固体除去加工方法、固体除去加工装置
【課題】切削加工された被加工物の加工面に発生した虹目等の凹凸を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去できる固体除去技術を提供する。
【解決手段】ガスクラスターイオンビーム１０の照射経路上に、被加工物１１が載置される回転ステージ１２、この回転ステージ１２が載置されたＸ軸ステージ１３およびＹ軸ステージ１４、Ｙ軸ステージ１４が載置されるブラケット１５、ブラケット１５が載置される揺動ステージ１６、揺動ステージ１６を支持するベース１７を備える加工ステージ３０を設け、被加工物１１の加工面の加工後の表面荒さを加工前の表面粗さよりも悪化させない範囲に、被加工物１１の加工面に対するガスクラスターイオンビーム１０の照射角度が保たれるように被加工物１１の姿勢を制御しつつ、被加工物１１の加工面に存在する条痕による虹目を除去する。
【解決手段】ガスクラスターイオンビーム１０の照射経路上に、被加工物１１が載置される回転ステージ１２、この回転ステージ１２が載置されたＸ軸ステージ１３およびＹ軸ステージ１４、Ｙ軸ステージ１４が載置されるブラケット１５、ブラケット１５が載置される揺動ステージ１６、揺動ステージ１６を支持するベース１７を備える加工ステージ３０を設け、被加工物１１の加工面の加工後の表面荒さを加工前の表面粗さよりも悪化させない範囲に、被加工物１１の加工面に対するガスクラスターイオンビーム１０の照射角度が保たれるように被加工物１１の姿勢を制御しつつ、被加工物１１の加工面に存在する条痕による虹目を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体除去加工技術に関し、荷電粒子ビームの照射による被加工物の加工面の平坦化等に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、たとえば、プラスチックレンズの成形においては、成形用金型の成形面に、超精密切削が可能なＮｉ（ニッケル）とＰ（リン）からなる無電解ニッケルメッキの層を必要な厚さ形成し、このメッキ層のダイヤモンドバイトによる切削加工によって光学鏡面を得ることが一般的である。
【０００３】
また、プラスチックの素材から直接に、上述のような切削加工方法により光学素子の光学機能面を製作することもある。
以上の加工方法においては、例えば加工物が球面、非球面形状のように回転軸対象形状の場合には、刃先輪郭精度の良いダイヤモンドバイトを用い、切り込み量を数マイクロメートル、送り速度を数ミリメートル毎分の条件で旋削加工を行うことで、粗さ（Ｒａ）が数ナノメートルの光学鏡面を得ることができる。
【０００４】
又、加工物が自由曲面形状等の場合には、刃先がダイヤモンドからなる回転工具を用いてフライカットを呼ばれる加工を行うことによって同様に光学鏡面を得ることができる。
このように、切削加工された光学素子又は光学素子成形用金型の加工面には、切削工具によって創成された規則的な切削条痕が存在している。この加工面に白色光が入射すると、反射光は光の干渉により、いわゆる虹目と呼ばれる虹色の干渉色を呈する。この虹目は、光学素子の用途によっては製品機能上の問題となることがあるため、虹目が問題となるような場合には切削加工後に遊離砥粒を用いた研磨加工を行って切削条痕を除去し、加工面を平滑にすることもある。
【０００５】
一方、特許文献１（特許第３４５１１４０号公報）に示す従来技術には、ガスクラスターイオンビームを被加工物に照射して固体表面を超精密研磨する方法が開示されている。
すなわち、被加工物へ照射されたガスクラスターイオンビームは被加工物との衝突で壊れ、その際クラスター構成原子または分子および被加工物構成原子または分子とに多体衝突が生じ、被加工物表面に対して水平方向への運動が顕著になり、被加工物の表面の凸部が主に削られ原子サイズでの平坦な超精密研磨を実現しようとするものである。
【０００６】
上述した虹目は、加工面に創成された規則的な切削条痕に入射した光が反射するときに干渉して発生するため、研磨加工を行って、平滑面にすることによって、虹目は発生しなくなる。
【０００７】
しかるに、遊離砥粒を用いた研磨加工では、切削加工で創成した形状を維持しつつ、光学鏡面に研磨キズを付けないようにすることが求められるため、技能作業者による手作業によりなされることが多く、歩留まりが悪い、加工工数が大きく部品がコスト高になる、手作業による加工のため品質がばらつく、加工作業者が技能者に限られる等の技術的課題を抱えている。また、研磨工具と被加工物は接触した状態で加工がなされるため、遊離砥粒径のばらつきや塵などの異物の混入、加工圧の変動によって光学鏡面にキズを付けてしまうことがあり、外観品質を損なうこともある。
【０００８】
また、上述の特許文献１の技術では、ガスクラスターイオンビームを被加工物に一様に照射して研磨加工を行っているが、ガスクラスターイオンビームの照射範囲内におけるエネルギー分布（ビームプロファイル）は一様ではないため、これを切削加工した加工面に照射した場合、照射ドーズ量（単位面積当りのイオン数）が、切削条痕を完全に除去しない程度に少ない場合には、部分的に切削条痕が残存した加工面となり、虹目が発生している部分と虹目が発生していない部分、又は虹光の強弱を伴った色ムラのある外観となってしまう。
【０００９】
逆に、照射ドーズ量が切削条痕を完全に除去する程度に多い場合には、ガスクラスターイオンビームの照射範囲内における除去量分布が一様でないから、当該除去量分布のばらつきを反映した状態に被加工物の輪郭形状が悪化してしまう。
【００１０】
さらに、ガスクラスターイオンビームの入射方向に対して被加工面が傾斜している場合、その傾斜角度によっては逆に面粗さが悪化することがある。
図１４は、この出願の発明者らがガスクラスターイオンビームをＮｉ−Ｐの被加工物に照射実験した際の、被加工面に対する照射角度と、面粗さの変化を示している。この図１４から、照射角度が３０°辺りから大きくなると、面粗さが悪化していくのがわかる。
【００１１】
また、非特許文献１においては、イニシャル面の表面粗さ（Ｒａ）が６ｎｍの銅製の被加工物へのガスクラスターイオンビーム照射実験報告の記述があり、照射角度が０°，１５°，３０°のときは照射後の表面粗さ（Ｒａ）がそれぞれ１ｎｍ，１．９ｎｍ，４．４ｎｍと向上したのに対して、照射角度が４５°，６０°のときには照射後の表面粗さ（Ｒａ）がそれぞれ７．１ｎｍ，１１．３ｎｍと悪化したとの報告がなされている。
【００１２】
これより、傾斜角度が概ね３０°〜４０°を超える曲面に従来技術を用いた場合、面粗さが悪化し、被加工物が光学素子又は光学素子成形用の金型である場合には光学性能を悪化させてしまうことが知られる。
【特許文献１】特許第３４５１１４０号公報
【非特許文献１】２００１年発行、「ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」（ＶＯＬ．Ｒ３４ ＮＯ．６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、切削加工された被加工物の加工面に発生した虹目等の凹凸を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去できる固体除去技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の観点は、被加工物の加工面に対し、荷電粒子ビームを照射して、前記加工面に存在する条痕の山部を、当該山部の高さを超えない範囲で除去する固体除去加工方法を提供する。
【００１５】
本発明の第２の観点は、被加工物の加工面に対して荷電粒子ビームを照射する第１工程と、
前記被加工物の前記加工面を観察する第２工程と、
前記第２工程における前記加工面の観察結果に基づいて、前記第１工程を継続するか否かを判別する第３工程と、
を含む固体除去加工方法を提供する。
【００１６】
本発明の第３の観点は、被加工物に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記被加工物に対して、自転変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と垂直な面内での平行移動変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と前記被加工物の照射面との角度が可変となる揺動変位のうちの少なくとも一つ変位を相対的に与える変位制御手段と、
を含む固体除去加工装置を提供する。
【００１７】
