JP5294919B2

JP5294919B2 - 被加工物の製造方法

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Publication number: JP5294919B2
Application number: JP2009038814A
Authority: JP
Inventors: 克紘舟橋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: US8431913B2; EP2221849A3; EP2221849B1; EP2221849A2; US20100213393A1; JP2010194546A

Description

本発明は、光学素子や、光学素子を成形する金型などの被加工物表面を荷電粒子ビームによって高精度に加工する被加工物の製造方法に関するものである。

光学素子表面に所望の光学特性を満足する光学有効領域を形成するためには、光学有効領域の形状や粗さを一定以上の精度に加工する必要がある。ここで形状とは、空間波長１ｍｍ以上の帯域の誤差形状であり、粗さは空間波長１μｍ以下の帯域の誤差形状である。荷電粒子ビーム加工は電気的に制御された状態で操作できるため、制御性がよく、また、表面に到達する粒子数により加工量が決まるため、高い精度の加工が可能である。そのため、光学素子等の表面加工に荷電粒子ビーム加工方法が用いられる。

荷電粒子ビーム加工方法を用いた形状修正加工は、まず、被加工物の形状測定をして設計形状との残渣である誤差形状を求めて、この誤差形状を目標加工形状として除去加工することにより、被加工物表面を設計形状に仕上げる加工である。目標加工形状が加工されるように、場所により荷電粒子ビームの被加工物表面に到達する粒子数を可変制御する。荷電粒子ビームの被加工物表面の単位面積に対する到達粒子数（単位到達粒子数）は、荷電粒子の価数が既知であれば、荷電粒子ビームの電流量と照射時間の積で把握できる。そのため、被加工物表面より小さい直径で電流量が一定の荷電粒子ビームを、被加工物表面に対して、目標加工形状に応じた滞留時間分布となるように制御された相対運動により照射時間を制御することで、形状修正加工を行っている（特許文献１参照）。

また、形状修正加工を実施した後の粗さが所望の粗さよりも悪化する場合、平滑化加工を別途必要とする。荷電粒子ビームによる平滑化加工方法は、低エネルギー荷電粒子による加工、斜入射加工、成膜後加工等がある。いずれにおいても、形状を変化させずに粗さを良くする平滑化加工は、荷電粒子ビームの被加工物表面の単位面積に対する到達粒子数が均一になるように制御し、加工領域全域における加工量を均等にする。

このように、荷電粒子ビーム加工を複数回行う場合、加工回数以上の数の荷電粒子ビームを同時に被加工物表面に照射し、加工を平行して行うことで加工時間を短縮する方法がとられている（特許文献２参照）。

特開２００７−０９８４３８号公報特開平０４−３７３１２５号公報

しかしながら、加工時間の短縮のために複数の荷電粒子ビームを被加工物表面に対して同一の相対運動で同時に照射し、形状修正加工と平滑化加工を平行して行う場合は、以下の問題を有している。

被加工物表面の形状修正加工と平滑化加工では、異なる単位到達粒子数の制御を行う。すなわち、荷電粒子ビームと被加工物表面の相対運動により単位到達粒子数を制御する構成では、被加工物表面の形状修正加工と平滑化加工では異なる相対運動をする必要がある。このため、複数の荷電粒子ビームを同時に照射して同じ相対運動をさせながら被加工物表面の形状修正加工と平滑化加工を平行して行うことは不可能である。

本発明は、加工時間短縮のために平行して複数の荷電粒子ビーム加工を行うことを可能とする被加工物の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明による被加工物の製造方法は、複数の荷電粒子ビームを被加工物表面に対して同じ相対運動をさせながら同時に照射して加工を行う荷電粒子ビーム加工方法において、前記複数の荷電粒子ビームのうちの第１の荷電粒子ビームを用いて、前記相対運動の速度を可変制御することによって被加工物表面の形状修正加工を行い、前記複数の荷電粒子ビームのうちの第２の荷電粒子ビームを用いて、被加工物表面の単位面積に対する到達粒子数を一定に保つように、前記相対運動の速度変化に応じて前記第２の荷電粒子ビームを可変制御することによって被加工物表面の平滑化加工を行うことを特徴とする。

