JP4009237B2 - 半導体ｃｍｐ加工用パッドの細溝加工機械 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ＣＭＰ加工（Ｃhemical-Ｍechanical Ｐolishing) 用パッドに多数の細密な溝または穴を能率よく加工する加工機械に関するものである。

半導体のＣＭＰ加工に用いる樹脂板として硬質発泡ウレタン板材が多用され、これを所定形状に切断した発泡ウレタンパッドに多数の同心円状または碁盤目状の細密な溝を形成するには、機械加工法、金型による形成法、モールデイング法等が提案され、それぞれについて改良が加えられてきた。
しかしながら、発泡ウレタンパッドをＣＭＰ加工に使用するに際しては外形寸法の大きいものに細密な溝寸法と多くの溝数を加工したものが必要であり、溝の寸法精度と溝形状の均整度も高いものが求められている。

ここで多数の同心円状又は碁盤目状の細密な溝について説明する。
図２１（ａ）は、パッドの部分であって同心円状に形成した細溝の上面図、（ｂ）は溝の断面図である。円板の直径は２５０ｍｍ乃至１０００ｍｍの範囲であり溝のピッチ，溝形状の具体例は（ｂ）に図示する通りである。
図２２（ａ）は、碁盤目状に形成した細溝の上面図、（ｂ）は溝の断面図である。円板の直径は２５０ｍｍ乃至１０００ｍｍの範囲であり溝のピッチ，溝形状の具体例は（ｂ）に図示する通りである。
なお、特許文献は、出願当初の明細書（特願２０００−１９１２４２）に先行技術文献を記載していない。

従来、同心円状の溝の加工は、旋盤の機能を有する加工機にあってはパッドを取り付ける回転面板があり、溝のピッチ方向に送って位置決めし、溝の深さ方向に切り込むことが可能な刃物台に旋削工具を取着し加工する。このような機械を用いる場合は、薄い発泡ウレタンパッドを均一な力で回転面板上に固定することは困難であり、溝の深さ方向の微少量切り込みをバイト刃先に与えることが難しい。

また、碁盤目状の溝の加工をする場合バイトを直線送りして平行な多条溝の加工をマシニングセンタ又はプレーナ等に割出し回転テーブルを設けて回転工具または切削工具を用いて加工することも可能である。

しかしながら、従来技術において述べた従来の汎用加工機である旋盤やマシニングセンタ等を使用して半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドを加工する場合、被削材が高分子材であり金属を加工する場合と異なる特別な条件が加わる。薄い半導体ＣＭＰ加工に使用するパッド上の殆ど全表面に同心円状又は碁盤目状溝を刻設するために、外縁で被削材を固定するのみでは被削材の中央部分を加工する時に変形を生じ、寸法精度の高い溝を加工することができないという問題を有する。

また、半導体ＣＭＰ加工に使用するパッド上に溝を加工する場合に、材質による硬度の差が多様で、溝が同心円状や直線からなる碁盤目状であったりするので切削する際に加工工具を選択できる自由度の幅が狭く、切削工具の切り換えが容易でないという問題を有する。また、汎用の加工機の殆どは金属を被削材としているので加工機全体が重厚に構成され、テーブルの送り・刃物台の送り・刃物の切り込みを構成する機械要素が半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドを加工するには過剰な剛性を有する。そのため直線溝をテーブル移動で加工するとき、その分、加工動作の切り換えに多くの作業時間を必要とし無駄時間が多いという問題を有する。また、汎用機の直進テーブル・回転テーブルでは位置決めに対する応答速度が悪く、その慣性のために高速化できないので作業能率が悪いという問題を有する。

また、被削材の材質が高分子物質であるため切削による摩擦で高電圧のマイナス帯電をし、粉状の切粉が工具や被削材表面および加工された溝の中や溝壁に付着しがちで、溝の切削性を低下させ溝の仕上がり精度の低下、溝形状の均整度を低下させるという問題を有する。また、被削材が高分子物質であるため従来の刃先のままの旋削用バイト，溝フライスカッタ，穴あけ用ドリルでは溝の仕上がり形状が良好でないという問題を有する。

本発明は従来の汎用加工機械を用いて半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドを加工する場合に生ずる前述の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドを回転テーブル上に回転中も歪みの出ない一様な吸引力で吸引する吸着盤を設けて、加工時に被削材が移動しないようにして溝を精度よく加工するようにし、回転テーブルにガントリ形コラムを跨設して、このガントリ形コラムのビーム上に案内されるサドルを設け、該サドル上に設けた刃物台に溝加工用刃物を設けることにある。

その結果、半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドに適宜同心円状又は碁盤目状の溝加工の選択が可能であり、加工に適した専用の溝加工刃物を用いることにより溝形状が加工の初めから終わりまで均一で正確な溝加工が可能である。回転テーブルを中心にして、加工用刃物をガントリ形コラムに設けて刃物の送りと切り込みを行うので設置面積が小さくても加工領域が広い加工機を構成することが可能となった。

