JP5247013B2 - イオンビーム加工方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ等の光学素子を製造するためのイオンビーム加工方法および装置に関するものである。

イオンビーム加工方法は、引き出し電極によりイオン源からイオンを引き出し、それを、静電集束レンズ等により所望の大きさのビームに整形して被加工物に照射し、材料を原子単位でスパッタ除去する加工方法である。被加工物の材料は原子単位でスパッタ除去されるため、切削加工や研削加工、研磨加工等の機械加工方法と比較して微小な加工量が得られやすいという特徴を持っている。この特徴を利用して、設計形状からの形状誤差が１ナノメートル以下というような超高精度を要求される光学素子の加工にイオンビーム加工を適用しようという試みがなされている。

イオンビーム加工は、イオンを被加工物に照射するという形態上、イオン源、引き出し電極、静電集束レンズ等のイオンビーム生成、照射にかかわる部分はもちろんのこと、被加工物の加工に直接関係する部分は必ず真空環境内に保持されていなければならない。すなわち、特許文献１に開示されたように、イオンビーム加工装置は、少なくともイオン源、引き出し電極、静電集束レンズ等からなるイオンビーム発生装置と被加工物（ワーク）が真空チャンバー内に収納される形態でなければならない。

また、従来の機械研磨等で行われている高精度な光学素子の加工方法は、まず、加工前にワークの形状測定を行って設計形状からの誤差量を算出する。この誤差量と、さらに形状修正研磨に用いる研磨工具の単位時間あたりの除去形状（単位除去形状）とから、光学素子の設計形状からの誤差量を研磨除去するための加工プログラムを作成する。このように作成された加工プログラムに従って、研磨工具を走査させ、ワークを所望の形状に修正加工するのが一般的である（特許文献２参照）。

ここで、研磨工具の単位除去形状を把握するために、事前にワークと同一の材質からなるテスト用試料を研磨工具により一定時間加工し、加工後そのテスト用試料の形状測定を行い、加工前と比較して除去された形状を算出するという作業を行う必要がある。
特開平０６−１３４５８３号公報 特許第３３０４９９４号明細書

上記従来例においては、イオンビーム加工方法を光学素子の加工に適用する場合、前述のように、まず準備段階として加工プログラムを作成する。このために、加工対象となる光学素子材料と同一の材質からなるテスト用試料を大気圧状態となっているイオンビーム加工装置の真空チャンバー内に投入する。次に、真空チャンバーを真空ポンプ等によりイオンビームが照射可能な真空度まで真空引きし、さらにテスト用試料にイオンビームを照射させて加工を行い、真空チャンバーを大気圧状態に戻して、テスト用試料を真空チャンバーから取り出して測定を行う。このようにして、イオンビームの単位除去形状を把握するという作業が必要となる。

しかし真空チャンバーの真空引きには数時間を要するのが一般的で、従来例のような作業を行うと、一回の光学素子材料のイオンビーム加工の準備段階だけで数時間以上を要することになり、非効率的であるという課題がある。

また、イオンビームは真空チャンバーの真空度、加工環境の温度、イオンとなるガス等の濃度などの微小な差異によりその照射状態を変化させてしまう。このため、一度イオンビーム照射を中止して真空チャンバーを大気圧状態に戻してしまうと、再度真空チャンバーを真空状態にして同条件にてイオンビーム照射を行った場合でも照射状態が微小に変化する。それに伴って単位除去形状も微小に変化してしまう場合が多い。

このように従来例では、加工プログラム作成時に用いたテスト用試料の加工時の単位除去形状と、実際の光学素子材料の加工時の単位除去形状に差異が生じてしまい、高精度なイオンビーム加工が難しいという未解決の課題がある。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、準備段階に多くの時間を必要とせず、効率的で、かつ、より高精度な光学素子の加工を行うことのできる、イオンビーム加工方法および装置を提供することを目的とするものである。

本発明のイオンビーム加工方法は、加工プログラムに従って制御されるイオンビームによって真空チャンバー内で被加工物を加工するイオンビーム加工方法において、前記被加工物が内部に載置された状態の前記真空チャンバー内で前記イオンビームの電流を測定することによって、前記イオンビームによる単位時間あたりの除去量および除去形状を検知する工程と、前記イオンビームによる前記単位時間あたりの除去量および除去形状に基づいて前記加工プログラムを作成する工程と、前記イオンビームの電流を測定した際の前記真空チャンバー内の真空状態を維持したまま、前記加工プログラムに従って前記イオンビームにより前記被加工物を加工する工程と、を有することを特徴とする。

加工プログラムを作成するたびに、その準備段階として、真空チャンバーへのテスト用試料の投入、真空チャンバーの真空引き、テスト用試料の加工、真空チャンバーの大気開放、テスト用試料の測定という工程が不必要となる。

