KR101601007B1 - 원기둥 형상 부재의 연마 장치 및 그 연마 방법 - Google Patents

Abstract

경취 재료로 이루어진 원기둥 형상의 표층부에 존재하는 미소한 균열을 제거하는 고연마 능력과 표면의 요철을 제거하여 표면 조도를 미세화하는 미세 연마 능력을 구비한 염가의 연마 장치와 그 연마 방법을 제공한다. 피가공물의 회전 수단에 연결하며, 상기 피가공물의 양단면을 끼움 지지하는 클램프 수단과, 상기 가공면에 연마구의 선단이 접촉 회전하면서 연마 가공하는 연마 수단과, 상기 피가공물에 대해 상기 연마 수단을, 상기 피가공물의 단면 방향과 직교하는 길이 방향으로 상대적으로 이동시키는 이동 수단과, 연마 가공 전에 검출한 상기 피가공물의 가공면의 높이 위치를 기억시키는 높이 위치 검출 수단과, 상기 위치 검출 수단에 의해 기억된 높이 위치와 상기 연마 수단의 선단의 절삭량을 연산 처리하여 연마 가공을 행하도록 하는 제어 수단을 구비하고 있다.

Description

원기둥 형상 부재의 연마 장치 및 그 연마 방법{POLISHING DEVICE FOR COLUMNAR MEMBER AND POLISHING METHOD THEREFOR}

본 발명은, 경취(硬脆) 재료로 이루어진 원기둥 형상의 피가공물의 외주면의 표층부(이하, 특별히 언급하지 않는 한 단지 「표층부」라 함)를 연마하는 연마 장치에 관한 것이다.

본 발명의 연마 대상이 되는 경취 재료의 원기둥 형상 부재에는, 예를 들면, 줄톱(wire saw)에 의해 슬라이스 가공하여 실리콘 웨이퍼를 얻기 위한 재료로 이루어진 실리콘 블록이 있으며, 상기 실리콘 블록은, 소재가 단결정, 혹은 다결정으로 이루어진 실리콘 잉곳을 띠톱(band saw) 혹은 줄톱에 의해 절단하여 원기둥 형상으로 형성되는 것인데, 상기 절단 후의 외형 치수에 관한 요구 정밀도가 높은 경우는 그 표층면을 연삭 처리한다.

쵸크랄스키법(CZ법) 등에 의해 얻어지는 단결정 실리콘 블록이나, 주조법 등에 의해 얻어지는 다결정 실리콘 블록은, 이후 공정에서 줄톱에 의해 슬라이스 가공되어 실리콘 웨이퍼가 제조되는 것인데, 표층부에 마이크로 크랙이나 미소 요철이 존재하면 슬라이스 가공 시에 제조된 실리콘 웨이퍼의 균열·결함이 발생하기 쉬우므로, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서, 실리콘 블록의 표층부를 연마 제거함으로써 상기 표층부에 존재하는 미소 요철(및 마이크로 크랙)을 제거하여, 실리콘 웨이퍼의 제조 수율의 향상을 도모하는 것이 개시되어 있다. 특히, 특허문헌 1에서는, 표면으로부터 50~100㎛ 이상, 200㎛ 이하인 실리콘 블록의 표층부를 연마 제거함으로써, 연마 전의 표면 조도(Ry) 10~20㎛를 3~4㎛로 평탄화하는 것이 개시되어 있다. 또한, 실리콘 블록의 연마 장치로서 특허문헌 3이 개시되어 있다.

일본국 공개특허공보 제2005-347712호 일본국 공개특허공보 제2002-252188호 일본국 공개특허공보 제2009-233794호

특허문헌 1 내지 특허문헌 3은 모두, 4각 기둥 형상 부재의 실리콘 블록의 표층부의 연마 방법 및 연마 장치에 대한 개시이며, 본원 발명이 행하고자 하고 있는 원기둥 부재의 표층부의 연마 가공을 행하는 장치에 대해서는 개시되어 있지 않다.

본 발명은, 상기 요구 사항을 만족시키는 동시에 피가공물인 원기둥 형상의 실리콘 블록 등의 경취 재료의 표층부의 연마 가공을 1대의 장치로 연마 가능하게 한 연마 장치와 그 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1 발명에서는, 원기둥 형상의 피(被)가공물의 외주면(外周面)의 표층부를 연마하는 연마 장치로서, 피가공물의 회전 수단에 연결하며, 상기 피가공물의 양단면(兩端面)을 끼움 지지하는 클램프 수단과, 피가공물의 외주면에 연마 수단의 선단(先端)이 접촉 회전하면서 연마 가공하는 연마 수단과, 상기 피가공물에 대해 상기 연마 수단을, 상기 피가공물의 대략 원형인 단면 방향과 직교하는 길이 방향으로 상대적으로 이동시키는 이동 수단과, 연마 가공 완성품 및 연마 가공 전의 피가공물의 높이 위치를 검출시키는 높이 위치 검출 수단과, 상기 높이 위치 및 가공 조건이 입력되며, 이를 연산하여 연마 가공을 행하는 제어 수단을 구비하며, 상기 연산은, 상기 연마 가공 완성품의 높이 위치와 상기 연마 전의 피가공물의 높이 위치의 차(差)의 연산, 또는 입력된 가공 조건으로부터 다른 가공 조건을 설정하기 위한 연산, 혹은 이들의 조합 중 어느 하나인, 기술적 수단을 이용한다.

제 2 발명에서는, 제 1 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단이 연마 브러시이며, 상기 연마 브러시는 지립(砥粒)을 함유한 모재(毛材)가 상기 연마 브러시의 바닥부에 링 형상으로 복수개 심어설치(植設)된 구조인, 기술적 수단을 이용한다.

