JP2010207959A

JP2010207959A - 研磨工具

Info

Publication number: JP2010207959A
Application number: JP2009056339A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Nakagawa; 英則中川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP5404107B2

Abstract

【課題】研磨圧力の分布によって除去量の大きな部位が発生するのを防ぎ、平滑な除去形状を得る。
【解決手段】研磨パッド１は、回転軸Ｏ１に沿って形成された研磨液供給口４を有し、研磨液供給口４もしくは研磨パッド１の外周から研磨液を供給しながら被加工物Ｗの表面を研磨する。研磨パッド１の外周部と内周部の研磨圧力が大きくなり、除去量が局所的に増大する傾向があるため、研磨パッド１の外周部と内周部に鏡面部５を設けて、その間の粗し面部６のみによって研磨除去を行うことで、除去形状を改善する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリウレタンなどの研磨パッドと研磨液を用いて光学面等を研磨するための研磨工具に関するものである。

従来の研磨工具の一例を図６及び図７を用いて説明する。

この研磨工具は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、研磨パッド１０１、弾性体１０２、工具シャンク１０３からなり、回転軸Ｏ１に沿って、研磨液を供給するための研磨液供給口１０４が設けられている。図７に示すように、被加工物雇い１１０に保持された被加工物Ｗより小さい直径の研磨パッド１０１を、その工具中心を回転軸Ｏ１として回転させ、被加工面上を矢印で示す方向に走査させる。そして、研磨液供給口１０４もしくは研磨液供給管１１１を介して研磨液１１２を供給しながら研磨加工を行う。

図８は、別の従来例による研磨工具を示す。この装置では、被加工物Ｗはキャリアー１１４に保持され、キャリアー１１４はキャリアー保持具１１５により水平方向を拘束され、回転のみ自由とされる。

被加工物Ｗより大きい直径の研磨パッド１０１を回転させ、さらに被加工物Ｗも研磨パッド１０１と同等の回転数で回転させ、被加工物Ｗを研磨パッド１０１上で揺動させながら、研磨液供給管１１１から研磨液１１２を供給して研磨加工を行う。研磨パッド１０１は回転定盤１１６に固着され、図示しない駆動機構により回転される。

研磨パッド１０１と被加工物Ｗの接触面に研磨液１１２が行き渡るようにするために、研磨パッド１０１に溝１１３を設ける。

上記従来の研磨工具は、被加工物と接触している研磨パッド面にいかに研磨液を均一に保持するかに注力していた。例えば、発泡ポリウレタンを研磨パッドとすることで、ランダムな配置、大きさの気泡で研磨液を保持することが行われている（特許文献１参照）。また、他の例では、研磨の均質性を求めるために、研磨工具の被加工物との接触部に均質なポーラスを持った工具などが知られている（特許文献２参照）。

このように、従来の研磨工具では被加工物との接触面での研磨液の保持が均一なため、工具接触面内の圧力分布や速度分布によって除去形状が決まる。

図６及び図７に示す従来の研磨工具による研磨圧力、速度、除去量の分布を以下に説明する。図６（ｃ）に示すとおり、研磨圧力は研磨パッド１０１の外周部及び研磨液供給口１０４の周辺の内周部で大きい。さらに、図６（ｄ）に示すとおり、研磨パッド１０１の中心を回転軸Ｏ１として回転するため、研磨パッド１０１の外周部ほど速度が速くなる。除去量は各部位で研磨圧力と速度を乗じたものとなるため、図６（ｅ）に示すとおり、研磨パッド１０１の外周部で微小な範囲で大きな除去量となり、被加工面にはこれらの軌跡が転写される。

また、図９は、図８に示した研磨工具の研磨圧力と除去量の分布を示す。図９（ａ）に示すように、被加工物Ｗは、研磨パッド１０１の研磨抵抗で、その中心軸Ｏ２のまわりに回転（自転）しながら連れ回るため、研磨パッド１０１と被加工物Ｗはほぼ等しい回転数となる。そのため、被加工物Ｗの研磨パッド１との接触面はどの位置においても相対速度が等しくなる。また、前述のように、研磨パッド１０１全面で均一に研磨液を保持するため、被加工物Ｗの表面の除去量は研磨パッド１０１の接触圧力（研磨圧力）によって決まる。

研磨圧力は、図９（ｂ）に示すとおり、溝１１３の縁と被加工物Ｗの外周部で大きくなるため、（ｃ）に示すように、溝１１３の縁と被加工物Ｗの外周部で大きな除去となり、被加工面上にこれらの軌跡が転写される。

