JPH08323604A

JPH08323604A - ＳｉＣの研磨方法および光学素子の製造方法

Info

Publication number: JPH08323604A
Application number: JP13426595A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ando; 学安藤; Tadahiro Shimazaki; 忠弘嶋▲崎▼
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】表面粗さ０．３ｎｍＲＭＳ程度の超平滑な表
面を形成できるＳｉＣの研磨方法を提供する。【構成】平均粒径が１〜３μｍのダイアモンド砥粒を
含む研磨液（７）を用いるＳｉＣ被加工物（２）の研磨
方法、および、この研磨方法を行う工程を含むＣＶＤ−
ＳｉＣ表面を有する光学素子の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＳｉＣ（炭化珪素）材
の表面を研磨する方法に関し、更に詳しくはＣＶＤ−Ｓ
ｉＣ（ＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ）から成る表面
を有するミラー光学素子等を研磨して高精度な表面を形
成するのに非常に適した研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりＣＶＤ−ＳｉＣ材は、高価であ
るにもかかわらず、その物理特性が優れているので高エ
ネルギー短波長光用のミラーとして採用されている。こ
れらのミラーの形状は、通常は平面、シリンドリカル
面、球面、トロイダル面などの単純な形状である。これ
らの光学素子の代表的な製造法は、β−ＳｉＣの燒結体
基板を研削により最終形状にする工程、その基板にＣＶ
Ｄ法によりαまたはβ−ＳｉＣ緻密質膜を形成する工
程、その面を再び研削で形状創成する工程、そして研磨
により形状誤差、うねり、表面粗さなどを低減し表面品
質を向上し、ミラーを仕上げる工程から成る。

【０００３】この最終工程（仕上げ工程）においては、
例えば、ミラー素材とほぼ同径の大きさ研磨皿（シリン
ドリカル面を創成しようとする場合にはそのシリンドリ
カル面と同じ曲率半径を持ち、凹凸が逆の研磨皿）をＣ
ＶＤ−ＳｉＣミラー基板と相対運動をさせ、酸化クロム
微粉、シリカ微粉、ダイアモンド微粉などの研磨剤を水
に分散した研磨液を介在させて研磨を行い、所定の曲率
のシリンドリカル面を鏡面に仕上げていく。平面を研磨
する場合は、通常はミラー素材よりも大きな平面の研磨
皿を用いる。研磨装置としては、平面または球面を研磨
する場合は通常の横振り研磨機が用いられ、シリンドリ
カル、トロイダルなどの非軸対称形状の面を研磨する場
合は、下軸と上軸が各々独立して直交方向に揺動するシ
リンドリカル研磨機が用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらのミラーでは形
状精度も重要であるが、それと同時に表面粗さ０．３ｎ
ｍＲＭＳ程度の超平滑な表面が望まれる。しかし、表面
粗さについてはその創成機構が十分に解明されておら
ず、例えば、「精密工学会１９９４年度秋季大会講演予
稿集５５３〜５５４頁」に報告されている様に、表面粗
さＲａ０．４ｎｍ、Ｒmax ４ｎｍ程度迄の平滑面しか得
られていない。

【０００５】従来技術においては、超平滑な表面粗さが
要求されるＳｉＣ光学素子を加工する場合は、仕上げの
研磨に習熟した加工者が、コロイダルシリカ、酸化クロ
ム、ダイアモンドなどの研磨剤を研磨面の状態を観察し
ながら細かく条件を変更し、研磨加工し対処していた。
しかし、この方法では加工時間が長く、加工コストも高
いものとなる。更に、従来技術では、表面粗さ０．５〜
２ｎｍＲＭＳ程度の平滑面は時間をかければ形成可能で
あっても、例えば短波長光学素子として要求されること
が多くなった超平滑面（表面粗さ０．３ｎｍＲＭＳ以下
程度）を確実に得ることは困難であった。

【０００６】本発明の目的は、表面粗さ０．３ｎｍＲＭ
Ｓ程度の超平滑な表面を形成できるＳｉＣの研磨方法お
よび光学素子の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の本発
明により達成できる。

【０００８】平均粒径が１〜３μｍのダイアモンド砥粒
を含む研磨液を用いることを特徴とするＳｉＣの研磨方
法。

【０００９】ＳｉＣから成る表面を有する光学素子の製
造方法において、平均粒径が１〜３μｍのダイアモンド
砥粒を含む研磨液を用いて研磨する工程を有することを
特徴とする光学素子の製造方法。

【００１０】

【作用】本発明は、平均粒径が１〜３μｍのダイアモン
ド砥粒を含む研磨液を用いることを特徴とする。この研
磨液を用い、例えばＣＶＤ−ＳｉＣ材を被加工面とほぼ
同じ大きさの全面皿研磨工具により球面を研磨した場合
は、被加工面に、ピットの発生、砥粒通過痕の発現など
の研磨面悪化要因が発生せず、高い信頼性で高精度で均
一な超平滑球面が得られる。したがって、細かく研磨条
件を変更し研磨面の状態を観察しながら研磨加工を進め
る必要も無くなり、作業が非常に容易になる。また、研
磨条件を一定にしておけるので、加工能率も向上し、加
工コストも低減できる。

【００１１】また、例えばＣＶＤ−ＳｉＣ材を被加工面
よりも小さな研磨工具により非球面ミラーを研磨する場
合も、同様にピット、砥粒通過痕などを防止でき、高い
信頼性で高精度で均一な超平滑非球面が得られる。ま
た、本発明は、研磨液と研磨工具材料の設定のみにより
良好な結果が得られるので、被加工面の形状によらずに
実施できる汎用性の高い方法である。

