＧＣＩＢ照射ユニット２１から所望のサイズのＧＣＩＢを被加工物ＷＯ上に照射させる。また、主制御装置９９は、ステージ制御部９６を動作させ、ステージ装置３０の動作を制御する。入出力部９９ｃは、ユーザー等によって被加工物ＷＯの形状に関する情報（具体的には、被加工物ＷＯの目標形状データ（被加工物ＷＯの設計形状データ））を受け取り、記憶部９９ｂに保存する。記憶部９９ｂには、上述の設計形状データの他に、形状測定装置４０で得られた測定データ等が保存されている。これらの形状に関する情報は、例えば回転ステージ３５上で基準位置にセットされた被加工物ＷＯの位置座標（ＸＹＺ）の関数となっている。また、記憶部９９ｂには、形状補正ＮＣデータ（加工制御プログラム）を作成する形状補正ＮＣデータ作成ＣＡＭや、形状補正ＮＣデータを実行するＣＮＣソフト（コンピューター数値制御ソフト）が実装されている。演算処理部９９ａは、各種形状データ等から形状補正ＮＣデータの作成等を行う。具体的には、演算処理部９９ａは、記憶部９９ｂに保存されている被加工物ＷＯやダミー部材ＷＢの形状データ等を読み出して、設計形状を得るための照射ドーズ量となるように、各被加工点での相対走査速度、ピッチ等を算出する。演算処理部９９ａは、この算出結果に基づいてステージ装置３０を動作させるための形状補正ＮＣデータを作成する。主制御装置９９は、形状補正ＮＣデータを実行することで、ステージ装置３０の動作を制御し、ステージ装置３０に支持された被加工物ＷＯを加工目標に適合するように３次元並進移動させる。

〔被加工物〕
以下、加工装置１００を用いて加工される被加工物ＷＯの例を説明する。図６Ａに示すように、被加工物ＷＯで構成される成形金型５０は、図６Ｂに示すコンバイナー６０を成形するためのものである。コンバイナー６０は、矩形の湾曲した板状部材であるスクリーン部６０ａと、スクリーン部６０ａの一辺の中央から延びる棒状の支持部６０ｂとを備える。スクリーン部６０ａは、観察者側に配置される第１光学面６１と、反観察者側に配置される第２光学面６２とを有する。第１光学面６１は、例えば凹状の非球面又は自由曲面である。第２光学面６２は、例えば凸状の非球面又は自由曲面である。コンバイナー６０の面角度（接平面の対象箇所と中心軸ＡＸとのなす角度）は比較的緩いもの（具体的には、４５°以下）となっている。第１光学面６１は、光透過性を有する樹脂製の成形部材の表面上に例えば２０〜３０％の反射率を有するハーフミラー層を設けたものとなっている。コンバイナー６０は、車両内のダッシュボード周辺に組み付けられるヘッドアップディスプレイ装置に組み込まれる。

図６Ａに示すように、成形金型５０は、第１金型５１と第２金型５２とを備える。第１金型５１は、成形品であるコンバイナー６０の第１光学面６１側を形成する第１成形面５１ａを有する。第１成形面５１ａは、第１光学面６１を反転させた形状を有する転写面を有する。第２金型５２は、コンバイナー６０の第２光学面６２を形成する第２成形面５２ａを有する。第２成形面５２ａは、第２光学面６２を反転させた形状を有する転写面を有する。第１及び第２成形面５１ａ，５２ａには、例えば無電解Ｎｉ−Ｐメッキ等の金属メッキが施されていてもよい。図１の加工装置１００では、成形金型５０のうち、第１及び第２成形面５１ａ，５２ａを主に加工の対象としている。

なお、加工装置１００で処理される被加工物ＷＯは、成形金型５０のような大面積を有する金型に限らず、その成形品であるコンバイナー６０自体でもよい。また、被加工物ＷＯは、他の製品、例えばミラーやレンズ等の光学原器や光学素子でもよい。また、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂは、自由曲面等の非回転対称形状を有するものに限らず、回転対称形状を有するものでもよい。また、被加工物ＷＯの材料は、金属や樹脂に限らず、ガラス等でもよい。

〔ＧＣＩＢ加工方法〕
以下、図７を参照しつつ、加工装置１００を用いた加工方法について説明する。なお、主制御装置９９には、ユーザー等の操作によって予め記憶部９９ｂに被加工物ＷＯの目標形状データ（設計形状データ）が保存されている。

