JPWO2005095053A1 - 直進型研磨方法及び装置 - Google Patents

Abstract

回転型研磨加工法では、工作物を連続的に装置に送り込むことや装置周辺の空間の有効利用は難しい。本発明は、これらの問題を解決した新しい概念の直進型研磨加工法と装置を提供する。平行に隣接した１組の平行平面定盤の各々が互いに反対方向に直線運動を行う。この定盤の両方に、工作物を押しつけることにより、工作物に回転運動のための偶力を与える。工作物の回転と直線運動をする１組の定盤との相対運動により、工作物を砥粒で研磨する。１組の平行平面定盤を別の１組の平行平面定盤と対向させて、その間に工作物を挟んで片面又は両面を研磨することができる。平面定盤に代えて工作物支持台上を通過するベルト型のポリシャを用いることもできる。

Description

本発明は、金属（鉄鋼・非鉄金属）や非金属（セラミック・ガラス・プラスチック）等の研磨加工(abrasive finishing)に関するものである。

遊離砥粒を分散させた研磨剤を介して工作物とラップ(lap)を擦り合わせて研磨するラッピング(lapping)や金属よりも軟らかいポリシャ(polisher)と呼ばれる工具を用いて研磨するポリシング(polishing)等の研磨加工は、機械加工の最終仕上げ工程に用いる加工法であり、近年の機器の高品位化に伴い、重要性を増している加工法である。

研磨加工には、片面、両面、曲面等多くの加工作業があるが、基本的に、図１０に示すように、研磨定盤(surface plate)１０上（ポリシングの場合は、定盤上に貼られたポリシャ１１上）に、キャリア１３等で保持されてｎの速度で回転するホルダ１４内に収容された工作物３を圧力Ｐで押しつけ、研磨定盤１０上（ポリシングの場合はポリシャ１１上）に遊離砥粒１２を含む研磨液１５を滴下しながら研磨定盤１０をＮの速度で回転し、その回転と工作物３の回転との相対運動により、工作物３の表面を遊離砥粒１２で除去し、表面を高平滑にしていく加工法である。ポリシャとしては、不織布やスエ−ドタイプ（suede-type）のプラスチックが用いられることが多い。この研磨加工における現状の最高研磨速度は2m/s程度であると考えられる。

しかし、回転型研磨定盤を用いる研磨加工では、通常、いわゆるバッチ加工方式となり、工作物の着脱は、研磨定盤を一度停止してから行わなければならず、工作物の着脱に要する時間が必要になる。また、工作物の両面研磨加工を行うために、工作物を連続的に装置に送り込み、自動的に研磨加工するシステムを構築することが難しく、特に、大量生産の場合に、研磨加工の能率向上が課題になっている。

さらに、回転型研磨定盤上で加工するため、研磨定盤の直径は少なくとも、工作物の２倍以上必要であり、大きな工作物に対しては大きな研磨定盤が必要で、研磨装置のための大きな設置面積が必要になる。さらに、回転軸を横軸方向として、回転面を垂直方向とした回転型両面研磨定盤を製作するのは、原理的に工作物を支持するのが難しいため実現困難であり、装置周辺の空間を十分に利用することが難しい。このようなことから、よりコンパクトで、工作物を連続的に装置に送り込むことができる自動研磨加工システムが容易に構築でき、装置周辺の空間も十分に使用できる新しい概念の研磨加工法の開発が、強く期待されている。

本発明は、現在の回転型研磨定盤を用いる回転型研磨加工法では実現が難しい、コンパクトで、工作物を連続的に装置に送り込むことができる自動研磨加工システムの構築が容易にでき、装置周辺の空間も有効に使用できる新しい概念の研磨加工法とその加工装置を提供する。

すなわち、本発明は、平行に隣接し、互いに反対方向に直線運動を行う１組の平行平面定盤の両方に、工作物を押しつけることにより、工作物に回転運動のための偶力(couple of forces)を与え、その回転と直線運動をする該１組の定盤との相対運動により、工作物を砥粒で研磨する直進型研磨方法、である。この方法において、１組の平行平面定盤を別の１組の平行平面定盤と対向させて、その間に工作物を挟んで片面又は両面を研磨することができる。

また、本発明は、直線運動を行う単一の平面定盤の表面の摩擦係数を直線運動方向に対して直角方向に異ならせ、該平面定盤に工作物を押しつけることにより、工作物に回転運動のための偶力を与え、その回転と直線運動をする該単一の平面定盤との相対運動により、工作物を砥粒で研磨する直進型研磨方法、である。この方法において、平面定盤を別の平面定盤と対向させて、その間に工作物を挟んで片面又は両面を研磨することができる。

