KEK Proceedings 2008-3 July 2008 A/H 第 9 回 高エネ研メカ･ワークショップ報告集 Proceedings of the 9th KEK Mechanical Engineering Workshop KEK San-Go-Kan Building 18 April 2008 編集：共通基盤研究施設機械工学センター 上野 健治 Edited by Kenji Ueno, Mechanical Engineering Center High Energy Accelerator Research Organization
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Transcript
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KEK Proceedings 2008-3 July 2008 A/H
第 9 回
高エネ研メカ･ワークショップ報告集
Proceedings of the 9th KEK Mechanical Engineering Workshop
KEK San-Go-Kan Building 18 April 2008
編集：共通基盤研究施設機械工学センター 上野 健治
Edited by Kenji Ueno, Mechanical Engineering Center
High Energy Accelerator Research Organization
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High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 2008 KEK Reports are available from:
High Energy Accelerator Research Organization (KEK) 1-1 Oho, Tsukuba-shi Ibaraki-ken, 305-0801 JAPAN
Phone: +81-29-864-5137 Fax: +81-29-864-4604 E-mail: [email protected] Internet: http://www.kek.jp
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目 次
1. はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
2. 高エネ研メカ・ワークショップ プログラム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2
3. 大気圧プラズマおよびローカルウェットエッチングを用いた高能率・高精度加工法の開発
MW08－01 （山村 和也・大阪大）・・・・・・・ 3
4. 真直度形状測定のための可変２点法 MW08－02 （奥山 栄樹・秋田大)・・・・・・・・・・ 42
5. 国際リニアコライダー計画に求められる超伝導技術開発 MW08－03 （山本 明・KEK)・・・・ 54
6. 機械工学センターにおける開発支援及び研究開発 MW08－05 （江並 和宏・KEK)・・・・・・ 75
7. 超伝導クラブ空洞の開発 MW08－06 （細山 謙二・KEK)・・・・・・・・・・・・・・・・ 86
8. Ｘバンド高電界加速技術開発の新展開 MW08－07 （肥後 寿泰・KEK)・・・・・・・・・・・ 103
9. 加速器関連技術と産学公連携 MW08－08 （藤井 啓文・KEK)・・・・・・・・・・・・・・・ 128
10. 小径エンドミル加工における非同期回転振れと仕上げ面性状の関係－解析予測とその検証－
MW08－09 （田中 秀岳・長岡技科大)・・・・・ 149
11. 無酸素銅精密切削での各種雰囲気が合成ダイヤモンド工具の摩耗に及ぼす影響
MW08－10 （中山 貴史・岡山理科大）・・・・・ 163
12. CLIC４分割加速管試作加工 MW08－P01 （綿貫 孝道・日立製作所)・・・・・・・・・・・・ 178
13. CLIC４分割型加速管の試作加工結果 MW08－P02 （平井 収作・ユー・コーポレーション)・・ 189
14. 難削材の切削における塗布効果 MW08－P03 （衣川 耕平・岡山理科大)・・・・・・・・・・ 198
15. 磁気研磨の技術紹介（加速管内面加工への適用） MW08－P04 （坪川 三朗・エステー企画)・ 207
16. パルス通電拡散接合による銅・ニオブクラッド材の製作 MW08－P05 （人見 宣輝・東北大)・ 222
17. 機械工学センターの短期支援業務の現状 MW08－P06 （小林 芳治･KEK)・・・・・・・・・・ 233
18. J-PARC耐放射線環境下特性カプラーの開発 MW08－P07 （渡辺 勇一・ KEK)・・・・・・・・ 243
19. KEK電解研磨設備の立ち上げ MW08－P08 （舟橋 義聖・KEK)・・・・・・・・・・・・・・・ 248
20. 送り真直度誤差の影響を受けない高精度真直度測定方法の検討
MW08－P11 （久米 達哉・KEK)・・・・・・・・ 265
21. 画像処理を用いたロボットの移動制御の検討 MW08－P12 （田辺 隆也・茨城高専)・・・・・ 279
22. 加速管内部形状測定装置の開発 MW08－P13 （江並 和宏・KEK)・・・・・・・・・・・・・ 289
23. ニュートリノターゲットのグラファイトーTi合金のロウ付け時の熱応力解析と固定方法の検討
MW08－P14 （小池 重明・KEK)・・・・・・・・ 301
24. 構造解析における要素作成 MW08－P15 （鈴木 純一・KEK)・・・・・・・・・・・・・・・・ 314
25. 高出力半導体レーザの開発 MW08－P16 （小磯 武・オプトエナジー)・・・・・・・・・・・ 315
26. アンケート・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 326
27. あとがき・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 327
28. 付録
（1）参加者名簿・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 328
（2）写真・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 330
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１．はじめに
第 ９回 高 エネ研 メカ・ワークショップを平 成 ２０年 ４月 １８日 （金 ）に開 催 しました。本
年度も、昨年同様高エネルギー加速器研究機構（KEK）の主要プロジェクトに機械工
学センターが参加している項目及び関連項目にセッション中心テーマとして実施しま
した。 昨 年 度 の私 たちの開 発 環 境 は、Ｊ－ＰＡＲＣの立 ち上 げ前 の秒 読 みの時 期 に
なったこと、国 際 化 がすすむ中 当 センターも海 外 の研 究 所 と共 同 で開 発 研 究 を取 り
組み始めたこと、この３年間の活動内容について外部評 価を受けたことなど大きな変
化があり、これらに伴いいくつかのイベントがありました。
このような背 景 の中 、Ｊ－ＰＡＲＣ加 速 器 用 機 器 開 発 、ＩＬＣに必 要 な加 速 空 洞 や、
J-PARC 内のニュートリノビームライン等に大きく関係している超伝導低温分野への参
加、新たにスタート（再スタート）した高電界加速管に関する開発研究をはじめ、将来
の加 速 器 ＥＲＬについても取 り上 げました。また、機 械 工学 分 野 における精 密 加 工 に
かかる種々の計測、各種加工の応用技術の開発、空洞用電解研磨技術開発のため
の設備建設状況や加速器関連技術と産学公連携についても報告され、あるいは、超
高精度表面創成技術、工具寿命評価技術や計測技術等の将来に期待される研究
成果も発表されました。さらに、上に述べましたように平成１９年１１月に活動状況に対
する外 部 評 価 を受 けており、その時 点 での「機 械 工 学 センターの現 状 報 告 と役 割 に
ついて」の報告を行ない、広く参加者へ私たちの現状を理解していただくことができた
と思います。
発表 講演件 数 は、高エネ研 から１４件 、他大 学、研究機 関７件、企 業 から４件 報 告
があり、全てで２５件報告されました。終始熱心な発表と討議が行なわれたことは大変
意義深いものでした。本会を通して高エネルギー物理学の分野の実験装置等の製作
に関し、コアとなる加工技術、加速空洞の製造技術が早く確立されることが重要であ
るとの認識を得、さらなる研究促進の必要性を参加者は十分理解されたものと考えて
おります。
最後に、本ワークショップが成功裡に終えられたことは、講演者、活発な討議に参加
された方 々、運 営 に尽力 された方 々のお陰 であり、ここで深 甚 の謝意 を表 したいと思
います。
なお、本ワークショップの内容は、http://www-mec.kek.jp/kousaku/open/report
/MechWork/2008/にて公開されているので参照してください。
以上
平成２０年５月２５日
