JP5510855B2 - 流体研磨装置 - Google Patents

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。

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。

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。

特開平１０−５０８１０号公報

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。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。

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。

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。

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、研磨対象物の表面研磨を行うための流体が噴射される噴射口を有する噴射部と、前記噴射口に対向して配置された反射面を有し、前記噴射部から噴射された流体を前記反射面で前記研磨対象物の表面に向けて反射させる反射ヘッドと、前記研磨対象物を前記噴射部および前記反射ヘッドに対して相対移動させる移動機構とを備え、前記反射面は、前記噴射部からの流体を反射して略一点に収束させるように形成されており、前記略一点が前記研磨対象物の表面近傍に配置されるように、前記移動機構によって前記研磨対象物を前記噴射部および前記反射ヘッドに対して相対移動させるよう構成する。

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。

本実施形態の流体研磨装置の構成を概略的に示す正面図である。 本実施形態の流体研磨装置のスラリ噴射部を示す正面断面図である。 本実施形態の流体研磨装置の反射面の形状を説明するための図である。 異なる実施形態の流体研磨装置の反射面の形状を説明するための図である。

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態で研磨されるが、形状はこれに限定されない。

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。

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。

スラリ噴射部３０は、スラリ圧送部２０から供給されるスラリ３を噴射口４２から噴射するノズル４０と、噴射口４２から噴射されたスラリをガラス基板２に向けて反射させる反射ヘッド５０とを有して構成される。これらノズル４０および反射ヘッド５０は、基板保持部６０の基台６１に支持された保持フレーム３９により一体に連結されて固定保持されている。

ノズル４０は、図２に示すように、水平方向（Ｘ方向）に延びる中空円筒状に形成されており、このノズル４０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を圧送させるための圧送路４１がノズル４０の中心軸方向（Ｘ方向）に延びて形成され、先端部（左端部）の中央には、この圧送された高圧のスラリ３を反射ヘッド５０に向けて水平方向（Ｘ方向）に噴射させる噴射口４２が形成されている。

ノズル４０の噴射口４２（および圧送路４１）の内径は、使用する研磨材の砥粒径や研磨対象物に応じて変更されるものであるが、例えば、０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。ノズル４０の噴射口４２（および圧送路４１）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、研磨対象物に対して良好な研磨力が得られるように適切に設定するのが好ましい。

反射ヘッド５０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なり、図２に示すように、側面部に放物面（回転放物面）形状に凹んだ反射面５１がノズル４０の噴射口４２に対向して形成されたブロック状の部材である。ここで放物面（回転放物面）とは、図３に示すように、基準となる放物線ｈを、この放物線ｈの中心軸（対象軸）ｘを中心として回転させたときに、その放物線ｈが通過した点の集合からなる面であり、この反射ヘッド５０の反射面５１はこの放物面に対して中心軸ｘよりも上方に位置する水平面で切断した際の上側部分の放物面（半放物面）の形状となっている。

このような放物面形成のための基準となる放物線ｈの中心軸（回転軸）ｘは、ノズル４０の中心軸（噴射方向）と垂直平面内で平行になるように設けられており、この放物線ｈは、上記垂直平面内で軸ｘと直交する軸ｚとの関係においてｚ^２＝４ｂｘ（ｂ＞０）なる放物線を示す数式に基づいて形成されている。この放物線ｈは、軸ｘと軸ｚとが交差する交点を頂点Ｏに有し、さらに中心軸となる軸ｘ上に焦点Ｆを有する。

このような反射面５１を有する反射ヘッド５０に対して、ノズル４０からスラリ３の噴流を反射面（放物面）５１の中心軸ｘに対して平行線状に噴射を行って反射面５１に入射させると、図２に示すように、スラリ３の噴流を反射面５１で反射させたのち焦点Ｆに向かって収束させることができる。これは、反射面（放物面）５１の中心軸ｘに対して平行な方向のスラリ３の噴流が反射面５１に衝突するときの衝突位置Ｑにおける接線ｍとのなす角をα、反射された（跳ね返された）スラリ３の噴流の反射方向と接線ｍとのなす角をβとした場合に、常にα＝βが成立する放物線（放物面）の幾何学的な特徴に基づくものである。

