JP4105950B2 - 基板の磁気レオロジー的仕上げ装置 - Google Patents

Description

本発明は、スラリーが主成分（ｓｌｕｒｒｙ−ｂａｓｅｄ）の基板研磨仕上げ装置に関し、特に、磁気レオロジー的流体（ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｌｕｉｄ：以下、適宜「ＭＲＦ」という。レオロジー；ｒｈｅｏｌｏｇｙ；物質の変形と流動の学問。とりわけ液体の非ニュートン流動と、個体の塑性流動とを対象とする。）と、球状キャリア・ホイ−ルに隣接し、そのキャリア・ホイ−ル上の作業領域内で磁気レオロジー的流体を磁気的に硬化させるための磁石とを使用する装置に関し、更に具体的には、その硬化磁石はキャリア・ホイ−ル自体の内部に配置されている改良装置に関する。

基板研磨仕上げのために磁気的に硬化された磁気レオロジー的流体を使用することは周知である。この流体は、流体担体に磁気的にやわらかい（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ−ｓｏｆｔ：帯磁及び消磁し易い）研磨粒子を分散させたものであって、磁界の存在するところでは磁気的に誘導されて可塑性の性質を示す。流体の見かけ粘度（ａｐｐａｒｅｎｔ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）は、磁気的に甚だしく増大するから、流体の粘稠度（コンシステンシー：ｃｏｎｓｉｓｉｔｅｎｃｙ）は、ほとんど水のような状態から大変硬いペースト状へと変化する。このようなペーストが、例えば、光学素子のような形成又は研磨される基板表面に対して適切に向けられるとき、大変高い水準の仕上げ品質、正確性、及び制御が達成され得る。

コードンスキー（Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ）らに１９９９年９月１４日に発行された米国特許第５，９５１，３６９号は参照として本願に組み込まれ、基板の決定論的磁気レオロジー的仕上げ（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）のための方法、流体、及び装置を開示する。この特許は、以下「’３６９」という。

’３６９号特許において開示されるような典型的な磁気レオロジー的仕上げ装置において、作業面は、ハブに関して左右対称に下側が切り取られた軸方向幅広のリム（縁：ｒｉｍ）を有し、垂直方向に配置されたホイールを備える。特別に形成された磁極片は、下側が切り取られたリムの下方において、ホイールの対向する側部の方へ伸長する。これにより、ホイール表面上に、好ましくは頂部死点（ｔｏｐ−ｄｅａｄ−ｃｅｎｔｅｒ）位置のまわりに、磁気作業領域を提供する。ホイールの表面は、好ましくは、球体の赤道部分分である。

作業領域の上方には、仕上げ対象の基板を作業領域へと伸長するための、例えば、チャックなどの基板受取部材が設置される。チャックは、多数の動作モードでプログラム化可能に操作可能であり、好ましくはプログラム化可能な制御器やコンピュータによって制御される。

磁気レオロジー的流体は、非磁性状態のとき、形成ノズルからリボン状にホイールの作業面へと押し出される。これにより、磁気レオロジー的流体を作業領域へと運搬し、この作業領域において磁気レオロジー的流体は磁化されてペースト状の粘稠度になる。作業領域では、ペースト状のＭＲＦは、磁気レオロジー的流体研磨又は仕上げとして知られるように基板に対して研磨作用を発揮する。作業領域を出るとき、ホイール上で凝縮された流体は、再び非磁化されて、再循環及び再使用のためにホイールの作業面からはがされる。

ホイールに対する流体送出とホイールからの流体回収とは、例えば、’３６９号特許において開示されているような閉鎖型流体送出し装置によって管理される。ＭＲＦは、吸上げポンプによってスクレーパー（ｓｃｒａｐｅｒ：削り装置）から回収されて、タンクへ送られ、タンクでは、ＭＲＦの温度が測定されるとともに目標値に調節される。タンクからノズルへの再循環（したがって、この再循環は作業領域を経由する）は、与圧ポンプ典型的には蠕動ポンプの回転速度を設定することにより、特定の流量にて行われる。蠕動ポンプは脈動流を示すから、ポンプの下流において脈動緩衝装置が必要とされる。

