JP4681942B2 - 微小凹部の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工技術に関し、特に、微小凹部の作製や被加工物の切断に好適な技術に関する。

微小凹部を作製する技術として、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているように、エッチングによって溝を作成する技術や、例えば特許文献３に開示されているように、ホログラフイック露光法形状を製作し、表面凹凸による反射光の錯乱の損失を低減させるために、ブレーズド型の斜面をイオンビーム加工により平坦化させる技術は従来から知られている。また、例えば特許文献４に開示されているように、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマエッチング）技術と結晶異方性エッチングとを用いて作製する技術も知られている。

また、この他にも、化学気相法でオーバーコートを施し、熱処理した後に湿式エッチングによって再び表面を削りながら最適な形状に仕上げる技術や、図１９に示すような、リソグラフィーを用いる技術も知られている。
特開２００４−５９３２９号公報 特開２０００−１２１８１９号公報 特開平６−２５０００７号公報 特開２００４−５８２６５号公報

従来技術のひとつである湿式エッチングでは、これらの技術を金属材料等の導電性を有する材料に適用することは困難であった。また、マスクの下側までもエッチングされてしまうため、より精密なパターンをつくる際には問題となっていた。

更に、リソグラフィーでは、図１９に示すように、露光（光源）１１０と、露光用のマスク１１１と、レジスト膜１１２とを用意する必要がある。レジスト膜１１２をつけた基材（被加工物）１１３は、現像工程１１４においてレジスト膜が任意形状になり、その形状に基づいて凹部が作製される。凹部が作製されたあとには、不要なレジスト膜を除去する除去工程１１５があり、その工程の後、１１６に示すように、微小凹部の作製が完了するという複雑な工程を要する。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、材料を限定することなく、表面粗さが平坦で高精度な凹部微細形状を作製する手法を提供することである。

本発明の態様のひとつである微小凹部の作製方法は、被加工物の表面に任意形状のマスクを設け、当該マスクが設けられた当該被加工物の表面へガスクラスターイオンビームを照射して、当該被加工物の表面に微小な凹部を作製する方法であって、当該マスクの材料は、金属膜、酸化膜、樹脂膜、及び、複合膜であるハイブリッド膜のうちの少なくともいずれかであり、当該マスク材料を、当該マスクと当該被加工物との選択比に応じて選択する、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、前述した本発明に係る微小凹部の作製方法において、当該マスクを構成する膜を当該表面で積層するようにしてもよい。

なお、このとき、当該膜の積層数を、当該マスクと当該被加工物との選択比に応じて調整するようにしてもよい。

また、前述した本発明に係る微小凹部の作製方法において、当該被加工物の表面に当該任意形状のマスクを設けるために、当該被加工物の表面に当該任意形状のマスクの作製を行うと共に当該被加工物に改質部の作製を行い、当該マスク及び当該改質部の作製がなされた後の被加工物の表面へ当該ガスクラスターイオンビームの照射が行われるようにしてもよい。

本発明によれば、以上のようにすることにより、材料を限定せずに、形状精度の高く、表面粗さが数ナノメートルレベルの微小凹部を作製することができるようになるという効果を奏する。

本発明では、被加工物との衝突で壊れ、その際にクラスター構成原子又は分子と被加工物の構成原子又は分子とで多体衝突を生じさせることで、被加工物表面に対して水平な方向の運動が顕著になることにより表面の凸部が主に削られて原子サイズでの平坦な超精密研磨を可能とするガスクラスターイオンビームの加工原理を用い、任意形状のマスクを予め作製しておき、ガスクラスターイオンビームを照射することによって、材料を限定せずに、少ない工程で高精度な形状の微小凹部を作製することを可能とする。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
まず図１について説明する。同図は、後述する本発明の各実施例において使用するガスクラスターイオンビーム加工装置の構成を示している。

図１に示すガスクラスターイオンビーム加工装置は、ソース部１と差動排気部２とイオン化部３との３つのチャンバーを備えて構成されており、被加工物１２の表面へガスクラスターイオンビームを照射する照射手段として機能する。

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を配している。差動排気部２のチャンバー内は、照射前の準備として、不純物ガス、水、酸素、及び窒素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まで減圧される。

ノズル４には、不図示のガスボンベより、０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスが供給される。このガスは、例えば、アルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、ＳＦ₆ (六フッ化硫黄)ガス、ヘリウムガスであり、この他にも、化合物の炭酸ガスあるいは２種類以上のガスを混合させたものも使用できる。なお、このうちヘリウムは、単独ではクラスターを生成できないので、他のガスと混合して用いることとなる。

