JP4285888B2 - 揺動式両面研磨装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハやガラス基板等の実質的に円板形をしたワークの両面を研磨するための装置に関するものであり、更に詳しくは、ワークより小径の２つの研磨用定盤を使用して該定盤とワークとを相対的に揺動させながら研磨する揺動式の両面研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ワークより小径の２つの定盤を使用して該ワークの両面を研磨する両面研磨装置は、例えば特開平１０−８０８６１号公報や特開平１０−２１７１１３号公報等に記載されているように公知である。これらの研磨装置は、図８及び図９に原理的に示すように、外周を複数の支持ローラー３で回転自在に支持された円板形ワーク１の両面に、該ワーク１の半径とほぼ等しい直径を持つ２つの定盤２，２を一端寄りの位置で押し付け、上記ワーク１を一部の支持ローラーか又はその他の駆動ローラー４で強制的に回転させながら、該ワーク１の両面を回転する２つの定盤２，２で研磨するものである。
【０００３】
このような研磨装置は、大径のワーク１を小径の定盤２，２を使用して研磨することができるため、半導体ウエハの大径化と共に研磨装置の大形化が避けられなくなって来た近年では、小形の研磨装置で大径の半導体ウエハを研磨できるものとして注目されつつある。
【０００４】
ところが、本発明者らが行った実験によると、このように小径の定盤を大径のワークの一端寄りの位置に押し付けて研磨する方法は、両者が常に一定の位置関係を保ったまま摺接するため、ワークの半径方向の各点において定盤との摺接長さに差が生じ、半径方向に凸形の部分と凹形の部分とが交互に形成されて均一な平坦度が得られにくいということが分かった。
【０００５】
一方、特開平１１−２９１１６５号公報には、小径の定盤をワークの径方向に往復動させながら研磨する方式について記載されている。このような方式によれば、ワークの半径方向の各点に摺接長の差が生じるのを防止することができるため、上述した研磨むらの問題を解消することができるものと考えられる。
【０００６】
ところが上記方式を用いた従来の研磨装置は、２つの定盤にそれぞれ個別の往復動用ガイドを取り付け、これらの往復動用ガイドで２つの定盤を同期的に往復動させるようにしているため、２組の往復動用ガイドを必要とし、これらの往復動用ガイドの組み込みによって装置が大形化すると共に、装置全体の構造も複雑化し、しかも、これら２組の往復動用ガイドを同期的に駆動するための複雑で高価な制御機構を必要とするという欠点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的課題は、ワークより小径の２つの定盤により該ワークの両面を研磨する両面研磨装置において、上記ワークと定盤とを１つの簡単な揺動機構によって相対的に揺動させることができるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の両面研磨装置は、円板形ワークの外周に当接して該ワークを中心軸線の回りに回転自在に支持する複数の支持ローラーと、上記ワークの両面を端部寄りの位置で研磨する該ワークより小径の相対する一対の研磨用定盤と、これらの定盤から延びる駆動軸と、該駆動軸を介して各定盤を駆動回転させるモーターと、上記ワークと定盤とをワークの半径方向に相対的に揺動させる１組の揺動機構とを有し、上記揺動機構が、研磨装置の機体に取り付けられてワークの半径に沿う方向に延びるリニアガイドと、該リニアガイドに沿って移動自在の揺動テーブルと、該揺動テーブルを上記リニアガイドに沿って往復揺動させるテーブル駆動手段とを有していて、上記揺動テーブルに上記各支持ローラー又は一対の定盤が、該揺動テーブルと一緒に揺動するように支持されている揺動式両面研磨装置において、上記研磨装置が、上記ワーク及び定盤の回りを取り囲む研磨槽を備えることにより、該研磨槽内においてワークを研磨するように構成され、該研磨槽に上記各支持ローラーが取り付られると共に、該研磨槽と該研磨槽を貫通して槽外に延出する少なくとも一方の定盤の駆動軸とが、シール状態で相対的に移動自在なるように関係付けられ、これらの研磨槽又は定盤の何れかが上記揺動テーブルに支持されていることを特徴とするものである。
