(57)【要約】【課題】  半導体ウエハ及び薄膜用基板等の被加工物の加工面を、歪み、クラック及び熱変質等を全く生じさせずに鏡面加工することができ、しかも量産性に適した超精密鏡面加工方法及びその装置を提供する。【解決手段】  被加工物Ｋの加工面を水平にして加工容器Ｗ内に保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を水平面内で二次元的に加振することにより被加工物の加工面に超微粉体を流動接触させ、超微粉体と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行してなる。【選択図】        図１
2006021295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の加工面を水平にして加工容器内に保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を水平面内で二次元的に加振することにより被加工物の加工面に超微粉体を流動接触させ、超微粉体と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行してなることを特徴とする超精密鏡面加工方法。
【請求項２】
前記加工容器を水平面内で回転運動を伴わない円運動をさせて加振する請求項１記載の超精密鏡面加工方法。
【請求項３】
前記加工容器を水平面内で回転運動を伴わない円運動と直線往復運動とを組み合わせて加振する請求項１記載の超精密鏡面加工方法。
【請求項４】
平面視円形のベース体の周囲にリング状のウエイト体を固定した定盤体を、該ウエイト体の直下を振動吸収体により支持して浮遊状態で水平に配置し、前記定盤体の重心を通る鉛直腺に中心を一致させて前記ベース体に軸受孔を貫通形成し、前記ベース体の下面中心部に駆動モータを取付けてその駆動軸を前記軸受孔に回転可能に支持するとともに、前記駆動軸の周囲のベース体に該駆動軸と同一回転姿勢で複数の従動軸を回転可能に支持し、前記ベース体の上位に円板状の振動体を水平に配し、該振動体の重心位置を前記駆動軸の上端に延設した偏心駆動軸で回転可能に支持すると同時に、該振動体の周囲を前記従動軸の上端に延設した偏心従動軸で前記偏心駆動軸に同期して回転可能に支持し、前記振動体の上面に固定した加工容器内に被加工物の加工面を水平にして保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を加振することにより被加工物の加工面に超微粉体を流動接触させ、超微粉体と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行してなることを特徴とする超精密鏡面加工装置。
【請求項５】
前記振動吸収体として空気バネを用い、該空気バネを設置板上に設けるとともに、該空気バネが作動しないときに前記定盤体を載支する支持棒を前記設置板に複数立設してなる請求項４記載の超精密鏡面加工装置。
【請求項６】
前記振動体を前記ベース体とリング状のウエイト体とで囲まれる空間内に配置するとともに、該振動体の上下位置を前記定盤体の重心近傍に設定してなる請求項４又は５記載の超精密鏡面加工装置。
【請求項７】
前記振動体に対する前記定盤体の重量比を１００倍以上に設定した請求項４〜６何れかに記載の超精密鏡面加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超精密鏡面加工方法及びその装置に係わり、更に詳しくはシリコンウエハ、ＳＯＩ等の半導体ウエハ及び薄膜用基板等の被加工物の加工面に超微粉体を流動接触させて歪み、クラック及び熱変質等を全く生じさせずに鏡面加工を進行させる超精密鏡面加工方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超微粉体を分散した懸濁液を被加工物の加工面に沿って流動させて、該超微粉体を加工面上に略無荷重の状態で接触させ、その際の超微粉体と加工面界面での相互作用（一種の化学結合）により、加工面原子を原子単位に近いオーダで除去して加工する、いわゆるＥＥＭ（Elastic Emission Machining）による超精密鏡面加工は既に知られている。
【０００３】
従来のＥＥＭを使った加工では、特許文献１〜３に示されているように、加工用球体を被加工物の加工面に押圧しながら回転駆動手段により回転させて加工面近傍に懸濁液流を発生させるとともに、その動圧によって加工面に対して非接触状態を維持し、そして球体を加工面全面に走査して、加工面上の微小領域に形成されるスポット加工痕を連続させて、全面を精密に加工するのである。