イオンビームの電流を測定するだけで、加工プログラムを作成するのに必要なイオンビームの単位除去量および単位除去形状をより短時間で高精度に把握し、高精度な光学素子を安価に製造することが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、イオン源１から引き出されたイオンビーム３を被加工物である光学素子材料（ワーク）７に照射し、該光学素子材料７をイオンビーム加工する。まず、イオンビーム３によるワークに対する単位時間あたりの除去量（単位除去量）および単位時間あたりの除去形状（単位除去形状）に基づいて、光学素子材料７に所望の加工形状（目標加工形状）を与えるためのイオンビーム３の照射量等を指定する加工プログラムを作成する。この加工プログラムに従って、制御手段によりイオンビーム３を制御し、光学素子材料７に照射することで、光学素子の加工を行う。

加工プログラムの作成に用いるイオンビーム３の単位除去量と単位除去形状は、イオンビーム３のビーム電流状態をファラデーカップ（電流測定手段）８によって測定することにより把握される。なお、単位除去量とは、イオンビーム３を光学素子材料７に単位時間照射したときの、光学素子材料７に形成される除去痕の体積のことである。単位除去形状とは、イオンビーム３を光学素子材料７に単位時間照射したときの、光学素子材料７に形成される加工痕の幅や径のことである。

加工プログラムの作成に用いるイオンビーム３の単位除去量および単位除去形状の把握は、イオンビーム３の電流状態を測定することによって行われる。従来例のように、準備段階として光学素子材料７と同一の材質からなるテスト用試料を加工し、その除去体積および除去形状を測定するという作業は不必要である。

単位除去量は、イオンビーム３のビーム全電流値から把握し、単位除去形状はイオンビーム３のビームプロファイルから把握する。ビーム全電流値とは、イオンビーム３を形成しているイオンの総電流量のことであり、またビームプロファイルとは、イオンビーム３の電流密度分布を測定することにより把握されるイオンビーム３の電流プロファイルのことである。

このように、単位除去量は、光学素子材料７の除去痕の体積を直接決定するイオンビーム３の全電流値から、また単位除去形状は、光学素子材料７の除去痕の幅や径を直接決定するイオンビーム３のビームプロファイルから求められる。単位除去量と単位除去形状を、それぞれに適したビーム電流状態の測定に分けて把握することで、より高精度に単位除去量と単位除去形状が検知される。

イオンビーム３の照射量を指定する加工プログラムが、イオンビーム３を光学素子材料７に対してラスター走査させながら光学素子材料７の加工を進行させる加工形態では、イオンビーム３の照射量を、ラスター走査の走査速度を制御することにより変化させる。イオンビーム３の光学素子材料７に対する照射量は、イオンビーム３の電流状態を全く変化させずに、全てラスター走査の走査速度によって制御可能である。

光学素子材料７に対する所望の加工形状が、加工前に測定された光学素子材料７の測定形状の、所望の素子形状（設計形状）からの誤差量に基づいて導き出されるとよい。所望の加工形状が光学素子の設計形状からの誤差量として導き出されるため、前記加工プログラムに従ってイオンビーム３を光学素子材料７に照射することにより、光学素子材料７の形状を光学素子の設計形状に近づける形状修正加工を行うことができる。

単位除去量をイオンビームの全電流値から把握し、また単位除去形状をイオンビームのビームプロファイルから把握することで、単位除去量と単位除去形状をより高精度に把握できる。これらを用いて作成された加工プログラムもより高精度なものとなるため、より高精度なイオンビーム加工方法を提供できる。

イオンビームの照射量を、ラスター走査の走査速度を制御することにより変化させる場合は、光学素子材料の所望の加工深さが、光学素子材料表面の箇所ごとに異なる場合であっても、加工開始から終了までを一定のビーム電流状態のままで行うことができる。すなわち、一定の単位除去量および単位除去形状のままで行うことができるため、様々な加工形状（光学素子形状）に対応可能である。

図１は、一実施例によるイオンビーム加工方法を説明するもので、イオン源１には図示されていないガス等供給部からイオンとなるガス等が供給される。供給されたガス等はイオン源１内にてイオン化され、そこから引き出し電極２によりイオンビーム３として引き出され、さらに静電集束レンズ４にて所望の大きさのビームに成形されてイオンビーム発生装置５の外へ照射される。イオンビーム発生装置５に対向する側には、駆動ステージ（ステージ）６が配設され、駆動ステージ６上には光学素子材料７およびイオンビーム３の電流を測定するファラデーカップ８が設置される。これら加工に関係するもの全てを含む加工環境は、真空チャンバー９により真空状態に保持されている。

