(57)【要約】【課題】短時間で効率よく被加工物の表面をエッチングすること。【解決手段】ガスクラスター生成部１６により紫外光に反応してラジカルとなる反応性ガスを含むガスクラスターを生成する。ガスクラスターイオンビーム照射部２０は、生成したガスクラスターをイオン化して加速し、ガスクラスターイオンビームＧを基板Ｗの表面に照射する。光照射部３０は、基板Ｗの表面に紫外光Ｌを照射する。そして、基板Ｗの表面に存在する反応性ガスが紫外光Ｌの照射によってラジカルとなり、このラジカルにより、基板Ｗの表面をエッチングする。【選択図】図１
2011003357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスクラスターイオンビームを用いて被加工物の表面を加工するガスクラスターイオンビーム加工装置において、
光によってラジカルとなる反応性ガスを含むガスクラスターを生成するガスクラスター生成部と、
前記ガスクラスター生成部により生成されたガスクラスターをイオン化して加速し、被加工物の表面に向けて照射するガスクラスターイオンビーム照射部と、
前記ガスクラスターイオンビーム照射部によりガスクラスターイオンビームが照射される被加工物の表面の照射領域内に、光を照射する光照射部と、を備え、
前記光照射部の被加工物の表面への光照射によって生成されたラジカルにより、被加工物の表面をエッチングすることを特徴とするガスクラスターイオンビーム加工装置。
【請求項２】
前記光照射部は、光を出射する光源と、前記光源より出射された光を前記照射領域よりも狭いスポットに集光する集光レンズと、を有することを特徴とする請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム加工装置。
【請求項３】
前記ガスクラスターイオンビーム照射部は、ガスクラスターイオンを加速させるための加速電極と、前記加速電極に加速電圧を印加する電源と、を有し、前記加速電圧が、ガスクラスターイオンの衝突により被加工物の表面がエッチングされないと見なせるエッチングレートとなるしきい値電圧以下に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のガスクラスターイオンビーム加工装置。
【請求項４】
前記ガスクラスターイオンビーム照射部は、ガスクラスターイオンビームを被加工物の表面全体に拡散させるアパーチャーを有し、
前記光照射部は、光を出射する光源と、前記光源より出射された光を被加工物の表面全体に拡散させるレンズと、を有することを特徴とする請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子等の被加工物の表面にガスクラスターイオンビームを照射してエッチングするガスクラスターイオンビーム加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非球面形状のレンズ、ミラー等の光学素子は、型によるプレス成形や射出成形が大量生産のための有力な加工手段となっている。しかし、型による成形は材料の融点等の特性によって材料が限定され、冷却時の熱収縮により設計通りの表面形状とはならない。
【０００３】
従来、被加工物の表面形状を向上させるものとして、ガスクラスターイオンビームを被加工物の表面に照射して表面をエッチングするガスクラスターイオンビーム加工装置が知られている。ガスクラスターイオンビームは、加速電極に印加された加速電圧によって加速されて被加工物表面に照射されるが、質量／電荷の比が大きいため、被加工物の表面に与えるダメージが小さいという利点がある。このガスクラスターイオンビームを被加工物の表面に一様に照射することで、表面の微細凹凸を平滑化することはできるが、ガスクラスターイオンビームを一様に照射したのでは、被加工物表面の大きな突起は除去できない。