JP4484466B2

JP4484466B2 - 研磨方法およびその研磨方法に用いる粘弾性ポリッシャー

Info

Publication number: JP4484466B2
Application number: JP2003272632A
Authority: JP
Inventors: 和成西原; 常元厨川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: EP1661665A4; CN1795075A; CN100455411C; US20070072519A1; EP1661665A1; JP2005028542A; US7527546B2; WO2005005100A1

Description

本発明は、研磨方法およびその研磨方法に用いる粘弾性ポリッシャーに関する。

従来の粘弾性ポリッシャーおよびそれを用いた研磨方法を、図１４および図１５に基づき簡単に説明する。図１４は粘弾性ポリッシャーの平面図であり、図１５はその要部断面図である。

図１４および図１５において、５１は粘弾性ポリッシャーを、５２は粘弾性層を、５３は粘弾性層に同心円状に形成された環状の溝部を、５４は円盤状台金をそれぞれ示している。粘弾性層５２は円盤状台金５４の主表面に固着された構成にされている。この固着された粘弾性層５２の表面に、環状の溝部５３が形成されている。

従来の研磨方法によると、粘弾性ポリッシャー５１を回転させ、さらに粘弾性層５２に研磨剤を供給しつつ被研磨物を所定の回転数で回転させるとともに所定の圧力で押し付けて研磨を行う。このとき、粘弾性層５２と被研磨物との間で狭持された研磨剤は、その押圧力により粘弾性層５２の表面に沈み込んだ状態となる。このため、被研磨物の表面除去に作用する実効的な砥粒切り込み深さも小さくなり、すなわち被研磨物の表面除去量も小さくなることで最終的に鏡面へと仕上げられる。

また、化学的な作用を用いて研磨を行う場合、研磨剤と被研磨物との接触時間および面積を大きくするため、粘弾性層５２の粘性および弾性が大きい方が有利となる。
したがって、粘弾性ポリッシャーを用いる研磨方法では、粘性および弾性率の高い材料を選択することが高品質の向上に有利となる。

このような粘弾性ポリッシャー５１に被研磨物を押し当てて研磨する研磨方法では、被研磨物と粘弾性ポリッシャーとが面同士で接触するため、実際の研磨部分に研磨剤を供給することが困難となる。

これに対処するために、図１４に示すような環状の溝部５３が粘弾性層５２に形成されていた（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特開平９−２９５２５５号（図１参照）特開平１０−５８３３１号（図１参照）

ところで、上述した従来の研磨によると、下記の点において課題がある。
１）溝部加工に伴う表面粘弾性の低下による研磨品質の低下
２）溝部加工にコストがかかる
３）磨耗による溝部形状の経時変化
などである。

粘弾性層５２に溝部５３を形成する方法としては、主に機械加工が用いられる。しかし、柔らかい材料に対して溝部５３を形成することは困難であるため、粘弾性層５２を塑性変形するまで加圧することで表面硬度を高めた後に溝部５３の加工が行われる。そのため、当然ながら、溝部５３を形成した後は、粘弾性が失われるため、研磨剤の埋め込み効果が小さくなり、結果として、被研磨物の表面に傷が付いたり、仕上げ面の粗さが劣化することになる。

また、溝部５３を加工するためのコストが高くつくとともに、時間とともに粘弾性層５２の表面が磨耗することで溝部５３の深さも経時的に浅くなりその効果も減少することとなる。

