JPH0691458A - 超精密レベル出し装置とその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平面（水平）移動するワーク表面の平面精度
を数［ｎｍ］に保持する。それにより、ワークの超精密
の加工および測定等が可能になる。 【構成】 平面方向に沿って摺動する支持台９上に載置
される平行ばね２と、平行ばね２上に載置されるワーク
８と、支持台９側に載置され平行ばね２に当接係合する
圧電素子３と、支持台９側に固定されるバーミラ４と、
バーミラ４に係合し機械不動側に固設されると共に、ワ
ークのレベル度検出位置又は加工位置の真下（真横）に
配置される静電容量変位センサ５および制御手段６等か
らなり、支持台９の平面方向移動に伴う摺動面１１の変
位誤差を静電容量変位センサ５により検出し、圧電素子
３および平行ばね２を介してワーク８の平面精度の補正
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械や半導体リソ
グラフィ等において、平面移動するワークのレベル度を
超精密に保持する超精密レベル出し装置とその使用方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械等においてワークの表面を高精
度に仕上げ加工するには、例えば、平面研削盤等が使用
される。平面研削盤の摺動面上に摺動自在に支持される
支持台上にワークを搭載し、ワークを水平移動しながら
砥石を切込み方向に移動しワーク表面の平面研削が行わ
れる。この場合、ワークの水平度を高精度に保持するに
は、砥石および機械に関する切削条件を吟味すると共に
研削技術に熟練度を必要とするが、機械そのものの精度
が高精度に保持されることが必要である。前記したよう
にワークを搭載する支持台は機械の摺動面に沿って水平
移動するため、摺動面の水平精度が高精度に保持されな
ければ、高精度の平面研削加工を行うことが出来ない。
一方、半導体シリコンウェハ等のワークを加工する場合
には超微少の切込みを与えながら研削し、シリコンウェ
ハ等の水平度を超精密に仕上げることが要求される。そ
のためには既設の平面研削盤の摺動面の水平精度に依存
すると前記条件を満足し得ない場合が多い。そのため、
摺動面に多少の変位誤差があってもワークの加工面の水
平精度を超精密に保持する手段が必要となる。それに関
する公知技術として１９９１年１０月の精密工学会議
［ＪＳＰＥ−５７−１０，９１−１０−１７１７］にお
ける〃工作機械における超精密位置決め技術の現状〃に
関する論文が上げられる。該論文中の図７において、変
位制御制圧案内面に関する技術がそれに相当する。この
装置は不動側の摺動面に沿って水平移動するテーブル上
に変位制御用のサブテーブルを載置し、前記摺動面側に
オプティカルストレートを固設すると共に前記サブテー
ブル上に前記オプティカルストレートに相対向して容量
変位計を設け、かつ前記テーブル側に前記サブテーブル
に係合するピエゾ素子を設けたものである。前記テーブ
ルを移動させながらオプティカルストレートを基準とし
て容量変位計により摺動面の変位誤差を検出し、その変
位誤差信号によりピエゾ素子を制御してサブテーブルの
水平精度を保持するようにするものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば、シリコン，ガ
ラス，セラミックス等の脆性材のワークの平面度を１０
［ｎｍ］／２００ｍｍ程度に保持するには砥石の切込み
を１０［ｎｍ］オーダの極微小切込みをすることが必要
である。そのためには、前記ワークの水平移動時におけ
る水平精度が数［ｎｍ］のオーダに保持されなければな
らない。また、ワークの表面を研削仕上げする目的以外
にも加工済のワークを水平度を測定するために、例えば
水平移動するテーブル上にワークを搭載して不動側の測
定機等により測定する用途もある。この場合、前記テー
ブルの水平移動精度が超精密に保持されなくてはワーク
の超精密測定が出来ない。以上のことからワークの表面
の水平度を超精密に保持することが要請される。しかし
前記したように、機械の既設の摺動面の水平精度は前記
要請を満足するものはほとんど皆無である。一方、前記
の公知技術の装置により、摺動面に沿うテーブルの移動
直角方向に変位誤差があってもサブテーブルの動きをオ
プティカルストレートと平行に移動させることが可能に
なる。しかしながら、この公知技術ではサブテーブル上
に搭載させるワークの取り付け位置によっては変位誤差
補正が不十分になる場合が生じる。また、ピエゾ素子に
よるサブテーブルの変位誤差補正の具体的な手段が不明
確であり、実際にサブテーブルがタイムリに、かつ高精
度に補正されるとは限らない。

