(57)【要約】【課題】  加工対象の表面に数ｎｍレベルの溝パターンを形成することができ、研磨加工を比較的に短時間で行えてコスト面に有利性があるスクラッチ加工方法およびその加工装置を提供すること【解決手段】  支持台２に加工対象（試料１）を固定し、試料１には研磨バイト３を対面させ、両者の狭間へ磁気研磨液４を供給する。磁気研磨液４には非磁性の砥粒を混合し、αセルロースなどの増粘剤を混合する。研磨バイト３には試料１との対面に永久磁石３１を設け、駆動手段により平面上で所定軌跡の運動動作を行わせる。支持台２に連係した運動台８は逆相で運動動作を起動し、試料１側を逆相に動かす。研磨液が流動して攪拌状態となり、永久磁石３１の磁場により生成した磁気クラスタが砥粒を押さえつけ、相対運動により砥粒が試料１の表面を研削し、微細な溝パターンを適宜に形成できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象に対して研磨バイトを対面させるとともに、これらの周辺に磁気研磨液を存在させて流体研磨を行うことにより微細な溝パターンを形成するスクラッチ加工方法であって、
前記研磨バイトは前記加工対象との対面に磁場を発生する磁場発生源を設け、前記研磨バイトと前記加工対象との間に前記磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には非磁性の砥粒を混合しておき、平面上での所定軌跡の運動動作となる駆動を行う駆動手段により前記研磨バイトまたは前記加工対象の何れか一方に運動動作を行わせ、このとき前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えて流体研磨により微細な溝パターンの形成を行うことを特徴とするスクラッチ加工方法。
【請求項２】
前記駆動手段は２つを前記研磨バイトと前記加工対象のそれぞれに連係し、前記研磨バイトと前記加工対象の両者を互いに逆相に運動動作させることを特徴とする請求項１に記載のスクラッチ加工方法。
【請求項３】
加工対象との対面に磁場発生源を有する研磨バイトと、平面上での所定軌跡の運動動作を行わせる駆動手段と、前記研磨バイトと前記加工対象との狭間へ磁気研磨液を供給する供給手段とを備え、
前記駆動手段は前記研磨バイトまたは前記加工対象の何れか一方に連係し、前記磁気研磨液には非磁性の砥粒を混合しておき、前記供給手段を起動して前記研磨バイトと前記加工対象との間に前記磁気研磨液を存在させ、前記駆動手段を起動して前記研磨バイトまたは前記加工対象の何れか一方に平面上で所定軌跡の運動動作を行わせ、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加える構成であることを特徴とするスクラッチ加工装置。
【請求項４】
前記駆動手段は２つとし、前記研磨バイトと前記加工対象のそれぞれに連係し、前記研磨バイトと前記加工対象の両者を互いに逆相に運動動作させる構成であることを特徴とする請求項３に記載のスクラッチ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象の表面に微細な溝パターンを形成するためのスクラッチ加工方法およびその加工装置に関するもので、より具体的には、加工対象に対して研磨バイトを対面させるとともに、これらの周辺に磁気研磨液を存在させて流体研磨を行うことの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小電気機械システム、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる技術に注目があり、研究，開発が盛んに進められている。
【０００３】
ＭＥＭＳは、一般的に機械システムを極小レベルまでスケールダウンし、電子回路も含めた構成要素の全てが砂粒程度の大きさに収まる微小な機能素子を指す。例えば、半導体上のモータなど、半導体の内部に物理的に動く機械部分を含めたデバイスがあり、電子工学よりの技術概念が中心になっている。また、ＭＥＭＳは広い技術範囲を指すものであり、バイオテクノロジ，医療，環境分析，自動車，科学プラント，情報通新機器など、幅広い分野への応用が期待できる。
【０００４】
