(57)【要約】      （修正有）【課題】光電材料や半導体など機能性硬脆材料を高能率でダメージフリーの鏡面に加工するための環境にやさしい加工技術を提供する。【解決手段】加工工具の２次元超音波微振動がヘッドの加工面に垂直な方向の縦振動と加工面に平行な方向の横振動の同時発生によって引き起こされる加工法において、固定砥粒加工工具を貼り付けた２次元超音波振動加工ヘッドを用いて定圧か定切込加工を行う。加工工具は工作物材料と化学反応を示す砥粒と添加剤およびこれら粒子を固めるための結合剤から構成されるものであって、各構成成分の種類と混合比率は、工作物と化学反応が発生しやすいように決定され、加工工具は薄い円盤形、四角形、リング状などの形状を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工工具の2次元超音波微振動がヘッドの加工面に垂直な方向の縦振動と加工面に平行な方向の横振動の同時発生によって引き起こされる加工法において、固定砥粒加工工具を貼り付けた2次元超音波振動加工ヘッドを用いて定圧か定切込加工を行うことを特徴とする加工法。
【請求項２】
請求項１における加工工具は工作物材料と化学反応を示す砥粒と添加剤およびこれら粒子を固めるための結合剤から構成されるものであって、各構成成分の種類と混合比率は、工作物と化学反応が発生しやすいように決定され、また、薄い円盤形、四角形、リング状などの形状を有する加工工具。
【請求項３】
一定の圧力を加えるかもしくは一定の切込量を与えるかによって、加工工具と工作物を干渉させて、工作物を自転させながら加工工具を工作物周速に垂直な方向に往復運動をさせることによって加工を行うことを特徴とする超音波援用化学・機械複合加工法。
【請求項４】
一定の圧力を加えるかもしくは一定の切込量を与えるかによって、加工工具と工作物を干渉させて、加工工具と工作物とも自転させながら加工工具を工作物周速に垂直な方向に往復運動をさせることによって加工を行うことを特徴とする超音波援用化学・機械複合加工法。
【請求項５】
一定の圧力を加えるかもしくは一定の切込量を与えるかによって、加工工具と工作物を干渉させて、加工工具を自転させながら工作物加工面上に適宜な二次元走査運動をさせることによって加工を行うことを特徴とする超音波援用化学・機械複合加工法。
【請求項６】
一定の圧力を加えるかもしくは一定の切込量を与えることによって加工工具と工作物を干渉させて、円盤状工作物を自転させながら一定の傾斜角を持つ工作物のエッジ部に沿って加工工具を適宜な速度で往復運動させることによってエッジ部加工を行うことを特徴とする超音波援用化学・機械複合加工法。
【請求項７】
一定の圧力を加えるかもしくは一定の切込量を与えることによって、加工工具と工作物を干渉させて、加工工具を自転させながら三次元形状の工作物表面上に適宜な三次元走査運動を相対的にさせることによって加工を行うことを特徴とする超音波援用化学・機械複合加工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電材料や半導体など機能性硬脆材料の高能率鏡面加工技術（方法と装置）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波援用加工とは、工具側か工作物側に一次元か二次元の超音波微振動（周波数は数kHz〜数十kHz、振幅はサブミクロン〜数十ミクロン）を付与しながら工具と工作物間に相対運動（円運動や直線運動など）を与え、切れ刃の微小切削作用によって工作物材料を機械的に除去するユニークな除去加工法である。
【０００３】
この方法では、工具と工作物間の相対的な超音波微振動によって、切れ刃の切込深さと運動軌跡が周期的に変動し、切りくずの微細化が促進され、また切れ刃の断続的な切込作用で切れ刃と工作物間の摩擦係数が低減される。これによって、加工力が小さくなり切りくずの排出が容易になる。また、超音波振動の加速度が極めて大きく、それによる強い衝撃力で切れ刃上への切りくず付着が軽減されて、工具切れ味が長く維持される。これらのメリットのため、超音波援用加工技術が広く応用されてきている。特に、２次元超音波微振動がより大きな効果がある（非特許文献1）。
【０００４】
