JP2008018514A - 平面研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上定盤をバランス良く支持することが可能であると共に昇降駆動性にも優れた平面研磨装置を得る。
【解決手段】上定盤１を研磨位置と非研磨位置との間で昇降駆動する昇降装置８が、同期的に動作する３つの昇降用駆動機構部８Ａと、これらの昇降用駆動機構部８Ａと上定盤１とを連結する連結機構部８Ｂとを有していて、上記昇降用駆動機構部８Ａが、機体の上記上定盤１を取り囲む位置に１２０度間隔で並列に配設され、また、上記連結機構部８Ｂが、上定盤１を支持する支持部１１から放射方向に１２０度間隔で延出して上記昇降用駆動機構部８Ａに連結された３本の連結アーム１２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハなどの平板状をしたワークの表面を上下の定盤により研磨する平面研磨装置に関するものであり、特に、上定盤を昇降させるための新規な昇降装置を備えた平面研磨装置に関するものである。

半導体ウエハやガラスウエハあるいはセラミックスウエハのような平板状をしたワークの表裏両面を研磨する平面研磨装置は、一般に、サンギア及びインターナルギアと、上定盤及び下定盤とを有していて、上記両ギアに噛合して回転するキャリアに保持されたワークの両面を、上下の定盤で両側から挟持して研磨するように構成されている。
また、上記上定盤は、研磨位置と待機位置との間を昇降自在となっていて、ワークの研磨を行う際には、先ず、昇降装置によって上記待機位置から研磨位置まで下降させられ、研磨時の加圧力よりは小さい力でワークに当接せしめられたあと、加圧装置で加圧されることにより、研磨に必要な加圧力がワークに加えられるように構成されている。

従来の研磨装置においては、例えば特許文献１又は２に記載されているように、上記上定盤を、一端が機体に支持された片持梁状の支持アームに支持させ、この支持アームをサーボモータ等で昇降させるようにしている。
ところが、このように上定盤を片持梁状の支持アームに支持させる方式は、該支持アームが偏荷重の作用によって撓み易く、上定盤の中心軸線が傾くことによって該上定盤が偏心回転したり傾いたまま回転したりするため、研磨精度が低下し易い。また、支持バランスが悪いために上記支持アームの昇降動作が円滑ではなく、精度の良い昇降制御を行いにくい。このような問題は、上定盤が比較的小型で軽量である場合にも生じ得るが、上定盤の重量が大きい場合に特に生じ易い。

上述した片持梁状の支持アームの代わりに、２本の支柱の上端部間に梁を掛け渡した門形の支持構造を用いることも考えられるが、片持梁状の支持アームに比べて２本の支柱を結ぶ方向の支持バランスは改善されるものの、それと直交する方向の安定性が悪く、上述した問題を全て解消することはできない。
特開平１１−２９１１５６号公報 特開２００１−３０１６２号公報

そこで本発明の目的は、上定盤をバランス良く支持することが可能で、昇降駆動性にも優れた、合理的な設計構造を有する平面研磨装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の平面研磨装置は、キャリアを回転させるサンギア及びインターナルギアと、上記キャリアに保持されたワークを上下両側から挟んで研磨する上定盤及び下定盤と、上記上定盤を研磨位置と非研磨位置とに昇降させる昇降装置と、研磨時に該上定盤を加圧する加圧装置とを有し、上記昇降装置が、同期的に動作する３つの昇降用駆動機構部と、これらの昇降用駆動機構部と上定盤とを連結する連結機構部とを有していて、上記昇降用駆動機構部が、機体の上記上定盤を取り囲む位置に１２０度間隔で並列に配設されていることを特徴とするものである。

本発明においては、上記連結機構部が、上記加圧装置を介して上定盤を上下動自在なるように支持する支持部と、該支持部から放射方向に１２０度間隔で延出し、先端が上記昇降用駆動機構部に連結された３本の連結アームとを有する。
また、本発明においては、上記昇降用駆動機構部が、上記連結アームを昇降させるアーム昇降駆動部と、該連結アームの昇降をガイドするガイド部と、該連結アームを上記研磨位置で停止させるストッパ部とを有している。