作業領域に供給されるＭＲＦの流量は、相当程度制御される。直列形流量計は、流体再循環装置に設けられ、制御器を経由して接続されて、ポンプの回転速度を調節する。
毛管粘度計は、流体送出し装置内であって、流体送出し装置の出口においてホイール表面上に配置される。流量計及び粘度計からの出力信号は、コンピューターのアルゴリズムに入力されて、コンピューターはホイールへ送り出されるＭＲＦの見かけ粘度を計算すると共に粘度計前方の混合室内の再循環ＭＲＦに対して担体流体を補充する割合を制御して、見かけ粘度を目標値に調節する。

上述した従来技術のＭＲＦ仕上げ装置は、最近明らかになってきた２つの仕上げ要求に対して適合していない。
第１は、磁極片はホイールの縁部の下方において球体の被包体の外側から伸長し、ホイールはその被包体から出ており、且つ磁極片はその球体表面に略接しているから、磁極片が立体的な障害となり、従来技術の装置は、例えば、ホイールの半径と略同等の曲率半径を有する大きさのレンズのような大きな凹状対象物を仕上げることができなかった。

第２は、磁極片はホイールの比較的小さい中心角をおおって放射状に伸長するから、従来技術の装置は、仕掛品がキャリア・ホイ−ルの頂部死点位置又はその近傍に配置されたときのみ、仕掛品の仕上げに有効である。これにより、従来技術の装置は、頭上チャックにより取り付けられ且つ操作される基板を仕上げることに限定される。

本発明の主な目的は、凹状基板を磁気レオロジー的流体仕上げするための装置であって、その基板凹部の半径がキャリア・ホイ−ルの半径と同等である装置を提供することである。

本発明の更なる目的は、磁気レオロジー的流体仕上げがキャリア・ホイ−ルの作業領域のあらゆる所望角度の位置においてなされる磁気レオロジー的仕上げ装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、大きい基板を磁気レオロジー的流体仕上げするための装置であって、基板が制御可能な台上に配置され、キャリア・ホイ−ルが基板の上方に配置され、作業領域がキャリア・ホイ−ル上の底部死点位置において提供され且つ作業領域は基板の上方において移動されてもよい磁気レオロジー的仕上げ装置を提供することである。

簡単に説明すると、基板の磁気レオロジー的流体仕上げのための本発明に従った改良装置は、垂直に配置され、水平軸を有するキャリア・ホイ−ルを備える。キャリア・ホイ−ルは、好ましくは、球体の赤道部分分であり、好ましくは、キャリア面は球状である。キャリア・ホイ−ルは、通常、くぼみがつけられた形状であり、回転駆動手段に対して接続され且つ円形プレートから側方へ伸長する球面を支持する円形プレートを備える。平らな南極片及び北極片を有する電磁石は、キャリア・ホイ−ル内であり、球体の被包体内であり、且つ、好ましくは、キャリア・ホイ−ルにより画成される球部の被包体内に配置される。磁石は、キャリア・ホイ−ルの中心角約１２０度をおおって伸長し、これにより、磁気レオロジー的流体は、作業領域の十分前方であって作業領域を十分に超えて、部分的に硬化された状態に維持される。硬化したＭＲＦが弛緩されたときに、磁石スクレーパーは、ＭＲＦをキャリア・ホイ−ルから除去し、キャリア・ホイ−ル上の調節及び再押出しのための従来型の流体送出し装置へＭＲＦを戻す。磁石をキャリア・ホイ−ル内に配置したことにより、キャリア面の各側部上に邪魔にならない空間が提供され、これにより、キャリア・ホイ−ルの縁部を超えて伸長するような大きい凹状基板が仕上げされ得る。磁石の角度の広がりにより、ＭＲＦはその広げられた中心角をおおうキャリア・ホイ−ル上に保持され、これにより、キャリア・ホイ−ルの底部死点位置の作業領域内にＭＲＦを配置し且つ及び該作業領域内においてＭＲＦを仕上げることを許容する。

