JP2006082139A - Dry polishing device and dry polish method - Google Patents

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Takamasa Matsuda
恭昌 松田
Tsutomu Takauo
力 高魚
Naoyuki Ikenaka
直行 生中
Eiji Fukuda
英司 福田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To implement a dry polishing device which can exert pressurization by itself ranging from an ultra-low pressure of 80 g/cm<SP>2</SP>to a high pressure of 1,500 g/cm<SP>2</SP>. <P>SOLUTION: The dry polishing device functions to polish a workpiece by rotating a polishing plate on a polishing device base by using oxide powder as abrasive grain, and is formed of an adsorbing head 16 for holding the workpiece, a ball spline 17 for vertically moving the adsorbing head 16, an air cylinder 18 for pressurizing the workpiece via the ball spline 17, a floating unit 23 for achieving floating bonding between the ball spline 17 and the air cylinder 18, and a motor for applying a rotary driving force to the ball spline 17 via a belt. Then the air cylinder 18 is arranged on the polishing base so as to be erect from the center of the workpiece. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の研磨方式でのダイヤモンドや酸化物等の粉末を砥粒として用いる乾式研磨装置及び乾式研磨方法に関する。   The present invention relates to a dry polishing apparatus and a dry polishing method in which a powder of diamond, oxide, or the like in a polishing method for a semiconductor wafer or the like is used as abrasive grains.

単結晶シリコン等比較的軟質な半導体基板の表面研磨方法として、コロイダルシリカスラリを使用したCMP研磨方式が、幅広く知られている。CMPとは、ケミカルメカニカルポリッシングの略で、文字通りケミカル作用とメカニカル作用を併用させた研磨方法である。一般的なCMPプロセスは、粗工程である1次,2次研磨と仕上げ工程である3次研磨とに分けられ、粗研磨では、ポリエステル不織布や発砲ウレタン製の研磨布と、pH11程度のコロイダルシリカスラリを用いて、主に形状精度を重視して加工される。   As a surface polishing method for a relatively soft semiconductor substrate such as single crystal silicon, a CMP polishing method using a colloidal silica slurry is widely known. CMP is an abbreviation for chemical mechanical polishing and is a polishing method that literally uses both a chemical action and a mechanical action. The general CMP process is divided into primary and secondary polishing, which is a rough process, and tertiary polishing, which is a finishing process. In rough polishing, a polyester nonwoven fabric or foamed urethane polishing cloth and colloidal silica with a pH of about 11 Using slurry, it is processed mainly with emphasis on shape accuracy.

一方仕上げ研磨は、表層が発泡状のスエードタイプの研磨布と、微小うねり発生を抑制するアミンなどが添加されたコロイダルシリカスラリを使って加工され、表面粗さや表面清浄度を重視した工程がとられている。しかしながら、モース硬度が7以上の高硬度で、しかも化学的に安定なシリコンカーバイト等の化合物半導体の表面研磨においては、CMPにおけるケミカル作用やメカニカル作用が被加工物に対して発生しづらいために、メカノケミカルポリッシング現象を利用したMCP工法が利用されている。メカノケミカルポリッシング現象とは、固体同士の接触点に働く機械的応力によって、化学反応や相変態が誘起・促進される現象である。すなわち、砥粒として加工物よりも科学的に軟質で、しかも、被加工物と化学反応を生じうるパウダーを用いることを特徴とした研磨方法で、その加工メカニズムは、真実接点局部に発生する高温・高圧で瞬間的に生じる微小反応層が摩擦力で除去されることにより加工が進行するとされている。しかしながら、どのような研磨砥粒を使って、どれぐらいの研磨圧力を加えることで加工が進行するのかについては具体的な報告がないのが現状である。(非特許文献1参照)
CMPやMCPにおける加工速度や精度を決定する因子の一つとして加工圧力が上げられ、その加圧方式には、以下に上げるような方式が知られている。デットウェイト方式と流体加圧を利用した方式とデットウェイト方式と流体加圧方式を併用した方式の装置がある。デットウェイト方式では、図7に示すように被加工物の上方に重りを載せて加圧するシンプルな方式で、載せる重りの重量を増・減させることにより、加圧力の調整を行う。
On the other hand, finish polishing is processed using a suede-type polishing cloth with a foam surface and a colloidal silica slurry to which amine or the like that suppresses the occurrence of microwaviness is added, and the process emphasizes surface roughness and surface cleanliness. It has been. However, in the surface polishing of a compound semiconductor such as silicon carbide having a high Mohs hardness of 7 or more, chemical action and mechanical action in CMP are difficult to occur on the workpiece. The MCP method using the mechanochemical polishing phenomenon is used. The mechanochemical polishing phenomenon is a phenomenon in which a chemical reaction or a phase transformation is induced or promoted by a mechanical stress acting on a contact point between solids. That is, it is a polishing method characterized by using a powder that is scientifically softer than the workpiece as the abrasive grain and that can cause a chemical reaction with the workpiece.・ It is said that processing proceeds by removing the minute reaction layer that occurs instantaneously at high pressure by frictional force. However, there is no specific report on what kind of abrasive grains is used and how much polishing pressure is applied to advance the processing. (See Non-Patent Document 1)
As one of the factors that determine the processing speed and accuracy in CMP and MCP, the processing pressure is raised, and as the pressurization method, the following methods are known. There are devices using a dead weight method and a method using fluid pressurization, and a method using both a dead weight method and a fluid pressurization method. The dead weight method is a simple method in which a weight is placed on the workpiece and pressed as shown in FIG. 7, and the pressure is adjusted by increasing or decreasing the weight of the weight to be placed.

