JP2013510007A - 平坦なワークピースを両面加工する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は平坦なワークピースを両面加工する装置に関し、この装置は、上部作業ディスクと下部作業ディスクとを備え、両作業ディスクは、互いに向き合うそれらの作業表面の間に、ワークピースを加工するための作業空隙を形成し、また作業ディスクの少なくとも一方は、液状作業媒体を作業空隙へと供給するため作業表面まで貫通する複数の穴を有し、穴はいくつかの群にまとめられ、各穴群は作業媒体のための個別の加圧供給ラインに接続され、また供給ライン内の作業媒体の圧力を互いに個別に調節することを可能とする少なくとも１つの圧力制御装置が配備される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ワークピースを両面加工する装置に関し、この装置は、上部作業ディスクと下部作業ディスクとを備え、両作業ディスクは、互いに向き合うそれらの作業表面間にワークピースを加工するための作業空隙を形成し、作業ディスクの少なくとも一方は、液状作業媒体を作業空隙へと供給するため作業表面まで貫通する複数の穴を有する。本発明はまた、平坦なワークピースを両面加工する装置を操作する方法に関し、装置は上部作業ディスクと下部作業ディスクとを備え、両作業ディスクは、互いに向き合うそれらの作業表面間にワークピースを加工するための作業空隙を形成し、作業ディスクの少なくとも一方は、液状作業媒体を作業空隙へと供給するため作業表面まで貫通する複数の穴を有する。

このような装置および方法は、例えば半導体ウェハの両面研磨に役立つ。研磨を行う場合、研磨液を作業手段として作業空隙へと導入する。このためには、２ディスク研磨機が特許文献１から既知である。ここに記載されている研磨ディスクは、この研磨ディスクを支える担体ディスク内の対応する穴と整合し、また研磨手段を研磨ディスクの作業表面に供給するラインに接続されている一連の軸平行穴を有する。これらの穴は上部作業ディスクに配備され、研磨手段は重力により研磨空隙へと下向きに搬送される。ここで１つの問題点は、研磨空隙への研磨手段の均一な供給がいつでも保証され得るとは限らないということである。特に、研磨ディスクのうちの加工中にワークピースが頻繁に横断する領域では、研磨手段の枯渇が生じ得る。これは研磨結果に影響を与え得る。

独国特許出願公開第１０００７３９０号明細書（Ａ１）

上記の従来技術を背景として、本発明の目的は、作業空隙への作業媒体の十分な供給がいつでも保証される上記のタイプの装置および方法を提供することである。

上記の目的は、独立請求項１および１０の内容によって本発明により達成される。有利な実施形態については、従属請求項ならびに以下の記述および図面において見出される。

上記のタイプの装置については、本発明の目的は、液体を供給する穴をいくつかの群にまとめ、各穴群を作業手段のための個別の加圧供給ラインに接続し、また供給ライン内の作業手段の加圧を個別に調節することができる少なくとも１つの圧力制御装置を配備することで達成される。上記のタイプの方法については、本発明の目的は、穴をいくつかの群にまとめ、各穴群に加圧作業手段を供給し、また各穴群に供給される作業手段の圧力を個別に調節することで達成される。

本発明による加工により、材料を除去することができる。装置は平坦なワークピースの両面研磨を行う装置であり得る。作業液はこれに応じて研磨液であり得る。しかし、他の加工方法、例えば研削またはラップ仕上げであることも考えられる。本発明による加工、例えば同一平面加工が行われるワークピースは、例えば半導体ウェハであり得る。作業ディスクは例えば環状であり得る。作業空隙もこれに応じて環状であり得る。垂直駆動シャフトが作業ディスクの一方または両方に接続され得る。作業ディスクがそれぞれ担体ディスクによって支えられている場合は、この接続は担体ディスクによって行われ得る。これら駆動シャフトの少なくとも一方は、適切な駆動装置によって駆動されて回転することができ、この駆動シャフトに接続された作業ディスクがこれに応じて回転する。ワークピースは、互いに対して回転する作業ディスクの間で加工される。作業ディスクの少なくとも一方、例えば上部作業ディスクに穴が設けられる。当然ながらこれらの穴は両方の作業ディスクに設けることができる。適切な圧力ライン、例えば圧力ホースまたは圧力パイプは、作業手段を作業空隙へと搬送し、作業ディスク（片方または両方）の穴を貫通し得る。