【０００４】
しかし、このような加工用球体と被加工物を相対的に走査し、スポット加工痕を連続させる加工方法は、加工面を任意の形状に超精密に加工することができるといった利点があるものの、加工速度が遅いため半導体ウエハ等の被加工物の加工面全面を均一に鏡面加工するには適していない。
【０００５】
尚、特許文献４には、定盤の下方に定盤に対して垂直姿勢で並列配置され、それぞれが固定軸受により定位置に回転自在に支持されると共に、同方向に同期回転駆動される複数本の軸と、複数本の軸の各上端部に中心位置から離れた位置でそれぞれ結合されると共に、中心位置から離れた位置を中心とする偏心回転が定盤に伝達されるように、定盤の下面に設けられた凹形に回転自在に嵌合し、複数本の軸の同期回転に伴って凹形内で同方向に同期偏心回転を行うことにより、定盤に回転運動を伴わない円運動をさせる複数の偏心円板を具えた駆動機構が開示されている。
【特許文献１】特公平２−２５７４５号公報
【特許文献２】特公平７−１６８７０号公報
【特許文献３】特公平６−４４９８９号公報
【特許文献４】特許第２７１７１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、半導体ウエハ及び薄膜用基板等の被加工物の加工面を、歪み、クラック及び熱変質等を全く生じさせずに鏡面加工することができ、しかも量産性に適した超精密鏡面加工方法及びその装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前述の課題解決のために、被加工物の加工面を水平にして加工容器内に保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を水平面内で二次元的に加振することにより被加工物の加工面に超微粉体を流動接触させ、超微粉体と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行してなる超精密鏡面加工方法を構成した（請求項１）。
【０００８】
ここで、前記加工容器を水平面内で回転運動を伴わない円運動をさせて加振すること（請求項２）、若しくは前記加工容器を水平面内で回転運動を伴わない円運動と直線往復運動とを組み合わせて加振すること（請求項３）が好ましい。
【０００９】
また、本発明は、平面視円形のベース体の周囲にリング状のウエイト体を固定した定盤体を、該ウエイト体の直下を振動吸収体により支持して浮遊状態で水平に配置し、前記定盤体の重心を通る鉛直腺に中心を一致させて前記ベース体に軸受孔を貫通形成し、前記ベース体の下面中心部に駆動モータを取付けてその駆動軸を前記軸受孔に回転可能に支持するとともに、前記駆動軸の周囲のベース体に該駆動軸と同一回転姿勢で複数の従動軸を回転可能に支持し、前記ベース体の上位に円板状の振動体を水平に配し、該振動体の重心位置を前記駆動軸の上端に延設した偏心駆動軸で回転可能に支持すると同時に、該振動体の周囲を前記従動軸の上端に延設した偏心従動軸で前記偏心駆動軸に同期して回転可能に支持し、前記振動体の上面に固定した加工容器内に被加工物の加工面を水平にして保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を加振することにより被加工物の加工面に超微粉体を流動接触させ、超微粉体と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行してなる超精密鏡面加工装置を構成した（請求項４）。
【００１０】
ここで、前記振動吸収体として空気バネを用い、該空気バネを設置板上に設けるとともに、該空気バネが作動しないときに前記定盤体を載支する支持棒を前記設置板に複数立設してなることが好ましい（請求項５）。
【００１１】
更に、前記振動体を前記ベース体とリング状のウエイト体とで囲まれる空間内に配置するとともに、該振動体の上下位置を前記定盤体の重心近傍に設定してなることがより好ましい（請求項６）。
【００１２】
そして、前記振動体に対する前記定盤体の重量比を１００倍以上に設定し、定盤体の振動を抑制して振動体に予期しない振動を与えないようにすることが好ましい（請求項７）。
【発明の効果】
【００１３】
以上にしてなる請求項１に係る発明の超精密鏡面加工方法は、加工容器内に被加工物の加工面を水平にして保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、該加工容器を水平面内で二次元的に加振するだけで、半導体ウエハ及び薄膜用基板等の被加工物の加工面を、歪み、クラック及び熱変質等を全く生じさせずに鏡面加工することができ、しかも同時に多数の加工容器を加振することができるので量産性に適している。