次に、流体加圧を利用した方式であるが、図8に示す流体加圧方式の代表例といえるエアーシリンダーにて、被加工物の上方にデットウェイト方式の重りに変わるエアーシリンダーを配置する構造となっている。   Next, a method using fluid pressurization is employed. In the air cylinder that can be said to be a representative example of the fluid pressurization method shown in FIG. 8, an air cylinder that is replaced with a dead weight type weight is disposed above the workpiece. It has a structure.

また、特開平9−38856号公報に示されるように、デットウェイト方式と流体加圧方式を併用した方式では、被加工物の上方からヘッド自重の加圧力を作用させた状態で、自重に抗して上向きにエアーシリンダーにて押し上げ、ヘッド自重とエアーシリンダーの推力との差に応じた、上方からの加圧力を被加工物に作用させる構造になっている。(特許文献1参照)
松下 嘉明、外3名,「超精密ウェーハ表面制御技術」、 サイエンスフォーラム、2002年2月28日、第1版、p.205、214―215 特開平9−38856号公報
Further, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-38856, in the method using both the dead weight method and the fluid pressurization method, the head weight is resisted in a state where the pressure of the head's own weight is applied from above the workpiece. Then, it is pushed upward by an air cylinder so that a pressing force from above according to the difference between the head weight and the thrust of the air cylinder is applied to the workpiece. (See Patent Document 1)
Yoshiaki Matsushita, 3 others, "Ultra-precision wafer surface control technology", Science Forum, February 28, 2002, 1st edition, p.205, 214-215 Japanese Patent Laid-Open No. 9-38856

前述のシリコンカーバイト等の硬度材料での研磨においては、加工レートを稼ぎたい粗工程では1500g/cm以上の高加圧が必要となり、表面精度を向上させたい仕上げ工程では、100g/cm以下の低加圧が必要となる。この事を踏まえて、前述の加圧方式を考察した場合以下のような問題点が予測される。
まず、デットウェイト方式であるが、重りの載せ代えは手動で行う必要があり、高加圧時には重りを大きくし、低加圧時には重りを小さくする。この方式の最大の課題は高加圧時に非常に大きな重りが必要となることといえる。たとえば、2インチウェーハに対して、1500g/cmの面圧を得るためには、約30kgの重りを要する。単純に、軟鋼で2インチウェーハの面積において、30kgの重りを作成する場合、188mmの高さの重りが必要となり、ワークへの圧力のバランス取ることが難しく、現実的には不可能といえる。
In the above-described polishing with a hard material such as silicon carbide, a high pressure of 1500 g / cm 2 or more is required in a rough process where it is desired to increase the processing rate, and in a finishing process where surface accuracy is to be improved, 100 g / cm 2 is required. The following low pressure is required. Based on this, the following problems are expected when the above-described pressurization method is considered.
First, in the dead weight system, it is necessary to manually replace the weight, and the weight is increased when the pressure is high, and the weight is decreased when the pressure is low. The biggest problem with this method is that a very large weight is required at high pressure. For example, a weight of about 30 kg is required to obtain a surface pressure of 1500 g / cm 2 for a 2-inch wafer. Simply, when a weight of 30 kg is produced in the area of a 2-inch wafer with mild steel, a weight with a height of 188 mm is required, and it is difficult to balance the pressure on the workpiece, which is practically impossible.

次に流体加圧を利用した方式であるが、仮に、1500g/cmの面圧を得るために必要なエアーシリンダーについて考えると、ヘッド自重を1kgとした場合に、エアーシリンダーには約29kgfの推力が必要なる。工場での供給源エアー圧力は、0.5MPa程度なので、シリンダーの内径は40mm相当と考えられる。このエアーシリンダーに定格で最低限の供給源エアー圧力0.2MPaを供給した場合の推力は、約13kgfとなる。この場合、ヘッドの自重1kgを無視したとしても、被加工物への面圧は600g/cm以上となってしまい、100g/cm以下という面圧には到底対応できない。 Next, there is a method using fluid pressurization. If an air cylinder necessary for obtaining a surface pressure of 1500 g / cm 2 is considered, when the head weight is 1 kg, the air cylinder has about 29 kgf. Thrust is required. Since the supply air pressure at the factory is about 0.5 MPa, the inner diameter of the cylinder is considered to be equivalent to 40 mm. The thrust when the rated minimum air supply source air pressure of 0.2 MPa is supplied to the air cylinder is about 13 kgf. In this case, even if the head's own weight of 1 kg is ignored, the surface pressure on the workpiece becomes 600 g / cm 2 or more, and the surface pressure of 100 g / cm 2 or less cannot be dealt with at all.

最後に、デットウェイト方式と流体加圧を利用した方式であるが、この方式について、図9に簡略化した装置構成を示す。ワーク1を保持するホルダー2と、該ホルダー2を研磨定盤3の上方にて支持するヘッド4とを備え、ヘッド4は板状部材5と組み合わされており、上下方向への移動機構6が設けられている。また、加圧制御機構として、上記ヘッド4をその自重に抗して上向きに付勢し得るエアーシリンダー7が配置されている。   Finally, a dead weight method and a method using fluid pressurization are shown. FIG. 9 shows a simplified apparatus configuration for this method. A holder 2 that holds the workpiece 1 and a head 4 that supports the holder 2 above the polishing surface plate 3 are provided. The head 4 is combined with a plate-like member 5, and a moving mechanism 6 in the vertical direction is provided. Is provided. Further, an air cylinder 7 is arranged as a pressurizing control mechanism that can urge the head 4 upward against its own weight.

