JP2021074831A - 結晶材料の研磨方法及びファラデー回転子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】厚さのバラつきを抑えることができる簡便な結晶材料の研磨方法、及びファラデー回転子の製造方法を提供する。【解決手段】結晶材料２を鏡面に研磨するに際し、鏡面研磨加工する手段として両面研磨加工を用い、該両面研磨加工の際に用いるワークキャリア１の厚さと、該両面研磨加工後の結晶材料２の目標厚さとの差を５０μｍ以下とする結晶材料２の研磨方法、及び該研磨方法を実施する工程を含むファラデー回転子の製造方法。【選択図】図３

Description

本発明は、結晶材料の研磨方法及びファラデー回転子の製造方法に関し、詳しくは、平板状の結晶材料の両面を鏡面研磨する研磨方法、及び光アイソレータ等に用いられるファラデー回転子の製造方法に関する。

光通信システム等では、レーザ光源から発振した伝送光が、光通信路中の各種の光伝送部品の入射面等で反射し、その反射光がレーザ光源まで達することがある。反射光は、光源の発光作用を乱し、しばしばノイズを生じさせる。

このような問題を防ぐため、光アイソレータと呼ばれる部品が用いられる。光アイソレータは、光源と光伝送部品との間に設けられ、伝送部品の方に進む光だけを透過させ、光源方向に向かう反射光を選択的に遮断するものである。

例えば、偏波依存型光アイソレータの構造は、入射側に偏光子が設けられ、出射側には検光子が設けられている。ファラデー回転子は、偏光子と検光子との間に配置され、入射した光の偏光面を４５度回転させるものである。また、偏光子と検光子は、互いに偏光方向が４５度異なって配置されている。

光アイソレータに入射した光は、偏光子を通過し、ファラデー回転子によって偏光面が４５度回転する。この回転により、光の偏光面が検光子の偏光面と一致するので、光は検光子を通過することができる。また、反射光は、逆方向から検光子に入射した後、ファラデー回転子に入射する。反射光はファラデー回転子により偏光面が４５度回転して、偏光子の偏光面と直交するので、偏光子を通過することができなくなる。

光アイソレータに用いられるファラデー回転子の製造は、結晶材料の切り出し（ダイサー加工）、ラップ加工、研磨加工等の工程が含まれる。なかでも、研磨加工の工程では、伝送光を散乱させないための鏡面加工が必須であり、かつ、偏光面を正確に４５度回転させるための厚さに均一に削り込むこと、が重要となる。

この研磨加工工程では、スラリーと研磨パッドを用いた化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）で鏡面仕上げを行うことが一般的であり、研磨加工手段としては、石英定盤などに加工対象物（ワーク）である結晶材料を固定して片面ずつ研磨する片面研磨法と、両面研磨装置のワークキャリアに作られたポケットに結晶材料をはめ込み、上下定盤で挟み、上下定盤を回転させて結晶材料の両面を同時に研磨する両面研磨法とがある。

このＣＭＰにおいては、研磨中に結晶材料の端部が中央部に比べて過剰に研磨されることによる、結晶材料の端部のフラットネス（平坦度）の悪化（面ダレ）が問題となる。面ダレとは、端部が過剰に研磨されて中央部よりも薄くなる、平坦度の劣化現象である。この面ダレの部分をいかに平らにするかで結晶材料全体の平坦度特性が決まってくる。また、この面ダレはＣＭＰに要求される端部形状の点でも問題である。 前述の外周ダレは、研磨布の変形による研磨圧力の増加が原因で、ウェーハの外周部分が余分に研磨され平面とならず、丸み、曲率がついた部分である前述の外周ダレは、研磨布の変形による研磨圧力の増加が原因で、ウェーハの外周部分が余分に研磨され平面とならず、丸み、曲率がついた部分である。前述の外周ダレは、研磨布の変形による研磨圧力の増加が原因で、ウェーハの外周部分が余分に研磨され平面とならず、丸み、曲率がついた部分である。前述の外周ダレは、研磨布の変形による研磨圧力の増加が原因で、ウェーハの外周部分が余分に研磨され平面とならず、丸み、曲率がついた部分である。前述した片面研磨法では、結晶材料を定盤に貼り付け固定することから、ダミー材料を前記結晶材料周辺に密着固定させることで、結晶材料自身の角部が直接研磨されることを防ぎ、面ダレを防ぐことが可能である。

