JP5039939B2 - Surface processing method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、エッチングにより、ナノメートル単位の精度で被加工物の表面を加工する表面加工方法及び装置に関する。 The present invention relates to a surface processing method and apparatus for processing the surface of a workpiece with an accuracy of nanometer units by etching.
半導体リソグラフィーの分野では加工精度の高度化が進み、それに伴って、リソグラフィーに使用される反射鏡、透過鏡、レンズ、パターン投影用のマスク基板等の光学デバイスにも高い精度が求められている。特に、これらの光学デバイスでは、光が入射・出射・反射する表面を高精度に仕上げる必要がある。近い将来、リソグラフィーには波長10nm程度の極端紫外光が用いられるようになると予測されており、それにより光学デバイスの表面形状を1nm以下の誤差で仕上げる技術を開発する必要が生じている。一方、半導体デバイスの製造や液晶ディスプレイパネルの製造におけるフォトリソグラフィー工程で用いられるフォトマスク用ガラス基板においては、その表面を半導体デバイス用に関しては数十nm以下、液晶ディスプレイ用に関しては数μm以下の平坦度で仕上げることが求められている。 In the field of semiconductor lithography, processing precision has been advanced, and accordingly, high precision is also required for optical devices such as a reflection mirror, a transmission mirror, a lens, and a mask substrate for pattern projection used in lithography. In particular, in these optical devices, it is necessary to finish the surface on which light is incident / exited / reflected with high accuracy. In the near future, it is predicted that extreme ultraviolet light having a wavelength of about 10 nm will be used for lithography, which necessitates the development of a technique for finishing the surface shape of optical devices with an error of 1 nm or less. On the other hand, the surface of a glass substrate for a photomask used in a photolithography process in the manufacture of a semiconductor device or a liquid crystal display panel has a flat surface of several tens of nm or less for a semiconductor device and several μm or less for a liquid crystal display. It is required to finish with a degree.
また、電子機器の基準周波数を発生させるために用いられる水晶振動子や、振動と電気信号との間の変換を行うために用いられる弾性表面波デバイスでは、それらが有する振動体の厚さにより振動数が定まる。そのため、振動数の精度を高めるために、高精度に厚さを微調整する必要がある。特に、振動体の厚さにむらがあると振動数にばらつきが生じるため、この厚さを均一化することが重要である。 In addition, in crystal resonators used to generate a reference frequency for electronic devices and surface acoustic wave devices used to convert between vibration and electrical signals, vibration occurs depending on the thickness of the vibrators they have. The number is fixed. Therefore, in order to increase the accuracy of the frequency, it is necessary to finely adjust the thickness with high accuracy. In particular, if the thickness of the vibrating body is uneven, the frequency will vary, so it is important to make this thickness uniform.
従来、上述の光学デバイスでは、ポリシング等の機械研磨により表面の加工が行われていた。同様に、水晶振動子や弾性表面波デバイスにおいても、機械研磨を用いて振動体の表面を加工することにより膜厚の調整が行われていた。しかし、機械加工法では外部からの振動、工具や被加工物の熱膨張等の影響を受けるため、数nmや数μmという高い精度で加工を行うことは困難である。 Conventionally, in the above-described optical device, the surface is processed by mechanical polishing such as polishing. Similarly, in a crystal resonator and a surface acoustic wave device, the film thickness is adjusted by processing the surface of the vibrator using mechanical polishing. However, the machining method is affected by external vibrations, thermal expansion of tools and workpieces, and it is difficult to perform machining with a high accuracy of several nm or several μm.
機械加工法に代わる表面加工方法として、プラズマやイオンビームを用いて表面をエッチングすることが検討されている。しかし、プラズマエッチング法は加工中に生じる熱により被加工物の温度が変動してエッチング速度が変化するため加工精度が低下する、という欠点を有する。また、イオンビームエッチング法はプラズマエッチング法等よりも加工速度が遅いうえ、高エネルギーイオンが衝突することにより被加工物が変質することがある、という欠点を有する。また、プラズマエッチング法、イオンビーム法ともに、真空チャンバー、ガス供給・排気装置、排ガス処理装置等の高価な装置を必要とするため、加工された製品のコストが上昇するという欠点を有する。 As a surface processing method that replaces the machining method, etching the surface using plasma or an ion beam has been studied. However, the plasma etching method has a drawback that the processing accuracy is lowered because the temperature of the workpiece fluctuates due to heat generated during processing and the etching rate changes. In addition, the ion beam etching method has a disadvantage that the processing speed is slower than that of the plasma etching method and the like, and the workpiece may be altered by collision of high energy ions. In addition, both the plasma etching method and the ion beam method require expensive equipment such as a vacuum chamber, a gas supply / exhaust device, and an exhaust gas treatment device, and thus have a drawback that the cost of processed products increases.
これら機械加工法、プラズマエッチング法及びイオンビームエッチング法の有する欠点を解消する方法の一つに、ウエットエッチング法が挙げられる。しかし、ウエットエッチング法を用いた表面加工では、多くの場合、表面全体に一様にエッチング液を付着させるため、加工前の表面の凹凸をナノメートルの精度で解消することはできない。 One of methods for solving the disadvantages of the machining method, plasma etching method and ion beam etching method is a wet etching method. However, in the surface processing using the wet etching method, in many cases, the etching solution is uniformly attached to the entire surface, and thus the unevenness of the surface before processing cannot be eliminated with nanometer accuracy.
一方、特許文献１には、エッチング液をノズルから被加工物の表面の一部分にのみ供給しつつ、ノズルと被加工物の相対位置を変化させることにより被加工物をウエットエッチングする装置が記載されている。この装置によれば表面を局所的に加工することができるが、この文献には加工前の表面の凹凸をエッチングにより平坦化することは記載されていない。供給されたエッチング液は、ノズルと同軸に設けられたエッチャント排出用パイプにより吸引されることにより基板表面から除去される。
On the other hand,
しかし、特許文献１の装置では、被加工物の表面からのエッチング液の除去が不十分であれば、この表面に残留したエッチング液が気化し、その気体により、ノズルが通過した部分及びその周辺の被加工物表面がエッチングされてしまう。そのため、被加工物の表面が乱雑にエッチングされて凹凸が生じてしまう。特に、ノズルが通過した部分に隣接した部分には、被加工物の表面を面的に加工するために再度ノズルによりエッチング液が供給されるが、この時には既に、前記気体の影響により表面形状が最初に測定したものから変化してしまうため、この隣接部分を正確に加工することは困難である。
However, in the apparatus of
特許文献２には、半導体基板の平坦化方法として、予め半導体基板から成る被加工物の表面の形状を測定しておき、その表面形状のデータから求めた速度でノズルを移動させながらこの表面にエッチング液を供給する装置が記載されている。また、この装置では、液温が臨界温度以上である時のみ活性である（被加工物をエッチングする）エッチング液を用い、臨界温度未満のエッチング液中に半導体基板を浸漬している。ノズルから供給されるエッチング液は、被加工物表面上のエッチングを行う領域に供給される時のみ臨界温度以上に加熱される。しかし、特許文献２の装置では、臨界温度以下では被加工物をエッチングしない、という特性を有する材料から成るエッチング液しか用いることができない。 In Patent Document 2, as a method for flattening a semiconductor substrate, the shape of the surface of the workpiece made of the semiconductor substrate is measured in advance, and the nozzle is moved to the surface while moving at a speed determined from the data of the surface shape. An apparatus for supplying an etchant is described. Further, in this apparatus, an etching solution that is active only when the liquid temperature is equal to or higher than the critical temperature (etches the workpiece) is used, and the semiconductor substrate is immersed in the etching liquid that is lower than the critical temperature. The etching solution supplied from the nozzle is heated to a critical temperature or higher only when supplied to an area where etching is performed on the workpiece surface. However, the apparatus of Patent Document 2 can only use an etchant made of a material having a characteristic that the workpiece is not etched below the critical temperature.