【００１２】本発明者らの知見によると、高脆性多結晶
材料であるＣＶＤ−ＳｉＣの研磨時の主たる表面粗さの
悪化要因は、各結晶面ごとの硬度差に由来するピットの
発生（結晶粒のうち硬度の低い部分が選択的に研磨除去
されモザイク状のピットが発生する）と、砥粒通過痕の
発現である。

【００１３】従来法においては、被加工面とほぼ同じ大
きさの全面研磨工具を用いた場合には、ある程度の大き
な研磨除去レートで加工することが研磨悪化要因の対策
として経験的に知られていた。しかし、上述の様に表面
粗さの悪化要因はピットまたは砥粒通過痕にあり、研磨
除去レートを大きくすることは、被加工面に対する研磨
剤の材料除去作用を大きくすることにほかならず、これ
により被研磨面には砥粒通過痕の発現が増し、表面粗さ
が粗い状態に仕上がってしまう。また、研磨除去レート
を下げると砥粒通過痕の発現を防止できるが、研磨面に
ピットが発生してしまう。したがって、従来法の様に経
験的に知られた研磨除去レートの調整のみでは、十分な
超平滑面が得られなかったと考えられる。

【００１４】そこで本発明者らは、超平滑面を容易に得
られる研磨方法を見出すべく研磨条件等に関し種々検討
し、その結果本発明を完成するに至った。以下、この検
討の為に行った実験のうち、代表的なものを挙げて説明
する。

【００１５】＜実験１：ダイアモンド砥粒の平均粒径に
関する検討＞従来技術において、例えば石英ガラスの超
平滑研磨の場合は、研磨液に分散させている砥粒の平均
粒径が小さければ小さいほど表面粗さが良好であること
が知られている。これに対し本発明者らは、ＣＶＤ−Ｓ
ｉＣの超平滑研磨を行なう場合は、単に砥粒の粒径が小
さければ良いわけではなく、砥粒としてダイアモンドを
用いその平均粒径を特定の範囲にすべき事を、以下の実
験の結果等から知見した。

【００１６】まず、直径５０ｍｍ厚さ１０ｍｍのＣＶＤ
−ＳｉＣ材のテストピース５枚を従来の方法でなるべく
良好な表面粗さに平面研磨し、非接触型の表面粗さ測定
器により平均的な表面粗さを測定して記録した。

【００１７】次に、精製水２リットルに、．平均粒径
０．２５μｍ、．平均粒径０．５μｍ、．平均粒径
１μｍ、．平均粒径３μｍ、．平均粒径５μｍの５
種類の多結晶ダイアモンド砥粒を０．０２５重量％攪拌
した５種類の各研磨液を用い、被加工面よりも小さな研
磨工具によりテストピース上を部分的に研磨加工した。
研磨条件は、工具径を１６ｍｍ、工具に使用したピッチ
の針入度を１５、研磨圧力を２５ＫＰａ、工具の揺動を
±４ｍｍで５Ｈｚとした。工具は揺動と直交方向に０．
５３ｍｍ／ｓｅｃで１６ｍｍ区間を往復走査させた。

【００１８】この研磨の結果、の平均粒径０．２５μ
ｍのダイアモンド砥粒による研磨では研磨面のモザイク
化（ピットの発生）による表面粗さの悪化が顕著であ
り、９０分後の表面粗さが０．７５ｎｍＲＭＳであっ
た。の平均粒径０．５μｍのダイアモンド砥粒による
研磨では研磨面のモザイク化による表面粗さの悪化は所
々で見られ、９０分後の表面粗さが０．４ｎｍＲＭＳで
あった。の平均粒径１μｍ、の平均粒径３μｍのダ
イアモンド砥粒による研磨では研磨面の超平滑化が進
み、９０分後の表面粗さが０．２ｎｍＲＭＳであった。
ただし、の平均粒径３μｍの場合は、砥粒の沈殿現象
が生じる傾向にあるので長時間の加工時には注意を要す
る。の平均粒径５μｍのダイアモンド砥粒による研磨
では研磨面に砥粒通過痕の発現が増し、研磨面のモザイ
ク化は見られないが表面粗さは９０分後で０．４ｎｍＲ
ＭＳであり、砥粒の沈殿現象が顕著に生じた。また参考
までに、平均粒径６μｍのダイアモンド砥粒でも研磨を
試みたが、工具のピッチの摩耗が生じ、本実験の条件で
は工具の寿命が短く不適当であった。これらのうち、代
表的な砥粒の平均粒径３点（０．２５μｍ、１μｍ、３
μｍ）の結果を図１にグラフとして示す。

【００１９】以上の結果から、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平滑
研磨を行なう場合、研磨液中のダイアモンド砥粒の平均
粒径に因り、砥粒通過痕の発現による研磨面の悪化と研
磨面のモザイク化による表面粗さの悪化の頻度が異なる
ことが確認でき、同時に合理的に超平滑面を得る為には
平均粒径範囲を１μｍ〜３μｍにすべきことが確認でき
た。

【００２０】＜実験２：研磨圧力に関する検討＞従来技
術において、例えば石英ガラスの超平滑研磨の場合は、
研磨圧力は表面粗さにあまり影響しないことが知られて
いる。これに対し本発明者らは、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平
滑研磨を行なう場合は、研磨圧力と表面粗さに相関関係
が有ることを、以下の実験の結果等から知見した。

【００２１】実験１と同様の条件で、ただし、ダイアモ
ンド砥粒の平均粒径を１μｍとし、研磨圧力を、．１
２ＫＰａ、．２５ＫＰａ、．４５ＫＰａ、．６６
ＫＰａの４種にして研磨加工を行なった。

