JP2009196012A - 両面研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】両面研磨装置において、研磨工具の研磨面を効率よく利用しながら多くのワークを一括して研磨することができ、しかも簡素で消耗品が生じにくい構造とする。
【解決手段】ワーク保持手段４０として、下定盤２０の周囲に設置した回転軸部４１と、回転軸部４１の上端部から下定盤２０の方向に水平に延びる長円形状のキャリヤ４２と、キャリヤ４２の自由端部に形成したワーク保持孔４３とで構成し、上下の定盤３０，２０の間においてキャリヤ４２を水平方向に旋回させる。キャリヤ４２のスリム化によってワークの処理数を多くすることができるとともに、ワークＷの振れ幅が大きくなって研磨工具２２，３２の研磨面を効率的に利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウェーハや各種デバイス用基板等の薄板材料を両面同時に研磨する両面研磨装置に関する。

複数の薄板状のワークの両面を同時に研磨する研磨装置として、ワークを保持する複数の円盤状キャリヤを遊星歯車の駆動方式で回転させながら、上下の定盤に設けた研磨面をワークの両面に押し当てて研磨するラップ／ポリッシュ盤が知られている（例えば特許文献１，２）。この種の装置は、キャリヤが、太陽歯車の周囲に噛み合って配設されるとともに、環状の内歯部材の内側に噛み合って配設され、太陽歯車が回転することにより、キャリヤ内に自転可能に保持されたワークが複雑に遊星運動し、そのワークに対して、加工荷重が付与された上下の定盤の研磨面が当接することにより、ワークの両面が同時に研磨されるようになっている。キャリヤにはワークが少なくとも１つセットされるが、複数のワークがセットされるものもある（特許文献３，４）。

特開２０００−３３５５４号公報 特開２０００−１２７０３２号公報 特開２０００−３３５６０号公報（図１１） 特開平３−１４９１７９号公報

上記各特許文献に記載されている研磨装置にあっては、キャリヤに形成するワーク保持孔を偏心させて形成している。これは、ワークを装置全体の径方向に移動させることにより、上下の定盤の研磨面をなるべく有効に使用することを目的とした構成である。しかしながらキャリヤは太陽歯車と内歯部材との間に配設されるため、径方向への移動距離である振れ幅には、自ずと制限が生じる。例えばキャリヤの径を大きくしてキャリヤに対するワーク保持孔の偏心度合いを大きくすれば、振れ幅を大きくすることができるが、その場合にはキャリヤの数が少なくなってしまい、より多くのワークを一括して研磨するには不十分なものとなる。

また、遊星歯車による駆動方式は複雑な構成であることから、設計から製造までの過程での負担が大きく、また、キャリヤが消耗部品となって交換する必要が生じるため、コストが上昇するという問題があった。

よって本発明は、より多くのワークを大きな振れ幅で研磨することができることによって定盤の研磨面を効率よく利用することができるとともに、簡素で消耗品が生じにくい構造によってコストの低減を図ることができる両面研磨装置を提供することを目的としている。

本発明は、複数の板状のワークを一括して研磨可能な大きさを有する円盤状の研磨工具を備えており、該研磨工具どうしが対面する状態に配設される第１の研磨手段および第２の研磨手段と、該第１の研磨手段および該第２の研磨手段をそれぞれ回転駆動する回転駆動機構と、第１の研磨手段の研磨工具と、第２の研磨手段の研磨工具との間に、複数のワークを、該ワークの一方の面が第１の研磨手段の研磨工具によって、また、該ワークの他方の面が第２の研磨手段の研磨工具によって研磨可能に１つずつ保持する複数のワーク保持手段と、該ワーク保持手段に保持されたワークの一方の面および他方の面に遊離砥粒を供給する遊離砥粒供給手段と、第１の研磨手段と第２の研磨手段とを相対的に接近させることにより、必要な加工荷重をワークの第１の面および第２の面に付加する荷重付加手段とを少なくとも備えた研磨装置であって、ワーク保持手段は、ワークを自転可能に保持する保持部と、第１の研磨手段もしくは第２の研磨手段の周囲に配設される回転軸部と、保持部と回転軸部とを連結し、該回転軸部の回転によって、該保持部に保持されたワークを旋回自在に支持する連結部とを少なくとも備え、回転軸部は、保持部に保持されたワークが、研磨工具による研磨可能領域を往復旋回するように作動することを特徴としている。

