NACHITECHNICALREPORT
Machining

22B2

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March/2011■ 新商品・適用事例紹介

マシニング事業「ガスクラスターイオンビーム（GCIB）による表面超平坦化加工」
Super-smooth Surface Finishing withGas Cluster Ion Beam (GCIB)〈キーワード〉ガスクラスターイオンビーム・超平坦化加工
原子レベルの表面粗さ・GCIB加工装置
超硬合金・ニッケルメッキ・ダイヤモンド

開発本部／開発企画部

佐藤 嗣紀
Hideki SATO

「ガスクラスターイオンビーム（GCIB）による表面超平坦化加工」

要旨

電子デバイスや光学、医療などの分野では、原子レベルの表面粗さが要求されている。このような原子レベルの超平坦面を実現する数少ない手段の一ガスクラスターイオンビーム（GCIB）である。
つが、（クラスター）
膨張により凝集したガス原子、分子の固まり

表面粗さの要求

通常のイオンビーをイオンビームとして用いる技術であり、電子デバイスや光学、医療などの分野でマイクロムには無い優れた点がある。NACHIは機械部品の加工のニーズが増加している。加工単位（切り屑の超 平 坦 化 加 工を行なうために、加 工に特 化した大きさ）が1μｍ以下となると、固体の工具を使用するGCIB加工装置を開発した。NACHI-GCIB加工装レーザー、イオンビーム、電ことは困難になることから、置は高い排気能力を有し、独創的なイオン化電極と子ビームなどエネルギービームを用いる加工法の適5軸のステージを搭載することにより、複雑形状物の用が拡大している。

GCIB技術は、高圧ガスをノズルから噴出させ、断熱高能率加工を目的としている。これまでに超硬合金、とくに精密レンズ金型の分野では、光学特性上のダイヤモンドなどの超平坦化加工を実証し、Niメッキ、要求から表面粗さを1nm以下のサブナノメートルレ具体的な製品への適用に向けて開発をすすめている。

ベルにすることが求められている。固体材料を構成

Abstract
The atom-level of surface roughness is required for the parts of electronic devices, opticaldevices and medical devices/equipment. GasCluster Ion Beam（GCIB）is one of a few methods to achieve such super-smooth surface at theatomic level. In the GCIB technology, a highpressure gas is jetted from a nozzle and a clusterof gas atoms and molecules that are aggregatedwith adiabatic expansion are used as ion beams.
These ion beams have excellent characteristics
that are not seen in a normal ion beam.
NACHI has developed the GCIB systemthat is exclusive to the super-smooth surface finishing of mechanical parts. This GCIB system
has high exhaustion capability and is designed toachieve highly-efficient surface finishing of theparts with complicated shapes with the uniquelyionized electrodes and 5-axis stage. NACHI has
proved the capability of the system by testing itwith carbide, nickel-plated material and diamondfor super-smooth surface finishing and is working
on the specific application of the system.

11. 原子レベルのする原子と原子の間隔、つまり原子の大きさは数Å（1Å=0.1nm）であるので、1nm以下の表面粗さをその表面に原子数層分の高低実現するためには、差しか許されない。すなわち、サブナノメートルとは原子レベルの表面粗さであることを意味している。
NACHIは今後このようなサブナノメートルの加工これを実現するための手段が必要になると予見し、としてガスクラスターイオンビーム加工の開発を行なってきた。2007年より筆者が専門的にこの開発に携これわり、NACHI独自の加工専用装置の製作と、を用いての加工実証を行なってきた。

2. ガスクラスターイオンビームの発見とその特徴

1)2)

Ion

る原子の数に反比例するので、等価的に低エネルギーとは、希ガス原子や気体分子などガ
Beam; GCIB）のイオンビームである。従ってイオン照射の影響深さ、ス状の原子や分子を数百から数千個の塊（ガスクラすなわち固体表面のダメージはモノマーイオンと比とし、これをイオン化・加速して用いる技術でスター）またクラスター構成原子数が多いほど較して小さく、ある。ガス状の原子や分子を細いノズルから真空中小さくなる。

ガスクラスターイオンビーム（GasClusterに噴出させると、ガスは断熱膨張によって急激に冷（叩き出し）イオンによる固体原子のスパッタリング却されて凝集し、ガスクラスターとなる。この方法によ現象においても、モノマーイオンとクラスターイオンのるクラスタービームの発見は1950年のBeckerらによ場合では大きく異なる。モノマーイオンではスパッタさる超低温のノズルを用いた分子線の研究に始まっれた固体原子が全方位に等方的に離脱するのにたといわれている。1980年代後半に、京都大学のクラスターイオンの衝突では基板表面に対して対し、山田が室温のノズルから強力なガスクラスタービーム

