JP2010167521A - 加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工条件の設定が不要となるとともに加工中にリアルタイムでワークの情報を取得することが可能な加工装置および加工方法を提供する。
【解決手段】加工対象物の形状等の状態を検出可能な測定装置と、検出部により検出された加工対象物の状態に対応する画像データを設定する画像生成装置と、加工対象物の状態を示す画像を表示させる表示部とを備えた加工装置を用いて行う加工方法であって、ワークの形状等の状態を測定する測定ステップと、測定ステップで測定したワークの状態に対応する画像データを設定するデータ設定ステップと、データ設定ステップで設定した画像データに基づいてワークを加工するための加工条件を算出する加工条件算出ステップと、加工条件算出ステップで算出した加工条件に基づいてワークの加工を行う加工ステップとを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、加工装置および加工方法に関する。

研磨、研削等の加工を行う加工装置を用いて加工対象物であるワークの加工を行う際には、加工時間、加工速度、また、研磨加工の場合は、研磨ヘッドによる研磨荷重、研磨液であるスラリーの種類およびスラリーの吐出量等といった加工条件（パラメータ）を予め入力し、入力された加工条件が制御装置の内部メモリにレシピファイルとして設定記憶されるようになっている。制御装置はこのレシピファイルの加工条件に基づいて各装置の作動を制御しワークの加工を行う。このように、レシピファイルの加工条件に基づいてワークの加工を行う加工装置が周知となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００７−２４２６５８号公報

ところで、上述したようなレシピファイルから加工条件を読み出しワークの加工を行う加工装置においては、予めレシピファイルの内容を手動で設定する必要があるとともに、加工を行っている最中は加工前後におけるワークの加工特性を把握できない。このため、加工中にワークの加工特性が変化しても即時で加工条件を変更することができず加工の効率が低下してしまうという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、加工条件の設定が不要となるとともに加工中にリアルタイムでワークの情報を取得することが可能な加工装置および加工方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る加工装置は、加工対象物を保持する対象物保持部（例えば、実施形態における保持機構１０）と、加工対象物を加工する対象物加工部（例えば、実施形態におけるパッド回転機構２０およびヘッド移動機構３０）と、対象物加工部による加工対象物の加工を制御する制御部（例えば、実施形態における制御部５１）とを備えた加工装置において、加工対象物の状態を検出可能な検出部（例えば、実施形態における測定装置６１）と、検出部により検出された加工対象物の状態に対応する画像データを設定するデータ設定部（例えば、実施形態における画像生成装置６３）と、データ設定部により設定された画像データに基づいて加工対象物の状態を示す画像を表示させる表示部とを備えて構成される。

そして、本発明に係る加工方法は、加工を行うための加工部（例えば、実施形態におけるパッド回転機構２０およびヘッド移動機構３０）により加工対象物の加工を行う加工方法において、加工対象物の形状等の状態を測定する対象物測定ステップと、対象物測定ステップで測定した加工対象物の状態に対応する画像データを設定するデータ設定ステップと、データ設定ステップで設定した画像データに基づいて加工対象物の状態を示す画像を表示させる画像表示ステップと、データ設定ステップで設定した画像データに基づいて加工対象物を加工するための加工条件を算出する加工条件算出ステップと、加工条件算出ステップで算出した加工条件に基づいて加工対象物の加工を行う加工ステップとを有することを特徴とする。

本発明に係る加工装置および加工方法によれば、予めレシピファイルの内容を手動で設定する必要がなくなるとともに、加工中にリアルタイムで加工対象物の情報を取得することができる。

