JP3664188B2 - 表面加工方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面加工方法及びその装置に係り、特に半導体材料やセラミックス、ガラス等の硬脆性材料の表面加工方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体材料やセラミックス等の硬脆性材料の鏡面加工では、主にラッピングやポリッシング等の遊離砥粒加工が用いられている。しかし、これらの遊離砥粒加工は、平滑度の高い鏡面を得るには向いているが、高生産性や高い形状精度が要求される加工には不向きである。また、高生産性を得るために多数枚同時に加工しているため、装置が大型化し今後更に大口径化するには、装置の大きさ、定盤の精度維持等の点で問題がある。しかも、遊離砥粒加工は作業性が悪く、高能率が劣るという欠点も有している。
【0003】
これらの問題を解決するために、前記ラッピングやポリッシング等の枚葉毎での遊離砥粒加工装置、更には固定砥粒加工への転換が期待されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固定砥粒加工は、被加工物の回転中心に合致した砥石半径の砥粒しか被加工物の中心を加工しないため、砥石幅が大きく取れず、加工スピードを上げると各砥粒に働く研削抵抗が大きくなるという欠点があった。また、砥石の状態(形状や目立て状況)により精度変化が大きく、鏡面加工には適用することができないという欠点があった。
【0005】
さらに、同一砥粒が同一軌跡上を動くため、回転数等の条件を変化させても、大幅な運動形態の変更はできないとともに、同一砥粒が被加工物の回転中心に集中し、他の部分の砥粒は中心を通らないため、面内での加工歪層にバラツキを発生させるという欠点があった。
本発明はこのような事情を鑑みてなされたもので、砥石幅全面の砥粒を被加工物面全面に作用させることができる表面加工方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、回転するカップ型の砥石に、自転、公転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、前記被加工物の公転中心と前記砥石の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記砥石の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記砥石の幅(RH −rH )を設定して、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることを特徴とする。
【0007】
本発明によれば、上記条件式を満たすような砥石幅を有する砥石を、自転、公転する被加工物に押し付けて、被加工物の表面を加工することにより、砥石の砥石幅全面の砥粒を被加工物の表面前面に作用させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る表面加工方法及びその装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図1は、本発明に係る表面加工装置の実施の形態の構成を示す側面断面図である。同図に示すように、前記表面加工装置10は、主として、砥石18を回転駆動する砥石回転駆動部12と、ウェーハ20を回転駆動するウェーハ回転駆動部14とから構成される。
【0009】
前記砥石回転駆動部12は、ウェーハ回転駆動部14の上方に設けられ、図示しないモータに駆動されて回転する砥石テーブル16を有している。この砥石テーブル16は、円盤状に形成され、図示しない昇降装置に設けられている。そして、前記昇降装置を駆動することにより、図中上下方向に昇降移動する。
前記砥石テーブル16の下面には、カップ型に形成された砥石18が砥石テーブル16と同軸O3 上に固定されている。この砥石18には、極微粒ダイヤモンドホイール砥石が用いられ、ドーナツ状の下端面をウェーハ20の表面に押し当てることにより、ウェーハ20の表面を研削する。
【0010】
以上の構成により、前記極微粒ダイヤモンドホイール砥石18は、図示しないモータを駆動することにより軸心O3 を中心に回転し、図示しない昇降装置を駆動することにより、図中上下方向に昇降移動する。
一方、前記ウェーハ回転駆動部14は、前記砥石回転駆動部12の下方に設けられ、被加工物であるウェーハ20を支持するウェーハテーブル22を有している。このウェーハテーブル22は、円盤状に形成されており、その上面部に前記ウェーハ20を真空吸着して固定する。
【0011】
前記ウェーハテーブル22の下面には、ウェーハテーブル22と同軸O1 上にスピンドル24が連結されている。スピンドル24は、円筒状に形成された軸受26の内周部に回動自在に支持されている。
前記軸受26は、その上端部に形成されたフランジ26Aを介して回転テーブル28にボルト30、30、…でボルト止めされている。ここで、図2(図1のA−A断面図)に示すように、前記軸受26の軸心O2 は、前記回転テーブル28の軸心O1 と同軸上に設けられておらず、軸間距離(O1 −O2 )がrだけ偏心した位置に設けられている。
【0012】
前記回転テーブル28は、円盤状に形成されており、図1に示すように、その下面部の同軸上に円筒状に形成された脚部32が形成されている。この脚部32は、表面加工装置10の本体フレーム10Aに形成された略同径の孔34Aに嵌入されている。一方、前記回転テーブル28は、前記本体フレーム10Aの上面に設置されたリング状に形成された脱輪防止部材35に係止されて、上下方向及び横方向の移動が規制されている。したがって、前記回転テーブル28は、前記本体フレーム10Aに対して回転のみ行うことができる。なお、31は、切り屑等が装置本体内に入り込むのを防止する蓋部材であり、回転テーブル28に設けられ、回転テーブル28とともに回転する。また、33は、シール部材であり、前記蓋部材31と同様に切り屑等が装置本体内に入り込むのを防止する。
【0013】
前記回転テーブル28の脚部32下端部には、歯車34が脚部32と同軸上にボルト36、36、…で固定されている。この歯車34には、図示しない回転駆動源に連結されたタイミングベルト38が巻き掛けられている(図3参照)。したがって、前記回転テーブル28は、前記図示しない回転駆動源を駆動することにより、前記タイミングベルト38を介してその回転が伝達され、回転する。
