JP4358763B2 - 小径工具による加工物の表面形状加工方法 - Google Patents

Description

この発明は、表面の高精度加工を要求されるウェーハその他の加工物をラッピング加工やポリッシング加工、研削加工等によって形状修正あるいは形状創成する加工方法に関し、加工物をそれよりも小さな工具によって加工する上記方法に関するものである。

半導体産業の発展に伴い、半導体材料として用いられるシリコンウェーハ（以下「ウェーハ」と言う。）の製造には、より高い精度と生産性が求められている。一方、半導体チップの量産、並びに生産能率の向上を図ることを目的としてウェーハは大口径化され、現在では３００ｍｍウェーハが主流となり始めており、今後も大口径化する方向にある。

ところで、これまでウェーハのラッピング加工やポリッシング加工には４ｗａｙ方式が一般的に用いられており、この方式では一度に多数枚のウェーハを同一の研磨条件の下で加工することができるものの、初期形状にバラツキを有するウェーハを同一の加工条件で研磨する上記方法では、全てのウェーハを所望の形状とすることは困難である問題が指摘されている。

また、上記ウェーハのみならず、従来技術の精度向上を図るためには、加工機械側となる、たとえばラッピング定盤やポリッシング定盤の表面形状が重要であり、特に形状転写加工となるラッピング加工やポリッシング加工では、従来までの一般的な４ｗａｙ方式であったとしても、使用する定盤には非常に高い形状精度が要求されている。このことから、上記定盤の形状を精度良く作り込むことが要求されているが、現状においては、熟練者による職人芸によって行われている状況にある。こうした問題から、従来の熟練者による職人芸による加工ではなく、体系化され、また自動化を可能とする表面形状加工方法の必要性が高まってきている。これまでにも４ｗａｙ方式に関する研究として、たとえばポリッシング技術に関して体系化ないし自動化の検討が行われているが、加工の進行に伴う工具の偏磨耗等の影響が懸念されている。

なお、下記特許文献１には、長尺加工物の表面をその幅の１．２倍以上で、かつその長さ寸法より短い直径の工具を長尺加工物の長手方向中心線に沿って移動するラッピング方法において、長尺平面の凹凸形状に対応して、前記工具の押圧力を増減して、当該長尺平面の形状修正を行う方法が提案されている。工具の押圧力を増減させる方法として、工具をマシニングセンタの主軸に押圧ばねを介して装着し、当該主軸をＮＣ装置で上下させる手段が示されている。
特開２０００‐１１７６２５号公報 畝田道雄、西本吉伸、石川憲一、市川浩一郎、「遺伝的アルゴリズムを用いた４ｗａｙ方式定盤の半径方向溝割合の最適化」、精密工学会誌、２００４年、第７０巻、第５号、ｐ．６５１‐６５５

手作業で加工物表面を所望形状に加工することは、高度の熟練と多大な作業時間とを必要とする。一方、特許文献１に記載の方法は、工具を取り付けた軸を軸方向にＮＣ制御可能な加工装置を用いなければならず、加工装置が高価になるという問題がある。

そこでこの発明は、加工面への工具の押圧力を一定にして、その表面を所望の凹凸分布を有する平坦面に修正加工ないし創成加工する方法を提供することを課題としている。

本発明は、工具の偏摩耗の影響を実質上無視することができる小さな工具を使用して加工する方法を提供するとともに、小径工具を揺動制御する際の制御パラメータを決定する方法を提供することによって、加工物の表面形状加工における自動化を可能にしたものである。

すなわち、本願の請求項１の発明に係る加工物の表面形状加工方法は、加工物の表面にその表面寸法より小径の回転摺擦平面を備えた小径工具を押接して当該小径工具を第１の方向と第２の方向に相対移動させる加工物の表面形状加工方法において、加工物表面の前記第１の方向に複数の工具位置と予測位置とを設定し、設定した各工具位置に小径工具を停止させたときの各予測位置の単位時間当り加工量を、αを実験的に求める係数として各予測位置における摩擦速度のα乗とする演算式で演算し、上記複数の工具位置での工具停止時間と当該工具位置における各予測位置での上記単位時間当り加工量との積の和が、所望の表面形状を得るために必要な各予測位置における加工量となるように、前記第１の方向の小径工具の移動速度を変化させることにより、加工物表面に対する小径工具２の押圧力を一定にして加工物表面を所望形状に加工することを特徴とするものである。