本発明の第４の観点は、被加工物の加工面に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記加工面を観察する観察手段と、
前記観察手段における前記加工面の観察結果に基づいて、前記照射手段から前記加工面に対する前記荷電粒子ビームの照射を制御する判定手段と、
を含む固体除去加工装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、切削加工された被加工物の加工面に発生した虹目等の凹凸を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去できる固体除去技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である固体除去加工方法を実施する固体除去加工装置の構成の一例を示す概念図であり、図２および図３は、加工の前後における被加工物の表面状態の一例を示す断面図である。
【００２０】
図４、図５および図６は、本実施の形態の固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
本実施の形態では、固体除去加工装置Ｍ１として、荷電粒子ビームとして、ガスクラスターイオンビームを用いるガスクラスターイオンビーム加工装置に適用した場合を例にとって説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１は、スキマー６によって仕切られたソースチャンバー１とメインチャンバー２によって構成されている。
ソースチャンバー１の側には、排気ポンプ３、ノズル５（照射手段）、ガスボンベ１８が設けられている。
【００２２】
メインチャンバー２の側には、タングステンフィラメント７（照射手段）、電極８（照射手段）、加速電極９（照射手段）、回転ステージ１２、Ｘ軸ステージ１３、Ｙ軸ステージ１４、ブラケット１５、揺動ステージ１６、ベース１７が設けられている。
【００２３】
ソースチャンバー１は排気ポンプ３によって排気され、メインチャンバー２は排気ポンプ４によって排気されることにより、それぞれ差動排気された真空室となっている。
ノズル５にはガスボンベ１８より、０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスを供給する。このガスは、例えばアルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、ＳＦ６ガス、ヘリウムガスの他、化合物の炭酸ガスあるいは２種以上のガスを混合することも可能である。
【００２４】
このような高圧ガスが超音速でノズル５から噴出する瞬間に断熱膨張によってガスクラスターが生成され、次にスキマー６を通過してビーム径を整えられた後にメインチャンバー２に入射する。
【００２５】
このときのガスクラスターイオンビーム１０は中性ビームであるが、タングステンフィラメント７の熱電子の衝突によってイオン化され、荷電粒子ビームとして引出し電極８にて引き出される。
【００２６】
次にガスクラスターイオンビーム１０は加速電極９にて加速される。加速電極９の先には、被加工物１１が、その表面がガスクラスターイオンビーム１０の入射方向に対して垂直になるように加工ステージ３０に配設されている。
【００２７】
本実施の形態の場合、加工ステージ３０は、被加工物１１が載置される回転ステージ１２、この回転ステージ１２が載置されたＸ軸ステージ１３およびＹ軸ステージ１４、Ｙ軸ステージ１４が載置されるブラケット１５、ブラケット１５が載置される揺動ステージ１６、揺動ステージ１６を支持するベース１７を備えている。
【００２８】
加工ステージ３０の動作は、制御部１０１を介して、パーソナルコンピュータ等で構成される制御端末１００によって制御される。
すなわち、この被加工物１１はガスクラスターイオンビーム１０の入射方向と平行な回転軸を中心として回転可能な回転手段としての回転ステージ１２に搭載されていて、回転ステージ１２の回転軸に対して垂直で紙面に対して前後方向に移動可能なＸ軸ステージ１３に搭載されている。さらにＸ軸ステージ１３は、回転ステージ１２の回転軸に垂直で紙面上下方向に移動可能なＹ軸ステージ１４に搭載されている。
【００２９】
回転ステージ１２、Ｘ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４は不図示のサーボモータあるいはステッピングモータにより駆動され、制御端末１００からの指令に基づいて、制御手段としての制御部１０１にて自在に制御が可能である。
【００３０】
上述の回転ステージ１２とＸ軸ステージ１３とＹ軸ステージ１４は、ブラケット１５に搭載されており、このブラケット１５の底面には、揺動ステージ１６が配設され、ガスクラスターイオンビームの入射方向と平行で紙面に垂直な面内での揺動が可能である。この揺動ステージ１６は、ベース１７を介して、この固体除去加工装置Ｍ１の筐体の一部に固設されている。
【００３１】
また、制御端末１００は、加工ステージ３０以外の排気ポンプ３、排気ポンプ４、タングステンフィラメント７、電極８、ガスボンベ１８、等の固体除去加工装置Ｍ１の全体の動作も制御する。
【００３２】
以上のような構成の本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１の作用を説明する。
本実施の形態では、表面に条痕が存在する被加工物１１の例として、被加工物１１が切削加工されている例について説明する。
【００３３】
すなわち、被加工物１１の表面は無電解ニッケルメッキの層をダイヤモンドバイトにて超精密切削されており、加工時の送り動作によって、図２に例示されるように、加工面には規則的な切削条痕２０が形成されている。
【００３４】
また、被加工物１１の輪郭形状であるが、ガスクラスターイオンビーム１０を照射した際に被加工物１１表面の粗さが悪化しない最大の照射角度をαとしたときに、被加工物１１の加工面の最大傾斜角度θmaxがαを越えないものとする。照射角度αとは、ガスクラスターイオンビーム１０の入射方向と垂直な方向を０度としたときの、被加工物１１の表面の各位置における接線の角度（当該接線とガスクラスターイオンビーム１０の中心軸１０ａに直交する平面とのなす角度）を指し、例えば加工物が図６のように回転軸対称形状の場合、加工点Ｐの傾斜角度θで表される。
【００３５】
なお、本実施の形態の場合には、照射角度αは、たとえば、４０°以下、より望ましくは３０°以下に設定される。
この被加工物１１を保持した回転ステージ１２を毎分数回〜数１０回程度の回転数で回転させ、Ｘ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４を制御して、ガスクラスターイオンビームの入射方向に垂直な平面内で、ガスクラスターイオンビーム１０のビーム径２１の範囲内で被加工物１１を移動させる。
【００３６】
被加工物１１の移動の軌跡は特に限定しないが、たとえば、図４に示すようにＹ軸方向に往復しながらＸ軸方向に同ピッチずつ進む軌跡２３や、図５に示すように、Ｘ軸及びＹ軸を同時制御しながらスパイラルを描くように進む軌跡２４など、ガスクラスターイオンビーム１０のビーム径２１の範囲内を被加工物１１が満遍なく移動する軌跡が好ましい。
【００３７】
このようなビーム径２１の範囲内における被加工物１１の移動を加工時間内で複数サイクル以上行うことでガスクラスターイオンビーム１０のエネルギー分布（ビームプロファイル）が一様でなくても被加工物１１の表面の切削条痕２０は均一に除去されることになる。
【００３８】
さらに、本実施の形態の場合、必要に応じて、さらに、上述の軌跡２３や軌跡２４による被加工物１１の移動中に、揺動ステージ１６を制御して被加工物１１に対するガスクラスターイオンビーム１０の照射角度が相対的に変化するように被加工物１１を等速度にて揺動させる。
【００３９】
被加工物１１を揺動させる角度は０°（被加工物１１の中心軸１１ａとガスクラスターイオンビーム１０の中心軸１０ａが平行である状態）を中心に正負方向に揺動させる。揺動の大きさは、±（α−θmax）を超えない範囲とし、前記平行移動の１サイクル内で複数回揺動を行う。この揺動範囲においては、被加工物１１の全ての部位で、ガスクラスターイオンビーム１０の照射角度がαを超えることはないので、被加工物１１表面の面粗さを悪化させることなく、均一な除去加工を行うことができる。
【００４０】
以上の作用によってガスクラスターイオンビーム１０が照射された被加工物１１の表面は、ガスクラスターイオンビーム１０のラテラルスパッタリング効果（被加工物１１の照射表面に平行な方向におけるスパッタリング効果）によって、図２に例示されたような切削条痕２０の凸部から優先的に除去され、図３に例示されたような平滑面２２となる。
