(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な溝を加工するために順次隣の溝にピックして進行していく溝加工するための工具であって、溝を切るための切れ刃とその近傍にショルダー部を有し、かつ、溝の開口部に形成されたバリを切るための切れ刃を該ショルダー部にも有し、次に加工する溝の方へピックする方向に対して、上記溝を切るための切れ刃より後方に上記ショルダー部を有することを特徴とする微細溝加工用工具。
【請求項２】
微細な溝を加工するための工具であって、溝を切るための切れ刃とその近傍にショルダー部を有し、かつ、溝の開口部に形成されたバリを切るための切れ刃を該ショルダー部にも有し、上記溝を切るための切れ刃より上記ショルダー部の切れ刃が、工具の切り込む方向に対して後方に位置することを特徴とする微細溝加工用工具。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の微細溝加工用工具の作製方法であって、
予め、工具の形状と加工された溝の形状との関係を把握するための溝加工を実施する工程と、
上記工程により得られた関係から工具の形状を決定して、溝を切るための切れ刃とショルダー部を工具に形成する工程と、
から成ることを特徴とする微細溝加工用工具の作製方法。
【請求項４】
被加工物の表面に微細な溝を加工するための工具として、請求項１又は請求項２に記載の微細溝加工用工具を用いることを特徴とする微細溝加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な溝を加工するための工具に関するものであり、さらに詳しくは、被加工物に形成した溝の開口部にバリを発生させない微細溝加工用の工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細形状を形成するための加工法の研究が注目されている。加工法として、フォトリソグラフィーやエッチング等の半導体プロセスがあるが、一般的には２.５次元の加工であり、３次元的な形状を加工するのは困難である。そこで、加工深さの制御性が高いことから、３次元形状の加工においては、機械加工法が他の加工法に対して有利であると言われている。即ち、曲面を含んだ３次元形状の表面に微細形状を形成するための加工法として、機械加工法は期待されている加工法である。
【０００３】
超精密に微細形状を形成するための機械加工法としては、ダイヤモンド工具の切れ刃を超精密に形成し、そのダイヤモンド工具を回転させながら加工を行うフライカット工法（ミーリング加工）や、ダイヤモンド工具を回転させないで送ることにより加工を行うシェーパー工法（引き切り加工）が、代表的なものである。
さらに、ＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）の機能を利用した加工法がある。このＳＰＭの原理を図１に示す。ＳＰＭは先端を尖らせたプローブ１を用いて、物質２の表面をなぞるように動かして表面状態を観察する顕微鏡のことである。原子間力を利用したＡＦＭ（原子間力顕微鏡）が代表的な顕微鏡であり、図１はＡＦＭの原理を示している。プローブ１が物質２の表面をなぞるときに、カンチレバー３の反り量が一定に維持されるように、つまり、フォトダイオード４でのレーザー光５の検出位置が一定となるように、ピエゾ６の伸縮によってＺ軸が上下動するフィードバック制御が行われる。カンチレバー３の反り量を一定に維持することは、プローブ１と物質２との間に働く力を一定に維持することであり、その力は微小であるため原子間力と言われる。
【０００４】
この反り量の設定によって、原子間力より大きな荷重を発生させることが可能であり、物質（被加工物）２を加工することができる。発生させる荷重を一定に維持することができるので、深さが一定の溝加工が可能である。加工対象が曲面であっても、原理的にはその曲面に対して追従することで、深さが一定の溝加工が可能である。ピエゾ６によるフィードバック制御のストロークは数μｍ程度であるため、曲面の加工には図１に示すようなヘッド部を搭載して、３次元的に走査できる装置が必要となる。
【０００５】
上記微細形状を形成するための機械加工装置としては、例えば、特開平５−８４６４３号公報（「微細溝加工装置」、特許文献１）に記載されているものがある。
この特許文献１に記載された微細溝加工装置５０は、図２に示すように、バニシング工具５７の角度を高精度に自動調整し、溝肩部のバリ高さの均一化、溝形状の高精度化が可能なバニシング工具の自動調整機能を備え、分光光度計や光ディスク用の微細溝加工をするためのものであり、工作物５２を回転軸受支持する主軸５４と、この主軸５４の回転軸心に直交するように直線移動する工具テーブル５１と、この工具テーブル５１の先端にバニシング工具５７の刃先が工作物５２に向くように配置された加工装置であって、バニシング工具５７と加工方向の角度を反射光の強度分布から長さに変換する手段と、この長さをもとにバニシング工具５７の角度を自動補正する手段とから成るものである。
