JP2011161559A - 円形板材の曲面加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面の研磨を多方向から行うことを可能とすると共に、従来よりも加工効率が高く、安価に加工することのできる円形板材の曲面加工方法を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するための円形板材の曲面加工方法は、研磨面を構成する一対の定盤の各主面に、円筒状部材の曲面が当接するように挟み込み、前記円筒状部材に対して円周方向の回転を与えると共に、前記円筒状部材の中心軸と交差する方向への回転を与え、前記円筒状部材の曲面を研磨することを特徴とする。また、このような特徴を有する曲面加工方法では、前記円筒状部材は、複数の円形ウェハーを厚み方向に積層して構成するようにしても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、円形板材の曲面加工方法に係り、特に円形平面を有する水晶ウェハー（またはチップ）の端面の割れや欠けを防止する技術に関する。

水晶振動片を構成するウェハー（またはチップ）は、厚み調整のためのラッピング加工（粗研磨）や、ラッピング加工後のポリッシング加工（仕上研磨）が施される。そして、ポリッシング加工を終えたウェハー（またはチップ）に対して、金属膜の形成やエッチングなどの加工を施し、水晶振動片が形成される。

このような加工が施されるウェハー（またはチップ）では、ウェハー端面（側面）に形成された微小欠けや微小クラックが残存していると、主面のラッピング加工時やポリッシング加工時におけるクラックやチッピング、その他外観不良等の発生率が高くなってしまうことが知られている。

このため、上記のような加工を施されるウェハー（またはチップ）には、特許文献１〜３に開示されているような、端面（側面）の研磨加工を施すことにより、加工全体の歩留まりを向上させることができることが知られている。

特許文献１、２に開示されている技術は、いずれも、切り出されたウェハーをワックス等の仮着剤によりブロック状に積層接着している。そして、積層接着したウェハーブロックの側面に、当該ウェハーブロックの長手方向に沿って回転軸が配置されたブラシ研磨機を接触させると共に研磨剤を付着させることで、ウェハー端面の一括研磨を実現している。また、特許文献３に開示されている技術は、ウェハーを積層接着する際に、ワックス等の仮着剤を用いずに、水分により積層接着を成すという点を特徴とするものである。このようにしてブロック状に積層したウェハーであっても、特許文献１や特許文献２に開示されている技術と同様に、ブラシ研磨機により端面研磨が可能であり、かつウェハー分割時に加熱等の処理が不要となるという。

特開平６−３１０４７９号公報 特開２００６−２３１４８６号公報 特開２００９−１７８７８５号公報

確かに、上記特許文献に開示されているような方法によりウェハー（またはチップ）端面の研磨を行うことによれば、加工全体の歩留まりを向上させることができると考えられ、円形状のウェハー（またはチップ）であっても対応することができる。しかし、引用文献に開示されている技術は、いずれもウェハーの積層方向と同一方向に沿って回転軸を配置したブラシ研磨機によってウェハー端面の研磨を行っているため、研磨はウェハーの主面に沿った方向のみに対して成されることとなる。このため、ウェハー端面には、主面に沿った方向に深い研磨痕が残ってしまうこととなる。

また、引用文献に開示されている技術では、積層接着されたウェハーブロックの上下端部を支持した上で、側面からブラシ研磨機を接触させるため、ウェハー（またはチップ）が小型化され、ブロックの径（寸法）が小型化された場合には、対応することができなくなってしまうと考えられる。

そこで本発明では、円筒状部材の曲面研磨を多方向から行うことを可能とすると共に、円筒状部材が小径化された場合であっても対応することができ、かつ従来よりも加工効率が高く、安価に加工することのできる円形板材の曲面加工方法を提供することを目的とする。

本発明は上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］研磨面を構成する一対の定盤の各主面に、円筒状部材の曲面が当接するように挟み込み、前記円筒状部材をこの曲面の円周方向に回転させ、且つ前記円筒状部材の中心軸が前記主面に沿うようにしながら前記円筒状部材を自由移動させて、前記円筒状部材の曲面を研磨することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
このような特徴を有することにより、円筒状部材の曲面研磨を多方向から行うことが可能となる。また、円筒状部材が小径化された場合であっても対応することができる。さらに、従来よりも加工効率が高く、安価に加工を施すことが可能となる。