【００４１】
このときの切削条痕２０の除去量ΔＬは、切削条痕２０の山部頂点から谷部底面までの垂線の長さＬ（すなわち、切削条痕２０の山部の高さＬ）を超えない範囲で除去すれば良く、その量（除去量ΔＬ）は、被加工物１１に求められる外観品質によって決定すれば良い。勿論、除去量ΔＬがＬに等しいときは、すなわち、Ｌ−ΔＬ≒０の場合には、完全な平滑面２２となり、被加工物１１の表面に虹目が全く認められない外観となる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１の場合には、本来、エネルギー分布（ビームプロファイル）が一様でないガスクラスターイオンビーム１０を、たとえば、被加工物１１のような凸の半球形の輪郭形状を呈する、平面以外の加工物に照射した場合でも、切削加工にて創成された本来の輪郭形状の精度を悪化させることなく、被加工物１１の表面の切削条痕２０を均一に除去して、虹目等の表面欠陥を除去することができる。
【００４３】
図７は、表面の無電解ニッケルメッキ層を切削加工した被加工物１１の表面を、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）にて測定した結果を鳥瞰図にて示したものである。被加工物１１の表面に高さが５〜７ナノメートル程度の切削条痕２０が存在し、目視にて虹目が認められた。
【００４４】
この被加工物１１に、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１において、電流値が１２０μＡ、加速電圧が２０ｋＶ、照射ドーズ量が６×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件でガスクラスターイオンビーム１０を照射したところ、図８のように切削条痕が除去され、平滑な表面（平滑面２２）となった。もちろん、この被加工物１１の表面には虹目は認められなかった。
【００４５】
このように、本実施の形態によれば、切削加工された被加工物１１の加工面に発生した虹目等の凹凸（切削条痕２０）を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去することができる。
（実施の形態２）
図９は、本発明の他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【００４６】
この実施の形態２に例示される固体除去加工装置Ｍ２の構成は、上述の図１に例示された実施の形態１の固体除去加工装置Ｍ１の構成に対して、加速電極９の後方にアパーチャ１９を配置した点が異なっており、他の構成は同様である。
【００４７】
加速電極９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１９を通過することによってアパーチャ１９の口径１９ａのサイズに絞られる。
このアパーチャ１９は、たとえば、金属板に貫通穴を開けたものであるので、容易に製作できるため、口径１９ａの異なる複数のアパーチャ１９を準備して交換するだけで、ガスクラスターイオンビーム１０のビーム径を、所望のサイズに任意に設定できる利点がある。
【００４８】
以下、本実施の形態２の作用を説明する。
この実施の形態２では、被加工物１１は回転軸対称の曲面（曲率半径Ｒ）で、アパーチャ１９のない自然状態におけるガスクラスターイオンビーム１０のビーム径２１のままでは、加工面の最大傾斜角度θmaxがαを越えるものとして作用を説明する。
【００４９】
図１０および図１１は、本実施の形態２における加工方法の作用を説明する被加工物の側面図および正面図である。なお、図１１は、図１０における矢印Ａ−Ａの方向より見た図である。
【００５０】
この実施の形態２の固体除去加工装置Ｍ２では、図１０および図１１図に示すように、被加工物１１上に照射されたガスクラスターイオンビーム１０の中心を加工点Ｑとした場合に、加工点Ｑが被加工物１１の母線１１ｂ（輪郭線）上を、走査軌跡２６のように走査しながら、かつ加工点Ｑでの法線がガスクラスターイオンビーム１０の中心軸１０ａと一致するようにＸ軸ステージ１３、Ｙ軸ステージ１４、揺動ステージ１６を同時制御して被加工物１１の姿勢を制御する。
【００５１】
このとき被加工物１１の任意の加工点Ｑでガスクラスターイオンビーム１０の照射ドーズ量が一定となるように、回転ステージ１２の回転数又は、Ｘ軸ステージ１３、Ｙ軸ステージ１４等によるガスクラスターイオンビーム１０の走査速度を制御する。
【００５２】
この際のアパーチャ１９の口径１９ａは被加工物１１の任意の加工点において、ガスクラスターイオンビーム１０の照射範囲Ｄ内で照射角度がαを超えないように設定する。例えば図１０の例ではθ1，θ2がαを超えないように照射範囲Ｄが設定されている。
【００５３】
換言すれば、たとえば、加工点Ｑを含む曲面での曲率半径Ｒが小さいほど、アパーチャ１９の口径１９ａのサイズを小さくして、ビーム径２１の外縁部におけるθ1，θ2がαを超えないように照射範囲Ｄを小さく制御する。
【００５４】
このように被加工物１１を姿勢制御しつつ、ガスクラスターイオンビーム１０を相対的に走査しながら照射することで、加工中いかなる場合でも、被加工物１１上のガスクラスターイオンビーム１０の照射部位での照射角度がαを超えることはないため、被加工物１１の表面の面粗さを悪化させることなく、切削条痕２０の除去加工が行え、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
なお、アパーチャ１９としては、たとえばカメラの絞り機構のように、複数枚の可動な羽根を組み合わせることで、中央の口径１９ａの開口サイズを連続的に無段階に制御できる構成としてもよい。
【００５６】
この場合には、アパーチャ１９の交換が不要になるとともに、制御端末１００がアパーチャ１９を制御することにより、照射範囲Ｄにおける既知の被加工物１１の加工面の曲率半径Ｒの変化に追従して、口径１９ａを連続して最適なサイズに変化させることができる。
【００５７】
この結果、ビーム径２１の外縁部におけるθ1，θ2がαを超えないように照射範囲Ｄのサイズを動的に最適に制御でき、たとえば、最小の曲率半径Ｒに合わせて口径１９ａを一律に小さく設定する場合に比較して、加工時間を短縮できる。
（実施の形態３）
図１２は、本発明のさらに他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【００５８】
この実施の形態３における固体除去加工装置Ｍ３の構成例では、図１２に示すように、上述の実施の形態１（または実施の形態２）の構成に加えて、被加工物１１の表面を撮影する撮影装置２７（観察手段）をメインチャンバー２の内部に配置した構成となっている。
【００５９】
また、撮影装置２７の光軸は、ガスクラスターイオンビーム１０の照射経路と平行に配置され、加工ステージ３０の全体を、ガスクラスターイオンビーム１０の照射位置と、撮影装置２７による撮影位置との間で移動させるための移送ステージ３１（移動手段）が設けられている。
【００６０】
また、制御端末１００の側には、撮影装置２７において撮影された被加工物１１の画像を処理する画像処理プログラム１００ａと、被加工物１１の画像に応じてガスクラスターイオンビーム１０の照射による加工を制御する判定論理１００ｂ（判定手段）が実装されている。
【００６１】
この判定論理１００ｂは、たとえば、制御端末１００で実行されるプログラムで構成することができる。
以下、本実施の形態３における固体除去加工装置Ｍ３の作用を説明する。
【００６２】
図１３は、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ３の作用を説明するフローチャートである。
この固体除去加工装置Ｍ３の基本的な加工動作は上述の固体除去加工装置Ｍ１および固体除去加工装置Ｍ２と同様であるが、加工の途中において適宜、撮影装置２７によって被加工物１１を観察し、観察結果によって加工を継続するか否かを判別する点が異なっている。
【００６３】
すなわち、上述の実施の形態１または実施の形態２と同様に、ガスクラスターイオンビーム１０の照射位置に移動させて（ステップ２０１）、ガスクラスターイオンビーム１０の照射による加工動作中に（ステップ２０２）、一定時間毎（または、被加工物１１の加工面の全域に対する１回のガスクラスターイオンビーム１０の照射の完了毎）等の加工の区切りを契機に（ステップ２０３）、移送ステージ３１によって、被加工物１１を搭載した加工ステージ３０を、撮影装置２７の光軸上の撮影位置に移動させる（ステップ２０４）。
