(57)【要約】【課題】被加工物にガスクラスターイオンビームを照射する際に、該被加工物を加熱してその表面を超平坦化する。【解決手段】被加工物１２を所定温度（例えば１６０〜１８０℃）に加熱しながら、該被加工物１２の表面にガスクラスターイオンビーム１０を照射し、被加工物１２の表面を超平坦化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を所定温度に加熱しながら、該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、表面を平坦化する、
ことを特徴とする被加工物の加工方法。
【請求項２】
前記被加工物を姿勢制御しながら、その姿勢に応じて前記ガスクラスターイオンビームの照射時間を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の被加工物の加工方法。
【請求項３】
前記被加工物の表面の加熱温度を略一定に制御しながら、前記ガスクラスターイオンビームを照射する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の被加工物の加工方法。
【請求項４】
被加工物を取付ける取付装置と、
該取付装置に取付けられた前記被加工物を加熱する加熱装置と、
該加熱された前記被加工物にガスクラスターイオンビームを照射する照射手段と、
前記ガスクラスターイオンビームに対し前記被加工物の照射面を略直角に姿勢制御する制御手段と、を備えている、
ことを特徴とする被加工物の加工装置。
【請求項５】
前記取付装置は、前記被加工物をその取付基部に対する３次元方向の位置と傾斜角度、及び回転角度を姿勢変更自在に取付けている、
ことを特徴とする請求項４に記載の被加工物の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物を加熱しながらガスクラスターイオンビームを照射して、その表面を超平坦化する被加工物の加工方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物の一例として、例えば光学素子の製造工程においては、研磨加工が用いられてきた。しかし、光学素子の表面は高い鏡面加工が要求されると共に、ガラスは割れやすく、かつ長い加工時間を要するため、大量生産には不向きであり、製造コストが増大するという課題があった。
【０００３】
このため、近年、成形型を用いた成形手段により光学素子を得る技術が多用されているが、この場合、成形型の転写面の表面粗さを非常に小さくする必要がある。このような高い平坦度の鏡面を得る技術に関し、例えば特許文献１には、ガスクラスターイオンビームを用いた加工方法が提案されている。
【０００４】
この加工方法によれば、熱硬化性樹脂を硬化後に焼成炭化して得られたガラス状カーボン材をウェハ状に加工した後に、表面を研磨し、その後、研磨面にガスクラスターイオンビームを照射して表面を超平坦化するというものである。
【特許文献１】特開２００３−２８２３８４号公報（第３頁、図２）
【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、前述した特許文献１では、ガラス状カーボン材にガスクラスターイオンビームを照射してカーボン製モニタウェハの表面を平坦化しているが、この場合、最初にソースガスとして酸素ガス（０2ガス）を用いた後、アルゴンガスを５分間照射している。また、このときのアルゴンガスの加速電圧として、１５ＫｅＶが印加されている。
【０００６】
しかし、この条件をガラス材料の一例として、例えば蛍石に転用して、アルゴンガスを加速電圧１５ＫｅＶとして照射した場合には、図６に示すように、蛍石材１５１の表面にラテラルスパッタリング（被加工面に平行な方向のスパッタリング）現象の再付着によって、直径数μｍの凸部１５２が多数形成されてしまう。
【０００７】
このように、被加工物が光学素子素材の場合には、この凸部１５２によって光が錯乱し、反射率が低下してしまうため、光学素子としては使用することができない。
従って、カーボン製モニタウェハカーボン材を平坦化するために最適な照射条件を、例えば蛍石の超平坦化に転用したとしても、良好な結果を得ることはできなかった。
【０００８】
本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、被加工物にガスクラスターイオンビームを照射する際に、該被加工物を加熱してその表面を超平坦化することのできる被加工物の加工方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