また、多刃刃物で効率良く多条溝を加工することができる。

上記目的を達成するために為された請求項１に記載の本発明は、半導体ＣＭＰ加工に使用する高分子材料製パッドの細溝加工機械であって、ベッドと、該ベッドに鉛直のＺ軸回りで回転可能に軸承されて、水平のＸ軸方向及びＹ軸方向で位置固定に配設され、前記パッドを載置して吸着する水平の吸着面板を設けた円テーブルと、該円テーブルをＺ軸回りで回転させる回転駆動機構と、前記円テーブルをＺ軸回りで位置決めする固定機構と、前記ベッド上において前記円テーブルを跨いで設けられたクロスレールを有しており、Ｘ軸方向に移動可能とされたガントリ形コラムと、該ガントリ形コラムにおいて前記クロスレール上をＹ軸方向に移動可能に設けられたサドルと、該サドル上でＺ軸方向で移動可能に載置された刃物台と、該刃物台に装着された固定工具であって、一体的な板形状を有しており下端縁部には０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの刃幅を有する切刃の複数が等ピッチで配列されている多刃工具と、該多刃工具による切削箇所から空気を吸引する切粉排出用の吸い込みノズルと、前記ガントリ形コラム、前記サドルおよび前記刃物台をそれぞれ移動させる刃物移動モータとを、含んでなり、前記回転駆動機構による前記円テーブルの回転状態と前記固定機構による該円テーブルの固定状態とでそれぞれ異なる切削加工を行うことが出来るようになっており、前記円テーブルの吸着面板上に載置して吸着した前記パッドを前記回転駆動機構でＺ軸回りに回転させた該円テーブルの回転状態では、前記多刃工具をその複数の前記切刃が該円テーブルの回転方向に直交する方向で配列する状態でＸ軸方向及びＹ軸方向で位置決めすると共にＺ軸方向で移動させて切り込みして複数条の周溝を該パッドの表面に同時に切削形成する加工を行う一方、前記円テーブルの吸着面板上に載置して吸着した前記パッドを前記固定機構でＺ軸回りに固定した該円テーブルの固定状態では、前記刃物移動モータでの前記サドルの移動により前記多刃工具をその複数の前記切刃の配列方向に対して直交するＹ軸方向に直線的に移動させて複数条の直線溝を該パッドの表面に同時に切削形成する加工を行うようになっていることを特徴とする半導体ＣＭＰ加工用パッドの細溝加工機械である。

請求項１の発明によれば、半導体ＣＭＰ加工用のパッドの細溝加工機械は、被削材が板材なので円テーブル上に固定するための吸着面板を備え、溝の切削手段として、ガントリ形コラムにＹ軸制御されるサドルと、このサドルにＺ軸制御される刃物台を設け、固定工具としての特定の多刃工具を着脱自在に設けたものである。

また、本発明に含まれる第一の態様としては、例えば、前記工具・パッドおよび切粉に帯電した静電気を中和するイオンを発生する装置と、イオンを前記多刃工具の近傍から刃先に向けて空気と共に噴出する装置とを含んでなり静電気により工具並びにパッドに付着する切粉を中和して分離するようにした態様が好適に採用され得る。

本発明の半導体ＣＭＰ加工パッド用の細溝加工機械およびイオンブローによる細溝加工による効果は次のとおりであり、多孔質でかつ軟質の半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドの加工に際し次に記載する効果を奏する。

請求項１に記載の発明は、同心円状や碁盤目状の細溝加工または円形溝と直線溝を組み合わせた細溝、更にこれらに細穴加工を随時付加する加工が刃物台の選択，多刃工具の交換で同一機械で効率良く加工が可能である。
また、半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドという多孔質でかつ軟質の被削材に細溝を加工するのに適した切刃を有するバイトを使用することにより溝形状の正確な多数の半導体ＣＭＰ加工に使用するパッドの加工が可能となった。
また、要求される加工精度と許容される操作性の限度によっては、駆動されるモータの回転精度や統括制御の程度に応じ数値制御装置に代替えしてプログラム可能なシーケンスを用いることが可能である。コスト面で優位性がある。

また、例えば、本発明に含まれる第一の態様によれば、パッドの加工時にパッド及び切粉が帯びる静電気を有効に中和させて刃先や溝の近傍および被削材の表面に付着しないようにすることが可能である。イオンブローすることにより切粉の排除が容易となり付着する切粉による溝形状の加工不良がなくなるので均整な溝加工が可能となる。

本発明に係る半導体ＣＭＰ加工用パッドの細溝加工機械は次の構成からなる。（イ）円テーブル（Ｃ軸）
（ロ）ガントリ形コラム（Ｘ軸）
（ハ）クロスレール上に設けた２系統のサドル（Ｙ１，Ｙ２軸）
（ニ）左右のサドルそれぞれに設けた刃物台（Ｚ１，Ｚ２軸）
（ホ）モータ駆動と制御軸とを統括制御する数値制御装置
該細溝加工機械に、
（ヘ）帯電防止用イオンブロー装置
（ト）固定工具（旋削工具・パッド切断工具）
（チ）回転工具ユニット（溝フライスカッタ，ドリル）
等の装置を付加して使用することにより半導体ＣＭＰ加工用パッドの加工精度，加工能率が一層向上する。

次に当該細溝加工機械の構成について順次図面にもとづき説明する。
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は細溝加工機械の全体構成を示している。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）において、Ｃ軸制御される水平な円テーブル１，ベッド３にはクロスレールで連結された左右のコラム４Ａ，４Ｂが水平な第１ガイド５Ａ，５Ｂで案内され、同期駆動されるねじ軸６Ａ，６ＢでＸ軸制御されるガントリ形コラム１１、クロスレール７上に設けられる二つのサドル８Ａ，８Ｂを共通に移動可能に案内する水平な第２ガイド９Ａ，９ＢとそれぞれをＹ軸制御する第２ガイドと平行なねじ軸１０，１４が示されている。サドル８Ａ，８Ｂのそれぞれに設けられた刃物台１８，１９をＺ軸方向にねじ軸１２Ａ，１２Ｂで駆動するモータ１３Ａ，１３Ｂが設けられている。

（イ）円テーブル（Ｃ軸）
図２は円テーブル１，ハウジング２の断面、円テーブル１の駆動部及び円テーブル１の上面に半導体ＣＭＰ加工に使用する発泡ウレタンパッド１５を吸引するための負圧発生用のサクションブロワ２５の配置図、図３は円テーブル１をＣ軸制御して位置を角度割出した後、溝加工前に円テーブル１の割出し位置を位置決めする固定部材の断面図、図４はサクション効果を一様にするために円テーブル１に刻設された空気の流路を示す平面図、図５は円テーブル１の吸着面板１６で、発泡ウレタンパッド１５を裏面からの吸引力を均一にし、かつ上面の溝加工時の応力に対する変形がないように表面の微細溝と貫通穴を設けた吸着面板１６の上面図である。

