JP2012519600A - 磁気流体による基板研磨仕上げシステム - Google Patents

Abstract

基板の磁気流動学的研磨システム。磁気流動学的研磨流体を運ぶ球状のホイールは磁場変動の永久磁石システムを収容している。磁場変動の永久磁石システムは、中央を貫く円筒状の空洞を有し、第１および第２の空間により離隔されたＮ、Ｓ極の鉄の極片を有している。円筒の軸に対して垂直に磁気化された円筒状の永久磁石は、空洞内に回転可能に取り付けられる。アクチュエータは任意の角度での永久磁石の回転を可能とし、極片を通る磁気回路における磁気流束の分布を変化させる。これにより、永久磁石をある角度に位置づけることができ、所望の磁場強度が供給され、空間内において制御することが可能となる。磁場は極片の上方にも広がっており、ホイール表面の外側の周囲の磁場を決めていて、変動可能な磁場はホイール上のＭＲ流体層を通って広がっており、研磨制御のために所望するＭＲ流体の硬度を変化させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、スラリーを利用した基板の研磨仕上げ用のシステムに関し、詳しくは、磁気流体、および、ホイール上の作業領域において、流体を磁気的に硬化させる球状の担体ホイールに近接している磁石を用いる研磨システムに関する。さらに詳しくは、担体ホイールそれ自身の中に、硬化用磁石が取り付けられるシステムに関する。とりわけ詳しくは、硬化用磁石が変動磁場の永久磁石組み立て品から構成されている、改良されたシステムに関する。

基板の研磨仕上げおよび研削に使用される、磁気硬化特性の磁気流動学的流体（ＭＲＦ）がよく知られている。液状担体中に分散した磁気軟化特性の研磨粒子を含んでいる流体は、磁場の中では磁気的に誘導された可塑性挙動を示す。ＭＲＦは見かけ上の粘度の振り幅が広く、磁気的に増加させることが可能である。その結果、ＭＲＦの軟度は水のような状態からとても硬いペースト状へと変化する。そのようなペーストが、成型または研磨される基板表面、例えば、光学素子に対して適切に向けられた際、高レベルの研磨のクオリティー、正確さおよびコントロールが達成され得る。

確定的な基板の磁気流動学的研磨の方法、流体および装置については、Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉらの特許文献１に記載されている。この特許は、ここでは’３６９と示す。

’３６９において公開されているような典型的な磁気流動学的研磨システムでは、垂直方向に向いている非磁気特性ホイールを備えている。該非磁気特性ホイールは、中心から対称に切り取られ、軸上に伸びている縁を持っている。ホイールの表面上、好ましくは上死点辺りの位置において磁気の作業領域が作られるように、切り取られた縁の下のホイールの対向する側方に向かって、特別に形作られた磁気極片対が広がっている。ホイールの表面は、好ましくは球体の赤道の区画である。

仕上げ研磨する基板を作業領域の中まで届かせるため、回転可能なチャック装置のような基板のレシーバーが作業領域の上方に取り付けられている。このようなチャック装置は、多くの動作様式において容易にプログラムを作ることが可能である。好ましくは、プログラム可能なコントローラまたはコンピュータによって制御される。

回転するホイールの作業表面上に、リボンのように、成型ノズルから非磁気化された状態のＭＲＦが押し出され成型される。回転するホイールは、流体を作業領域の中に運ぶ。作業領域の中では、流体は磁気化されペースト状の粘度となる。ペースト状のＭＲＦは、磁気流動学的研磨として知られている研磨作業を基板上に対して行っている。作業領域を出ると、ホイール上の流体は再度非磁気化され、再循環および再使用するためにホイールの作業表面からスクレーパーにより取りさられる。

ホイールへの流体放出およびホイールからの回収は、’３６９において言及され開示されているような、閉鎖型流体放出システムによって処理される。ＭＲＦは吸引ポンプによってスクレーパーから利水され、温度が測定され照準調整されるタンクへと送られる。特定の流動率におけるタンクからノズルへの再循環、それによる作業領域の通過は、例えば、加圧式ポンプ、典型的にはぜん動式または遠心ポンプの回転のスピードを合わせることにより達成され得る。ぜん動式ポンプは、拍動性の流れを示すため、ポンプの下流に拍動性ダンペナーのようなものを使用する必要がある。