水平方向に離脱する原子の割合が多い。この現象

引き続き豊田、松尾、瀬木、を発生させることに成功し、クラスターイオンはラテラルスパッタリングと呼ばれ、クラスターイオンと固体青木らとともに装置を開発し、クラスターイ衝突に特有のスパッタリング現象であり、表面との相互作用を解明したことで産業的な応用オンによる表面平坦化と密接に関係している。

が広がった。
イオンビームはその加速電圧により運動エネルギーイオン注入、微を容易に制御することができるため、細加工、薄膜形成など様々な用途に利用することがHigh sputtering yield
Multiple collisionat near-surface region

Dry Etching
Surface Cleaning
Surface Smoothingドライ、常できる。とくに微細加工においては非接触、温という優れた特徴がある。クラスターイオンビームに（単原子あはこうした特長のほかに、通常のモノマーるいは分子）
イオンビームにはない超低エネルギー
ラテラルスパッタ効果、超高密度照射効
照射効果、果という3つの特徴がある（図1）。
クラスターイオンビームの超低エネルギー照射効

Lateral sputteringThin Film Formation
High density
energy deposition

Shallow Implantation
Low energy effect

図1 クラスターイオンビーム照射効果の特徴1）
Monomer ion beam
High speed

Gas cluster ion beam
Low speed

果は計算機シミュレーションによって明らかにされている。図2にモノマーイオンとクラスターイオンの衝突の模式図を示す。イオンを固体材料に衝突させると、モノマーイオンは多数の欠陥を生成しながら固体内Rough surface

Deep penetration

Smooth surface

Low damage

部に注入されていく。これに対してクラスターイオンの1原子あたりのエネルギーは、クラスターを構成す

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図2 モノマー、クラスターイオン衝突の模式図2

「ガスクラスターイオンビーム（GCIB）による表面超平坦化加工」

3. GCIB装置と動作原理
図3にGCIB装置の概略を示す。GCIB装置はソーイオンチャンバーではフィラメントから出た熱電子をイオンチャンバー
スチャンバー（Source chamber）、数百Vの電圧で加速し、ガスクラスターに衝突させてプロセスチャンバー（Process（Ionization chamber）、イオン化する。イオン化されたガスクラスターイオンはそれぞれ個別chamber）の3つチャンバーからなり、イオンビームとなってプ数十kVの電圧で加速され、に真空ポンプ（Vacuum pump）で排気されている。

ロセスチャンバーに入射する。

ソースチャンバーにはガラス製のノズル（Nozzle）

プロセスチャンバーには加工対象のワークにガスクが設置されている。高圧ガスをノズルから真空中にラスターイオンを照射するための機構が備えられてい噴出すると、急激な断熱膨張によりガスが冷却されワーる。ワークに入射したガスクラスターイオンの量は、てガスクラスターを生じる。ソースチャンバーとイオンチャクに流れる電流を計測することで求めることができる。

ンバー 間 の 壁 面 には 穴 径 約 1 m m のスキマー（Skimmer）が設けられており、中心部のクラスターと周辺部のモノマーに分離され、クラスターのみがイオンチャンバーに入る。

Vacuumpump

Vacuumpump

Vacuumpump

Gas
Work stage

Ionizer

NozzleSkimmer

Accelerator

Source chamber

Ionization chamber

図33

Lens

GCIB装置概略図

Process chamber

4. NACHI-GCIB加工装置の特長
NACHIは機械部品の超平坦化加工を行なうため、加工に特化した独自のGCIB加工装置を2008年に製作した（図4）。NACHI-GCIB加工装置には以下の特長がある。

・2,400L/min.のターボ分子ポンプを6基搭載し、ガス導入量を真空排気能力を大きくしたことで、増やして大量のガスクラスターを発生させることが可能である。このことでビーム電流が増加するので、加工速度が大きい。

図4

NACHI-GCIB加工装置

・独創的なイオン化電極を使用しており、低いエネルギーで効率よくイオン化することができる。このことはクラスターを破壊せずに高いイオン化率を加工の安定性が向上する。
達成できることを示し、・プロセスチャンバーには5軸の精密ステージが設置されており、複雑形状物の任意面にGCIB加工を行なうことができる。X、Z軸のストロークは100mmあり、直径100mmまでのワークを加工することが可能である。

