(57)【要約】【課題】ナノメータオーダーの微細加工用に適したダイヤモンド工具を提供。【解決手段】基体表面５ａの少なくとも一部にＣＶＤ法で作製したダイヤモンドの小突起６を複数配する。小突起の高さは１μｍから１ｍｍの範囲で、その形状が四角錐形、三角柱形、四角柱形、台形ほか等のシリコンの異方性エッチングで得られる形状をメス型３として得られる形状とする。ダイヤモンドの小突起は、まずシリコンウエハ１上に所定のマスクパターン２を形成した後、シリコンの異方性エッチングにて小突起のメス型を形成し、しかる後にマスクパターンを除去してシリコンウエハをシリコンモールド４とし、このモールドに気相合成法によりダイヤモンドを蒸着し、さらに、シリコンモールドを化学的に溶解して作製し、ダイヤモンド工具５とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体表面の少なくとも一部にＣＶＤ法で作製したダイヤモンドの小突起を複数配したことを特徴とするダイヤモンド工具。
【請求項２】
前記小突起の高さは１μｍから１ｍｍの範囲であって、その形状が四角錐形、三角柱形、四角柱形、台形ほか等のシリコンの異方性エッチングで得られる形状をメス型として得られる形状であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド工具。
【請求項３】
前記ダイヤモンドの小突起は、まずシリコンウエハ上に所定のマスクパターンを形成した後、シリコンの異方性エッチングにて小突起のメス型を形成し、しかる後に前記マスクパターンを除去して前記シリコンウエハをシリコンモールドとし、前記シリコンモールドに気相合成法によりダイヤモンドを蒸着し、その後、前記シリコンモールドを化学的に溶解して作製することを特徴とするダイヤモンド工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数μｍから数ｍｍの小突起を持つダイヤモンド工具に関し、詳しくは光学反射板等の光学部品用押込転写工具、微細加工用研削工具として使用される微細加工用のダイヤモンド工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超精密加工技術の発展に伴い、ナノメータオーダーの機械加工技術が求められており、これを達成するためには工作機械の高精度化とともに、工具の高精度化が必須である。現在のところ、工作機械については運動精度をナノメータオーダーで実現する実用技術が存在するが、工具の形状精度についてはマイクロメータオーダーが限界とされている。
【０００３】
従来、工具形状を高精度化するためには、単結晶ダイヤモンドを工具材として用い、この結晶性を利用して精密研摩する手法が一般的である。しかしこの手法では、たとえば、非特許文献１に見られるように、１０μｍ程度が下限である。また、工具材としてのダイヤモンドの加工法として、例えば非特許文献２に見られるような集束イオンビームを用いる加工法がある。しかしながら、この方法は、切断のような加工は得意であるが、ダイヤモンドを立体形状に加工することは苦手である。その他、熱化学反応を用いる方法や、プラズマエッチングを利用する方法があるが、前者は微細加工が困難であり、後者は大面積の平板加工に適するものの、立体形状の成形には適さないという問題がある。
【０００４】
一方、従来より、数百μｍオーダーの大粒単結晶ダイヤモンド複数個をランダムあるいは周期的に配列し、これを電着法で固定したダイヤモンド砥粒工具があり、精密研削加工に使われている。かかるダイヤモンド粒と工具寸法を小さくして、これを微細加工用の非常に小さなダイヤモンド工具とする場合には、小粒ダイヤモンド砥粒の取り扱いや、電着方法に問題が生じ実用的でなかった。
【０００５】
【非特許文献１】
「ニューダイヤモンド」Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１（１９９５）オーム社出版、１９９５年（平成７年）１月２５日発行、ｐ３０−３１
【非特許文献２】
