JP2012020358A - 両面研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遊星歯車式研磨装置において、上定盤の追従性を確保しつつ、上定盤を加圧して研磨加工を行なうことができる構造の研磨装置を提供する。
【解決手段】従来の上定盤５の吊下げ用ワイア９による吊支構造に加え、その内周側に上定盤５への加圧荷重を付与するための加圧用ワイア１２を配置し、上定盤吊り板２から下方への作用荷重を上定盤連結リング１３を介して上定盤５へ均一に伝達する荷重伝達部を構成することにより、加圧荷重条件における研磨加工を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶、シリコン、ガラス、金属その他種々の材料の表面を両面同時に研磨加工を行う遊星歯車方式の研磨装置に関するものである。

両面研磨装置は、シリコンウェーハ、ガラス板等のワーク（以下、単にワークという）に対して研磨加工を行なう装置として用いられている。このような両面研磨装置では、大別して３ウェイ方式の両面研磨装置と、４ウェイ方式の両面研磨装置が知られている。

３ウェイ方式の両面研磨装置の従来技術としては、特許文献１の遊星歯車方式平行平面加工盤が知られている。
この遊星歯車方式平行平面加工盤は、特許文献１の第１図、第２図に記載のように、上定盤が吊り板からエンドレスのワイアロープにより円周上に均等に吊り下げられていることから、上定盤の任意の方向への姿勢変動が可能となっており、接触する下定盤上のワーク面へ倣うようになっている。このような遊星歯車方式平行平面加工盤はワーク面への追従性が優れているため、ワークの加工精度は向上する。

一方、４ウェイ方式の両面研磨装置の従来技術としては、特許文献１の従来技術例が一般的に知られている。この遊星歯車方式平行平面加工盤は、特許文献１の第４図、第５図に記載のように自在継手により支持される上定盤を駆動軸に連結するため、上定盤に取り付けられたキーを駆動軸のキー溝に嵌合して連結する構成としている。この構成では、駆動軸のキー溝に沿ってキーが移動できるため、回転する上定盤の上下方向の移動を可能とし、上定盤がワークへ倣うようになっている。

これら３ウェイ方式および４ウェイ方式の両面研磨装置は使用用途により使い分けられている。

特許第３２６２８０８号公報（第１図〜第５図等）

３ウェイ方式の両面研磨装置は、ワーク面への追従性に優れており、ワークを精度よく研磨することができる。ワーク面への面圧付与方法としては、上定盤の自重を預けた状態から上定盤を若干吊り上げた状態とするように、予め設計仕様として考慮した構造となっており、最終的には上部の吊り上げシリンダにより吊り上げ荷重の微調整を行って、ワークへ作用する面圧が所定値となるように設定している。
一方、４ウェイ方式の両面研磨装置は、上下定盤ともに回転するため、研磨速度に優れている。しかしながら、上定盤を駆動させるために上定盤と駆動部との連結部があるため、駆動伝達時には大きな負荷が作用するために連結部における摩擦力も増大して、上定盤のワーク面への追従性を損ねる傾向があった。ワーク面への面圧付与方法は前記の３ウェイ方式の両面研磨装置の場合と同様である。

しかしながら、ワークの加工面積の増加や対象とするワークの材質変更などにより、ワークへ付与する面圧を大きく設定する必要が生じ、上定盤等の自重より大きな荷重を付与しなければならない場合には、３ウェイ方式および４ウェイ方式の両面研磨装置ともに対応ができないというのが現状であった。

３ウェイ方式の両面研磨装置の場合は、吊り下げ用のエンドレスワイアにより加圧荷重を伝達することは不可能であるので、上定盤等の自重より大きな荷重を設定するには、上定盤上に新たに錘を載せる手段しかないが、大掛かりな改造となり、コスト高であった。