しかし、片面研磨法では、片面ずつ研磨加工するため、結晶材料表面の研磨後に裏面研磨のための貼り換え作業が必要であり、工数の増加と、結晶材料の水平度の悪化（厚さのバラつき）が問題となる。

一方で、両面研磨加工では、両面同時に研磨加工することが可能であり、優れた平行度を持った結晶材料を得るための研磨加工を効率よく行うことができる。

しかし、結晶材料をワークキャリアのポケット（ワーク保持孔）にはめ込み加工するため、結晶材料の角部も研磨加工され、大きな面ダレが発生してしまい、例えば、中央部と端部で２．０μｍを超える厚さの差が発生してしまう。

結晶材料の面ダレの改善に関連する従来技術の一例としては、上下に設けられた一対の定盤の間に被加工ウェハ基板を設置し、前記一対の定盤の間に砥粒を分散させたスラリーを供給しながら前記一対の定盤を各々回転させて前記被加工ウェハ基板の両面を同時に研磨する両面研磨工程を有するウェハ基板の製造方法であって、前記両面研磨工程において、前記一対の定盤の一方の定盤と他方の定盤の前記被加工ウェハ基板と接触する部分の表面材質を異なる材質とし、表裏の表面粗さが異なるウェハ基板を一度の研磨で得る面ダレの少ない平坦性に優れた片面鏡面ウェハを再現性良く提供できるウェハ基板及びその製造方法方法が報告されている（特許文献１）。

特開２０１３−２２０５１６号公報

上記のように、ファラデー回転子の材料となる結晶材料に対して、研磨加工において面ダレが生じると、その結晶材料の厚さのバラつきが、ファラデー回転角のバラつきとなり、結局のところ、ファラデー回転子の品質低下の原因となってしまう。

したがって、本発明の目的は、結晶材料の厚さのバラつきを抑えることができる簡便な結晶材料の研磨方法、及びファラデー回転子の製造方法を提供することである。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、平板状の結晶材料の両面を鏡面研磨加工する際、両面研磨法を用い、両面研磨装置のワークキャリアの厚さと、該両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下にすることで、結晶材料の中央部と端部との厚さの差を２．０μｍ以下に抑えることができ、さらに、前記両面研磨加工において用いる研磨パッドに、その沈み込み量（圧縮率（％）×パッド厚さ（ｍｍ）×１／１００）が０．０４ｍｍ以下であるものを用いることで、結晶材料中央部と端部との厚さの差を１．０μｍ以下に抑えることが可能であることを発見し、かかる発見に基づき、本発明を完成するに至った。

本発明の上記課題は、以下の手段によって解決された。
［１］結晶材料を鏡面に研磨するに際し、鏡面研磨加工する手段として両面研磨加工を用い、該両面研磨加工の際に用いるワークキャリアの厚さと、該両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下とすることを特徴とする結晶材料の研磨方法。
［２］ 前記両面研磨加工の際に用いる研磨パッドは、その沈み込み量（圧縮率（％）×パッド厚さ（ｍｍ）×１／１００）が０．０４ｍｍ以下である前記［１］に記載の研磨方法。
［３］前記［１］に記載の研磨方法による両面研磨加工後の結晶材料は、その中央部と端部の厚さの差が２．０μｍｍ以下である前記［１］に記載の研磨方法。
［４］前記［２］に記載の研磨方法による両面研磨加工後の結晶材料は、その中央部と端部の厚さの差が１．０μｍｍ以下である前記［２］に記載の研磨方法。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかに記載の研磨方法を実施する研磨工程を含むことを特徴とするファラデー回転子の製造方法。
［６］前記ファラデー回転子は、その中央部と端部の厚さの差が２．０μｍｍ以下であり、かつ、５．０ｍｍ□から１６．０ｍｍ□の大きさである前記［５］に記載の製造方法。

