JPS5847308B2 - 表面研摩法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規なる精密表面研摩法に関するものである。

工作物の表面加圧には付刃バイトや、回転切刃等を用い
る切削力目玉、といし等を用いる研削力ロ王、遊離の微
細と粒をラップと工作物の間に注入しラップに圧力を加
えつつラップと工作物に交差運動を与えるラッピング等
の所謂機挾加工法が古くより知られ、またと粒などを工
作物表面に噴射するブラスティング ショットピーニン
グ等、あるいはと粒を超音波を利用し工作物表面に激し
く衝突させる超音波力日王等の技術も逐次開発されてき
た。

しかしながらこれらはいづね、も大きな応力場ｔこより
工作物材料内に先住する転位やクラックの活性化を伴な
った破壊による加工、塑性変形に基づく加工であるため
、塑性変形の現象精度が仕上面精度となり、より高性能
高信頼性の機器を生み出すためにはより高精度の加工技
術の開発が望まれている。

ところで全ての材料は原子の結合により構成されている
のであるから、力ＯＩにおける破壊の単位を原子オーダ
ーのものとすることができれば仕上面精度も原子オーダ
ーにまで近づけうる筈である。

かかる原子オーダーでの除去加工法として電解研摩、化
学研摩などの電気化学的加工法、あるいは電子ビーム力
ロエ、イオンビーム加工法等が鋭意研究されてきた。

前者に於ては原子の結合を分離するに要するエネルギー
が電気化学的あるいは化学的に与えられ、また後者にお
いては電子の運動エネルギーが熱エネルギーに変換され
て材料原子の溶融、蒸発が行なわれるとか、あるいはイ
オンの弾性衝突により原子がはじき出されるスパッタ現
象が利用されているが、いづれにしても原子の分離に必
要なエネルギーが何らかの方法ｆこより付与され、共ｆ
こ原子オーダーの単位での力Ｕ工を原理的に行いうる物
理現象を利用しているものと言うことができる。

しかしながらこれらの方法の実際の力ＩＪ工に於ては、
それほどよい精度は実現さｒしていない。

電気化学的加工法では材料の不均一性や内部の微視的欠
陥の分布等のため選択的加工がなされるのがその原因と
思われるし、叉一方物理的加工では供給エネルギーが極
めて大きく溶融現象が優先し、また工具としての電子や
イオンが材料表面下に侵入するため加工向あるいは内部
に熱的変質あるいは多数の点欠陥を発生し、加工表面層
の物性が損なわれることが原因しているものであろう。

従って、力Ｕ二表面層の物性を損うことなく該表面原子
を選択的に除去しようとすれば、可及的に微小なただし
電子やイオンよりは大きな工具で機械的に加工エネルギ
ーを供給するのがむしろ有利であることがうかがい知れ
る。

勿論従来の切削、研削、ラッピング等の機械的力Ｕ工法
では工具切刃の及ぼす応力場の範囲が犬ｆこすぎるため
材料内に先夜する転位やクラックの振舞いによる塑性変
形を伴った破壊となりやはり加工表面層の物性損傷はま
ぬがれない。

そこで電子やイオンに。比し十分に大きく、ラッピング
等の工具切刃に比し十分に小さな工具（例えば微粒と粒
）を用い、材料の欠陥分布間隔の理想結晶領域に機械的
にエネルギーを与えることができれば欠陥に関与しない
原子オーダーシこ近い加工が可能をこなるであろうこと
が考えられる。

かかる考えに基づいて空気と微粒子の混合流を回転円盤
により加速し被加工物に衝突させる加工法、あるいは微
粒粉末をアルカリ性液ｆこ懸濁した力日工液中で加工物
表面に接近して軸受状態を利用する回転球による加工法
が提案された。