【００６４】
なお、本実施の形態３では、移動手段として加工ステージ３０の全体を移動させる移送ステージ３１を新たに設けているが、加工ステージ３０の構成要素であるＸ軸ステージ１３やＹ軸ステージ１４等の移動範囲を撮影装置２７の撮影位置まで拡大した構成としてもよい。
【００６５】
上述の撮影装置２７の光軸上の撮影位置にて被加工物１１の表面を撮影し（ステップ２０５）、撮影された画像を制御端末１００内の画像処理プログラム１００ａにて画像処理する。
【００６６】
そして、制御端末１００の判定論理１００ｂは、画像処理結果に虹色（虹目）が検出された場合（ステップ２０６）、さらにガスクラスターイオンビーム１０の照射による加工を継続し、一方、被加工物１１の画像処理結果に虹色が検出されなかった場合には、加工を終了する。
【００６７】
これによって、被加工物１１を観察および評価する際のメインチャンバー２の開閉時に必要な吸気および排気のための待ち時間が削減できる。
また、切削後の被加工物１１の表面状態（虹目の状態等）が異なる場合でも、加工中の被加工物１１を観察しながら適切な加工終了のタイミングを判断できるので、虹目の状態等に応じて予め加工時間等の加工条件を設定する煩雑な準備作業が不要になるという利点もある。
【００６８】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施の形態である固体除去加工方法を実施する固体除去加工装置の構成の一例を示す概念図である。
【図２】加工前の被加工物の表面状態の一例を示す断面図である。
【図３】加工後の被加工物の表面状態の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
【図７】表面の無電解ニッケルメッキ層を切削加工した被加工物の表面を、原子間力顕微鏡にて測定した結果を示す鳥瞰図である。
【図８】ガスクラスターイオンビームの照射によって加工された被加工物の表面を原子間力顕微鏡にて測定した結果を示す鳥瞰図である。
【図９】本発明の他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【図１０】その加工方法の作用を説明する被加工物の側面図である。
【図１１】図１０における矢印Ａ−Ａの方向より見た図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【図１３】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置Ｍ３の作用を説明するフローチャートである。
【図１４】ガスクラスターイオンビームをＮｉ−Ｐの被加工物に照射実験した際の、被加工面に対する照射角度と、面粗さの変化を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ ソースチャンバー
２ メインチャンバー
３ 排気ポンプ
４ 排気ポンプ
５ ノズル
６ スキマー
７ タングステンフィラメント
８ 電極
９ 加速電極
１０ ガスクラスターイオンビーム
１０ａ 中心軸
１１ 被加工物
１１ａ 中心軸
１１ｂ 母線
１２ 回転ステージ
１３ Ｘ軸ステージ
１４ Ｙ軸ステージ
１５ ブラケット
１６ 揺動ステージ
１７ ベース
１８ ガスボンベ
１９ アパーチャ
１９ａ 口径
２０ 切削条痕
２１ ビーム径
２２ 平滑面
２３ 軌跡
２４ 軌跡
２６ 走査軌跡
２７ 撮影装置
３０ 加工ステージ
３１ 移送ステージ
１００ 制御端末
１００ａ 画像処理プログラム
１００ｂ 判定論理
１０１ 制御部
Ｍ１ 固体除去加工装置
Ｍ２ 固体除去加工装置
Ｍ３ 固体除去加工装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体除去加工技術に関し、荷電粒子ビームの照射による被加工物の加工面の平坦化等に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、たとえば、プラスチックレンズの成形においては、成形用金型の成形面に、超精密切削が可能なＮｉ（ニッケル）とＰ（リン）からなる無電解ニッケルメッキの層を必要な厚さ形成し、このメッキ層のダイヤモンドバイトによる切削加工によって光学鏡面を得ることが一般的である。
【０００３】
また、プラスチックの素材から直接に、上述のような切削加工方法により光学素子の光学機能面を製作することもある。
以上の加工方法においては、例えば加工物が球面、非球面形状のように回転軸対象形状の場合には、刃先輪郭精度の良いダイヤモンドバイトを用い、切り込み量を数マイクロメートル、送り速度を数ミリメートル毎分の条件で旋削加工を行うことで、粗さ（Ｒａ）が数ナノメートルの光学鏡面を得ることができる。
【０００４】
又、加工物が自由曲面形状等の場合には、刃先がダイヤモンドからなる回転工具を用いてフライカットを呼ばれる加工を行うことによって同様に光学鏡面を得ることができる。
このように、切削加工された光学素子又は光学素子成形用金型の加工面には、切削工具によって創成された規則的な切削条痕が存在している。この加工面に白色光が入射すると、反射光は光の干渉により、いわゆる虹目と呼ばれる虹色の干渉色を呈する。この虹目は、光学素子の用途によっては製品機能上の問題となることがあるため、虹目が問題となるような場合には切削加工後に遊離砥粒を用いた研磨加工を行って切削条痕を除去し、加工面を平滑にすることもある。
【０００５】
一方、特許文献１（特許第３４５１１４０号公報）に示す従来技術には、ガスクラスターイオンビームを被加工物に照射して固体表面を超精密研磨する方法が開示されている。
すなわち、被加工物へ照射されたガスクラスターイオンビームは被加工物との衝突で壊れ、その際クラスター構成原子または分子および被加工物構成原子または分子とに多体衝突が生じ、被加工物表面に対して水平方向への運動が顕著になり、被加工物の表面の凸部が主に削られ原子サイズでの平坦な超精密研磨を実現しようとするものである。
【０００６】
上述した虹目は、加工面に創成された規則的な切削条痕に入射した光が反射するときに干渉して発生するため、研磨加工を行って、平滑面にすることによって、虹目は発生しなくなる。
【０００７】
しかるに、遊離砥粒を用いた研磨加工では、切削加工で創成した形状を維持しつつ、光学鏡面に研磨キズを付けないようにすることが求められるため、技能作業者による手作業によりなされることが多く、歩留まりが悪い、加工工数が大きく部品がコスト高になる、手作業による加工のため品質がばらつく、加工作業者が技能者に限られる等の技術的課題を抱えている。また、研磨工具と被加工物は接触した状態で加工がなされるため、遊離砥粒径のばらつきや塵などの異物の混入、加工圧の変動によって光学鏡面にキズを付けてしまうことがあり、外観品質を損なうこともある。
【０００８】
また、上述の特許文献１の技術では、ガスクラスターイオンビームを被加工物に一様に照射して研磨加工を行っているが、ガスクラスターイオンビームの照射範囲内におけるエネルギー分布（ビームプロファイル）は一様ではないため、これを切削加工した加工面に照射した場合、照射ドーズ量（単位面積当りのイオン数）が、切削条痕を完全に除去しない程度に少ない場合には、部分的に切削条痕が残存した加工面となり、虹目が発生している部分と虹目が発生していない部分、又は虹光の強弱を伴った色ムラのある外観となってしまう。
【０００９】
逆に、照射ドーズ量が切削条痕を完全に除去する程度に多い場合には、ガスクラスターイオンビームの照射範囲内における除去量分布が一様でないから、当該除去量分布のばらつきを反映した状態に被加工物の輪郭形状が悪化してしまう。
【００１０】
さらに、ガスクラスターイオンビームの入射方向に対して被加工面が傾斜している場合、その傾斜角度によっては逆に面粗さが悪化することがある。
図１４は、この出願の発明者らがガスクラスターイオンビームをＮｉ−Ｐの被加工物に照射実験した際の、被加工面に対する照射角度と、面粗さの変化を示している。この図１４から、照射角度が３０°辺りから大きくなると、面粗さが悪化していくのがわかる。
【００１１】
また、非特許文献１においては、イニシャル面の表面粗さ（Ｒａ）が６ｎｍの銅製の被加工物へのガスクラスターイオンビーム照射実験報告の記述があり、照射角度が０°，１５°，３０°のときは照射後の表面粗さ（Ｒａ）がそれぞれ１ｎｍ，１．９ｎｍ，４．４ｎｍと向上したのに対して、照射角度が４５°，６０°のときには照射後の表面粗さ（Ｒａ）がそれぞれ７．１ｎｍ，１１．３ｎｍと悪化したとの報告がなされている。
【００１２】