まず、ダミー部材ＷＢを用いてキャリブレーションのための加工データ（標準加工データ及び角度依存加工データ）を取得する。ダミー部材ＷＢとしては、被加工物ＷＯと同じ材質のものを用いる。当該加工データは、ＧＣＩＢの除去量に対する角度依存性データとなる。当該加工データに基づき、被加工物ＷＯの被加工点の面角度に応じてＧＣＩＢ加工量を修正することで、被加工物ＷＯを揺動させずに加工することができる。これにより、被加工物ＷＯの被加工面ＭｂとＧＣＩＢとの位置決めが容易となり、実加工時間を短縮することができる。なお、標準加工データ及び角度依存加工データは、既製のデータベースがあればそれを用いてもよい。

最初に、ダミー部材ＷＢの標準加工データを取得する（ステップＳ１１）。主制御装置９９は、ＧＣＩＢ制御部９７を動作させ、ＧＣＩＢ照射装置２０からＧＣＩＢを照射させ、平板状のダミー部材ＷＢの加工を行わせる。この際、主制御装置９９は、ステージ制御部９６を動作させ、ダミー部材ＷＢを取り付けたステージ装置３０を移動させる。具体的には、主制御装置９９は、ＧＣＩＢの入射角が０°であり、かつ照射距離と照射時間とが一定となるように、ステージ装置３０を動作させている。なお、ＧＣＩＢの入射角を０°とするため、ステージ装置３０によって、ダミー部材ＷＢの中心軸ＡＸとＧＣＩＢの照射軸ＢＸとが平行になるようにアライメントされている。加工後、形状測定装置４０を用いてダミー部材ＷＢの表面形状を測定する。加工後のダミー部材ＷＢは、ステージ装置３０から取り外され、その後、形状測定装置４０にセットされる。主制御装置９９は、形状測定制御部９８を動作させ、形状測定装置４０にダミー部材ＷＢに関する加工形状情報を測定させる。測定された加工形状情報は、記憶部９９ｂに保存される。当該加工形状情報は、主制御装置９９の演算処理部９９ａで演算処理され、標準加工データとして、入射角０°における相対走査速度及び加工深さのデータ（又は面角度０°における相対走査速度とＧＣＩＢ加工量との相関データ）が記憶部９９ｂに保存される。

次に、ダミー部材ＷＢの角度依存加工データを取得する（ステップＳ１２）。ステップＳ１１と同様に、照射距離と照射時間とを一定として、ＧＣＩＢ照射装置２０、ステージ装置３０、及び形状測定装置４０等を用いてダミー部材ＷＢの加工形状情報を取得するが、ステップＳ１２では、例えば揺動ステージ３６等を利用してダミー部材ＷＢに照射されるＧＣＩＢの入射角度を変化させる。ステップＳ１２で測定された加工形状情報は、主制御装置９９の演算処理部９９ａで演算処理され、角度依存加工データとして、入射角度を変化させたときの加工深さのデータ（又はＧＣＩＢ加工レートに対する角度依存性のデータ）が記憶部９９ｂに保存される。

次に、実際に加工する被加工物ＷＯの加工前形状データを取得する（ステップＳ１３）。主制御装置９９は、形状測定制御部９８を動作させ、形状測定装置４０によって加工前の被加工物ＷＯに関する形状情報を測定させる。この際、主制御装置９９は、形状測定制御部９８を動作させ、形状測定装置４０のＸＹ軸ステージ４２を被加工物ＷＯの加工開始点から加工終了点までの加工範囲全体（本実施形態では、被加工面Ｍｂ全面）を走査するように移動させる。測定された形状情報は、記憶部９９ｂに保存される。当該形状情報は、主制御装置９９の演算処理部９９ａで演算処理され、加工前形状データとして、位置座標及び面角度のデータが記憶部９９ｂに保存される。面角度データは加工前形状の近似式等から所定の設計式によって算出され、ＧＣＩＢの入射角と中心軸ＡＸを基準とする面角度とは一致している。

次に、被加工物ＷＯの形状誤差データを取得する（ステップＳ１４）。主制御装置９９は、記憶部９９ｂから設計形状データ及び加工前形状データを読み出し、演算処理部９９ａで設計形状データと加工前形状データとの差を算出する。演算結果は、形状誤差データとして記憶部９９ｂに保存される。

