(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が球形状を有する微細電極とし、他方の電極は被加工物の下部に配置し、微細電極の先端と被加工物とを接近した非接触状態に配置した間に、溶媒の主成分が２０℃にて１〜１,０００cStの粘度を有するシリコーンオイルで、この溶媒に粒子径が０.１〜３０μmの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子又は半導体粒子からなる砥粒を分散させた液状組成物を配設し、電界強度±０.３〜５kＶ／mm，周波数０.１〜１００Hzの交流電界を印加しながら砥粒が配向した状態で前記微細電極を高速回転させて砥粒が転動するように加工することを特徴とする微細加工方法。
【請求項２】
先端が球形状を有する微細電極としてＺ軸テーブルに一体に取り付け、他方の電極をＸ−Ｙ軸テーブルとし、微細電極の先端はＸ−Ｙ軸テーブル上に非接触状に配置されてＺ軸方向に移動可能且つ回転可能であり、Ｘ−Ｙ軸テーブル上に載置される被加工物と微細電極の先端との間に、溶媒の主成分が２０℃にて１〜１,０００cStの粘度を有するシリコーンオイルで、この溶媒に粒子径が０.１〜３０μmの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子又は半導体粒子からなる砥粒を分散させた液状組成物を供給し、電極間に電界強度±０.３〜５kＶ／mm，周波数０.１〜１００Hzの交流電界を印加、制御することにより微細加工できることを特徴とする微細加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、砥粒を用いた微細加工技術に関し、特に微細形状の加工、複雑形状を有する微細加工部を高品位な面に仕上げることができる微細加工方法及び微細加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術の進展と伴に高度に成長してきた微細加工技術は高度な工業製品の製造技術工程に求められるようになってきた。しかし、微細加工技術は、製造ラインにクリーンルームを要してさらに高価な半導体製造装置を用いるため、初期投資並びに運転維持費用も製品価格の上昇並びに環境に負荷を与える要因である。しかし、これらを排除可能な有用な技術の創製と安価な製品を導くための微細加工技術が現状まで提供されていない。また試料がガラスとなるとダイヤモンド工具による加工が適切であるが、ダイヤモンド工具も工具としては高価である。したがって、微細な工具は未だに提供されていない現状がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
交流高圧電界下で砥粒を微細工具が保持して加工する装置は、小型に構成可能な微細加工装置を提供することができる。すなわち、加工環境や付帯設備も良好なクリーン度の部屋全体を維持する工法から装置が載る周囲部に抑えられるため、環境配慮型微細加工工法である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記を鑑み提案されたもので、先端が球形状を有する微細工具を電極とし、他方の電極を被加工物下部に配置し、微細工具の先端と被加工物とを接近した非接触状に配置した間に、溶媒の主成分が２０℃にて１〜１,０００cStの粘度を有するシリコーンオイルで、この溶媒に粒子径が０.１〜３０μmの電気的誘電性を持つ砥粒を分散させた液状組成物を配設し、電界強度±０.３〜５kＶ／mm，周波数０.１〜１００Hzの交流電界を印加しながら砥粒が配向した状態で前記微細工具を高速回転させて砥粒を転動させて加工することを特徴とする微細加工方法である。
特に始めは２０Hz以上１００Hz以下の高い周波数の交流高電圧を印加し、微細工具と被加工部面との位置調整を行った後に、印加周波数を０.１〜２０Hzに変更すると共に微細工具を高速回転させる手法が望ましい。
【０００５】
また、本発明は、先端が球形状を有する微細工具を電極としてＺ軸テーブルに一体に取り付け、他方の電極をＸ−Ｙ軸テーブルとし、微細工具の先端はＸ−Ｙ軸テーブル上に非接触状に配置されてＺ軸方向に移動可能且つ回転可能であり、Ｘ−Ｙ軸テーブル上に載置される被加工物と微細工具の先端との間に、溶媒の主成分が２０℃にて１〜１,０００cStの粘度を有するシリコーンオイルで、この溶媒に粒子径が０.１〜３０μmの電気的誘電性を持つ砥粒を分散させた液状組成物を供給し、電極間に電界強度±０.３〜５kＶ／mm，周波数０.１〜１００Hzの交流電界を印加、制御することにより微細加工できることを特徴とする微細加工装置をも提案するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる液状組成物は、以下の溶媒と砥粒からなる。