【０００９】
上記構成を有する本発明の両面研磨装置において、２つの定盤によるワークの研磨中に、テーブル駆動手段で揺動テーブルをリニアガイドに沿って往復移動させることにより、上記ワークと定盤とを該ワークの半径方向に相対的に揺動させることができる。この場合、１組の揺動機構だけを設け、この揺動機構の揺動テーブルに各支持ローラーか又は一対の定盤を支持させるようにしているため、２組の往復動用ガイドで２つの定盤を個別にかつ同期的に揺動させる従来方式に比べ、研磨装置の小形化と構造の簡略化とを図ることができるばかりでなく、２組の往復動用ガイドを同期的に駆動するための複雑で高価な制御機構も必要なく、簡単で安価な研磨装置を得ることができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記 研磨槽を揺動テーブルに連結することにより、該研磨槽を介してワークを揺動させるように構成されている。
【００１２】
本発明の研磨装置には、ワークの外周エッジを研磨するためのエッジ研磨機構を付設することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。図１及び図２には本発明に係る両面研磨装置の第１実施例が示されている。この研磨装置１０Ａは、鉛直な中心軸線の回りに回転自在に支持された円板形のワークＷの両面を、その半径方向一端寄りの相対する位置において、鉛直な中心軸線の回りに駆動回転される上下一対の研磨用定盤１１ａ，１１ｂで研磨すると共に、上記ワークＷの面取り加工された外周エッジを、エッジ研磨機構１２で研磨するように構成されたもので、その具体的構成は次のとおりである。
【００１４】
上記研磨装置１０Ａは、種々の断面形状の型材を組み合わて形成された機体１３を有し、この機体１３に、上述した上下一対の定盤１１ａ，１１ｂが支持されている。これらの定盤１１ａ，１１ｂは、金属製又はセラミック製の基板の表面全体に研磨パッドを貼着したもので、その直径が、ワークＷの半径よりは大きいが直径よりは小さく形成されている。好ましくは、ワークＷの半径とほぼ同じか又はそれより僅かに大きい直径とすることである。
【００１５】
上記２つの定盤１１ａ，１１ｂのうち下方に位置する第１定盤１１ａは、下向きに延びる駆動軸１５ａを有し、この駆動軸１５ａが機体１３に固定された支持部材１６に回転自在に支持されると共に、該支持部材１６に取り付けられた駆動用のモーター１７に連結され、このモーター１７により定位置で駆動回転されるようになっている。
【００１６】
また、上方に位置する第２定盤１１ｂは、上向きに延びる駆動軸１５ｂを有していて、この駆動軸１５ｂが支持部材１９に回転自在に支持されると共に、該支持部材１９に取り付けられた駆動用のモーター２０に連結されて該モーター２０で駆動回転されるようになっており、さらに、上記支持部材１９が定盤昇降機構２１に支持されることにより、この定盤昇降機構２１で昇降させられるようにもなっている。
【００１７】
上記定盤昇降機構２１は、機体１３上に立設された支持フレーム２３と、この支持フレーム２３に固定的に取り付けられて鉛直方向に延びるレール状のリニアガイド２４と、このリニアガイド２４に沿って移動自在のスライドテーブル２５と、該スライドテーブル２５を上記リニアガイド２４に沿って昇降させる駆動手段２６とで構成されている。この駆動手段２６はエアシリンダーにより構成されていて、ワークＷの搬入時や搬出時に上記第２定盤１１ｂを上下動させたり、研磨時に第２定盤１１ｂを加圧することによって両定盤１１ａ，１１ｂに所要の加工圧を発生させたりするものである。従ってこの駆動手段２６は、両定盤を必要な加工圧でワークＷに押し付けるための加圧手段をも兼ねるものである。