次に、形状誤差補正のための形状補正ＮＣデータを作成する（ステップＳ１５）。主制御装置９９は、記憶部９９ｂからダミー部材ＷＢの標準加工データ及び角度依存加工データ、並びに被加工物ＷＯの形状誤差データを読み出し、演算処理部９９ａで形状補正ＮＣデータ作成ＣＡＭを用いて形状補正ＮＣデータを作成する。形状補正ＮＣデータは、例えば曲面処理アルゴリズムを利用して算出される。ダミー部材ＷＢの標準加工データ（ステップＳ１１参照）に基づいて、誤差分の物質を除去するためのＧＣＩＢの各位置での照射ドーズ量を求めることができる。この照射ドーズ量は、相対走査速度に相関している。また、標準加工データに基づいて、ＧＣＩＢのビームサイズと、このビームサイズの範囲内での加工深さ（照射によってダミー部材ＷＢの表面の物質が除去された部分の元の表面からの深さ：ＧＣＩＢ加工量）との関係も得られる。また、角度依存加工データ（ステップＳ１２参照）に基づいて、各被加工点の面角度に応じた角度依存ＧＣＩＢ加工量を算出できる。ここで、角度依存ＧＣＩＢ加工量とは、ＧＣＩＢの入射角度に対応するＧＣＩＢ加工レートである。この角度依存ＧＣＩＢ加工量に基づいて、形状誤差データから被加工物ＷＯの被加工点の面角度に応じたＧＣＩＢ加工量を修正することで、形状誤差を補正するためのＧＣＩＢ加工量を各被加工点での面角度に応じた修正相対走査速度に換算することができる。これにより、被加工物ＷＯを揺動させない状態で加工可能な条件を求めることができる。形状補正ＮＣデータには、被加工物ＷＯの被加工点の位置座標（データポイント）、データポイント毎の相対走査速度データ、走査ピッチ、加工範囲内における照射回数等が含まれている。これらのうち、照射回数は、第一義的には、加工量が多い場合に加工量を分割する意味があるが、加工むらを低減する意味や除去物の再堆積を防止する意味がある。形状補正ＮＣデータは、記憶部９９ｂに保存される。

次に、被加工物ＷＯを回転ステージ３５にセットした後に、被加工物ＷＯの加工開始点への位置決めを行う（ステップＳ１６）。ＧＣＩＢ照射装置２０のアパーチャー部材２３に対して、ステージ装置３０上に固定された被加工物ＷＯを位置決めする。具体的には、加工開始前において、例えば基準点（又は加工開始点）となる被加工物ＷＯの角部（又は縁部）上にアパーチャー部材２３の開口部２３ａが配置されるように位置決めされる。また、被加工物ＷＯの中心軸ＡＸとＧＣＩＢの照射軸ＢＸとが平行になるようにアライメントされる。つまり、アパーチャー部材２３の中心軸、すなわちＧＣＩＢの照射軸ＢＸは、被加工物ＷＯの中心軸ＡＸに平行であるか、被加工物ＷＯの底面Ｍａに垂直となっている。また、ステージ装置３０において、被加工物ＷＯのＸＹ位置座標が形状測定装置４０で測定した被加工物ＷＯのＸＹ位置座標と一致するようにアライメントされている。

次に、被加工物ＷＯに対してＧＣＩＢ照射及び相対走査を行う（ステップＳ１７）。この際、主制御装置９９は、ステージ制御部９６、ＧＣＩＢ制御部９７等に対して、記憶部９９ｂから読み出された形状補正ＮＣデータをＣＮＣソフトを用いて実行させる。主制御装置９９は、ステージ制御部９６を動作させ、ステージ装置３０を駆動して、被加工物ＷＯをＧＣＩＢに対して相対的に移動させる。結果的に、被加工物ＷＯは、加工開始点（例えば、被加工物ＷＯの角部）から加工終了点（加工開始点の対角にある角部）まで、ＧＣＩＢの照射距離を一定に保ちつつ、被加工物ＷＯの形状誤差を補正するように相対走査速度（具体的には、Ｘ軸方向の速度）を変化させて、ＧＣＩＢに対して相対的に３次元並進移動、２次元的にはラスター型の走査が行われる。これと並行して、主制御装置９９は、ＧＣＩＢ制御部９７を動作させ、ＧＣＩＢ照射装置２０を駆動して、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂに対してＧＣＩＢを照射させる。これにより、図４Ａに示すように、ＧＣＩＢは、所定の走査ピッチで被加工面Ｍｂの全面に一筆書きの走査軌跡ＴＫを描く。ＧＣＩＢによる加工範囲は、ＧＣＩＢ照射面と非照射面との境界に段差をつけないため、局所的な形状補正を行う場合でも、被加工面Ｍｂの全面であることが望ましい。加工に必要な照射ドーズ量の調整は、ＧＣＩＢに対する被加工物ＷＯの相対走査速度の制御によって行う。形状補正が不用の部分はビーム滞在時間が最小になるように走査する。相対走査速度が遅い場合、照射ドーズ量が多くなるため、その部分の加工量が多くなる。一方、相対走査速度が速い場合、照射ドーズ量が少なくなるため、その部分加工量が少なくなる。形状補正ＮＣデータでは、照射における総加工量がステップＳ１４で取得した形状誤差を修正するように各被加工点における照射ドーズ量が計算されている。そのため、加工前に被加工物ＷＯに存在した形状誤差を修正することができる。ＧＣＩＢ照射は、照射表面に除去物が一定以上堆積しないように何度も走査を繰り返すことが望ましい。