本発明において好ましくは、上記アーム昇降駆動部が、サーボモータで駆動回転される回転部材と、連結アームに連結されて該回転部材の回転により上下動する昇降部材とで構成され、上記ガイド部が、上記回転部材と平行に延びるガイドシャフトと、上記連結アームに取り付けられてこのガイドシャフトに摺動自在に嵌合するスライダとを有するものとして構成され、上記ストッパ部が、上記連結アームに設けられた当接部と、上記ガイドシャフトの下端部寄りの位置に設けられ、上記連結アームが研磨位置に下降したとき上記当接部が当接するストッパとを有するものとして構成されることである。

この場合、上記３つのアーム昇降駆動部にそれぞれサーボモータを設け、これらのサーボモータを同期的に駆動、制御するように構成することも、あるいは、上記３つのアーム昇降駆動部における回転部材を伝動機構によって同期的に回転するように連結し、何れか１つのアーム昇降駆動部に設けたサーボモータでこれらの回転部材を回転させるように構成することもできる。

本発明によれば、従来のように上定盤を片持ち梁状の支持アームに支持させる方式や、門形の支持枠に支持させる方式などに比べ、支持バランスが非常に良く、支持アームの撓みやねじれ等が生じにくいため、上定盤の重量が大きい場合であってもそれを安定的に支持することができ、昇降駆動性にも優れる。

図１〜図２は本発明に係る平面研磨装置の第１実施形態の要部を概略的に示すものである。この第１実施形態の研磨装置Ａは、半導体ウエハや、フォトマスク等に用いられるガラスウエハあるいはセラミックスウエハといったような、薄板状をしたワークＷの表裏両面を研磨するためのもので、鉛直な軸線Ｌ１を中心にして同心状に位置する円環形の上下の定盤１，２と、下定盤２の中央に位置するサンギア３と、この下定盤２の外周を取り囲むように位置するインターナルギア４とを有し、上記両定盤１，２と両ギア３，４とがそれぞれ駆動軸１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，を介して図示しないモーターに連結され、必要な方向に必要な速度で個別に回転駆動されるようになっている。なお、サンギア３又はインターナルギア４は固定であっても良い。

この研磨装置ＡでワークＷを研磨する時には、外周に歯５ａを備えた複数のキャリア５を下定盤２上に円周方向にほぼ等間隔で配置し、該キャリア５と上記両ギア３，４とを互いに噛合させる。そして、各キャリア５のワーク保持孔５ｂ内に板状の上記ワークＷを嵌合、保持させ、上記サンギア３を回転させるか又はサンギア３とインターナルギア４の両方を回転させることにより、上記各キャリア５を自転させると共にサンギア３の回りを公転させながら、上下両定盤１，２の間に研磨液を供給し、回転するこれらの定盤１，２の作業面１ａ，２ａ間に上記ワークＷを挟持してその表裏面を研磨するものである。

上記下定盤２は、研磨装置の機体６に、定位置において回転自在なるように支持されている。
一方、上記上定盤１は、昇降装置８により、ワークＷを研磨するための研磨位置（図１の鎖線位置）と、ワークＷの搬入や搬出を行う際などの待機位置である上昇端の非研磨位置（図１の実線位置）との間を昇降駆動されると共に、上記研磨位置におけるワークＷの研磨時に加圧装置９で加圧されることにより、ワークＷに対して必要な加圧力を加えられるようになっている。

上記昇降装置８は、機体上の上記上定盤１を取り囲む位置に該上定盤１を中心に１２０度間隔で並列に配設された３つの昇降用駆動機構部８Ａと、これらの昇降用駆動機構部８Ａと上定盤１とを連結する連結機構部８Ｂとからなるもので、上記３つの昇降用駆動機構部８Ａに上定盤を分散的かつ均等に支持させると共に、それらを同期的に動作させることにより、該上定盤１を、上記連結機構部８Ｂを介して上記研磨位置と非研磨位置とに昇降させるものである。

上記連結機構部８Ｂは、上定盤１の中央上部に位置して該上定盤１を上記加圧装置９により上下動自在に支持する支持部１１と、この支持部１１から放射方向に１２０度間隔で延出する３本の連結アーム１２とを有し、これらの連結アーム１２の先端が上記昇降用駆動機構部８Ａに、後述するアーム昇降駆動部２４によって昇降駆動されるように連結されている。

また、上記加圧装置９は、流体圧シリンダからなるもので、上記支持部１１の上面中央位置に取り付けられ、下向きに延出するロッド９ａに上記上定盤１が、吊支機構１４を介して昇降自在に連結され、ワークＷの研磨時に該上定盤１が研磨位置まで下降すると、吊支機構１４の一部に設けられたフック２０が上定盤用駆動軸１ａの上端のドライバ１ｂに係合し、このドライバ１ｂを介して該上定盤１が回転駆動されるようになっている。