しかしながらこれらの方法によってもなお精度は充分な
ものとはいえずより加工精度の向上した超精密研摩法が
依然要望されている。

液体ホーニングにおいてはと粒を液体に懸濁させた加工
液を圧縮空気の力をかりて４０〜５０゜の傾斜角で工作
物表面に噴射させているが、微粉末と粒を懸濁した加工
液を工作物表面に作用させ加工を行う場合、工作物材料
の転位欠陥を避けて破壊をおこすには、と粒ができるだ
け工作物の力ｌ玉表面ｆこ対し平行に近い角度で作用す
ることが望ましい。

また加工能率を犬にするため微粒粉末と粒にできるだけ
大きな運動エネルギーを与え工作物表面に作用させるこ
との必要性は勿論のことである。

そこで工作物の加工表面と極めて狭い間隔で平行に設け
られた対向面との間に、微粒粉末と粒の低粘度流体懸濁
液である加工液を高速度で通過せしめる方法か当然に考
慮せられる。

しかしながら粉末と粒の加速手段に流体の流れを用いる
場合、その加工単位（と粒）が微小であればあるほどそ
の流動状態に特別な考慮をはられねばならない。

即ち上記の如く流体の流路中が決まっているときには、
流体速度が犬ｆこつれ流動状態が層流から乱流へと移行
する。

層流では流れの状態は流れ方向に一様で、流体中のと粒
は壁面に垂直方向へは運動しないが、乱流では流れが乱
れていてと粒の運動も一様ではない。

従ってと粒を工作物表面をこできるだけ平行（こ近い角
度で作用させるためには、流体の流動状態は層流である
ことが望ましく、加工液の流速に自ら一定の制限があり
、と粒にできるだけ大きな運動エネルギーを付与するこ
と、ひいては加工能率を犬ならしめることの命題とあい
拮抗することになる。

微粒粉末と粒を懸濁させた流体（７７０工液）を工作物
加工面と狭い間隔で平行的にもうけられた対向面との間
に層流状態で流動させ、懸濁と粒により表面仕上又は研
摩を行わしめる方法は、従って他の何らかの手段により
乱流を生せしめることなく該と粒自身に大きな運動エネ
ルギーを与え、あるいはと粒の開側］を行なわぬ限り（
こおいては加工能率の点よりして工業的に有利な精密表
面研摩法たり得ぬことが容易に理解されるのである。

一般に、砂粒とかコロイド粒子を懸濁した液中に２本の
電極を挿入し、この間に直流電圧をかけると粒子は移動
し、粒子側が負に、また溶液側が正に荷電されていると
きは、粒子が陽極へと移動し、この現象を電気泳動とよ
ぶこと、またこのときの粒子の泳動速度υは式υ−εｃ
Ｅ／μ（式中ε、μは溶媒の誘導率、粘性率；Ｃは粒子
のゼータ電位；Ｅは電場の大きさ）で与えられることは
衆知である。

ところで研削工具のと粒として広く用いられている例え
ばＳ ＩＯ２は低粘性流体の代表的な水の中では負に帯
電する。

これはＳ ｉｏ２の酸性度が非常に大きく、水の塩基仕
度も大きいためである。

非水系溶媒の代表例エチルアルコール中をこおいても、
アルコールの塩基仕度は水より小さいが５１０２の酸性
度が大きいため、やはり負に帯電している。

またＡｌ２Ｏ３の場合、酸性度はそれほど大きくないの
で、その面からはアルコール中で負に帯電するとはいい
がたいが、誘電率の面から（コロイド粒子と溶媒の誘電
率がことなるとき、誘電率の大きい力が正に帯電）アル
コールの方がＡｌ２Ｏ３よりはるかに誘電率が犬であり
、実際に試験してみてもアルコール中でＡｌ２Ｏ３は負
（こ帯電していることが判る。

