JP2014008574A - ワークキャリア - Google Patents

Abstract

【課題】研磨されるワーク厚さを均一化し、かつワークの角部の損傷や摩耗を抑制するようなワークキャリアを提供する。
【解決手段】遊星歯車方式平行平面加工盤のワーク１を保持するワークキャリア１０において、矩形状のワーク１を装着保持するワーク孔１３が円状であってその側面が波状であるようなワークキャリア１０とした。ワーク孔１３の波面に沿ってワーク１の角部が二カ所当接しつつ自転するため円滑かつ連続的に回転し、また二カ所の角部へ力を分散させるため角部が破損する事態も防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの表面を両面同時にラッピング・ポリシング等の平行平面加工を行う遊星歯車方式平行平面加工盤で用いられ、このワークを装着保持するワークキャリアに関する。

まず、遊星歯車方式平行平面加工盤の概略について図を参照しつつ説明する。遊星歯車方式平行平面加工盤１００は、図３で示すように、複数枚のワークキャリア２００をサンギア１０１とインターナルギア１０２とに噛み合わせた状態としつつ、板状の下定盤１０３上に載置する。そして、このワークキャリア２００のワーク孔２０１にワーク３００を順次装着してから上定盤１０４を設置する。上定盤１０４側に設けられた、図示しない砥粒供給系から砥粒を供給しつつ、下定盤１０３、インターナルギア１０２のそれぞれの図示しない回転駆動軸やサンギア１０１の回転駆動軸１０５に所定の回転を与えることにより、下定盤１０３と上定盤１０４に挟持されたワーク３００は、ワークキャリア２００の公転と自転、いわゆる遊星運動に伴って相対移動し、ワーク３００の両面が加工される。

図中のワーク３００は円板状であり、ワークキャリア２００のワーク孔２０１内にワーク３００が保持されることとなる。ワークキャリア２００は、ワーク３００の目標仕上がり厚さよりも僅かに薄く形成されている。このワーク３００を装着保持するために、従来ではワーク３００の外径よりも僅かに大きめのワーク孔２０１が穿設されていた。

さて、このようなワークキャリア２００では、ワークキャリア２００の自公転に伴ってワーク孔２０１内のワーク３００の内周側の速度と外周側の速度との差からワーク３００が適宜自転することとなる。この自転によりワーク３００全体が均一に研磨される。仮にワーク３００が適宜自転しないとワークキャリア２００の中心に対して半径方向の外側と内側で研磨量の大小が生じて全体で均一な厚みのワークを得ることができない。

しかしながら、特許文献１（特開平０７−２３７１２１号公報、発明の名称「半導体基板のラッピング用キャリア」）にも記載のように、ワーク孔が丸孔であるときに円形ワークは自由に回転しない点が知見されている。このような場合、ワーク孔のある一点と円形ワークの外周の任意の一点とが連続または断続的に不規則に接しつつ加工が進行するため円形ワークの端面にカケが生じてしまい、端面の一部だけが変形・摩耗し、最悪の場合にはワークキャリア共ども破損するおそれもある。このような問題を解決するため、円形ワークではワーク孔の形状が丸孔であるよりは多角形である方が回転しやすくなりワーク端面へ作用する負荷も分散して軽減する点が見いだされ、端面の問題の低減が実現された。

具体的には、特許文献１に記載の発明では、円形のワーク（半導体基板）を収納するラップキャリアの各ホールの形状を多角形とし、ホール内のワークがラッピング加工時に自転可能としている。特に五角形以上だとワークは自由に回転する点が知見されている。これにより、ワーク（半導体基板）端面の変形・摩耗を低減し、後工程での欠け発生の低減を図っている。