図２において、発泡ウレタンパッド１５を吸引して固定する空気穴と溝が刻設された吸着面板１６で上面を覆い、中に空間１ｂが形成される円テーブル１は、軸芯の穿設孔１７ｂを通って空気導通可能な中空中心軸１７の上部端面がラッパ形に大きく開き、そのフランジ面１７ａで支えられ一体に固定されている。
中空中心軸１７は、円テーブル１の外径と端面の振れを極めて少なくするために上部の軸受３３と下部の軸受３４の形式・寸法・精度級が選択されハウジング２に構成されており、該ハウジングはベッド３に固定されている。中空中心軸１７は軸下端部に伝導部材が軸着されており、座３ａに固定されたＣ軸制御用の回転駆動機構としてのモータ２１で駆動される。伝導部材はプーリ２２，２３およびベルト２４が図示されているが歯車伝導によっても良い。中空中心軸１７が回転中も吸引力を維持しつづける必要があり、ベッド３に設けたブロワ２５と中空中心軸１７の下端穴との間は、座３ｂに取着した支え２６で支持されるカップリング２７，ホース２８等で結合されている。

図３において、円テーブル１はＣ軸制御により所定の位置に角度割出しを行って、溝加工をする前に円テーブル１が所定位置に固定される。そのため、中空中心軸１７に固定されて回転する円板３０上の突出子３１を固定したセンサ３２で位置を検出する〔図２参照〕。碁盤目状の細溝加工の場合にはセンサ３２の配置により４５度ごとの位置を検知可能とし９０度の旋回位置で固定して加工する。固定機構としての位置固定部材３８として、円テーブル１の下面に位置決め用のテーパ穴付のブッシュ３５を割出し位置に設け、ベース３上に先端にテーパ軸３６を有するピストン部材３７を用いて位置決めする。該ピストン部材は空圧式若しくは油圧式または電磁式のいずれでも良い。位置固定部材はテーパ軸３６の使用に限定されない。カービックカップリングを使用して４５度以下の割出しをすることも可能である。

図４（ａ）は円テーブルの上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図４において、円テーブル１は急速な起動か停止ができるように材質は軽金属の例えばアルミニューム合金系のなかから選定することが容易である。経年使用による歪みが生じず、かつ熱変形しにくい材質が選ばれる。円テーブル１には中空中心軸１７と導通する空気の導通穴１ａが複数設けられている。溝幅は加工により自在に形成することができる。
図４（ａ）に示す円テーブル１の実施例では、空気の導通溝１ｄは異なる半径の同心円上に設け、これを放射状の導通溝１ｂ，１ｃで結んでいる。吸着面板１６は壁の上面１ｅで支えられる。

図５に吸着面板１６を示している。（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。（ｃ）は吸着面板１６の部分拡大図、（ｄ）は（ｃ）のＸ部の拡大図、（ｅ）は（ｄ）のＢＢ断面拡大図である。図５において、吸着面板１６の上面には均等に加工された吸引穴１６ａに吸引されて固定される発泡ウレタンパッド１５は金属とことなり軟質であり吸着面板１６への固定には特別な配慮が必要となる。現に加工している位置と発泡ウレタンパッド１５を固定する位置とが離れていると被削材の発泡ウレタンパッドが切削時に刃物の送り方向に位置ずれを発生し精度良く溝の加工ができない。

そこで発泡ウレタンパッド１５をその背面から均等な吸着力で吸引固定できる吸着面板１６を使用する必要がある。吸着面板１６には、穴間ピッチをほぼ等しくとって均一に吸引穴１６ａが設けられている。吸引力により発泡ウレタンパッド１５が変形しない穴径が被削材のパッド厚さを考慮に入れ選定される。パッドの板厚が１．４ｍｍの場合は穴径は２ｍｍぐらいである。吸着面板１６の上面には隣接する吸引穴１６ａをつなぐ導通溝１６ｂが刻設され吸引力を平均化している。また吸着面板１６の上面に所定の位置に所定個所に同心円の切断工具使用時の逃げ溝１６ｃが設けられている。
なお、穴あけ加工ユニット６５を取着し穴加工をする場合には、図示していないが吸着面板１６の所定位置にドリル径より若干大きい逃がし穴が設けられている。

（ロ）ガントリ形コラム（Ｘ軸）
図６（ａ）は中央の円テーブル１を挟んでベッド上に設けた一対の第１ガイド５Ａ，５Ｂに案内され軸制御されるガントリ形コラム１１の正面図、（ｂ）はガントリ形コラムの側面図である。図７（ａ）はガントリ形コラムをＸ軸方向を案内する一対の第１ガイド５Ａ，５Ｂと軸制御される一対のねじ軸６Ａ，６Ｂの配置を示す平面図、（ｂ）は一対のねじ軸６Ａ，６Ｂを一本のベルト４３で回転制御する伝導系の側面図である。

図６（ａ）において、右コラム４Ａ，左コラム４Ｂとクロスレール７とで構成されるガントリ形コラム１１は、ベッド３の中央部分に設けた円テーブル１の外側にベッド３上に平行に一方の第１ガイド５Ａで案内される右コラム４Ａと、他方が第１ガイド５Ｂで案内される左コラム４Ｂとの間に橋設されるクロスレール７とで構成されている。
図６（ｂ）の側面図において、ガントリ形コラム１１は、一対の第１ガイド５Ａ，５Ｂに案内され円テーブル１上をＸ軸方向に移動可能である。なお、ガントリ形コラム１１は溶接または鋳物で一体形成することも可能である。

図７（ａ）はガントリ型コラムのＸ軸ガイドの上面図、（ｂ）はＸ軸駆動系を示す本機の背面図である。図７（ａ）（ｂ）において、ベッド３上の第１ガイド５Ａ，５Ｂに平行に設けられたねじ軸６Ａとボールナット３９Ａ及びねじ軸６Ｂとボールナット３９Ｂとにより、ガンドリ形コラム１１は、モータ４０に軸着されたプーリ４１から一対のねじ軸６Ａ，６Ｂにキー着されたプーリ４２Ａ，４２Ｂが一本のベルト４３を介してガイドローラ４５Ａ，４５Ｂ，４６で張力調整され同期回転されている。ガントリ形コラム１１のＸ軸方向駆動は、それぞれのねじ軸に直結した別個のモータを同期制御運転することによっても可能である。