［適用例２］適用例１に記載の円形板材の曲面加工方法であって、前記円筒状部材は、複数の円形板材を厚み方向に積層して構成することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
円筒状部材をこのように構成することにより、１つの円筒状部材に曲面加工を施すことにより、複数の円形板材の端面加工を行うことができる。また、１枚の板材の厚みが極めて薄い場合であっても、容易に加工することが可能となる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の円形板材の曲面加工方法であって、前記円筒状部材の挟み込みは、上定盤と下定盤を備えた研磨装置により行い、前記円筒状部材への回転付与は、前記研磨装置における前記上定盤と前記下定盤の間に挟まれて、自転と公転を付与されるキャリアに設けた保持孔に前記円筒状部材を配置することにより行うことを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
このような特徴を持たせることにより、予め定められた自転と公転の割合で、円筒状部材の研磨を行うことができる。

［適用例４］適用例３に記載の円形板材の曲面加工方法であって、開口形状を矩形状とし、前記キャリアの自転中心軸を基点として放射状に配置した前記保持孔に、前記円筒状部材を配置することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
このような特徴を有することにより、１枚のキャリアに対して複数の円筒状部材を均等配置することができる。よって、加工効率を向上させることができ、加工単価を下げることができる。

［適用例５］適用例４に記載の円形板材の曲面加工方法であって、前記キャリアの半径方向に沿って前記矩形の長辺を配置した前記保持孔に、前記円筒状部材を配置することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
このような特徴を有することによれば、１枚のキャリアに対して複数の円筒状部材を均等配置することができると共に、いずれの箇所に配置した円筒状部材に対しても、均等に複数方向からの研磨が施されることとなる。

［適用例６］適用例４に記載の円形板材の曲面加工方法であって、前記キャリアの半径方向と直交する方向に前記矩形の長辺を配置した前記保持孔に、前記円筒状部材を配置することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
このような特徴を有することによれば、キャリアのデッドスペースを低減することができる。よって、１枚のキャリアに対してより多くの円筒状部材を配置することが可能となる。

［適用例７］適用例３乃至適用例６のいずれか１項に記載の円形板材の曲面加工方法であって、前記保持孔の寸法は、前記円筒状部材を平面視した際の外径寸法よりも大きいことを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
このような特徴を有することによれば、保持孔という規制枠内においては、円筒状部材が自由回転することが可能となる。これにより、研磨面の均等化、すなわち研磨されている部分と研磨不良な部分とを自動調整して研磨面の均一化を自動で行うことが可能となる。

第１の実施形態に係る円筒状部材の配置形態と、キャリアの構成を示す図である。 下定盤に対するキャリアの配置形態と、自転、公転の様子を示す図である。 キャリアの保持孔に配置された円筒状部材に作用する研磨押圧力と、円筒状部材の動きを説明するための図である。 端面研磨加工を行わない場合と、端面研磨加工を行った場合とにおける主面研磨加工時における外観不良発生率の違いを示すグラフである。 研磨装置の概略構成を示す図である。 水晶ブロックから円筒状部材形成までの様子を説明するための図である。 第２の実施形態に係る円筒状部材の配置形態と、キャリアの構成を示す図である。

以下、本発明の円形板材の曲面加工方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、図５を参照して、本実施形態に係る円形板材の曲面加工方法（以下、単に曲面加工方法と称す）を実施するための研磨装置について、説明する。
図５に示す研磨装置５０は、サンギヤ５２と下定盤５４、インターナルギヤ５６、上定盤５８、およびスラリー供給装置８０を有する。サンギヤ５２は、駆動軸６０の上端に、この駆動軸６０に一体形成されて回転駆動されるギヤである。

下定盤５４は、サンギヤ５２の外径側に配置される円環状の定盤であり、その配置中心はサンギヤ５２と同芯上とされている。下定盤５４は、例えば鋳鉄の板材により構成され、その上面を研磨面５５としており、ポリッシング加工を行う場合には、当該面に研磨パッドを配置する構成としている。
また、下定盤５４は下定盤受部６２により保持されており、下定盤受部６２は駆動軸６４により回転駆動可能な構成とされている。

インターナルギヤ５６は、サンギヤ５２の外径側に配置した下定盤５４のさらに外径側に配置されるギヤであり、円環の内側にギヤを備えている。なお、インターナルギヤ５６は駆動軸６６に連動可能な構成とされている。