【0014】
ところで、前記軸受26は、回転テーブル28に固定されているので、前記回転テーブル28が回転すると、その回転テーブル28の回転に伴って回転する。しかしながら、図2に示すように、前記軸受26の軸心O1 と回転テーブル28の軸心O2 は、一致していない。このため、軸受26は、回転テーブル28と同軸上を回転するのではなく、回転テーブル28の軸心O2 を中心とした円C上を回転する。すなわち、軸受26は、回転テーブル28の軸心O2 を中心とした、公転半径rの円C上を公転する。
【0015】
したがって、前記軸受26に支持されたスピンドル24(軸心O1 )も、回転テーブル28の軸心O2 を中心とした、公転半径rの円C上を公転する。
前記公転するスピンドル24は、自転も行う。図1に示すように、前記スピンドル24の下端部には、スピンドル24と同軸上にギア40が設けられている。このギア40は、インターナルギア42に噛合されており、インターナルギア42は、カップ状に形成された連結部材44を介して、表面加工装置10の本体フレーム10B上に設置されたモータ46の回転軸48に連結されている。
【0016】
ここで、前記インターナルギア42の軸は、前記回転テーブル28と同軸O2 上に設置されているので、ギア40の中心O1 は、図4(図1のC−C断面図)に示すように、インターナルギア42と同心の円C上を移動する。これにより、ギア40は、常にインターナルギア42と噛合する。
したがって、前記スピンドル24は、前記モータ46を駆動することにより、そのモータ46の回転が、インターナルギア42とギア40を介して伝達され、回転(自転)する。
【0017】
以上の構成により、前記ウェーハ20は、モータ46を駆動することにより自転し、図示しない回転駆動源を駆動することにより公転する。
前記の如く構成された本発明に係る表面加工装置の実施の形態の作用は次の通りである。
まず、ウェーハ20とウェーハテーブル22との心合わせをし、その後ウェーハ20を真空吸着してウェーハテーブル22上に固定する。
【0018】
次に、砥石テーブル16を軸心O3 を中心に回転駆動して砥石18を回転させる。これと同時に、ウェーハテーブル22を回転駆動してウェーハ20を軸心O1 を中心に自転させるとともに、回転テーブル28を回転駆動してウェーハ20を軸心O2 を中心に公転させる。
次に、砥石18を回転させ、ウェーハ20を自・公転させた状態で、砥石テーブル16を下降させ、砥石18の下面をウェーハ20の表面に押し付ける。これにより、ウェーハ20は、その表面を前記砥石18に研削加工される。
【0019】
ここで、前記の如く研削されるウェーハ20において、砥粒がどのように仕上げ面を形成し、どれだけの砥粒が研削に関与するかを説明する。
図5に示すように、砥石18上に固定した座標系O3 −X3 Y3 における砥粒Mの角速度をω3 、ウェーハ20の公転中心O2 の座標を(−a、0)、ウェーハ20の公転中心O2 上に固定した座標系O2 −X2 Y2 におけるウェーハ20の自転中心O1 の角速度をω2 、自転中心O1 におけるウェーハ20の座標系O1 −X0 Y0 の角速度をω1 、また、時刻t=0における砥石18上の任意の砥粒Mの位置を極座標で(R、θ)、ウェーハ20の自転中心O1 の位置を(r、ε)とすると、ウェーハ20の座標系O1 −X0 Y0 における切削軌跡の運動方程式は、次式で得られる。
【0020】
【数1】
X=R・cos{θ−ε−(ω1 +ω2 −ω3 )・t}−r・cos(ω1 ・t)+a・cos(ε+(ω1 +ω2 )・t}
Y=R・sin{θ−ε−(ω1 +ω2 −ω3 )・t}+r・sin(ω1 ・t)−a・sin(ε+(ω1 +ω2 )・t}
……(1)
図6〜図10は、前記式(1)で計算した、本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡である。なお、図中、ω1 はウェーハ20の自転回転数、ω2 はウェーハ20の公転回転数、ω3 は砥石18の自転回転数であり、Rは解析対象とする砥粒の砥石中心O3 からの距離である。
【0021】
図7、図8は、ウェーハ20の自転速度ω1 、公転速度ω2 が共に同じで、砥石の角速度ω3 が異なる場合の砥粒の切れ刃の切削軌跡であり、同図から、砥石18の角速度ω3 のみを増加させると、砥粒による切削軌跡の条痕数が増えることが解る。また、自転又は公転の角速度を変えることにより、研削条痕の曲率が変化することが解る。
【0022】
以上のことより、砥石18の角速度ω3 を上げ、ウェーハ20の公転角速度ω2 を変化させることにより、加工面の粗さの改善を図ることができることが解る。
図8〜図10は、砥石18上の半径の異なる砥粒の切削軌跡を表している。図6の条件下では砥石面全ての砥粒がウェーハ20の中心O1 を含めた全面を運動し、且つ中心O1 に集中していないことが解る。
【0023】
このことより、砥粒が、砥石面内のどこの位置にあっても常に加工面の平面度を維持し、且つ砥石面の平坦度を維持した加工を行うことができることが解る。また、これにより、砥石面積を広くとれるとともに、切り刃1個あたりの研削抵抗が減少するため、生産性を向上させ、かつ加工歪の少ない加工を行うこと可能になる。
【0024】
参考のため、従来の自転研削法(ウェーハ20が自転のみを行い公転運動を行わない加工法)での切削軌跡を図11(a)〜(c)に示す。同図からも解るように、従来の自転研削法では、R=aの点にある砥粒以外の砥粒は、ウェーハ20の中心O1 を通らないため、悪条件の砥粒がR>aやR<aの部分にある場合には、中心O1 部分に段差ができる。このため、刃幅を広くとれない。また、R=aの砥粒軌跡がウェーハ20の中心O1 に集中するため、加工歪の点で問題が発生することが予想される。
【0025】
ここで、砥石18の砥石上にある全ての砥粒が、ウェーハ20の表面上を運動するための条件について説明する。
ウェーハ20の半径をRW 、公転半径をrO 、砥石18の外周半径をRH 、内周半径rH 、ウェーハ20の公転中心O2 と砥石18の回転中心O3 との軸間距離をaとする。
【0026】
図12に示すように、外周半径R H がRH >(a+rO )の場合、すなわち、砥石18の外周半径RH が、軸間距離aと公転半径rO との和(rO +a)よりも大きい場合(図中二点破線L1 で示す状態)、砥石18の外周半径RH 上にある砥粒は、中心部近傍を通過しない。