本発明が解決しようとする課題は、従来は気化したエッチング剤による影響を受けることやエッチング剤が限定されることにより実現が困難であった、被加工物の表面を数nm〜数μmの精度で仕上げることができると共に様々な被加工物に対して適用することができ、且つコストが低いエッチング方法及びそれに用いる装置を提供することにある。また、この方法及び装置は、被加工物の表面の仕上加工ばかりでなく表面を数nm〜数μmの精度で所望の形状（プロファイル）に加工したり、被加工物の厚さを均一化することにも利用することができる。 The problem to be solved by the present invention is the accuracy of several nm to several μm on the surface of the workpiece, which has been difficult to realize by the influence of the vaporized etching agent and the limitation of the etching agent. It is an object of the present invention to provide an etching method and an apparatus used therefor, which can be finished by the above-described method and can be applied to various workpieces and are low in cost. This method and apparatus not only finish the surface of the workpiece, but also process the surface into a desired shape (profile) with an accuracy of several nanometers to several micrometers, and equalize the thickness of the workpiece. Can also be used for
上記課題を解決するために成された本発明に係る表面加工方法は、被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工方法であって、
a) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 液体又は気体から成るエッチング剤を供給する供給手段を１方向に複数並べた供給手段集合体を所定の速度で前記表面に沿って該１方向に垂直な方向に移動させつつ、各供給手段毎に、対向する該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さに応じて温度及び流量のいずれか一方又は両方を制御しつつエッチング剤を該表面に向けて供給することにより、該表面をエッチングし、
c) 前記被加工物表面付近の液体及び気体を吸引除去する、
ことを特徴とする。
The surface processing method according to the present invention made to solve the above problems is a surface processing method for etching the surface so that the surface of the workpiece has a target profile,
a) measure the profile of the surface before processing;
b) Each supply means while moving a supply means assembly in which a plurality of supply means for supplying an etching agent made of liquid or gas are arranged in one direction along the surface in a direction perpendicular to the one direction. Each time, the etching agent is applied to the surface while controlling either one or both of temperature and flow rate according to the processing depth obtained from the difference between the target profile and the pre-processing profile at each point on the surface facing each other. Etching the surface by feeding towards,
c) sucking and removing liquid and gas near the surface of the workpiece;
It is characterized by that.
本発明に係る表面加工方法において、供給手段は一定の速度で移動させてもよいし、前記表面上の各点における加工深さに応じて移動速度を制御してもよい。 In the surface processing method according to the present invention , the supply means may be moved at a constant speed, or the movement speed may be controlled according to the processing depth at each point on the surface.
次に、本発明に係る表面加工方法ではない表面加工方法を参考のために説明する。
参考例の表面加工方法は、被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工方法であって、
a) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 液体から成るエッチング剤を前記表面に向けて所定の流量で供給する供給手段を、該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させることにより、該表面をエッチングし、
c) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の液体及び該液体が気化した気体を吸引除去する、
ことを特徴とする。
また、参考例の表面加工方法は、被加工物の表面が目的のプロファイルになるように該表面をエッチングする表面加工方法であって、
d) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
e) 気体から成るエッチング剤を前記表面に向けて所定の流量で供給する供給手段を、該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる速度で、該表面に沿って移動させることにより、該表面をエッチングし、
f) 前記流量のエッチング剤を除去可能な量以上の吸引量で、前記表面付近の気体を吸引除去する、
という構成とすることもできる。
以下では、本発明に係る表面加工方法を「第１の態様」の表面加工方法と呼び、参考例の表面加工方法を「第２の態様」の表面加工方法と呼ぶ。
Next, a surface processing method that is not the surface processing method according to the present invention will be described for reference.
The surface processing method of the reference example is a surface processing method of etching the surface so that the surface of the workpiece has a target profile,
a) measure the profile of the surface before processing;
b) Supply means for supplying an etching agent made of liquid toward the surface at a predetermined flow rate at a speed determined by a processing depth obtained from a difference between the target profile and the pre-processing profile at each point on the surface. Etching the surface by moving along the surface;
c) Remove the liquid in the vicinity of the surface and the gas vaporized from the liquid with a suction amount that is greater than or equal to the amount capable of removing the etchant at the flow rate;
It is characterized by that.
Further, the surface processing method of the reference example is a surface processing method for etching the surface so that the surface of the workpiece has a target profile,
d) measure the profile of the surface before processing;
e) Supply means for supplying an etching agent composed of a gas toward the surface at a predetermined flow rate at a speed determined by a processing depth obtained from a difference between the target profile and the pre-processing profile at each point on the surface. Etching the surface by moving along the surface;
f) removing the gas in the vicinity of the surface with a suction amount equal to or greater than the amount capable of removing the etching agent at the flow rate;
It can also be set as a structure.
Hereinafter, the surface processing method according to the present invention is referred to as a “first aspect” surface processing method, and the reference surface processing method is referred to as a “second aspect” surface processing method.
上記移動操作においては、被加工物を固定して供給手段集合体（第１の態様の場合）又は供給手段（第２の態様の場合）を移動させてもよいし、供給手段集合体又は供給手段を固定して被加工物を移動させてもよい。更には、供給手段集合体又は供給手段と被加工物の双方を移動させてもよい。 In the above moving operation, the workpiece may be fixed and the supply means aggregate (in the case of the first aspect) or the supply means (in the case of the second aspect) may be moved, or the supply means aggregate or the supply may be moved. The workpiece may be moved with the means fixed. Furthermore, the supply means assembly or both the supply means and the workpiece may be moved.
本発明に係る表面加工方法は、被加工物の表面が目的のプロファイルになるようにその表面をエッチングするものである。目的のプロファイルの例として、凹レンズ、凸レンズ、平面反射鏡、凹面反射鏡、位相光学素子等の各種光学素子に代表される機能性ガラス材、半導体基板、フォトマスク用ガラス基板の表面形状を挙げることができる。また、このような単純な形状ばかりではなく、複雑なプロファイルの形状の加工にももちろん利用することができる。 In the surface processing method according to the present invention, the surface of the workpiece is etched so that the target profile has a target profile. Examples of target profiles include functional glass materials typified by various optical elements such as concave lenses, convex lenses, plane reflecting mirrors, concave reflecting mirrors, phase optical elements, surface shapes of semiconductor substrates and glass substrates for photomasks. Can do. Moreover, it can be used not only for such simple shapes but also for processing complicated profile shapes.
まず、第１の態様の表面加工方法について説明する。
第１の態様の表面加工方法では、まず、被加工物の表面の加工前のプロファイルを測定する。この測定には、従来の表面形状測定装置や表面粗さ測定装置をそのまま用いることができる。この測定を行う装置は表面加工装置に組み込んでおいてもよいし、表面加工装置とは別体の装置を用いて測定を行うようにしてもよい。各点においてエッチングすべき加工深さは、各点における目的のプロファイルと測定した加工前プロファイルの差により求めることができる。
First, the surface processing method of a 1st aspect is demonstrated.
In the surface processing method of the first aspect, first, a profile of the surface of the workpiece before processing is measured. For this measurement, a conventional surface shape measuring device or surface roughness measuring device can be used as it is. The apparatus for performing this measurement may be incorporated in the surface processing apparatus, or may be measured using an apparatus separate from the surface processing apparatus. The processing depth to be etched at each point can be obtained from the difference between the target profile at each point and the measured pre-processing profile.
次に、供給手段集合体の各供給手段からエッチング剤を被加工物表面に供給することにより、この表面をエッチングする。各供給手段毎に、エッチング剤の温度及び／又は流量を調整することにより、その供給手段からエッチング剤が供給された部分の被加工物表面のエッチング量を、前述のように定められた加工深さになるように制御する。ここで、エッチング剤の調整は流量を一定にして温度を変化させること、温度を一定にして流量を変化させること、温度と流量の双方を変化させること、のいずれの方法により行ってもよい。また、供給手段集合体の進行方向のエッチング量の変化は、各供給手段毎の温度及び／又は流量の調整により制御してもよいし、供給手段集合体の速度により制御してもよく、更には速度の調整と各供給手段毎の温度及び／又は流量の調整を併用してもよい。なお、本発明では液体のエッチング剤、気体のエッチング剤のいずれも用いることができ、また、液体のエッチング剤と気体のエッチング剤を混合して用いてもよい。 Next, this surface is etched by supplying an etching agent to the surface of the workpiece from each supply means of the supply means assembly. By adjusting the temperature and / or flow rate of the etching agent for each supply means, the etching amount on the surface of the workpiece where the etching agent is supplied from the supply means is set to the processing depth determined as described above. Control to be Here, the adjustment of the etching agent may be performed by any method of changing the temperature with a constant flow rate, changing the flow rate with a constant temperature, or changing both the temperature and the flow rate. Further, the change in the etching amount in the traveling direction of the supply means assembly may be controlled by adjusting the temperature and / or flow rate of each supply means, or may be controlled by the speed of the supply means assembly. May use both speed adjustment and temperature and / or flow rate adjustment for each supply means. In the present invention, either a liquid etchant or a gas etchant can be used, or a liquid etchant and a gas etchant may be mixed and used.
温度や流量によりエッチング速度が変化するという特性はほとんどのエッチング剤が有するため、本発明の方法はエッチング剤の材料を問わず適用することができる。エッチング剤は、よく用いられている酸やアルカリに限られず、様々なものを用いることができる。 Since most etching agents have the property that the etching rate changes depending on the temperature and flow rate, the method of the present invention can be applied regardless of the material of the etching agent. Etching agents are not limited to commonly used acids and alkalis, and various ones can be used.
