(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学平坦面または光学湾曲面の仕上げ切削工程及び仕上げ研磨工程ないし半導体表面および金属表面の光学的品質での平坦化工程に用いる高精度研磨ツールであって、
予め機械加工されたステンレス鋼製あるいはセラミック材製の複数の円筒型部材であって、円筒の周部に形成されたねじで互いに接続された円筒型部材を含み、
この円筒型部材は、
研磨用の二つ以上の材料を混合する混合モジュール、
前記混合モジュールの下側に接続され、一つまたは複数の回転加速チャンバを有するモジュールであって、前記一つまたは複数の回転加速チャンバは、前記一つまたは複数の回転加速チャンバの円筒形状の側壁部に機械加工される一対の出力インジェクタを含み、前記一対の出力インジェクタから供給される圧力ガスで前記混合された研磨用の二つ以上の材料を回転させながら加速する、モジュール、
前記モジュールの下側に接続され、前記圧力ガスによって加速された前記混合された研磨用の二つ以上の材料を出力する出力ノズル、
前記出力ノズルの下側に接続され、前記混合された研磨用の二つ以上の材料に含まれる研磨粒子が処理表面のみを擦るように、前記処理表面の径方向及び処理表面に平行な方向に均一な前記混合された研磨用の二つ以上の材料の流れを生成する放射ノズル、及び
前記高精度研磨ツールの底部に設けられ、前記圧力ガス及び前記混合された研磨用の二つ以上の材料で、前記高精度研磨ツールを浮上させるための流体層を生成する気体静力学サスペンションシステム
を備える高精度研磨ツール。
【請求項２】
前記混合モジュールは、多孔質キャビティによって前記研磨用の二つ以上の材料を混合する際の前記研磨用の二つ以上の材料の密度制御を行う、請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項３】
前記一つまたは複数の回転加速チャンバは、一つあるいは複数の円筒型キャビティで構成される請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項４】
前記気体静力学サスペンションシステムによって生成される流体層上を浮上し、一連の気体静力学ベアリングによって処理表面に対して位置決めを行う請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項５】
前記スロート装置は、出力ノズルの直径を制御する周方向にわたって連続的に形成されたインジェクタを備える請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項６】
前記出力ノズルは、ステンレス鋼製またはセラミック材製であり、スロートと、周方向にわたって連続的なインジェクタ、ステータ及び分配リングを有するジェット装置と、を備える請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項７】
前記放射ノズルは、ステンレス鋼製またはセラミック材製である請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項８】
前記円筒型部材は、さらに、前記気体静力学サスペンションシステムに設けられ、吸引装置により、余剰の研磨剤を吸い上げる研磨材料帰還環状溝を備える、請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項９】
前記円筒型部材は、さらに、前記出力ノズルと前記放射ノズルとの間に設けられ、前記出力ノズルの直径を制御するスロート装置を備える、請求項１に記載の高精度研磨ツール。
【請求項１０】
光学平坦面または光学湾曲面の仕上げ切削工程及び仕上げ研磨工程ないし半導体表面および金属表面の光学的品質での平坦化工程に用いる高精度研磨ツールであって、
予め機械加工されたステンレス鋼製あるいはセラミック材製の複数の円筒型部材であって、円筒の周部に形成されたねじで互いに接続された円筒型部材を含み、
この円筒型部材は、
研磨用の二つ以上の材料を混合する混合モジュール、
前記混合モジュールの下側に接続され、一つまたは複数の回転加速チャンバを有するモジュールであって、前記一つまたは複数の回転加速チャンバは、前記一つまたは複数の回転加速チャンバの円筒形状の側壁部に機械加工される一対の出力インジェクタを含み、前記一対の出力インジェクタから供給される圧力ガスで前記混合された研磨用の二つ以上の材料を回転させながら加速する、モジュール、
前記モジュールの下側に接続され、前記圧力ガスによって加速された前記混合された研磨用の二つ以上の材料を出力する出力ノズル、
