JP2009226575A - 研磨具および研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被研磨物を高精度且つ高速で研磨できる研磨具及び研磨装置を提供する。
【解決手段】 研磨装置１０は、上側表面に研磨対象物１１を支持する支持テーブル１２、支持テーブル１２の上方に、支持テーブル１２に対して垂直に配置された回転軸１３ａ、そして回転軸１３ａの下端部に支持テーブル１２と平行に接続されている、電源１４に電気的に接続する環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃを固定した砥石保持部材２８と、砥石保持部材２８の周縁部の下端に備えられた環状の砥石２９とを含む研磨具３３などから構成されている。この研磨装置は、砥石保持部材２８の外周部の溝３０ａと内周部の溝３０ｂがあり、その溝３０ａと３０ｂはほぼ等しい深さＴ１、Ｔ２を持つ。溝の無い部分Ｓの中心を振動の節円３２とする溝３０ａ、３０ｂから下部の径方向の振動をさせることに特徴がある。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガラス、シリコンなどから形成された研磨対象物の表面の研磨に有利に用いることができる研磨具および研磨装置に関する。

従来より、薄膜型電子デバイスを形成するために、ガラス基板、シリコン基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、アルミナ−ＴｉＣ基板などの各種の基板が用いられている。これらの基板の表面は、研磨装置を用いて平滑に研磨される。また、レンズやプリズムなどの光学部品にも、その表面を平滑に研磨することが必要とされる場合がある。研磨装置は、このような各種の研磨対象物の表面を研磨したり、あるいは研磨対象物をその表面の研磨を繰り返して所定の厚みに加工するために用いられる。

図１は、特許文献１に記載の研磨装置が備える研磨具の構成例を示す平面図であり、そして図２は、図１に記入した切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した研磨具１の断面図である。

図１および図２に示す研磨具１は、回転駆動装置（例、モータ）の回転軸に接続される接続板２、接続板２の周囲に複数の連結部３ａとスペース部３ｂとからなる連結手段３を介して連結されている環状弾性体４、環状弾性体４に環状に配置された状態で固定されている超音波振動子５および環状弾性体４の周縁部の下端に備えられた環状の砥石６から構成されている。この研磨具１の接続板２は、円盤状の取り付け部材を介して回転軸に固定される。接続板２が備える合計で４個のねじ孔７の各々には、接続板２を前記の取り付け部材に取付けるためのボルトが挿入される。

この研磨具を備える研磨装置では、回転軸を駆動して研磨具１を回転させ、そして各々の超音波振動子５から発生される超音波振動を環状弾性体４を介して砥石６に付与しながら、この砥石６の下面を加工対象物の表面に接触させることにより、加工対象物の表面の研磨が行なわれる。

研磨具１の環状弾性体４の前記連結部３ａと連結部３ａとの間の部分は、連結部３ａと接続いている部位よりも大きく超音波振動し易い。このため、各々の超音波振動子５から発生される超音波振動は、連結部３ａそして接続板２を介して回転軸には伝わり難く、その大部分が砥石６に付与される。このように砥石６に超音波振動が効率よく付与されると砥石６が大きな振幅で超音波振動して砥石と研磨対象物との摩擦抵抗が低減されるため、不要な機械振動の発生が抑制される。このため同文献の研磨具を用いることにより、研磨対象物を高い精度で研磨することができる。
国際公開第０６／１３７４５３号パンフレット

上記特許文献１の研磨具を用いることにより、研磨対象物を高い精度で研磨することができる。しかしながら超音波振動子から発生される超音波振動の一部分が、連結手段の連結部、そして接続板などを通して回転軸へ伝わり、僅かではあるが超音波振動のエネルギーの損失を生じる。

また、研磨具１の環状弾性体４の直径が０．１ｍを超えるような大きなサイズになると１５ＫＨｚ以上の超音波領域で振動を与えることは非常に困難である。このような１５ＫＨｚより低い振動では騒音が問題になる。

本発明の課題は、超音波振動領域の１５ＫＨｚ以上の駆動周波数で、超音波振動子から発生される超音波振動を砥石に効率良く付与することができる研磨具および研磨装置を提供することにある。

