JP2014147978A

JP2014147978A - 柱状部材の加工装置

Info

Publication number: JP2014147978A
Application number: JP2011121646A
Authority: JP
Inventors: Shota Sawai; 将太澤井; Masao Higuchi; 将雄樋口
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2014-08-21
Also published as: TW201247365A; WO2012164757A1; CN103282173A; TWI589398B

Abstract

【課題】
硬脆性の結晶材料からなる基板を製造する際の割れや欠けを防ぐ装置を提供する。
【解決手段】
被加工物の両端を挟持する挟持手段と、加工手段である研磨ブラシの先端を被加工物に接触・回転させることで、被加工物の表層に存在する微小クラックを除去する。また、加工前の被加工物の形状や寸法に合わせて、砥石と研磨ブラシとの加工を組み合わせることにより、形状および寸法の調整と微小クラックの除去を行うことができる。
【選択図】図１

Description

硬脆性の結晶材料からなるブロックである柱状体の外周面を加工する装置に関する。なお、「硬脆性」とは、非常に高い硬度を持つが衝撃に弱く割れやすい性質を指す。

各種半導体基板となる硬脆性の結晶材料からなるウェハは、一般に該結晶材料のブロックをワイヤソーやバンドソー等で薄く切断し、その後面取り加工や仕上げ研磨を経て得られる。この際、該ブロックの表層に微小クラックが存在していると、前述の切断や面取り加工の際に微小クラックが基点となり割れや欠けが発生し、歩留まりが低下する。また、ウェハ形成後の後工程においても、微小クラックが基点となり割れや欠けが発生する。よって、該ブロックの表層には微小クラックが存在していないことが好ましい。結晶材料のブロックの外周部を研磨することによって切断時の割れや欠けを防ぐ方法として、例えば特許文献１が提案されている。

特許第３９７３８４３公報

特許文献１は四角柱状のシリコンブロックを例示している。結晶材料のブロックは多角柱状、円柱状、その他異形状等、様々な形状があり、また大きさも多様であるため、全ての結晶材料の加工に適用できる安価で高性能な加工装置が要求されている。本発明は、結晶材料の外周部の微小クラックが除去されると共に、寸法精度の高い結晶材料のブロックを得るための加工装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の加工装置は被加工物の形状が柱状の硬脆性である結晶材料の外周面を加工する加工装置であって、前記被加工物を加工する時にその両端面を挟持し、加工終了後に前記挟持状態を解除する挟持部を先端に取付けて前後動するようにした挟持軸からなる挟持手段と、前記挟持手段に連結され、該挟持手段の軸心を中心に被加工物を回転させるための被加工物用回転手段と、前記被加工物に先端が接触回転しながら前記被加工物を加工する加工手段が配置された加工ユニットと、加工後の被加工物の寸法を持つマスターワークの外周面の高さ位置および加工前の前記被加工物の加工面の高さ位置を検出するための高さ位置検出手段と、前記マスターワークの高さ位置と前記加工前の被加工物の高さ位置と加工条件とが入力され、これらを演算して前記加工装置が動作するための信号を出力する制御手段と、を備え、前記演算は、前記マスターワークの高さ位置と加工前の被加工物の高さ位置との差の演算、または入力された加工条件に基づいて他の加工条件を設定するための演算、もしくはそれらの組み合わせた演算、のいずれかとした。（第１の発明）。

また、第１の発明に記載の前記被加工物が加工可能な形状かを判定する判定手段を備えてもよい。（第２の発明）

また、第１の発明に記載の前記加工手段が研磨ブラシであって、該研磨ブラシは、砥粒を含有した毛材が該研磨ブラシの底部にリング状に複数本植設された構造を有してもよい。（第３の発明）

また、第１の発明に記載の前記加工手段が研磨ブラシであって、該研磨ブラシは、砥粒を含有した毛材を複数本束ねた研磨具の基部が回転盤に複数本植設された構造を有してもよい。（第４の発明）

また、第１の発明に記載の前記加工手段が研磨ブラシであって、該研磨ブラシは、砥粒を含有した弾性体が該研磨ブラシの底部にリング状に配置された構造を有してもよい。（第５の発明）

また、第１の発明に記載の前記加工手段が砥石であって、該砥石は砥粒を溶融固定して形成された砥粒部の表面が前記被加工物の加工面に接触して回転するようにした回転盤Ａと該回転盤Ａに回転駆動源の回転を伝達する回転軸Ａと、で構成してもよい。（第６の発明）

また、第１の発明に記載の加工ユニットは、第２ないし第４の発明に記載の加工手段を複数台水平に連接してもよい。（第７の発明）

また、第１の発明に記載の加工ユニットは、第３ないし第５の発明に記載の研磨ブラシと、第６の発明に記載の砥石と、を少なくともそれぞれ１以上水平に連接してもよい。（第８の発明）

また、第１の発明に記載の加工装置は、被加工物の断面の同一面内において配置された第１の加工手段と第２の加工手段を備え、第１の加工手段と第２の加工手段の軸芯は、被加工物の半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段の軸芯と第２の加工手段の軸芯は、所定の角度θを構成するように、被加工物の断面中心で交わるように配置してもよい。（第９の発明）

また、第７の発明に記載の加工装置は、被加工物の断面の同一面内において配置された第１の加工ユニットと第２の加工ユニットを備え、第１の加工ユニットと第２の加工ユニットの軸芯は、被加工物の半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段の軸芯と第２の加工手段の軸芯は、所定の角度θを構成するように、被加工物の断面中心で交わるように配置してもよい。（第１０の発明）