高エネ研メカ・ワークショップ事務局
高エネルギー加速器研究機構
メカ・ワークショップ講演予稿編集委員
上野、東、久米、江並、安島、高富
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2008/4/17版会場
開始 終了 3号館1Fセミナーホール 3号館1F会議室（ポスター講演）
9:30 9:40挨拶、事務連絡上野 健治(KEK)
9:40 10:05
MW08-01「大気圧プラズマおよびローカルウェットエッチングを用いた高能率・高精度加工法の開発」山村 和也(大阪大)
10:05 10:30MW08-02「真直度形状測定のための可変２点法」奥山 栄樹(秋田大)
10:30 10:45 コーヒーブレイク
10:45 11:10MW08-03「国際リニアコライダー計画に求められる超伝導技術開発」山本 明(KEK)
11:10 11:35
MW08-04「次世代放射光光源・エネルギー回収型加速器（ERL)における技術的課題」河田 洋(KEK)
11:35 12:00MW08-05「機械工学センターにおける開発支援及び研究開発」江並 和宏(KEK)
12:00 13:00 昼休み(60分間)
13:00 14:00
ポスターセッション（60分間)【ポスター講演の会場は3号館1F会議室です】
※ポスター講演の方は、この時間ポスターの近くでご説明ください。
ポスターは、この時間以前に、休み時間等を利用してご掲示ください。
また、この時間以降に、休み時間等を利用しておはずし下さい。
14:00 14:15 コーヒーブレイク
14:15 14:40MW08-06「超伝導クラブ空洞の開発」細山 謙二(KEK)
14:40 15:05MW08-07「Xバンド高電界加速技術開発の新展開」肥後 寿泰(KEK)
15:05 15:30MW08-08「加速器関連技術と産学公連携」藤井 啓文(KEK)
15:30 15:45 コーヒーブレイク
15:45 16:10
MW08-09「小径エンドミル加工における非同期回転振れと仕上げ面性状の関係―解析予測とその検証―」田中 秀岳(長岡技科大)
16:10 16:35
MW08-10「無酸素銅精密切削での各種雰囲気が合成ダイヤモンド工具の摩耗に及ぼす影響」中山 貴史(岡山理科大)
16:35 16:45合同討議、まとめ上野 健治(KEK)
第9回 高エネ研メカ・ワークショッププログラム(2008年4月18日)(講演時間は質疑応答の5分を含む)
時間
MW08-P01「CLIC4分割加速管試作加工」綿貫 孝道(日立製作所)
MW08-P02「CLIC４分割型加速管の試作加工結果」平井 収作(ユー・コーポレーション)
MW08-P03「難削材における塗布効果」衣川 耕平(岡山理科大)
MW08-P04「磁気研磨の技術紹介（加速管内面加工への適用）」坪川 三朗(エステー企画)
MW08-P05「パルス通電拡散接合による銅・ニオブクラッド材の製作」人見 宣輝(東北大)
MW08-P06「機械工学センターの短期支援業務の現状」小林 芳治(KEK)
MW08-P07「J-PARC耐放射線環境下特性カプラーの開発」渡辺 勇一(KEK）
MW08-P08「KEK電解研磨設備立ち上げ」舟橋 義聖(KEK)
MW08-P09「シングル空洞を用いたＸ－バンド高電界実験」東 保男(KEK)
MW08-P10「傾斜角積分法による超精密形状計測装置の開発」上野 智裕(大阪大)
MW08-P11「送り真直度誤差の影響を受けない高精度真直度測定方法の検討」久米 達哉(KEK)
MW08-P12「画像処理を用いたロボットの移動制御の検討」田辺 隆也(茨城高専)
MW08-P13「加速管内部形状測定装置の開発」江並 和宏(KEK)
MW08-P14「ニュートリノターゲットのグラファイト－Ti合金のロウ付け時の熱応力解析と固定方法の検討」小池 重明(KEK)
MW08-P15「構造解析における要素作成」鈴木 純一(KEK)
MW08-P16「高出力半導体レーザの開発」小磯 武(オプトエナジー)
kume2. 高エネ研メカ・ワークショッププログラム
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大気圧プラズマおよびローカルウェットエッチングを用いた 高能率・高精度加工法の開発
大阪大学大学院工学研究科附属
超精密科学研究センター
山村和也
Ⅰ. プラズマ CVM による超精密加工
1. はじめに
加工とは、目的とする機能を発現させるために、
設計した通りの形状、あるいは物性を有する表面
を創成することである。われわれ人類は、いかに
便利で快適な生活ができるかという思いのもと
に、多種多様な生産活動を行って発展し続けてき
たわけであるが、その発展は加工技術の発展によ
り行われてきたと言っても過言ではない。たとえ
て言うならば、現代では誰もがパソコンや携帯電
話等の情報通信機器を使って、瞬時にあらゆる情
報を入手し、コミュニケーションができるように
なってきているが、その背景にはサブミクロンレ
ベルの超微細加工技術を必要とする半導体デバ
イスの実現がある。このように、有史以来、人類
はその発展のため、加工技術に対して常に高品質
化と高精度化を求めつづけてきたわけであるが、
21 世紀を迎えた現在、シンクロトロン放射光用の
X 線 ミ ラ ー や EUVL （ Extreme Ultra Violet
Lithography）用の反射ミラー等の超精密光学素子
や、高速・低消費電力 LSI 用の SOI ウエハにおい
ては、形状誤差、厚さムラ、および表面粗さがと
もに 1 ナノメートル以下という精度が要求される
ようになってきている 1)。まさに原子の大きさに
迫ろうとする勢いである。しかしながら、図Ⅰ.1
に示すように、現状のラッピングやポリシング等
の機械的な加工法を適用した場合、加工速度は大
きいものの、接触加工であるがゆえに振動や熱変
形等の影響を受けやすく、また、塑性変形や脆性
破壊を利用する加工原理から考えて、表面層に多
大な欠陥が導入されることは避けることができ
ない。このような欠陥を導入せずに加工を行うた
めには、化学的な方法に頼らざるを得ないが、現
在汎用的に用いられている低圧力下でのドライ
ッチングは、加工現象は化学的ではあるものの、
レジストを援用した微細加工を主たる目的とし
ており、機械加工に匹敵するような加工の空間分
解能や加工能率は得られていない。
Tool
WorkpieceLoad
XYθ-Table
Polishing Head
Vibration
Thermal Deformation
図Ⅰ.1 機械加工の原理と問題点
このような背景のもと大阪大学の森らは、大気
圧プラズマを用いることにより、加工現象として
は化学的な反応を用いながら、機械加工に匹敵す
る空間制御性と加工能率を有する新しい加工法
kume3. 大気圧プラズマおよびローカルウェットエッチングを用いた高能率・高精度加工法の開発 MW08-01（山村和也・大阪大）
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の開発を昭和 63 年（1988）頃から開始し、プラ
ズマ CVM(Chemical Vaporization Machining)と名付
けた 2)。本加工法においては、高圧力雰囲気中で
空間的に局在した高周波プラズマによって高密
度の反応種を生成し、加工物表面原子と反応させ
て揮発性の物質に変えることにより除去を行う
加工法である 3, 4)。従って、工具等の接触が無い
原子単位の加工法であることから、外乱の影響を
受けずに幾何学的に優れた加工面が得られる。さ
らに、加工現象は純粋に化学的であるため､材料
本来の性質を損なうことなく、結晶学的観点から
も極めて優れた加工面の創成が期待できる｡
図Ⅰ.2 に、シリコンの各種加工面に存在するバ
ンドギャップ内の欠陥準位密度を表面光起電力
測定(Surface Photo-voltage Spectroscopy : SPVS)に
よって評価した結果を示す 5)。比較した加工法は
表Ⅰ.1 に示すように、コロイダルシリカを用いた
メカニカルポリシング、アルゴンイオンスパッタ
リング、およびフッ硝酸溶液によるケミカルエッ
チングである。試料としては単結晶シリコン
（p-type，CZ，ρ=10 Ωcm）を用いた。これより、
最もおだやかな機械加工と考えられるポリシン
グ（通常の市販ウエハの最終研磨と同程度）の場
合でも多くの欠陥準位が形成されていることが
分かる。ここで伝導帯下端 (1.1 eV) から 0.17 eV
下にあるブロードなピークは A センターと呼ば
れる欠陥準位で、酸素と空孔の複合欠陥であると
報告されている 6, 7)。それに対してプラズマ CVM
による加工面では欠陥準位密度が 2 桁以上低く、
純化学的な加工法であるケミカルエッチング面
とほとんど変わらないという結果が得られた。ま
た、アルゴンイオンスパッタリング面と比較して
も、はるかに準位密度は低い。これは、大気圧プ
ラズマでは平均自由行程が短く、衝突頻度が高い
ため、イオンの運動エネルギーが非常に小さくな
り、イオン衝撃による基板損傷を大幅に低減でき
たためと考えられる。
Mechanical polishing
Ar+ sputtering
Plasma CVM Chemical
etching Su
rface
stat
e de
nsity
(a.u
.)