제 3 발명에서는, 제 1 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단이 연마 브러시이며, 상기 연마 브러시는, 지립을 함유한 모재를 복수개 묶은 연마구(具)의 베이스부(基部)가 연마구 부착 플레이트에 복수개 심어설치된 구조를 가진다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 4 발명에서는, 제 1 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단이 연마 브러시이며, 상기 연마 브러시는, 지립을 함유한 탄성체가 상기 연마 브러시의 바닥부에 링 형상으로 배치된 구조를 가진다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 5 발명에서는, 제 2 내지 제 4 발명 중 어느 하나에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단이, 원기둥 형상의 피가공물의 축심(軸芯)을 따라 복수개 연이어 설치(連設)하여 배치되어 있다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 6 발명에서는, 제 2 내지 제 4 발명 중 어느 하나에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단이, 피가공물의 원형 단면의 동일면 내에 있어서 배치된 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단으로 이루어지고, 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단의 축심은, 피가공물의 반경 방향에 일치하도록 배치되어 있으며, 상기 제 1 연마 수단의 축심과 제 2 연마 수단의 축심은, 소정의 각도(θ)를 구성하도록, 피가공물의 단면 중심에서 교차하게 배치되어 있다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 7 발명에서는, 제 6 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단이, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 각각 복수개 연이어 설치하여 배치되어 있다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 8, 9 발명에서는, 제 5 또는 제 7 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단에 사용되는 모재 또는 탄성체에 혼합되는 지립의 입도(粒度)가 F180~#2000이며, 그 입도가 상이한 모재 또는 탄성체를 갖는 연마 수단을 2종류 이상 선택하며, 지립의 입도가 상이한 연마 수단이, 지립의 입도가 「큰 것(粗)」에서부터 「작은 것(細)」의 순서로 연마 가공하도록, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 연이어 설치되어 있다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 10, 11 발명에서는, 제 5 또는 제 7 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 있어서, 상기 연마 수단에 사용되는 모재 또는 탄성체에 혼합되는 지립의 입도가 F180~#2000이며, 그 입도가 대략 동일한 모재 또는 탄성체를 갖는 연마 수단이, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 연이어 설치되어 있다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 12 발명에서는, 제 1 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 의해 연마 가공된 원기둥 형상 부재에 있어서, 피가공물의 표층으로부터 100㎛ 이하에 존재하는 마이크로 크랙(micro crack)이 제거되며, 또한 연마 가공면의 표면 조도(Ry)가 3㎛ 이하가 되어 있다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 13 발명에서는, 제 12 발명에 기재된 원기둥 형상 부재에 있어서, 상기 원기둥 형상 부재는 실리콘 블록 또는 세라믹인, 기술적 수단을 이용한다.

재 14 발명에서는, 제 1 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 의해 원기둥 형상 부재를 연마 가공하는 방법으로서, 상기 클램프 수단에 끼움 지지된 피가공물을 상기 회전 수단에 의해 회전시키는 동시에,

상기 연마 수단의 선단을 상기 피가공물의 외주면에 접촉 및 회전시키며,

또한 상기 연마 수단을 상기 피가공물에 대해 상대적으로 이동시킴으로써 연마 가공을 행한다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 15, 16 발명에서는, 제 5 또는 제 7 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 의해 원기둥 형상 부재를 연마 가공하는 방법으로서, 상기 연마 수단에 사용되는 모재 또는 탄성체에 혼합되는 지립의 입도가 F180~#2000이며, 그 입도가 상이한 모재 또는 탄성체를 갖는 연마 수단을 2종류 이상 선택하며, 지립의 입도가 상이한 연마 수단을, 지립의 입도가 「큰 것」에서부터 「작은 것」의 순서로 연마 가공하도록, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 연이어 설치하여 연마한다는, 기술적 수단을 이용한다.

제 17, 18 발명에서는, 제 5 또는 제 7 발명에 기재된 원기둥 형상 부재의 연마 장치에 의해 원기둥 형상 부재를 연마 가공하는 방법으로서, 상기 연마 수단에 사용되는 모재 또는 탄성체에 혼합되는 지립의 입도가 F180~#2000이며, 그 입도가 대략 동일한 모재 또는 탄성체를 갖는 연마 수단을, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 연이어 설치하여 연마한다는, 기술적 수단을 이용한다.

상기 연마 수단은 원기둥 형상의 피가공물의 외주면에 접촉하는 동시에 회전 수단에 의해 피가공물이 회전함으로써, 상기 피가공물의 표층부를 연마 가공할 수 있다. 또한, 클램프 수단에 끼움 지지된 상기 피가공물은 상기 회전 수단(이하, 회전 수단(피가공물용)이라 함)에 의해 원주 방향으로 회전하므로, 상기 피가공물의 표층부를 균일하게 연마 가공할 수 있다. 더욱이, 이 연마 가공 시, 상기 연마 수단을 상기 피가공물에 대해 상대적으로 피가공물의 길이 방향, 즉, 대략 원형인 단면과 직교하는 방향으로 이동시킴으로써, 상기 피가공물 전체를 균일하게 연마 가공할 수 있다. 대략 원형이란, 원형뿐만 아니라, 타원형 등, 상기 피가공물(원기둥 형상 부재)의 제조 과정에서의 왜곡 등에 의해 발생한, 근소하게 원형이 아닌 상태도 포함된다.

또한, 연마 개시 전에 연마 가공 완성품의 표준편(이하, 「마스터워크(masterwork)」라고 함)을 연마 수단에 의해 연마 가공을 개시하는 높이 위치를 높이 위치 검출 수단에 의해 검출하여 기억시킨 후, 피가공물의 높이 위치를 검출하며, 상기 마스터워크에 의해 검출한 높이 위치와 피가공물에 의해 검출한 높이 위치의 차분을 제어 수단에 의해 연산하고, 연산 결과에 근거하여 상기 연마 수단의 선단과 피가공물의 거리를 보정함으로써, 복수의 피가공물의 연마 가공을 연속하여 행할 수 있다. 참고로, 제 1 발명에 기재된 「입력」이란, 수동(작업자)에 의해 제어 수단에 입력(기억)된 정보, 자동으로 제어 수단에 입력(기억)된 정보, 수동 또는/및 자동으로 입력(기억)된 정보를 토대로 연산한 후에 입력(기억)된 정보 모두를 포함한다.