被加工物を所定温度に加熱しながら、該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、表面を平坦化することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の被加工物の加工方法において、
前記被加工物を姿勢制御しながら、その姿勢に応じて前記ガスクラスターイオンビームの照射時間を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の被加工物の加工方法において、
前記被加工物の表面の加熱温度を略一定に制御しながら、前記ガスクラスターイオンビームを照射することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、
被加工物を取付ける取付装置と、
該取付装置に取付けられた前記被加工物を加熱する加熱装置と、
該加熱された前記被加工物にガスクラスターイオンビームを照射する照射手段と、
前記ガスクラスターイオンビームに対し前記被加工物の照射面を略直角に姿勢制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の被加工物の加工装置において、
前記取付装置は、前記被加工物をその取付基部に対する３次元方向の位置と傾斜角度、及び回転角度を姿勢変更自在に取付けていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、被加工物を均一に加熱できるように温度制御した状態で、該被加工物にガスクラスターイオンビームを照射することで、例えばラテラルスパッタリング現象によりスパッタ物が被加工物に再付着するのを抑制し、被加工物の超平坦化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、超平坦加工装置であ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している。このガスクラスターイオンビーム加工装置１００は、ソース部１と差動排気部２とイオン化部３の３つのチャンバーを有している。
【００１６】
これら各チャンバーの室内は、ガスクラスターイオンビーム１０の照射前の準備として、不純物ガス、水、酸素、窒素等をできるだけ排除するために、不図示のポンプにて所望の真空度に減圧されている。
【００１７】
ソース部１には、ノズル４とスキマー５とが配置されている。ノズル４には、不図示のガスボンベから０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスが供給される。このガスは、たとえば、アルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、ＳＦ6（六フッ化硫黄）ガス、ヘリウムガスの他、化合物の炭酸ガス、あるいは２種類以上を混合したガスを用いることもできる。
【００１８】
ヘリウムガスは、単独ではクラスターを生成することができないので、他のガスと混合してから用いる。このような高圧ガスが、超音速でノズル４から噴出する瞬間の断熱膨張によってガスクラスターイオンが生成され、次にスキマー５を通過することによって、ガスクラスターイオンのビーム径が整えられる。
【００１９】
差動排気部２には、ガスクラスターイオンビーム１０を開閉するシャッター１８が配列されている。ソース部１を出たときのガスクラスタービーム１０は、中性子ビームであるが、差動排気部２を経由してイオン化部３に入り、該イオン化部３内のタングステンフィラメント６の熱電子の衝突によってイオン化される。
【００２０】
以上のガスクラスターイオンを生成するノズル４と、熱電子の衝突によってイオン化を行うタングステンフィラメント６とで、照射手段が構成されている。ガスクラスターイオンビーム１０は、加速電極７によって加速される。このとき、ガスクラスターイオンビーム１０を、グランド電極８の形状の変更と、第三電極９とグランド電極８の距離の変更により、安定して照射できるような最適位置に設定する。
【００２１】
更に、加速電極７の下流側には、アパーチャー１１が配置されている。このアパーチャー１１の絞り径を、被加工物１２の形状や面積にあわせて変化させ、所望のスポット径を得る。
【００２２】