【００１８】
上記機体１３にはまた、ワークＷに隣接する位置に、該ワークＷの面取り加工された外周エッジを研磨するための上記エッジ研磨機構１２が設けられている。このエッジ研磨機構１２は、鉛直軸線の回りに駆動回転される円筒形のエッジ研磨ドラム２９を有していて、この研磨ドラム２９の外周面の研磨パッドでワークＷの外周エッジを研磨するものである。このエッジ研磨ドラム２９は、下向きに延びるドラム軸２９ａを有し、このドラム軸２９ａが支持部材３０に回転自在に支持されると共に、該支持部材３０に取り付けられた駆動用のモーター３１にクラッチ３２を介して切り離し自在に連結されており、また、上記支持部材３０がドラム昇降機構３３に支持されることにより、ワークとの接触位置を変えるためにこのドラム昇降機構３３で昇降自在となっている。上記研磨ドラムの外周面にはワークＷの外周部が密に嵌合する研磨用の溝を複数本設け、これらの溝を選択的に使用してワークの外周エッジを研磨することもできる。
【００１９】
上記ドラム昇降機構３３は、機体１３に回転自在に取り付けられて鉛直方向に延びるボールねじ３４と、このボールねじ３４に螺合してその回転により該ボールねじ３４に沿って上下動するナット部材３５と、上記ボールねじ３４を回転させるモーター３６とを有するもので、上記ナット部材３５が上記支持部材３０に結合されている。従ってこの構成により、上記ボールねじ３４を駆動してナット部材３５を昇降させることで、上記支持部材３０すなわちエッジ研磨ドラム２９をこのナット部材３５と一緒に昇降させることができる。
【００２０】
上記ワークＷの研磨領域には、該ワークＷと上記定盤１１ａ，１１ｂ及びエッジ研磨ドラム２９の回りを取り囲むように研磨槽３９が設けられ、この研磨槽３９の中でワークＷの研磨が行われるようになっている。この研磨槽３９はほぼ矩形に近い平面形状をしていて、その内部が深さの浅い第１部分３９ａと深さの深い第２部分３９ｂとに区画され、第１部分３９ａに上記ワークＷと上下の定盤１１ａ，１１ｂとが収容されると共に、第２部分３９ｂに上記エッジ研磨ドラム２９が収容されている。そして、第１定盤１１ａの駆動軸１５ａは、上記第１部分３９ａで研磨槽３９の槽底をシール状態に貫通して槽外に延出し、またエッジ研磨ドラム２９のドラム軸２９ａは、第２部分３９ｂで同様に槽底をシール状態に貫通して槽外に延出し、それぞれモーターに連結されている。
【００２１】
上記研磨槽３９の内部には、上記ワークＷの外周に接触して該ワークＷを軸線の回りに回転自在に支持する複数の支持ローラー４０が取り付けられている。これらの支持ローラー４０は、それぞれアーム４１の先端に回転自在なるように支持されていて、各アーム４１が研磨槽３９の槽底に取り付けられている。これらの支持ローラー４０は、その少なくとも一部が、ワークＷの搬入時や搬出時にその作業の邪魔にならないように、アーム４１の旋回又は移動等によって非支持位置に変移できるようになっていることが望ましい。また、上記支持ローラー４０は、外周にワークが嵌合する溝を備えた溝付きローラーであっても良い。
【００２２】
上記研磨槽３９とエッジ研磨ドラム２９とは、共通の揺動機構４３に取り付けられていて、この揺動機構４３で一緒に揺動されるようになっており、この研磨槽３９の揺動により、上記支持ローラー４０に支持されたワークＷが、図２に示すように、その中心Ｏ₁ と定盤１１ａ，１１ｂの中心Ｏ₂ とを結ぶ直線Ｌに沿って半径方向に揺動するようになっている。
【００２３】
上記揺動機構４３は、機体１３に水平に取り付けられてワークＷの半径（直線Ｌ）に沿う方向に延びるレール状のリニアガイド４４と、該リニアガイド４４に沿って移動自在の揺動テーブル４５と、該揺動テーブル４５を上記リニアガイド４４に沿って往復揺動させるテーブル駆動手段４６とを有するもので、上記揺動テーブル４５上に上記研磨槽３９とエッジ研磨機構１２の支持部材３０とが取り付けられている。従って、上記揺動テーブル４５を駆動手段４６で揺動させることにより、上記研磨槽３９を介してワークＷが所定のストローク揺動させられ、それと一緒に研磨ドラム２９も揺動する。この場合、上記２つの定盤１１ａ，１１ｂは揺動しないため、研磨槽３９と該研磨槽３９の槽底を貫通して外部に延出している上記第２定盤１１ｂの駆動軸１５ｂとは、シール状態のまま相対的に移動できるように関係付けられている。