本発明によれば、ワークはワーク保持手段の保持部に両面が露出するように保持され、回転軸部が作動することにより、連結部を介して、保持部に保持されたワークが往復旋回させられる。ワークの往復旋回中に、遊離砥粒供給手段によってワークの両面に遊離砥粒を供給しながら、第１の研磨手段および第２の研磨手段の各研磨工具によってワークを挟み付ける加工荷重をかけることにより、ワークの両面が研磨される。ワークは各研磨手段の中心付近から外周部にわたって、周方向を斜めに横断するようにして往復旋回する。複数のワーク保持手段の保持部を近接させることにより、より多くのワーク保持手段を設けることができる。そして、ワークの旋回は同方向に動かすことにより可能である。

本発明によれば、従来の遊星歯車方式のように太陽歯車が存在せず、また、ワーク保持手段は遊星歯車によるキャリヤのように占有面積が大きい円盤状とする必要はなく、できるだけスリムな構成にすることができる。このため、ワーク保持手段の数を遊星歯車方式と比べると多く設けることができるとともに、旋回中におけるワークの、研磨手段の径方向への移動距離である振れ幅を大きくとることもできる。その結果、研磨工具の研磨面を効率よく利用しながら、より多くのワークを一括して研磨することができる。また、歯車の噛み合いによる駆動伝達手段を採らない構成であるから、簡素で消耗品が生じにくく、その結果、コストの低減を図ることができる。

本発明の両面研磨装置で研磨されるワークとしては、上記半導体ウェーハも挙げられるが、半導体ウェーハの場合には金属と接触すると金属汚染を招いて特性に悪影響が生じる場合がある。そこで、ワーク保持手段の保持部をセラミックスで形成する形態は、金属汚染を防止することができるので、本発明の好ましい形態とされる。

本発明によれば、ワーク保持手段の保持部に保持したワークを旋回させながら研磨する構成としたため、研磨工具の研磨面を効率よく利用しながら、より多くのワークを一括して研磨することができるとともに、簡素で消耗品が生じにくい構造によってコストの低減を図ることができるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明に係る一実施形態を説明する。
［１］両面研磨装置
図１は、一実施形態に係る両面研磨装置１の全体を示しており、図中符号１１は基台である。基台１１には、各種の動作を制御するための操作盤１２が設けられている。基台１１の水平な上面のほぼ中心には、円盤状の下定盤（第１の研磨手段）２０が回転自在に支持されている。この下定盤２０は、図２に示すように、金属製の本体２１の上面に研磨布等からなる研磨工具２２が固着されてなるものである。下定盤２０は、基台１１内に収容された図示せぬ回転駆動機構によって図１に示す矢印Ｒ方向に回転させられるようになっている。

下定盤２０の上方には、下定盤２０と平行に配設されて対をなす円盤状の上定盤（第２の研磨手段）３０が配設されている。この上定盤３０は、図２に示すように、金属製の本体３１の下面に研磨布等からなる研磨工具３２が固着されてなるもので、外径が下定盤２０と同一で、下定盤２０と同心状に設置されている。上定盤３０は、図示せぬ回転駆動機構によって下定盤２０とは反対方向の図１に示す矢印Ｌ方向に回転駆動されるようになっている。また、上定盤３０は、図示せぬ昇降駆動機構（荷重付加手段）により回転軸方向に沿って昇降させられるようになっている。上定盤３０の回転駆動機構および昇降駆動機構は、例えば、基台１１に設けられるフレーム等に支持される。

本実施形態の両面研磨装置１は、図２に示すように、上定盤３０を下降させて上下の定盤３０，２０の間に挟んだワークＷの上面および下面を研磨工具３２および研磨工具２２でそれぞれ研磨する構成である。ワークＷは、基台１１に支持された複数のワーク保持手段４０に保持されて、上下の定盤３０，２０の間に位置付けられるようになっている。

図１および図２に示すように、ワーク保持手段４０は、基台１１の上面における下定盤２０の周囲に設置された上下方向を軸方向とする回転軸部４１と、この回転軸部４１の上端部に設けられ回転軸部４１から下定盤２０の上方に向かって水平に延びるキャリヤ（連結部）４２とを備えている。回転軸部４１は、図示せぬ回転駆動機構によって双方向に回転させられ、キャリヤ４２は回転軸部４１の回転に伴って水平方向に旋回するようになっている。キャリヤ４２は長円形状の板状部材であって、この場合、両端部の円弧は同径ではなく、回転軸部４１に連結された側の一端部の円弧の方が自由端側の先端部の円弧よりも小径である。