次に、被加工物ＷＯの加工開始点から加工終了点までの一順（加工範囲全域）の加工が終了し、被加工物ＷＯに形状誤差が残っており、再度ステップＳ１７の照射工程及び走査工程を行う場合、つまり所定の照射回数に満たない場合（ステップＳ１８のＮ）には、ステップＳ１６の位置決め工程に戻り、被加工物ＷＯへの加工を繰り返す。被加工物ＷＯに形状誤差がなくなった場合（ステップＳ１８のＹ）には、加工を終了する。これにより、加工目標を達成した被加工物ＷＯを得ることができる。

以上説明した加工方法及び加工装置によれば、所定サイズに絞ったＧＣＩＢについて、照射距離ＤＲ（アパーチャー部材２３と被加工物ＷＯとの間の距離）を一定に保つように相対走査させ、かつ相対走査速度を加工目標を達成するように制御することで、表面粗さが例えばＰＶ１００ｎｍ程度になるように、被加工物ＷＯ上に目標形状を形成することができる。照射距離ＤＲを一定にすることで、例えばある距離における１種類のダミー部材ＷＢの加工測定結果で目標形状を形成する工程を賄うことができる。また、被加工物ＷＯを揺動させずに加工するため、揺動時と比較して位置決めの難易度が下がり、加工時間が短縮できる。また、相対走査に際して３次元並進移動を行うため、被加工物ＷＯの回転動作を伴う場合のように、常にビームが照射される部分が生じるといった照射の偏りを回避でき、回転加工による急峻な段差が発生しないため、形状誤差補正が高精度となるとともに、形状制御が容易となる。これにより、回転対称形状を有する被加工物ＷＯだけでなく、自由曲面等の非回転対称形状を有する被加工物ＷＯに対しても精度良く効率的に表面形状を加工することができる。自由曲面の形状補正のために被加工物ＷＯを相対走査するには、大容量データポイント数、データポイント毎の速度コントロール、及び多軸連動動作等が必要であるが、上述の加工方法を用いることで容易に上記条件を満たす。よって、自由曲面等の任意の形状に対応することができ、かつ形状誤差量に合わせて相対走査速度を制御できる。これにより、面角度が比較的緩く（具体的には４５°以下）、大面積で自由曲面形状の被加工物の形状誤差を高精度に補正することができる。

〔実施例〕
以下、上記加工方法及び加工装置１００の実施例を説明する。被加工物ＷＯとして、一辺の長さが５０ｃｍであり、外形が四角形のものを用いた。被加工物ＷＯは、中心側が凸形状となっている。被加工物ＷＯの材料は、ＳＵＳ材である。被加工物ＷＯの表面には、無電解Ｎｉ−Ｐメッキが施されている。ＧＣＩＢ発生ガスとして、ＳＦ_６＋Ｈｅ混合ガス（混合比がＳＦ_６：Ｈｅ＝１：９）を用いた。ガス圧は０．４ＭＰａであり、照射ドーズ量は２×１０^１６〜２×１０^１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とした。アパーチャー部材２３は、ＳＵＳ製のものを用いており、開口部２３ａのサイズは、直径５ｍｍとなっている。