또한, 상기 연마 수단을 지립이 함유되어 있는 모재로 구성되는 연마 브러시를 이용함으로써, 충분한 연마력을 확보하며, 또한 피가공물에 연마에 의한 손상을 억제할 수 있다. 이는, 예를 들면, 연마석 등에 의한 연마 등의 다른 연마 방법과 비교하여 모재는 유연성이 있으므로, 피가공물에 연마에 의한 손상을 억제할 수 있으며, 또한 모재에는 지립이 합유되어 있으므로, 연마력은 충분하게 확보할 수 있다.

또한, 상기 모재를 복수개 묶은 연마구를 심어설치한 연마구 부착 플레이트의 위치(상하 방향)를 임의로 설정함으로써, 연마 수단의 바닥부로부터 노출되는 모재의 길이를 조정할 수 있다. 즉, 모재의 마모에 맞추어 연마구 부착 플레이트의 위치를 하방으로 이동함으로써, 노출되어 있는 모재의 길이를 항상 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 연마 가공 시에 피가공물에 접촉하는 것이 탄성체이므로, 피가공물이 상기 연마 브러시와 접촉하는 것에 따른 손상을 저감할 수 있다.

또한, 상기 모재에 혼합되는 지립의 입도가 F180~#2000(JIS R6001:1998)이며, 하나의 연마 수단은 대략 동일한 입자 직경이 혼합되어 있는 연마 브러시이다. 즉, 상기 입도가 큰 모재 또는 탄성체를 구비한 연마 수단일수록 연마 능력이 높아, 피가공물의 표층부에 존재하는 마이크로 크랙을 정확하게 제거할 수 있으며, 상기 입도가 작은 모재 또는 탄성체를 구비한 연마 수단일수록, 상기 표층부를 미세하게 연마하여 요철을 제거할 수 있다.

또한, 연마 수단을, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 복수개 연이어 설치하여 배치함으로써, 피가공물의 종류나 목적에 따라 적당하게 연마 수단을 선택하여 가공을 행할 수 있다. 즉, 그 입도가 상이한 모재 또는 탄성체를 갖는 연마 수단을 2종류 이상 선택하며, 상기 연마 수단에 구비되는 모재 또는 탄성체에 포함되는 상기 입도가 「큰 것」에서부터 「작은 것」의 순서로, 상기 피가공물이 통과하여 가공하도록 연이어 설치함으로써, 한번의 연마 가공에 의해 피가공물의 표층부의 마이크로 크랙 및 요철을 제거할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 「큰 것」→「작은 것」과 같은 다단 가공을 필요로 하지 않고, 일단계의 가공으로 요구되는 표면이 얻어지는 경우(예를 들면, 피가공물(W)의 표면의 마이크로 크랙이 미소하여, 표면 조도가 요구값에 비해 큰 차이가 없는 경우는 「작은 것」만으로 가공)에는, 연이어 설치된 2개 이상의 연마 수단이 구비하는 모재 또는 탄성체에 포함되는 상기 지립의 입도는, 모든 연마 수단에 대해 대략 동일하게 함으로써 가공 시간을 단축할 수 있다.

또한, 피가공물의 원형 단면의 동일면 내에 배치된 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단으로 이루어진 연마 수단에 있어서, 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단의 축심이, 피가공물의 반경 방향에 일치하도록 배치하며, 제 1 연마 수단의 축심과 제 2 연마 수단의 축심이, 소정의 각도(θ)를 구성하도록, 피가공물의 단면 중심에서 교차하게 배치함으로써, 가공 시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단을, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 각각 복수개 연이어 설치하여 배치함으로써, 피가공물의 종류나 목적에 따른 상술한 가공 시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기 연마 장치를 사용함으로써, 표층으로부터 100㎛의 마이크로 크랙이 제거되며, 또한 표면 조도(Ry)가 3㎛ 이하인 원기둥 형상 부재를 얻을 수 있다. 상기 원기둥 형상 부재로서, 실리콘 블록이나 세라믹과 같은 경취 재료를 바람직하게 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연마 장치의 전체를 도시하는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 연마 수단의 일례를 도시하는 설명도로서, 도 2의 (A)는 정면에서 본 일부 절결 단면도, 도 2의 (B)는 바닥면도이다.
도 3은 본 발명의 연마 수단의 다른 예를 도시하는 설명도로서, 도 3의 (A)는 모재를 바닥부에 심어설치한 모식도, 도 3의 (B)는 탄성체를 바닥부에 심어설치한 모식도이다.
도 4는 본 발명에서의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 5는 본 발명에서의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 6은 본 발명에서의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 7은 본 발명에서의 제 1 실시형태를 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 8은 본 발명에서의 제 3 실시형태를 도시하는 설명도이다.
도 9는 본 발명에서의 제 3 실시형태를 도시하는 설명도이다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연마 장치의 구성 내용과 동작의 상세에 대해, 도면을 이용하여 설명한다. 제 1 실시형태에 따른 연마 장치는, 연마 조도가 상이한 연마 수단을 2개 이상 나란하게(連)(3개 나란하게) 구비한 원기둥 형상 부재용 연마 장치이다.

