JP5177647B2 - Fluid polishing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、ガラス基板などの研磨対象物の表面に向けて流体を噴射して研磨を行う流体研磨装置に関する。 The present invention relates to a fluid polishing apparatus that performs polishing by jetting a fluid toward the surface of an object to be polished such as a glass substrate.
ガラス基板などの研磨対象物の表面を研磨加工する研磨装置としては、例えば、回転テーブルに保持された研磨対象物と、研磨装置の研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させながら加圧接触させ、この研磨対象物および研磨パッドの間に加工対象に応じたスラリを供給して研磨加工を行うように構成されるものが知られている。このような研磨装置においては、研磨パッドによる接触圧を被研磨面全体に均等にして加圧することが難しく、この接触圧の違いにより被研磨面の寸法精度が変わることとなっていた。また、研磨パッドが摩耗等すると、被研磨面にキズ等のダメージを付与することにもなっていた。 As a polishing apparatus that polishes the surface of an object to be polished such as a glass substrate, for example, the object to be polished held on a rotary table and a polishing pad mounted on a polishing head of the polishing apparatus are pressed while relatively rotating. It is known that a polishing process is performed by bringing a slurry according to a processing target between the polishing target and the polishing pad and supplying a slurry according to the processing target. In such a polishing apparatus, it is difficult to uniformly apply the contact pressure by the polishing pad to the entire surface to be polished, and the dimensional accuracy of the surface to be polished changes due to the difference in the contact pressure. Further, when the polishing pad is worn out, damage such as scratches is given to the surface to be polished.
これに対して、スラリなどの流体(研磨流体)を噴射部から噴射させて、研磨対象物の表面を研磨する流体研磨装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような流体研磨装置では、研磨パッドなどの工具を用いずに、高圧に調整された流体を直接、研磨対象物の表面に衝突させて研磨を行うため、精度の良い被研磨面を得ることができる。
研磨加工においては、プレストンの法則により、噴射される流体と研磨対象物との間に生じる相対的な移動速度(相対的な線速度)が研磨量(加工量)を決める一つの要因となっており、相対的な線速度が大きくなれば研磨レートは向上し、相対的な線速度が小さくなれば研磨レートは低下することが知られている。上記のような流体研磨装置では、一般的に、噴射部が研磨対象物の表面に対して垂直になるように設置されて、噴射部から流体が研磨対象物の表面に対して略直線状に垂直に噴射されるようになっている。しかしながら、このような流体研磨装置の噴射部から噴射された噴流の中央部では、流体と研磨対象物との間で相対的な線速度(移動速度)が殆んど生じていないため、この噴流における中央部での研磨レートが低下する要因となっていた(図4参照)。このように噴流の中央部での研磨レートが低いと、研磨における位置や条件などの制御が困難となるため、生産性が低下するとともに、加工精度も悪化するという問題がある。 In polishing processing, due to Preston's law, the relative moving speed (relative linear speed) generated between the jetted fluid and the polishing object is one factor that determines the polishing amount (processing amount). It is known that the polishing rate is improved when the relative linear velocity is increased, and the polishing rate is decreased when the relative linear velocity is decreased. In the fluid polishing apparatus as described above, the injection unit is generally installed so as to be perpendicular to the surface of the object to be polished, and the fluid from the injection unit is substantially linear with respect to the surface of the object to be polished. It is jetted vertically. However, since there is almost no relative linear velocity (moving speed) between the fluid and the object to be polished in the central portion of the jet jetted from the jet section of such a fluid polishing apparatus, this jet flow It was a factor that the polishing rate at the central portion in (2) decreased. Thus, when the polishing rate at the central portion of the jet is low, it becomes difficult to control the position and conditions in the polishing, so that there is a problem that productivity is lowered and processing accuracy is also deteriorated.
