JP2007210074A - 研削装置および研磨装置、並びに研削方法および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研削加工、研磨加工の加工精度を高め、工具目つぶれ等の発生を防ぎ、チッピング、クラック等のワーク不良発生を抑制する研削／研磨装置、研削／研磨方法を提供する。
【解決手段】工具回転駆動部２０またはワーク保持部15のうち、軸方向に駆動される側の回転軸３３を軸方向駆動の駆動基準面内またはその近傍に配置する。あるいは、前記回転軸３３に直交する方向に揺動する工具回転駆動部２０またはワーク保持部１５を支持する支持点３４ｃ、３４ｄを、前記揺動される工具回転駆動部２０またはワーク保持部１５の回転軸３３に対して前記揺動方向の前後両側、及び前記揺動方向に直行する方向の左右両側に配置する。これらの対応により、工具の顎上がり現象が回避され、平坦度が格段に改善される。加えて、加工負荷を検知して工具２８に対するワーク１３の相対的送りを適切に制御することによりオーバーロード、これに起因する工具発熱を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転する砥石にワークを押し当て、または回転するラップ定盤にワークを押し当ててワーク表面を仕上げ加工する研削装置、研磨装置、ならびに研削方法、研磨方法に関する。

ワークとの間で相対回転する砥石または砥粒を含むラップ定盤にワークを押し当て、ワーク表面を研削または研磨して円滑な仕上げ面を得る加工方法は広く利用されている（例えば、特許文献１、２参照）。図４（ａ）は研削装置の１例を示している。図において研削装置５０は、基台５１と、基台５１に取り付けられたモータ５２によって回転駆動されるワークスピンドル５３と、基台５１に対して上下動可能に支持された主軸台５４と、主軸台５４に取り付けられ、モータ５６によって回転駆動される工具スピンドル５７とから構成されている。

図の下方から延びるワークスピンドル５３の先端には、ワークホルダ５８が取り付けられ、図示の例ではこれにウエハなどのワーク５９が固定されている。また、図の上方から延びる工具スピンドル５７には、工具ホルダ６１が取り付けられ、図示の例ではこれにカップ型（リング状）の砥石６２が固定され、ワーク５９に対向している。ワークスピンドル５３の回転軸と工具スピンドル５７の回転軸とは、相互に平行に対向し、かつセンターがずれて配置されている。

以上のように構成された研削装置の動作時、両スピンドル５３、５７は相互に逆方向に回転駆動される。動作時には矢印６３に示すように、工具スピンドル５７がワーク５９に向かって前進し、回転するワーク５９の表面に砥石６２を押し当ててワーク５９の表面を研削加工する。全体の動作は、図示しない制御部によって制御されている。形式によってはワークスピンドル５３の方が砥石６２に対して前進してもよい。また、図示の例ではワークスピンドル５３、工具スピンドル５７の両主軸がいずれも略鉛直方向を向いた縦型の装置を示しているが、両主軸が略水平に向く横型の装置も知られている。

次に、図４（ｂ）は、研削後のワーク表面粗さをさらに研磨して均一な仕上げ面を得るために使用される研磨装置（ラッピング装置）７０の概要を示している。図において、研磨装置７０は、基台７１と、基台７１に取り付けられたモータ７２によって回転駆動可能に支持されたラップ定盤７３と、基台７１に対して上下動可能に支持された主軸台７４と、主軸台７４に取り付けられたモータ７６によって回転駆動されるワークスピンドル７７とから構成されている。

ワークスピンドル７７の先端にはワークホルダ７８が取り付けられ、さらにワークホルダ７８には、図示の例ではウエハなどのワーク７９が取り付けられている。ワーク７９とラップ定盤７３との間には、図示しない研磨液供給口から噴霧などにより研磨液が供給される。

以上のように構成された研磨装置７０の動作時、モータ７２によってラップ定盤７３が回転駆動され、同様にワーク７９を保持したワークホルダ７８が、モータ７６によって回転駆動される。主軸台７４が矢印７５に示すように下降することによりワーク７９が下降し、対向して回転するラップ定盤７３の表面に所定圧力で押し当てられる。この間に研磨液供給口から研磨液がラップ定盤７３上に供給され、研磨液中に含まれる砥粒が相対移動するワーク７９とラップ定盤７３の間に導入されてワーク７９の表面が研磨される。全体の動作は、図示しない制御部によって制御されている。

研磨装置には、図示のようにラップ定盤７３がワーク７９と接触する部分を含むドーナツ状に構成されたものがある。また、ワーク７９を非回転に固定したり、あるいは強制回転駆動することなく自由回転させたりする方式も見られる。

ワーク７９の表面研磨に使用される研磨液（スラリー）は、一般にダイアモンド等の硬質研磨材からなる砥粒を水性又は油性の研磨溶液中に分散させている。研磨液が供給されると、研磨液中のダイアモンド等の砥粒がワーク７９とラップ定盤７３の間を転がり、あるいは錫や銅などの軟質材で作られたラップ定盤７３の表面に刺さって固定されるなどにより、砥粒表面に現れる切刃が相対移動するワーク７９を研磨する。ワーク７９を研磨して切刃が破壊された砥粒は順次ラップ定盤７３の表面から脱落し、供給される研磨液から新たな砥粒が補充される。

上述した研削装置５０と研磨装置７０とを対比して明らかなように、工具スピンドルとその回転駆動機構、ワークスピンドルとその回転駆動機構とが相互に平行となるよう上下に対向して配置され、ワークと工具とが接触、分離できるよう相互に接離させる軸方向駆動機構からなる構成は両者共通である。したがって両装置の基本構成をほぼ同様に形成することができ、回転駆動機構の回転条件、負荷条件、あるいは砥石装着と研磨液塗布との差異を設けることなどによって両装置を構成することができる。