これより、傾斜角度が概ね３０°〜４０°を超える曲面に従来技術を用いた場合、面粗さが悪化し、被加工物が光学素子又は光学素子成形用の金型である場合には光学性能を悪化させてしまうことが知られる。
【特許文献１】特許第３４５１１４０号公報
【非特許文献１】２００１年発行、「ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ」（ＶＯＬ．Ｒ３４ ＮＯ．６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、切削加工された被加工物の加工面に発生した虹目等の凹凸を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去できる固体除去技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の観点は、被加工物の加工面に対し、荷電粒子ビームを照射して、前記加工面に存在する条痕の山部を、当該山部の高さを超えない範囲で除去する固体除去加工方法を提供する。
【００１５】
本発明の第２の観点は、被加工物の加工面に対して荷電粒子ビームを照射する第１工程と、
前記被加工物の前記加工面を観察する第２工程と、
前記第２工程における前記加工面の観察結果に基づいて、前記第１工程を継続するか否かを判別する第３工程と、
を含む固体除去加工方法を提供する。
【００１６】
本発明の第３の観点は、被加工物に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記被加工物に対して、自転変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と垂直な面内での平行移動変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と前記被加工物の照射面との角度が可変となる揺動変位のうちの少なくとも一つ変位を相対的に与える変位制御手段と、
を含む固体除去加工装置を提供する。
【００１７】
本発明の第４の観点は、被加工物の加工面に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記加工面を観察する観察手段と、
前記観察手段における前記加工面の観察結果に基づいて、前記照射手段から前記加工面に対する前記荷電粒子ビームの照射を制御する判定手段と、
を含む固体除去加工装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、切削加工された被加工物の加工面に発生した虹目等の凹凸を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去できる固体除去技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である固体除去加工方法を実施する固体除去加工装置の構成の一例を示す概念図であり、図２および図３は、加工の前後における被加工物の表面状態の一例を示す断面図である。
【００２０】
図４、図５および図６は、本実施の形態の固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
本実施の形態では、固体除去加工装置Ｍ１として、荷電粒子ビームとして、ガスクラスターイオンビームを用いるガスクラスターイオンビーム加工装置に適用した場合を例にとって説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１は、スキマー６によって仕切られたソースチャンバー１とメインチャンバー２によって構成されている。
ソースチャンバー１の側には、排気ポンプ３、ノズル５（照射手段）、ガスボンベ１８が設けられている。
【００２２】
メインチャンバー２の側には、タングステンフィラメント７（照射手段）、電極８（照射手段）、加速電極９（照射手段）、回転ステージ１２、Ｘ軸ステージ１３、Ｙ軸ステージ１４、ブラケット１５、揺動ステージ１６、ベース１７が設けられている。
【００２３】
ソースチャンバー１は排気ポンプ３によって排気され、メインチャンバー２は排気ポンプ４によって排気されることにより、それぞれ差動排気された真空室となっている。
ノズル５にはガスボンベ１８より、０．６〜１．０ＭＰａ程度の高圧ガスを供給する。このガスは、例えばアルゴンガス、酸素ガス、窒素ガス、ＳＦ６ガス、ヘリウムガスの他、化合物の炭酸ガスあるいは２種以上のガスを混合することも可能である。
【００２４】
このような高圧ガスが超音速でノズル５から噴出する瞬間に断熱膨張によってガスクラスターが生成され、次にスキマー６を通過してビーム径を整えられた後にメインチャンバー２に入射する。
【００２５】
このときのガスクラスターイオンビーム１０は中性ビームであるが、タングステンフィラメント７の熱電子の衝突によってイオン化され、荷電粒子ビームとして引出し電極８にて引き出される。
【００２６】
次にガスクラスターイオンビーム１０は加速電極９にて加速される。加速電極９の先には、被加工物１１が、その表面がガスクラスターイオンビーム１０の入射方向に対して垂直になるように加工ステージ３０に配設されている。
【００２７】
本実施の形態の場合、加工ステージ３０は、被加工物１１が載置される回転ステージ１２、この回転ステージ１２が載置されたＸ軸ステージ１３およびＹ軸ステージ１４、Ｙ軸ステージ１４が載置されるブラケット１５、ブラケット１５が載置される揺動ステージ１６、揺動ステージ１６を支持するベース１７を備えている。
【００２８】
加工ステージ３０の動作は、制御部１０１を介して、パーソナルコンピュータ等で構成される制御端末１００によって制御される。
すなわち、この被加工物１１はガスクラスターイオンビーム１０の入射方向と平行な回転軸を中心として回転可能な回転手段としての回転ステージ１２に搭載されていて、回転ステージ１２の回転軸に対して垂直で紙面に対して前後方向に移動可能なＸ軸ステージ１３に搭載されている。さらにＸ軸ステージ１３は、回転ステージ１２の回転軸に垂直で紙面上下方向に移動可能なＹ軸ステージ１４に搭載されている。
【００２９】
回転ステージ１２、Ｘ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４は不図示のサーボモータあるいはステッピングモータにより駆動され、制御端末１００からの指令に基づいて、制御手段としての制御部１０１にて自在に制御が可能である。
【００３０】
上述の回転ステージ１２とＸ軸ステージ１３とＹ軸ステージ１４は、ブラケット１５に搭載されており、このブラケット１５の底面には、揺動ステージ１６が配設され、ガスクラスターイオンビームの入射方向と平行で紙面に垂直な面内での揺動が可能である。この揺動ステージ１６は、ベース１７を介して、この固体除去加工装置Ｍ１の筐体の一部に固設されている。
【００３１】
また、制御端末１００は、加工ステージ３０以外の排気ポンプ３、排気ポンプ４、タングステンフィラメント７、電極８、ガスボンベ１８、等の固体除去加工装置Ｍ１の全体の動作も制御する。
【００３２】
以上のような構成の本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１の作用を説明する。
本実施の形態では、表面に条痕が存在する被加工物１１の例として、被加工物１１が切削加工されている例について説明する。
【００３３】
すなわち、被加工物１１の表面は無電解ニッケルメッキの層をダイヤモンドバイトにて超精密切削されており、加工時の送り動作によって、図２に例示されるように、加工面には規則的な切削条痕２０が形成されている。
【００３４】
また、被加工物１１の輪郭形状であるが、ガスクラスターイオンビーム１０を照射した際に被加工物１１表面の粗さが悪化しない最大の照射角度をαとしたときに、被加工物１１の加工面の最大傾斜角度θmaxがαを越えないものとする。照射角度αとは、ガスクラスターイオンビーム１０の入射方向と垂直な方向を０度としたときの、被加工物１１の表面の各位置における接線の角度（当該接線とガスクラスターイオンビーム１０の中心軸１０ａに直交する平面とのなす角度）を指し、例えば加工物が図６のように回転軸対称形状の場合、加工点Ｐの傾斜角度θで表される。
【００３５】
なお、本実施の形態の場合には、照射角度αは、たとえば、４０°以下、より望ましくは３０°以下に設定される。
この被加工物１１を保持した回転ステージ１２を毎分数回〜数１０回程度の回転数で回転させ、Ｘ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４を制御して、ガスクラスターイオンビームの入射方向に垂直な平面内で、ガスクラスターイオンビーム１０のビーム径２１の範囲内で被加工物１１を移動させる。