また、これに対して、噴射ノズルを研磨対象物の表面に対して斜めに設置して、噴射する流体を被研磨面に対して斜めに入射させて相対的な線速度を生じさせる技術も種々講じられているが、これによれば被研磨面に加圧する加工圧が分散してしまい、結果として研磨レートを低下させていた。 On the other hand, there are various techniques in which the jet nozzle is installed obliquely with respect to the surface of the object to be polished and the fluid to be injected is incident obliquely with respect to the surface to be polished to generate a relative linear velocity. However, according to this, the processing pressure applied to the surface to be polished is dispersed, and as a result, the polishing rate is lowered.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、流体研磨において研磨レートを向上させることができる流体研磨装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the fluid polishing apparatus which can improve a polishing rate in fluid polishing.
このような目的達成のため、本発明に係る流体研磨装置は、噴射部の噴射口から流体を研磨対象物の表面に向けて噴射することにより、研磨対象物の表面研磨を行う流体研磨装置であって、噴射部は、流体が圧送されるノズル側圧送路が形成されたノズルと、ノズル側圧送路から送り出される流体を受けてさらに圧送させるヘッド側圧送路およびヘッド側圧送路と一体に繋がって研磨対象物の表面と対向する噴射口が形成され、ヘッド側圧送路を流動させた流体を噴射口から噴射する噴射ヘッドと、噴射ヘッドを介して噴射口から噴射される流体に所定の方向の振動を付与する振動発生部とを備え、ノズルと噴射ヘッドとは、互いに別体に分離されて一定の間隔をおいて配置されるように構成される。 In order to achieve such an object, the fluid polishing apparatus according to the present invention is a fluid polishing apparatus that performs surface polishing of an object to be polished by injecting fluid toward the surface of the object to be polished from an injection port of an injection unit. The injection unit is integrally connected to the nozzle in which the nozzle side pressure feed path through which the fluid is pumped is formed, and the head side pressure feed path and the head side pressure feed path that receive and further pump the fluid sent from the nozzle side pressure feed path. An ejection port that is opposed to the surface of the object to be polished, and ejects the fluid that has flowed through the head-side pressure feed path from the ejection port; and the fluid that is ejected from the ejection port through the ejection head in a predetermined direction The nozzle and the ejection head are configured to be separated from each other and arranged at a predetermined interval.
本発明によれば、流体研磨における研磨レートを向上させることができる。 According to the present invention, the polishing rate in fluid polishing can be improved.