Energy (eV)
020406080
100120140160180200220240260280300
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1
図Ⅰ.2 SPVS 測定によって得られた各種加工面の表面準位密度
表Ⅰ.1 加工条件
Plasma CVM Process gas SF6 : 1% (He balance)
RF power : 100 W (f = 150 MHz)
Mechanical polishing Ultrafine particle: 0.1 μm, SiO2 Polishing pressure: 150 gf/cm2
Ar+ sputtering Accelerating voltage: 1 kV
Ion current density: 5 μA/cm2
Chemical etching HF : HNO3 : H2O = 1 : 6 : 8
また、大気圧下においてはガス分子の平均自由
行程が約 0.1 μm 程度 8)と小さく、その結果、プラ
ズマは電極の近傍のみに局在して発生するため、
最適な電極形状を選択することで、マスクレスで
材料の切断や数値制御走査による形状創成も可能
であり、従来の機械加工に換わるポテンシャル（加
工速度、空間分解能）を有していると言えよう｡
本節では、大気圧プラズマを利用した数値制御
プラズマ CVM を、ナノメータ精度の形状創成に
適用した例について紹介する。
-
2. プラズマ CVM による形状創成加工
2.1 数値制御による形状創成の概念 プラズマ CVM においては、局在化したプラズ
マを発生できるため、図Ⅰ.3、Ⅰ.4 に示すように
プラズマを発生させる電極の形状を変えること
により、切断加工、平坦化加工、形状加工等のさ
まざまな加工形態を実現することができる 4)。そ
の中でも数値制御による形状創成加工は、図Ⅰ.5
に示すようにパイプ型や円盤型の電極を用いて
局所的なプラズマを発生させ、図Ⅰ.6 に示す手順
により実行される 5)。本プロセスにおいては、ま
ず前加工面の形状を恒温室にて精密に計測し、目
的形状からの偏差量（誤差量）を求める。次に、
加工量はプラズマの滞在時間に比例するという
原理に基づき、加工物上の各点における偏差量を
最小にするためのワークテーブルの送り速度デ
ータを作成する。そして、そのデータを NC コン
トローラに転送し、テーブルの走査速度制御を行
うことで形状修正加工を行う。最後に再度形状測
定を行い、形状誤差の値が許容値以内になるまで
上記プロセスを繰り返すことにより、目標形状精
度を達成する。
図Ⅰ.7 に、これまでに開発した数値制御加工装
置の外観写真を示す。図Ⅰ.7(a)(b)は真空排気を必
要とするガス置換型（加工中の圧力は 1気圧）の
加工装置であり、(c)は真空排気を必要としない大
気開放型の加工装置である。
Pipe electrode
Plasma
Aspherical lens
H. Takino et. al. Nikon Co., Ltd. 図Ⅰ.3 パイプ電極による非球面レンズの加工の様子
Slicing
Planarization
Figuring
Inner Diameter Blade Type
Cylindrical Type
Spherical Type
Si, SiC Ingot
Si Wafer SOI Wafer
X-ray Mirror Aspherical Lens SOI Wafer
図Ⅰ.4 回転電極の適用例
Objective Shape
Convolution = ⊗
h(x.y) f(x.y) g(x.y)
Removal Spot Dwelling Time Shape of the Removal Spot
Disc-Type Rotary Electrode
Workpiece
Plasma
0
20
40
60
80
100
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Rem
oval
dep
th p
er sc
an [n
m]
Inverse Scanning Speed of Worktable [min/mm]
Si(100), Gas : CF4 0.01%, O2 0.01%, He balance, Gap：600 [um] Rotation Speed： 31.4 [m/sec], Power：50 [W]
図Ⅰ.5 プラズマ CVM における数値制御加工の原理
in a constant temperature room
Measuring and testing the work
Calculating the feed speed data of the work table
Numerically controlled machining by P-CVM
Parameters ・Feed speed of work table ・Machining gap ・Rotation speed of electrode ・Concentration of reactive gas ・RF power Finished
products
図Ⅰ.6 数値制御加工の手順
-
(a) Hydrostatic Bearing Type
(b) Linear Guide & Ball Screw Type
(c) Open-Air Type
図Ⅰ.7 数値制御プラズマ CVM 加工装置
2.2 硬 X 線反射ミラーの作製 SPring-8 のような放射光のビームラインにおい
ては、全反射臨界角のフォトンエネルギー依存性
を利用して高調波光をカットするために大型の
平面ミラーが用いられるが、数値制御プラズマ
CVM によって本ミラーの最終仕上げを行った。
作製したミラーの大きさは長さ 400 mm、幅 50 mm、
厚さ 30 mm、材質は比抵抗 1～20 Ωcm (Boron
dope) の単結晶シリコン、ミラー面の面方位は
(100) である。加工は図Ⅰ.7(a)に示す大型加工物
対応の加工装置を用いて行った。また、形状評価
領域は 320×40 mm2 で、Zygo 社製のレーザ干渉計
(GPI-XPHR) を用いて計測した。
図Ⅰ.8 に加工結果を示す。ラッピングとポリシ
ングによって仕上げられた前加工面の平面度は
158 nm (p-v) であったが、これを数値制御プラズ
マ CVM により修正加工を行った結果、 22.5 nm
(p-v)の平面度を達成することができた 5)。
Material : Si(100) ρ=1～20Ωcm
（Length 400mm ×Width 50mm × Height 30mm）
After correction by NC-PCVM
Before correction(Lapping & Polishing)
p-v 158 nm p-v 22.5 nm
40 mm 40 mm
320 mm 320 mm
図Ⅰ.8 単結晶シリコン製平面ミラーの外観と加工結果
次に、SPring-8 の 1 km 長尺ビームライン
（BL29XUL）において硬 X 線（E=15 keV, λ=0.8
Å）を集光するミラーの作製例を示す。集光光学
系は図Ⅰ.9 に示すように Kirkpatrick-Baez(K-B)型
で、形状は楕円面である。ミラーの材質は単結晶
シリコン、ミラー面の面方位は (111) で大きさは
-
長さ 100 mm，幅 50 mm，厚さ 10 mm である。本
ミラーの作製においては、まず直径 200 mm の回
転電極（単位加工痕の直径約φ20 mm）を用いて
形状誤差 50 nm p-v 程度まで追い込み、その後、
外径 1 mm、内径 0.5 mm のパイプ電極（単位加工
痕の直径約φ2 mm）を用いて仕上げ加工を行なっ
た。図Ⅰ.10(a)に製作した楕円面ミラーの形状誤差
を示すが、有効長さ 80 mm にわたって 3 nm p-v
以下を達成した。
(a) K-B arrange hard x-ray focusing system at 1km-long beamline (BL29XUL) of SPring-8
(b) Cross-section of the mirror
MA (Vertical focusing)
100 mm 100 mm
300 mm 1 km
Slit (100mm×100mm) Focal
point
MB (Horizontal focusing)
50 mm
150 mm
100 mm
From undulator
0
1
2
3
4
5
6
7
0 20 40 60 80 100Position (mm)
Hei
ght (µm
)
f=300mm
f=150mm
図Ⅰ.9 K-B 型集光光学系と楕円面ミラーの形状
図Ⅰ.10(b)は、前加工面、回転電極による加工後、
パイプ電極による仕上げ加工後の各段階におい
て、形状誤差の PSD (Power Spectral Density)解析を
行なった結果であるが、回転電極においては約 10
mm、パイプ電極においては約 1 mm の空間波長ま
で形状修正ができており、修正可能な空間波長の
下限値は、単位加工痕の大きさの約 1／2 に対応
していることが分かる。図Ⅰ.11 は、製作した楕
円面ミラーの集光性能を評価した結果であるが、
焦点距離 300 mm のミラーにおいては 200 nm、焦
点距離 150 mmのミラーにおいては 120 nmの集光
幅を得ており、回折限界集光を実現している 9)。
-10
-5
0
5
10
0 20 40 60 80 100Position [mm]
Res
idua
l err
or [n
m] f=150mm
f=300mm
(a) 形状誤差
104
106
108
1010
1012
1014
10-410-3 10-2 10-1 100 Spatial Wavelength [m]
PSD
[nm
3 ]
Premachined
Rotary electrode
Pipe electrode