図１及び図２に、基板の磁気レオロジー的流体仕上げの従来技術に従った装置の機械組立体部１０の全体配置図を示す。組立体部１０は、磁石のコア、好ましくは電磁石のコア及び巻き線１３を支持する台座１２であって、コアに従来通りに接続された左右の各磁石ヨーク片１４，１６を夫々支持する台座１２を含む。ヨーク片１４は、継手２０を介して軸２２に連結されたモータ駆動部１８を支持し、軸２２は、軸受２４に軸支されて軸受台２６に支持される。駆動部１８は、駆動制御器（図示せず）によって従来通りに制御されて、所望の目標値で駆動部１８の回転速度を制御する。軸２２は、周縁面３２を支持するキャリア・ホイ−ルのフランジ３０のハブ２８に対して、回転するよう連結され、周縁面３２は、好ましくは左右対称にフランジ３０の軸上においてフランジの両側方へ伸長する。周縁面３２は、本装置の作業面又はキャリア面であり、略平坦でもよい。即ち、周縁面３２は、円周方向にのみ湾曲して、柱筒部を画成してもよいし、あるいは、好ましくは、周縁面３２は、軸方向に弓形の形状をして、凸部を画成してもよい（図２参照）。ヨーク片１４，１６上には左右の各磁極片３４，３６が夫々取り付けられ、各磁極片は、周縁面３２に略接した状態で周縁面３２の下方において伸長する。磁極片３４，３６の磁石は、磁極片３４，３６夫々が磁気的に北と南あるいは南と北になるように、交互に向きが変えられ操作されて、同等の効果を奏してもよい。添加ノズル３８は供給ライン４０に対して接続されて、移動作業面３２上へＭＲＦのリボン４２を供給するとともに、スクレーパー４４は戻りライン４６に対して接続されて、作業面３２からＭＲＦを除去しＭＲＦを再循環調節装置（図１及び図２中、図示せず）へ戻す。スクレーパー４４は好ましくは磁気的に遮蔽される。

図３乃至図５に、基板を磁気レオロジー的流体仕上げするための本発明に従った装置の機械組立体部１０’の全体配置図を示す。組立体部１０’は、台座１２’、第１の腕木１１、及び磁石組立体１７をボルトによって支持するためのアーム部１５、好ましくは、電磁石のコア及び電磁石の巻き線１３’、並びに左右の各磁石ヨーク片１４’，１６’を含む。ここで、各磁石ヨーク片１４’，１６’は、好ましくは、図４及び図５に示す如く、キャリア・ホイ−ルに適合した放射状端部を有する平坦な平板であって、該コアに従来通り接続される。台座１２’から伸長する第２の腕木１１’は、軸受２４’に軸支された軸２２’と、軸２２’から片持ちされたモータ駆動部１８’とを支持する。駆動部１８’は、駆動制御器（図示せず）によって従来通りに制御されて、所望の目標値で駆動部１８’の回転速度を制御する。軸２２’は、周縁面３２’を支持するキャリア・ホイ−ルのフランジ３０’に対して、回転するよう連結され、周縁面３２’は、駆動部１８’から離間する方向へフランジ３０’から伸長する。フランジ３０’及び周縁面３２’はともに、通常くぼみがつけられた形状のキャリア・ホイ−ル３１を画成し、キャリア・ホイ−ル３１は、対向側のフランジ３０’において開口し、磁石組立体１７を収容する。周縁面３２’は、本装置の作業面又はキャリア面であり、略平坦でもよい。即ち、周縁面３２’は、円周方向にのみ湾曲して、柱筒部を画成してもよいし、あるいは、好ましくは、周縁面３２’は、軸方向に弓形の形状をして、凸部を画成してもよい（図２参照）。好ましくは、周縁面３２’は、球体の赤道部分分である。磁石組立体１７は、周縁面３２’がその一部をなす球体の被包体３５内に配置され、好ましくは、図４に示す如く、周縁面３２’自体の幾何学的領域内に包含される。従来技術の装置１０の磁極片３４，３６によって呈される、周縁面３２又は３２’の軸方向幅より広い凹状基板を仕上げる際の立体的な障害は、このように除去される。

