JP2008221352A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨面にサブサーフェスダメージを残すことなく、極めて平滑に研磨し、被研磨面をチッピングフリーにすることができると共に、曲面形状に対しても高精度の研磨が可能な研磨方法および研磨装置を提供する。
【解決手段】研磨対象（ダイヤモンドバイト２０）を角度，煽り調整可能なバイト保持機構により保持する。このダイヤモンドバイト２０の逃げ面２０ａおよび掬い面２０ｂを、研磨面が撓み可能な板状の研磨定盤１０により研磨する。研磨定盤１０は厚み１ｍｍ以下、直径２０ｍｍ〜４０ｍｍの円形状の石英板により構成される。被研磨面（逃げ面２０ａおよび掬い面２０ｂ）には、紫外光源ランプ１１より紫外光Ｌが照射される。研磨定盤１０の回転速度、位置，旋回角度はスピンドル自動旋回機構により調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイヤモンド単結晶、ダイヤモンド切削加工品などの高硬度の研磨対象の研磨に好適な研磨方法および研磨装置に関する。

従来、ダイヤモンドバイトなどを研磨するには、図５に示したように、回転する鋳鉄定盤１００上にダイヤモンド粒子（砥粒）１０１を散布してダイヤモンドバイト１０２の被研磨面（逃げ面１０２ａ，掬い面１０２ｂ）を押し付けて研磨する機械的作用による方法（スカイフ研磨）が採用されている。
特開２００６−２２４２５２号公報

しかしながら、このような機械的作用による研磨方法では、微細なスクラッチが発生し、加工面下には残留歪が残留するため、単結晶ダイヤモンドバイトのエッジには数十ｎｍオーダのチッピングが発生する。また、見かけ上チッピングが小さくても、残留歪の影響により、このバイトにより超精密切削を行っている最中に、ミクロなチッピングや損耗が発生しやすく、高精度な切削面を再現性よく得ることが困難であると共に、バイトを長寿命に使用することができないという問題があった。また、従来の機械的なスカイフ研磨では、ダイヤモンド単結晶の（１１１）面は研磨できないことが知られている。そのため、磨耗しにくい（１１１）面をバイトの磨耗しやすい面に構成する特別なバイトを作ることができないという問題があった。

また、従来の研磨方法では、鋳鉄定盤によってダイヤモンドバイトの逃げ面を研磨するときには、逃げ面に半円曲面があるため、バイトを回転定盤面に垂直に保持し、掬い面に垂直な軸の周りに±６０度程度ゆっくりと傾けながら研磨している。

しかしながら、このような研磨方法では、バイトの保持姿勢の安定化が困難であり、定盤面の回転によってミクロンオーダの上下フレが発生し，バイトの先端形状に誤差が生じてしまう。このように従来の研磨方法では、先端曲率半径の小さなバイトを高精度形状に再現良く研磨することは極めて難しく、また極めて高価なものになるという問題があった。

このようなことから、微細なスクラッチの発生を防ぎ、残留歪のないチッピングフリーとなる高精度研磨加工を実現する技術が望まれていた。なお、特許文献１には、本発明と同様に紫外光を照射して研磨を行う技術が開示されているが、この技術では光触媒作用を有する研磨剤を被研磨面に供給するものであり、かつ研磨定盤が厚肉であるため、バイトの先端部のような曲面を有する部分の加工は困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、被研磨面にサブサーフェスダメージを残すことなく、極めて平滑に研磨し、被研磨面でのチッピングの発生を抑制することができると共に、曲面形状に対しても高精度の研磨が可能な研磨方法および研磨装置を提供することにある。

本発明の研磨方法は、研磨対象との接触圧により研磨面が撓み可能な板状の研磨定盤を、研磨対象の被研磨面に接触させると共に面内において回転させ、かつ、研磨対象の被研磨面に紫外光を照射しつつ、研磨定盤を研磨対象の被研磨面の形状に沿って移動させることにより研磨対象の研磨を行うものである。

研磨定盤は、研磨対象よりも軟質の材料により構成されていることが望ましく、例えば研磨対象がダイヤモンドからなる工具である場合には、研磨定盤は厚み１ｍｍ以下、直径２０ｍｍ〜４０ｍｍの円形状の石英板とする。また、紫外光は１７０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長であるが、研磨対象のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを持つ波長、または研磨対象の光吸収帯と同じ波長域を持つ波長を有するものが好ましく、例えば研磨対象がダイヤモンド工具である場合には、そのバンドギャップエネルギー（５．４ｅＶ）に相当する波長２２０ｎｍ付近の紫外光とする。