一方、半導体の製造工程においては、(1)結晶成長（インゴッド引き上げ）、(2)切断、(3) Vノッチ付け、(4)べべリングおよび面取り、(5)ラッピング、(6)エッチング、(7)ポリシング、(8)洗浄といったプロセスがある。その中のラッピングが遊離砥粒法で、ラップ剤の使用によるウエハ自身と加工機の汚れが問題であり、ウエハと加工機の洗浄とラップ剤の廃液処理に高いコストがかかる。また最近、半導体デバイスの積層化が進むにつれ、シリコンウエハの裏面研削による薄片化が盛んになっている。裏面研削は、主として粗粒ダイヤモンド砥石を用いる粗研削と微粒ダイヤモンド砥石を用いる仕上げ研削があり、高い加工能率で鏡面が得られるが、加工力が大きいため、厚い破壊層と変質層が生成されやすい。
【０００５】
シリコンウエハ加工製作の最終仕上げ工程としてのポリシングは、主として化学・機械研磨（CMP）によって行われている（非特許文献2）。この方法では、ウレタンゴムなど軟質研磨パッドを一定の圧力でシリコンウエハへ押し当てて、ノズルからCMPスラリ（微細砥粒や一定のPH値を有する化学酸化剤および水質溶媒から構成されたコロイダル液体）を研磨パッドとシリコンウエハの接触領域に供給しながら、シリコンウエハに対する研磨パッドの相対円運動をさせることによって研磨を行う。研磨中、化学酸化剤によるエッチングと砥粒の微細切削の複合作用によって材料が除去され研磨が進行する。この種の加工法は、極めて高い表面品質が得られ、またシリコン以外の材料でもその材料に合ったスラリを使用すればシリコンと同様に高い表面品質の加工になるため、広く応用されている。
【０００６】
そこで、遊離砥粒法のラッピングやダイヤモンド砥石による裏面研削における問題を解決するために、CMPにおける加工原理を鑑みて、化学・機械複合研削という固定砥粒法によるシリコンウエハのダメージフリー高平坦化加工法が提案されている（特許文献2および非特許文献3）。この方法は、シリコンと化学反応性のある砥粒（CeO2, SiO2など）および添加剤（Na2CO3, CaCO3など）を樹脂結合剤で固めてできた複合砥石を用いて、定圧か定切込み方式で研削を行うものである。この種の複合砥石を用いる固定砥粒法によって、ラッピングにおけるラップ剤の処理と洗浄およびダイヤモンド研削におけるダメージ層の形成といった問題が解決されている。
【特許文献１】特開2002-355763号
【非特許文献１】Z. Liang, Y.Wu, T.Sato and W.Lin, X. Wang and W. Zhao, Two-dimensionalUltrasonically Assisted Grinding of Monocrystal Silicon, Proceedings of LEM21,pp.535-540, 2009.
【非特許文献２】土肥俊郎, 黒河周平. CMP技術の来し方行く末. 精密工学会誌，75(1)  pp.76-77，2009.
【非特許文献３】周立波, 河合真二, 本田将之, 清水淳, 江田弘, 焼田和明. SiウエハのChemo-Mechanical-Grinding(CMG)に関する研究 : 第1報 : CMG砥石の開発. 精密工学会誌，68(12)，pp.1559-1563，2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、化学・機械複合研削といった方法は、化学作用を援用した固定砥粒法であるため、ラッピングやポリシングと比べ廃液処理が不要となり環境にやさしくコストの低い加工法である。一方、ダイヤモンド研削と比べ加工力が低く抑えられ、光電材料や半導体など機能性硬脆材料のダメージフリー加工が実現される。しかし、砥石の目詰まりと加工面の焼きつきが発生しやすく、材料除去率がまだ低いといった諸問題がある。このように、光電材料や半導体など機能性硬脆材料を高能率でダメージフリーの鏡面に加工するための環境にやさしい加工技術が強く求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題解決のために本発明では、２次元超音波援用加工と化学・機械複合研削それぞれの特徴に鑑みて、機能性硬脆材料の高能率ダメージフリー鏡面加工に適したいわゆる２次元超音波援用化学・機械複合加工技術を開発する。
【０００９】
図1に、本発明で提案した新しい加工法の加工原理を示す。横振動4aと縦振動4bが同時に発生し、両者の合成で下端面がXY平面内に2次元超音波微振動4をする加工ヘッド1の下端面にシート状固定砥粒工具2を貼り付ける。この加工工具が工作物材料と化学反応を示す研磨粒子と添加物を含有し、また薄い四角形、円形、リングなどの形状にされている。
【００１０】