このような高圧ガスがノズル４から超音波で噴射する瞬間に断熱膨張によってクラスターが生成される。このクラスターはスキマー５を通過してビーム径が整えられる。このときのガスクラスターのビームはまだ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に入ると、タングステンフィラメント６での熱電子との衝突によってイオン化される。このノズル４でのガスクラスター生成とタングステンフィラメント６の熱電子の衝突によるイオン化とが照射手段を少なくとも構成する。

その後、ガスクラスターイオンビーム１０は、加速電極７で加速される。このとき、ガスクラスターイオンビーム１０の径は、数ミリメートル程度の大きさがあるため、グランド電極８の形状、及び第三電極９とグランド電極８との間の距離を調整して、ガスクラスターイオンビーム１０の径を安定して絞ることのできる最適条件に設定する。

その後、加速電極７を通過したガスクラスターイオンビーム１０は、アパーチャー１１を通過することによって、そのスポット径が所望のものとされる。
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。これは、樹脂やガラス等の絶縁体の被加工物ヘガスクラスターイオンビーム１０を照射した場合に発生するチャージアップに起因する微細凹部形状の変形を防止するためのものである。

アパーチャー１１の先には被加工物１２が配置される。被加工物１２は、ガスクラスターイオンビーム１０の入斜方向に対して垂直になるように配置する。なお、被加工物１２は、回転移動が可能な回転ステージ１３と、図１の紙面に対して長手方向に前後する移動が可能なＺ軸ステージ１６と、紙面に対して前後方向に移動可能なＸ軸ステージ１４と、Ｘ軸ステージ１４の下に固設されていてＸ軸ステージ１４に対して垂直なＹ軸方向に位置調整ができるＹ軸ステージ１５とからなる載置台上に搭載されている。この載置台は、ブラケットを含む本装置のベース１７上に搭載されている。

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おり、制御手段としての制御部１００にてＸ軸ステージ１４を自在に制御することが可能である。

ガスクラスターイオンビーム１０の高さ位置についてはＹ軸ステージ１５で調整する。Ｙ軸ステージ１５は不図示のネジにて手動調整が可能である。また、サーボモータあるいはステッピングモータで自動駆動させて微調整を行うこともできる。

制御部１００は、算出手段としての算出部１０３と、記憶部１０４とを有しており、制御プログラムの作成を行う。この制御プログラムによって、各ステージを駆動させることができるので、被加工物１２の任意の位置へガスクラスターイオンビーム１０を照射することが可能となる。

この他、図１の装置には、干渉計１０１及び三次元形状測定器１０２が接続されているが、これらは必要に応じて用いられる。
次に、金属膜、酸化膜、樹脂膜、ハイブリッド膜（複合膜）等を用いて、被加工物である被加工物表面に任意の線幅や形状を作製するためのマスクを作製し、このマスクを利用して微小凹部形状を作製する手順について説明する。

まず、図２Ａにおける（ａ）に示すように、被加工物２１表面に任意形状のマスク２０を作製する。その後、（ｂ）に示すように、例えばレーザー加工２２によって、マスク２０から不要な部分を除去する。図２Ｂは、このようにしてマスク２０から不要な部分が除去された様子を示している。なお、図２Ｂにおいては、２０ａはレーザー加工により除去された部分を示している。このようにして、任意形状の微小凹部を作製するためのマスク２０が作製される。

次に、図２Ａの（ｃ）に示すように、所定のマスク２０が作製されている被加工物２１を図１に示したガスクラスターイオンビーム装置内の被加工物１２として設置し、そして、図２Ａの（ｃ）に示すように、所定の照射条件にてガスクラスターイオンビーム２３を被加工物１２へ照射し、所望の凹部溝深さを得る。なお、このときのガスクラスターイオンビーム２３の照射条件は、図３に示すように、マスク２０の基礎データと、ワーク（被加工物２１）の材料の基礎データベースと、マスク２０除去の基礎データとを利用して、微小凹部の仕様（具体的には、（１）ワーク（被加工物２１）の材料、（２）溝深さ、（３）溝幅）に基づいて演算装置でなされる演算結果に従って決定される。

以上のようにして、図２Ａの（ｄ）に２４として示す微小凹部形状が完成する。なお、この後に、図２Ａの（ｅ）に示すように、微小凹部を根元２５から切断すれば、２６として示す微細ピラーが得られる。

以下、図１に示したクラスターイオンビーム加工装置を使用して微小凹部を作製する各種の実施例について説明する。

本実施例では、任意形状のマスクを有した被加工物表面にガスクラスターイオンビームを垂直に照射することによって、微細な凹部を作製する。なお、被加工物表面が複雑な形状等を持つ場合によっては、ガスクラスターイオンビームの照射方向は被加工表面に対して、必ずしも垂直に照射されるとは限られない。