【００２４】
上記テーブル駆動手段４６は、機体１３に回転自在に取り付けられて上記リニアガイド４４と平行に延びるボールねじ４７と、このボールねじ４７に螺合してその回転により該ボールねじ４７に沿って前後進するナット部材４８と、上記ボールねじ４７を回転させるモーター４９とを有するもので、上記ナット部材４８が上記揺動テーブル４５に結合されている。従って、上記ボールねじ４７を駆動してナット部材４８を前後動させることで、上記揺動テーブル４５を介して研磨槽３９及びワークＷをゆっくりと揺動させることができる。
【００２５】
上記構成を有する両面研磨装置１０Ａにおいて、各支持ローラー４０に支持されたワークＷには、２つの定盤１１ａ，１１ｂによる上下両面の研磨と、エッジ研磨ドラム２９による外周エッジの研磨とが施される。この場合、両方の研磨を同時に行っても、前後に時間をずらして別々に行っても良いが、ここでは外周エッジの研磨を先に行い、両面の研磨を後から行う場合について説明する。また、上記研磨を行う場合、加工部分には研磨液が供給されるが、この研磨液の供給機構については公知の機構が用いられているため、図示は省略されている。
【００２６】
上記外周エッジの研磨に当たっては、上下２つの定盤１１ａ，１１ｂがワークＷの中心部に同心状に当接するように上記揺動機構４３で該ワークＷの位置を調整し、その位置で両定盤１１ａ，１１ｂを互いに同じ方向に等速で回転させることにより、ワークＷを回転させる。従ってこのエッジの研磨時には、上記２つの定盤１１ａ，１１ｂがワークＷの駆動手段となる。そして、ワークＷの外周に当接する上記エッジ研磨ドラム２９をモーター３１で駆動回転させることにより、該ワークＷの外周エッジを研磨する。このとき、研磨ドラム２９の回転方向はワークＷの回転方向と同じであっても逆であっても良いが、逆方向に回転させる場合、つまり互いに摺接する外周部分の回転方向が同じである場合は、研磨ドラム２９又はワークＷのどちらかを他方より十分早い速度で回転させることが望ましい。
なお、このエッジの研磨時にワークＷを回転させる場合、上述した例では、２つの定盤１１ａ，１１ｂをワークＷの中心部に同心状に当接させているが、ワークの一端寄りの位置に偏心状態に押し付けて従動的に駆動回転させることもできる。
【００２７】
上記外周エッジの研磨が終わると、クラッチ３２を開放してドラム軸２９ａをモーター３１から切り離し、エッジ研磨ドラム２９をフリー回転できるようにする。そして、上記揺動機構４３でワークＷを移動させてその一端寄りの位置に２つの定盤１１ａ，１１ｂを偏心状態に当接させ、その位置で両定盤１１ａ，１１ｂを回転させることにより該ワークの両面の研磨を行う。このときワークＷは、定盤１１ａ，１１ｂとの間の摩擦力で一定方向に従動回転しながら各定盤に摺接して研磨される。そしてさらに、上記テーブル駆動手段４６で揺動テーブル４５従って研磨槽３９をリニアガイド４４に沿ってゆっくり往復移動させることにより、この研磨槽３９内の支持ローラー４０に支持された上記ワークＷを定盤１１ａ，１１ｂに対して半径方向に揺動させる。このとき研磨ドラム２９も一緒に揺動する。これによりワークＷと２つの定盤１１ａ，１１ｂとは、該ワークＷの半径方向に相対的に位置を変えながら摺接するため、該ワークＷの半径方向の各点における摺接長がほぼ均一化され、表面全体が均一に加工されることになる。
このワークの両面研磨時には、該ワークＷが両定盤１１ａ，１１ｂに摺接しながら従動回転するため、これらのワークＷと両定盤１１ａ，１１ｂとは互いに偏心状態を維持している必要があり、このため上記ワークＷの揺動は、該ワークＷと両定盤１１ａ，１１ｂとが同心位置を占めない範囲内で行われる。