本発明は、電源に電気的に接続する環状超音波振動子を固定した砥石保持部材と該砥石保持部材の周縁部の下端に備えられた環状の砥石とを備えた研磨具であって、砥石保持部材の外周部と内周部に溝を設け、砥石保持部材の下面または溝の砥石側に環状超音波振動子を接合するものである。

本発明はまた、前記超音波振動子の分極方向が厚さ方向である研磨具とするものである。

本発明はまた、前記の研磨具を使用する研磨装置とするものである。

本発明の研磨具および研磨装置は、研磨速度および研磨面精度を高めることができる。

本発明の研磨具および研磨装置はまた、砥石の消耗が大きく減少するため、省資源、及び製造コストの低減に役立つ。

本発明の研磨装置を添付の図面を用いて説明する。図３は、本発明の研磨装置の構成例を示す正面図である。図４は、図３に示す研磨具４０を研磨具３３に接続する回転軸１３ａを図に記入した切断線Ｂ−Ｂ線に沿って切断した研磨具３３の拡大断面図である。さらに図５は図４に記入した切断線Ｃ−Ｃ線に沿って切断した切断図である。

図３〜図５に示すように、本発明の研磨装置１０は、上側表面に研磨対象物１１を支持する支持テーブル１２、支持テーブル１２の上方に、支持テーブル１２に対して垂直に配置された回転軸１３ａ、そして回転軸１３ａの下端部に支持テーブル１２と平行に接続されている、電源１４に電気的に接続する環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃを固定した砥石保持部材２８と、砥石保持部材２８の周縁部の下端に備えられた環状の砥石２９とを含む研磨具〈本発明の研磨具〉３３などから構成されている。この研磨装置は、砥石保持部材２８の外周部の溝３０ａと内周部の溝３０ｂがあり、その溝３０ａと３０ｂはほぼ等しい深さＴ１、Ｔ２を持つ。溝の無い部分Ｓの中心を振動の節円３２とする溝３０ａ、３０ｂから下部の径方向の振動をさせることに特徴がある。

ここでさらに本発明に用いる振動モードについて説明する。図７は、図６に示す砥石保持部材２８を図に記入した切断線Ｄ−Ｄ線に沿って切断した断面図である。溝３０ａ、３０ｂは砥石保持部材２８の下面と平行に設けられる。そして外周部溝３０ａと内周部溝３０ｂの位置は砥石保持部材２８の下面からの高さは同じである。そして超音波振動子２７ａを砥石保持部材２８の下面あるいは超音波振動子２７ｂを外周部溝３０ａと超音波振動子２７ｃを内周部溝３０ｂの砥石保持部材２８の下面側に接合する。さらに砥石保持部材２８の上面を回転軸のフランジに固定保持する。図では超音波振動子２７を砥石保持部材２８の下面、外周部溝３０ａそして内周部溝３０ｂに設けたが、場合によってはこの中の１つ、または２つでよい。

そして溝のない部分Ｓは、幅Ｗの５分の１以上そして２分の１以下の長さである必要がある。溝のない部分Ｓが、幅Ｗの２分の１以上であると溝のない部分Ｓの中心を節円３２とした伸縮振動を効率よく励起できない。また、幅Ｗの５分の１以下であると、構造的に弱くなってしまって破損の虞がある。

ここで超音波振動子に図の矢印方向に振動する振動モードの固有振動数の電圧を印加すると、溝のない部分の中心を節円３２とする伸縮振動をする。このような振動は砥石保持部材２８の上面には振動を伝達しないので、砥石２９に効率の良い振動を励起することができる。

支持テーブル１２は、基台１５に設置された回転駆動装置（例、モータ）１６の回転軸１６ａに支持されて回転可能とされている。支持テーブル１２は、例えばその表面にそって直線的に移動（往復運動）させることもできる。

支持テーブル１２の上方には、研磨対象物１１の上面に研削液（代表例、水）を供給するパイプ１８ａを備えた研削液供給装置１８が配置されている。研削液供給装置１８は、基台１５の上面に立設された支柱２１の上部に支持固定される。この支柱２１は、図３の紙面において支持テーブル１２の後方側に配置されている。なお、研削液は、公知の方法に従って、前記砥石保持部材の環状の砥石よりも内周側の位置に形成した透孔を介して研磨対象物の上面に供給することもできる。