また、図12に示すように、内周半径r H がrH <(a−rO )の場合、すなわち、砥石18の内周半径rH が、軸間距離aと公転半径rO との差(a−rO )よりも小さい場合(図中破線L2 で示す状態)も、砥石18の内周半径rH 上にある砥粒は、中心部近傍を通過しない。
同様の考えの下、図12に示すように、内周半径r H がr H <R W −(a+r O )の場合、砥石18の内周半径r H 上にある砥粒は、ウェーハ20の外周部近傍を通過しない。
【0027】
したがって、砥石18の砥石面上にある全ての砥粒がウェーハ20の表面上を運動するための条件は、次式の通りとなる。
【0028】
【数2】
(a+r O )≧R H
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
この結果、砥石幅(R H −r H )は、最大、公転半径rO の2倍までとれることが解る。また、軸間距離aと公転半径r 0 とが決定すれば、使用可能な砥石18の砥石幅は、自ずと決定される。すなわち、砥石18は、その外周と内周とが、公転中心O 2 と自転中心O 3 を通る直線上で公転中心O 2 を中心として±r 0 の範囲内に入るように砥石幅を設定すればよい。
【0029】
これにより、例えば、ウェーハ20の半径RW が150mm、ウェーハ20の公転半径rO が20mm、軸間距離aが100mmとすれば、砥石18は、外周半径RH が120mm、内周半径rH が80mmのものを用いれば、最も効率のよい安定した研削を行うことができる。
このように、本発明に係る表面加工方法及びその装置によれば、砥石18の幅を大きくし、砥石作用砥粒数を多くすることができる。この結果、切削効率が向上し、スループットが向上する。また、砥石18の幅を大きくすることにより、砥粒1個当たりの研削負荷が軽減し、加工歪深さを減少する。このことは、薄板加工に特に有効である。
【0030】
また、砥石18の面全ての砥粒がウェーハ20の面内を運動するので、加工面及び砥石面の平坦度が向上する。この結果、研削面精度が安定する。
さらに、3回転体(ウェーハ20の自転、公転及び砥石18の回転)のうち1つの回転数を変化させることにより、様々な研削軌跡を作ることができ、この結果、面の均一化や刃先の修正管理を簡便に行うことができる。また、ウェーハ20の面内の砥粒軌跡(切削条痕)の曲率を小さくすることができることにより、ウェーハ20の破損強度を増すことができる。このことは、薄板加工に特に有利である。
【0031】
また、砥粒の運動方向が無方向のため、加工面の平面度や表面粗さの高精度化に有効な方法である。
また、砥石面積を大きくとれることにより、弾性ボンドやラッピングテープ(ペーパ砥石等)での加工や遊離砥粒での加工等の定圧研削への応用が可能である。このとき、図1に示した表面加工装置10において、砥石18の代わりに定盤をテーブル16に取り付け、定盤とウェーハ20との間に遊離砥粒を供給しながら、前記の如く、ウェーハ20を自・公転させるとともに、定盤を回転させて、その定盤をウェーハ20の表面に一定圧で押しつけることにより、ラッピングを行うことができる。
【0032】
また、図1の装置で砥石18の代わりに研磨布を砥石テーブル16に取り付け、研磨布とウェーハ20との間に遊離砥粒を供給しながら、前記の如く、ウェーハ20を自・公転させるとともに、研磨布を回転させて、その研磨布をウェーハ20の表面に一定圧で押しつけることにより、本発明に係る表面加工装置をポリッシング又は化学加工研磨(CMP:Chemical Machining Polishing)を行うことができる。
【0033】
なお、本実施の形態では、ウェーハ20側を自・公転させる構成としたが、図1の装置で砥石18側を自・公転するように構成しても、同様の効果を得ることができる。すなわち、ウェーハ20の回転を軸心O1 を中心とした自転のみとし、砥石18を軸心O3 を中心に自転させるとともに、砥石18の軸心O3 及びウェーハ20の軸心O1 と偏心した回転中心を中心に公転させる。このことは、前記ラッピング装置やポリッシング装置、CMP装置等において、砥石18に代えて定盤又は研磨布を自・公転させる場合も同様である。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることができる。これにより、砥石幅を大きくし、研削作用砥粒数を多くすることができる。この結果、切削効率が向上し、スループットが向上する。また、砥石幅を大きくすることにより、砥粒1個当たりの研削負荷が軽減し、加工歪深さを減少する。
【0035】
また、砥石面全ての砥粒が被加工物の面内を運動するので、加工面及び砥石面の平坦度が向上する。この結果、研削面精度が安定する。
さらに、3回転体のうち1つの回転数を変化させることにより、様々な研削軌跡を作ることができ、この結果、面の均一化や刃先の修正管理を簡便に行うことができる。また、被加工物の面内の砥粒軌跡(切削条痕)の曲率を小さくすることができることにより、被加工物の破損強度を増すことができる。
【0036】
また、砥石面積を大きくとれることにより、弾性ボンドやラッピングテープ(ペーパ砥石等)での加工や遊離砥粒での加工等の定圧研削への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る表面加工装置の実施の形態の構成を示す側面断面図
【図2】図1のA−A断面図
【図3】図1のB−B断面図
【図4】図1のC−C断面図
【図5】砥粒の切削軌跡の解析モデル
【図6】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図7】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図8】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図9】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図10】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図11】従来の自転研削法での加工中の砥粒の切削軌跡
【図12】砥石条件の解析モデル
【符号の説明】
10…表面加工装置
16…砥石テーブル
18…砥石
20…ウェーハ
22…ウェーハテーブル
24…スピンドル
26…軸受
34…歯車