また、本発明の研磨方法では、研磨対象の所望の形状と研磨中の現形状との差をモニタリングし、差の大きな部位では研磨定盤による研磨度合いを差の小さな部位よりも大きくすることが望ましい。具体的には、差の大きな部位では研磨定盤の停滞時間を長くするか、あるいは研磨定盤の回転速度を速くすればよい。

本発明の研磨装置は、研磨対象を保持する保持機構と、研磨対象との接触圧により研磨面が撓み可能な板状の研磨定盤と、研磨定盤を研磨面内において回転可能に支持する回転軸を有すると共に、研磨定盤を研磨対象の被研磨面に応じて相対的に変位可能な研磨定盤駆動手段と、研磨対象の被研磨面に紫外光を照射する紫外光照射手段とを備えたものである。

本発明の研磨方法および研磨装置では、研磨対象の被研磨面に紫外光が照射されると共に、研磨定盤が回転しながら研磨対象の被研磨面に接触し、その被研磨面の形状に沿って移動して研磨を行う。このとき紫外光の照射により被研磨面が活性化して酸化膜が形成され、この酸化膜が研磨定盤との相互摩擦により除去されることにより研磨が進行する。特に、被研磨面が曲面形状の場合には、それに倣って研磨定盤がたわみつつ、所定の幅の面接触状態で研磨が行われる。

本発明の研磨装置では、研磨定盤駆動手段を、研磨定盤を旋回させる機能、および研磨定盤の回転速度を研磨部位に応じて変更可能な機能を有するものとし、また、保持機構が研磨対象の姿勢角度を調整可能な機能を有するものとすることが望ましい。

本発明の研磨方法または研磨装置によれば、研磨定盤を、研磨対象との接触圧により研磨面が撓み可能な板状のものとし、この研摩定盤を研磨対象の被研磨面に接触させると共に面内において回転させ、かつ研磨対象の被研磨面に紫外光を照射しつつ研磨を行うようにしたので、サブサーフェスダメージを残すことなく極めて平滑に研磨し、被研磨面でのチッピングの発生を抑制することができると共に、例えばダイヤモンドバイトの逃げ面のような曲面形状に対しても高精度の研磨が可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る研磨方法に用いる研磨装置１の要部構成を表したものである。この研磨装置１は、研磨定盤１０および紫外光源ランプ１１を備えており、研磨対象、例えばダイヤモンドバイト２０の被研磨面（逃げ面２０ａおよび掬い面２０ｂ）に対して研磨を行うものである。

研磨定盤１０は、ダイヤモンドバイト２０よりも軟質であって、その接触圧により研磨面が変形可能、特に、ダイヤモンドバイト２０の曲面部分（逃げ面２０ａ）の研磨に際しては、その曲面部分に所定の幅で面接触しうる程度の柔軟性を有するものであり、具体的には例えば石英板（ＳｉＯ₂ ）により構成される。この石英板は、例えば０．０１ＭＰａ／ｍｍ〜１ＭＰａ／ｍｍ程度の撓み剛性を有するものであり、例えば直径２０〜４０ｍｍの大きさの円盤状で、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下の厚みを有する。

このような厚みおよび大きさを有することにより、本実施の形態では、研磨定盤１０が柔軟性を示し、特にダイヤモンドバイト２０の曲面（逃げ面２０ａ）においては適度な接触圧をもって高精度に研磨することが可能になる。また、この研磨定盤１０は、石英板により構成されているため、紫外光Ｌに対する透明性を有し、裏面からの紫外線を透過できるようになっている。この研磨定盤１０は、その中心位置に取り付けられたスピンドル１２によって面内で回転可能となっている。スピンドル１２としては、例えば軽負荷用の最大５０，０００ｒｐｍの性能を有するものを用いることができる。また、このスピンドル１２は図２に示したようにスピンドル自動旋回機構１３に取り付けられており、研磨定盤１０を旋回させることができると共に、その旋回角度に応じて回転速度も調整可能となっている。

紫外光源ランプ１１は、研磨定盤１０およびダイヤモンドバイト２０の近傍位置に配置されており、ダイヤモンドバイト２０の被研磨面（逃げ面２０ａおよび掬い面２０ｂ）に対して紫外光Ｌを照射するものである。紫外光Ｌは、例えば波長１７０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、好ましくは、ダンヤモンドのバンドギャップエネルギー（５．４ｅＶ）に相当する波長２２０ｎｍ付近のものである。なお、紫外光Ｌがダイヤモンドバイト２０の被研磨面の全面に対して照射されるように、紫外光源ランプ１１の位置および出射する紫外光Ｌの角度および光束を調節することが望ましい。