そこで、本発明は、研磨品質の維持が容易でかつ低コストな研磨方法および粘弾性ポリッシャーを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る請求項１に記載の研磨方法は、円盤状台板の所定表面に粘弾性層が設けられてなる粘弾性ポリッシャーの表面に被研磨物を押し付けて、前記粘弾性ポリッシャーと前記被研磨物との間に研磨液を供給しながら互いに回転させて研磨を行う研磨方法であって、前記円盤状台板の表面には、開口部を前記粘弾性層で覆った放射状の溝部が設けられており、前記粘弾性層は前記研磨液に対して浸透性を有し、前記被研磨物の研磨時に、前記被研磨物を前記粘弾性層に押し付けて、前記溝部上の前記粘弾性層を撓ませることで、前記溝部上の前記粘弾性層と前記被研磨物との間に前記溝部よりも深さが浅い凹状空間部を形成し、前記溝部の前記研磨液を、前記粘弾性層へ浸透させて前記凹状空間部へ供給する方法である。

また、本発明に係る請求項２に記載の粘弾性ポリッシャーは、請求項１に記載の研磨方法に用いる粘弾性ポリッシャーであって、前記粘弾性層は前記研磨液に対して浸透性を有し、前記被研磨物の研磨時に、前記溝部上に形成される前記凹状空間部の深さが前記溝部の深さよりも浅くなり、前記溝部の前記研磨液が前記粘弾性層を浸透して前記凹状空間部へ供給されるものである。

本発明によれば、円盤状台板に設けられる粘弾性層の表面に溝部の加工を施すことなく、研磨剤を研磨部分に効果的かつ低コストの構成でもって供給することができるとともに、粘弾性層に溝部を設ける必要がないので、高い粘性および弾性を維持して研磨品質を高めることができ、また研磨時の被研磨物に作用する動圧が小さくなって、粘弾性ポリッシャーに対する被研磨物の平行度が良好に維持されるので、研磨面の平坦度も良くなり、良好な研磨品質が得られる。さらに、円盤状台板の回転数により生じる円周上での遠心力および慣性力との合成ベクトルに沿うように溝部の角度を適宜調整することにより、研磨剤の供給能力および切り屑の排出能力を高めることができるため、研磨品質をさらに改善することができる。

以下、本発明に係る粘弾性ポリッシャーおよび研磨方法に係る実施の形態について複数説明するが、最初の実施の形態１においては、研磨装置の概略構成について説明するとともに、実施の形態２以降の分については、粘弾性ポリッシャーおよび研磨方法についてだけ説明する。また、これら実施の形態２以降の分については、主として、実施の形態１と異なる部分に着目して説明する。
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーおよび当該粘弾性ポリッシャーを用いて被研磨部材を研磨する研磨装置を、図１〜図７に基づき説明する。

まず、研磨装置を、図１に基づき説明する。
この研磨装置１は、ベッド２上に設けられて粘弾性ポリッシャー３を水平面内で回転させる回転台４と、同じくベッド２上の回転台４の側方位置にて立設された支柱体５と、この支柱体５に上下方向のガイドレール６を介して昇降自在に設けられスライド部材７と、支柱体５の上部に設けられて例えばねじ機構を介してスライド部材７を昇降させる昇降用モータ８と、上記スライド部材７に取り付けられるとともに回転用モータ９にて鉛直軸心回りで回転される回転軸部（主軸ともいう）１０を有する回転ヘッド体１１と、この回転ヘッド体１１の回転軸部１０の下端部に設けられて被研磨物Ｗを保持するためのチャック１２とから構成され、また被研磨物Ｗにおける研磨部分に液状の研磨剤（以下、研磨液という）Ｋを供給するための研磨剤供給装置１３が具備されている。

次に、粘弾性ポリッシャーを、図２〜図４に基づき説明する。
図２は粘弾性ポリッシャーの平面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図である。

この粘弾性ポリッシャー３は、外周が円形状に形成された、すなわち所定の外周半径（Ｒ１）の円盤状台金（円盤状台板の一例）２１の主表面（所定表面）に所定厚さでもって且つ中心部に所定の内周半径（Ｒ２）の穴部２２ａが形成されてなる所定幅（Ｌ＝Ｒ１−Ｒ２）の環状粘弾性層２２が固着されたもので、しかも上記円盤上台金２１の主表面には、中心部から外周に向って放射状に（半径方向で）断面矩形状の溝部（以下、放射状の溝部ともいう）２１ａが等角度間隔で複数本（例えば、１２本）形成されている。

