JP3573924B2

JP3573924B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP3573924B2
Application number: JP21617897A
Authority: JP
Inventors: 由夫中村; 紀彦守屋; 惇鍛治倉
Original assignee: FUJIKOSHI MACHINE INDUSTRY CO.,LTD.
Current assignee: FUJIKOSHI MACHINE INDUSTRY CO.,LTD.
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2017-08-11
Also published as: JPH1148126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は両面研磨装置に関し、さらに詳細には、ワークを支持する下定盤と、該下定盤への押圧力を加減調整可能な上定盤支持機構に支持された上定盤との間でワークを挟圧し、上定盤、下定盤及びワークを相対的に運動させてワークを研磨する研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーハ等の薄板状の被加工物を研磨する研磨装置としてはラッピング装置があり、被加工物の研磨面を鏡面に研磨する研磨装置としてはポリッシング装置がある。
例えば、ラッピング装置では、太陽ギヤである外歯車（以下、「エクスターナルギヤ」）と内歯車（以下、「インターナルギヤ」という）を異なる角速度で回転することによって、被加工物（以下、「ワーク」という）を透孔中に保持したキャリアを自転させると共に公転させる。キャリアは遊星歯車に相当する。そして、そのキャリアの上下に設けられた上下の研磨定盤（以下、上の研磨定盤を「上定盤」と、下の研磨定盤を「下定盤」という）によりワークを上下から挟むと共に、上定盤と下定盤とワークの間にスラリー（研磨液）を供給し、ワークに対して各定盤が相対的に移動（回転及び／又は揺動運動）してワークの両面を同時に研磨するものがある。
このラッピング装置は、いわゆる４ウェイ駆動方式の両面研磨装置として知られており、ワークを精度高く平坦化及び研磨できると共に、ワークの両面を同時に加工できるため加工時間が短くて済み、半導体チップの素材となるシリコンウェーハ等の薄物研磨加工に適している。
【０００３】
また、ポリッシング装置は、一般的に、上面に研磨クロスが接着されて研磨面が形成され、回転する定盤と、その定盤の上方に回転可能かつ上下動可能に設けられ、下面にワークを密着・保持する保持プレートを有する保持装置とを備える。なお、定盤は下定盤に相当し、保持プレートは上定盤に相当する。このポリッシング装置によれば、研磨液を供給しつつ、定盤とワークとを相対的に運動させることで、鏡面研磨加工が行われる。
【０００４】
従来のラッピング装置の具体例について、図３に基づいて説明する。
２０は上定盤であり、下面にワーク１０であるシリコンウェーハをラッピングする研磨面が形成され、上面にキー２１が装着されている。２２は空圧等のシリンダ装置であり、門型フレーム１４の上部に設けられている。上定盤２０は、回転板２３及び連結ロッド２７を介し、シリンダ装置２２のピストンロッド２２ａの先端に吊り下げられ、回転自在に支持されている。すなわち、回転板２３に固定された連結部２２ｂによって、ロッド２２は回転しない状態で、そのロッド２２に対し、連結ロッド２７を介して連繋された回転板２３及び上定盤２０が、回転可能且つ脱落しないように設けられている。そして、上定盤２０は、その自重に基づく下定盤３０への押圧力を、シリンダ装置２２による吊り上げ力の調整で加減圧可能に設けられている。
【０００５】