なお、紫外光源ランプ１１の配置は研磨定盤１０の裏面側としてもよく、また、紫外光Ｌの照射はランプに限らずレーザによってもよい。レーザとした場合には、研磨定盤１０の裏面側からダイヤモンドバイト２０の被研磨面に対して直接に紫外光を照射することができる。

ダイヤモンドバイト２０は図２に示したように、バイト保持機構２１により保持されており、被研摩面の角度および煽りの調整が可能となっている。バイト保持機構２１としては例えばダイヤモンド宝石のブリリアンカット用の機構を用いることができる。

本実施の形態に係る研磨装置１では、研磨定盤１０の研摩面をダイヤモンドバイト２０の被研磨面（逃げ面２０ａ，掬い面２０ｂ）に所定の圧力で押し付けた状態で、紫外光源ランプ１１より紫外光Ｌを照射しつつ研摩を行う。ここで、ダイヤモンドバイト２０の被研摩面の位置，角度はバイト保持機構２１によって、一方、研磨定盤１０の回転速度、位置，旋回角度はスピンドル自動旋回機構１３によってそれぞれ相対的に調整され、これにより逃げ面２０ａおよび掬い面２０ｂが精度よく研磨される。

本実施の形態では、ダイヤモンドバイト２０はバイト保持機構２１によって正確な位置と姿勢にしっかりと固定されているため、研磨定盤１０に撓みを与えた状態で、スピンドル１１をダイヤモンドバイト２０の先端の曲面に沿って運動させることによって、曲面を精度よく研磨することができる。

本実施の形態では、また、ダイヤモンドバイト２０に対してそのバンドギャップエネルギーに相当する波長の紫外光が照射されることにより、被研磨面ではダイヤモンドが励起され、化学的に活性化される。すなわち、被研磨面では電子−正孔対によって水酸基ラジカルや酸素ラジカルが生成されて、酸化膜が形成される。この酸化膜が、研磨定盤１０により摩擦エネルギーが与えられることによって、一酸化炭素（ＣＯ）あるいは二酸化炭素（ＣＯ₂ ）として除去されて研磨が進行する。このような研磨によってダイヤモンドバイト２０の被研磨面の表面粗さはＲａで０．３ｎｍ以下となり、完全にスクラッチがなく、残留歪みもなくなる。

ここで、ダイヤモンドバイト２０の曲面（逃げ面２０ａ）を研摩する位置では、その曲面と研磨定盤１０との接触部は僅かな幅を有する面接触となり、これにより研磨精度が維持される。よって、本実施の形態では、ダイヤモンドバイト２０の目標とする曲面形状に対する、研磨中の現形状との差を検知し、差の大きな部位では研磨定盤１０を長時間停滞させ、差の小さな部位に対してより多く研磨を進行させることにより、次第に所望の形状に近づくような研磨を行うことが望ましい。なお、差の大きな部位では研磨定盤１０の回転速度を相対的に大きくして研摩を進行させるようにしてもよい。また、平坦な掬い面２０ｂを研磨する場合には、研磨定盤１０を掬い面２０ｂに対して平行に設定して研磨すればよい。

このように本実施の形態に係る研磨装置１では、研磨対象（ダイヤモンドバイト２０）を機械的な作用のみでなく、紫外線の照射によって化学的に反応を起こさせると共に、その反応生成物をダイヤモンドよりも軟質の石英からなる研磨定盤１０の摩擦作用によって除去するようにしたので、被研磨面にスクラッチや残留歪みが生ずることはなく、ダイヤモンドバイト２０のエッジ部分にチッピングや残留歪みがなく、使用寿命を長くすることができる。

更に、紫外光を照射しながら研磨するようにしたので、従来では機械的な研磨が不可能とされていた単結晶（１１１）面も他の結晶面と同様に研磨することが可能になり、掬い面２０ｂなど切削時に磨耗変形しやすい面にダイヤモンド（１１１）面を設定した新しいタイプのバイトも製作が可能であり、超精密、超寿命バイトの研磨が可能となる。

また、研磨定盤１０はダイヤモンドよりも軟質の石英で構成すると共に、その石英板の厚みを薄くするようにしたので、定盤全体が可撓性を有するものであり、ダイヤモンドバイト２０をバイト保持機構２１により正確な位置と姿勢にしっかりと固定し、研磨定盤１０をダイヤモンドバイト２０の被研磨面に接触させ、撓みを与えた状態で、その回転軸（スピンドル１１）をダイヤモンドバイト２０の先端の曲面に沿って運動させることによって、曲面を所定幅の面接触状態で精度よく研磨することができる。

