福岡県工業技術センター
研究報告 No.28 (2018)

微細三次元形状測定用極小径光ファイバスタイラスの製作
藤吉 国孝 *1

永田 良介 *2

山本 隆彦 *2

内山 晃介 *3

村上 洋 *3

Fabrication of an Optical Fiber Stylus for 3D Micro Metrology
Kunitaka Fujiyoshi, Ryosuke Nagata, Takahiko Yamamoto, Kosuke Uchiyama and Hiroshi Murakami

高アスペクト比の微細深穴の内部形状を非破壊で測定可能な微細3次元測定装置に使用する，石英ガラス製スタイラスの作製方法について検討した。市販の石英ガラス製光ファイバの被覆樹脂を剥離後，先端をフッ化水素酸水溶液に浸漬溶解させることで，極細のスタイラスシャフトが作製できた。また，フッ化水素酸水溶液よりも安全で濃度の経時変化が少ないエッチング液についても検討し，温度を変えることでエッチング速度の制御が可能であることが明らかとなった。その後，CO 2レーザを照射して先端を溶融させて先端球を形成させることで，微細3次元測定装置用の先端球付き極小スタイラスが製作できた。

た 2)。

1 はじめに近年の微細加工技術の進歩に伴い，微細形状測定にそこで本研究では，フッ化水素酸よりも安全な薬液対する重要性が増している。例えば，微細金型や各種を用いて微細3次元測定機用のスタイラスを作製する

ノ ズ ル 穴 ， 半 導 体 Si 貫 通 電 極 （ through-siliconことを目的とした。

via ； TSV ）， MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)，マイクロマシン等のマイクロ部品，光通信機器，医療機器などの微細形状の測定が，各機器の高スタイラス
シャフトの変位機能化のために要望されている。

スタイラスシャフト

特に，高アスペクト比の微細な深穴の内部形状は，非破壊では測定する手段が無いため，測定対象物を破レーザ発振器壊し，原子間力顕微鏡や表面粗さ計を用いることで測フォトダイオード定している。
先端球

これに対し，村上らは，微細形状が測定可能な装置，測定対象物

特に，高アスペクト比の微細深穴の内部形状を，非破壊で測定可能な測定装置を考案した 1) 。この微細3次

図1

微細3次元測定機の概念図

元測定装置の概念図を図1に示すが，先端球が測定対2 測定原理

象物に接触した時のスタイラスシャフトの変位をレーザ光によって検知する。この微細3次元測定装置では，図2に測定装置の概略図を示す。本装置では，X方向，先端に球を形成させた屈曲性に富むスタイラスを使用

Y方向それぞれに，位置検出用のレーザ発振器及び2分しており，このスタイラスは，微細深穴の内部形状の割型フォトダイオード(PX，PY)を設けており，Z方向測定に適した，微小径で高アスペクト比形状である。

は精密ステージによって計測する。スタイラスシャフ

村上らは，石英ガラス製の光ファイバを加工すること

トは姿勢調整用のチューブ型ピエゾ駆動素子に固定さで，このスタイラスを製作し，実際に3次元形状の測れている。スタイラスシャフトに向かってXY方向から定が可能なことを確認したものの，スタイラスの作製波長405 nmの集束レーザ光を照射する。スタイラスシ

時に，毒物であるフッ化水素酸を使用する必要があっャフトを透過したレーザ光は，スタイラスを間にして反対側に設置された2分割型フォトダイオードで受光*1 化学繊維研究所*2 株式会社稲築サイエンス*3 北九州市立大学

する。

- 8 -

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チューブ型ピエゾ駆動素子

レーザ

IPY1 ＝ IPY2

ピエゾドライバ
ﾌｧﾝｸｼｮﾝｼﾞｪﾈﾚｰﾀ

対物レンズ

2分割型
フォトダイオード

X

振幅
プリアンプ

Ix
Iy

位相

コンデンサレンズ

スタイラスシャフト

PX1 PX2

2分割型ﾌｫﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞ
スタイラスシャフト
スタイラス接触子
測定対象物

PY1 PY2

ロックインアンプ

PY

PX

Y＝CCD
Z

IPX1
IPX2

パソコン

Y

駆動信号

X

図22分割型
フォトダイオード

レーザー光

ＸＹＺ精密ステージ

微細3次元測定装置の概略図

コンデンサレンズ
レーザー光(a)初期状態図3は，図2のXY平面のスタイラスレーザ照射部の断面図を基に，微細3次元測定装置の測定原理を示した図IPY1 ＜ IPY2である。スタイラスシャフトを透過したレーザ光は，スタイラスを通して反対側に設置された2分割型フォYトダイオードで受光し，電圧値に変換される。なお，

PY1 PY2X

この際に，スタイラスシャフトはロッドレンズとして作用しており，スタイラスの変位を拡大する効果があ

スタイラスシャフトの変位

PX1 PX2る。X方向の2分割フォトダイオードで受光した光量を光量を I PY1・ I PY2とすると，接触子が測定対象面に接触

IPX1＝IPX1・ IPX2，Y方向の2分割フォトダイオードで受光した

IPX2していない初期状態では， I PX1 ， I PX2および I PY1 ， I PY2 は同一強度に保たれている（図3(a)）。一方，接触子が測定対象面に接触し，スタイラスシャフトがたわんで(b)X方向にスタイラスが変位した状態変位すると I PX1， IPX2および I PY1 ， I PY2の光強度に差が生じ，接触方向を検出できる（図3(b)）。ここで， X方

図3

微細3次元測定装置の測定原理

向変位の出力 I X ， Y方向変位の出力 I Y を式(1)，(2)で定義する。

3 スタイラスの製作

IX ＝ I PY1 － I PY2(1)