また、上定盤２０は、キー２１が駆動モータ７０の動力で回転される回し金５４のキー溝に挿入・係合しており、駆動モータ７０によって回転駆動される。回し金５４の下部には回し金シャフト５４ａが垂設されており、その下端部に設けられたシャフトギヤ５４ｂは、アイドルギヤ６３を介してスピンドル６０に設けられたスピンドルギヤ６４に噛合している。この動力伝達機構により、駆動モータ７０の動力が回し金５４を介して上定盤２０に伝達される。なお、上定盤２０と回し金５４とをキー２１で連繋するのは、ワーク１０の給排或いは保守管理の際に、上定盤２０を下定盤３０との間隔が広くあくように吊り上げる必要のためである。
【０００６】
５０はエクスターナルギアであり、キャリア４０に噛合して回転駆動させる。このエクスターナルギヤ５０には、回し金シャフト５４ａの周囲に同心に設けられた第１中空シャフト５０ａが連結しており、その第１中空シャフト５０ａに設けられたシャフトギヤ５０ｂは、スピンドル６０に設けられたスピンドルギヤ６５に噛合している。
また、下定盤３０には、第１中空シャフト５０ａの周囲に同心に設けられた第２中空シャフト３０ａが連結されており、その第２中空シャフト３０ａの中途部に設けられたシャフトギヤ３０ｂがスピンドル６０に設けられたスピンドルギヤ６１に噛合している。
【０００７】
また、５２はインターナルギアであり、キャリア４０に噛合して回転駆動させる。このインターナルギヤ５２には、第２中空シャフト３０ａの周囲に同心状に設けられた第３中空シャフト５２ａが連結されており、その第３中空シャフト５２ａに設けられたシャフトギヤ５２ｂがスピンドル６０に設けられたスピンドルギヤ６２に噛合している。
なお、スピンドル６０は、可変減速機６９に連結されており、その可変減速機６９はベルトを介して電動モータ、油圧モータ等の駆動モータ７０に連結されている。
これにより、上定盤２０、下定盤３０、エクスターナルギヤ５０、インターナルギヤ５２は、同一の駆動モータ７０よって、可変減速機６９、ギヤ列、各シャフトを介してそれぞれ動力が伝達されて、回転駆動されていた。
【０００８】
このような構成から成るラッピング装置によれば、前述したように、上定盤２０は、その自重に基づく下定盤３０への押圧力を、シリンダ装置２２による吊り上げ力の調整で加減圧可能に設けられている。すなわち、ピストンロッド２２ａをシリンダ本体へ収縮させる方向へ作動するよう、下側の圧力室へ供給する圧力流体を高くすればするほど、上定盤２０の下定盤３０への押圧力をより軽減できる。従って、上定盤２０の下定盤３０への押圧力としては、最大で上定盤２０の自重を加えることが可能である。
シリコンウェーハの研磨加工においては、その表面に凹凸があるときには、シリンダ装置２２に高圧の圧力流体を供給し、上定盤２０による押圧力を減圧をしてラッピングする。徐々にシリンダ装置２２に供給している圧力流体の圧力を下げて、上定盤２０による押圧力を増大させる。そして、シリコンウェーハの表面が滑らかになると共に厚みが均一になって、そのシリコンウェーハが全面的に均一な荷重を受ける状態となった後に、上定盤２０の全自重がかかるように調整がなされてラッピング加工が行われている。このとき、上定盤２０による押圧力の加減圧調整は精度良く滑らかに行われることが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ラッピング装置においては、上定盤２０による押圧力の加減がシリンダ装置２２の加減圧の調整によって直接的に行われるため、そのシリンダ装置２２の内部抵抗の影響を直接的に反映してしまい、その微調整をリニアにすることが困難であった。
