JP2000141207A

JP2000141207A - 精密平面加工機械

Info

Publication number: JP2000141207A
Application number: JP10315259A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Eda; 弘江田; Yoshio Tate; 義雄舘
Original assignee: Ibaraki Prefecture
Current assignee: Ibaraki Prefecture
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2000-05-23
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: JP3052201B2

Abstract

(57)【要約】【目的】例えばシリコンウェファ、磁気ディスク基板あ
るいは水晶発振子用基板等の極めて精密な表面を必要と
する物品の表面の平面加工装置に関するものであり、更
に詳しくは粗加工から最終の延性モード加工を含む超精
密鏡面加工までを精密ダイヤモンド砥石のみで一貫して
効率よく行なう装置、いわゆる超加工機械に係る。【構成】研削用砥石と、該砥石を取付け回転を与える砥
石取付け装置と、該取付けブロックを支持する砥石軸
と、被加工体を把持する作業台とそれを支持するＸ−Ｙ
テーブルからなる精密平面加工機械であって、加工にお
ける圧力制御がサーボモータ装置と超磁歪アクチュエー
タの組み合わせによって行われることを特徴とする精密
平面加工機械を提供する。本発明になる装置の特徴は、
圧力制御が、１０ｇｆ／ｃｍ²以上の範囲においてはサ
ーボモータと圧電アクチュエータ装置により行われ、１
０ｇｆ／ｃｍ²以下０．１ｇｆ／ｃｍ²までの範囲におい
ては超磁歪アクチュエータによって行われることであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、例えばシリコンウ
ェファ、磁気ディスク基板あるいは水晶発振子用基板等
極めて精密な表面を必要とする物品の表面の精密平面加
工装置に関するものであり、更に詳しくは粗加工から最
終の延性モード加工を含む超精密鏡面加工までを一貫し
て効率よく行なう精密平面加工装置、いわゆる超加工機
械に係る。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータを中心とするいわゆ
る電子機器類の小型化、高性能化更には高生産性と低価
格化といった必要性から、その重要部分を占めるＩＣ、
ＬＳＩあるいは超ＬＳＩ等に対しては記憶容量や信頼性
のアップ、生産に係るコストの低減の要求が急であり、
併せて工業全体としては省力、省エネルギー化の要求が
急である。かかる状況のなかで、これ等の素子やその周
辺を支える部品の原材料となるシリコンウェファ、磁気
ディスク基板あるいは水晶発振子用基板等に対してはそ
の加工段階での寸法精度やあるいは面粗さの向上の要求
が著しい。その反面、加工工程におけるコストの低減と
生産性の格段の向上といった要求にも対応が迫られてお
り、従って、全く新しい考えに基づいた加工の方法や装
置自体の開発が必要となって来ている。

【０００３】シリコン単結晶等半導体素材を原材料とし
たＩＣ、ＬＳＩあるいは超ＬＳＩ等の電子部品は、シリ
コンあるいはその他の化合物半導体の単結晶のインゴッ
トをスライスしたウェファに鏡面仕上げを施した上で、
多数の微細な電気回路を書き込み分割した小片状の半導
体素子チップを基に製造されるものであるが、その鏡面
仕上げを施したシリコンウェファは以下の一連の製造プ
ロセスを経て製造されるのが一般的であった。すなわ
ち、単結晶引き上げ法によって製造されたシリコンの単
結晶インゴットの外周研削を行なった後、結晶方向の位
置決めの為の例えばオリエンテーションフラット加工を
施し、内周刃ソーあるいはワイヤソーにてスライシング
を行いアズカットウェファを得る。このアズカットウェ
ファを、ベベリングによる外周部の面取りを行なった
後、両面ラッピング加工により均一な厚みと平行度、平
面度、真直度及びある程度の面粗さを持つまでに仕上げ
る。得られたラップドウェファを酸またはアルカリにて
エッチング加工を行ないラッピングにより生じた加工ダ
メージ層を除去、然る後プレポリッシング、ポリッシン
グによる鏡面仕上げを行う。ここで得られる鏡面ウェフ
ァは優れた面粗さと形状精度を持ったものでなくてはな
らない。３０ｃｍ（１２インチ）ウェファの最終鏡面仕
上げ面の面粗さＲａは望ましくは１ｎｍ以下、平面度は
０．３μｍ／３０ｃｍ以下であり、アズカットウェファ
から最終鏡面ウェファまでの加工量は両面で６０μｍ程
度である。

【０００４】前述の各加工工程における主要な単位操
作、具体的には、ラッピング、エッチング、プレポリッ
シング、ポリッシングといった操作は全てそれぞれが独
立したバッチ式の別個の機械装置によって行なわれるも
のである。その間、被加工体（ワーク）であるシリコン
ウェファの移動は人手により移送、搬送されるかあるい
は自動搬送ロボットにて行われる。特に近年、生産性の
向上の要求からウェファ自体のサイズの大型化の傾向が
顕著であり、８インチあるいは１２インチといった大口
径のものも生産されるようになってきている。ラッピン
グ、プレポリッシングあるいはポリッシングという前述
の各主要な単位操作は、従来は複数枚の被加工体を同時
に大型の加工機で加工を施すという方式が通常であっ
た。しかしながら、ウェファのサイズが大口径化の傾向
が進み、それに伴ない装置の大型化も進められて来た
が、装置の大型化もそのハンドリング性から見て限度が
あり、また大型化と同時に高精密化を進めることの困難
さもあり、最近はむしろ一枚ずつ加工を行なういわゆる
枚様方式の検討も多く行われている。