「ニューダイヤモンド」Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．４（２００２）オーム社出版、２００２年（平成１４年）１０月２５日発行、ｐ２４−２５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ナノメータオーダーの微細加工用に適した、非常に小さなダイヤモンドの微細突起をマイクロメータオーダーで複数配列させた実用可能な微細加工用のダイヤモンド工具を提供することである。かかるダイヤモンド工具により、工具形状の高精度化と微細化、ならびにその規則配列をも同時に達成する手法が開発されれば、従来にない新しい工具として様々な応用が期待できる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、基体表面の少なくとも一部にＣＶＤ法で作製したダイヤモンドの小突起を複数配したダイヤモンド工具を提供することにより、前述した課題を解決した。即ち、ダイヤモンド等をメッキ等を用いて工具本体の基体表面に複数配設するのではなくＣＶＤ法でダイヤモンドの小突起を複数作製したものを基体上に貼り付ける。なお、小突起はＣＶＤ法で作製するときに基体を同時にダイヤモンドで作製し、さらに他の金属表面等にろう剤や接着剤を用いて固定してもよい。また、小突起部分のみを他の金属等を基体としてその表面に接着固定してもよい。
【０００８】
小突起の形状は、不定形のものでもよいが、数μｍのものではエッジ（角部分）を得ることが難しく切削性能等が低下する。そこで、請求項２記載の本発明においては、前記小突起の高さは１μｍから１ｍｍの範囲であって、その形状が四角錐形、三角柱形、四角柱形、台形ほか等のシリコンの異方性エッチングで得られる形状をメス型として得られる形状のダイヤモンド工具とした。即ち、単結晶シリコンの結晶方位とマスキングパターンの組み合わせにより、四角錐形、三角柱形、四角柱形、台形など所定の形状と配列をナノメータオーダーの精度でメス型として得ることができ、このメス型で得られる形状を小突起の形状とすることでエッジを有する小突起を得られる。そこで、この形状を小突起の形状とすることにより良好な切削性能を得ることができる。ダイヤモンド小突起の大きさは作製上の理由から１μｍから１ｍｍが好ましい。
【０００９】
かかるダイヤモンド小突起は、機械加工による方法ではナノメータオーダーの工具形状精度を有することが非常に難しい、そこで、本発明のダイヤモンド工具は、請求項３記載の発明において、前記ダイヤモンドの小突起は、まずシリコンウエハ上に所定のマスクパターンを形成した後、シリコンの異方性エッチングにて小突起のメス型を形成し、しかる後に前記マスクパターンを除去して前記シリコンウエハをシリコンモールドとし、前記シリコンモールドに気相合成法によりダイヤモンドを蒸着し、その後、前記シリコンモールドを化学的に溶解して作製するダイヤモンド工具の製造方法により得ることができる。即ち、まず単結晶シリコンウエハ上に任意のマスクパターンを施した後、結晶の異方性を利用した化学エッチングを行い、マスクを除去してシリコンモールドを作製し、該モールドに気相合成法によりダイヤモンドを蒸着し、しかる後に、シリコンモールドを化学エッチングする方法により容易に得られる。この方法によれば請求項２に記載の１μｍから１ｍｍのダイヤモンド小突起が複数、ランダム、周期的あるいは規則的に容易に配設できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例を、図面に基づいて説明する。各図面において、図１は（１００）単結晶シリコンをモールドとして用いた場合のダイヤモンド工具の作製工程、図２、図３はそれぞれ単結晶シリコン（１１０）ウエハ及び（１１１）ウエハをモールドとして用いた場合のダイヤモンド工具の応用例である。図１において、まず（１００）単結晶シリコン１に酸化膜２により任意のマスクパターンを施し、アルカリエッチングにより凹部３を形成する。酸化膜２を除去しシリコンモールド４が作製される。次にこのモールド４に対してＣＶＤ処理により多結晶ダイヤモンド５を蒸着し、モールド４をエッチングして四角錐形状の小突起６を有するダイヤモンド工具５が完成する。多結晶ダイヤモンドの蒸着方法は、例えば特開昭５８‐９１１００号公報に示されるごとき熱電子放射材料を用いてメタンと水素の混合ガスからダイヤモンドを合成する方法、あるいは特開昭５８‐１１０４９４号公報に示されるごときマイクロ波プラズマ放電を利用してメタンと水素の混合ガスからダイヤモンドを合成する方法など各種方法が利用できる。（１００）単結晶シリコン１の代わりに（１１０）単結晶シリコンを用いれば、図２の六角形形状の小突起７を有するダイヤモンド工具５、（１１１）単結晶シリコンの場合は図３の四角柱形状の小突起８を有するダイヤモンド工具５が形成される。さらに、上記マスクパターン２の大きさと配列を変えることにより、任意の大きさと配列をもつダイヤモンド工具が作製できる。
【００１１】