４ウェイ方式の両面研磨装置の場合は、吊り板と上定盤間は機械的に連結されているので、自在継手の構造によっては上定盤へ加圧することは可能であるが、上部の昇降用シリンダロッドと上定盤吊り板部との連結部にある自在継手に加圧荷重を作用させると、従来の回動機能は変化しないか、返って損なわれる可能性があり、上定盤のワークへの追従性がさらに損なわれて、ワークの加工精度を悪化させる懸念があった。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、両面研磨装置の方式に関係なく、上定盤を上部機構により加圧した場合でも上定盤のワークへの追従性に優れた３ウェイ方式または４ウェイ方式の両面研磨装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係わる両面研磨装置は、
外周に歯面を形成するとともにワーク保持孔を穿設したワークキャリアを、水平面内に配置された太陽歯車と内歯歯車との間に複数個噛合わせておき、前記ワーク保持孔にワークを挿入したワークキャリアの表裏両面を、下定盤と、吊り下げ部から吊下げ用エンドレスワイアにより吊り下げ支持される上定盤と、の間に挟み込んだ状態にして、太陽歯車と内歯歯車とを回転させることでワークキャリアを遊星運動させ、同時に下定盤および上定盤をワークキャリアに対して相対的に回転させてワークをラッピングまたはポリッシングする遊星歯車方式の両面研磨装置において、
上定盤上に設置したリング状体と上定盤吊り板から下方へ突設した加圧プレートとの間で、エンドレスワイアを上下に掛け回すプーリをそれぞれ交互に設け、加圧荷重伝達用エンドレスワイアを前記プーリに交互に掛け回して、前記上定盤吊り板から下方への作用荷重をリング状体を介して上定盤へ均一に伝達するようにした荷重伝達部を備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２に係わる両面研磨装置は、
請求項１記載の両面研磨装置において、上定盤を吊下げ支持して荷重設定を行うときは前記加圧荷重伝達用エンドレスワイアは緩んだ状態とし、上定盤に加圧荷重を付与するときは前記吊下げ用エンドレスワイアが緩んだ状態となるように、それぞれのエンドレスワイアの長さを調整した構造であることを特徴とする。

本発明によれば、上定盤を上部機構により加圧した場合でも上定盤のワークへの追従性に優れた３ウェイ方式または４ウェイ方式の両面研磨装置を提供することができる。

本発明による４ウェイ方式の両面研磨装置の要部装置構成図である。 本発明による３ウェイ方式の両面研磨装置への実施例を示す図である。 図２ａのＡ−Ａ断面図である。 本発明における、吊下げ状態での装置の状態を表す実施例を示す図である。 本発明における、加圧状態での装置の状態を表す実施例を示す図である。

続いて、本発明を実施するための形態について図を参照しつつ以下に説明する。
図１は４ウェイ方式の両面研磨装置における実施例を示しており、機械駆動系の構成は、上定盤支持軸１、上定盤吊り板２、軸受け部３、蓋部４、上定盤５、上定盤リング６、吊下げ用上側プーリ７、吊下げ用下側プーリ８、吊下げ用ワイア（請求項における吊下げ用エンドレスワイア）９、加圧用上側プーリ１０、加圧用下側プーリ１１、加圧用ワイア（同じく加圧荷重伝達用エンドレスワイア）１２、上定盤連結リング（同じくリング状体）１３、加圧プレート１４、加圧プレート連結部材１５、支柱１６、支柱抜け止め部材１７、回動式駆動ツメ１８、軸支部１９、上定盤駆動ドラム２０、下定盤２１、下定盤受け２２、サンギア（同じく太陽歯車）２３、インターナルギア（同じく内歯歯車）２４、ドラム駆動軸２５、ワークキャリア２６、ワイア外れ止め部材２７を備える。
図２ａ，図２ｂは３ウェイ方式の両面研磨装置における実施例を示しており、この場合は上定盤５は非回転とするため、ピン２８とストッパー２９を備える。

続いて各構成について説明する。
上定盤支持軸１は、上方は図示しない上定盤昇降駆動部に連結されており、下方は上定盤吊り板２に対して軸受け部３を介して連結されており、軸方向に昇降駆動される。
上定盤吊り板２は、多角形状の板体であって、側面に吊下げ用上側プーリ７が取り付けられる程度の厚みを有している。

軸受け部３は、上定盤支持軸１と上定盤吊り板２との間に介在して設けられており、上定盤支持軸１を固定軸として上定盤吊り板２が回転自在となるように支持している。
蓋部４は、軸受け部３の外輪部を上定盤吊り板２に固定している。

上定盤５は環状円板であり、下面にワークＷを研磨するラップ面／ポリッシュ面を有する。上定盤５を下降させると中央の孔部に上定盤駆動ドラム２０が貫通する構造となっている。
上定盤リング６は、円環状であって、上定盤５に固定される。上定盤リング６の側面に吊下げ用下側プーリ８が取り付けられる程度の厚みがある。上定盤５を下降させると中央の孔部に上定盤駆動ドラム２０が貫通する構造となっている。