本発明に係る画像処理装置を備えた研磨装置を示す図である。 上記画像処理装置により作成されたビットマップファイルの画像を示す図である。 上記研磨装置を用いてワークの研磨を行う際の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。研磨装置１は、半導体等、研磨対象物であるワークＷを回転可能に保持し、回転させた研磨パッドをワークＷの被研磨面に押圧することにより研磨加工を行う装置である。研磨装置１は、ワークＷを回転可能に保持する保持機構１０と、研磨パッド２３が装着された研磨ヘッド２１を回転させるパッド回転機構２０と、ワークＷに対して研磨パッド２３を昇降および相対揺動させるヘッド移動機構３０と、研磨パッド２３の研磨面に、純水を主成分としワークＷの研磨を行うための研磨砥粒や分散剤等を含んでいるスラリーを供給するスラリー供給装置４０と、ワークＷや研磨パッド２３の回転、ワークＷに対する研磨パッド２３の昇降および揺動、研磨加工部へのスラリーの供給等、研磨装置１の作動を制御する制御装置５０と、研磨加工を行う前後のワークＷの形状、材質、研磨量等を測定可能な測定ユニット６０等により構成されている。

保持機構１０は、円盤状のチャック１１と、このチャック１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１４と、スピンドル１４に回転駆動力を伝達してチャック１１を水平面内で回転させるチャック駆動モータ１５等を有して構成される。チャック１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成されたチャックプレート１２と、このチャックプレート１２の上面に貼られた吸着パッド１３とを有して構成される。吸着パッド１３は加工テーブルＴから露出して上向きの水平姿勢で設けられ、チャックプレート１２は、その内部にワークＷの下面を真空吸着する真空チャック構造が設けられており、吸着パッド１３を介して当該真空チャック構造によりワークＷを吸着保持することが可能になっている。このように、チャック１１に吸着保持されたワークＷの被研磨面が上向きの水平姿勢で保持される。

保持機構１０と隣接して、ヘッド移動機構３０が設けられており、ヘッド移動機構３０を構成する研磨アーム３２の先端にパッド回転機構２０が設けられる。パッド回転機構２０は、円盤状の研磨ヘッド２１と、研磨ヘッド２１の上部から鉛直上方に延びるスピンドル２４と、スピンドル２４に回転駆動力を伝達して研磨ヘッド２１を水平面内で回転させるパッド駆動モータ２５等を有して構成される。

研磨ヘッド２１は、円盤状に形成されたポリッシングプレート２２と、このポリッシングプレート２２の下面に貼られた研磨パッド２３とを有して構成される。研磨パッド２３は、外径が研磨対象であるワークＷの直径よりも幾分小さい円環状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ポリッシングプレート２２の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持されるようになっている。

研磨ヘッド２１の中心部に、後に詳述するスラリー供給装置４０により供給されるスラリーを研磨パッド２３の中心部に供給するためのスラリー供給路が、ポリッシングプレート２２の中心を上下に貫通して設けられている。また、研磨ヘッド２１の内部に形成された加圧室にエアの供給を受けてポリッシングプレート２２を下向きに加圧させるエアバッグ式のパッド加圧機構が設けられており、研磨パッド２３の研磨面をワークＷの被研磨面に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、ワークＷと研磨パッド２３との当接圧力、すなわち研磨圧力を制御可能になっている。

ヘッド移動機構３０は、加工テーブルＴから上方に突出する基部３１と、この基部３１から水平に延びる研磨アーム３２と、基部３１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨アーム３２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述したパッド回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。ヘッド移動機構３０は、アーム揺動機構３５により研磨アーム３２を水平揺動させたときの研磨ヘッド２１の揺動軌跡上に保持機構１０が位置するように構成されており、研磨ヘッド２１をチャック１１と対向させた状態で研磨アーム３２全体を昇降させ、研磨パッド２３の研磨面をワークＷの被研磨面に当接させた状態でワークＷに対して研磨パッド２３を水平揺動可能に構成されている。

スラリー供給装置４０は、研磨ヘッド２１のスラリー供給構造を介して、研磨パッド２３の中心部に研磨液であるスラリーを供給する。スラリーは、純水を主成分とし、ワークＷの研磨を行うための研磨砥粒や、分散剤等を含んでいる。また、研磨砥粒の材料としては、例えばセリア（ＣｅＯ_２）が使用される。