このようにと粒の荷電状態をしらべてみると、水中でも
非水系液体中でも通常力ＤＩＭと呼ばれる液体中でと粒
は一般に負に帯電していることが判った。

従って流体中に懸濁せしめられた微粒粉末と粒は電気泳
動的には陽極側へひきつけられ移動する性質をもつ。

また平行平板コンデシャー（こ電荷を蓄えると極板間の
空間に電場が生じること、磁場の変化により電場の誘導
されることは物理学の初歩的知識である。

そこで加工面との間にわずかなすき間を有する対向面が
あるとき、その間にと粒の懸濁された加工液を通じてそ
こへ電場あるいは磁場を働らかせるなら、陽極側となる
加工面、対向面いづれかの面へと粒が引きつけられる電
気泳動現象が生じ、該空間内のいづれかの面側に於てと
粒密度が犬となりひいてはカロ工面に作用すると粒数が
犬となり加工能率の向上へとつながることになる。

かくして本発明者らは、微粒粉末と粒が流体に懸濁され
た加工液を、加工面とそれに極めて接近しかつ平行に配
置された対行面との間（こ層流状態で通過させこれによ
り工作物の表面を仕上又は研摩する技術と、液中に分散
している粒子表面に電気二重層が存在して該コロイド粒
子系に電場あるいは磁場を与えた時、粒子が表面電荷（
こより前記の場より力をうけ電気泳動する現象を利用し
、と粒を加工面あるいは対向面に集中させ加工面に作用
すると粒数を制御して力目玉能率を向上させる技術とを
組合せることにより本発明を完成するにいたった。

すなわち本発明に従えば、研摩材微粒子の流体懸濁液中
、ポリシャー上に静置せしめた加工物を該ポリシャーの
回転（（より流体の動圧で浮上させて、ポリシャー面と
力［」上物との間に前記流体懸濁液の層流を形成せしめ
、同時（こ前記層流を電場あるいは磁場の影響下をこお
いて流体内機粒子を電気泳動により加工物表面あるいは
ポリシャ面側ｆこ引きつけ力ロエ物表面に作用する研摩
材微粒子数を制御することを特徴とする超精密表面研摩
法が提供せられる。

狭い間隔で平行に保持された加工物表面と対向面との間
にと粒懸濁液の加工液の層流状態を作らしめるにあたり
、本発明では、研摩材微粒子（と粒）の流体懸濁液、す
なわち加工液中で、ポリシャー上に静置した加工物を該
ポリシャーの回転により流体の動圧で浮上させ、ポリシ
ャーと加工物の間に流体懸濁液の層流を形成せしめる手
段が用いられる。

流体内で、ある物体の静置された支持平板を水平方向に
急速に移動させれば流体の動圧で該物体が支持平板面よ
り浮上する現象は古くより知られているが、これを加工
物の表面研摩に利用することは全く試みられていない。

これは浮上した加工物と支持ポリシャ面との間誓こ極め
て狭い間隔が作られその間に加工液の層が作られたとし
ても、それのみでは支持ポリシャ面を移動させるための
大エネルギーに比しと粒の運動エネルギーが不充分で充
分な研摩効果が得られぬことになるものと思われる。

そこで本発明者らは次のこの加工面と対向ポリシャ面と
の間の層液に電場あるいは磁場を付与し流体内機粒子を
電気泳動的に加工物表面あるいは対向ポリシャ面側に引
きつけ加工物表面に作用する微粒子数を増大させ、これ
により加工能率の増大をはかることを意図した。

液体中の分散粒子は一般に電荷を有しそれか粒子半径、
溶媒誘電率ならびにゼータ電位に比例すること、および
一様の電場内にある電荷をもつ粒子が存在すると該粒子
には電場の強さならびに電荷に正比例した静電気力が作
用することはよく知られていることである。

今ある一定のすき間りで加工面と対向面が平行に保持さ
れ、負に帯電したと粒がその間を加工面と平行に移動せ
しめられ、加工面が正、対向面が負に帯電するよう直流
電圧Ｖが印加されるものとする。