また、第１の態様の表面加工方法によれば、供給手段の移動操作を１回行うだけで加工を行うことができる。
例えば特許文献１に記載の方法では、供給手段を１個のみ使用するため、被加工物表面上の各位置において、その周辺を繰り返し移動させる必要がある。その移動操作の度に、表面付近に残留したエッチング剤のガス（液体のエッチング剤が気化したものを含む）に起因した不所望のエッチングにより、その表面に凹凸が生じる。それに対して、第１の態様の表面加工方法では１回の移動操作で加工を行うため、そのような気体による不所望のエッチングを最小限に抑えることができる。
Further, according to the surface processing method of the first aspect, it is possible to perform the processing only by performing the moving operation of the supply means once.
For example, in the method described in
更に、第１の態様において供給手段毎にエッチング剤の温度を調整する場合には、隣接する供給手段の境界付近では、２個の供給手段から供給されるエッチング剤が混じり合うため、供給手段間のエッチング剤の温度変化がなめらかになる。そのため、この境界においてはエッチング量もなめらかに変化するため、その位置で被加工物表面に段差ができる、といった問題は生じない。供給手段毎にエッチング剤の流量を調整する場合にも同様である。 Further, in the first aspect, when the temperature of the etching agent is adjusted for each supply unit, the etching agent supplied from the two supply units is mixed in the vicinity of the boundary between adjacent supply units. The temperature change of the etching agent becomes smooth. Therefore, since the etching amount changes smoothly at this boundary, there is no problem that a step is formed on the surface of the workpiece at that position. The same applies when the flow rate of the etching agent is adjusted for each supply means.
次に、第２の態様の表面加工方法について説明する。
まず、第１の態様と同様に、被加工物の表面の加工前のプロファイルを測定し、目的のプロファイルと測定した加工前プロファイルの差により、各点においてエッチングすべき加工深さを求める。
Next, the surface processing method of a 2nd aspect is demonstrated.
First, as in the first embodiment, a profile before processing of the surface of the workpiece is measured, and a processing depth to be etched at each point is obtained based on a difference between the target profile and the measured profile before processing.
次に、供給手段から被加工物の表面に向けて所定の流量でエッチング剤を供給しつつ、この供給手段を被加工物表面に沿って、後述の方法により定まる速度で移動させる。
供給手段の断面積は加工の空間分解能と加工の能率に応じて適宜定めるとよい。加工の空間分解能を高めるには断面積を小さくする方が望ましく、加工の能率を高めるには加工精度が維持できる範囲内で断面積を大きくする方が望ましい。
Next, while supplying the etching agent at a predetermined flow rate from the supply means toward the surface of the workpiece, the supply means is moved along the workpiece surface at a speed determined by a method described later.
The cross-sectional area of the supply means may be appropriately determined according to the processing spatial resolution and the processing efficiency. In order to increase the spatial resolution of processing, it is desirable to reduce the cross-sectional area, and in order to increase the processing efficiency, it is desirable to increase the cross-sectional area within a range in which the processing accuracy can be maintained.
供給手段の移動速度は次のように定める。所定の成分及び濃度を有するエッチング剤を所定の流量で供給する場合、被加工物がエッチングされる量（加工深さ）はエッチング剤に晒される時間に比例する。そして、供給手段を移動させている間に被加工物表面上の１点がエッチング剤に晒される時間は、その１点における供給手段の速度の逆数に比例する。それゆえ、その１点における加工深さも供給手段の速度の逆数に比例する。従って、この比例関係から各点において加工すべき深さに応じて供給手段の速度を定める。 The moving speed of the supply means is determined as follows. When an etching agent having a predetermined component and concentration is supplied at a predetermined flow rate, the amount (processing depth) at which the workpiece is etched is proportional to the time of exposure to the etching agent. The time during which one point on the workpiece surface is exposed to the etching agent while moving the supply means is proportional to the reciprocal of the speed of the supply means at that point. Therefore, the machining depth at one point is also proportional to the reciprocal of the speed of the supply means. Therefore, the speed of the supply means is determined according to the depth to be processed at each point from this proportional relationship.
このように供給手段の速度を制御しながら被加工物表面にエッチング剤を供給することにより、被加工物の表面が目的のプロファイルになるようにエッチングすることができる。更に、本発明の表面加工方法は、プラズマエッチングのように熱によるダメージを被加工物に与えたり、温度の変動によりエッチング速度が変化して加工精度が低下することがない。また、イオンビームエッチングよりも加工速度を速くすることができるうえ、イオンビームエッチングのように高エネルギーイオンの衝突による被加工物の変質が生じることもない。 Thus, by supplying the etching agent to the surface of the workpiece while controlling the speed of the supply means, the surface of the workpiece can be etched so as to have a target profile. Furthermore, the surface processing method of the present invention does not cause damage to the workpiece due to heat unlike plasma etching, or change the etching rate due to temperature fluctuations, and the processing accuracy does not decrease. In addition, the processing speed can be increased as compared with ion beam etching, and the workpiece is not deteriorated due to the collision of high-energy ions unlike ion beam etching.
エッチング工程において、被加工面に気体のエッチング剤を供給した場合にはその気体が、液体のエッチング剤を供給した場合にはその液体の一部が気化したものが、被加工面の近傍に残留する。この気体をそのまま放置すると、その気体が被加工物の表面に触れ、被加工物の表面が乱雑にエッチングされて凹凸が生じる。これを防ぐためには、被加工面の表面からエッチング液を回収するだけでは不十分であり、気化した気体等も回収する必要がある。
そこで、第２の態様では更に、エッチング液を供給した被加工物表面付近において、供給したエッチング液の供給量よりも多くの量の液体及び気体を吸引除去する。これにより、エッチング液のみならずエッチング液が気化した気体等を被加工物表面から十分に除去することができる。そのため、この気体による不所望のエッチングにより凹凸が生じることを防ぐことができる。このような操作は第１の態様の表面加工においても行うことが望ましい。
例えば略同軸の外側管と内側管から成る供給手段を用いることにより、内側管からエッチング液を被加工面に供給すると共に、外側管から被加工面付近の気体、液体、固体を吸引除去することができる。あるいは、供給手段とは別に吸引除去を行う吸引手段を設けてもよい。この場合、吸引手段は供給手段に後行させて吸引除去を行うとよい。吸引手段は第１の態様の表面加工においても適用することができる。
In the etching process, when a gaseous etching agent is supplied to the surface to be processed, the gas is left in the vicinity of the processing surface. To do. If this gas is left as it is, the gas touches the surface of the workpiece, and the surface of the workpiece is randomly etched to form irregularities. In order to prevent this, it is not sufficient to recover the etching solution from the surface of the processing surface, and it is necessary to recover the vaporized gas and the like.
Therefore, in the second aspect, a larger amount of liquid and gas than the supply amount of the supplied etching solution is sucked and removed near the surface of the workpiece supplied with the etching solution. Thereby, not only the etching solution but also the gas or the like vaporized by the etching solution can be sufficiently removed from the surface of the workpiece. Therefore, it is possible to prevent unevenness from being generated due to undesired etching by the gas. Such an operation is desirably performed also in the surface processing of the first aspect.
For example, by using a supply means composed of a substantially coaxial outer tube and inner tube, an etching solution is supplied from the inner tube to the surface to be processed, and gas, liquid and solid in the vicinity of the surface to be processed are sucked and removed from the outer tube. Can do. Or you may provide the suction means which performs suction removal separately from a supply means. In this case, the suction unit may perform the suction removal by following the supply unit. The suction means can also be applied in the surface processing of the first aspect.
上記吸引除去に加えて、残存エッチング液を洗浄液（リンス液）で洗い流してもよい。これにより更に確実に残存エッチング液による悪影響を防ぐことができる。リンス液は純水でもよいし、エッチング液を中和するために酸性又はアルカリ性の溶液を用いてもよい。リンス液は、前記供給手段が通過した後の被加工物表面に、前記供給手段とは別のリンス液供給手段を用いて供給することができる。 In addition to the above suction removal, the remaining etching solution may be washed away with a cleaning solution (rinsing solution). As a result, it is possible to prevent the adverse effects of the remaining etching liquid more reliably. The rinsing liquid may be pure water, or an acidic or alkaline solution may be used to neutralize the etching liquid. The rinse liquid can be supplied to the surface of the workpiece after the supply means has passed using a rinse liquid supply means different from the supply means.