第１の方向及び第２の方向は、Ｘ‐Ｙ平面におけるＸ方向とＹ方向や、極座標径における半径方向と周方向である。一般的には第１の方向と第２の方向は直交するが、斜めに交差する方向であってもよい。

この発明の方法では、小径工具２の押圧力を一定にして加工を行っているので、加工面の各点における研磨量は、工具と加工物表面との摩擦速度と摩擦時間により決まると考えてよいから、加工面の各点における摩擦速度と摩擦時間の分布が所望の凹凸形状に対応する分布となるように、各位置での工具の移動速度を決めることにより、任意の凹凸分布を有する平坦面を加工することが可能になる。

この発明の方法で加工する際の制御パラメータは、加工物表面の前記第１の方向に複数の工具位置と予測位置とを設定し、各工具位置に小径工具を停止させたときの各予測位置の単位時間当り加工量を演算し、上記複数の工具位置での工具停止時間と当該工具位置における各予測位置での上記単位時間当り加工量との積の和が、所望の表面形状を得るために必要な各予測位置における加工量となるように、前記第１の方向の小径工具の移動速度を決定する。

第１の方向における複数の工具位置と予測位置とは、等間隔にかつ工具位置と予測位置とを同一位置に設定するのが、加工量の演算やシミュレーションに便利であるが、不等間隔に、また工具位置と予測位置を異なる位置に設定してもかまわない。

上記加工における小径工具２の移動を間欠移動として、各停止点における停止時間の長短により、移動速度の大小を設定してもよいし、連続移動としてその移動速度の変化により、移動速度の大小を設定するようにしてもよい。

本願の請求項２の発明は、請求項１の発明において、第１の方向を半径方向、第２の方向を周方向とした場合に相当するもので、円形加工物の表面をその半径方向に所望の凹凸がある平坦面に加工するのに適した方法で、大口径化したウェーハの加工や、４ウェイラップ盤の定盤を始めとするその他のラップ定盤、ポリシング定盤などの加工に適した方法である。

すなわち、本願の請求項２の発明に係る加工物の表面形状加工方法は、前記請求項１記載の加工物の表面形状加工方法において、回転する加工物の円形の表面にその円表面より小径の回転摺擦平面を備えた小径工具を押接する加工物の表面形状加工方法において、前記円表面の半径方向を前記第１の方向とし周方向を前記第２の方向として、小径工具を前記半径方向に往復移動させると共に、当該往復移動時における小径工具の移動速度を円表面の半径位置に対応して変化させることを特徴とするものである。

この発明の方法では、加工物の表面より小さい径の工具を用いて加工を行うので、加工物の寸法が大きくなっても、加工が困難になるということがなく、また、加工しようとする表面形状における凹凸の大きさに比べて十分小径の工具を用いることにより、工具の偏摩耗の影響を実質上無視して加工の際の制御パラメータを決定できる。なお、小径工具は、中実のもののみでなく、中空の、すなわち円環状の摺擦面を有するものでも良く、更に、その摺擦面に溝や凹所を設けた工具とすることもできる。

小径工具を用いる加工では、加工面に沿う工具の移動が不可欠であり、この発明の方法では、この移動速度を制御することにより、各位置における研磨量を制御するので、凹凸の加工を実現するために、加工装置の制御軸を増やす必要がなく、従って装置コストを安くできる。

前記制御パラメータの決定の際に、前記各予測位置における加工前の表面形状を計測し、所望の表面形状を得るために必要な各予測位置における加工量を補正することにより、加工前形状に関らず、所望の加工形状を得ることができる。

なお、加工時間の経過による砥粒や小径工具の磨耗の影響を少なくするために、小径工具の複数回の往復移動によって、所望量の加工が行われるようにするのが適当である。

この発明の方法によれば、工具を加工面の面直角方向に移動させることなく、当該面直角方向の凹凸を備えた平坦面の加工が可能になるから、研磨装置に当該凹凸方向の制御軸を設ける必要がなく、従って研磨装置の構造が簡単になる。