溶媒は、２０℃において１〜１,０００ｃStの粘度を有するシリコーンオイルを主成分として用いる。砥粒は、粒子径が０.１〜３０μmの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子、半導体粒子であり、加工幅（１〜５０μm）に応じてそれ以下の粒子径のものを用いる。この砥粒の電気的誘電性については、砥粒の比誘電率が前記溶媒の比誘電率より１以上大きいものが望ましい。それにより砥粒は液状組成物中に与えられた電界勾配によって砥粒に力が発現（誘発）される。この砥粒としては、加工性（研磨・研削性）が必要であるため、その硬度が被加工物の硬度と同等或いはそれ以上であるか、被加工物とメカノケミカル作用を有するものが用いられる。具体的にはダイヤモンドやコランダム、エメリー、ザクロ石、珪石、焼成ドロマイト、溶融アルミナ、人造エメリー、炭化珪素、酸化ジルコニウム、立方晶系窒化ホウ素ｃＢＮなど、或いはメカノケミカル研磨に使用される酸化クロムや酸化珪素、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、炭化マグネシウム、炭酸バリウムなどが挙げられる。そして、前記溶媒中に、前記砥粒を混合して超音波分散機などにて均一に分散させて液状組成物とする。
【０００７】
また、本発明にて印加する交流電界は、電界強度±０.３〜５kＶ／mm，周波数０.１〜１００Hz、波形は立ち上がりが３０〜５００Ｖ／μsecの繰り返しでプラス、マイナスに振れる方形波や正弦波である。印加周波数が０.１Hz未満では砥粒が沈降する可能性があり、１００Hzを超えると砥粒が周波数に対して応答できず動けなくなる。
【０００８】
本発明に用いる微細工具は、その先端が回転電極として用いられるものであって、特に材質を限定するものではないが、例えばタングステン合金系やｃＢＮ材などの超硬材や導電性を有する脆性材、導電性プラスチック、さらに砥粒を保持しながら加工を進める銅合金さらに焼入れ鋼などを用いることができる。また、この微細工具の先端は、球形状を有するように成形している。また、この微細工具を回転電極として用いるのであるが、具体的には例えばエアースピンドルなどの設備機構を付帯させ、その際の回転速度を５,０００〜１００,０００rpm程度とすることが望ましい。
【０００９】
上記微細工具が兼ねる回転電極に対する他方の電極は、被加工物の下部に配置するが、この電極をＸ−Ｙ軸テーブルとし、それに対して垂直方向をＺ軸として微細工具の移動を制御するようにしても良い。また、このＸ−Ｙ軸テーブルは、固定電極としても良いし、回転可能な電極としても良い。
【００１０】
このような材料及び設備を用いて本発明の微細加工方法を実施するには、微細工具と被加工物とを、接近した非接触状に配置するのであるが、具体的にその距離（Ｚ軸方向の距離）は加工幅（０.５〜５０μm）に応じて調整すれば良く、その調整には例えば拡大鏡にＣＣＤカメラ（１００〜１０００倍）に取り付けて微細工具の側方から撮影し、モニターに写し出しながら微細工具を一体的に取り付けたＺ軸テーブルの微動調整で設定距離に調整すれば良い。またはレーザー変位計を配して良い。勿論、微細工具と被加工物との間には前記組成の液状組成物が配置される。
尚、加工形状が凹状窪みである場合には図２に示すように微細工具をＺ軸に平行に（垂直状に）配置することが望ましいが、均一な深さの線幅にて直線形状など任意の凹部を形成する場合には、図１や図３に示すように微細工具を１０〜８０度（Ｚ軸に対して８０〜１０度）に傾けて配置することが望ましい。即ち微細工具の回転は、図２のような配置では中心位置で周速が０となって中心以外にて回転による砥粒の転動作用が果たされるが、図１や図３のような配置では回転による砥粒の転動作用は全体に及ぼすことができる。
【００１１】
そして、まず２０Hz以上１００Hz以下の高い周波数の交流高電圧を印加して液状組成物中の砥粒を共振させ、電極間（上方の回転電極と下方の電極との間）においてそれらの動きは微振動を呈し、配向状態となり、微細工具の先端に砥粒が保持されて加工準備が整う。ここでさらに微細工具を一体的に取り付けたＺ軸テーブルを微動調整して電極間の距離を狭める。
【００１２】
次に、微細工具を高速回転させると共に印加周波数を０.１〜２０Hzに変更すると、液状組成物中の砥粒は電極間にて活発に運動する。すなわち回転電極である微細工具の先端は砥粒を保持しながら微細加工することができるものである。
この微細加工において、微細工具の回転によって発生する遠心力にて砥粒が飛散する力も与えられるが、電界によりクーロン力が発生作用し誘電材である砥粒は飛散せずに加工により生じた加工屑のみを遠心力にて電界の外へ弾き出すことができる。すなわち、砥粒の飛散を嫌う加工法として特に有効な加工法である。