研磨具３３は、回転駆動装置１３の回転軸１３ａに接続される。回転駆動装置１３は、送りねじのナット２３ｂに支持固定されている。そして回転駆動装置１７を駆動してねじ軸２３ａを回転させることにより、ナット２３ｂに支持された回転駆動装置１３を研磨具３３と共に昇降させることができる。また、前記のナット２３ｂは、基台１５の上面にねじ軸２３ａと平行に立設された支柱２２に備えられたベアリング２４に固定されている。このため、前記のようにねじ軸２３ａを回転させる際に、ナット２３ｂ、回転駆動装置１３及び研磨具３３が、ねじ軸２３ａを中心に回転することはない。

研磨具３３は、環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃを備える砥石保持部材２８、そして砥石保持部材２８の周縁部の下端に備えられた環状の砥石２９などから構成されている。

環状の砥石２９としては、例えば、ダイヤモンド砥粒に代表される砥粒を、金属ボンドやレジボンドで結着して環状に形成した砥石を用いることができる。通常、砥粒の平均粒径は０．１〜５０μｍの範囲に設定される。

なお、環状の砥石２９には、環状に並べて配置された複数個（例えば、２〜５０個）の砥石片の集合体も含まれる。このように、環状の砥石を複数個の砥石片から構成すると、環状の砥石（直径０．１ｍ以上）の作成が容易になる。また、砥石への超音波振動の付与により、あるいは砥石と研磨対象物との摩擦により砥石内部に生じる応力が低減されるため、砥石の破損（例、クラックの発生）を防止することができる。

砥石保持部材２８は、例えば、アルミニウム、青銅、ステンレススチール、チタン合金、アルミニウム合金に代表される金属材料、あるいはセラミック材料などの超音波振動の伝達性に優れる材料から形成される。

砥石保持部材２８は、回転軸１３ａの先端に取り付けたフランジ１９の下面にボルト２０により固定される。

砥石保持部材２８の形状は、研磨具を安定に回転させるため、回転軸を中心として対称な形状に設定することが好ましい。例えば、砥石保持部材の保持部材の平面形状は、円形に限らず、多角形に設定することもできる。

砥石保持部材２８の環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの固定位置と回転軸１３ａとの接続位置との間には、空気相である環状の溝３０ａ、３０ｂが砥石保持部材２８の外側と内側に設けられている。なお外側と内側に設けられた溝３０ａ、３０ｂの位置は砥石保持部材２８の下面に対して平行で、かつ同じ高さの位置にある。溝３０ａ、３０ｂは、溝３０ａ、３０ｂより上の砥石保持部材２８への超音波振動を伝達されないようにしている。なお、溝３０ａ、３０ｂの中に空気を多く含む硬質発泡ポリウレタン樹脂を充填してもよい。この硬質発泡ポリウレタン樹脂により機械的剛性は高まる。また、環状超音波振動子の一対の電極層が、研磨の際に用いる研削液（代表例、水）を介して互いに電気的に短絡することを防止することができる。

環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々としては、例えば、環状の圧電体と、圧電体の上面及び下面の各々に付設された一対の電極層とから構成される環状の圧電振動子が用いられる。

圧電体の材料の代表例としては、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料が挙げられる。電極層４２の材料の例としては、銀、燐青銅などの金属材料が挙げられる。

環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々の圧電体は、その厚み方向に分極されている。

環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々は、例えば、エポキシ樹脂を用いて砥石保持部材２８に固定される。環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々の表面に、例えば、絶縁性の塗料を塗布することにより、環状超音波振動子の一対の電極層が、研磨の際に用いる研削液（代表例、水）を介して互いに電気的に短絡することを防止することができる。

なお環状超音波振動子には、環状に並べて配置された複数個（例えば、２〜３０個）の超音波振動子片の集合体も含まれる。このように環状超音波振動子を複数個の超音波振動子片から構成すると、環状の砥石の直径が大きい場合、すなわち砥石保持部材のサイズが大きい場合に、これに対応する大きな直径の環状超音波振動子を複数個の超音波振動子片を用いて容易に構成することができる。