キャリヤ４２の先端部には、円盤状のワークＷを保持する円形状のワーク保持孔（保持部）４３が形成されている。ワーク保持孔４３の内径は、保持するワークＷの外径よりも僅かに小さく設定されている。ワークＷはワーク保持孔４３に嵌め込まれ、下定盤２０の研磨工具２２に載置される状態にセットされる。その状態でワークＷは、ワーク保持孔４３内において自転可能に保持される。図２に示すように、キャリヤ４２の下面と下定盤２０の研磨工具２２との間隔、およびキャリヤ４２の板厚は、ワークＷの上下の面が確実に研磨工具２２，３２にそれぞれ接触する状態が確保され得るように設定されている。

なお、キャリヤ４２は、例えばステンレス等の金属材料からなるものであってよいが、ワークＷが半導体ウェーハのように金属と接触すると金属汚染を招いて特性に悪影響が生じるものの場合には、非金属の材料が好適であり、例えばセラミックスで形成されていると、より好ましい。

図１および図３に示すように、ワーク保持手段４０はこの場合８個備えられており、各ワーク保持手段４０の回転軸部４１は、下定盤２０の周囲に、周方向に沿って等間隔をおいて同心状に配列されている。各キャリヤ４２を、長手方向が下定盤２０の径方向と平行となる放射状に配列した状態とすると（図１のキャリヤ４２、図３の実線で示すキャリヤ４２）、各キャリヤ４２の先端部どうしが近接する。この状態で、ワーク保持孔４３に保持されたワークＷは、上下の定盤３０，２０に対して最も内周側に位置付けられる。ワークＷが最内周にある状態から、回転軸部４１を支点として各キャリヤ４２を一方向（図３で反時計回り方向）に同期させて旋回させると、ワークＷは上下の定盤３０，２０の周方向を横断するようにして定盤３０，２０の外周部方向に移動する。ワークＷは、図３で二点破線に示す最外周部まで移動させられる。そしてワークＷは、回転軸部４１が反復回転することにより、最内周部と最外周部との間を往復移動させられる。

本実施形態の両面研磨装置１においては、各ワーク保持手段４０のワーク保持孔４３に保持された各ワークＷに向けて、遊離砥粒を含むスラリーと称される液状研磨材が供給管（遊離砥粒供給手段）５０から噴出されるようになっている。供給管５０から噴出した液状研磨材は、ワークＷの上下の面に直接、あるいは上下の定盤３０，２０の研磨工具３２，２２等を経て間接的に供給される。

［２］両面研磨装置の動作
次に、上記構成の両面研磨装置１の動作を説明する。
まず、各ワーク保持手段４０のキャリヤ４２のワーク保持孔４３にワーク（例えば半導体ウェーハ）Ｗを嵌め込んでセットする。次いで、下定盤２０を回転させ、また、上定盤３０を回転させながら下降させる。そして、供給管５０から液状研磨材を噴出させ、上定盤３０がワークＷの上面を押圧し、ワークＷの上下の面に研磨工具３２，２２から所定の加工荷重がかかる状態となったら、上定盤３０の下降を停止させる。

この状態から、キャリヤ４２を往復旋回させて、ワークＷを上記の最内周部から最外周部までの間を往復移動させる。往復移動する間に、ワークＷはワーク保持孔４３内で時計回り方向、あるいは反時計回り方向に自転させられる。そして自転するワークＷの上面には、回転する上定盤３０の研磨工具３２が押し付けられ、また、ワークＷの下面には、回転する下定盤２０の研磨工具２２が押し付けられる。このような動作が続けられることにより、ワークＷの上下の面が同時に、かつ、一様に研磨される。

設定されている研磨時間が経過したら上定盤３０を待機位置まで上昇させ、供給管５０からの液状研磨材の供給を停止させる。そして、キャリヤ４２の旋回を停止してワークＷを取り出す。以上により、本装置では８個のワークＷの上下の面が同時に研磨される。

［３］両面研磨装置の作用効果
上記実施形態の両面研磨装置１によれば、従来の遊星歯車方式のように太陽歯車が存在せず、また、ワーク保持手段４０のキャリヤ４２は従来の円盤状の遊星歯車によるキャリヤと比べるときわめてスリムである。このため、ワーク保持手段４０の数を遊星歯車方式と比べると多く設けることができる。また、キャリヤ４２が往復旋回中におけるワークＷの、定盤３０，２０の径方向への移動距離である振れ幅（図３のＤで示す）も大きくなる。その結果、研磨工具３２，２２の研磨面を効率よく利用することができるとともに、より多くのワークＷを一括して研磨することができる。

また、回転軸部４１の回転によってキャリヤ４２を往復旋回させることでワークＷを移動させるため、構成が簡素であり、キャリヤ４２が消耗するといったことも起こらない。その結果、コストの低減を図ることができる。

