微細加工の現状と課題Ⅲ 飛田英朗＊１ TOBITA Hideaki １．はじめに従来、ＭＥＭＳなどに必要なマイクロパターン加工や回折格子の微細溝加工には、フォトリソグラフィ法やイオンビーム法などの半導体製造プロセス技術が主に用いられてきた。しかし、高価な製造装置や加工材料がシリコンなどに限定されるためコストが高く、また、加工方法の制約から滑らかな斜面や曲面、コーナエッジが得られないなどの問題点がる。そこで、多くの材料に対し自由度が高く効率よく加工ができる、切削加工への置き換え要求が高まりつつある。切削加工において、微細加工を実現するためには、工作機械の高精度化とともに、切削工具の高精度化・微細化が必要とされる。本稿では、微細切削工具の現状について、「単結晶ダイヤモンド切削工具」と、「cBN 焼結体を用いた切削工具」について述べる。２．単結晶ダイヤモンド切削工具１．特徴単結晶ダイヤモンド切削工具は、単結晶ダイヤモンドを工具切れ刃の素材とし、非常に鋭利で耐久性を兼ね備えた切削工具である。この工具を用いた加工は、超精密加工機によりナノメートルオーダーに制御された加工パスを正確にワークへ転写し、ナノメートルオーダーの表面粗さ、サブマイクロメートルの形状精度が得られる。２．性能㈱アライドダイヤモンドは、世界最小の三次元マイクロ加工用超精密ダイヤモンド切削工具を開発した。ここでは、その性能について述べる。 ①エンドミルスクウェアタイプのナノエンドミルは、微細な自由曲線溝加工用エンドミルである。単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルとしては回転径が世界最小のφ30μm。写真１に、φ30μm スクウェアタイプ－ナノエンドミルの刃先を示す。 *1 雇用・能力開発機構岩手センター〒025-0001 岩手県花巻市天下田 69-1 写真１. φ30μm スクウェアタイプ－ナノエンドミル写真右下にあるのが 0.5mm のシヤープペンシルの芯であり、それに比べナノエンドミルの刃先は非常に微細であることがわかる。ナノエンドミルの刃先は単結晶ダイヤモンドを超精密研磨することにより非常に鋭利で真直性が高く耐久性のある切れ刃に仕上げられている。この工具の用途としては、三次元の曲線溝から構成される光学素子、医療用チップ、マイクロマシン部品などへの適用が見込まれている。 ②超微細溝入れバイトダイヤモンド切削工具で、世界最小の矩形切れ刃の刃幅寸法は 900nm である。刃先のアスペクト比を必要最小限にすることで、高い刃先剛性があり、刃先のアスペクト比は５倍まで可能である。写真２に超微細溝入れバイトの刃先写真を示す。写真２超微細溝入れバイトの刃先これらの特徴により光学デバイスなどの精密金型のワーク材料である無電解ニッケルリンめっきや銅、アルミニウムなどのさまざまな金型表面に超微細な溝入れ加工が可能であり、半導体プロセス用途に技術展開されることを期待されている。 ③ボールエンドミル円弧切れ刃の最小サイズは、単結晶ダイヤモンドボールエンドミルとしては世界最小の R30 ㎛である。円弧の切れ刃の輪郭精度は 50 ㎚以下となっている。また、円弧切れ刃中心とシャンク軸のずれは５㎛以下と高精度にセッティングされる。これらの特徴により、金型材に高精度な円弧形状を転写でき、高精度な微細３次元マイクロ加工を可能にする。写真３にボールエンドミルの刃先を示す。とで、粒径 100nm 以下の超微粒子からなる高純度な cBN 焼結体を作製することに成功した。さらに、この cBN 焼結体を切削工具として、精密切削が可能な高精度加工装置に組み込み、焼入れされたステンレス鋼の鏡面加工をドライな条件下で実施し、加工面を鏡面にできることを確認した。写真 4 に試験片外観、写真 5 に試験片の顕微鏡観察像を示す。写真 4.試験片外観写真３. ボールエンドミルの刃先３．cBN 焼結体を用いた切削工具独立行政法人理化学研究所と独立行政法人物質・材料研究機構は、粒径 100nm 以下の超微粒の立方晶窒化ホウ素（cBN）焼結体を用いた切削工具を開発し、この工具を使った精密切削で鉄鋼材料の鏡面加工を実現した。金型加工分野での精密切削には、硬く耐摩耗性のある単結晶ダイヤモンド工具が広く利用されている。この単結晶ダイヤモンド工具は、アルミニウム合金などの非鉄材料に対しては、切削時の刃先摩耗が小さく、正確に加工することができるため、粗さの尐ない鏡面に仕上げることができる。しかし、鉄系材料のように加工時に熱を多く発生する材料や、ダイヤモンドと化学反応性の高い材料に対しては、刃先の磨耗が著しく、高精度加工を維持することが困難になる。そこで、単結晶ダイヤモンドに代わる刃先用素材として、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ立方晶窒化ホウ素（cBN）が注目を集めている。研究グループは、六方晶窒化ホウ素（hBN）を高温・高圧下で相転換し、同時に焼結するこ写真 5.試験片の顕微鏡観察像顕微鏡観察から被削材表面に加工によるキズや欠損は認めらない。表面粗さは最大高さ粗さで 100nm 以下となり、最良面では 50nm 以下という高精度な加工を実現した。この cBN 焼結体工具による精密切削では、研磨などの仕上げ加工をすることなく、複雑で自由な形状の高精度な成型加工の最終仕上げが可能となる。cBN は耐熱性、耐食性に優れた素材で、精密切削用工具としての利用だけではなく、多種多様な被削材・切削環境下での適用が考えられている。４．まとめ微細切削工具は、切削精度や工具摩耗特性の高度化などが求められている。したがって、切削用工具材種はダイヤモンド、cBN 焼結体が中心となる。しかし、これらの工具材種は、高硬度なため工具成形が難しい。今後の課題は、更なる微小径化と、高精度・高能率な工具成形方式の開発が考えられる。参考文献１）小林篤史：「UPC」による最新の金型工具、型技術 Vol.24、型技術 2009 年 5 月号２）小林篤史・小畠一志：超精密三次元マイクロ加工用ダイヤモンド切削工具の開発、2007 年 7 月 SEI テクニカルレビュー・第 171 号３）（独）理化学研究所 HP ｢http://www.riken.go.jp｣４) 松岡甫篁：超微細・精密加工へのニーズと対応技術機械と工具 Vol.54 ・2010 年 1 月