また、第８の発明に記載の加工装置は、被加工物の断面の同一面内において配置された第１の加工ユニットと第２の加工ユニットを備え、第１の加工ユニットと第２の加工ユニットの軸芯は、被加工物の半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段の軸芯と第２の加工手段の軸芯は、所定の角度θを構成するように、被加工物の断面中心で交わるように配置してもよい。（第１１の発明）

また、第７の発明に記載の加工装置は、前記毛材に混合される砥粒の粒度がＦ１８０〜＃２０００であって、その粒度が異なる加工手段を２種類以上選択し、該加工手段を、その粒度が「粗」から「細」の順に研磨加工するように連設してもよい。（第１２の発明）

また、第８の発明に記載の加工装置における加工ユニットは、前記砥石を構成する砥粒の粒度がＦ９０〜Ｆ２２０または＃２４０〜＃５００である砥石と、粗研磨用研磨ブラシと、仕上げ研磨用の研磨ブラシと、を備え、前記粗研磨用研磨ブラシの毛材または弾性体に含まれる砥粒の粒度が＃２４０〜＃５００であり、前記仕上げ研磨用ブラシに含まれる砥粒の粒度が＃８００〜＃１２００としてもよい。（第１３の発明）

第１の発明に記載の加工装置によって、前記柱状部材の表層より２００μｍ以下に存在する微小クラックが除去され、かつ研磨加工面の表面粗さＲｙが３μｍ以下に加工してもよい。（第１４の発明）

第１の発明に記載の柱状部材は、シリコン、セラミックス、水晶、サファイア、砒化ガリウム、ガリウム燐、窒化ガリウム、炭化珪素単結晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、燐化インジウム、等の硬脆性の結晶材料としてもよい。（第１５の発明）

第１の発明に記載の柱状部材は水晶であり、前記加工装置は、水晶ランバードの外周面の微小クラックの除去、または前記水晶ランバードよりスライスされた薄板を貼り合わせて塊状体を形成した後の該塊状体の外周面の微小クラックの除去、の少なくともいずれかに用いてもよい。（第１６の発明）

加工装置に備えられた加工手段が被加工物の外周面に接触すると共に回転することで、被加工物の表層部が研磨され、微小クラックが除去される。その際、被加工物の形状によっては所定の寸法に加工することができないため、前記判定手段により研磨可能かどうかを判定することができる（第１、２の発明）。

被加工物の寸法が目的とする寸法に近く、表層のみの研磨のみでよい場合は、前記加工手段を第３ないし第５の発明のいずれかに記載のような研磨ブラシとすることができる。研磨ブラシを第７の発明のように水平に連接した場合、同一の加工能力を有する研磨ブラシを配置した場合は、研磨時間を短縮することができる。第１２の発明のようにそれぞれ加工能力の異なる研磨ブラシを配置した場合は一度の動作で粗研磨から仕上げ研磨まで行うことができる。

被加工物の寸法および形状が目的とする寸法と差がある場合、前記加工手段を第６の発明に記載のような砥石としてもよく、また第８の発明のように研磨ブラシと組み合わせてもよい。その際、砥石を構成する砥粒および研磨ブラシに含まれる砥粒の粒度を第１３の発明の範囲から選択し、適宜配置することで、砥石での研削による寸法調整と、研磨ブラシによる粗研磨と仕上げ研磨を一度の動作で行うことができる。

加工ユニットを第９ないし第１１の発明のように配置することで、加工時間を短縮することができる。

本発明における加工装置は、硬脆性の材料全般の加工に好適に用いることができる。例えば、シリコン、セラミックスや、ガラス、水晶、サファイア、砒化ガリウム、ガリウム燐、窒化ガリウム、炭化珪素単結晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、燐化インジウム、等の結晶材料のウェハを形成する工程に好適に用いることができる。これらの材料の表層より２００μｍ以下に存在する微小クラックを除去し、かつ研磨加工面の表面粗さＲｙを３μｍ以下に加工することで、スライス加工時およびスライス加工後の工程（例えば、基板を形成する工程や基板を装置に搭載する工程、等）での割れ・欠けによる不良品の発生を防ぐことができる。また、水晶ウェハの製造工程においては、水晶ランバードの外周面の加工や、水晶ランバードを薄く切断したものを貼り合わせた塊状体の外周面を加工することで、後工程での割れ・欠けによる不良品の発生を防ぐことができる。（第１４、１５、１６の発明）。

本実施形態における加工装置を説明する説明図である。第１の実施形態における研磨ブラシの一例を示す説明図である。第１の実施形態における加工手段の変更例を示す説明図である。第４の実施形態における加工手段の配置を説明する説明図である。本実施形態における架台を説明する説明図である。円柱状から四角柱状の被加工物に加工する例を説明する説明図である。水晶ウェハの製造工程の一例を説明するための説明図である。実施例４を説明するための説明図である。

本発明の加工装置の第１の実施形態として、加工手段として研磨粗さが異なる３つの研磨ブラシを平行に連接（３連）した加工ユニットを備えた加工装置によって被加工物を円柱状に加工する場合を例に、加工装置の構成内容と作動の詳細について、図を用いて説明する。なお、以降の説明における上下左右方向は特に断りのない限り図中の方向を指す。

図１は、図中右端の加工開始前位置に停止している加工ユニット２０と、架台１１上に載置される２点鎖線で示す被加工物Ｗの図中左右に挟持手段１３のシリンダー駆動により摺動する基準側の挟持軸１３Ａの先端の挟持部１３ａと、従動側の挟持軸１３Ｂの先端の挟持部１３ｂが夫々後退していて被加工物Ｗの挟持をしていない開放状態を示す加工装置の正面図であって、前記加工ユニット２０には、「粗研磨用」、「中研磨用」、「仕上げ研磨用」として３種類の砥粒の粒度が異なり選択設定された研磨ブラシからなる各加工手段２１を図中右側から左側に連設し、前記「粗研磨用」の加工手段２１の図中右側に加工開始前に被加工物Ｗの加工面Ｐの高さ位置を検出するための高さ位置検出手段１５が配置されている。