［４］製造例による本発明と従来例の比較
図３に示した上下の定盤３０，２０の直径が１８００ｍｍ、ワークＷの直径が約３００ｍｍという規定寸法において、実際に装置のモデルを製造して、ワーク（ワーク保持手段４０）Ｗの数とワークＷの振れ幅を検証した。キャリヤ４２は同一寸法／形状のものを複数用意し、装備する数に応じて回転軸部４１の設置箇所を変えた。なお、回転軸部４１の下定盤２０からの距離は同一として、装置全体の大きさは不変とした。

図３に示した実施形態では、上記のようにワーク保持手段４０を８個装備させることができた。そしてワークＷの振れ幅Ｄは、約１６３ｍｍであった。次に、図４はワーク保持手段４０の装備数を、（ａ）７個、（ｂ）６個としたものであり、この場合のワークＷの振れ幅Ｄは、それぞれ約２００ｍｍ、約２８３ｍｍであった。

一方、図５は従来の遊星歯車方式のキャリヤを装備させた場合を示している。上下の定盤３０，２０の直径は１８００ｍｍで共通であり、（ａ）は直径が４５０ｍｍのキャリヤ６１、（ｂ）は直径が６００ｍｍのキャリヤ６２を、いずれも６個装備させている。（ａ）のワークＷの振れ幅Ｄは約５０ｍｍであったが、（ｂ）の方はキャリヤ４２の直径が大きいのでワークＷの振れ幅Ｄは約２００ｍｍと大きかった。

すなわち、従来例では、キャリヤの数が同じであれば、キャリヤを大きくすることによりワークＷの振れ幅を大きくとることができるが、その場合、キャリヤの装備数（ワークの処理数）は６個であり、振れ幅は約２００ｍｍである。一方、図４に示した本発明例では、（ａ）のように振れ幅が約２００ｍｍの場合、ワークＷを７個処理することができ、より多くのワークを処理するといった面で本発明が優位であることが判る。逆に、図４（ｂ）のようにワークＷの数を６個として従来と共通させた場合には、振れ幅は約２８３ｍｍと格段に大きくとることができる。このように本発明によれば、より多くのワークを大きい振れ幅で研磨することができることが判る。

本発明の一実施形態に係る両面研磨装置の全体を示す斜視図である。 一実施形態に係る両面研磨装置のワーク保持手段を示す断面図である。 一実施形態に係る両面研磨装置の下定盤およびキャリヤの動作を示す平面図である。 ワーク保持手段の数を変更した一実施形態の変更例を示す平面図である。 従来の遊星歯車方式におけるワークの処理可能個数および振れ幅を示す平面図である。

符号の説明

１…両面研磨装置
２０…下定盤（第１の研磨手段）
２２，３２…研磨工具
３０…上定盤（第２の研磨手段）
４０…ワーク保持手段
４１…回転軸部
４２…キャリヤ（連結部）
４３…ワーク保持孔（保持部）
５０…供給管（遊離砥粒供給手段）
Ｗ…ワーク

Claims (2)

1. 複数の板状のワークを一括して研磨可能な大きさを有する円盤状の研磨工具を備えており、該研磨工具どうしが対面する状態に配設される第１の研磨手段および第２の研磨手段と、
   該第１の研磨手段および該第２の研磨手段をそれぞれ回転駆動する回転駆動機構と、
   前記第１の研磨手段の前記研磨工具と、前記第２の研磨手段の前記研磨工具との間に、前記複数のワークを、該ワークの一方の面が前記第１の研磨手段の前記研磨工具によって、また、該ワークの他方の面が前記第２の研磨手段の前記研磨工具によって研磨可能に１つずつ保持する複数のワーク保持手段と、
   該ワーク保持手段に保持された前記ワークの前記一方の面および前記他方の面に遊離砥粒を供給する遊離砥粒供給手段と、
   前記第１の研磨手段と前記第２の研磨手段とを相対的に接近させることにより、必要な加工荷重を前記ワークの前記第１の面および前記第２の面に付加する荷重付加手段とを少なくとも備えた両面研磨装置であって、
   前記ワーク保持手段は、前記ワークを自転可能に保持する保持部と、
   前記第１の研磨手段もしくは前記第２の研磨手段の周囲に配設される回転軸部と、
   前記保持部と前記回転軸部とを連結し、該回転軸部の回転によって、該保持部に保持された前記ワークを旋回自在に支持する連結部とを少なくとも備え、
   前記回転軸部は、前記保持部に保持された前記ワークが、前記研磨工具による研磨可能領域を往復旋回するように作動することを特徴とする両面研磨装置。
2. 前記保持部がセラミックスで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。

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