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る流体研磨装置の概略構成を図1に示している。流体研磨装置1は、研磨流体(スラリ)の流れによって研磨対象物の表面を研磨する装置であり、スラリ供給部10、スラリ圧送部20、スラリ噴射部30、基板保持部60、スラリ回収部70、およびこれらを繋ぐ管路80を有して構成される。この流体研磨装置1の研磨対象物は、例えば、石英ガラスなどのガラス基板2である。ガラス基板2は、通常四角形状の板状体で研磨されるが、形状はこれに限定されない。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A schematic configuration of a fluid polishing apparatus according to the present embodiment is shown in FIG. The fluid polishing apparatus 1 is an apparatus that polishes the surface of an object to be polished by the flow of a polishing fluid (slurry), and includes a
スラリ供給部10は、研磨材(研磨粒子)と純水などを攪拌・混合してスラリ(研磨流体)3を生成し、このスラリ3をスラリ圧送部20に供給する攪拌タンクである。研磨材としては、例えばシリカ粒子(コロイダルシリカなど)等が用いられ、使用される研磨材の平均一次粒子径は数nm〜数十nmであることが好ましい。また、スラリ3には、このスラリ(研磨粒子)3の分散性および安定性を向上させるため、例えばアンモニウムポリメタクリレートなどの分散剤が添加されていることが好ましい。
The
スラリ圧送部20は、スラリ供給部10から送られてきたスラリ3を加圧して送り出す高圧ポンプであり、この高圧で圧送されたスラリ3はスラリ噴射部30に供給されたのち研磨対象物たるガラス基板2に噴射される。また、スラリ圧送部20とスラリ噴射部30との間には、(スラリ3を搬送する管路80を介して)圧力調整バルブ21が接続されており、研磨対象物(の加工精度など)に適したスラリ3の供給量および圧送圧力に調整することができる。
The
スラリ噴射部30は、スラリ圧送部20からスラリ3が供給されるノズル31と、このノズル31の下方に設置されスラリ3を噴射口43から噴射する噴射ヘッド40と、噴射ヘッド40の側面部に備えられて、この噴射ヘッド40に振動を付与するための超音波発生装置50とを有して構成される。これらノズル31および超音波発生装置50は、基板保持部60の基台61にそれぞれ支持された保持フレーム39,59によりそれぞれ固定保持されている。
The
ノズル31は、図2に示すように、上下方向に延びる略円筒状に形成されており、このノズル31の中心部には、スラリ圧送部20から送り出された高圧のスラリ3を流動させるためのノズル側圧送路32が上下方向に延びて貫通して形成され、先端部(下端部)の中央には、この高圧のスラリ3をヘッド側に送り出す噴出口33が形成されている。また、ノズル31の先端部(下端部)には、下方側に開口したリング状溝34が形成されており、このリング状溝34内に噴射ヘッド40の上端部が入り込むようにして配置されるため、リング状溝34がラビリングシールとしての役割を果たすことにより、ノズル31の噴出口33から噴射ヘッド40に向かって噴出されたスラリ3の飛散を防止することができる。
As shown in FIG. 2, the
噴射ヘッド40は、ノズル31の下方側においてノズル31と所定の間隔を有して分離され、ノズル31の中心軸と同軸となるように振動発生装置50に取り付けられている。この噴射ヘッド40は、耐摩耗性樹脂や、表面にダイヤモンドコーティング等が処理された耐摩耗性材料から、上下方向に延びる略円筒状に形成されており、噴射ヘッド40の中心部には略円錐状のテーパ内面により包囲され形成された供給孔41と、この供給孔41の下方側で一体に繋がって上下方向(噴射方向)に延びたヘッド側圧送路42と、これら供給孔41およびヘッド側圧送路42を流動した高圧のスラリ3を研磨対象物たるガラス基板2に向けて(下方に)噴射させる噴射口43とを有している。これにより、噴射ヘッド40はノズル31の噴出口33から送り出された高圧のスラリ3を供給孔41で受けてヘッド側圧送路42を流動させ、噴射口43からこの高圧のスラリ3をガラス基板2に向かって略直線状に噴射することができる。このとき、供給孔41が略円錐状に形成されているため、ノズル31から噴出されたスラリ3をスムーズにヘッド側圧送路42に流動させることが可能である。
The
また、噴射ヘッド40の噴射口43(およびヘッド側圧送路42)の内径は、ノズル31の噴出口33(ノズル側圧送路)の内径よりも若干大きく(例えば、10%程度大きく)設定され、0.5mm〜10mm程度であることが好ましい。噴射ヘッド40の噴射口43(およびヘッド側圧送路42)の内径をあまりに大きく設定すると、噴射されるスラリ3の流速が低下して運動エネルギが小さくなり研磨力が低下するため、研磨対象物に応じて良好な研磨力が得られるよう適切に設定する。