そこで、被加工物の突起形状に応じてアパーチャーの径を選択し、イオンの加速電圧を制御することによって、被加工物表面の突起をエッチングする方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０８９８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、図８に示すように、ガスクラスターイオンビームは、通常のイオンビームと比べて、ビーム径を絞ることが難しい。加速電圧を高くすることでビーム径を絞ることはできるが、ガスクラスターイオンビームが高エネルギーで被加工物の表面に照射されるので、ガスクラスターを構成する原子（分子）が被加工物内に不純物として侵入する可能性が高くなる。また、ガスクラスターイオンビームのエネルギーが高すぎると、ガスクラスターが被加工物の表面に衝突した際の衝撃により、表面に損傷を与える可能性がある。さらに、電極の印加電圧が高くなると、装置内で異常放電を防止することも困難となる。したがって、加速電圧を高くするにも限界がある。ガスクラスターイオンビームのビーム電流を減少させることで、ビーム径を絞ることは可能であるが、被加工物の表面の突起をエッチングするにはガスクラスターイオンビームを照射する時間を長くする必要があり、被加工物の表面の加工に時間を要していた。
【０００６】
そこで、本発明は、短時間で効率よく被加工物の表面の突起をエッチングすることができ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ものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ガスクラスターイオンビームを用いて被加工物の表面を加工するガスクラスターイオンビーム加工装置において、光によってラジカルとなる反応性ガスを含むガスクラスターを生成するガスクラスター生成部と、前記ガスクラスター生成部により生成されたガスクラスターをイオン化して加速し、被加工物の表面に向けて照射するガスクラスターイオンビーム照射部と、前記ガスクラスターイオンビーム照射部によりガスクラスターイオンビームが照射される被加工物の表面の照射領域内に、光を照射する光照射部と、を備え、前記光照射部の被加工物の表面への光照射によって生成されたラジカルにより、被加工物の表面をエッチングすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、反応性ガスを含むクラスターを生成した後、被加工物の表面にクラスターイオンビームが照射され、クラスターに含まれる反応性ガスが光照射部の光照射によってラジカルとなり、このラジカルにより被加工物の表面がエッチングされる。すなわち、クラスターイオンビームと光の両方が照射された箇所のみがエッチングされる。光照射部は、クラスターイオンビームのビーム径よりも小さく絞ることが容易である。したがって、クラスターイオンビームのビーム径を絞ることができる限界よりも微細なエッチングをすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るガスクラスターイオンビーム加工装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】分子軌道法を用いて計算したＳＦ６の吸収スペクトルである。
【図３】ガスクラスターイオンビーム加工装置の加工動作を示すフローチャートである。
【図４】測定データに基づいて作成した基板の表面形状を示す図であり、（ａ）は、基板表面の３次元形状を示す図、（ｂ）は、基板表面の２次元形状を示す図である。
【図５】基板に対する紫外光の照射ルートを示す説明図である。
【図６】ガスクラスターイオンビームを加速するのに印加される加速電圧とガスクラスターイオンビームのみのエッチングレートの関係を表すグラフである。
【図７】本発明の別の実施の形態に係るガスクラスターイオンビーム加工装置の概略構成を示す説明図である。