制御装置５０は、制御部５１と、制御部５１への命令を入力するための入力部５２と、制御部５１により実行された研磨加工の結果等を表示する表示部５３から構成され、制御部５１が保持機構１０、パッド回転機構２０、ヘッド移動機構３０およびスラリー供給装置４０にそれぞれ制御信号を出力することにより、ワークＷや研磨パッド２３の回転、ワークＷに対する研磨パッド２３の昇降および揺動等の作動が制御されるようになっている。

測定ユニット６０は、図１に示すように、測定装置６１と、記憶装置６２と、画像生成装置６３により構成され、測定装置６１は、例えばレーザー干渉計が用いられ、ワークＷの表面形状等の測定が可能になっている。記憶装置６２は、研磨加工の加工履歴等を保持しているメモリであり、制御部５１の制御により実行された研磨加工の情報（対象物の材質、加工履歴等）が記憶装置６２により保持されているようになっている。

画像生成装置６３は、測定装置６１および記憶装置６２から、ワークＷの表面高さ、表面の材質等の情報を取得し、取得した情報からビットマップデータを生成するようになっている。具体的には、画像として表示したいワークＷの情報、例えば、ワークＷの表面高さと、表面の材質と、研磨量（プレストン定数、研磨荷重、相対線速度、摺動時間の積）との３つのパラメータ値を測定装置６１および記憶装置６２から受信し、受信した表面高さ、表面の材質、研磨量の値に基づいて、以下に示す方法で、０〜２５５の数字（８ビットのビットマップデータ）を設定する。ここで、上述したように、表面の材質をパラメータの１つとして挙げたのは、ワークＷの加工工程中に、レジストを塗布したり、シリコンを露出させたりする等、表面の材質が変化することがあるため表面の材質を検出する必要があるためであるが、このように、ビットマップデータを設定する情報はワークＷの表面高さ、表面の材質、研磨量に限定されることなく、例えば、スラリーの吐出量、研磨荷重、または摺動時間等に基づいてビットマップデータを設定することもできる。

ここで、画像生成装置６３が、表面高さ、材質、研磨量に基づいて、０〜２５５の数値（８ビットのビットマップデータ）を設定する方法について説明する。例えば、表面高さを赤（Ｒｅｄ）、材質を緑（Ｇｒｅｅｎ）、研磨量を青（Ｂｌｕｅ）で表す場合、表面高さは、測定した表面高さを上限値から下限値まで所定の幅をもって２５６段階に区切って赤（Ｒｅｄ）の成分を０〜２５５の数値で設定する。ここで、測定した表面高さが高いときは２５５に近い大きな数値が設定され、低いときは０に近い小さな数値が設定されるようになっており、表面高さが高い箇所は赤（Ｒｅｄ）の成分が増加するため赤みがかり、低い箇所は赤（Ｒｅｄ）の成分が減少するため青みがかるようになっている。研磨量は、測定した研磨量を上限値から下限値まで所定の幅をもって２５６段階に区切って青（Ｂｌｕｅ）の成分を０〜２５５の数値で設定する。そして、測定した研磨量が大きいときは２５５に近い大きな数値が設定され、小さいときは０に近い小さな数値が設定されるようになっており、研磨量が大きい箇所は青（Ｂｌｕｅ）の成分が増加するため青みがかり、小さい箇所は青（Ｂｌｕｅ）の成分が減少するため黄みがかるようになっている。なお、上述した上限値、下限値および２５６段階に区切る幅は、入力部５２を操作することにより変更可能になっている。

また、材質は、シリコンは「０」、ガラスは「３２」、メタルは「６４」、ダイヤモンドは「１２８」、レジストは「２５５」の数値を設定するように、材質毎に０〜２５５の異なった数値が設定されるようになっている。ここで、材質がシリコンであったときには「０」が設定され、レジストであったときには「２５５」が設定されるようになっており、材質がシリコンである箇所の緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分は「０」であるため紫がかり、レジストである箇所の緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分は「２５５」であるため緑がかるようになっている。なお、材質に紐付いた上記の０〜２５５の数値は、入力部５２を介して任意に変更可能になっている。