なお、ここでは、石英基板表面にアスペクト比（図２Ａ（ｄ）の微小凹部２４の幅と深さとの比）５の微小凹部（深さ０．１μｍ）を作製した例を説明する。但し、被加工物としては、金属、半導体、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂材料などでも実施可能である。

まず、石英基板（被加工物２１）表面に所望の微細凹部を図２Ａのようにして作製するためのマスク２０として、予め算出した基礎データをもとにして、白金の蒸着膜を選択した。但し、マスク２０についても、酸化膜、金属膜、樹脂膜、ハイブリッド膜などを代わりに使用することも可能である。

被加工物２１であるガラス（石英）基板とマスク２０の材料に用いた白金の蒸着膜との選択比（マスクの厚さに対する被加工物の加工深さ）は１０である。従って、所望の深さ０．１μｍを得るために、白金の蒸着膜の膜厚は１０ｎｍとした。ここで、選択比はマスク２０の材料により異なるので、マスク２０の材料を選択比に応じて選択することにより、マスク２０の厚さを変化させることなく所望の深さの凹形状を被加工物２１に作製することができる。

次に、図２Ａの（ｂ）のように、レーザー加工２２によってマスク２０から凹形状の開口部を２０ｎｍ除去し、任意形状のマスク２０を被加工物２１の表面に作製した。
そして、この被加工物２１を図１に示すガスクラスターイオンビーム照射装置に被加工物１２として取り付け、図２Ａの（ｃ）に示すように、その表面にガスクラスターイオンビーム２３を垂直に照射した。

なお、この照射の際には、従来の基礎データをもとに作製したデータベースを用いて最適な照射条件を演算により算出し、その算出結果を採用した。その算出結果によれば、今回の実験に最適な照射ドーズ量は、３．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² であった。

なお、ソースガス（照射するガス）としては、ヘリウム９５％とＳＦ₆ ガス５％とを混合した混合ガスを用いた。また、アパーチャー１１の径は、直径φ１ｍｍを使用した。
この結果、図２Ａの（ｄ）に示すような微小凹部２４が得られた。

照射後の被加工物２１の底面を原子間力顕微鏡で測定した結果を図４に示す。この測定の結果、表面粗さＲａは０．６７ｎｍ（測定範囲：４．７μｍ）であった。
このように、表面粗さが極めて平坦な微小凹部を作製することができた。

以上のように、本実施例では、任意形状のマスクを有した被加工物の表面にガスクラスターイオンビームを垂直に照射することにより、表面粗さが平坦な微細な凹部を作製することができる。

本実施例では、多数の膜を重ね合わせることによって選択比の微調整を行う手法を説明する。
マスクとして膜を作製する場合、通常は金属膜、酸化膜、樹脂膜、ハイブリッド膜（複合膜）を単層にして用いる。

しかし、所望の選択比を得るためには、予め測定した基礎データを元にした計算によって膜厚を得たとしても、実際にはその膜厚の作製が不可能な場合がある。
そこで、このような場合には、図５に示すように、金属膜２７、酸化膜２８、樹脂膜２９、ハイブリッド膜（複合膜）３０を、被加工物３１の表面に積層して微調整を行う。なお、これらの膜の積み重ねの順番は、この限りでなくてもよい。また、これらの膜のうちのいくつかのみを選択して積み重ねてもよい。

このように、金属膜、酸化膜、樹脂膜、ハイブリッド膜（複合膜）を積み重ねることによって、単層のマスクでは作製できない深さの制御が可能になる。

本実施例では、任意の幅の線状の開口部を有するマスク、若しくは切断幅の形状の開口部を有するアパーチャーを作製し、表面にガスクラスターイオンビームを照射することで被加工物を切断する手法を説明する。なお、ここでは、厚さ１９μｍの石英基板を０．４ｍｍ角のチップ形状に切断するために、石英基板表面に任意形状のマスクを作製したのちガスクラスターイオンビームを用いて切断した場合の具体例を説明する。

まず、図６の（ａ）に示すように、固定物３４上の被加工物３３として石英基板を用い、その表面にマスク３２としての白金の蒸着膜を作製した。なお、被加工物３３としては、金属、半導体、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂材料などでも実施可能であり、また、マスク３２として、酸化膜、金属膜、樹脂膜、ハイブリッド膜（複合膜）などを使用することも可能である。

次に、図６の（ｂ）に示すように、マスク３２である白金の蒸着膜を０．４ｍｍ角残し、切断時の取りしろ部分として０．１μｍの線幅をレーザー加工３５により除去した。なお、切断時の取りしろ幅はこの数値に限定されるものではない。