本発明の結晶材料の研磨方法を用いることで、該結晶材料の端部を含めた厚さのバラつきを抑えることができる。その結果、この研磨方法を適用してファラデー回転子を製造すれば、均一なファラデー回転角を持った高品質なファラデー回転子を効率よく簡便に製造することが可能となる。

面ダレとワーク飛び出し量との関係を示したグラフ図である。 面ダレと研磨パッドの沈み込み量との関係を示したグラフ図である。 両面研磨加工の一例を示した縦断面模式図である。

本発明の結晶材料の研磨方法、及び本発明のファラデー回転子の製造方法における研磨工程（本発明の研磨方法を実施する工程）では、両面研磨法を用いて両面研磨加工を行う。図３は、その両面研磨加工の一例を示した縦断面模式図である。両面研磨法は、両面研磨加工の際に用いる両面研磨装置のワークキャリア１（ワーク保持孔）にファラデー回転子となる平板状のワーク（結晶材料）２をセットし、上下定盤には研磨パッドを貼り付け、ワークキャリア１及びワーク２を、研磨パッドを貼り付けた上定盤３、及び研磨パッドを貼り付けた下定盤４で挟み回転させ、上定盤３と下定盤４の間隙にスラリー（研磨剤）を供給しながら、該ワーク両面を同時に研磨する方法である。

この両面研磨加工の際、用いるワークキャリアの厚さと、該両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下とすることで、結晶材料の中央部と端部（外周部）の厚さの差を２μｍ以下にすることができる。本発明では、平板状の結晶材料の厚さ、特にファラデー回転子用の結晶材料の厚さのバラつきを抑えるため、ワークキャリアと結晶材料との厚さの差に着目し、この厚さを５０μｍ以下の範囲に設定するという、新たな構成を採用したことによって、結晶材料の面ダレを防ぎ、平坦度を格段に向上させることができる。

本発明において、ワークキャリアの厚さと、両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さとの差とは、式：（両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さ）−（ワークキャリアの厚さ）（両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さ≧ワークキャリアの厚さの場合）又は（ワークキャリアの厚さ）−（両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さ（ワークキャリアの厚さ≧両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さの場合）で算出される値、すなわち、ワークキャリアの厚さと、両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さとの差の絶対値である。したがって、本発明は、ワークキャリアの厚さと、予め設定した結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下に設定するが、これは結晶材料の目標厚さがワークキャリアの厚さよりも０〜５０μｍ厚い場合と、ワークキャリアの厚さが結晶材料の目標厚さよりも０〜５０μｍ厚い場合の両方を包含する。

前述したように、本発明の研磨方法は、ワークキャリアの厚さと、予め設定した結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下とし、好ましくは４０μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下に設定する。こうすることにより、結晶材料の中央部と端部の厚さの差を２μｍ以下にすることができ、結晶材料の平坦度を大幅に向上させることが可能になる。ここで、結晶材料の端部とは、平板状の結晶材料の外周から５μｍ程度内側の領域を意味し、結晶材料の中央部とは、結晶材料の表面において前記端部を除いた部分を意味する。前記結晶材料の中央部と端部の厚さは、結晶材料の中央部の複数の箇所での厚さの平均値と端部の厚さの最小値の差として定義される。ワークキャリアの厚さと、結晶材料の目標の厚さとの差は、レーザー変位計等を使用して求めることができる。

本発明では、前述したように、ワークキャリアと結晶材料との厚さの差を５０μｍ以下に設定することに加えて、さらに研磨パッドに、その沈み込み量（圧縮率（％）×パッド厚さ（ｍｍ）×１／１００）が０．０４ｍｍ以下、特には０．０３ｍｍ以下の範囲内にあるものを用いることが好ましい。これにより、研磨パッドの結晶材料への接触が良好となり、その結果、ワークキャリアの厚さと、結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下にするだけでは達成が容易とはいえなかった、研磨後の結晶材料の中央部と端部の厚さの差を１μｍ以下にすることができ、結晶材料の平坦度をさらに大幅に向上させることが可能になる。