【００２２】この研磨の結果を図２にグラフとして示
す。の１２ＫＰａの場合は、表面粗さの向上にかかる
時間は長く、１２０分で０．３ｎｍＲＭＳ程度となっ
た。の２５ＫＰａ、の４５ＫＰａの場合は、表面粗
さは速やかに向上しており、９０分の加工で０．３ｎｍ
ＲＭＳ程度となり、超平滑研磨が順調に進んだ。の６
６ＫＰａでは初期的には表面粗さは向上するが０．５ｎ
ｍＲＭＳ程度まで向上した後で表面粗さの悪化が始ま
り、研磨面のモザイク化による表面粗さの悪化が顕著な
ことをノルマルスキー顕微鏡観察で確認した。

【００２３】以上の結果から、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平滑
研磨を行なう場合、研磨圧力の程度に因り表面粗さの向
上の程度が異なることが確認でき、同時に良好な結果を
与える研磨圧力範囲が、本実験の条件下では２５〜４５
ＫＰａであることが確認できた。

【００２４】＜実験３：ピッチの針入度に関する検討＞
従来技術において、例えば石英ガラスの超平滑研磨の場
合は、研磨工具のピッチ材は軟らかいほど得られる表面
粗さは平滑となることが知られている。これに対し本発
明者らは、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平滑研磨を行なう場合
は、単にピッチ材が軟らかいと良いわけではなく、特定
範囲の針入度のピッチが好適であることを以下の実験の
結果等から知見した。

【００２５】実験１と同様の条件で、ただし、ダイアモ
ンド砥粒の平均粒径を１μｍとし、ピッチの針入度（針
入度は数値が小さい方が固い）を、．２、．５、
．１５、．２０、．２５、の５種にして研磨加工
を行なった。

【００２６】この研磨の結果、の針入度２の場合は、
ピッチ材を固くすると表面粗さは初期値に対して悪化し
た。これをノルマルスキー顕微鏡観察すると研磨面に砥
粒通過痕の発現が多かった。の針入度５の場合は、表
面粗さは向上しており、９０分の加工で０．３ｎｍＲＭ
Ｓ程度となった。すなわち、超平滑研磨が順調に進ん
だ。これをノルマルスキー顕微鏡観察すると研磨面には
若干の砥粒通過痕の発現があった。の針入度１５、
の針入度２０の場合は、表面粗さは順調に向上し０．２
ｎｍＲＭＳ程度に達した。これをノルマルスキー顕微鏡
観察すると研磨面は平滑化されていた。の針入度２５
の場合は、研磨面のモザイク化が発生し始めており、表
面粗さは０．４ｎｍＲＭＳ程度であった。

【００２７】以上の結果から、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平滑
研磨を行なう場合、ピッチの針入度（ピッチ材料の硬
度）は５〜２０程度が望ましいことが確認できた。

【００２８】＜実験４：ダイアモンド砥粒の結晶性に関
する検討＞本発明者らは、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平滑研磨
を行なう場合、ダイアモンド砥粒は単結晶よりも多結晶
のものが好適であることを、以下の実験の結果等から知
見した。

【００２９】実験１と同様の条件で、ただし、ダイアモ
ンド砥粒の平均粒径を１μｍとし、その砥粒を、．単
結晶ダイアモンド砥粒、．多結晶ダイアモンド砥粒、
の２種にして研磨加工を行なった。

【００３０】この研磨の結果、の単結晶ダイアモンド
砥粒の場合は、表面粗さは約０．３ｎｍＲＭＳＤ程度ま
では速やかに向上するが、その後の向上速度は遅かっ
た。これをノルマスキー顕微鏡観察すると、研磨面に砥
粒通過痕の発現が見られた。の多結晶ダイアモンド砥
粒の場合は、表面粗さは向上しており、９０分の加工で
０．２ｎｍＲＭＳ程度となった。すなわち、超平滑研磨
が順調に進んでいた。これをノルマスキー顕微鏡観察す
ると研磨面は平滑化されていた。

【００３１】以上の結果から、ＣＶＤ−ＳｉＣの超平滑
研磨を行なう場合、ダイアモンド砥粒の結晶構造に因
り、表面粗さの向上の程度が異なることが確認でき、同
時に多結晶ダイアモンドの方が良好な結果を与えること
が確認できた。

【００３２】実験１〜４で得られた結果は、以下の理由
に基づくものと考えられる。

【００３３】ＣＶＤ−ＳｉＣ材は、ヌープ硬度２８００
〜３５００の非常に硬い材料であり、化学的にも共有結
合が強く安定な材料である。したがって、被加工性が悪
く、従来より難加工材料として知られている。このＳｉ
Ｃをダイアモンド砥粒で研磨する場合は、両者が共に共
有結合が強く安定な材料なので、純粋に機械的なカッテ
イングの集積により研磨除去が進む。また、一般には適
度な粘弾性特性のピッチが研磨に用いられるので、砥粒
はピッチに保持されて（埋まって）ＳｉＣ表面上を研磨
運動する。このとき、両者に硬度差があまり無いので砥
粒には切れ味が必要になるが、砥粒がピッチに保持され
ているので、その切れ味は砥粒の粒径に依存すると考え
られる（ピッチ面からの砥粒突き出し量が切れ味を支配
する）。砥粒の粒径が大き過ぎると砥粒突き出し量が大
きくなり、砥粒通過痕の発現が増し、超平滑面は得られ
ない。これは、ＳｉＣ以外の光学材料を研磨する場合と
同様であり、砥粒の粒径は小さい方がより平滑な表面粗
さが得られる。ただしＳｉＣを研磨する場合は、実験１
に示した様に粒径をただ単に小さくすれば良いわけでは
ない。これは、砥粒の粒径が小さ過ぎると突き出し量が
不十分となり、高硬度で多結晶のＣＶＤ−ＳｉＣの各結
晶に対し均一なカッティングが困難となり、ＣＶＤ−Ｓ
ｉＣの多結晶体の中で相対的に硬度の低い結晶のみを除
去する現象（研磨面のモザイク化）が生じるからであ
る。この様な点から、本発明の様に、適切な砥粒の平均
粒径の設定、すなわちダイアモンド砥粒の平均粒径を適
切な範囲（１μｍ〜３μｍ）とした場合に、超平滑面が
得られると考えられる。

