JP2009274181A - 流体研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体研磨において研磨レートを向上させることができる流体研磨装置を提供する。
【解決手段】スラリ噴射部３０の噴射口４３からスラリ３を研磨対象物２の表面に向けて噴射することにより、研磨対象物２の表面研磨を行う流体研磨装置であって、スラリ噴射部３０は、スラリ３が圧送されるノズル側圧送路３２が形成されたノズル３１と、ノズル側圧送路３２から送り出されるスラリ３を受けてさらに圧送させるヘッド側圧送路４２およびヘッド側圧送路４２と一体に繋がって研磨対象物２の表面と対向する噴射口４３が形成され、ヘッド側圧送路４２を流動させたスラリ３を噴射口４３から噴射する噴射ヘッド４１と、噴射ヘッド４１を介して噴射口４３から噴射されるスラリ３に水平方向の超音波振動を付与する超音波発生装置５０とを備え、ノズル３１と噴射ヘッド４０とは、互いに別体に分離されて一定の間隔をおいて配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス基板などの研磨対象物の表面に向けて流体を噴射して研磨を行う流体研磨装置に関する。

ガラス基板などの研磨対象物の表面を研磨加工する研磨装置としては、例えば、回転テーブルに保持された研磨対象物と、研磨装置の研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させながら加圧接触させ、この研磨対象物および研磨パッドの間に加工対象に応じたスラリを供給して研磨加工を行うように構成されるものが知られている。このような研磨装置においては、研磨パッドによる接触圧を被研磨面全体に均等にして加圧することが難しく、この接触圧の違いにより被研磨面の寸法精度が変わることとなっていた。また、研磨パッドが摩耗等すると、被研磨面にキズ等のダメージを付与することにもなっていた。

これに対して、スラリなどの流体（研磨流体）を噴射部から噴射させて、研磨対象物の表面を研磨する流体研磨装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような流体研磨装置では、研磨パッドなどの工具を用いずに、高圧に調整された流体を直接、研磨対象物の表面に衝突させて研磨を行うため、精度の良い被研磨面を得ることができる。
特開平１０−５０８１０号公報

研磨加工においては、プレストンの法則により、噴射される流体と研磨対象物との間に生じる相対的な移動速度（相対的な線速度）が研磨量（加工量）を決める一つの要因となっており、相対的な線速度が大きくなれば研磨レートは向上し、相対的な線速度が小さくなれば研磨レートは低下することが知られている。上記のような流体研磨装置では、一般的に、噴射部が研磨対象物の表面に対して垂直になるように設置されて、噴射部から流体が研磨対象物の表面に対して略直線状に垂直に噴射されるようになっている。しかしながら、このような流体研磨装置の噴射部から噴射された噴流の中央部では、流体と研磨対象物との間で相対的な線速度（移動速度）が殆んど生じていないため、この噴流における中央部での研磨レートが低下する要因となっていた（図４参照）。このように噴流の中央部での研磨レートが低いと、研磨における位置や条件などの制御が困難となるため、生産性が低下するとともに、加工精度も悪化するという問題がある。

また、これに対して、噴射ノズルを研磨対象物の表面に対して斜めに設置して、噴射する流体を被研磨面に対して斜めに入射させて相対的な線速度を生じさせる技術も種々講じられているが、これによれば被研磨面に加圧する加工圧が分散してしまい、結果として研磨レートを低下させていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、流体研磨において研磨レートを向上させることができる流体研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る流体研磨装置は、噴射部の噴射口から流体を研磨対象物の表面に向けて噴射することにより、研磨対象物の表面研磨を行う流体研磨装置であって、噴射部は、流体が圧送されるノズル側圧送路が形成されたノズルと、ノズル側圧送路から送り出される流体を受けてさらに圧送させるヘッド側圧送路およびヘッド側圧送路と一体に繋がって研磨対象物の表面と対向する噴射口が形成され、ヘッド側圧送路を流動させた流体を噴射口から噴射する噴射ヘッドと、噴射ヘッドを介して噴射口から噴射される流体に所定の方向の振動を付与する振動発生部とを備え、ノズルと噴射ヘッドとは、互いに別体に分離されて一定の間隔をおいて配置されるように構成される。

