JP2009028830A - 平面研磨方法及び平面研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ツールの剛性が十分に得られかつ砥石形状が安定し、砥石の摩耗が少なく、加工能率・研削精度が高く、安定生産できる凸曲面研削方法を提供する。
【解決手段】定盤１１上にフレーム１２にベルト巻き掛け装置１３を介し複数の研磨ヘッド１４を備え、複数の研磨ヘッド１４を並列に配列し、各研磨ヘッド１４を、独立して回転し、定盤１１上に位置決め載置された上面が平面に形成されたワークＷに独立して押圧しかつ研磨液を研磨位置へ供給し、全ての研磨ヘッド１４を巡回走行あるいは往復走行し、研磨ヘッド１４の走行方向両端での走行ターンをワークＷの両端にはみ出させ、さらに、全ての研磨ヘッド１４を前記ワークＷの一端より他端まで相対移動し、ワークＷを全面研磨する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば露光装置用ガラスプレ−トやフォトマスク基板等の大型の板状体のワ−クを平面研磨（ラッピング、ポリシング）するのに好適な平面研磨方法及び平面研磨装置に関する。

露光装置用ガラスプレ−トやフォトマスク基板等の板状体のワ−クが急速に大型化する中で、板状体のワ−クを平面研磨する装置は、小スペース化を実現しながら、高能率化・高精度化することが求められている。

従来、大型の板状体のワ−クを平面研磨する平面研磨装置には、例えば、金属製ターンテーブル上に、円板状石材を格子状に切断した砥石セグメントを敷き詰めた研磨加工具に対し、キャリアで保持したワ−クを押し付け、研磨加工具とワ−クを回転させてワ−ク表面を研磨する構成のものが開示されている（特許文献１参照）。
特開２００５−１７７９６１号公報

しかしながら、従来の研磨装置によれば、被加工面サイズの約３倍程度の直径のポリシャ面サイズが必要となる。そのため、被加工面サイズ拡大に伴い、装置サイズが大きくなり、また増産につれさらに広大な装置設置スペ−スが必要となってしまう。

また、従来の研磨装置によれば、常時ポリシャ面の平坦性を高精度に維持するためにコンディショナー工具等により、ポリシャ面を常時管理する必要があり、その分手間（高コスト）がかかったり、また加工精度誤差要因が増えることから、安定した加工精度を維持することに難しさがあった。

また、従来の研磨装置によれば、広範囲でポリシャ面と被加工面が接触するため、加工点における研磨剤流入バラツキにより磨耗分布にバラツキを与えてしまう。従来この点を打開すべく、大口径ポリシャ面に各種パタ−ンの溝を施すことや超音波を付加することで、研磨液を均一流入させる工夫が図られてきているものの、切りくず等排出との兼ね合いから均一な研磨液流入には課題が残っている。

また、従来の研磨装置によれば、被加工面精度はポリシャ面平坦性に依存する。そのため、ポリシャ面に変形が生じないよう、環境温度（室内・ポリシャ面内・研磨液等々）を高精度に制御したり、被加工面重量により生じるポリシャ変形をアクチュエータ等でキャンセルしたりと様々な工夫が取られている。しかしながら、ポリシャ面が大きいことから、制御精度に難しさがあり、未だそれによる加工精度への誤差関与は少なくはない。

また、従来の研磨装置によれば、ポリシャ面を被加工面に転写する加工原理をとっているものの、現実にはポリシャ面及び被加工面は回転運動を伴っていることから、各加工点で運動量に違いを生じ、被加工面誤差精度も一因となっている。従来、この点を解決すべく、被加工面を偏心揺動させることで、運動量差平均化を行い、加工精度向上を狙っているものの、完全ではなく、加工精度に影響を与えている。

そこで、この発明は、装置の設置面積の省スペ−ス化ができて、研磨ヘッドのポリシャ面を被加工面に倣わせることができ、磨耗分布のバラツキがなく高精度面を維持でき、高精度な温度管理を必要とせず、品質安定性が向上し、ポリシャ面のメンテナンスコスト低減になる、平面研磨方法及び平面研磨機を提供することを課題とする。

かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の研磨ヘッドを並列に配列し、各研磨ヘッドを、独立して回転し、定盤上に位置決め載置された上面が平面に形成されたワークに独立して押圧しかつ研磨液を研磨位置へ供給し、全ての研磨ヘッドを巡回走行あるいは往復走行し、前記研磨ヘッドを走行方向の両端において前記ワークの両端にはみ出して走行方向の反転を行い、さらに、全ての研磨ヘッドを前記ワークの一端より他端まで相対移動し、前記ワークを平面研磨する平面研磨方法としたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記複数の研磨ヘッドを長円状に配列し、全ての研磨ヘッドを長円状の配列で巡回走行し、前記研磨ヘッドを前記長円状配列の両端において前記ワークの両端にはみ出して半円ターンを行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、平板体のワークを位置決め載置する定盤と、前記定盤の上方に備えられ前記ワークの幅よりも大きいフレームとを備え、定盤とフレームの両方又は何れか一方が研磨時に移動して、前記フレームが前記ワークの一端外方から他端外方まで相対移動するように構成され、さらに、前記フレームより設けられ、無端ベルトがベルト幅方向を垂直にして前記定盤の上方で前記定盤と平行な平面内を長円状に走行するベルト巻き掛け装置と、前記無端ベルトに沿って環状に配列され前記無端ベルトの両側の巻き掛けターン位置で前記ワークの走行方向両端よりはみ出すように配列される複数の研磨ヘッドと、前記各研磨ヘッドを回転可能・昇降可能に支持して前記無端ベルトに固定する研磨ヘッド支持手段と、前記各研磨ヘッドを回転する回転手段と、前記各研磨ヘッドの下端面を前記ワークに押圧させる押圧駆動手段と、前記走行フレームより設けられた研磨液供給パイプを有し該研磨液供給パイプより研磨液を前記研磨ヘッドの研磨位置へ供給する研磨液供給手段と、及び、前記ワークを平面研磨するように、前記回転手段と前記押圧駆動手段と前記ベルト巻き掛け装置と、及び前記定盤又は前記フレームを駆動制御する制御装置と、を備えた平面研磨装置としたことを特徴とする。

本発明によれば、長円状に配列された小径の複数の研磨ヘッドに独立した回転と長円状に配列の巡回を与え、研磨ヘッドを被加工面に押圧するワークの一端から他端まで全面を平面研磨するので、装置の設置面積の省スペ−ス化が実現でき、研磨ヘッドの研磨面は被加工面に倣った加工が進められ磨耗分布のバラツキもなくなり高精度面を維持でき、高精度な温度管理を要せず、品質安定性向上につながり、研磨ヘッドの研磨面のメンテナンスコストを低減できる。

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。

〔実施の形態１〕

図１に示すこの実施の形態１の平面研磨機の斜視図を示す。図２は、要部側面図を示す。まず構成を説明すると、平面研磨機１０は、平板体のワークＷを載置する定盤１１と、ワークＷを跨いで定盤１１上を移動するフレーム１２と、フレーム１２の桁部下面に設けられたベルト巻き掛け装置１３と、無端ベルト１３ａに沿って環状に配列される複数の研磨ヘッド１４と、各研磨ヘッド１４を回転可能・昇降可能に支持して無端ベルト１３ａに固定する研磨ヘッド支持手段１５と、各研磨ヘッド１４を回転する回転駆動手段１６と、各研磨ヘッド１４の下端面をワークＷに押圧させる押圧駆動手段１７と、研磨液供給手段１８と、及び制御装置１９とを備え、複数の小径の研磨ヘッド１４を独立して回転し、定盤１１上のワークＷに独立して押圧し、研磨液を供給し、全ての研磨ヘッド１４を長円状の配列位置を巡回走行させ、ワークＷの一端より他端まで相対移動し、ワークＷを全面研磨するものである。以下、さらに詳述する。

ワークＷは、例えば、露光装置用ガラスプレ−トや鉄プレ−ト、セラミックプレ−ト、ＫＮｂＯ３光学結晶、フォトマスク基板等を対象とし、そして、一辺の寸法が、例えば、１０００ｍｍ〜３５００ｍｍ大型矩形の板状体を対象としている。

定盤１１は、平板体のワークＷの４辺を４つの帯板状のワークやとい２０で取り囲み、位置決め載置するようになっている。ワークやとい２０の上面は、平板体のワークＷの上面よりも低くなっていて、ワークやとい２０の上面には研磨が行われないようになっている。

フレーム１２は、定盤１１の上面の幅方向両端に立ち上がる両側の柱部１２ａ、１２ｂと、柱部１２ａ、１２ｂの上端同士を繋いでいる桁部１２ｃとから門型に形成されてなる。一方の柱部１２ａの下端にリニアモータ２１を備え、該リニアモータ２１が定盤１１上に敷設されたリニアガイドレール２２に係合され、他方の柱部１２ｂの下端にリニアスライド２３を備え、該リニアスライド２３が定盤１１上に敷設されたリニアガイド２４に係合されている。