また、両装置とも軸方向駆動される側のスピンドル５７、７７が上方に位置しているが、下方の側にあるスピンドルを昇降駆動させることも可能である。以下では説明簡略化のため、工具とワークとを接離させるために軸方向駆動される側のスピンドルを軸方向駆動スピンドル、固定される側のスピンドルを固定スピンドルと呼ぶこともある。どちらのスピンドルに工具、またはワークを固定するかはニーズに応じて任意に決定可能である。
特開２０００−１２７００３ 特開２００３−２３６７３６

ところで、研削加工、研磨加工は従来、鉄、鋼、銅などの構造材料の表面仕上げが主な対象であった。これに対して昨今では、サファイア、シリコン、ＳｉＣなどの半導体材料、あるいはセラミックなどの超硬質材料（以下、これらをまとめて「超硬質材料」という。）を加工対象とするケースが増加している。これらの硬質材料を研削または研磨する場合、砥石または研磨材の自生作用（切刃の再生作用）が起こり難く、鋼鉄などの構造材料に比べて工具の目づまり・目つぶれが発生し易い傾向にある。

また、上述したような超硬質材料は、鋼などの構造材料と比較して硬く、脆く、また熱伝導性が悪いなどの特有な性質を有する。このため、加工時に工具の目づまり・目つぶれなどが発生すると、局部的な発熱などによってワークにチッピング、クラックなどが生じ易いことから、きめ細かい加工条件の設定が要求されている。

さらに、半導体材料などでは、最終的な微小製品に対応して平行度、平坦度を始め、一般に構造材料よりもはるかに厳しい寸法精度が要求されるのが常である。これらを総合して、超硬質材料の研削、研磨に当たっては、従来の構造材料の加工とは異なる加工技術の開発が望まれていたが、従来技術においては必ずしもこれに対する十分な対応が採られていなかった。

例えば、従来の研削加工、研磨加工において、「顎上がり」という現象が見られる。これは、ワークに対して回転しながら作用する研削砥石がほぼ常に同一方向からワークに接触し、その後に反対方向へと退避することから、前記接触方向から反対方向に向けて研削砥石とワークとが相対的に口が開くように動作する現象である。あるいは、工具スピンドルを支持する支点と、加工負荷によって工具に加わる反力の作用点との相対的なずれによって工具がワークに対してたわむ現象も含まれる。主に加工装置の剛性に起因する現象であると考えられる。

図５は、顎上がり現象の概要を示している。図において、軸方向駆動スピンドル（工具スピンドル）５７には、矢印Ｆで示す加工負荷が加わるため、装置の剛性に起因して当該スピンドル５７を支持する主軸台５４の取り付け部分を中心に当該スピンドル５７が２点鎖線で示すたわみが発生する。さらに、装置によっては主軸台５４を含めた駆動側スピンドル５７全体が矢印Ｒで示すようにスピンドル５７の軸と直交する方向に揺動するものがあり、この場合には揺動スライド部８０を中心にして更なるたわみが付加され得る。

この「顎上がり」現象の発生のため、ワークの仕上げ面の平行度、平坦度の所望精度が確保し難いという問題があった。従来の構造材料に関しては問題にされない程度のものであっても、半導体材料においてはこのようなたわみに起因する顎上がり現象が所望精度に対して致命的な問題ともなり得る。

次に、従来の研磨加工においては、ワークは一般にラップ定盤に対して自由度を持って接触していた。図６（ａ）に示す例では、ワーク７９はラップ定盤７３の上に自重で載置され、一対の支持ローラ８１によって移動を拘束されている。ラップ定盤７３が矢印８２に示す方向に回転することにより、ラップ定盤７３の半径方向の周速の差によってワーク７９は矢印８３のように回転し、両者の相対回転接触によってワーク７９が研磨される。ワーク７９は支持ローラ８１によって所定位置に拘束される。

この場合、ワーク７９のラップ定盤７３に対向する方向（図の上下方向）における拘束はワーク７９の自重のみであり、ワーク７９のラップ定盤７３に対する平行が確保されているとは言い難い。このため、ワーク７９加工面の平行度、平坦度の精度をさらに高めることは困難であった。

図６（ｂ）に示す例では、ワーク７９はワークスホルダ７８に固定されてモータにより強制回転駆動される形式となっている。しかしながら、ワーク７９はワークホルダ７８の先端にピボット結合されているのみであり、ワーク７９はラップ定盤７３に対して傾斜可能であることから、ラップ定盤７３に対するワーク７９の平行が保たれているとはいえなかった。従来技術における研磨加工でのワーク７９の固定という場合、いずれもこのピボット結合による固定でしかなかった。このため、ワーク７９加工面の平行度、平坦度の精度をさらに高めるには限界があった。

さらに、ワーク７９との平行関係が確保されない状態での研磨加工を継続した場合、錫などの軟質材料で形成されたラップ定盤７３のラップ面が上に凸、または下に凸状に偏磨耗し、このためにワーク７９の平行度、平面度がさらに確保され難くなるという問題を生じていた。これは、特に高い精度が要求される超硬質材料の加工では致命的な問題であった。

以上より、本発明は研削加工、研磨加工の加工精度を高め、また、超硬質材料などの加工においても、工具の目づまり・目つぶれの発生を防ぎ、また、チッピング、クラックなどのワーク不良発生を抑制することが可能な研削装置、研磨装置、ならびに研削方法、研磨方法を提供することを目的としている。