相対運動の速度変化に応じて荷電粒子ビームの照射時間（パルス幅）や電流量を可変制御することにより、被加工物表面での単位到達粒子数の分布の違いのために複数に分割していた加工工程を同時に実施することが可能となり、加工時間の短縮に貢献できる。

実施例１によるイオンビーム加工方法を説明する図である。実施例１による、形状修正加工のための制御方法を説明するグラフである。実施例１による、平滑化加工のための制御方法を説明するグラフである。機械的シャッターを用いる場合を説明する図である。実施例２による、平滑化加工のための制御方法を説明するグラフである。

まず、被加工物表の面形状を測定し、測定された測定データと設計形状の差から、誤差形状を得る。この誤差形状と、形状修正加工用の第１の荷電粒子ビームのエネルギー、総電流量、照射スポット径とから、被加工物表面の各点における照射時間を計算し、算出された照射時間の分布どうりの滞留時間分布となるように相対運動の速度を可変制御する。このようにして、誤差形状を除去加工し、形状修正が行われる。

また、平滑化加工用の第２の荷電粒子ビームのエネルギー、照射スポットを決定し、被加工物表面で平滑化が可能となるような被加工物表面の単位面積当たりの到達粒子数分布を算出しておく。算出された単位到達粒子数を一定に保つように、相対運動の速度変化に応じて荷電粒子ビームパルス幅や電流量を変化させる可変制御を行う。

加工中、すべての荷電粒子ビームを被加工物表面で同一の相対運動をさせることで、被加工物表面をムラなく照射する。

すべての荷電粒子ビームで同一の滞留時間分布となるため、２０〜５００ｅＶの低エネルギーである平滑化加工用の第２の荷電粒子ビームは、照射時間のパルス制御もしくは電流量の可変制御により、単位到達粒子数分布を一定にする。

平滑化加工用の第２の荷電粒子ビームの照射位置におけるビーム中心は、相対運動の方向に対して形状修正加工用の第１の荷電粒子ビームの後方となるようにする。

このように、複数の荷電粒子ビームを被加工物表面に対して同じ相対運動をさせながら同時に照射し、被加工物表面の形状修正加工と平滑化加工を平行して行うことが可能となるため、効率のよい加工ができ、加工時間を短縮することができる。

本発明の被加工物の製造方法としてのイオンビーム加工方法の実施例を図面に基づいて説明する。

図１において、被加工物は合成石英ガラスであり、被加工物表面１００は、第１の荷電粒子ビームである形状修正加工用イオンビーム１０１と、第２の荷電粒子ビームである平滑化加工用荷イオンビーム１０２を同時に照射させ、同じ相対運動を行わせる。この相対運動は、形状修正加工用イオンビーム１０１と平滑化加工用イオンビーム１０２を被加工物表面上１００の所望の加工領域をムラなく照射できるような軌跡で走査させるための動作である。相対運動によって各イオンビーム１０１、１０２が被加工物表面１００を照射する軌跡は、ラスター走査軌跡１０３である。ラスター走査軌跡１０３以外にもスパイラル走査軌跡、スパイラル走査とラスター走査の組み合わせがある。

形状修正加工用イオンビーム１０１は、イオンエネルギー５ｋｅＶ、総イオン電流２００μＡの一価のアルゴンイオンビームであり、電磁界レンズにより被加工物表面１００での照射スポット径がφ２ｍｍに収束している。この照射スポット径は、目的の空間波長帯域にて形状修正が行われるように設定したもので、これにより空間波長が約１ｍｍより大きい帯域の形状修正を行う。

一方、平滑化加工用イオンビーム１０２は、イオンエネルギー３００ｅＶで照射スポット径がφ２０ｍｍである。形状修正加工用イオンビーム１０１の照射スポット径より大きく設定することによって、イオンビーム加工を平滑化加工用イオンビーム１０２で確実に終端できるようになっている。また、図示しない平滑化加工用イオンビームガンには偏向電極がついており、照射位置がラスター走査軌跡１０３の走査方向（相対運動の方向）に対して形状修正加工用イオンビーム１０１のビーム中心より後方となるように制御する。これもやはり、イオンビーム加工を平滑化加工用イオンビーム１０２で確実に終端できるようにするためである。