本発明によれば、設けられた複数の穴をいくつかの、例えば２つまたはそれ以上の群に分ける。群のそれぞれに加圧供給ラインが対応付けられる。したがって、上述の例では、合計３つまたはそれ以上の加圧供給ラインが配備され得る。穴群によって、例えば特定の作業空隙ゾーンにそれぞれ作業手段を供給することができる。作業手段の圧力とは、作業手段で満たされた供給ラインまたは穴における圧力のことである。この圧力が、穴から作業空隙へと流れる作業流体の流速を決定する。本発明により、作業手段の圧力、したがって作業手段の作業空隙への流量を、作業手段が供給される個々の供給ラインに対して、したがって個々の穴群またはそれぞれ作業ゾーンに対して、個別に調節することが可能となる。これにより、作業手段、例えば研磨手段の供給を、柔軟性のある方法でプロセスの要件に適合させることができる。作業手段の流量は、例えば、（作業手順によって導かれる）作業パラメータに応じて調節することができる。ゾーンまたはそれぞれ群の分割は、装置の動作中は１つのゾーンの各穴がほぼ均一の動作条件におかれるように行うことができる。

したがって、１つの作業空隙ゾーンの各穴は、実質的に、ワークピースによって均一の頻度で横断されることになる。１つの群の各穴を、例えば作業空隙の特定の放射状領域に割り当てることができる。したがって、各群は環状ゾーン内にある穴から形成される。各ゾーンに対して圧力、したがって穴を通る流量を共通に調節することによって、そのゾーンまたはそれぞれの群に対して作業流体の最適な供給が保証される。特に、作業手段の個別に予め設定された一定の圧力を供給ライン毎に調節することができる。これにより、異なるゾーンの穴は異なる動作条件におかれるが、作業空隙全体では一定の研磨手段の供給が可能である。当然ながら、例えば供給ライン毎にまたはそれぞれの穴群毎に２つ以上の調節装置を配備することができる。しかし、すべての供給ラインにおける作業手段の圧力を調節する共通の調節装置を配備することもまた考えられる。

これにより、本発明によれば、作業空隙にいつでも作業手段が均一および十分に供給されることが保証される。作業結果を最適化することに加えて、作業手段はまた、作業手段の全要求量が減るようにより効果的に用いられる。引っ掻きまたは類似の加工上の損傷が確実に回避される。また、比較的滑らかな研磨布を用いることができる。所望であれば、例えば、穴を備えた上部作業ディスクを通して、作業手段の圧力を短期間のあいだ急激に上昇させて、ワークピースを洗浄することができる。これにより、プロセスの終わりに上部作業ディスクを持ち上げるときのワークピースの不要な接着が確実に回避される。また、例えば加工温度が上昇した領域を冷却するために、作業空隙に供給される作業手段の量を意図的に変えることも可能である。これにより作業結果がさらに最適化される。

実施するのに特に適した１つの実施形態によれば、供給ラインはそれぞれ共通の主圧力供給ラインにそして各群の穴に接続することができる。主供給ラインは作業手段の貯蔵槽に接続され、また例えば、作業液を主供給ラインから個々の供給ラインへと送り込むポンプを有してもよい。さらに供給ラインのそれぞれに、他の供給ラインとは独立して各供給ラインで作業手段の圧力を調節することができる圧力制御ユニットが配備される。供給ラインに流量測定装置を配備することもまた可能であり、その測定信号は、流量測定装置の測定信号に基づいて液体の流量を調節する対応する流量調節装置に接続される。既知の方法による供給ラインは、作業ディスクの穴を貫通する複数のフィードライン、例えばフィードチューブに接続されるリングラインまたは環状チャネルであり得る。このような耐圧性リングラインは、これに連通する複数のラインを特に簡単で確実な方法で提供する働きをする。