【０００４】本発明は、以上の事情に鑑みて創案された
ものであり、摺動面の平面精度に若干の誤差があって
も、該摺動面上に搭載されるワークの平面精度が超精密
に補正保持されると共に、ワークのレベル度検出位置又
は加工位置における平面精度がタイムリに、かつ確実に
超精密に補正され、ワーク表面の数［ｎｍ］の平面精度
維持を可能とする超精密レベル出し装置とその使用方法
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、機械の摺動面に沿って平面移動する支
持台上に搭載されるワークのレベル度を超精密に補正保
持するレベル出し装置であって、前記ワークを支持すべ
く該ワークと前記支持台間に介設される並行ばねと、前
記支持台側に載置され前記平行ばねに当接係合する圧電
素子と、前記支持台側に固持され平面方向に沿って超精
密な平坦面を形成してなるバーミラと、該バーミラの前
記平坦面と相対向して配置され前記ワークのレベル度検
出位置又は加工位置の真下（真横）の機械の不動側に固
持される静電容量変位センサと、該センサの変位誤差信
号を基に前記圧電素子の変位量を制御する制御手段を設
けてなる超精密レベル出し装置を構成すると共に、前記
加工具として砥石を用い、該砥石のワーク研削点の真下
（真横）に前記静電容量変位センサを配置し、前記砥石
に微少切込みを与えながら前記支持台を前記摺動面に沿
って平面移動して該ワークの表面を平面研削するように
した超精密レベル出し装置の使用方法を特徴とするもの
である。

【０００６】

【作用】ワークは支持台上に固設される平行ばね上に搭
載される。また、支持台側には平行ばねに当接係合して
平行ばね上のワークを上下方向に微動させる圧電素子が
配設される。また、ワークのレベル度検出位置又は加工
位置の真下には支持台側に固設されるバーミラの平坦面
に相対向して静電容量変位センサが配置される。支持台
が平面方向に移動すると、ワークのレベル度検出位置等
における変位誤差がＡｂｂｅの原理に基づく誤差の最小
の状態で静電容量変位センサにより検出される。この検
出信号は制御手段を介し圧電素子側に伝えられ、圧電素
子が平行ばねを押圧する。平行ばねはその押圧点の如何
に拘らず上下（左右）方向に沿って平行に移動するた
め、静電容量変位センサで検出した変位誤差分だけ正確
にワークの上下方向の位置を補正すべく機能する。以上
により、摺動面のレベル度に若干の誤差があってもワー
クの表面の平面精度を超精密に保持することが出来る。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明
する。図１は本実施例の基本的構造を説明するための構
成図であり、図２，図３は本実施例の超精密レベル出し
装置を平面研削盤に適用し、シリコン，ガラス，セラミ
ックス等の脆性材を超精密に平面研削する使用方法を示
す図面であり、図４，図５は図２，図３に使用される本
実施例の超精密レベル出し装置の詳細構造を示す図面で
あり、図６は本発明の他の実施例の概要構造を示す図面
である。

