JP2010030027A - 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１３、そして回転軸１３の下端部に支持テーブル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２７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どから構成されている。図面を簡単にするため環状の砥石２９を一体として図示したが実際には２８分割している。また環状の砥石２９は平均直径が約２００ｍｍである。
【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。

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または内周部に溝を設け、かつ溝を設けた位置に、スリットを設け、そして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、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または内周部に溝を設け、かつ溝を設けた位置に、複数の孔を設け、そして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、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、砥石保持部材にスリット及び複数の孔を設け、そして砥石保持部材のスリット及び複数の孔より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、上記の研磨具を備えた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、本発明の研磨装置を示す正面図である。図４は、図３の切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した砥石側の詳細な平面図である。そして図５は図４のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面図である。

図３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１３、そして回転軸１３の下端部に支持テーブル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２７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〈本発明の研磨具〉などから構成されている。図面を簡単にするため環状の砥石２９を一体として図示したが実際には２８分割している。また環状の砥石２９は平均直径が約２００ｍｍである。

この研磨装置１０に使用されている研磨具３３について図４、図５を用いて説明する。砥石保持部材２８の外周部の溝３０ａと内周部の溝３０ｂがあり、その溝に中心軸に沿って上スリット３４ａ、下スリット３４ｂを設けている。

溝の上スリット３４ａ、下スリット３４ｂより砥石側の砥石保持部材２８に複数の環状超音波振動子２７を、エポキシ樹脂を用いて接合する。環状超音波振動子２７は、環状に配置した超音波振動子という意味であり、１個でもよいが、直径１００ｍｍを超えるときは、超音波振動子である圧電セラミックの製法上、複数にするのが価格上の利点がある。

ここで構成を簡単に説明するために図４、図５で示した砥石保持部材２８の概略図を図６の平面図そして図６のＡ−Ａ線で切断した断面を図７に示す。砥石保持部材２８の砥石側と反対の面はフランジにボルトにより固定される面である。溝３０ａ、３０ｂの中に砥石保持部材２８の中心軸に沿って上スリット３４ａ、下スリット３４ｂを設けている。そして、その上スリット３４ａ、下スリット３４ｂを砥石保持部材２８の中心軸に直交する面において示す。図９は上スリット３４ａにより設けられた空間部だけの平面図を、図８は下スリット３４ｂにより設けられた空間部だけの平面図を示す。図８と図９は中心に対して互いに４５度だけ回転したものになっている。したがって上スリット３４ａ、下スリット３４ｂを重ね合わせれば３６０度にわたってスリットにより設けられた空間部が存在することになる。ここではスリットを軸方向に２段に配置したが、軸方向に３段以上でもよい。むしろ空間的余裕がある場合は振動を反射する機能を高めるために、３段以上が望ましい。

溝の形状は、砥石保持部材２８の幅Ｗに対して、溝３０ａ、３０ｂより作られた幅Ｓが２０パーセント以上、８０パーセント以下が望ましい。幅Ｓが２０パーセント未満では、機械的構造が弱くなり、加工精度を悪くする虞がある。また、幅Ｓが８０パーセントより大きいと超音波振動の経路を小さくする効果がほとんど無くなる。

溝３０ａ、３０ｂと上スリット３４ａ、下スリット３４ｂの相乗効果により溝３０ａ、３０ｂより上の砥石保持部材２８にはほとんど伝播させない。溝３０ａ、３０ｂは超音波振動の伝播経路を小さくし、上スリット３４ａ、下スリット３４ｂによる空間の空気層による超音波振動の反射効率を高め、溝３０ａ、３０ｂより上の矢印で示す位置より上の砥石保持部材２８にはほとんど伝播させない。環状超音波振動子２７は、破線Ｃ−Ｃで示す面を含む面から砥石２９側の砥石保持部材２８に接合する。つまり下スリット３４ｂの下側の面に圧電セラミックを接合することもできる。

したがって、溝３０ａ、３０ｂより下の砥石側の砥石保持部材２８にだけほぼ超音波振動を励起することができる。

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、３〜６０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３３を安定に回転させるため、回転軸１３ａ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２８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。

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２７の各々の圧電体は、その厚み方向に分極されている。

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２７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２６の各々を介して環状超音波振動子２７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２７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２７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２７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。

ここで本発明の別の研磨具について説明する。構成を簡単に説明するために砥石保持部材２８の概略図を図１０の平面図そして図１０のＡ−Ａ線で切断した断面を図１１に示す。砥石保持部材２８の砥石側と反対の面は図示しないフランジとボルトを用いて固定される。