上記粘弾性層２２としては、ウレタンゴムやスエードなどの表面を起毛させたもの、またはこれらが複合されたもの（所謂、複合材料）などが用いられる。また、ウレタンゴム中に気泡（気孔）等を分散させたもの（多孔性物質）、さらには分散した気泡により研磨液に対して浸透性、透過性のある材料が用いられる。このような材質のものを用いた場合には、研磨液（砥粒などの研磨材も含む）や削り屑（研磨屑）の取り込み効果が得られ、また気泡内に含まれる空気により弾性係数が向上するため粘弾性の改善に有効であり、研磨品質の改善が図られる（研磨品質が向上する）。また、粘弾性層２２中に研磨材を均一に分散・含有させた場合でも、研磨能率や研磨品質の改善に有効である。すなわち、研磨材の保持効果が優れ、乾式研磨の場合でも研磨を行うことができる。なお、粘弾性層２２中に分散させる研磨材は被研磨物Ｗの材質に応じて適宜選択することができる。例えば、被研磨物Ｗがガラスや水晶の場合、分散・含有させる研磨材としては、酸化セリウムが用いられる。この場合、特にガラスや水晶などの材料に対し化学的に作用することで、研磨能率の向上や仕上げ面粗さの改善などを図ることができる。

上記研磨装置１において、研磨を行う場合、回転軸部１０の下端に設けられたチャック１２にて被研磨物Ｗを保持させ、そして回転用モータ９により回転軸部１０を回転させるとともに回転台４により粘弾性ポリッシャー３を回転させた状態で、昇降用モータ８によりスライド部材７を下降させて、被研磨物Ｗを粘弾性ポリッシャー３の表面に所定の押圧力でもって押し付ければよい。勿論、このとき、研磨剤供給装置１３からは、被研磨物Ｗの材質に応じた研磨液Ｋが研磨部分に供給されるとともに、粘弾性層２２の穴部２２ａには研磨液Ｋが貯留されている。

研磨時には、図５に示すように、被研磨物Ｗには押圧力Ｐが作用しており、したがって溝部２１ａ上の粘弾性層２２においては、当該溝部２１ａ内に入り込むように撓み量δが発生する。したがって、この撓み量δにより生じた粘弾性層２２の凹状空間部Ｓを介して研磨液Ｋが全体に亘ってより均一に研磨加工面に入り込み、良好な研磨が行われる。

ここで、円盤状台金２１に形成される溝部２１ａのより具体的な構成およびその作用について説明する。
図５に示すように、粘弾性層２２に被研磨物Ｗを介して所定の押圧力（分布荷重）Ｐが作用すると、溝部２１ａ上の粘弾性層２２ｂには、下記（１）式にて示される撓み量δが生じる。