上述の被加工物ＷＯをステージ装置３０に固定し、被加工物ＷＯの３次元並進走査加工（直線走査加工）を行った。ステージ装置３０は、Ｘ軸方向の動作及びＺ軸方向の動作を同時制御し、Ｙ軸方向にピッチ送りをする構成とした。走査ピッチは、０．１ｍｍとした。ＧＣＩＢの照射距離ＤＲは２０ｍｍとした。

被加工物ＷＯの加工後、形状測定装置４０を用いて被加工面Ｍｂの表面形状を測定した。処理前の形状誤差ＰＶは３００ｎｍであったが、形状誤差を補正して加工処理した後の形状誤差ＰＶは１００ｎｍとなり、表面粗さが改善した。

以上、本実施形態に係る加工装置等について説明したが、本発明に係る加工装置等は上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、例えば、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂの形状や大きさは、用途や機能に応じて適宜変更することができる。また、被加工物ＷＯは、底面Ｍａが平坦でないものも用いることができる。この場合、ＧＣＩＢの照射軸ＢＸは、被加工物ＷＯの中心軸ＡＸでアライメントする。

上記実施形態において、アパーチャー部材２３の開口部２３ａの形状や大きさは、被加工面Ｍｂの形状や大きさに応じて適宜変更することができる。

上記実施形態において、被加工物ＷＯの被加工面Ｍｂの全面を加工したが、一部を加工してもよい。

上記実施形態において、予備加工された被加工物ＷＯの形状誤差を補正する加工例を挙げたが、被加工物ＷＯに対して目標形状を最初から形成する加工を行ってもよい。

上記実施形態において、加工方法のステップＳ１２では、１つの平板状のダミー部材ＷＢを用いてその入射角を変えてデータを取得しているが、入射角を変えたダミー部材ＷＢを用いてデータを取得してもよい。この場合、ダミー部材ＷＢは、複数の傾斜面が設けられているものを用いる。

上記実施形態において、ダミー部材ＷＢの加工データに関するデータベースがあれば、ステップＳ１１，Ｓ１２を毎回行う必要はない。

上記実施形態において、回転ステージ３５上に回転ステージ３５に対する被加工物ＷＯの位置決めを行うＸＹＺ軸ステージを設けてもよい。

Claims (10)

1. 被加工物に照射するガスクラスターイオンビームを所定サイズに絞るアパーチャー部材を通して、前記ガスクラスターイオンビームを前記被加工物に照射する照射工程と、
   前記アパーチャー部材の開口部と前記被加工物との間の距離を一定に保ちつつ、前記被加工物を前記アパーチャー部材に対して相対的に３次元並進移動させる走査工程と、
   を備え、
   前記走査工程において、相対走査速度を加工目標を達成するように制御するガスクラスターイオンビーム加工方法。
2. 前記被加工物と同じ材質のダミー部材を用いて、前記ガスクラスターイオンビームによる除去量に関する角度依存性データを取得する工程を備え、
   前記被加工物の被加工点の面角度に応じて前記ガスクラスターイオンビーム加工量を補正することで、前記被加工物を揺動させずに加工する、請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
3. 前記走査工程において、相対走査速度を形状誤差を補正するように制御する、請求項１及び２のいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
4. 前記ガスクラスターイオンビームの照射軸は、前記被加工物の被加工面の中心軸に平行である、請求項１から３までのいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
5. 前記ガスクラスターイオンビームの照射軸は、前記被加工物の底面に垂直である、請求項１から３までのいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
6. 前記アパーチャー部材と前記被加工物との間の距離は、５ｍｍ以上２５ｍｍ以下である、請求項１から５までのいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
7. 前記被加工物の被加工面は、回転対称形状を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
8. 前記被加工物の被加工面は、自由曲面形状を有する、請求項１から６までのいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
9. 前記ガスクラスターイオンビームの発生ガスは、ハロゲン元素を含む、請求項１から８までのいずれか一項に記載のガスクラスターイオンビーム加工方法。
10. ガスクラスターイオンビームを所定サイズに絞るアパーチャー部材の開口部と被加工物との間の距離を一定に保ちつつ、前記被加工物を前記アパーチャー部材に対して相対的に３次元並進移動させるステージ装置と、
    前記ステージ装置に３次元並進移動を行わせることによって、前記ガスクラスターイオンビームを前記被加工物に照射しつつ走査するとともに、ガスクラスターイオンビームの照射位置の相対走査速度を加工目標に応じて変化させるステージ制御部と、
    を備えるガスクラスターイオンビーム加工装置。

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