【０００８】図１に示すように、本実施例の超精密レベ
ル出し装置１は、支持台９上に載置される平行ばね２
と、それに当接係合する圧電素子３と、支持台９，正確
には平行ばね２上のワークテーブル１０（又は動力計１
０）の図の下方に固定されるバーミラ４と、バーミラ４
の超精密の平坦面７と相対向して配置される静電容量変
位センサ５と、静電容量変位センサ５および圧電素子３
に連結する制御手段６等から構成される。なお、ワーク
８はワークテーブル１０上に搭載される。また、支持台
９は機械の不動側１２上に載置される摺動面１１上に摺
動可能に支持され、水平方向（矢印方向）に沿って移動
する。ワーク８はＡで示す水平度検出位置又は加工位置
（以下、Ａ位置という）においてその水平精度の検出又
は加工等が行われる。静電容量変位センサ５は前記Ａ位
置と相対向する一直線上の真下に配設され、不動側１２
に固定される。静電容量変位センサ５をＡ位置の真下に
配置したのはＡｂｂｅの原理に基づくものである（Ａｂ
ｂｅの原理：被測定物上の測定（加工）すべき長さと度
器上の基準長さとは測定方向において一直線上に配置し
なければならない）。制御手段は、バーミラ４を基にし
て静電容量変位センサ５が検出した摺動面１１の変位誤
差を補正すべくその検出信号に基づいて圧電素子３を動
作し、平行ばね２を介してワーク８の水平位置補正をす
べく構成されるものである。以上の構造により摺動面１
１に沿って支持台を水平方向に移動すると、摺動面１１
の水平方向の変位誤差がバーミラ４を介して静電容量変
位センサ５により検出され、ワーク８のＡ位置における
水平度が圧電素子３および平行ばね２を介して時々刻々
補正される。その結果、ワーク８の表面の水平精度が超
精密に保持される。

【０００９】次に、本実施例の超精密レベル出し装置１
を平面研削盤に適用した実施例を図２乃至図５により詳
細に説明する。図２，図３に示すように不動側１２上に
はベッド１３が載置され、ベッド１３上にはＹ方向（図
３）に沿って摺動面１４が形成される。スライドテーブ
ル１５は摺動面１４に沿ってＹ方向に移動する。スライ
ドテーブル１５上にはＸ方向（前記した水平方向）に沿
って摺動面１１が形成され、摺動面１１上には支持台９
が摺動自在に支持される。また、本実施例では支持台９
上にレベリングブロック１６が載置され、レベリングブ
ロック１６上には超精密レベル出し装置１が載置され
る。一方、ベッド１３上には一対のコラム１７が立設さ
れ、その上端には横架１８が架設される。横架１８の下
面側には砥石１９を枢支すると共に砥石１９を回転駆動
する砥石台２０が懸架支持される。砥石１９は超精密レ
ベル出し装置１上のワーク８に当接係合し、ワーク８の
表面の平面研削を行う。静電容量変位センサ５は研削点
であるＡ位置の真下に配置され不動側１２側に支持され
る。実際上、図２，図３に示した砥石台２０上に静電容
量変位センサ５を固定することが出来ないため、例え
ば、ベッド１３の上面又は砥石軸に近い横架１８に固定
される。

【００１０】次に、図４，図５により図２，図３に使用
される超精密レベル出し装置１の詳細構造を説明する。
支持台９上にはレベリングブロック１６が載置され、そ
の上面にはベース台２１がボルト２２により固定され
る。ベース台２１上には一対の平行ばね２，２がボルト
２３により固定される。平行ばね２は公知のもので図４
に示すように逆Ｌ字形のものからなり、基板部２４と、
基板部２４の上面から一方向に伸延する張り出し部２５
から形成される。また、基板部２４には平行溝孔２６が
貫通形成される。平行ばね２は張り出し部２５の任意の
位置に押圧力が作用した場合でもその上面全体が平行に
変位するように形成されるものである。なお、図４に示
すように平行ばね２の張り出し部２５の下面側には圧電
素子３が当接係合する平坦面２７が突出形成される。平
行ばね２の上方には本実施例では動力計１０がボルト２
８により固定される。動力計１０の上方の平坦面上には
被研削物であるワーク８が治具２９により固定される。
動力計１０の下面の平坦面にはバーミラ４がボルト３０
により固定される。バーミラ４の平坦面７は超精密に仕
上げられたもので、この平坦面７が基準面になる。平行
ばね２の張り出し部２５とレベリングブロック１６上の
ベース台２１間には平行ばね２を圧電素子３に圧接する
ためのばね３１が架設される。一方、圧電素子３はベー
ス台２１上にボルト３２により固定される圧電素子支持
台３３上に固定されると共に、張り出し部２５の平坦面
２７に当接して配置される。静電容量変位センサ５は数
［ｎｍ］の検出能力を有する超精密のセンサからなり、
図４，図５に示すように砥石１９とワーク８との切削点
（Ａ位置）の真下に配置され、不動側１２に固定され
る。また、静電容量変位センサ５はバーミラ４の平坦面
７と相対向する位置に近接して配置される。制御手段６
は静電容量変位センサ５と圧電素子３に連結し、静電容
量変位センサ５で検出した変位誤差に基づき圧電素子３
の移動量を制御するものである。