つまり実際に加圧したい圧力とヘッド自重による加圧力の差圧分をエアーシリンダー7により調整する機構となっている。より具体的には、仮にヘッド自重を20kgとした場合に、本来ワーク1に対して必要な荷重が10kgであるとすれば、エアーシリンダー7で自重に抗する向きに与えられる加圧は10kgとなる。つまり、自重とエアーシリンダー7による抗力との差圧を被加工物に与えることで低加圧を実現している。   That is, the air cylinder 7 adjusts the differential pressure between the pressure to be actually pressed and the pressure applied by the head's own weight. More specifically, assuming that the head's own weight is 20 kg and the load that is originally required for the work 1 is 10 kg, the pressure applied to the air cylinder 7 in the direction against the own weight is 10 kg. Become. That is, low pressurization is realized by giving a differential pressure between its own weight and the drag force of the air cylinder 7 to the workpiece.

高加圧が必要な場合、ヘッド自重を大きくする必要があるため、前述のデットウェイト方式と同様の問題が発生することが予測できるが、デットウェイトとの代わりに流体加圧方式を利用すれば改善が可能だと予測できる。この装置構成で理論的には1500g/cmの高加圧から100g/cm以下の低加圧まで対応可能になるが、力点・作用点の関係から装置構成をみると非常にバランスが悪く加工精度に大きな影響を及ぼすことが予測できる。具体的には、ヘッド全体の重心を考えた場合に、その重心は被加工物の中心点から上方に伸びた軸線上にはなく、移動機構6側にあると予測できる。このバランスのズレを移動機構6で補償する必要があるがヘッド荷重が30kg程度にも及んだ場合、完全に補償することは難しく、被加工物に加わる圧力もホルダー側に偏ることが予測される。さらに、低荷重時には、この加圧を抗する力を上向きに与える必要があるが、この装置構成の場合、上側からの圧力と同軸での加圧はできないために、ホルダー付近に抗力を与えるエアーシリンダーを配置しており、この場合に被加工物に加わる圧力はホルダーと反対側に偏ることが予測される。 When high pressurization is required, it is necessary to increase the head's own weight, so it can be predicted that the same problem as the deadweight method described above will occur, but if the fluid pressurization method is used instead of the deadweight method, It can be predicted that improvement is possible. This device configuration can theoretically handle from high pressures of 1500 g / cm 2 to low pressures of 100 g / cm 2 or less, but the balance of the device configuration is very poor due to the relationship between power point and action point. It can be predicted that the processing accuracy will be greatly affected. Specifically, when the center of gravity of the entire head is considered, it can be predicted that the center of gravity is not on the axis extending upward from the center point of the workpiece and is on the moving mechanism 6 side. It is necessary to compensate for this misalignment by the moving mechanism 6. However, when the head load reaches about 30 kg, it is difficult to compensate completely, and it is predicted that the pressure applied to the workpiece is also biased toward the holder side. The In addition, when the load is low, it is necessary to apply an upward force to resist this pressurization. However, in the case of this device configuration, it is not possible to pressurize coaxially with the pressure from the upper side. A cylinder is arranged, and in this case, the pressure applied to the workpiece is expected to be biased to the opposite side of the holder.

従来の課題を解決するために、本発明の乾式研磨装置は、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて酸化物粉末を砥粒として、被加工物を研磨する乾式研磨装置であって、被加工物を保持する吸着ヘッドと、該吸着ヘッドを上下移動さすためのボールスプラインと、該ボールスプラインを介して被加工物に加圧するためのエアーシリンダーと、前記ボールスプラインと前記エアーシリンダーをフローティング接合するフローティングユニットと、前記ボールスプラインにベルトを介して回転駆動力を与えるためのモータと、
を備え、当該研磨ベース上に、前記エアーシリンダーを被加工物の中心から鉛直状に配置することを特徴としたものである。
In order to solve the conventional problems, a dry polishing apparatus of the present invention is a dry polishing apparatus that rotates a polishing plate on a polishing apparatus base and polishes a workpiece using oxide powder as abrasive grains. A suction head for holding a workpiece, a ball spline for moving the suction head up and down, an air cylinder for pressurizing the workpiece through the ball spline, and floating joining the ball spline and the air cylinder A floating unit, a motor for applying a rotational driving force to the ball spline via a belt,
And the air cylinder is arranged vertically from the center of the workpiece on the polishing base.

また、本発明の乾式研磨方法は、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて酸化物粉末を砥粒として、被加工物を研磨する乾式研磨方法であって、被加工物を保持する吸着ヘッドと、該吸着ヘッドを上下移動さすためのボールスプラインと、該ボールスプラインを介して被加工物に加圧するためのエアーシリンダーと、前記ボールスプラインと前記エアーシリンダーをフローティング接合するフローティングユニットと、前記ボールスプラインにベルトを介して回転駆動力を与えるためのモータと、を備え、当該研磨ベース上に、前記エアーシリンダーを被加工物の中心から鉛直状に配置し、前記エアシリンダに圧縮エアの導入方向を制御して、前記吸着ヘッドに対して下向き方向と上向き方向に加圧して付勢することを特徴としたものである。   The dry polishing method of the present invention is a dry polishing method for polishing a workpiece by rotating a polishing plate on a polishing apparatus base and using oxide powder as abrasive grains, and a suction head for holding the workpiece. A ball spline for moving the suction head up and down, an air cylinder for pressurizing a workpiece through the ball spline, a floating unit for floatingly joining the ball spline and the air cylinder, and the ball A motor for applying a rotational driving force to the spline via a belt, and the air cylinder is arranged vertically from the center of the workpiece on the polishing base, and a direction of introducing compressed air to the air cylinder And controlling the suction head to pressurize the suction head in the downward and upward directions. A.