アパーチャー１１と被加工物１２との間には、ニュートライザー１９が設置されている。このニュートライザー１９により、樹脂やガラスなどの絶縁体の被加工物１２に、ガスクラスターイオン１０を照射した場合に発生するチャージアップによる変形を防ぐようにしている。
【００２３】
更に、アパーチャー１１の下流側には、前述した被加工物１２が配設されている。この被加工物１２の照射面は、ガスクラスターイオンビーム１０の入射方向に対して略垂直となるように配設されている。この被加工物１２は、図１の紙面左右方向（水平方向であるＺ方向）への移動が可能なＺ軸ステージ１６と、紙面表裏方向（Ｚ方向に対して垂直でかつ水平方向であるＸ方向）に移動が可能なＸ軸ステージ１４と、紙面上下方向（Ｚ方向及
びＸ方向に対して垂直な鉛直方向であるＹ方向）に移動可能なＹ軸ステージ１５と、に搭
載されている。これらＸ軸ステージ１４、Ｙ軸ステージ１５、及びＺ軸ステージ１６にて
、本実施形態の取付装置が構成されている。
【００２４】
なお、被加工物１２の高さ（Ｙ方向）は、ガスクラスターイオンビーム１０の高さと略一致するように設定されるが、この被加工物１２の高さはＹ軸ステージ１５によって調整される。このＹ軸ステージ１５は、Ｘ軸ステージ１４の下部に固設されている。
【００２５】
また、Ｘ軸ステージ１４には、不図示のサーボモータあるいはステッピングモータが搭載されている。これらサーボモータあるいはステッピングモータは、制御手段としての制御部３０により制御される。
【００２６】
前述したＹ軸ステージ１５は、不図示のネジにて手動調整が可能となっている。また、このＹ軸ステージ１５は、サーボモータあるいはステッピングモータで微調整が行えるようになっている。なお、Ｘ軸ステージ１４及びＹ軸ステージ１５は、本装置のベース１７上に搭載されているブラケット２０に固定されている。
【００２７】
制御部３０は、算出部３３と記憶装置３４とを有しており、制御プログラムを作成することができる。この制御プログラムによって、少なくともＸ軸ステージ１４とＹ軸ステージ１５を駆動し、任意の被加工物１２の位置にガスクラスターイオンビーム１０を照射することができる。
【００２８】
被加工物１２の付近には、加熱装置としてのハロゲンランプヒ一夕２１、及び少なくとも２個の熱電対２２が設置されている。この熱電対２２の測定結果をもとに、温度コントローラ２３でハロゲンランプヒ一夕２１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００２９】
熱電対２２は、０．１℃以上の分解能を有している。また、ハロゲンランプヒ一夕２１は、被加工物１２を均一に加熱できるように、位置制御可能な回転機構２４に載置されている。
【００３０】
なお、ハロゲンランプヒ一夕２１を用いる代わりに、被加工物１２を不図示のヒ一夕に直接載せて加熱する方法であっても良い。
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００３１】
図１において、被加工物１２の加熱温度が１６０〜１８０℃となるように、被加工物１２の近傍に温度検出器としての少なくとも２個の熱電対２２と、加熱装置としてのハロゲンランプヒ一夕２１を配置し、これらを温度コントローラ２３に接続する。この熱電対２２は、測定温度の分解能が０．１℃以上の機能を備えている。
【００３２】
そして、検出温度が目標加熱温度よりも上昇しすぎた場合には、ハロゲンランプヒ一夕２１の電源をＯＦＦにして、被加工物１２の温度制御を行いながら、該被加工物１２の表面にガスクラスターイオンビーム１０を照射する。
【００３３】
本実施形態において、熱電対２２を少なくとも２個設置したのは、被加工物１２の温度を少なくとも２箇所で検出して、被加工物１２を均一に加熱するようにするためである。このとき、加熱温度は、被加工物１２の材料に依存するので、融点の低い材料の場合は加熱温度を低めに設定するなど、各材料の融点を考慮して設定する必要がある。
【００３４】
また、ガスクラスターイオンビーム１０を被加工物１２の表面に照射するために、該被加工物１２を取付けたステージの位置を制御する。この場合、被加工物１２とハログンランプヒ一夕２１との距離を常時一定とするために、ハロゲンランプヒ一夕２１の位置を制御可能な回転機構２４を備えることで、被加工物１２が大きな面積を有する場合にも、その略全面を均一に加熱することができる。
【００３５】