【００３４】また、この砥粒の平均粒径は、更に研磨圧
力、ピッチ材料の硬度、砥粒の結晶性等とも相関関係を
有する。例えば、研磨圧力が高過ぎる場合は、砥粒のピ
ッチへの埋め込みが促進され、結果としてより小径な砥
粒を用いたのと同様の作用を奏する。この点から、研磨
圧力は６６ＫＰａ以下が望ましい。更に、実験２で示し
た様に、２５〜４５ＫＰａ程度が最適である。また例え
ば、ピッチ材料の硬度が低過ぎたり高過ぎたりすると、
砥粒のピッチへの埋め込み程度へ影響が及ぶ。この点か
ら、ピッチの針入度の範囲は、実験３で示した様に、５
〜２０程度が好ましい。また例えば、砥粒が単結晶ダイ
アモンドを用いる場合は、研磨中に破砕が生じ易く、こ
の結果曲率半径の小さいエッジがＳｉＣ表面を走査する
ことになり、被研磨面に砥粒通過痕の発現が頻繁に見ら
れる傾向にある。一方、多結晶ダイアモンドを用いる場
合は、劈開面を持たず強靱であることから、適切な砥平
均粒径を選択すれば砥粒通過痕は生じない。この点か
ら、実験４で示した様に、多結晶ダイアモンドを用いる
ことが好ましい。

【００３５】また、一般に、全面皿を用いた平面や球面
の液中研磨を行なう場合は、加工に数十時間を要するの
で、ダイアモンド砥粒の沈殿が生じる場合がある。これ
を防止する目的から、砥粒の平均粒径は１〜３μｍが望
ましく、更に実験１〜４における様に１μｍが好まし
い。また同じ理由から、研磨液中のダイアモンド砥粒の
量は０．２重量％以下が望ましく、更に実験１〜４にお
ける様に０．０２５重量％程度が好ましい。また同様に
研磨液中の分散性を安定させる目的から、研磨液中に分
散剤を添加することが望ましい。

【００３６】小径工具を用いた非球面の超平滑研磨を行
なう場合は、前述の全面皿を用いる平面や球面の研磨よ
りも更に砥粒の分散安定性を保つことが必要である。こ
の点からも、研磨液中には分散剤を添加することが望ま
しい。この分散剤としては、例えばヘキサメタリン酸ナ
トリウムが望ましい。また、分散剤の添加量としては、
研磨液中の研磨剤１００重量部に対して１〜２重量部が
望ましい。分散剤を添加することにより、砥粒の沈殿を
防ぎ、長時間の研磨加工でも安定した除去が行える。ま
た、研磨液の溶媒としては通常は水、好ましくは精製水
を用いる。

【００３７】また、ＣＶＤ−ＳｉＣで非球面ミラーを加
工する場合には、被加工ミラーよりも小径な研磨工具を
用いた形状修正研磨法が用いられていたが、従来技術で
は、研磨面のモザイク化（ピットの発生）、砥粒通過痕
の発現などが恒常的に生じ、これら被加工物表面の欠陥
のために要求される品質を満足できない。この様な問題
は研磨砥粒や研磨圧量の設定が適切でなく、小さ過ぎる
砥平均粒径と高過ぎる研磨圧力が研磨面を悪化させてい
たからと考えられる。一方、本発明によれば、小径工具
を用いた非球面の超平滑研磨加工を行なう場合でも、前
もって研磨液を被研磨剤材料であるＳｉＣに適切な構成
とし、適切な研磨加圧力とピッチ材料を工具に用いるこ
とで、良好な研磨面が得られ、従来技術では満足な品質
の非球面加工が行えなかった非球面に対しても、超平滑
で研磨面に欠陥のない良好な研磨加工が行える。

【００３８】本発明でいうダイアモンド砥粒の「平均粒
径」とは、Ｓｔｏｋｅｓの流体抵抗則に基づく沈降法や
遠心沈降法等による粒度分布測定法により得られた値、
いわゆるストークス径である。この測定法は、ダイアモ
ンド砥粒を媒質（純水）中に均一に分散させ、その後の
砥粒の沈降状態を媒質を横切る光線の透過率の変化によ
り計測するものである。以下の実施例においては、島津
製作所製の島津遠心沈降式粒度分布測定装置ＳＡ−ＣＰ
３型を用いて計測した。

【００３９】この装置では、媒質の上表面から一定の位
置での試料液（ダイアモンド砥粒の懸濁液）の濃度変化
を沈降開始時点からの経過時間と共に測定することで、
そのときに濃度変化を生じさせた粒子の割合を求める。
これは、粒子の質量（大きさ）と、沈降速度には以下の
関係が有り、沈降開始時点からの経過時間と、ある高さ
の濃度変化（光の透過率の変化から求める）から粒子の
質量分布が算出できることによる。

【００４０】

【数１】ｕ：粒子の沈降速度 θ：粒子が一定距離沈降するのに要する時間 ρ_p ：粒子密度 ρ_l ：媒質密度 η：媒質の粘性係数 ω：回転角速度 β：回転角加速度Ｒ：回転中心から粒子までの距離Ｄ_p ：ストークスの粒子径