(b) 形状誤差の PSD
図Ⅰ.10 製作した楕円面ミラーの形状誤差と PSD
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
-1 -0.5 0 0.5 1Position(μm)
Inte
nsity
(arb
.uni
t)
FWHM=120nm
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
-1 -0.5 0 0.5 1Position(μm)
Inte
nsity
(arb
.uni
t)
FWHM=200nm
(a) f = 300mm (b) f = 150mm
E=15KeV λ=0.8Å
E=15KeV λ=0.8Å
図Ⅰ.11 楕円面ミラー単体による集光プロファイル
-
2.3 SOI ウエハ厚さの均一化・薄膜化 SOI (Silicon on Insulator)ウエハは高速・低消費電
力半導体集積回路用の基板として期待されてい
る。その構造は、図Ⅰ.12(a)に示すように、基板と
なるシリコン上に埋込み酸化膜（Buried Oxide ;
BOX）層を介して薄い単結晶シリコン層(SOI 層)
を有しており、この SOI 層に、図Ⅰ.12(b)のよう
な MOSFET (metal oxide semiconductor field effect
transistor)を構築する。
SOI Buried Oxide
Si Substrate
(a) Structure of the SOI wafer
Gate
n+ n+ p+ p+ p n
Source Drain
(b) SOI MOSFET
図Ⅰ.12 SOI ウエハと SOI MOSFET
このような構造にすることで、寄生容量の低減
等のメリットが生まれ、より少ない電荷でデバイ
スを動作させることが可能になるため高速・低消
費電力デバイスが実現でき、既に高性能 MPU や
時計用低消費電力 LSI 等が実用化されている。
ITRS(International Technology Roadmap for
Semiconductors)によると、トランジスタの微細化
に伴い、2010 年頃には SOI 層の初期厚さが 15 nm
レベルの超薄膜 SOIウエハが必要であると予想さ
れているが、ウエハ面内でのトランジスタの動作
特性のばらつきを抑えるため、SOI 層厚さの均一
性も要求されている。このような超薄膜 SOI ウエ
ハを従来技術で製作することは、極めて困難であ
るため、数値制御プラズマ CVM による SOI の薄
膜化と膜厚の均一化を試みた 10)。また、薄膜化し
た SOI ウエハにデバイスを形成し、その動作特性
を評価した 11)。
SOI ウエハとしては、SOI 層の厚さが 200 nm の
6 インチ UNIBONDⓇウエハを用い、SOI 層厚さ
を 10 nm レベルまで薄膜化することを試みた。加
工前後における SOI の厚さ分布を図Ⅰ.13 に示す。
190 [nm] 210
A A
-65 0 [mm] 65
65
-65
[mm]
(a) Before correction
5 [nm] 25
A A
-65 0 [mm] 65
65
-65
[mm]
(b) After correction
図Ⅰ.13 SOI 層の厚さ分布
-
0
50
100
150
200
250
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80Position (mm)
SOI T
hick
ness
(nm
)
Before thinning
200.9 ± 2.1 nm
13.5 ± 0.7 nm (±5%)
After thinning
図Ⅰ.14 における AA 断面の厚さ分布
なお膜厚は分光エリプソメトリにより 5 mm ピ
ッチで測定した。中心より直径 120 mm の領域に
注目すると、初期厚さ約 200 nm の SOI を約 13 nm
に薄膜化できており、膜厚のばらつきも±4.2 nm
から±2.0 nm へと改善できている。図Ⅰ.14 は図
Ⅰ.13 における AA 断面を示したものである。これ
を見ても薄膜化と同時に膜厚のばらつきが改善
されており、数値制御プラズマ CVMによって SOI
層厚さを 10 nm レベルまで薄膜化できることを実
証した。また、薄膜化した SOI ウエハの表面粗さ
を AFM によって観察したところ、500×500 nm2
の測定領域において 1.45 nm PV、0.12 nm Ra であ
った。これは、市販のシリコンウエハ表面と同等
な粗さであり、表面粗さも劣化しないことが分か
った。
次に、数値制御プラズマ CVM によって約 60 nm
まで薄膜化した 8 インチ SOI ウエハ、および参照
用 SOI ウエハの全面にデバイス（MOSFET や抵抗
素子）を作製し、両者の動作特性を比較した。こ
こで、参照用 SOI ウエハは、SOI 層を熱酸化と酸
化膜のエッチングによって薄膜化し、その厚さの
平均値が約 60 nm になるように調整したものであ
る。図Ⅰ.15 に、作製した MOSFET におけるドレ
イン電流のゲート電圧依存性の一例を示す。リー
ク電流、立ち上がりの急峻さ（サブスレショルド
特性：S=65 mv/dec）とも、両者で差は見られず、
共に良好な動作特性が得られた。また、抵抗素子
の抵抗値の面内分布を測定したところ、プラズマ
CVM によって薄膜化した SOI ウエハの方が抵抗
値のばらつきが小さいという結果を得た。これは
プラズマ CVM によって薄膜化した SOI ウエハの
方が SOI層厚さ分布の均一性が良好であることに
よる。以上、プラズマ CVM による加工は、SOI
ウエハの結晶性や清浄度を損なわないことが実
証され、半導体集積回路用基板として十分使用可
能であることが分かった。
10-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-2
-0.50 0.00 0.50 1.00 1.50Gate Voltage (V)
Dra
in C
urre
nt (A
)
ReferenceNC-PCVM
図Ⅰ.15 作製したnMOSFET のドレイン電流－ゲート電圧特性 （ゲート幅/ゲート長=10 / 0.35µm、ドレイン電圧= 0.1V）
-
2.4 水晶ウエハ厚さの均一化 光通信技術の進歩において基準周波数を生成
する水晶振動子が果たす役割は大きく、通信速度
を高速化するためにはより一層の高周波化が求
められている 12, 13)。水晶振動子は、水晶板の上下
板面に空間ギャップ式電極、あるいは金属膜を蒸
着させた電極を付与したものであり、用途に応じ
て様々なカット方法が提案されている。現在、最
も使用頻度が高いのは常温付近の周波数温度特
性が良好な AT カットである。水晶板に付与され
た電極に交流電圧を印加すると、電極直下に逆圧
電効果による弾性振動が起こるが、これは水晶板
の上下面において強く反射されるため、やがては、
板厚 t の境界条件を満たすような弾性定在波が誘
起される。AT カットの場合、水晶板の板面に垂
直な方向の横波平面波を主振動として利用して
いる。この振動モ－ドを厚み滑り振動と呼ぶ。こ
のとき、AT カット水晶板の輪郭寸法が板厚 t に
比べて大きい無限平板であると仮定することが
できれば、厚み滑り振動の共振周波数 f は(1)式
に示すように、板厚 t のみの関数として表せるの
で、高周波化のためには薄片化する必要があるこ
とが分かる。
f ≒ 1670 ／ t （1）
f ：共振周波数(MHz)、t：水晶ウエハ厚さ（μm）
図Ⅰ.16 にフォトリソグラフィー工程を援用し
た順メサ型水晶振動子の作製プロセスを示すが、
生産性を高めるには半導体デバイス作製プロセ
スと同様に、大型の水晶ウエハ上に多数の振動子
形成した後に、ダイシングによって個々の水晶振
動子に細分化する。しかし、従来の両面機械研磨
による水晶ウエハの薄片化では、キャリアもしく
はウエハそのものが破損したり、研磨中の面圧ム
ラに起因する板厚ムラが生じたりしてしまう。板
厚ムラは水晶ウエハ上に形成する振動子の共振
周波数のバラツキを引き起こすため、金属電極を
蒸着した後に周波数をモニターしながらイオン
ビームエッチングにより±2ppm 以下の周波数ば
らつきに抑える調整が行われている。しかしなが
ら、イオンビームエッチングはエッチングレート
が小さいため、現状ではイオンビームエッチング
による調整範囲に水晶振動子の板厚をそろえる
ために湿式エッチングが中間工程に用いられて
いる。
Bi-mesa Shaped AT Cut Quartz ResonatorVibration Area
Electrode
Quartz Crystal
Photoresist Au Cr
Quartz Crystal Wafer
t
)MHz()m(
1670μt
f =
Dicing
図Ⅰ.16 順メサ型水晶振動子の作製プロセス
現在のところ、周波数が 100 MHz 以上の振動子
の場合には、湿式エッチング後における個々の水
晶振動子の板厚許容値は±10 nm が一般的とされ
ている。したがって、水晶ウエハの段階で板厚許
容偏差値を達成することで、水晶板振動子の生産
性が著しく向上すると考えられるため、水晶ウエ
ハの板厚ムラ自体の解消が望まれている。そこで、
我々は水晶ウエハの厚さムラを解消するととも
に機械研磨の限界を超えて薄片化することがで
きる手法として、円筒型回転電極を用いた一次元
数値制御走査とパイプ電極を用いた二次元数値
制御走査を併用した 2 ステップ加工プロセスを提
案している 14)。これは図Ⅰ.17 に示すように、円
筒型回転電極を用いた粗加工とパイプ電極を用
いた仕上げ加工を組み合わせたもので、加工の高
能率性と高精度さを両立したプロセスである。当
然ながら、修正すべき加工量が少ない場合には、
パイプ電極による仕上げ加工のみを適用する。
-
0
5
10
15
0 5 10 80.55
80.75 16.