I Y ＝ I PX1 － I PX2(2)

光ファイバー

出力 I X ，出力 I Y は，半導体レーザを変調するファンクションジェネレータの信号を参照信号とし，ロックインアンプを用いて同期検波することで各種ノイズを洗浄取り除いている。一般的にはスタイラス接触子の測定エッチング

対称面への接触を検知する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性を高くする必要がある

エッチング液が，本測定原理ではスタイラスシャフトのたわみを，

図4

乾燥d

ウェットエッチングによるファイバの小径化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と微細3次元測定装置で使用するスタイラスは，図4になり，高アスペクト比の穴や溝などの測定に対応可能示した模式図のように石英ガラス製光ファイバをウェである。

ットエッチングにより小径化し 2)，その後，図5のよ- 9 -福岡県工業技術センター
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うにCO 2レーザを照射して先端を溶融させ，先端球を速度は約1.3 µm/minであるが，75 minから85 minまでの平形成させることで製作する 3)。本研究では，エッチン均エッチング速度は1.2 µm/minと約8 %の低下に過ぎなかグ液の種類と温度について検討した。

った。このことからQE-CL3Nは時間経過による濃度変化が少ないと予想され，エッチングの制御がしやすい安定した液体であることが分かった。

スタイラス直径（µm）

スタイラスシャフト

先端球（接触子）
レーザ焦点

対物レンズCO2レーザ

ミラー

1401201008060402000

1.3 µm / min

1.2 µm / min3060
エッチング時間（min）

90

図 7 温度40 ℃のQE-CL3Nでのエッチング結果
図5

CO2レーザ照射による先端球の形成
3-2 エッチング液温度の検討

3-1 エッチング液の検討

エッチング速度は温度に依存すると考えられるが，フッ石英ガラス製光ファイバ（ソーラボ製FG105LCA）の化水素酸水溶液を加温すると有害性のガスが発生するた被覆樹脂を剥離し，光ファイバースライドカッターをめ，通常加温して使用しない。一方，QE-CL3Nは安定した用いて切断した。この光ファイバの先端約1 mmを常温エッチング液であり，加温が可能であることから，エッチングのフッ化水素酸12 %水溶液に浸漬させた。所定時間（60，温度とエッチング速度の関係について検討した。
図8にQE-CL3Nのエッチング温度とエッチング速度の関純水にて洗浄・自然乾燥後，ハイロックス製マイクロスコー係を示す。エッチング速度が液温に対して指数関数的にプKH-7700を用いて，スタイラスシャフトの直径（図4中dの変化しており，アレニウスの式とよく一致することが明らかと長さ）を計測した。

なった。よって，QE-CL3Nを用いることで，エッチング温度

1401201008060402000を変えることによりエッチング速度を制御できること考えられ0.45 µm / minる。

2.50.19 µm / min

60120 180 240 300
エッチング時間（min）

エッチング速度（µm / min）

スタイラス直径（µm）

120，180，240，300，360 min）後に光ファイバを引き上げ，360

1.5

次に，フッ化水素酸よりも安全性に優れるエッチン

××××

1.00.500
図 6 濃度12 %のフッ化水素酸でのエッチング結果

×××

2.0××××××

10203040
エッチング温度（℃）

5060

図 8 QE-CL3Nのエッチング温度と速度の関係

グ液として，毒物及び劇物に該当しない，フロステッ

3-3

CO２レーザ照射による先端球の製作

ク製のQE-CL3Nを用いてエッチングを行った。フッ化

前節と同様の方法で石英ガラス製光ファイバの先端水素酸水溶液の代わりに40 ℃に保持したQE-CL3Nを用をエッチングし，直径10 µm，5 µm，2.5 µmの3種のス

い，前節と同様に光ファイバの小径化について検討しタイラスシャフトを製作した。
既報 3) に従い，この小径化したスタイラスシャフトた。その結果，開始から30 minまでの平均のエッチング- 10 -

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研究報告 No.28 (2018)の先端にCO 2 レーザを照射し，先端部を溶融 させた。

of The Thirty-Second Annual Meeting of the

すると，溶融した石英ガラスが表面張力によって球をAmerican Society for Precision Engineering ，形成し，先端球付きのスタイラスが製作できた。

Vol. 67，pp. 305-310(2017)

10 µm

5 µm

2.5 µm

図 9 製作した微細3次元測定装置用スタイラスのマイ
クロスコープ像

4 まとめ
高アスペクト比の微細深穴の内部形状を非破壊で測定可能な微細3次元測定装置に使用する，石英ガラス製スタイラスの作製方法について検討したところ，市販の石英ガラス製光ファイバの被覆樹脂を剥離後，先端をフッ化水素酸水溶液に浸漬させることで小径化し，極細のスタイラスシャフトが作製できた。また，フッ化水素酸水溶液よりも安全で濃度の経時変化が少ないエッチング液についても検討し，温度を変えることでエッチング速度の制御が可能であることが明らかとなった。その後，CO 2 レーザを照射して先端を溶融させて先端球を形成させることで，微細3次元測定装置用の先端球付き極小スタイラスが製作できた。

謝辞
本研究の一部は，戦略的基盤技術高度化支援事業にて実施した。

5 参考文献1)H Murakami，A Katsuki， T Sajima，T Suematsu：
Meas. Sci. Technol，25，pp. 1-7 (2014)
2)H Murakami，A Katsuki， T Sajima，K Uchiyama：Int. J. of Automation Technology，Vol. 11，No.
5，pp. 699-706(2017)
3)K Uchiyama，H Murakami，A Katsuki，T Sajima，TYamamoto ， T Nagata ， K Fujiyoshi ： Proceedings- 11 -