【図８】イオンビームおよびクラスターイオンビームのビーム広がりのシミュレーション結果の比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示すガスクラスターイオンビーム加工装置（以下、「加工装置」という）１００は、ガスクラスターイオンビームＧを用いて被加工物であるプリズム、レンズ、ミラー等の光学素子となる光学ガラスからなる基板Ｗの表面を加工するものである。この加工装置１００は、ガスクラスターイオンビーム照射装置（以下、「照射装置」という）１０と、光照射部３０と、輪郭形状測定装置４０と、ステージ制御装置５０とを備えている。
【００１１】
照射装置１０は、真空チャンバー１１を備えている。真空チャンバー１１の内部には、隔壁１２が設けられおり、この隔壁１２によってガスクラスター生成室１３と照射室１４とが形成されている。この隔壁１２には、スキマー１７が設けられており、スキマー１７によって、ガスクラスター生成室１３と照射室１４とが連通している。各部屋１３，１４はそれぞれ不図示の真空ポンプにより常に排気されて減圧されている。
【００１２】
ガスクラスター生成室１３にはガスクラスター材料となるガスを噴出する噴出口を有するノズル１５が設けられており、これらガスクラスター生成室１３及びノズル１５によりガスクラスター生成部１６が構成されている。このノズル１５には、外部から０．３〜１．０ＭＰａ程度の圧力の高圧ガスが供給される。ノズル１５からガスクラスター生成室１３に噴出されたガスは断熱膨張により温度が低下し、その温度が凝固点以下となるとガス分子が凝集してガスクラスターが生成される。ガスクラスターは、塊状原子集団又は塊状分子集団であり、複数の原子又は複数の分子がファンデルワールス力で結合されて構成されている。
【００１３】
ここで、ノズル１５に供給されるガスには、ＳＦ６等の紫外光で反応してラジカルとなる反応性ガスが含まれている。しかし、ＳＦ６ガスのような比熱比（＝定圧モル比熱／定積モル比熱）が小さいガス単独ではクラスター生成が困難な場合がある。そのような場合にはＡｒ，Ｈｅ等の比熱比の大きいガスを混合することでクラスターを生成することができる。
【００１４】
ノズル１５に対するガス進行方向Ａの下流には、上述したスキマー１７が配置されており、生成されたガスクラスターは、スキマー１７を通過して照射室１４へ導かれる。照射室１４には、ガスクラスターイオンビーム照射部２０及びＸＹステージ２６が配設されている。ＸＹステージ２６には基板Ｗが固定されている。ガスクラスターイオンビーム照射部２０は、ガスクラスター生成部１６により生成されたガスクラスターをイオン化して加速し、ＸＹステージ２６上の基板Ｗの表面に向けて照射するものである。ガスクラスターイオンビーム照射部２０は、ガス進行方向Ａの上流から下流に向かって順次配設されるイオン化室２１、加速電極２２、静電レンズ２３、質量分離磁石２４及びアパーチャー２５を有してなる。また、ガスクラスターイオンビーム照射部２０は、イオン化室２１及び加速電極２２に接続され、イオン化室２１を基準として加速電極２２に直流電圧を印加する電源２７を有している。照射室１４に導かれたガスクラスターは、イオン化室２１で電子衝撃又は電荷交換により正イオンにイオン化され、ガスクラスターイオンとなる。次に、ガスクラスターイオンは加速電極２２に導かれるが、イオン化室２１と加速電極２２の間には、電源２７によって印加された電場（加速電圧）によりクラスターイオンが加速され、ガスクラスターイオンビームＧとなる。次に、ガスクラスターイオンビームＧは、静電レンズ２３を通過することで、ビーム径が絞られる。静電レンズ２３には、ビーム径が基板Ｗの表面で照射領域が最小となるように調整された電圧が印加される。静電レンズ２３でビーム径が絞られたガスクラスターイオンビームＧのうち、モノマー及び小サイズのクラスター等の質量／電荷比が小さい高速に通過するイオンが質量分離磁石２４によって大きく偏向され、アパーチャー２５により遮断される。質量／電荷比が大きいクラスターイオンはアパーチャー２５を通過し、基板Ｗに到達する。これにより、適正なサイズのクラスターイオンが基板Ｗの表面に照射される。
【００１５】