【００４１】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。

【００４２】＜実施例１＞直径５０ｍｍ厚さ１０ｍｍの
ＣＶＤーＳｉＣ材でエキシマレーザ用ミラー素子を以下
の様にして研磨加工した。この用途には、片面を超平滑
な平面に研磨して表面粗さ０．２ｎｍＲＭＳ以下にする
ことが求められ、研磨面上にピット、スクラッチ、潜傷
の発現、そして曇といった欠陥が存在してはならない。

【００４３】まず前加工として、ＣＶＤ−ＳｉＣ材を従
来の方法でなるべく良好な表面粗さに平面研磨した。次
に、精製水２リットルに平均粒径１μｍの多結晶ダイア
モンド砥粒を０．０２５重量％入れて攪拌し、分散剤と
してヘキサメタリン酸ナトリウム微粉末を研磨液中のダ
イアモンド砥粒１００重量部に対し２重量部加え、２４
時間攪拌して研磨液を得た。

【００４４】この研磨液を用いて、図３に示す研磨装置
を用い、仕上げの研磨を実施した。すなわち、針入度１
５のピッチ面６を有する研磨皿１と被加工物ホルダ３に
保持された被加工物（ミラー材）２の両方を研磨液７を
満たした容器８内に没し、通常の横振り方式の研磨条件
よりもゆっくりした相対運動で研磨を進めた。研磨皿回
転軸９は不図示の回転機構により７ｒｐｍで回転させな
がら、被加工物２を支持する揺動軸４は不図示の揺動機
構により５サイクル／分で揺動させた。研磨圧力は不図
示の加圧力機構により３０ＫＰａとし、無人で１６時間
研磨した。

【００４５】以上の研磨を実施した後の研磨面を観察し
たところ、被加工面にはピットの発生、加工時の砥粒通
過痕の発現などの研磨面の悪化は見られず、表面粗さ
０．１５ｎｍＲＭＳの超平滑面が得られた。

【００４６】＜実施例２＞長さ７５０ｍｍ、幅１００ｍ
ｍ、厚さ１５ｍｍのＣＶＤ−ＳｉＣ材で軟Ｘ線用ミラー
素子を研磨加工した。形状は母線半径４４０ｍ、子線２
００ｍｍのトロイダルである。実施例１と同様に、この
用途には、表面を超平滑に研磨して表面粗さ０．２ｎｍ
ＭＲＳ以下にすることが求められ、研磨面上にピット、
スクラッチ、そして曇といった欠陥が存在してはならな
い。

【００４７】まず前加工として、ＣＶＤ−ＳｉＣ材を従
来の方法でなるべく良好な表面粗さに研磨した。次に、
精製水４０リットルに平均粒径３μｍの多結晶ダイアモ
ンド砥粒を０．０２重量％入れて攪拌し、分散剤として
ヘキサメタリン酸ナトリウム微粉末０．１６ｇ（研磨液
中のダイアモンド砥粒１００重量部に対し２重量部）加
え、２４時間攪拌して研磨液を得た。

【００４８】この研磨液を用いて、シリンドリカル研磨
機を用い、仕上げの研磨を実施した。図４は、このシリ
ンドリカル研磨機を示す模式図であり、（ａ）はその正
面図、（ｂ）は側面図である。この研磨機は、被加工物
１２と研磨工具１１の両方をそれぞれの揺動クランク部
１４、１５により直交方向に揺動させることで研磨の相
対運動を得るものである。被加工物１２は被加工物固定
具１３により、ワークテーブル２０に固定保持される。
また、研磨工具１１のピッチ面１６は被加工物１２の加
工面と同様な形状で凹凸逆に整形され、被加工物１２と
重なっている部分は接触している。また、ピッチ部の針
入度は２０である。研磨液は、研磨液供給部（不図示）
から研磨液供給ノズル１７により、研磨部に常時供給さ
れ、その後容器１８の研磨液ドレン１１から研磨液供給
部に戻される。

【００４９】本実施例における研磨条件は、被加工物１
２の載るワークテーブル２０を１７サイクル／分、研磨
工具１１を支持する揺動クランク部１５を２０サイクル
／分で揺動させ、研磨荷重は研磨工具の自重とおもりに
より２５ＫＰａとした。そして、無人で１６時間研磨し
た。

【００５０】以上の研磨を実施した後に研磨面を観察し
たところ、被加工面にはピットの発生、前加工の砥粒通
過痕（潜傷）の発現、曇（研磨ヤケ）の発生などの研磨
面の悪化は見られず、表面粗さ０．１５ｎｍＲＭＳ程度
の超平滑面が得られた。

【００５１】＜実施例３＞次に、本発明の研磨方法によ
り、小径工具を用いて高精度な非球面を形成する場合の
実施例について詳細に説明する。

【００５２】高精度な非球面を創成研磨する形状修正研
磨システムでは、まず被加工面の設計形状に対する誤差
形状を高精度な形状計測機を用いて測定し、被加工面に
ついての誤差形状マップを作成する。この誤差形状マッ
プと一定速度で揺動する小径工具の単位時間当たりの除
去量、除去形状を用いて残存誤差形状を最小にする様な
小径工具の被加工面上での滞留時間分布を計算する。こ
の滞留時間分布の計算はコンピュータ上で行われる。演
算の手法は一般的に、デコンボリューション法と呼ばれ
る。この演算はコンボリューション法（畳み込み積分
法）の逆演算であり、実際の除去をシミュレーションす
る方法が知られている。