本発明は、工具回転駆動部とワーク保持部の内、軸方向に駆動される側の回転軸を軸方向の駆動基準面内またはその近傍に配置することにより、あるいは前記回転軸に直交する方向に揺動する工具回転駆動部またはワーク保持部を支持する支持点を、前記揺動される工具回転駆動部またはワーク保持部の回転軸に対して前記揺動方向の前後両側、及び前記揺動方向に直行する方向の左右両側に配置することにより、あるいは加工負荷を検知して工具に対するワークの相対的送りを適切に制御することにより上記課題を解消するもので、具体的には以下の内容を含む。

すなわち、本発明にかかる第１の態様は、研削工具または研磨工具を回転駆動させる工具回転駆動部と、前記工具の回転軸と平行な回転軸を中心に回転可能にワークを保持するワーク保持部と、前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を他方に対して前記両回転軸方向に接近、後退させる軸方向駆動部と、全体の動作を制御する制御部とを備え、前記ワークを前記工具に押し当てて前記ワークの平面を仕上げ加工する研削装置または研磨装置であって、前記軸方向駆動部により駆動される工具回転駆動部またはワーク保持部の回転軸が、前記軸方向駆動部による駆動をガイドする駆動基準面の面内に位置していること、または前記駆動基準面の近傍に位置していることを特徴とする研削装置または研磨装置に関する。

本発明にかかる他の態様は、同じく工具回転駆動部と、ワーク保持部と、軸方向駆動部と、制御部と、加えて前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を前記両回転軸と直交する方向へ揺動する揺動部と、全体の動作を制御する制御部とを備えた研削装置または研磨装置であって、前記揺動部により揺動される工具回転駆動部またはワーク保持部を支持する支持点が、当該揺動される工具回転駆動部またはワーク保持部の回転軸に対して揺動方向の前側および後側の両側位置に配置され、かつ前記揺動方向に直行する方向において前記回転軸の両側位置に配置されていることを特徴とする研削装置または研磨装置に関する。

上記の両態様にかかる研削装置、研磨装置では、軸方向駆動または揺動される部分の剛性を高めることができ、いわゆる顎上がり現象による加工精度低下を回避させる効果を生む。

次に、本発明にかかるさらに他の態様は、同じく工具回転駆動部と、ワーク保持部と、軸方向駆動部と、制御部と、加えて前記工具によるワーク加工時の加工負荷を検出する検出装置とを備える研削装置または研磨装置であって、前記制御部は、前記検出装置により検出された加工負荷が一定の値を越えたときに前記軸方向駆動部の送りを停止し、または後退させ、加工負荷が所定値に戻った後に再度所定の送りを加えるよう制御することを特徴とする研削装置または研磨装置に関する。

前記加工負荷を検出する検出装置は、電力一定下で前記工具回転駆動部またはワーク保持部を回転駆動して加工する間、当該工具回転駆動部またはワーク保持部の回転数の低減に基づいて加工負荷の増大を検出するものとすることができる。当該研削装置、研磨装置によれば、加工負荷がオーバーロードになったときにこれを感知して工具送りを適切に制御することが可能となり、加工効率の改善とチッピングなどによるワーク不良発生の回避を可能にすることができる。

本発明にかかるさらに他の態様は、同じく、工具回転駆動部と、ワーク保持部と、軸方向駆動部と、制御部とを備える研磨装置であって、前記ワーク保持部が、前記ワークの被加工平面を前記工具の加工平面に平行となるよう保持するワークホルダから構成されていることを特徴とする研磨装置に関する。前記ワークホルダは、前記ワークを取り付けるための当該ワークホルダの取付け面を前記工具の加工平面と平行になるよう調整する調整機構をさらに備えることができる。

以上述べた各研削装置、研磨装置では、前記制御部が、前記軸方向駆動部を前記送り方向に間欠送りとするよう制御すること、またはスパークアウトの間に前記軸方向駆動部の前進、後退を繰り返すよう制御することができる。

次に、本発明にかかる他の態様は、回転する研削工具または研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法または研磨方法であって、前記工具またはワークのいずれか一方を送る軸方向駆動部により駆動される工具またはワークの回転軸を、前記軸方向駆動部の送りをガイドする駆動基準面の面内に配置すること、または前記駆動基準面の近傍位置に配置することを特徴とする研削方法または研磨方法に関する。

さらに、本発明にかかる他の態様は、回転する研削工具または研磨工具とワークとのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、かつ前記工具またはワークのいずれか一方を前記回転軸と直交する方向に揺動し、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法または研磨方法であって、前記工具またはワークを揺動するために前記工具回転駆動部またはワーク保持部を支持する支持点を、揺動方向において当該揺動される工具またはワークの回転軸より前側および後側の両側位置に配置し、かつ前記揺動方向と直行する方向において前記回転軸の両側位置に配置することを特徴とする研削方法または研磨方法に関する。

本発明にかかるさらに他の態様は、加工時の加工負荷を検出し、前記加工負荷が一定の値を越えたときに前記送りを一時的に停止し、または送り方向とは逆方向に後退させることを特徴とする研削方法または研磨方法に関する。あるいは、前記送りを間欠送りとすること、またはスパークアウト時に送り方向の前進、後退を繰り返すことを特徴とする研削方法または研磨方法、さらに、加工開始時の前記工具と前記ワークとが接触するゼロ位置を、両者未接触の状態から接触瞬時に変化する際の加工負荷の変動を検出することにより把握することを特徴とする研削方法または研磨方法に関する。いずれも、加工精度の向上または、ワーク不良発生の回避を図るものである。

本発明のさらに他の態様は、回転する研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研磨方法であって、前記ワークの平面を前記研磨工具の表面と平行になるよう保持し、研磨加工の間に前記研磨工具の表面に対する前記ワーク平面の傾斜自由度を拘束することを特徴とする研磨方法に関する。ワークのより精度の高い平行度、平坦度を得ることを可能にするものである。

