(57)【要約】【課題】任意の材料の表面に３次元の微細形状を比較的精度よく加工することができる集束イオンビーム加工用の加工データ作成方法と集束イオンビーム加工法を提供する。【解決手段】加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割することにより集束イオンビーム加工用のＸＹＺ座標の点群データを得る。【選択図】図２
2005108100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割することによりＸＹＺ座標の点群データを得ることを特徴とする集束イオンビーム加工用加工データの作成方法。
【請求項２】
イオンビームを用いて行う微細３次元加工置であって，該装置が、ビーム照射装置本体と、ビーム照射装置本体の制御系とリンクしたＣＡＤ／ＣＡＭと、前記ＣＡＭで作成されたＣＬデータよりＸＹＺの３次元座標の点群データに変換する手段を備えていることを特徴とする集束イオンビーム加工装置。
【請求項３】
集束イオンビームを用いて３次元形状の除去加工を行うにあたり、加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割してＸＹＺ座標の点群データを作成し、この点群データを使用してビーム照射装置本体で加工を行いつつ各座標でのビーム滞在時間を制御することを特徴とする集束イオンビーム加工方法。
【請求項４】
加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを得ることを特徴とする集束イオンビーム加工用加工データの作成方法。
【請求項５】
集束イオンビームを用いて３次元形状の除去加工を行うにあたり、加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを作成し、この点群データを使用してビーム照射装置本体で加工を行うことを特徴とする集束イオンビーム加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオンビームを照射して微細な３次元形状を加工するための加工用データの作成方法及びこれを用いた集束イオンビーム加工装置および加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料に対する微細な形状を加工する要望が高くなっている。かかる微細形状の加工手段や加工方法として、電子ビーム描画装置のほか、微細に絞ったイオンビームを用いて試料をスパッタリング加工する集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）が知られている。この装置は、材料の材質を問わずに直接、微細加工することができるので、ナノ３次元造型機として期待されている。
【０００３】
しかし、従来の集束イオンビーム加工装置は、パソコンを利用して平面データを作成し、これを加工データとして加工するようにしているので、２次元あるいはせいぜい２．５次元の加工を行えるだけで、３次元の微細な加工を行えないという問題があった。
先行特許文献１には、イオンビーム照射系と軸方向を異にする電子ビーム照射系を設け、これらで加工穴深さを求めることが提案されているが、加工の基本である加工データをいかに作成するかについては何ら有効な提示がなされておらず、未解決のままであった。
【特許文献１】特開２００２−１３４０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、任意の材料の表面に３次元の微細形状を比較的精度よく加工することができる集束イオンビーム加工用の加工データ作成方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、電子ビーム照射系の付加と言った特別な手段を持ちいずとも、任意の材料の表面に３次元の微細形状を比較的精度よく加工することができる集束イオンビーム加工装置および加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため本発明の請求項１にかかる発明は、加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割することによりＸＹＺ座標の点群データを得ることを特徴としている。
【０００６】
また、目的を達成するため本発明の請求項２にかかる集束イオンビーム加工装置は、ＣＡＤ/ＣＡＭで作成されたＣＬデータをもとに座標データに変換するハードおよびソフトを備えていることを特徴としており、すなわち、イオンビームを用いて行う微細３次元加工置であって，該装置が、ビーム照射装置本体と、ビーム照射装置本体の制御系とリンクしたＣＡＤ／ＣＡＭと、前記ＣＡＭで作成されたＣＬデータより３次元ＸＹＺ座標の点群データに変換して各座標でのビーム滞在時間を制御する手段を備えていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の請求項３にかかる集束イオンビーム加工方法は、集束イオンビームを用いて３次元形状の除去加工を行うにあたり、加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータをＣＡＭで加工してＣＬデータを作成し、かつ前記ＣＬデータの出力ピッチを多分割してＸＹＺ座標の点群データを作成し、この点群データを使用してビーム照射装置本体で加工を行い、各座標でのビーム滞在時間を制御することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の請求項４にかかる集束イオンビーム加工用加工データの作成方法は、加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを得ることを特徴としている。