なお、図２における符号５３は光学測定装置を、５５は定盤を、また５６は除振装置をそれぞれ示している。
【０００６】
また、被加工物の加工時に発生するバリを除去するバリ取り工具は、例えば、特開平１０−９４９１８号公報（「ばり取り工具」、特許文献２）に記載されている。
この特許文献２に記載されたバリ取り工具６０は、図３に示すように、被加工物７０の肩面近傍に開口する溝や穴の開口縁のバリを、肩面を傷つけることなく効率よく除去することができ、かつ、安価に製造することができるものであり、刃具保持体６１を工具本体６２に軸方向に移動可能に保持させ、長穴６３と係合ピン６４との係合により相対回転を防止し、該刃具保持体６１をスプリング６５により軸方向に前進する向きに付勢しており、この刃具保持体６１の先端部には、弾性変形部６６,６７を軸方向に互いに平行にかつ軸対称に形成し、それらの自由端部にバリ取り刃具６８を設けている。該弾性変形部６６，６７の弾性変形により半径方向の移動が許容され、また、スプリング６５の弾性変形により軸方向の移動が許容されるため、バリ取り刃具６８を被加工物７０の肩面７１に適度な接触力で接触させることができ、バリ取り刃具６８を回転させて切刃７２によりバリを除去することができるものである。
なお、図３における符号７３,７３は被加工物の貫通穴を、８０はバリ取り装置のスピンドルを、８１はスピンドルの中心穴を、また８２及び８３はキー溝及びキーをそれぞれ示している。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−８４６４３号公報
【特許文献２】特開平１０−９４９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、微細形状、特に溝を形成するときに、その開口部にバリが発生するという問題が生じる。上記特許文献１に記載された微細溝加工装置５０では、工具移動方向とバニシング工具５７の切れ刃稜線の向きを一致させることにより、バリの発生を抑制している。この場合は、バニシング工具５７の角度を自動補正しているが、加工が高速になると自動補正が追従しなくなることと、サブμｍ以下の大きさの微細形状を加工対象としたときに、反射光を検知することが困難となることから、この微細溝加工装置５０は微細形状を形成するための加工には適用できないものである。
また、上記特許文献２には、バリ取りのための専用工具に関する発明が開示されており、この場合には、先ず別の工具で所望の形状を形成するための加工を行い、その後にバリを取るための加工を行うことになるので、少なくとも２工程が必要であり、加工コストを上昇させる要因となる。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために、形成する溝の開口部にバリが発生しない一定深さの微細な溝を、複数の工程を要することなく容易に形成することができるように、微細溝加工用工具を工夫することをその技術的課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の微細溝加工用工具は、上記課題を解決するために、溝を切るための切れ刃と溝の開口部に形成されたバリを切るための切れ刃を持つことを特徴とするものである。
(１) 本発明に係る微細溝加工用工具は、微細な溝を加工するための工具を前提として、
溝を切るための切れ刃とその近傍にショルダー部を有し、かつ、溝の開口部に形成されたバリを切るための切れ刃を該ショルダー部にも有することである。
このように構成することによって、溝を切るための切れ刃が被加工物表面に溝を形成するとき発生したバリをショルダー部の切れ刃が除去するので、バリのない溝を形成することができる。また、溝を切るための切れ刃の先端からショルダー部までの距離によって溝の深さが決まるので、一定深さの溝を形成することが可能となる。
【００１１】
(２) また、上記微細溝加工用工具において、順次隣の溝にピックして進行していく溝加工するための工具であって、次に加工する溝の方へピックする方向に対して、溝を切るための切れ刃より後方にショルダー部を有することができる。（請求項１に対応）
このような構成により、溝を切るための切れ刃が被加工物表面に溝を形成するとき発生したバリを、次の隣の溝を形成するときにショルダー部の切れ刃で確実に除去することができるので、バリのない溝を形成することができる。
【００１２】
(３) また、上記微細溝加工用工具において、溝を切るための切れ刃よりショルダー部の切れ刃が、工具の切り込む方向に対して後方に位置することができる。（請求項２に対応）