【００１４】
請求項２によれば、被加工物の加工面と超微粉体とを、相対的に回転運動を伴わない円運動円運動をさせることによって均一な加工を行うことができる。
【００１５】
請求項３によれば、被加工物の加工面と超微粉体とを、相対的に回転運動を伴わない円運動円運動と直線運動を組合わせた運動させることによって、被加工物の加工面と超微粉体との相対運動において加速度運動を伴うので、加工速度を速くすることができる。
【００１６】
請求項４に係る発明の超精密鏡面加工装置は、振動体の上面に固定した加工容器内に被加工物の加工面を水平にして保持するとともに、該加工容器内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器を加振するだけで、半導体ウエハ及び薄膜用基板等の被加工物の加工面を、歪み、クラック及び熱変質等を全く生じさせずに鏡面加工することができ、しかも振動体の上面に多数の加工容器を装着して同時に多数の加工容器を加振することで、同時に多数枚の半導体ウエハ等の被加工物を加工することができるので、量産性に適し、更に振動体の振動を定盤体の大きな慣性質量によって振幅を小さくし、該定盤体を振動吸収体により浮遊状態で支持するので、設置床面への振動伝達を遮断することができる。
【００１７】
請求項５によれば、設置板上に設けた空気バネによって定盤体を支持するので、振動体の振動が設置床面に殆ど伝達することがなく、また停電時やメンテナンス時に空気バネに対する加圧空気の供給を停止した際にも、前記定盤体や振動体の全荷重を支持棒で支持することができる。
【００１８】
請求項６によれば、振動体及び定盤体の上下振動を極めて小さくでき、それにより被加工物の加工面に対する超微粉体の運動において法線方向成分が少なくなるので、良好な加工を行うことができる。
【００１９】
請求項７によれば、定盤体の振動を抑制して振動体に予期しない振動を与えないようにして良好な加工を行うことができ、更に定盤体自体の振動振幅も小さくすることができるので、設置床面を介した他の装置への振動の影響を最小限に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の係る超精密鏡面加工装置の全体斜視図、図２〜図６は要部を示し、図中符号Ｋは加工容器、Ｗは被加工物、１は定盤体、２は設置板、３は振動吸収体、４は駆動モータ、５は振動体、６はベース体、７はウエイト体をそれぞれ示している。
【００２１】
本発明に係る超精密鏡面加工装置は、慣性質量の大きな定盤体１を、床面に設置した設置板２上に同心円上に配設した複数の振動吸収体３，…にて浮遊状態で水平に支持し、前記定盤体１に対して固定した駆動モータ４による偏心回転により振動体５を加振し、もって該振動体５に上置して固定した加工容器Ｋを加振する構造である。そして、前記加工容器Ｋ内に被加工物Ｗの加工面を水平にして保持するとともに、該加工容器Ｋ内に水分子を吸着させた超微粉体を収容して前記加工面上に位置させ、前記加工容器Ｋを加振することにより被加工物Ｗの加工面に超微粉体を流動接触させ、超微粉体と加工面界面での相互作用により鏡面加工を進行させるのである。尚、加工速度は遅くなるが、超純水に超微粉体を分散した懸濁液を加工容器Ｋ内に収容して前記加工面上に位置させることも可能である。
【００２２】
更に詳しくは、本発明に係る超精密鏡面加工装置は、平面視円形のベース体６の周囲にリング状のウエイト体７を固定した定盤体１を、該ウエイト体７の直下を振動吸収体３，…により支持して浮遊状態で水平に配置し、前記定盤体１の重心を通る鉛直腺に中心を一致させて前記ベース体６に軸受孔８を貫通形成し、前記ベース体６の下面中心部に駆動モータ４を取付けてその駆動軸９を前記軸受孔８に回転可能に支持するとともに、前記駆動軸９の周囲のベース体６に該駆動軸９と同一回転姿勢で複数の従動軸１０，…を回転可能に支持し、前記ベース体６の上位に円板状の振動体５を水平に配し、該振動体５の重心位置を前記駆動軸９の上端に延設した偏心駆動軸１１で回転可能に支持すると同時に、該振動体５の周囲を前記従動軸１０，…の上端に延設した偏心従動軸１２，…で前記偏心駆動軸１１に同期して回転可能に支持した構造を有している。
【００２３】
また、前記振動吸収体３として空気バネを用い、該空気バネを設置板２上に設けるとともに、該空気バネが作動しないときに前記定盤体１を載支する支持棒１３，…を前記設置板２に複数立設している。
【００２４】