そして、このようなワーク孔を多角形状にしたワークキャリアは各種開発されており、例えば、特許文献２（特開平０６−２７８０１５号公報、発明の名称「水晶用研磨機のキャリア」）に記載の発明が知られている。特許文献２に記載の発明では、従来の丸孔では厚みバラツキが大きいという問題を解消するため、水晶用研磨機のキャリアのワークを入れる孔の形状を、多角形、特に八角形が好適であることを実験的検証により知見したものである。なお、ワークの形状についての記載はない。

また、他のワークキャリアとして、例えば、特許文献３（特開平０７−３２８９１７号公報、発明の名称「水晶用研磨機のキャリア」）に記載の発明が知られている。特許文献３に記載の発明では、ワークを入れる複数個の孔が、同心円の多重環状に配列されている水晶用研磨機に使用するキャリアにおいて、同心円の各環を形成している孔の形状が隣接する環の相互間で、外側の環を形成している孔の形状の角数よりも、内側の環を形成している孔の形状の角数が多い水晶用研磨機のキャリアとしている。

ワーク孔の角数が多い方が中のワークの自転数が多くなる点を考慮し、ワークが多重環状配置の場合には、内側の孔の角数を外側の角数より大きくして、厚みを内外で均一にしている。例えば、二重環の場合には内側が十角形、外側が八角形である。他の例として、三重環の場合には内側が十二角形、中間が十角形、外側が八角形である。このような場合には厚みを内外で均一にすることができる。なお、ワークの形状についての記載はない。

以上説明したワークは主に円板状のワークが想定されているが、矩形状のワークも存在する。従来では矩形ワークに対して同形でわずかに大きな形状の矩形孔にワークを嵌合させ、ワークキャリアの自転・公転の動きと一緒にワークを動かしていた。ワーク厚さが大きく十分な強度を有するワークに対しては実施することは可能であるが、この場合でも、ワークの上下面に作用する摩擦力に関係なくワークを強制的に水平方向へ動かす力がワーク孔の接触部に作用することになり、状況によっては非常に大きな負荷が作用してワーク端部あるいはワーク孔端部が損傷したり、摩耗が著しく進行したりすることになる。そして、水晶ワークのような薄板矩形上のワークでは特に問題がある。

しかるに、キャリアから作用する負荷が大きい場合には、ワーク自身がワーク孔内で自由に移動（自転運動など）しながら負荷を和らげるか、負荷をすべり等で逃がすことが必要となる。作用する負荷をすべりで逃がすことを主体にするとワークは自転しにくくなったり、作用する摩擦状態によって不規則な自転運動をしたりすることになる。よって、前述のように、「ワーク自身がワーク孔内で自由に移動（自転運動など）しながら負荷を和らげる（一部逃がす）」ように運動することが必要となる。

本出願人もこのような薄型矩形状のワークに適したワークキャリアの開発を行っている。そのようなワークキャリアについて図を参照しつつ説明する。図４は、従来技術のワークキャリアの説明図である。ワークキャリア２００のキャリア本体２０１には貫通孔２０２、ワーク孔２０３、キャリア歯部２０４が形成されている。このワーク孔２０３は１２角形孔となっている。また、ワーク１は矩形状となっている。

このようなワークキャリア２００では、ワーク１内のワークの内周側の速度と外周側の速度との差からワーク１が図４（ｂ）に示すように回転する。この際に、ワーク１の角部の頂点がワーク孔１０３の各辺に当接して移動することになる。ワーク１の動きとしては、ワーク孔１０３の辺の区間で滑る動きが起こりやすく、ワーク孔１０３の頂点部では一時停止して引っ掛かりが解除されたときに隣の辺へ動き出す。

続いて、他のワークキャリアについて図を参照しつつ説明する。図５は、従来技術のワークキャリアの説明図である。ワークキャリア２００’のワーク孔２０５は２０角形孔となっており、円状に近づきつつある。また、ワーク１は矩形状である。ワーク孔２０５の角数が多い方が中のワーク１の自転数が多くなっており、このようなワークキャリア２００’では、ワーク孔２０５内におけるワーク１の内周側の速度と外周側の速度との差からワーク１がより多く回転する。この際に、ワーク１の角部の頂点がワーク孔２０５の各辺に当接して移動することになる。図４のワークキャリアと比較すると、滑らかに動きやすいという利点がある。