8mm
13.8mm
Rotation Correction for
X direction Correction for
Z’ direction
High Efficiency Correction
Scanning direction
Cylindrical Rotary Electrode
Plasma
(Z’) (X)
(X)
(Z’)
High Spatial Resolution Correction
Pipe Electrode Quartz Crystal Wafer
図Ⅰ.17 2 ステップ加工プロセス
次に、両面機械研磨が施された AT カット水晶ウ
エハ（25 mm×20 mm×80 μmt）の厚さ分布を均一化
した結果について述べる 15)。加工量は、円筒型回
転電極を用いた粗加工では約 250 nm、パイプ型電
極を用いた仕上げ加工では約 40 nm に設定した。
図Ⅰ.18に評価領域を 14.4×9.2 mm2とした際の、
加工前の水晶ウエハの厚さ分布、円筒型回転電極、
ならびにパイプ型電極を用いて厚さ分布の修正
加工を行った後の板厚分布を示す。修正加工前に
は厚さムラの最大値（p-v 値）は 108.3 nm（周波
数偏差 28.0 kHz）であったが、円筒型回転電極に
よる修正後には p-v 値は 39.5 nm（周波数偏差 10.2
kHz）となり、パイプ電極による修正後には p-v
値 14.4 nm（周波数偏差 3.8 kHz）へと、厚さムラ
が大きく改善されていることが分かる。
108.3 nm p-v
(a) Before Correction
39.5 nm p-v
(b) After Correction by Rotary Electrode
14.4 nm p-v
(c) After Correction by Pipe Electrode
0
5
10
15
20
25
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80Deviation (nm)
Freq
uenc
y
0
5
10
15
20
25
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80Deviation (nm)
Freq
uenc
y
0
5
10
15
20
25
-80 -6 -40 -20 0 20 40 60 80Deviation (nm)
Freq
uenc
y
図Ⅰ.18 数値制御プラズマ CVM による水晶ウエハの厚さムラの改善
20.6 20.8 21Resonance frequency (MHz)
Atte
nuat
ion
(10d
B/d
iv)
Before correction
Correction by rotaryelectrode (X direction)
Correction by rotaryelectrode (Z' direction)
Correction by pipe electrode
図Ⅰ.19 厚さムラの改善による共振特性の向上
また、図Ⅰ.19 に示すように修正加工が進行す
るとともに副振動が減衰し、最終的には良好な共
振特性が得られていることが分かる。この共振波
形は、直径 3 mm のプローブ電極で励振された厚
みすべり振動によるものであるため、プローブ電
極が対向する範囲における厚みムラ、すなわち平
行度が改善された結果、不要な副振動が抑制され
たものと考えられる。さらに、新たな副振動ピー
クの生成は認められなかったため、プラズマ中の
イオン衝撃による加工変質層 16)は生成されなか
ったと考えられる。
2.5 大気開放型プラズマ CVM の開発 これまでの PCVM プロセスはプロセス圧力こ
そ大気圧であったが、加工雰囲気をすべてプロセ
スガスで置換するために、大型のチャンバーや高
価な排気系が必要であり、このことが汎用的な超
精密加工法として普及する上での障害となって
いた。近年我々は、PCVM 法の優れた加工特性を
有しながら、加工形態としては完全な大気開放型
である超精密無歪ナノ精度大気圧プラズマ加工
プロセスを開発し、ものづくり産業への導入への
障壁とならないような安価で高精度な加工シス
テムを構築することを目標として研究開発を行
っている 17)。
-
図Ⅰ.20 大気開放下でプラズマが発生している様子
5.0mm
図Ⅰ.21 加工痕形状の一例
(a) 修正前 337 nm(pv)
(b) 修正後 34.3 nm(pv)
図Ⅰ.21 AT カット水晶ウエハの厚みムラ修正結果
図Ⅰ.20 にプラズマが発生している様子を、また
図Ⅰ.21 に得られた加工痕形状の一例を示すが、大
気開放下においても安定したプラズマを生成す
ることに成功している。本装置を用いて、AT カ
ット水晶ウエハの厚み修正を行った。修正加工を
施したウエハの大きさは 40×40 mm2、厚さ約 100
μm（f 0 = 16 MHz）であり、反応ガスにはヘリウ
ムで希釈した CF4と O2(He : CF4 : O2 = 1500 : 20 :
4)を用いた。図Ⅰ.22 に厚みムラの修正を行った結
果を示すが、修正前には 337 nm あった厚みムラ
が修正後には 34.3 nm まで向上させることに成功
した。
3. おわりに
Ｘ線ミラーやステッパ用非球面レンズ等の超
精密光学素子、および SOI ウエハや水晶ウエハ等
の超高性能デバイス用基板を作製する場合、現状
の機械加工を主とする加工プロセスは、さらなる
高精度化ならびに高品質化を目指す上では、もは
や限界に達した感がある。機械加工は加工能率が
高いという長所を持つが、その反面変形破壊とい
う加工現象に関与する転位やクラック等の結晶
欠陥は、原子レベルから考えると非常に大きな空
間を占めており、その大きさが変形および除去単
位の微小化を物理的に制限している。また、加工
表面には転位や空孔等の欠陥から成る加工変質
層が残存する。よって、さらなる加工プロセスの
高精度化を図るためには、このような機械的な手
法に代わって、加工現象として理想的である化学
的な反応を用いた加工法の開発が急務となる。こ
れらの要求に対して、機械加工に置き換わる全く
新しい概念の化学的加工法として、大気圧プラズ
マを利用したプラズマ CVM が提案され、本節で
はその実施例を示した。
-
参考文献
1) D. W. Sweeney, R. Hudyma, H. N. Chapman and D. Shafer, Proc. SPIE 3331 (1998) 2.