上記のように、ワークＷの表面高さ、材質、研磨量の３つの情報は、所望の１ポイント毎にビットマップデータに変換することが可能になっているが、ビットマップデータに変換されたワークＷの情報は、制御部５１および表示部５３に送信され、制御部５１による研磨加工の制御にフィードバックされるとともに（後に詳述）、図２に示すようなビットマップファイルとして表示部５３に表示されるようになっている。なお、この画像を見たオペレータは、入力部５２を介して、手動で研磨加工を終了させたり、再度実行させたりすることが可能になっている。

図２は、表面高さを赤（Ｒｅｄ）の成分、表面の材質の成分を緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分、研磨量を青（Ｂｌｕｅ）の成分とし、研磨加工中のワークＷの表面高さ、材質、研磨量の情報を色彩で表現したビットマップファイルを表す図である。なお、入力部５２を操作することによりこのビットマップファイルから赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）、青（Ｂｌｕｅ）の成分値（０〜２５５の数値）を抽出することが可能になっている。ここで、ワークＷ上のポイントＰ１は見た目が赤色になっており、Ｐ１のビットマップデータは、図２に示すように、赤（Ｒｅｄ）の成分が「２４８」、緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分が「３２」、青（Ｂｌｕｅ）の成分が「２」になっている。このＰ１が赤く見えることから、直観的にＰ１の表面高さが高いことがわかる。また、ビットマップファイルから各色の成分を抽出すると、緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分が「３２」であることから上述した例に従えば材質がガラスであることがわかり、青（Ｂｌｕｅ）の成分が小さいことからＰ１の研磨量（プレストン定数、研磨荷重、相対線速度、摺動時間の積）は小さいことがわかる。そして、ポイントＰ２は見た目が青色になっており、Ｐ２のビットマップデータは、図２に示すように、赤（Ｒｅｄ）の成分が「１１」、緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分が「３２」、青（Ｂｌｕｅ）の成分が「２４１」になっている。このＰ２が青く見えることから、直観的にＰ２の研磨量が大きいことがわかる。また、Ｐ１と同様に、ビットマップファイルから各色の成分を抽出すると、緑（Ｇｒｅｅｎ）の成分が「３２」であることから材質がガラスであることがわかり、赤（Ｒｅｄ）の成分が小さいことからＰ２の表面高さは低いことがわかる。このように、表示部５３に表示されるビットマップファイルによってワークＷの状態が色彩によりわかるようになっている。

なお、上記の説明では、表面高さが低いほど赤（Ｒｅｄ）の成分が０に近く、研磨量が小さいほど青（Ｂｌｕｅ）の成分が０に近くなり、反対に表面高さが高いほど赤（Ｒｅｄ）の成分が２５５に近く、研磨量が大きいほど青（Ｂｌｕｅ）の成分が２５５に近くなる例について説明したが、これとは反対に、表面高さが高いほど赤（Ｒｅｄ）の成分が２５５に近くまた低いほど赤（Ｒｅｄ）の成分が０に近く、研磨量が大きいほど青（Ｂｌｕｅ）の成分が２５５に近くまた小さいほど青（Ｂｌｕｅ）の成分が０に近くなるようにしてもよい。

以上のように構成された研磨装置１を用いてワークＷの研磨を行う方法について、図３を参照しながら以下で説明する。図３は１枚のワークＷを研磨加工する際の処理の流れを示すフローチャートであり、ワークＷを１枚研磨加工する毎に実行されるフローを示している。まず、スラリー供給装置４０により、研磨パッド２３へのスラリーの供給が開始され、スラリーに含まれる研磨砥粒を研磨パッド２３の研磨面に定着させる。そして、測定装置６１がワークＷの表面形状を測定する（ステップＳ１０１）。測定装置６１が測定した測定結果および記憶装置６２が記憶している加工履歴に関する情報が画像生成装置６３に送信され、画像生成装置６３は、測定装置６１から受信した高さと研磨量、そして記憶装置６２から受信した加工履歴に含まれている材質の情報について、ビットマップデータ（０〜２５５の数値データ）を作成する（ステップＳ１０２）。作成されたビットマップデータは、画像生成装置５３により制御部５１および表示部５３に転送される（ステップＳ１０３）。そして、制御部５１は、受信したビットマップデータに基づき、高さおよび研磨量が目標高さおよび目標研磨量に達するように研磨荷重等の研磨条件を算出し（ステップＳ１０４）、表示部５３によりビットマップデータが、図２に示すような画像として表示される（ステップＳ１０５）。