すると加工面と対向面の間にはＥ＝Ｖ／ｈなる電場が生
じるので、と粒には静電気的に加工面の方向への力が作
用し、それによりυ。

の運動速度を生じる。またと粒には重力が作用し一υ
の運動速度も生じるので、加工面への垂直方向には結局
このυ。

とυ８の合力としての運動速度υ が与えられることに
なる。

他方と粒は流体と同速度でもって加工面に対し平行に移
動しようとの力が働らいているからυ なる横方向への
運動速度も与えられ、加工面に対すると粒の相対速度υ
は により表わされることが判る。

すなわち平行に保持された加工面と対向面の間にと粒を
含む加工液が層流状態で通過せしめられ、加工面と対向
面の間に直流電流が印加され電場が作られるとき、υは
層流状態の保持で一定であり、υ は加工液により一定
しているから、と粒に対しては結局υ。

に比例した加工面に対しての相対速度が与えられること
は明らかである。

電場が強くなればなる程静電気的に加工面の方向へと粒
が引きよせられる力、すなわちと粒のυ。

運動速度が犬となり、電場はまた加工面と対向面間の距
離が一定しておれぼ印加電圧に比例することからして、
印加電圧の制御により電気泳動すると粒の加工面に対し
ての相対速度を制御なしうろことが容易に理解される。

また加工量がと粒の加工面に接触するときの運動エネル
ギーに比例するものと考えれば、加工量もまた電場の強
さ、すなわち電圧の制御で制御可能であることが理解さ
れるのである。

次ｆこと粒が対向面に集中する場合、すなわち対向面が
正、加工面または他の電極が負の電極をもつように距離
りをおいて直流電圧Ｖをかける場合について考察する。

この場合には加工面または他の電極と対向面の間にＥ＝
Ｖ／ｈなる電場が生じこれ（こよってと粒は対向面へと
ひっばられる。

こうして対向面上に集中したと粒は対向面との摩擦力に
より対向面と共に運動して加工面へ作用を及ぼすことに
なるが、電場の強さが犬となり対向面へ集中すると粒数
が増大すれば増大する程加工面へ作用すると粒密度が犬
となることが判るし、また対向面とと粒、と粒同志間の
結合力がこの静電気力と重力とにより左右されること、
それらの結合はと粒が加工面と接触しそれから力を受け
れば簡単（こ解けるものであり、と粒が加工面に与える
エネルギーはこの結合力（ご比例していることを考慮す
れば電場すなわち電圧を犬にし静電気力を増大せしめれ
ばせしめるだけ、加工面に与えると粒のエネルギーも犬
になることが容易に理解され、結局電場の強さの制御が
加工量あるいは表面処理効果の制御につながるものであ
る。

ポリシャ上に静置された加工物はその重力とポリシャ回
転による流体動圧による浮力が釣り合った位置でポリシ
ャ面よりある狭い間隔をおいて平行（こ浮揚保持されて
いるが、この加工物と対向ポリシャとをそれぞれ正ある
いは負に帯電せしめることは例えば適当なブラシを用い
るとか、流体懸濁液中に別に電極をもうけ、この電極と
ポリシャーの間に直流電圧を印加することにより容易に
実施できるし、また容器外にコイル電極を置き流体懸濁
液全体を強い磁場の下において前記層流ｆこ磁場を働ら
かせることも極めて容易である。

先をこ述べた如く一般にと粒の流体懸濁液（加工液）中
に於て、流体が水系、非水系を問わず、と粒は負に帯電
されている。

従って電場あるいは磁場の付与によりと粒は電気泳動的
（こ陽極側へと弓かれ、該陽極面上に密に集中する傾向
かある。

しかしながら水を刃口上液に用いる場合にはと粒表面の
電離塵が犬で、と粒はイオン化して電解質溶液となり電
極反応で陽極面に吸着さ４ユ、る点に考慮をはられねば
ならない。