かかる本発明のダイヤモンド工具の小突起はμｍ単位で規則的な配列が可能なうえ、シリコンウエハの結晶方位によって様々な形状の工具作製が高精度に実現可能である。この特徴を生かして任意の砥粒配列を持つ研削工具をはじめ、押込転写工具やフライス加工用工具など、様々な精密加工用工具への応用が期待できる。例えば、本発明のダイヤモンド工具（またはその一部）を超高速マイクロモータの軸端面に貼付し、回転工具として利用することで、極微小切削が可能な超小型フライスが実現できる。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）前述した四角錐形状の小突起を有するダイヤモンド工具を用い、銅合金に対して工具形状を転写させる押込み加工及び工具を回転させて被削材を削り取る切削加工試験を行った。図４は図１に示す四角錐形状の本発明ダイヤモンド工具を用いた銅合金板表面の押し込み加工試験結果の電子顕微鏡写真、図５は切削加工試験結果の電子顕微鏡写真である。加工試験の結果、押込み加工では図４に示したように小突起の四角錐形状が正確に転写され、又、切削加工では図５の如く、安定した加工痕を得ることができた。また、加工後のダイヤモンド工具及びダイヤモンド工具の小突起に破損はみられなかった。
【００１３】
（実施例２）次に、本発明のダイヤモンド工具を用い、切込量１μｍの条件でガラスの切削加工を行った。図６はガラス表面の切削加工試験結果の電子顕微鏡写真である。加工試験の結果、本発明のダイヤモンド工具はガラスの割れや工具の破損を発生させることなく、図６に示したような安定加工が可能であった。
【００１４】
なお、発明はモールドの作製に単結晶シリコンの異方性エッチングの性質を利用しているが、等方性エッチャントを用いることにより、等方性エッチングでも作製が可能である。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、ＣＶＤ法で作製したダイヤモンド小突起を複数配列させたダイヤモンド工具を提供することにより、従来の機械加工では困難であったナノオーダーのレベルで光学部品を転写加工したり微細加工用砥石として用いることができるようになった。
【００１６】
また、請求項２においては、ダイヤモンド小突起の大きさを１μｍから１ｍｍまでとしてナノオーダーの工具形状精度を確保し、さらに単結晶シリコンの結晶方位とマスキングパターンの組み合わせにより、所定の工具形状が得られるようになった。
【００１７】
さらに、請求項３においては、まずシリコンウエハ上に所定のマスクパターンを形成した後、化学エッチングによりシリコン等の小突起のメス型を形成し、しかる後にマスクを除去してシリコン等のモールドを作製し、該モールドに気相合成法によりダイヤモンドを蒸着し、該モールドを化学的に溶解する方法によりダイヤモンド小突起を作製することにより、該複数の小突起をランダムあるいは所定の大きさで規則的に配列させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す（１００）単結晶シリコンをモールドとして用いた場合の四角錐形状の小突起を有するダイヤモンド工具の作製工程である。
【図２】本発明の実施の他の形態を示す（１１０）単結晶シリコンウエハをモールドとして用いた場合の六角形形状の小突起を有するダイヤモンド工具の一例である。
【図３】本発明の実施の他の形態を示す（１１１）単結晶シリコンウエハをモールドとして用いた場合の四角柱形状の小突起を有するダイヤモンド工具の一例である。
【図４】本発明の実施の形態を示す四角錐形状の小突起を有するダイヤモンド工具による銅合金への押込み加工試験結果の電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施の形態を示す四角形状の錐小突起を有するダイヤモンド工具による銅合金の切削加工試験結果の電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施の形態を示す四角錐形状の小突起を有する錐ダイヤモンド工具工具によるガラスの切削加工試験結果の電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１    （１００）単結晶シリコン
２    マスクパターン（酸化膜）
３    凹部（メス型）
４        シリコンモールド
５        基体（多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド工具）
５ａ  基体表面
６        四角錐形状の小突起
７        六角形形状の小突起
８        四角柱形状の小突起
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004268236.tif 000006
【図５】
2004268236.tif 000007
【図６】
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