ここで、ステップＳ１０４で研磨条件を算出することにより、例えば、記憶装置６２から受信した材質の情報が軟らかい材料である部分または測定装置６１から受信した研磨量が大きい部分においては研磨時間を短くしたり、測定装置６１から受信した高さが高い部分においては研磨ヘッド２１の高さを高くしたりするように、画像生成装置６３および制御部５１によりきめ細やかな研磨加工を行うことが可能になっている。

制御部５１が研磨条件を算出した後、ヘッド移動機構３０により研磨アームを揺動させて研磨ヘッド２１をチャック１１の上方に対向して位置させチャック１１および研磨ヘッド２１をともに回転させながら、研磨ヘッド２１を研磨位置に下降させて研磨パッド２３の研磨面をワークＷの被研磨面に当接させる。そして、研磨ヘッド２１に設けられた加圧機構により研磨パッド２３をステップＳ１０４で算出した研磨荷重でワークＷに押圧させる。またこのときスラリー供給機構４０によりスラリーを研磨パッド２３の中心部からワークＷと研磨パッド２３の当接部（研磨パッド２３の表面）に供給し、ステップＳ１０４で算出したパラメータに基づいて研磨加工を実行する（ステップＳ１０６）。

上記のようにワークＷの研磨加工を行った後、測定装置６１が再度ワークＷの形状を測定し（ステップＳ１０７）、測定装置６１の測定結果および記憶装置６２が記憶している加工履歴等の情報に基づいて、画像生成装置６３が、ワークＷの表面高さ、材質、研磨量をビットマップデータに変換する（ステップＳ１０８）。変換されたビットマップデータは、画像生成装置６３により制御部５１および表示部５３に転送され（ステップＳ１０９）、制御部５１が画像生成装置６３から受信したビットマップデータを参照して、当該ワークＷの表面高さおよび研磨量が所定の目標高さおよび目標研磨量に到達したか否かを判断し、到達した場合は研磨を終了し、到達していない場合はステップＳ１０４に戻って研磨条件の算出を行い再度研磨を実行する（ステップＳ１１０）。制御部５１がワークＷの研磨を終了するか否か判断するステップＳ１１０と同時に、表示部５３によりビットマップデータが画像表示され（ステップＳ１１１）、この画像を見たオペレータが、入力部５２を介して、手動で研磨加工を終了させたり、再度実行させたりすることもできる。

以上、上述した実施形態においては、研磨対象物であるワークの加工前後の状態をビットマップデータに変換し、画像として表示部に表示することが可能となるため、視覚的にワークの状況を把握することができる。

また、本実施形態においては、予め研磨レシピ（研磨荷重、研磨速度等の研磨条件）を入力することなく、制御部が、測定装置、記憶装置、および画像生成装置の情報を基に研磨条件を算出しながら研磨加工を行うため、研磨レシピを設定する手間が省けるとともに、１枚の加工毎に情報を取得しフィードバックするため、それぞれのワークに対応したきめ細やかな精度の高い加工を実行することができる。

なお、本実施形態では、上述したレシピを使用することなく、自動的に研磨条件をフィードバックしながら研磨加工を行う例について説明したが、この例に限られず、画像表示によりレシピ通り研磨加工ができたことを目視で確認したり、研磨加工の実行結果をフィードバックしてレシピの設定を変更することもできる。

そして、本実施形態においては、高さ、材質、研磨量の３種類の情報を画像データで表現した例について説明したが、４種類以上の情報を表現する場合には画像データを２枚以上生成し、研磨するようにすればよい。

