(57)【要約】【課題】加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化するうねり除去研磨方法を提供すること。【解決手段】うねり除去に対してはメリットの大きい、研磨工具の径が大きく、被加工物表面上での加工量が大きい加工条件で、被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を予測し、研磨工具の単位時間当たりの加工量変化率マップを作成し、このマップに基づいて被加工物表面上の各位置で加工量が均一になるように、加工パラメータに補正を加えることで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物表面上を予め決められた研磨工具の走査パターン上で、小径で一定の研磨運動を行う研磨工具を、研磨工具の工具軸中心方向に荷重を与えながら連続的に走査させて、順次加工点を研磨運動しながら被加工物を研磨する研磨装置であって、研磨工具の単位時間当たりの加工量が一定として、研磨工具を一定の速度で走査し、被加工物表面上の全領域を均等な加工量で研磨することで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さを平滑化することを目的とする研磨方法において、
研磨工具の径が大きく、被加工物表面上での加工量が大きい加工条件で、被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を予測し、その予測値に基づいて被加工物表面上の各位置で加工パラメータに補正を加えることで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化することを特徴とするうねり除去研磨方法。
【請求項２】
被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を、被加工物表面上の各位置で、実加工と同様の条件で、研磨工具を被加工物表面に接触させた場合の、研磨工具面が被加工物表面に与える研磨圧力の分布から予測することを特徴とする請求項１記載のうねり除去研磨方法。
【請求項３】
被加工物表面上の各位置の加工パラメータの補正を、予測された研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率に基づいて、研磨工具を走査する速度を変化させることで行うことを特徴とする請求項１記載のうねり除去研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体、ガラス、セラミックス、金属単体又は金属酸化物の単結晶等の硬脆材料の表面を精密研磨加工（非球表面研磨）する研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、合成石英ガラス、低熱膨張ガラス、ＣＶＤ−ＳｉＣ材は高価であるにも拘らず、その物理化学特性が優れているために高エネルギー短波長光用のレンズ、ミラーとして採用されている。これらのレンズ、ミラーの形状としては、平面、球面等の単純な形状以外の非球面形状の要求も増してきている。これらの光学素子の代表的な構造として合成石英ガラス材を例に説明する。合成石英ガラス材を短波長光用のレンズとする工程は、最終形状に近い形状にする研削、そして、研削面の形状誤差、うねり、表面粗さ等を低減し表面品質を向上する研磨から成る。
【０００３】
研磨は、被加工物表面上を予め決められた研磨工具の走査パターン上で、小径で一定の研磨運動を行う研磨工具を被加工物表面に平行に接触させ、研磨工具の工具軸中心方向に荷重を与えながら連続的に走査させて順次加工点を研磨運動させることで行う。
【０００４】
ここで研磨に用いる小径な研磨工具には図１（特許文献１）に示すように、ポリシャ３１ｃを保持するためのポリシャ支持部材３１ａに設けられた凸球面３１ｄと加工力を加えるための荷重軸３９の端部の研磨工具支持部材３３に設けられた案内部３５ａとにより、少なくとも３個の互いに間隔をおいて配列された球３５ｂ…を挟み、凸球面３１ｄの中心点がポリシャ支持部材３１ａに保持されたポリシャ３１ｃの研磨面の中心点Ｏに一致するように構成する。このように、ポリシャ３１ｃの揺動に伴うモーメントの発生による姿勢変化（被加工面の工具のある位置の曲率半径の球面を仮定して、その球面に研磨工具の研磨面が沿って揺動するときの工具のピッチング方向の姿勢変化）を原理上無視できる構成が提案されている。
【０００５】
実際の研磨に際しては、被加工物表面全域について形状計測を行い、誤差量の多い所を長時間研磨するような研磨工具の滞留時間分布を算出し、前述の研磨工具を被加工物表面上を前述の所定の滞留時間分布を実現するように走査させ、酸化セリウム、酸化ジルコニウム微粉、又はダイアモンド微粉等の研磨剤を水に分散した研磨液を介在させるものが一般的である。
【０００６】