【００２８】
上記両面の研磨時にワークＷに別の回転力を加える必要がある場合は、上記エッジ研磨ドラム２９をクラッチ３２によりモーター３１に接続し、回転させることにより、このエッジ研磨ドラム２９でワークＷを強制的に回転させることができる。あるいは、このように研磨ドラム２９でワークＷを回転させる必要がない場合には、この研磨ドラム２９をワークＷから離間させておいても良い。この場合には、該研磨ドラム２９をワークＷに対して接離自在なるように構成しておく必要がある。
【００２９】
かくして、上記ワークＷと両定盤１１ａ，１１ｂとを該ワークＷの半径方向に相対的に揺動させながら研磨することにより、該ワークＷの両面を精度良い平面に仕上げることができる。しかも、研磨装置１０Ａに１組の揺動機構４３だけを設け、この揺動機構４３でワークＷと２つの定盤１１ａ，１１ｂとを相対的に揺動させるようにしているため、２組の往復動用ガイドで２つの定盤１１ａ，１１ｂを個別にかつ同期的に揺動させる従来方式に比べ、研磨装置の小形化と構造の簡略化とを図ることができるばかりでなく、２組の往復動用ガイドを同期的に駆動するための複雑で高価な制御機構も必要なくなる。
【００３０】
図３及び図４は本発明の第２実施例を示すもので、この第２実施例の研磨装置１０Ｂが上記第１実施例と異なる点は、第１実施例ではワークＷを揺動させるように構成しているのに対し、この第２実施例では、上下２つの定盤１１ａ，１１ｂを揺動させるように構成している点である。
【００３１】
即ち、研磨槽３９とエッジ研磨機構１２とが機体１３の定位置に固定され、上下２つの定盤１１ａ，１１ｂが１組の揺動機構５０に支持されている。この揺動機構５０は、機体１３に水平に取り付けられてワークＷの半径に沿う方向に延びるレール状のリニアガイド５１と、このリニアガイド５１に沿って移動自在の揺動テーブル５２と、該揺動テーブル５２を上記リニアガイド５１に沿って往復揺動させるテーブル駆動手段５３とを有し、上記揺動テーブル５２に下方の第１定盤１１ａ及びモーター１７を支持する支持部材１６と、上方の第２定盤１１ｂ及び定盤昇降機構２１を支持する支持フレーム２３とが載置されている。従って、上記揺動テーブル５２を駆動手段５３で揺動させることにより、２つの定盤１１ａ，１１ｂをワークＷの半径方向に揺動させることができる。
【００３２】
第２実施例の上記以外の構成及び作用については実質的に第１実施例と同じであるから、主要な同一構成部分に第１実施例と同じ符号を付してその説明は省略する。
【００３３】
上記各実施例では、第１定盤１１ａと第２定盤１１ｂとが互いに同じ大きさを有しているが、それらは必ずしも同じ大きさである必要はなく、図５に示すように何れか一方、例えば第２定盤１１ｂを第１定盤１１ａより小さくすることもできる。このように一方の定盤を小径とした場合には、その側からのワークＷの搬入及び搬出作業が容易になる。
【００３４】
また、上記各実施例では、ワークＷ及び定盤１１ａ，１１ｂを水平に配置してそれぞれ鉛直軸線の回りに回転させながら研磨するように構成しているが、ワークＷと両定盤１１ａ，１１ｂとを鉛直に配置してそれぞれ水平軸線の回りに回転させながら研磨するように構成することもできる。
【００３５】
図６及び図７にはこのような縦形の研磨装置の要部が概略的に示されている。図中６０は研磨槽で、その内部にワークＷを縦向きに支持する支持ローラー６１が取り付けられると共に、該ワークＷの両面を研磨する第１及び第２の２つの定盤６２ａ，６２ｂが相対するように収容され、これらの定盤６２ａ，６２ｂの駆動軸６３は、研磨槽６０の槽壁を液密かつ相対的に移動自在なるように貫通して槽外に延出し、図示しないモーターに連結されている。また、上記研磨槽６０の内部にはエッジ研磨ドラム６４が水平軸線の回りで回転するように収容され、そのドラム軸６４ａが研磨槽６０の槽壁を液密に貫通して槽外に延出し、図示しないモーターに連結されている。そして、上記研磨槽６０及びエッジ研磨ドラム６４を第１実施例と同様の揺動機構４３に支持させて揺動させることにより、ワークＷを揺動させることができ、２つの定盤６２ａ，６２ｂを第２実施例のような揺動機構（図示せず）に支持させて揺動させることにより、これらの定盤６２ａ，６２ｂを揺動させることができる。