特開２００５−１０１５４号公報特開２００４−２５４１８号公報

研磨加工後の被加工物の表面粗さを向上させるためには、被加工物と接触している研磨パッドの面内方向の接触圧力の分布がより均等であることが望ましい。接触圧力が高いところほど除去量が多くなるため、研磨パッドの接触面の面内に接触圧力の分布が存在することで工具接触面内で除去ムラが発生し、被加工面にそれらの軌跡が転写され、表面粗さが改善されない。特に、研磨パッドの外周部等のエッジ部では微小な範囲に荷重が集中しやすく、局所的に過大な除去となる。従来の研磨工具では、研磨パッドの接触面内で均一に研磨砥粒を保持するため、接触圧力の分布がそのまま除去量の分布となっていた。

本発明は、研磨パッドの接触面内で発生する除去量のバラツキ（分布）を抑制することのできる研磨工具を提供することを目的とするものである。

本発明の研磨工具は、研磨パッドと被加工物を互に押し当てて、研磨液を供給しながら研磨する研磨工具において、前記研磨パッドは、被加工物との接触面に、研磨による除去量の分布を低減するための表面粗さの分布を有することを特徴とする。

研磨パッドの表面粗さが０．２μｍＲｙ以下では研磨除去作用が発生しないことを利用して、例えば研磨パッドの研磨圧力が過大となる部位の表面粗さを０．２μｍＲｙ以下とし、その他の部位の表面粗さを１μｍＲｙ以上とする表面粗さの分布を設ける。

研磨パッドの研磨圧力の分布が均等な部位のみを選択して研磨除去作用を発生させ、研磨パッドの接触面に局所的に除去量の大きな部位をなくすことで、平滑な除去形状を得ることができる。

第１の実施形態よる研磨工具を説明するもので、（ａ）は研磨工具を示す立面図、（ｂ）は研磨パッドを示す平面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ研磨圧力、回転速度、除去量を示すグラフである。第１の実施形態による研磨方法を示す図である。第２の実施形態による研磨工具の研磨パッドを示す平面図である。第３の実施形態による研磨工具を示すもので、（ａ）は研磨工具の一部分を示す部分平面図、（ｂ）は（ａ）の研磨工具の回転軸に沿ってとった部分断面図である。図４の研磨工具を説明するもので、（ａ）は研磨パッドの一部分を示す部分断面図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ研磨圧力、除去量を示すグラフである。一従来例による研磨工具を説明するもので、（ａ）は研磨工具を示す立面図、（ｂ）は研磨パッドを示す平面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ研磨圧力、回転速度、除去量を示すグラフである。図６の研磨工具による研磨方法を示す図である。別の従来例による研磨工具を示すもので、（ａ）は研磨工具の一部分を示す部分平面図、（ｂ）は（ａ）の研磨工具の回転軸に沿ってとった部分断面図である。図４の研磨工具を説明するもので、（ａ）は研磨パッドの一部分を示す部分断面図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ研磨圧力、除去量を示すグラフである。

図１及び図２は、第１の実施形態を示す。本実施形態による研磨工具は、図１（ａ）に示すように、研磨パッド１、弾性体２、工具シャンク３からなり、それぞれの中心部には、研磨液を供給するための研磨液供給口４を設けている。被加工物Ｗより小さい直径の研磨パッド１を工具中心を回転軸Ｏ１として回転させ、被加工面上を、図２に矢印で示す方向に走査させながら、研磨液供給口４もしくは研磨液供給管１１を介して研磨液１２を供給して研磨加工を行う。

研磨液は研磨剤を純水で希釈したものである。研磨剤は酸化セリウムやジルコニアなどであり、被加工物Ｗの材質によって選択する。研磨液の重量濃度は０．００１〜５ｗｔ％である。

研磨工具の中心から供給される場合の研磨液の流量は５００〜２０００ｍＬ／ｍｉｎ、液圧は５〜２０ＫＰａである。

被加工物Ｗの被加工面が研磨液に浸漬した状態で加工することもできる。

研磨荷重は０．５〜２ｇｆ／ｍｍ^２である。工具回転数は５〜４０Ｈｚである。工具の走査速度は１〜２０ｍｍ／ｓである。

被加工物Ｗの材料は、ガラスやセラミック、金属などであり、特に限定されない。

被加工物Ｗの形状は、平面、球面、非球面、自由曲面などであり、特に限定されない。

研磨パッド１の材質はポリウレタンであり、例えば弾性率４〜２０ｋｇ／ｃｍ^２、硬度６０〜９０（ＪＩＳ−Ａ）であり、セリウムなどの希土類を含有しないポリウレタンを用いる。

研磨パッド１の直径は被加工物Ｗよりも小さく、具体的には被加工物Ｗの大きさと被加工物Ｗ内に設けられている光学有効面の大きさの差より小さい。研磨パッド１の直径は、例えば５〜５０ｍｍである。

研磨パッド１の厚さは、除去しようとする被加工面上のうねりの周期と研磨パッド１の曲げ剛性に依存し、低周期のうねりを除去しようとするほど厚くなる。厚さは、例えば０．５〜３ｍｍである。