次に共通の主圧力供給ラインが、穴を備えた少なくとも一方の作業ディスクに割り当てられた垂直駆動シャフトを通って誘導され得る。垂直駆動シャフトは駆動装置、例えばモータによって駆動される。これにより、駆動シャフトに接続されている作業ディスクが回転する。したがって、作業手段をそれぞれの供給ラインに分配するために、駆動シャフトを通して耐圧性の単一のチャネル回転入口が配備される。１つの有利な方法においては、１つの主圧力供給ラインのみを固定した装置ハウジングから回転している部品へと誘導するだけでよい。しかし、この場合には、主圧力供給ラインを個々の供給ラインへと分散させるために、作業ディスクに電気的な制御装置を配備する必要がある。いくつかの分野の応用例では、これは望ましくない。したがって、他の例として、多チャネル回転入口もまた可能であり、この場合は、個々の供給ラインへの分散は駆動シャフトの前に既に行われており、これに対応する複数のラインが駆動シャフトを通って誘導される。

別の実施形態によれば、穴の断面、または穴内で誘導される液体ラインの断面を、作業表面に向かって開いているその端部領域で縮小させることができる。断面は、例えば５０％より多く縮小させることができる。作業手段が流れ出る一方で、作業空隙への出口領域での断面のこのような縮小により、背圧が生じ、これにより作業手段が自由に流れ出ているときでも最小限の圧力が供給ライン内に維持されることが保証される。特に、個々のまたはいくつかの出口開口部の覆いがなくなるとき作業手段の圧力がなくなることはない。従来技術とは異なり、研磨手段は、ワークピースで覆われていない穴を通って出てくるだけではなく、原理としてはワークピースで覆われている穴からも出てくることができる。特に、供給ラインの圧力が作業空隙の特定の作業圧力に等しいかまたはそれ以上の場合、液体が流出する。供給ラインに特定の圧力レベルを維持することによって、すべての出口開口部からの流出が保証される。

作業ディスクの作業コーティングとワークピースとの間の摩擦は液体の量に依存するため、作業ディスクの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの垂直シャフトに回転駆動によって加えられるトルクを測定する測定装置をさらに配備することができ、制御装置が、測定装置によって測定されたトルクを参照トルクまたは参照トルク範囲と比較し、測定トルクが参照トルクまたは参照トルク範囲からずれている場合は、測定トルクが再び参照トルクと等しくなるかまたは参照トルク範囲内に入るように、供給ラインの少なくともいくつかにおける作業手段の圧力を変更する。さらに、制御装置は、測定トルクを予め設定された限度トルクと比較してもよい。測定トルクが限度トルクより小さい場合は、制御装置は、測定トルクの値が再び限度トルクを上回るように、供給ラインの少なくともいくつかにおける作業手段の圧力を減らす。

本設計は、作業空隙内で作業液の過剰供給が生じた場合、所定の回転速度に達するために駆動装置によって加えられるトルクが、ハイドロプレーニングに似た要領で急激に減るという知見に基づくものである。これはワークピースの加工を不要に損なうことになる。したがって、このような場合には、トルクが再び所定の範囲に入るまで供給ラインの圧力を減らすことによって作業手段の供給を減らす。当然ながら、圧力は特にすべての供給ラインにおいて変えることができ、特に減らすことができる

穴は、装置の動作中に加工対象のワークピースによって覆われる頻度に依存して群にまとめることができる。これに基づいて、各群の穴が装置の動作中に加工対象のワークピースによって覆われる頻度が高いほど、各群の供給ライン内の作業手段の圧力を高く設定することができる。したがって、異なる群に対しては、各供給ラインに対する様々な所定の参照値があり、参照圧力値は、穴が加工対象のワークピースによって覆われる予想頻度に依存して選択される。

本発明によれば、少なくとも１つ、特に複数の窪みを持つ担体ホイールを既知の方法で配備することができ、この中に加工対象のワークピースが浮かんだ状態で保持される。担体ホイールは作業空隙内を回転するように駆動され、ホイール内に保持されたワークピースは作業空隙内をサイクロイド軌道に沿って移動する。この結果、ワークピースの加工中に作業空隙の半径方向に様々なドウェル確率が生じる。したがって、作業空隙の縁領域、特に内縁でのワークピースのドウェル確率は、例えば中央での確率より高くなり得る。上記の設計はこの事実を考慮している。