【００１１】次に、本実施例の作用を説明する。支持台
９がＸ方向（水平方向）に移動するとそれに伴って平行
ばね２，圧電素子３，バーミラ４およびワーク８が移動
する。砥石１９および静電容量変位センサ５は不動側１
２に配置されるため不動である。砥石１９に対するワー
ク８の接触点は時々刻々と変化するが砥石１９の切削点
（Ａ位置）は変化しないため、Ａ位置の真下に位置する
静電容量変位センサ５はその瞬間における砥石１９とワ
ーク８との接触点における変位誤差を検出することが出
来る。すなわち、支持台９が摺動面１１（図３）に沿っ
てＸ方向は移動するとバーミラ４が移動する。摺動面１
１に誤差があるとその誤差はバーミラ４にほぼそのまま
表れる。静電容量変位センサ５はバーミラ４の平坦面７
と相対向して配置されるため、前記誤差は静電容量変位
センサ５により瞬間的に検出され、検出信号が制御手段
６に入力される。制御手段６は該検出信号により圧電素
子３の電圧制御を行い、誤差に比例した変位を発生させ
る。圧電素子３は平行ばね２に圧接係合しているため、
前記誤差分だけ平行ばね２が平行変位し、ワーク８を上
下させる。以上の動作は時々刻々とほぼ連続して行われ
るため、ワーク８の表面は摺動面１１の誤差に拘らず常
に平坦に補正保持される。その結果、ワーク８の表面の
水平精度が数［ｎｍ］に保持されるため、砥石１９を数
［ｎｍ］の極微小切込みすることにより、数［ｎｍ］の
超精密の研削加工を行うことが出来る。

【００１２】図２乃至図５は本実施例の超精密レベル出
し装置１を平面研削盤に適用した場合について説明した
が、水平方向に移動するワーク８等の表面を超精密の水
平度に保持する場合にも同様に適用される。

【００１３】本実施例の超精密レベル出し装置１の各構
成要素の材質については以上の実施例において説明して
いない。しかしながら、ワークの水平度を超精密に保持
するためには図５におけるバーミラ４より上方の構成要
素の材料を低膨脹材から形成することが望ましい。すな
わち、熱膨脹係数が１×１０^-6／℃程度のものが望まし
い。

【００１４】次に、図６により本発明の他の実施例につ
いて説明する。本実施例は静電容量変位センサ５の位置
とそれに対応するバーミラ４ａの形状を変えた他は前記
実施例のものとほぼ同一構造のものからなり、同一構造
の部分の説明は省略する。前記した実施例の場合には、
静電容量変位センサ５がＡ位置の真下に１箇所だけ配置
されているため、Ｘ方向に沿うピッチングの変位誤差は
前記の方法により検出され、かつ補正される。しかしな
がら、それと直交するローリング方向の変位誤差が補正
されない。そこで、図６に示すように、中心のＡ点の真
下に静電容量変位センサ５を配置すると共に、その両側
に、例えば、等間隔（ａ）に複数個（図示では２個）の
静電容量変位センサ５ａ，５ｂを配置する。静電容量変
位センサ５，５ａ，５ｂは制御手段６ａに連結する。静
電容量変位センサ５の検出信号は制御手段６ａを介して
圧電素子３ａ，３ｂ側に伝えられて変位制御が行われ
る。一方、静電容量変位センサ５ａ，５ｂの検出信号は
それ等に対応する圧電素子３ａ，３ｂに制御手段６ａを
介して伝えられる。それにより、ピッチング方向に加え
てローリング方向の変位制御が超精密に行われる。