（ハ）クロスレール上に設けた２系統のサドル（Ｙ１，Ｙ２軸）
図６（ａ）に、クロスレール７の正面であってＺ軸・Ｘ軸に直交するＹ軸方向に一対の第２ガイドを共用して案内されそれぞれの位置がモータで制御される２系統のサドルの正面図が示されている。
図８（ａ）は、図６（ａ）のサドル８Ａ，８Ｂの裏面に設けられており、サドルを案内する第２ガイド９Ａ，９Ｂと、サドル８Ａを駆動するねじ軸１４及びサドル８Ｂを駆動するねじ軸１０の配置をサドル８Ａ，８Ｂを取り外して示す正面図である。
図８（ｂ）は、ねじ軸１０を駆動するＹ１軸制御用モータ４７とねじ軸１４を駆動するＹ２軸制御用のモータ４８に係る伝導部材の上面図である。

図８（ａ）（ｂ）において、クロスレール７の側面７ａに第２ガイド９Ａ，９Ｂが平行に設けられている。サドル８Ａ，８Ｂのそれぞれの裏面に設けた４個のリニア軸受４９がサドルのＹ軸方向の移動を案内する。同じく側面７ａには第２ガイド９Ａ，９Ｂと平行にねじ軸１０，１４が設けられ、それぞれのモータ（Ｙ１軸）４７とモータ（Ｙ２軸）４８で回転駆動される。それぞれの回転はそれぞれのねじ軸１０，１４と螺合しそれぞれのサドル裏面に固定されるナット５０，５１により個別にＹ１軸制御，Ｙ２軸制御が行われる。第２ガイド９Ａ，９Ｂを共通しているのでサドル８Ａ，８Ｂが干渉しないよう制御される。
即ち、サドル上に設けられる刃物台１８，１９に設置する刃物の種類が異なるときは、サドル８Ａとサドル８Ｂのいずれの一つのサドルが駆動される。

前記２系統のサドル８Ａ，８Ｂは、クロスレール７の同一側面に第２ガイド９Ａ，９Ｂを共通にして設けられているが、これに限定されずサドルごとに別個に設けても良い。
また、２系統のサドルを同一側面でなく一方を前側面に他方を後側面に設けても良い。刃物台に取着する工具ユニットと関連する装置がある場合はこのような構成とすることも可能である。

（ニ）左右のサドルそれぞれに設けた刃物台（Ｚ１，Ｚ２軸）
図６（ａ）に、クロスレール７の側面７ａに右サドル８Ａに右刃物台１８を、左サドル８Ｂに左刃物台１９が図示されている。
図９（ａ）は、刃物台を仮想線で表した支持部材の正面図、（ｂ）は側面図である。
図１０は、刃物台に溝フライス加工ユニットを、図１１は刃物台にドリルユニットを設けた場合、図１２は、刃物台に旋削ユニットを設けた場合の側面図である。回転工具ユニット５７と固定工具６９を左右の刃物台に設ける場合、左右の刃物台に刃先寸法の異なる同種の工具を設けたり、回転工具ユニット５７で一方に溝フライスカッタ８１を、他方にドリル８２を設けることもできる。
図９（ａ）は、左サドル８Ｂと仮想線で示す左刃物台１９との間に設けられ該刃物台のＺ軸方向を案内する一対の第３ガイドを構成する一対のガイド５２Ｂ、４個のリニア軸受５３Ｂおよび刃物台の送り量すなわち切込量を制御するモータ１３Ｂとねじ軸１２Ｂの配置図である。

図９（ａ）において、刃物台１９は、刃物台１９の裏面にあるそれぞれ２個のリニア軸受５３Ｂ，５３Ｂおよびねじ軸（Ｚ１軸）１２Ｂと係合するボールナット５５Ｂが固定されている。一対のガイドレール５２Ｂは左サドル８Ｂに平行に固定されている。左刃物台１９のＺ方向の位置制御をするモータ１３Ｂと刃物台の移動時に重量バランスをとる一対のバランサ５６Ｂがサドル８Ｂの上端に設けられ、刃物台の滑らかで精度の良い位置制御を可能にしている。

図９（ａ）において、刃物の位置決めは、ガントリ形コラム１１が第１ガイド５Ａ、５ＢでＸ軸方向に、左サドル８Ｂが第２ガイド９Ａ，９Ｂによる紙面に鉛直なＹ軸方向に、左刃物台１９はバランサ５６Ｂ，５６Ｂと平衡しつつＺ軸方向に移動を制御して、左刃物台１９を加工原点に位置決め指令することにより行われる。なお、このことから明らかなように、本実施形態では、モータ４０と、Ｙ１及びＹ２軸制御用モータ４７，４８と、モータ１３Ａ，１３Ｂとを含んで、刃物移動モータが構成されている。
図１０，図１１に示す左刃物台１９には、回転工具の回転数が制御可能な回転工具ユニット５７および穴あけ加工ユニット６５が装備されている。碁盤目状の溝加工の場合、溝フライスカッタ８１を取着して、円テーブル１をＣ軸で角度を割出し、ガントリ形コラム１１のＸ軸移動と左サドル８ＢのＹ軸移動と左刃物台のＺ軸移動で工具原点に位置決めし、加工プログラムに従い切刃をＺ軸移動で切込量を与え左サドル８ＢのＹ軸移動で工具に送りを与える。図１０は溝フライスカッタ、図１１はドリルを装着した穴あけ加工ユニット６５を取着した例を示している。

図１２に示す左刃物台１９には、旋削用単刃工具５８のバイトまたは多刃工具７４が装備され同心円の溝加工に使用される。ガントリ形コラム１１のＸ軸移動と、左サドル８ＢのＹ軸移動と左刃物台１９のＺ軸移動で工具原点に位置決めし、加工プログラムに従い円テーブル１をＣ軸回転させ、刃先をＺ軸移動で切込量を与える。発泡ウレタンパッドに円形溝を加工する場合、加工速度をほぼ一定にする場合には、Ｃ軸の回転速度を刃物のＹ軸方向の位置により変速することもできる。