前記した３連の加工手段２１における「粗研磨用」は研磨能力を大として表層部に存在する微小クラックの大半を削り取る目的で設けるものであり、「中研磨用」はバンドソーもしくはワイヤソーにより切断したときに発生した表面の凹凸除去と前記「粗研磨」で荒れた表面を微細化する目的で設けるものであり、「仕上げ研磨用」は表面粗さの最終調整を目的に設けるものである。なお、前記「中研磨」の段階で表面の凹凸除去と表面粗さの微細化調整が完了すれば、加工手段２１を２連にしても良いものである。

被加工物Ｗの加工に先立ち、高さ位置検出手段１５により加工手段２１の研磨加工を開始する高さ位置を設定するためにマスターワークを使用する。
前記高さ位置を設定するために、まずマスターワークの両端を挟持手段１３にて挟持する。挟持手段１３によってマスターワークを挟持する際、例えば図５のように受け部材にＶ字状の溝（切り欠きＶ：１１ｂ）を有する架台１１に載置して行うことが好ましい。該溝にマスターワーク配置することで、該マスターワークの図中紙面垂直方向の中心が調整される（図５（Ｂ）参照）。さらに、該架台は、その図中上下方向の設置位置を調整するための昇降手段１２を有していることがさらに好ましい。マスターワークを該架台に載置し、前記挟持手段１３の挟持軸１３Ａを基準端面位置Ｂまで前進させた後、挟持軸１３Ｂを前進させて挟持部１３ａおよび１３ｂによってマスターワークの両端部を挟持する。その後、該架台を取り外す。本実施例では、被加工物Ｗの架台１１への配置および取外しは前記昇降手段１２によって架台１１を図中上下に移動させることで行われる。

挟持手段１３は、挟持軸１３Ａおよび１３Ｂの軸芯を中心にして回転する機構を備えており、マスターワークの端面側から見た挟持軸１３Ａおよび１３Ｂの先端の挟持部１３ａおよび１３ｂの軸芯と、マスターワークの軸芯とが一致するよう芯出し調整がされていなければならない。本実施形態では、マスターワークを挟持手段１３で挟持後、加工ユニット２０を左方に移動させ、該加工ユニット２０に配置された高さ位置検出手段１５によって、マスターワークの外周面高さ位置Ｈ１を測定し、その後該マスターワークを回転（例えば１８０度）させ、回転した状態での高さ位置Ｈ２を測定する。Ｈ１とＨ２の差を演算し、Ｈ１とＨ２が略同一でない場合は、前記架台を上昇させた後挟持軸１３Ａおよび１３Ｂを各々後退させてマスターワークの挟持を解除する。前記演算結果を基に前記架台の高さ位置（マスターワークを挟持手段１３で挟持させるための上下方向停止位置）を昇降手段１２によって調整した後、再びマスターワークを挟持手段１３で挟持し、挟持されたマスターワークのＨ１およびＨ２が測定される。Ｈ１とＨ２が略同一となるとマスターワークの芯出し工程が完了する。

芯出し工程完了後のＨ１およびＨ２は、マスターワークの外周面の高さ位置Ｈを示す。マスターワークの芯出し工程が完了後、加工ユニット２０は図１における右端に移動する。そして、前記架台を上昇させ、前記挟持軸１３Ａおよび１３Ｂを各々後退させてマスターワークの挟持を解除すると共に架台１１のＶ字状の溝の上にマスターワークを載置する。その後、マスターワークを被加工物Ｗと交換し、被加工物Ｗの両端を挟持する。

次に、被加工物Ｗが加工可能な形状かどうかの判定を行う。例えば、加工目標の寸法に対し、被加工物Ｗが小さい箇所がある場合や大きすぎて砥石または研磨ブラシでの加工に適さない場所がある場合は不合格品として加工を中止する。形状の判定は、３次元測定器等公知の技術より適宜選択することができるが、本実施形態では、高さ位置検出手段１５によって被加工物Ｗの高さ位置を測定し、演算によって判定を行った。例えば、被加工物Ｗの右端近傍、左右方向中央、左端近傍の位置でそれぞれ４５°ずつ回転させ、合計２４点の高さ位置を測定し、これらとマスターワークの高さ位置との差を演算することで判定を行うことができる。

前記判定に合格した被加工物Ｗは、マスターワークの時と同様に芯出し工程を行われる。前記芯出し工程が完了したら、該加工ユニット２０を図１における左端に移動させる。なお、前記マスターワークの芯出し工程によって計測されたマスターワークの外周面高さ位置Ｈと、前記被加工物Ｗの芯出し工程によって計測された被加工物Ｗの外周面高さ位置ｈと、がそれぞれ制御手段１６に記憶される。

あらかじめ作業者が制御手段１６に手動で入力して記憶させた加工条件（加工手段２１の加工能力、前工程における被加工物Ｗの切断条件、加工手段２１の回転速度、被加工物Ｗの回転速度、加工ユニット２０の移動速度、等）および自動的に制御手段１６に記憶されたマスターワークおよび加工前の被加工物の前記高さ位置Ｈ、ｈに基づいて演算処理が行われ、加工手段２１の被加工物Ｗの加工面に対する切り込み量が決定され、切り込み量の信号が制御手段１６より出力さる。この信号に基づいて加工ユニット２０が上下方向、すなわち加工ユニット２０と加工面Ｐの距離方向に移動される。なお、「切り込み量」とは、加工手段２１の被加工物方向への送り量であって、被加工物の加工代、加工手段の種類、加工手段の加工能力、被加工物の物性、等によって決定される。