38…タイミングベルト
40…ギア
42…インターナルギア
46…モータ
【発明の属する技術分野】
本発明は表面加工方法及びその装置に係り、特に半導体材料やセラミックス、ガラス等の硬脆性材料の表面加工方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体材料やセラミックス等の硬脆性材料の鏡面加工では、主にラッピングやポリッシング等の遊離砥粒加工が用いられている。しかし、これらの遊離砥粒加工は、平滑度の高い鏡面を得るには向いているが、高生産性や高い形状精度が要求される加工には不向きである。また、高生産性を得るために多数枚同時に加工しているため、装置が大型化し今後更に大口径化するには、装置の大きさ、定盤の精度維持等の点で問題がある。しかも、遊離砥粒加工は作業性が悪く、高能率が劣るという欠点も有している。
【0003】
これらの問題を解決するために、前記ラッピングやポリッシング等の枚葉毎での遊離砥粒加工装置、更には固定砥粒加工への転換が期待されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固定砥粒加工は、被加工物の回転中心に合致した砥石半径の砥粒しか被加工物の中心を加工しないため、砥石幅が大きく取れず、加工スピードを上げると各砥粒に働く研削抵抗が大きくなるという欠点があった。また、砥石の状態(形状や目立て状況)により精度変化が大きく、鏡面加工には適用することができないという欠点があった。
【0005】
さらに、同一砥粒が同一軌跡上を動くため、回転数等の条件を変化させても、大幅な運動形態の変更はできないとともに、同一砥粒が被加工物の回転中心に集中し、他の部分の砥粒は中心を通らないため、面内での加工歪層にバラツキを発生させるという欠点があった。
本発明はこのような事情を鑑みてなされたもので、砥石幅全面の砥粒を被加工物面全面に作用させることができる表面加工方法及びその装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するために、回転するカップ型の砥石に、自転、公転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、前記被加工物の公転中心と前記砥石の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記砥石の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記砥石の幅(RH −rH )を設定して、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることを特徴とする。
【0007】
本発明によれば、上記条件式を満たすような砥石幅を有する砥石を、自転、公転する被加工物に押し付けて、被加工物の表面を加工することにより、砥石の砥石幅全面の砥粒を被加工物の表面前面に作用させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る表面加工方法及びその装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図1は、本発明に係る表面加工装置の実施の形態の構成を示す側面断面図である。同図に示すように、前記表面加工装置10は、主として、砥石18を回転駆動する砥石回転駆動部12と、ウェーハ20を回転駆動するウェーハ回転駆動部14とから構成される。
【0009】
前記砥石回転駆動部12は、ウェーハ回転駆動部14の上方に設けられ、図示しないモータに駆動されて回転する砥石テーブル16を有している。この砥石テーブル16は、円盤状に形成され、図示しない昇降装置に設けられている。そして、前記昇降装置を駆動することにより、図中上下方向に昇降移動する。
前記砥石テーブル16の下面には、カップ型に形成された砥石18が砥石テーブル16と同軸O3 上に固定されている。この砥石18には、極微粒ダイヤモンドホイール砥石が用いられ、ドーナツ状の下端面をウェーハ20の表面に押し当てることにより、ウェーハ20の表面を研削する。
【0010】
以上の構成により、前記極微粒ダイヤモンドホイール砥石18は、図示しないモータを駆動することにより軸心O3 を中心に回転し、図示しない昇降装置を駆動することにより、図中上下方向に昇降移動する。
一方、前記ウェーハ回転駆動部14は、前記砥石回転駆動部12の下方に設けられ、被加工物であるウェーハ20を支持するウェーハテーブル22を有している。このウェーハテーブル22は、円盤状に形成されており、その上面部に前記ウェーハ20を真空吸着して固定する。
【0011】
前記ウェーハテーブル22の下面には、ウェーハテーブル22と同軸O1 上にスピンドル24が連結されている。スピンドル24は、円筒状に形成された軸受26の内周部に回動自在に支持されている。
前記軸受26は、その上端部に形成されたフランジ26Aを介して回転テーブル28にボルト30、30、…でボルト止めされている。ここで、図2(図1のA−A断面図)に示すように、前記軸受26の軸心O2 は、前記回転テーブル28の軸心O1 と同軸上に設けられておらず、軸間距離(O1 −O2 )がrだけ偏心した位置に設けられている。
【0012】
前記回転テーブル28は、円盤状に形成されており、図1に示すように、その下面部の同軸上に円筒状に形成された脚部32が形成されている。この脚部32は、表面加工装置10の本体フレーム10Aに形成された略同径の孔34Aに嵌入されている。一方、前記回転テーブル28は、前記本体フレーム10Aの上面に設置されたリング状に形成された脱輪防止部材35に係止されて、上下方向及び横方向の移動が規制されている。したがって、前記回転テーブル28は、前記本体フレーム10Aに対して回転のみ行うことができる。なお、31は、切り屑等が装置本体内に入り込むのを防止する蓋部材であり、回転テーブル28に設けられ、回転テーブル28とともに回転する。また、33は、シール部材であり、前記蓋部材31と同様に切り屑等が装置本体内に入り込むのを防止する。
【0013】
前記回転テーブル28の脚部32下端部には、歯車34が脚部32と同軸上にボルト36、36、…で固定されている。この歯車34には、図示しない回転駆動源に連結されたタイミングベルト38が巻き掛けられている(図3参照)。したがって、前記回転テーブル28は、前記図示しない回転駆動源を駆動することにより、前記タイミングベルト38を介してその回転が伝達され、回転する。