これまで左側刃物台１９の構成について説明してきたが、右側刃物台１８の構成も同様であり説明を省略する。
左右の刃物台１８，１９のいずれか一方に回転工具ユニット５７を、他方に旋削用の固定工具６９，７４を装着することができる。回転工具ユニットとしては溝フライス用カッタ８１を、穴加工用にはドリル８２をそれぞれ専用工具として選定することができる。ユニットとして着脱可能であり交換が容易な構成が望ましい。被削材の発泡ウレタンパッド１５は、発泡材であり材質・硬度・熱的性質・切粉の形状が多様であり切削が一般に金属に比して困難である。切削条件の工具周速，送り速度等を決定するのに多くの労力を要する。これを避けるため、溝の加工をカッタとバイトのいずれも採用できるよう加工機械側が構成されている。
なお、Ｘ軸，Ｙ１，Ｙ２の各軸、Ｚ１，Ｚ２の各軸の位置決めにリニアモータを使用することが可能である。リニアモータを採用することにより位置決め精度の向上と応答速度の一層の向上が図れる。

（ホ）モータ駆動と制御軸とを統括制御する数値制御装置
発泡ウレタンパッド１５の細溝加工機械に係るＣ軸・Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸を位置制御するモータは数値制御装置で制御される。正確かつ滑らかな位置決めと微小単位の切れ込み，送りが指令され、軸相互間の同期化も加工プログラムに従い作業が自動化される。また数値制御装置に、発泡ウレタンパッド１５に加工する溝の基本パターンを予め記憶しておき、その中から該当するパターンを指定して制御軸系の作業プログラムを作成し自動加工を行う。

図１３は本発明に係る発泡ウレタンパッド細溝加工機械に数値制御装置を採用した場合の制御系を示すブロック線図である。
加工する溝の形状即ち同心円状溝または碁盤目状等の種類により加工工具の種類と寸法が定まるのでこれに従い工具指令と加工プログラム入力部１０１から数値制御装置１０２に入力される。データは中央演算装置１０３を経由してデータ記憶部１０４に蓄えられる。作業指令が入力されるとインタフェース１０５を介し加工プログラムの工程順に従い記憶されたデータにより円テーブル（Ｃ軸）１０６、ガントリ形コラム（Ｘ軸）１０７、サドル（Ｙ１軸）１０８・（Ｙ２軸）１１０、刃物台（Ｚ１軸）１０９・（Ｚ２軸）１１１、フライスカッタ（回転）１１６、ドリル（回転）１１７の各制御のサーボモータＭ１乃至Ｍ８および切断工具（駆動）１１８が制御される。そして制御のサーボモータに取り付けたエンコーダより回転量がＮＣ装置に１０２にフィードバックされる。前記制御のサーボモータの制御運転と同時にサクションブロワ２５，円テーブルの位置固定部材３８，イオンブロー装置１１４，切粉回収装置１１５も動作を開始する。

本発明に係る細溝加工機械の制御を数値制御装置に替えてシーケンサ制御で統括制御することができる。
シーケンサ制御を採用した場合は、位置制御と送りや切り込みについて許容精度のレベルに制限が加わるが、装置構成が簡略化できコスト面でもメリットがあるので被削材の用途により選択することができる。

図１４はシーケンサ制御のブロック線図である。
図１４において、シーケンサ制御装置は主としてシーケンサユニットとリレーを組み合わせて回路を構成し制御データを設定するデジタル回路を併せ含んでいる。操作パネル１２１から位置決めデータ，加工データをシーケンサ回路部１２２に入力し、予定する加工順序となるシーケンサプログラムも入力する。入力されたデータはシーケンサユニットとリレーとで構成されるシーケンサ動作判定部１２３の出力で指令された動作の完了ごとに次の動作データをシーケンサデータ出力部１２４から同心円状溝，碁盤目状溝等の加工指令が出される。制御されるモータはパルスモータであり位置決め，送り・切り込みの駆動用モータ１２５、回転工具駆動用モータ１２６、切断工具駆動用ピストンシリンダ部材１２７等がオープンループで制御される。細溝加工機械の関連機器１２８は操作パネル１２１で直接指令される。

（ヘ）帯電防止用イオンブロー装置
発泡ウレタンパッドを切削加工すると摩擦によって帯電し切粉がパッドに付着しエアブローのみでは排除や吸引が難しい。
ウレタンの帯電列は負であるので別にコロナ放電で発生させた正イオンを衝突させることにより中和させて切粉排除の容易化を図っている。被削材が帯電する静電気の電圧のレベルは被削材の材質・硬度・加工条件・室内の温湿度等により影響をうけやすく、加工時の条件を一定にして保持することを前提にして中和に必要なイオンを被削材に噴射するようにする。また、多刃工具のように、バイトを並置して同時に多条の溝を加工する場合にも、切粉の発生個所に均等に中和用のイオンをノズル７６から噴出させ、強制的に切粉と衝突させるようノズル形状の先端を形成する必要がある。

図１５（ａ）は、工具ホルダ７１に固定された旋削用の多刃工具７４の側面にノズル７６を配したイオンブロー装置１１４の正面図、（ｂ）は、工具ホルダ７１内にイオンブロー噴出用の導通穴７１ａを設け多刃工具７４の刃先方向に噴出口を設けた工具ホルダ７１の側面図、（ｃ）は、刃先方向からの視図で並列に穿孔した噴出口を示す（ａ）の下面図である。
図１５（ａ）（ｂ）において、右刃物台１８に取着される工具ホルダ７１にカートリッジ７２がテーパブッシュ７３で位置決めされる。多刃工具７４は壁面７１ｂおよび７１ｃに当接して案内されて後、押さえ金７５で固定される。

工具の側面からはノズル７６でイオンを噴出させる。旋削用の多刃工具７４の場合は、工具ホルダ７１に穿設した穴７１ａからカートリッジ７２に穿設した穴７２ａを通って刃先７４ａの方向に噴出するよう流路を設けることもできる。
そしてイオンを噴出させるためにノズル７６，穴７２ａに図示しない圧力空気発生装置または工場に配管された圧力源と接続した空気導管を導入しておくものである。本文で圧力空気発生装置には工場の配管をも含むものである。