特開平０７−２３７１２１号公報 特開平０６−２７８０１５号公報 特開平０７−３２８９１７号公報

しかしながら、上記した従来技術でも問題点を有するものであった。上記のワーク孔は多角形孔形状でありワークに自転運動を起こさせる効果はあるが、ワーク角部が多角形の辺に当接するとき（すべりやすい状態）と頂点部に当接するとき（負荷が作用しやすい状態）の挙動の違いにより、ワークが間欠的な自転運動を繰り返すことになるため、ワーク厚さの均一性は必ずしも十分ではなかった。
また、ワークの角部に作用する負荷も断続的かつやや衝撃的なものとなり、ワークの角部の損傷や摩耗の進行が懸念されていた。

仮に特許文献１，２，３のワークキャリアを用いて水晶用の矩形ワークを加工することを想定した場合でも、矩形ワークの角部が多角形面に引っ掛かりつつ不規則で間欠的な自転運動をすることから、ワーク厚さの均一性は十分にはならないという問題があった。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、研磨されるワーク厚さを均一化し、かつワークの角部の損傷や摩耗を抑制するようなワークキャリアを提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、
遊星歯車方式平行平面加工盤のワークを保持するワークキャリアにおいて、矩形状のワークを装着保持するワーク孔が円状であってその側面が波状であることを特徴とするワークキャリアとした。

このような本発明によれば、研磨されるワーク厚さを均一化し、かつワークの角部の損傷や摩耗を抑制するようなワークキャリアを提供することができる。

本発明を実施するための形態に係るワークキャリアの説明図であり、図１（ａ）は全体図、図１（ｂ）はワークの移動の説明図である。 本発明を実施するための他の形態に係るワークキャリアの説明図であり、図２（ａ）は全体図、図２（ｂ）はワークの移動の説明図である。 遊星歯車方式平行平面加工盤の説明図である。 従来技術に係るワークキャリアの説明図であり、図４（ａ）は全体図、図４（ｂ）はワークの移動の説明図である。 従来技術に係るワークキャリアの説明図である。

続いて、本発明を実施するための形態について、図１を参照しつつ説明する。ワークキャリア１０は、キャリア本体１１、貫通孔１２、ワーク孔１３，キャリア歯部１４を備えている。このワークキャリア１０は、矩形状のワーク１の研磨時に使用されるものであり、矩形状のワーク１の目標仕上がり厚さよりも僅かに薄く形成されている。キャリア本体１１には貫通孔１２が設けられて空気を通し、定盤等に貼り付くような事態を防止する。

ワーク孔１３はキャリア本体１１に穿設されており、ワーク１を装着するための孔である。ワーク孔１３の基本形状は円形であり、ワーク１の２カ所の角部がワーク孔１３に当接するときにワーク１の残る角部は当接しない程度に、ワーク１の形状外径よりもワーク孔１３が大きいように構成されている。さらにワーク孔１３の側面は半径方向に凹凸するような波状である波状側面部１３ａを備える。この波状側面部１３ａは円周上で２０の波（２０波）が存在するように形成されている。したがって、波状側面部１３ａのある山から隣接する山までは、図１（ｂ）で示すように、１８°（＝３６０°／２０）となる。このワーク孔１３に矩形状のワーク１が配置されることになる。

キャリア歯部１４は、キャリア本体１１の外周部に形成されるものであり、図３で示したような遊星歯車方式平行平面加工盤のサンギアやインターナルギアと噛み合うものである。ワークキャリア１０は、サンギアやインターナルギアの回転により自転・公転する。なお、遊星歯車方式平行平面加工盤は、３ＷＡＹ方式・４ＷＡＹ方式等各種形式があるが何れの形式でも適用することができる。