すなわち、研磨対象物たるガラス基板２の表面２ａ上に反射面（放物面）５１の焦点Ｆ（および軸ｘ）を位置させて、この焦点Ｆと研磨対象物の表面における所望の被研磨部分とを一致させることにより、スラリ３の噴流をこの被研磨部分に収束させて、被研磨部分に高い収束圧力を付与することができる。また、スラリ３の噴流は反射面５１で反射されることにより、スラリ３の噴流にはガラス基板２の表面２ａに対する水平方向の反射流れ（図２において矢印Ａで示す）が生じ、ガラス基板２（の被研磨部分）に対して研磨加工における相対的な線速度（移動速度）を得ることができる。

ところで、一般に研磨加工において加工量（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はスラリ（研磨材）と研磨対象物との相対線速度、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）との接触圧力Ｐおよび相対線速度ｖが加工量（研磨量）Ｕを決める要因となっており、接触圧力Ｐや相対線速度ｖが大きくなれば研磨レート（研磨加工能率）は向上し、接触圧力Ｐや相対線速度ｖが小さくなれば研磨レートは低下することになる。

このため、前述したように、ノズル４０から噴射されたスラリ３の噴流を反射ヘッド５０の反射面５１で反射させて、この反射面（放物面）５１の焦点Ｆと一致する被研磨部分にスラリ３の噴流を収束させることにより、被研磨部分の中心に高い収束圧力Ｐを付与するとともに、被研磨部分に対して反射流れによる相対的な線速度ｖを生じさせて、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。

なお、反射ヘッド５０の下端面５２は、研磨加工時において、研磨対象物であるガラス基板２の表面２ａに対して、例えば０．１ｍｍ程度上方に位置ように形成されていることが好ましく、これにより、反射ヘッド５０とガラス基板２との干渉を防ぎつつ、反射面（放物面）５１の焦点Ｆをガラス基板２の表面（被研磨面）２ａに位置させることができる。

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、回収槽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に保持されたガラス基板２の表面２ａ上の任意の位置に反射ヘッド５０の反射面（放物面）５１の焦点Ｆを位置させて、この焦点Ｆが位置する部分をガラス基板２の被研磨部分として研磨を行うことができる。また、スラリ噴射部３０からガラス基板２の表面２ａに噴射されて跳ね返ったスラリ３や、ガラス基板２の表面２ａ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。

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（スラリ３の）研磨材、凝集などにより所定の砥粒径範囲よりも大きくなった（スラリ３の）研磨材、およびガラス基板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。

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の表面側（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をノズル４０および反射ヘッド５０の下方に位置させて、ガラス基板２の表面２ａ上の所望の被研磨部分を反射面（放物面）５１の焦点Ｆに一致させる位置に配置させる。なお、このとき例えば、焦点Ｆを中心（加工原点）として駆動機構による移動ステージ６２の移動座標系を設定することが好ましい。

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により高圧に加圧調整して、管路８０を介してノズル４０の圧送路４１に供給する。圧送路４１に供給されたスラリ３は、この圧送路４１を噴射口４２に向かって流動したのち、高圧かつ高速の噴流として噴射口４２から反射ヘッド５０の反射面５１に向かって噴射される。そして、スラリ３の噴流は反射面５１により反射されて（跳ね返されて）、反射面（放物面）５１の焦点Ｆが位置するガラス基板２の表面２ａ上の被研磨部分に収束する。これは、前述したように、放物面（放物線）の中心軸に対する平行線状の噴流は放物面（放物線）上で反射して、全て放物面（放物線）の焦点に収束するという放物面（放物線）の幾何学的な特徴を利用したものである。

これにより、反射面（放物面）５１の焦点Ｆが位置するガラス基板２の表面２ａ上の被研磨部分にスラリ３の噴流を収束させて、この被研磨部分に高い収束圧力（Ｐ）を与えるとともに、被研磨部分に対して反射流れによる相対的な線速度（ｖ）を生じさせることにより、ガラス基板２の研磨における研磨レートを向上させることができる。

また、このときスラリ３の噴流は焦点Ｆに収束することにより、被研磨部分において噴流の中心部（焦点Ｆ）での研磨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るため、噴流の中心部での研磨レートがさらに向上されて、ガラス基板２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２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、流体研磨における噴流の中央部（中心部）を基点として研磨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。