吊下げ用上側プーリ７は、上定盤吊り板２の外周面において水平方向の回転軸により軸支され、吊下げ用下側プーリ８に対応する位置に複数個が取り付けられている。
吊下げ用下側プーリ８は、上定盤リング６の外周面において水平方向の回転軸により軸支され、等間隔に複数個が取り付けられている。

吊下げ用ワイア９は、両端を連結してエンドレス状態とした輪状の鋼線であり、吊下げ用上側プーリ７と吊下げ用下側プーリ８との間に交互に張架される。例えば、吊下げ用上側プーリ７と吊下げ用下側プーリ８との間は吊下げ用ワイア９が垂直となるように張架される。吊下げ用ワイア９によって上定盤リング６および上定盤５が上定盤吊り板２から均等な力で吊下げられて支持される。
このように上下方向へ移動する上定盤吊り板２と、上定盤吊り板２の側面から突出する複数の回転軸に軸支される複数の吊下げ用上側プーリ７と、上定盤リング６と、上定盤リング６の側面から突出する複数の回転軸に軸支される複数の吊下げ用下側プーリ８と、上定盤５の垂直方向の荷重を均等に支持するように複数の吊下げ用上側プーリ７と複数の吊下げ用下側プーリ８との間に張架される吊下げ用ワイア９と、により複数個所で均等な力により吊下げる吊下げ機構を構成することとなり、上定盤５の姿勢が変化したような場合であっても各ワイアには常に均等な荷重が作用するようになっている。

加圧用上側プーリ１０は、上定盤リング６と連結している上定盤連結リング１３の内周面において水平な回転軸により略等間隔に複数個が取り付けられている。
加圧用下側プーリ１１は、上定盤吊り板２に対して加圧プレート連結部材１５を介して連結している加圧プレート１４の外周面において水平な回転軸により略等間隔に複数個が取り付けられている。

加圧用ワイア１２は、両端を連結してエンドレス状態とした輪状の鋼線であり、加圧用上側プーリ１０と加圧用下側プーリ１１との間に交互に張架される。例えば、加圧用上側プーリ１０と加圧用下側プーリ１１との間は加圧用ワイア１２が垂直となるように支持される。この加圧用ワイア１２によって上定盤リング６および上定盤５には上定盤吊り板２から均等な力で加圧力が付与される。
このように上下方向へ移動する上定盤吊り板２と加圧プレート連結部材１５を介して連結している加圧プレート１４と、加圧プレート１４の側面から突出する複数の回転軸に軸支される複数の加圧用下側プーリ１１と、上定盤リング６と連結している上定盤連結リング１３の内周面から突出する複数の回転軸に軸支される複数の加圧用上側プーリ１０と、上定盤５の垂直方向の加圧荷重を均等に支持するように複数の加圧用上側プーリ１０と複数の加圧用下側プーリ１１との間に張架される加圧用ワイア１２と、により複数個所で均等な力により加圧荷重を付与する加圧機構を構成することとなり、上定盤５の姿勢が変化したような場合であっても各ワイアには常に均等な加圧荷重が作用するようになっている。

上定盤連結リング１３は、円筒状の構造であって、上定盤リング６の上面と機械的に連結している。

加圧プレート１４は、多角形状の板体であって、上定盤吊り板２と加圧プレート連結部材１５を介して機械的に連結している。

加圧プレート連結部材１５は、上定盤吊り板２と加圧プレート１４を機械的に連結する中間部材である。

支柱１６は、上定盤吊り板２と上定盤連結リング１３との間に複数本設けられる。これらの支柱１６は、平面から見ると円周上に等間隔で設けられる。支柱１６は上定盤連結リング１３に対して略鉛直方向に立設するように設けられる。支柱１６の下部は、上定盤連結リング１３に対して図示しないボルトで連結固定されている。支柱１６の上部は、上定盤吊り板２に遊支されており、支柱１６の貫通部径より大きな貫通孔が設けられており、上部に貫通孔よりも径の大きな支柱抜け止め部材１７をボルトで固定している。この支柱１６と貫通孔との隙間と、支柱上部の支柱抜け止め部材１７と上定盤吊り板２との間に隙間を形成しているため、上定盤吊り板２に対して支柱１６は横方向および上下方向へ若干の移動が可能となっている。このような支持機構により、加工時などにおける上定盤５のワークＷに対する追従性を損なうことはない。