また、本実施形態では、ワークＷの表面高さ、材質、研磨量を１枚の画像のＲ，Ｇ，Ｂで表示（１つのパラメータを８ビット（２５６段階）で表示）する例について説明したが、ビットマップデータの作成方法はこれに限られるものではなく、例えば、ワークＷの表面高さを１枚の画像のＲ（８ビット（２５６段階）のデータ）、研磨量を１枚の画像のＧ，Ｂ（１６ビット（６５５３６段階）のデータ）で表現し、研磨量のビットマップデータの精度を上げることも可能になっている。このように、１枚の画像に含める情報の数を減らしビットマップデータの精度を上げることもできる。

さらに、本実施形態においては、ワークＷの表面高さ、材質、研磨量をそれぞれ８ビットのビットマップデータに変換し１枚の画像で表示する例について説明したが、例えば、高さの情報のみがほしい場合に、赤色のＲ成分のみを抽出して、高さの情報のみを赤色単色で画像で表示するようなことも可能である。すなわち、ＲＧＢ全てを使用するのではなく、Ｒ，Ｇ，Ｂのうちいずれか１つのみ使用して１つのパラメータを単色で表示すること、またＲ，Ｇ，Ｂのうち２つを使用して２つのパラメータを２色で表示することもできる。

そして、本実施形態においては、研磨装置に本発明に係る画像処理装置を適用した例について説明したが、研磨装置に限られることなく、他の加工装置等に適用することもできる。

Ｗ ワーク（加工対象物） １０ 保持機構（対象物保持部）
２０ パッド回転機構（研磨部材移動機構） ２３ 研磨パッド（研磨部材）
３０ ヘッド移動機構（研磨部材移動機構） ５１ 制御部（制御部）
５３ 表示部 ６１ 測定装置（検出部）
６３ 画像生成装置（データ設定部）

Claims (5)

1. 加工対象物を保持する対象物保持部と、
   前記加工対象物を加工する対象物加工部と、
   前記対象物加工部による前記加工対象物の加工を制御する制御部とを備えた加工装置において、
   加工対象物の状態を検出可能な検出部と、
   前記検出部により検出された前記加工対象物の状態に対応する画像データを設定するデータ設定部と、
   前記データ設定部により設定された画像データに基づいて前記加工対象物の状態を示す画像を表示させる表示部とを備えたことを特徴とする加工装置。
2. 前記制御部は、前記データ設定部により設定された画像データに基づいて加工対象物を加工するための加工条件を算出し、算出した加工条件に基づいて前記対象物加工部による前記加工対象物の加工を制御することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
3. 前記対象物加工部は、前記加工対象物を研磨加工する研磨面を有する研磨部材と、前記研磨部材の研磨面を前記対象物保持部に保持された加工対象物の被研磨面に押圧させながら移動させる研磨部材移動機構とにより構成され、
   前記制御部は、前記算出した加工条件に基づいて、前記研磨部材移動機構に前記研磨部材の研磨面を前記加工対象物の被研磨面に押圧させながら移動させることにより、前記研磨部材により前記被研磨面を研磨加工するように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。
4. 加工を行うための加工部により加工対象物の加工を行う加工方法において、
   加工対象物の形状等の状態を測定する対象物測定ステップと、
   前記対象物測定ステップで測定した前記加工対象物の状態に対応する画像データを設定するデータ設定ステップと、
   前記データ設定ステップで設定した画像データに基づいて前記加工対象物の状態を示す画像を表示させる画像表示ステップと、
   前記データ設定ステップで設定した画像データに基づいて前記加工対象物を加工するための加工条件を算出する加工条件算出ステップと、
   前記加工条件算出ステップで算出した加工条件に基づいて前記加工対象物の加工を行う加工ステップとを有することを特徴とする加工方法。
5. 前記加工部が、前記加工対象物を研磨加工する研磨面を有する研磨部材であり、
   前記加工ステップにおいて、前記加工条件算出ステップで算出した加工条件に基づいて、前記研磨部材の研磨面を前記加工対象物の被研磨面に押圧させながら移動させることにより、前記研磨部材により前記被研磨面を研磨加工することを特徴とする請求項４に記載の加工方法。