このようにして表面に線状の開口部を有するマスク３２を作製したのち、この被加工物３３を図１に示すガスクラスターイオンビーム照射装置に被加工物１２として取り付けた。そして、図６の（ｃ）に示すように、その表面にガスクラスターイオンビーム３６を照射した。

なお、この照射の際には、従来の基礎データをもとに作製したデータベースを用いて最適な照射条件を演算により算出し、その算出結果を採用した。その算出結果によれば、１９μｍの厚さの石英基板を切断するための照射ドーズ量としては、５．０×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² であった。

なお、ソースガスとしては、ヘリウム９５％とＳＦ₆ ガス５％とを混合した混合ガスを用いた。
この照射により、図６（ｄ）に示すように、０．４ｍｍ角のチップ状に切断された石英基板である被加工物３７が得られた。その後、固定物３４から外すことによりチップ３８が得られた。

また、図１に示すガスクラスターイオンビーム加工装置のアパーチャー１１についての、切断加工用に好適な形状を図７に示す。
図７に示した形状の線状開口部を有するアパーチャーを用いてガスクラスターイオンビーム１０を照射すると、この切断幅４０のアパーチャー形状３９を通過したガスクラスターイオンビーム１０のみが図６の被加工物３３に作用するので、照射ドーズ量を制御することにより任意形状の切断加工が可能となる。

以上のように、本実施例では、ガスクラスターイオンビーム加工を用いて切断を行うことにより、ナノメータレベルの表面粗さと形状精度を得ることができる。また、切断時の取りしろ幅を小さくすることができるので、基板からチップを効率的に取り出すことが可能となる。

本実施例では、マスクを設ける被加工物と同じ材料へガスクラスターイオンビームを照射したときの除去量を予め計測しておき、その計測結果に基づいて、被加工物ヘのガスクラスターイオンビームの照射時間を算出し、その照射時間に従って被加工物ヘガスクラスターイオンビームを照射することによる加工の手法を説明する。

なお、本実施例においては、被加工物としてガラス（ＢＫ７ガラス）を用いる場合に、その被加工物と同じ材質のガラスに対して照射ドーズ量を変えながらガスクラスターイオンビームを照射し、単位時間あたりのスパッタリングの深さを除去量として算出した例を示す。なお、ここでは、被加工物として、ガラス（ＢＥ７）を用いたが、その代わりに、金属、半導体、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂材料などでも実施可能でありこれに限定されるものではない。

まず、φ２０ｍｍのガラス（ＢＫ７）を被加工物１２として図１に示すガスクラスターイオンビーム照射装置に取り付けた。このときには、ソースガスとして、ヘリウム９５％とＳＦ₆ ガス５％とを混合した混合ガスを用い、アパーチャー１１の径は、直径φ１ｍｍとした。

そして、このとき、照射ドーズ量を、１．０×１０¹⁵〜５．０×１０¹⁵ｉｏｎｓ／ｃｍ² まで、１．０×１０¹⁵ずつ５段階に変化させた。
そして、加工痕５個の照射を終了した後に、被加工物１２を図１のイオンビーム照射装置から取り出し、それぞれの加工痕のスパッタリングの深さを干渉計１０１で測定した。このときの干渉計１０１での測定結果をプロットしたグラフを図８に示す。

この図８を参照すると明らかなように、照射ドーズ量毎に異なる加工痕深さになって、その加工痕深さの変化は線形であり、スパッタリングの深さが相似倍的に照射ドーズ量の大小により変化していた。

照射ドーズ量は、単位面積あたりのイオン量（ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）であるので、スパッタリングの深さを深くするには、イオン量を多くするために長い照射時間が必要となる。
次に、照射ドーズ量と加工痕深さとの関係の測定結果に基づいて、任意の凹部溝深さを得るための照射条件を設定する。

このようにして得られた照射ドーズ量を変化させた場合の結果を、材料別にまとめたものが、図９のグラフである。これを基礎データとして、微小凹部の作製に必要な照射条件を設定する。

例えば、図９に示す材料１を被加工物として用い、凹部の深さ５０ｎｍの形状を得る場合を考える。ここでソースガスとしてアルゴンを用いると、その照射ドーズ量は２．０×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² である。そこで、図９における材料１の照射条件からアルゴンガスの照射ドーズ量に対応するスパッタリングの深さを求めると、単位時間に打とうする時間の照射を行うことにより微細凹部の深さを５０ｎｍとすることができ、凹部の溝深さを制御することができる。