本発明によれば、流体研磨における研磨レートを向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る流体研磨装置の概略構成を図１に示している。流体研磨装置１は、研磨流体（スラリ）の流れによって研磨対象物の表面を研磨する装置であり、スラリ供給部１０、スラリ圧送部２０、スラリ噴射部３０、基板保持部６０、スラリ回収部７０、およびこれらを繋ぐ管路８０を有して構成される。この流体研磨装置１の研磨対象物は、例えば、石英ガラスなどのガラス基板２である。ガラス基板２は、通常四角形状の板状体で研磨されるが、形状はこれに限定されない。

スラリ供給部１０は、研磨材（研磨粒子）と純水などを攪拌・混合してスラリ（研磨流体）３を生成し、このスラリ３をスラリ圧送部２０に供給する攪拌タンクである。研磨材としては、例えばシリカ粒子（コロイダルシリカなど）等が用いられ、使用される研磨材の平均一次粒子径は数ｎｍ〜数十ｎｍであることが好ましい。また、スラリ３には、このスラリ（研磨粒子）３の分散性および安定性を向上させるため、例えばアンモニウムポリメタクリレートなどの分散剤が添加されていることが好ましい。

スラリ圧送部２０は、スラリ供給部１０から送られてきたスラリ３を加圧して送り出す高圧ポンプであり、この高圧で圧送されたスラリ３はスラリ噴射部３０に供給されたのち研磨対象物たるガラス基板２に噴射される。また、スラリ圧送部２０とスラリ噴射部３０との間には、（スラリ３を搬送する管路８０を介して）圧力調整バルブ２１が接続されており、研磨対象物（の加工精度など）に適したスラリ３の供給量および圧送圧力に調整することができる。

スラリ噴射部３０は、スラリ圧送部２０からスラリ３が供給されるノズル３１と、このノズル３１の下方に設置されスラリ３を噴射口４３から噴射する噴射ヘッド４０と、噴射ヘッド４０の側面部に備えられて、この噴射ヘッド４０に振動を付与するための超音波発生装置５０とを有して構成される。これらノズル３１および超音波発生装置５０は、基板保持部６０の基台６１にそれぞれ支持された保持フレーム３９，５９によりそれぞれ固定保持されている。

ノズル３１は、図２に示すように、上下方向に延びる略円筒状に形成されており、このノズル３１の中心部には、スラリ圧送部２０から送り出された高圧のスラリ３を流動させるためのノズル側圧送路３２が上下方向に延びて貫通して形成され、先端部（下端部）の中央には、この高圧のスラリ３をヘッド側に送り出す噴出口３３が形成されている。また、ノズル３１の先端部（下端部）には、下方側に開口したリング状溝３４が形成されており、このリング状溝３４内に噴射ヘッド４０の上端部が入り込むようにして配置されるため、リング状溝３４がラビリングシールとしての役割を果たすことにより、ノズル３１の噴出口３３から噴射ヘッド４０に向かって噴出されたスラリ３の飛散を防止することができる。

噴射ヘッド４０は、ノズル３１の下方側においてノズル３１と所定の間隔を有して分離され、ノズル３１の中心軸と同軸となるように振動発生装置５０に取り付けられている。この噴射ヘッド４０は、耐摩耗性樹脂や、表面にダイヤモンドコーティング等が処理された耐摩耗性材料から、上下方向に延びる略円筒状に形成されており、噴射ヘッド４０の中心部には略円錐状のテーパ内面により包囲され形成された供給孔４１と、この供給孔４１の下方側で一体に繋がって上下方向（噴射方向）に延びたヘッド側圧送路４２と、これら供給孔４１およびヘッド側圧送路４２を流動した高圧のスラリ３を研磨対象物たるガラス基板２に向けて（下方に）噴射させる噴射口４３とを有している。これにより、噴射ヘッド４０はノズル３１の噴出口３３から送り出された高圧のスラリ３を供給孔４１で受けてヘッド側圧送路４２を流動させ、噴射口４３からこの高圧のスラリ３をガラス基板２に向かって略直線状に噴射することができる。このとき、供給孔４１が略円錐状に形成されているため、ノズル３１から噴出されたスラリ３をスムーズにヘッド側圧送路４２に流動させることが可能である。