作業領域に供給されるＭＲＦの流動率は、精密に制御される。流体再循環システム中にはインライン流量計が施工され、コントローラーを経てポンプを制御できるよう接続されている。

流体放出システムの出口には、ホイール表面上に毛管粘度計が設置されている。流量計および粘度計からの出力シグナルは、コンピューター内においてアルゴリズム部へ入力される。当該コンピューターは、ホイールへ放出されるべき正確なＭＲＦの粘度を算出して、目的とする粘度に正確に調整するため、粘度計の前方の混合チャンバー内における再循環ＭＲＦへの担体流体の補給率（使用の際に蒸発によって失われた担体流体）の制御を行う。

Ｊａｃｏｂｓらの特許文献２（‘０６６）には、非磁気特性のドラム内において、非磁気特性の台上にしっかりと設置された軟鉄ＮＳ極リングの極片対を有する、永久磁石リングを備えた磁気流動学的研磨システムが開示されている。なお、当該非磁気特性のドラムは、その外側の表面上に担体表面を備えている。

‘０６６システムの重大な欠点は、円柱状の担体ホイール表面であるため、凹面の表面を研磨することが不可能であることである。

さらなる欠点は、永久磁石では磁場の値がたった一つであるため、磁場強度を変えることによる除去率の制御が不可能であることである。

また、さらなる欠点は、永久磁石の磁場では、流体変更のための装置の洗浄および維持を困難とすることである。

Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉらの特許文献３（‘１０２）は、上述の‘０６６システムを改良しており、水平軸を有する垂直方向に向いた担体ホイールを備える磁気流動学的研磨システムを開示しており、ここに参照として取り込まれる。好ましくは、担体ホイールは球体の赤道の区画であるので、担体表面は球形である。ホイールは一般的にボール形状であり、回転駆動手段に結合した円板を備え、当該円板から側方に広がっている球状表面を保持している。平面のＮＳ極の極片対を有する電磁石は、球体の外被内にあるホイール内に設置され、好ましくはホイールを備える球状部分の外被内に設置される。およそ１２０度のホイールの中心角を超えて磁石が広がると、作業領域の充分に前方、および充分に後方において、ＭＲＦは部分的に硬化した状態を維持する。磁気スクレーパーは硬化状態を緩和させるよう、ホイールからＭＲＦを取りさり、ホイール上での調整および再成型のために、元の流体放出システムに戻す。このようなホイール内における磁石の配置は、担体表面のいずれかの側方上に空間を作り出し、その結果、仕上げ研磨作業の際、ホイール表面の端部より広いような大きな凹面の基板でも収容することが可能となる。磁石の角度の大きさにより、その中心角を延長した上方のホイール上においてＭＲＦが保持されるので、ホイールの下死点またはそれに近い位置の作業領域における、方向づけおよび仕上げ研磨が可能となる。

‘１０２システムの利点は、永久磁石を使用せずに電磁石を使用しており、もう一つの制御パラメーター、すなわち磁場強度を、電磁石に供給される電流のアンペア数を変えることにより、変化させることができるということである。

米国特許第５９５１３６９号明細書 米国特許第５６１６０６６号明細書 米国特許第６５０６１０２号明細書

‘１０２システムの欠点は、増大した電磁石の大きさは（永久磁石と同等の強さと比較して）、球状のホイールの大きさの最小値に制限を課し、従って、仕上げ研磨される凹面の基板の曲率の半径を最も小さく制限する。