上定盤５８は、下定盤５４の上方に、昇降自在に吊下される定盤である。上定盤５８は、例えば鋳鉄の板材により構成され、その下面を研磨面５９としており、ポリッシング加工を行う場合には、当該面に研磨パッドを配置する構成としている。また、上定盤５８の昇降動作は、吊下装置６８により実現される。また、上定盤５８には、スラリーを供給するスラリー供給孔８４が設けられ、スラリー供給孔８４の一方の開口部は、研磨面５９に配置される。スラリー供給孔８４の他方の開口部は、上定盤５８の上部に配置され、ここにスラリー供給装置８０を構成するスラリー供給管８２が接続される。なお、上定盤５８の中心には、駆動軸７０に係合可能な係合手段が設けられており、上定盤５８を研磨位置（降下状態）とした際には、駆動軸７０を介して回転駆動されることとなる。

なお、上述した、サンギヤ５２、下定盤受部６２、インターナルギヤ５６、および上定盤５８を回転駆動させる各駆動軸６０，６４，６６，７０は、それぞれ独立して回転駆動することを可能な構成とすると良い。また、各駆動軸６０，６４，６６，７０の回転方向や回転速度は、研磨する対象や研磨段階等により、それぞれ適正な値が選択される。また、研磨装置５０は、下定盤５４を回転駆動する際に、上定盤５８を停止させるタイプであってもよいし、回転駆動させるタイプであっても良い。

このような構成の研磨装置５０において、本実施形態における研磨対象である円筒状部材１４は、下定盤５４と上定盤５８の間に配置され、サンギヤ５２とインターナルギヤ５６とに噛合って回動されるキャリア１０に設けられた保持孔１２に配置され、研磨が施される。ここで、サンギヤ５２とインターナルギヤ５６とに噛合うキャリア１０は、サンギヤ５２及びインターナルギヤ５６の回転方向及び回転速度により定まる方向及び回転速度で自転しつつ公転することとなる。

次に、上記構成とされる研磨装置による曲面加工方法に係る第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る曲面加工方法では、円形状平面を有する複数のウェハーを積層することにより、加工対象とする円筒状部材１４を構成する。図６は、水晶ブロックから本実施形態で加工する円筒状部材を形成するまでの加工方法についての説明図である。

まず、水晶の原石から矩形断面を有するブロック状の水晶（水晶ブロック１４ｄ）を切り出す。この際、切断面が、形成する水晶振動片を構成するためのカット角と直交する面を有するように切断を行う（図６（Ａ）参照）。次に、水晶ブロック１４ｄを予め定められた切断面に沿って板状に切断し、大型ウェハー１４ｃを形成する（図６（Ｂ）参照）。次に、形成した大型ウェハー１４ｃの結晶軸方向を合わせて並べ、ワックス等の仮着剤により、厚み方向へ積層して張り合わせてブロック状（ウェハー接合ブロック１４ｂ）にする（図６（Ｃ）参照）。次に、ダイヤモンド外周刃等の切断機を用いて、円形ウェハーを構成するために定められた所定の寸法を満たすサイズに分割切断し、個片ブロック１４ａを構成する（図６（Ｄ）参照）。分割して得られた個片ブロック１４ａを、ダイヤモンド円筒研削盤等の研削機により円筒研削加工する。このようにして、円筒状部材１４を構成することにより、小型、薄型化された円形ウェハーの端面（曲面）をバッチ処理することが可能となる（図６（Ｅ）参照）。なお、この円形ウェハーから多数個取りされた円形チップも同様に加工可能である。以下円形ウェハーを例示して説明する。

このようにして得られた、円形ウェハーから成る円筒状部材１４は、上述した研磨装置５０におけるキャリア１０の保持孔１２に配置して、加工を施す。ここで、本実施形態に使用するキャリア１０は、図１（Ａ）に示すように、外縁部にギヤを備えた略円形状を成すものである。そして、円筒状部材１４を配置する保持孔１２は、キャリア１０の中心点（自転中心軸）を基点として、放射状に配置している。保持孔１２の開口形状は、円筒状部材１４の平面視形状と略相似な矩形状としている。

また、キャリア１０は、図１（Ｂ）に、同図（Ａ）におけるＡ−Ａ´断面、図１（Ｃ）に、同図（Ａ）におけるＢ−Ｂ´断面を示すように、加工対象とする円筒状部材１４の直径ｄよりも、その厚みＴを薄くしている。このような構成により、加工対象である円筒状部材１４を下定盤５４および上定盤５８の研磨面５５，５９に当接させることができるからである。また、保持孔１２の寸法は、円筒状部材１４を平面視した際の寸法よりも大きくすることで、保持孔１２に配置された円筒状部材１４の規制枠内における自由回転を可能としている。