また、本実施の形態では、研磨定盤１０を小径の薄い石英板により構成したので、研磨中の形状も顕微鏡的に観察しながら研磨することができる。また、紫外光に対して透明な石英板であるため、研磨定盤１０を裏面から照射させることも可能でなり、よってダイヤモンドバイト２０の被研磨面に対して紫外光を効果的に照射しながら研磨することができる。

次に、図４を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る研磨装置２は、上述の石英薄板からなる研磨定盤１０を例えばアルミニウム製の保持円盤３１により保持する構造としたものである。保持円盤３１は、その表面側に中央凸部３１Ａおよびリング状の周縁凸部３１Ｂを有し、これら中央凸部３１Ａおよび周縁凸部３１Ｂによって石英薄板からなる研磨定盤１０を保持するようになっている。保持は例えば接着剤により行われる。スピンドル１２はこの保持円盤３１の裏面中央部に取り付けられている。研磨時に生ずる研磨定盤１０のたわみは、中央凸部３１Ａおよび周縁凸部３１Ｂと研磨定盤１０とにより囲まれたキャビティ部３２によって吸収されるようになっている。保持円盤３１にはキャビティ部３２に対向してリング状の紫外光透過孔３３が設けられ、紫外光源ランプ１２からの紫外光はこの紫外光透過孔３３を通して、石英薄板の裏面側からダイヤモンドバイト２０の先端に照射されるようになっている。

本実施の形態では、石英薄板からなる研磨定盤１０を保持円盤３１によって撓み可能に保持するようにしているので、石英薄板に割れが生ずる虞がなくなる。その他の作用効果は上記実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。

なお、上記実施の形態では、研磨対象をダイヤモンドバイト２０としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ダイヤモンド単結晶としてもよく、他の材料、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの研磨に対しも用いることがでできる。また、研磨定盤１０とし、石英板を用いたが、研磨対象に対して軟質で全体として可撓性を有するものであれば、他の材質のものであってもよい。

本発明の第１実施の形態に係る研磨装置の概略構成を表す斜視図である。 図１の研磨装置の平面図である。 図１の研磨装置の側面図である。 本発明の第２実施の形態に係る研磨装置を表す側断面図である。 従来の研磨方法を説明するための斜視図である。

符号の説明

１…研磨装置、１０…研磨定盤、１１…紫外光源ランプ、１２…スピンドル、１３…スピンドル自動旋回機構、２１…バイト保持機構、２０…ダイヤモンドバイト、２０ａ…逃げ面、２０ｂ…掬い面、３１…保持円盤

Claims (10)

1. 研磨対象との接触圧により研磨面が撓み可能な板状の研磨定盤を、前記研磨対象の被研磨面に接触させると共に面内において回転させ、かつ、
   前記研磨対象の被研磨面に紫外光を照射しつつ、前記研磨定盤を前記研磨対象の被研磨面の形状に沿って移動させることにより前記研磨対象の研磨を行う
   ことを特徴とする研磨方法。
2. 前記研磨定盤は、前記研磨対象よりも軟質の材料により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
3. 前記研磨定盤は、曲面部分を有する研磨対象の研磨に際し、前記研磨対象の曲面部分に所定の幅で面接触しうる柔軟性を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
4. 前記研磨対象はダイヤモンドからなる工具である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の研磨方法。
5. 前記紫外光は、前記研磨対象のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを持つ波長、または前記研磨対象の光吸収帯と同じ波長域を持つ波長を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の研磨方法。
6. 前記研磨対象の所望の形状と研磨中の現形状との差をモニタリングし、差の大きな部位では前記研磨定盤による研磨度合いを差の小さな部位よりも大きくする
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の研磨方法。
7. 研磨対象を保持する保持機構と、
   前記研磨対象との接触圧により研磨面が撓み可能な板状の研磨定盤と、
   前記研磨定盤を研磨面内において回転可能に支持する回転軸を有すると共に、前記研磨定盤を前記研磨対象の被研磨面に応じて相対的に変位可能な研磨定盤駆動手段と、
   前記研磨対象の被研磨面に紫外光を照射する紫外光照射手段と
   を備えたことを特徴とする研磨装置。
8. 前記研磨定盤駆動手段は、前記研磨定盤の旋回機能を有すると共に、前記研磨定盤の回転速度を研磨部位に応じて変更可能な機能を有する
   ことを特徴とする請求項７記載の研磨装置。
9. 前記保持機構は前記研磨対象の姿勢角度を調整可能な機能を有する
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の研磨装置。
10. 前記研磨定盤は、曲面部分を有する研磨対象の研磨に際し、前記研磨対象の曲面部分に所定の幅で面接触しうる柔軟性を有する
    ことを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の研磨装置。

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