上記昇降用駆動機構部８Ａは、図３から明らかなように、機体に固定されて上下方向に延びる支柱２３を有し、この支柱２３に、上記連結アーム１２を昇降駆動するための上記アーム昇降駆動部２４と、該連結アーム１２の昇降をガイドさせるためのガイド部２５と、該連結アーム１２が研磨位置まで下降したとき該連結アーム１２をその位置で停止させるためのストッパ部２６とが組み付けられている。この支柱２３の高さは、上定盤１が非研磨位置にあるときの上記加圧装置９の上端の高さとほぼ同程度である。

上記アーム昇降駆動部２４は、支柱２３の上下のブラケット２７ａ，２７ｂに上下端を回転自在に支持されて上記連結アーム１２の先端部分を上下方向に貫通している回転部材としての鉛直なボール螺子２９と、上方のブラケット２７ａの上面に載置されてこのボール螺子２９を回転させるサーボモータ２８と、上記ボール螺子２９に螺合し、このボール螺子２９の回転によって該ボール螺子２９に沿って上下動する昇降部材としてのボールナット３０とを有し、このボールナット３０が上記連結アーム１２に固定されている。従って、上記サーボモータ２８でボール螺子２９を駆動、回転させると、上記ボールナット３０の移動によって上記連結アーム１２が昇降することになる。
なお、上記サーボモータ２８とボール螺子２９とは、ケーシング３１内において該ボール螺子２９の上端部に取り付けられた歯車と、サーボモータ２８の出力軸２８ａの先端に取り付けられた歯車とを、直接あるいは他の歯車を介して噛合させることにより、相互に連結されている。

上記ガイド部２５は、上下端を上下のブラケット２７ａ，２７ｂに固定的に支持されて上記ボール螺子２９と平行即ち鉛直に延び、上記連結アーム１２を上下方向に貫通しているガイドシャフト３４と、上記連結アーム１２に取り付けられてこのガイドシャフト３４に摺動自在に嵌合するスリーブ状のスライダ３５とを有している。このガイド部２５は、図２に示すように、上記アーム昇降駆動部２４と上定盤１の中心（従って軸線Ｌ１）とを結ぶ線Ｌ２上において該アーム昇降駆動部２４に隣接するように設置されていることが望ましい。この場合、上記ボール螺子２９とガイドシャフト３４の中心が上記線上に位置することになる。
このような位置にガイド部２５を設けることにより、連結アーム１２の横振れが確実に防止され、上記アーム昇降駆動部２４による連結アーム１２（従って上定盤１）の昇降駆動が安定的に行われる。

また、上記ストッパ部２６は、上記ガイド部２５に沿って配設されている。即ち、このストッパ部２６は、上記連結アーム１２の下面に上記スライダ３５を取り囲むように位置して該連結アーム１２と一緒に変位する当接部３８と、上記ガイドシャフト３４の下端部寄りの位置に該ガイドシャフト３４を取り囲んで固定的に設けられたストッパ３９とを有している。そして、上記連結アーム１２が、上記アーム昇降駆動部２４により駆動されて非研磨位置から研磨位置まで下降したとき、上記スライダ３５がストッパ３９の内部に嵌合すると共に、上記当接部３８が該ストッパ３９の上端に当接することにより、該連結アーム１２即ち上定盤１がその位置に停止して位置決めされるようになっている。上記スライダ３５とストッパ３９とは一体であっても良い。

上記ストッパ３９は、上記ガイドシャフト３４の下端部寄りの位置に嵌着、固定された円筒状のストッパ支持部材４０に、高さ調節自在なるように取り付けられている。即ち、該ストッパ３９の下端部内周面に形成した雌螺子３９ａを、ストッパ支持部材４０の外周面に形成した雄螺子４０ａに螺合させることにより、該ストッパ３９がストッパ支持部材４０に沿って上下方向に進退動可能とされ、固定用ナット４１で所定の高さに固定できるようになっている。