本発明にかかる研削装置または研磨装置、あるいは研削方法または研磨方法を実施することにより、ワークの平行度、平坦度を従来技術によるものに対して飛躍的に改善することができ、ワークのチッピング、クラックの発生を抑制し、加工効率を向上させ、生産性を高めるという優れた効果を得ることができる。

本発明にかかる第１の実施の形態の研削装置および研磨装置、並びに研削方法および研磨方法について、図面を参照して説明する。本実施の形態は、ワークの「顎上がり」現象を回避し、加工精度を高める装置、方法に関する。図１は、本実施の形態にかかる研削装置の側面図を示している。図は、図４（ａ）に表示した研削装置の基台部分を省略し、主要部のみを表示している。図１において、研削装置１０は、下方に位置するワーク保持部１５と、これに対向して上方に位置する工具回転駆動部２０とを備えている。

ワーク保持部１５は、図示しない基台に取り付けられたモータにより、軸受け１１を介して回転テーブル１２を回転させるワークスピンドル１４を含み、図示の例では、回転テーブル１２にワーク１３が固定されている。ワークスピンドル１４にはさらに、回転数検出のための歯車１６と近接センサ１７とが配置されている。

工具回転駆動部２０は、フレーム２１と、工具スピンドル２３（スピンドルカバー２３ａ内に配置されている）と、工具スピンドル２３の軸方向駆動をガイドするレール２２と、工具スピンドル２３を昇降させる送りねじ２４とを含む。図示の形式では、下方に位置するワークスピンドル１４が従来技術で説明した固定スピンドルを形成し、上方に位置する工具スピンドル２３が、同じく軸方向駆動スピンドルを形成している。ただし、この固定側、駆動側の上下関係は逆になっていてもよい。

工具スピンドル２３はベルト２６を介してモータ２７により回転駆動され、下端にはワーク１３に対向して砥石２８が取り付けられている。また、送りねじ２４はモータ２９により駆動され、係合するナット部３１を介して工具スピンドル２３を昇降させる。また、本実施の形態にかかる工具回転駆動部２０は、図示しない基台に対して図の矢印Ｒで示す左右方向に揺動するための揺動基板３２を備えている。

以上のように構成された研削装置１０は、以下のように動作する。ワーク保持部１５の図示しないモータの駆動によって回転テーブル１２が回転し、ワーク１３を回転させる。ワーク１３の回転数は、歯車１６と近接センサ１７によって常時検出されている。一方、工具回転駆動部２０では、モータ２７の駆動によって工具スピンドル２３が回転し、砥石２８が回転するとともに、モータ２９の駆動によって送りねじ２４が回転し、工具スピンドル２３が下降する。これにより、砥石２８がワーク１３と接触し、研削加工を開始する。同時に、図示しないマニピュレータによって揺動基板３２を介して工具回転駆動部２０全体が図の左右方向に揺動し、加工効率を高める。全体の動作は、図示しない制御部によって制御される。

本実施の形態にかかる研削装置は、以下のような特徴を有する。まず、工具スピンドル２３の軸方向移動をガイドするレール２２が、図１に示す側面図において、工具スピンドル２３の回転軸３３と整合して配置されている。レール２２は、実際には図面に垂直な方向に一対配置されており、当該一対のレール２２の各々に対し、各一対のベアリング３４ａ、３４ｂが係合し、工具スピンドル２３の軸方向移動（図の上下動）をガイドしている。本明細書ではこのように工具スピンドル２３の軸方向移動をガイドする各ベアリング３４とレール２２との係合部を結んで形成される平面を、工具スピンドル２３の「駆動基準面」と称するものとする。

上述したレール２２と工具スピンドル２３の回転軸３３との「整合して配置された」関係を換言すれば、本実施の形態における研削装置では、工具スピンドル２３の回転軸３３が、前記駆動基準面の面内に配置されていることになる。あるいは、同回転軸３３は、前記駆動基準面の近傍に配置されていてもよい。この場合、前記近傍の距離はできるだけ短いことが好ましく、具体的には約２０ｍｍ以内とすることが好ましく、さらには約１０ｍｍ以内とすることがより好ましい。

駆動基準面と工具スピンドル２３の回転軸３３とを以上の関係に保つことにより、ワーク１３を加工する際の砥石２８に加わる加工荷重は前記駆動基準面に沿って真っ直ぐ上方に伝わるようになるため、図５に示す従来技術にあるような工具回転駆動部２０のたわみ、及びこれによる「顎上がり」の現象を回避する高い剛性が確保される。

次に、工具回転駆動部２０の揺動基板３２を基台側のレール２５に対して支持する支持点となる一対のベアリング３４ｃ、３４ｄが、工具スピンドル回転軸３３に対して揺動方向（矢印Ｒで示す図の左右方向）の前側および後側となる両側の位置に配置されている。また、レール２５は、実際には図面に垂直な方向に工具スピンドル回転軸３３を挟んで一対配置されているため、揺動方向と直交する方向（図面に垂直な方向）においても工具スピンドル回転軸３３に対して両側の位置に配置されているものとなる。

図示の例では支持点（ベアリング３４ｃ、３４ｄ）が計４つ配置されていることになるが、上述した関係が成立している限り、すなわち、工具スピンドル回転軸３３に対して揺動方向、およびこれと直行する方向のいずれもの両側位置に支持点が配置されている限り、例えば支持点を３点で構成することでもよい。この際、工具スピンドル回転軸３３は、各支持点（ベアリング３４）を順次結んで得られる包絡線の内部に配置されていることが好ましい。工具回転駆動部２０を以上のように構成することにより、加工負荷に対する装置の剛性が高まり、従来の加工装置では得られなかった高い精度の平行度、平坦度を得ることができる。