【００５３】このシミュレーション法では誤差形状及び
小径工具の単位除去形状をそれぞれの規模の配列でマト
リクス表示し誤差形状マトリクス上で単位除去形状マト
リクスを予定の工具走査方向に沿って重ね合わせ、誤差
形状マトリクス要素から単位除去形状マトリクス要素を
それぞれ減算し、演算した全ての要素でマイナス値が生
じない場合（過大な除去が発生しない場合）、第三のマ
トリクスである滞留時間分布積算マトリクス（誤差形状
マトリクスと同規模の配列であり、初期的に、配列要素
全てが０となっている）のうち、現在の演算で単位除去
形状マトリクスの中心が乗っている要素に、単位時間１
を積算し、単位除去形状マトリクスを誤差形状マトリク
ス上で予定の工具走査方向に１要素ずらし、再び除去が
可能かの判断を行うことを繰り返し、全域で除去が行え
なくなるまで工具走査をシミュレートするものである。
得られた滞留時間分布マトリクスから、予定の工具走査
方向における工具走査速度を計算する。これは、例えば
誤差形状マトリクス（滞留時間分布マトリクス）の１要
素の大きさ（Ｌ２）から決まっている単位長さ（Ｌ）を
各滞留時間分布マトリクス要素に積算された単位時間
（Ｎ）（単位は例えば秒）で除すればよい。

【００５４】得られた工具走査速度のマトリクスにした
がい一定速度で揺動する工具が被加工面上でラスター走
査される。このとき、被加工物は研磨液中に固定保持さ
れ、研磨液中で小径工具によるラスター走査研磨が実施
される。

【００５５】本実施例の場合、被加工物は母線方向長さ
２７０ｍｍ、母線曲率半径４９０ｍ、子線方向長さ７０
ｍｍ、子線曲率半径２ｍのＣＶＤ−ＳｉＣトロイダルミ
ラー非球面ミラーである。１６ｍｍの小径工具が被加工
面全域を前述の計算の結果得られた滞留時間分布を実現
しながら走査するのに約１２時間かかる。

【００５６】本実施例で使用した研磨液は、精製水２０
リットルに平均粒径１μｍの多結晶ダイアモンド砥粒を
１０ｇ（０．０５重量％）、分散剤としてヘキサメタリ
ン酸ナトリウム微粉末０．２ｇ（研磨液中のダイアモン
ド砥粒１００重量部に対し２重量部）加え、２４時間攪
拌した後、もう２４時間放置し、５μｍのカートリッジ
フィルターを通過させて得たものである。この研磨液
は、研磨装置外のタンク中から研磨液供給ポンプにより
研磨部に供給され、機上では余分な研磨液がドレンポン
プにより研磨装置外のタンクへと排出される。

【００５７】この研磨液を用い、針入度が１５で直径が
１６ｍｍのアスファルトピッチを使用した小径工具を研
磨圧力２５ＫＰａ、走査方向に対して直交方向に５Ｈｚ
で±２ｍｍの１軸揺動し、送りピッチ１ｍｍでラスター
走査し、総加工時間約５５時間／３パス研磨加工したと
ころ、予定通りの非球面形状を得た。

【００５８】以上の研磨を実施した後に研磨面を観察し
たところ、被加工面にはピットの発生、砥粒通過痕の発
現などの研磨面の悪化は見られず、表面粗さ０．１６ｎ
ｍＲＭＳ程度の超平滑面が得られた。

【００５９】＜実施例４＞次に、本発明の研磨方法によ
り、ＮＣ装置により制御される研磨機により高精度な非
球面を形成する場合の実施例について詳細に説明する。
図５は本実施例による研磨装置３０の動作フローを示す
図であり、図６は研磨装置３０を示す図である。

【００６０】本実施例においては、まず、被加工物３６
（以下、ワークと称する）をワークチャックにセット
し、固定する（ステップＳ０）。このワーク形状によっ
て定めた測定走査パターン（データＤ１）で、計測開始
ポイントから開始して、計測範囲内のつづれ織り状の軌
跡である走査ラインを用い、形状測定を行う（ステップ
Ｓ１）。その結果得られたワーク形状データ（データＤ
４）から、あらかじめ求めておいた再現する誤差、すな
わちシステム誤差（データＤ２）を差し引き（ステップ
Ｓ２）、ワークの設計形状（データＤ３）をこれに当て
はめ（カーブフィット）、設計形状からの差、つまり誤
差形状（データＤ５）を求める（ステップＳ３）。

【００６１】次に、この誤差形状が目標精度に達してい
るかどうかを判定し（ステップＳ４）、既に目標精度に
達している場合には終了し、ワークを取り外す（ステッ
プＳ７）。まだ達していない場合には単位除去形状（デ
ータＤ６）と誤差形状から滞留時間分布を求める計算操
作であるデコンボリューション計算操作（ステップＳ
５）を行い、滞留時間分布（データＤ８）を得る。この
滞留時間分布と研磨走査パターン（データＤ７）と設計
形状（データＤ３）からＮＣ研磨動作を行う（ステップ
Ｓ６）。その後、再びステップ１の形状測定に戻る。

【００６２】図７にステップＳ６のＮＣ研磨動作に関す
る動作フローを示す。

【００６３】まず、研磨準備としてＹテーブル３２を研
磨加工部Ｐに移動させ、最初の研磨位置において、チル
ティング装置４０を下降させて研磨ヘッド５０をワーク
に接触させる。次に現在位置から滞留時間分布（データ
Ｄ８）を用いて走査速度を決定する（ステップＳ１
９）。次にその走査速度と走査パターン（データＤ７）
から同期時間ΔＴ後の走査位置を計算する（ステップＳ
２０）。次に走査が終了したか判定し（ステップＳ２
１）、終了していない場合には設計形状（データＤ３）
から研磨位置、姿勢を計算し（ステップＳ２２）、工具
位置、すなわち前述したセンサの出力値Ｄの距離だけワ
ーク法線方向の位置を補正し（ステップ２３）、Ｘ，
Ｙ，θ，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の６軸の目標位置を計算し
（ステップＳ２４）、下位コンピュータにその目標位置
を送信する（ステップＳ２５）。下位コンピュータは送
信された６軸の目標位置にしたがって前述した方法によ
り、６軸を同期的に移動させ（ステップＳ２６）、工具
位置、すなわちセンサの出力値Ｄを上位コンピュータに
送信する（ステップ１８）。