【０００５】従来、ラッピング、プレポリッシング、ポ
リッシングといった工程は、上下両面あるいはその一方
の面に定盤を配し、その間あるいはその上に被加工体を
セットして、研磨材たる砥粒を含有した加工液を定量的
に供給しつつ定盤及び被加工体を押圧回転運動させてそ
の作用で面粗さのの向上を行なうという方法で行なわれ
ており、加工量は運動制御にて行われる。実際の加工に
おいては、砥粒を含む加工液、定盤の回転および負荷荷
重（加工圧）の作用により、被加工体表面は擦過、摺擦
されて加工が進展するものであり被加工体にかかる負荷
荷重が、所期の目標数値の加工を円滑に、均質に精度よ
くかつ効率的に進めるための重要なファクターとなる。
この場合被加工体への負荷荷重は例えば上定盤の荷重あ
るいは片面機の場合は被加工体を把持するプレッシャー
プレートの自重のみで行う方式、これをエアシリンダー
の逆圧で吊り上げ荷重を加減する方式、あるいはエアシ
リンダーの作用のみで負荷荷重をコントロールする方式
（例えば特公平２−２９４７０号公報）等があるが、そ
の制御の良否は被加工体の加工面の形状精度と加工効率
および面粗さを左右する重要なファクターである。しか
しながら、これらの加工は基本的には一定の負荷荷重に
よる運動制御方式の加工であるので、例えば、ダイヤモ
ンド砥石による強制切込み方式の加工とは異なり、送り
量（切込み量）の極めてシビアな制御を必要とするもの
ではない。

【０００６】ラッピング加工の場合、直接加工を行なう
面は、通常ある程度の厚みを持った鋳鉄製の定盤の上に
例えば格子状の溝を刻したものを上下に配し、その間に
シリコンウェファ等の被加工体を挟持し、必要な負荷荷
重（加工圧）を懸けた上で定盤および被加工体を回転
し、砥粒を含む加工液の作用と回転による擦過、摺擦作
用により、加工が進むのである。通常ラッピング加工に
おける加工圧は１００〜３００ｇｆ／ｃｍ²程度、使用
される砥粒は大略８００〜２０００番のアルミナ系のも
のである。また、プレポリッシング、あるいはポリッシ
ング加工においては、不織布、布帛、合成樹脂発泡体、
合成皮革あるいはそれらの複合体からなる均質なシート
状薄層、即ちポリッシングパッドを貼付した定盤を用い
て同様の加工を行なう。通常、ポリッシング加工におけ
る加工圧は１００〜３００ｇｆ／ｃｍ²程度、使用され
る砥粒はサブミクロンから数ミクロンサイズのコロイダ
ルシリカである。ここにおいて、プレポリッシングまで
は両面方式の加工機、ポリッシングは片面方式の加工機
が使用される。

【０００７】加工の方式としては、従来は上述の如くラ
ッピングにおいては定盤と遊離砥粒とを用いたいわゆる
脆性モードによる研磨加工が行なわれるのが普通であ
り、ポリッシングにおいては軟質のポリッシングパッド
と遊離砥粒であるコロイダルシリカを含んだ加工液によ
るメカノケミカルポリッシングによって加工が進む。近
年はこれを例えば特公平６−７１７０８号公報に示され
るように弾性砥石を用いた方式、あるいはダイヤモンド
砥石を用いた方式（例えば特開昭６２−９９０７２号公
報）による研削方式による延性モードでの加工すなわち
研削による加工が提案されているが、これらはいずれも
砥粒傷による不規則でかつ局部的に深い部分を有する加
工変質層の発生が顕著であり、この層をエッチングによ
る処理で除去しても、その潜在的歪の完全除去までは至
らず、実用化には未だ問題を有するものであった。更に
上述の提案の研削による延性モードでの加工も、ラッピ
ング加工領域をカバーするものであって、ポリッシング
領域におよぶものは提案されていない。

【０００８】しかしながら、ダイヤモンド砥石を使用す
る方式は、ダイヤモンド砥粒の持つ高い研削力とそれに
よる作業の高能率化の可能性は捨て難いものがあり、高
番手のダイヤモンドカップ型砥石を用いて、その加工条
件を変えながら、粗加工から最終の鏡面仕上げ加工まで
一貫して行なう方法が試みられている。更に、ダイヤモ
ンド砥石の加工性能の維持と加工効率向上を目的とし
て、電解インプロセスドレッシング法を併用した加工方
式の研究開発（例えば、昭和６３年度精密工学会春季講
演論文集、１９８８、１０、２０３）も盛んである。こ
れらはいずれも高番手ダイヤモンド砥石を用い、枚様式
によりシリコンウェファの一貫加工を目的としたもので
ある。