光照射部３０は、紫外光Ｌを出射する光源３１と、光源３１より出射された紫外光Ｌを基板Ｗの表面に集光する集光レンズ３２とからなり、ガスクラスターイオンビームＧが照射される基板Ｗの表面の照射領域内に、紫外光Ｌを照射する。具体的に説明すると、光源３１は真空チャンバー１１の外部に配置され、真空チャンバー１１の照射室１４の側壁には紫外光Ｌが透過する光学窓３３が取り付けられている。照射室１４には、光学窓３３を介して光源３１と基板Ｗとの間の位置に集光レンズ３２が配置されている。光源３１より出射された紫外光Ｌは、光学窓３３を透過して集光レンズ３２に照射され、集光レンズ３２によって集光され、基板Ｗの表面のガスクラスターイオンビームＧが照射される照射領域内に照射される。この集光レンズ３２は、基板Ｗの表面で紫外光Ｌのビーム径が最小になる位置、つまり、焦点が基板Ｗの表面となる位置に調整されている。なお、光照射部３０は、ガスクラスターイオンビームＧのガス進行方向Ａに対して所定角度傾斜させて紫外光Ｌを照射させている。そして、ＸＹステージ２６は紫外光Ｌが垂直に入射するようにガス進行方向Ａに対して傾斜して配置されており、基板Ｗの表面に照射される紫外光Ｌのスポット形状が略円形となる。
【００１６】
ここで、図２が示すように、ＳＦ６は波長１９０ｎｍ付近に吸収ピークを持つ。１９０ｎｍ付近の紫外光ＬをＳＦ６に照射すると、ＳＦ５ラジカル、ＳＦ４ラジカル等のラジカルを生成する。例えば、光源３１として、波長１９３ｎｍの紫外光を発生するＡｒＦエキシマレーザーや、波長１８５ｎｍを発生する低圧水銀ランプ等を使用することで、これらのラジカルを生成することができる。
【００１７】
輪郭形状測定装置４０は、基板Ｗの表面に接触あるいは非接触で基板Ｗの表面形状を測定するものであり、基板ＷをＸＹステージ２６に装着する前に測定する。この輪郭形状測定装置４０は、例えばレーザ光の干渉を利用して非接触で基板Ｗの表面形状を測定するものである。ステージ制御装置５０は、記憶部５０ａ及び算出部５０ｂを備え、輪郭形状測定装置４０の測定結果に基づいてＸＹステージ２６を制御する。なお、加工装置１００は、不図示のロボットアームを備えている。このロボットアームは、輪郭形状測定装置４０に装着されている基板Ｗを把持してＸＹステージ２６に移動させることができる。
【００１８】
次に、本実施の形態の加工装置１００の動作について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。まず、基板Ｗの表面を加工するに先立って、基板Ｗを照射装置１０のＸＹステージ２６に装着する前に、予め、輪郭形状測定装置４０により、基板Ｗの表面形状を測定する（Ｓ１）。この輪郭形状測定装置４０による測定データは、ステージ制御装置５０に送信されて記憶部５０ａに格納される。
【００１９】
図４は、この測定データに基づいて作成した基板Ｗの表面形状を示しており、図４（ａ）に示すような３次元の測定データがステージ制御装置５０に取り込まれる。なお、図４（ｂ）には、基板Ｗの表面における基準面（ｘ−ｙ平面）のうち、説明のためにｘ軸方向のみの表面形状を示している。ステージ制御装置５０の算出部５０ｂは、基板Ｗの厚さ方向（ｚ軸方向）の除去量ｄを、ｘ−ｙ平面内の各測定点における測定値と目標値との差分を演算することで求め、除去量分布を算出する。算出部５０ｂは、この除去量分布のデータを、記憶部５０ａに格納する（Ｓ２）。
【００２０】
次に、不図示のロボットアームが、輪郭形状測定装置４０により表面形状が測定された基板Ｗを、照射装置１０のＸＹステージ２６に装着する（Ｓ３）。次に、ステージ制御装置５０は、記憶している除去量分布のデータに基づき、ＸＹステージ２６の滞留時間制御を行い、表面形状創成加工を行う（Ｓ４）。
【００２１】