図１５（ｃ）は、旋削用の多刃工具７４の切刃と切刃の間に切粉が付着するのを防ぐために、噴出口７２ａを複数設けるため穴７２ｂをカートリッジ７２の内部に刻設したものである。左刃物台１９に取着する回転工具ユニット５７を用いてフライスカッタ８１やドリル８２で加工する場合はノズル７６でイオンブローができる。

（ト）固定工具（旋削工具・パッド切断工具）
（１）旋削工具（単刃工具，多刃工具）
図１７（ａ）（ｂ）は旋削用の単刃工具、図１８（ａ）（ｂ）（ｃ）は多刃工具である。
同心円状の多条溝の加工には、単刃工具（バイト）５８または多刃工具７４のいずれも用いることができる。
被削材が発泡ウレタンパッドであるためバイトの刃先形状は、刃幅が０．１ｍｍ乃至１．０ｍｍの範囲、刃物角が３０度乃至３５度の範囲、すくい角は２０度乃至１０度の範囲で選定される。前逃げ角５５度乃至４５度の範囲で選定される。また、横逃げ角は０度乃至２度の範囲で選定される。また、刃先を単刃工具５８と同一に形成し並置して構成した多刃工具７４を刃物台に設定して使用すれば加工能率は極めて向上する〔図１２〕。これらの角度は溝加工の径が小さいときの刃と溝の干渉及び刃が小さいための強度上の問題により決定される。

（２）パッド切断工具
図１６（ａ）は、サドル上の刃物台に設けた切断装置の側面図、（ｂ）は切断装置の正面図、（ｃ）は切断工具刃先から見た（ａ）の左側面図（底面図）である。
図１６（ａ）において、切断装置７７はベース７８を基板とし、その上にユニットとして構成されている。該ユニットは切断工具ホルダ６６と、これをＺ軸方向に駆動する駆動源６２例えば空圧のピストン・シリンダ部材とからなっている。切り込みは刃物台の送りで行われる。ベース７８上にＺ軸方向を一対の第４ガイド６３Ａ，６３Ｂで案内される切断刃物台６４が設けられている。該切断刃物台６４の台上の一端にピン８０をストッパとする切断工具６１が刃物ベース８３に嵌装され一対の刃物押さえで固定され、切断工具ホルダ６６に取着されている。前記切断刃物台６４の他端に設けた支え６７とベース７８に設けられた駆動源６２の出力端とが連結金具６８で結合され駆動される。駆動源６２は油・空圧のピストンシリンダ部材又は電磁ソレノイドのいずれであっても良い。

（チ）回転工具ユニット（溝フライスカッタ，ドリル）
（１）溝フライスカッタ
図１９（ａ）は、溝フライス加工ユニットに装着する発泡ウレタンパッドの細溝加工用の溝フライスカッタ８１の正面図、（ｂ）は切刃部分の拡大図である。図１９（ｂ）において、刃物角は２０度乃至４０度の範囲で選定する。刃先角が２０度より小さくなると工具寿命が短く４５度を超えると切れ味が低下する。すくい角は３０度乃至４０度の範囲で選定される。すくい角は３０度に近いのが望ましいが、耐久性の点で制限され４０度を超えると切れ味が低下する。刃幅は０．３ｍｍ乃至２．０ｍｍの範囲で選定される。側面切刃角は０度乃至２度の範囲である。
フライスカッタを単独に用い１溝ずつ加工することもできるが加工能率を向上させた場合には、複数のフライスカッタを所定ピッチに積層してユニット工具に構成して用いれば良い。

（２）ドリル
図２０は、穴あけ加工ユニットに装着する発泡ウレタンパッドの細穴加工用ドリル図面で、（ａ）は正面図、（ｂ）は２条からなる切刃の展開図である。図２０において、ドリル直径Ｄ１が０．５ｍｍ乃至１．５ｍｍ，ドリル長Ｌが２０ｍｍ乃至３０ｍｍ，切刃数は２条である。そしてドリル８２の先端の尖った円錐の円錐角θは５５度乃至６５度の範囲で形成しほぼ６０度が望ましく被削材への刃先の進入を円滑にする。ドリル８２の胴体部の直径Ｄ１まで進入したとき、ドリル８２の外径部が被削材を圧接した状態にある。胴体部の切刃のねじれ角αは１度乃至１０度の範囲で形成しほぼ５度に選定することが望ましく、被削材の逃げの分を徐々に削除して所定内径まで穴加工を進行させることができる。 ドリル本体の切刃部分にはバックテーパがなくストレートドリルでありドリル抜去時の不具合がない。本発明のドリルは単独でも多軸ドリルユニットとしても使用できるので後者の場合は能率良く加工ができる。

次に本発明の細溝加工機械の作用について説明する。
当該細溝加工機械を使用し発泡ウレタンパッド１５に細溝を加工する場合を以下に説明する。

（オ）同心円状の細溝
同心円状の細溝は図２１に示すように、厚み１．４ｍｍの発泡ウレタンパッドに例えば溝幅０．５ｍｍ，溝ピッチ２ｍｍを切削する。右刃物台１８に単刃のバイト５８または多刃工具７４を取着する。被削材の発泡ウレタンパッド１５を円テーブル１の吸着面板１６に載置する。予め吸着面板と同一円板のサイズに円板状に切断しておくことが望ましい。 切断は右刃物台に設けた切断装置７７を用いて行うこともできる。吸着面板より直径が小さい被削材に細溝を加工する場合には吸着面板の穴を塞いでおくドーナッツ状の円板を予めパッド材で作って被覆しておけば良い。また、吸着面板１６に吸着に必要な部分にのみ吸引穴１６ａを加工しておくことも可能であり、円テーブル１の導通溝１６ｂを内部で部分的に遮断して吸引領域を分割することもできる。

被削材の発泡ウレタンパッドを載置し吸引用ブロワ２５を回転させて固定する。旋削速度が被削材の内・外周加工時に一定になるようＣ軸回転数値を予め入力する。
ガントリ形コラム１１でＸ軸位置、右サドル８ＡでＹ１軸位置、右刃物台１８でＺ１位置をそれぞれ制御して初期位置に移動させる。同心円の直径位置が同心円の数によりＹ１軸上で位置決めされるよう入力され、バイトの切込量が刃物台のＺ軸上にプログラムされる。これらの入力により準備は完了する。切削開始により円テーブル１は所定回転数で駆動されバイトの切れ込みが開始される。微小量の切り込みを所定回数行って一個の円形細溝の加工が完了する。