この工程により、非参考文献１にも報告されているように、研磨工具の径より十分波長が長い形状誤差は、滞留時間分布を制御することで修正加工し、逆に研磨工  具の径より十分波長が短いうねり、表面粗さは、研磨工具の一定の研磨運動により平滑化していた。
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−７５９５２号公報
【非特許文献１】精密工学会誌 Vil.62No.3(1996) P408 412
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、この工程では研磨工具の径付近の波長を持つうねりは、修正加工することも平滑化することもできず、加工後の被加工物表面上に残ってしまうという問題がある。そのため、各々目的とする修正加工、若しくは平滑化する形状誤差、うねり、表面粗さの波長及び能率の異なる複数の工程を組み合せて、被加工物表面を目標とする精度に仕上げる。中でもうねり、表面粗さを向上させることを目的とした工程では、被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化することが必要となる。
【０００９】
プレストンの経験式によれば、研磨の加工量は研磨工具面が被加工物表面に与える研磨圧力と相対速度の積に比例する。図１の研磨工具を例に、研磨工具と被加工物表面が接触している領域での、研磨圧力、相対速度、加工量の分布を図２に示す。ここで、研磨工具の単位時間当たりの加工量は、研磨工具と被加工物表面が接触している領域での加工量の分布を積分した値に比例する。
【００１０】
研磨圧力の分布は、研磨工具面の形状と被加工物表面の形状の差によって変化する。実加工中は研磨工具面の形状は一定であるが、被加工物表面の形状が非球面形状の場合、被加工物表面上の各位置で研磨工具が接触する被加工物表面の局所的な形状が変化するため、研磨圧力の分布も変化する。
【００１１】
研磨荷重は、一定の力を発生させる例えばエアシリンダのような機構と、研磨工具の自重により、発生させる。研磨工具面を被加工物表面に平行に接触させるよう傾斜させた場合、研磨荷重方向に働く自重成分が変化し、研磨荷重が変化する。そのため、被加工物表面の各位置の傾斜角度により、研磨圧力の分布が変化する。
【００１２】
研磨工具の一定の研磨運動は、自転運動である。実加工中の相対速度の分布は被加工物表面上全域で一定で、研磨工具中心を０として、周辺部に向かうに連れて直線的に増加する分布を持つ。
【００１３】
そのため、被加工物表面上の各位置で、相対速度の分布は変化しないが、研磨圧力の分布は変化するため、研磨工具の単位時間当たりの加工量が変化する。結果として加工前の被加工物表面の全体的な形状を、Ｋの加工により大きく崩してしまうという問題点がある。
【００１４】
研磨工具の径が大きくなるほど、より長い波長のうねりまで、研磨工具の一定の研磨運動により平滑化できると効果が期待できる。
【００１５】
又、被加工物表面上での加工量が大きくなるほど、うねり、表面粗さは平滑化できると期待できる。
【００１６】
しかし、一方デメリットとして、研磨工具の径が大きくなるほど、前述の被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率は大きくなる。又、被加工物表面上での加工量が大きくなるほど、被加工物表面の全体的の形状は大きく崩してしまうという問題がある。
【００１７】
そこで、本発明では、うねり除去に対してはメリットの大きい、研磨工具の径が大きく、被加工物表面上での加工量が大きい加工条件で、被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を予測し、その予測値に基づいて被加工物表面上の各位置で加工パラメータに補正を加えることで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化するうねり除去研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るうねり除去研磨方法は、被加工物表面上を予め決められた研磨工具の走査パターン上で、小径で一定の研磨運動を行う研磨工具を、研磨工具の工具軸中心方向に荷重を与えながら連続的に走査させて、順次加工点を研磨運動しながら被加工物を研磨する研磨装置であって、研磨工具の単位時間当たりの加工量が一定として、研磨工具を一定の速度で走査し、被加工物表面上の全領域を均等な加工量で研磨することで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さを平滑化することを目的とする研磨方法において、うねり除去に対してはメリットの大きい、研磨工具の径が大きく、被加工物表面上での加工量が大きい加工条件で、被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を予測し、研磨工具の単位時間当たりの加工量変化率マップを作成し、このマップに基づいて被加工物表面上の各位置で加工量が均一になるように、加工パラメータに補正を加えることで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化することを特徴とする。
