CO2 レーザを用いた微細三次元形状測定機用極小径光ファイバスタイラス加工技術の開発
北九州市立大学

国際環境工学部 機械システム工学科
准教授 村上 洋（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016208）

キーワード：CO2 レーザ，微細形状測定，光ファイバ

１．研究の目的と背景

射部断面図を示し，光ファイバプローブの測定原理を示す．

近年，微細金型，各種ノズル穴，光通信・医療機器，半光ファイバの先端を溶融させて製作した接触子が固定さ導体・MEMS・マイクロマシン等の分野において，立体的でれたものをスタイラスとして用いる．スタイラスシャフト

微細な三次元形状部品が増加しており，加工の高精度化・は姿勢調整用のチューブ型ピエゾ駆動素子に固定されて製品の高機能化のためこれらを精密に測定するニーズがいる．また，スタイラスに対して約 60 度傾いた位置に波増加している．例えば，TSV（Through-Silicon Via，シリ長 405 nm の半導体レーザが設置されており，スタイラスコン貫通電極）(1)は半導体チップの内部を垂直に貫通するシャフトに向かって XY 方向から集束レーザ光を照射する．

電極用の微細穴（直径 10 µm，深さ 100～500 µm）である

レーザ光はプリズム内を通り上方へと反射され，スタイラが，エッチングによる微細穴加工条件最適化のため，そのスシャフトに照射される．スタイラスシャフトを透過した側壁粗さの測定が要求されている．従来技術では測定が不光は，スタイラスを間にして反対側に可能な直径が 10 µm 以下の微小径穴や溝，側壁粗さの測2 分割型フォトダイオードで受光する．図２に示すように定に対応可能な微細三次元形状測定装置実用化のために集束レーザ光を斜め上方より照射後，プリズムで反射させは，スタイラスの小型化・小径化（直径 1 µm 以下）と高レーザ光をスタイラスの斜め下方向から照射することで，機能化（高分解能，低測定力）が必要である．そこで我々

レーザ光および 2 分割型フォトダイオードをスタイラスは，極小径（直径数 µm 以下）の光ファイバスタイラスをのレーザ照射部よりも上方に設置することが可能になり，用いた微細三次元形状測定機を開発中である．図１，図２

測定対象物との干渉を回避できる．ここで，スタイラスシに，測定装置の概略図およびスライラスレーザ照射部の概略図を示す．図３に図 1 の XY 平面のスタイラスレーザ照
図１

微細形状測定機概略図設置された 2 組のャフトはロッドレンズとして利用することで，スタイラスI PY2 ＝ I PY1の変位を拡大している．ここで，各フォトダイオードで検出する光強度値は電圧値に変換され，図３(a)に示すようにそれぞれ𝐼𝑃𝑋1 , 𝐼𝑃𝑋2 , 𝐼𝑃𝑌1 , 𝐼𝑃𝑌2 (V)とする．接触子が測定対Y象面に接触していない状態では，𝐼𝑃𝑋1 , 𝐼𝑃𝑋2 および𝐼𝑃𝑌1 , 𝐼𝑃𝑌2X
Fiber stylusは同一強度に保たれているが，接触子が測定対象面に接触

I PX2＝DI PX1し，スタイラスシャフトがたわみ，スタイラスシャフトのL2
Dual-element photodiode

レーザ照射位置が変位すると𝐼𝑃𝑋1 , 𝐼𝑃𝑋2 および𝐼𝑃𝑌1 , 𝐼𝑃𝑌2 のCondenser lens

光強度に差が生じ，接触方向を検出できる．例えば，図３

L1Laser beam(a)の初期状態では，𝐼𝑃𝑋1 = 𝐼𝑃𝑋2 および𝐼𝑃𝑌1 = 𝐼𝑃𝑌2 であるが，(b) 初期状態

図３ (b)に示すように X 方向にプローブ用ファイバが変I PY2 < I PY1

位すると，光ファイバ内部を透過するレーザの屈折方向が変わるため 𝐼𝑃𝑋1 = 𝐼𝑃𝑋2 および𝐼𝑃𝑌1 > 𝐼𝑃𝑌2 となる．ここで，𝐼𝑃𝑌1 および𝐼𝑃𝑌2 を用いた X 方向変位の出力𝐼𝑋 (V)，𝐼𝑃𝑋1 および𝐼𝑃𝑋2 を用いた Y 方向変位の出力𝐼𝑌 (V)を式(1)，(2)で定義する．出力𝐼𝑋 ，出力𝐼𝑌 は，半導体レーザを変調するファI PX2＝ンクションジェネレータの信号を参照信号とし，ロックイ

I PX1ンアンプを用いて同期検波することで各種ノイズを取りMoving direction

除いている．測定対象物表面を XYZ ピエゾステージを用いてスタイラスで順次走査することにより測定する．一般的にはスタイラス接触子の測定対称面への接触を検知する(a) Ｘ方向への変位センサ機構に力を伝えるためにスタイラスシャフトの剛図３