そして、本発明の請求項５にかかる集束イオンビーム加工法は、集束イオンビームを用いて３次元形状の除去加工を行うにあたり、加工すべき加工形状をＣＡＤで作成し、そのＣＡＤデータで作成された画像に所定ピッチで網目を張り、網目の交点の座標からＸＹＺ座標データを読み取ることにより点群データを作成し、この点群データを使用してビーム照射装置本体で加工を行うことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１によれば、集束イオンビームによる３次元加工にとってもっとも重要な加工用データを、簡単、迅速かつ正確に作成することができるというすぐれた効果が得られる。
本発明の請求項２、３によれば、ビーム照射装置本体とリンクしたＣＡＤ／ＣＡＭと、３次元座標データ作成のため前記ＣＡＭで作成されたＣＬデータを点群データに変換する手段とを用い、この点群データを使用してビーム照射装置本体で加工を行うので、加工条件とデーターベース上に蓄積されている加工データを比較することにより、同一の加工条件での加工時間すなわち総ビーム滞在時間を比較して見出すことができるので、比較的高精度に加工深さを加工することが可能であり、これにより，加工材料を限定することなく，表面に微細な３次元表面を有する各種製品を製作することが可能となるというすぐれた効果が得られる。
【００１０】
請求項４によれば、高価なＣＡＭを使わずに、ＣＡＤデータから集束イオンビーム加工用の３次元加工データを作成することができるので、加工用データの作成を、簡易、安価に行うことが可能になる。
請求項５によれば、請求項３の効果に加え、データベースとの加工条件の比較により各座標を所望の深さに加工することができるので、高価なＣＡＭも用いずに比較的高精度な加工深さで３次元加工ができるというすぐれた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
集束イオンビームによる３次元加工のために必要な加工データを、簡単で安価な手段により作成し、ナノ３次元造型加工を比較的精度のよくかつ簡単、安価に行えるようにした。
【実施例１】
【００１２】
以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１ないし図７は本発明を適用した集束イオンビーム加工装置の概要を示している。１は真空チャンバーであり、バルブ１１を介して真空ポンプ１０に接続されている。２は前記真空チャンバー１に配置されたビーム照射装置本体であり、集束イオンビーム装置が用いられる。
３は加工用のワーク（試料）であり、ビーム照射装置本体２と対峙する関係位置にあるステージ４に配置される。
【００１３】
前記ビーム照射装置本体２は、それ自体は公知であり、鏡筒内に、ガリウムイオン源と、集束レンズと、ブランキング電極と、絞りと、８極収差補正電極と、対物レンズおよび走査偏向器を備え、先端から前記ワーク３にイオンビーム５が照射され、それにより除去加工が行われるようになっている。
【００１４】
ビーム照射装置本体２は、前記走査偏向器によってビーム５がＸ、Ｙの両座標で自由に移動され、ワーク３の所望の位置や領域でのビーム５の走査で、所望形状が加工されるようになっている。
ステージ４は、ワーク３を傾けてもビーム加工点５０を中心として傾斜され、またワーク３の回転を行なっても加工点が同じ位置を維持するようにするため、好適には、支持用部体と、これを上下移動させる移動用部体と、これを支えつつ３６０度の円弧軌跡上で移動する傾斜用部体を組み合わせたユーセントリック機構からなっている。支持用部体はそれ自体が回転させられるようなっているかあるいは移動用部体によって回転させられるようなっている。
【００１５】
６は２次検出器であり、ビーム加工中に放出される２次イオンを捕えて検出し、加工面(加工された面)の形状を画像として観察するために、ビーム照射装置本体２のビーム照射位置すなわち加工点５０に常に検出面が臨むように、ビーム照射装置本体２の鏡筒あるいは真空チャンバー１のフレームに固定されている。信号出力側は後述するコンピュータに接続されている。
【００１６】
７はビーム照射装置本体２に付属するコントローラとしてのコンピュータであり、本体７ａとモニター７ｂを備えている。７’は外部のコントローラとしてのコンピュータであり、本体７ａ’は、図２のように、希望する３次元加工形状データを作成するＣＡＤ機能部７０と、このＣＡＤデータをもとにＣＬデータ（Ｃｕｔｔｅｒ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｄａｔａ）すなわち、ビーム移動軌跡とビーム移動速度さらには機械への指令を含んだデータを作成するＣＡＭ機能部７１を有する。