本発明の乾式研磨装置によれば、砥粒の粒径や研磨プレートも変更することなく、加工圧力を変化させることだけで粗工程から仕上げ工程まで一貫して実現することができる。   According to the dry polishing apparatus of the present invention, it is possible to consistently realize from the roughing process to the finishing process only by changing the processing pressure without changing the grain size of the abrasive grains and the polishing plate.

以下に、本発明の乾式研磨装置の実施形態を図面とともに詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the dry polishing apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施例1の乾式研磨装置における加圧機構図を示す。吸着ヘッド16は、多孔質金属からなり被加工物15の裏面を均一に吸着保持することができる。また、その吸着機構は、吸着ヘッド16から延びるエアーチューブ27を介して、ボールスプライン17に繋がれ、エアーチューブ25を通って、外部に付属された真空ポンプ(図中記載なし)に引き込まれるようになっている。ボールスプライン17の軸心は、この吸着エアーの通路として使用するために、中空となっている。つまり、エアチューブ27は、吸着ヘッド16とボールスプライン17をつなぎ、エアチューブ25は、ボールスプライン17と真空ポンプをつないでいる。即ち、エアチューブ25、エアチューブ27により吸着ヘッド16のアンローディング動作を行っている。   FIG. 1 is a pressure mechanism diagram in the dry polishing apparatus of Example 1 of the present invention. The suction head 16 is made of a porous metal and can uniformly hold the back surface of the workpiece 15 by suction. The suction mechanism is connected to the ball spline 17 via an air tube 27 extending from the suction head 16 and is drawn into a vacuum pump (not shown) attached to the outside through the air tube 25. It has become. The shaft center of the ball spline 17 is hollow in order to be used as a path for this adsorption air. That is, the air tube 27 connects the suction head 16 and the ball spline 17, and the air tube 25 connects the ball spline 17 and the vacuum pump. That is, the unloading operation of the suction head 16 is performed by the air tube 25 and the air tube 27.

また、ボールスプライン17は、ブッシュ19内を上下にしゅう動するようになっており、吸着ヘッド16を研磨プレート22に押し付けるローディング動作と引き上げるアンローディング動作をスムーズに行うことを可能としている。ボールスプライン17の上端には、フローティングユニット23を介してエアーシリンダー18が接続されており、エアーシリンダー18が上下動作を行うことで、吸着ヘッド16の研磨プレート22へのローディング・アンローディング動作、及び研磨プレート22への加圧動作をスムーズに行うことを可能にしている。さらに、ボールスプライン17は、タイミングベルト21を介してモータ20の回転運動を伝播され回転可能な機構となっている。   Further, the ball spline 17 is slid up and down in the bush 19, so that a loading operation for pressing the suction head 16 against the polishing plate 22 and an unloading operation for lifting the suction head 16 can be performed smoothly. An air cylinder 18 is connected to the upper end of the ball spline 17 via a floating unit 23. When the air cylinder 18 moves up and down, the loading and unloading operations of the suction head 16 to the polishing plate 22, and The pressure application to the polishing plate 22 can be performed smoothly. Further, the ball spline 17 is a mechanism capable of rotating through the rotational movement of the motor 20 via the timing belt 21.

エアーシリンダー18は、今回の2インチサイズのシリコンカーバイトを加工するのに必要な加工圧力である1500g/cmを実現するために必要な推力である40kg
fを得るために、シリンダー内径40mmのものを選定した。このエアーシリンダーの加圧は、ボールスプライン17を介して被加工物15に伝えられ、被加工物15は、研磨プレート22に押し付けられる。研磨プレート22は、メカノケミカル現象を引き起こすために硬質なものが良いことが分かっており、今回は鋳鉄プレートを使用した。研磨プレート22は、回転可能な構造となっており、ヘッドと同等の約50rpmで回転させて加工をおこなった。
The air cylinder 18 is 40 kg which is a thrust required to realize 1500 g / cm 2 which is a processing pressure necessary for processing this 2 inch size silicon carbide.
In order to obtain f, a cylinder with an inner diameter of 40 mm was selected. The pressure of the air cylinder is transmitted to the workpiece 15 via the ball spline 17, and the workpiece 15 is pressed against the polishing plate 22. It has been found that the polishing plate 22 is preferably hard to cause a mechanochemical phenomenon, and this time, a cast iron plate was used. The polishing plate 22 has a rotatable structure, and was processed by rotating at about 50 rpm, which is equivalent to the head.