更に加工精度を高めるためには、加工痕の形状を考慮することが望ましい。ここで、加工痕の形状は、供給手段を移動させずに固定した状態でエッチング液を単位時間だけ被加工物表面に供給した時に被加工物がエッチングされた部分の形状で定義する。典型的な加工痕５１の形状を図１(a)に示す。
この加工痕の形状を考慮して加工精度を高める方法について検討する。ここでは簡単のため、図１(b)に示すように１次元系、即ち供給手段を直線状に移動させる場合を例にとって説明する。まず、供給手段を固定した状態で所定の流量で単位時間だけ被加工物をエッチングした時の加工痕の形状を、供給手段の中心を原点O'とする表面上の位置uの関数f(u)（単位加工痕関数）で表す。また、被加工物の表面上の座標系Xにおける原点O'の座標をsとする。座標系Xでの位置xにおいて、微小時間の間に被加工物がエッチングされる深さΔhは、
Δh(x)=f(x-s)dt (1)
となる。式(1)を時間積分することにより位置xにおけるエッチングの深さを表す関数h(x)が求められるが、その際、供給手段が速度v(s)=ds/dtで移動することから、h(x)は
A method for increasing the machining accuracy in consideration of the shape of the machining mark will be examined. Here, for the sake of simplicity, description will be made by taking as an example a case where the one-dimensional system, that is, the supply means is moved linearly as shown in FIG. First, the shape of the machining trace when the workpiece is etched for a unit time at a predetermined flow rate with the supply means fixed is a function f (u) of the position u on the surface with the center of the supply means as the origin O ′. ) (Unit processing trace function). Further, the coordinate of the origin O ′ in the coordinate system X on the surface of the workpiece is assumed to be s. At a position x in the coordinate system X, the depth Δh at which the workpiece is etched during a minute time is
Δh (x) = f (xs) dt (1)
It becomes. The function h (x) representing the etching depth at the position x is obtained by integrating the equation (1) with time, but at this time, the supply means moves at a speed v (s) = ds / dt, h (x) is
エッチング時の温度が変動するとエッチング速度も変動するため、第２の態様においても、エッチング作業中にエッチング液及び／又は被加工物の温度を所定の範囲内になるように制御することが望ましい。この温度範囲は被加工物の材料、エッチング液の組成、目的とする加工精度等を定めたうえで、あらかじめ予備実験を行い決定することができる。被加工物の温度制御は、被加工物の全体に対して行ってもよいし、エッチングが行われている領域に対してのみ行ってもよい。 When the temperature during etching varies, the etching rate also varies. Therefore, in the second aspect as well, it is desirable to control the temperature of the etching solution and / or the workpiece to be within a predetermined range during the etching operation. This temperature range can be determined by performing preliminary experiments in advance after determining the material of the workpiece, the composition of the etching solution, the target processing accuracy, and the like. The temperature control of the workpiece may be performed on the entire workpiece or may be performed only on a region where etching is performed.
第２の態様の供給手段は、２次元的に走査することにより、被加工物表面を面的に加工することができる。一方、被加工物の加工領域の幅と同じ又はそれよりも広い幅を持つ供給手段を用いた場合には、幅方向に垂直な方向に１次元的に移動させるだけで面的に加工することができる。また、被加工物の同一の加工領域に対して複数回、それぞれ異なる方向に１次元的に移動させることもできる。これにより、供給手段を１回移動させただけでは除去できない前記幅方向の凹凸も除去することができる。更に、供給手段の１次元的な移動と２次元的な走査を組み合わせてもよい。例えば、前記幅広供給手段を１次元的に移動させることにより大まかに加工した後で、幅広供給手段よりも径の小さい供給手段を用いて２次元走査を行うことにより細部の加工を行うことができる。あるいは、第１の態様による加工を行った後に、第２の態様における２次元走査を行うことにより細部の加工を行ってもよい。なお、ここでは供給手段を移動（走査）させると記載したが、前述のように、被加工物の方を移動させてもよいし、供給手段と被加工物の双方を移動させてもよい。
これら種々の移動方法を適宜使い分け、あるいは組み合わせることにより、平坦性の高い表面形状や、複雑な表面形状を得ることができる。
また、供給手段の形状は目的に応じて適宜定めることができる。例えば、移動方向に対して幅広の矩形ノズルを用いることにより、走査加工の重ね合わせによって生じる深さムラを少なくすることができる。
The supply means according to the second aspect can process the surface of the workpiece surface by scanning two-dimensionally. On the other hand, when a supply means having a width equal to or wider than the width of the processing area of the workpiece is used, the surface processing is performed only by one-dimensional movement in a direction perpendicular to the width direction. Can do. Further, it can be moved one-dimensionally in a different direction multiple times with respect to the same processing region of the workpiece. Thereby, the unevenness in the width direction, which cannot be removed only by moving the supply means once, can be removed. Furthermore, a one-dimensional movement of the supply means and a two-dimensional scan may be combined. For example, after processing the wide supply means in a one-dimensional manner, the fine processing can be performed by performing two-dimensional scanning using a supply means having a smaller diameter than the wide supply means. . Or you may process a detail by performing the two-dimensional scan in a 2nd aspect, after performing the process by a 1st aspect. Here, it is described that the supply unit is moved (scanned). However, as described above, the workpiece may be moved, or both the supply unit and the workpiece may be moved.
By appropriately using or combining these various movement methods, a highly flat surface shape or a complicated surface shape can be obtained.
Further, the shape of the supply means can be appropriately determined according to the purpose. For example, by using a rectangular nozzle that is wide with respect to the moving direction, it is possible to reduce unevenness in depth caused by superposition of scanning processes.
第１の態様、第２の態様のいずれにおいても、供給手段から被加工物表面の所望の位置にエッチング剤を供給することができる限り、供給手段から供給されるエッチング剤の流れ及び被加工物は任意の方向に向けることができる。エッチング剤の流れ及び／又は被加工物を所定の方向に向けるために、この流れの方向及び被加工物の方向のいずれか一方又は両方を変化させる手段を本発明の装置に設けることができる。その手段には、供給手段及び／又は被加工物を傾斜させるものや、供給手段及び／又は被加工物を所定の点を中心に回転させるもの等を用いることができる。 In both the first aspect and the second aspect, as long as the etching agent can be supplied from the supply means to a desired position on the surface of the workpiece, the flow of the etching agent supplied from the supply means and the workpiece Can be pointed in any direction. Means for changing either or both of the flow direction and the workpiece direction may be provided in the apparatus of the present invention to direct the etchant flow and / or the workpiece in a predetermined direction. As the means, a means for inclining the supply means and / or the workpiece, a means for rotating the supply means and / or the workpiece about a predetermined point, and the like can be used.
板状の被加工物に対してエッチング処理を行う際には、被加工物を略水平に配置すると被加工物が撓み、正確な加工ができない場合がある。そのような場合には、被加工物を立設することにより、撓みを防ぎ正確に加工することができる。 When performing an etching process on a plate-shaped workpiece, the workpiece may be bent when the workpiece is disposed substantially horizontally, and accurate machining may not be performed. In such a case, by standing the workpiece, bending can be prevented and processing can be performed accurately.
次に、エッチング剤について説明する。以下に述べるエッチング剤は第１の態様、及び第２の態様のいずれにも用いることができる。
エッチング剤は被加工物に応じて選択すればよい。例えば、被加工物がガラス材、石英、水晶等、SiO2を材料として含むものである場合には、エッチング剤にはフッ化水素酸又はフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合溶液を用いることが望ましい。被加工物がSi半導体ウエハ等、Siを材料として含むものである場合には、エッチング剤にはフッ化水素酸と硝酸の混合溶液又はフッ化水素酸と硝酸と酢酸の混合溶液、又は水酸化カリウムを用いることが望ましい。また、被加工物がSi3N4、Al2O3又はGaNを材料とするものである場合には、エッチング剤には熱リン酸（H3PO4）を用いることができる。熱リン酸の温度は、例えばSi3N4に対しては150℃〜250℃、Al2O3に対しては250℃程度とすればよい。
エッチング剤は使い捨てにしてもよいが、一度エッチングに使用したエッチング剤を回収して再利用することが望ましい。その場合、エッチング剤を繰り返し使用するとその間に濃度が変動する可能性がある。そのため、例えば液体をエッチング剤に用いる場合には、溶液濃度を測定してその値が所定値よりも低くなれば溶質を追加することにより、溶液濃度が所定の範囲内になるように制御することが望ましい。気体をエッチング剤に用いる場合にも同様の制御をすることができる。前述の温度範囲と同様に、濃度範囲もあらかじめ予備実験を行い決定することができる。
また、一度使用したエッチング剤には被加工物の材料成分が混入するため、エッチング剤の再利用はその材料成分を除去してから行うとよい。但し、エッチング剤に材料成分が混入してもエッチング速度が低下しない場合には、このような除去を行う必要はない。例えば被加工物がSiO2を材料として含むものであってエッチング剤がフッ化水素酸（フッ酸）である場合には、SiO2はフッ化水素酸に十分によく溶解するため、通常は溶解したSiO2の成分を除去する必要はない。
Next, the etching agent will be described. The etching agent described below can be used in both the first aspect and the second aspect.