δ＝５ＰＷ^４／３８４ＥＩ・・・（１）
ここで、Ｅは粘弾性層２２のヤング率、Ｉは粘弾性層２２の断面二次モーメントを示している。

また、溝部２１ａ上の粘弾性層２２の厚さをｈ、幅をｂとすると、断面二次モーメントＩは下記（２）式にて表される。
Ｉ＝ｂｈ（ｂ^２＋ｈ^２）／１２・・・（２）
また、溝部２１ａの幅Ｗおよび深さＤ_１については、粘弾性層２２のヤング率Ｅを勘案し、例えば溝部２１ａの深さＤ_１が粘弾性層２２の撓み量δよりも大きくなるように設計される。溝部２１ａ上の粘弾性層２２ｂは、研磨時には被研磨物Ｗと非接触であるため磨耗せず、粘弾性層２２の厚みを一定に保つことができるため、粘弾性層２２に生じる撓み量δを常に一定に維持することができる。すなわち、被研磨物Ｗとの間に常に一定深さの撓みδが形成されて当該研磨部分への安定した研磨液Ｋの供給を実現することができる。
また、粘弾性層２２ｂに生じた凹状空間部Ｓは研磨液Ｋの供給効果のみではなく、研磨時に生じる切り屑を捕獲し、円盤状台金２１の回転遠心力により排除する効果もある。その結果、研磨面における平行度、平坦度、仕上げ表面粗さなどの研磨品質を高く（良好に）維持することができる。なお、必ずしも、溝部２１ａの深さＤ_１を撓み量δよりも大きくしなくても良いが、撓み量δより溝部２１ａの深さＤ_１を小さくした場合、粘弾性層２２の底部は溝部２１ａに接触することになる。この場合、溝部２１ａの周辺の粘弾性層２２は研磨とともに磨耗するため、経時的に凹状空間部Ｓの深さは浅くなり上述した効果は小さくなる。したがって、深さＤ_１は撓み量δより大きい方が好ましい。

このとき、粘弾性層２２に研磨液Ｋに対して浸透性または透過性のある材料を選択することで、当該研磨面への研磨液Ｋの供給能力をさらに高めることができる。すなわち、放射状溝部２１ａを介して浸透および透過により凹状空間部Ｓに研磨液Ｋを供給することが可能となる。したがって、凹状空間部Ｓと溝部２１ａの両方を研磨液Ｋの供給経路として利用できるため、より高い研磨品質が実現できる。上記効果は、放射状の溝部２１ａを途中で堰き止めることでより高い効果が得られる。すなわち、円盤状台金２１の回転時に生じる遠心力を、溝部２１ａ上の粘弾性層２２ｂに研磨液Ｋを透過、浸透させる圧力として利用することができるからである。放射状の溝部２１ａを堰き止める箇所は、遠心力を最大限に利用するため、円盤状台金２１の外周部に設けることが望ましい。

また、複数本の溝部２１ａを放射状に形成していることにより、溝部２１ａを形成していない場合に比べて、被研磨物Ｗの回転により当該被研磨物Ｗと粘弾性層２２との間に充満する研磨液に発生する圧力分布（動圧分布）を、より均一にすることができる。

具体的に説明すれば、溝部２１ａが設けられていない場合には、図６（ａ）に示すように、被研磨物Ｗの全長（直径）に亘って傾斜する圧力分布（回転方向における前端側の圧力が後端側のそれよりも大きい分布となる）ＰＤ１となる。それに対し、所定間隔おきに溝部２１ａが設けられている場合には、図６（ｂ）に示すように、動圧の作用点が分散される。すなわち、溝部２１ａの箇所で圧力が小さくなるため、より正確には負圧になるため、被研磨物Ｗとの間で発生する大きい正の動圧範囲が短くなる。したがって、全体的に、被研磨物Ｗに作用する動圧が小さくなって、粘弾性ポリッシャー３に対する被研磨物Ｗの平行度が良好に維持されるので、その結果、研磨面における平坦度も良好となり、研磨品質の改善が図られる。

さらに、研磨時においては、図７に示すように、被研磨物Ｗの回転中心ＷＯが粘弾性層２２の環状の幅Ｌの中点ＬＯと同一（ほぼ同一も含む）となるようにされる。また、このときの研磨条件としては、被研磨物Ｗと粘弾性ポリッシャー３とにおける回転方向および回転数が同一（ほぼ同一も含む）にされる。このようにすることにより、被研磨物Ｗと粘弾性ポリッシャー３との相対速度分布が、被研磨物Ｗの面内で場所に依存せずに一定となる。したがって、研磨加工後における被研磨物Ｗの研磨面の平行度および平坦度が大きく改善される。また、被研磨物Ｗの外径（被研磨物Ｗの回転半径が描く軌跡の幅に相当する）Ｄ_２を粘弾性層２２の幅Ｌよりも大きくすることにより、粘弾性層２２での偏磨耗を防止することができる。