上記の各方法において、円板状のサブキャリアで固定された工作物を、円板状穴を持つ長尺の板状のキャリアで保持し、キャリアを研磨の進行につれて徐々に一方向へ引き出しながら、連続的に研磨加工することができる。

また、上記の各方法において、平面定盤に代えて工作物支持台上を通過するベルト型のポリシャを用いることができる。

また、本発明は、平行に隣接する１組の平行平面定盤、該定盤を互いに反対方向に直線運動を行なわせる手段、該定盤に工作物を押しつける手段とからなることを特徴とする直進型研磨装置、である。この装置において、１組の平行平面定盤が別の１組の平行平面定盤と対向してその間に工作物を挟むように配置することができる。

上記の装置において、研磨中に連続的に研磨装置に工作物を供給、排出する長尺の板状のキャリアを供えることができる。また、板状キャリア内に、平行平面定盤の隣接中心線上、又は、隣接中心線上から離れた位置に回転中心を有する円形の工作物保持用サブキャリア穴を供えることができる。さらに、板状キャリア内に、円形、正方形、長方形、多角形等の工作物保持穴を有し、その回転中心が平行平面定盤の隣接中心線上にある円板状サブキャリア穴を供えることができる。

さらに、本発明は、表面の摩擦係数を直線運動方向に対して直角方向に異ならせた、直線運動を行う単一の平面定盤、該平面定盤に工作物を押しつける手段とからなることを特徴とする直進型研磨装置、である。この装置において、平面定盤が別の平面定盤と対向してその間に工作物を挟むように配置することができる。

また、上記の各装置において、平面定盤に代えて工作物支持台とその上を通過する１組のベルト型のポリシャとを組み合わせることができる。

本発明の方法によれば、直線運動を行う平面定盤により与えた偶力により工作物を回転させながら研磨するので、一方向の研磨条痕がつかず、そのような方向性のない粗さ約１．５ｎｍ以下（数原子間隔以下）の良好な仕上面を得ることができる。工作物が回転しないと、平面定盤の運動方向への方向性のある１０ｎｍを越える粗さの条痕が形成される。よって、本発明の方法によれば、研磨条痕が付かない超平滑面を得ることができる。

本発明の直線型研磨加工方法は、次のような効果がある。
１）回転型研磨加工方法よりも、省スペ−スの研磨装置の製作が可能である。
２）従来の回転型研磨定盤を使用した研磨法では実現が難しかった、工作物を連続的に装置に送り込む自動研磨加工システムの構築が可能である。
３）回転面が垂直方向の縦型の両面自動研磨システムの製作が可能であり、装置周辺の空間を有効に利用できる。

図１に示すポリシングの場合の例に基づいて、本発明の直線型研磨加工方法の原理を説明する。本発明によるポリシング方法は、平行に隣接した１組のポリシャ１１を平行平面定盤Ａ，Ｂとして用いる。１組のポリシャ１１は、隣接中心線を挟んで、互いに反対方向にＶの速度で直線運動を行う。１組のポリシャ１１の両方に接触させるように、回転に対する拘束がほとんど無いホルダ１４内に収容された工作物３を圧力Ｐで押しつける。これにより、工作物３に回転運動のための偶力を与える。ポリシャ１１上には遊離砥粒を含む研磨液を供給する。そして、工作物３の回転と直線運動するポリシャ１１の相対運動により、工作物３の表面を遊離砥粒で除去し、表面を高平滑にする。

本発明の方法は、基本的に工作物の回転を定盤やポリシャの運動方向や表面構造を利用して行う方法であるが、モ−タ等からの動力によって工作物を回転させ、定盤やポリシャとの相対運動を調整して、研磨することも出来る。この方法を用いる研磨装置では、１組のポリシャ１１の各幅を加えた幅が工作物３の直径よりも幾分か大きくなれば、研磨加工が出来るので、回転型研磨定盤よりもスペ−スが小さくてすむ。

また、この方法で工作物の両面をポリシング加工する場合は、図２に示すように、互いにＶの速度で反対方向に直線運動を行う２組の平行平面ポリシャ１１間に挟んで工作物３を置く。そして、ポリシャ１１を金属やセラミック等で製作した工作物支持台（図示せず）を介して、圧力Ｐで上下から押し付け、ポリシャ１１の表面に工作物３の表面を接触させることにより工作物３に回転運動のための偶力を与え、ポリシャ１１上には遊離砥粒を含む研磨液を供給する。これにより、工作物３の上下の表面を遊離砥粒で除去し、表面を高平滑にする。ポリシャ１１は、ベルト型のポリシャを用いることにより連続的に研磨位置にポリシャ１１を供給することができる。