このＭＥＭＳに関して、機械要素部品等の構成材料について機械的な加工が行われている。例えば、磁性を利用するための構成材料として永久磁石の薄膜（磁性体膜）を育成し、その磁性体膜の表面に傷を入れる加工を行い、その傷の方向に沿って異方性を与えることが行われている。つまり、磁性体膜に対して針のようなもので線状に掘ることで数μｍ程度の溝パターンを加工しており、それをスクラッチと呼んでいる。具体的にはこのスクラッチ加工には、電子ビームを使ってパターンニングすることが試みられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、そうした従来のスクラッチ加工の技術では以下に示すような問題がある。電子ビームによるパターンニングは、加工に時間がかかりコストが高くなる問題がある。また、電子工学技術の他の分野と同様に、ＭＥＭＳにあってもデバイスの小型化，微細化の要求が常にある。このため、スクラッチ加工について、数ｎｍ程度の溝、すなわち数ｎｍレベルの加工が求められている。
【０００６】
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、加工対象の表面に数ｎｍレベルの溝パターンを形成することができ、研磨加工を比較的短時間で行え、コストの低減を図ることのできるにスクラッチ加工方法およびその加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的を達成するために、本発明に係るスクラッチ加工方法は、加工対象に対して研磨バイトを対面させるとともに、これらの周辺に磁気研磨液を存在させて流体研磨を行うことにより微細な溝パターンを形成するスクラッチ加工方法であって、研磨バイトは加工対象との対面に磁場を発生する磁場発生源を設け、研磨バイトと加工対象との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には非磁性の砥粒を混合しておき、平面上での所定軌跡の運動動作となる駆動を行う駆動手段により研磨バイトまたは加工対象の何れか一方に運動動作を行わせ、このとき磁場発生源により磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えて流体研磨により微細な溝パターンの形成を行うようにした。
【０００８】
駆動手段は２つを研磨バイトと加工対象のそれぞれに連係し、研磨バイトと加工対象の両者を互いに逆相に運動動作させることもよい。
【０００９】
また、本発明に係るスクラッチ加工装置は、加工対象との対面に磁場発生源を有する研磨バイトと、平面上での所定軌跡の運動動作を行わせる駆動手段と、前記研磨バイトと前記加工対象との狭間へ磁気研磨液を供給する供給手段とを備え、駆動手段は研磨バイトまたは加工対象の何れか一方に連係し、磁気研磨液には非磁性の砥粒を混合しておき、供給手段を起動して研磨バイトと加工対象との間に磁気研磨液を存在させ、駆動手段を起動して研磨バイトまたは加工対象の何れか一方に平面上で所定軌跡の運動動作を行わせ、磁場発生源により磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加える構成にした。そして、駆動手段は２つとし、研磨バイトと加工対象のそれぞれに連係し、研磨バイトと加工対象の両者を互いに逆相に運動動作させる構成とするとよい。
【００１０】
各発明に用いる磁気研磨液は、動粘度０．０１〜１００ｍｍ２／ｓ程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径１〜８００μｍの強磁性粒子を１０〜９５ｗｔ％分散させた流体に対して、粒子径１０〜５０ｎｍの球形マグネタイト粒子が、電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を５〜９０ｗｔ％混合した複合流体に、粒子径０．０１〜１００μｍの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を５〜９０ｗｔ％混合する構成のものが好ましい。
【００１１】
したがって本発明では、研磨バイトには磁場発生源を有し、基本的には研磨バイトまたは加工対象の何れか一方が、駆動手段により平面上で所定軌跡の運動動作を行う。研磨バイトと加工対象との間には磁気研磨液が存在し、当該磁気研磨液は非磁性の砥粒を含み、磁場発生源により磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場が加わると、磁気研磨液において磁気クラスタが生成する。具体的には上記したような組成において、強磁性粒子（例えば鉄粒子），マグネタイト粒子が磁気吸引力により多数が凝集して磁気クラスタとなる。磁気クラスタは、磁束に沿うので加工対象に対立して針状に多数が立ち並び、これにより磁気研磨液中に存在する砥粒が加工対象の表面に押えつけられる。また、磁気クラスタに絡み込まれた砥粒もあるので、それらも加工対象の表面に押えつけられる。