また、この発明の方法では、加工物表面の各予測点における工具との摩擦速度を理論的に求めることによって、所望の凹凸形状を得るための小径工具の移動速度を求めることができるので、異なる種々の凹凸形状の加工が要求されたときにも、比較的速やかにそれらの要求に対応することができる。

従って、この発明により、簡単な装置で加工物の高精度の仕上げ加工を自動で行うことができ、作業者の熟練が不要になるという効果がある。

以下、図１ないし図２を参照して、円形加工物１の表面をその半径方向に所望の凹凸分布を有する平坦面に加工する場合を例にして、この発明の好ましい実施形態を説明する。

図１に示すように、半径Ｒの加工物１を角速度Ｗで回転し、加工物半径より小さい半径ｒの小径工具２を角速度ｗで回転させつつ、当該小径工具を加工物１の半径方向に所定速度Ｍで往復移動させて、加工物１の表面を研磨する。

この加工に先立って、加工物１の半径Ｒをｎ等分した各半径位置（工具位置かつ予測位置）Ｐi（ｉ＝０〜ｎ）で小径工具２を停止させたときの上記等分した加工物の各半径位置Ｐk（ｋ＝０〜ｎ）における摩擦速度（単位時間当りの摩擦距離）ｄik（工具から外れているＰkの位置では当然ｄik＝０）を計算する計算式を理論的に求める。摩擦速度を求めるための理論式の導出については、上記非特許文献１に記載されている。

ラッピングにおいては、加工物の加工量は、αを実験的に求める係数として、摩擦速度のα乗に摩擦時間を乗じた値に比例すると考えて良い。そこで次に、上記各半径位置Ｐiにおける停止時間をｔiとして、半径Ｐkの位置における摩擦速度のα乗と摩擦時間（上記停止時間）の積の合計ＤkをΣｄik＊＊α×ｔi（ただし＊＊はべき乗を表し、Σはｉ＝０〜ｎまでの合計）で計算する。円形加工物の各半径位置Ｐkにおける研磨量は、この合計値Ｄkに比例する。従って、加工物１の半径方向の上記合計値Ｄkの分布が所望の半径方向の凹凸の分布形状を得るための加工量の分布となるように、各半径位置Ｐiにおける小径工具２の停止時間ｔiを求めるか、各半径位置Ｐiにおける小径工具２の移動速度ｖi＝Ｒ／ｎ×ｔiを求める。

そして、実際に加工物１を加工する際の砥粒の磨耗や小径工具２の砥粒の磨耗の影響などを考慮して、小径工具２を何往復させて加工するかを決め、そのときの工具のパス数をＳとしたときの各パスに上記で求めた停止時間ｔi又は速度ｖiを分配して、小径工具２の各移動パスにおける停止時間ｔi／Ｓ又はｖi×Ｓを求め、この値を小径工具２の半径方向移動を制御するＮＣ装置に設定して、当該ＮＣ装置で小径工具２の加工物半径方向の送り速度を制御する。

以上の手順で、加工物１の表面を半径方向に所望の凹凸形状を有する平坦面に加工する際の小径工具２の送り速度を自動制御することが可能になるが、上記の送り速度は理論的に算出されたものであるため、実際の加工との間に誤差が生ずることが考えられる。そこで上記各半径位置Ｐi（ｉ＝０〜ｎ）と、上記等分した加工物の半径位置Ｐk（０＝１〜ｎ）からｉとｋを適当に選んで、選択したＰiの位置で小径工具２を停止させて所定時間の加工を行ったときの、半径位置Ｐkにおける研磨量を測定して、理論値と実験値との間の偏差を求める。そして、この偏差を補正する補正係数を加えた計算式で求めた値によって小径工具２の送り速度を制御することにより、より正確な送り速度を設定することができる。