また、任意形状を得るためのマスクを被加工物の表面に作製する場合には、図１０に示すような、マスクの選択比の基礎データを用いる。
図１０は、被加工物として石英基板を用い、マスクとして白金の蒸着膜を選択した場合の例を示している。この場合の選択比は１０であるので、０．１μｍの溝深さを得るためには、石英基板に、１０ｎｍの白金の蒸着膜を用いてマスクを作製すればよい。そして、前述の実施例と同様、不要な部分をレーザ加工などで除去した後、ガスクラスターイオンビームを照射することで、溝深さが０．１μｍの微細凹部形状を作製することができる。

以上のように、本実施例によれば、予め取得しておいた基礎データに基づいて照射条件を算出することにより、微細な凹部の溝深さを制御することができる。

本実施例では、導電性を有している被加工物の表面にマスクを作製し、ガスクラスターイオンビームを照射する加工の手法を説明する。なお、ここでは、被加工物として金の蒸着膜を用いることとし、それと同じ材料である蒸着膜へ、照射ドーズ量を変えながらガスクラスターイオンビームを照射して単位時間あたりの除去量を算出する例を示す。

なお、ここでは、被加工物として金の蒸着膜を用いたが、金属、半導体、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂材料などでも実施可能でありこれに限定されるものではない。
本実施例では、図１に示す構成を有するガスクラスターイオンビーム加工装置における被加工物１２の設置部分に、不図示のイオン電流測定の装置を設けたものを使用する。

まず、はじめに、φ２０ｍｍの金の蒸着膜を、図１に示すガスクラスターイオンビーム照射装置の被加工物１２として取り付けた。なお、ソースガスにはアルゴンを用い、アパーチャー１１の径は直径φ１ｍｍとし、照射ドーズ量は１．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、２．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、４．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、６．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、８．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、１．０×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² とした。

このときに被加工物１２において検出されるイオン電流値を測定すると、２００ｎＡであった。
また、照射後の単一加工痕の加工深さを、干渉計１０１でそれぞれ測定した結果、図１１に示すように、照射条件ごとに深さが異なっていた。この結果をプロットすると、図１２に示すように、照射ドーズ量に対する加工痕深さは線形であることが確認できた。つまり、照射ドーズ量の大小によって除去形状が相似倍的に変化することが判明した。

ここで、照射ドーズ量とイオン電流値との間には下記の式が成り立つ。
（照射時間）＝（照射ドーズ量）×（照射面積）×（電気素量ｅ）÷（イオン電流値）
従って、検出されるイオン電流値を変化させることにより、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ができる。例えば、照射条件を調整して、イオン電流値を２００ｎＡから１００ｎＡへと半減させた場合には、２００ｎＡのときと同じ加工痕深さを得るためには、加工時間を２倍とすればよい。

また、ガスクラスターイオンビームの照射と並行してイオン電流値を常時監視するようにすれば、放電などの異常事態の発生を認識することが可能となる。
以上のように、本実施例によれば、イオン電流を測定するようにし、その電流値に基づいて所望の凹部溝深さを得るためのガスクラスターイオンビームの照射量（すなわち照射時間）を制御することにより、予め測定した基礎データより、任意の微小凹部深さを高精度に作製することができる。

本実施例では、最適なドーズ照射量を算出するための照射条件の基礎データが被加工物の材料別に蓄積されているデータベースを用いてガスクラスターイオンビーム加工を行うというものである。

本実施例においては、図１における干渉計１０１、三次元形状測定器１０２、記憶部１０４、及び算出部１０３でデータベースを構成する。ここで、記憶部１０４には、干渉計１０１を用いて測定した、材料毎の照射条件を変化させた場合のスパッタリングの深さ等の基礎データを予め蓄積させておく。この基礎データをもとに、算出部１０３で照射時間が算出される。

まず、三次元形状測定器１０２を用いて被加工物１２全体の形状を測定する。そして、この測定により得られた、当該形状を現しているＸ、Ｙ、Ｚの座標データは、被加工物１２の表面に対し、垂直にガスクラスターイオンビームを照射できるように姿勢制御するために用いられる。

このときのスパッタリングの深さは干渉計１０１で測定する。以降は、これらの測定部（干渉計１０１及び三次元形状測定器１０２）、記憶部１０４、算出部１０３を用いて、前述した実施例と同様にして最適な照射ドーズ量を設定する。

以上のように、本実施例によれば、予め測定した基礎データに基づいて照射ドーズ量が算出されるので、任意の微小凹部深さを高精度に作製することができる。

本実施例では、微細凹部を作製する工程において、任意形状のマスクを有する被加工物表面に対し、ガスクラスターイオンビームが常に垂直に照射されるように被加工物の姿勢を保つというものである。

本実施例では、ガスクラスターイオンビーム加工装置は、図１に示した構成のものを使用するが、その中に、図１３に示す、被加工物１２を姿勢制御可能な構造を含んでいる。
図１３Ａ及び図１３Ｂを用いてこの姿勢制御を説明する。