【００１２】
こうした状態で研磨バイトと加工対象とが相対的に運動し、これにより砥粒は加工対象の表面を接触しつつ運動する。このため、加工対象の表面を砥粒が研削し、微細な溝パターンを形成することができる。
【００１３】
また、駆動手段を２つ用いて研磨バイトと加工対象の両者を互いに逆相に運動動作させるようにすると、両者の相対運動が増し、このため研磨速度が速くなり、スクラッチ加工にかかる時間をより短縮できる。
【００１４】
溝パターンの形状は、駆動手段による平面上での所定軌跡の運動動作に対応し、例えば往復の直線運動では多数の直線が平行に並ぶ形状に形成することができる。そして、スクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒による研削なので、溝パターンの幅および深さは、砥粒の粒子径や磁気研磨液の濃度、そして磁場の強さや加工時間など、流体研磨の条件を適宜に設定することで調整でき、制御することができる。また、このスクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒による研削であることから、電子ビームによるパターンニングと違って加工が高速であり、電子ビーム発生装置といった高価な装置は必要ない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るスクラッチ加工では、基本的には研磨バイトまたは加工対象の何れか一方が、駆動手段により平面上で所定軌跡の運動動作を行うので、磁気研磨液中に生じた磁気クラスタの作用により流体研磨が行えて微細な溝パターンを形成できる。このスクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒による研削なので、その流体研磨の条件を適宜に設定することで溝パターンの幅および深さを調整でき、制御することができる。また、このスクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒による研削であることから加工が高速であり、電子ビーム発生装置といった高価な装置は必要ない。その結果、加工対象の表面に数ｎｍレベルの溝パターンを適宜に形成することができ、研磨加工を比較的に短時間で行え、コストの低下を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施の形態のスクラッチ加工装置は、加工対象（試料１）を支持台２に固定し、その試料１に対して研磨バイト３を非接触に対面させるとともに、それら両者の間には磁気研磨液４を存在させ、研磨バイト３には磁場の発生と所定軌跡の運動とを行わせる。そして、支持台２は所定軌跡の運動を逆相で行わせ、磁気研磨液４に生成した磁気クラスタにより流体研磨し、微細な溝パターンの形成を行う構成になっている。
【００１７】
磁気研磨液４は非磁性の砥粒を含有する。具体的には、動粘度０．０１〜１００ｍｍ２／ｓ程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径１〜８００μｍの強磁性粒子を１０〜９５ｗｔ％分散させた流体に対して、粒子径１０〜５０ｎｍの球形マグネタイト粒子が、電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を５〜９０ｗｔ％混合した複合流体に、粒子径０．０１〜１００μｍの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を５〜９０ｗｔ％混合している。この磁気研磨液４は、図示しない供給手段により、試料１と研磨バイト３との狭間へ供給するようになっている。
【００１８】
支持台２はスプリングネジ５を介してトラバース装置６の基台７に組み付ける。そして、トラバース装置６を運動台８に組み付けるようにしている。スプリングネジ５の部位に、接触式のロードセル９を配置する。つまり、トラバース装置６の基台７を動かすことで支持台２の上下位置を初期設定し、運動台８により所定軌跡の運動を与え、例えば研磨バイト３との対立面において所定振幅で往復に動作（振動）するといった運動動作を与えるとともに、その動作状況をロードセル９により検出するようになっている。
【００１９】
支持台２に対しては上方から研磨バイト３を突き向けており、研磨バイト３は駆動モータ１０に連係させ、これを駆動するようになっている。駆動モータ１０には、例えばボール盤，旋盤，ＮＣ旋盤，フライス盤などの駆動機構を用いることができ、出力軸に連結したチャック部１１に研磨バイト３の軸部を取り付ける。これにより、研磨バイト３は、チャック部１１（駆動モータ１０）に対して着脱が行える構成になっている。