保持孔１２の具体的な寸法比について、円筒状部材１４の直径をｄ、円筒状部材１４の長さをｌ、保持孔１２の幅をＷ，保持孔１２の長さをＬとして示すと次のようになる。まず、保持孔１２の幅Ｗは、円筒状部材１４の直径ｄに対して概ね、直径ｄの１６％〜５０％程度大きくすれば良い。また、保持孔１２の長さＬは、円筒状部材１４の長さｌに対して概ね、長さｌの２０％程度大きくなるようにすれば良い。なお、キャリア１０の厚みＴは、円筒状部材１４における直径ｄの５７％〜７５％程度の厚みとすると良い。これにより、保持孔１２に配置した円筒状部材１４が保持孔１２の中で、その規制枠内を越えない限度で自由移動（自回転および水平移動）することが可能となるからである。

また、本実施形態で使用するキャリア１０は、矩形状の開口を成す保持孔１２の長辺（長手方向中心軸）を、略円形とされるキャリア１０主面の半径方向に沿って配置している。このような配置形態を採ることで、１つのキャリア１０に対して複数の保持孔１２を配置する際、均等かつ多くの保持孔１２を配置することができる。これにより、円筒状部材１４の曲面加工、すなわち、円形ウェハー端面の鏡面加工の加工効率を向上させ、１枚あたりの加工コストを低減させることが可能となる。

上記のような構成としたキャリア１０は、研磨装置５０に対して図１に示すように複数配置される。研磨工程においては、図２において矢印ａで示すように、各キャリア１０に対して自転が付与されると共に、矢印ｂで示すように公転も付与されることとなる。

上記のように動作するキャリア１０の保持孔１２に配置された円筒状部材１４は、時々刻々と変化する各配置位置において、それぞれ次のような研磨作用を受けることとなる。

まず、図２中Ａ、Ｅの位置に存在する保持孔１２に配置された円筒状部材１４は、公転と上定盤５８、下定盤５４の回転運動の影響により、長手方向、すなわち円形ウェハーの積層方向に直交する方向に、研磨面５５，５９からの押し圧力を受けることとなる。このため、円筒状部材１４は、その円周方向に回転させられることとなる（図３（Ａ）参照）。

次に、図２中Ｃ、Ｇの位置に存在する保持孔１２に配置された円筒状部材１４は、長手方向に沿った方向に、研磨面５５，５９からの押し圧力を受けることとなる。このため、円筒状部材１４における研磨面５５，５９に接触している部分は、効率的に研磨されることとなる（図３（Ｂ）参照）。

また、図２中Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈの位置に存在する保持孔１２に配置された円筒状部材１４は、研磨面５５，５９からの押し圧力を、長手方向に対して斜めから受けることとなる。このため、研磨面５５，５９に接触している部分は、図２中Ｃ、Ｇの位置に存在する保持孔１２に配置された場合とは異なる方向から、研磨を受けることとなる（図３（Ｃ）参照）。

このように、円筒状部材１４は、円周方向に回転が付与されると共に、円形ウェハーの積層方向（円筒状部材１４の中心軸）と交差する方向への回転も付与されながら、曲面の研磨加工が行われることとなる。すなわち、円筒状部材１４は、自転、および公転を伴いながらランダムな方向から曲面を研磨されることとなり、均等な鏡面加工が施されることとなる。これらの加工後、仮着剤を除去すれば、曲面を研磨加工された複数の円形板材を得ることができる。

また、円筒状部材１４を分割することで得られる円形ウェハーは、その端面（曲面）に、複数方向から均等に研磨された鏡面を有することとなる。このため、円形ウェハーの主面を鏡面化するための加工を施す際の不良発生率を格段に低下させることができる。図４は、円形ウェハーの主面加工前に、端面研磨を施さない場合と、本実施形態に係る加工方法を実施した際の不良発生率の違いを示している。

円形ウェハーの主面加工時における外観不良の発生割合としては、クラックやカケ・チッピングなどが最も多い。図４によれば、クラックの発生率は、従来は約８％程度であったのに対し、本件実施形態に係る曲面加工を施した場合には、約１％程度にまで減少している。また、カケ・チッピングに際しては、従来は約４％程度であったのに対し、本実施形態に係る曲面加工を施した場合には、約３．６％程度にまで減少している。そして、外観不良率全体としては、従来に比べ約半分以下の発生率とすることができていることを読み取ることができる。