支柱抜け止め部材１７は、上記のように支柱１６の上部に設置されており、吊下げ用ワイア９や吊下げ用上側プーリ７、吊下げ用下側プーリ８の一部に欠損を生じると全体の吊り状態を保持することができなくなり、最悪の場合には上定盤５が落下する懸念があるが、このような場合に本部材は安全機構としても機能する。

回動式駆動ツメ１８は、軸支部１９に対して回動するように構成されている。上定盤５をワークＷに接触する位置まで下降させた後、回動式駆動ツメ１８を上定盤駆動ドラム ２０の嵌合溝内へ嵌合させて上定盤５へ駆動伝達して、４ウェイ方式の平面研磨加工を行なう。回動式駆動ツメ１８は対角位置に少なくとも２組設ける。

上定盤駆動ドラム２０は、図示しない装置下部の駆動源からの駆動力を前記回動式駆動ツメ１８を介して上定盤５へ伝達する。上定盤駆動ドラム２０の外周には、回動式駆動ツメ１８が嵌合するための嵌合溝がある。

下定盤２１は、環状円板であり、上面にワークＷを研磨するラップ面／ポリッシュ面を有する。また、上定盤５および下定盤２１は、共通回転軸の回りに回転するものである。

下定盤受け２２は、回転体であって、下定盤受け２２の上面には下定盤２１が固定されており、図示しない下定盤回転駆動部により回転駆動される。

サンギア（太陽歯車）２３は、外周側に歯車が形成されており、下定盤２１の内周側に配置されている。
インターナルギア（内歯歯車）２４は、内周側に歯車が形成されており、下定盤２１の外周側に配置されている。

ドラム駆動軸２５は、図示しない装置下部の駆動源からの駆動力を上定盤駆動ドラム ２０へ伝達する。

ワークキャリア２６は、外周に歯車が形成されており、サンギア２３およびインターナルギア２４に噛合するようになされている。ワークキャリア２６にはワークＷを保持するワーク保持孔が形成されている。通常は複数個のワークキャリア２６が下定盤２１の上に円周方向へ等間隔に配置されて、一括して研磨される。

ワイア外れ止め部材２７は、上定盤５を吊下げあるいは加圧したときに、吊下げ用ワイア９および加圧用ワイア１２が緩んで、張架したワイアが各プーリから外れて脱落しないように、各プーリの外周部に近接した位置に配置して、各プーリ溝に嵌合しているワイアが横方向に外れないようにしている。

図２ａに示すピン２８とストッパー２９は、３ウェイ方式の両面研磨装置における構造であって、上定盤５の対角位置にピン２８を設け、装置本体の固定部からストッパー２９を張り出させてピン２８と当接させて、上定盤５がワークＷとの摩擦力により供回りしないように保持する機能を有している。

続いて、上定盤５の吊下げ機構および加圧機構について説明する。
従来の両面研磨装置においては、上定盤５下面と下定盤２１上面との間にワークＷを挟みこんだ状態で、複数枚のワークＷを保持したワークキャリア２６をサンギア２３およびインターナルギア２４を適宜回転数および回転方向を設定しつつ自転および公転させ、さらに、３ウェイ方式の場合は下定盤２１を所要の回転数で回転させ、４ウェイ方式の場合は上定盤５および下定盤２１をそれぞれ所要の回転数で回転させて、ワークＷの両面を研磨加工する。この時、定盤上へは適宜研磨砥粒を供給しつつ、遊離砥粒による研磨を行っている。このような両面研磨方法では、ワークＷの加工精度に大きな影響を与える要素として、各定盤加工面の面形状精度と被加工物である複数のワークＷへ付与する面圧の均一性がある。
まず、定盤加工面の面形状精度であるが、基本的には下定盤２１の上面の平坦度を精度よく保持するとともに、上定盤５を下定盤２１あるいは複数のワークＷで形成する平面へ倣わせることが重要となる。
一方、複数のワークＷへ付与する面圧を均一にすることであるが、これも上記と同様に、上定盤５を下定盤２１あるいは複数のワークＷで形成する平面へ倣わせることが重要となる。
以上のように、上定盤５の面倣い性能を確保することが重要となるわけであるが、これを実現する一つの手段として、従来技術の吊下げ用ワイア９を用いた両面研磨装置があった。
本発明では、上定盤５の面倣い性能を保持しつつ、上定盤５を加圧する機構を有する両面研磨装置を提供する。