Further, the inner diameter of the ejection port 43 (and the head-side pressure feeding path 42) of the
これらノズル31および噴射ヘッド40は、中心軸を同軸にして、さらに、噴射ヘッド40の上端部がノズル31のリング状溝34内においてこのリング状溝34を形成する壁部との間で所定の間隔をあけるようにして配置される。
The
超音波発生装置50は、高周波発信器(図示しない)から出力される電気的振動を振動子(図示しない)を介して機械的振動に変換することにより振動を発生させる。そして、発生したその振動は、振幅拡大用ホーン51によって振幅が数倍に拡大されて噴射ヘッド40に伝えられることにより、噴射ヘッド40全体に図2において矢印Aで示したような水平方向の振動が発生される。このため、ヘッド側圧送路42を流動するスラリ3にも超音波による水平方向の振動が付与(伝達)されて活性化されることにより、このスラリ3を用いた流体研磨において、研磨レートをより向上させることができる。
The
また、前述したように、ノズル31の下面側と噴射ヘッド40の上面側との間には所定の間隔があけられて分離されているため、超音波発生装置50により付与される振動は噴射ヘッド40にのみ伝達されればよく、スラリ噴射部30全体に振動を付与する必要がない。このため、噴射ヘッド40に付与する振動を制御すればよいため、超音波発生装置50の制御が簡単になるとともに、効率良くスラリ3に強力な超音波振動を付与することができ、ひいては小型化を実現することができる。なお、超音波発生装置50から噴射ヘッド40側に付与される振動の振幅の大きさは、数十μm程度に調整されていることが好ましい。このとき、上記振幅によりリング状溝34内で振動する噴射ヘッド40の上端部が、分離されたノズル31の下端部(リング状溝34内の壁部)に衝突して干渉するのを防止するため、上記所定の間隔は、付与される振動の振幅の大きさの2倍以上の大きさで、例えば、0.1mm程度に形成されることが好ましい。
Further, as described above, because the
基板保持部60は、図1に示すように、水平な基台61と、図示しない駆動機構により3次元方向(X,Y,Z方向)に移動可能な移動ステージ62と、移動ステージ62上に配設された回収槽63と、回収層63内に固定されて研磨対象物たるガラス基板2を表面側(上面側)に着脱自在に保持可能な保持テーブル64とを備えている。このため、駆動機構により移動ステージ62を移動させることによって、保持テーブル64の表面側(上面側)に保持されたガラス基板2をスラリ噴射部30(噴射ヘッド40)下方の任意の位置に移動させて研磨を行うことが可能である。また、スラリ噴射部30からガラス基板2の表面(上面)に噴射されて反射したスラリ3や、ガラス基板2の表面などから下方に流れ落ちるスラリ3は、回収槽63により外部への飛散等が防止されるとともに、スラリ回収部70に回収されて効率的に再利用される。
As shown in FIG. 1, the
スラリ回収部70は、回収槽63の下面隅部に形成された排出孔(図示しない)を通って排出されるスラリ3を管路80を介して回収を行って、この回収したスラリ3をフィルタ等が備えられた分級器71で浄化した後にスラリ供給部10に戻す。この分級器71では、研磨(加工)に使用されることにより所定の砥粒径よりも小さくなった研磨材、凝集などにより所定の砥粒径範囲より大きくなった研磨材、および研磨対象物(ガラス基板2)の切粉などの不要なものを排出することにより、再利用が可能なスラリ3(研磨材)のみがスラリ供給部10に戻され循環されるようになっている。
The
次に、このような構成の流体研磨装置1を用いて研磨対象物の研磨を行う場合について説明する。流体研磨装置1によりガラス基板2の研磨を行うには、まず、保持テーブル64の上面側に研磨対象物となるガラス基板2を取り付けて保持させる。そして、図示しない駆動機構により移動ステージ62を移動させて、保持テーブル64上のガラス基板2をスラリ噴射部30(噴射ヘッド40)の下方に位置させて、ガラス基板2(の所望の被研磨部分)を噴射ヘッド40の噴射口43に対向する位置に配置させる。このとき、噴射ヘッド40の噴射口43とガラス基板2の表面(上面)との間の距離は、噴射ヘッド40から噴射されるスラリ3が能率良く略直線状にガラス基板2の表面に噴射することができるような距離にしておく。
Next, a case where a polishing object is polished using the fluid polishing apparatus 1 having such a configuration will be described. In order to polish the