ベルト巻き掛け装置１３は、フレーム１２の桁部１２ｃの下面の柱部１２ａ寄りの端部及び柱部１２ｂ寄りの端部に設けられた一対のベルト巻掛輪（タイミング歯車を使用：図示しない）と、該一対のベルト巻掛輪の巻き掛けられた無端ベルト（タイミングベルトを使用）１３ａと、桁部１２ｃの上面に備えられ一方のタイミング歯車を回転駆動するモータ１３ｂとを有し、該モータ１３ｂの駆動により、無端ベルト１３ａが、ベルト幅方向を垂直にして定盤１１と平行な平面内を柱部１２ａ、１２ｂの側で半円ターンする長円状に走行するように構成されている。

研磨ヘッド１４は、無端ベルト１３ａに沿って環状に配列され前記無端ベルト１３ａの両側の巻き掛けターン位置で前記ワークＷの走行方向両端よりはみ出すように配列される。研磨ヘッド１４は、砥石研磨、ラッピング研磨、ポリシングの種類に応じて交換可能に備えられる。すなわち、本発明は、砥石研磨、ラッピング研磨、ポリシングの何れにも適用される。ポリシングの場合は鏡面研磨用の柔らかい研磨布やポリウレタンパッドを用いることで、表面平滑性を極限まで求めることができる。

研磨ヘッド支持手段１５は、研磨ヘッド１４を支持するキャリア１５ａと、キャリア１５ａのボス部を支持する回転軸１５ｂと、回転軸１５ｂを支持する軸受ボックス１５ｃと、軸受ボックス１５ｃを支持する昇降ベース１５ｄと、昇降ベース１５ｄをクロスローラガイド１５ｅを介して昇降自在に支持するセグメントプレート１５ｆとを備えてなる。

回転駆動手段１６には、モータ或いはエアタービンが用いられる。各回転駆動源１６は、軸受ボックス１５ｃの上端に備えられ回転軸１５ｂを回転駆動する。

回転駆動源１６への給電は、例えば、無端ベルト１３ａの上端の外周面と内周面に一対の無端の可撓性導電帯条（図示しない）を備え、一方の可撓性導電帯条に摺接するプラス電極（図示しない）と、他方の可撓性導電帯条に摺接するプラス電極（図示しない）とを備え、一対の可撓性導電帯条から各回転駆動源１５ｄへ給電を接続することで達成されている。

押圧駆動手段１７には、この実施の形態では、エアシリンダ装置が用いられている。各エアシリンダ装置１７は、セグメントプレート１５ｆの上部にシリンダを固定されピストンヘッドを昇降ベース１５ｇに連結されている。キャリア１５ａのボス部には研磨ヘッド１４をワークＷに押圧すると圧縮される圧縮コイルばね１５ｇが設けられていて、押圧駆動手段１７と連動している。

各エアシリンダ装置１７への高圧空気の補給手段は、巡回方式で行うと大がかりになるので、例えば、各エアシリンダ装置毎に補助空気タンク（図示しない）を備え、補助空気タンクからエアシリンダ装置１５ｈへの高圧空気の補給することで達成されている。高圧空気供給管の中途には電磁切替四方弁が設けられる。さらに、補助空気タンクへの高圧空気の補給手段は、研磨巡回を停止して所定位置にくる各補助空気タンクに対して、フレーム１２の桁部１２ｃに備えたヘッダー（図示しない）から複数に延びる各高圧空気補給ノズル（図示しない）が移動されてドッキングして高圧空気を補給するように構成され、ヘッダーには、定盤１１に振動を与えない位置に設置される高圧空気供給源（エアコンプレッサ）からフレキシブルホースを介して高圧空気を補給するように構成されているものとする。

研磨液供給手段１８は、装置側方に設置される研磨液貯留タンク（図示しない）と、フレーム１２の桁部１２ｃの上に備えられ前記研磨液貯留タンクから循環ポンプで研磨液を供給される研磨液貯留ヘッダー（図示しない）と、前記研磨液貯留ヘッダーより垂下して研磨位置へ延びて研磨液を前記研磨ヘッド１４の研磨位置へ供給する複数の研磨液供給管と、定盤１１より垂れ落ちる研磨液を回収する研磨液回収タンク（図示しない）と、研磨液回収タンク内の回収研磨液を濾過・再生する濾過再生器（図示しない）と、補給タンク（図示しない）とを備え、濾過再生器を通流する研磨液が研磨液貯留タンクに帰還すると共に、研磨液貯留タンク内の研磨液の液面が一定レベルに下がったときに研磨液の俸給を行う補給タンク（図示しない）とを備えている。図１では、複数の研磨液供給管のみを図示して符号１８を付けている。