また、高加圧時・低加圧時ともに、被加工物に対して偏荷重が発生しないように、加圧ユニットであるエアーシリンダー18は、被加工物の中心点から鉛直上方に伸びる軸線上に配置した。さらに低加圧実現のために必要な下方からの抗力機構に関しては、同軸上に配置することが物理的に不可能であり、本発明においては、エアーシリンダー18をローディング時や加圧時とは、反対方向に動作させることで、すなわち吸着ヘッド16を引き上げる方向に動作させることで、ヘッド16とボールスプライン17との重さを減少させ低加圧を実現した。即ち、上向きの付勢力を作用させることにより低加圧を実現する。   Further, the air cylinder 18 as a pressurizing unit is on an axis extending vertically upward from the center point of the work piece so that an unbalanced load is not generated on the work piece during both high pressurization and low pressurization. Arranged. Furthermore, regarding the drag mechanism from below required for realizing low pressurization, it is physically impossible to arrange them on the same axis. In the present invention, the air cylinder 18 is not loaded or pressurized. By operating in the opposite direction, that is, in the direction of pulling up the suction head 16, the weight of the head 16 and the ball spline 17 is reduced and low pressurization is realized. That is, low pressurization is realized by applying an upward biasing force.

より具体的には、高加圧状態をつくる場合を、図1のエアーシリンダー18の模式図である図2を用いて説明する。図2(a)において、Bポートよりエアーが供給されAポートよりシリンダー内のエアーが排出されることにより、シリンダーロッド50が下降し接続されているボールスプライン17及び吸着ヘッド16が研磨プレート22に押し付けられた状態である加圧状態を作り出すこととなる。   More specifically, the case of creating a high pressure state will be described with reference to FIG. 2, which is a schematic diagram of the air cylinder 18 of FIG. In FIG. 2A, air is supplied from the B port and air in the cylinder is discharged from the A port, so that the ball spline 17 and the suction head 16 connected to the cylinder rod 50 are moved down to the polishing plate 22. A pressed state, which is a pressed state, is created.

また、前述とは逆に低加圧状態をつくるためには、図2(b)に示すように、Aポートより定量のエアーが供給されBポートよりシリンダー内のエアーが排出されることにより、シリンダーロッド50が上昇しようとするが、この引き上げ推力は、吸着ヘッド16とボールスプライン17を合わせた荷重よりも小さく設定されており、ヘッド16とボールスプライン17を持ち上げることはできず、両者の自重を減少させ、つまりは、被加工物15を研磨プレート22に押し付ける圧力を減圧させることになる。このような動作原理により低加圧状態が可能となる。   Also, in order to create a low pressure state contrary to the above, as shown in FIG. 2B, a fixed amount of air is supplied from the A port and the air in the cylinder is discharged from the B port. Although the cylinder rod 50 is going to rise, the pulling thrust is set smaller than the combined load of the suction head 16 and the ball spline 17, and the head 16 and the ball spline 17 cannot be lifted. In other words, the pressure that presses the workpiece 15 against the polishing plate 22 is reduced. Such an operation principle enables a low pressure state.

本装置における吸着ヘッドとボールスプラインの自重は約2.6kgであり、自重のみによる被加工物への加圧は約130g/cmであり、約0.2MPaの供給源からのエアーをシリンダー出側に供給することで高加圧1500g/cm2を達成し、約0.02MPaの供給源からのエアーをシリンダー戻り側に供給することで低加圧80g/cmを達成した。また、エアーシリンダー18は、出側・戻り側のエアー圧をそれぞれコントロールするだけでなく、被加工物のローディング・ローディングアンローディングの役割も果たす必要があるため、本装置においては、図3(a)、(b)、(c)に示すような空圧制御機構を持たせて対応した。 The weight of the suction head and ball spline in this equipment is about 2.6 kg, the pressure on the workpiece by only its own weight is about 130 g / cm 2 , and air from the supply source of about 0.2 MPa is discharged from the cylinder. A high pressure of 1500 g / cm 2 was achieved by supplying to the side, and a low pressure of 80 g / cm 2 was achieved by supplying air from a supply source of about 0.02 MPa to the cylinder return side. In addition, the air cylinder 18 not only controls the air pressure on the outlet side and the return side, but also needs to play a role of loading / unloading the work piece. ), (B), and (c) as shown in FIG.

図3(a)において、ローディングおよび高加圧時のシーケンスについて説明する。被加工物15を研磨プレート22上に押し付けるローディング動作の場合、エアー供給源36から供給される圧縮エアーは、精密レギュレータ35に入り、電磁バルブ34を介してエアーシリンダー18のBポートに供給される。これによりエアーシリンダー18内のシリンダーロッド50は、研磨プレート22に対して押し付ける方向に向かって押し出される。エアーシリンダー18の動作機構は非常に単純で、エアーが入るポートと反対側に向かってシリンダーロッド50が押し出され、押し出される側にあるポートからはエアーが排出される。つまり、吸着ヘッド16を研磨プレート22に押し付けるローディング動作の場合には、エアーシリンダー18のBポートからエアーが供給されて、反対側のAポートから同時にエアーが排出される。このAポートから排出されるエアーは、スピードコントローラー32により排出量を調整されながら、つまりエアー排出量を調整することで、シリンダー押し出し動作のスピードを調整しながら、電磁バルブ33へ導かれる。スピードコントローラー32によりエアー排出量がコントロールされることで、研磨プレート22へのローディングがゆっくりと行われ、吸着ヘッド16と研磨プレート22が激しくぶつかってお互いがダメージを受けて破損することを防止できる。   In FIG. 3A, a sequence during loading and high pressurization will be described. In the case of a loading operation in which the workpiece 15 is pressed onto the polishing plate 22, the compressed air supplied from the air supply source 36 enters the precision regulator 35 and is supplied to the B port of the air cylinder 18 via the electromagnetic valve 34. . As a result, the cylinder rod 50 in the air cylinder 18 is pushed out in the direction of pressing against the polishing plate 22. The operation mechanism of the air cylinder 18 is very simple. The cylinder rod 50 is pushed out toward the side opposite to the port through which air enters, and the air is discharged from the port on the side to be pushed out. That is, in the loading operation in which the suction head 16 is pressed against the polishing plate 22, air is supplied from the B port of the air cylinder 18, and air is simultaneously discharged from the opposite A port. The air discharged from the A port is guided to the electromagnetic valve 33 while adjusting the discharge amount by the speed controller 32, that is, adjusting the air discharge amount to adjust the speed of the cylinder pushing operation. By controlling the amount of air discharged by the speed controller 32, loading onto the polishing plate 22 is performed slowly, and it is possible to prevent the suction head 16 and the polishing plate 22 from colliding violently and damaging each other.