すなわち、ピストンロッド２２ａの引張応力に対応して上定盤２０による押圧力が直接的に変化するということであり、上定盤２０の下面である研磨面がワーク１０に当接した状態で上定盤２０による押圧力が変化するのである。従って、シリンダ装置２２内のピストンロッド２２ａ上端に固定されたピストンの研磨工程中の作動ストロークは、基本的にワーク１０の研磨量（削り厚さ量）とピストンロッド２２ａの微小な弾性伸び量との合計の長さになり、非常に短いものになる。そして、ピストンとシリンダ内壁との摩擦抵抗によって、ピストンは完全に滑らかに移動することは困難であって間欠的に作動するが、その動作が微小であってもピストンの前記作動ストローク自体が小さいため上定盤２０による押圧力に直接的に反映してしまう。従って、上定盤２０による下定盤３０への押圧力を滑らかに調整できないという課題があった。なお、上記のようにピストンがつっかえながら間欠的に作動する現象をノッキング或いはスリップステックと呼んでいる。また、通常、ピストンはシール部材を介してシリンダ内壁で摺動可能に設けられており、そのシール部材の圧力による変形等が、摩擦抵抗の要因になっている。
【００１０】
また、各連結ロッド２７の長さを完全に同一に加工することは困難であり、連結ロッド２７の長さの微小な差による微小な傾斜によっても、部分的に荷重が集中してしまい、ワークを均一に研磨できない。特に、シリコンウェーハの研磨においては、サブミクロンオーダーの極めて高い精度の研磨が要求され、シリコンウェーハの大型化に伴い装置全体も大型化する等、その非常に厳しい研磨条件に対応できないという課題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、上定盤の下定盤への押圧力を滑らかに調整できることで、ワークを高い精度で好適に研磨できる研磨装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するに次の構成を備える。
すなわち、本発明は、ワークを支持する下定盤と、上定盤支持機構に支持された上定盤との間でワークを挟圧し、上定盤、下定盤及びワークを相対的に運動させてワークを研磨する研磨装置において、前記上定盤支持機構は、基体の上部に配設され、ピストンロッドが上下方向に伸縮可能に設けられたシリンダ装置と、該シリンダ装置のピストンロッドの下端に、該ピストンロッドの軸心を中心に回転可能に装着された回転板と、該回転板に、回転板の軸心を中心とする円周上に一定間隔で設けられた複数の貫通孔の各貫通孔を貫通して上下動可能に設けられ、前記上定盤及び回転板が前記軸心を中心に一体に回転するよう、各下端が前記上定盤に連結されると共に、各上端側に回転板からの脱落を防止する抜け止め部が設けられた連結ロッドと、前記連結ロッドの各抜け止め部と前記回転板との間に装着され、前記上定盤を水平バランスよく吊る弾性部材とを備え、前記上定盤支持機構により、前記上定盤を吊り下げ支持してワークに当接させ、該ワークに、前記上定盤の自重と前記弾性部材にかかる荷重との差分の荷重もしくは上定盤の全自重をかけてワークの研磨を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、前記貫通孔にリニアブッシュを設け、前記連結ロッドを該リニアブッシュに挿通させるようにすると好適である。
【００１４】
また、前記弾性部材は、コイルスプリングであることで、その収縮ストロークによって、上定盤による押圧力の加減にかかるシリンダ装置のロッドの上下動の有効ストロークを飛躍的に長くでき、上定盤による押圧力を滑らかに調整してワークを非常に高い精度で研磨できる。
【００１５】
また、前記下定盤の上面及び前記上定盤の下面には、それぞれにワークを研磨するための研磨面が形成され、ワークの両面を同時に研磨することで、両面研磨装置に好適に適用できる。
また、前記ワークは薄板状であり、該薄板状のワークの両面を同時にラッピングすることで、シリコンウェーハ等の薄物のラッピング装置に好適に適用できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる好適な実施例を添付図面と共に詳細に説明する。
図１は本発明にかかる一実施例（主に上定盤支持機構）を示す正面図である。また、図２は図１の実施例の上定盤支持機構を説明する平面図である。