以上、本実施形態の流体研磨装置１によれば、研磨流体であるスラリ３を反射面（放物面）５１により反射させて被研磨面上に位置する焦点Ｆに収束させることにより、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。

なお、上述した実施形態では、反射ヘッド５０の反射面５１が放物面形状に形成された例について説明したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではなく、例えば、その一例を図４に示すように、反射ヘッド５０′の反射面５１′を楕円面形状に形成してもよいものである。

このときには、ノズル４０の中心軸上に楕円面の第１焦点（一方の焦点）Ｇ１を位置させるとともに、研磨対象物の表面２ａの被研磨部分に楕円面の第２焦点（他方の焦点）Ｇ２を位置させるように構成することによって、ノズル４０から噴射されたスラリ３の噴流を反射面５１′により反射させて、第２焦点Ｇ２が位置する被研磨部分に収束させることができる。これによれば、上述した実施形態と同様に、被研磨部分において高い収束圧力（Ｐ）および相対的な線速度（ｖ）を生じさせて研磨レートを向上させることができるとともに、ガウス分布のスポット形状を形成することができる。なお、これは楕円面（楕円）が、一方の焦点からの噴流が全て楕円面（楕円）上で反射して他方の焦点に集中するという楕円面（楕円）の幾何学的な特徴を利用したものである。

また、上述した実施形態では、ノズル４０および反射ヘッド５０は保持フレーム３９により一体に連結して保持される構成であったが、これに限定されるものではなく、ノズル４０のみを上下方向に揺動運動させる駆動機構を設けて、これらノズル４０および反射ヘッド５０を保持する構成としてもよい。ノズル４０全体を上下方向に揺動させても、このノズル４０から噴射されるスラリ３の噴流が放物面（放物線ｈ）の中心軸ｘと平行線状に反射ヘッド５０に入射される限り、反射面５１により反射される噴流は全て放物面（放物線ｈ）の焦点Ｆに収束するため、上下方向の揺動により被研磨部分（焦点Ｆ）に多方向から反射される噴流を衝突させて、さらに能率の良い研磨加工を行うことができる。

また、上述した実施形態では、反射ヘッド５０の反射面（放物面）５１の中心軸ｘと、ノズル４０の中心軸（噴射方向）とは、ともに水平方向（Ｘ方向）に延びるように設定配置されているが、これに限定されるものではなく、反射ヘッド５０の反射面（放物面）５１の中心軸ｘと、ノズル４０の中心軸（噴射方向）とは平行に配置されていればよいため、例えば、両者を被研磨面に対して斜めに設定して構成してもよいものである。

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 ４０ ノズル(噴射部) ４２ 噴射口
５０，５０′ 反射ヘッド ５１，５１′ 反射面
Ｆ 焦点 Ｇ１ 第１焦点(一方の焦点) Ｇ２ 第２焦点(焦点、他方の焦点)

Claims (3)

1. 研磨対象物の表面研磨を行うための流体が噴射される噴射口を有する噴射部と、
   前記噴射口に対向して配置された反射面を有し、前記噴射部から噴射された流体を前記反射面で前記研磨対象物の表面に向けて反射させる反射ヘッドと、
   前記研磨対象物を前記噴射部および前記反射ヘッドに対して相対移動させる移動機構とを備え、
   前記反射面は、前記噴射部からの流体を反射して略一点に収束させるように形成されており、
   前記略一点が前記研磨対象物の表面近傍に配置されるように、前記移動機構によって前記研磨対象物を前記噴射部および前記反射ヘッドに対して相対移動させることを特徴とする流体研磨装置。
2. 前記反射面は、前記噴射部による流体の噴射方向と平行且つ前記研磨対象物の表面と略直交する断面形状が、幾何学的形状として放物線又は楕円の一部を含むことを特徴とする請求項１に記載の流体研磨装置。
3. 前記反射面上において前記放物線の中心軸上に前記略一点となる幾何学的な焦点を有し、
   前記噴射部による流体の噴射方向は、前記中心軸と平行であり、
   前記噴射部を前記反射ヘッドに対して前記断面内において前記噴射方向と直交する方向に相対移動させながら前記噴射口から流体を噴射させることを特徴とする請求項２に記載の流体研磨装置。

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