図２は、形状修正加工用イオンビーム１０１を用いた形状修正加工における制御方法を説明するものである。図２（ａ）は、被加工物表面１００におけるラスター走査軌跡１０３の任意の１本のラインに沿った断面における被加工物表面形状１０４と、同じ断面における光学素子の設計形状１０５を示す。被加工物表面形状１０４と設計形状１０５の差が形状誤差１０６である。図２（ｂ）は、被加工物表面１００の各点におけるイオンビームの滞留時間分布１０７を示し、（ｃ）は、形状修正加工用イオンビーム１０１の単位到達粒子数分布１０８を示す。

まず、被加工物１００を、サブナノメートルオーダーの測定精度を持つ光学干渉計により高精度に形状を測定し、得られた形状測定データを被加工物表面形状１０４とする。そして、被加工物表面形状１０４と設計形状１０５の差分から誤差形状１０６を算出する。この誤差形状１０６を加工形状データとする。この加工形状データとイオンエネルギー５ｋｅＶ、総電流量２００μＡで合成石英ガラスを加工したときの加工レート０．１２０ｍｍ^３／ｈと照射スポット径から各点でのビーム照射時間である滞留時間分布１０７を算出する。形状修正加工用イオンビーム１０１の総電流量を一定に保ち、滞留時間分布１０７により、形状修正加工用イオンビーム１０１の単位到達粒子数分布１０８を制御する。形状修正加工用イオンビーム１０１の単位到達粒子数分布１０８は、誤差形状１０６に応じて、誤差量が多いところでは単位到達粒子数が多く、誤差量が少ないところでは単位到達粒子数が少なくなっている。加工レートは、あらかじめ実際に合成石英ガラスの加工実験を行って求めておいたものを使用する。これにより、合成石英ガラス光学素子の高精度な形状修正加工が可能となる。

すべてのイオンビームは被加工物表面１００に対し同一の相対運動をするため、形状修正加工用イオンビーム１０１と平滑化加工用イオンビーム１０２の滞留時間分布１０７は等しい。図３は、平滑化用イオンビーム１０２の単位到達粒子数分布１１１を一定にする方法を説明するものである。図３（ａ）は、図２（ｂ）の滞留時間分布１０７を、横軸時間、縦軸走査速度の走査速度変化１０９に変換したグラフである。図３（ｂ）は、平滑化加工用イオンビーム１０２の照射パルス１１０を示すもので、パルス長は１ｍｓｅｃである。イオンビーム照射時間のパルス化は、平滑化用イオンビームガンの偏向電極に高圧電源が配線されており、イオンビーム加工装置付属の制御部分により高圧電源から偏向電極へパルス状に１０ｋＶの高電圧が印加される仕組みで行う。

イオンビームをパルス化することで、被加工物表面１００の各点における照射時間はパルス長の１ｍｓｅｃとパルス数の積となる。つまり、平滑化加工用イオンビーム１０２の全電流を一定とし、被加工物表面１００の各点でパルス数が等しくなるように制御することで単位到達粒子数が一定になるように制御する。すなわち、図３（ｂ）に示すように、走査速度が速いときはパルス数が多く、走査速度が遅いときはパルス数が少なくなる。その結果、図３（ｃ）に示すように、被加工物表面１００における平滑化加工用イオンビーム１０２の単位到達粒子数分布１１１が均一（一定）となる。

平滑化加工用イオンビーム１０２の全電流は最速走査速度、最多パルス数において、所望の単位到達粒子数が得られるように設定する。

これにより、形状修正加工と平滑化加工を同時に実施することが可能となり、加工時間は大幅に短縮される。

本実施例においては、イオンビームのパルス化に、シャッター電極を使用した電気的なシャッターを使用したが、図４に示すように、機械的なシャッターを用いてもよい。これは、プロペラ型シャッター１１２の羽がイオンビームを遮るように設置されており、プロペラの回転数によりパルス数を変化させる仕組みとなっている。

本実施例においては、形状修正加工用イオンビーム１０１と平滑化加工用イオンビーム１０２をそれぞれ一本ずつ用いたが、一方又はそれぞれに複数本使用してもよい。

本実施例は、平滑化加工用イオンビームを可変制御する方法のみが実施例１と異なる。形状修正加工用イオンビームについては実施例１と同様であるから説明は省略する。

本実施例において、実施例１と同様に、合成石英ガラスの被加工物表面に形状修正加工用イオンビームと平滑化加工用イオンビームを同時に照射し、同一の相対運動を行わせる。この相対運動によってイオンビームはラスター走査軌跡を通る。