【００１５】以上に説明した実施例において、レベリン
グブロック１６はワーク８を砥石１９に近接又は離隔す
る方向に移動するためのものであり、砥石１９側に切込
み機構が設けられている場合には不要である。また、動
力計１０はワーク８の加工時における切削力等を検測す
るためのもので平行ばね２上に直接ワーク８を搭載する
ようにしても勿論よい。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、次のような顕著な効果
を奏する。 （１）機械の摺動面に変位誤差があっても本装置を使用
することによりワークの表面の平面精度超精密に補正さ
れ、ワークの表面の平面精度を数［ｎｍ］のオーダに保
持することが出来る。 （２）数［ｎｍ］の平面精度にワークが保持されるた
め、ワークの表面研削やワークの表面精度の測定が超精
密に行われる。 （３）ワークのレベル度検出位置又は加工位置の真下
（真横）に変位誤差検出用の静電容量変位センサが配置
されるため、Ａｂｂｅの原理にかなった高精度の検出が
行われる。 （４）圧電素子を使用して平行ばねを押圧するため、迅
速で、かつ超精密の変位補正が可能になる。 （５）ピッチング方向と、それに直交するローリング方
向の変位誤差補正が行われ、広面積のワークの平面精度
を超精密に保持することが出来る。 （６）コンパクトな構造のため、各種機械および測定機
等に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の基本構造を説明するための
正面図である。

【図２】本実施例の超精密レベル出し装置を適用した平
面研削盤の正面図である。

【図３】図２の側面図である。

【図４】図２，図３の平面研削盤に適用された本実施例
の超精密レベル出し装置の詳細構造を示す正面図であ
る。

【図５】図４の側面図である。

【図６】本発明の他の実施例の側面図である。

【符号の説明】

１ 超精密レベル出し装置 ２ 平行ばね ３ 圧電素子 ３ａ 圧電素子 ３ｂ 圧電素子 ４ バーミラ ４ａ バーミラ ５ 静電容量変位センサ ５ａ 静電容量変位センサ ５ｂ 静電容量変位センサ ６ 制御手段 ６ａ 制御手段 ７ 平坦面 ８ ワーク ９ 支持台 １０ ワークテーブル（動力計） １１ 摺動面 １３ ベッド １４ 摺動面 １５ スライドテーブル １６ レベリングブロック １７ コラム １８ 横架 １９ 砥石 ２０ 砥石台 ２１ ベース台 ２２ ボルト ２３ ボルト ２４ 基板部 ２５ 張り出し部 ２６ 平行溝孔 ２７ 平坦面 ２８ ボルト ２９ 治具 ３０ ボルト ３１ ばね ３２ ボルト ３３ 圧電素子支持台

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械の摺動面に沿って平面移動する支持
   台上に搭載されるワークの平面度，平行度，直通度（以
   下、レベル度という）を超精密に補正保持するレベル出
   し装置であって、前記ワークを支持すべく該ワークと前
   記支持台間に介設される並行ばねと、前記支持台側に載
   置され前記平行ばねに当接係合する圧電素子と、前記支
   持台側に固持され平面方向に沿って超精密な平坦面を形
   成してなるバーミラと、該バーミラの前記平坦面と相対
   向して配置され前記ワークのレベル度検出位置又は加工
   位置の真下（真横）の機械の不動側に固持される静電容
   量変位センサと、該センサの変位誤差信号を基に前記圧
   電素子の変位量を制御する制御手段を設けることを特徴
   とする超精密レベル出し装置。
2. 【請求項２】 前記加工具として砥石を用い、該砥石の
   ワーク研削点の真下（真横）に前記静電容量変位センサ
   を配置し、前記砥石に微少切込みを与えながら前記支持
   台を前記摺動面に沿って平面移動して該ワークの表面を
   平面研削することを特徴とする超精密レベル出し装置の
   使用方法。
3. 【請求項３】 前記砥石の切込み方向の切込み量を１０
   ［ｎｍ］オーダの極微小量とし、前記ワークを脆性材と
   してなる請求項２に記載の超精密レベル出し装置の使用
   方法。