また、この微細加工において、微細工具の先端は常に被加工物と非接触状態を維持し、加工は砥粒によってなされるので、工具を被加工物に接触させて加工する場合のように摩擦による発熱を生ずることがないし、より精微な加工を実施することができる。
【００１３】
【実施例】
図１に示す微細加工装置は、被加工物２であるスライドガラスを載置するＸ−Ｙ軸テーブル１を下方の固定電極として採用した例である。
微細工具４としては、タングステンカーバイド系超硬材（超硬ＷＣ）を用い、その先端はＲ０.５（直径１mm）の球形状とし、上方の回転電極とした。また被加工物２と微細工具（の先端）４との距離は、拡大鏡をＣＣＤカメラに取り付けてＺ軸テーブル６で調整可能とした。
また、電気的誘電性を持つ砥粒としてガラスに対してメカノケミカル効果を発現する酸化セリウムを用い、粘度が１００cStのシリコーンオイル（溶媒）中に、平均粒径５〜１０μmの酸化セリウムを濃度３０wt％程度に調整し、超音波分散機にて入念に分散させ、液状組成物３とした。
尚、Ｘ−Ｙ軸テーブル１を回転させる場合にはリニアモータなどを活用すれば良いし、微動方式については圧電素子などを用いて微動させれば良い。
また、図３に示すような直線状の溝加工を行う場合などに用いるθ軸送り機構７についてはモータを用いて微細工具（の先端）４に角度を与えて固定し、Ｘ軸方向へ往復運動させることによって直線状の微細溝を創製することができる。
さらに、Ｚ軸送り機構９の粗動はモータで、微動は圧電素子を用いて微動させる装置とした。ここでの精密な送りが創製する溝幅の加工精度に反映させるため特に重要な機構である。
【００１４】
まず、ＣＣＤカメラを用いて微細工具４の先端と被加工物２との間を４０μmとし、上部の回転電極（＝微細工具４の先端）と下方の固定電極（＝Ｘ−Ｙ軸テーブル１）との間に液状組成物３を滴下した後に、印加電界として供給交流高圧電源８から周波数２０Hz、電界強度±３.０kＶ／mm交流高電圧を印加して液状組成物３中の砥粒の配向性を促進し、その後に精密Ｚ軸テーブル６のＺ軸送り機構９で微細工具（の先端）４と被加工物２との間を１０μm狭めた。
次に、エアースピンドル５で微細工具（の先端）４を６０,０００rpmで１分間回転させて加工した。０．５〜１．５電界によって砥粒が微細工具（の先端）４に保持され、遠心力による砥粒の飛散が抑えられ、加工屑のみが電界外へ弾き出され、加工が促進される状況が観察された。
加工後の評価は倒立顕微鏡で実施した。
本加工実験より得られた凹部は、底面の直径が直径１０μmで上面はおよそ直径３０μmの微細加工部を創製することができた。
また、図３に示すようにθ軸送り機構７を駆動し、微細工具４に角度をもたせて、微細工具４を回転させると共に、Ｘ−Ｙ軸テーブル１を前後方向に往復運動させると、速度差によって相対速度が砥粒に発生し、転動作用が働き加工が進む状況が観察された。
【００１５】
以上本発明の実施例を示したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りどのようにでも実施することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の微細加工方法は、電界によって砥粒の配置を微細工具の先端に制御かつ保持することができるものであって、工具の回転によって発生する遠心力による砥粒の飛散を電界によって抑え、保持することができ、さらに砥粒の電界極性の切り替わる時に生じる砥粒の運動によってセルフドレッシングや衝撃力加工を促進することができる。
また、本発明の微細加工装置は、装置の小型化が実現でき、精度補償も容易に抑えることが可能となり、加工精度が高く安価な装置が実現できる。そして、加工環境を実現するための設備導入における規模を現行より大きく縮小できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例にて用いた微細加工装置の概略図を示す。
【図２】掘り込み加工を行う場合の微細工具と被加工物との間の様子を拡大して示した模式的概略図である。
【図３】直線状の溝加工を行う際に微細工具に角度をもたせた場合の微細工具と被加工物との間の様子を拡大して示した模式的概略図である。
【符号の説明】
１  Ｘ−Ｙ軸テーブル
２  被加工物（スライドガラス）
３  液状組成物
４  微細工具
５  エアースピンドル
６  精密Ｚ軸テーブル
７  θ軸送り機構
８  供給交流高圧電源
９  Ｚ軸送り機構
【図１】
0003875907.tif 000002
【図２】
0003875907.tif 000003
【図３】
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