【００２０】
研磨バイト３は、非磁性体からなる円柱体３０に同心に永久磁石３１を埋め込んであり、その永久磁石３１が試料１（加工対象）に向き合う。つまり、永久磁石３１は対面する試料１との間で磁気研磨液４に対して磁界を作用し、磁場を発生する磁場発生源となる。磁場発生源としては永久磁石３１に限らず、例えば電磁石なども好ましく適用でき、磁気研磨液４に対して磁界を作用し得るものであればよい。磁場の発生は時間的に定常的である必要はなく、時間的に変動的な磁場を発生させるものでもよい。
【００２１】
運動台８は図示しない駆動源を有し、研磨バイト３との対立面において所定軌跡で運動するように構成される。その運動動作には複数の運動モードを設定している。運動台８による運動動作は、研磨バイト３の軸部との対立面において、一定方向で往復に運動する運動動作や定点を中心に単純に回転する運動動作など、複数の運動モードがあり、研磨作業の際は加工を必要とする微細な溝パターンに応じて適宜に選択することになる。また、運動台８は、研磨バイト３側の運動動作に対して逆相に運動動作を行わせるようになっている。
【００２２】
試料１の研磨を行なうには、まず支持台２に試料１を固定し、上方の研磨バイト３に対して試料１の位置関係を初期設定する。そして、それら両者の狭間に対して磁気研磨液４の供給を開始し、次いで、駆動モータ１０および運動台８を起動して、研磨バイト３および試料１（支持台２）の両者を互いに逆相に運動動作させ、磁気研磨液４を攪拌状態にする。このとき、磁気研磨液４には磁場発生源（永久磁石３１）により磁場が作用し、試料１と研磨バイト３との間では、図２に示すように、磁束が生じて磁気研磨液４において磁気クラスタ１２が生成する。
【００２３】
つまり、研磨バイト３には永久磁石３１を埋め込んであるので磁場が作用し、永久磁石３１と試料１との間で磁束が生じ、強磁性粒子（例えば鉄粒子），マグネタイト粒子が磁気吸引力により多数が凝集して磁気クラスタ１２となる。磁気クラスタ１２は、磁束に沿うので試料１に対立して針状に多数が立ち並ぶことになる。磁気研磨液４においては、増粘剤として加えたαセルロース１３が磁気クラスタ１２の相互間に織り込み状態に位置を占め、さらに非磁性の砥粒１４を加えてあるので、これは磁気クラスタ１２に絡み込まれるものもあるが、当該液が攪拌状態にあるため多くは試料１の表面に存在することになる。したがって、針状に立ち並ぶ磁気クラスタ１２および織り込み状態のαセルロース１３とによって、磁気研磨液４の中に存在する砥粒１４が試料１の表面に押さえつけられる。また、磁気クラスタ１２およびαセルロース１３に絡み込まれた砥粒１４もあるので、それらも試料１の表面に押えつけられる。
【００２４】
このような状態で研磨バイト３および試料１（支持台２）の両者が互いに逆相に運動動作することから、相対運動によって砥粒１４は試料１の表面を接触しつつ運動し、このため試料１の表面を砥粒１４が研削し、微細な溝パターンを形成することができる。つまり、スクラッチ加工が行える。
【００２５】
磁場が定常的の場合、磁気クラスタ１２は磁束に沿って整列して立ち並び、磁力により整列状態が保持されるので砥粒１４が試料１の表面（研磨面）に適度に当たって研磨が行える。また、磁場が変動的の場合、磁気クラスタ１２は揺れ動き、このときも砥粒１４が研磨面に適度に当たり研磨が行える。このように、研磨バイト３は試料１に対して見かけ上は有効な研削刃を持たないものの、磁気クラスタ１２およびαセルロース１３の押さえ作用により研磨することができ、流体研磨により微細な溝パターンの形成を行うことができる。
【００２６】
磁気研磨液４には増粘剤としてαセルロース１３を含むので、添加した増粘剤は磁気クラスタ１２を保持するように作用し、その結果、多数の砥粒１４が試料１の表面に接触する状況を促進でき、研磨を高効率に行える。
【００２７】
なお本実施の形態では、研磨バイト３および試料１（支持台２）の両者を互いに逆相に運動動作させているが、何れか一方のみを運動させる構成にすることもよい。つまり、運動台８は取り外して試料１側は運動させずに固定状態とし、研磨バイト３だけを運動動作させるようにしてもよい。
【００２８】
溝パターンの形状は、駆動手段による平面上での所定軌跡の運動動作に対応し、例えば往復の直線運動では多数の直線が平行に並ぶ形状に形成することができる。そして、スクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒１４による研削なので、溝パターンの幅および深さは、砥粒１４の粒子径や磁気研磨液４の濃度、そして磁場の強さや加工時間など、流体研磨の条件を適宜に設定することで調整でき、制御することができる。