研磨液は、砥石研磨、ラッピング研磨、ポリシングに応じて選択される。ポリシングは、遊離砥粒方式の研磨法であり、加工変質層の少ない鏡面仕上げを目的とし、ラッピングよりも微細な砥粒を用い、砥粒としては、ダイヤモンド、炭化珪素、アルミナなどの微粉のほかに、酸化珪素、酸化セリウム、ジルコニア、酸化クロムなどの親水性の酸化物系砥粒を用いることができる。ガラス研磨においては酸化セリウム質研磨材、酸化ジルコニウム研磨材を用いることができる。化学的作用を付加することにより効率的で高い鏡面性を得る目的で、化学成分を混合したスラリを用いて、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を実現し平坦化（Planarization）を実現できる。

制御装置１９は、各研磨ヘッド１４が、独立して回転し、ワークＷに独立して押圧し、長円状の配列位置を巡回移動し、両側の走行ターンがワークＷの走行方向両側にはみ出し、さらに、ワークＷの一端より他端まで移動することにより、ワークＷの全面を平面研磨するように、回転手段１６と押圧駆動手段１７とベルト巻き掛け装置１３と、及び定盤１１又はフレーム１２を駆動制御するように構成されている。

フレーム１２は、研磨時にリニアモータ２１により定盤１１上のワークＷよりも上流位置から下流側へはみ出した位置まで往動される。さらに、フレーム１２は、研磨終了後、研磨終了したワークＷが搬送され次のワークＷが定盤１１上に新しく位置決めされる行程のときに該定盤１１上を元位置まで復動する。

以上のように構成された平面研磨機によれば、定盤１１に平面状のワークＷを位置決め載置し、制御装置１９の制御により、無端ベルト１３ａに支持され長円状に環状配列された複数の研磨ヘッド１４を、独立して回転し、ワークＷに独立して押圧し、ベルト巻き掛け装置１３の無端ベルト１３ａを走行し、全ての研磨ヘッド１４を長円状の配列で巡回走行し、研磨ヘッド１４を長円状配列の両端においてワークＷの両端にはみ出して半円ターンを行い、研磨液供給パイプ１８より研磨液を研磨ヘッド１４の研磨位置へ供給し、定盤１１に備えられたフレーム１２をライン方向に移動することができて、ワークＷを全面研磨することができる。

本実施の形態によれば、ワークは研磨時には移動させず、長円状の配列でワークよりはみ出す複数の小径の研磨ヘッドが独立して回転しワークに押圧しつつ長円状の配列で巡回移動し、さらに長円状の配列に直交する方向に、直進スキャンしていくことで、全面の研磨を完了させる。このようにワークの被加工面が回転しないこと、また被加工面サイズの数倍の大きな研磨ヘッドを必要としないことから、装置サイズをワークサイズよりも僅かに大きくすればたり、同一生産数からみた必要装置設置スペ−スの省スペ−ス化が実現できる。

本実施の形態によれば、小径の研磨ヘッドを交換することのみで、高精度面を維持できることとなり、品質安定性向上につながる。また、研磨ヘッド１４の研磨面のメンテナンスコスト低減にもつながる。

本実施の形態によれば、独立自転する小径の研磨ヘッドを配列していることから、各研磨ヘッド間で研磨液の流入・流出はスム−ズであり、滞りなく切りくずの排出も行われる。これにより、各加工点での研磨砥粒の関与は同一となり、磨耗分布のバラツキもなくなることから、常時高精度な面を提供することが可能となる。

本実施の形態によれば、ワークの被加工面を下部、また複数の研磨ヘッドを上部配置としており、各研磨ヘッドの被加工面への押圧はエアシリンダーの空圧で行うので、ワークの被加工面に無理な変形等を生じることなく、各研磨ヘッドの研磨面は被加工面に倣った加工が進められ、各研磨ヘッドとワークの被加工面との相対位置関係における加工精度への影響はなく、また、研磨液の循環もスム−ズなことから、加工点での発熱による温度変化もなく、高精度な温度管理を要せず、高精度加工面を供給することができる。

本実施の形態によれば、ワークが回転運動を伴わないことから、複数の研磨ヘッドの巡回移動速度とフレームの移動速度との直交する二方向速度のみを管理することで、容易に各加工点での運動量差を同じにすることが可能となり、運動量差による各加工点での磨耗量を同一にでき、高精度面を提供することが可能となる。