【００１９】
又、本発明に係るうねり除去研磨方法は、先ず、研磨工具を被加工物表面上の各位置で、実加工と同様の条件で接触させた場合の、研磨工具面が被加工物表面に与える研磨圧力の分布を汎用ツールによる接触解析シミュレーションより求め、次いで研磨工具の一定の研磨運動から研磨工具面が被加工物表面に与える相対速度の分布を求め、この研磨圧力の分布と相対速度の分布を掛け算して、研磨工具面と被加工物表面が接触する領域における加工量の分布に比例する研磨圧力と相対速度の積の分布を求め、この研磨圧力と相対速度の積の分布を、研磨工具面と被加工物表面が接触する領域で積分して、研磨工具の単位時間当たりの加工量に比例する研磨圧力と相対速度の積の分布の積分値を求め、或る基準とする条件（例えば、研磨工具面と被加工物表面が共に平面で、研磨工具面の法線ベクトルが鉛直方向）の研磨圧力と相対速度の積の分布の積分値で、求められた被加工物表面上の各位置の研磨圧力と相対速度の積の分布の積分値を割り算することで、被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を予測することを特徴とする。
【００２０】
又、本発明に係るうねり除去研磨方法は、最初の均一に設定されている被加工物表面の各位置の研磨工具を走査する速度を示す滞留時間を、前述の予測された被加工物表面上の各位置の研磨工具の単位時間あたりの加工量の変化率で割り算し、研磨工具の単位時間当たりの加工量と研磨工具の滞留時間の積で示される被加工物表面上での加工量が被加工物表面全域で均一になるようにすることで、被加工物表面上の各位置の加工パラメータを補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、うねり除去に対してはメリットの大きい、研磨工具の径が大きく、被加工物表面上での加工量が大きい加工条件でも、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化することで、より高精度な精密研磨加工（非球表面研磨）を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
先ず、本発明のうねり除去研磨方法を実施するための研磨装置について図３に基づいて説明する。図３（ａ）は本発明の研磨装置の一実施形態を示す斜視図である。
【００２３】
図３（ａ）において、５０はベッドであり、ベッド５０上にはベッド５０に対して相対的にｙ方向に往復移動可能なｙテーブル５２が取り付けられている。５４はｙテーブル５２の移動を駆動するためのモータであり、モータ５４にはエンコーダ５６が付設されており、エンコーダ５６によりｙテーブル５２のｙ方向移動量が検出される。ｙテーブル５２上にはｙテーブル５２に対して直交方向に相対的に往復移動可能なｘテーブル５８が取り付けられている。６０はｘテーブル５８の移動を駆動するためのモータであり、モータ６０にはエンコーダ６２が付設されており、エンコーダ６２によりｘテーブル５８のｘ方向移動量が検出される。
【００２４】
ｘテーブル５８上には研磨槽６４が固設されている。研磨槽６４中には支持体６６が固定されており、支持体６６には軸６８により被研磨物保持体７０が取り付けられている。保持体７０はＬ字形状を成しており、その垂直面部分に軸６８が接続されている。軸６８はｘ軸方向を向いていて、従って、保持体７０はｘ軸の回りに回動可能である。支持体６６にはモータ７２が取り付けられており、その駆動回転軸は軸６８に結合されている。モータ７２にはエンコーダ７３が付設されており、エンコーダ７３によりｘ軸回りの傾斜角（回動量）が検出される。又、保持体７０上には回転テーブル７１が設置されており、該回転テーブルは不図示のモータ、エンコーダにより回転駆動及び回転位置の検出がなされる。
【００２５】
一方、ｘテーブル５８には研磨槽６４の外側にコラム７４が固定されている。コラム７４には上下方向、即ちｚ方向のガイド７６が形成されており、ガイド７６に沿って上下方向に往復移動可能なように研磨工具ヘッド保持体７８が取り付けられている。保持体７８には研磨ヘッド８０が支持されている。研磨ヘッド８０は、図３（ｂ）に示すように、回転軸８１を保持し、回転軸８１の下端に小径工具である円形の工具面を有する研磨工具８４が保持されている。回転軸８１は、図示しない駆動手段によって回転駆動され、回転軸８１に保持された研磨工具８４を自転させる。回転軸８１の中心線を工具軸中心線Ｔとする。研磨工具８４は、図示しないエアシリンダ等により発生された荷重に工具の自重を加えた研磨荷重が、回転軸８１を介して被加工物１００に当接される。
【００２６】