【００２９】
また、このスクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒１４による研削であることから、電子ビームによるパターンニングと違って加工が高速であり、電子ビーム発生装置といった高価な装置は必要なく、コスト面に有利性がある。もちろん、磁気クラスタ１２による研磨なので試料１に大きな応力をかけることなく研磨が行える。
【００３０】
すなわち、本発明に係るスクラッチ加工によれば、磁気研磨液中の砥粒１４により研削が行えて、その結果、加工対象の表面に数ｎｍレベルの溝パターンを適宜に形成することができ、研磨加工は比較的に短時間で行えてるので、低コスト化けを図ることができる。これにより、例えばバイオメモリなどの培養行路を簡単に作ることができる。
【実施例】
【００３１】
図１に示すスクラッチ加工装置を用いて試料の研磨を行った。つまり、本発明の効果を実証するため、所定の研磨条件において試料（１）の研磨を行い、その試料（１）についてスクラッチの状態を評価した。磁気研磨液（４）は表１に示す組成とし、評価試験は研磨バイト（３）を単純に回転させる形態で行った。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
ここで、磁気研磨液（４）はその組成に、非磁性の砥粒（１４）として粒子径０．０５μｍのアルミナを含み、さらに増粘剤としてαセルロース（１３）を含ませている。そして、試料（１）にはホウ酸系ガラス（ＢＫ７）の平板を用い、寸法は縦１０ｍｍ，横１０ｍｍ，厚さ３ｍｍとした。磁場発生源である永久磁石（３１）は直径５ｍｍ，高さ８ｍｍの円柱形状のものとし、これは試料（１）とは間隔１ｍｍで対面させた。そして、研磨バイト（３）は、試料（１）との狭間に磁気研磨液（４）を供給しつつ回転数５００ｒｐｍで５分間だけ運転した。
【００３４】
その結果、図３に示すように、試料（１）の表面には同心状に周回する溝パターン（スクラッチ）が得られた。図３は試料（１）の表面を原子力間顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によりイメージ測定した結果であり、多数の溝パターンが同心状に周回して形成できたことを確認でき、得られた溝パターンは図４に示すように、深さ約１０ｎｍ，幅約０．２ｎｍであることを確認した。
【００３５】
本実施例では、研磨バイト（３）を回転動作させたことから、溝パターンは同心状に周回する形状となったが、これはもちろん適宜な形状に形成することができる。例えば、研磨バイト（３）は往復に直線運動させる構成とすることにより、溝パターンは多数の直線が平行に並ぶ形状に形成することができる。
【００３６】
スクラッチ加工は磁気研磨液中の砥粒（１４）による研削なので、溝パターンの幅および深さは、砥粒（１４）の粒子径や磁気研磨液（４）の濃度そして加工時間など、流体研磨の条件を適宜に設定することで調整でき、制御することができる。
【００３７】
すなわち、本発明に係る構成では、磁気研磨液中の砥粒（１４）により研削が行えて、その結果、加工対象の表面に数ｎｍレベルの溝パターンを適宜に形成することができ、本実施例により本発明の有用性が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るスクラッチ加工装置の好適な一実施の形態を示す構成図である。
【図２】磁気クラスタによる流体研磨を示す説明図である。
【図３】本発明に係るスクラッチ加工の結果を示し、原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）によるイメージ図である。
【図４】図３に示すスクラッチの断面形状を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  加工対象（試料）
２  支持台
３  研磨バイト
４  磁気研磨液
５  スプリングネジ
６  トラバース装置
７  基台
８  運動台
９  ロードセル
１０  駆動モータ
１１  チャック部
１２  磁気クラスタ
１３  αセルロース
１４  砥粒
３０  円柱体
３１  永久磁石（磁場発生源）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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