ヨーク片１４’，１６’上には左右の各磁極片３４’，３６’が夫々取り付けられ、各磁極片は、お互いの方へ伸長し且つ磁気的空隙３７によって分離される。ヨーク片１４’，１６’は、好ましくは、キャリア・ホイ−ルの中心角約１２０度をおおって伸長するのに対し、磁極片３４’，３６’は、もっと小さい角度、好ましくは、約２０度をおおって伸長する。このように、広い磁界が大きい中心角をおおって存在し、これにより、本装置は、キャリア面上のＭＲＦを重力に逆らって半−硬化状態に維持することを可能ならしめ、仕上げ作業領域を、キャリア・ホイ−ルの底部死点位置を含む、本装置の所望放射状位置に配置することを許容する（図６及び図７、並びに下記参照）。幅が狭く且つ強力な磁界、即ち磁極片間の空隙内に形成されるフリンジ電解（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）の一部は、作業領域内に存在する。

他方、磁石組立体は、各磁極片３４’，３６’が磁気的に北と南あるいは南と北になるように、交互に向きが変えられ操作されて、同等の効果を奏してもよい。添加ノズル３８’は、アーム部１５から伸長する腕木３９によって支持され、供給ライン４０’に対して接続されて、移動作業面３２’上へＭＲＦのリボン４２’を供給するとともに、スクレーパー４４’は戻りライン４６’に対して接続されて、作業面３２’からＭＲＦを除去しＭＲＦを再循環調節装置へ、既知のやり方によって戻す（図３乃至図５中、図示せず）。スクレーパー４４’は好ましくは磁気的に遮蔽される。好ましくは、ヨーク片１４’，１６’の放射状端部は、ノズルからの添加位置とスクレーパーによる除去位置との間において、キャリア面上のＭＲＦリボンに接触する通路を略完全におおって伸長する。本発明に従う仕上げ装置の有利な点は、ノズル及びスクレーパーが図３に図示された位置よりも更に離間した位置を含む本来所望されるあらゆる放射状位置に配置され、これにより、キャリア・ホイ−ルの半径に比較して大きく且つ深い凹面がノズル及びスクレーパーから邪魔されることなく研磨され得ることである。

図６及び図７中、本発明に従った磁気レオロジー的仕上げ装置の第２の実施例１０’’は、第１の実施例１０’と設計上略同一である。しかし、本装置は、作業領域５８がキャリア・ホイ−ル３１の底部死点位置に形成されるよう配置されている。これにより、全く新しい目的であるところの、例えば、天体（観測用の）反射鏡のような大変大きい基板の仕上げに本装置を使用することを許容する。このような基板は、既知のように、５−軸位置決め装置に対して接続された頭上チャック内で取り扱うには大きすぎて扱いにくい。図７中、図示される基板６０のような基板は従来、取付台、即ち、台６２上に取り付けられ、台６２は既知のコンピュータ制御された５−軸位置決め装置（図７中、図示せず）に対して接続されて、これにより、基板６０の上面６４上にあらゆる所望の表面外形が仕上げられ得る。

上記の説明から基板を磁気レオロジー的流体仕上げするための改良装置、即ち、磁石装置がキャリア・ホイ−ルの球状の被包体内に含まれて、これにより、キャリア・ホイ−ル近傍の立体的な障害を除去する装置、及び作業領域のあらゆる角度の位置にキャリア面上の磁気レオロジー的流体を保持することができ、これにより、装置の下方に取り付けられた大きい基板を仕上げることを許容する装置、が提供されることは明らかである。当業者は、本発明に従った上記仕上げ装置の変更及び改良を確実に想到するだろう。したがって、上記の説明は、実施例として解釈されるべきであり、限定的な意味に解釈されるべきではない。