そして、次に、高加圧モードへ移行するには、ローディングが終了した状態、つまり吸着ヘッド16と研磨プレート22に自重で接触している状態で、精密レギュレータ35を所定のエアー量に増圧調整すれば良い。   Then, in order to shift to the high pressure mode, the precision regulator 35 is pressurized to a predetermined amount of air in a state where loading is completed, that is, in a state where the suction head 16 and the polishing plate 22 are in contact with their own weight. Adjust it.

次に図3(b)を使って、低加圧モードのシーケンスについて説明する。電磁バルブ34のエアーの供給方向を制御するスイッチを切り替えることにより、エアーシリンダー18のBポートへ供給されていたエアーを遮断する。また、電磁バルブ34でエアーの供給方向が切り替えられたことで、エアーは電磁バルブ33への経路を介して、エアーシリンダー18のAポートへ導かれる。これによりエアーシリンダー18内のシリンダーロッド50は、研磨プレート22より被加工物を引き上げる方向へ動作する。具体例をあげて説明すると、今回の吸着ヘッド16とボールスプライン17は、自重約2.6kgであり、エアーシリンダー18の引き上げる力を1kgになるようにエアー量を調整すると、1.6kg(80g/cm)の力が得られることになる。 Next, the sequence in the low pressure mode will be described with reference to FIG. By switching the switch for controlling the air supply direction of the electromagnetic valve 34, the air supplied to the B port of the air cylinder 18 is shut off. Further, since the air supply direction is switched by the electromagnetic valve 34, the air is guided to the A port of the air cylinder 18 through the path to the electromagnetic valve 33. As a result, the cylinder rod 50 in the air cylinder 18 moves in a direction in which the workpiece is pulled up from the polishing plate 22. To explain with a specific example, the suction head 16 and the ball spline 17 of this time have a weight of about 2.6 kg, and 1.6 kg (80 g) when the air amount is adjusted so that the pulling force of the air cylinder 18 becomes 1 kg. / cm 2 ).

次にアンローディング時のシーケンスであるが、図3(c)に示すように、低下圧モードと同様に電磁バルブ34のスイッチを切り替え、シリンダーBポートに入るエアーが遮断された状態で、電磁バルブ33が切り替わり、精密レギュレータ35を介して供給されていたエアーは遮断される。そして、エアー供給源36から圧縮エアーが、スピードコントローラー32を介して、エアー排出量がコントロールされてシリンダー18のAポートに供給される。つまり、エアー供給源36からのエアーが低加圧時のように精密レギュレータ35によって減圧されることなく、エアーシリンダー18のAポートに直接供給され、一般的に減衰されていない供給源エアーの圧力は、0.5MPaであるので、エアーシリンダー18が発揮する引き上げ推力は、シリンダー推力表(記載なし)より約550N約−56kg(2800g/cm)で被加工物15が研磨プレート22から引き上げられることになる。即ち、アンローディングされる。 Next, the unloading sequence is as shown in FIG. 3 (c). As shown in FIG. 3 (c), the electromagnetic valve 34 is switched in the same manner as in the reduced pressure mode, and the electromagnetic valve is shut off from the air entering the cylinder B port. 33 is switched, and the air supplied via the precision regulator 35 is shut off. The compressed air is supplied from the air supply source 36 to the A port of the cylinder 18 with the air discharge amount controlled via the speed controller 32. In other words, the air pressure from the air supply source 36 is supplied directly to the A port of the air cylinder 18 without being reduced by the precision regulator 35 as in the case of low pressurization, and is generally not attenuated. Is 0.5 MPa, the lifting thrust exerted by the air cylinder 18 is about 550 N about −56 kg (2800 g / cm 2 ) from the cylinder thrust table (not shown), and the workpiece 15 is pulled up from the polishing plate 22. It will be. That is, unloading is performed.

図4、図5は、本空圧制御方式を用いて実際に被加工物に加わる圧力を測定した結果を示す。図4は低加圧時の供給源エアー圧力と被加工物に加わる圧力の関係であり、図5は高加圧時のそれである。低加圧時、高加圧時ともに供給源エアー圧に対してスムーズに被加工物への加圧が変化していることがわかる。   4 and 5 show the results of measuring the pressure actually applied to the workpiece using this pneumatic control system. FIG. 4 shows the relationship between the supply air pressure at the time of low pressurization and the pressure applied to the workpiece, and FIG. 5 shows that at the time of high pressurization. It can be seen that the pressurization of the workpiece smoothly changes with respect to the supply air pressure at both the low pressurization and the high pressurization.