【0014】
ところで、前記軸受26は、回転テーブル28に固定されているので、前記回転テーブル28が回転すると、その回転テーブル28の回転に伴って回転する。しかしながら、図2に示すように、前記軸受26の軸心O1 と回転テーブル28の軸心O2 は、一致していない。このため、軸受26は、回転テーブル28と同軸上を回転するのではなく、回転テーブル28の軸心O2 を中心とした円C上を回転する。すなわち、軸受26は、回転テーブル28の軸心O2 を中心とした、公転半径rの円C上を公転する。
【0015】
したがって、前記軸受26に支持されたスピンドル24(軸心O1 )も、回転テーブル28の軸心O2 を中心とした、公転半径rの円C上を公転する。
前記公転するスピンドル24は、自転も行う。図1に示すように、前記スピンドル24の下端部には、スピンドル24と同軸上にギア40が設けられている。このギア40は、インターナルギア42に噛合されており、インターナルギア42は、カップ状に形成された連結部材44を介して、表面加工装置10の本体フレーム10B上に設置されたモータ46の回転軸48に連結されている。
【0016】
ここで、前記インターナルギア42の軸は、前記回転テーブル28と同軸O2 上に設置されているので、ギア40の中心O1 は、図4(図1のC−C断面図)に示すように、インターナルギア42と同心の円C上を移動する。これにより、ギア40は、常にインターナルギア42と噛合する。
したがって、前記スピンドル24は、前記モータ46を駆動することにより、そのモータ46の回転が、インターナルギア42とギア40を介して伝達され、回転(自転)する。
【0017】
以上の構成により、前記ウェーハ20は、モータ46を駆動することにより自転し、図示しない回転駆動源を駆動することにより公転する。
前記の如く構成された本発明に係る表面加工装置の実施の形態の作用は次の通りである。
まず、ウェーハ20とウェーハテーブル22との心合わせをし、その後ウェーハ20を真空吸着してウェーハテーブル22上に固定する。
【0018】
次に、砥石テーブル16を軸心O3 を中心に回転駆動して砥石18を回転させる。これと同時に、ウェーハテーブル22を回転駆動してウェーハ20を軸心O1 を中心に自転させるとともに、回転テーブル28を回転駆動してウェーハ20を軸心O2 を中心に公転させる。
次に、砥石18を回転させ、ウェーハ20を自・公転させた状態で、砥石テーブル16を下降させ、砥石18の下面をウェーハ20の表面に押し付ける。これにより、ウェーハ20は、その表面を前記砥石18に研削加工される。
【0019】
ここで、前記の如く研削されるウェーハ20において、砥粒がどのように仕上げ面を形成し、どれだけの砥粒が研削に関与するかを説明する。
図5に示すように、砥石18上に固定した座標系O3 −X3 Y3 における砥粒Mの角速度をω3 、ウェーハ20の公転中心O2 の座標を(−a、0)、ウェーハ20の公転中心O2 上に固定した座標系O2 −X2 Y2 におけるウェーハ20の自転中心O1 の角速度をω2 、自転中心O1 におけるウェーハ20の座標系O1 −X0 Y0 の角速度をω1 、また、時刻t=0における砥石18上の任意の砥粒Mの位置を極座標で(R、θ)、ウェーハ20の自転中心O1 の位置を(r、ε)とすると、ウェーハ20の座標系O1 −X0 Y0 における切削軌跡の運動方程式は、次式で得られる。
【0020】
【数1】
X=R・cos{θ−ε−(ω1 +ω2 −ω3 )・t}−r・cos(ω1 ・t)+a・cos(ε+(ω1 +ω2 )・t}
Y=R・sin{θ−ε−(ω1 +ω2 −ω3 )・t}+r・sin(ω1 ・t)−a・sin(ε+(ω1 +ω2 )・t}
……(1)
図6〜図10は、前記式(1)で計算した、本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡である。なお、図中、ω1 はウェーハ20の自転回転数、ω2 はウェーハ20の公転回転数、ω3 は砥石18の自転回転数であり、Rは解析対象とする砥粒の砥石中心O3 からの距離である。
【0021】
図7、図8は、ウェーハ20の自転速度ω1 、公転速度ω2 が共に同じで、砥石の角速度ω3 が異なる場合の砥粒の切れ刃の切削軌跡であり、同図から、砥石18の角速度ω3 のみを増加させると、砥粒による切削軌跡の条痕数が増えることが解る。また、自転又は公転の角速度を変えることにより、研削条痕の曲率が変化することが解る。
【0022】
以上のことより、砥石18の角速度ω3 を上げ、ウェーハ20の公転角速度ω2 を変化させることにより、加工面の粗さの改善を図ることができることが解る。
図8〜図10は、砥石18上の半径の異なる砥粒の切削軌跡を表している。図6の条件下では砥石面全ての砥粒がウェーハ20の中心O1 を含めた全面を運動し、且つ中心O1 に集中していないことが解る。
【0023】
このことより、砥粒が、砥石面内のどこの位置にあっても常に加工面の平面度を維持し、且つ砥石面の平坦度を維持した加工を行うことができることが解る。また、これにより、砥石面積を広くとれるとともに、切り刃1個あたりの研削抵抗が減少するため、生産性を向上させ、かつ加工歪の少ない加工を行うこと可能になる。
【0024】
参考のため、従来の自転研削法(ウェーハ20が自転のみを行い公転運動を行わない加工法)での切削軌跡を図11(a)〜(c)に示す。同図からも解るように、従来の自転研削法では、R=aの点にある砥粒以外の砥粒は、ウェーハ20の中心O1 を通らないため、悪条件の砥粒がR>aやR<aの部分にある場合には、中心O1 部分に段差ができる。このため、刃幅を広くとれない。また、R=aの砥粒軌跡がウェーハ20の中心O1 に集中するため、加工歪の点で問題が発生することが予想される。
【0025】
ここで、砥石18の砥石上にある全ての砥粒が、ウェーハ20の表面上を運動するための条件について説明する。
ウェーハ20の半径をRW 、公転半径をrO 、砥石18の外周半径をRH 、内周半径rH 、ウェーハ20の公転中心O2 と砥石18の回転中心O3 との軸間距離をaとする。
【0026】
図12に示すように、外周半径R H がRH >(a+rO )の場合、すなわち、砥石18の外周半径RH が、軸間距離aと公転半径rO との和(rO +a)よりも大きい場合(図中二点破線L1 で示す状態)、砥石18の外周半径RH 上にある砥粒は、中心部近傍を通過しない。