次いで、スラリ噴射部30によりスラリ3を噴射するには、まず、スラリ供給部10から送られてくるスラリ3をスラリ圧送部20により加圧調整して、管路80を介してノズル31のノズル側圧送路32に供給する。この供給されたスラリ3はノズル側圧送路32を下方に流動したのち噴出口33から噴出されて、噴射ヘッド40の供給孔41に送り出される。このとき、前述したように、供給孔41に噴出されたスラリ3は、供給孔41のテーパ内面に沿ってスムーズにヘッド側圧送路42に送られるとともに、一部に供給孔41のテーパ内面で反射して弾かれたスラリ3があってもノズル31のリング状溝34内で受け止められるため、外部に飛散等することが防止される。そして、噴射ヘッド40のヘッド側圧送路42を流動するスラリ3には、超音波発生装置50から噴射ヘッド40を介して強力な水平方向の振動が付与されることにより、スラリ3が活性化される。噴射ヘッド40はスラリ3を高圧かつ高速の噴流として噴射口43から噴射して、この噴射口43に対向する直下位置に配置されたガラス基板2の表面(上面)に衝突させることにより、ガラス基板2の表面(上面)が研磨される。
Next, in order to inject the
引き続き、流体研磨装置1により研磨対象物であるガラス基板2の表面(上面)が研磨される状態について、図3および図4を用いて詳細に説明する。
Next, the state in which the surface (upper surface) of the
従来、流体研磨において噴射口43から噴射されるスラリ3については、噴流の中央部における水平方向の線速度(流速)は殆んどゼロであり、外方にいくに従って少しずつこの水平方向の線速度が生じてくるため、詳細は下記に示したプレストンの式を用いて後述するが、噴流の中央部では加工能力がなく、外方にいくに従って加工能力が増加していくため、被研磨物における研磨スポットの形状が略リング状となっていた(図4参照)。
Conventionally, for the
このとき、一般に加工量(研磨量)Uを決定する式としては、以下に示すようなプレストンの式が使用されている。
U=k・P・v・t
ここで、kは定数、Pはスラリ(研磨材)が研磨対象物に与える接触圧力、vは研磨対象物とスラリ(研磨材)との(水平方向の)相対線速度、tは研磨対象物とスラリ(研磨材)との接触時間である。このプレストンの式によれば、研磨加工においては、研磨対象物とスラリ(研磨材)との相対的な線速度vが加工量Uを決める1つの要因となっており、この相対的な線速度が大きくなれば研磨レート(研磨加工能率)は向上し、相対的な線速度が小さくなれば研磨レートは低下することになる。すなわち、いくら研磨対象物に加える接触圧力Pを増大させても、研磨対象物とスラリ(研磨材)との間に相対的な線速度が生じなければ、加工能力が低下して所望の加工精度を得るための研磨を行うことが困難であるといえる。
At this time, as a formula for determining the processing amount (polishing amount) U, the following Preston formula is generally used.
U = k, P, v, t
Here, k is a constant, P is a contact pressure applied to the object to be polished by the slurry (abrasive), v is a relative linear velocity (in the horizontal direction) between the object to be polished and the slurry (abrasive), and t is an object to be polished. It is the contact time between the slurry and the abrasive (abrasive). According to the Preston equation, in the polishing process, the relative linear velocity v between the object to be polished and the slurry (abrasive) is one factor that determines the processing amount U, and this relative linear velocity. The polishing rate (polishing efficiency) increases as the value increases, and the polishing rate decreases as the relative linear velocity decreases. In other words, no matter how much the contact pressure P applied to the object to be polished is increased, if a relative linear velocity does not occur between the object to be polished and the slurry (abrasive), the processing capability is reduced and the desired processing accuracy is reduced. It can be said that it is difficult to perform the polishing for obtaining the above.