本発明に基づいて製作した研磨装置を使用して、2インチの多結晶シリコンカーバイト基板の研磨実験を行った結果である。研磨砥粒として粒径2μmの酸化クロム粉末を使用して、研磨プレートには鋳鉄を使用した。通常のメカニカル研磨の場合、加工レートWは経験的に次式であらわすことができる。W=f・v・t ここで、fは被加工物と砥粒との摩擦係数μと加工圧力pの積であり、v、tは相対すべり速度と時間である。つまり、加工圧力と加工レートは比例関係ある。しかし、今回の実験結果図6から分かるように、加工圧力を1500g/cmにすることで加工レートが急激に増加していることである。この急激な増加現象は、メカニカル作用によるものではなく、この圧力を境に前述で述べたメカノポリッシング現象すなわち、固相反応が激化したものと考えられる。また、加工圧力の変化に対して、加工レートと表面粗さRaはトレードオフの関係にあることがいえる。この結果、スライス工程の前工程で発生した加工変質層を除去するために、粗工程においては、1500g/cmの高加圧で研磨をすばやく遂行させ、加工精度を必要とする仕上げ工程においては、研磨圧力を100g/cm以下に下げて加工精度を向上させることが可能となる。 It is the result of having performed the grinding | polishing experiment of a 2-inch polycrystalline silicon carbide board | substrate using the grinding | polishing apparatus manufactured based on this invention. A chromium oxide powder having a particle diameter of 2 μm was used as the abrasive grains, and cast iron was used for the polishing plate. In the case of normal mechanical polishing, the processing rate W can be empirically expressed by the following equation. W = f · v · t Here, f is the product of the friction coefficient μ between the workpiece and abrasive grains and the processing pressure p, and v and t are the relative sliding speed and time. That is, the processing pressure and the processing rate are in a proportional relationship. However, as can be seen from FIG. 6 as a result of this experiment, the processing rate is rapidly increased by setting the processing pressure to 1500 g / cm 2 . This rapid increase phenomenon is not due to the mechanical action, but it is considered that the mechano polishing phenomenon described above, that is, the solid-phase reaction is intensified with this pressure as a boundary. Further, it can be said that the processing rate and the surface roughness Ra are in a trade-off relationship with respect to the change of the processing pressure. As a result, in order to remove the work-affected layer generated in the previous process of the slicing process, in the roughing process, polishing is quickly performed at a high pressure of 1500 g / cm 2 , and in a finishing process that requires processing accuracy. It is possible to improve the processing accuracy by reducing the polishing pressure to 100 g / cm 2 or less.

本発明にかかる乾式研磨装置は、砥粒の粒径や研磨プレートも変更することなく、加工圧力を変化させることだけで粗工程から仕上げ工程まで一貫して研磨を可能とし、加工レートを稼ぐために必要な1500g/cmという通常の研磨ではまず使用することのない高加圧と、表面粗さを向上させる段階で使用する80g/cmという超低加圧を与えるための加圧機構を有し、半導体表面研磨等として有用である。 The dry polishing apparatus according to the present invention enables consistent polishing from the roughing process to the finishing process by changing the processing pressure without changing the grain size of the abrasive grains and the polishing plate, and increases the processing rate. A pressurizing mechanism for applying high pressure that is not used in ordinary polishing of 1500 g / cm 2 required for the process and an ultra-low pressurization of 80 g / cm 2 that is used in the stage of improving the surface roughness. It is useful as semiconductor surface polishing.

本発明の実施例1における乾式研磨装置の全体構成図1 is an overall configuration diagram of a dry polishing apparatus in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施例1における乾式研磨装置のエアーシリンダーの模式図The schematic diagram of the air cylinder of the dry-type polishing apparatus in Example 1 of this invention 本発明の実施例1における乾式研磨装置の加圧シーケンスを説明するための図The figure for demonstrating the pressurization sequence of the dry-type grinding | polishing apparatus in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2における乾式研磨装置の低加圧モードの加圧変化を示す図The figure which shows the pressurization change of the low pressurization mode of the dry-type polishing apparatus in Example 2 of this invention. 本発明の実施例2における乾式研磨装置の高加圧モードの加圧変化を示す図The figure which shows the pressurization change of the high pressurization mode of the dry-type polishing apparatus in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における乾式研磨装置の加工レートと表面平均粗さの関係を示す図The figure which shows the relationship between the processing rate and surface average roughness of the dry-type polishing apparatus in Example 3 of this invention 従来のデットウェイト方式研磨装置の全体構成図Overall configuration diagram of a conventional deadweight polishing machine 従来の流体加圧方式研磨装置の全体構成図Overall configuration diagram of conventional fluid pressurization polishing machine 従来の研磨装置の要部構成図Main part configuration diagram of conventional polishing equipment

符号の説明Explanation of symbols

1 ワーク
2 ホルダー
3 研磨定盤
4 ヘッド
5 板状部材
6 移動機構
7 エアーシリンダー
15 被加工物
16 吸着ヘッド
17 ボールスプライン
18 エアーシリンダー
19 ブッシュ
20 モータ
21 タイミングベルト
22 研磨プレート
23 フローティングユニット
24 継ぎ手
25 エアーチューブ
26 継ぎ手
27 エアーチューブ
32 スピードコントローラー
33 電磁バルブ
34 電磁バルブ
35 精密レギュレータ
36 エアー供給源
50 シリンダーロッド
1 Work
2 Holder 3 Polishing surface plate 4 Head 5 Plate-like member 6 Moving mechanism 7 Air cylinder 15 Workpiece 16 Adsorption head 17 Ball spline 18 Air cylinder 19 Bush 20 Motor 21 Timing belt 22 Polishing plate 23 Floating unit 24 Joint 25 Air tube 26 Fitting 27 Air tube 32 Speed controller 33 Solenoid valve 34 Solenoid valve 35 Precision regulator 36 Air supply source 50 Cylinder rod