なお、工具回転駆動部２０を揺動させることにより、ワークに対する工具の作用線が揺動によって傾斜するため、揺動がない場合と比較してワークの加工変質層の厚さを薄くする効果が生じ、ワークに微細なクラックなどが発生し難くなる。また、揺動は切刃の再生作用を促す効果が得られ、生産性を高める観点からも好ましい。ただし、本実施の形態にかかる特徴の内、揺動機構に関連しない項目に関しては揺動機構を備えていない形式の研削装置、研磨装置にもそのまま適用可能である。これは、以下に示す他の実施形態でも同様である。

次に、図１に示す本実施の形態にかかる研削装置では、ワークスピンドル１４に取り付けられた歯車１６と、これに対向して取り付けられた近接センサ１７とにより、ワークスピンドル１４の回転数を常時検出している。一般に駆動用モータに印加される電力と、これによって駆動されるスピンドルの駆動回転数との間には一定の関係がある。このため、一定の電圧下で駆動されるワークスピンドル１４の回転数が加工中に低下した際に加工負荷の増大を知ることができる。本実施の形態では、この検出結果を後述する各種の加工効率改善、加工精度改善につなげている。

なお、以上述べた本発明の特徴、効果は、説明の対象とした研削装置に限定されず、研磨装置に対しても同様に適用することができる。また、軸方向駆動、あるいは揺動される側が工具回転駆動部２０である必要はなく、ワーク保持部１５が軸方向駆動部を構成し、あるいは揺動されてもよい。すなわち、軸方向駆動される側のスピンドル軸に加わる加工負荷に対して、設備全体の剛性を高めるよう構成されていればよい。

本実施の形態にかかる研削装置、研磨装置を実施することにより、従来技術による装置と比較して顕著な改善効果を得ることができる。本願発明者らが行った実験結果によれば、従来技術による装置で得られる一般的な平坦度が直径１００ｍｍに対して３００ｎｍほどが限度であったものに対し、本発明にかかる装置を用いた場合には平坦度を３０ｎｍまで、すなわち、１オーダ低い精度に至るまでの顕著な改善を得ることができた。このレベルの平坦度は、これまで特殊な加工装置を用いた場合（例えば、長大な径のラップ定盤を備えた大型装置を利用して小物ワークを加工するなど）を除き、従来技術では実現できなかったものである。

次に、本発明にかかる第２の実施の形態の研磨装置及び研磨方法について図面を参照して説明する。図２は、本実施の形態にかかる研磨加工の工具とワークの接触部分のみを拡大して示したもので、図４（ｂ）に示す基台７１他は省略している。図２において、下方からは工具スピンドル３５が延び、工具スピンドル３５は、図示しないモータの駆動でラップ定盤３６を矢印３７の方向に回転させる。ラップ定盤３６には、研磨液（スラリー）が塗布されてワークの研磨が可能である。なお、本明細書においては便宜上、ラップ定盤３６を工具に含めるものとし、またラップ定盤３６を駆動するスピンドルを工具スピンドル３５と称するものとする。

ラップ定盤３６に対向して上方からワークスピンドル３８が延び、その先端にあるワークホルダ３９にワーク４０が固定されている。本実施の形態では、ワークホルダ３９は真空チャックで構成されており、すなわち、真空を利用してワーク４０を固定保持している。ワークホルダ３９とラップ定盤３６とは平行となるよう調整可能に形成されているため、ワークホルダ３９に固定されたワーク４０を常にラップ定盤３６と平行に保つことができる。前記平行方向の調整は、例えばワークホルダ３９の半径方向４箇所に調整可能なロックボルトを配置するなどにより可能である。

従来技術における研磨加工では、図６（ａ）に示すようにワークが自重でラップ定盤の上に載置されるか、あるいは図６（ｂ）に示すようにワークホルダに対してピボット式に傾斜可能に固定されていた。これは従来での研磨加工が、主に仕上げ面の面精度向上（鏡面仕上げ）を目的としており、平行度、平坦度は主に研削加工が担うものとされていたことによる。サファイア、セラミックなどの昨今の超硬質材料を対象とした研磨加工においても、同様な加工方法の粋を出ることはなかった。

本実施の形態における研磨方法によれば、ワーク４０は真空チャックを利用したワークホルダ３９にラップ定盤３６と平行な状態に調整して固定保持されるため、ワーク４０の傾斜を拘束し、表面粗さ精度に加えて平行度、平坦度の精度向上を得ることができるようになる。

加えて、本実施の形態では、ワークスピンドル３８が矢印４１に示すように回転してワーク４０を所定速度で強制的に回転駆動し、また矢印４２に示すようにスピンドル軸と直行する方向に揺動している。これにより、加工過程におい加工条件のばらつきが生ずることがなく、加工精度の向上に寄与すると共に、加工効率を向上させる効果を生む。

以上の構成は、ワーク４０のみならずラップ定盤３６の加工表面の平坦度を保つ効果をも生む。上述のように、ラップ定盤３６は研磨材を保持するために錫や銅などの軟質材料で形成されている。したがって、平坦度が保たれていないワーク４０の加工を繰り返した場合、ラップ定盤３６の表面も偏磨耗する。そして、この偏磨耗がワーク４０の平坦度をさらに劣化させるという悪循環を生ずるものとなる。