図１３Ａは、姿勢制御を行う前の被加工物の姿勢を示しており、ガスクラスターイオンビームの照射方向に対し、底面が垂直になるように設置した被加工物４５に対するＡ部へのガスクラスターイオンビーム照射４１とＢ部へのガスクラスターイオンビーム照射４２との様子を示している。なお、図中、４６は被加工物４５を固定するための固定部である。

同図に示すように、Ａ部へのガスクラスターイオンビームの照射角度４３が垂直となるように被加工物４５を配置しても、Ｂ部へのガスクラスターイオンビームの照射角度４４は被加工物４５に対して斜めになってしまう。

そこで、姿勢制御機構を図１に示したガスクラスターイオンビーム加工装置に装備する。この機構は、Ｘ軸ステージ１４、Ｙ軸ステージ１５、Ｚ軸ステージ１６、回転ステージ１３とからなる。これらの可動ステージの動作は制御部１００によって制御される。

被加工物４５のＢ部へガスクラスターイオンビームを照射する際には、制御部１００は、図１３Ｂに示すように、回転ステージ１３を動作させて固定部４６を角度４８だけ回転させると共に、Ｘ軸ステージ１４を矢印４９の方向へ、更に、Ｚ軸ステージ１６を矢印５０の方向へ移動させる。これらの位置制御により、Ｂ部へのガスクラスターイオンビームの照射角度４７は、被加工物４５表面に対し垂直となる。

ここで、回転ステージ１３及びＸ軸ステージ１４を移動させるだけでなく、Ｚ軸ステージ１６をも移動させるのは、アパーチャー１１と被加工物４５との間の距離（照射距離）の変化を無くし、被加工物表面の各部での品質を均質に保つためである。

以上のように、この姿勢制御機構は、被加工物４５の表面における加工部分に対してガスクラスターイオンビームが常に垂直に照射されるように被加工物４５の姿勢を制御する制御手段として機能する。

以下、本実施例に係る加工方法の具体的な手順を説明する。
まず、被加工物１２を図１のガスクラスターイオンビーム照射装置に設置し、その形状を三次元測定器１０２で測定する。

次に、被加工物１２の傾斜面、シリンドリカル形状の球面、あるいは曲面においても、ガスクラスターイオンビームを常に垂直に照射するため、三次元測定器１０２での測定結果に基づき、回転ステージ１３を用いて被加工物１２の角度を傾斜させると共に、Ｘ軸ステージ１４及びＺ軸ステージ１６、更には必要に応じてＹ軸ステージ１５を、手動で、若しくは不図示のサーボモータやステッピングモータなどを用いることによる自動で、駆動させて被加工物１２の位置を制御する。

なお、図１３Ａ及び図１３Ｂに示した被加工物４５は凹形状のものであったが、本実施例の姿勢制御機構を用いることで、凸形状の被加工物４５であっても姿勢制御を行うことができる。このような形状の被加工物の例として、石英表面で溝深さ０．１μｍの凹部を作製する例について、図１４を参照しながら説明する。

まず、図１４の（ａ）に示すように、被加工物５２である石英表面に、膜厚１０ｎｍの白金蒸着膜（選択比１０）でマスク５１を作製する。そして、任意形状を作製するため、図１４の（ｂ）に示すように、マスク５１の余分な部分をレーザー加工５３等によって除去する。

次に、この被加工物５２を、図１のガスクラスターイオンビーム照射装置に被加工物１２として設置する。なお、ソースガスとしては、ヘリウム９５％とＳＦ₆ ガス５％とを混合した混合ガスを用いる。

ここで、図１４の（ｃ）に示すように、ガスクラスターイオンビーム５４を照射した。このとき、ガスクラスターイオンビーム５４が被加工物５２の表面のいずれの部分においても垂直に照射されるように、被加工物５２の角度５５の調整を行った。なお、角度の調整は、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて説明したようにして行った。

この角度５５の調整を実施した部分の拡大図を図１５に示す。同図は、図１４の（ｃ）において、マスク５１を有する被加工物５２表面へ、ガスクラスターイオンビーム５４が垂直になるように姿勢制御を行っている様子を示している。

このように、姿勢制御の機構を用いることによって、図１４の５６に示すように、凸形状表面に微小凹部が作製される。
なお、ここでは、被加工物として石英を用いる例を説明したが、被加工物としては、金属、半導体、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂材料などでも実施可能でありこれに限定されるものではない。

以上のように、本実施例によれば、被加工物に対するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、及び回転軸、の移動制御を行うことにより、斜面、球面、あるいは、シリンドリカル形状の表面に対して常に垂直且つ常に一定の距離を保ちながらガスクラスターイオンビームを照射することができるので、球面の表面にも微細な凹部を精度良く作製できる。