2) 特許：ラジカル反応による無歪精密加工方法，登録番号 2521127.
3) Y. Mori, K. Yamamura, K. Yamauchi, K. Yoshii, T. Kataoka, K. Endo, K. Inagaki and H. Kakiuchi, ”Plasma CVM (Chemical Vaporization Machining) ： An Ultra Precision Machining Technique Using High-pressure Reactive Plasma”, Nanotechnology，4 (1993) 225.
4) Yuzo Mori, Kazuto Yamauchi, Kazuya Yamamura and Yasuhisa Sano, “Development of plasma chemical vaporization machining”, Rev. Sci. Instrum. 71 (2000) 4627.
5) Yuzo Mori, Kazuya Yamamura and Yasuhisa Sano, “The study of fabrication of the X-ray mirror by numerically controlled plasma chemical vaporization machining: Development of the machine for the X-ray mirror fabrication”, Rev. Sci. Instrum. 71 (2000) 4620.
6) G.D.Watkins and J.W.Corbett, “Defects in Irradiated Silicon. Ⅰ. Electron Spin Resonance of the Si-A Center”, Phys. Rev. 121 (1961) 1001.
7) J. W. Corbett, G. D. Watkins, R. M. Chrenko and R.S.McDonald, “Defects in Irradiated Silicon. Ⅱ . Infrared Absorption of the Si-A Center”, Phys. Rev. 121 (1961) 1015.
8) W. G. Vincenti and C. H. Kruger, Jr., “Introduction to Physical Gas Dynamics”, John Wiley & Sons, New York, (1965).
9) K. Yamamura, K. Yamauchi, H. Mimura, Y. Sano, A. Saito, K. Endo, A. Souvorov, M. Yabashi, K. Tamasaku, T. Ishikawa, and Y. Mori, “Fabrication of elliptical mirror at nanometer-level accuracy for hard x-ray focusing by numerically controlled plasma chemical vaporization machining”, Rev. Sci. Instrum. 74 (2003) 4549.
10) Yuzo Mori, Kazuya Yamamura and Yasuhisa Sano, “Thinning of silicon-on-insulator wafers by numerically controlled plasma chemical vaporization machining”, Rev. Sci. Instrum. 75 (2004) 942.
11) 森 勇藏, 佐野泰久, 山村和也, 森田 諭, 森田瑞穂, 大嶋一郎, 斉藤祐司, 須川成利, 大見忠弘 「数値制御プラズマ CVM(Chemical Vaporization Machining)による SOI の薄膜化 －デバイス用基板としての加工面の評価－」, 『精密工学会誌』69 (2003) 721.
12) 日本水晶デバイス工業会編『水晶デバイスの解説と応用』, 日本水晶デバイス工業会 (2002) 50.
13) 佐藤雄一, 細川康範, 西田公昭, 小山光明 「光伝送用電圧制御水晶発振器の提案」, 『電気学会電子・情報システム部門大会講演論文集』, 2 (2001) 215.
14) Masafumi Shibahara, Kazuya Yamamura, Yasuhisa Sano, Tsuyoshi Sugiyama, Katsuyoshi Endo and Yuzo Mori, “Improvement of thickness distribution of quartz crystal wafer by numerically controlled plasma chemical vaporization machining”, Rev. Sci. Instrum. 76 (2005) 096103.
15) 柴原正文, 山村和也, 佐野泰久, 杉山 剛, 山本雄介, 遠藤勝義, 森 勇藏, 「数値制御プラズマCVM による水晶ウエハの高精度加工に関する研究 －回転電極とパイプ電極を併用した数値
制御加工による水晶ウエハ厚さの均一化－」, 『精密工学会誌』72 (2006) 934.
16) Y. Nagaura and S. Yokomizo, “Manufacturing Method of High Frequency Quartz Oscillators Over 1 GHz”, Proc. IEEE Int. Freq. Control Symp., 53 (1999) 425.
17) Kazuya Yamamura, Masafumi Shibahara, Yasuhisa Sano, Yusuke Yamamoto, Tetsuya Morikawa, Yuzo Mori: Improvement of the Thickness Distribution of AT cut Quartz Crystal Wafer by Open-air Type Plasma Chemical Vaporization Machining, e-J. Surf. Sci. Nanotech. 5 (2007) 41.
山村和也, 佐野泰久, 森 勇藏 : 「プラズマ CVM による超精密加工」『大気圧プラズマの生成制御と応用技術 第
2 章 第 13 節』 監修 小駒益弘（サイエンス&テクノロジー , 2006） p.205. より転載、一部加筆
-
Ⅱ . 数値制御ローカルウェットエッチング(Numerically Controlled Local Wet Etching; NC-LWE)による超精密加工
1. はじめに
X 線の集光や極端紫外線露光（EUVL）等に用い
られる超高精度な光学素子を作製するためには、
無歪かつ再現性の高いナノメータレベルの形状創
成能力が要求される。しかしながら、従来の機械
加工法では脆性破壊や塑性変形現象を利用するた
め、必然的にダメージが導入され、基板が本来有
する優れた物理・化学的性質を維持することがで
きない。また、工具が接触する加工であるために
外部からの振動や熱変形等の影響により、工具の
接触状態が変動して加工特性が変化するという、
いわゆる母性原理に支配されてしまうため、ナノ
メータレベルの加工精度を恒常的に達成すること
は極めて困難である。機械加工法の精度を向上さ
せるには、装置本体の剛性、ワークテーブルの運
動精度、工具の品質、温度環境等のすべてにおい
て高精度化を図る必要があり、装置価格やユーテ
ィリティーが極めて高額になるだけでなく、取扱
いの難易度も格段に高くなるため、製造現場に導
入する際のバリアが非常に高くなってしまうこと
は否めない。
そこで、これらの現ローカルウェットエッチン
グな液相エッチング領域を速度制御走査すること
によって形状創成を行う新しい加工法である、数
値 制 御 ロ ー カ ル ウ ェ ッ ト エ ッ チ ン グ 法
（ Numerically Controlled Local Wet Etching ;
NC-LWE）を提案する 1)2)。本手法は、非接触な化
学的無歪加工法であるため、振動等の外乱に対し
て鈍感であり、また、加工量はエッチャントの滞
在時間によりナノメータレベルの精度で正確に制
御できる。我々は、NC-LWE 法を超精密加工法と
して完成させ、イニシャルコストが極めて安価で、
特別なノウハウを必要としない新しい概念の超
精密加工システムの実用化を図ることを研究開
発の目標としている。
2. 加工原理および加工装置
図Ⅱ.1 に数値制御ローカルウェットエッチング
（ Numerically Controlled Local Wet Etching :
NC-LWE）加工システムの概略を示す。本システ
ムは、エッチャントを局所的に被加工物の表面に
供給および吸引するためのノズルヘッド、ガス吸
引用真空ポンプ、循環ポンプ、リザーブタンク、
熱交換器、および被加工物もしくはノズルを移動
させるための XY テーブルから構成されている。
ウエットエッチングを利用した光学素子の作製
法としては、ローレンスリバモア国立研究所の
Rushford らによって開発された Wet-etch figuring
（WEF）が報告されている 3)4)。WEF においては、
鉛直上向きに配したエッチャント供給ノズルの周
囲を、アルコール等の揮発性の有機溶媒の蒸気で
満たし、マランゴニ効果によって生じた表面張力
の差によってエッチャントの接液領域をノズルの
近傍のみに限定している。したがって、鉛直上方
以外のノズル姿勢をとることは極めて困難であり、
また、エッチャントの揮発成分が拡散によって加
工ポイント以外の基板上に付着し、意図しない場
所における加工の進行や表面粗さの悪化を引き起
こす可能性が高い。さらに、エッチング領域を制
限するための有機溶媒成分がエッチャントに混入
することにより、加工特性が変化する恐れがある。
それに対して本手法では、真空排気によって生じ
た大気圧との差圧によって、強制的に液状のエッ
チャントとその揮発成分とを同時に吸引するため、
重力に対するノズル姿勢の制約が無くなるととも
に、揮発成分の付着による表面荒れを防ぐことが
可能であるという特長を有する。また、本方法に
おける加工量は、加工物に対するエッチャント供
-
給ノズルヘッドの滞在時間で制御される。したが
って、工具の切り込み量、および位置制御によっ