次に、前記加工条件に基づいて制御手段１６より出された信号により加工手段２１、被加工物Ｗを所定の回転速度にて回転させ、また加工ユニット２０を所定の移動速度にて図１における右側へ移動させる。この移動によって、被加工物Ｗの被加工面Ｐと回転している加工手段２１の先端部は接触し、加工（研磨）が行われる。前述の通り、加工手段２１は図１の右から左に向かって順に加工手段に含まれる砥粒の粒度が「粗」→「細」の順に並んでいるので、この移動によって、「粗研磨」→「中研磨」→「仕上げ研磨」が行われる。加工ユニット２０が所定の位置（最右端）に移動したら加工手段２１および被加工物Ｗの回転を止める。その後、前記架台１１が上昇して被加工物Ｗを載置した後、挟持軸１３Ａおよび１３Ｂが後退し、該被加工物Ｗの挟持が解除され、該被加工物Ｗを取り出すことで加工が完了する。

複数の被加工物Ｗを加工する場合は、前記架台に新たに被加工物Ｗを設置した後、同様に被加工物の挟持工程、被加工物の芯出し工程を経て加工を行う。すなわち、最初にマスターワークの高さ位置を測定することで、その後複数の被加工物Ｗの加工を行うことができる。

本実施形態では、加工ユニット２０を図中左右方向へ移送させたが、被加工物Ｗを移送させてもよいし、加工ユニット２０と被加工物Ｗの双方を移送させてもよい。

本実施形態では、加工条件を手動で制御手段１６に入力したが、手動で入力された加工条件と自動で入力（記憶）された外周面高さ位置より、入力されていない加工条件を制御手段１６にて演算させて加工を行ってもよい。たとえば、被加工物の加工面Ｐに対する加工手段２１の先端の切り込み量と加工手段２１の回転速度を入力することで、被加工物Ｗの移動速度を制御手段１６により演算させてもよいし、他の加工条件や高さ位置から切り込み量を制御手段１６により演算させてもよい。そして、これらの演算結果に基づいて加工を行うことができる。

入力する加工条件は本実施形態の項目に限られない。たとえば、加工手段２１の種類、被加工物Ｗの材質、加工前の被加工物Ｗの形状、加工目的とする被加工物Ｗの形状、加工箇所、等を入力してもよい。

図２（Ａ）および（Ｂ）は、前記加工手段２１である研磨ブラシの一例を示すもので、砥粒を混合したナイロン等の合成樹脂からなる毛材２４ａを束ねて研磨具２４とし、該研磨具２４の基部２４ｂを加工用回転手段２２に連結し水平回転するようにした研磨具取付プレート２３に着脱自在に取付けて、下端が被加工物Ｗの加工面Ｐに接触回転して研磨を行い、研磨具２４が磨耗したら該研磨具２４を研磨具取付プレート２３から取外して新しい研磨具２４に交換できるものである。なお、加工手段２１である研磨ブラシは、図２に示すものに限るものでなく、砥粒を混合した毛材２４ａからなる研磨具２４を研磨具取付プレート２３に直接取付けて固定し、該研磨具２４が磨耗したら研磨具取付プレート２３共々交換するものでもよいし、研磨具２４を使用せず、砥粒を含有したナイロン等の合成樹脂からなる毛材２４ｃを、加工手段２１の底部にリング状に植設してもよい（図３（Ａ）参照。上図が正面図を、下図が底面図を表す。）。また、例えば、加工の際に略９０°の角度をなす柱状体の角部に加工手段２１が接触する場合など、加工手段２１と被加工物Ｗの接触によって欠け（チッピング）が生じることが問題となる場合には、砥粒を含有した合成樹脂からなる弾性体２４ｄを加工手段２１の底部にリング状に配置してもよい（図３（Ｂ）参照。上図が正面図を、下図が底面図を表す。）。この場合の弾性体２４ｄとは、例えば硬度が比較的柔らかい樹脂のバルク体や、内部に多数の気泡を有するポリウレタンやウレタンをはじめとする樹脂のバルク体や、繊維状の弾性体を互いに絡ませたものでもよい。硬度が比較的柔らかい樹脂のバルク体では、樹脂自体が緩衝材として働く。気泡を有する樹脂のバルク体では内部の気泡が緩衝材として働く。砥粒を含有し互いに絡み合った弾性体では、該弾性体が絡み合うことで、これらの集合体の内部には空気が包括されることとなり、この空気層が緩衝材として働く。いずれの場合も、該弾性体２４ｄが被加工物に接触した際に適度な弾性力を保持するよう、合成樹脂の種類および砥粒の含有率などを適宜選択する。なお、前記毛材または弾性体に混合される砥粒の粒度はＦ１８０〜＃２０００（砥粒の粒度の定義はＪＩＳ規格Ｒ６００１：１９９８による）の範囲から目的にあった加工能力を得られる様に選択することが望ましい。

また、１つの研磨ブラシ２１に対して少なくとも２種類以上の毛材または弾性体を配置してもよい。その際は、研磨ブラシ２１底部の外周に近い側に、砥粒の小さな毛材または弾性体を配置し、内側に砥粒の大きな毛材または弾性体を配置する。内側に配置された砥粒の大きな毛材または弾性体により粗研磨を行い、外周側に配置された砥粒の小さな毛材および弾性体により中研磨または仕上げ研磨を行うことができる。すなわち、１つの研磨ブラシ２１によって２つ以上の効果を得ることが出来るため、加工ユニット２０に配置する研磨ブラシ２１の個数を少なくすることができる。