図３（ａ）は、ドーナツ状のラップ定盤３６と、その上で研磨されるワーク４０との状態を示している。図の上方に示すワーク４０ａは径が大きく、ラップ定盤３６の幅Ｗを超えている。この場合には揺動ストロークは矢印Ｍ１で示すように僅かであってもワーク４０の平坦度に及ぼす影響は少ない。これに対し、図の下方に示す径の小さいワーク４０ｂの場合、揺動ストロークを矢印Ｍ２で示すように大きくし、ワーク４０ｂの一部が図の一点鎖線で示すようにラップ定盤３６の縁を越えてラップ定盤３６の加工表面に均一に接触させるようにする。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ´線で切ったラップ定盤３６の断面を示している。小径のワーク４０ｂを揺動なし、あるいは僅かな揺動ストロークで研磨した場合、ラップ定盤３６の幅方向中央部分付近を中心に研磨加工されることからラップ定盤３６の表面は破線で示すように下に凸の偏磨耗に陥り易い。ワーク４０をラップ定盤３６と平行に保持し、強制回転駆動し、そして十分な揺動ストロークを与えることによってラップ定盤３６の偏磨耗を回避して平坦度を保つことができる。それと同時に、平坦なラップ定盤３６により研磨することから、研磨されるワーク４０自身の平坦度も得られ易い。

次に、本発明にかかる第３の実施の形態の研削方法、研磨方法について説明する。本実施の形態では、さらなる加工精度向上、及び加工効率改善を図るための各種態様を対象としている。まず、第１の態様は、工具の目づまり・目つぶれの発生する虞が生じた場合、これを感知して目づまり・目つぶれに伴う加工障害を回避することに関する。本態様では、目づまり・目つぶれによる加工効率の低下、あるいはワークのチッピング等を回避するため、工具にかかる加工負荷を検知し、これが予め定められた閾値を越えた場合、工具の送りを一旦停止し、または工具を後退させ、さらなる加工負荷が工具・ワーク間に加わらないようにする。

より具体的に、図１に示す歯車１６と近接センサ１７との組み合わせなどによる検出手段で検出される回転数を常時把握しておき、電力一定の条件で工具またはワークを回転駆動して加工する間に回転数が一定値以下に低下した場合に目づまり・目つぶれの発生の原因となる加工負荷のオーバーロードが発生したものと判断し、工具をワークから後退させる。あるいは、少なくとも工具の送り込みを停止する。回転数の検出は、他の知られた方法を用いることでもよい。

一般にダイアモンドなどの切刃は熱に弱く、過度の発熱によって加工能力が低下する。工具をワークから一旦後退させることによってオーバーロードによる更なる発熱を抑制するとともに、研削液の流入が促される結果、冷却効果が得られて工具の目づまり・目つぶれの発生が回避され、以降の加工効率が改善される。本態様は、研削、研磨の双方に適用可能である。

本願発明者らが行った実験結果によれば、オーバーロードの閾値は通常の回転数に対して９５〜９８％（サファイアの場合９８％）ほどの回転数低下時とすることが好ましく、この値が検出されたときは目づまり・目つぶれ発生の虞が生じたとして工具送りを一旦停止し、または工具をワークから後退させる。後退距離は２〜５μｍほどとすることが好ましい。

なお、上述した例では工具を前進(送り)・後退させるものとしているが、加工時には工具とワークとを相対的に接離させることができればよく、工具の代わりにワークを前進・後退させることでも同様な効果が得られる。これは以下に示す各態様においても同様である。

次に、本実施の形態にかかる第２の態様は、研削加工における最終仕上げ段階となるスパークアウトの間に、ワークのより高い厚さ精度管理を可能にし、ワークの平行度、平坦度が得られる加工方法に関する。従来技術におけるスパークアウトでは、工具の送りを止め、一定時間工具とワークを接触させた状態で維持して最終仕上げ加工を行うものとしている。しかしながら、装置、工具、ワークにかかる総合的な剛性の問題が関与するため、研削加工においては工具の送り量と工具による研削量とは必ずしも一致していない。このため、従来技術のスパークアウトでは、所望の表面粗さは得られても所望の厚さ精度が得難いという問題があった。

本態様では、このような現象を回避して所望厚さを得るため、スパークアウトの間に工具の前進、後退を繰り返す動作（オシレーション動作）を加えるものとしている。工具を単に一定位置でワークに押し当てることに対し、所定送り量を限度に工具の前進、後退を繰り返すことで、最終的な工具の送り量が同一であっても所望の研削量に近い加工が可能となり、より高い厚さ精度管理が可能となる。

スパークアウト時における前進、後退動作の好ましい条件として、本願発明者らが行った実験結果によれば、たとえばサファイアを表面研削する場合、前進が０．６μｍ／秒、後退が２〜３μm／秒、前進・後退の１サイクルが６〜８秒、繰り返し回数が１５〜２０回の動作とすることが好ましい。なお、スパークアウトは一般に研削加工において用いられる手法であるが、上述したオシレーション動作は研磨加工に適用することも可能である。

本実施の形態にかかる第３の態様は、加工開始瞬時のワークと工具との接触位置感知に関する。厚さ精度管理をするには、加工開始位置の検出が重要である。従来技術では、たとえばワークと工具とのいずれか一方を手で回転させながら両者を接触させ、そのときの摺動音を感知するなどで接触位置を検出していた。しかしながらこのような手法では、オペレータの経験、特殊技能が要求されていた。本態様では、上述したようにワークまたは工具の回転駆動力を発生させる電力を一定として回転数を検知し、ワークと工具が接触した瞬間の加工負荷（回転数）の変化を検出することにより、自動で接触位置感知を行うことができる。その後に必要な工具の送り込み量を、当該接触位置を基準にして制御することにより高い厚さ精度管理が、特殊な技能を要することなく可能となる。