The etchant may be selected according to the workpiece. For example, when the workpiece includes glass material, quartz, quartz, or the like, and SiO 2 is used as a material, it is desirable to use hydrofluoric acid or a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride as the etching agent. . When the work piece contains Si as a material, such as a Si semiconductor wafer, the etchant contains a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid, or potassium hydroxide. It is desirable to use it. Further, when the workpiece is made of Si 3 N 4 , Al 2 O 3 or GaN, hot phosphoric acid (H 3 PO 4 ) can be used as the etchant. The temperature of hot phosphoric acid may be, for example, about 150 ° C. to 250 ° C. for Si 3 N 4 and about 250 ° C. for Al 2 O 3 .
Although the etching agent may be disposable, it is desirable to collect and reuse the etching agent once used for etching. In that case, when the etching agent is repeatedly used, the concentration may change during that time. Therefore, for example, when using a liquid as an etching agent, control the solution concentration to be within a predetermined range by measuring the solution concentration and adding a solute when the value is lower than the predetermined value. Is desirable. The same control can be performed when a gas is used as an etching agent. Similar to the temperature range described above, the concentration range can be determined in advance through preliminary experiments.
In addition, since the material component of the workpiece is mixed in the etching agent once used, it is preferable to reuse the etching agent after removing the material component. However, if the etching rate does not decrease even if material components are mixed in the etching agent, such removal is not necessary. For example, if the work piece contains SiO 2 as a material and the etching agent is hydrofluoric acid (hydrofluoric acid), SiO 2 dissolves well in hydrofluoric acid, so it usually dissolves. It is not necessary to remove the SiO 2 component.
エッチング剤として電界が印加されている間のみ被加工物をエッチングすることができる電解液を用い、被加工物と供給手段の間に電界を印加しながら本発明の表面加工処理を行うこともできる。この場合、電界のON/OFFによりエッチングのON/OFFを制御を行うことができる。本発明のエッチング剤の温度、流量及び／又は供給手段の速度の制御と、電界によるエッチングのON/OFF制御とを組み合わせることにより、更に精密な加工を行うことができる。 Using an electrolytic solution that can etch a workpiece only while an electric field is applied as an etchant, the surface processing of the present invention can be performed while applying an electric field between the workpiece and the supply means. . In this case, ON / OFF of etching can be controlled by ON / OFF of the electric field. By controlling the temperature, flow rate and / or speed of the supply means of the etching agent according to the present invention and the ON / OFF control of etching by an electric field, further precise processing can be performed.
エッチング速度を高めると共に空間波長の短い粗さ成分を除去するために、液体のエッチング剤に研磨剤を含有させることができる。研磨剤には例えばアルミナ（Al2O3）、ジルコニア（ZrO2）、炭化珪素（SiC）、ホウ化炭素（B4C）、ダイヤモンド、三酸化二クロム（Cr2O3）、二酸化セリウム（CeO2）、二酸化チタン（TiO2）、二酸化珪素（SiO2）、酸化マグネシウム（MgO）、窒化硼素（BN）から成る微粒子や、これら微粒子のうちの２種以上の混合物を用いることができる。また、白金（Pt）の微粒子は、エッチング液に浸食されないという点で、研磨剤として好適に用いることができる。
エッチング速度を高めるとために、被加工物のエッチングを促進する触媒をエッチング剤に添加したり、被加工物表面に光を照射したりこの表面を加熱したりすることもできる。
In order to increase the etching rate and remove the roughness component having a short spatial wavelength, an abrasive may be included in the liquid etching agent. Examples of abrasives include alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC), carbon boride (B 4 C), diamond, dichromium trioxide (Cr 2 O 3 ), cerium dioxide ( Fine particles made of CeO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), magnesium oxide (MgO), boron nitride (BN), or a mixture of two or more of these fine particles can be used. Further, platinum (Pt) fine particles can be suitably used as an abrasive in that they are not eroded by the etching solution.
In order to increase the etching rate, a catalyst for promoting the etching of the workpiece can be added to the etching agent, the surface of the workpiece can be irradiated with light, or the surface can be heated.
第１及び第２の態様の表面加工方法は、高精度の研磨仕上げ面を要求される光学機器や通信機器あるいはＯＡ機器等に使用される機能性ガラス材（例えば極端紫外光、X線、中性子線用の光学素子）、液晶ディスプレイやフォトマスク等に用いるガラス基板、あるいは半導体基板等の製造工程における表面の仕上げ加工に用いることができる。また、半導体デバイス、磁気ヘッド、ライトガイドその他の各種精密部品の製造工程における微細加工に用いることもできる。更に、レーザビームプリンタなどの情報機器等に用いられるｆ-θレンズ等の非軸対称非球面レンズや、光ピックアップレンズやＶＴＲカメラ用レンズ等に使用される非球面反射鏡等の超精密加工にも用いることができる。
また、水晶振動子や弾性表面波デバイス等の製造工程において、振動体の厚さを均一化するために用いることができる。
The surface processing methods of the first and second aspects are functional glass materials (for example, extreme ultraviolet light, X-rays, neutrons) used in optical equipment, communication equipment, OA equipment, etc. that require a high-precision polished finish. Optical elements for lines), glass substrates used for liquid crystal displays, photomasks, etc., or can be used for surface finishing in the production process of semiconductor substrates and the like. It can also be used for fine processing in the manufacturing process of semiconductor devices, magnetic heads, light guides and other various precision parts. Furthermore, for ultra-precision processing of non-axisymmetric aspherical lenses such as f-θ lenses used for information devices such as laser beam printers, and aspherical reflecting mirrors used for optical pickup lenses and VTR camera lenses. Can also be used.