このような構成により、溝を切るための切れ刃が先に溝を形成し、そのときに発生したバリをその後にショルダー部の切れ刃が除去するので、バリを確実に除去することができ、バリのない溝を形成することができる。
【００１３】
(４) 上記微細溝加工用工具を作製する作製方法であって、
予め、工具の形状と加工された溝の形状との関係を把握するための溝加工を実施する工程と、
上記工程により得られた関係から工具の形状を決定して、溝を切るための切れ刃とショルダー部を工具に形成する工程と、
から成ることである。
このように構成することによって、工具の形状と加工された溝の形状との関係から工具の形状を補正することができるので、所望する形状の溝を高精度に形成し得る工具を作製することが可能である。
【００１４】
(５) 被加工物の表面に微細な溝を加工する微細溝加工装置において、加工用工具として、上記微細溝加工用工具を用いることである。
このような構成により、バリのない、一定深さの溝を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果を請求項にしたがって整理すると、次のとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
溝を切るための切れ刃と、その近傍にバリを切るための切れ刃をもつショルダー部を有することにより、溝を切るための切れ刃が被加工物表面に溝を形成するとき発生したバリをショルダー部の切れ刃が除去するので、バリのない溝を形成することができる。また、溝を切るための切れ刃の先端からショルダー部までの距離によって溝の深さが決まるので、一定深さの溝を形成することが可能となる。
さらに、次に加工する溝の方へピックする方向に対して、ショルダー部が溝を切るための切れ刃より後方に位置することにより、溝を切るための切れ刃が被加工物表面に溝を形成するとき発生したバリを、次の隣の溝を形成するときにショルダー部の切れ刃で確実に除去することができるので、バリのない溝を形成することができる。
したがって、開口部にバリのない一定深さの微細な溝を容易に形成することが可能である。
【００１６】
（削  除）
【００１７】
(２) 請求項２に係る発明
工具が切り込む方向に対して、ショルダー部の切れ刃が溝を切るための切れ刃より後方に位置することにより、溝を切るための切れ刃が先に溝を形成し、そのときに発生したバリをその後にショルダー部の切れ刃が除去するので、バリを確実に除去することができ、バリのない溝を形成することができる。
【００１８】
(３) 請求項３に係る発明
工具の形状と加工された溝の形状との関係に基づいて、溝を切るための切れ刃とショルダー部を有する工具の形状を補正することができるので、所望する形状の溝を高精度に形成し得る工具を作製することが可能である。
(４) 請求項４に係る発明
被加工物の表面に微細な溝を加工する微細溝加工装置において、加工用工具として本発明の微細溝加工用工具を用いるので、バリのない、一定深さの溝を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
はじめに、本発明の工具の基本的な形状や機能について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は工具の形状を示す概念図であり、(ａ)は本発明の工具、(ｂ)は従来の工具である。また、図５はＶ溝の加工例を示す概念図である。
本発明において、微細な溝を加工するための工具１０の形状は、図４(ａ)に示すように、溝を切るための切れ刃１０ａとその近傍にショルダー部１０ｂを有している。このショルダー部１０ｂは、溝を加工したときに溝の開口部に形成されるバリを切るための切れ刃を有している。この工具１０はＶ溝を形成するためのもので、溝を切るための切れ刃１０ａはＶ形状をしており、被加工物を加工するときにはこのＶ形状を加工面に転写してＶ溝を形成する。Ｖ溝を形成するとその開口部のバリ形成が問題となるが、ショルダー部１０ｂが有する切れ刃によってそのバリが除去され、バリのない一定深さのＶ溝を形成することができる。
【００２０】
図４(ｂ)には従来の工具１２を示す。この従来の工具１２には、溝を切るための切れ刃１２ａしか存在しない。図４(ａ)に示すような本発明の工具１０と、図４(ｂ)に示すような従来の工具１２によって、被加工物１５の表面に加工されたＶ溝の概念図を図５に示している。図５(ａ)に示したＶ溝加工例(１)はＶ溝が隣接して配列された例であり、図５(ｂ)に示したＶ溝加工例(２)はＶ溝が離れて配列された例である。従来の工具１２を用いた場合には、図５(ａ),(ｂ)の頂点部拡大図に示すように、いずれのＶ溝加工例においても溝の開口部にバリが存在する。これに対して、本発明の工具１０を用いた場合では、ショルダー部１０ｂの切れ刃によってバリが除去されるため、バリのない溝を形成することができる。