도 1은, 도면 중 우측단의 연마 개시 전 위치에 정지하고 있는 연마 유닛(1)과, 1점 쇄선으로 도시한 피가공물(W)의 도면 중 좌우로 배치되는 클램프 수단(5)으로서, 피가공물(W)의 좌측에 배치되어, 클램프 수단(5)의 실린더 구동에 의해 슬라이딩하는 기준측 클램프 축(12A)의 선단에 부착된 파지부(6A)와, 피가공물(W)의 우측에 배치되어, 종동측 클램프축(12B)의 선단에 부착된 파지부(6B)를 구비한 연마 장치의 정면도를 도시한 것이다. 도 1에 있어서, 파지부(6A, 6B)가 각각 후퇴한 위치에 배치되어 있으며, 피가공물(W)을 끼움 지지하지 않는 개방 상태를 도시한 것이다. 상기 연마 유닛(1)은, 각각이 회전 수단(2a, 연마 수단용)에 연결된 3개의 연마 수단(2)과, 연마 개시 전에 피가공물(W)의 가공면(P, 외주면)의 높이 위치를 검출하기 위한 높이 위치 검출 수단(3)으로 구성되어 있다. 참고로, 상기 연마 수단(2)을 피가공물(W)에 대해 상대적으로 이송시키는 이송 수단(미도시)에 의해, 연마를 행할 때 연마 유닛은 도 1에서의 좌측으로부터 우측을 향해 이송되므로, 상기 연마 수단(2)은 우측으로부터 순서대로, 조(粗) 연마용, 중(中) 연마용, 마무리 연마용으로 하여 연이어 설치되어 있다. 즉, 연마 수단에 구비되어 있는 모재에 함유되는 지립의 입도는, 우측으로부터 순서대로, 「큰 것」→「작은 것」으로 되어 있다. 또한, 상기 높이 위치 검출 수단(3)은 상기 조(粗) 연마용 연마 수단(2)의 우측에 설치되어 있다.

상기한 3개의 나란한 연마 수단(2)에서의 조(粗) 연마용 연마 수단(2)은 연마 능력을 크게 하여 표층부에 존재하는 마이크로 크랙의 거의 대부분을 제거하는 목적으로 설치된 것이고, 중(中) 연마용 연마 수단(2)은 띠톱 혹은 줄톱에 의해 절단했을 때 발생한 표면의 요철 제거와 상기 조(粗) 연마에 의해 거칠어진 표면을 미세화하는 목적으로 설치된 것이며, 마무리 연마용 연마 수단(2)은 표면 조도의 최종 조정을 목적으로 설치된 것이다. 참고로, 상기 중(中) 연마 단계에서 표면의 요철 제거와 표면 조도의 미세화 조정이 완료되면, 마무리 연마용 연마 수단(2)은 사용하지 않고, 연마 수단(2)을 나란한 2개로 해도 양호하다.

피가공물(W)의 가공에 앞서, 높이 위치 검출 수단(3)에 의해 연마 수단(2)의 연마 가공을 개시하는 높이 위치를 설정하기 위하여 마스터워크를 사용한다.

상기 높이 위치를 설정하기 위하여, 우선 마스터워크의 양단을 클램프 수단(5)에 의해 끼움 지지한다. 클램프 수단(5)에 의해 마스터워크를 끼움 지지할 때, 예를 들면 V자 형상의 홈을 갖는 기대(基臺, 미도시)에 재치(載置)하여 행하는 것이 바람직하다. 상기 홈에 마스터워크를 설치함으로써, 상기 마스터워크의 도면 중 좌우 방향의 중심은 항상 대략 동일 위치로 할 수 있다. 또한, 상기 기대는, 그 도면 중 상하 방향의 설치 위치를 미세 조정하기 위한 조정 수단(미도시)을 가지고 있는 것이 더 바람직하다. 마스터워크를 상기 기대에 재치하고, 상기 클램프 수단(5)의 클램프 축(12A 및 12B)을 각각 전진시켜 파지부(6A 및 6B)가 마스터워크의 양단부를 끼움 지지한다. 그 후, 상기 기대를 분리한다. 본 실시형태에서는, V자 형상의 홈을 가지는 기대의 설치 및 분리는 기대가 도면 중 상하로 이동함으로써 행해진다.(도 4 참조)

클램프 수단(5)은, 회전 수단(피가공물용, 미도시)에 의해 회전, 즉 클램프 축(12A 및 12B)의 축심을 중심으로 하여 회전하므로, 마스터워크의 단면측에서 봤을 때 클램프 축(12A 및 12B)의 선단의 파지부(6A 및 6B)의 축심과, 마스터워크의 축심이 일치하도록 센터링(centering, 芯出) 조정이 되어야만 한다. 이 조정을 상기 조정 수단에 의해 행하면서 마스터워크를 끼움 지지한다. 이와 같이, 가공 위치에 설치된 마스터워크를 이용하여, 상기 마스터워크의 외주면의 높이 위치를 상기 높이 위치 검출 수단(3)에 의해 측정한 후, 상기 마스터워크는 클램프 수단(5)으로부터 분리된다. 본 실시형태에서는, 마스터워크를 클램프 수단(5)으로 끼움 지지한 후, 연마 유닛(1)에 구비되는 높이 위치 검출 수단(3)에 의해, 마스터워크의 외주면 높이 위치(H₁)를 측정하며, 그 후 상기 마스터워크를 회전(예를 들면, 180도)시켜, 회전한 상태에서의 높이 위치(H₂)를 측정한다. H₁과 H₂의 차를 연산하여, H₁과 H₂가 대략 동일하지 않은 경우는, 상기 기대를 상승시킨 후 클램프 축(12A 및12B)을 각각 후퇴시켜 마스터워크의 끼움 지지를 해제한다. 상기 연산 결과를 토대로 상기 기대의 높이 위치(마스터워크를 클램프 수단(5)으로 끼움 지지하기 위한 상하 방향 정지 위치)를 조정(상승 또는 하강)한 후, 다시 마스터워크를 클램프 수단(5)으로 끼움 지지하여, 끼움 지지된 마스터워크의 H₁ 및 H₂가 측정된다. H₁과 H₂가 대략 동일해지면 마스터워크의 센터링 공정이 완료된다.(도 5 참조)