いま、この加工工具を2次元超音波微振動（超音波楕円運動4）させながら、工作物3に一定の圧力Pで押しつけるか、一定の切込量apで切り込むことによって干渉させ、また両者間に相対運動を与えると2次元（楕円）超音波援用化学・機械複合加工が行われる。なお、ここでの相対運動は、超音波加工ヘッドの自転運動5、工作物の自転運動6、工作物に対する加工ヘッドのX方向往復運動7とZ方向往復運動9、などの単一運動か複数運動の組合せによって与えられる。
【００１１】
表１に、各加工物材料の化学・機械複合加工に適した研磨粒子の種類を示す。加工ヘッドの形状・寸法は、工作物の形状・寸法や要求加工特性に応じた剛性と超音波楕円振動の振幅・周波数を考慮して適宜に決定する。いま、この加工工具を2次元超音波微振動（超音波楕円運動4）させながら、工作物3に一定の圧力Pで押しつけるか、一定の切込量apで切り込むことによって干渉させ、また両者間に相対運動を与えると2次元（楕円）超音波援用化学・機械複合加工が行われる。
【表１】
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【００１２】
なお、ここでの相対運動は、以下の1)、2)、3)が考えられる。超音波加工ヘッドの自転運動5、工作物の自転運動6、加工ヘッドのX方向の往復運動7とZ方向往復運動9、などの単一運動か複数運動が考えられる。
1) 平面加工
a. 工作物が自転し、加工ヘッドがX方向に往復運動する。
b. 工作物と加工ヘッドとも自転し、加工ヘッドがX方向に往復運動する。
c. 工作物と加工ヘッドとも自転し、加工ヘッドがXY平面（加工面）内に所定の経路で走査運動する。
d. 加工ヘッドが自転し、工作物がXY平面（加工面）内に所定の経路で走査運動する。
e. 加工ヘッドが自転し、かつXY平面（加工面）内に所定の経路で走査運動する。
f. 複数の加工ヘッドは、円盤状ホルダに一定の偏心量で固定され、円盤の自転に伴い円盤回転軸の周りに公転しながら、工作物が自転する。
2) ウエハエッジ部（円錐面か円筒面）の加工
工作物（ウエハ）が自転し、加工ヘッドはその軸線がエッジ部に垂直になるように傾斜装着され、エッジ面母線に沿って往復運動するかもしくは自転する。
3) 三次元表面の加工
加工ヘッドが三次元形状の工作物表面をなぞって適宜な三次元走査運動をする。このとき、加工ヘッドは自転と非自転の2方式があり、また加工物も自転と非自転の2方式がある。
【発明の効果】
【００１３】
加工工具に2次元超音波微振動を付与することで、加工能率の向上や加工面粗さの減少および加工点温度上昇の抑制など好効果が多い。また化学・機械複合研削といった乾式固定砥粒法であるため、環境にやさしいダメージフリーの鏡面加工となる。本発明によって、シリコンウエハの裏面研削やエッジトリートメだけではなく、サファイアや石英ガラスおよび次世代半導体SiC素子などの機能性光・電子材料性デバイスの加工製作も高能率超精密ダメージフリーで行われる。さらに、超音波工具と加工物の相対運動を適宜に設けることで平面や曲面など多岐の形状も加工可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】2次元超音波援用化学・機械複合加工の概念図
【図２】加工ヘッド自転式平面加工の概念図
【図３】加工ヘッド公転式平面加工の概念図
【図４】ウエハエッジ部加工の概念図
【図５】3次元自由曲面加工の概念図
【図６】相対運動パターン1)aの実施形態における加工装置の構成概略と加工方法
【図７】超音波加工ヘッドの構造寸法
【図８】加工ヘッドの超音波楕円運動測定例（印加電圧：150V，15.3kHz；振幅単位：μm）
【図９】超音波なし時と異なる超音波モード援用時の表面粗さRa[μm]と材料除去量MRR[μm]
【図１０】超音波援用有無における工作物表面の顕微鏡写真
【発明を実施するための形態】
【００１５】
相対運動パターン1)aの実施形態を図1に示す。超音波加工ヘッド1が加工力測定装置11を介してユニットホルダ10に固定され、切込み深さapか圧力Pで工作物3と干渉させたまま、自転運動6をする工作物の表面上にX方向の往復運動7をさせることによって平面加工を行う。この場合、加工ヘッドが自転しない。
【００１６】
相対運動パターン1)b〜eの実施形態を図2に示す。これら実施形態における加工ヘッドの自転運動は、自転型加工ユニット22によって実現される。このユニットは、加工ヘッド1、ヘッドホルダ12、与圧ばね15、ベアリング13、14、支持ボディ16、ブラシ17、 18、スリップリング20, 21、電気モータ19から構成され、切込み深さapか圧力Pで工作物3と干渉させたまま、パターン1)b〜eで相対運動をさせることによって平面加工を行う。この場合、加工ヘッドへの電圧は、電源装置（図示なし）からの電力をスリップリング・ブラシを介して印加することによって供給され、加工ヘッドの自転運動はヘッドホルダ12に連結している電気モータ19によって与えられる。