図１の（ａ）に示すように、イオンビーム３はファラデーカップ８によりその電流状態を測定され、単位除去量および単位除去形状を把握される。続いて、図示しない加工プログラム計算部にて、把握されたイオンビーム３の単位除去量および単位除去形状と、光学素子材料７の所望の加工形状とから、加工プログラムが計算される。

イオンビーム３の電流状態からその単位除去量および単位除去形状を把握するためには、事前の加工テスト等により蓄積された種々のイオンビームの電流状態での単位除去量および単位除去形状のデータと、今回測定されたイオンビーム３の電流状態を比較する。

このようにして加工プログラムを作成したのち、図１の（ｂ）に示すようにその加工プログラムに従って光学素子材料７を駆動ステージ６により駆動して、光学素子材料７の所望の位置にイオンビーム３を照射し、光学素子材料７のイオンビーム加工を行う。図１の駆動ステージ６は簡略化して記してあるが、例えば、イオンビーム３が常に光学素子材料７の表面に対し一定の角度で入射するよう、光学素子材料７を３次元的に駆動可能な形態としてもよい。またワークである光学素子材料７を駆動する形態としたが、ワークをイオンビームに対して相対移動可能であればよく、イオンビーム発生装置５を駆動する形態としてもよいし、イオンビーム発生装置５と光学素子材料７の両方を駆動する形態でもよい。さらに、イオンビーム３の電流を測定する手段としてファラデーカップ８を用いたが、他の形態の電流測定手段、例えば電流測定用ワイヤー等を用いてもよい。

光学素子材料７の加工は、一度も真空チャンバー９内を大気圧にすることなく、またイオンビーム３の照射を中止することなく、加工プログラム作成に引き続いて行うことができるため、効率的であり、より高精度に行うことができる。

図２に示す装置は、図１のファラデーカップ８の代わりに、駆動ステージ６上に、イオンビーム３の全電流値を測定するための大径ファラデーカップ１０と、ビームプロファイルを測定するための小径ファラデーカップ１１を設置したものである。

図２の（ｂ）に示すように、大径ファラデーカップ１０のビーム取り込み口１２は、イオンビーム３のビーム径よりも大きく、よってイオンビーム３の全てを取り込み、全電流値を測定することができる。また、小径ファラデーカップ１１のビーム取り込み口１３は、イオンビーム３のビーム径よりも小さく、イオンビーム３の一部を取り込むように構成される。この小径ファラデーカップ１１を駆動ステージ６によりイオンビーム３を横切るように走査させ、連続的もしくは断続的にビーム取り込み口１３から取り込まれたイオンビーム３の一部の電流値を測定する。このようにして、イオンビーム３のビームプロファイルを測定することができる。

イオンビーム３は大径ファラデーカップ１０により全電流値を測定され、その単位除去量を把握される。また、同様にイオンビーム３は小径ファラデーカップ１１によりビームプロファイルを測定され、その単位除去形状を把握される。続いて、図示しない加工プログラム計算部にて、把握されたイオンビーム３の単位除去量および単位除去形状と、光学素子材料７の所望の加工形状とから、加工プログラムが計算される。

図２において、大径ファラデーカップ１０と小径ファラデーカップ１１は、光学素子材料７を挟む形態で配置されているが、他の配置を取ってもよい。単位除去量はイオンビーム３の全電流値から、単位除去形状はイオンビーム３のビームプロファイルからというように、それぞれに適したビーム状態に分けて測定するため、より高精度に単位除去量および単位除去形状の把握を行うことができる。これによって、高精度な加工プログラムの作成が行われ、その結果、光学素子材料７の加工をより高精度に行うことができる。

図３は、イオンビーム３を光学素子材料７に対してラスター走査させながら加工を進行させる加工形態を示す。光学素子材料７は、矢印Ｓで示す走査方向に移動する駆動ステージと、矢印Ｐで示すピッチ方向に移動する駆動ステージにより駆動される。光学素子材料７の表面の任意の箇所でのイオンビーム３の照射量は、加工プログラムに従ってラスター走査の走査速度を変化させることによって制御される。すなわち大きな除去深さを得たい箇所では、走査速度を落として照射時間を長くすることで、照射量を多くする。また、少ない除去深さを得たい箇所では、走査速度を上げて照射時間を短くすることで、照射量を少なくする。

なお図３では、光学素子材料７の被加工面は平面で記されているが、球面でも、非球面でも、自由曲面でもよい。また駆動ステージは送り方向の駆動ステージとピッチ方向の駆動ステージの２軸のみ記されているが、他の軸を加えて、光学素子材料７を３次元的に駆動可能な形態としてもよい。

イオンビーム３の照射量は、全てラスター走査の走査速度のみによって制御されるため、光学素子材料７の表面の任意の箇所ごとに所望の加工深さが異なる場合であっても、加工開始から終了までを一定のビーム電流状態のままで行うことができる。イオンビーム３の電流状態を変化させる必要がないため、様々な所望の加工形状に対応可能な、高精度なイオンビーム加工を実現できる。