また、図12に示すように、内周半径r H がrH <(a−rO )の場合、すなわち、砥石18の内周半径rH が、軸間距離aと公転半径rO との差(a−rO )よりも小さい場合(図中破線L2 で示す状態)も、砥石18の内周半径rH 上にある砥粒は、中心部近傍を通過しない。
同様の考えの下、図12に示すように、内周半径r H がr H <R W −(a+r O )の場合、砥石18の内周半径r H 上にある砥粒は、ウェーハ20の外周部近傍を通過しない。
【0027】
したがって、砥石18の砥石面上にある全ての砥粒がウェーハ20の表面上を運動するための条件は、次式の通りとなる。
【0028】
【数2】
(a+r O )≧R H
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
この結果、砥石幅(R H −r H )は、最大、公転半径rO の2倍までとれることが解る。また、軸間距離aと公転半径r 0 とが決定すれば、使用可能な砥石18の砥石幅は、自ずと決定される。すなわち、砥石18は、その外周と内周とが、公転中心O 2 と自転中心O 3 を通る直線上で公転中心O 2 を中心として±r 0 の範囲内に入るように砥石幅を設定すればよい。
【0029】
これにより、例えば、ウェーハ20の半径RW が150mm、ウェーハ20の公転半径rO が20mm、軸間距離aが100mmとすれば、砥石18は、外周半径RH が120mm、内周半径rH が80mmのものを用いれば、最も効率のよい安定した研削を行うことができる。
このように、本発明に係る表面加工方法及びその装置によれば、砥石18の幅を大きくし、砥石作用砥粒数を多くすることができる。この結果、切削効率が向上し、スループットが向上する。また、砥石18の幅を大きくすることにより、砥粒1個当たりの研削負荷が軽減し、加工歪深さを減少する。このことは、薄板加工に特に有効である。
【0030】
また、砥石18の面全ての砥粒がウェーハ20の面内を運動するので、加工面及び砥石面の平坦度が向上する。この結果、研削面精度が安定する。
さらに、3回転体(ウェーハ20の自転、公転及び砥石18の回転)のうち1つの回転数を変化させることにより、様々な研削軌跡を作ることができ、この結果、面の均一化や刃先の修正管理を簡便に行うことができる。また、ウェーハ20の面内の砥粒軌跡(切削条痕)の曲率を小さくすることができることにより、ウェーハ20の破損強度を増すことができる。このことは、薄板加工に特に有利である。
【0031】
また、砥粒の運動方向が無方向のため、加工面の平面度や表面粗さの高精度化に有効な方法である。
また、砥石面積を大きくとれることにより、弾性ボンドやラッピングテープ(ペーパ砥石等)での加工や遊離砥粒での加工等の定圧研削への応用が可能である。このとき、図1に示した表面加工装置10において、砥石18の代わりに定盤をテーブル16に取り付け、定盤とウェーハ20との間に遊離砥粒を供給しながら、前記の如く、ウェーハ20を自・公転させるとともに、定盤を回転させて、その定盤をウェーハ20の表面に一定圧で押しつけることにより、ラッピングを行うことができる。
【0032】
また、図1の装置で砥石18の代わりに研磨布を砥石テーブル16に取り付け、研磨布とウェーハ20との間に遊離砥粒を供給しながら、前記の如く、ウェーハ20を自・公転させるとともに、研磨布を回転させて、その研磨布をウェーハ20の表面に一定圧で押しつけることにより、本発明に係る表面加工装置をポリッシング又は化学加工研磨(CMP:Chemical Machining Polishing)を行うことができる。
【0033】
なお、本実施の形態では、ウェーハ20側を自・公転させる構成としたが、図1の装置で砥石18側を自・公転するように構成しても、同様の効果を得ることができる。すなわち、ウェーハ20の回転を軸心O1 を中心とした自転のみとし、砥石18を軸心O3 を中心に自転させるとともに、砥石18の軸心O3 及びウェーハ20の軸心O1 と偏心した回転中心を中心に公転させる。このことは、前記ラッピング装置やポリッシング装置、CMP装置等において、砥石18に代えて定盤又は研磨布を自・公転させる場合も同様である。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることができる。これにより、砥石幅を大きくし、研削作用砥粒数を多くすることができる。この結果、切削効率が向上し、スループットが向上する。また、砥石幅を大きくすることにより、砥粒1個当たりの研削負荷が軽減し、加工歪深さを減少する。
【0035】
また、砥石面全ての砥粒が被加工物の面内を運動するので、加工面及び砥石面の平坦度が向上する。この結果、研削面精度が安定する。
さらに、3回転体のうち1つの回転数を変化させることにより、様々な研削軌跡を作ることができ、この結果、面の均一化や刃先の修正管理を簡便に行うことができる。また、被加工物の面内の砥粒軌跡(切削条痕)の曲率を小さくすることができることにより、被加工物の破損強度を増すことができる。
【0036】
また、砥石面積を大きくとれることにより、弾性ボンドやラッピングテープ(ペーパ砥石等)での加工や遊離砥粒での加工等の定圧研削への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る表面加工装置の実施の形態の構成を示す側面断面図
【図2】図1のA−A断面図
【図3】図1のB−B断面図
【図4】図1のC−C断面図
【図5】砥粒の切削軌跡の解析モデル
【図6】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図7】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図8】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図9】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図10】本発明に係る表面加工方法による加工中の砥粒の切削軌跡
【図11】従来の自転研削法での加工中の砥粒の切削軌跡
【図12】砥石条件の解析モデル
【符号の説明】
10…表面加工装置
16…砥石テーブル
18…砥石
20…ウェーハ
22…ウェーハテーブル
24…スピンドル
26…軸受
34…歯車
38…タイミングベルト
40…ギア
42…インターナルギア
46…モータ