研磨パッド１の被加工物Ｗとの接触面は、図１（ｂ）に示すように、表面粗さ０．２μｍＲｙ以下の鏡面部５と表面粗さ１μｍＲｙ以上の粗し面部６からなる。接触圧力（研磨圧力）が大きくなる外周部及び内周部は鏡面部５とし、それ以外の接触圧力が均一な部位を粗し面部６とする。

鏡面部５と粗し面部６からなる表面粗さの分布の作成方法は、第１の方法として、研磨工具形状と逆形状の金型を作成し、金型上の鏡面部、粗し面部のそれぞれに対応する部位に表面粗さの分布をつけておく。例えば、放電加工で作成した金型の、被加工物との接触する部位全体の表面粗さを１μｍＲｙとし、鏡面部としたい部位のみ研磨加工を施して、０．２μｍＲｙ以下とする。この金型に、重合した直後の脱泡したポリウレタンを流し込み、熱プレス機で加熱・加圧して、所望の形状で、表面粗さの分布をもつ研磨パッドを成形する。

第２の方法として、放電加工で工具形状と逆形状の金型を作成し、被加工物と接触する部位全体を１μｍＲｙとし、この金型に、重合した直後の脱泡したポリウレタンを流し込み、熱プレス機で加熱・加圧して所望の形状の研磨パッドを得る。この研磨パッドの被加工物との接触面の表面粗さは全面で１μｍＲｙとなっている。この研磨パッドを、弾性体を有する工具シャンクに接着して研磨工具を作成し、研磨加工に使用する加工装置に取り付けて回転させる。そして、機上に設置した＃４００〜＃１２００のダイヤモンドペレットなどを、研磨パッドの被加工面との接触部位のうち、鏡面部としたい部位に押し当てることで鏡面部を形成する。

研磨パッド１の被加工物Ｗとの接触する部位の形状は、被加工物Ｗの形状に依存する。被加工物形状が平面、球面であれば、研磨パッド１の被加工物Ｗと接触する部位は被加工物Ｗの形状に対応した形状とする。被加工物形状が非球面、自由曲面の場合は、被加工物上のいかなる位置であっても研磨パッド１の接触面積が変化しないような形状とする。
弾性体２の材質はスポンジなどであり、その物性は、例えば針入度１０である。

弾性体２の直径は研磨パッド１と同径である。

弾性体２の厚さは被加工物Ｗの非球面量と研磨パッド１の曲げ剛性に依存する。厚さは例えば０．５〜４ｍｍである。

工具シャンク３の材質はステンレスなどである。工具シャンク３の弾性体２が接着される部位の直径は弾性体２と同径である。

研磨パッド１、弾性体２、工具シャンク３からなる研磨工具は、図示しない回転装置に固定され、任意の速度で回転される。該回転装置は被加工物Ｗに対して法線方向の直動スライド機構に固定される。被加工物Ｗに対して法線方向に自由に動く直動スライド機構に固定された回転装置を、エアシリンダーやボイスコイルモーターなどの加重機構で加重し、研磨工具を被加工物Ｗの法線方向に定圧で押し付けることで研磨荷重を与える。

本実施形態の研磨工具の研磨圧力、速度、除去量の関係を図１（ｃ）〜（ｅ）を用いて説明する。荷重機構により被加工物Ｗに押し当てられた研磨パッド１の接触面には、図１（ｃ）に示すように、研磨パッド１の外周部と内周部にピークをもつような研磨圧力（接触圧力）の分布が発生する。研磨パッド１はその中心を回転軸Ｏ１として回転するため、図１（ｄ）に示すように、研磨パッド１の外周部ほど速度（周速度）は大きい。

研磨加工の除去量は、研磨圧力と速度の積で表されるため、研磨圧力が高く、速度の大きい研磨パッド１の外周部は、従来例による研磨工具を使用した場合は微小な範囲に大きな除去が発生しやすい（図６参照）。本実施形態では、局所的に大きな除去が発生しやすい外周部と内周部を予め鏡面部５としておくことで除去作用を発生させないため、研磨除去は粗し面部６のみで行う。このように、被加工物Ｗに対する研磨パッド１の接触面に表面粗さの分布を設けることで、図１（ｅ）に示すように、局所的に除去の大きな部位をなくして、研磨による除去量の分布を低減し、平滑な除去形状を得ることができる。

図３は、第２の実施形態を示すもので、研磨パッド１は第１の実施形態と同じく、気泡のない、脱泡したポリウレタンであり、セリウムなどの希土類を含まない。

本実施形態では、研磨パッド１の被加工物Ｗとの接触面に溝１３を設けた点のみが第１の実施形態と異なる。例えば、幅０．５ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、溝本数８本で溝１３を研磨パッド１の円周に等配とする。溝１３の作成方法は、例えば、金型に溝１３の逆形状の凸部を設けて溝形状を研磨パッドに転写させる。もしくは金型には溝形状は設けず、加熱・加圧工程を経て金型の形状を転写した後、フライス加工やカッターなどで溝１３を加工する。