次に右刃物台１８と右サドル８Ａを順次移動させて他の同心円溝の加工を続行する。発泡ウレタンパッドの面積が大きく溝数が多い場合は多刃旋削工具例えば１０本乃至３０本のバイトを並置しユニットに構成した工具を用いて（図１１に示す多刃旋削工具７４）効率の良い加工を行うことができる。発泡ウレタンパッドに細溝を加工する場合に発生する切粉の排除が問題となる。発泡ウレタンパッドはその成分により材質が異なり多種多様であり発生する切粉も粉状からリボン状まで多様である。とりわけ問題は被削材が高電圧の静電気を帯びていることである。

そのため、工具，加工した溝内部，被削シートの上面等に飛散して付着し、エアブローだけでは容易に回収できない。そこで被削材及び切粉の静電気を中和させるため、逆極性の帯電イオンをパッド面と切粉及び刃部に吹き当て付着を防ぐイオンブローノズルを切刃の近傍に設けている。
中和させるために適量帯電した逆極性のイオンをブローするものである。切削個所からはエアブローノズルと切粉回収装置１１５の切粉吸い込みノズルを適宜配置して発泡ウレタンパッド上に切粉を散在させておかないようにすれば精度良い溝加工が可能となる。
単刃のバイトを使用しＺ軸による工具の切り込み、Ｙ１軸によるサドルの移動およびＣ軸の円テーブル回転を同期させることによりスパイラル溝の加工も可能である。
円テーブル上で溝の加工を完了した後切断工具６１を使用して所定外径寸法の円盤状パッドを裁断することができる。

（ワ）碁盤目状の細溝
碁盤目状の細溝は図２２に示すように厚み１．４ｍｍの発泡ウレタンパッドに例えば溝幅０．８ｍｍ，溝深さ０．５ｍｍで溝ピッチ６．３５ｍｍを切削する。円テーブル１上に被削材の発泡ウレタンパッドを載置して準備する。左サドル８Ｂ上の左刃物台１９には回転工具として溝フライスカッタ８１を装備した回転工具ユニット５７を取着する。円テーブル１をＣ軸制御で回転角を割出して初期位置でロックする。碁盤目状の細溝加工の場合は次に９０度回転させて円テーブル１の位置をロックする。ガントリ形コラム１１でＸ軸位置、左サドル８ＢでＹ２軸位置、左刃物台１９でＺ２位置をそれぞれ制御して、初期位置に移動させる。予め碁盤目の移動ピッチをＸ軸に入力する。刃物台を余分にＹ軸方向に移動させる必要がないからである。

円テーブル１が固定され左刃物台１８が初期位置設定が完了後加工を開始する。ガントリ形コラム１１をＸ軸方向に碁盤目のピッチで順次移動して固定し平行な多条の細溝を加工する。続いて円テーブル１を９０度旋回させて固定し直交する多条の平行な細溝を加工して碁盤目状細溝の加工を完了する。溝フライスカッタ８１による細溝加工時には旋削時より切粉が粉末化して発生するので前述した静電気を中和するイオンブロー用のノズル７６の必要性が更に高まり切削時の不可欠要件である。

（カ）同心円と放射状直線で形成される細溝
前記（オ）で同心円状の溝を加工した発泡ウレタンパッドに放射状の直線溝を付加する加工が可能である。この場合円テーブル１は放射状の直線溝を付与する位置に角度割出しして位置が固定できるよう望ましくはカービックカップリングを設けるのが良い。なお、この場合もイオンブロー装置を併用するのが良い。

（ヨ）穴加工
前記（オ）乃至（カ）に記載の加工により同心円状や直線状の細溝を形成した発泡ウレタンシートに所定の位置に多数の細穴を穿孔することができる。穴加工のみを行うことも可能である。専用のドリル８２を装着した穴あけ加工ユニット６５を左刃物台１９に取着する。円テーブル１で旋回位置決めまたはガントリ形コラム１１のＸ軸座標、左サドルのＹ軸座標で平面上の位置決めし左刃物台１９のＺ軸でドリルの切り込み送りを行って穴加工を行う。

加工する穴の座標値を予め入力することにより自動的に多数の穴加工が可能である。当該ドリルの先端は尖った円錐体形状で切刃がないので軟質被削面の上面に当接して喰いこむことはなく先端が徐々に被削材に喰いこみ被削材に円錐面が接しながら被削材の内面を圧縮させつつ沈み込む。次に胴体部の切刃で徐々に圧縮面から被削材を削除していき穴加工が完了する。
なお、被削材の発泡ウレタンパッドは薄いのでドリル先端の尖った円錐部分を支障なく案内するため、吸着面板に予めドリル径より若干大きい逃げ穴を設けておくことにより被削材の穴加工が容易である。この場合もイオンブロー装置を用いることにより切粉の処理が容易である。