本実施例は、シリコンウェーハの両面を同時に研磨する研磨装置の一例のラッピング装置である。このラッピング装置は、シリコンウェーハ（ワーク１０）を支持する下定盤３０と、その下定盤３０への押圧力を加減調整可能な上定盤支持機構１２に支持された上定盤２０との間でワーク１０を挟圧し、上定盤２０、下定盤３０及びワーク１０を相対的に運動させてワーク１０の両面を研磨する。なお、上定盤２０、下定盤３０、キャリア４０を駆動させるエクスターナルギア５０及びインターナルギア５２の駆動機構は、図３の従来技術と同様であり、説明を省略する。
【００１７】
前記上定盤支持機構１２は、次のような構成を備える。
２２はシリンダ装置であり、基体の上部である門型フレーム１４の梁中央部に、ピストンロッド２２ａが上下方向に伸縮可能に配設されている。本実施例のシリンダ装置２２は図示しない圧縮空気源から供給される空気圧で作動するが、他の流体圧（例えば、水圧、油圧）で作動するようにしてもよい。
２４は回転板であり、シリンダ装置２２のピストンロッド２２ａの下端に、ピストンロッド２２ａの軸心を中心に回転可能に装着されている。図１及び図２に示すように、円形の平板に形成されている。なお、重量を軽減するには適宜くり抜き部を設け、剛性を高めるには適宜リブ等を形成すればよい。
【００１８】
２６は連結ロッドであり、回転板２４に上下動可能に挿通され、上定盤２０及び回転板２４がピストンロッド２２ａの軸心を中心に一体に回転するよう、下端が上定盤２０に連結されている。そして、上端部に回転板２４からの脱落を防止する抜け止め部２６ａが設けられている。本実施例では、回転板２４に穿設された貫通孔２４ａに、連結ロッド２６が挿通されており、回転板２４と上定盤２０とを連繋している。
また、図２に示すように、本実施例では、１２本の連結ロッド２６が、ピストンロッド２２ａ及び回転板２４の軸心を中心とする円周の等分角度位置にそれぞれ設けられている。
【００１９】
２８はコイルスプリングであり、連結ロッド２６の各抜け止め部２６ａと回転板２４の上面との間に装着された弾性部材の一例である。
以上の構成によって設けられた上定盤支持機構１２によれば、上定盤２０を吊り下げ支持すると共に、上定盤２０の自重に基づく下定盤３０へ押圧力を、上定盤２０へのシリンダ装置２２による吊り上げ力の調整で好適に加減圧することができる。
なお、連結ロッド２６及びコイルスプリング２８の数は、１２個である必要はなく、複数であれば、これより増減してもよいのは勿論である。
【００２０】
また、本実施例はラッピング装置であるため、下定盤３０の上面及び上定盤２０の下面には、それぞれにワーク１０を研磨するための研磨面が形成され、ワーク１０の両面を同時に研磨することができる。これにより、本実施例によれば、薄板状の脆性材料から形成されたシリコンウェーハ（ワーク１０）の両面を、高精度に効率良くラッピングすることができる。
【００２１】
次に、本実施例の使用状態と作用効果について説明する。
先ず、ワーク１０をキャリア４０の透孔に内で下定盤３０の研磨面上にセットする際は、シリンダ装置２２のピストンロッド２２ａを収縮することによって、下定盤３０との間に充分な間隔があくように上定盤２０を引き上げておく。このときには、複数のコイルスプリング２８によって、上定盤２０の重量の全部を受けている。従って、各コイルスプリング２８は最も収縮した状態にある。なお、一枚当たりのキャリア４０の透孔の数は、通常５個以上であり、ワーク１０はそれぞれの透孔に保持されることになる。また、キャリア４０は、一装置当たりについて通常４〜５個であるから、同時に２０枚以上のワーク１０が研磨できる。
【００２２】
そして、シリンダ装置２２のエアを減圧して上定盤２０を降下させ、上定盤２０の研磨面をワーク１０の上面に当接させる。ワーク１０（シリコンウェーハ）の被研磨面は、ラッピングされる前には凹凸があり、上定盤２０による高い荷重をかけると、荷重がワーク１０の凸部に集中し、ワーク１０を破壊してしまう。従って、ワーク１０のラッピング開始時には、シリンダ装置２２に供給される空気圧は高い状態（例えば、５ｋｇｆ／ｃｍ²）にあり、ワーク１０に加えられる荷重は低い状態にある。また、このときの複数のコイルスプリング２８にかかる荷重は、上定盤２０の重量からワーク１０にかかる荷重を差し引いたものになる。各コイルスプリング２８は最も収縮した状態から若干伸びた状態になる。