마스터워크의 센터링 공정이 완료된 후, 연마 유닛(1)은 도 1에서의 우측 방향으로 이동한다. 그리고, 상기 기대를 상승시키며, 상기 클램프 축(12A 및 12B)을 각각 후퇴시켜 마스터워크의 끼움 지지를 해제하는 동시에 기대의 V자 형상의 홈 위에 마스터워크를 재치한다. 그 후, 마스터워크를 피가공물(W)과 교환하여, 마스터워크에서와 마찬가지로 센터링 공정을 행한다. 상기 센터링 공정이 완료하면, 상기 연마 유닛을 도 1에서의 좌측으로 이동시킨다. 참고로, 상기 마스터워크의 센터링 공정에 의해 마스터워크의 외주면 높이 위치(H)가, 상기 피가공물(W)의 센터링 공정에 의해 피가공물(W)의 외주면 높이 위치(h)가 각각 제어 수단에 기억된다.

미리 제어 수단에 입력된 가공 조건(연마 수단(2)의 회전 속도, 피가공물(W)의 회전 속도, 연마 유닛(1)의 이송 속도, (피가공물(W)의 가공면(P)에 대한) 절삭(컷팅, cutting)량과, 상기 외주면 높이 위치(H, h)를 토대로 연산 처리를 행하여, 연마 유닛(1)을 상하 방향, 즉 연마 유닛과 가공면(P)의 거리 방향으로 이동시킨다.

상기 가공 조건에 기초하여 연마 수단(2), 피가공물(W)을 상기 제어 수단(13)에 의해 소정 회전 속도로 회전시킨다. 그 후, 마찬가지로 연마 유닛(1)을 상기 제어 수단(13)에 의해 소정 이동 속도로 도 1에서의 우측으로 이동시킨다. 이 이동에 의해, 피가공물(W)의 피가공면(P)과 회전하고 있는 연마 수단(2)의 선단부는 접촉하여, 연마 가공이 행해진다. 전술한 바와 같이, 연마 수단(2)은 도 1의 우측으로부터 좌측을 향해 순서대로, 「큰 것」→「작은 것」의 순서로 정렬되어 있으므로, 이 이동에 의해, 「조(粗) 연마」→「중(中) 연마」→「마무리 연마」가 행해진다. 연마 유닛이 소정 위치(최우측단)로 이동한 후, 상기 기대가 상승하며, 그 후 클램프 수단(12A 및 12B)이 후퇴하고, 상기 피가공물(W)의 끼움 지지가 해제되어, 상기 피가공물(W)을 취출함으로써 연마 가공이 완료한다.

복수의 피가공물(W)을 가공하는 경우는, 상기 기대에 새롭게 피가공물(W)을 설치한 후, 마찬가지로 피가공물의 클램프 행정, 피가공물의 센터링 행정을 거쳐 연마 가공을 행한다. 즉, 우선 마스터워크의 높이 위치를 측정함으로써, 그 후 복수의 피가공물(W)의 연마 가공을 행할 수 있다.(도 6, 도 7 참조)

본 실시형태에서는, 연마 유닛(1)을 도면 중 횡(橫) 방향으로 이송시켰지만, 피가공물(W)을 이송시켜도 되며, 연마 유닛(1)과 피가공물(W) 모두를 이송시켜도 된다.

본 실시형태에서는, 가공 조건을 수동으로 제어 수단에 입력하였지만, 수동으로 입력된 가공 조건과 자동으로 입력(기억)된 외주면 높이 위치로부터, 입력되지 않은 가공 조건을 제어 수단에 의해 연산시켜 연마 가공을 행해도 된다. 예를 들면, 피가공물의 가공면(P)에 대한 연마 수단의 선단의 컷팅량(이하, 단지 「컷팅량」이라 함)과 연마 수단(2)의 회전 속도를 입력함으로써, 피가공물(W)의 이동 속도를 제어 수단(13)에 의해 연산시켜도 되며, 다른 가공 조건이나 높이 위치로부터 컷팅량을 제어 수단(13)에 의해 연산시켜도 된다. 그리고, 이들 연산 결과에 기초하여 연마 가공을 행할 수 있다.

입력하는 가공 조건은 본 실시형태의 항목으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 연마 수단(2)의 종류, 피가공물의 상태를 입력해도 되며, 또한 이들을 토대로 제어 수단(13)에 의한 연산을 조합해도 된다.