保持体７８にはモータ８６が取り付けられており、その駆動回転軸は研磨ヘッド８０に接続されていて、研磨ヘッド８０のｙ軸回りの回動を駆動することができる。モータ８６にはエンコーダ８７が付設されており、エンコーダ８７によりｙ軸回りの傾斜角（回動量）が検出される。
【００２７】
８８は保持体７８をガイド７６に沿って上下方向（Ｚ方向）に移動させるための駆動手段たるモータであり、モータ８８にはエンコーダ８９が付設されており、エンコーダ８９により保持体７８のＺ方向移動量が検出される。
【００２８】
上述した研磨装置を用いて研磨を行う際には、回転テーブル７１上に被加工物１００を積載固定する。被加工物１００は適切な前加工により所定の表面粗さ、形状精度に仕上げられているものとする。又、研磨槽６４中には研磨液１０２が適当量注入されている。
【００２９】
９２は制御装置であり、エンコーダ５６，６２からのｙテーブル移動量及びｘテーブル移動量、回転テーブル７１の位置を検出するエンコーダからの回転テーブル回転量が入力され、その値から、実行指令プログラムに従って工具中心が順に各加工点へ移動するように、モータ５４，６０、エアシリンダ８８、不図示の回転テーブルのモータへ信号を出力する。本実施形態においては、加工点の移動方向（走査方向）をｘ軸方向へ一致させておく。モータ更に各加工点において、エンコーダ７３，８７によりｘ軸回り、ｙ軸回りの回動量が入力され、研磨工具の被加工物表面に対する傾斜角に合致する回動量をモータ７２，８６に出力する。そして、研磨ヘッド８０中の不図示の研磨ヘッド駆動モータ及び／又はその動きを代換するモータを駆動し、揺動方向に揺動させて実行指令プログラムに従って各加工点で決められた時間工具を滞留させ、次の加工点に順に走査させて被加工物表面全体を研磨する。
【００３０】
次に、研磨装置を駆動するための実行指令プログラムの算出方法を、図４のフローチャートを参照しながら説明する。又、被加工物表面の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップの導出方法の詳細を図５に示す。
【００３１】
先ず、被加工面の設計形状式、走査パターン、被加工物表面の目標とする加工量、基準とする条件での研磨工具の単位時間当たりの加工量を制御装置９２のメモリ上に予め記憶させておく。
【００３２】
記憶手段から被加工面の設計形状式を呼び出し、被加工面の設計形状曲面を算出し、メモリ上に（ｘ，ｙ，ｚ）の三次元データとして記憶させる。このとき、ｘ，ｙは、走査パターンから導き出した工具の加工位置（送りピッチ）とし、ｘｙ平面上に通常等間隔に配置する。又、被加工物表面全領域を均一の加工量で研磨する際の加工量と、研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を求める際のある基準とする条件（例えば、研磨工具面と被加工物表面が共に平面で、研磨工具面の法線ベクトルが鉛直方向）での研磨工具の単位時間当たりの加工量から、各加工点における工具の移動速度を表す滞留時間を算出し、記憶手段に記憶させておく。
【００３３】
次いで、被加工物表面の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップを導出する。
【００３４】
接触解析が行える汎用シミュレーションツールを用いて、図５に示すポリシャ支持部材２０１ａ、弾性体２０１ｂ、ポリシャ２０１ｃのみから成る研磨工具２０１と、被加工物表面２０２のみから成るシミュレーションモデルを構築する。このモデルは、研磨工具を位置、姿勢を変化させて、研磨工具を被加工物表面上の上記各加工点に接触させた際の、研磨荷重と研磨工具が接触する領域での被加工物表面の形状から、研磨工具が被加工物表面に接触させた際の圧力の分布を、研磨工具が被加工物表面に与える研磨圧力の分布として出力できる。
【００３５】
このモデルを用いて、前記各加工点の研磨圧力の分布を求める。研磨工具の一定の研磨運動から、研磨工具が被加工物表面に与える相対速度の分布を求める。前記各加工点の研磨圧力の分布に相対速度の分布を掛け算して、研磨工具が被加工物表面に接触する領域内での加工量の分布に比例する、研磨圧力と相対速度の積の分布を求める。この前記各加工点の研磨圧力と相対速度の積の分布を、研磨工具が被加工物表面に接触する領域内で積分して、研磨工具の単位時間当たりの加工量に比例する、研磨圧力と相対速度の積の分布の積分値を求める。この前記各加工点の研磨圧力と相対速度の積の分布の積分値を、前述のある基準とする条件（例えば、研磨工具面と被加工物表面が共に平面で、研磨工具面の法線ベクトルが鉛直方向）での値で割り算して、被加工物表面の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップを導出する。
【００３６】
制御装置９２のメモリ上に記憶手段から各加工点における工具の移動速度を示す滞留時間を呼び出し、同加工点における被加工物表面の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を前記マップより呼び出す。