【０００９】これらダイヤモンド砥石を応用した研削加
工は、砥石の回転と、砥石を支持する主軸の送りと、被
加工体の位置決めの三つの動きを主要な動きとするもの
である。これらを精度よくコントロールすることにより
精密加工を可能ならしめるのであるが、特に粗加工から
超精密領域の加工までを一つの装置、機械で一貫して行
なうためには、前述の主要な動きのうち、主軸の送りの
制御を幅広い範囲で極めて精度よく行なうことが必要で
ある。従来、一般的な切削あるいは研削加工におけるこ
の主軸の制御は例えばサーボモーター応用した方式等が
多用されているが、幅広い範囲、即ち低圧領域から高圧
領域までを精度よくカバーするという目的からは十分で
なく、特に超精密加工を行なう低圧領域での加工に対し
ては十分なものとは言い難かった。

【００１０】従来、工作機械や産業用ロボットの位置や
速度を精密に制御する手段として前述のサーボモータを
使用する方法がありこれを応用する考え方もあるが、こ
れは位置決めや高圧領域での加工については特に問題な
いが、超精密加工を目的とした低圧領域の制御について
はカバーし切れず、十分ではない。また、精密旋盤、ボ
ール盤、ホーニング盤等の精密加工装置の微小変位、位
置決め等の手段としてＰＺＴアクチュエータあるいは超
磁歪アクチュエータを使用する方法がすでに開示されて
いる（特開昭６４−３４６３１号公報）。ここでいう超
磁歪アクチュエータとは、特定の希土類／鉄系合金、例
えばテルビウム、ジスプロシウム及び鉄からなる合金の
単結晶あるいは多結晶からなる超磁歪材料（ＵＳＰ３、
９４９、３５１）の持つジュール効果（磁界による寸法
変化）をアクチュエータとして応用したものであって、
極めて高い分解能と正確な微小変位を行なうことを特徴
としており条件により振動素子としても使用可能であ
る。この超磁歪アクチュエータの、他の微小アクチュエ
ータに対する特徴は、弾性変形が１０〜１００倍、弾性
エネルギーが２０〜５０倍と大きく、応答時間はμｓ〜
ｎｓと速くしかも消費電力が少ないことにある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等は上述の従
来の問題点に鑑み、鋭意研究を行ない、極めて高番手の
ダイヤモンド砥石を使用し、該砥石を支持する砥石軸は
砥石の回転即ちＸ軸回りの回転のみを行ない、被加工体
が把持されている作業台を支持するワーク軸の送りの制
御手段としてサーボ圧電装置と超磁歪アクチュエータと
を併用することで、ワーク軸の高圧領域１ｋｇｆ／ｃｍ
²から低圧領域０．０１ｇｆ／ｃｍ²まで、１００μｍ／
ステップ〜２ｎｍ／ステップの精度で広範囲の精度の高
い制御を可能とし、それにより被加工体であるシリコン
ウェファの粗加工から超精密鏡面仕上げ加工までを一つ
の装置・機械にて一貫して行なうことが可能であること
を見出して本発明を完成するに至ったものである。しか
して本発明の目的は、ラッピング、ポリッシング工程を
省略して研削加工のみで、被加工体であるシリコンウェ
ファの粗加工から超精密鏡面仕上げ加工までを一貫して
行なうことのできる精密平面加工機械を提供することを
目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、研削用砥
石と、該砥石を取付け回転を与える砥石取付け装置と、
該取付け装置を支持する砥石軸と、被加工体を把持する
作業台とそれを支持するＸ−Ｙテーブルからなる精密平
面加工機械であって、該精密平面加工機械の稼働に当た
り圧力制御がサーボモータ装置と超磁歪アクチュエータ
の組み合わせによって行われることを特徴とする精密平
面加工機械により達成される。前述の圧力制御は、１０
ｇｆ／ｃｍ²以上の範囲においてはサーボモータ装置に
より行われ、１０ｇｆ／ｃｍ²以下０．０１ｇｆ／ｃｍ²
までの範囲においては超磁歪アクチュエータによって行
われる。また、前述の精密平面加工機械においては、研
削砥石は砥粒粒度が３０００番よりも細かいダイヤモン
ドカップ型砥石を使用するものとする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明になる精密平面加工機械の
凡その外観は、図１の断面図および図２の平面図に示さ
れる通りである。図１、図２において、１はＸ−Ｙテー
ブルである。２はＸ−Ｙテーブル上に取り付けられた作
業台でありＸ軸回りに正逆方向に回転可能である。作業
台２の上に被加工体３であるシリコンウェファが載置固
定されている。円板状の砥石取付け装置４の面にはカッ
プ型のダイヤモンド砥石５が取り付けられている。ダイ
ヤモンド砥石５は取付け装置４の動きに従って正逆任意
の方向に低速から高速まで任意の速度でＸ軸回りの回転
が可能である。取付け装置４は砥石軸６によって支持さ
れ、その砥石軸６はスピンドルヘッド７に取り付けられ
ており、スピンドルヘッド７中には砥石５の回転を行な
う駆動モータが設置されている。Ｘ−Ｙテーブル１はＹ
軸方向の任意な移動が可能な構造となっているととも
に、コンピュータにより精密に制御されるサーボモータ
装置８が設置されている。該サーボモータ装置８はＸ−
Ｙテーブル１のＸ軸方向への駆動を行ないダイヤモンド
砥石５に対する被加工体３の位置決めを行なうととも
に、１０ｇｆ／ｃｍ²以上１ｋｇｆ／ｃｍ²までの領域で
の圧力制御を行ないダイヤモンド砥石による粗加工に必
要な制御を行なう。ハイブリッドアクチュエータ９中に
納められている超磁歪アクチュエータは、ダイヤモンド
砥石による被加工体の精密加工に必要な微小切込み量の
制御を行なうものであり、その対応する範囲は０．０１
〜１０ｇｆ／ｃｍ²であり、これによりほぼ１ｎｍ〜１
０μｍの範囲で微小切込みが可能である。この両装置を
併用することにより、ダイヤモンド砥石５に対する被加
工体３であるシリコンウェファの正確な位置決め、およ
びそれによる研削加工に必要な切込みを行なうためのＸ
−Ｙテーブル１のＸ軸方向への微小送りを１ｎｍ程度か
ら１００μｍ程度までの範囲で正確に行ない微小切込み
量および加工圧力の制御を行なう。砥石の回転と、被加
工体の位置決めと圧力制御の装置を駆動させることで本
発明の精密平面加工機械の稼働が行なわれる。