続いて本発明のワークキャリア１０に装着されて研磨されるワーク１の挙動について図１（ｂ）を参照しつつ説明する。ワーク１の２カ所の角部が２０波の波状側面部１３ａと当接している。なお、本図では便宜的に「ワークキャリアが固定された状態」としてワークのみが回転する図としている。

ワークキャリア１０の自転公転運動に伴ってワーク１は移動し、波状側面部１３ａと接触した状態になる。そして、ワークキャリア１０が自公転すると薄物矩形のワーク１の２カ所の角部に自転するような負荷（モーメント負荷）が発生し、ワーク１は波状側面部１３ａとの接触部で滑りながらワーク孔１３内で徐々に自転運動することになる。

この際、仮に角部を物理的に引っ掛けて大きな負荷を作用させると角部が損傷等を起こしたり摩耗が進行したりする懸念がある。そこで、本発明では側面を波状としており、若干のすべりを生じさせるように（負荷を一部逃がすように）角部にモーメントを作用させている。

そして、ワーク１が薄物の矩形ワークである場合、ワーク１の角部は強度的に弱いので面取りを行っている。この面取りについて特に決まった寸法はないが、面取りしたワーク１の角部が波形状部の振幅中心より奥（谷川）側へ入る余地がないと回転負荷をワークに伝達しにくくなるため、面取りした角部が波形状部の振幅中心より奥（谷川）側へ入るようになされている。

このようにワーク孔１３として波状側面部１３ａを採用しているため、ワーク１を装着保持して自転させるときに、波状側面部１３ａとワーク１とが周期的に１接点と２接点とを繰り返すことになり、接点部分に加わる力が分散する。これにより、ワークキャリア１０やワークの破損を軽減できる。
すなわち「ワーク自身がワーク孔内で自由に移動（自転運動など）しながら負荷を和らげる（一部逃がす）」というような運動を実現している。

なお、従来技術のようにワーク孔が多角形の場合ではやや挙動が異なり、ワークの角部が多角形部の辺にあるときと頂点付近にあるときでは作用する負荷状態が変わり、ワーク角部が辺にあるときはすべり状態に近くワーク角部が頂点部にあるときはやや大きな負荷が作用する状態となる。したがって、ワークの挙動が間欠的な不規則な自転運動となる。

しかしながら、本発明ではワークキャリア１０の遊星運動により矩形状のワーク２を相対移動させるときに同じ波形が周期的に繰り返し配置された波状側面部１３ａにワーク１の２カ所の角部が接するため連続的かつ均一的な動作に近くなってワーク厚みの均一性の向上に寄与し、また、ワーク１の角部に生ずる摺動抵抗や研磨抵抗等の力が局部的に長時間にわたり集中しないで２カ所に分散されるため角部が保護される。

例えば、ワーク１が硬くて脆い材質で形成されたものである場合、例えば水晶、ガラス、セラミック、半導体集積回路用基板に用いられる単結晶シリコンウェーハ等であるシリコンウェーハ、タンタル酸リチュウムウエーハ、ガラスディスク基板等である場合でも、ワーク１の角部におけるカケの発生を防ぐことが可能となり、ワークキャリアやワークが共ども破損するおそれがなくなった。

以上、本発明によれば、特にワーク孔の形状を基本円の外周に波形形状を加えた形状とすることにより、
（１）従来ではワーク１が非連続で間欠的に自転しており、ワーク厚さの均一性が低下していたが、本発明では矩形状のワークを保持するワークキャリアが遊星歯車運動に伴って相対移動するとき、ワークキャリアのワーク孔の内側面の任意の二点と、矩形状のワークの二点の角部と、が接触しつつ波形状の曲線上を滑りながら動くので、ワーク１がほぼ連続的で円滑な動きで自転できるようになってワーク厚さの均一性を大きく改善することができた。
（２）ワークキャリアのワーク孔の内側面の任意の二点と、矩形状のワークの二点の角部とが、接触しつつ波形状の曲線上を滑りながら動くので、角部に作用する負荷が分散され、また、衝撃的な負荷が作用しにくくなったので、ワーク１の角部の損傷や摩耗の進行等が生じにくくなった。
このように従来技術の多角形のワーク孔が有する問題を大きく改善することができた。