【００３７】
加工点ごとに呼び出された滞留時間を、被加工物表面の各位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率で割り算し、再び記憶手段に記憶させておく。
【００３８】
最後に制御装置の記憶手段に記憶させた、走査パターン及び各加工点の三次元データ、各加工点での滞留時間から工具の速度を設定し、加工時に加工装置を制御する実行指令プログラムを作成し、前述した研磨装置をこの実行指令プログラムに従って駆動することで、加工前の被加工物表面の全体的な形状を崩すことなく、うねり、表面粗さをより長い波長まで、且つ、より効果的に平滑化する高精度な精密研磨加工（非球表面研磨）を実現する。
【実施例１】
【００３９】
本発明の実施例を以下に示す。
【００４０】
軸対称の非球面形状を、従来の各加工点における研磨工具の単位時間当たりの加工量が一定とした場合と、本発明による研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率を予測し、滞留時間に補正を加えた場合を比較して示す。
【００４１】
対象とした光学素子は、光線有効径１６０ｍｍ、凹面の非球面であり、非球面量は約１．８ｍｍである。
【００４２】
研磨工具の径はφ２５ｍｍであり、研磨工具の一定の研磨運動は自転運動であり、その速度は２０Ｈｚであり、研磨荷重は７５０ｇｆである。
【００４３】
計算の結果、研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率は最大で基準とする条件（研磨工具面と被加工物表面が共に平面で、研磨工具面の法線ベクトルが鉛直方向）の１．３２倍となった。半径方向の各加工位置の研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップを図７に示す。
【００４４】
従来の各加工点における研磨工具の単位時間当たりの加工量が一定とした場合の加工前後の被加工物表面の差形状を図８、本発明による研磨工具の単位時間あたりの加工量の変化率を予測し、滞留時間に補正を加えた場合の加工前後の被加工物表面の差形状を図９に示す。
【００４５】
加工前の全体的な形状を全く崩していない場合は、被加工物表面上の各位置での加工量は均一となるため、この差形状は平面に近いほど好ましい。
【００４６】
両者を比較した結果、図８の従来の方法における加工前後の被加工物表面の差形状は、図６に示した研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップに良く似たプロファイルを持つ凸面形状となった。被加工物表面の各位置での加工量の最大値、最小値の差は約４２０ｎｍと大きい。
【００４７】
一方、図９の本発明の方法による加工前後の被加工物表面の差形状は、従来の方法と同様に、図６に示した研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップに良く似たプロファイルを持つ凸面形状となったものの、被加工物表面の各位置での加工量の最大値、最小値の差は約２００ｎｍと、従来の方法に比べて小さくなっていることが確認できる。
【００４８】
又、被加工物表面のうねりと表面粗さに対しても、本発明による方法は、従来の方法と同様の高い平滑化の効果が発揮されていることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】研磨工具の構成図である。
【図２】研磨圧力、相対速度と加工量の関係図である。
【図３】研磨装置の斜視図である。
【図４】実行指令プログラムの算出方法を示す図である。
【図５】研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップの導出方法を示す図である。
【図６】研磨工具のシミュレーションモデルを示す図である。
【図７】研磨工具の単位時間当たりの加工量の変化率マップである。
【図８】従来方法の形状崩れを示す図である。
【図９】本発明の方法の形状崩れを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
５０  ベッド
５２  ｙテーブル
５６  エンコダ
５８  ｘテーブル
６０  モータ
６２  エンコーダ
６４  研磨槽
６６  支持体
７０  保持体
７１  回転テーブル
８０  研磨ヘッド
８１  回転軸
８４  研磨工具
８７  エンコーダ
８８  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006192511.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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