このような技術において必要とされるものは、より小さい半径の球状の仕上げ研磨ホイールを有するＭＲＦシステムである。

本発明の主とする目的は、従来技術のＭＲＦシステムで可能であったものよりも、より小さい半径の凹面を仕上げ研磨することである。

本発明のさらなる目的は、磁気システムの大きさにより仕上げ研磨する部分の凹面の半径が制限されない、凹面基板の磁気流動学的研磨システムを提供することである。

また、さらなる本発明の目的は、任意の希望する磁場強度で仕上げ研磨が実行可能であり、永久磁石を用いた基板の磁気流動学的研磨システムを提供することである。

また、さらなる本発明の目的は、磁気流動学的研磨において、メンテナンス費用および電力消費を削減することである。

簡潔に述べると、本発明による基板の磁気流動学的研磨の改良されたシステムは、垂直方向に向いており、ボール形状となっており、かつ水平軸を有している球状の担体ホイールを備える。ホイールは、回転駆動手段と結合した円板を備えており、円板は当該円板から側方に広がっている球状の表面を保持している。ホイールの内部には、ＮＳ極の極片対を有する変動磁場永久磁石システムが設置されている。好ましくは、ホイールは、ホイールによって定められた球状の外被に封入されている。磁石の極片対は、およそ１２０度のホイールの中心角をわたって広がっている。磁気スクレーパーは、ホイールからＭＲＦを取りさる。相対的に小さいサイズの永久磁石の場合には、小さい半径のホイールを利用できるため、担体表面のいずれかの側方上に空間を作り出す。これにより、仕上げ研磨作業の際にホイールの端部を越えて広がっていなければならない急な曲がりの凹面の基板でも、仕上げ研磨に適応させることが可能となる。極片対の角度の大きさにより、その中心角の延長上方のホイール上に、ＭＲＦが保持されている。

変動磁場の永久磁石の磁気システム操作の特徴は、第１および第２の非磁気空間を持つ磁気回路内の永久磁石によって生じた磁気流束の再分布から構成されている。変動磁場の磁気システムは、鉄のような軟磁性材料で作られている二つの極片対を含み、中央を円筒状の空洞が貫ぬく磁気体を規定している。当該二つの鉄の極片対は、ブラス、アルミニウムまたはプラスチックのような非磁気材料によって、第１および第２の空間において接合している。例えば、サマリウム−コバルト、ネジウム−鉄−ホウ素またはセラミック等で形成され、円筒軸に対し垂直に磁気化された円筒状の永久磁石は、空洞の中に挿入される。アクチュエータは、その磁石が回転できるよう、任意の希望する角度に対してほぼ縦軸に取り付けられる。回転動作は、鉄の極片対を通る磁気回路における磁気流束の分布を変える。このように、所望する磁場の強度を供給する角度がどのような角度であっても、永久磁石を回転させ位置を変えることにより、空間における磁場の強度をコントロールすることが可能となる。両空間においても、磁場が効果的に極片上を通過するので、第１の空間の周囲の磁場はホイールの外へ広がっており、ホイールの表面上のＭＲ流体層を通っている。このようにすることから、仕上げ研磨制御において所望するようにＭＲ流体の硬度を変化させることが可能となる。なお、第１の空間から１８０度離れている第２の空間の大きさおよび形状は、第１の空間における磁場の強度に影響を与える。

本発明について、添付の図面の例を参照しながら述べる。
本発明による変動磁場の永久磁石システムを通されコンピュータ化された磁気モデルによって描かれた断面立面図であり、円筒状の永久磁石における磁場が垂直に向いている際の第１および第２の空間におけるゼロ磁場を示している。 図１に示したような断面立面図であり、円筒状の永久磁石における磁場が水平に向いている際の空間における最大磁場を示している。 図１および図２に示したような断面立面図であり、円筒状の永久磁石における磁場が４５度に向いている際の空間における中程度の強度の磁場を示している。 研磨ホイール上方での角度位置の機能としての種々の円筒状の磁石の向きによる、第１の空間でのホイール上方の磁気流束の強度を示すグラフである。 本発明によるＭＲＦ装置の等角図である。 図５において平面６−６に沿った断面図である。 図５において平面７−７に沿った断面図である。 一致する参照符号は、全図面を通して一致する部分を示す。ここにおいて提示される例は、一つの構造における本発明の一つの好ましい実施の形態を描いたものであり、この例は、任意の形態に係る本発明の範囲を限定して解釈することはない。