本実施例では、微細パターンマスクの作製と基材（被加工物）への表面近傍の改質を行うことによりスパッタレートを制御してガスクラスターイオンビームのスパッタを行う加工の手法を説明する。

図１６に本手法を得るための加工フローを示す。
まず、図１６の（ａ）に示すように、マスク５９を施された被加工物（基材）６１に対し、超短パルスレーザー５７を集光レンズ５８で集光し、微細パターン描画による任意形状のマスク５９の作製と被加工物（基材）への微小な改質部６０の作製とを行う。

その後、図１６の（ｂ）に示すように、ガスクラスターイオンビーム６２を照射し、マ図１６の（ｃ）に示すように、マスク５９の除去と被加工物（基材）６１への微細パターンの転写とを行う。

なお、本実施例では被加工物（基材）６１としてガラスを用いたが、金属、半導体、ガラス、結晶材料、生体材料、樹脂材料などでも実施可能でありこれに限定されるものではない。また、マスク５９の材料は本実施例では酸化膜を用いたが、酸化膜、金属膜、樹脂膜、ハイブリツト膜（複合膜）などこれに限定されるものではない。

また、マスクヘの微細パターン作製と被加工物（基材）への表面近傍の改質を行う方法として、本実施例では超短パルスレーザー加工を用いた。超短パルスレーザー加工は様々な材料へのアブレーションと改質が可能なレーザー加工である。同様の効果を得るものとしては、収束イオンビームとイオン注入を利用する方法、紫外線レーザー用いたパターン加工と改質作製法などがあり、これに限定されるものではない。

超短パルスレーザーはパルス幅１０ｆｓ〜１００ｐｓ程度とするが望ましく、繰返し周期は１Ｈｚ〜１０ＭＨｚ程度とすることが望ましい。また、超短パルスレーザーの波長は材料の吸収波長に依存せず、限定されるものではないが、吸収の必要エネルギーを鑑みると、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ程度の波長を利用することが望ましい。本実施例においては、パルスの繰り返し周波数を１ｋＨｚ、レーザー波長８００ｎｍ、パルス幅は１５０ｆｓの超短パルスレーザーを用いた。

超短パルスレーザーにより微細パターンの刻印と改質部作製を行った加工結果を図１７の（ａ）に示す。同図において、マスク材料６３と被加工物（基材）６４にはエネルギーに対する加工閾値差があり、マスク６３の部分はアブレーションにより除去され、被加工物（基材）６４には多光子吸収過程による表面近傍での改質部（密度増加、結合状態の解離）６５が得られる。

また、ガスクラスターイオンビームを照射したときの加工結果を図１７の（ｂ）に示す。同図のマスク６３と改質部６５と被加工物（基材）６４とではガスクラスターイオンビーム６２よる除去能率差がある。ここで、除去能率がマスク６３＜被加工物（基材）６４＜改質部６５である場合には、深さ方向へのアスペクト比の高い構造物が作製される。つまり、マスク、被加工物（基材）、改質状態を制御することにより様々なアスヘクト比をもつ構造物を作製することができる。

以上のように、本実施例によれば、マスクヘの微細パターン作製と被加工物（基材）への表面近傍の改質とをまず行い、その後にガスクラスターイオンビームを照射することにより、深さ方向のアスペクト比の高い構造物を得ることができる。

本実施例では、ソースガスとして非金属元素（ハロゲン）ガスを用いることによって除去能率を向上させる加工の手法について説明する。
本実施例では、図１に示すガスクラスターイオンビーム加工装置において、ソース部１の内部に配置されているノズル４に、不図示のガスボンベから０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスを供給する。このガスとして、フッ素（Ｆ）ガスや塩素（Ｃｌ）などの非金属元素（ハロゲン）を用いる。

希ガス単体と、希ガスに非金属元素を加えた場合のスパッタリングの深さを比較するために、石英基板を用意し、図１に示すガスクラスターイオンビーム装置に被加工物１２として取り付け、ガス種を変えてガスクラスターイオンビームを照射する実験を行った。

このとき、１枚目の被加工物１２には、希ガスとしてアルゴン（Ａｒ）単体を照射し、２枚目の被加工物には、ヘリウム９５％とＳＦ₆ ガス５％とを混合した混合ガスを照射した。なお、このときの照射ドーズ量は、両方とも、５．０×１０¹⁶ｉｏｎｓ／ｃｍ² とし、アパーチャー１１の径はφ１ｍｍとした。

そして、このガスクラスターイオンビームの照射を終了した後に、被加工物１２をガスクラスターイオンビーム装置から取り出し、干渉計１０１にて、スパッタリングの深さを測定した。その結果を図１８に示す。