て加工量を制御する一般的な機械加工法と比較
すると、装置剛性やワークテーブルの位置決め精
度、ならびに設置環境の温度変動に対する加工精
度の依存性は小さいため、装置導入におけるイニ
シャルコストを低く抑えることができる。さらに、
エッチャントの濃度と温度を管理するのみの単
純なパラメータ制御で非常に安定した加工特性
を維持できるため、極めて安価にナノメータレベ
ルの精度を実現する加工システムを構築するこ
とが可能である。
Flow ControlValve
Flow Meter
Coaxial Nozzle for Supplying and Suctioning
of the Etchant
Workpiece
Numerically Controlled Scanning
Reserve Tank
Gas Suction Pump
Magnetic Drive Etchant Circulation Pump
Heat Exchanger
Air Flow
PC XY-table
図Ⅱ.1 数値制御ローカルウェットエッチング加工
システムの概念図
3．石英ガラスの加工特性
図Ⅱ.2 に円形同軸ノズルヘッドを用いた場合の
加工痕形状を示す。このとき用いたノズルの吸引
口径は φ15 mm、エッチャントの温度と組成は
25 ℃のフッ化水素酸 22.2 wt%、加工時間は 10 分、
試料は合成石英ガラスである。エッチャントを強
制吸引することにより、加工領域は吸引口の内側
のみに限定され、また、接液部における加工速度
は等しいため、加工痕形状は単純な円柱形状にな
っていることが分かる。
-2.5-2
-1.5-1
-0.50
0.5
0 5 10 15 20 25Position [ mm ]
Dep
th [
µm
]
φ=15mmφ=15mmφ=15mmφ=15mm
図Ⅱ.2 同軸円形ノズルによる加工痕形状
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
0 5 10 15 20 25Position ( mm )
Rem
oval
Dep
th (n
m/p
ass)
400 mm/min
200 mm/min
133 mm/min
100 mm/min
図Ⅱ.3 種々の走査速度により形成した加工溝の断面形状
400mm/min
200mm/min
133mm/min
100mm/min
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012Inverse scanning speed (min/mm)
Theoreticalexp.1exp.2
5
10
15
20
25
30
Rem
oval
dep
th p
er sc
an (n
m)
0
35
図Ⅱ.4 走査速度の逆数と1走査あたりの最大加工深さの関係
-
図Ⅱ.3 は走査速度が一定の条件下で合成石英ガ
ラスを往復加工した際、種々の走査速度において
1 走査当りに形成されたライン加工溝の断面形状
を示したものである。このときの加工条件はフッ
化水素酸濃度が 22.2 wt% (25 ℃)、ノズルの吸引
口径がφ13 mm である。これより、走査加工にお
いては、加工幅はほとんど変化することなく走査
速度に逆比例して単純に溝深さが増加すること
が分かる。図Ⅱ.4 は、図Ⅱ.3 に示された加工結果
を、走査速度の逆数、すなわちノズルヘッドの石
英ガラス基板上における滞在時間と 1 走査当たり
に形成される加工溝の最大深さとの関係で表し
たものである。図中の実線は静止加工痕から導出
された理論値である。本図においては 2 回の実験
結果を示しているが、走査速度の逆数と加工深さ
との関係は、再現性良く比例関係にあり、また、
理論値とも良く一致することが分かる。これらの
結果より、本加工法においてはノズルヘッドと加
工物との相対速度を制御するだけで、ナノメータ
レベルの加工量が正確に制御できるといえる。
次に、加工能率や加工精度を左右する重要な加
工特性のひとつであるエッチングレートの、エッ
チャント濃度およびエッチャント温度依存性に
ついて評価した。加工材料は合成石英ガラス、エ
ッチャントはフッ化水素酸である。加工実験は、
所定の濃度、温度のフッ化水素酸を φ15 mm のノ
ズルから 25 l/h で供給・吸引して行った。図Ⅱ.5
および図Ⅱ.6 に、それぞれエッチングレートの濃
度依存性（液温 25℃）、および温度依存性を示す
が、エッチングレートは濃度、温度の両パラメー
タに対して指数関数的に変化することがわかる。
本加工法における形状創成能力を向上させるた
めには、エッチングレートの 1 バッチ加工内にお
ける安定性、およびバッチ間の再現性を向上させ
る必要がある。図Ⅱ.7、8 は、エッチャントの濃
度および温度変化に対するエッチングレートの
変化率を示したものであるが、初期濃度および温
度を 20 wt%、25℃に設定した場合、エッチングレ
ートを±1%以内で安定化させるためには、濃度と
温度に関してそれぞれ±0.11%、±0.18℃以内に維
持する必要があることがわかる。本システムにお
いては、エッチャントをマグネットポンプにより
熱交換器を通して常時循環させており、図Ⅱ.9 に
示すように±0.2℃以内で一定に維持することが
できる。また、エッチャントの濃度も溶液と希釈
液の重量をそれぞれ測定することにより、容易に
許容値以内に調製することができる。
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
0 10 20 30 40 50 60HF Concentration （wt %）
Etch
ing
Rat
e of
the
Qua
rtz G
lass
（µm
/min）
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Act
ivat
ion
Ener
gy (e
v/m
olec
ule)
図Ⅱ.5 25℃におけるフッ化水素酸濃度と石英ガラスのエッチングレートの関係
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 10 20 30 40 50 60HF Acid Temperature (℃)
Etch
ing
Rat
e (µ
m/m
in)
図Ⅱ.6 20wt%のフッ化水素酸温度と石英ガラスのエッチングレートの関係
-
0.14
0.158
0.176
19 20 21HF Acid Concentration (wt%)
Etch
ing
rate
(µm
/min
)
-3
-2
-1
0
1
2
3
⊿ER
(%)
±0.11%
±1%
図Ⅱ.7 20wt%付近におけるフッ化水素酸濃度の変動と石英ガラスのエッチングレートの変化率の関係（液温 25℃）
0.154
0.166
0.178
24 25 26Temperature (℃)
Etch
ing
Rat
e (µ
m/m
in)
-3
-2
-1
0
1
2
3
⊿ER
(%)
±0.18℃
±1%
図Ⅱ.8 25℃付近におけるフッ化水素酸温度の変動と石英ガラスのエッチングレートの変化率の関係（濃度 20 wt%）
24.024.224.424.624.825.025.225.425.625.826.0
0 30 60 90 120 150 180 210 240Elapsed time (min)
Tem
pera
ture
(℃)
±0.2℃
図Ⅱ.9 加工中におけるエッチャント温度の変動
5. 非球面ミラーの加工例
5.1 1 次元 NC 加工による楕円面ミラーの作製
本加工法を適用して硬 X 線集光用の非球面ミ
ラーを作製した結果について述べる。前加工面の
材質は合成石英、大きさは長さ 100 mm×幅 50 mm
×厚さ 15 mm で、一般的な光学研磨により平面に
仕上げられている。今回作製したミラーは、40 keV
の硬 X 線を 550 mm の焦点距離で集光するための
もので、本加工法により粗加工を行った後、EEM
による仕上げ加工および Pt 蒸着を施して完成さ
せる 5)6)。
図Ⅱ.10 に前加工面形状と設計形状を示す。前
加工面形状は p-v 約 300 nm の凹面形状で、設計形
状は長さ 100 mm、最大深さ約 2 µm の楕円面であ
る。本ミラーは、Kirkpatrick-Baez 配置および全反
射条件で使用し、X 線の斜入射角は約 2 mrad であ
るため、必要なミラー形成領域の幅は約 200 µm
で、幅方向には同一形状で良い。したがって、13
mm×13 mm の単位加工痕を形成する角型ノズル
を用いた 1 次元の数値制御加工によりミラーを作
製した。
図Ⅱ.11 に使用した角型ノズルの外観と 1 次元
数値制御加工の概念図を、図Ⅱ.12 にレーザ干渉
計で計測したミラー形状と形状誤差を示す。これ
より、本加工法は形状誤差 50 nm 以下の非球面形
状を極めて高能率、かつ決定論的に作製できる能
力を有すると言える。
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 20 40 60 80 100Position (mm)
Hei
ght (μm
)
Premachined shapeDesigned shape
図Ⅱ.10 前加工面形状と楕円面ミラーの設計形状
-
図Ⅱ.11 加工に使用した角型ノズルの外観と 1 次元数値
制御加工の概念図
図Ⅱ.12 数値制御加工後の形状と形状誤差
5.2 2 次元 NC 加工による楕円面ミラーの作製
図Ⅱ.13 に示す 5 軸制御加工装置を用いて楕円
面ミラーを作製した。図Ⅱ.14 に加工ヘッドと単
位加工痕形状を示す。ノズルの吸引溝の直径は
15mm で、吸引溝形状に対応した加工痕形状が得
られていることが分かる。今回のミラー作製に用
いた基板の材質、大きさ、エッチャントの濃度お
よび温度は、それぞれ合成石英、100×50×15mm3、
HF37wt% 、 41.7 ℃で、エッチングレートは
1.14μm/min である。
図Ⅱ.13 5 軸制御加工装置の外観
(a)
(b)
図Ⅱ.14 ミラー作製に用いた(a)加工ヘッドと
(b)単位加工痕形状(加工時間 5 分)
(a) 角型ノズル(13×13mm2)の外観
(b) 1 次元数値制御加工の概念図
速度制御走査
非球面形状
-
図Ⅱ.15 に 90×40 mm2の評価領域における楕円
面ミラーの設計形状（X2/6002+Y2/52=1 : 単位 mm）、
ならびに作製したミラーの実形状を示す。2 次元
走査（ラスタースキャン）における送りピッチは