図１を参照すると、本発明による変動磁場の永久磁石システムは、好ましくは鉄である、軟磁性材料から作られた二つの極片１２、１４を含んでおり、中央を円筒状の空洞１６に貫かれている磁気体１５を規定している。本体の半分の部分となる１２、１４は、ブラス、アルミニウムまたはプラスチックのような非磁気材料によって接合しており、当該半分の部分１２、１４の間の第１の磁気空間１８と第２の磁気空間１９とを規定している。円筒軸２２に対して垂直に磁気化させた円筒状の永久磁石２０は、空洞１６の中に挿入され、軸２２において磁石２０が回転できるよう、アクチュエータ１１０（図５〜７に示す）が取り付けられる。そのような磁石は、例えばＤｅｘｔｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｅｌｋ Ｇｒｏｖｅ Ｖｉｌｌａｇｅ、イリノイ州、ＵＳＡ）のものを利用できる。回転動作は磁気回路における磁気流束２４の分布を変える。図１に示すように、永久磁石の磁場２６が垂直を向いている際には、対向する磁気分路として機能する二つの半分の部分１２、１４の間を、流束２４は均等に分布される。この場合、空間１８、１９における磁場ネットは無い（“オフ”ポジション）。

図２を参照すると、図１において示した位置から９０度追加した位置へ空洞１６内の磁石２０を回転させることによって、永久磁石２０内の磁場２６は水平方向に向き、流束２４は、極片１２、１４間の空間１８、１９を横切る。磁石２０のこのような位置は、空間１８、１９において最大の磁場の強度を作り出すようである（“マックス”ポジション）。

図３を参照すると、永久磁石２０の代表的な中程度の回転位置（磁場の角度＝４５度）では、磁場２６の向きの角度に依存した中程度の磁場の強度３０、３１となった。このように、任意の角度において永久磁石２０を回転および位置取りし、必要とする第１の磁場の強度３０を提供することができる。よって、空間１８、１９それぞれにおいても、磁場の強度３０、３１を制御することが可能となる。

磁場３０は、極片１２、１４の上方（周囲の磁場３２）にも効果的に通っているので、変動磁場３０は担体ホイール（図５〜７以外では示していない）上のＭＲ流体層１１２を通って広がっている。このようにすることで、仕上げ研磨率の制御が望まれる場合において、ＭＲ流体の硬度をコントロール可能に変動できる。

なお、第２の空間１９のジオメトリー（大きさおよび形状）は、第１の空間１８における磁場３０に影響を与えるので、第１の空間１８で所望する磁場の強度を作り出す際には重要なパラメーターとなる。好ましくは、第２の空間１９の機能する幅を、第１の空間１８の幅と同様、またはそれよりも大きくする。

図４には、担体ホイールの円周に沿った磁場強度の代表となる曲線が磁場２６の種々の角度で示されている。当該磁場２６の種々の角度は、図１に示されるように、軸２２を含み、かつ空間１８を横断している平面３６に対して平行である、平面３４から離れている角度のことを表している。このように、曲線４０は図１における９０度の方向を示し、曲線４２は図２における０度の方向を示し、曲線４４は図３における４５度の方向を示し、曲線４６は３０度の方向を示す。

図５ないし７を参照すると、本発明による、基板１０２の改良された磁気流動学的研磨システム１００は、水平軸を有し、垂直方向を向いた担体ホイール１０４を備えている。好ましくは、担体ホイール１０４は球体の赤道の区画にあり、担体表面１０６は球状である。ホイール１０４は、一般的にボウル形状であり、回転駆動手段１１０と結合している円板１０８を備えており、円板１０８から側方に広がっている球状の表面１０６を保持している。ＮＳ極の極片１２、１４を有する変動磁場の永久磁石システム１０は、ホイール１０４の内部に設置され、好ましくは外被１０５によって閉鎖されている。なお、ホイール１０４は、球体に覆われており、好ましくは当該ホイールによって規定される球状の外被に覆われている。好ましくは、極片１２、１４は、約１２０度のホイールの中心角に渡って広がっており、磁気流動学的流体１１２は、完全硬化の作業領域１１４より充分に先に、かつ充分に超えて、部分的に硬化した状態が維持される。磁気スクレーパー１１６は、硬化が緩和されるようホイールからＭＲＦ１１２を取りさり、ホイール上での調整および再加工のための、元の流体放出システム（図示せず）に戻す。相対的に小さい大きさの永久磁石２０の場合、小さいホイールの使用を可能とし、担体表面のいずれかの側方上にスペースを生みだす。これにより、ホイールの端部を越えて広がっていなければならない急な曲がりの凹面、または深い凹面の基板でも、仕上げ研磨に適応させることが可能となる。