上記粘弾性ポリッシャー３の構成によると、円盤状台金２１の主表面に溝部２１ａを形成することにより、実質的に粘弾性層２２に溝部を形成することと同様の効果が得られる。すなわち、粘弾性層２２に溝部を形成する必要がなくなるため、粘弾性層本来の特性を利用でき、また粘弾性層に溝部を加工する必要もなくなるため、粘弾性ポリッシャー３の製造コストの低減化を図ることができる。

さらに、円盤状台金２１に形成される溝部２１ａの深さは研磨作業による磨耗に依存することがないため、常に、一定に維持することができ、したがって安定した研磨品質が得られる。

さらに、粘弾性ポリッシャー３における粘弾性層２２の中心部に穴部２２ａを形成したので、研磨部分に供給された研磨液Ｋが当該穴部２２ａに貯留され、したがって研磨液Ｋを中心から外周側に向って常に供給することができるとともに、各溝部２１ａ上の粘弾性層２２ｂに生じる凹状空間部Ｓを介して供給されるため、研磨液を安定して供給することができる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る粘弾性ポリッシャーを、図８〜図１０に基づき説明する。

本実施の形態２に係る粘弾性ポリッシャーは、上述した実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーに設けられる放射状の溝部に、さらに同心円状に複数本の環状の溝部を形成したものであり、本説明においては、異なる部分に着目して説明するとともに、実施の形態１と同一の構成部材については、同一番号を付してその説明を省略する。

すなわち、図８〜図１０に示すように、円盤状台金２１の主表面（所定表面）に、放射状溝部２１ａに加えて、半径が異なる環状の溝部２１ｂを同心円状に複数本（例えば、２本）形成したものである。なお、環状溝部２１ｂの深さは、放射状の溝部２１ａと同一の深さにされるとともに、その幅については、例えば少し狭くされている。

このように、放射状の溝部２１ａに加えて環状の溝部２１ｂを同心円状に複数本形成したので、実施の形態１に記載した同一の効果が得られるとともに、被研磨物Ｗに供給される研磨液Ｋの供給のための溝部が実質的に増加することになり、より研磨品質を高めることができる。なお、環状の溝部２１ｂを同心円状に形成する替わりに、溝部を螺旋状に形成した場合でも、同様の効果が得られる。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る粘弾性ポリッシャーを、図１１〜図１３に基づき説明する。

本実施の形態３に係る粘弾性ポリッシャーは、上述した実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーに設けられる放射状の溝部を、その半径（中心線である）に対して傾斜させたものであり、本説明においても、異なる部分に着目して説明するとともに、実施の形態１と同一の構成部材については、同一番号を付してその説明を省略する。

すなわち、図１１〜図１３に示すように、円盤状台金２１の主表面（所定表面）に、放射状の溝部２１ａ′を等角度間隔で複数本形成する際に、当該円盤状台金２１の中心点Ｏを通過する中心線ＣＬに対して、±１５度以下の角度範囲θで交差させたものである。すなわち、中心線ＣＬである半径に対して所定角度θでもって傾斜させたものである。

この場合も、実施の形態１に記載した同一の効果が得られる。
特に、研磨時の回転による粘弾性ポリッシャー３の外周上の一点における遠心力および慣性力との合成ベクトルと、放射状の溝部２１ａ′の交差角度θを合わせることにより、溝部２１ａ′上の粘弾性層２２ｂに生じる凹状空間部Ｓを流れる研磨液Ｋの流速を早くすることができるため、結果的に研磨液Ｋの供給量を増加させることができる。したがって、研磨品質をさらに改善することができる。

ここでは粘弾性ポリッシャー３の回転中心から放射状に溝部を形成した場合について示したが、実施の形態２と同様に、同心円状に環状の溝部を複合的に形成することにより、動圧の低減と研磨液の安定供給に対して有効となる。