換言すると、いくらスラリ3(研磨材)の噴射圧力Pを高圧調整して噴射口43から噴射し研磨対象物たるガラス基板2に衝突させても、ガラス基板2に対するスラリ3(研磨材)の相対的な線速度(水平方向の線速度)が小さければ、研磨レートを向上させることが困難となる。
In other words, no matter how much the injection pressure P of the slurry 3 (abrasive material) is adjusted and sprayed from the
そこで、本流体研磨装置1では、超音波発生装置50によって噴射ヘッド40を介して噴射されるスラリ3に水平方向の超音波振動を付与して活性化させることにより、スラリ3の噴流全体が乱流状態となって、ガラス基板2とスラリ3(研磨材)との間に相対的な移動速度として線速度をより大きく生じさせて、研磨レートをより向上させることができる。
Therefore, in the present fluid polishing apparatus 1, the entire jet flow of the
また、このとき、スラリ3の噴流の中央部には水平方向の線速度が元々生じていなかったが、超音波振動がスラリ3に付与されることにより、スラリ3の噴流の中央部にはこの振動に基づく大きな水平方向の線速度が生じることとなる。一方、噴流の周辺部では、噴流において中央部から周辺外方に向かうにしたがって元々生じていた水平方向の線速度と、超音波振動による水平方向の線速度とが打ち消しあった結果、相対的にこの線速度が小さくなっていく。この結果、図3に示すように、噴流の中央部では水平方向の線速度が増大することにより、噴流の中央部の研磨能力が強いガウス分布の研磨スポット形状を形成することができため、噴流の中央部での研磨レートを向上させてガラス基板上の所望の部分を能率良く研磨加工することができるとともに、ガラス基板の研磨における加工精度を向上させることができる。また、流体研磨において噴流の中央部(中心部)を基点として加工の位置制御などを行うことができるため、流体研磨の制御性が向上される。
At this time, the horizontal linear velocity was not originally generated in the central portion of the jet of the
さらに、超音波振動により生じる線速は、この振動の周波数と振幅との積に比例するため、これら周波数および振幅を調整して線速を最適化させることにより、研磨レートをより向上させることができる。 Furthermore, since the linear velocity generated by the ultrasonic vibration is proportional to the product of the frequency and amplitude of this vibration, adjusting the frequency and amplitude to optimize the linear velocity can further improve the polishing rate. it can.
以上、本実施形態の流体研磨装置1によれば、スラリ噴射部30において単独構造の噴射ヘッド40を介して、超音波発生装置50によりスラリ3に強力な超音波振動を付与して活性化させるため、流体研磨における研磨レートを向上させることができるとともに、ガウス分布の研磨スポット形状に近づけて効率的かつ高精度な研磨加工を実現することができる。
As described above, according to the fluid polishing apparatus 1 of the present embodiment, the
なお、スラリ噴射部30において、ノズル31と噴射ヘッド40とは所定の間隔をあけて分離されて設けられていればよく、本実施形態で例示したように保持フレーム39,59により別々に固定保持されてもよいし、単一の保持フレームなどにより連結されて固定保持されてもよい。また、単一の保持フレームなどによりノズル31および噴射ヘッド40を保持する場合には、ノズル31に伝達される振動を吸収するための振動吸収体を設けることが好ましい。
In the
1 流体研磨装置 2 ガラス基板(研磨対象物) 3 スラリ(流体)
30 スラリ噴射部(噴射部) 31 ノズル 32 ノズル側圧送路
34 リング状溝(溝部) 40 噴射ヘッド 41 供給孔(開口部)
42 ヘッド側圧送路 43 噴射口
50 超音波発生装置(振動発生部、超音波発生部)
1
30 Slurry injection part (injection part) 31
34 Ring-shaped groove (groove) 40
42 Head side
50 Ultrasonic generator (vibration generator, ultrasonic generator)
Claims (7)
前記噴射部は、
流体が圧送されるノズル側圧送路が形成されたノズルと、
前記ノズル側圧送路から送り出される流体を受けて流動させるヘッド側圧送路および前記ヘッド側圧送路と一体に繋がって前記研磨対象物の表面と対向する前記噴射口が形成され、前記ヘッド側圧送路を流動させた流体を前記噴射口から噴射する噴射ヘッドと、
前記噴射ヘッドを介して前記噴射口から噴射される流体に所定の方向の振動を付与する振動発生部とを備え、
前記ノズルと前記噴射ヘッドとは、互いに別体に分離されて一定の間隔をおいて配置されることを特徴とする流体研磨装置。 A fluid polishing apparatus that performs surface polishing of the polishing object by spraying a fluid toward the surface of the polishing object from an injection port of an injection unit,
The injection unit is
A nozzle formed with a nozzle side pressure feed path through which fluid is pumped;
The head side pressure feed path is formed integrally with the head side pressure feed path for receiving and flowing the fluid fed from the nozzle side pressure feed path and facing the surface of the object to be polished. An ejection head that ejects the fluid that has flowed through the ejection port;
A vibration generating unit that applies vibration in a predetermined direction to the fluid ejected from the ejection port via the ejection head;
The fluid polishing apparatus, wherein the nozzle and the ejection head are separated from each other and arranged at a predetermined interval.
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