また、噴射ヘッド４０の噴射口４３（およびヘッド側圧送路４２）の内径は、ノズル３１の噴出口３３（ノズル側圧送路）の内径よりも若干大きく（例えば、１０％程度大きく）設定され、０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。噴射ヘッド４０の噴射口４３（およびヘッド側圧送路４２）の内径をあまりに大きく設定すると、噴射されるスラリ３の流速が低下して運動エネルギが小さくなり研磨力が低下するため、研磨対象物に応じて良好な研磨力が得られるよう適切に設定する。

これらノズル３１および噴射ヘッド４０は、中心軸を同軸にして、さらに、噴射ヘッド４０の上端部がノズル３１のリング状溝３４内においてこのリング状溝３４を形成する壁部との間で所定の間隔をあけるようにして配置される。

超音波発生装置５０は、高周波発信器（図示しない）から出力される電気的振動を振動子（図示しない）を介して機械的振動に変換することにより振動を発生させる。そして、発生したその振動は、振幅拡大用ホーン５１によって振幅が数倍に拡大されて噴射ヘッド４０に伝えられることにより、噴射ヘッド４０全体に図２において矢印Ａで示したような水平方向の振動が発生される。このため、ヘッド側圧送路４２を流動するスラリ３にも超音波による水平方向の振動が付与（伝達）されて活性化されることにより、このスラリ３を用いた流体研磨において、研磨レートをより向上させることができる。

また、前述したように、ノズル３１の下面側と噴射ヘッド４０の上面側との間には所定の間隔があけられて分離されているため、超音波発生装置５０により付与される振動は噴射ヘッド４０にのみ伝達されればよく、スラリ噴射部３０全体に振動を付与する必要がない。このため、噴射ヘッド４０に付与する振動を制御すればよいため、超音波発生装置５０の制御が簡単になるとともに、効率良くスラリ３に強力な超音波振動を付与することができ、ひいては小型化を実現することができる。なお、超音波発生装置５０から噴射ヘッド４０側に付与される振動の振幅の大きさは、数十μｍ程度に調整されていることが好ましい。このとき、上記振幅によりリング状溝３４内で振動する噴射ヘッド４０の上端部が、分離されたノズル３１の下端部（リング状溝３４内の壁部）に衝突して干渉するのを防止するため、上記所定の間隔は、付与される振動の振幅の大きさの２倍以上の大きさで、例えば、０．１ｍｍ程度に形成されることが好ましい。

基板保持部６０は、図１に示すように、水平な基台６１と、図示しない駆動機構により３次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に移動可能な移動ステージ６２と、移動ステージ６２上に配設された回収槽６３と、回収層６３内に固定されて研磨対象物たるガラス基板２を表面側（上面側）に着脱自在に保持可能な保持テーブル６４とを備えている。このため、駆動機構により移動ステージ６２を移動させることによって、保持テーブル６４の表面側（上面側）に保持されたガラス基板２をスラリ噴射部３０（噴射ヘッド４０）下方の任意の位置に移動させて研磨を行うことが可能である。また、スラリ噴射部３０からガラス基板２の表面（上面）に噴射されて反射したスラリ３や、ガラス基板２の表面などから下方に流れ落ちるスラリ３は、回収槽６３により外部への飛散等が防止されるとともに、スラリ回収部７０に回収されて効率的に再利用される。

スラリ回収部７０は、回収槽６３の下面隅部に形成された排出孔（図示しない）を通って排出されるスラリ３を管路８０を介して回収を行って、この回収したスラリ３をフィルタ等が備えられた分級器７１で浄化した後にスラリ供給部１０に戻す。この分級器７１では、研磨（加工）に使用されることにより所定の砥粒径よりも小さくなった研磨材、凝集などにより所定の砥粒径範囲より大きくなった研磨材、および研磨対象物（ガラス基板２）の切粉などの不要なものを排出することにより、再利用が可能なスラリ３（研磨材）のみがスラリ供給部１０に戻され循環されるようになっている。

次に、このような構成の流体研磨装置１を用いて研磨対象物の研磨を行う場合について説明する。流体研磨装置１によりガラス基板２の研磨を行うには、まず、保持テーブル６４の上面側に研磨対象物となるガラス基板２を取り付けて保持させる。そして、図示しない駆動機構により移動ステージ６２を移動させて、保持テーブル６４上のガラス基板２をスラリ噴射部３０（噴射ヘッド４０）の下方に位置させて、ガラス基板２（の所望の被研磨部分）を噴射ヘッド４０の噴射口４３に対向する位置に配置させる。このとき、噴射ヘッド４０の噴射口４３とガラス基板２の表面（上面）との間の距離は、噴射ヘッド４０から噴射されるスラリ３が能率良く略直線状にガラス基板２の表面に噴射することができるような距離にしておく。