以上に説明した研磨方法については、通常の研磨装置を用いても有効である。
上述した各構成によると、粘弾性層が固着される円盤状台金に放射状の溝部を形成することにより、粘弾性層への溝部の形成を不要にした低コストで研磨品質の高い研磨用の粘弾性ポリッシャーおよび研磨方法を提供することができる。

また、円盤状台金に形成する放射状の溝部を中心線に対してプラス１５度からマイナス１５度の角度範囲で、すなわち中心線に対して±１５度以下の角度範囲で交差するように形成することにより、高速回転でも高能率な研磨を行い得る粘弾性ポリッシャーを提供することができる。

また、上記の粘弾性ポリッシャーを用いて、粘弾性層における半径方向での幅の中点に被研磨物の回転中心を一致（ほぼ一致も含む）させて研磨することにより、被研磨物における研磨面の平行度、平坦度、仕上げ面粗さなどの研磨品質が高い研磨方法を提供することができる。

この粘弾性ポリッシャーは研磨液を供給し得る溝部が円盤状台金側に形成されたもので、その製造コストが安価となり、例えば金属製の円形状板体の研磨を行うのに有利となる。

本発明の実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーを用いた研磨装置の側面図である。同実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーの平面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。図２のＢ−Ｂ断面図である。同実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーの研磨状態を説明する要部断面図である。同実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーの研磨時における研磨液の動圧分布を説明する要部断面図で、（ａ）は従来の場合を示し、（ｂ）は本発明の場合を示す。同実施の形態１に係る粘弾性ポリッシャーの研磨状態を説明する要部断面図である。同実施の形態２に係る粘弾性ポリッシャーの平面図である。図８のＣ−Ｃ断面図である。図８のＤ−Ｄ断面図である。同実施の形態３に係る粘弾性ポリッシャーの平面図である。図１１のＥ−Ｅ断面図である。図１１のＦ−Ｆ断面図である。従来例に係る研磨用粘弾性ポリッシャーの平面図である。図１４のＧ−Ｇ断面図である。

符号の説明

１研磨装置
３粘弾性ポリッシャー
４回転台
５支柱体
６ガイドレール
７スライド部材
８昇降用モータ
９回転用モータ
１１回転ヘッド体
１３研磨剤供給装置
２１円盤状台金
２１ａ放射状溝部
２１ａ′ 放射状溝部
２１ｂ環状溝部
２２粘弾性層
２２ａ穴部
２２ｂ溝部上の粘弾性層
Ｋ研磨液
Ｓ粘弾性層に生じる凹状空間部

Claims

円盤状台板の所定表面に粘弾性層が設けられてなる粘弾性ポリッシャーの表面に被研磨物を押し付けて、前記粘弾性ポリッシャーと前記被研磨物との間に研磨液を供給しながら互いに回転させて研磨を行う研磨方法であって、前記円盤状台板の表面には、開口部を前記粘弾性層で覆った放射状の溝部が設けられており、前記粘弾性層は前記研磨液に対して浸透性を有し、前記被研磨物の研磨時に、前記被研磨物を前記粘弾性層に押し付けて、前記溝部上の前記粘弾性層を撓ませることで、前記溝部上の前記粘弾性層と前記被研磨物との間に前記溝部よりも深さが浅い凹状空間部を形成し、前記溝部の前記研磨液を、前記粘弾性層へ浸透させて前記凹状空間部へ供給することを特徴とする研磨方法。
請求項１に記載の研磨方法に用いる粘弾性ポリッシャーであって、前記粘弾性層は前記研磨液に対して浸透性を有し、被研磨物の研磨時に、前記溝部上に形成される前記凹状空間部の深さが前記溝部の深さよりも浅くなり、前記溝部の前記研磨液が前記粘弾性層を浸透して前記凹状空間部へ供給されることを特徴とする粘弾性ポリッシャー。