【００１４】本発明において使用されるダイヤモンドカ
ップ型砥石とは、大略以下の如きものを指す。すなわ
ち、砥粒の粒度がＪＩＳ−Ｒ６００１（研磨材の粒度）
の規格において３０００番より細かい、つまりｄｖ−５
０値が４．０±０．５μｍ以下のものである。砥粒の粒
度がこれより粗いと、得られる面は鏡面ではなく、もは
や超精密加工の領域とは言い難い。ダイヤモンド砥粒を
固定する方法は特に限定されるものではないが、フェノ
ール樹脂で結合されたレジノイド系のレジンボンド砥
石、あるいは特殊な合金で結合されたメタルボンド砥石
であることが好ましい。砥粒の結合性を増すために砥石
表面にニッケル・燐無電解メッキ層を施すことも有効で
ある。また、上述の結合材中に平均粒径０．１μｍある
いはそれよりも細かいクラスタダイヤモンド超微粉が混
入されていることにより砥粒となるダイヤモンド粒子の
脱落を抑え、砥石としてのライフアップを図ることがで
きる。砥石の形状は円環状のカップ型であり、外周縁上
に砥石使用面がある。つまり、比較的狭い幅の砥石面が
回転して被加工体の面に当接する形状であることを特徴
とする。

【００１５】本発明の肝要は、上述のカップ型砥石を被
加工体であるシリコンウェファに当接し加工するにあた
り、圧力制御と軸の送りを砥石軸の方で行なうのではな
く、被加工体の動きすなわちＸ−Ｙテーブルの動きで行
なうことを要旨とするものである。つまり、Ｘ軸まわり
の高速回転とＸ軸方向の精密な送りと圧力制御を同一の
軸で行なうことは、超精密加工の精度の点から問題があ
ることを見出し、その２つを分離し、砥石の回転とは別
に、Ｘ−ＹテーブルのＸ軸方向の圧力を精度高く制御
し、その送りと砥石の切込み量を、目的とする加工の内
容に合わせて行なう点に本発明の特徴があるのである。
すなわち、Ｘ−Ｙテーブルに連結するスピンドルヘッド
中にはコンピュータコントロールのサーボモータ装置が
設置されており、また作業台には超磁歪アクチュエータ
が設置されており、この両装置により、ダイヤモンド砥
石による研削加工に必要な切込みを行なうための被加工
体のＸ軸方向への微小送りを行なう。ここでいうサーボ
モータ装置とは直流あるいは交流モータを駆動源とし、
ワーク軸の位置検知を行ないつつそれをフィードバック
してワーク軸の送り制御をコンピュータを駆使して行な
うもので、本発明においては３００ｇｆ／ｃｍ²から１
０ｇｆ／ｃｍ²までの圧力の範囲での制御を行なう。圧
力の変更は、段階的なものであっても良いし、また、連
続的な無段変速方法であってもよい。これ以下の圧力範
囲の制御は不正確であり、適していない。このサーボモ
ータ装置によるＸ−ＹテーブルのＸ軸方向の制御は、比
較的高圧での微小変位の送りを精度よく必要とする領
域、具体的には従来のラッピング工程に相当する加工領
域である。