【００３６】
被加工物１１の移動の軌跡は特に限定しないが、たとえば、図４に示すようにＹ軸方向に往復しながらＸ軸方向に同ピッチずつ進む軌跡２３や、図５に示すように、Ｘ軸及びＹ軸を同時制御しながらスパイラルを描くように進む軌跡２４など、ガスクラスターイオンビーム１０のビーム径２１の範囲内を被加工物１１が満遍なく移動する軌跡が好ましい。
【００３７】
このようなビーム径２１の範囲内における被加工物１１の移動を加工時間内で複数サイクル以上行うことでガスクラスターイオンビーム１０のエネルギー分布（ビームプロファイル）が一様でなくても被加工物１１の表面の切削条痕２０は均一に除去されることになる。
【００３８】
さらに、本実施の形態の場合、必要に応じて、さらに、上述の軌跡２３や軌跡２４による被加工物１１の移動中に、揺動ステージ１６を制御して被加工物１１に対するガスクラスターイオンビーム１０の照射角度が相対的に変化するように被加工物１１を等速度にて揺動させる。
【００３９】
被加工物１１を揺動させる角度は０°（被加工物１１の中心軸１１ａとガスクラスターイオンビーム１０の中心軸１０ａが平行である状態）を中心に正負方向に揺動させる。揺動の大きさは、±（α−θmax）を超えない範囲とし、前記平行移動の１サイクル内で複数回揺動を行う。この揺動範囲においては、被加工物１１の全ての部位で、ガスクラスターイオンビーム１０の照射角度がαを超えることはないので、被加工物１１表面の面粗さを悪化させることなく、均一な除去加工を行うことができる。
【００４０】
以上の作用によってガスクラスターイオンビーム１０が照射された被加工物１１の表面は、ガスクラスターイオンビーム１０のラテラルスパッタリング効果（被加工物１１の照射表面に平行な方向におけるスパッタリング効果）によって、図２に例示されたような切削条痕２０の凸部から優先的に除去され、図３に例示されたような平滑面２２となる。
【００４１】
このときの切削条痕２０の除去量ΔＬは、切削条痕２０の山部頂点から谷部底面までの垂線の長さＬ（すなわち、切削条痕２０の山部の高さＬ）を超えない範囲で除去すれば良く、その量（除去量ΔＬ）は、被加工物１１に求められる外観品質によって決定すれば良い。勿論、除去量ΔＬがＬに等しいときは、すなわち、Ｌ−ΔＬ≒０の場合には、完全な平滑面２２となり、被加工物１１の表面に虹目が全く認められない外観となる。
【００４２】
以上のように、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１の場合には、本来、エネルギー分布（ビームプロファイル）が一様でないガスクラスターイオンビーム１０を、たとえば、被加工物１１のような凸の半球形の輪郭形状を呈する、平面以外の加工物に照射した場合でも、切削加工にて創成された本来の輪郭形状の精度を悪化させることなく、被加工物１１の表面の切削条痕２０を均一に除去して、虹目等の表面欠陥を除去することができる。
【００４３】
図７は、表面の無電解ニッケルメッキ層を切削加工した被加工物１１の表面を、たとえば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）にて測定した結果を鳥瞰図にて示したものである。被加工物１１の表面に高さが５〜７ナノメートル程度の切削条痕２０が存在し、目視にて虹目が認められた。
【００４４】
この被加工物１１に、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ１において、電流値が１２０μＡ、加速電圧が２０ｋＶ、照射ドーズ量が６×１０１７ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件でガスクラスターイオンビーム１０を照射したところ、図８のように切削条痕が除去され、平滑な表面（平滑面２２）となった。もちろん、この被加工物１１の表面には虹目は認められなかった。
【００４５】
このように、本実施の形態によれば、切削加工された被加工物１１の加工面に発生した虹目等の凹凸（切削条痕２０）を、切削加工で創成した形状の悪化や損傷を生じることなく、一様に除去することができる。
（実施の形態２）
図９は、本発明の他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【００４６】
この実施の形態２に例示される固体除去加工装置Ｍ２の構成は、上述の図１に例示された実施の形態１の固体除去加工装置Ｍ１の構成に対して、加速電極９の後方にアパーチャ１９を配置した点が異なっており、他の構成は同様である。
【００４７】
加速電極９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１９を通過することによってアパーチャ１９の口径１９ａのサイズに絞られる。
このアパーチャ１９は、たとえば、金属板に貫通穴を開けたものであるので、容易に製作できるため、口径１９ａの異なる複数のアパーチャ１９を準備して交換するだけで、ガスクラスターイオンビーム１０のビーム径を、所望のサイズに任意に設定できる利点がある。
【００４８】
以下、本実施の形態２の作用を説明する。
この実施の形態２では、被加工物１１は回転軸対称の曲面（曲率半径Ｒ）で、アパーチャ１９のない自然状態におけるガスクラスターイオンビーム１０のビーム径２１のままでは、加工面の最大傾斜角度θmaxがαを越えるものとして作用を説明する。
【００４９】
図１０および図１１は、本実施の形態２における加工方法の作用を説明する被加工物の側面図および正面図である。なお、図１１は、図１０における矢印Ａ−Ａの方向より見た図である。
【００５０】
この実施の形態２の固体除去加工装置Ｍ２では、図１０および図１１図に示すように、被加工物１１上に照射されたガスクラスターイオンビーム１０の中心を加工点Ｑとした場合に、加工点Ｑが被加工物１１の母線１１ｂ（輪郭線）上を、走査軌跡２６のように走査しながら、かつ加工点Ｑでの法線がガスクラスターイオンビーム１０の中心軸１０ａと一致するようにＸ軸ステージ１３、Ｙ軸ステージ１４、揺動ステージ１６を同時制御して被加工物１１の姿勢を制御する。
【００５１】
このとき被加工物１１の任意の加工点Ｑでガスクラスターイオンビーム１０の照射ドーズ量が一定となるように、回転ステージ１２の回転数又は、Ｘ軸ステージ１３、Ｙ軸ステージ１４等によるガスクラスターイオンビーム１０の走査速度を制御する。
【００５２】
この際のアパーチャ１９の口径１９ａは被加工物１１の任意の加工点において、ガスクラスターイオンビーム１０の照射範囲Ｄ内で照射角度がαを超えないように設定する。例えば図１０の例ではθ1，θ2がαを超えないように照射範囲Ｄが設定されている。
【００５３】
換言すれば、たとえば、加工点Ｑを含む曲面での曲率半径Ｒが小さいほど、アパーチャ１９の口径１９ａのサイズを小さくして、ビーム径２１の外縁部におけるθ1，θ2がαを超えないように照射範囲Ｄを小さく制御する。
【００５４】
このように被加工物１１を姿勢制御しつつ、ガスクラスターイオンビーム１０を相対的に走査しながら照射することで、加工中いかなる場合でも、被加工物１１上のガスクラスターイオンビーム１０の照射部位での照射角度がαを超えることはないため、被加工物１１の表面の面粗さを悪化させることなく、切削条痕２０の除去加工が行え、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
なお、アパーチャ１９としては、たとえばカメラの絞り機構のように、複数枚の可動な羽根を組み合わせることで、中央の口径１９ａの開口サイズを連続的に無段階に制御できる構成としてもよい。
【００５６】
この場合には、アパーチャ１９の交換が不要になるとともに、制御端末１００がアパーチャ１９を制御することにより、照射範囲Ｄにおける既知の被加工物１１の加工面の曲率半径Ｒの変化に追従して、口径１９ａを連続して最適なサイズに変化させることができる。
【００５７】
この結果、ビーム径２１の外縁部におけるθ1，θ2がαを超えないように照射範囲Ｄのサイズを動的に最適に制御でき、たとえば、最小の曲率半径Ｒに合わせて口径１９ａを一律に小さく設定する場合に比較して、加工時間を短縮できる。
（実施の形態３）
図１２は、本発明のさらに他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【００５８】
この実施の形態３における固体除去加工装置Ｍ３の構成例では、図１２に示すように、上述の実施の形態１（または実施の形態２）の構成に加えて、被加工物１１の表面を撮影する撮影装置２７（観察手段）をメインチャンバー２の内部に配置した構成となっている。