【００１７】
図3に相対運動パターン1)fの実施形態を示す。固定砥粒工具2を貼り付けた複数の加工ヘッド1は、加工力装置11およびユニットホルダ10と23を介してロータリホルダ24端面上の半径Rの円週上に均等分布させ、ロータリホルダの回転軸25の自転運動26に伴いロータリホルダ軸周りの公転運動をする。工作物に対する加工ヘッドの相対運動は、これら加工ヘッドの公転運動以外に、工作物の自転6、研磨ヘッドの工作物加工面上の1次元（X方向かZ方向）か2次元（XとY方向同時）運動を加えて得られる。この方式は、大口径ウエハの高効率加工に適している。
【００１８】
図4に、相対運動パターン2)の実施形態を示す。工作物（ウエハ）3が自転6をし、加工ヘッド1はその軸線がウエハ表面と角度θをなしているウエハエッジ部に垂直になるように傾斜装着され、エッジ部母線（X方向）に沿って往復運動7をする。切込み深さapか加工圧力Pで両者を干渉させながら、加工ヘッド端面上の固定砥粒工具2に超音波楕円振動4をさせると、エッジ部の超音波援用化学・機械複合加工が行われる。
図5に、相対運動パターン3)の実施形態を示す。自転型加工ユニット22における加工ヘッドを切込み深さか加圧力で工作物に干渉させたまま、三次元形状の工作物表面3をその接線方向27になぞって走査運動をさせることによって加工を行う。このとき、加工ヘッドは自転と非自転の2方式があり、また加工物も自転と非自転の2方式がある。
【００１９】
相対運動パターン1)aの実施形態における加工装置の構成概略と加工方法を図6に示す。工具と加工物の干渉は、一定の加工圧力によって与える。
本装置においては、超音波加工ヘッド1はリニアモーションウェー10aと力センサ11aとそのホルダ10bを介してユニットホルダ10上に支持され、その下端面に薄いディスク状固定砥粒工具2（φ6mm×1mm）を貼り付けている。力センサ11aと記録計11bからなる力測定装置11を用いて加工圧力Pを設定する。リニアモーションウェーの上下両端にコイルばね10cを設けて加工ヘッドの弾性支持を実現し、工作物3上下方向の装着誤差による加工中の加工力変動を吸収する。工作物を縦型スピンドルの上端に設置した真空チャック28によって保持され、スピンドルによって回転駆動される。なお、水平方向に直線運動するリニアモーションアクチュエータ29（THK製GL-15、ストローク220mm，速度範囲1-200mm/s，位置決め精度15μm）上にホルダを固定しており、このアクチュエータの作動によって加工ヘッドを工作物表面上に左右往復運動させる。
【００２０】
超音波加工ヘッドが4極に分極された圧電素子（PZT）を金属弾性体（SUS304）に貼り付けた構造となっており、その構造寸法を図7に示すようになっている。加工ヘッドの端面に超音波楕円運動を引き起こすために、その縦振動と屈曲振動を同じ周波数で同時に引き起こす必要がある。そこで、この加工ヘッドの縦1次振動数と屈曲4次振動数が同じになるように、有限要素法で各寸法を表2に示すように決定した。図7と表2の構造寸法では、周波数の設計値とインピーダンスアナライザによる実測値がそれぞれ15.773kHzと15.3kHzであった。
【表２】
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【００２１】
いま、信号発生器32からの2相の交流信号（位相差φ、周波数は加工ヘッドの縦1次振動数と屈曲4次振動数の近傍にあるもの）をそれぞれ電力増幅器30と31で増幅した後に圧電素子に印加すると、この加工ヘッドは、縦1次振動モードと屈曲4次振動モードが同時に励振され、両者の合成でその端面に超音波楕円運動4が発生する。楕円運動の形状と大きさは、印加電圧の周波数と振幅および位相差によって変化する。図8に、加工ヘッド端面上の楕円運動発生の実測例を示す。実測では、2台のレーザドップラー振動計(小野測器製LV-1610)と1台のベクトル演算器およびデジタルマイクロスコープ（岩通製LT364L）からなる測定システムを用いた。図より明らかなように、位相差によって形状が大きく変わる。
【００２２】