本実施の形態にかかる第４の態様は、加工効率を向上させ、加工精度を高める間欠送りに関する。従来の研削、研磨においては、スパークアウト時を除いて一般に工具は一定の送りによって加工を進めていた。この場合、工具には加工負荷が連続して加わり、切刃の局部的発熱などの要因によって必ずしも効率のよい加工をすることができなかった。本態様においては、工具送りを一定とせず、送り込みと送り停止とを組み合わせた間欠送りとすることで、切刃の発熱を抑制し、加工効率を高めるとともに、ワークのチッピングを防止するものとしている。

本願発明者らが行った実験によれば、サファイアを研削する例では間欠送りのサイクルは2秒送りと4秒停止、ないしは２秒送りと８秒停止の組み合わせからなる間欠送りとすることが好ましい。勿論この条件は、ワークの材質、工具送り量、工具回転数などによって変化する。

本態様に関連し、同じく図２の矢印４１に示すように、ワーク４０はワークスピンドル３８を介して強制回転駆動させることが好ましい。上述した揺動動作を加えた場合、ワーク４０はラップ定盤３６の半径方向に移動するため、接触位置によってラップ定盤３６の周速が変化し、ワーク４０をフリー回転可能な状態とした場合ではワーク４０の回転が一定せず、安定した加工が見込めない。ワーク４０を強制回転駆動することにより、好ましい加工精度、面粗さを得ることができる。

本実施の形態にかかる第５の態様は、ワークに無理な負荷を与えない送りの利点を持った強制切り込み送りに関する。従来技術において、例えばワーク４０をラップ定盤３６の上に自重で載置した状態で研磨加工を行う場合にはワークに無理な負荷を与えることのない送りであるといえる。しかしながら、このような加工方法では、好ましい厚さ管理ができない。一方、所望厚さを得るために所定送りで加工を継続した場合には、工具の目づまり・目つぶれなどに起因して加工負荷が増大し、過熱などによりワークにチッピング、クラックなどが生ずる恐れがある。

本態様では、加工負荷のオーバーロードを上述したようなモータにより駆動される工具またはワークの回転数低下で検出することにより回避し、加えて所定の加工量が得られるよう強制送りを付加するものとする。これにより、目づまり・目つぶれなどで加工負荷が増大する虞が生じた場合には送り量を制限してチッピングなどの不具合発生を回避させ、加工負荷が緩和された状態で強制送りを加えることで所望厚さを得ることができる。すなわち、オーバーロードの回避と強制送りの双方の利点を組み合わせた加工とすることで、不良の発生を抑えながら高精度の製品を得ることが可能になる。

以上述べた本実施の形態にかかる各種加工精度向上策や不良発生抑制策のいずれか１つ、またはこれらを複数任意に組み合わせて実施することにより、従来技術に対して顕著な改善効果を得ることができる。上述した平坦度の改善に加え、所定加工時間における処理ワーク個数が約数倍（例えば４倍）ほどにもなる。また、極薄化対応（研磨限界の厚さ）では、従来技術において直径１００ｍｍに対して約５０μｍほどであったものが、本実施の形態の各種態様の技術を組み合わせることにより、直径３００ｍｍに対して約５０μｍにまで改善される。

上記実験に使用した装置では、工具スピンドルの軸受けに一般のベアリングに代えて動圧軸受けを使用し、また、動圧発生用の油の温度変化を１℃以下に管理するなどの対応を加えている。これによって従来のベアリング使用時に発生した主軸のびびりの発生が回避され、安定したスピンドル支承が可能となることなどによって、より精度の高いワークの加工を可能としている。

以上、本発明にかかる各種実施の形態について説明してきたが、本発明の内容は主にウエハ、セラミックなどの半導体材料、超硬質材料を対象に適用することが好ましくはあるが、同様な高精度加工技術は鋼などの従来の構造材料に対しても全く同様に適用可能である。したがって、本発明の対象は、説明の対象となった超硬質材料などに限定されるものではない。

また、以上の各実施の形態では、工具スピンドル、ワークスピンドルの回転軸が略鉛直方向に向く縦型の装置を対象として説明してきたが、本願発明はこの形式に限定されるものではなく、これら回転軸が略水平方向に向く横型の装置においても同様に適用が可能である。

本発明は、各種材料の表面仕上げを行なう研削加工、研磨加工の産業分野において利用可能である。中でもセラミック、半導体ウエハなどの超硬質材料を効率的に、高い表面精度で研削、研磨する際において特に有効に適用することができる。

本発明にかかる実施の形態の研削装置を示す部分側面図である。 本発明にかかる他の実施の形態の研磨装置を示す部分斜視図である。 ラップ定盤で研磨されるワークとラップ定盤との関係を示す説明図である。 従来技術による研削装置（ａ）、研磨装置（ｂ）の概要を示す側面図である。 従来技術にみられる「顎上がり」の現象を示す説明図である。 従来技術によるラップ定盤上のワーク保持方法を示す斜視図である。

符号の説明

１０．研削装置、 １２．回転テーブル、 １３．ワーク、 １４．ワークスピンドル、 １５．ワーク保持部、 １６．歯車、 １７．近接センサ、 ２０．工具回転駆動部、 ２２．レール、 ２３．工具スピンドル、 ２４．送りねじ、 ２８．砥石、 ３３．工具スピンドル回転軸、 ３４ａ〜３４ｄ．ベアリング、 ３５．工具スピンドル、 ３６．ラップ定盤、 ３８．ワークスピンドル、 ３９．ワークホルダ、 ４０ワーク、 ５０．研削装置、 ７０．研磨装置（ラッピング装置）。

Claims (14)