【００１６】本発明でいう超磁歪アクチュエータとは、
特定の希土類族元素とニッケル、コバルト、鉄からなる
鉄族元素との特定割合での合金の多結晶あるいは単結晶
であって、磁界を与えると強い寸法変化を起こす超磁歪
材料をアクチュエータとして応用したものである。図３
は本発明で用いる超磁歪アクチュエータの断面説明図で
ある。超磁歪材料からなるロッド１０を中央におき、そ
の周囲を駆動用コイル１１で囲んでいる。ロッド１０の
一方の端は固定され、もう一方の端はフリーとなり出力
端子１２に当接している。該出力端子１２はスプリング
１３により付勢されておりロッド１０の変位に自在に追
随することができる。１４は永久磁石である。コイル１
１の回りには冷却水用ジャケット１５が配置されてい
る。駆動用コイルに電流を通じることにより磁界が発生
し、超磁歪材料ロッド１０がジュール効果により変形
し、それが出力端子１２に伝達されアクチュエータとし
て作用する。冷却水用ジャケット１５は温度による寸法
変化の狂いを極力抑えるために配置されている。この超
磁歪アクチュエータによる主軸６の制御範囲は１０ｇｆ
／ｃｍ²を上限とし、０．０１ｇｆ／ｃｍ²までの圧力の
範囲、切込み量としては１〜１００ｎｍの範囲、すなわ
ち低圧でかつ極めて微小変位の送りを高精度で必要とす
る領域、具体的には従来のポリッシング工程に相当する
加工領域である。

【００１７】サーボモータ装置で、作業台に把持固定さ
れた被加工体であるシリコンウェファを制御し、ダイヤ
モンド砥石による加工を行なう領域では、まずシリコン
ウェファに対する強制切込み量を比較的高めに設定し、
高圧での加工による十分なる形状精度を得た上で、やや
切込み量を下げ、加工変質層を除去し、面粗さを向上さ
せるのであるが、加工変質層の発生を抑えその層の厚み
を極力少なくするには、加工圧力を連続的に徐々に軽減
させてやることが好ましい。超磁歪アクチュエータによ
り切込み量制御を行なう領域では、シリコンウェファに
対する強制切込み量を極めて少ない量に設定し、低圧で
の加工により数μｍレベルの除去量で最高１ｎｍ以下の
面粗さＲａを得る。実際の加工はカップ型ダイヤモンド
砥石の研削力によるものであり、それは砥石の回転数に
大きく作用されるものであり、高速である程その研削力
は低くなる。

【００１８】実際の加工にあたっては、シリコン単結晶
のインゴットの外周の研削を行ない、オリエンテーショ
ンフラット加工を施した後、例えばワイヤソーを用いて
所定厚みに仕上げたアズカットウェファを、その外周エ
ッジ部の面取り加工（べべリング）を行ったものを出発
原料、すなわち被加工体３とする。別に置かれた供給テ
ーブル（図示せず）まで搬送されてきた被加工体は一枚
ずつ、例えば真空チャック等の手段を具備したアーム
（図示せず）で把持され持ち上げられ、本発明になるＸ
−Ｙテーブル１の作業台２上に移送され載置される。載
置の時点ではＸ−Ｙテーブル１はＹ軸方向へ移動されて
おり、砥石の主軸からずれた位置におかれている。載置
された被加工体は作業台２の面に固定把持される。被加
工体の固定把持は、例えばワックスによる接着、テンプ
レート方式による吸着、真空による吸着等様々な手段が
考えられ特に限定を受けるものではないが、加工中の安
定した固定把持と加工後の着脱の容易さ、更にはロボッ
トによる自動脱着方式の適用等を考慮すると、真空によ
る吸着が好ましい。Ｘ−Ｙテーブル１は、前述の通り、
被加工体の取り付け、取り外し、交換等の作業を行うた
めＹ軸方向への任意な動きが可能となっている。移動を
可能とする方式については特に限定を受けるものではな
いが、例えば金属製のテーブル上にＶ字案内溝を設け、
その上を移動させるような方式であれば位置の狂い等が
なく、無振動で移動可能である。またその移動を行なう
ための動力は、例えば一般的な駆動モータを用いた方式
でもよいしまた手動であっても構わない。更に、微妙な
位置決めを行なうためにＰＺＴピエゾ素子等を駆動源と
した微小変位を行うものを併用してもよく、特に限定を
受けるものではない。

【００１９】実際の加工においては、前述の通り、プレ
ポリッシングまでは両面同時加工が行われ、それ以降の
ポリッシングは必要な面のみの加工、すなわち片面加工
が行われる。本発明になる装置による加工は、ポリッシ
ングに相当する加工まで一環して行われるものではある
が、加工は片面ずつ行われるものであるから、一方の面
に加工を施した後、未加工の方の面の加工を行なわなけ
ればならない。具体的には、一方の面に加工を施した被
加工体を表裏反転させ、未加工の面を表にした上で再度
その面に対する加工を行う。反転の手段については手
動、自動等の方法が考えられ特に限定を行うものではな
いが、被加工体の移動、搬送を兼ねた作業ロボットで行
うことが好ましい。被加工体であるアズカットウェファ
は、その状態では平行度が十分出ていないので、まず最
初の加工において、プレポリッシングに相当する部分ま
での加工を行ない、次いで表裏反転させる。この状態で
被加工体の加工の基準面となる面がすでに平面度、真直
度、面粗さをある程度得た面となるので、その反対側の
面の加工は形状精度において、より優れた面が得られ
る。この面に対して最終の段階までの加工を施せば、形
状精度にも、面粗さにも極めて優れた鏡面ウェファを得
ることができる。