【００５９】
また、撮影装置２７の光軸は、ガスクラスターイオンビーム１０の照射経路と平行に配置され、加工ステージ３０の全体を、ガスクラスターイオンビーム１０の照射位置と、撮影装置２７による撮影位置との間で移動させるための移送ステージ３１（移動手段）が設けられている。
【００６０】
また、制御端末１００の側には、撮影装置２７において撮影された被加工物１１の画像を処理する画像処理プログラム１００ａと、被加工物１１の画像に応じてガスクラスターイオンビーム１０の照射による加工を制御する判定論理１００ｂ（判定手段）が実装されている。
【００６１】
この判定論理１００ｂは、たとえば、制御端末１００で実行されるプログラムで構成することができる。
以下、本実施の形態３における固体除去加工装置Ｍ３の作用を説明する。
【００６２】
図１３は、本実施の形態の固体除去加工装置Ｍ３の作用を説明するフローチャートである。
この固体除去加工装置Ｍ３の基本的な加工動作は上述の固体除去加工装置Ｍ１および固体除去加工装置Ｍ２と同様であるが、加工の途中において適宜、撮影装置２７によって被加工物１１を観察し、観察結果によって加工を継続するか否かを判別する点が異なっている。
【００６３】
すなわち、上述の実施の形態１または実施の形態２と同様に、ガスクラスターイオンビーム１０の照射位置に移動させて（ステップ２０１）、ガスクラスターイオンビーム１０の照射による加工動作中に（ステップ２０２）、一定時間毎（または、被加工物１１の加工面の全域に対する１回のガスクラスターイオンビーム１０の照射の完了毎）等の加工の区切りを契機に（ステップ２０３）、移送ステージ３１によって、被加工物１１を搭載した加工ステージ３０を、撮影装置２７の光軸上の撮影位置に移動させる（ステップ２０４）。
【００６４】
なお、本実施の形態３では、移動手段として加工ステージ３０の全体を移動させる移送ステージ３１を新たに設けているが、加工ステージ３０の構成要素であるＸ軸ステージ１３やＹ軸ステージ１４等の移動範囲を撮影装置２７の撮影位置まで拡大した構成としてもよい。
【００６５】
上述の撮影装置２７の光軸上の撮影位置にて被加工物１１の表面を撮影し（ステップ２０５）、撮影された画像を制御端末１００内の画像処理プログラム１００ａにて画像処理する。
【００６６】
そして、制御端末１００の判定論理１００ｂは、画像処理結果に虹色（虹目）が検出された場合（ステップ２０６）、さらにガスクラスターイオンビーム１０の照射による加工を継続し、一方、被加工物１１の画像処理結果に虹色が検出されなかった場合には、加工を終了する。
【００６７】
これによって、被加工物１１を観察および評価する際のメインチャンバー２の開閉時に必要な吸気および排気のための待ち時間が削減できる。
また、切削後の被加工物１１の表面状態（虹目の状態等）が異なる場合でも、加工中の被加工物１１を観察しながら適切な加工終了のタイミングを判断できるので、虹目の状態等に応じて予め加工時間等の加工条件を設定する煩雑な準備作業が不要になるという利点もある。
【００６８】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施の形態である固体除去加工方法を実施する固体除去加工装置の構成の一例を示す概念図である。
【図２】加工前の被加工物の表面状態の一例を示す断面図である。
【図３】加工後の被加工物の表面状態の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置の作用の一例を示す説明図である。
【図７】表面の無電解ニッケルメッキ層を切削加工した被加工物の表面を、原子間力顕微鏡にて測定した結果を示す鳥瞰図である。
【図８】ガスクラスターイオンビームの照射によって加工された被加工物の表面を原子間力顕微鏡にて測定した結果を示す鳥瞰図である。
【図９】本発明の他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【図１０】その加工方法の作用を説明する被加工物の側面図である。
【図１１】図１０における矢印Ａ−Ａの方向より見た図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施の形態である固体除去加工装置の構成例を示す概念図である。
【図１３】本発明の一実施の形態である固体除去加工装置Ｍ３の作用を説明するフローチャートである。
【図１４】ガスクラスターイオンビームをＮｉ−Ｐの被加工物に照射実験した際の、被加工面に対する照射角度と、面粗さの変化を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ ソースチャンバー
２ メインチャンバー
３ 排気ポンプ
４ 排気ポンプ
５ ノズル
６ スキマー
７ タングステンフィラメント
８ 電極
９ 加速電極
１０ ガスクラスターイオンビーム
１０ａ 中心軸
１１ 被加工物
１１ａ 中心軸
１１ｂ 母線
１２ 回転ステージ
１３ Ｘ軸ステージ
１４ Ｙ軸ステージ
１５ ブラケット
１６ 揺動ステージ
１７ ベース
１８ ガスボンベ
１９ アパーチャ
１９ａ 口径
２０ 切削条痕
２１ ビーム径
２２ 平滑面
２３ 軌跡
２４ 軌跡
２６ 走査軌跡
２７ 撮影装置
３０ 加工ステージ
３１ 移送ステージ
１００ 制御端末
１００ａ 画像処理プログラム
１００ｂ 判定論理
１０１ 制御部
Ｍ１ 固体除去加工装置
Ｍ２ 固体除去加工装置
Ｍ３ 固体除去加工装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の加工面に対し、荷電粒子ビームを照射して、前記加工面に存在する条痕の山部を、当該山部の高さを超えない範囲で除去することを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の固定除去加工方法において、
前記加工面の加工後の表面荒さを加工前の前記表面粗さよりも悪化させない範囲に、前記被加工物の前記加工面に対する前記荷電粒子ビームの照射角度を保ちながら加工することを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の固体除去加工方法において、
前記被加工物に対して、自転変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と垂直な面内での平行移動変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と前記被加工物の照射面との角度が可変となる揺動変位のうちの少なくとも一つ変位を相対的に与えながら行うことを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体除去加工方法において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の前記条痕を有する光学素子または前記光学素子を型成形するための成形型であることを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項５】
被加工物の加工面に対して荷電粒子ビームを照射する第１工程と、
前記被加工物の前記加工面を観察する第２工程と、
前記第２工程における前記加工面の観察結果に基づいて、前記第１工程を継続するか否かを判別する第３工程と、
を含むことを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項６】
請求項５記載の固体除去加工方法において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の条痕を有する光学素子、または前記光学素子を型成形するための成形型であり、
前記第２工程では、前記条痕に起因する前記加工面の虹色を観察し、
前記第３工程では、前記加工面における前記虹色の消失まで、前記第１工程を継続させることを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項７】
被加工物に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記被加工物に対して、自転変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と垂直な面内での平行移動変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と前記被加工物の照射面との角度が可変となる揺動変位のうちの少なくとも一つ変位を相対的に与える変位制御手段と、