以下、表面形状創成加工について具体的に説明すると、ＸＹステージ２６に装着された基板Ｗの表面には、ガスクラスターイオンビームＧが照射される。ガスクラスターは基板Ｗの表面に衝突することで崩壊するが、このガスクラスターに含まれていたＳＦ６分子がクラスター崩壊により基板表面に高密度状態で存在することとなる。そして、基板Ｗの表面のガスクラスターイオンビームＧが照射された照射領域には、光照射部３０の紫外光Ｌが照射されるので、基板Ｗの表面に高密度で存在しているＳＦ６が光照射によりＳＦ５ラジカル、ＳＦ４ラジカル等のラジカルとなる。このようにして生成されたラジカルにより、基板Ｗの表面はエッチングされる。したがって、高エネルギー（高い加速電圧）でクラスターを基板表面に衝突させなくても、効率よく短時間で基板表面をエッチングすることができ、エッチングレートを向上させることができる。また、ガスクラスターイオンビームＧよりも紫外光Ｌの方が集束することが容易であるため、基板表面の微細な突起をエッチングすることができる。さらに、ガスクラスターイオンが基板表面に衝突した際に、基板表面に与えるダメージを少なくでき、不純物が基板Ｗの内部に侵入するのを抑制することができる。また、イオン化室２１を基準として加速電極２２に印加される加速電圧を小さくできるので、加速電圧を印加する電源２７を小型化することができ、コストダウンが図れ、イオン化室２１と加速電極２２間の異常放電を抑えることも容易になる。
【００２２】
本実施の形態では、光照射部３０の集光レンズ３２により、基板Ｗの表面上のガスクラスターイオンビームＧが照射されている照射領域内であって、照射領域よりも狭いスポットに紫外光Ｌを集光して照射している。ガスクラスターでは、基板Ｗの表面のガスクラスターサイズ程度の微細凹凸を平滑化することは可能であるが、微細凹凸よりも大きな突起を除去するのは困難である。ここで、図８を用いて、通常のイオンビームとクラスターイオンビームの集束を説明する。図８の（ａ）、（ｂ）は、それぞれＡｒ＋イオンビームと、Ａｒ１０００＋クラスターイオンビームのビーム軌道シミュレーション結果である。（ａ）、（ｂ）とも、加速電圧は２０ｋＶで等しく、ビーム電流も１００μＡで等しい。しかし、（ｂ）のクラスターイオンビームの方が、（ａ）のイオンビームよりもビーム径が広がっている。つまり、ガスクラスターイオンビームＧは、質量／電荷比の１／２乗に比例してビームの発散が大きくなるので、ガスクラスターイオンビームＧを突起よりも細く絞ることは困難であるが、紫外光Ｌは、集光レンズ３２により容易に細く絞ることが可能である。したがって、基板Ｗの表面におけるガスクラスターイオンビームＧの照射領域よりも狭いスポットに紫外光Ｌを集光することでスポット内にラジカルが生成され、照射領域よりも狭い領域のエッチングが促進される。これにより、ガスクラスターイオンビーム単独では困難であったクラスターイオンビームＧのビーム径よりも小さい突起を除去する微細加工が可能となる。
【００２３】
そして、ステージ制御装置５０は、図５に示すように、ＸＹステージ２６を移動させることにより基板Ｗの表面全体に亘って紫外光のスポットを走査させ、ＸＹステージ２６の滞留時間制御を行うことで、基板Ｗの表面全体をエッチングするように制御する。ここで、滞留時間制御とは、ガスクラスターイオンビームＧ及び紫外光Ｌを照射した状態で、除去量分布に基づいて、ＸＹステージ２６の移動速度を調整する制御をいう。又は、ＸＹステージ２６を微小ステップごとに移動又は停止させる際に、除去量分布に基づいて、ＸＹステージ２６の停止時間を調整する制御をいう。
【００２４】
つまり、紫外光Ｌの照射時間と除去量とは比例関係にあるので、多くエッチングしたい箇所は、ＸＹステージ２６の移動速度を遅くする、又は、ＸＹステージ２６の停止時間を長くするように制御する。逆に、少なくエッチングしたい箇所は、ＸＹステージ２６の移動速度を速くする、又は、ＸＹステージ２６の停止時間を短くするように制御する。したがって、基板表面内の各点における厚さ方向（ｚ軸方向）のレベルが目標値に近づけられる。このように、微細加工を施しながら滞留時間制御を実行することにより、良好な表面形状を創成することができる。そして、良好な表面形状を創成することができるので、被加工物である基板Ｗがレンズ、ミラー等の光学素子である場合には、収差やフレアーを減少させることができる。
【００２５】