さらに、図２に示す方法において、図３に示すように、円板状穴を工作物保持穴として持つ長尺の板状のキャリア１３に工作物３を保持し、キャリア１３を研磨の進行につれて徐々にいずれか一方向へ引き出すように移動するようにすれば、工作物の両面研磨加工の連続的な自動化も可能になる。加えて、図３に示すような回転面が水平方向の横型の両面研磨加工方法を、回転面が垂直方向の縦型の両面研磨加工方法にすることも容易に可能であり、装置周辺の空間を有効に利用した、両面研磨加工システムも出来る。

図１から図３に示した研磨方法で、キャリア１３の工作物保持穴が１組の平行平面定盤の隣接中心線上にある場合は、磁気ディスク基板のように中心穴がある工作物では問題がないが、シリコンウエハ−のように中心穴がない工作物では、中心部がポリシャと接触しないので、中心部は研磨が出来ない。そこで、図４に示すように、１組の平行平面定盤Ａ，Ｂの隣接中心線上から離れた位置に、回転中心を有する円形穴を有するサブキャリア１３Ａを、板状のキャリア１３内に入れることにより、工作物３の全面が研磨できる。

サブキャリア１３Ａ内の穴の形状は、円形以外に正方形、長方形、多角形等でも研磨が可能である。また、穴のない円形工作物の場合には、サブキャリア１３Ａを用いずに、キャリア１３内の工作物の穴中心を、隣接中心線上から離れた位置にすることでも、工作物３の全面の研磨が可能となる。

また、サブキャリア１３Ａの回転中心の周りに、図５に示すように、サブキャリア１３Ａの回転中心から離れた位置に、２個以上の工作物保持穴をもつサブキャリア１３Ａを用いれば、工作物穴の有無に関わらず、工作物３の表面の全面の研磨が出来る。この方法は、大量の工作物を研磨するのに適している。

図６、図７は、本発明の研磨方法及び装置の別の実施形態を示す概念図である。
直線運動を行う直線型定盤の表面の摩擦力を直線運動方向に対して直角方向に異ならせ、該直線型定盤に工作物を押しつけることによって工作物に回転運動のための偶力を与えることができる。

この方法によるポリシング加工は、図６に示すように、上下１組の平面定盤として、互いにＶの速度で反対方向に直線運動を行うベルト型のポリシャ１１，１１間に挟んでキャリア１３に保持した工作物３を置き、ポリシャ１１，１１を圧力Ｐで上下から押し付け、ポリシャ１１，１１の表面に工作物３の表面を接触させて片面又は両面研磨を行う方法である。

ポリシャの長さ方向中心線の左右でポリシャの表面状態が違うようにして、摩擦力が異なるようにする。例えば、長さ方向中心線に対して片側のポリシャ表面に円形状穴や直線状の溝をつけることにより、該片側の工作物とポリシャとの接触面積を小さくすることにより、他方の側より摩擦力を小さくすることが出来る。また、ポリシャ表面の硬度のような機械的特性をポリシャの長さ方向中心線の左右で変えることによっても、左右での工作物とポリシャとの接触状態が変わるので、左右での摩擦力を変え、偶力を与えることが可能である。

こうすることにより、工作物３に回転運動のための偶力を与える。ポリシャ１１上には遊離砥粒を含む研磨液を供給する。そして、工作物３の回転と直線運動するポリシャ１１の相対運動により、工作物３の上下表面を遊離砥粒で除去し、高平滑にしていく。この方法は、図７に示すように、Ｖの速度で同方向に直線運動を行うベルト型ポリシャ１１、１１を用いても同様に研磨を行うことができる。

図６、図７には、直線運動型平面定盤を対向させて、その間に工作物を挟んで片面又は両面研磨を行う態様を示しているが、Ｖの速度で直線運動を行う単一のポリシャに工作物を押しつけることによって工作物に回転運動のための偶力を与え、その回転とポリシャの直線運動との相対運動により研磨を行うこともできる。

以下に本発明の方法の実施例を図８を参照して示す。
図８に示すように、工作物支持台上を通過する１組の隣接したベルト型ポリシャＡ，Ｂを、それぞれモータＭ１とＭ２により互いに逆方向に直線運動により循環させた。１組のポリシャの隣接中心線を挟む両側表面上に、工作物として円板状の磁気ディスク基板を押しつけて、ポリシングを行った。砥粒としては、アルミナ砥粒をポリシャ上に一様に供給した。押しつけ圧力は、3.7kPaであり、ポリシャの移動速度は、1.5m/sであり、ポリシャはスエ−ドタイプである。磁気ディスク基板は、アルミニウムタイプであり、研磨時間は、5minとした。その結果、磁気ディスク基板は偶力により少なくとも0.15m/s以上の速度で回転し、直線運動するポリシャＡ，Ｂとの相対運動により、砥粒が基板を研磨し、基板が平滑化された。