したがって、作業空隙の特定のリングゾーンにおける穴を１つの群にまとめることができ、各リングゾーンに、ワークピースに対する特定のドウェル確率が割り当てられる。リングゾーンまたはそれぞれの群の１つに対するドウェル確率が高いほど、この群に割り当てられる供給ラインに対する作業手段の参照圧力も大きくなる。制御は、この結果得られる作業空隙全体における作業手段の全体的な分布が可能な限り均一であるように行うことができる。

本発明による方法は、特に本発明による装置を用いて実行することができる。同様に、装置は本発明による方法を実行するのに適している。
本発明の例示実施形態を、以下に図面を用いてより詳細に説明する。図面の概略は以下の通りである。

本発明による装置の一部の垂直断面図である。 別の実施形態による、図１の一部断面の拡大図である。 図２の断面Ｂの拡大図である。 本発明による制御を示す回路図である。

特に指定のない限り図面において同じ参照番号は同じ物体を示す。図１は、平坦なワークピースを両面加工する本発明による装置１０の断面図を示す。例示した装置は、半導体ウェハの同一平面研磨を行う両面研磨機である。例示の装置は、研磨液貯蔵槽から延びる３つの供給ライン３６を有し、それぞれが接続材２２および多チャネル回転入口１８を介して、装置の垂直駆動シャフト２０を通って誘導される。図１には詳しく示していないポンプによって、研磨液が液貯蔵槽から供給ライン３６を通って搬送され得る。例示の供給ライン３６は、各穴群への出口を持つリングライン３６をそれぞれ形成する。供給ライン３６は供給ホースによって形成することができる。さらに、詳しく示していない圧力調節装置を配備することができ、これらはそれぞれ供給ライン３６の１つにおける作業手段の圧力を調節する目的で設計されている。これについては後に詳述する。

既知の方法における本装置１０は、加えて環状の上部および下部担体ディスクと、これら上部および下部担体ディスクにそれぞれ接続された環状の上部および下部作業ディスクとを有する。図１は、上部担体ディスク３８とこれに接続された上部作業ディスク４０のみを示している。上部担体ディスク３８は設計上は環状である。図示していないが、装置１０は、設計上は上部担体ディスク３８および上部作業ディスク４０にほとんど対称である下部担体ディスクおよび下部作業ディスクを有する。両作業ディスクは、互いに向き合う環状の作業表面の間に環状の作業空隙を画定する。これら作業表面のうち上部作業ディスク４０の作業表面を図１に参照番号４６で示す。上部および下部作業ディスクを持つこのような両面研磨機の基本的な設計は、例えば特許文献１から既知でありまたこれに記載されている。

図１にさらに示すように、複数の軸方向の穴４８が作業ディスク４０を通って配備され、それぞれが上部担体ディスク３８内の対応する穴５０と整合している。圧力パイプ５２が各穴を貫通している。図１はさらに、環状の供給ライン３６がそれぞれ圧力パイプ５２の上開口部に接続されていることも示している。

穴４８、５０およびそれぞれの圧力パイプ５２の設計について、図２および図３に示す拡大図に基づいてより詳細に説明する。図１の例示実施形態とは異なり、図２および図３の例示実施形態では、より多くの供給ライン３６、穴４８、５０、および圧力パイプ５２が配備されている。その他は両例示実施形態は同じである。図２および図３は、圧力パイプ５２がそれぞれ上端部でコネクタ５４を介してリングライン３６に接続されていることを示している。圧力パイプ５２は例えばプラスチックである。金属スリーブ５８が、上部担体ディスク３８または上部作業ディスク４０の穴５０または４８のそれぞれの中へ挿入されている。圧力パイプ５２は、作業表面４６に開口するその端部領域において、スリーブ５８に対して封止されている。図３にさらに示すように、圧力パイプ５２はその下端部において、断面で５０％を超える大幅な減少部６２を有する。したがって、圧力パイプ５２の出口開口部６４は、圧力パイプ５２の主領域６６より直径が大幅に小さい。