前記沈み込み量を規定する因子の１つである前記圧縮率（％）は、日本工業規格（ＪＩＳ Ｌ １０２１−６）に従って、所定の圧縮試験機及び厚さ測定器を使用して求めることができる。具体的には、試験片の中央部分の ２．０ｋＰａ±０．２ｋＰａの標準圧力下での厚さｔ₀（ｍｍ）、この試験片の中央部分に ９８ｋＰａ の一定圧力を加え、５分経過後の厚さｔ₁（ｍｍ）を測定し、以下の式：圧縮率（％）＝（ｔ₀−ｔ₁）／ｔ₀×１００により算出することができる。

本発明の研磨方法において加工対象物（ワーク）となる結晶材料は特に制限されない。また、本発明のファラデー回転子の製造方法において加工対象物となる結晶材料もファラデー効果を示す材料であれば、特に制限はないが、大きなファラデー効果を示す希土類鉄ガーネット結晶であることが好ましい。前記結晶材料は、多結晶のセラミックスでもよく、単結晶でもよい。

本発明のファラデー回転子の製造方法は、特に、平板状の結晶材料の表面を鏡面仕上げし、所望の厚さに調整することを目的とした研磨工程に関するものであり、具体的には、前述した本発明の結晶材料の研磨方法を実施する工程を特徴として含むものであるが、さらに、ファラデー回転子を製造する際の工程が必要に応じて追加され、例えば、結晶材料を所望のサイズに切り出すダイサー工程や、研磨工程の前工程として、ハンドラップ工程、ラップ工程等を含んでもよい。また、ファラデー回転子の表面に反射防止膜を設ける工程を追加してもよい。

前述したダイサー工程、ハンドラップ工程、ラップ工程、反射防止膜の成膜工程等における各種条件は、用いる材料等に応じて、適宜設定すればよく、特に制限はない。

本発明の結晶材料の研磨方法、及びファラデー回転子の製造方法によって得られる結晶材料、及びファラデー回転子の大きさは特に限定されないが、５．０ｍｍ□から１６．０ｍｍ□の範囲が本発明の効果を得る上で特に好ましい。なお、製造されたファラデー回転子は光アイソレータに搭載されるサイズに適宜カットされて用いられる。

（実施例１）
液相エピタキシャル法によってビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を作製した。このビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶をダイサー加工して、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍの平板状のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を３０枚切り出した。次に、前記平板状のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶に、両面ラップ加工を施した。このとき、２０００番の砥粒を使用して、目標厚さ５４０μｍよりも２４μｍ厚い５６４μｍになるように加工した。

次に、前記両面ラップ加工を施した平板状のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶に対して、両面研磨装置（浜井産業社製、両面研磨機３ＢＦ（製品名））を用いて、両面研磨加工を行った。研磨パッドにはフジボウ愛媛社製ＦＰ８０（製品名）を用いた。このパッドの沈み込み量（圧縮率（％）×パッド厚さ（ｍｍ）×１／１００）は０．０６ｍｍであった。ワークキャリアは５２０μｍの厚さの物を用いた。１次研磨として１６μｍ研磨加工を行った。次に、前記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の両面全面が鏡面になっていることを確認し、ファラデー回転角を測定したところ、４５．７ｄｅｇであったため、追加で８．０ｕｍ研磨し、再度ファラデー回転角を測定したところ、４５．０ｄｅｇであった。

上記両面研磨加工の結果、３０枚の１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶ウェハを得ることができた。このうち１枚をレーザー変位計（キーエンス社製）にてワーク端部から中央部にかけて高さ測定を実施したところ、（中央部の厚さ−端部の厚さ）（面ダレ）は１．３μｍであった。

（実施例２）
実施例１と同様にダイサー加工までを実施し、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍの平板状のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を２７枚切り出した。そして、実施例１と同様に両面ラップ加工を行い、目標厚さ５３８μｍよりも２４μｍ厚い５６２μｍになるように加工した。

次に、実施例１と同様に両面研磨加工を行い、研磨パッドにはフジボウ愛媛社製ＦＰＫ５６（製品名）を用いた。このパッドの沈み込み量は０．０４ｍｍであった。ワークキャリアは５２０μｍの厚さの物を用いた。１次研磨として１６μｍ研磨加工を行った。次に、前記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の両面全面が鏡面になっていることを確認し、ファラデー回転角を測定したところ４５．７ｄｅｇであったため、追加で８．０ｕｍ研磨し、再度ファラデー回転角を測定したところ、４５．０ｄｅｇであった。