図４は、光学素子材料７の形状修正加工において、光学素子材料７の形状測定を行う形状測定装置を示す。干渉計１６は、光学素子材料７を保持するワークホルダ１７に設置されている。干渉計１６の本体１８内にある光源からは光１９が照射され、光１９は参照面２０で反射し、また参照面２０を透過して光学素子材料７の表面で反射して、両者で干渉光を形成し、本体１８内に戻る。本体１８内にはこの干渉光を測定する測定部があり、この測定部にて干渉光が測定され、計算部２１はこの干渉光を元に光学素子材料７の現在（加工前）の形状と、所望の素子形状からの誤差量２２を算出する。

図４では光学素子材料７の形状測定および所望の素子形状からの誤差量２２を算出するのに横置き型の干渉計１６を用いたが、縦置き型等でもよい。また、干渉計ではなくこれ以外の測定機器類、例えば接触プローブ式の形状測定機等を使用してもよい。算出された所望の素子形状からの誤差量２２をもとに、光学素子材料７の形状を所望の素子形状に近づけるための加工プログラムを作成する。その加工プログラムに従ってイオンビーム加工を行う。

イオンビーム３は、光学素子材料７の形状を所望の素子形状に近づけるための加工プログラムによって制御されるため、光学素子材料７の形状を所望の素子形状に近づける加工、すなわち光学素子材料７の形状修正加工を行うことができる。

一実施例を説明する図である。 図１の一変形例を説明する図である。 ラスター走査を説明する図である。 光学素子の形状測定を説明する図である。

符号の説明

１ イオン源
２ 引き出し電極
３ イオンビーム
５ イオンビーム発生装置
６ 駆動ステージ
７ 光学素子材料
８ ファラデーカップ
９ 真空チャンバー
１０ 大径ファラデーカップ
１１ 小径ファラデーカップ

Claims (6)

1. 加工プログラムに従って制御されるイオンビームによって真空チャンバー内で被加工物を加工するイオンビーム加工方法において、
   前記被加工物が内部に載置された状態の前記真空チャンバー内で前記イオンビームの電流を測定することによって、前記イオンビームによる単位時間あたりの除去量および除去形状を検知する工程と、
   前記イオンビームによる前記単位時間あたりの除去量および除去形状に基づいて前記加工プログラムを作成する工程と、
   前記イオンビームの電流を測定した際の前記真空チャンバー内の真空状態を維持したまま、前記加工プログラムに従って前記イオンビームにより前記被加工物を加工する工程と、を有することを特徴とするイオンビーム加工方法。
2. 前記単位時間あたりの除去量が前記イオンビームの全電流値から把握され、前記単位時間あたりの除去形状が前記イオンビームのビームプロファイルから把握されることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加工方法。
3. 前記加工プログラムにおいて、前記被加工物に対する前記イオンビームの走査速度を制御することによって、前記イオンビームの照射量を制御することを特徴とする請求項１または２記載のイオンビーム加工方法。
4. 前記加工プログラムにおいて、前記イオンビームによって除去される目標加工形状は、加工前の前記被加工物の形状と、前記被加工物の設計形状との誤差量から導き出されることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載のイオンビーム加工方法。
5. イオンビームと光学素子とを相対的に移動させて、前記イオンビームの前記光学素子の表面に対する走査速度を変化させながら、真空チャンバー内で前記光学素子を加工する光学素子の製造方法において、
   前記被加工物が内部に載置された状態の前記真空チャンバー内で前記イオンビームの電流を測定することによって、前記イオンビームによる単位時間あたりの除去量および除去形状を求める工程と、
   前記被加工物の加工すべき加工形状を予め求めておく工程と、
   前記加工形状と、前記イオンビームによる前記単位時間あたりの除去量および除去形状とから前記走査速度を求める工程と、
   前記イオンビームの電流を測定した際の前記真空チャンバー内の真空状態を維持したまま、前記走査速度に従って前記イオンビームにより前記光学素子を加工する工程と、を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
6. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に、イオンビームを発生させるイオン源と、前記イオンビームによって加工される被加工物を支持するステージと、前記イオンビームの電流を計測するための電流測定手段と、前記電流測定手段の出力に基づいて設定された加工プログラムによって前記イオンビームを制御するための制御手段と、を有し、
   前記イオンビームの電流を前記被加工物が前記ステージに支持された前記真空チャンバー内で測定し、前記被加工物を、前記イオンビームの電流を測定した際の真空状態を維持した前記真空チャンバー内で、前記加工プログラムに従って前記イオンビームにより加工することを特徴とするイオンビーム加工装置。

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