次に、先述の「粗」→「細」のような多段加工を必要とせず、１段階の加工で要求される表面が得られる場合を第２の実施形態として説明する。なお、ここでは第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

例えば、加工前の被加工物Ｗの表面の微小クラックが微小で、かつ加工前の表面粗さが要求値に対して大差がない場合は、加工手段２１（研磨ブラシ）は前述の「中研磨用」または「仕上げ研磨用」のみで加工を行うことができる。このような場合、研磨の目的に合わせた粒度の砥粒を含有する毛材または弾性体を備えた加工手段２１を１つのみ配置して加工を行ってもよい。

また、第１の実施形態の様に複数台の加工手段２１を平行に連接する場合、同じ加工能力を有する加工手段２１を配置することで、加工時間を短縮することができる。

次に、仕上げ前の被加工物Ｗが仕上げ目的の寸法より大きすぎる場合や、加工前の被加工物Ｗが多角柱状の場合等、研磨ブラシによる研磨では加工量が不足する場合を第３の実施形態として説明する。なお、ここでは、第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

この場合、前記加工手段２１の少なくとも１つを砥石に変更してもよい。砥石を配置する場合、例えば図１において右から順に「砥石」「粗研磨用ブラシ」「仕上げ研磨用ブラシ」の順に配置する。

加工ユニット２０は、それぞれの加工手段２１が単独で図１における上下方向に移動できる機構をそなえている。加工ユニット２０が図１における左方に移動させた後、砥石のみを同図下方に移動させると共に回転させ、前述のように被加工物Ｗの回転および加工ユニット２０の右方への移動を経て砥石による加工（研削）が完了する。次に、砥石を上昇させた後加工ユニット２０を同図左方に移動させ、研磨ブラシを下方に移動させ同様に加工することで研磨ブラシによる加工（研磨）が完了する。以上の工程により、砥石による寸法および形状の調整と、研磨用ブラシによる微小クラックの除去とを行うことができる。

硬脆性の材料を良好に加工でき、かつ新たな微小クラックを発生しないためには、該砥石を構成する粒度はＦ９０〜Ｆ２２０または＃２４０〜＃５００の範囲より適宜選択することが望ましい。また、その際、粗研磨用ブラシの毛材または弾性体に含まれる砥粒の粒度は＃２４０〜＃５００、仕上げ研磨用ブラシの毛材または弾性体に含まれる砥粒の粒度は＃８００〜＃１２００の範囲から目的の加工能力が得られるように選択することが望ましい。

次に、第４の実施形態にかかる加工装置について、図４を参照しながら説明する。本実施形態にかかる加工装置では、加工時間を短縮するように加工手段２１を配置した装置構成となっている。なお、ここでは第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

第４の実施形態にかかる加工装置では、被加工物Ｗの同一断面（円形）の面内において、第１の加工手段２５と第２の加工手段２５が配置されている。
第１の加工手段２５と第２の加工手段２６の軸芯は、被加工物Ｗの半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段２５と第２の加工手段２６が互いに干渉しないようにするために、第１の加工手段２５の軸芯と第２の加工手段２６の軸芯は、所定の角度θを構成するようにして、被加工物Ｗの断面中心で交わるように配置されている（図４（Ｂ）参照。同図の右図は正面、左図は左側面を示す。）。この角度θは、第１の加工手段２５と第２の加工手段２６が互いに干渉しない限り、任意に設定することができるが、角度θを１８０°に設定し、第１の加工手段２５の軸芯と第２の加工手段２６の軸芯が完全に一致して対向するように配置することもできる（図４（Ａ）参照。同図の右図は正面、左図は左側面を示す。）。

このような構成とすることによって、被加工物Ｗは円周方向に回転しながら加工されるため、被加工物の加工面は第１の加工手段２５と第２の加工手段２６の２箇所において同時に加工されるため、加工時間が短縮される。

また、本実施形態の加工装置においても、第１の加工手段２５および第２の加工手段２６をそれぞれ被加工物Ｗの長手方向に２連、あるいは３連として配置した、第１の加工ユニット２０ａおよび第２の加工ユニット２０ｂを配置することもできる。
この場合、被加工物Ｗの長手方向に沿って右から順に、第１列目の第１の加工手段２５ａと第２の加工手段２６ａ、第２列目の第１の加工手段２５ｂと第２の加工手段２６ｂ、および第３列目の第１の加工手段２５ｃと第２の加工手段２６ｃ、が配置されるようになっている。
その際、それぞれの加工手段に備えられている毛材または弾性体に含有される砥粒の粒度は、第１の加工手段２５ａと第２の加工手段２６ａ、第１の加工手段２５ｂと第２の加工手段２５ｂ、第１加工手段２５ｃと加工手段２５ｃがそれぞれ略同一、すなわち略同一の加工能力を有するようにする。

また、第２の実施形態と同様に、一種類の加工能力を有する加工手段によって加工を行うことができるときは、全ての加工手段に備えられている毛材または弾性体に含有される砥粒の粒度を略同一とし、すべての加工手段の加工能力を略同一とすることができる。

また、第３の実施形態と同様に、第１の加工ユニット２０ａと第２の加工ユニット２０ｂにおける加工手段をそれぞれ少なくとも１つ以上砥石に変更することができる。

また、上述した第４の実施形態にかかる加工装置では、被加工物Ｗの円周方向に第１の加工手段２５と第２の加工手段２６の２つの加工手段を設置する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、各加工手段が互いに干渉しない限りにおいて、設置スペースや目標とする加工時間等にあわせて任意の個数の加工手段、たとえば第３の加工手段（図示せず）をさらに配置するようにしても良い。

次に、被加工物Ｗを多角柱状（本実施例では四角柱状）に加工する場合を第５の実施形態として説明する。なお、ここでは第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