【００２３】
次に、徐々にシリンダ装置２２に供給している空気圧の圧力を下げて、上定盤２０によるワーク１０側への押圧力を増大させつつ、ワーク１０をラッピングする。なお、ワーク１０をラッピングする際の上定盤２０、下定盤３０及びキャリア４０を駆動させるエクスターナルギア５０及びインターナルギア５２の駆動方法等は、図３に示した従来技術と同様であり、説明を省略する。
そして、ワーク１０の両被研磨面がある程度滑らかになると共に厚みが均一になって、そのワーク１０が全面的に均一な荷重を受ける状態となった後に、上定盤２０の全自重或いは一連の研磨工程において最大の荷重になるようにシリンダ装置２２に供給している空気圧の圧力を調整する。上定盤２０による最大荷重である全自重をワーク１０にかける場合には、空気圧の圧力をゼロにすればよい。
【００２４】
以上のように、シリンダ装置２２に供給している空気圧の圧力を、徐々に下げている間に、コイルスプリング２８にかかる荷重が、ワーク１０にかかる荷重に変換され、徐々に軽減される。従って、コイルスプリング２８は徐々に伸びることになる。このコイルスプリング２８が伸びる長さは、シリンダ装置２２のピストンロッド２２ａが突出（伸長）するストロークに対応する。すなわち、ピストンロッド２２ａの有効ストロークが、コイルスプリング２８の伸縮のストロークの長さと基本的に同じことになる。図３の従来技術に比べ、その有効ストロークを非常に長くすることができる。
このため、長い有効ストロークの中で所定の圧力変化を行うことが可能であり、シリンダ装置２２のピストンとシリンダ本体内壁との間に発生する内部抵抗の影響を受けにくく、上定盤を２０による押圧力を滑らかに変化できる。従って、高精度の研磨を好適に行うことが可能である。
【００２５】
また、複数の連結ロッド２６の長さにばらつき（誤差）があっても、複数のコイルスプリング２８を介しているため、荷重が各コイルスプリング２８に好適に分散され、均一にワーク１０を押圧できる。これは、そのコイルスプリング２８の伸縮のストロークの長さがその誤差の長さに比べて格段に長いことになり、連結ロッド２６の長さの多少のばらつきは、容易に吸収されることによる。すなわち、単純に複数のロッド２６が連結された際には、上定盤２０の研磨面をワーク１０の被研磨面に当接させるときなど、最も長い連結ロッド２６から集中的に荷重を受けることが考えられるが、本実施例のように複数のコイルスプリング２８を介した場合は、その荷重を好適に分散できる。
また、複数のコイルスプリング２８で、水平バランスよく上定盤２０を吊ることが可能であり、シリンダ装置２０内のピストンに偏った力を与えることがない。このため、上述したシリンダ装置２２の内部抵抗の影響を受けにくく、上定盤を２０による押圧力を安定的且つ滑らかに変化できる。従って、高精度の研磨を好適に行うことが可能である。
【００２６】
ところで、上記実施例の連結ロッド２６は、単純に貫通孔２４ａに挿通されているが、リニアブッシュ、球面軸受、又は両者を一体化した軸受等を介して回転板２４に挿通してもよい。リニアブッシュを用いれば、スラスト方向の移動をより滑らかに受けることができ、球面軸受によれば、連結ロッド２６の傾倒にも好適に対応可能になる。また、連結ロッド２６のスラスト方向（上下方向）の移動を所定の範囲に規制するストッパ手段を設けてもよいのは勿論である。
【００２７】
また、上記実施例では、弾性部材としてコイルスプリング２８を用いたが、これに限らず、エアバッグ等の圧力流体を利用した弾性手段、或いはゴム材を用いることも可能である。なお、エアバッグ等の場合は、回転する回転板２４上に搭載するため、圧空等の圧力流体を供給するためにディストリビュータを必要とするなど、構造が複雑になる。また、ゴム材の場合は、コイルスプリング２８のように、長い伸縮ストロークをとりにくい。