Claims (7)

研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて酸化物粉末を砥粒として、被加工物を研磨する乾式研磨装置であって、
被加工物を保持する吸着ヘッドと、
該吸着ヘッドを上下移動さすためのボールスプラインと、
該ボールスプラインを介して被加工物に加圧するためのエアーシリンダーと、
前記ボールスプラインと前記エアーシリンダーをフローティング接合するフローティングユニットと、
前記ボールスプラインにベルトを介して回転駆動力を与えるためのモータと、
を備え、当該研磨ベース上に、前記エアーシリンダーを被加工物の中心から鉛直状に配置することを特徴とする乾式研磨装置。
A dry polishing apparatus for rotating a polishing plate on a polishing apparatus base to polish a workpiece using oxide powder as abrasive grains,
A suction head for holding the workpiece;
A ball spline for moving the suction head up and down;
An air cylinder for pressurizing the workpiece through the ball spline;
A floating unit for floatingly joining the ball spline and the air cylinder;
A motor for applying a rotational driving force to the ball spline via a belt;
A dry polishing apparatus, wherein the air cylinder is arranged vertically from the center of the workpiece on the polishing base.
前記吸着ヘッドと前記ボールスプラインとの自重と前記エアーシリンダーの圧縮エアーに基づく圧力を付勢することにより、被加工物に印加する加工圧力を1500g/cmから80g/cmでの範囲に設定することを特徴とする請求項1記載の乾式研磨装置。 By energizing the pressure based on the weight of the suction head and the ball spline and the compressed air of the air cylinder, the processing pressure applied to the workpiece is set in the range of 1500 g / cm 2 to 80 g / cm 2. The dry polishing apparatus according to claim 1, wherein: 前記エアーシリンダーの加圧方向は、高加圧時にはワークを研磨プレートへの押し付ける方向に付勢して加圧し、低加圧時には、前記被加工物を前記研磨プレートより引き上げる方向に付勢し、それらの加圧と前記吸着ヘッドと前記ボールスプラインの自重との差分を加圧することを特徴とする請求項1に記載の乾式研磨装置。 The pressure direction of the air cylinder is urged in a direction to press the workpiece against the polishing plate at a high pressure, and urged in a direction to pull up the workpiece from the polishing plate at a low pressure, 2. The dry polishing apparatus according to claim 1, wherein a difference between the pressurization and the weight of the suction head and the ball spline is pressurized. 前記低加圧時の加圧方向への付勢を行うことにより前記吸着ヘッドを前記研磨プレートに押し当てるローディング動作と、前記吸着ヘッドを前記研磨プレートから引き上げるアンローディング動作を行うことを特徴とする請求項1に記載の乾式研磨装置。 A loading operation for pressing the suction head against the polishing plate by urging in the pressurizing direction at the time of the low pressurization and an unloading operation for lifting the suction head from the polishing plate are performed. The dry polishing apparatus according to claim 1. 前記ローディング動作時の加圧は、下向きに1.6Kg(80g/cm)、アンローディング動作時の加圧は、上向きに56Kg(2800g/cm)であることを特徴とする請求項1に記載の乾式研磨装置。 Pressure during the loading operation, downward 1.6Kg (80g / cm 2), the pressure during the unloading operation, to claim 1, characterized in that the upward 56Kg (2800g / cm 2) The dry polishing apparatus described. 研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて酸化物粉末を砥粒として、被加工物を研磨する乾式研磨方法であって、
被加工物を保持する吸着ヘッドと、
該吸着ヘッドを上下移動さすためのボールスプラインと、
該ボールスプラインを介して被加工物に加圧するためのエアーシリンダーと、
前記ボールスプラインと前記エアーシリンダーをフローティング接合するフローティングユニットと、
前記ボールスプラインにベルトを介して回転駆動力を与えるためのモータと、
を備え、当該研磨ベース上に、前記エアーシリンダーを被加工物の中心から鉛直状に配置し、前記エアーシリンダーに圧縮エアの導入方向を制御して、前記吸着ヘッドに対して下向き方向と上向き方向に加圧して付勢することを特徴とする乾式研磨方法。
A dry polishing method for polishing a workpiece by rotating a polishing plate on a polishing apparatus base and using oxide powder as abrasive grains,
A suction head for holding the workpiece;
A ball spline for moving the suction head up and down;
An air cylinder for pressurizing the workpiece through the ball spline;
A floating unit for floatingly joining the ball spline and the air cylinder;
A motor for applying a rotational driving force to the ball spline via a belt;
The air cylinder is arranged vertically from the center of the workpiece on the polishing base, and the direction of compressed air introduced into the air cylinder is controlled so that the suction head is in a downward direction and an upward direction. A dry polishing method characterized by pressurizing and energizing.
前記吸着ヘッドと前記ボールスプラインとの自重と前記エアーシリンダーの圧縮エアーに基づく圧力を付勢することにより、被加工物に印加する加工圧力を1500g/cmから80g/cmでの範囲に設定することを特徴とする請求項6記載の乾式研磨方法。

By energizing the pressure based on the weight of the suction head and the ball spline and the compressed air of the air cylinder, the processing pressure applied to the workpiece is set in the range of 1500 g / cm 2 to 80 g / cm 2. The dry polishing method according to claim 6, wherein:

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