前記出力ノズルの下側に接続され、前記混合された研磨用の二つ以上の材料に含まれる研磨粒子が処理表面のみを擦るように、前記処理表面の径方向及び処理表面に平行な方向に均一な前記混合された研磨用の二つ以上の材料の流れを生成する放射ノズル、及び
前記高精度研磨ツールの底部に設けられ、前記圧力ガス及び前記混合された研磨用の二つ以上の材料で、前記高精度研磨ツールを浮上させるための流体層を生成する気体静力学サスペンションシステムを備える、高精度研磨ツールを用いて行う、中硬度及び高硬度の様々な硬質材料の金属被膜及び薄膜が形成された表面の矯正切削、仕上研磨及び平滑表面の洗浄、半導体表面の研磨及び平坦化を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、光学装置表面ならびに半導体材料の平坦化のための矯正研磨／切削及び高精度な研磨の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品質な光学的研磨処理は、研磨する表面を平滑化し、波長の逆数に及ぶ精度で形状を矯正するために、その表面から物質を除去する工程を備える。
【０００３】
伝統的な研磨方法(R.N. Wilson “Reflecting Telescope Optics II, Manufacture, Testing, Alignment Modern Techniques”, Springer Verlag, 1999 and Wilson S. R. et al. SPIE VOl 966, 74, 1988)としても知られている従来の研磨方法は、まず、樹脂(pitch)やポリウレタン等で製造された接触具(contact tool)を用いる。この接触具は、処理表面に正確に接触し、スラリー（懸濁液）の層によって処理表面を擦る。これらの研磨処理は、手動であり、かつ、処理が遅い傾向があり、また、研磨具は、研磨処理中に生じる温度や応力により曲がってしまう傾向があった。この結果、研磨用微粒子や除去された材料で研磨具をすり減らしていた。
【０００４】
これらの処理方法は、能動的に変形可能な研磨具であって、非球面(aspheric surface)の研磨を容易にする、いわゆる“圧迫ラップ(“stressed lap”)”研磨具によって解決されている。しかしながら、これらの方法は複雑であり、また、処理表面の端部を正確に研磨することが不可能であって、端部の欠損が必然的に生じるという一つの欠点があった。
【０００５】
幾つもの新しい方法が開発され、光学装置表面の仕上研磨が可能になってきた。その例として、イオンビーム成形、電磁レオロジー研磨、及び、流体ジェット研磨などが挙げられる。各方法の特徴及び欠点は、次の通りである。
【０００６】
イオンビーム法(USP 5,969,368 及び USP 5,786,236)は、平行イオンビームを用いて、処理表面に衝撃を与える方法に基づいている。この方法では、不活性ガスが研磨表面から物体を取り除く。
【０００７】
端部の欠損を生じさせることなく、非球面を研磨することが可能であるが、処理表面に垂直にイオンを衝突させるため、処理表面の微細な粗さは改善されていない。この技術では、前の処理で切削され研磨された表面の仕上研磨だけが達成される。この処理は、処理表面の誤差マップに基づき、表面誤差を反復的に矯正する。
【０００８】
この方法には、少なくとも処理表面の大きさを有する真空容器が必要なので、高価かつ複雑な処理の方法である。
【０００９】
電磁レオロジー流体研磨法(USP 5,971,835 及び USP 6,106,380)は、回転シリンダの周部に、研磨物質を含む磁気流体を閉じ込める方法に基づいており、この回転シリンダは、磁界が強まると研磨具を構成する。研磨の効果は、回転シリンダ上を流れる硬化した磁気レオロジー研磨流体内における処理片(working piece)の動作を制御することにより達成される。
【００１０】
この方法の他の形態では、磁界によって得られる磁気レオロジー研磨流体のビームを平行化する工程と、このビームを処理表面に衝突させる工程とを備える。
【００１１】
この方法は、処理表面に環状の模様(footprint)を残すが、研磨される領域は小さい（５ｍｍ以下である）。このことが、この方法がマイクロスコープやカメラのレンズのような小さい光学製品に工業的に適用されることの足枷になっている。この方法は非常に高価である。
【００１２】