性を高くする必要があるが，本測定原理ではスタイラスシ
ャフトのたわみをレーザを用いて非接触で間接的に検出する方式であるため，剛性が低く小径で長いスタイラスを使用可能であり，高アスペクト比の穴や溝などの測定に対応可能である．

測定原理

２．実験方法2・1 スタイラス小径化・先端先鋭化技術の開発
スタイラスシャフトは各種酸を用いたウェットエッチングにより直径 125 µm の光ファイバを小径化し製作して𝐼𝑋 = 𝐼𝑃𝑌1 − 𝐼𝑃𝑌2(1)いる．図４に示すように温調器にエッチング液が入って容𝐼𝑌 = 𝐼𝑃𝑋1 − 𝐼𝑃𝑋2(2)器を設置し，光ファイバスタイラスの先端を浸漬してエッチングを行った．

ここで，上記に記載した微細壁面粗さなどの測定要求に対応するためには，先端が球形状のスタイラスや極小径で先端が曲り鋭利なスタイラスが必要である（粗さ測定機などで一般的に用いられる円錐状のスタイラスでは穴や溝の測定はできない．）そこで，フッ化水素酸によるウェットエッチングと CO2 レーザを用いることで直径が 1 µm 以下のスタイラスシャフトの先端部を図１に示す形状に短時間で高精度に製作可能な加工方法の開発を行った．

図２

スタイラスレーザ照射部概略図

図４

エッチング装置

図５にエッチング温度とエッチング速度の関係を示す．

約 0.4 µm，接触子直径約 1.2 µm，図９(b)はスタイラスシ

エッチング液の温度と平均のエッチング速度は図４のよャフト直径約 1 µm，接触子直径約 3 µm，図９(c)はスタうに指数関数による近似が可能となる．つまり，温度に対イラスシャフト直径約 2.5 µm，接触子直径約 5 µm，であして指数関数的に反応速度が上昇しており，アレニウスのる．直径約 0.4 µm の極小径のスタイラスシャフトでも式ともよく一致していることが分かる．

CO2 レーザを用いることで球形状に成形可能であることを確認した．

図５ エッチング温度と速度の関係
このエッチング温度および時間を制御することにより，図６に示すように直径が約 0.4 µm のスタイラスシャフトを製作することができた．また，先端部をエッチング液に浸漬し，表面張力により図７に示す先端半径約 25 nm の先鋭化スタイラスを製作可能であることを確認した．

図８

CO2 レーザによる先端球製作方法

Stylus shaft(φ0.4 µm)

Stylus tip(Sφ1.2 µm)(a)
図６ 製作したスタイラスシャフト例
Stylus shaft(φ1 µm)Stylus tip(Sφ3 µm)(b)

図７ 製作した先鋭化スタイラスの例
2・2CO2 レーザを用いたスタイラス先端球成形および曲げ加工技術の開発

Stylus shaft(φ2.5 µm)

CO２レーザを用いたスタイラス先端球の製作方法および曲げ加工方法について紹介する．図８に CO２レーザによる接触子製作装置の概略図を示す．前項記載のエッチン

Stylus tip(Sφ5 µm)

グ方法で製作したスタイラス先端部に対物レンズによって集光した CO２レーザを照射し溶融させ，表面張力により接触子を成形する．スタイラスの鉛直下方向から CO２レーザを照射して接触子を形成する．図９に製作したスタイラスの写真を示す．図９(a)はスタイラスシャフト直径(c)図９

製作したスタイラス

次に，微細壁面粗さなどの測定要求に対応するためには，３．結言極小径で先端が曲り鋭利なスタイラスが必要である．2.1

本研究では，ウェットエッチングおよび CO2 レーザを項で先鋭化したスタイラスシャフトの一部を CO2 レーザ用いた微細三次元形状測定機用極小径光ファイバスタイで加熱することにより先端を曲げることが可能である．図

ラスの製作方法について検討した．その結果，直径約 0.4１０に先端を曲げたスタイラスの写真を示す．

µm のスタイラスシャフトや先端球が約 1 µm のスタイラス，および粗さ測定用の先鋭化曲げスタイラスが製作可能であることを確認した．今後は，表面間力によるスタイラス先端球の測定対象面への付着を防止するため，スタイラスへの各種コーティング手法の開発について取り組む予定である．

謝

辞本研究の一部は公益財団法人天田財団，戦略的基盤技術高度化支援事業，および科学研究費補助金を受けて行ったことを記し，謝意を表す．

参考文献
1)

Victor Vartanian, et al., Metrology needs forthrough-silicon via fabrication, J. Micro/Nanolith.
MEMS MOEMS 13 (1) 011206, (2014) 1-9.

図１０

先鋭化曲げスタイラス