そこで以下（こ於ては加工液の溶媒が水系である場合と
、非水系である場合（こわけて考察を加えることとする
。

Ｉ）非水系溶媒を用いる場合 この場合にはと粒の電離、イオン化は考慮しなくてもよ
いので、刃口工面とポリシャ面のいづれが陽極となって
もその陽極側に微小と粒が電気泳動的に引きよせられ該
面上のと粒密度が犬となり、結局は加工面に作用すると
粒数も犬となり加工能率の向上が期待せられる。

層流に電場あるいは磁場を付与するには加工液中の刃口
工面およびポリシャ面をブラシを介し直接直流電源ター
ミナルに接続するとか、加工面とポリシャ面を強い磁場
の影響Ｔに置くとか、ポリシャ面に対向して加工液中に
電極を置きこの電極とポリシャ面とを直流電源ターミナ
ルに接続し、電場の影響を受けた層流を刃口工面とポリ
シャ面の間の空間に通過せしめる方法など種々の態様で
本発明方法の実施が可能である。

そこで、最も簡単な電極とポリシャ面を直流電源のター
ミナルに直接接続する場合（こつき添付図第１図の装置
を用い下記の如き実験を行なった。

第１図の装置に於て１は非導電性材料で作られた加工液
を収容するための二重円筒容器：２は回転軸３により容
器１内で回転せしめられる金属製ポリシャ；４は加工物
ホルダ；５は加工物ホルダに保持され、作動の初期に金
属製ポリシャ上に静置せしめらるべき加工物；６は電極
；７はブラシ；８は直流電源；９は電圧計；１０は電流
計、１１は力ｕ上液（研摩材微粒子の流体懸濁液）を表
わす。

この実験装置の容器１に５容積係Ａ１２０３（８μｍ）
のアルコール液を加工液として入れ、黄銅製ポリシャ２
上に、アクリル製加工物ホルダー４に保持された２０Ｘ
２０Ｘ０．８間のＳｉ単結晶ウェハを加工物５として静
置させ、回転軸３を３００ｒｌ）ＩＩ（９４ｍ／分）で
回転させて、該刃口上物５をホルダ４と共に流体動圧で
浮上させ刃口上物とポリシャ面の間に加工液の層流状態
を作らしめると共に、ポリシャー側を陽極とし、電極６
との間に直流電圧Ｏ〜５００Ｖを印加してポリシャー面
と電極との間に電場を付与し、前記層流のと粒に電気泳
動を生せしめ、その時の加工効果を時間当りの加工量と
印加電圧との関係でしらべ結果を第２図に示した。

図から判るとおり、電圧を増大させ電場を強くすると、
加工液中のと粒は対向ポリシャ面上に集中し、加工面に
作用すると粒密度の増大Ｅこつれ、加工量が増力口する
効果が顕著に認められる。

第１図の装置で電極６の代りに上下方向に移動調節可能
なブラシを用い導電性加工物ホルダーを介しあるいは介
さず直接加工物に電圧を加える方式で加工物とポリシャ
ーの間に直流電圧を印加する方法をとれば、加工物を正
に帯電させ電気泳動で負ｆこ帯電せると粒を加工物表面
側に引きつけることができ、と粒の運動エネルギーを増
大させ、あるいは加工物表面に作用すると粒数を増大さ
せて表面柱−ヒ又は研摩の制御をなしうろことは極めて
容易に理解されるところである。

２）水を加工液溶媒とする場合 この場合ｆこはと粒表面の電離度が太きすぎ、加工物に
直接電圧を印加すると、カロエ物表面上で電極反応がお
こりイオン化していると粒は該表面上で電気的に中和し
その上に吸着され結局加工をさまたげることになる。