流体ジェット研磨法(FJP) (Booij, S.M., Optical Engineering, Aug. 2002, Vol. 41, no. 8, pp 1926-1931 and Booij, S. M. et al., I.OF & T conference, Tucson, June 2002, pp. 52-54 and O. Faehnle et al. Appl. Optics 38,6771-673, 1998)は、流体に基づく最初の研磨技術である。この方法は、研磨流体により、処理表面に擦り切れ傷(wear)を生成する。ビームは、ノズルを通じて、処理表面に対してある角度および距離をおいて処理表面に向けられる。この研磨方法は、処理表面に生成される模様が一定方向のものであり、かつ、軸対称でないため、ある欠点を露呈する。この方法で研磨できるのは小面積の表面のみであり、この方法に用いるツールは、大面積の光学製品の技術分野で求められる高精度な研磨を充足できないという欠点を露呈している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
技術的課題
高精度光学的研磨及び微細電子工学の技術分野、特に、半導体ウェハの精密な平坦さ、切削処理及び研磨処理は、一連の近代的な技術を用いているが、その技術には次のようなある程度の欠点がある。
【００１４】
ラップ研磨(Lap polishing)（比較的古い技術）：
・この方法は硬度の高い材料にのみ有用である。
・処理表面は工具による押圧で変形する。光学製品に固定支持具を用いることが必要である。
・ラップ工具は、接触材料に半柔軟性があるために、端部の欠損を生じがちである。また、研磨される表面の端部近傍において工具による支持が足りないという欠点がある。
・局所的な矯正(zonal corrections)を行うためには、大きさの異なる工具に変える必要性がある。
・この方法は、単振動装置を用いており、この装置はデカルト装置(Cartesian machine)の優位性を備えていない。
【００１５】
流体ジェット研磨(Fluid Jet Polishing: FJP)
・現在のところ、直径１〜８ｍの大面積を研磨することは不可能である。
・物質除去率は、本発明によって得られる物質除去率の１００分の１から１０００分の１程度である。
・工具が表面に形成する模様(tool footprint)は、処理表面の径方向において対称性を有しない。入射表面に均一な環状の模様(print)を形成することができない。即ち、ｘ方向の模様はｙ方向の模様とは異なる。これにより工具の扱いが困難となり、また、処理表面の取り扱いも困難なものとなる。
【００１６】
電磁レオロジー研磨(Magnetorheological polishing):
・この方法の主な課題は、生成できる模様(footprint)が小さいことである。
・入射面に均一な環状の模様を形成することは不可能である。即ち、模様に軸対象性がない。これにより、工具の扱いが困難となり、また、処理表面の取り扱いも困難なものとなる。
【００１７】
イオンビーム成形(Ion beam figuring):
・少なくとも研磨処理を行う表面の大きさより大きい真空容器が必要である。
・研磨処理中に光学的干渉試験を行うことはできない。これにより、研磨／試験処理を反復的に行うことが困難になっている。
【００１８】
有効的な研磨技術及び切削技術の一つの欠点は、高品質で高精度な光学製品表面を得るためには、複数の研磨技術を用いることが必要なことである。現状として、これらの技術は異なる場所で行われるため、処理工程は困難なものとなり、また、製造コストの上昇を招いている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本明細書に開示した発明及び背景技術の理解をより深めるために、以下の文言を定義する。
成形(Figuring)：通常、剛体、柔軟体または流体の研磨手段による数理的等式を用いて固体の３次元表面を形成する工程をいう。最終誤差は１００μｍ前後である。
切削(Grinding)：表面を成形した後に用いる工程であり、硬度の高い微細粒子を剪断(shearing)、切断(cutting)または衝突(impacting)作用により固体表面から物質を除去する工程をいう（最終誤差は１−１０μｍである）。
仕上研磨(Fine Polishing)：表面誤差及び微細粗さが２０ｎｍより小さい鏡面に仕上げる最終工程をいう。
安定性(Stability)：処理中における均一な磨耗模様(footprint)を保持するための装置の能力をいう。
再現性(repeatability)：何度も繰り返される処理において均一な磨耗模様(footprint)を保持するための装置の能力をいう。
均一性(Uniformity)：円状の範囲内において均一な磨耗模様(footprint)を保持するための装置の能力をいう。
【００２０】