【００６４】本実施例の場合、被加工物は母線方向長さ
２７０ｍｍ、母線曲率半径４９０ｍ、子線方向長さ７０
ｍｍ、子線曲率半径２ｍのＣＶＤ−ＳｉＣトロイダルミ
ラー非球面ミラーである。

【００６５】まず、ワーク３６をθテーブル３４上のタ
ブ３５内のワークチャックに取り付ける。このワークチ
ャックは、ワーク底面を真空吸引してワークを固定す
る。次に、Ｙ軸に沿ってＸＹθテーブルを形状計測部Ｍ
に移動し、ＸＹθテーブルを形状計測系の原点位置で止
める。また、θテーブル３４はその回転の原点で固定さ
れる。次にワークの加工すべき面（以下、被加工面と称
する）の形状を図５に示した動作フローにしたがって計
測する。計測は各パラメータを入力し、計測開始指令を
入力することで開始する。このとき、入力するパラメー
タとしては、計測開始位置、終了位置、形状計測領域、
計測データ取込間隔、触針の走査速度、針圧などからな
る測定走査パターン（図５中のデータＤ１）、及び、被
加工面設計形状などである。

【００６６】次に、前述したデコンボリューション（図
５中のステップＳ５）、すなわち修正研磨加工時に工具
を制御するための演算を行う。まず、被加工面の誤差形
状（図５中のデータＤ５）を上位コンピュータの演算領
域に読み込む。また、修正研磨で用いる研磨工具の単位
時間当たりの研磨除去形状（単位除去形状）（図５中デ
ータＤ６）を上位コンピュータの演算領域に読み込む。

【００６７】なお、この単位除去形状は、事前に被加工
面と同様な材質形状をもつテストピース上で、実際の修
正研磨で用いるのと同一の工具、研磨条件で既知の時間
一定の位置で研磨を行い、得られた研磨窪みを形状計測
し、それを単位時間当たりに換算することによって得ら
れる。このとき、例えば、既知の時間を６００秒とし
て、単位時間を１秒とすれば、６００秒の一定の位置の
研磨で得られた研磨窪みの深さを１／６００倍すればよ
い。また、これら２つのデータ群はポイント当たり
（ｘ，ｙ，ｚ）の３次元データで構成されている。ｘ，
ｙ，ｚについては等間隔のメッシュ状であり、ｚが誤差
データ、または単位除去形状の形状を表わす。上位コン
ピュータの演算領域に読み込まれたこれら２つのデータ
群を用いて被加工面上での工具の滞留時間分布をデコン
ボリューション演算する。

【００６８】この演算で得られた工具の滞留時間分布
（図５中データＤ８）とは、被加工面の修正研磨領域で
誤差形状を研磨除去するために必要な、各ポイントでの
工具の研磨時間を２次元的に表示したものである。すな
わち、これらの総和は被加工面の１回の修正研磨にかか
る総研磨時間を表わす。

【００６９】次に、ＸＹθテーブルを研磨加工部Ｐに移
動して、研磨加工部Ｐの原点で止める。研磨加工部Ｐの
Ｚチルトアームには１軸揺動式の研磨ヘッド５０が取り
付けてあり、研磨ヘッド５０の先端の工具保持部には直
径１６ｍｍのピッチ工具が固定されている。上位コンピ
ュータの指令により、研磨ヘッド５０は指定された周波
数で揺動する。本実施例では揺動ストローク８ｍｍ、揺
動周波数５Ｈｚである。これは、誤差形状の空間周波数
分布で、低周波数から中間周波数領域の誤差（形状誤
差、リップル）を除去するのに好適な条件である。ま
た、本実施例の研磨装置外に設けられた研磨液供給装置
（不図示）は、上位コンピュータの指令によりθテーブ
ル３４上のタブ３５内に研磨液を供給し、被加工面上を
研磨液で覆い、研磨が行える状態にする。

【００７０】上位コンピュータに修正研磨準備に指令を
入力すると、上位コンピュータは被加工面形状に関する
データと滞留時間分布を演算領域に読み込む。ここで、
上位コンピュータに研磨加工開始位置、工具の走査パタ
ーン、走査回数、滞留時間分布から得られた総研磨時間
の何％を実際に行うか入力する。本実施例では、工具の
走査パターンはつづれ織り状走査であり、走査回数は３
回とした。

【００７１】上位コンピュータに修正研磨開始を指令す
ると、前述のとおり、Ｘテーブル３３、Ｙテーブル３２
がそれぞれ移動し、被加工面の研磨開始位置にＺチルト
アーム先端の工具が位置するようにして停止する。その
後、Ｚチルトアームが下降し、研磨ヘッド５０内の研磨
工具の上下位置センサの信号が所定の値となったところ
でＺチルトアームの下降を停止する。すなわち、工具が
被加工面に接触し、研磨ヘッド５０内での工具の相対位
置が上昇したことを検知して、Ｚチルトアームの下降を
停止する。その後、研磨ヘッド５０内の定圧装置２０に
所定の研磨荷重を発生させる指令が送られ、ピッチ工具
は被研磨面の修正研磨開始位置に所定の研磨荷重で圧接
させられる。本実施例では研磨荷重は２５ＫＰａであ
る。