Further, it can be used to make the thickness of the vibrating body uniform in the manufacturing process of a crystal resonator, a surface acoustic wave device, and the like.
第１及び第２の態様の表面加工方法や、それを用いた各種素子や基板等の製造方法は、常温・常圧下で行うことができる。そのため、本発明の方法を用いることにより、使用する装置のコストをプラズマエッチングやイオンビームエッチング用の装置よりも抑えることができる。また、被加工物を真空チャンバに収容する必要がないため、大型の被加工物でも容易に取り扱うことができる。表１に、機械加工法、プラズマエッチング法及びイオンビーム法に対する本発明の方法の利点をまとめて示す。
(1)第１の態様の表面加工方法及び表面加工装置の実施例（第１実施例）
本発明に係る第１の態様の表面加工方法及び表面加工装置の実施例を図２〜図４を用いて説明する。図２は本実施例の表面加工装置１０の概略構成図である。この装置１０は被加工物１の表面を所定のプロファイルになるようにエッチングするためのものである。装置１０は、エッチング液を被加工物１の表面に送出するノズル（供給手段）１２を多数、１方向に配列したノズル集合体（供給手段集合体）１１を有する。各ノズル１２はそれぞれ、ヒータ１３１及び温度センサ１３２を有し、ノズル毎に送出されるエッチング液の温度を調整することができる。ノズル集合体１１は被加工物１の表面に沿って、ノズル１２の配列方向に垂直な方向に移動する。
なお、ノズル１２を移動させる代わりに、ノズル１２を固定して被加工物１を移動させてもよいし、ノズル１２と被加工物１の双方を移動させてもよい。
(1) Example of surface processing method and surface processing apparatus according to first aspect (first example)
Embodiments of the surface processing method and the surface processing apparatus according to the first aspect of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
Instead of moving the
２種類のノズル集合体１１の例を、図３の断面図を用いて説明する。(a)に示したノズル集合体１１ａは多数のノズル１２ａを１個の外周管１１１内に配設したものである。各ノズル１２ａから加工物１の表面に供給されたエッチング液は、外周管１１１内の各ノズル１２ａの間の隙間１１２を通って、後述のエッチング液循環装置１５により回収される。一方、(b)に示したノズル集合体１１ｂは、同軸状に配置した外側管１２１と内側管１２２から成るノズル１２ｂを配列したものである。エッチング液は内側管１２２から加工物１の表面に供給され、外側管１２１から後述のエッチング液循環装置１５により回収される。
An example of the two types of
装置１０はこのノズル集合体１１及びヒータ１３１を制御する制御部１４を有する。制御部１４は、ノズル集合体１１を平面内で移動させるアクチュエータ、加工前及び目標とする加工後の被加工物１の表面のプロファイルを記憶する記憶部、これら２つのプロファイル及びエッチング液の温度と加工深さの関係式から、各ノズル１２でのエッチング液の温度及びノズル集合体１１の移動速度を算出する演算部、その演算結果と温度センサ１３２からの信号に基づきエッチング液の温度を制御する温度制御部、及び演算結果に基づきノズル集合体１１の移動速度を制御すると共にノズル１２と被加工物１の距離を一定に保つようにアクチュエータを制御する移動制御部を有する。
The
更に、装置１０は、エッチング液を供給し、回収し、循環使用するためのエッチング液循環装置１５を有する。エッチング液循環装置１５は、エッチング液を各ノズル１２に分岐させて送出する送出管１５１、エッチング液をノズル集合体１１から回収する回収管１５２、エッチング液を貯留する貯留タンク１５３、貯留タンク１５３から送出管１５１へエッチング液を送出する送液ポンプ１５４、送出管１５１へ送出するエッチング液の流量を調節する流量調節バルブ１５５及び流量計１５６、並びに被加工物１の表面に付着したエッチング液を吸引して回収するための吸引ポンプ１５７を有する。これら各装置は、貯留タンク１５３、送液ポンプ１５４、流量調節バルブ１５５、流量計１５６、送出管１５１、（ノズル集合体１１）、回収管１５２、の順に接続され、回収管１５２と貯留タンク１５３が接続されることにより、循環経路が形成されている。吸引ポンプ１５７は貯留タンク１５３内を減圧することにより、前述の外周管１１１又は外側管１２１からエッチング液を吸引する。送出管１５１及び回収管１５２には、ノズル集合体１１の移動に追従可能なように可撓性があるものを用いる。また、エッチング液が接触する部分は全て、エッチング液により腐食することのない材料から成る。更に、エッチング液循環装置１５は貯留タンク１５３内のエッチング液を一定の温度に保つための温度コントローラ１５８を有する。
Furthermore, the
第１実施例の表面加工装置１０の動作を説明する。
まず、表面加工装置１０を使用する前に、予備実験として、被加工物１と同じ材料から成る試料を用いて、ノズル１２から所定の一定流量のエッチング液を試料表面に送出した場合における、エッチング液の温度と試料がエッチングされる深さの関係を求めておく。この予備実験では試料は石英であり、濃度20重量%のフッ化水素酸から成るエッチング液を0.5リットル/分の流量で試料表面に供給した。測定結果の一例を図４に示す。この図では、２個の試料に関する測定データをそれぞれ丸印及び四角印で示し、この測定データを指数関数で近似した計算値を実線で示した。なお、この図には測定結果は温度が40℃以下の範囲のみ示したが、それ以上の温度でも、70℃程度までは計算値からのずれは無視できる程小さい。この計算値より、例えばエッチング液の温度を50℃から60℃に変化させることにより、１分間あたりの加工深さを約0.5μm変化させることができることがわかる。被加工物１上の各点におけるエッチングすべき加工深さが決まれば、この計算値で示された温度と加工深さの関係から、ノズル１２からそれら各点に供給するエッチング液の温度を定めることができる。
また、このエッチング深さの温度変化の測定を、ノズル集合体を一定の速度で移動させながら行う。そしてこの測定を複数の速度で行うことにより、エッチング液の温度及びノズル集合体の移動速度とエッチング深さの関係を求めることができる。被加工物１上の各点におけるエッチングすべき加工深さが決まれば、ここで求めた温度及び移動速度と加工深さの関係から、ノズル１２からそれら各点に供給するエッチング液の温度及びノズル集合体の移動速度を定めることができる。
Operation | movement of the
First, before using the
The temperature change of the etching depth is measured while moving the nozzle assembly at a constant speed. By performing this measurement at a plurality of speeds, the relationship between the etching solution temperature, the moving speed of the nozzle assembly, and the etching depth can be obtained. If the processing depth to be etched at each point on the
次に、被加工物１の表面の加工前のプロファイルを測定する。この測定は既存の表面形状測定装置や表面粗さ測定装置等を用いて行うことができる。得られた測定結果を制御部１４の記憶部に記憶させる。
Next, the profile before processing of the surface of the
次に、演算部は、記憶部に記憶された被加工物１の表面の加工前及び目標とする加工後の被加工物１の表面のプロファイルとの差から、被加工物１の表面上の各位置において加工すべき深さを算出する。演算部は更に、前述の温度及び移動速度と加工深さの関係から、各位置においてノズル１２から送出するエッチング液の温度とノズル集合体の移動速度を算出する。
Next, the computing unit determines the difference between the surface profile of the
送液ポンプ１５４を作動させて流量調節バルブ１５５を調節することにより、貯留タンク１５３からノズル１２を通して、被加工物１の表面に所定の流量及び前述のように定めた温度でエッチング液を送出しつつ、前述のように定めた速度でノズル集合体を移動させる。それと共に、吸引ポンプ１５７を作動させて被加工物１の表面からエッチング液を貯留タンク１５３に吸引する。これにより、被加工物１の表面の各点において、前述の算出された加工すべき深さにエッチングがなされ、所望のプロファイルが得られる。
By operating the
図５に、第１実施例の変形例である表面加工装置１０’を示す。この表面加工装置１０’は、表面加工装置１０におけるヒータ１３１及び温度センサ１３２の代わりに、各ノズル１１にエッチング液の流量を調整するためのシャッター１６を設けたものである。シャッター１６の開閉は制御部１４により制御される。それ以外の構成は表面加工装置１０と同様である。表面加工装置１０’では、ノズル毎にエッチング液の流量を調整すると共にノズル集合体１２及び／又は被加工物１の移動速度を制御することにより、被加工物１の表面の加工深さを調整する。これにより、所望のプロファイルが得られる。
流量の調整は、シャッター１６の開口面積を変化させることにより行ってもよいし、シャッター１６を開閉してその開放時間と閉鎖時間の比を調整することにより行ってもよい。
FIG. 5 shows a
The adjustment of the flow rate may be performed by changing the opening area of the
(2)第２の態様の表面加工方法及び表面加工装置の実施例（第２実施例）
第２の態様の表面加工方法及び表面加工装置の実施例を図６及び図７を用いて説明する。図６は本実施例の表面加工装置２０の概略構成図である。装置２０は、内側管２１１と外側管２１２が同軸状に配置されたノズル（供給手段）２１を有する。内側管２１１はエッチング液を被加工物１の表面に送出し、外側管２１２は供給されたエッチング液を回収する。ノズル２１は先端が上側になるように配置し、被加工物１は表面が下を向くように配置する。このような配置にする理由は、ノズル２１の先端から送出したエッチング液を重力で落下させることにより、被加工物１の表面からより除去しやすくするためである。なお、本発明では後述のようにエッチング液の吸引除去を行うため、ノズル２１の先端の向きを上側にすることは必須ではなく、それ以外の向きにしてもエッチング液を被加工物１の表面から除去することは可能である。ノズル２１は被加工物１の表面に沿って移動することができる。なお、第１実施例と同様に、ノズル２１を移動させる代わりに被加工物１を移動させてもよいし、ノズル２１と被加工物１の双方を移動させてもよい。
(2) Embodiment of surface processing method and surface processing apparatus of second aspect (second embodiment)
An embodiment of the surface processing method and the surface processing apparatus of the second aspect will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the