本明細書に開示された装置は、処理表面(working surface)と接触することなく低コストで提供できる研磨フラックス及び新たな懸濁液（suspension）システムにより、多様な素材の矯正研磨(corrective lapping)及び仕上研磨に役立つものである。本装置は、直径が２メートルまでの平坦面あるいは湾曲面を研磨することができる。本装置は、研磨処理中におけるエッジの欠損や装置のツールによる引掻き傷ないしツールの変形を避けることができるという有利な効果を有する。装置の処理パラメータを制御することにより、研磨処理は再現性のあるものとなり、光学装置表面及び半導体表面における高度な精度及び正確性を達成することができる。除去率は毎分１〜３００ｎｍ／ｃｍ２である。
本装置は、処理表面を取り除くことを必要とせずに、研磨処理中に、干渉品質試験及び測定を行うことができる。
【００２１】
本発明の詳細な説明
本発明の研磨原理は、処理表面の径方向のフラックスに基づいており、光学製品や半導体の表面の仕上切削及び研磨に有益な流体力学研磨具に関する。処理表面と接触することなく、高い光学的性能を提供することが可能である。
【００２２】
このツールは、スラリー（懸濁研磨粒子）に回転運動エネルギを与える圧力ガス（空気）によって推進されるスラリーを提供する。さらに、研磨粒子を処理表面の径方向および処理表面に平行な方向に拡散させ、研磨粒子に処理表面を擦らせる。
【００２３】
本発明は、光学製品の平坦面あるいは湾曲面における仕上げ用の高精度切削及び研磨に有益であり、また、半導体表面、金属表面または樹脂表面を高い精度で平坦化する工程にも有益である。本発明のツールは、可動部品を備えず、ステンレス鋼及び耐研磨セラミック材料で構成される幾つかの部品を含む。
【００２４】
このツールを用いれば、直径１ｍまでの処理表面を切削／研磨することが可能である。また、このツールを２つあるいはそれ以上配列させれば、さらに面積の大きい表面を処理することが可能である。本発明のツールは、様々な面積の表面を処理可能であるため、小さな光学部品や大面積の高精度処理、さらには光学的品質での半導体表面の平坦化に適用することができる。
【００２５】
本発明のツールは、機械加工された円筒型のステンレス鋼製あるいはセラミック材製の各ステージを備え、これらはモジュラー型で、交換可能なツールである（図１参照）。積層されている各ステージは、ツール本体の円筒の周部内に配設される一対のねじによって互いに固定されている。このツールは、混合ステージ（Ａ）、一つあるいは複数の回転加速ステージ（Ｂ）、気体静力学サスペンション（懸濁）システム(aerostatic suspension system)（Ｃ）、スロート装置(throat actuator)（Ｄ）、出口ノズル（Ｅ）、放射ノズル(divergent radial nozzle)（Ｆ）、及び、材料帰還環状溝(annular material recovering groove)（Ｇ）を備える。
【００２６】
混合ステージ（Ａ）は、多孔質キャビティ（Ｈ）によりフラックス密度(flux density)を制御する。加速チャンバ（Ｂ）は、一つあるいは複数の円筒型キャビティ（Ｉ）で構成されており、流体力学的に最適化された形状を有する。この円筒型キャビティ（Ｉ）は、円筒の周部に沿って機械加工された複数の出力インジェクタ（Ｊ）を有する。
【００２７】
気体静力学サスペンション（懸濁）システム（Ｃ）は、流体クッションを生成する。この流体クッションは、ノズル（Ｄ）の放射部の周部に配設された一連の気体静力学ベアリングによって、処理表面（Ｋ）に対するツールの位置決めを可能にしている。
【００２８】
スロート装置（Ｄ）は、周方向にわたって連続的に形成されたインジェクタであり、出口ノズルの直径を制御する。
【００２９】
出口ノズル（Ｅ）は、ステンレス鋼製あるいはセラミック材製の装置であり、流体力学的に最適化された形状を有する。この出口ノズル（Ｅ）は、スロート及びジェット装置を有し、周方向にわたって連続的に形成されたインジェクタ、ステータ及び分配リングによって構成される。
【００３０】
放射ノズル（Ｆ）は、ステンレス鋼製の装置であり、処理表面（Ｋ）に対して均一で平行なフラックス(flux)を生成することにより、研磨粒子が処理表面のみを擦るように構成されている。
【００３１】
材料帰還環状溝（Ｇ）は、研磨処理中に生成された余剰の研磨材料を吸引装置によって回収する。
本発明のツール（Ｉ）は、ハイドロニューマチック制御システムによって材料供給を受ける（図２参照）。このハイドロニューマチック制御装置は、液体（Ａ）供給システム及びガス（Ｂ）供給システムで構成される。液体供給システムは、恒久撹拌容器（Ｃ）、十分な性能を有するポンプ、帰還ライン付液体ライン、圧力調整器及び電子弁を備える。
【００３２】