形状修正加工用イオンビームは、イオンエネルギー５ｋｅＶ、総イオン電流２００μＡの一価のアルゴンイオンビームであり、電磁界レンズにより照射スポット径がφ２ｍｍに収束している。一方、平滑化加工用荷電粒子ビームは、イオンエネルギー３００ｅＶで照射スポット径がφ２０ｍｍである。また、図示しない平滑化加工用イオンビームガンには偏向電極がついており、照射位置がラスター走査軌跡の走査方向に対して形状修正加工用イオンビームのビーム中心より後方となるように制御する。

本実施例においては、平滑化加工用イオンビームガンのイオン源はマイクロ波タイプである。イオンビーム加工装置付属のマイクロ波出力コントローラによって、プラズマ室に投入するマイクロ波出力によりプラズマ密度を変えることができ、これによりイオンビーム総電流量を制御できるようになっている。

形状修正加工用イオンビームの単位到達粒子数は実施例１と同様に決定する。まず、被加工物表面を高精度に測定し、得られた測定データと設計形状の差分から誤差形状を算出し、この誤差形状を加工形状データとする。加工形状データと加工レート０．１２０ｍｍ^３／ｈと、照射スポット径から、各点でのイオンビーム照射時間データである滞留時間分布１０７を算出する。形状修正加工用イオンビームは、平滑化用イオンビームと同時に照射しながら滞留時間分布１０７のデータを使用して走査速度の可変制御を行う。これにより、形状修正加工が行われる。

図５は、本実施例よる平滑化加工において、（ａ）に示すように滞留時間を制御しながら、（ｃ）に示すように平滑化用イオンビームの単位到達粒子数分布１１１を一定にする。このために、図５（ｂ）に示すように、平滑化加工用イオンビームの電流量２００を可変制御する。イオンビーム加工装置付属のマイクロ波コントローラでプラズマ室投入マイクロ波出力を変えて平滑化加工用イオンビームの電流量２００を制御し、滞留時間と電流量２００の積が一定となるようにする。このようにして、平滑化加工用イオンビーム１０２の単位到達粒子数分布１１１を一定にする。このとき、平滑化加工用イオンビームの電流量２００の最大値は、滞留時間が最小のときに所望の単位到達粒子数が得られるように設定する。

実施例１と同様に、形状修正加工と平滑化加工を同時に平行して実施することが可能となり、加工時間は大幅に短縮される。

１００被加工物表面
１０１形状修正加工用イオンビーム
１０２平滑化加工用イオンビーム
１０３ラスター走査軌跡
１０４被加工物表面形状
１０５設計形状
１０６誤差形状
１１２プロペラ型シャッター

Claims

複数の荷電粒子ビームを被加工物表面に対して同じ相対運動をさせながら同時に照射して加工を行う被加工物の製造方法において、
前記複数の荷電粒子ビームのうちの第１の荷電粒子ビームを用いて、前記相対運動の速度を可変制御することによって被加工物表面の形状修正加工を行い、
前記複数の荷電粒子ビームのうちの第２の荷電粒子ビームを用いて、被加工物表面の単位面積に対する到達粒子数を一定に保つように、前記相対運動の速度変化に応じて前記第２の荷電粒子ビームを可変制御することによって被加工物表面の平滑化加工を行うことを特徴とする被加工物の製造方法。
前記第２の荷電粒子ビームの可変制御は、前記第２の荷電粒子ビームの照射時間のパルス制御によって行うことを特徴とする請求項１に記載の被加工物の製造方法。
前記第２の荷電粒子ビームの可変制御は、前記第２の荷電粒子ビームの電流量の制御によって行うことを特徴とする請求項１に記載の被加工物の製造方法。
前記第２の荷電粒子ビームは２０〜５００ｅＶの低エネルギーであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の被加工物の製造方法。
前記第１の及び前記第２の荷電粒子ビームの照射位置において、前記相対運動の方向に対して前記第１の荷電粒子ビームの後方に前記第２の荷電粒子ビームのビーム中心があることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の被加工物の製造方法。
前記被加工物は、光学素子または光学素子を成形するための金型であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の被加工物の製造方法。