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「ガスクラスターイオンビーム（GCIB）による表面超平坦化加工」

5. GCIB加工装置による加工事例
1）超硬合金での事例

2）Niメッキ表面での事例

ガラスレンズの光学金型は、超硬合金を材料とし、プラスチックレンズの光学金型は、成形したダイス

精密研削で成形された後、研磨仕上げされる。この鋼にNiメッキを行ない、これを精密鏡面切削して仕ようなレンズ金型用超硬合金表面のGCIB加工事上げる。Niメッキ切削面へのGCIB加工事例を図6

例を図 5に示 す 。図は未 加 工 のサンプル 表 面とに示す。精密鏡面切削したNiメッキ表面には周期GCIB加工を行なったサンプル表面の走査型プロー的な切削痕ができており、10μm四方のRaは2nmでブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope; SPM）ある。GCIB加工によって切削痕が除去され、Raは像である。3000番の砥石で精密研削された超硬合0.7nmまで低減できた。

金表面には周期的な研削痕が残っており、1μm四（Ra）は2nm方の微小エリアにおける平均表面粗さである。この試料にGCIB加工を行なうことでRaは0.4nmに低減しており、超硬合金の超平坦化加工が可能である。

after GCIB（12min）
100nm

100nm

before GCIB

1010μmμmμm
10Ra= 2.0 nm

図5GCIBによる超硬合金の加工事例
after GCIB（170min）
50nm

50nm

before GCIB

1010μμmμmm

10Ra= 2.0 nm

図65μm
10Ra= 0.4 nm

GCIBによるNiメッキ面の加工事例

1μm

10Ra= 0.7 nm3）ダイヤモンドコーティング工具での事例
図7はダイヤモンドコーティング工具のGCIBによる加工事例である。GCIB加工はイオンビームにより原子の結合を直接分断する加工方法であるので、マクロな変形のし難さ、すなわち被加工物の硬さの影響を受けにくい。よって切削や研削では困難な超高硬度材料の加工を比較的容易に行なうことができる。図 7に示す 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 ( S c a n n i n gElectron Microscope; SEM)像から、GCIB加工によってコーティングダイヤモンド表面が平坦になり、刃3）

先のエッジも先鋭化されていることがわかる 。

Flank

Flank

Cutting face

Cutting face

before GCIB

Sharpened by GCIB（180min）

図7 GCIBによるダイヤモンドコーティング工具の加工事例

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6. GCIB加工のさらなる展開をめざして
超精密加工分野での表面の超平坦化要求に応

オンビーム装置の製造から機械加工分野へのアプえるため、GCIB技術の機械加工分野への応用をめリケーションまで一貫して手がけることのできる総合ざして開発をすすめてきた。現在、様々な材料に機械メーカーがこれまで開発に携わっていなかったGCIB加工を行なってその効果を確認中であり、一ことであり、GCIB技術を広く世の中に広めることが、部では具体的なユーザーからのテスト加工も実施しこの技術における筆者およびNACHIの役割である。

始めている。

そのためには、受託加工によるGCIB加工ニーズのGCIB技術は他の方法にはない画期的な特長が掘り起こし、GCIB加工装置の簡素化による装置コあり、原子レベルの平坦化法として数少ない有用なストの低減、そして加工能率の向上による加工コスト方法の一つである。現状、先行してとり組んでいるの低減が不可欠である。

数社より半導体製造、超精密部品の表面加工、有GCIB加工の能率と安定性の向上には、数多くあ機材料の分析などに関しいくつかの報告がなされるパラメーターの加工への影響を一つ一つ解明すているが、用途は限定的であり、広く普及しているとることが必要である。それと同時に、光学メーカー、はいいがたい。これはGCIB加工装置の価格が非電子デバイスメーカーをはじめとした具体的な用途、常に高く、かつ加工時間が長いため、加工コストがユーザーを開拓し、新世代のナチビジネスにおける下がらないことに起因する。もうひとつの原因は、イ柱として確立させていく。

参考文献
1）I. Yamada, J. Matsuo, N. Toyoda, and A. Kirkpatrick：Materials processing by gas cluster ion beams, Materials Science and Engineering R34,（2001）231
2）山田 公：クラスターイオンビーム基礎と応用−次世代ナノ加工プロセス技術、
日刊工業新聞社（2006）
3）佐藤・関口・森田・豊田・山田：ガスクラスターイオンビームによるダイヤモンドコーティング工具の平滑化、2010年度砥粒加工学会学術講演会講演論
文集（2010）51

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March / 2011〈発行〉 2011年3月10日
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