【００２０】本発明になる装置による加工手段は、前述
の通りカップ型のダイヤモンド砥石５に対する切り込み
量を所定の値に設定した上で、砥石の回転数を１〜５０
００ＲＰＭの間の任意の回転数に設定してＸ軸回りに回
転しつつ、被加工体３を切り込んで行くのである。カッ
プ型のダイヤモンド砥石のサイズについては加工中に砥
石軸および被加工体の位置をずらすことなく行なうので
あるから、被加工体の全面を斑なく加工するためには、
被加工体のサイズよりも大きくしておくことが好まし
い。被加工体３の送りはＸ−Ｙテーブル１上に設置され
た作業台２を一定速度で回転させながら行われる。加工
中の加工面には水あるいは界面活性剤等を含んだ加工液
が専用のノズル（図示せず）から散布される。加工液を
散布する理由は、ダイヤモンド砥粒の先端エッジの研削
作用を円滑にすることと、研削による加工熱の上昇を防
止することにあり、さらに加工による目詰りの防止にも
多少の効果を有する。砥石５の回転数と被加工体３の送
り速度は、砥石による切り込み量と、その研削力を考慮
しながら最適条件に設定しなければならない。

【００２１】

【実施例】以下実施例に従い、本発明の例を具体的に説
明するが、これにより特に限定を受けるものではない。
本実施例は図１に示す装置を使用して被加工体の加工を
行なうのであり、加工用砥石の番手を変えておこなっ
た。また、被加工体としては、シリコンウェファの他に
光学ガラスおよびハイセラミックスの平板を選定した。

【００２２】実施例１被加工体としてハイセラミックスの平板を選定し、本発
明の装置を用いて加工を行なった。使用した砥石はレジ
ンボンドのカップ型砥石で４０００番の砥粒サイズのも
のを用いた。加工液としては水を使用した。まず、加工
圧力をサーボモータでの制御で１００ｇｆ／ｃｍ²に設
定し砥石回転数を８００ＲＰＭとして粗加工を行なっ
た。然る後、加工の制御を超磁歪アクチュエータに切り
替え、切込み量を１００ｎｍとして仕上げ加工を行なっ
た。この時の加工圧力は略々１０ｇｆ／ｃｍ²であっ
た。得られた加工面の面粗さはＲａ＝８ｎｍ、Ｒｙ＝５
０ｎｍであり、線状痕、ピット等の欠陥は見られなかっ
た。

【００２３】実施例２被加工体としてシリコンウェファを選定して、本発明の
装置を用いて加工を行なった。使用した砥石はメタルボ
ンドのカップ型砥石で６０００番の砥粒サイズのものを
用いた。加工液としては水を使用した。まず、加工圧力
ををサーボモータでの制御で２００ｇｆ／ｃｍ²設定
し、砥石回転数を２６００ＲＰＭに固定して、そこから
１０ｇｆ／ｃｍ²まで無段で連続的に圧力を減じながら
加工を行なった。然る後、砥石加工の制御を超磁歪アク
チュエータに切り替え、切込み量を１００ｎｍとして仕
上げ加工を行なった。この時の加工圧力は略々１０ｇｆ
／ｃｍ²であった。得られた加工面の面粗さはＲａ＝
５．４ｎｍ、Ｒｙ＝２３ｎｍであり良好な鏡面が得ら
れ、かつ加工表面には線状痕、ピット等の欠陥は見られ
なかった。また、加工変質層をチェックしたが殆ど認め
られず、また固定砥粒の影響による部分的に深い加工変
質層の存在も認められなかった。

【００２４】実施例３被加工体として光学ガラスの平板を選定し、本発明の装
置を用いて加工を行なった。使用した砥石はレジンボン
ドのカップ型砥石で１２０００番の砥粒サイズのものを
用いた。加工液としては水を使用した。まず、砥石主軸
の圧力ををサーボモータでの制御で１００ｇｆ／ｃｍ²
に設定し砥石回転数を１５００ＲＰＭとして粗加工を行
なった。然る後、砥石主軸の制御を超磁歪アクチュエー
タに切り替え、切込み量を１００ｎｍとして仕上げ加工
を行なった。この時の加工圧力は略々１０ｇｆ／ｃｍ²
であった。得られた加工面の面粗さはＲａ＝０．１５ｎ
ｍ、Ｒｙ＝２．５１ｎｍであり、線状痕、ピット等の欠
陥は見られなかった。