도 2의 (A) 및 (B)는, 상기 연마 수단(2)인 연마 브러시(1)의 예를 도시하는 것으로, 지립을 혼합한 나일론 등의 합성 수지로 이루어진 모재(10a)를 묶어 연마구(10)로 하고, 상기 연마구(10)의 베이스부를 회전 수단(2a, 연마구용)에 연결하여 수평 회전하도록 한 연마구 부착 플레이트(11)에 탈부착 가능하게 부착되어, 하단이 피가공물(W)의 가공면(P)에 접촉 회전하여 연마를 행하고, 연마구(10)가 마모하면 상기 연마구(10)를 연마구 부착 플레이트(11)로부터 분리하여 새로운 연마구(10)로 교환할 수 있는 것이다. 참고로, 연마 수단(2)인 연마 브러시는, 도 2에 도시한 것으로 한정되는 것은 아니며, 지립을 혼합한 모재(10a)로 이루어진 연마구(10)를 연마구 부착 플레이트(11)에 직접 부착하여 고정하며, 상기 연마구(10)가 마모하면, 연마구 부착 플레이트(11)와 함께 교환하는 것으로 해도 되고, 연마구(10)를 사용하지 않고, 지립을 함유한 나일론 등의 합성 수지로 이루어진 모재(10a)를 연마 수단(2)의 바닥부에 링 형상으로 심어설치해도 된다(도 3의 (A) 참조). 또한, 예를 들면, 세라믹 등의 연마 가공이나, 가공 시에 대략 90°의 각도를 이루는 기둥 형상체의 모서리부에 연마 수단(2)이 접촉하는 경우 등, 연마 수단(2)과 피가공물(W)의 접촉에 의해 결함(치핑(chipping))이 발생하는 것이 문제가 되는 경우에는, 지립을 함유한 합성 수지로 이루어진 탄성체(10b)를 연마 수단의 바닥부에 링 형상으로 배치해도 된다(도 3의 (B) 참조). 이 경우의 탄성체(10b)란, 예를 들면 경도가 비교적 무른 수지의 벌크체나, 내부에 다수의 기포를 갖는 폴리우레탄이나 우레탄을 기초로 하는 수지의 벌크체나, 섬유 형상의 탄성체를 서로 엮은 것이어도 된다. 경도가 비교적 무른 수지의 벌크체에서는, 수지 자체가 완충재로서 작용한다. 기포를 갖는 수지의 벌크체에서는 내부의 기포가 완충재로서 작용한다. 지립을 함유하며 서로 엮인 탄성체에서는, 상기 탄성체가 엮임으로써, 이들 집합체의 내부에는 공기가 포괄되게 되어, 이 공기층이 완충재로서 작용한다. 어떠한 경우도, 상기 탄성체(10b)가 피가공물에 접촉했을 때 적당한 탄성력을 유지하도록, 합성 수지의 종류 및 지립의 함유율 등을 적당하게 선택한다.(도 3 참조. 도 3의 (A) 및 도 3의 (B)는 모두 상측 도면이 정면을, 하측 도면이 바닥면을 도시함.)

참고로, 상기 모재 또는 탄성체에 혼합되는 지립의 입도는 F180~#2000(지립의 입도의 정의는 JIS 규격 R6001: 1998에 따름)의 범위로부터 선택하는 것이 바람직하다.

평가 시험

이하에, 피가공물(W)을 원기둥 형상의 단결정 실리콘 블록(Φ175㎜×500㎜)으로 하고, 상기 피가공물(W)의 표층부를 본 발명의 연마 장치를 이용하여 가공하며, 그 표층부에 존재하는 마이크로 크랙과 그 표면의 요철을 제거하고 표면 조도를 미세화하여 연마 효과를 평가하며, 상기 실리콘 블록을 줄톱으로 슬라이스 가공하여 실리콘 웨이퍼를 형성했을 때, 그 실리콘 웨이퍼의 균열·결함 등에 의한 불량품의 발생률을 저감할 수 있었던 평가 시험 결과에 대해 설명한다.

연마 가공 전의 상기 피가공물(W)의 표층부에는, 깊이가 80~100㎛인 마이크로 크랙이 존재하며 그 표면 조도(Ry)는 9~11㎛(Ry의 정의는 JIS 규격 B0601: 1994에 따름)이고, 상기 실리콘 블록을 줄톱으로 절단(슬라이스 가공)하여 실리콘 웨이퍼로 했을 때의 균열·결함 등에 의한 불량품의 발생률이 5~6%였다.

제 1 실시형태에 기재된 연마 장치를 이용하여 상기 피가공물(W)인 실리콘 블록을 연마 가공하고 마이크로 크랙 및 요철의 제거와 표면 조도를 미소화한 후, 상기 실리콘 블록을 줄톱으로 슬라이스 가공하여 실리콘 웨이퍼를 형성했을 때의 균열·결함에 의한 불량품의 발생률을 저감시킨 결과에 대해 설명한다.

본 평가 시험에서의 가공 조건을 표 1에 나타낸 바와 같이 설정하고, 이를 제어 수단(13)에 입력한 후, 3개의 단결정 실리콘 블록의 가공을 행하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 이와 같이, 제 1 실시형태에서의 연마 장치를 이용하여 가공을 행함으로써, 단결정 실리콘 블록의 표층부에 존재하는 마이크로 크랙의 깊이 및 외주면의 요철을 큰 폭으로 작게 할 수 있으며, 그 결과, 표 2에 나타낸 바와 같이, 마이크로 크랙의 최대 깊이가 0.7~0.9㎛, 표면 조도가 평면부 Ry0.7~1.0(평균: Ry0.9)로, 마이크로 크랙 및 요철의 제거와 표면 조도를 미소화할 수 있었다. 그리고 그 실리콘 블록을 3개 모두 줄톱으로 슬라이스 가공하여 실리콘 웨이퍼로 했을 때의 균열·결함 등에 의한 불량품의 발생률을 2% 저감할 수 있었다. 마이크로 크랙의 최대 깊이는 3.0㎛ 이하, 바람직하게는 2.3㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 최대 깊이가 3.0㎛ 이상이면 상기 불량품의 발생률이 증대한다. 또한, 상기 최대 깊이가 2.3㎛ 이하이면, 수십㎛의 두께로 슬라이스 가공하여 실리콘 웨이퍼로 했을 때의 균열·결함 등에 의한 불량품의 발생률에 미치는 영향이 적다. 본 평가 시험에서는 상기 최대 깊이가 0.9㎛이며, 상기 불량품의 발생률에 영향을 미치는 2.3㎛를 큰 폭으로 하회(下回)할 수 있었다.

[표 1]

[표 2]

다음으로, 제 2 실시형태에 따른 연마 장치에 대해 설명한다. 제 2 실시형태에 따른 연마 장치에서는, 「큰 것」→「작은 것」의 다단 가공을 필요로 하지 않고, 1단계의 가공으로 요구되는 표면이 얻어지는 경우에 이용하는 장치 구성으로 되어 있다. 참고로, 여기서는 제 1 실시형태와 상이한 점에 대해서만 설명한다.