Claims (14)
- 回転するカップ型の砥石に、自転、公転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
前記被加工物の公転中心と前記砥石の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記砥石の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記砥石の幅(RH −rH )を設定して、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工方法。 - カップ型の砥石を支持するとともに該砥石を回転駆動する砥石テーブルと、被加工物を支持するとともに該被加工物を回転させる被加工物テーブルと、前記砥石テーブルの回転中心と偏心した位置に回転中心を有し、その回転中心と偏心した位置に前記被加工物テーブルを支持する回転テーブルと、から成り、前記被加工物テーブルを回転させることにより前記被加工物を自転させるとともに、前記回転テーブルを回転させることにより前記被加工物を公転させ、該自転、公転する被加工物に前記砥石を押し付けて、前記被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
前記被加工物の公転中心と前記砥石の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記砥石の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記砥石の幅(RH −rH )を設定して、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工装置。 - 自転、公転するカップ型の砥石に、回転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
前記砥石の公転中心と前記被加工物の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記砥石の公転半径をrO としたとき、前記砥石の自転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記砥石の幅(RH −rH )を設定して、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工方法。 - 被加工物を支持するとともに該被加工物を回転駆動する被加工物テーブルと、カップ型の砥石を支持するとともに該砥石を回転させる砥石テーブルと、前記被加工物テーブルの回転中心と偏心した位置に回転中心を有し、その回転中心と偏心した位置に前記砥石テーブルを支持する回転テーブルと、から成り、前記砥石テーブルを回転させることにより前記砥石を自転させるとともに、前記回転テーブルを回転させることにより前記砥石を公転させ、該自転、公転する砥石に前記被加工物を押し付けて、前記被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
前記砥石の公転中心と前記被加工物の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記砥石の公転半径をrO としたとき、前記砥石の自転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記砥石の幅(RH −rH )を設定して、砥石幅全面の砥粒を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工装置。 - 回転するドーナツ状の定盤に、自転、公転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
前記被加工物の公転中心と前記定盤の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記定盤の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記定盤の幅(RH −rH )を設定して、定盤幅全面の点を被加工物全面に作用させるすることを特徴とする表面加工方法。 - ドーナツ状の定盤を支持するとともに該定盤を回転駆動する定盤テーブルと、被加工物を支持するとともに該被加工物を回転させる被加工物テーブルと、前記定盤テーブルの回転中心と偏心した位置に回転中心を有し、その回転中心と偏心した位置に前記被加工物テーブルを支持する回転テーブルと、から成り、前記被加工物テーブルを回転させることにより前記被加工物を自転させるとともに、前記回転テーブルを回転させることにより前記被加工物を公転させ、該自転、公転する被加工物に前記定盤を押し付けて、前記被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
前記被加工物の公転中心と前記定盤の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記定盤の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記定盤の幅(RH −rH )を設定して、定盤幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工装置。 - 自転、公転するドーナツ状の定盤に、回転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
前記定盤の公転中心と前記被加工物の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記定盤の公転半径をrO としたとき、前記定盤の自転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記定盤の幅(RH −rH )を設定して、定盤幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工方法。 - 被加工物を支持するとともに該被加工物を回転駆動する被加工物テーブルと、ドーナツ状の定盤を支持するとともに該定盤を回転させる定盤テーブルと、前記被加工物テーブルの回転中心と偏心した位置に回転中心を有し、その回転中心と偏心した位置に前記定盤テーブルを支持する回転テーブルと、から成り、前記定盤テーブルを回転させることにより前記定盤を自転させるとともに、前記回転テーブルを回転させることにより前記定盤を公転させ、該自転、公転する定盤に前記被加工物を押し付けて、前記被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