また、工具を各停止位置Ｐiで停止させたときの加工物１の各半径位置Ｐk（ｋ＝０〜ｎ）における摩擦速度ｄikは、加工物の回転数Ｗ及び小径工具の回転数ｗの関数となるから、要求される凹凸形状が複雑であるなどのために必要があるときは、小径工具２の各半径位置Ｐiにおける加工物の回転数Ｗ及び小径工具の回転数ｗの一方又は両方を変化させて最適加工条件を求めることもできる。この最適加工条件を求める演算は、計算量が膨大になるので、例えば遺伝的アルゴリズムを使ったコンピュータ処理により行う。

以上の例は、回転する円形加工物１をその半径方向に往復移動する小径工具２で加工する場合の例である。ラップ定盤やポリッシング定盤表面の加工や修正の際には、極めて高精度の加工が要求されるが、平坦度については、定盤を機械に取り付けて加工を行うときに、所定精度の平坦面となるように加工を行うことが要求される。定盤は、装置に取り付けたときに自重によって撓み、更にワークを加工するときの押し付け反力によっても撓む。４ウェイラップ盤等に用いる円形定盤では、この撓み量が主として定盤の半径方向の位置によって変化するので、上記の方法で、高精度の定盤表面形状を得ることができる。

また上記の例は、加工物１の加工面上での小径工具２の相対移動方向の第１の方向を加工物の半径方向、第２の方向を加工物の円周方向として、当該加工物の半径方向における加工量の分布を制御する例であるが、上記の第１の方向と第２の方向を逆にして、加工物の円周方向の加工量の分布を制御することができる。また、両者の組合せにより、円形加工物表面の二次元の各位置における加工量の分布を制御することも可能である。

更に上記の例は、第１の方向と第２の方向とを極座標における半径方向と円周方向としたものであるが、図３に矩形加工物の加工の例を示すように、第１の方向と第２の方向をＸ方向とＹ方向とする直交座標系で小径工具２を移動させることにより、矩形加工物３の縦横の方向の加工量の分布や、ＸＹ平面における二次元の各位置における加工量の分布を制御することができる。

以上の説明は、平坦面のワークを前提として、所望の凹凸を有する平坦面の加工をする場合の手順について述べたが、実際の加工においては、加工前の加工物表面の凹凸の分布を測定して、加工後の平坦面ないし所望の凹凸面を加工前の測定された凹凸分布で補正して、補正後の凹凸分布となるように、回転工具の移動速度を制御する。

この発明の方法による円形加工物の加工を説明する平面図 図１の側面図 矩形加工物を直交座標系で加工する例を説明する平面図

符号の説明

１ 円形の加工物
２ 小径工具
３ 矩形の加工物

Claims (3)

1. 加工物の表面にその表面寸法より小径の回転摺擦平面を備えた小径工具を押接して当該小径工具を第１の方向と第２の方向に相対移動させる加工物の表面形状加工方法において、
   加工物表面の前記第１の方向に複数の工具位置と予測位置とを設定し、設定した各工具位置に小径工具を停止させたときの各予測位置の単位時間当り加工量を、αを実験的に求める係数として各予測位置における摩擦速度のα乗とする演算式で演算し、
   上記複数の工具位置での工具停止時間と当該工具位置における各予測位置での上記単位時間当り加工量との積の和が、所望の表面形状を得るために必要な各予測位置における加工量となるように、前記第１の方向の小径工具の移動速度を変化させることにより、加工物表面に対する小径工具(2)の押圧力を一定にして加工物表面を所望形状に加工することを特徴とする、加工物の表面形状加工方法。
2. 回転する加工物の円形の表面にその円表面より小径の回転摺擦平面を備えた小径工具を押接する加工物の表面形状加工方法において、前記円表面の半径方向を前記第１の方向とし周方向を前記第２の方向として、小径工具を前記半径方向に往復移動させると共に、当該往復移動時における小径工具の移動速度を円表面の半径位置に対応して変化させる、請求項１記載の加工物の表面形状加工方法。
3. 前記各予測位置における加工前の表面形状を計測し、所望の表面形状を得るために必要な各予測位置における加工量を補正する、請求項１又は２記載の加工物の表面形状加工方法。

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