溝３０により細くなった砥石保持部材２８に複数の孔３５を貫通させる。孔３５の形状は、円、多角形などあるが、溝３０にできる限り多くの空間を作り、かつ砥石保持部材２８の強度をできるだけ小さくしないことが求められる。理想的にはハニカム構造である。

また孔３５は砥石保持部材２８の軸方向に１個以上あることが望ましい。このことにより、砥石側の砥石保持部材２８に複数の環状超音波振動子に交流電圧を印加することにより励起される砥石保持部材２８の振動を、溝３０と孔３５の相乗効果により溝より上の砥石保持部材２８には伝播させない。溝３０は超音波振動の伝播経路を小さくし、孔３５は、その小さくなった伝播経路に位置することにより、効率的に孔３５の空気層により超音波振動を反射して溝より上の砥石保持部材２８にはほとんど伝播させない。

ここで本発明のさらに別の研磨具について説明する。構成を簡単に説明するために砥石保持部材２８の概略図を図１２の平面図そして図１２のＡ−Ａ線で切断した断面を図１３に示す。砥石保持部材２８の砥石側と反対の面は図示しないフランジとボルトを用いて固定される。

砥石保持部材２８の超音波振動の伝播を絶縁したい部分に複数の孔３５およびスリット３４を設ける。スリット３４の超音波反射の効果は大きいが、スリット３４のない所の超音波振動は、反射できない。そこで複数の孔３５をスリット３４のない所に設け、その位置での超音波振動の伝播を可能な限り小さくする。

研磨装置１０においては、例えば、下記の手順により研磨対象物１１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２７の各々に付与する。これにより環状超音波振動子２７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。

ここで上記に述べた砥石を接合した砥石保持部材２８の振動モードについて図１４、図１５を用いて説明する。図１４は、砥石保持部材２８の溝３０ａ、３０ｂにより細くなった部分の中心線と溝３０ａ、３０ｂより下の砥石保持部材２８の中心線の交点を節として２点鎖線で示す曲げ振動する。この曲げ振動は砥石にも曲げ振動を励起する。砥石の曲げ振動は、砥石保持部材の中心軸方向と、中心軸と直交する方向に分解できる。したがって研磨面方向に対して直交する方向と面と平行な方向の両方の成分を持つ振動となる。この直交する振動成分の比は、砥石保持部材の形状を変えることで調整できる。

図１５は、砥石保持部材２８の溝３０ａ、３０ｂにより細くなった部分の中心線と溝３０ａ、３０ｂより下の砥石保持部材２８の中心線の交点を節として２点鎖線で示す縦振動する。この縦振動は砥石にも縦振動を励起するが、曲げ振動も励起する。砥石の曲げ振動は、砥石保持部材２８の中心軸方向と、中心軸と直交する方向に分解できる。したがって研磨面方向に対して直交する方向と面と平行な方向の両方の成分を持つ振動となる。この直交する振動成分の比は、砥石保持部材の形状を変えることで調整できる。

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。

また、上記の説明では固定砥粒である砥石を持つ研磨具について述べたが、遊離砥粒を用いる研磨装置またはラップ装置にも適用できる。遊離砥粒を加工対象物に押し付ける材料は例えばアルミナなどの硬度の高い材料であり、その形状は砥石と同様なものである。そして遊離砥粒は、例えばダイヤモンドスラリーである。

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Ａ−Ａ線より下の砥石保持部材などを示す平面図である。 図４に記入した切断線Ｂ−Ｂ線に沿って切断した砥石保持部材などの断面図である。 図３、図４で示した砥石保持部材などをより詳細に説明する平面図である。 図６に記入した切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した断面図である。 スリット３０ａにより設けられた空間だけを示す平面図である。 スリット３０ｂにより設けられた空間だけを示す平面図である。 本発明の別の研磨具の構成例を示す正面図である。 図１０のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。 本発明のさらに別の研磨具の構成例を示す正面図である。 図１２のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。 本発明の研磨具の振動モードを説明する概略図である。 本発明の研磨具の別の振動モードを説明する概略図である。

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 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
３４ スリット、３４ａ 上スリット、３４ｂ 下スリット
３５ 孔

Claims (4)

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、かつ溝を設けた位置に、スリットを設け、そして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. 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、かつ溝を設けた位置に、複数の孔を設け、そして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。
3. 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ぐであって、砥石保持部材にスリット及び複数の孔を設け、そして砥石保持部材のスリット及び複数の孔より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。
4. 請求項１、２、３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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