次いで、スラリ噴射部３０によりスラリ３を噴射するには、まず、スラリ供給部１０から送られてくるスラリ３をスラリ圧送部２０により加圧調整して、管路８０を介してノズル３１のノズル側圧送路３２に供給する。この供給されたスラリ３はノズル側圧送路３２を下方に流動したのち噴出口３３から噴出されて、噴射ヘッド４０の供給孔４１に送り出される。このとき、前述したように、供給孔４１に噴出されたスラリ３は、供給孔４１のテーパ内面に沿ってスムーズにヘッド側圧送路４２に送られるとともに、一部に供給孔４１のテーパ内面で反射して弾かれたスラリ３があってもノズル３１のリング状溝３４内で受け止められるため、外部に飛散等することが防止される。そして、噴射ヘッド４０のヘッド側圧送路４２を流動するスラリ３には、超音波発生装置５０から噴射ヘッド４０を介して強力な水平方向の振動が付与されることにより、スラリ３が活性化される。噴射ヘッド４０はスラリ３を高圧かつ高速の噴流として噴射口４３から噴射して、この噴射口４３に対向する直下位置に配置されたガラス基板２の表面（上面）に衝突させることにより、ガラス基板２の表面（上面）が研磨される。

引き続き、流体研磨装置１により研磨対象物であるガラス基板２の表面（上面）が研磨される状態について、図３および図４を用いて詳細に説明する。

従来、流体研磨において噴射口４３から噴射されるスラリ３については、噴流の中央部における水平方向の線速度（流速）は殆んどゼロであり、外方にいくに従って少しずつこの水平方向の線速度が生じてくるため、詳細は下記に示したプレストンの式を用いて後述するが、噴流の中央部では加工能力がなく、外方にいくに従って加工能力が増加していくため、被研磨物における研磨スポットの形状が略リング状となっていた（図４参照）。

このとき、一般に加工量（研磨量）Ｕを決定する式としては、以下に示すようなプレストンの式が使用されている。
Ｕ＝ｋ・Ｐ・ｖ・ｔ
ここで、ｋは定数、Ｐはスラリ（研磨材）が研磨対象物に与える接触圧力、ｖは研磨対象物とスラリ（研磨材）との（水平方向の）相対線速度、ｔは研磨対象物とスラリ（研磨材）との接触時間である。このプレストンの式によれば、研磨加工においては、研磨対象物とスラリ（研磨材）との相対的な線速度ｖが加工量Ｕを決める１つの要因となっており、この相対的な線速度が大きくなれば研磨レート（研磨加工能率）は向上し、相対的な線速度が小さくなれば研磨レートは低下することになる。すなわち、いくら研磨対象物に加える接触圧力Ｐを増大させても、研磨対象物とスラリ（研磨材）との間に相対的な線速度が生じなければ、加工能力が低下して所望の加工精度を得るための研磨を行うことが困難であるといえる。

換言すると、いくらスラリ３（研磨材）の噴射圧力Ｐを高圧調整して噴射口４３から噴射し研磨対象物たるガラス基板２に衝突させても、ガラス基板２に対するスラリ３（研磨材）の相対的な線速度（水平方向の線速度）が小さければ、研磨レートを向上させることが困難となる。

そこで、本流体研磨装置１では、超音波発生装置５０によって噴射ヘッド４０を介して噴射されるスラリ３に水平方向の超音波振動を付与して活性化させることにより、スラリ３の噴流全体が乱流状態となって、ガラス基板２とスラリ３（研磨材）との間に相対的な移動速度として線速度をより大きく生じさせて、研磨レートをより向上させることができる。