ここで、上記３つの昇降用駆動機構部８Ａによる連結アーム１２の昇降駆動は、各昇降用駆動機構部８Ａに設けられたサーボモータ２８を、図示しない制御装置によって同期的に制御することにより行われる。これらのサーボモータ２８は、それぞれロータリエンコーダ（回転数検出器）を備えていて、このエンコーダから出力されるパルスをカウントすることによって速度や回転数を制御できるもので、これら３つのサーボモータ２８を同期的に動作させることにより、上記連結アーム１２の昇降時の速度や位置等の制御を行うことができる。

ワークＷを研磨するに当たり、図１に実線で示すように上定盤１が上昇端の非研磨位置を占めている状態で、各昇降用駆動機構部８Ａのサーボモータ２８を制御してボール螺子２９を回転させると、ボールナット３０の移動によって上定盤１が研磨位置まで下降する。この下降工程では、上定盤側の総重量（上定盤１とこの上定盤１と一緒に昇降駆動される他の部材との総重量）が、上記ボール螺子２９とボールナット３０とを介してサーボモータ２８に負荷として作用していることになる。そして、上記研磨位置において、連結アーム１２に取り付けられた当接部３８がストッパ３９に当接すると、該連結アーム１２即ち上定盤１はその位置に停止する。

このとき、上記ストッパ３９に上定盤側総重量の全てを支持させることなく、その総重量の一部が３つの昇降用駆動機構部８Ａにおける３つのストッパ３９に均等に分散して作用するように、上記各サーボモータ２８が制御される。残りの重量分は、上記ボール螺子２９とボールナット３０とを介して各サーボモータ２８が受け持つことになる。上記ストッパ３９に加える重量は、ワークＷの研磨時に上記ボール螺子２９とボールナット３０とが振動等によってがたつかない程度の大きさとするのが良い。

上述したように上定盤１が研磨位置に停止し、ストッパ３９とサーボモータ２８との間の重量配分がなされると、上記加圧装置９が作動し、吊支機構１４を介して該上定盤１を下向きに加圧することにより、該上定盤１を介してワークＷに必要な加圧力が加えられ、その状態で該ワークＷの研磨が行われる。研磨中に上記加圧装置９で加圧力を調整することも可能である。また、上記ストッパ３９に作用する重量分により、ワークＷの研磨時に上記ボール螺子２９とボールナット３０とが振動等によってがたつくことが防止され、精度の良い研磨が行われる。

ワークＷの研磨が終了すると、上記両ギア３，４及び両定盤１，２の回転が停止されると共に、上記加圧装置９による加圧が解除され、上定盤１は上記昇降装置８によって非研磨位置まで上昇駆動され、ワークＷの搬出が行われる。

かくして上記実施形態においては、上定盤１が、該上定盤１の回りに１２０度間隔で並列に位置する３つの昇降用駆動機構部８Ａによって３点で分散的に支持され、昇降駆動されるようになっているため、従来のように片持ち梁状の支持アームに上定盤を支持させる場合や、門形の支持枠に支持させる場合に比べ、支持バランスが非常に良く、支持アームの撓みやねじれ等が生じにくいため、上定盤の重量が大きい場合であってもそれを安定的に支持し、精度良く昇降させることができる。
また、上述したようなストッパ３９を設けて上定盤１を研磨位置に機械的に停止させ、その位置で上記ストッパ３９とサーボモーター２８との間の重量配分を行いながら、該上定盤１に加圧力を加えてワークＷを研磨するように構成したことにより、サーボモータ２８のハンチング（サーボモータの軸が小刻みに正転／逆転を繰り返す動作）の発生を確実に防止し、精度の良い研磨を行うことが可能となる。

上記第１実施形態の研磨装置Ａにおいては、各昇降用駆動機構部８Ａにそれぞれサーボモータ２８が設けられていて、これらのサーボモータ２８が同期的に制御されるようになっているが、１つのサーボモータで３つの昇降用駆動機構部８Ａのボール螺子２９を駆動するように構成することもできる。
図４及び図５に示す第２実施形態の研磨装置Ｂは、このような１つのサーボモータを備えたものである。この研磨装置Ｂにおいては、３つの昇降用駆動機構部８Ａにおけるボール螺子２９の上端部にそれぞれスプロケット４３が取り付けられると共に、これらのスプロケット４３に無端チェーン４４が巻き掛けられ、何れか１つの昇降用駆動機構部８Ａにおける支柱２３の上端にはサーボモータ２８が載置され、このサーボモータ２８がその昇降用駆動機構部８Ａのボール螺子２９に歯車を介して連結されている。
従って、上記１つのサーボモータ２８を制御することにより、上記スプロケット４３とチェーン４４とからなる伝動機構を介して全ての昇降用駆動機構部８Ａのボール螺子２９を同期させて回転させることができる。
この第２実施形態の上記以外の構成及び作用については第１実施形態と実質的に同じである。