を含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項８】
請求項７記載の固体除去加工装置において、
さらに、前記被加工物に対する前記荷電粒子ビームの照射範囲の外縁部の各点における前記被加工物の接線と前記荷電粒子ビームに直交する平面とのなす傾斜角度θが所定の照射角度αを超えないように、前記荷電粒子ビームの前記照射範囲の大きさを設定するアパーチャを含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の固体除去加工装置において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の条痕を有する光学素子、または前記光学素子を型成形するための成形型であることを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１０】
被加工物の加工面に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記加工面を観察する観察手段と、
前記観察手段における前記加工面の観察結果に基づいて、前記照射手段から前記加工面に対する前記荷電粒子ビームの照射を制御する判定手段と、
を含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の固体除去加工装置において、
前記照射手段から前記被加工物に前記荷電粒子ビームを照射する第１の位置と、前記観察手段によって前記被加工物の前記加工面を観察する第２の位置との間で前記被加工物を移動させる移動手段をさらに含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の固体除去加工装置において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の条痕を有する光学素子、または前記光学素子を型成形するための成形型であり、
前記観察手段は、前記条痕に起因する前記加工面の虹色を検出し、
前記判定手段は、前記加工面における前記虹色の消失まで、前記第１工程を継続させることを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１】
被加工物の加工面に対し、荷電粒子ビームを照射して、前記加工面に存在する条痕の山部を、当該山部の高さを超えない範囲で除去することを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の固定除去加工方法において、
前記加工面の加工後の表面荒さを加工前の前記表面粗さよりも悪化させない範囲に、前記被加工物の前記加工面に対する前記荷電粒子ビームの照射角度を保ちながら加工することを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の固体除去加工方法において、
前記被加工物に対して、自転変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と垂直な面内での平行移動変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と前記被加工物の照射面との角度が可変となる揺動変位のうちの少なくとも一つ変位を相対的に与えながら行うことを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体除去加工方法において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の前記条痕を有する光学素子または前記光学素子を型成形するための成形型であることを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項５】
被加工物の加工面に対して荷電粒子ビームを照射する第１工程と、
前記被加工物の前記加工面を観察する第２工程と、
前記第２工程における前記加工面の観察結果に基づいて、前記第１工程を継続するか否かを判別する第３工程と、
を含むことを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項６】
請求項５記載の固体除去加工方法において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の条痕を有する光学素子、または前記光学素子を型成形するための成形型であり、
前記第２工程では、前記条痕に起因する前記加工面の虹色を観察し、
前記第３工程では、前記加工面における前記虹色の消失まで、前記第１工程を継続させることを特徴とする固体除去加工方法。
【請求項７】
被加工物に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記被加工物に対して、自転変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と垂直な面内での平行移動変位、および前記荷電粒子ビームの照射方向と前記被加工物の照射面との角度が可変となる揺動変位のうちの少なくとも一つ変位を相対的に与える変位制御手段と、
を含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項８】
請求項７記載の固体除去加工装置において、
さらに、前記被加工物に対する前記荷電粒子ビームの照射範囲の外縁部の各点における前記被加工物の接線と前記荷電粒子ビームに直交する平面とのなす傾斜角度θが所定の照射角度αを超えないように、前記荷電粒子ビームの前記照射範囲の大きさを設定するアパーチャを含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の固体除去加工装置において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の条痕を有する光学素子、または前記光学素子を型成形するための成形型であることを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１０】
被加工物の加工面に荷電粒子ビームを照射する照射手段と、
前記加工面を観察する観察手段と、
前記観察手段における前記加工面の観察結果に基づいて、前記照射手段から前記加工面に対する前記荷電粒子ビームの照射を制御する判定手段と、
を含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の固体除去加工装置において、
前記照射手段から前記被加工物に前記荷電粒子ビームを照射する第１の位置と、前記観察手段によって前記被加工物の前記加工面を観察する第２の位置との間で前記被加工物を移動させる移動手段をさらに含むことを特徴とする固体除去加工装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の固体除去加工装置において、
前記荷電粒子ビームは、ガスクラスターイオンビームであり、
前記被加工物は、前記加工面に切削加工の条痕を有する光学素子、または前記光学素子を型成形するための成形型であり、
前記観察手段は、前記条痕に起因する前記加工面の虹色を検出し、
前記判定手段は、前記加工面における前記虹色の消失まで、前記第１工程を継続させることを特徴とする固体除去加工装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１４】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−１０８３６８（Ｐ２００９−１０８３６８Ａ）
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２８１４６０（Ｐ２００７−２８１４６０）
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５９８０６７７１７）
【出願人】（５０２１００３４５）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月２１日（２００９．５．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月３０日（２００７．１０．３０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５９８０６７７１７）
【出願人】（５０２１００３４５）
【Ｆターム（参考）】
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