まず、マスターワークを例えば図５（Ａ）のような架台に、平面部が上面となるように載置した後、挟持手段１３によって両端を挟持する（図５（Ｃ）参照。切り欠きＬ：１１ｃによって載置される）。その後、高さ位置測定手段で高さ位置を測定した後、挟持を解除して被加工物Ｗと交換し、該被加工物Ｗを挟持する。その後、架台１１を下降させる。

次に、被加工物Ｗが加工可能な形状かどうかの判定を行う。例えば、予め入力した仕上げ寸法に対し、被加工物Ｗが小さい箇所がある場合や大きすぎて砥石または研磨ブラシでの加工には適さない場所がある場合は不合格品として加工を中止する。形状の判定は、３次元測定器等公知の技術より適宜選択することができるが、本実施形態では、例えば、被加工物Ｗの右端近傍、左右方向中央、左端近傍の位置でそれぞれ４５°ずつ回転させ、合計２４点の高さ位置を測定し、これらとマスターワークの高さ位置との差を演算することで判定を行うことができる。本実施形態では、第１の実施形態の場合と同様に高さ位置検出手段１５によって被加工物Ｗの高さ位置を測定し、演算によって判定を行った。なお、四角柱の場合は平面部と角部で高さ位置が異なることを考慮して演算が行われる。

前記判定に合格した被加工物Ｗは、加工後に平面部となる面を上になるように被加工物回転手段にて回転させて調整したのち、架台１１に配置される。ここで、該被加工物Ｗが目標の寸法より大きく、研磨ブラシによる加工のみでは目標とする寸法を得ることが困難な場合は、第３の実施形態のように加工手段の一つを砥石とし、先ず砥石での研削によって寸法の調整を行う。

加工ユニット２０を図１における左方に移動させた後、測定された高さ位置と予め入力された加工手段の切り込み量とを演算し、その結果に基づいて加工ユニット２０を同図下方に移動させた後、砥石を下降させると共に該砥石を回転させ、その後加工ユニット２０を同図右方へ移動させることで砥石での研削により第１の平面部の形状および寸法が調整される。次に、該砥石の回転を止めると共に上昇させた後、加工ユニット２０を同様に左方に移動させる。移動後、研磨ブラシと下降させると共に該研磨ブラシを回転させ、その後加工ユニット２０を同様に同図右方へ移動させることで、第１の平面部の加工が完了する。

その後、昇降手段１２を下降させて被加工物Ｗの載置を解除した後、被加工物回転手段により被加工物Ｗを９０°回転させた後、昇降手段１２を上昇させて再び被加工物Ｗを架台へ載置する。その後同様に工程を経て第２の平面部の加工が完了する。以上の工程を繰り返すことで、４辺の平面部の加工が完了する。

次に、昇降手段１２を下降させて被加工物Ｗの載置を解除した後、被加工物回転手段により被加工物Ｗを４５°回転させた後、昇降手段１２を上昇させて再び被加工物Ｗを架台１１へ載置する（図５（Ｄ）参照。切り欠きＶ：１１ｂによって載置される）。その後第１の平面部の加工と同様の工程を経て第１の稜角部の加工が完了する。その後、昇降手段１２を下降させて被加工物Ｗの載置を解除した後、被加工物回転手段により被加工物Ｗを９０°回転させた後、昇降手段１２を上昇させて再び被加工物Ｗを架台へ載置する。その後同様に工程を経て第２の稜角部の加工が完了する。以上の工程を繰り返すことで、４つの稜角部の加工が完了する。

その後、挟持軸１３Ａおよび１３Ｂを後退させて被加工物Ｗの挟持を解除し、架台１１より取り外すことで、４辺の平面部および４つの稜角部の加工が完了した被加工物Ｗを得ることができる。

加工前の被加工物Ｗの寸法が目的の寸法と大きな差がない場合は、加工手段２１を全て研磨ブラシとして、前述の形状および寸法を調整する工程を省略することができる。また、前記形状および寸法を調整する工程を別の装置で行った場合の加工も同様に、加工手段２１を全て研磨ブラシとして加工を行うことができる。

また、四角柱形状の場合、例えば円柱形状の被加工物Ｗをワイヤソーやバンドソー等によって四角柱状に加工された場合等（図６参照）、角部が曲線である場合の角部の加工の際は、架台１１への載置を解除した状態で、被加工物Ｗを４５°の回転を往復させながら加工を行う。

また、１段階の加工で目的の表面が得られる場合は、第２の実施形態の様に同一の加工能力を備える研磨ブラシを配置することで加工時間を短縮することができる。

また、第４の実施形態の場合と同様に、複数の加工ユニット２０を配置してもよい。例えば、第１の加工ユニット２０ａと第２の加工ユニット２０ｂとを、被加工物に対して対象に配置して四角柱状の被加工物Ｗを加工した場合、第１の平面部と第３の平面部、第２の平面部と第４の平面部、第１の稜角部と第３の稜角部、第２の稜角部と第４の稜角部、がそれぞれ同時に加工されるため、加工時間を半分とすることができる。

加工目標寸法とほぼ同一である円柱状および四角柱状のシリコンブロックの加工を行った。加工前の前記被加工物Ｗの表層部には、深さが８０〜１００μｍの微小クラックが存在しその表面粗さＲｙは９〜１１μｍであり、該シリコンブロックをワイヤソーで切断（スライス加工）してシリコンウェハにしたときの割れ・欠け等による不良品の発生率が５〜６％であった。

本実施例に用いる加工装置に、第１の実施形態に記載の加工装置を用いて前記被加工物（Ｗ）としたシリコンブロックを加工して微小クラックおよび凹凸の除去と表面粗さの微小化した後、該シリコンブロックをワイヤソーでスライス加工してシリコンウェハを形成したときの割れ・欠け等による不良品の発生率を低減させた結果について述べる。