上定盤５の吊下げ状態は、上定盤５を吊下げ用ワイア９により上方へ引き上げた状態を基本として、ワークＷへ付与する面圧設定を上定盤支持軸１上部の図示しない昇降シリンダなどにより引上げ荷重を調整して設定する。この状態を示すのが図３ａであり、吊下げ用ワイア９は張り状態となっている。この時、加圧用ワイア１２は、上定盤吊り板２および加圧プレート１４が上方へ引き上げられるので緩んだ状態となっており、荷重設定には何ら寄与していない。
上定盤５の加圧状態は、上定盤５を加圧用ワイア１２により下方へ押下げた状態を基本として、ワークＷへ付与する面圧設定を上定盤支持軸１上部の図示しない昇降シリンダなどにより押下げ荷重を調整して設定する。この状態を示すのが図３ｂであり、加圧用ワイアは張り状態となっている。この時、吊下げ用ワイア９は、上定盤吊り板２および加圧プレート１４が下方へ押下げられるので緩んだ状態となっており、荷重設定には何ら寄与していない。
このように、本発明の加圧用ワイア１２による押圧機構を適用することにより、上定盤５の追従性を保持した状態で加圧することができるので、ワークＷへ作用する荷重レベルが大きくなった場合でも、比較的簡単な構造で対応することが可能である。

吊下げ用ワイア９と加圧用ワイア１２の長さ調整は、特に難しい問題はなく、各部の機械的な干渉を回避した上で、上定盤５を下定盤２１上へ下した状態で上定盤吊り板２を昇降させて、夫々のワイアが各状態で機能するように行えばよい。

以上、本発明の両面研磨装置について説明した。なお、各プーリの配置パターンや数は特に限定する趣旨はなく、装置の形状や上定盤荷重などを考慮しつつ、吊下げ状態や加圧状態をバランスよく維持できるような選択を行えばよい。

以上のような本発明に係わる両面研磨装置は、ワークに対して、ラッピングやポリッシング等の精度の高い平面加工を行なう装置に適している。

１ 上定盤支持軸
２ 上定盤吊り板
３ 軸受け部
４ 蓋部
５ 上定盤
６ 上定盤リング
７ 吊下げ用上側プーリ
８ 吊り下げ用下側プーリ
９ 吊り下げ用ワイア
１０ 加圧用上側プーリ
１１ 加圧用下側プーリ
１２ 加圧用ワイア
１３ 上定盤連結板
１４ 加圧プレート
１５ 加圧プレート連結部材
１６ 支柱
１７ 支柱抜け止め部材
１８ 回動式駆動ツメ
１９ 軸支部
２０ 上定盤駆動ドラム
２１ 下定盤
２２ 下定盤受け
２３ サンギア
２４ インターナルギア
２５ ドラム駆動軸
２６ ワークキャリア
２７ ワイア外れ止め部材
２８ ピン
２９ ストッパー
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. 外周に歯面を形成するとともにワーク保持孔を穿設したワークキャリアを、水平面内に配置された太陽歯車と内歯歯車との間に複数個噛合わせておき、このワーク保持孔にワークを挿入したワークキャリアの表裏両面を、下定盤と、吊り下げ部から吊下げ用エンドレスワイアにより吊り下げ支持される上定盤と、の間に挟み込んだ状態にして、太陽歯車と内歯歯車とを回転させることでワークキャリアを遊星運動させ、同時に下定盤および上定盤をワークキャリアに対して相対的に回転させてワークをラッピングまたはポリッシングする遊星歯車方式の両面研磨装置において、
   上定盤上に設置したリング状体と上定盤吊り板から下方へ突設した加圧プレートとの間で、エンドレスワイアを上下に掛け回すプーリをそれぞれ交互に設け、加圧荷重伝達用エンドレスワイアを前記プーリに交互に掛け回して、前記上定盤吊り板から下方への作用荷重をリング状体を介して上定盤へ均一に伝達するようにした荷重伝達部を備えたことを特徴とする両面研磨装置。
2. 請求項１記載の両面研磨装置において、
   上定盤を吊下げ支持して荷重設定を行うときは前記加圧荷重伝達用エンドレスワイアは緩んだ状態とし、上定盤に加圧荷重を付与するときは前記吊下げ用エンドレスワイアが緩んだ状態となるように、それぞれのエンドレスワイアの長さを調整した構造であることを特徴とする両面研磨装置。

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