1. 研削工具または研磨工具を回転駆動させる工具回転駆動部と、
   前記工具の回転軸と平行な回転軸を中心に回転可能にワークを保持するワーク保持部と、
   前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を他方に対して前記両回転軸方向に接近、後退させる軸方向駆動部と、
   全体の動作を制御する制御部とを備え、前記ワークを前記工具に押し当てて前記ワークの平面を仕上げ加工する研削装置または研磨装置において、
   前記軸方向駆動部により駆動される工具回転駆動部またはワーク保持部の回転軸が、前記軸方向駆動部による駆動をガイドする駆動基準面の面内に位置していること、または前記駆動基準面の近傍に位置していることを特徴とする研削装置または研磨装置。
2. 研削工具または研磨工具を回転駆動させる工具回転駆動部と、
   前記工具の回転軸と平行な回転軸を中心に回転可能にワークを保持するワーク保持部と、
   前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を他方に対して前記両回転軸方向に接近、後退させる軸方向駆動部と、
   前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を前記両回転軸と直交する方向へ揺動する揺動部と、
   全体の動作を制御する制御部とを備え、前記ワークを前記工具に押し当てて前記ワークの平面を仕上げ加工する研削装置または研磨装置において、
   前記揺動部により揺動される工具回転駆動部またはワーク保持部を支持する支持点が、当該揺動される工具回転駆動部またはワーク保持部の回転軸に対して揺動方向の前側および後側の両側位置に配置され、かつ前記揺動方向に直行する方向において前記回転軸の両側位置に配置されていることを特徴とする研削装置または研磨装置。
3. 研削工具または研磨工具を回転駆動させる工具回転駆動部と、
   前記工具の回転軸と平行な回転軸を中心に回転可能にワークを保持するワーク保持部と、
   前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を他方に対して前記両回転軸方向に接近、後退させる軸方向駆動部と、
   前記工具によるワーク加工時の加工負荷を検出する検出装置と、
   全体の動作を制御する制御部とを備え、前記ワークを前記工具に押し当てて前記ワークの平面を仕上げ加工する研削装置または研磨装置において、
   前記制御部は、前記検出装置により検出された加工負荷が一定の値を越えたときに前記軸方向駆動部の送りを停止し、または後退させ、加工負荷が所定値に戻った後に再度所定の送りを加えるよう制御することを特徴とする研削装置または研磨装置。
4. 前記加工負荷を検出する検出装置は、電力一定の条件下で前記工具回転駆動部またはワーク保持部を回転駆動して加工する間、当該工具回転駆動部またはワーク保持部の回転数の低減に基づいて加工負荷の増大を検出するものであることを特徴とする、請求項３に記載の研削装置または研磨装置。
5. 研削工具または研磨工具を回転駆動させる工具回転駆動部と、
   前記工具の回転軸と平行な回転軸を中心に回転可能にワークを保持するワーク保持部と、
   前記工具回転駆動部またはワーク保持部のいずれか一方を他方に対して前記両回転軸方向に接近、後退させる軸方向駆動部と、
   全体の動作を制御する制御部とを備え、前記ワークを前記工具に押し当てて前記ワークの平面を仕上げ加工する研磨装置において、
   前記ワーク保持部が、前記ワークの被加工平面を前記工具の加工平面に平行となるよう保持するワークホルダから構成されていることを特徴とする研磨装置。
6. 前記ワークホルダが、前記ワークを取り付けるための当該ワークホルダの取付け面が前記工具の加工平面と平行になるよう調整する調整機構をさらに備えている、請求項５に記載の研磨装置。
7. 前記制御部が、前記軸方向駆動部を前記送り方向に間欠送りとするよう制御すること、またはスパークアウトの間に前記軸方向駆動部の前進、後退を繰り返すよう制御することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一に記載の研削装置または研磨装置。
8. 回転する研削工具または研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法または研磨方法において、
   前記工具またはワークのいずれか一方を送る軸方向駆動部により駆動される工具またはワークの回転軸を、前記軸方向駆動部の送りをガイドする駆動基準面の面内に配置すること、または前記駆動基準面の近傍位置に配置することを特徴とする研削方法または研磨方法。
9. 回転する研削工具または研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、かつ前記工具またはワークのいずれか一方を前記回転軸と直交する方向に揺動し、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法、または研磨方法において、
   前記工具またはワークを揺動するために前記工具回転駆動部またはワーク保持部を支持する支持点を、揺動方向において当該揺動される工具またはワークの回転軸より前側および後側の両側位置に配置し、かつ前記揺動方向と直行する方向において前記回転軸の両側位置に配置することを特徴とする研削方法または研磨方法。
10. 回転する研削工具または研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法または研磨方法において、
    加工時の加工負荷を検出し、前記加工負荷が一定の値を越えたときに前記送りを一時的に停止し、または送り方向とは逆方向に後退させることを特徴とする研削方法または研磨方法。
11. 回転する研削工具または研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法または研磨方法において、
    前記送りを間欠送りとすること、またはスパークアウト時に送り方向の前進、後退を繰り返すことを特徴とする研削方法または研磨方法。
12. 回転する研削工具または研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研削方法または研磨方法において、
    加工開始時の前記工具と前記ワークとが接触するゼロ位置を、両者未接触の状態から接触瞬時に変化する際の加工負荷の変動を検出することにより把握することを特徴とする研削方法または研磨方法。
13. 回転する研磨工具とワークのいずれか一方を他方に対して前記回転軸方向に送り、前記工具の平面をワークの平面に押し当てて当該ワークの平面を平坦に仕上げる研磨方法において、
    前記ワークの平面を前記研磨工具の表面と平行になるよう保持し、研磨加工の間に前記研磨工具の表面に対する前記ワーク平面の傾斜自由度を拘束することを特徴とする研磨方法。
14. 前記ワークが、加工平面内で強制回転駆動されることを特徴とする、請求項１３に記載の研磨方法。
    
    

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