【００１７】
本発明は、さらに、前記ＣＡＭ機能部７１で作成されたＣＬデータを点群データに変換する点群データ変換機能部７２を備えている。かかる点群データ変換機能部７２はハードウエアでもよいが、通常、ソフトウエアの形で構築され、ネット上または他の媒体を介して本体７ａとデータの受け渡しを行うようになっている。
【００１８】
前記本体７ａは、前記点群データ変換機能部７２で作成された点群データからなる加工データ情報を受け、これらによりビーム座標、その座標でのビーム滞在時間、残存する加工距離に対する加工時間の算出などの各種計算を行う。
また、本体７ａは、ビーム制御機能部およびワーク制御機能部を有している。これらはハードウエアおよび／またはソフトウエアの形式で構築されている。
【００１９】
ビーム制御機能部は、加工データベースに基いてビーム照射装置本体２のＸ軸方向移動装置とＹ軸方向移動装置に信号を送ってビーム位置と滞在時間を制御するとともに、ビーム照射装置本体２のイオン銃に信号を送ってビーム強度(加速電圧)の制御を行い、かつ形状測定機能部および加工速度算出機能部からの信号で、前記ビーム位置と、滞在時間またはビーム強度を調整する。滞在時間とビーム強度は加工深さに関係するパラメータであり、通常は、一連の加工途中でのビーム強度(加速電圧)は一定として行なう。
【００２０】
なお、図示するものは本発明の単なる例であり、これに限定されるものではない。
１）ビーム照射装置本体２のビーム５とワーク３は相対移動させることが必要であり、加工精度上、通常、ビーム照射装置本体２のビームをＸ，Ｙ軸方向に移動させるが、機械精度がよい場合などにおいては、ワーク（ステージ）をＸ，Ｙ軸方向あるいは更にＺ軸方向、チルト方向などに移動させるようにしてもよい。
【００２１】
２）ＣＡＤ機能部７０、ＣＡＭ機能部７１および点群データ変換機能部７２は、外部コンピュータでなしに、ビーム照射装置本体２に付属するコンピュータ７の内部に設けられてもよい。
３）本発明は、２次検出器を２個たとえば１８０度対称位置に配置し、これらによりビーム加工深さを測定しつつ加工する場合を含んでいる。
４）本発明は、所望の材質、たとえばダイヤモンド、ｃＢＮ，ＤＬＣ，ルビー、サファイア、金属、セラミックなどの表面に微細な３次元形状を加工するのに好適であり、加工対象製品としては、たとえば金型、微細径の工具、各種部品（これには、マイクロアレーレンズなどの光学部品を含む）、工芸品、装飾品などがあるが、これに限られるものではない。
【００２２】
次に、実施例の装置による３次元加工方法を説明すると、図３に示すプログラムのように、まず、設計形状に応じてＣＡＤ機能部７０で形状データを作成し、これに基づいてＣＡＭ機能部７１でＣＬデータを作成する。そして、点群データ変換機能部７２により、ＣＬデータを多分割し、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求める。
【００２３】
この点群データを本体７ａ’から本体７ａに送り、位置測定機能部および加工速度算出機能部とビーム制御機能部およびワーク制御機能部によって、ビーム照射装置本体２を駆動し、ビーム５をワーク３に照射しつつ、ビーム５をＸ、Ｙの両座標で走査させるとともに、必要に応じてステージ４を動かしてワーク３の位置と傾斜角等を制御して、ビームを走査し、加工を行う。走査は、ジグザグ状でもよいし、スパイラル状でもよい。後者はステージ４を動かしてワーク３を回転させることで実現できる。
【００２４】
そして、ビーム加工と同時に加工データベースと比較が行なわれ、各座標でのビーム滞在時間を制御する。すなわち、各座標ごとにビームが設定された加工時間に達したかどうかによって加工深さを推定する。設定された加工時間に達していないと判断されたときには、加工を継続して深く切削し、設定された加工時間に達していたと判断されたときには加工完了として、ビームを移動する。
また、トータルのビーム滞在時間で除去量が決定されるため、ビームは加工領域前面を何度かに分割してスキャンし、各点の総トータル滞在時間が同じになるようにしてもよい。
【００２５】
本発明の特徴である集束イオンビーム加工のための加工データ作成工程を、半球を作成する場合を例にとって説明すると、第1工程として、図4のようにＣＡＤ機能部７０でライン1を画成する。次いで、第2工程として、図５（ａ）のようにライン1を３６０度回転させ、半球面を画成し、ＣＡＤデータを得る。
【００２６】
次いで、第３工程として、ＣＡＭ機能部７１において、図６のようにＣＡＤデータからＣＬデータ１〜ＣＬデータｎを作成する。図６（ａ）はＸＹ平面、（ｂ）はＸＺ平面である。ＣＬデータのデータ出力ピッチは、使用するビーム照射装置の最大分解能に対応させるか、それ以上とするもので、たとえば１０００分割とするが、メモリーによって増加は自在である。
【００２７】