上記両面研磨加工の結果、２７枚の１１．０×１１．０ｍｍビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶ウェハを得ることができた。このうち１枚について、実施例１と同様に面ダレを測定したところ、０．５ｕｍであった。

（比較例１）
実施例１と同様に両面ラップ加工まで実施した。ワークの目標厚さは５３８ｕｍであった。そして、実施例１と同様に両面研磨加工を実施したが、研磨パッドはフジボウ愛媛社製ＦＰ８０（製品名、沈み込み量０．０６ｍｍ）、ワークキャリアは３６５ｕｍの厚さの物を用いた。得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶ウェハの１枚について、実施例１と同様に両面研磨加工後の面ダレを測定したところ、３．０ｕｍであった。

（ワーク飛び出し量の評価）
比較例１と同様に、研磨パッドにフジボウ愛媛社製ＦＰ８０（製品名）を用い、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶ウェハの目標厚さ（ワーク厚）とワークキャリア厚との差（ワーク飛び出し量）をいくつかの組み合わせの条件下で実施し、各条件での面ダレ量を測定した結果を図１にまとめた。

（評価結果）
図１からわかるように、ワーク飛び出し量が５０ｕｍ以下となるワーク厚とワークキャリア厚との組み合わせで研磨することで、面ダレを２ｕｍ以下に抑えることができる。

（研磨パッドの沈み込み量（＋ワーク飛び出し量）の評価）
実施例１と同様に両面ラップ加工まで実施した。ワークの目標厚さは５４０ｕｍであった。そして、前記両面ラップ加工を施した平板状のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶に対して、実施例１と同様に両面研磨加工を実施したが、ワークキャリアは５１０ｕｍの厚さの物を用い、研磨パッドの沈み込み量を、０．０６１、０．０５５、０．０４５、０．０３９、０．０３５、０．０３０ｍｍの６種類に振り分け、それぞれについて両面研磨を行った。次いで、両面研磨加工後の面ダレを測定し、その結果を図２にまとめた。また、ワーク飛び出し量１００ｕｍ、沈み込み量０．０３９ｍｍの両面研磨加工も行ったが、面ダレは１．４ｕｍであった。結果を図２にまとめた。

（評価結果）
図２に示された結果より、面ダレ１．０ｕｍ以下を達成する条件として、ワークの飛び出し量 ５０ｕｍ以下、かつ、研磨パッドの沈み込み量０．０４ｕｍ以下の両方が必要であることがわかる。

１ ワークキャリア
２ ワーク
３ 上定盤＋研磨パッド
４ 下定盤＋研磨パッド

Claims (6)

1. 結晶材料を鏡面に研磨するに際し、鏡面研磨加工する手段として両面研磨加工を用い、該両面研磨加工の際に用いるワークキャリアの厚さと、該両面研磨加工後の結晶材料の目標厚さとの差を５０μｍ以下とすることを特徴とする結晶材料の研磨方法。
2. 前記両面研磨加工の際に用いる研磨パッドは、その沈み込み量（圧縮率（％）×パッド厚さ（ｍｍ）×１／１００）が０．０４ｍｍ以下である請求項１に記載の研磨方法。
3. 請求項１に記載の研磨方法による両面研磨加工後の結晶材料は、その中央部と端部の厚さの差が２．０μｍｍ以下である請求項１に記載の研磨方法。
4. 請求項２に記載の研磨方法による両面研磨加工後の結晶材料は、その中央部と端部の厚さの差が１．０μｍｍ以下である請求項２に記載の研磨方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の研磨方法を実施する研磨工程を含むことを特徴とするファラデー回転子の製造方法。
6. 前記ファラデー回転子は、その中央部と端部の厚さの差が２．０μｍｍ以下であり、かつ、５．０ｍｍ□から１６．０ｍｍ□の大きさである請求項５に記載の製造方法。
   

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