図６は本発明の第３実施形態の研磨装置Ｃの要部を示すもので、この研磨装置Ｃが上記第１実施形態の研磨装置Ａと異なる点は、アーム昇降駆動部２４が流体圧シリンダ４７で構成されているという点である。この流体圧シリンダ４７は、シリンダ本体４７ａと、エア等の圧力流体の作用で伸縮するロッド４７ｂとからなるもので、上記シリンダ本体４７ａが支柱２３に固定され、該シリンダ本体４７ａから上向きに延出する上記ロッド４７ｂの先端が連結アーム１２に結合されている。そして、上記ロッド４７ｂの伸縮によって連結アーム１２が昇降駆動されるようになっている。この場合、３つの昇降用駆動機構部８Ａにおける３つの流体圧シリンダ４７は、同期的に制御される。
なお、この第３実施形態における上記以外の構成及び作用は実質的に第１実施形態と同じであるから、図中の第１実施形態と同じ構成部分に第１実施形態と同じ符号を付してその説明は省略する。

本発明に係る平面研磨装置の第１実施形態を概略的に示す要部断面図である。 図１の平面図である。 図１の部分拡大図である。 第２実施形態の研磨装置の要部だけを概略的に示す平面図である。 図４の研磨装置におけるサーボモータを備えた昇降用駆動機構部の図３と同様位置での拡大図である。 第３実施形態の研磨装置における１つの昇降用駆動機構部の図３と同様位置での拡大図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ，Ｃ 研磨装置
Ｗ ワーク
１ 上定盤
２ 下定盤
３ サンギア
４ インターナルギア
５ キャリア
８ 昇降装置
８Ａ 昇降用駆動機構部
８Ｂ 連結機構部
９ 加圧装置
１１ 支持部
１２ 連結アーム
２４ アーム昇降駆動部
２５ ガイド部
２６ ストッパ部
２８ サーボモータ
２９ ボール螺子
３０ ボールナット
３４ ガイドシャフト
３５ スライダ
３８ 当接部
３９ ストッパ

Claims (6)

1. キャリアを回転させるサンギア及びインターナルギアと、上記キャリアに保持されたワークを上下両側から挟んで研磨する上定盤及び下定盤と、上記上定盤を研磨位置と非研磨位置とに昇降させる昇降装置と、研磨時に該上定盤を加圧する加圧装置とを有し、
   上記昇降装置が、同期的に動作する３つの昇降用駆動機構部と、これらの昇降用駆動機構部と上定盤とを連結する連結機構部とを有していて、上記昇降用駆動機構部が、機体の上記上定盤を取り囲む位置に１２０度間隔で並列に配設されていることを特徴とする平面研磨装置。
2. 上記連結機構部が、上記加圧装置を介して上定盤を上下動自在なるように支持する支持部と、該支持部から放射方向に１２０度間隔で延出し、先端が上記昇降用駆動機構部に連結された３本の連結アームとを有することを特徴とする請求項１に記載の平面研磨装置。
3. 上記昇降用駆動機構部が、上記連結アームを昇降させるアーム昇降駆動部と、該連結アームの昇降をガイドするガイド部と、該連結アームを上記研磨位置で停止させるストッパ部とを有することを特徴とする請求項２に記載の平面研磨装置。
4. 上記アーム昇降駆動部が、サーボモータで駆動回転される回転部材と、上記連結アームに連結されて該回転部材の回転により上下動する昇降部材とを有し、
   上記ガイド部が、上下方向に延びるガイドシャフトと、上記連結アームに取り付けられてこのガイドシャフトに摺動自在に嵌合するスライダとを有し、
   上記ストッパ部が、上記連結アームに設けられた当接部と、上記ガイドシャフトの下端部寄りの位置に設けられ、上記連結アームが研磨位置に下降したとき上記当接部が当接するストッパとを有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の平面研磨装置。
5. 上記３つのアーム昇降駆動部にそれぞれサーボモータが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の平面研磨装置。
6. 上記３つのアーム昇降駆動部における回転部材が、伝動機構によって同期的に回転するように連結され、何れか１つのアーム昇降駆動部に設けられたサーボモータで駆動、回転されるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の平面研磨装置。

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