次いで、ＣＬデータを点群データ変換機能部７２に送り、第４工程として、図７（ａ）（ｂ）のように、各ＣＬデータを交差方向で多分割たとえば１０００分割し、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求める。図７（ａ）はＸＹ平面、（ｂ）はＸＺ平面において１個のＣＬデータで見た場合を示している。これでたとえば１０００×１０００の点群データが得られる。
【００２８】
なお、加工形状において、製品が凹部にアンダーカットを有する場合には、ステージ４を傾斜させ、アンダーカット予定部をビームと正対させる制御を行なえばよい。
これは、ＣＡＤ機能部７０とＣＡＭ機能部７１によりアンダーカット部を検出し、それにもとづいて点群データ変換機能部７２で点群データを作成し、ビーム制御機能部からの信号で照射装置本体２を動かし、アンダーカット予定部に到った時にワーク制御機能部からの信号でステージ４を傾斜させることで自動的に加工することができる。
【００２９】
なお、図３において、「加工条件」とは、ビーム滞在時間（基本的にはＺの高さ）、ビーム加工電圧、ビーム加工電流、加工ピッチ（座標と座標の距離）及び被加工材の材質であり、これを決めて加工した製品の形状を後に測定することで加工速度などが決まるので、各材質に対して、ビーム加工電圧、ビーム加工電流、加工ピッチごとに加工深さのデータを集め、蓄積することで「加工データベース」とする。
そこで、これから加工を行おうとする加工条件と「加工データベース」を比較することにより、目的の深さまでのビーム滞在時間を予測することができるのである。
【００３０】
本発明では、ＣＡＭ機能部７１でＣＬデータを作成し、さらに、そのＣＬデータを点群データ変換機能部７２により多分割し、データが長さを持たない、各セグメントの一方の端点のＸＹＺ座標を求め、それを加工データとするので、加工ピッチとビーム滞在時間の的確な制御のための「加工データベース」を作り出すことができる。
【実施例２】
【００３１】
第２実施例は、ＣＡＭ機能部７１および点群データ変換機能部７２を用いずに、より簡単に集束イオンビーム加工データの作成を行う態様を示している。
すなわち、この実施例では、図８と図９のように、ＣＡＤ機能部７０で作成された画像の表面にメッシュを張り、各メッシュの交点のＸＹＺ座標を求めて加工データとする。それ以降は第１実施例と同様である。
【００３２】
図９は、第２実施例を用いて能面形状の加工データを作成した例を示している。
この例では、画像の左下を原点（０，０）としているが，原点の位置はその他の場所にあってもよい。また、メッシュのピッチは上記の例では１としているが，１以外としてもよい。たとえば、装置の分解能が１０００であるときには、縦または横の大きい寸法を１０００等分したものを１ピッチとする。しかし、縦横の小さい方のピッチも大きいものと同一にしてもよいし、しなくてもよい。同一とした方が位置制御しやすい利点がある。
【００３３】
なお、ビームの位置制御するための各Ｘ，Ｙ座標に対するＺ座標のデーターの出力方法は任意であるが、たとえば下記のような態様があげられる。
１）原点を始発点としＸ方向に（１，０），（２，０）順次出力し、終端（ｎ，０）でＹ方向に１ピッチ分（ｎ，１）増やして逆方向に（ｎ−１，１），（ｎ−２，１）と出力する。
２）終端で（０，１）に飛び同様にＸ方向に順次出力する。
３）原点からはじめにＹ方向に出力する。
【００３４】
４）Ｚ座標の値が０のデータは加工には使用しないため、Ｚ座標のデータを有する座標のデータを出力する。この方が、扱うデーター数が少なくなるため好ましい。
５）データの出力する順番はＸ方向またはＹ方法または等高線を作成する要領で座標値が小さいものから右回りまたは左周りにデータを出力する。
６）データを出力する順番を現在地の次が隣のデータではなく、１個とばしなど、連続したＸＹ座標のデーターでなくしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による集束イオンビーム加工装置の一例の概要を示す正面図である。
【図２】本発明装置の制御系統図である。
【図３】第１実施例の加工工程を例示するチャート図である。
【図４】第１実施例の加工データ作成の第１工程を示す説明図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は第２工程を示す説明図である。
【図６】（ａ）（ｂ）は第３工程を示す説明図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は第４工程を示す説明図である。
【図８】第２実施例の加工工程を例示するチャート図である。
【図９】第２実施例の加工データ作成例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
２  ビーム照射装置本体
３  ワーク
７０  ＣＡＤ機能部
７１  ＣＡＭ機能部
７２  点群データ変換機能部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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