本実施例における加工条件を表１とし、制御手段１６に入力後、それぞれ３本のシリコンブロックの加工を行った。その結果、円柱状および四角柱状のシリコンブロックは、いずれも表２に示すとおり、シリコンブロックの表層部に存在する微小クラックの深さおよび外周面の凹凸を大幅に小さくすることができ、その結果、微小クラックの最大深さが０．９μｍ、表面粗さが平面部Ｒｙ０．７〜１．０μｍ（平均：Ｒｙ０．９μｍ）、であって、微小クラックおよび凹凸の除去と表面粗さを微小化することができ、そのシリコンブロックをそれぞれ３個ともワイヤソーでスライス加工してシリコンウェハにしたときの割れ・欠け等による不良品の発生率を１．８％低減することができた。微小クラックの最大深さは３．０μｍ以下、望ましくは２．３μｍ以下であることが望ましい。前記最大深さが３．０μｍ以上では前記不良品の発生率が増大する。また、前記最大深さが２．３μｍ以下であれば、数十μｍの厚さにスライス加工してシリコンウェハにしたときの割れ・欠け等による不良品の発生率に与える影響が少ない。本実施例では前記最大深さが０．９μｍであり、前記不良品の発生率に影響を与える２．３μｍを大幅に下回ることができた。

加工目標寸法より大きく、研磨ブラシのみでの加工では困難な場合として、加工手段として１つの砥石と２つの研磨ブラシを組み合わせて円柱状および四角柱状のシリコンブロックの加工を表３の条件にて実施例１と同様にそれぞれ３本のシリコンブロックの加工を行った。その結果、円柱状および四角柱状のシリコンブロックは、いずれもシリコンブロックの外周面の凹凸を大幅に小さくすることができ、表面粗さがＲｙ０．７〜１．０μｍ（平均：Ｒｙ０．９μｍ）であって、そのシリコンブロックをそれぞれ３個ともワイヤソーでスライス加工してシリコンウェハにしたときの割れ・欠け等による不良品の発生率が１〜２％と良好な結果を得ることができた。

他の結晶材料の一例として、加工目標寸法とほぼ同一である円柱状および四角柱状の水晶ブロックの加工を行った。表５の条件にて実施例１と同様にそれぞれ３本の水晶ブロックの加工を行った。その結果、円柱状および四角柱状の水晶ブロックの外周面の凹凸を大幅に小さくすることができ、表面粗さがＲｙ０．３〜０．５μｍ（平均：Ｒｙ：０．４μｍ）であって、その水晶ブロックをそれぞれ３個ともワイヤソーでスライス加工して水晶ウェハとしたときの割れ・欠け等による不良品の発生率も低減していた。

四角柱形状や円柱形状以外の形状の加工例として、水晶ウェハの製造について説明する。水晶ウェハは、図７に示すように、水熱育成法等によって結晶を成長させて人工水晶を得る結晶育成工程（図７（Ａ）参照）、前記人工水晶の軸方向を明確にするために表面を研削して水晶ブロック（以降、「水晶ランバート」と記す）を得るランバード加工（図７（Ｂ）参照）、ランバード加工された人工水晶を周波数特性に合わせて所定の角度で薄くスライスする切断工程（図７（Ｃ）参照）、スライスされた人工水晶同士をワックス等で張り合わせて塊状体を形成する（例えば５０〜７０枚）固定工程（図７（Ｄ）参照）、前記塊状体の外形をウェハとしての外形の寸法を調整するための外形研磨工程、前記ワックス等を取り除く剥離工程（図７（Ｅ）参照）、を経て水晶ウェハを得ることができる（図７（Ｆ）参照）。

水晶ランバートは例えば図８に示すように両端面が水平ではない場合がある。このように、両端面が水平でない形状の被加工物を加工する際、挟持部１３ａおよび１３ｂの先端に、前記被加工物の先端の形状にあわせた挟持補助部材１３ｃおよび１３ｄを連結し、該挟持補助部材１３ｃ、１３ｄを介して被加工物Ｗを挟持手段１３によって挟持する。その後、水晶ランバードの外周面を前述のように加工することで、その後の切断工程での割れ・欠け等の不良品の発生率を抑制することができた。

また、前記外形研磨工程において、本発明の加工装置によって加工を行うことで、前記切断工程等で生じた微小クラックの深さおよび外周面の凹凸を大幅に小さくすることができる。加工後、前記剥離工程を経て得られた水晶ウェハは、例えば水晶振動子として使用する場合は、研磨により周波数に合わせた厚みに調整する工程、これをワックス等で貼り合わせる工程、これを所定の設計寸法に切断する工程、水晶片の中央に振動を集中させるためにエッジを研削するベベル加工、前記ワックス等を取り除く工程、加工変質を除去し周波数の精度を向上させるエッチング工程、蒸着法等による電極を形成する工程、周波数の最終調整後ケーシングに封入する工程を得て水晶振動子が得られる。これらの工程においても、本発明の加工装置により加工することで、外周面の微小クラックが除去されているために微小クラックを基点にクラックが成長した粗大クラックの発生を抑制することができ、不良品の発生率を低減させることができた。

本発明により加工された硬脆性の結晶材料のブロックは、ワイヤソーやバンドソーにより薄く切断された後、切断面をラッピング研磨することでウェハを得ることができる。例えば、薄膜太陽電池パネル等の各種半導体基板に用いられるシリコンウェハ、電子デバイスや光学基板に用いられる石英ウェハ、ＬＥＤ基板などに用いられるサファイアウェハや砒化ガリウムウェハやガリウム燐ウェハや窒化ガリウムウェハ、パワーデバイス等に用いられる炭化珪素単結晶ウェハ、ＳＡＷフィルタに用いられるタンタル酸リチウムウェハやニオブ酸リチウムウェハ、超高速半導体素子に用いられる燐化インジウムウェハ等、あらゆるウェハの製造に適用することができる。