【００２５】

【発明の効果】上述の実施例において明らかなように、
本発明になる精密平面加工装置を使用することにより、
従来いくつかの複数の工程により段階的に加工されて超
精密加工面を得ていたものが、一つの装置で粗加工から
最終の超精密鏡面加工までを一貫して効率よく行なえる
ことが確認できた。これにより、工程の省略のみならず
省エネルギーも可能であり、しかもシリコンウェファの
場合は環境汚染の要因でもある薬液によるエッチング工
程の省略もでき、その効果は局めて大なるものがある。
更に将来的には従来法では到達し得なかった超精密面を
得ることも可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる精密平面加工装置の断面図であ
る。

【図２】本発明になる精密平面加工装置の平面図であ
る。

【図３】本発明に使用する超磁歪アクチュエータの断面
図である。

【符号の説明】

１．Ｘ−Ｙテーブル２．作業台３．シリコンウ
ェファ４．砥石取付台５．砥石６．砥石軸７．ス
ピンドルヘッド８．サーボモータ装置９．ハイブリッドアクチュエ
ータ１０．ロッド１１．コイル１２．出力端子
１３．スプリング１４．永久磁石１５．冷却用ジャケット１６．
出力軸１７．電源入力端子２０．温度制御装置２１．
プルーブ２２．コントロールパネル２３．デバイス専用コン
ピュータ２４．エアコンプレッサー２５．ドライヤー２６．加工液循環装置２７．能動型超磁歪アクチュ
エータ２８．空気静圧案内溝

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１０月１８日（１９９９．１０．
１８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項２】超磁歪アクチュエータに用いる超磁歪材料
がテルビウムとジスプロシウム、および鉄、コバルト、
ニッケルからなる鉄族元素のうち少なくとも一つからな
る合金の単結晶あるいは多結晶であることを特徴とする
請求項第１項記載の精密平面加工機械。

【請求項３】研削用砥石が、３０００番あるいはそれよ
り細かいダイヤモンド微粉を砥粒としたカップ型砥石で
あることを特徴とする請求項第１項ないし第２項に記載
の精密平面加工機械。