【００２１】
次に、本発明の実施例の前提となる参考例について、図６を参照しながら説明する。図６は工具の形状と光学素子表面の微細溝を示す概念図である。
この参考例の工具２０は、図６(ａ)に示されるように、溝を切るための切れ刃２０ａとその近傍にショルダー部２０ｂを有していおり、このショルダー部２０ｂは、溝を加工したときに溝の開口部に形成されるバリを切るための切れ刃を有している。
このような工具２０を使用して微細溝加工を行う場合、図１に示すようなＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の機構を利用した加工ヘッドをＸ,Ｙ,Ｚ,Ａ,Ｂの５軸からなる加工機に装着して、３次元曲面である金型の成形面に加工を行うことができる。上記図１におけるプローブ１の部分が図６(ａ)に示す形状の工具となっており、この工具の材質は単結晶ダイヤモンドである。５軸加工機の各軸を動かすことによって、加工ヘッドと工作物である金型とが相対的に動き、また、加工ヘッド部のカンチレバー３のたわみ量が一定となるようにピエゾ６が伸縮することにより、加工荷重一定の加工が実現できるので、金型の成形面に一定深さの微細溝加工を行うことが可能となる。ここで、溝を切るための切れ刃２０ａ部分の形状が、ショルダー部２０ｂから３００ｎｍの高さで、ショルダー部２０ｂと交わる部分、つまり根元の幅が２００ｎｍとなるように、溝を切るための切れ刃２０ａと、ショルダー部２０ｂ及びバリを切るための切れ刃とを、ＦＩＢ（集束イオンビーム）によって形成した。
【００２２】
金型により成形された光学素子表面の微細溝を図６(ｂ)に示す。自由曲面からなる光学素子表面において、該光学素子表面の法線方向と光学素子成形時の離型の方向とが一致する付近を中心点とする。ここで、離型の方向は図６(ｂ)の光学素子表面に対して紙面に垂直方向に離型することとした。その中心点から放射状に微細溝が光学素子表面に存在する。さらに、放射状の微細溝とこの微細溝の間にも微細溝が存在し、それぞれの隣り合う微細溝と微細溝との間隔を２００ｎｍとする。
このようなパターンで配列する２００ｎｍの幅で３００ｎｍの深さのＶ溝形状を、金型の成形面に形成するための加工を行った。いわゆるサブ波長構造の加工である。加工したＶ溝にはバリの発生がなく、配列も所望のパターンからの大きなずれは発生しなかったため、この金型で成形した光学素子の反射率を測定したところ、波長が６５０ｎｍのレーザービームに対する光学素子表面の反射率を０.５％以下に抑えることができた。
【実施例１】
【００２３】
次に、本発明の実施例１について、図７を参照しながら説明する。図７は工具の形状とフライカット用工具を示す概念図である。
この実施例１の工具３０は、図７(ａ)に示すように、溝を切るための切れ刃３０ａとその近傍にショルダー部３０ｂを有しており、このショルダー部３０ｂは溝を加工するときに溝の開口部に形成されたバリを切るための切れ刃を有している。このような工具３０を使用して、フライカット工法により微細溝加工を行う場合、本実施例の工具３０では、工具が切り込む方向に対して、溝を切るための切れ刃３０ａよりショルダー部３０ｂの切れ刃が後方に位置している。つまり、図７(ｂ)において時計方向に回転するフライカット用工具３５のダイヤモンドチップ部３６が、図７(ａ)に示した工具３０から成っているので、被加工物がフライカット用工具３５の下側にある場合、ダイヤモンドチップ部３６は右から左へと移動しながら被加工物を加工するので、左から見たときに手前に溝を切るための切れ刃３０ａが存在し、この切れ刃３０ａの後にショルダー部３０ｂの切れ刃が位置している。
【００２４】
本実施例１ではダウンカットを採用しているので、図７(ｂ)において右の方向に工具を送りながら加工が進行する。図７(ａ)に示す工具３０を使用するため、工具の溝を切るための切れ刃３０ａが先行してＶ溝を形成し、その後に被加工物に作用するショルダー部３０ｂの切れ刃が、Ｖ溝の開口部に発生するバリを除去することができる。ピッチが６００ｎｍで、深さ３００ｎｍ、幅３００ｎｍの溝を加工したところ、バリのない高精度の溝を得ることができた。
ここで、シェーパー工法やＳＰＭ工法により、工具を往復方向で作用させるときには、図７(ｃ)に示した形状の工具３１が有効である。この工具３１は、溝を切るための切れ刃３１ａと、バリを切るための切れ刃を備えるショルダー部３１ｂとを有している。
【実施例２】
【００２５】
次に、本発明の実施例２について、図８を参照しながら説明する。図８は工具の形状と溝の加工パターンを示す概念図である。