同図に示すように、Ａｒを照射した場合のスパッタリングの深さが１００ｎｍであったのに対し、上述の混合ガスを照射した場合には、２０００ｎｍであった。つまり、希ガスに非金属元素を加えた混合ガスでは、希ガス単体（Ａｒ）に比べ、２０倍の高いスパッタリング深さが得られた。

このように、ソースガスの種類を変えることによって、スパッタリングの深さ（除去量）を変化させることができるので、ソースガスの種類を選択することにより加工効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。

ガスクラスターイオンビーム加工装置の構成を示す図である。 微小凹部の作製の様子を示す図である。 マスクの作製の様子を示す図である。 ガスクラスターイオンビームの照射条件の決定の流れを示す図である。 作製された微小凹部についての原子間力顕微鏡での測定結果を示す図である。 膜の積層によって作製されたマスクの例を示す概略図である。 マスク使用による被加工物の切断の手順を示す図である。 切断加工に使用するアパーチャーの形状を示す概略図である。 ＢＫ７ガラスにおける照射ドーズ量とスパッタリングの深さとの関係をグラフで示した図である。 照射ドーズ量とスパッタリングの深さとの関係のグラフを材料別に示した図である。 石英基板に白金の蒸着膜のマスクを作製した選択比を表しているグラフである。 金の蒸着膜に対する加工痕の加工深さについての干渉計での測定結果を示す図である。 金の蒸着膜における照射ドーズ量とスパッタリングの深さとの関係をグラフで示した図である。 姿勢制御を行う前の被加工物の姿勢を説明する図である。 姿勢制御機構の動作を説明する図である。 姿勢制御機構を用いての微小凹部の作製の手順を説明する図である。 図１４における微小凹部の形成部分の拡大図である。 表面改質を行う微小凹部の作製の手順を説明する図である。 表面改質を行って微小凹部を作製する様子を示す図である。 ソースガスの種類とスパッタリングの深さとの関係を示す図である。 リソグラフィーによる加工を説明する図である。

符号の説明

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、２３、３６、５４、６２ ガスクラスターイオンビーム
１１ アパーチャー
１２、２１、３１、３３、４５、５２、６１、６４ 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 シャッター
１９ ニュートライザー
２０、３２、５１、５９、６３ マスク
２０ａ レーザー加工による除去部分
２２、３５、５３ レーザー加工
２４、５６ 微小凹部形状
２５ 根元
２６ 微細ピラー
２７ 金属膜
２８ 酸化膜
２９ 樹脂膜
３０ ハイブリッド膜（複合膜）
３４、４６ 固定部
３７ 切断された被加工物
３８ チップ
３９ アパーチャー形状
４０ 切断幅
４１ Ａ部へのガスクラスターイオンビーム
４２ Ｂ部へのガスクラスターイオンビーム
４３ Ａ部の照射角度
４４、４７ Ｂ部の照射角度
４８ 回転ステージの回転角度
４９ Ｘ軸ステージの移動方向
５０ Ｚ軸ステージの移動方向
５５ 被加工物の角度
５７ 長短パルスレーザー
５８ 集光レンズ
６０、６５ 改質部
１００ 制御部
１０１ 干渉計
１０２ 三次元形状測定器
１０３ 算出部
１０４ 記憶装置
１１０ 露光（光源）
１１１ マスク
１１２ レジスト膜
１１３ 基材（被加工物）
１１４ 現像工程
１１５ 除去工程
１１６ 微小凹部

Claims (4)

1. 被加工物の表面に任意形状のマスクを設け、当該マスクが設けられた当該被加工物の表面へガスクラスターイオンビームを照射して、当該被加工物の表面に微小な凹部を作製する方法であって、
   前記マスクの材料は、金属膜、酸化膜、樹脂膜、及び、複合膜であるハイブリッド膜のうちの少なくともいずれかであり、
   前記マスク材料を、前記マスクと前記被加工物との選択比に応じて選択する
   ことを特徴とする微小凹部の作製方法。
2. 前記マスクを構成する膜を前記被加工物の表面で積層することを特徴とする請求項１に記載の微小凹部の作製方法。
3. 前記膜の積層数を、前記マスクと前記被加工物との選択比に応じて調整することを特徴とする請求項２に記載の微小凹部の作製方法。
4. 前記被加工物の表面に前記任意形状のマスクを設けるために、当該被加工物の表面に当該任意形状のマスクの作製を行うと共に当該被加工物に改質部の作製を行い、
   前記マスク及び前記改質部の作製がなされた後の被加工物の表面へ前記ガスクラスターイオンビームの照射が行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の微小凹部の作製方法。