0.4 mm とし、形状計測には三鷹光器製のレーザプ
ローブ式非接触三次元測定装置 NH-3SP（Z 分解
能 1 nm）を用いた。図Ⅱ.16 は設計形状から実形
状を差し引いた誤差形状であるが、評価領域内に
おいて 200 nm 以下の形状誤差を達成した。図
Ⅱ.17 に誤差形状の長手方向(A-A’)断面、および短
手方向(B-B’)断面を示すが、短手方向に 150 nm 程
度の対称的な誤差形状が見られ、この誤差がミラ
ー全体の形状誤差を決定している。本誤差形状の
生成原因は現段階では明確でないが、前加工面の
残留応力がエッチング加工によって除去された
結果、基板全体が変形したことも考えられるため、
今後明らかにしたい。
0369
121518
-45 -30 -15 0 15 30 45
Position(mm)
Hei
ght(μm
)
(a)
(b)
図Ⅱ.15 楕円面ミラーの(a)設計形状と(b)加工後の形状
図Ⅱ.16 形状残差
-100
-50
0
50
100
0 20 40 60 80
Position(mm)
Fig
ure
Err
or(
nm
)
(a)
-100
-50
0
50
100
0 10 20 30 40
Position(mm)
Fig
ure
Err
or(
nm
)
(b)
図Ⅱ.17 形状残差の(a)長手方向(A-A’)断面、
(b)短手方向(B-B’)断面
4. おわりに
ナノメータレベルの形状精度が要求される光
学素子や機能材料の加工に応用できる新しい加
工法として、数値制御ローカルウェットエッチン
グ法を提案した。本加工法は、エッチャントの供
給部と吸引部とを同軸状に配置したノズルを用
A A’
B’
B
-
いることによって局所的な液相エッチング領域
を形成し、これを速度制御走査することによって
形状創成を行う。工具の接触を伴う機械加工とは
異なり、非接触な化学的無歪加工法であるため、
振動等の外乱に対して鈍感である。また、加工量
はエッチャントの滞在時間によりナノメータレ
ベルの精度で正確に制御できる。エッチャントと
してフッ化水素酸を用いた合成石英ガラスの加
工特性を評価した結果、加工量は走査速度に対し
て理論値通りにかつ再現性良く逆比例し、制御性
に優れた加工法であることが確認された。また、
数値制御加工により楕円面ミラーを作製し、非球
面形状を 1 次元 NC 加工においては 50 nm レベル、
2次元NC加工においては200 nmレベルの形状精度
で極めて高能率に作製することができた。
謝 辞
本研究の一部は NEDO 平成 17 年度産業技術研
究助成事業(05A33704d)、および文部科学省 21 世
紀 COE プログラム(H12)の援助を受けて行われた
ものであり、ここに記して深く謝意を表する。
参考文献
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Research Center for UltraResearch Center for Ultra--Precision Science and Technology ,Precision Science and Technology ,Graduate School of EngineeringGraduate School of EngineeringGraduate School of Engineering,Graduate School of Engineering,
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[1] X./� !012PCVMPCVM$$EEMEEM!3,!3,4[1] X./��!012PCVMPCVM$$EEMEEM!3,!3,4[2] AT��5678�9!:;
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[1] EF5�G�HI!JK>2LMNO4[2] X./��!01
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00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
1
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Convolution
( )Si(100), Gas : CF4 0.01%, O2 0.01%, He balance, Gap¼600 [um]
Rotation Speed¼ 31.4 [m/sec], Power¼50 [W]
= �
h(x.y) f(x.y) g(x.y)
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-
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Low
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16 mm 2 mm
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�¯%&½Gas : CF4 0.03%, O2 0.03%, He balance, Gap¼600 [um]
Rotation Speed¼ 5.2 [m/sec], Power¼200 [W] Gas : CF4 0.005%, O2 1%, He balance, Gap¼1000 [um]
Suction Rate¼ 0.5 [L/min], Power¼40 [W]
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7
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XX.,v©JÆ/��!01.,v©JÆ/��!01
Çt : Si(100) �=1È20�cm
110120130140150
Before p-v104 6nm
2± 400mmsÉ 50mms:± 30mm4405060708090
100110
Hei
ght [
nm]
Before p-v104.6nm
ÂÊËÌ
-100
10203040
0 50 100 150 200 250 300 350Distance [mm]
p-v 22.5nmp-v158nm
ÂÊËÌDistance [mm]
120130140150After p-v 10.7nm
Slope error
0 87mrad(rms)
60708090
100110
eugh
t [nm
] Before p-v 46.3nm
0.87mrad(rms)
320mm320mm
102030405060
He
After p-v 7.2nm
Slope error40mm
40mm
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0 10 20 30 40 50Distance [mm]
1.74mrad(rms)40mm
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±100 mm sÉ 50 mm s:± 10 mmÇt: Si(100)Ö×7
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MA(Vertical focusing)
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100 mm 100 mmSlit(100mms100mm)
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300 mm1 km
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K-BàáÓX.ÔÕÕSâ@SPring-8 1km-long beamline(BL29XUL)
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f=150mm
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Focusing performance (Achieved in April ’06) Focusing performance (Achieved in April ’06)
Smallest size in hardSmallest size in hard--XX--ray focusing (Latest result)ray focusing (Latest result)Smallest size in hardSmallest size in hard XX ray focusing (Latest result) ray focusing (Latest result)
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Au
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Cr
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Research Center for Ultra-precision Science and Technology
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Processing Time=14m55sProcessing Time=14m55s
32mm 32mm 32mm 32mm
337 nm (PV) 34.3 nm (PV)
17Before Correction After Correction
-
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Numerically Controlled Local Wet Etching (NC-LWE)Numerically Controlled Local Wet Etching (NC LWE)
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Controlled Local Wet Etching)
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