また、このとき、スラリ３の噴流の中央部には水平方向の線速度が元々生じていなかったが、超音波振動がスラリ３に付与されることにより、スラリ３の噴流の中央部にはこの振動に基づく大きな水平方向の線速度が生じることとなる。一方、噴流の周辺部では、噴流において中央部から周辺外方に向かうにしたがって元々生じていた水平方向の線速度と、超音波振動による水平方向の線速度とが打ち消しあった結果、相対的にこの線速度が小さくなっていく。この結果、図３に示すように、噴流の中央部では水平方向の線速度が増大することにより、噴流の中央部の研磨能力が強いガウス分布の研磨スポット形状を形成することができため、噴流の中央部での研磨レートを向上させてガラス基板上の所望の部分を能率良く研磨加工することができるとともに、ガラス基板の研磨における加工精度を向上させることができる。また、流体研磨において噴流の中央部（中心部）を基点として加工の位置制御などを行うことができるため、流体研磨の制御性が向上される。

さらに、超音波振動により生じる線速は、この振動の周波数と振幅との積に比例するため、これら周波数および振幅を調整して線速を最適化させることにより、研磨レートをより向上させることができる。

以上、本実施形態の流体研磨装置１によれば、スラリ噴射部３０において単独構造の噴射ヘッド４０を介して、超音波発生装置５０によりスラリ３に強力な超音波振動を付与して活性化させるため、流体研磨における研磨レートを向上させることができるとともに、ガウス分布の研磨スポット形状に近づけて効率的かつ高精度な研磨加工を実現することができる。

なお、スラリ噴射部３０において、ノズル３１と噴射ヘッド４０とは所定の間隔をあけて分離されて設けられていればよく、本実施形態で例示したように保持フレーム３９，５９により別々に固定保持されてもよいし、単一の保持フレームなどにより連結されて固定保持されてもよい。また、単一の保持フレームなどによりノズル３１および噴射ヘッド４０を保持する場合には、ノズル３１に伝達される振動を吸収するための振動吸収体を設けることが好ましい。

本実施形態の流体研磨装置の構成を概略的に示す正面図である。 本実施形態の流体研磨装置のスラリ噴射部を示す正面断面図である。 本実施形態の流体研磨装置による研磨加工の状態を示す概略図である。 従来の流体研磨装置による研磨加工の状態を示す概略図である。

符号の説明

１ 流体研磨装置 ２ ガラス基板（研磨対象物） ３ スラリ（流体）
３０ スラリ噴射部（噴射部） ３１ ノズル ３２ ノズル側圧送路
３４ リング状溝（溝部） ４０ 噴射ヘッド ４１ 供給孔（開口部）
４２ ヘッド側圧送路 ４３ 噴射口
５０ 超音波発生装置（振動発生部、超音波発生部）

Claims (7)

1. 噴射部の噴射口から流体を研磨対象物の表面に向けて噴射することにより、前記研磨対象物の表面研磨を行う流体研磨装置であって、
   前記噴射部は、
   流体が圧送されるノズル側圧送路が形成されたノズルと、
   前記ノズル側圧送路から送り出される流体を受けて流動させるヘッド側圧送路および前記ヘッド側圧送路と一体に繋がって前記研磨対象物の表面と対向する前記噴射口が形成され、前記ヘッド側圧送路を流動させた流体を前記噴射口から噴射する噴射ヘッドと、
   前記噴射ヘッドを介して前記噴射口から噴射される流体に所定の方向の振動を付与する振動発生部とを備え、
   前記ノズルと前記噴射ヘッドとは、互いに別体に分離されて一定の間隔をおいて配置されることを特徴とする流体研磨装置。
2. 前記所定の方向とは、前記研磨対象物の表面の被研磨部分に対して平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の流体研磨装置。
3. 前記所定の方向とは、前記噴射口から噴射される流体の噴射方向と垂直に交差する方向であることを特徴とする請求項１に記載の流体研磨装置。
4. 前記振動発生部が、前記噴射口から噴射される流体に超音波振動を付与する超音波発生部を有して構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の流体研磨装置。
5. 前記噴射ヘッドが、前記ノズル側の端部で開口するとともに、前記ヘッド側圧送路に連通する略円錐状の開口部を有して構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の流体研磨装置。
6. 前記ノズルが、前記噴射ヘッド側の端部に、前記噴射ヘッドの前記噴射口と反対側の端部を遊挿可能な溝部を有して構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の流体研磨装置。
7. 前記噴射ヘッドが、前記ノズルの前記溝部内において、前記振動発生部により付与される振動の振幅の大きさの２倍以上の間隔をあけて、前記溝部を形成する内壁部から離れて配置されていることを特徴とする請求項６に記載の流体研磨装置。

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