また、ガスクラスターイオンビーム１０の照射条件としては、ソースガスにアルゴンガスを用いて、加速電圧は３０ＫｅＶとし、１時間３０分照射した。このときの照射条件は、予め、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope 原子間力顕微鏡）にて表面粗さを測定し、表面に傷がある場合には、その傷の位置と深さ、及び幅を測定し、レンズと同じ材料にガスクラスターイオンビーム１０を照射した基礎デ一夕から算出して決定する。
【００３６】
被加工物１２を加熱しない場合には、従来例の図６で示したように、レンズ表面にツブツブとした凸部が発生する。このような凸部が発生した被加工物１２は、光学素子である場合、反射率測定機にて反射率を測定したときに、光の拡散現状が生じる。このため、反射率が約１％ほど上がってしまい、光学特性を損なってしまう。
【００３７】
また、被加工物１２の表面の傷を除去して超平坦化するためには、必要以上に、照射ドーズ量を大きくしてしまうと、形状精度が崩れるおそれがあるので、材料ごとに適切な照射条件が必要となる。
【００３８】
本実施形態において、ガスクラスターイオンビーム１０の照射後の傷をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察した結果、傷が浅い傾向になっている。表面粗さは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定範囲口３０μｍにて測定した結果、照射後も光学素子として必要な表面粗さを維持できていた。
【００３９】
また、光学特性として、反射率を測定した結果、ガスクラスターイオンビーム１０の照射前後の測定において変化が微量であることがわかった。
従来は、被加工物１２の傷を除去して超平坦化する際に、加速電圧３０ＫｅＶ以上で、アルゴンガスを用いた場合に、無加熱で行うと、被加工物１２の表面にラテラルスパッタリング現象が再付着し、凸部が発生していた。このため、光学素子としては使用することができなかった。
【００４０】
しかし、本実施形態によれば、ガスクラスターイオンビーム１０の照射前に被加工物１２を加熱することで、該被加工物表面への凸部の発生を無くし、光学素子としての特性を維持することができた。
（第２の実施の形態）
図２は、本実施形態のガスクラスターイオンビーム加工装置１００の概略構成を示している。
【００４１】
このガスクラスターイオンビーム加工装置１００は、ガスクラスターイオンビーム１０の照射角度を、被加工物１２に対して略垂直に取付ける取付装置を備えた点が、第１の実施の形態と相違している。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には、同一の符号を付して説明する。
【００４２】
図２に示すように、本実施形態の取付装置は、Ｘ軸ステージ１４，Ｙ軸ステージ１５，Ｚ軸ステージ１６、更に、被加工物１２の位置と傾斜角度、及び回転角度が変更自在（例えば、球面軸受等）な回転ステージ１３を有している。このような各ステージに、被加工物１２を取付け、この被加工物１２を、取付装置を介して制御部３０により姿勢制御しながらガスクラスターイオンビーム１０を照射する。
【００４３】
本実施形態では、被加工物１２として、特殊低分散ガラス（ＦＰ１−５１）製のレンズ２５を用いた例を示す（図５参照）。また、図３には、このガラスレンズ２５の曲率に対応するように、該レンズ２５を２０°ごとに角度傾斜させたときの照射面の除去量を測定した結果を示している。更に、図４には、レンズ２５を角度傾斜させたときの照射面の表面粗さを示している。
【００４４】
図３によれば、概略的に傾斜角度２０°〜８０°で除去量が増えており、また、図４によれば、傾斜角度４０°〜８０°で表面粗さ（凹凸）が大きくなっていることがわかる。
なお、図３及び図４は、被加工物１２を無加熱状態で実験を行った結果である。このように、ソースガス種によっては、無加熱でも、ラテラルスパッタリング現象の再付着に起因する凸部の形成を抑制することができる。しかし、被加工物１２の材料とソースガス種、加速電圧の組み合わせが限られてくるので、所望の除去能率が得られないおそれがある。
【００４５】
そこで、本実施形態では、被加工物１２の表面での凸部の発生を抑制するには、被加工物１２を加熱しながらガスクラスターイオンピーム１０を照射することによって、幅広い材料やソースガス種、加速電圧の組み合わせに対して凸形状の発生が抑制可能となる。
【００４６】