ここで、図６には、紫外光を照射しない条件における、イオンビームＧの加速エネルギー（加速電圧）とエッチングレートとの関係を示すが、加速電極２２に印加される加速電圧が増大するに連れてエッチングレートが増大する傾向にある。そして、図６に示すように、約１２ｋＶのしきい値電圧Ｖｔを境に、加速電極２２に印加される加速電圧を増大させると、急激にエッチングレートが増大する。逆に、加速電圧がしきい値電圧Ｖｔ以下では、エッチングレートが極めて低く、エッチング量は僅かであり、エッチングは起こらないと見なせる。
【００２６】
そこで、ガスクラスターイオンビーム照射部２０の電源２７は、印加電圧を、ガスクラスターイオンの衝突により基板Ｗの表面がエッチングされないと見なせるエッチングレートｅとなるしきい値電圧Ｖｔ以下（例えば１０ｋＶ）に設定している。これにより、このしきい値電圧以下の加速電圧で加速されたガスクラスターイオンビームＧでは、図６に示すエッチングレートｅ以下となり、基板Ｗの表面はエッチングされないものと見なせる。したがって、紫外光Ｌが照射されるスポット以外の部分では、殆どエッチングされず、紫外光Ｌが照射されたスポットの部分だけ集中的にエッチングが起こる。よって、基板Ｗの厚さ方向のレベルをより精度良く目標値に近づけることができ、さらに良好な表面形状を創成することができる。
【００２７】
次に、図７に示す別の実施の形態のガスクラスターイオンビーム加工装置について説明する。なお、上記実施の形態と同一の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図７に示すガスクラスターイオンビーム加工装置１００Ａは、ガスクラスターイオンビームＧ及び紫外光Ｌを被加工物である基板Ｗの表面全体に同時照射するものである。光照射部３０Ａは、紫外光Ｌを出射する光源３１と、レンズ３２Ａとからなるが、焦点位置が基板Ｗの表面よりも手前となるように、レンズ３２Ａの厚さが設定されている。そして、レンズ３２Ａの焦点よりも後ろに遠ざかるほど紫外光Ｌが拡散するので、紫外光Ｌが基板Ｗの表面全体に拡散されるように、レンズ３２Ａの位置を調整しておく。このレンズ３２Ａにより紫外光Ｌが基板Ｗの表面全体に拡散される。
【００２８】
また、ガスクラスターイオンビーム照射部２０Ａは、質量分離磁石２４の下流に配置され、ガスクラスターイオンビームＧを基板Ｗの表面全体に拡散させるアパーチャー２５Ａを有している。このアパーチャー２５Ａは、質量分離磁石２４を通過したガスクラスターイオンビームＧが回折して基板Ｗの表面全体に拡散するように開口度が調整されている。これによりガスクラスターイオンビームＧが基板Ｗの表面全体に拡散される。
【００２９】
以上の構成により、基板Ｗの表面全体に拡散されたガスクラスターに紫外光Ｌが照射されるので、基板Ｗの表面全体を同時にエッチングすることができる。そして、ガスクラスター単独でエッチングする場合よりも、基板Ｗの表面全体を短時間でエッチングすることができ、エッチングレートを向上させることができる。したがって、例えば基板Ｗの表面のマイクロクラック除去などを行う際には、ラジカルにより効果的に除去され、短時間で表面加工することができる。
【００３０】
なお、上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施の形態では、光として、紫外光を用いる場合について説明したが、紫外光よりも長い波長で分子を励起してラジカル化できる場合には、紫外光よりも長い波長の光を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１６  ガスクラスター生成部
２０，２０Ａ  ガスクラスターイオンビーム照射部
３０，３０Ａ  光照射部
１００，１００Ａ  ガスクラスターイオンビーム加工装置
【図１】
2011003357.tif 000003
【図２】
2011003357.tif 000004
【図３】
2011003357.tif 000005
【図４】
2011003357.tif 000006
【図５】
2011003357.tif 000007
【図６】
2011003357.tif 000008
【図７】
2011003357.tif 000009
【図８】
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