本実施形態では、研磨パッド１の外周部、内周部、溝１３の縁を鏡面部５とし、それ以外を粗し面部６とする。鏡面部５、粗し面部６の作成方法は第１の実施形態と同じである。

非球面、自由曲面の場合は、被加工物のあらゆる位置での非球面量においても圧力分布が平滑な部分のみを選択して粗し面部６とする。

図４及び図５は、第３の実施形態を示す。本実施形態において、被加工物Ｗは、図４に示すように、キャリアー１４に保持される。キャリアー１４は２〜４個のキャリアー保持具１５で水平方向の変位を拘束され、回転のみ自由とされる。キャリアー保持具１５を水平方向に微小に揺動することでキャリアー１４及び被加工物Ｗに水平運動を与える。

被加工物Ｗより大きな直径を持つ研磨パッド１が回転定盤１６に固定され、回転定盤１６は図示しない駆動機構により回転される。回転速度は、例えば１〜６０ｍｉｎ^−１である。

研磨パッド１が矢印Ｒ１で示す方向に回転する場合、被加工物Ｗは矢印Ｒ２で示す方向に自転し、キャリア１４とともに研磨パッド１上を公転する。

研磨液１２は研磨液供給路１１から研磨パッド１の中心付近に供給される。研磨液１２の種類、濃度などは第１の実施形態と同じである。研磨パッド１を研磨液に浸漬した状態で加工することもできる。

研磨パッド１は第１の実施形態と同じく、脱泡したポリウレタンであり、セリウムなどの希土類を含まない。

研磨パッド１の被加工物Ｗと接触する接触面には研磨液１２が行き渡るようにするために溝１３が設けられている。溝１３の幅は、例えば０．５〜２ｍｍ、溝１３の深さは、例えば０．５〜１ｍｍ、溝１３の間隔は、例えば３〜５０ｍｍである。溝１３の作成方法は第２の実施形態と同じである。

研磨パッド１の被加工物Ｗとの接触面において、溝１３の縁では鏡面部５とし、それ以外を粗し面部６とする。例えば、溝１３で区切られた矩形形状のうち、矩形長の８０％の直径の円形部を粗し面部６とする。鏡面部５と粗し面部６の作成方法は第１の実施形態と同じである。

図５は、本実施形態による研磨工具の研磨圧力、除去量の関係を示すもので、研磨パッド１と被加工物Ｗの接触面のうち、（ｂ）に示すように、研磨パッド１の溝１３の縁部と被加工物Ｗの外周部に局所的に大きな研磨圧力が発生する。被加工面上のあらゆる位置で研磨パッド１との相対速度が同じになるので除去量に対する研磨パッド１の相対速度は考慮しなくてもよい。従来例による研磨工具を用いた研磨では、研磨圧力の分布が除去量の分布になる（図９参照）。本実施形態による研磨工具では、研磨圧力の大きい溝１３の縁部を鏡面部５とし、研磨圧力が平滑な部位のみを粗し面部６とすることで、図５（ｃ）に示すように、除去量の分布を低減し、微小な範囲で大きな除去量が発生しない除去形状を得ることができる。

上記の研磨工具を用いた研磨により、白色干渉計を用いた表面粗さの測定結果で、１５０μｍの領域で０．２ｎｍＲＭＳ以下を得ることができる。

１研磨パッド
２弾性体
３工具シャンク
４研磨液供給口
５鏡面部
６粗し面部
９被加工物
１０被加工物雇い
１１研磨液供給路路
１２研磨液
１３溝
１４キャリアー

Claims

研磨パッドと被加工物を互に押し当てて、研磨液を供給しながら研磨する研磨工具において、
前記研磨パッドは、被加工物との接触面に、研磨による除去量の分布を低減するための表面粗さの分布を有することを特徴とする研磨工具。
前記研磨パッドの被加工物との接触面は、表面粗さ０．２μｍＲｙ以下の鏡面部を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨工具。
前記研磨パッドの外周部に、表面粗さ０．２μｍＲｙ以下の鏡面部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の研磨工具。
前記研磨パッドの材質が気泡のないポリウレタンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の研磨工具。
前記研磨パッドの材質がセリウムを含有していないポリウレタンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の研磨工具。
前記研磨パッドの被加工物との接触面に溝を有し、前記溝の縁に、表面粗さ０．２μｍＲｙ以下の鏡面部を設けたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の研磨工具。
請求項１ないし６のいずれかに記載の研磨工具を用いて、研磨液を供給しながら被加工物を研磨する工程を有することを特徴とする研磨方法。