従ってこの場合には加工物以外に電極をおく第１図の如
き装置が特（こ選択使用せられるべきである。

刃口上面と対向ポリシャ面の間に層流が作られた後この
層流中のと粒に電気泳動現象を生ぜしめと粒を加工面あ
るいは対向ポリシャ面側をこ引きつけることは、単（こ
上記の如く層流を電場の下におくことのみに限定される
ものではなく、同じ作用効果は磁場の付与によっても達
成することができる。

すなわち本発明はまた第３図の如き装置でもって実施す
ることもできる。

図示の装置において２１は磁極：２２は加工物ホルダー
；２３は加工物；２４は加工液；２５はポリシャー：２
６は回転軸；２７はコイル；２８は容器である。

回転軸２６のまわりに二重円筒を配置し、内円筒のまわ
りにコイル２７を巻き電流を通じて内円筒の外表面と外
円筒の内表面を磁極２１とし、回転軸２６を中心ｆこ放
射状の強い磁場を作り、ポリシャ２５の回転により加工
物２３をホルダー２２と共にポリシャ面から浮揚させ、
加工物表面とポリシャ面の間に形成せられる加工液層流
中のと粒に電気泳動を生せしめ磁場の影響でと粒の運動
を制御するものである。

第３図の装置で加工液としてＡ１２０３（２μｍ）と粒
を体積分率で５係と５ｒ０２（０，０２μｍ）を２係蒸
留水に混入した液を用い、Ｓｉ単結晶（００１）而をＡ
Ｉｔ ２０３ ＆ ２０００と粒でラッピング仕上げし
た試料を用い、３００ｒｐｌ’でポリシャを回転させ、
試料加工面とポリシャ面り間に層流を形成させ同時に０
〜１．ＯＡのコイル電流を通じ磁場の及ぼす影響をしら
べたところ、電場の如く加工量の著るしい増加は認めら
れなかったが、第４図ａに前加工面、ｂに磁場を掛けず
ＯＡで軸回転による層流のみで１時間処理した加工面、
Ｃに０．５ Ａの電流をコイルに通じ１時間処理した加
工面、旧こＩＡの電流をコイルに通じ１時間処理した加
工面を示すように、磁場の付与でと粒に電気泳動的な動
きが加えられ結果的には著るしい方向性のある刃口玉痕
として磁場の強さに比例しての力Ｕ工効果が認められた
。

尚電場、磁場を付与するにあたり上記においては簡便の
ため直流電圧印力旧こついてのみ説明したが、直流の代
りに交流を用い層流を方位の変動する電場、磁場の影響
下に置き電気泳動でと粒の運動を制御することも本発明
に包含されることが理解さるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に用いられる装置の縦断面図
、第２図は第１図の装置を用い５ｉ（ｏｏｉ）力ロ工試
料を５％Ａ１２０３（８μｍ）アルコール加工液で刃口
上処理した場合の印加電圧と時間当り加工量の関係を示
す図、第３図はさらに別の態様で本発明方法を実施する
際に用いられる装置の縦断面図、第４図ａ−ｄは第３図
の装置でＳｉウェハを加工処理した場合の加工痕を示す
図である。 １・・・・・・容器、２・・・・・・ポリシャ、３・・
・・・・ポリシャ回転軸、４・・・・・・加工物ホルダ
、５・・・・・・加圧物、６・・・・・・電極、７・・
・・・・ブラシ、８・・・・・・電源、１１・・・・・
・加工液（研摩材微粒子の流体懸濁液）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 研摩材微粒子の流体懸濁液中、ポリシャー上に静置
   せしめた加工物を該ポリシャーの回転により流体の動圧
   で浮上させて、ポリシャー面と加工物との間に、前記懸
   濁液の層流を形成せしめ、同時に該層流を電場あるいは
   磁場の影響下において、流体内機粒子を加工物表面ある
   いはポリシャー面に電気泳動により引きつけ加工物表面
   に作用する研摩材微粒子数を制御することを特徴とする
   表面研摩法。