【００２８】
また、上記実施例では、上定盤２０を吊り下げる基体として門型フレーム１４を用いたが、基体（フレーム）の形態はこれに限定されるものではなく、逆Ｌ字型等の形態でもよい。但し、門型フレーム１４は、高荷重に耐えることができる等の利点がある。
また、上記実施例では、上定盤２０、下定盤３０及びキャリア４０の駆動源を一つの駆動モータ７０（図３参照）と想定した場合を説明したが、本発明はこれに限らず、それぞれを別々に駆動させるようにしてよいのは勿論である。
また、上記実施例では、研磨装置として両面ラッピング装置について説明してきたが、これに限定されるものではなく、例えばポリッシング装置において同等の構成でワークを好適に鏡面研磨できる。
以上、本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、回転板及び上定盤を連繋する連結ロッドの各抜け止め部と、シリンダ装置のピストンロッドの下端に回転可能に装着された回転板との間に、弾性部材を装着したことにより、上定盤の自重に基づく下定盤へ押圧力を、シリンダ装置による吊り上げ力の調整で好適に加減圧することができる。すなわち、弾性部材を好適に介在させることでシリンダ装置のピストンロッドの有効伸縮ストロークを長くとることができ、上定盤による下定盤への押圧力を安定的且つ滑らかに変化させることができる。
従って、本発明によれば、簡単な構成であるが、ワークを高い精度で好適に研磨できるという著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるラッピング装置の一実施例を示す正面断面図である。
【図２】図１の実施例の上定盤支持機構を説明する平面図である。
【図３】従来のラッピング装置の正面断面図である。
【符号の説明】
１０ワーク
１２上定盤支持機構
１４門型フレーム
２０上定盤
２２シリンダ装置
２２ａピストンロッド
２４回転板
２６連結ロッド
２６ａ抜け止め部
２８コイルスプリング
３０下定盤

Claims

ワークを支持する下定盤と、上定盤支持機構に支持された上定盤との間でワークを挟圧し、上定盤、下定盤及びワークを相対的に運動させてワークを研磨する研磨装置において、
前記上定盤支持機構は、
基体の上部に配設され、ピストンロッドが上下方向に伸縮可能に設けられたシリンダ装置と、
該シリンダ装置のピストンロッドの下端に、該ピストンロッドの軸心を中心に回転可能に装着された回転板と、
該回転板に、回転板の軸心を中心とする円周上に一定間隔で設けられた複数の貫通孔の各貫通孔を貫通して上下動可能に設けられ、前記上定盤及び回転板が前記軸心を中心に一体に回転するよう、各下端が前記上定盤に連結されると共に、各上端側に回転板からの脱落を防止する抜け止め部が設けられた連結ロッドと、
前記連結ロッドの各抜け止め部と前記回転板との間に装着され、前記上定盤を水平バランスよく吊る弾性部材とを備え、
前記上定盤支持機構により、前記上定盤を吊り下げ支持してワークに当接させ、該ワークに、前記上定盤の自重と前記弾性部材にかかる荷重との差分の荷重もしくは上定盤の全自重をかけてワークの研磨を行うことを特徴とする研磨装置。
前記貫通孔にリニアブッシュが設けられ、前記連結ロッドが該リニアブッシュを挿通していることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記弾性部材は、コイルスプリングであることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
前記下定盤の上面及び前記上定盤の下面には、それぞれにワークを研磨するための研磨面が形成され、ワークの両面を同時に研磨することを特徴とする請求項１、２又は３記載の研磨装置。
前記ワークは薄板状であり、該薄板状のワークの両面を同時にラッピングすることを特徴とする請求項４記載の研磨装置。