本発明に係る細溝加工機械の全体構成を示す図で、（ａ）はベッドに設けられる円テーブル（Ｃ軸），ガントリ形コラムの正面図、（ｂ）はガントリ形コラムを位置決めするＸ軸ねじ軸と円テーブルの上面図、（ｃ）はサドル（Ｙ軸）と刃物台（Ｚ軸）を含む側面図である。 本発明に係る細溝加工機械の円テーブル関連の構成説明図で、円テーブルの断面，円テーブル駆動系，エアブローシステムを含む図である。 図２に示す円テーブルの位置決め部材の断面図である。 円テーブルを示す図で、（ａ）は円テーブルの空気流，案内溝の構成を示す上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 円テーブルを被覆する吸着面板を示す図であって、（ａ）は均等にかつ貫通して穿孔された穴の配置を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の貫通穴を含む吸着面板の断面図、（ｃ）は吸着面板の一部拡大図、（ｄ）は（ｃ）のＸ部の拡大図、（ｅ）は（ｄ）のＢ−Ｂ断面の拡大図である。 ガントリ形コラム（Ｙ軸）の図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図である。 ガントリ形コラム（Ｘ軸）の駆動系を示す図で、（ａ）は一対のねじ軸とモータの配置を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の背面図である。 サドル（Ｙ１軸，Ｙ２軸）の駆動系を示す図で、（ａ）はガイドとねじ軸の配置を示す正面図、（ｂ）はそれぞれのねじ軸を駆動するモータを含む上面図である。 刃物台（Ｚ１軸，Ｚ２軸）の駆動系及びねじ軸を駆動するモータと刃物台のバランサーとの配置を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面である。 刃物台に溝フライス工具を取着した場合の側面図である。 刃物台にドリルユニットを取着した場合の側面図である。 刃物台に旋削工具を取着した場合の側面図である。 数値制御装置のブロック線図である。 シーケンサ装置のブロック線図である。 静電気中和のイオンブロー用のノズルを併設した刃物台の図で、（ａ）はノズルと多刃工具の正面図、（ｂ）は（ａ）の刃物台の右側面図、（ｃ）は（ａ）の下面図である。 刃物台に設けた切断装置を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は切断装置のみの正面図、（ｃ）は底面図である。 旋削工具であって単刃工具の刃先を示す図で、（ａ）は刃先正面図、（ｂ）は刃先側面図である。 旋削工具であって、多刃工具を示す図で、（ａ）は刃先正面図、（ｂ）は刃先上面図、（ｃ）は刃先側面図である。 溝フライスカッタを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は刃先拡大図である。 ドリルを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は２条からなる切刃の展開図である。 半導体ＣＭＰ加工用パッドの一部を示す図で、（ａ）は同心円状細溝の一部上面図、（ｂ）は溝の拡大断面図である。 半導体ＣＭＰ加工用パッドの一部を示す図で、（ａ）は碁盤目状細溝の上面図、（ｂ）は溝の拡大断面図である。

符号の説明

１ 円テーブル ２ ハウジング
３ ベッド ４Ａ 右コラム
４Ｂ 左コラム ５Ａ，５Ｂ 第１ガイド
６Ａ，６Ｂ，１０，１２Ａ，１２Ｂ，１４ ねじ軸
７ クロスレール
８Ａ 右サドル ８Ｂ 左サドル
９Ａ，９Ｂ 第２ガイド
１１ ガントリ形コラム
１３Ａ，１３Ｂ モータ
１５ 発泡ウレタンパッド
１６ 吸着面板
１７ 中空中心軸 １８ 右刃物台
１９ 左刃物台 ２１ モータ（Ｃ軸）
２５ サクションブロワ
３０ 円板
３２ センサ ３６ テーパ軸
３７ ピストン部材 ３８ 位置固定部材
３９Ａ，３９Ｂ，５５Ｂ ボールナット
４０ モータ（Ｘ軸）
４７ モータ（Ｙ１軸）
４８ モータ（Ｙ２軸）
５０，５１ ナット
５２Ａ，５２Ｂ 第３ガイド
５３Ａ，５３Ｂ リニア軸受
５６Ａ，５６Ｂ バランサー
５７ 回転工具ユニット
５８ 単刃工具（バイト）
５９ 溝フライス加工ユニット
６１ 切断工具
６２ 駆動系 ６３ 第４ガイド
６５ 穴あけ加工ユニット ６６ 切断工具ホルダ
６９ 固定工具
７１ 工具ホルダ ７２ カートリッジ
７４ 多刃工具 ７６ ノズル
７７ 切断装置 ７８ ベース
８１ 溝フライスカッタ ８２ ドリル ８３ 刃物ベース

Claims (2)

1. 半導体ＣＭＰ加工に使用する高分子材料製パッドの細溝加工機械であって、
   ベッドと、
   該ベッドに鉛直のＺ軸回りで回転可能に軸承されて、水平のＸ軸方向及びＹ軸方向で位置固定に配設され、前記パッドを載置して吸着する水平の吸着面板を設けた円テーブルと、
   該円テーブルをＺ軸回りで回転させる回転駆動機構と、
   前記円テーブルをＺ軸回りで位置決めする固定機構と、
   前記ベッド上において前記円テーブルを跨いで設けられたクロスレールを有しており、Ｘ軸方向に移動可能とされたガントリ形コラムと、
   該ガントリ形コラムにおいて前記クロスレール上をＹ軸方向に移動可能に設けられたサドルと、
   該サドル上でＺ軸方向で移動可能に載置された刃物台と、
   該刃物台に装着された固定工具であって、一体的な板形状を有しており下端縁部には０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの刃幅を有する切刃の複数が等ピッチで配列されている多刃工具と、
   該多刃工具による切削箇所から空気を吸引する切粉排出用の吸い込みノズルと、
   前記ガントリ形コラム、前記サドルおよび前記刃物台をそれぞれ移動させる刃物移動モータとを、含んでなり、前記回転駆動機構による前記円テーブルの回転状態と前記固定機構による該円テーブルの固定状態とでそれぞれ異なる切削加工を行うことが出来るようになっており、
   前記円テーブルの吸着面板上に載置して吸着した前記パッドを前記回転駆動機構でＺ軸回りに回転させた該円テーブルの回転状態では、前記多刃工具をその複数の前記切刃が該円テーブルの回転方向に直交する方向で配列する状態でＸ軸方向及びＹ軸方向で位置決めすると共にＺ軸方向で移動させて切り込みして複数条の周溝を該パッドの表面に同時に切削形成する加工を行う一方、
   前記円テーブルの吸着面板上に載置して吸着した前記パッドを前記固定機構でＺ軸回りに固定した該円テーブルの固定状態では、前記刃物移動モータでの前記サドルの移動により前記多刃工具をその複数の前記切刃の配列方向に対して直交するＹ軸方向に直線的に移動させて複数条の直線溝を該パッドの表面に同時に切削形成する加工を行うようになっている
   ことを特徴とする半導体ＣＭＰ加工用パッドの細溝加工機械。
2. 前記多刃工具における前記切刃において、３０度〜３５度の刃物角と、４５度〜５５度の前逃げ角が設定されている請求項１に記載の半導体ＣＭＰ加工用パッドの細溝加工機械。