研磨装置１０が備えるロータリートランス２５は、研磨対象物１１を研磨する際に研磨具３３と共に回転する環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々に電源１４の電気エネルギーを供給するために用いられる。

ロータリートランス２５は、電力供給ユニット２５ａと電力受容ユニット２５ｂとが互いに僅かに間隔をあけて近接配置された構成を有している。電力供給ユニット２５ａ及び電力受容ユニット２５ｂは、それぞれ円環状の形状である。電力供給ユニット２５ａはロータリートランス用支柱３１に固定されている。電力受容ユニット２５ｂは、回転軸１３ａの頂部に回転自在に保持される。

電力供給ユニット２５ａは、円環状のステータコア及びステータコイルから構成されている。そして電力受容ユニット２５ｂは、円環状のロータコア及びロータコイルから構成されている。ステータコア及びロータコアの各々は、例えば、フェライトなどの磁性材料から形成され、その周方向に沿って円環状の溝が形成されている。ステータコイル及びロータコイルの各々は、ステータコア及びロータコアの各々に形成された円環状の溝に沿って導線をコイル状に巻いたものである。

ステータコイルには、電気配線２６を介して電源１４が電気的に接続されている。そして、ロータコイルには、電気配線の各々を介して環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃが電気的に接続されている。なお、電気配線は、回転軸１３ａの中心軸を通る孔を通して環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃに電気的に接続されている。

このロータリートランス２５のステータコイルに、電源１４から発生される電気エネルギーを供給することにより、ステータコイルとロータコイルとが互いに磁気的に結合される。このため、ステータコイルに供給された電気エネルギーは、ロータコイル（すなわち電力受容ユニット２５ｂ）が回転軸１３ａと共に回転している場合であってもロータコイルに伝達する。したがって、電源１４から発生される電気エネルギーを、研磨対象物１１を研磨する際に回転軸１３ａと共に回転する研磨具３３の環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々に付与することができる。

そして環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々に（環状超音波振動子として用いる環状の圧電振動子の各々の電極層に）、電源１４から発生される電気エネルギー（例、交流電圧）を付与することにより発生した超音波振動は、砥石保持部材２８を介して環状の砥石２９に付与される。

前記ロータリートランスに代えて、例えば、スリップリングを用いることもできる。ロータリートランスは、互いに非接触に配置されている電力供給ユニットと電力受容ユニットを介して電気エネルギーを伝達するため、回転軸の回転数が３０万回転／分程度までは、回転軸と共に回転する研磨具の環状超音波振動子に安定に電力を供給できるという利点を有している。一方、スリップリングは、回転軸の回転数が５０００回転／分程度を超えると、回転する研磨具の環状超音波振動子に安定に電力を供給することが難しくなる。

研磨装置１０においては、例えば、下記の手順により加工対象物の研磨が行われる。

先ず、研磨対象物１１を、例えば、ホットメルト型仮接着剤を用いて鋼製の円盤型の保持具（図示しない）に仮固定する。そして、支持テーブル１２の上面に、前記の研磨対象物１１が仮固定された保持具を、例えば、電磁力を利用して固定する。

次に、回転駆動装置１６を作動させ、回転軸１６ａを支持テーブル１２と共に回転させる。そして、研削液供給装置１８のパイプ１８ａの先端から研削液を噴出させ、研磨対象物１１の表面に研削液を供給する。その一方、電源１４から発生させる電気エネルギーをロータリートランス２５を介して環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々に付与する。これにより環状超音波振動子２７ａ、２７ｂ、２７ｃの各々から発生される超音波振動は、砥石保持部材２８を介して環状の砥石２９に付与される。

続いて、回転駆動装置１３を作動させ、回転軸１３ａを研磨具３３と共に回転させ、次いで回転駆動装置１７を作動させ、研磨具３３を次第に下降させる。このような操作により、超音波振動が付与された環状の砥石２９の外周面の下端近傍の部位が、研磨対象物１１の側面上端近傍の部位に接触し、そして研磨対象物１１の表面（上面）の全体が研磨（研削）される。そして、研磨具３３を更に下降させながら、所定の厚みになるまで研磨対象物１１の研磨を続ける。