上述したように、変動磁場の永久磁石磁気システムの操作の原理は、第１の空間１８および第２の空間１９を含む磁気回路における永久磁石２０によって生じる、磁気流束の再分布から成立している。アクチュエータ１１８は、所望する角度へ磁石および磁気化させた当該軸を回転させるよう取り付けられる。センサ１２０（例えば、ポジショニングポテンショメーター、光学エンコーダ等）は、磁石の角度の測定ができるよう備え付けられる。好ましくは、アクチュエータ１１８を制御するために、磁気流束を測定できるよう、第１の空間１８または第２の空間１９のいずれかにおいて、ホール効果センサまたはその他の適切な装置（図示せず）が取り付けられる。この際アクチュエータ１１８は、所望する磁気強度に合わせるため、一般的なプログラム可能である制御手段（図示せず）を通るセンサ１２０を含む、一般的なフィードバックループを通過する。

本発明の種々の具体的な実施の形態が参照により記述された一方、記述された本発明の概念の意図および範囲内において、多くの変形をつくることが可能であると理解すべきである。従って、本発明は記述された実施の形態には限定されないことを意図しているが、請求項の言葉によっては充分な範囲にて規定されるだろう。

１０ 変動磁場の永久磁石システム
１２ 第１の極片
１４ 第２の極片
１５ 磁気体
１６ 円筒状の空洞
１８ 第１の磁気空間
１９ 第２の磁気空間
２０ 円筒状の永久磁石
２２ 円筒軸
２４ 磁気流束
２６ 永久磁石の磁場
３０ 第１の磁場の強度
３１ 第２の磁場の強度
３２ 周囲の磁場
３４ 軸２２を含み、かつ平面３６に対して平行である平面
３６ 空間１８を横断している平面
４０ ９０度での曲線
４２ ０度での曲線
４４ ４５度での曲線
４６ ３０度での曲線
１００ 磁気流動学的研磨システム
１０２ 基板
１０４ 担体ホイール
１０５ 外被
１０６ 担体表面
１０８ 円板
１１０ 回転駆動手段
１１２ ＭＲ流体層
１１４ 作業領域
１１６ 磁気スクレーパー
１１８ アクチュエータ
１２０ センサ

Claims (9)

1. ａ）軟磁性材料から形成され、接合して磁気体を規定し、それらの対向する端部の間には第１の空間および第２の空間が形成され、前記磁気体内に円筒状の空洞が形成されている、第１および第２の極片と、
   ｂ）その縦軸に対して垂直に磁気化され、前記円筒状の空洞内において回転可能に配置される、円筒状の永久磁石と、
   を備えることを特徴とする、磁場の強度を制御可能に変動する、永久磁石システム。
2. 前記軟磁性材料は鉄であることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石システム。
3. 前記円筒状の永久磁石は、希土類元素を含む材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石システム。
4. 前記永久磁石は、サマリウム、コバルト、ネオジム、鉄、ホウ素およびセラミックからなる群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項３に記載の永久磁石システム。
5. 前記極片の前記対向する端部の間の前記第２の空間の幅は、短くとも前記第１の空間の幅と等しいことを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石システム。
6. ａ）担体ホイールと、
   ｂ）前記担体ホイールを作動させる回転手段と、
   ｃ）前記担体ホイールに近接して配置され、軟磁性材料から形成され、接合して磁気体を規定し、それらの対向する端部の間には第１の空間および第２の空間が形成され、前記磁気体内に円筒状の空洞が形成されている、第１および第２の極片と、
   ｄ）その縦軸に対して垂直に磁気化され、前記円筒状の空洞内において回転可能に配置される、円筒状の永久磁石と、
   を備えることを特徴とする、基板の磁気流動学的研磨システム。
7. 前記第１および第２の極片内における磁気流束の方向および密度を変化させることにより、前記第１の空間および前記第２の空間の内部における磁場強度を変化させ、
   前記軸において前記円筒状の永久磁石を選択的に回転できるよう、前記円筒状の永久磁石と操作的に結合されるアクチュエータ手段をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. ａ）前記第１の空間および前記第２の空間における、前記円筒状の永久磁石の角度位置を決定する第１の感知手段と、
   ｂ）前記アクチュエータ手段と結合しており、前記第１の感知手段からのシグナルに反応する制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１の空間および前記第２の空間の少なくとも一つの内部の磁場強度を決定するため、前記制御手段と結合している第２の感知手段をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。

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