図９は、ポリシングにより得られた磁気ディスク基板の表面の平滑度を光干渉式高精度表面測定器（WYKO）による三次元粗さ測定結果により示している。磁気ディスク基板表面は、ポリシングにより非常にきれいに研磨され、Ra値で、約1.3nmの超平滑面に達しており、本発明の直進型研磨装置の有効性が示されている。

本発明の直進型研磨方法の原理を示す模式図である。 本発明の直進型両面研磨方法の実施形態を示す模式図である。 本発明の直進型両面研磨装置による連続自動加工法を示す模式図である。 図３に示す連続自動加工法の変形態様を示す模式図である。 図３に示す連続自動加工法の別の変形態様を示す模式図である。 本発明の直進型両面研磨方法の別の実施形態を示す模式図である。 図６に示す直進型両面研磨方法の変形態様を示す模式図である。 実施例で用いた、直進型研磨装置の斜視図である。 実施例で研磨した磁気ディスク基板の光干渉式高精度表面測定器（WYKO）による三次元粗さ測定結果を示す図面代用写真である。 従来の研磨加工（ポリシング加工の例）の原理を示す模式図である。

符号の説明

３ 工作物
１０ 研磨定盤
１１ ポリシャ
１２ 遊離砥粒
１３ キャリア
１４ ホルダ
１５ 研磨液

Claims (14)

1. 平行に隣接し、互いに反対方向に直線運動を行う１組の平行平面定盤の両方に、工作物を押しつけることにより、工作物に回転運動のための偶力を与え、その回転と直線運動をする該１組の定盤との相対運動により、工作物を砥粒で研磨する直進型研磨方法。
2. １組の平行平面定盤を別の１組の平行平面定盤と対向させて、その間に工作物を挟んで片面又は両面を研磨することを特徴とする請求項１記載の直進型研磨方法。
3. 直線運動を行う単一の平面定盤の表面の摩擦係数を直線運動方向に対して直角方向に異ならせ、該平面定盤に工作物を押しつけることにより、工作物に回転運動のための偶力を与え、その回転と直線運動をする該単一の平面定盤との相対運動により、工作物を砥粒で研磨する直進型研磨方法。
4. 前記平面定盤を別の平面定盤と対向させて、その間に工作物を挟んで片面又は両面を研磨することを特徴とする請求項３記載の直進型研磨方法。
5. 円板状のサブキャリアで固定された工作物を、円板状穴を持つ長尺の板状のキャリアで保持し、キャリアを研磨の進行につれて徐々に一方向へ引き出しながら、連続的に研磨加工することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の直進型研磨方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の研磨方法において、平面定盤に代えて工作物支持台上を通過するベルト型のポリシャを用いることを特徴とする直進型研磨方法。
7. 平行に隣接する１組の平行平面定盤、該定盤を互いに反対方向に直線運動を行なわせる手段、該定盤に工作物を押しつける手段とからなることを特徴とする直進型研磨装置。
8. １組の平行平面定盤が別の１組の平行平面定盤と対向してその間に工作物を挟むように配置されていることを特徴とする請求項７記載の直進型両面研磨装置。
9. 研磨中に連続的に研磨装置に工作物を供給、排出する長尺の板状のキャリアを供えたことを特徴とする請求項８に記載の直進型研磨装置。
10. 板状キャリア内に、平行平面定盤の隣接中心線上、又は、隣接中心線上から離れた位置に回転中心を有する円形の工作物保持用サブキャリア穴を供えていることを特徴とする請求項９に記載の直進型研磨装置。
11. 板状キャリア内に、円形、正方形、長方形、多角形等の工作物保持穴を有し、その回転中心が平行平面定盤の隣接中心線上にある円板状サブキャリア穴を供えていることを特徴とする請求項１０に記載の直進型研磨装置。
12. 表面の摩擦係数を直線運動方向に対して直角方向に異ならせた、直線運動を行う単一の平面定盤、該平面定盤に工作物を押しつける手段とからなることを特徴とする直進型研磨装置。
13. 前記平面定盤が別の平面定盤と対向してその間に工作物を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１２記載の直進型研磨装置。
14. 請求項７〜１３のいずれかに記載の装置において、平面定盤に代えて工作物支持台とその上を通過する１組のベルト型のポリシャとを組み合わせたことを特徴とする直進型研磨装置。

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