【００７２】上位コンピュータは、所定の荷重に工具を
加圧したことを確認した後、研磨ヘッド５０の揺動を始
め、修正研磨が開始される。研磨工具の走査はｘ，ｙ軸
で行われるのは前述のとおりである。上位コンピュータ
では滞留時間分布のデータと、そのデータの各ポイント
ｘ，ｙの間隔から、工具の走査速度を計算する。例え
ば、ｘ，ｙのデータが１ｍｍ間隔であり、任意の位置
（ｘ１，ｙ１）での滞留時間が４０ｓｅｃであり、その
２５％を実際に加工し、走査回数が４回であるとする
と、この位置（ｘ１，ｙ１）の前後０．５ｍｍの走査速
度Ｖ（ｘ１，ｙ１）は、Ｖ（ｘ１，ｙ１）＝１／｛（４
０×０．２５）／４｝＝０．４（ｍｍ／ｓｅｃ）とな
る。このような演算を行いながら、前述したように上位
コンピュータは同期時間ΔＴ毎の各軸の目標座標を求
め、それを下位コンピュータに転送し、下位コンピュー
タが各軸を制御することで修正研磨は進行する。

【００７３】第１回の修正研磨が終了した時点で、研磨
ヘッド５０は上方に隔離され、研磨液はタブ３５から抜
かれ、ワークを乾燥させる。その後、ｘｙθテーブルを
形状計測部Ｍに移動させ、第２回の形状計測を行う。こ
の形状計測と修正研磨の交互の繰り返しは、ワークの形
状が設計形状に対する公差内に入ったかどうかの判断に
より終了もしくは継続となる。本加工の実施例ではこの
操作を３回繰り返し、平面形状精度ＰＶ０．０６μｍに
加工できた。この間、形状計測は３００×１００ｍｍの
区間を１ｍｍピッチに形状計測し、研磨加工は３００×
１００ｍｍの区間を１ｍｍピッチのラスター走査で行っ
た。

【００７４】本実施例で使用した研磨液は、実施例３で
使用したものと同じである。この研磨液を用い、針入度
が１５のピッチを用い、研磨圧力は２５ＫＰａとし、走
査方向に対して直交方向に５Ｈｚで±２ｍｍの１軸揺動
し、送りピッチ１ｍｍでラスター走査し、総加工時間約
５５時間／３パス研磨加工したところ、予定通りの非球
面形状を得た。また被加工面にはピットの発生、砥粒通
過痕の発現などの研磨面の悪化は見られず表面粗さ０．
１６ｎｍＲＭＳ程度の超平滑面が得られた。

【００７５】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、例えば高
脆性多結晶材料であるＣＶＤ−ＳｉＣを、ビットの発
生、砥粒通過痕の発現などの研磨面悪化現象を生じるこ
となく、高い信頼性で超平滑面（表面粗さ０．３ｎｍＲ
ＭＳ以下）に研磨できる。更に、本発明は、球面、平
面、非球面に適用できる汎用性の高い方法である。

【００７６】更に、細かく研磨条件を変更して研磨面の
状態を観察しながら研磨加工を進めるという従来の煩雑
な工程が必要無くなり、作業が容易になる。また、研磨
条件を一定にしておけるので加工能率も向上し、加工コ
ストも低減できる。

【００７７】更に、研磨剤の沈澱も防止できる点から
も、１０〜２０時間といった長時間を要するＣＶＤ−Ｓ
ｉＣ材を小径工具で非球面研磨加工する場合に、特に有
効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験１の代表的な粒径３点の結果を示すグラフ
である。

【図２】検討例２の結果を示すグラフである。

【図３】実施例１で用いた研磨機を示す図である。

【図４】実施例２で用いたシリンドリカル研磨機を示す
図である。

【図５】実施例４による研磨装置の動作フローを示すフ
ローチャートである。

【図６】実施例４に使用した研磨装置を示す図である。

【図７】図５のステップＳ６のＮＣ研磨動作に関する動
作フローを示すフローチャートである。

【符号の説明】１研磨皿２被加工面６研磨皿ピッチ面７研磨液１１研磨工具１２被加工物１７研磨液供給ノズル２１研磨液ドレイン３６被加工物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒径が１〜３μｍのダイアモンド砥
粒を含む研磨液を用いることを特徴とするＳｉＣの研磨
方法。
【請求項２】針入度が５〜２０のピッチを用いる請求
項１記載の研磨方法。
【請求項３】研磨圧力が６６ＫＰａ以下である請求項
１または２記載の研磨方法。
【請求項４】前記ダイアモンド砥粒が多結晶である請
求項１〜３の何れか一項記載の研磨方法。
【請求項５】前記研磨液中のダイアモンド砥粒の量が
０．２重量％以下である請求項１〜４の何れか一項記載
の研磨方法。
【請求項６】前記研磨液は研磨剤１００重量部に対し
て１〜２重量部の分散剤を更に含む請求項１〜５の何れ
か一項記載の研磨方法。
【請求項７】ＳｉＣから成る表面を有する光学素子の
製造方法において、平均粒径が１〜３μｍのダイアモン
ド砥粒を含む研磨液を用いて研磨する工程を有すること
を特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項８】前記ＳｉＣから成る表面は、ＣＶＤ法に
より形成された膜である請求項７記載の光学素子の製造
方法。
【請求項９】前記平均粒径が１〜３μｍのダイアモン
ド砥粒を含む研磨液を用いた研磨により、表面粗さ０．
３ｎｍＲＭＳ以下の平滑面を形成する請求項７または８
記載の光学素子の製造方法。