表3の実験条件で図7の装置を用いて加工テストを行った。加工ヘッドへの印加電圧は、その振幅と周波数をそれぞれ150Vと15.3kHzに固定し、位相差をφ=0°，155°，180°に変えた。図9の測定結果からわかるように、位相差をφ=0°，155°，180°にするときに、固定砥粒工具がそれぞれ横振動（B4）、楕円振動（L1B4）、縦振動（L1）など異なるモードで超音波振動する。固定砥粒工具は、粒度#3000のCeO2砥粒を樹脂結合剤で固めた薄いディスク砥石（φ6mm×1mm）で、常温硬化剤で加工ヘッド下端面上に固定している。研磨作業はいずれの位相差でも2時間で行い、研磨後の工作物表面粗さと表面状態を3Dレーザ顕微鏡（キーエンス製VK-8700）で測定・観察した。また研磨領域の研磨深さをもって位相差（振動モード）が材料除去量に及ぼす影響を調べた。
【表３】
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【００２３】
図9に、超音波振動なしと異なる振動モードで得られた工作物表面粗さと除去深さを示す。図よりわかるように、表面粗さRaと除去深さMRRが超音波援用なし（WithoutUA）ではそれぞれRa0.016μmとMRR0.737μmであるのに対し、超音波ありではそれRa0.005μm(L1B4モード)、Ra0.011μm(L1モード)、Ra0.007μm(B4モード)、MRR1.381μm(L1B4モード)、MRR1.044μm(L1モード)、MRR1.303μm（B4モード）である。いずれのモードでも超音波援用すれば表面粗さが小さくなり、材料除去量が大きくなる。一方、超音波振動モードについて比較すると、L1B4モード（楕円振動）では表面粗さがRa0.005μmと最も小さく、材料除去量がMRR1.381μmと最も大きいことがわかる。超音波楕円振動（L1B4モード）における表面粗さと材料除去量を超音波なし時のそれらと比較すると、超音波楕円振動を援用することによって、表面粗さが69％程度減少し、材料除去量が87％程度増大したことがわかる。
【００２４】
また各振動モードで加工した工作物の表面顕微鏡写真を図10に示す。図よりわかるように、加工面表面欠陥（図中の黒い点）は、超音波なしでは最も多く観察され、縦振動（L1モード）、横振動（B4モード）、楕円振動（L1B4モード）の順に少なくなるが、楕円振動援用による表面は欠陥がほとんど観察されずに最もよい状態となっている。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、光電材料や半導体など機能性硬脆材料を２次元（楕円）超音波援用化学・機械複合加工によって高能率で無欠陥の鏡面に加工する技術に関するものである。通常のダイヤモンド研削と比べると無欠陥の鏡面加工が容易に実現され、ダメージフリー加工に適しているメカノケミカル加工と比べると材料除去能率が高い。
【００２６】
したがって、加工物材料と化学反応性のある研磨粒子と添加物を含有する固定加工工具を使用すれば、結晶系太陽光発電セル用単・多結晶シリコン(Si）、半導体薄膜太陽光発電パネル用石英ガラス基板、LED照明用サファイア基板、パワーデバイス用SiC、ファインセラミックス製ピストンリング、アルミニウム基板、フェライトコア、ゲルマニウム（Ge）ウエハ、光・マイクロ波デバイス用化合物半導体材料のヒ素ガリウム（GaAs）など機能性非金属硬脆材料製素子の高能率、高精度、環境にやさしい加工製作に大きな役割を果たすことができる。
【符号の説明】
【００２７】
1…2次元（楕円）超音波加工ヘッド
2…固定砥粒工具
3…加工物
4a, 4b,4…超音波横振動, 縦振動, 楕円運動
5…加工ヘッド自転運動
6…工作物自転運動
7…X方向往復運動
8…Y方向送り運動
9…Z方向往復運動
10…ユニットホルダ
10a…リニアモーションウェー
10b…力センサホルダ
10c…弾性支持用コイルばね
11…加工力測定装置
11a…力センサ
11b…記録計
12…自転型加工ヘッド用ホルダ
13, 14…ベアリング
15…加工ヘッド与圧用ばね
16…支持ボディ
17, 18…ブラシ
19…電気モータ
20, 21…スリップリング
22…自転型加工ユニット
23…ユニットホルダ
24…ロータリホルダ
25…ロータリホルダ回転軸
26…ロータリホルダ自転運動
27…自由曲面接線方向
28…ロータリ型真空チャック
29…リニアモーションアクチュエータ
30, 31…電力増幅器
32…信号発生器
【図９】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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