前記定盤の公転中心と前記被加工物の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記定盤の公転半径をrO としたとき、前記定盤の自転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記定盤の幅(RH −rH )を設定して、定盤幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工装置。 - 回転するカップ型の研磨布に、自転、公転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
前記被加工物の公転中心と前記研磨布の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記研磨布の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記研磨布の幅(RH −rH )を設定して、研磨布幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工方法。 - カップ型の研磨布を支持するとともに該研磨布を回転駆動する研磨布テーブルと、被加工物を支持するとともに該被加工物を回転させる被加工物テーブルと、前記研磨布テーブルの回転中心と偏心した位置に回転中心を有し、その回転中心と偏心した位置に前記被加工物テーブルを支持する回転テーブルと、から成り、前記被加工物テーブルを回転させることにより前記被加工物を自転させるとともに、前記回転テーブルを回転させることにより前記被加工物を公転させ、該自転、公転する被加工物に前記研磨布を押し付けて、前記被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
前記被加工物の公転中心と前記研磨布の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記被加工物の公転半径をrO としたとき、前記研磨布の回転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記研磨布の幅(RH −rH )を設定して、研磨布幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工装置。 - 自転、公転するカップ型の研磨布に、回転する被加工物を押し付けて、該被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
前記研磨布の公転中心と前記被加工物の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記研磨布の公転半径をrO としたとき、前記研磨布の自転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記研磨布の幅(RH −rH )を設定して、研磨布幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工方法。 - 被加工物を支持するとともに該被加工物を回転駆動する被加工物テーブルと、カップ型の研磨布を支持するとともに該研磨布を回転させる研磨布テーブルと、前記被加工物テーブルの回転中心と偏心した位置に回転中心を有し、その回転中心と偏心した位置に前記研磨布テーブルを支持する回転テーブルと、から成り、前記研磨布テーブルを回転させることにより前記研磨布を自転させるとともに、前記回転テーブルを回転させることにより前記研磨布を公転させ、該自転、公転する研磨布に前記被加工物を押し付けて、前記被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
前記研磨布の公転中心と前記被加工物の回転中心との軸間距離をa、前記被加工物の半径をRW 、前記研磨布の公転半径をrO としたとき、前記研磨布の自転中心からの最大距離R H と最小距離r H とが、次の条件式
(a+rO )≧RH
かつ
(a−rO )≦rH
かつ
RW −(a+rO )≦rH
を満たすように前記研磨布の幅(RH −rH )を設定して、研磨布幅全面の点を被加工物全面に作用させることを特徴とする表面加工装置。 - 前記砥石又は前記定盤若しくは前記研摩布は、その外周と内周とが、前記被加工物の公転中心と前記砥石又は前記定盤若しくは前記研摩布の回転中心とを通る直線上で前記被加工物の公転中心を中心として±r0 の範囲内に入るように前記砥石幅又は前記定盤幅若しくは前記研磨布幅が設定されていることを特徴とする請求項2、6又は10記載の表面加工装置。
- 前記砥石又は前記定盤若しくは前記研摩布は、その外周と内周とが、前記砥石又は前記定盤若しくは前記研摩布の公転中心と前記被加工物の回転中心とを通る直線上で前記砥石又は前記定盤若しくは前記研摩布の公転中心を中心として±r0 の範囲内に入るように前記砥石幅又は前記定盤幅若しくは前記研磨布幅が設定されていることを特徴とする請求項4、8又は12記載の表面加工装置。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32058095A JP3664188B2 (ja) | 1995-12-08 | 1995-12-08 | 表面加工方法及びその装置 |
DE19649216A DE19649216A1 (de) | 1995-12-08 | 1996-11-27 | Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung |
TW085114857A TW346429B (en) | 1995-12-08 | 1996-12-02 | Surface machining method and apparatus |
US08/753,915 US5791976A (en) | 1995-12-08 | 1996-12-03 | Surface machining method and apparatus |
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