そして、前記振動体５を前記ベース体６とリング状のウエイト体７とで囲まれる空間内に配置するとともに、該振動体５の上下位置を前記定盤体１の重心近傍に設定すると、前記定盤体１及び振動体５の縦振動を抑制することができる。更に、前記振動体５に対する前記定盤体１の重量比を１００倍以上に設定し、定盤体１の振動を抑制して振動体５に予期しない振動を与えないようにすることができる。
【００２５】
ここで、前記加工容器を水平面内で回転運動を伴わない円運動をさせて加振すること、若しくは前記加工容器を水平面内で回転運動を伴わない円運動と直線往復運動とを組み合わせて加振することが好ましい。
【００２６】
次に、各部の詳細を説明する。本実施形態では、前記定盤体１は、前記ベース体６とウエイト体７とで構成し、またベース体６は外側の保持リング１４とその内側に嵌合して固定される円板状の定盤１５とで構成し、前記保持リング１４の上部に前記ウエイト体７を凹凸嵌合状態で連結するとともに、下部にリング状の支持リング１６を取付けている。そして、前記支持リング１６を前記設置板２上に配した６つの前記振動吸収体３，…で支持するのである。ここで、前記定盤体１のウエイト体７の外径は１２００ｍｍ、内径は８２０ｍｍ、上下寸法はウエイト体７と支持リング１６を合わせて３４５ｍｍ、定盤１５の外径は８２０ｍｍ、厚さは８５ｍｍとしている。このように定盤体１はスチール製で非常に重量が重く、また寸法も大きいので、加工性及び取扱性を考慮して複数の部品に分割して構成したのである。また、前記振動体５は、アルミニウム製で、外径は８００ｍｍ、前記偏心駆動軸１１と偏心従動軸１２，…で支持する中心部側の厚さは４０ｍｍ、周辺部側の厚さは１０ｍｍとして剛性を保ちながら軽量化を図っている。
【００２７】
前記保持リング１４の内周面は、若干上方へ向けて広がったテーパー面１７となっており、また前記定盤１５の外周面は、若干下方へ向けて狭まったテーパー面１８となっており、該定盤１５を上方から保持リング１４の内部に嵌合し、両テーパー面１７，１８を密着させた状態で、前記保持リング１４の下面に下方からボルト１９にて固定した前記支持リング１６の内周部に、上方からボルト２０にて引き付けて固定している。尚、前記ウエイト体７は、前記保持リング１４の上面に載置した状態で、下方よりボルト２１にて連結している。
【００２８】
図３に示すように、前記駆動軸９は、前記定盤１５の中心に形成した軸受孔８を貫通させ、複数のアンギュラベアリング２２，…によって、定位置で回転可能に支持している。また、前記従動軸１０も前記定盤１５の半径部に形成した軸受孔２３に複数のアンギュラベアリング２４，…によって、定位置で回転可能に支持している。そして、前記偏心駆動軸１１は、前記振動体５の中心に形成した軸孔２５に複数のアンギュラベアリング２６，…によって回転可能に取付けている。また、前記偏心従動軸１２も前記振動体５の半径部に形成した軸孔２７に複数のアンギュラベアリング２８，…によって回転可能に取付けている。ここで、前記駆動軸９の中心に対する前記偏心駆動軸１１の中心の偏差は、本実施形態では５ｍｍに設定するとともに、前記従動軸１０の中心に対する前記偏心従動軸１２の中心の偏差も５ｍｍに設定している。従って、前記振動体５の最大振幅は１０ｍｍとなっている。
【００２９】
また、前記駆動軸９の下端は、カップリング２９を介して前記駆動モータ４の回転軸３０に連結されている。尚、前記カップリング２９として、非接触で前記駆動軸９と前記回転軸３０を回転に対して連結できるマグネットカップリングを採用することで、前記駆動モータ４の振動が駆動軸９を介して加工容器Ｋ、ひいては被加工物Ｗに直接伝達しないようにしている。また、前記駆動モータ４は、前記定盤１５の下面に、制振構造の取付部材３１を介して取付けている。
【００３０】
また、図１に示すように、前記振動吸収体３として空気バネを用いた場合、エアーポンプ３２から複数の圧力ホース３３，…で各空気バネ３に圧縮空気を供給し、前記定盤体１を浮遊状態で支持するようになっている。
【００３１】
そして、前記駆動軸９を回転させると、偏心駆動軸１１が偏心回転し、それに同調して全ての偏心従動軸１２，…が偏心回転することで、前記振動体５を水平面内で揺動させるのである。従って、前記振動体５の上面のどの位置に加工容器Ｋを装着しても同じ振動を付与することができる。前記駆動軸９の回転数（振動体５の振動周期）は、５００〜２０００ｒｐｍの範囲とすることが好ましい。また、本発明で使用する超部粉体は、被加工物の材質に応じて加工速度が異なるので、被加工物に応じて最適な表面物性を有するものを使用すべきである。例えば、被加工物がシリコンウエハである場合には、平均粒径が１００ｎｍ〜５０μｍ、好ましくは１μｍ〜１０μｍのＳｉＯ2やＺｒＯ2を用いることが好ましい。尚、前述の超部粉末は、内部まで均一な物性を有するものでなくても、比較的粒度が揃い、入手が容易なＡｌ2Ｏ3やＧｅＯ2などの核となる超微粒子の表面に目的の物性を有する材料をコーティングして作製したものでも良い。本実施形態の装置では、前記振動体５の上面の垂直方向への振動は、１８００ｒｐｍの回転で最大振幅が１５μｍ以内となっている。