【請求項４】ダイヤモンド微粉を砥粒としたカップ型砥
石の結合材が、樹脂あるいは金属であることを特徴とす
る請求項第１項ないし第３項に記載の精密平面加工機
械。

【請求項５】ダイヤモンド微粉を砥粒としたカップ型砥
石の結合材中に平均粒径０．１μｍあるいはそれよりも
細かいダイヤモンド超微粉が混入されていることを特徴
とする請求項第１項ないし第４項に記載の精密平面加工
機械。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、研削用砥
石と、該砥石を取付け回転を与える砥石取付け装置と、
該取付け装置を支持する砥石軸と、プルーブ（検出器）
と、被加工体を把持する作業台とそれを支持するＸ−Ｙ
テーブルからなる精密平面加工機械であって、該精密平
面加工機械の稼働に当たり圧力制御が、１０ｇｆ／ｃｍ
²以上の範囲においてはサーボモータと圧電アクチュエ
ータ装置により行われ、１０ｇｆ／ｃｍ² 以下０．０１
ｇｆ／ｃｍ²までの範囲においては、温度調節機能を具
備した超磁歪アクチュエータによって行われることを特
徴とする精密平面加工機械により達成される。また、前
述の精密平面加工機械においては、研削砥石は砥粒粒度
が３０００番よりも細かいダイヤモンドカップ型砥石を
使用するものとする。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明になる精密平面加工機械の
凡その外観は、図１の断面図および図２の平面図に示さ
れる通りである。図１、図２において、１はＸ−Ｙテー
ブルである。２はＸ−Ｙテーブル上に取り付けられた作
業台でありＸ軸回りに正逆方向に回転可能である。作業
台２の上に被加工体３であるシリコンウェファが載置固
定されている。円板状の砥石取付け装置４の面にはカッ
プ型のダイヤモンド砥石５が取り付けられている。ダイ
ヤモンド砥石５は取付け装置４の動きに従って正逆任意
の方向に低速から高速まで任意の速度でＸ軸回りの回転
が可能である。取付け装置４は砥石軸６によって支持さ
れ、その砥石軸６はスピンドルヘッド７に取り付けられ
ており、スピンドルヘッド７中には砥石５の回転を行な
う駆動モータが設置されている。Ｘ−Ｙテーブル１はＹ
軸方向の任意な移動が可能な構造となっているととも
に、コンピュータにより精密に制御されるサーボモータ
装置８および圧電アクチュエータが設置されている。前
記圧電アクチュエータはハイブリットアクチュエータ９
中に設置されている。前記サーボモータ装置８および圧
電アクチュエータはＸ−Ｙテーブル１のＸ軸方向への駆
動を行ないダイヤモンド砥石５に対する被加工体３の位
置決めを行なうとともに、１０ｇｆ／ｃｍ²以上１ｋｇ
ｆ／ｃｍ²までの圧力制御を行ないダイヤモンド砥石に
よる粗加工に必要な制御を行なう。一方、ハイブリット
アクチュエータ９中に納められている超磁歪アクチュエ
ータは、ダイヤモンド砥石による被加工体の精密加工に
必要な微小切込み量の制御を行なうものであり、その対
応する範囲は０．０１〜１０ｇｆ／ｃｍ²であり、これ
によりほぼ１ｎｍ〜１０μｍ範囲で微小切込みが可能で
ある。この両装置を併用することにより、ダイヤモンド
砥石５に対する被加工体３であるシリコンウェファの正
確な位置決め、およびそれによる研削加工に必要な切込
みを行なうためのＸ−Ｙテーブル１のＸ軸方向への微小
送りを１ｎｍ程度から１００μｍ程度までの範囲で正確
に行ない微小切込み量および加工圧力の制御を行なう。
砥石の回転と、被加工体の位置決めと圧力制御の装置を
駆動させることで本発明の精密平面加工機械の稼働が行
なわれる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】本発明でいう超磁歪アクチュエータとは、
特定の希土類族元素とニッケル、コバルト、鉄からなる
鉄族元素との特定割合での合金の多結晶あるいは単結晶
であって、磁界を与えると強い寸法変化を起こす超磁歪
材料をアクチュエータとして応用したものである。図３
は本発明で用いる超磁歪アクチュエータの断面説明図で
ある。超磁歪材料からなるロッド１０を中央におき、そ
の周囲を駆動用コイル１１で囲んでいる。ロッド１０の
一方の端は固定され、もう一方の端はフリーとなり出力
端子１２に当接している。該出力端子１２はスプリング
１３により付勢されておりロッド１０の変位に自在に追
随することができる。１４は永久磁石である。コイル１
１の回りには冷却水用ジャケット１５が配置されてい
る。駆動用コイルに電流を通じることにより磁界が発生
し、超磁歪材料ロッド１０がジュール効果により変形
し、それが出力端子１２に伝達されアクチュエータとし
て作用する。冷却水用ジャケット１５は温度による寸法
変化の狂いを極力抑えるために配置されている。この超
磁歪アクチュエータによる主軸６の制御範囲は１０ｇｆ
／ｃｍ²を上限とし、０．０１ｇｆ／ｃｍ²までの圧力の
範囲、切込み量としては１〜１００ｎｍの範囲、すなわ
ち低圧でかつ極めて微小変位の送りを高精度で必要とす
る領域、具体的には従来のポリッシング工程に相当する
加工領域である。ハイブリッドアクチュエータ９の先端
部にはプルーブ２１が設置されておりここで変位量を検
出しコンピュータ２３に送られフィードバックされ切込
み量を制御する。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１月１４日（２０００．１．１
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、研削用砥
石と、該砥石を取付け回転を与える砥石取付け装置と、
該取付け装置を支持する砥石軸と、プルーブ（検出器）
と、被加工体を把持する作業台とそれを支持するＸ−Ｙ
テーブルからなる精密平面加工機械であって、該精密平
面加工機械の稼働に当たり圧力制御が、１０ｇｆ／ｃｍ
²以上の範囲においてはサーボモータと圧電アクチュエ
ータ装置により行われ、１０ｇｆ／ｃｍ ²以下０．０１
ｇｆ／ｃｍ²までの範囲においては、冷却水用ジャケッ
トを具備した超磁歪アクチュエータによって行われるこ
とを特徴とする精密平面加工機械により達成される。ま
た、前述の精密平面加工機械においては、研削砥石は砥
粒粒度が３０００番よりも細かいダイヤモンドカップ型
砥石を使用するものとする。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研削用砥石と、該砥石を取付け回転を与え
る砥石取付け装置と、該取付け装置を支持する砥石軸
と、被加工体を把持する作業台とそれを支持するＸ−Ｙ
テーブルからなる精密平面加工機械であって、該精密平
面加工機械の稼働に当たり圧力制御がサーボモータ装置
と超磁歪アクチュエータの組み合わせによって行われる
ことを特徴とする精密平面加工機械。
【請求項２】圧力制御が、１０ｇｆ／ｃｍ²以上の範囲
においてはサーボモータと圧電アクチュエータ装置によ
り行われ、１０ｇｆ／ｃｍ²以下０．１ｇｆ／ｃｍ²まで
の範囲においては超磁歪アクチュエータによって行われ
ることを特徴とする請求項１記載の精密平面加工機械。
【請求項３】超磁歪アクチュエータに用いる超磁歪材料
がテルビウムとジスプロシウム、および鉄、コバルト、
ニッケルからなる鉄族元素のうち少なくとも一つからな
る合金の単結晶あるいは多結晶であることを特徴とする
請求項第１項および第２項記載の精密平面加工機械。
【請求項４】研削用砥石が、３０００番あるいはそれよ
り細かいダイヤモンド微粉を砥粒としたカップ型砥石で
あることを特徴とする請求項第１項ないし第３項に記載
の精密平面加工機械。
【請求項５】ダイヤモンド微粉を砥粒としたカップ型砥
石の結合材が、樹脂あるいは金属であることを特徴とす
る請求項第１項ないし第４項に記載の精密平面加工機
械。
【請求項６】ダイヤモンド微粉を砥粒としたカップ型砥
石の結合材中に平均粒径０．１μｍあるいはそれよりも
細かいダイヤモンド超微粉が混入されていることを特徴
とする請求項第１項ないし第５項に記載の精密平面加工
機械。