また、装置２０はノズル２１を被加工物１の表面に沿って移動させる移動制御部２２を有する。移動制御部２２は、ノズル２１を平面内で移動させるアクチュエータ、加工前及び目標とする加工後の被加工物１の表面のプロファイルを記憶する記憶部、これら２つのプロファイル及びノズル２１の速度と加工深さの関係式からノズル２１の移動速度を算出する演算部、及びその演算結果に基づきアクチュエータ（ノズル２１の移動速度）を制御するコントローラを有する。移動制御部２２はノズル２１と被加工物１の距離を一定に保つようにアクチュエータを制御する。
In addition, the
更に、装置２０はエッチング液循環装置１５を有する。エッチング液循環装置１５の構成は基本的には第１実施例のものと同様である。第２実施例では、吸引ポンプ１５７は、被加工物１表面付近の液体及び気体をエッチング液の供給量よりも十分に大きい量だけ吸引できるものを用いる。
Further, the
第２実施例の表面加工装置２０の動作を説明する。
まず、予備実験として、被加工物１と同じ材料から成る試料を用いて、ノズル２１から所定の一定流量のエッチング液を試料表面に送出した場合における、ノズル２１の移動速度と試料がエッチングされる深さの関係を求めておく。測定結果の一例を図７に示す。この予備実験では試料は石英であり、濃度20重量%のフッ化水素酸から成るエッチング液を0.5リットル/分の流量で試料表面に供給した。また、実験は100mm/分、133mm/分、200mm/分、400mm/分の４種類の速度でそれぞれ被加工物を移動させることにより行った。図７の横軸は移動速度の逆数であり、縦軸は加工深さ（エッチング深さ）である。実験は各移動速度毎に２回ずつ行い（図中の丸印と四角印）、実験結果に再現性があることを確認した。図７から明らかなように、移動速度の逆数と加工深さには比例関係がある。この関係から、被加工物１上の各点におけるエッチングすべき加工深さが決まれば、それら各点におけるノズル２１の移動速度を定めることができる。
The operation of the
First, as a preliminary experiment, using a sample made of the same material as the
次に、第１実施例と同様に、被加工物１の表面の加工前のプロファイルを測定する。得られた測定結果を移動制御部２２の記憶部に記憶させる。
Next, as in the first embodiment, the profile of the surface of the
次に、演算部は、記憶部に記憶された被加工物１の表面の加工前及び目標とする加工後の被加工物１の表面のプロファイルとの差から、被加工物１の表面上の各点において加工すべき深さを算出する。演算部は更に、前述のノズルの移動速度の逆数と加工深さの関係から、各点におけるノズルの移動速度を算出する。
Next, the computing unit determines the difference between the surface profile of the
送液ポンプ１５４を作動させて流量調節バルブ１５５を調節することにより、貯留タンク１５３からノズル２１を通して、被加工物１の表面に所定の流量でエッチング液を送出する。それと共に、吸引ポンプ１５７を作動させて被加工物１の表面からエッチング液を貯留タンク１５３に吸引する。この状態において、移動制御部２２のコントローラは、前述のように算出した速度に基づき、アクチュエータを用いてノズル２１の移動速度を制御しつつ被加工物１の表面においてノズル２１を移動させる。これにより、被加工物１の表面の各点において、前述の算出された加工すべき深さにエッチングがなされ、所望のプロファイルが得られる。第２実施例では、図７に示したように10-3μm、即ちナノメートル単位の精度で加工深さを調整することができる。
By operating the
エッチングに用いられたエッチング液は吸引ポンプ１５７を用いて吸引されることにより、外側管２１２を通して貯留タンク１５３に戻され、エッチングに再利用される。
The etching solution used for the etching is sucked using the
更に、本実施例の装置２０は、吸引ポンプ１５７により被加工物１の表面付近にある気体も吸引する。この表面付近ではエッチング液が気化して発生した気体が被加工物１の表面を浸食する恐れがある。そのため、前述のように、エッチング液の供給量よりも十分に大きい吸引量で被加工物１表面付近の液体及び気体を吸引することにより、エッチング液が気化した気体による悪影響を防ぐことができる。
Furthermore, the
(3)変形例
第１及び第２実施例の表面加工装置の変形例を図８〜図１０に示す。
図８に、第２実施例の表面加工装置にリンス装置３０を追設した表面加工装置を示す。リンス装置３０はリンス液ノズル３１、リンス液タンク３２及びリンス液供給ポンプ３３を有する。
本変形例においても、エッチング処理は図６の装置と同様の方法により行う。本変形例では、移動制御部２２による制御を受けて、エッチング処理のために被加工物１の表面上を移動するノズル２１を追尾するように、リンス液ノズル３１が被加工物１の表面上を移動する。その際、リンス液を、リンス液供給ポンプ３３によりリンス液タンク３２からリンス液ノズル３１に移送し、リンス液ノズル３１から被加工物１の表面に供給する。これにより、もしエッチング処理の際にエッチング液が外側管２１２に吸引されずに被加工物１の表面に付着して残留していたとしても、その残留エッチング液をリンス液により洗い流すことができ、不要なエッチングの進行をより確実に止めることができる。
なお、ここでは第２実施例の装置にリンス装置３０を追設した例を示したが、第１実施例でも同様にリンス装置３０を追設することができる。
(3) Modifications Modifications of the surface processing apparatus of the first and second embodiments are shown in FIGS.
FIG. 8 shows a surface processing apparatus in which a
Also in this modification, the etching process is performed by the same method as that of the apparatus of FIG. In this modification, the rinse
In addition, although the example which added the rinse
図９に、第２実施例の表面加工装置において、ノズル２１の代わりに１重の管から成りエッチング液を被加工物１の表面に供給するノズル２１’を設け、このノズル２１’とは別に、１重の管から成り吸引ポンプ１５７’の動作によりエッチング液を吸引する吸引用ノズル３４を設けた例を示す。この吸引用ノズル３４は、図８のリンス液ノズル３１と同様に、ノズル２１’に後行するように被加工物１の表面上を移動する。これにより、被加工物１の表面に付着して残留した残留エッチング液及びエッチング液が気化してこの表面付近に存在する気体を吸引して除去することができる。
なお、ここに示した吸引用ノズル３４は、ノズル２１’ではなくノズル２１と共に用いることもできる。また、第１実施例でも同様に吸引用ノズルを追設することができる。
In FIG. 9, in the surface processing apparatus of the second embodiment, a
The
図１０に、第２実施例の表面加工装置の別の変形例を示す。この例では、図６の表面加工装置の貯留タンク１５３に濃度コントローラ３５を追設する。この濃度コントローラ３５は、貯留タンク１５３内のエッチング液の濃度を測定する濃度センサを有し、測定された濃度に基づき溶媒又は／及び溶質を貯留タンク１５３内に追加投入することにより溶液が所定の濃度になるように制御する。これにより、エッチング作業中におけるエッチング液の温度や濃度の変動が原因となってエッチング深さに誤差が生じることを防ぐことができる。
なお、濃度コントローラ３５は第１実施例でも同様に追設することができる。また、図１０にはフッ化水素酸をエッチング液として用いる場合の例を示したが、フッ化水素酸と硝酸及び／又は酢酸の混合液や水酸化ナトリウム等の他のエッチング液を用いる場合や、エッチングガスを用いる場合にも同様に濃度コントローラを設けることができる。
FIG. 10 shows another modification of the surface processing apparatus of the second embodiment. In this example, a
The
図１１に、第２実施例の表面加工装置の更に別の変形例を示す。この例では、図６の表面加工装置に、被加工物１の表面の温度を一定に保つための被加工物温度コントローラ３６を有する。被加工物温度コントローラ３６は被加工物１の表面の温度を測定する温度センサと被加工物１を加熱及び／又は冷却する加熱装置（電流で加熱するヒータ等）及び／又は冷却装置（冷却水による冷却ユニット等）を用いることができる。この被加工物温度コントローラ３６を用いて被加工物１の表面の温度を一定に保つことにより、被加工物の表面温度の違いによりエッチング速度に誤差が生じることを防ぐことができる。
第１実施例においても同様に、被加工物温度コントローラ３６を用いて被加工物１の表面の温度を制御することができる。エッチング剤の温度により加工深さを制御する場合には、被加工物温度コントローラ３６により被加工物１表面全体の温度を一定に保ちつつ、エッチング剤の温度調整によりエッチング剤と接触する部分の温度のみが変化することにより、エッチング量を制御することができる。
FIG. 11 shows still another modification of the surface processing apparatus of the second embodiment. In this example, the surface processing apparatus of FIG. 6 has a
Similarly in the first embodiment, the temperature of the surface of the
本実施例で用いるノズルの例を、図１２及び図１３を用いて説明する。
図１２(a)〜(c)には、形状の異なる３種類のノズルを横断面（エッチング液の流れる方向に対して垂直な断面）図で示す。(a)に示したノズル４１は図６に示したノズル２１と同様に、外側管４１ａと内側管４１ｂを１個ずつ有する。(b)に示したノズル４２はノズル４１と同様の外側管と内側管から成る単体ノズル４２ａを複数束ねたノズルである。ノズル４２においては、各単体ノズル４２ａがいずれも、内側管からエッチング液を被加工物の表面に供給し、外側管からエッチング液及び気体を吸引する。個々の単体ノズル４２ａの径をノズル４１よりも十分小さくしてノズル４２全体でノズル４１と同程度の大きさにすることができる。このように複数の単体ノズルを束ねることにより、エッチング液及び気体を吸引する外側管がノズル内に分散して配置されるため、効率よく吸引することができる。(c)に示したノズル４３は、横断面の形状を矩形としたものである。この矩形の長辺をノズル４１の径よりも十分に長くし、その長辺に垂直な方向４３ａにノズル４３を移動させることにより、ノズル４１を用いた場合よりは表面加工の空間分解能は低下するものの、被加工物の表面をより速い速度でエッチングすることができる。従って、被加工物の表面を、まずこのような長い辺を持つノズル４３を用いて大まかに予備的エッチングを行った後、ノズル４１を用いて精密に加工することにより、高精度のエッチングを効率よく行うことができる。
Examples of nozzles used in this embodiment will be described with reference to FIGS.