예를 들면, 피가공물(W)의 표면의 연마 처리 전의 마이크로 크랙이 미소하며, 또한 연마 처리 전의 표면 조도가 요구값에 비해 큰 차이가 없는 경우는, 연마 수단(10, 연마 브러시)은 전술한 「중(中) 연마용」 또는 「마무리 연마용」만으로 가공을 행할 수 있다. 이와 같은 경우, 연마 목적에 맞는 입도의 지립을 함유하는 모재 또는 탄성체를 구비한 연마 수단(10)을 하나만 설치하여 가공을 행한다.

또한, 제 1 실시형태에서의 3개의 나란한 연마 수단(2)에 구비되는 모재 또는 탄성체에 포함되는 입도를 대략 동일하게 함으로써, 가공 시간을 단축할 수 있다.

다음으로, 제 3 실시형태에 따른 연마 장치에 대해, 도 8 및 도 9를 참조하면서 설명한다. 제 3 실시형태에 따른 연마 장치에서는, 가공 시간을 단축하도록 연마 수단(2)을 배치한 장치 구성으로 되어 있다. 참고로, 여기서는 제 1 실시형태와 상이한 점에 대해서만 설명한다.

제 3 실시형태에 따른 연마 장치에서는, 피가공물(W)의 동일 단면(원형)의 면 내에, 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)이 배치되어 있다.

제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)의 축심은, 피가공물(W)의 반경 방향에 일치하도록 배치되어 있으며, 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)이 서로 간섭하지 않도록 하기 위하여, 제 1 연마 수단(21a)의 축심과 제 2 연마 수단(22a)의 축심은, 소정 각도(θ)를 구성하도록 하여, 피가공물(W)의 단면 중심에서 교차하여 배치되어 있다.(도 8 참조) 이 각도(θ)는, 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)이 서로 간섭하지 않는 한, 임의로 설정할 수 있지만, 각도(θ)를 180°로 설정하여, 제 1 연마 수단(21a)의 축심과 제 2 연마 수단(22a)의 축심이 완전하게 일치하여 대향하도록 배치할 수도 있다.

이러한 구성으로 함으로써, 피가공물(W)은 원주 방향으로 회전하면서 연마 가공되므로, 피가공물의 가공면은 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)의 2부분에서 동시에 연마되어, 가공 시간이 단축된다.

또한, 제 3 실시형태에 따른 연마 장치에 있어서도, 제 1 실시형태에 따른 연마 장치와 마찬가지로, 도 9(도 9의 우측 도면은 피가공물(W)을 정면에서 봤을 때의 도면이고, 좌측 도면은 피가공물(W)을 좌측면에서 봤을 때의 도면임.)에 도시한 바와 같이, 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)을 피가공물(W)의 길이 방향으로 2개 나란하게, 혹은 3개 나란하게 배치할 수도 있다(도 9는 3개가 나란한 배치의 상태를 도시함).

이 경우, 피가공물(W)의 길이 방향을 따라 좌측으로부터 순서대로, 제 1 열째의 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a), 제 2 열째의 제 1 연마 수단(21b)과 제 2 연마 수단(22b), 및 제 3 열째의 제 1 연마 수단(21c)과 제 2 연마 수단(22c)이 배치되도록 되어 있다.

그때, 각각의 연마 수단에 구비되어 있는 모재 또는 탄성체에 함유되는 지립의 입도는, 연마 수단(21a와 22a), 연마 수단(21b와 22b), 연마 수단(21c와 22c)이 각각 대략 동일, 즉 대략 동일한 연마력을 갖도록 한다.

또한, 제 2 실시형태와 마찬가지로, 하나의 연마력을 갖는 연마 수단에 의해 가공을 행하는 것이 가능할 때는, 연마 수단 전체에 구비되어 있는 모재 또는 탄성체에 함유되는 지립의 입도를 대략 동일하게 할 수 있다.

또한, 상술한 제 3 실시형태에 따른 연마 장치에서는, 피가공물(W)의 원주 방향으로 제 1 연마 수단(21a)과 제 2 연마 수단(22a)의 2개의 연마 수단을 설치하는 구성에 대해 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 연마 수단이 서로 간섭하지 않는 한에 있어서, 설치 공간이나 목표로 하는 가공 시간 등에 맞춰 임의의 개수의 연마 수단을 배치하도록 해도 된다.

이상과 같이, 본 실시형태 및 평가 시험에서는 실리콘 블록을 연삭하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 실린더 블록에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 세라믹 등, 경취 재료 전반에 대해 바람직하게 이용할 수 있다.

참고로, 본 명세서에서, 지립의 「입도가 대략 동일」이란, 「입도가 동일」한 지립에 더하여, 「동등한 연마 효과가 얻어지는 입도」의 지립을 포함하는 개념이다.