次に、研磨具３３の好ましい振動モードの固有振動数について説明する。研磨具のサイズが大きくなっても固有振動数が１５ＫＨｚ以上、１００ＫＨｚ以下の振動モードが望ましい。これは、１５ＫＨｚ以下では、騒音が発生するためである。また１００ＫＨｚ以上では、超音波振動の変位が振幅幅で３μｍ以上になるのが困難である。本発明者の実験では、超音波振動の変位は、振幅幅が３μｍ以上になると明確に加工負荷が小さくなる。更に好適には固有振動数が２０ＫＨｚ以上、８０ＫＨｚ以下が望ましい。これは固有振動数が２０ＫＨｚ以上になると騒音はほとんど聞こえない。また８０ＫＨｚ以下になると超音波振動の変位は、振幅幅が３μｍ以上にする電力を小さくできることにある。

また研磨具３３の好ましい振動モードは、砥石保持部材２８の外径と内径との平均半径を節円とする径方向に振動する振動モードである。このためには、砥石保持部材２８の外周と内周からほぼ同じ深さの溝Ｔ１、Ｔ２を入れることが不可欠である。この振動は、砥石保持部材２８の外径が大きくなっても、内径の大きさを調整することで、円環の幅Ｗを所望の大きさにすることで、所望の固有振動数に設定できる。さらに砥石保持部材２８の外径と内径との平均半径を節円３２にできるので円で支持固定できるので安定して固定できる。

そして溝のない部分Ｓは、幅Ｗの５分の１以上そして２分の１以下の長さである必要がある。溝のない部分Ｓが、幅Ｗの２分の１以上であると溝のない部分の中心を節とした伸縮振動を効率よく励起できない。また、幅Ｗの５分の１以下であると、構造的に弱くなってしまって破損の虞がある。

上記の説明では研磨面が回転軸に垂直である研磨装置および研磨砥石について述べたが、研磨面が回転軸と平行な研磨装置および研磨砥石にも適用できる。

本発明の研磨具及び研磨装置は、ガラス、シリコン、サファイア、ＳｉＣ、アルミナーＴｉＣ、希土類磁石材料および金属材料などの被研磨物を研磨することに用いられる。

従来の研磨装置が備える研磨具の構成を示す平面図である。 図１に記入した切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した研磨具１の断面図である。 本発明の研磨装置の構成例を示す正面図である。 図３に示す研磨具３３を、研磨具３３に接続する回転軸１３ａを図に記入したＢ−Ｂ線に沿って切断した状態を示す平面図である。 図４に記入した切断線Ｃ−Ｃ線に沿って切断した研磨具３３の断面図である。 本発明に用いた研磨具３３の振動モードを説明する平面図である。 図６に記入した切断線Ｄ−Ｄ線に沿って切断した研磨具３３の断面図である。

符号の説明

１ 研磨具
２ 接続板
３ 連結手段
３ａ 連結部
３ｂ スペース部
４ 環状弾性体
５ 超音波振動子
６ 砥石
７ ねじ孔
１０ 研磨装置
１１ 研磨対象物
１２ 支持テーブル
１３ 回転駆動装置
１３ａ回転軸
１４ 電源
１５ 基台
１６、１７回転駆動装置
１６ａ回転軸
１８ 研削液供給装置
１８ａパイプ
１９ フランジ
２０ ボルト
２１、２２支柱
２３ 送りねじ
２３ａねじ軸
２３ｂナット
２４ ベアリング
２５ ロータリートランス
２５ａ電力供給ユニット
２５ｂ電力受容ユニット
２６ 電気配線
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ環状超音波振動子
２８ 砥石保持部材
２９ 環状の砥石
３０ 溝
３１ ロータリトランス用支柱
３２ 節円
３３ 研磨具

Claims (3)

1. 電源に電気的に接続する環状超音波振動子を固定した砥石保持部材と該砥石保持部材の周縁部の下端に備えられた環状の砥石とを備えた研磨具であって、砥石保持部材の外周部と内周部に溝を設け、砥石保持部材の下面または溝の砥石側に環状超音波振動子を接合していることを特徴とする。
2. 前記超音波振動子の分極方向が厚さ方向であることを特徴とする請求項１に記載の超音波研磨砥石。
3. 請求項１、２に記載した研磨具を備えたことを特徴とする研磨装置。

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