本発明は、上記一実施の形態に限られるものではなく、その趣旨と技術思想の範囲を逸脱しない範囲でさらに種々の変形が可能である。

ワークの供給・搬出を自動で行うために、定盤は、ワークの供給ラインと搬出ラインの間に設置され（図示しない）、そして、ワークやといは、ワークの供給ラインと搬出ラインに設けられるワークやといと連続して、供給ラインからステップ送りされてくるワークを固定し、研磨終了後に搬出ラインへ搬出される構成であることが好ましい。

フレームが固定され、定盤が移動するか、又はワークを搬送する機能を備えていても良い。平板体のワークを位置決め載置する定盤と該定盤の上方に備えられた前記ワークの幅よりも大きいフレームとの少なくとも何れか一方が研磨時に移動することにより、フレームがワークの一端より他端まで相対移動するように構成されていれば足りる。

定盤の上方に備えられるフレームは、定盤に載置され走行するタイプではなくて、天井走行する構成でも良い。

ワークを搬送する機能を備えている定盤としては、例えば、ワークを無数の細孔から吹き出しエアによりスライド容易であり、供給ラインからステップ送りされる次のワークによって押されて搬出ラインへ搬出される構成としても良い。あるいは、コンベアベルトに吸引機能を有するベルトコンベア装置の如く構成されても良い。すなわち、定盤とフレームとを備え、定盤もしくは定盤に載置したワークと、フレームのうち、少なくとも何れか一方が研磨時に移動することにより、フレームに備えた研磨ヘッドがワークの一端より他端まで相対移動する構成であれば良い。

研磨ヘッドは、遊星歯車装置を介して取り付けて、自転と公転をするようにしても良い。

本発明の実施の形態１に係る平面研磨装置の斜視図 図１に示す平面研磨装置の要部側面図 図１に示す平面研磨装置の平面図

符号の説明

Ｗ…ワーク
１１…定盤
１２…フレーム
１３…ベルト巻き掛け装置
１３ａ…無端ベルト
１４…研磨ヘッド
１５…研磨ヘッド支持手段
１６…回転手段
１７…押圧駆動手段
１８…研磨液供給パイプ（研磨液供給手段）

Claims (3)

1. 複数の研磨ヘッドを並列に配列し、各研磨ヘッドを、独立して回転し、定盤上に位置決め載置された上面が平面に形成されたワークに独立して押圧しかつ研磨液を研磨位置へ供給し、全ての研磨ヘッドを巡回走行あるいは往復走行し、前記研磨ヘッドを走行方向の両端において前記ワークの両端にはみ出して走行方向の反転を行い、さらに、全ての研磨ヘッドを前記ワークの一端より他端まで相対移動し、前記ワークを平面研磨することを特徴とする平面研磨方法。
2. サブクレーム記載に直しました。要約も修正済みです。
   前記複数の研磨ヘッドを長円状に配列し、全ての研磨ヘッドを長円状の配列で巡回走行し、前記研磨ヘッドを前記長円状配列の両端において前記ワークの両端にはみ出して半円ターンを行うことを特徴とする請求項１に記載の平面研磨方法。
3. 平板体のワークを位置決め載置する定盤と、
   前記定盤の上方に備えられ前記ワークの幅よりも大きいフレームとを備え、
   定盤とフレームの両方又は何れか一方が研磨時に移動して、前記フレームが前記ワークの一端外方から他端外方まで相対移動するように構成され、
   さらに、前記フレームより設けられ、無端ベルトがベルト幅方向を垂直にして前記定盤の上方で前記定盤と平行な平面内を長円状に走行するベルト巻き掛け装置と、
   前記無端ベルトに沿って環状に配列され前記無端ベルトの両側の巻き掛けターン位置で前記ワークの走行方向両端よりはみ出すように配列される複数の研磨ヘッドと、
   前記各研磨ヘッドを回転可能・昇降可能に支持して前記無端ベルトに固定する研磨ヘッド支持手段と、
   前記各研磨ヘッドを回転する回転手段と、
   前記各研磨ヘッドの下端面を前記ワークに押圧させる押圧駆動手段と、
   前記走行フレームより設けられた研磨液供給パイプを有し該研磨液供給パイプより研磨液を前記研磨ヘッドの研磨位置へ供給する研磨液供給手段と、
   及び、前記ワークを平面研磨するように、前記回転手段と前記押圧駆動手段と前記ベルト巻き掛け装置と、及び前記定盤又は前記フレームを駆動制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする平面研磨装置。

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