次に、本発明の円形板材の曲面加工方法に係る第２の実施形態について、図７を参照して説明する。なお、本実施形態に係る曲面加工方法を実施する場合においても、使用する研磨装置は上述した第１実施形態で使用した研磨装置５０と殆ど同じである。よって、その構成を同様とする箇所については図５を援用すると共に上記説明を援用し、詳細な説明を省略することとする。なお、本実施形態に係る曲面加工方法と、第１の実施形態に係る曲面加工方法との相違点としては、円筒状部材１４の配置形態にある。このため、以下の説明では、研磨装置５０に対する円筒状部材１４の配置形態の詳細と共に、研磨装置５０に対する円筒状部材１４の配置形態を定めるキャリア１０ａの構成について説明する。

本実施形態に係る曲面加工方法では、キャリア１０ａの半径方向と直交する方向に、円筒状部材１４の回転中心軸（長辺）が配置されるようにしている。このため、キャリア１０ａに形成する保持孔１２も、矩形状とされる保持孔１２の長辺が、キャリア１０ａの半径と直交する方向となるように設けられている。

キャリア１０ａに設けられる保持孔１２は、キャリア１０ａの半径方向と直交配置される長辺が平行となるように、半径方向に複数、並列配置する。これにより、キャリア１０ａの半径方向に複数の円筒状部材１４を並列配置することが可能となり、一度の研磨加工により多くの円筒状部材１４の曲面加工を可能とすることができる。また、保持孔１２は、キャリア１０ａの回転中心を基点として、略十字状となるように半径方向に配置すると共に、この十字状に配置した保持孔１２と略４５度の回転角度を持った位置にも、半径方向と直交する方向に長辺を配置した保持孔１２を持つようにする。このような保持孔１２を配置することで、キャリア１０ａ主面のデッドスペースを少なくし、１度の研磨処理により、より多くの円筒状部材１４（円形ウェハー）の曲面研磨加工を行うことができる。よって、加工単価の低減を図ることが可能となる。
なお、その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る円形状部材の曲面加工方法と同様である。

上記実施形態においては、具体例として、キャリアの半径方向に沿って円筒状部材の長辺を配置する構成と、キャリアの半径方向と直交する方向に円筒状部材の長辺を配置する構成のみを記載した。しかしながら、本発明に係る円形板材の曲面加工方法は、対を成す定盤間において、加工対象とする円筒状部材に対して自転および公転を付与しながら研磨することのできる種々の形態を含むものである。よって、キャリアに設ける保持孔の方向をランダムとした場合であっても、本発明による効果を奏することはでき、本発明の一部とみなすことができることはもちろん、キャリア以外の方法によりこれを実現させるようにしたものであっても良い。

１０………キャリア、１２………保持孔、１４………円筒状部材、５０………研磨装置、５２………サンギヤ、５４………下定盤、５６………インターナルギヤ、５８………上定盤。

Claims (7)

1. 研磨面を構成する一対の定盤の各主面に、円筒状部材の曲面が当接するように挟み込み、
   前記円筒状部材をこの曲面の円周方向に回転させ、且つ前記円筒状部材の中心軸が前記主面に沿うようにしながら前記円筒状部材を自由移動させて、
   前記円筒状部材の曲面を研磨することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
2. 請求項１に記載の円形板材の曲面加工方法であって、
   前記円筒状部材は、複数の円形板材を厚み方向に積層して構成することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の円形板材の曲面加工方法であって、
   前記円筒状部材の挟み込みは、上定盤と下定盤を備えた研磨装置により行い、
   前記円筒状部材への回転付与は、前記研磨装置における前記上定盤と前記下定盤の間に挟まれて、自転と公転を付与されるキャリアに設けた保持孔に前記円筒状部材を配置することにより行うことを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
4. 請求項３に記載の円形板材の曲面加工方法であって、
   開口形状を矩形状とし、前記キャリアの自転中心軸を基点として放射状に配置した前記保持孔に、前記円筒状部材を配置することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
5. 請求項４に記載の円形板材の曲面加工方法であって、
   前記キャリアの半径方向に沿って前記矩形の長辺を配置した前記保持孔に、前記円筒状部材を配置することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
6. 請求項４に記載の円形板材の曲面加工方法であって、
   前記キャリアの半径方向と直交する方向に前記矩形の長辺を配置した前記保持孔に、前記円筒状部材を配置することを特徴とする円形板材の曲面加工方法。
7. 請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の円形板材の曲面加工方法であって、
   前記保持孔の寸法は、前記円筒状部材を平面視した際の外径寸法よりも大きいことを特徴とする円形板材の曲面加工方法。

Images