’３６９号特許に略図示される従来技術の基板仕上げ装置の機械組立体部の斜視図である。 図１中、２−２線に沿う縦断面図である。 本発明に従う改良基板仕上げ装置の第１の実施例の機械組立体部の斜視図である。（実施例１） 図３中、４−４線に沿う縦断面図である。（実施例１） 図３中、通常キャリア・ホイ−ル内に配置される磁石の配置を示すために、キャリア・ホイ−ル及び流体取扱部品を取り外した状態の本発明の第１の実施例の機械組立体部の斜視図である。（実施例１） 本発明に従う改良基板仕上げ装置の第２の実施例の機械組立体部の斜視図である。（実施例２） 図６中、７−７線に沿う縦断面図であって、移動可能な台上の大きな基板の上面を仕上げるために使用されている本装置を示す縦断面図である。（実施例２）

Claims (5)

1. 基板の磁気レオロジー的仕上げ装置において、
   ａ）フレームと、
   ｂ）前記フレーム上に回転自在に取り付けられたキャリア・ホイールであって、該キャリア・ホイールは中空の内部を有し、該キャリア・ホイールの外面は作業領域内の磁気レオロジー的流体のためのキャリア面を画成し、該キャリア・ホイールは球体の赤道部分である前記キャリア・ホイールと、
   ｃ）前記キャリア面上の前記磁気レオロジー的流体を硬化させるために前記フレーム上に取り付けられた磁石装置であって、前記球体の突出した被包体内に配置された前記磁石装置と、を具備し、
   前記磁石装置は、
   コアの周りに巻き線を有する電磁石と、
   前記コアの反対側端部に取り付けられた第１及び第２のヨーク片であって、略平行に伸長して前記キャリア面の内壁に近接する前記第１及び第２のヨーク片と、
   前記第１及び第２のヨーク片に対して且つこれら部材間に夫々取り付けられる第１及び第２の極片であって、互いの方向へ伸長して、互いの間に磁気的空隙を前記内壁に近接して画成し、これにより、前記キャリア面上の作業領域内に磁界を生じさせる前記第１及び第２の極片と、を含む、
   ことを特徴とする基板の磁気レオロジー的仕上げ装置。
2. 請求項１記載の基板の磁気レオロジー的仕上げ装置において、
   前記第１及び第２のヨーク片は、前記キャリア・ホイールの中心角約１２０度にわたって伸長することを特徴とする基板の磁気レオロジー的仕上げ装置。
3. 請求項１記載の基板の磁気レオロジー的仕上げ装置において、
   前記作業領域は、前記キャリア面上であって前記キャリア・ホイールの頂部死点位置のまわりに存在することを特徴とする基板の磁気レオロジー的仕上げ装置。
4. 基板の磁気レオロジー的仕上げ装置において、
   ａ）フレームと、
   ｂ）前記フレーム上に回転自在に取り付けられたキャリア・ホイールであって、該キャリア・ホイールは中空の内部を有し、該キャリア・ホイールの外面は作業領域内の磁気レオロジー的流体のためのキャリア面を画成し、該キャリア・ホイールは球体の赤道部分である前記キャリア・ホイールと、
   ｃ）前記キャリア面上の前記磁気レオロジー的流体を硬化させるために前記フレーム上に取り付けられた磁石装置であって、前記球体の突出した被包体内に配置された前記磁石装置と、を具備し、
   前記作業領域は、前記キャリア面上であって前記キャリア・ホイールの底部死点位置のまわりに存在することを特徴とする基板の磁気レオロジー的仕上げ装置。
5. 請求項１記載の基板の磁気レオロジー的仕上げ装置において、
   前記磁石装置は、前記キャリア・ホイール内に配置されることを特徴とする基板の磁気レオロジー的仕上げ装置。

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