続いて、本発明を実施するための他の形態について、図２を参照しつつ説明する。ワークキャリア１０’は、キャリア本体１１、貫通孔１２、ワーク孔１５，キャリア歯部１４を備えている。このワークキャリア１０’は、先に図１を用いて説明したワークキャリア１０と比較すると、２０波のワーク孔１３に代えて３６波のワーク孔１５とする点が相違する。残るキャリア本体１１、貫通孔１２、キャリア歯部１４については先の説明と同様であり、重複する説明を省略する。以下、相違点を重点的に説明する。

ワーク孔１５はキャリア本体１１に穿設されており、ワークを装着するための孔である。ワーク孔１５の形状は円形であり、ワーク１の２カ所の角部がワーク孔１５の側面に当接するときにワーク１の角部の残る点は当接しない程度に、ワーク１の形状外径よりもワーク孔１５が僅かに大きいように構成されている。ワーク孔１５の側面は半径方向に凹凸するような波状である波状側面部１５ａを備える。この波状側面部１５ａは３６の波（３６波）により形成されている。波状側面部１５ａのある山から隣接する山までは、図２（ｂ）で示すように、１０°（＝３６０°／３６）であり、先の１８°よりも角度が細かくなっている。そして、面取りしたワーク１の角部が波形状部の振幅中心より奥（谷川）側へ入る余地がないと回転負荷をワークに伝達しにくくなるため、面取りした角部が波形状部の振幅中心より奥（谷川）側へ入るようになされている。このワーク孔１５に矩形状のワーク１が配置され、上記と同様の原理にて自転することになる。

以上、本発明によれば、特にワーク孔の形状を波形形状とし、移動角度をより小さくすることにより、
（１）本発明では矩形状のワークを保持するワークキャリアが遊星歯車運動に伴って相対移動するとき、ワークキャリアのワーク孔の内側面の任意の二点と、矩形状のワークの二点の角部とが、接触しつつ波形状の曲線上を滑りながら動くので、ワーク１がほぼ連続的で円滑な動きで自転できるのでワーク厚さの均一性を大きく改善することができた。そして、特に、波間の距離を１０°という連続的でより円滑な動きを実現できたのでワーク厚さの均一性をさらに大きく改善することができた。
（２）ワークキャリアのワーク孔の内側面の任意の二点と、矩形状のワークの二点の角部とが、接触しつつ１０°という細かい波形状の曲線上を滑りながら動くので、角部に作用する負荷がさらに分散され、また、衝撃的な負荷が作用しにくくなったので、ワーク１の角部の損傷や摩耗の進行等が生じにくくなった。
このように従来技術の多角形のワーク孔が有する問題を大きく改善することができた。

以上のような本発明のワークキャリアは、シリコンウェーハ、タンタル酸リチュウムウエーハ、ガラスディスク基板等、硬くて脆いワークの外周部にカケの発生を防ぐことが可能となり、長期的に視たときにランニングコストの大幅低減を実現できようになり、産業上利用価値を高めている。

１０，１０’：ワークキャリア
１１：キャリア本体
１２：貫通孔
１３：ワーク孔
１３ａ：波状側面部（２０波）
１４：キャリア歯部
１５：ワーク孔
１５ａ：波状側面部（３６波）

Claims (1)

1. 遊星歯車方式平行平面加工盤のワークを保持するワークキャリアにおいて、矩形状のワークを装着保持するワーク孔が円状であってその側面が波状であることを特徴とするワークキャリア。

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