ガス供給システムは、ガスタンク（Ｄ）、コンプレッサ、各アーム（Ｅ、Ｆ、Ｇ）にそれぞれ圧力調整器を有する３アーム型マニホールド、及び、可変フラックス制限装置（Ｈ）付の副枝路を有する。
【００３３】
図３は、ツールの動作を例示的に示す図である。
ツール（Ａ）は、数値制御されるデカルト(Cartesian)または極性ＣＮＣ(polar CNC)装置（Ｂ）に据え付けられている。このシステムは、供給タンク（Ｃ）、及び、一連のセンサと変換器を備える。これら供給タンク（Ｃ）と一連のセンサ及び変換器においては、制御システム（Ｄ）によってツールの全ての動作パラメータが調整される。コンピュータ（Ｆ）は、ツールを調整するとともに、ユーザインターフェイスによりＣＮＣ装置を調整する。
【００３４】
例示的な形態
この新規な流体力学系方向研磨ツールは、制御された擦り模様で光学装置表面を局部的に研磨することができる。この流体力学系方向研磨ツールは、様々な形式や大きさの研磨粒子を用い、様々な速度及び処理表面に対するツールの様々な高さにおいて、一連の性能試験に供されてきた。
【００３５】
このツールを直径が１５〜２０ｃｍの間の様々な処理表面に適用した試験結果を示す。
図４は、本発明のプロトタイプのツールを用いて初期の研磨試験を行った研磨実験室を示す。挿入図は、据え付けた研磨ツールを備える研磨装置の拡大図である。研磨ツールが据え付けられているところには、ｒ−θ−ｚ装置が示されている。ツール全体は透明の封入されたカバーの内部に配設されている。供給ライン、放電容器及び制御システムも写っている。
【００３６】
図５及び図６は、実験で得られた固定的な擦り模様(static wear footprint)のフーコーグラム(foucaultgram)及びインターフェログラム(interferogram)を示す。
図７は、本発明のツールの性能によって得られる一対の環状の溝の横断方向の擦り傷模様の断面構造と、理論値とを示す。
図８及び図９は、２つの光学的計測方式で図７に示す処理表面を測定した結果を示す。
【００３７】
ここに示すツールは、シュミット表面(Schmidt surface)を矯正する工程のような非球面の研磨に用いることができる。
図１０は、ここに示す表面を生成する際にツールの制御装置をプログラムするために用いた表面の数値的シミュレーション値を示す。
図１１は、コンピュータによる再構成結果を示しており、本発明のツールによって研磨されたシュミット表面(Schmidt surface)の波面を光学的干渉解析した結果を示す。表面精度は１３ｎｍ（ｒｍｓ：二乗平均の平方根による値）である。観測された跡は、位相解析誤差に対応しているが、波面誤差には対応していない。
【００３８】
図１２は、本発明のツールを用いて研磨した表面の微細インターフェログラムを示す。
計測器は、２ｎｍまでの表面誤差を検出することができる。縞模様の歪みは微細な粗さである約２５ｎｍ（ｒｍｓ：二乗平均の平方根による値）である。研磨粒子には直径が５μｍのものを用いた。
【００３９】
図１３は、様々な大きさ及び材質の研磨粒子を用いて、本発明のツールで研磨した表面の縞模様の歪みを光学的干渉解析した結果を示す。一番右は比較用の光学板の表面における縞模様を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のツールを示す。
【図２】本発明のツール及びハイドロニューマチック制御システムを示す。
【図３】ツールの動作を例示的に示す図である。
【図４】本発明のプロトタイプのツールを用いて初期の研磨試験を行った研磨実験室を示す。
【図５】実験で得られた静的な擦り模様のフーコーグラム及びインターフェログラムを示す。
【図６】実験で得られた静的な擦り模様のフーコーグラム及びインターフェログラムを示す。
【図７】本発明のツールの性能によって得られる一対の環状の溝の横断方向の擦り傷の断面構造と、理論値とを示す。
【図８】２つの光学的計測方式で図７に示す処理表面を測定した結果を示す。
【図９】２つの光学的計測方式で図７に示す処理表面を測定した結果を示す。
【図１０】表面を生成する際にツールの制御装置をプログラムするために用いた表面の数値的シミュレーション値を示す。
【図１１】本発明のツールによって研磨されたシュミット表面の波面をコンピュータで再構成した光学的干渉解析結果を示す。
【図１２】本発明のツールを用いて研磨した表面の微細インターフェログラムを示す。
【図１３】様々な大きさ及び材質の研磨粒子を用いて、本発明のツールで研磨した表面の縞模様の歪みを光学的干渉解析した結果を示す。
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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