【００３６】
上記各実施例では、定盤１１ａ，１１ｂ，６２ａ，６２ｂとして基板の表面全体に研磨パッドを貼着した円板形のものが例示されているが、定盤は円環状であっても良い。更に定盤は、研磨パッドの代わりに砥石を貼着した構造であっても良い。
また、上記各実施例において、研磨槽内にワーク及び上下の定盤が浸漬する程度に研磨液を収容し、この研磨液中でワークを研磨することもできる。
さらに、ワークの外周エッジを研磨する必要がない場合は、上記エッジ研磨機構を省略することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
このように本発明によれば、ワークより小径の２つの定盤により該ワークの両面を研磨する両面研磨装置において、上記ワークと定盤とを１つの簡単な揺動機構によって相対的に揺動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る両面研磨装置の第１実施例を示す要部断面図である。
【図２】上記研磨装置の要部の平面図である。
【図３】本発明に係る両面研磨装置の第２実施例を示す要部断面図である。
【図４】上記研磨装置の要部の平面図である。
【図５】定盤の変形例を示す要部側面図である。
【図６】本発明の係る両面研磨装置の第３実施例を概略的に示す要部断面図である。
【図７】図６の側面図である。
【図８】従来の両面研磨装置を原理的に示す正面図である。
【図９】図８の側面図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ 研磨装置
１１ａ，１１ｂ，６２，６２ｂ 定盤
１２ エッジ研磨機構
１５ａ，１５ｂ，６３ 駆動軸
１７，２０ モーター
３９，６０ 研磨槽
４０，６１ 支持ローラー
４３，５０ 揺動機構
４４，５１ リニアガイド
４５，５２ 揺動テーブル
４６，５３ テーブル揺動手段

Claims (3)

1. 円板形ワークの外周に当接して該ワークを中心軸線の回りに回転自在なるように支持する複数の支持ローラーと、上記ワークの両面を端部寄りの位置で研磨する該ワークより小径の相対する一対の研磨用定盤と、これらの定盤から延びる駆動軸と、該駆動軸に連結された駆動用のモーターと、上記ワークと定盤とをワークの半径方向に相対的に揺動させる１組の揺動機構とを有し、
   上記揺動機構が、研磨装置の機体に取り付けられてワークの半径に沿う方向に延びるリニアガイドと、該リニアガイドに沿って移動自在の揺動テーブルと、該揺動テーブルを上記リニアガイドに沿って往復揺動させるテーブル駆動手段とを有していて、上記揺動テーブルに上記各支持ローラー又は一対の定盤が、該揺動テーブルと一緒に揺動するように支持されている揺動式両面研磨装置において、
   上記研磨装置が、上記ワーク及び定盤の回りを取り囲む研磨槽を備えることにより、該研磨槽内においてワークを研磨するように構成され、該研磨槽に上記各支持ローラーが取り付られると共に、該研磨槽と該研磨槽を貫通して槽外に延出する少なくとも一方の定盤の駆動軸とが、シール状態で相対的に移動自在なるように関係付けられ、これらの研磨槽又は定盤の何れかが上記揺動テーブルに支持されていることを特徴とする揺動式両面研磨装置。
2. 上記研磨槽を揺動テーブルに連結することにより、該研磨槽を介してワークを揺動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の揺動式両面研磨装置。
3. ワークの外周エッジを研磨するエッジ研磨機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の揺動式両面研磨装置。

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