０１加工装置
１１架台
１１ａ受け部材
１１ｂ切り欠きＶ
１１ｃ切り欠きＬ
１２昇降手段
１３挟持手段
１３Ａ、１３Ｂ挟持軸
１３ａ、１３ｂ挟持部
１５高さ位置検出手段
１６制御手段
２０加工ユニット
２１加工手段
２２加工用回転手段
２３研磨具取付プレート
２４研磨具
２４ａ、２４ｃ毛材
２４ｂ基部
２４ｄ弾性体

Claims

被加工物の形状が柱状の硬脆性である結晶材料の外周面を加工する加工装置であって、前記被加工物を加工する時にその両端面を挟持し、加工終了後に前記挟持状態を解除する挟持部を先端に取付けて前後動するようにした挟持軸からなる挟持手段と、
前記挟持手段に連結され、該挟持手段の軸心を中心に被加工物を回転させるための被加工物用回転手段と、
前記被加工物に先端が接触回転しながら前記被加工物を加工する加工手段が配置された加工ユニットと、
加工後の被加工物の寸法を持つマスターワークの外周面の高さ位置および加工前の前記被加工物の加工面の高さ位置を検出するための高さ位置検出手段と、
前記マスターワークの高さ位置と前記加工前の被加工物の高さ位置と加工条件とが入力され、これらを演算して前記加工装置が動作するための信号を出力する制御手段と、を備え、
前記演算は、前記マスターワークの高さ位置と加工前の被加工物の高さ位置との差の演算、または入力された加工条件に基づいて入力されていない加工条件を設定するための演算の少なくともいずれかであることを特徴とする柱状部材の加工装置。
前記被加工物が加工可能な形状かを判定する判定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工手段が研磨ブラシであって、該研磨ブラシは、砥粒を含有した毛材が該研磨ブラシの底部にリング状に複数本植設された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工手段が研磨ブラシであって、該研磨ブラシは、砥粒を含有した毛材を複数本束ねた研磨具の基部が回転盤に複数本植設された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工手段が研磨ブラシであって、該研磨ブラシは、砥粒を含有した弾性体が該研磨ブラシの底部にリング状に配置された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工手段が砥石であって、該砥石は砥粒を溶融固定して形成された砥粒部の表面が前記被加工物の加工面に接触して回転するようにした回転盤Ａと該回転盤Ａに回転駆動源の回転を伝達する回転軸Ａと、で構成したことを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工ユニットは、請求項３ないし請求項５の発明に記載の加工手段を複数台水平に連接したことを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工ユニットは、請求項３ないし請求項５の発明に記載の研磨ブラシと、請求項６の発明に記載の砥石と、を少なくともそれぞれ１以上備えたことを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工装置は、被加工物の断面の同一面内において配置された第１の加工手段と第２の加工手段を備え、第１の加工手段と第２の加工手段の軸芯は、被加工物の半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段の軸芯と第２の加工手段の軸芯は、所定の角度θを構成するように、被加工物の断面中心で交わるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工装置は、被加工物の断面の同一面内において配置された第１の加工ユニットと第２の加工ユニットを備え、第１の加工ユニットと第２の加工ユニットの軸芯は、被加工物の半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段の軸芯と第２の加工手段の軸芯は、所定の角度θを構成するように、被加工物の断面中心で交わるように配置しことを特徴とする請求項７に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工装置は、被加工物の断面の同一面内において配置された第１の加工ユニットと第２の加工ユニットを備え、第１の加工ユニットと第２の加工ユニットの軸芯は、被加工物の半径方向に一致するように配置されており、第１の加工手段の軸芯と第２の加工手段の軸芯は、所定の角度θを構成するように、被加工物の断面中心で交わるように配置したことを特徴とする請求項８に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工装置は、前記毛材に混合される砥粒の粒度がＦ１８０〜＃２０００であって、その粒度が異なる加工手段を２種類以上選択し、該加工手段を、その粒度が「粗」から「細」の順に研磨加工するように連設しことを特徴とする請求項７に記載の柱状部材の加工装置。
前記加工ユニットは、前記砥石を構成する砥粒の粒度がＦ９０〜Ｆ２２０または＃２４０〜＃５００である砥石と、粗研磨用研磨ブラシと、仕上げ研磨用の研磨ブラシと、を備え、前記粗研磨用研磨ブラシの毛材または弾性体に含まれる砥粒の粒度が＃２４０〜＃５００であり、前記仕上げ研磨用ブラシに含まれる砥粒の粒度が＃８００〜＃１２００としたことを特徴とする請求項８に記載の柱状部材の加工装置。
前記柱状部材の表層より２００μｍ以下に存在する微小クラックが除去され、かつ加工面の表面粗さＲｙが３μｍ以下に加工したことを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。
前記柱状部材は、シリコン、セラミックス、水晶、サファイア、砒化ガリウム、ガリウム燐、窒化ガリウム、炭化珪素単結晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、燐化インジウム、等の硬脆性の結晶材料としたことを特徴とする請求項１３に記載の柱状部材の加工装置。
前記柱状部材は水晶であり、前記加工装置は、水晶ランバードの外周面の微小クラックの除去、または前記水晶ランバードよりスライスされた薄板を貼り合わせて塊状体を形成した後の該塊状体の外周面の微小クラックの除去、の少なくともいずれかに用いることを特徴とする請求項１に記載の柱状部材の加工装置。