1 : 연마 유닛
2 : 연마 수단
2a : 회전 수단(연마구용)
3 : 높이 위치 검출 수단
5 : 클램프 수단
6A : 파지부(기준 위치측)
6B : 파지부(종동측)
10 : 연마구
10a : 모재
10b : 탄성체
11 : 연마구 부착 플레이트
12A : 클램프축(기준 위치측)
12B : 클램프축(종동측)
13 : 제어 수단
14A : 회전 수단(피가공물용)(기준 위치측)
14B : 회전 수단(피가공물용)(종동측)
W : 피가공물
P : 가공면

Claims (18)

1. 경취(硬脆) 재료로 이루어지는 원기둥 형상의 피(被)가공물의 외주면(外周面)의 표층부를 연마하여, 피가공물의 표층으로부터 100㎛ 이하에 존재하는 마이크로 크랙(micro crack)이 제거되며, 또한 연마 가공면의 표면 조도(Ry)를 3㎛ 이하로 하는 연마 장치로서,
   피가공물의 회전 수단에 연결하며, 상기 피가공물의 양단면(兩端面)을 끼움 지지하는 클램프 수단과,
   상기 피가공물의 외주면에 연마 수단의 선단(先端)이 접촉 회전하면서 연마 가공하는, (a) 지립(砥粒)을 함유한 모재(毛材)가 바닥부에 링 형상으로 복수개 심어설치(植設)되어 있는 연마 브러시, (b) 지립을 함유한 모재를 복수개 묶은 연마구(具)의 베이스부(基部)가 연마구 부착 플레이트에 복수개 심어설치되어 있는 연마 브러시 중 어느 하나이며, 상기 연마 브러시 (a) 및 (b)는 수평 회전하는 연마 수단과,
   상기 피가공물에 대해 상기 연마 수단을, 상기 피가공물의 대략 원형인 단면 방향과 직교하는 길이 방향으로 상대적으로 이동시키는 이동 수단과,
   연마 가공 완성품 및 연마 가공 전의 피가공물의 높이 위치를 검출시키는 높이 위치 검출 수단과,
   상기 높이 위치 및 가공 조건이 입력되며, 이를 연산하여 연마 가공을 행하는 제어 수단을 구비하며,
   상기 연산은, 상기 연마 가공 완성품의 높이 위치와 상기 연마 전의 피가공물의 높이 위치의 차(差)의 연산, 또는 입력된 가공 조건으로부터 다른 가공 조건을 설정하기 위한 연산, 혹은 이들의 조합 중 어느 하나를 포함하고,
   상기 연마 수단은, 상기 연마 수단에 사용되는 모재에 혼합되는 지립의 입도(粒度)가 F180~#2000이며, 그 입도가 상이한 모재를 갖는 연마 수단을 2종류 이상 선택하며, 지립의 입도가 상이한 연마 수단이, 지립의 입도가 「큰 것(粗)」에서부터 「작은 것(細)」의 순서로 연마 가공하도록, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 연이어 설치되어 배치되어 있으며,
   상기 클램프 수단과, 피가공물의 설정 위치를 미세조정하기 위한 조정 수단을 가지는 기대(基臺)와, 상기 회전 수단 및 상기 높이 위치 검출 수단에 의해, 상기 피가공물의 센터링(芯出) 조정을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
2. 경취(硬脆) 재료로 이루어지는 원기둥 형상의 피(被)가공물의 외주면(外周面)의 표층부를 연마하여, 피가공물의 표층으로부터 100㎛ 이하에 존재하는 마이크로 크랙(micro crack)이 제거되며, 또한 연마 가공면의 표면 조도(Ry)를 3㎛ 이하로 하는 연마 장치로서,
   피가공물의 회전 수단에 연결하며, 상기 피가공물의 양단면(兩端面)을 끼움 지지하는 클램프 수단과,
   상기 피가공물의 외주면에 연마 수단의 선단(先端)이 접촉 회전하면서 연마 가공하는, (a) 지립(砥粒)을 함유한 모재(毛材)가 바닥부에 링 형상으로 복수개 심어설치(植設)되어 있는 연마 브러시, (b) 지립을 함유한 모재를 복수개 묶은 연마구(具)의 베이스부(基部)가 연마구 부착 플레이트에 복수개 심어설치되어 있는 연마 브러시 중 어느 하나이며, 상기 연마 브러시 (a) 및 (b)는 수평 회전하는 연마 수단과,
   상기 피가공물에 대해 상기 연마 수단을, 상기 피가공물의 대략 원형인 단면 방향과 직교하는 길이 방향으로 상대적으로 이동시키는 이동 수단과,
   연마 가공 완성품 및 연마 가공 전의 피가공물의 높이 위치를 검출시키는 높이 위치 검출 수단과,
   상기 높이 위치 및 가공 조건이 입력되며, 이를 연산하여 연마 가공을 행하는 제어 수단을 구비하며,
   상기 연산은, 상기 연마 가공 완성품의 높이 위치와 상기 연마 전의 피가공물의 높이 위치의 차(差)의 연산, 또는 입력된 가공 조건으로부터 다른 가공 조건을 설정하기 위한 연산, 혹은 이들의 조합 중 어느 하나를 포함하고,
   상기 연마 수단이, 피가공물의 원형 단면의 동일면 내에 있어서 배치된 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단으로 이루어지고, 제 1 연마 수단과 제 2 연마 수단의 축심은, 피가공물의 반경 방향에 일치하도록 배치되며, 제 1 연마 수단의 축심과 제 2 연마 수단의 축심은, 소정의 각도(θ)를 구성하도록, 피가공물의 단면 중심에서 교차하게 배치되어 있으며,
   상기 제 1 연마 수단과 상기 제 2 연마 수단은 사용되는 모재에 혼합되는 지립의 입도(粒度)가 F180~#2000이며 상기 원형 단면의 동일면 내에서는 그 입도가 동일한 모재를 가지고, 그 입도가 상이한 모재를 갖는 상기 연마 수단이 2종류 이상 선택되며, 지립의 입도가 상이한 복수의 연마 수단이, 지립의 입도가 「큰 것(粗)」에서부터 「작은 것(細)」의 순서로 연마 가공하도록, 원기둥 형상의 피가공물의 축심을 따라 연이어 설치되어 배치되어 있고,
   상기 클램프 수단과, 피가공물의 설정 위치를 미세조정하기 위한 조정 수단을 가지는 기대와, 상기 회전 수단 및 상기 높이 위치 검출 수단에 의해, 상기 피가공물의 센터링(芯出) 조정을 행하도록 한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 피가공물은, 실리콘 블록 또는 세라믹인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
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