図３及び図４において、角度傾斜０°では、被加工物１２に対してガスクラスターイオンピーム１０の角度を傾斜していないので、レンズ２５の照射面に対してガスクラスターイオンビーム１０が略垂直に照射されたことになる。
【００４７】
本実施形態において、ソースガスとして、ＳＦ６＋Ｈｅを用いた場合、角度傾斜０°では、表面粗さＲａ  ｌ．６９ｎｍであり、角度傾斜２０°では、Ｒａ  ２．５ｎｍ、また、角度傾斜４０°では、Ｒａ  ６．６ｎｍであった。
【００４８】
また、図５に示すように、ガスクラスターイオンビーム１０の入射角度によって、例えば、ガスクラスターイオンビーム１０をレンズ２５のＡ部に照射したときに、意図しない範囲であるＢ部にガスクラスターイオンビーム１０が照射されると、レンズ表面の表面粗さが一部、粗面化することによって、フレアやゴーストなどの発生による光学特性を損なうおそれがある。
【００４９】
これを防ぐためには、被加工物１２が球面のようなレンズ２５においても、ガスクラスターイオンビーム１０の照射により最も表面粗さが良くなるように、レンズ２５に対して、ガスクラスターイオンビーム１０の入射角度が略垂直となるように姿勢制御すれば良い。
【００５０】
そのために、本実施形態では、予め、レンズ形状を三次元形状測定器３２にて測定したのち、レンズ２５を任意の位置に姿勢変更できるように、Ｘ軸ステージ１４，Ｙ軸ステージ１５，Ｚ軸ステージ１６、及び傾斜・回転が可能な回転ステージ１３に取付けて、常に被加工物１２を姿勢制御可能としたものである。
【００５１】
これらの実験結果から、被加工物１２を加熱することによって被加工物表面の凸部の発生を抑制することができると共に、ガスクラスターイオンビーム１０が被加工物１２に対して略垂直に照射できるように該被加工物１２を姿勢制御することによって、形状精度を損なうことなく超平坦化加工を行うことができる。なお、このときの被加工物１２の形状は、球面のみならず、平面、曲面、自由曲面、非球面等を含むことは勿論である。
【００５２】
本実施形態によれば、光学素子としてＦＰＬ−５１などの特殊低分散ガラスに、アルゴンガスを加速電圧３０ＫｅＶ以上加えた場合は、表面に凸部が形成されていたが、被加工物を加熱しながらガスクラスターイオンビーム１０を照射することによって、表面のダメージを抑制することができ、表面の超平坦化を達成することができる。
【００５３】
なお、第１及び第２実施形態での表面の超平坦化とは、表面粗さを向上させるだけではなく、表面の傷を除去することをも含むものである。
また、本実施の形態では、被加工物１２としてレンズを用いたが、プリズムやフィルターなどの光学素子を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施の形態の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図である。
【図２】第２の実施の形態の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図である。
【図３】被加工物の角度傾斜と除去量との関係を示す図である。
【図４】被加工物の角度傾斜と表面粗さとの関係を示す図である。
【図５】球面へのガスクラスターイオンビーム照射時の概略を示す図である。
【図６】無加熱で被加工物にガスクラスターイオンビームを照射した時の表面状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１      ソース部
２      差動排気部
３      イオン化部
４      ノズル
５      スキマー
６      タングステンフィラメント
７      加速電極
８      グランド電極
９      第三電極
１０    ガスクラスターイオンビーム
１１    アパーチャ
１２    被加工物
１３    回転ステージ
１４    Ｘ軸ステージ
１５    Ｙ軸ステージ
１６    Ｚ軸ステージ
１７    ベース
１８    シャッタ
１９    ニュートライザー
２０    ブラケット
２１    ハロゲンランプヒータ
２２    熱伝対
２３    温度コントローラ
２４    回転機構
２５    レンズ
３０    制御部
１００  ガスクラスターイオンビーム加工装置
【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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