12A to 12C show three types of nozzles having different shapes in a cross section (a cross section perpendicular to the direction in which the etching solution flows). Similarly to the
図１３に、内側管の肉厚が異なる２種類のノズル４４及び４５を縦断面図で示す。ノズル４５の内側管４５ｂの肉厚はノズル４４の内側管４４ｂの肉厚よりも厚い。ノズル４４の外側管４４ａとノズル４５の外側管４５ａは、内径及び肉厚が等しい。ノズル４４、ノズル４５のいずれを用いた場合にも、単位加工痕の面積は外側管の内径で定まるため等しいが、必要なエッチング液の量はノズル４５の方が少ない。また、被加工物１と肉厚部との隙間に被加工物表面と平行な向きにせん断流が生じるため、研磨剤である微粒子を添加した場合において、微粒子を被加工物表面上で効果的に転動させることができ、それにより表面粗さの除去能率を向上させることができる。なお、第１実施例の各ノズル１２においても、このような肉厚の調整を行うことにより第２実施例と同様の効果を得ることができる。
FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing two types of
図１４に、多数の孔を有するシャワーヘッド４６３を内側管４６１の先端に設けたノズル４６を縦断面図で示す。
例えばノズル４１等では、外側管からエッチング液を吸引する力が強すぎると、内側管の内部まで吸引力が及び、それにより内側管から放出されるエッチング液の一部が被加工物１の表面に到達することなく外側管に吸引される恐れがある。それに対してノズル４６では、シャワーヘッド４６３を設けることにより、外側管４６２が内側管４６１の内部にまで与える吸引力は十分に抑えることができるため、エッチング液を被加工物１の表面に確実に供給することができる。このようなシャワーヘッドを有するノズルは、ノズル４２のように複数束ねることもできる。また、第１実施例のノズル１２にも同様にシャワーヘッドを設けることができる。
FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing a
For example, in the
図１５を用いて、ノズルの移動操作の例を説明する。(a)はノズル４３を被加工物１に対して１次元的（１方向）に移動させる例を示したものであり、この移動操作は前述のように予備的エッチングを行う際に用いることができる。(b)〜(d)はノズル４１を被加工物１に対して２次元的に走査する例を示したものである。(b)ではノズル４１を被加工領域の端部まで直線状に移動させ、その走査の痕に接して平行に移動させることを繰り返すことにより、被加工領域の全体を走査する。(c)では、任意の位置にノズル４１を移動させることにより、加工すべき部分のみをエッチングする。(d)では、被加工物１を回転させながらノズルを徐々に径方向に移動させることにより、被加工領域の全体を走査する。
(a)に示した操作により大まかに被加工物表面を加工した後で、この表面に残った凹凸を(b)〜(d)に示した操作により除去するという、２段階の操作をすることもできる。また、同一の加工領域に対して、(a)に示した移動操作をそれぞれ異なる移動方向で行うことにより、凹凸を小さくすることができる。
An example of the nozzle movement operation will be described with reference to FIG. (a) shows an example in which the
After roughly processing the surface of the workpiece by the operation shown in (a), the unevenness remaining on the surface is removed by the operation shown in (b) to (d). You can also. Further, the unevenness can be reduced by performing the movement operation shown in (a) in different movement directions on the same processing region.
被加工物を凸面状や凹面状等、平面以外の形状に加工する場合には、図１６に示すように、ノズル４１がエッチング液を噴出させる方向と被加工物１’の表面が略直交するように、ノズル４１又は被加工物１’を傾斜させる。
本発明の加工方法によれば、非球面レンズや非球面反射鏡等の複雑な曲面形状を加工することも可能である。
When processing the workpiece into a shape other than a plane such as a convex shape or a concave shape, as shown in FIG. 16, the direction in which the
According to the processing method of the present invention, it is also possible to process a complicated curved surface shape such as an aspherical lens or an aspherical reflecting mirror.
１…被加工物
１０、１０’、２０…表面加工装置
１１、１１ａ、１１ｂ…ノズル集合体
１１１…外周管
１１２…隙間
１２、１２ａ、１２ｂ、２１、４１〜４６…ノズル（供給手段）
１２１、２１１、４１ａ、４４ａ、４５ａ、４６１…外側管
１２２、２１２、４１ｂ、４４ｂ、４５ｂ、４６２…内側管
１３１…ヒータ
１３２…温度センサ
１４…制御部
１５…エッチング液循環装置
１５１…送出管
１５２…回収管
１５３…貯留タンク
１５４…送液ポンプ
１５５…流量調節バルブ
１５６…流量計
１５７…吸引ポンプ
１５８…温度コントローラ
１６…シャッター
２２…移動制御部
３０…リンス装置
３１…リンス液ノズル
３２…リンス液タンク
３３…リンス液供給ポンプ
３４…吸引用ノズル
３５…濃度コントローラ
３６…被加工物温度コントローラ
４２ａ…単体ノズル
４６３…シャワーヘッド
５１…加工痕
DESCRIPTION OF
121, 211, 41a, 44a, 45a, 461 ...
Claims (19)
a) 前記表面の加工前のプロファイルを測定し、
b) 液体又は気体から成るエッチング剤を供給する供給手段を１方向に複数並べた供給手段集合体を所定の速度で前記表面に沿って該１方向に垂直な方向に移動させつつ、各供給手段毎に、対向する該表面上の各点において前記目的プロファイルと前記加工前プロファイルの差から求めた加工深さに応じて温度及び流量のいずれか一方又は両方を制御しつつエッチング剤を該表面に向けて供給することにより、該表面をエッチングし、
c) 前記被加工物表面付近の液体及び気体を吸引除去する、
ことを特徴とする表面加工方法。 A surface processing method for etching a surface of a workpiece so that the surface has a target profile,
a) measure the profile of the surface before processing;
b) Each supply means while moving a supply means assembly in which a plurality of supply means for supplying an etching agent made of liquid or gas are arranged in one direction along the surface in a direction perpendicular to the one direction. Each time, the etching agent is applied to the surface while controlling either one or both of temperature and flow rate according to the processing depth obtained from the difference between the target profile and the pre-processing profile at each point on the surface facing each other. Etching the surface by feeding towards,
c) sucking and removing liquid and gas near the surface of the workpiece;
The surface processing method characterized by the above-mentioned.
a) 前記被加工物表面に向けて液体又は気体から成るエッチング剤を供給する供給手段を１方向に複数並べた供給手段集合体と、
b) 各供給手段毎に、対向する該被加工物表面上の各点において前記目的プロファイルと加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる値にエッチング剤の温度を調整する温度調整手段と、
c) 前記供給手段集合体を前記被加工物表面に沿って前記１方向に垂直な方向に移動させる移動制御手段と、
d) 前記表面付近の液体及び気体を吸引除去する吸引装置と、
を備えることを特徴とする表面加工装置。 A surface processing apparatus for etching a surface of a workpiece so that the surface has a target profile,
a) a supply means assembly in which a plurality of supply means for supplying an etching agent composed of a liquid or a gas toward the workpiece surface are arranged in one direction ;
b) Temperature adjusting means for adjusting the temperature of the etching agent to a value determined by the processing depth obtained from the difference between the target profile and the pre-processing profile at each point on the surface of the workpiece facing each other for each supply means; ,
c) a movement control means for moving the supply means assembly in a direction perpendicular to the one direction along the workpiece surface;
d) a suction device for sucking and removing liquid and gas near the surface;
A surface processing apparatus comprising:
a) 前記被加工物表面に向けて液体又は気体から成るエッチング剤を供給する供給手段を１方向に複数並べた供給手段集合体と、
b) 各供給手段毎に、対向する該被加工物表面上の各点において前記目的プロファイルと加工前プロファイルの差から求めた加工深さにより定まる値にエッチング剤の流量を調整する流量調整手段と、
c) 前記供給手段集合体を前記被加工物表面に沿って前記１方向に垂直な方向に移動させる移動制御手段と、
d) 前記表面付近の液体及び気体を吸引除去する吸引装置と、
を備えることを特徴とする表面加工装置。 A surface processing apparatus for etching a surface of a workpiece so that the surface has a target profile,
a) a supply means assembly in which a plurality of supply means for supplying an etching agent composed of a liquid or a gas toward the workpiece surface are arranged in one direction ;
b) a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the etching agent to a value determined by the processing depth obtained from the difference between the target profile and the pre-processing profile at each point on the surface of the workpiece facing each other for each supply means; ,
c) a movement control means for moving the supply means assembly in a direction perpendicular to the one direction along the workpiece surface;
d) a suction device for sucking and removing liquid and gas near the surface;
A surface processing apparatus comprising:
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