この実施例２の工具４０は、図８(ａ)に示すように、溝を切るための切れ刃４０ａとその近傍にショルダー部４０ｂを有しており、このショルダー部４０ｂは溝を加工したときに、溝の開口部に形成されたバリを切るための切れ刃を有している。このような工具４０を使用して、シェーパー工法により被加工物１５に微細溝加工を行う場合、図８(ｂ)において、工具４０を奥から手前に送ることによって溝を形成し、その後、左にピックして手前から奥に送ることによって隣の溝を形成し、また、左にピックする。このように順次隣の溝を形成していく加工を行った。本実施例２では、工具４０を奥から手前に送って、次に手前から奥に送るというような加工を行っているが、奥から手前に送るのみでも、手前から奥に送るのみでも採用することが可能である。
このような加工を行うとき、図８(ｂ)において、工具４０はピック方向（左方向）に対して、溝を切るための切れ刃４０ａの後方（右方）にショルダー部４０ｂを有しているので、溝を切るための切れ刃４０ａで溝を形成し、そのときに形成されたバリをショルダー部４０ｂの切れ刃で除去することができる。
【００２６】
予め、工具４０の形状と、この工具で加工された溝の形状との関係を把握するために、溝加工を実施した。溝を切るための切れ刃４０ａ部分の形状が、ショルダー部４０ｂから２００ｎｍの高さで、ショルダー部４０ｂと交わる部分、つまり根元の幅が２００ｎｍである工具で加工することにより得られたＶ溝は、深さが１７０ｎｍで開口部の幅が２２０ｎｍであった。この加工結果から、溝を切るための切れ刃４０ａ部分の高さに対して、Ｖ溝の深さが８５％の値になっているので、溝を切るための切れ刃部分の高さ２００ｎｍを１／０.８５倍して２３５ｎｍに決定した。また、溝を切るための切れ刃部分における根元の幅に対して、Ｖ溝の開口部の幅が１１０％の値になっているので、根元の幅２００ｎｍを１／１.１０倍して１８２ｎｍに決定した。
そこで、高さが２３５ｎｍ、幅が１８２ｎｍであり、図８(ａ)に示す形状になるように、先の溝加工に使用した工具４０をＦＩＢを使用して再加工（補正）した。この工具４０の加工結果は高さが２３０ｎｍ程度で、幅が１７５ｎｍ程度であった。本実施例２では、先の溝加工に使用した工具を再加工することにより、所望の形状の工具を得たが、新規に工具を加工して作製しても良いことは言うまでもない。 
【００２７】
このように所望の形状に補正した工具を使用してＶ溝を加工したところ、深さ２００ｎｍで幅が２００ｎｍのＶ溝を形成することができた。このＶ溝を走査型電子顕微鏡により観察を行ったところ、溝の開口部に明らかなバリは観察されなかった。
本実施例２により加工した金型を用いて、樹脂にＶ溝を転写した光学素子の反射率を測定したところ、可視光の領域において０.６％以下の反射率に抑えることができ、反射防止機能をもたせることができた。
【００２８】
ここで、工具４０のショルダー部４０ｂの切れ刃は、溝の開口部に発生したバリを除去するのみではなく、積極的に溝の開口部の山部を切削しても良い。このような加工を行っても、一定の深さをもつ溝を形成することができる。
また、上記各実施例ではＶ溝を形成するものとして説明したが、溝を切るための切れ刃の形状を変更することによって、Ｖ溝のみではなくＵ溝や台形溝、矩形溝などを形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】は、ＳＰＭ（ＡＦＭ）の原理を説明する模式図である。
【図２】は、従来の微細溝加工装置の模式的な斜視図である。
【図３】は、従来のバリ取り工具を示す図である。
【図４】は、工具の形状を示す概念図であり、(ａ)は本発明の工具の形状、(ｂ)は従来の工具の形状を示す。
【図５】は、本発明の工具と従来の工具によるＶ溝の加工例を比較して示す概念図であり、(ａ)はＶ溝が隣接して配列された加工例、(ｂ)はＶ溝が離れて配列された加工例である。
【図６】は、本発明の参考例による工具に関する概略図であり、(ａ)は工具の形状、(ｂ)は金型により成形された光学素子表面の微細溝を示す。
【図７】は、本発明の実施例１による工具に関する概略図であり、(ａ)及び(ｃ)は工具の形状、(ｂ)はフライカット用工具を示す。
【図８】は、本発明の実施例２による工具に関する概略図であり、(ａ)は工具の形状、(ｂ)は(ａ)の工具による加工パターンを示す。
【符号の説明】
【００３０】
１０，２０，３０，３１，４０…工具
１０ａ，２０ａ，３０ａ，３１ａ，４０ａ…溝を切るための切れ刃
１０ｂ，２０ｂ，３０ｂ，３１ｂ，４０ｂ…ショルダー部
１５…被加工物
３５…フライカット用工具
３６…ダイヤモンドチップ部
【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１】
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