【００３２】
尚、前記加工容器Ｋを水平面内で回転運動を伴わない円運動と直線往復運動とを組み合わせて加振する場合には、前記振動体５の上面に図示しない直線往復運動装置を取付け、その上に加工容器Ｋを装着する。若しくは、直線往復運動装置の上に回転装置を載せて円運動と直線往復運動とを組み合わせて加振する。また、前記振動体５の上面で加工容器Ｋをゆっくりと回転させても良い。
【実施例１】
【００３３】
次に、前述の超精密鏡面加工装置を用いて、Ｓｉウエハの加工を行った結果を以下に示す。大きさが５０ｍｍ×１００ｍｍのＳｉウエハを、平面形状が５０ｍｍ×１００ｍｍの加工容器Ｋの底面に固定し、その上に平均粒径が約６μｍの水分子を吸着させたＳｉＯ2の粉末約２０ｇを載せ、駆動軸９の回転数１８００ｒｐｍで１２時間の加工条件で行った。ここで、前記ＳｉＯ2の粉末を上面が解放した容器に入れ、それを密封容器内に超純水を入れて実現した飽和水蒸気中に１２〜２４時間曝し、ＳｉＯ2の粉末に水分子を吸着させた状態で使用する。加工中、前記加工容器Ｋは密閉し、ＳｉＯ2の粉末が乾燥しないようにしている。乾燥したＳｉＯ2の粉末を用いると、Ｓｉウエハの表面は殆ど加工されないことが確認されている。
【００３４】
Ｓｉウエハの表面を加工前（図７）と加工後（図８）について原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結果を示す。（ａ）はＳｉウエハの表面ＡＦＭ像を示し、（ｂ）は表面凹凸の線分布を示している。図７の未加工面のＰＶ値は２．３９７ｎｍ、ＲＭＳは０．２１３ｎｍであったのが、図８の加工面のＰＶ値は１．１３０ｎｍ、ＲＭＳは０．０７７ｎｍとなり、本発明の超精密鏡面加工方法及び装置の優れた効果を確認できた。ここで、ＰＶ値は凹凸の最大値と最小値の差、ＲＭＳは二乗平均平方根粗さを表している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の超精密鏡面加工装置の全体斜視図である。
【図２】同じく縦断面図である。
【図３】要部の拡大縦断面図である。
【図４】各部品の平面配置を示す説明図である。
【図５】本発明の超精密鏡面加工装置の平面図である。
【図６】振動体の振動の様子を示す説明用平面図である。
【図７】Ｓｉウエハの加工前の表面観察結果を示し、（ａ）は表面ＡＦＭ像、（ｂ）は表面凹凸の線分布を示している。
【図８】Ｓｉウエハの加工後の表面観察結果を示し、（ａ）は表面ＡＦＭ像、（ｂ）は表面凹凸の線分布を示している。
【符号の説明】
【００３６】
Ｋ  加工容器                Ｗ  被加工物
１  定盤体                  ２  設置板
３  振動吸収体（空気バネ）  ４  駆動モータ
５  振動体                  ６  ベース体
７  ウエイト体              ８  軸受孔
９  駆動軸                  １０  従動軸
１１  偏心駆動軸            １２  偏心従動軸
１３  支持棒                １４  保持リング
１５  定盤                  １６  支持リング
１７  テーパー面            １８  テーパー面
１９  ボルト                ２０  ボルト
２１  ボルト                ２２  アンギュラベアリング
２３  軸受孔                ２４  アンギュラベアリング
２５  軸孔                  ２６  アンギュラベアリング
２７  軸孔                  ２８  アンギュラベアリング
２９  カップリング          ３０  回転軸
３１  取付部材              ３２  エアーポンプ
３３  圧力ホース
【図１】
2006021295.tif 000003
【図２】
2006021295.tif 000004
【図３】
2006021295.tif 000005
【図４】
2006021295.tif 000006
【図５】
2006021295.tif 000007
【図６】
2006021295.tif 000008
【図７】
2006021295.tif 000009
【図８】
2006021295.tif 000010