特に図１および図２に示すように、穴４８、５０は作業ディスクおよび担体ディスクにおいて様々な異なる半径距離の位置に配備されている。上部作業ディスクおよびこれを支える上部担体ディスクは、垂直駆動シャフト２０を通る回転中心軸から様々な異なる半径距離の位置に、作業ディスク４０および担体ディスク３８を貫通する軸穴の多数の環状列を有する。ある半径距離の各穴は１つの群にまとめられ、リングライン３６から研磨手段が供給される。

本発明による装置の機能について、図４に示す概略回路図を用いて再びより詳細に説明する。研磨手段は、図示しない研磨手段の貯蔵槽から、ポンプ６８に接続された逆止め弁７０を介して供給ライン３６に搬送される。そこから、研磨手段はさらに圧力調節装置３５に搬送される。加えて、二方弁７２が、供給ライン３６を通って供給される供給回路をオンオフするために、供給ライン３６にそれぞれ配置されている。リングライン３６のそれぞれにおける研磨手段の圧力は、圧力調節装置３５を用いて個別に特定の値に調節することができる。加えて、流量計７４が供給ライン３６のそれぞれに配置されている。このような調節、またはそれぞれ流量制御は当業者には既知であり、よって本明細書ではより詳細には説明しない。

加工対象のワークピースは既知の方法で、例えば作業空隙内の環状の軌道に沿って移動するように、担体ホイール内に保持することができる。プロセスにおいては、作業空隙には様々な異なるワークピースのドウェル確率がある。特に、上部作業ディスク４０の異なる放射状穴群は、動作中、ワークピースによって異なる頻度で覆われる。本発明によれば、これを考慮に入れて、より頻繁に覆われると予想される穴の放射状領域を、これに割り当てられたリングライン３６および対応する圧力調節装置３５を通して、より高い作業圧力で加圧することができる。

Claims (14)

1. 平坦なワークピースを両面加工する装置であって、上部作業ディスク（４０）と下部作業ディスクとを備え、前記両作業ディスク（４０）は、互いに向き合うそれらの作業表面（４６）の間に、ワークピースを加工するための作業空隙を形成し、前記作業ディスク（４０）の少なくとも一方は、液状作業媒体を前記作業空隙へと供給するため前記作業表面（４６）まで貫通する複数の穴（４８）を有する装置において、
   前記穴（４８）はいくつかの群にまとめられ、穴（４８）の各群は前記作業手段のための個別の加圧供給ライン（３６）に接続され、前記供給ライン（３６）内の前記作業手段の圧力を互いに個別に調節することができる少なくとも１つの圧力制御装置（３５）が配備されていることを特徴とする、装置。
2. 前記供給ライン（３６）はそれぞれ、共通の主圧力供給ラインにそして１つの群の各穴（４８）に接続させることができることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記共通の主圧力供給ラインは、前記穴（４８）を備えた前記少なくとも一方の作業ディスク（４０）に割り当てられた垂直駆動シャフト（２０）を通って誘導されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記供給ライン（３６）は、前記穴（４８）を備えた前記少なくとも一方の作業ディスク（４０）に割り当てられた垂直駆動シャフト（２０）を通って誘導されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
5. 前記穴（４８）の断面または前記穴（４８）内を誘導される液体のライン（５２）の断面は、前記作業表面（４６）へと開いたそれらの端部領域で縮小されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記作業ディスクの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの垂直シャフト（２０）に回転駆動によって加えられるトルクを測定する測定装置をさらに備え、前記制御装置（３５）は、前記測定装置によって測定されたトルクを参照トルクまたは参照トルク範囲と比較し、測定トルクが参照トルクまたは参照トルク範囲からずれる場合は、測定トルクが再び参照トルクと等しくなるかまたは参照トルク範囲内に入るように、前記供給ライン（３６）の少なくともいくつかにおける前記作業手段の圧力を変更することを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記制御装置（３５）は、測定トルクを所定の限度トルクと比較し、測定トルクが限度トルクを下回る場合は、制御装置（３５）は、測定トルクの値が再び限度トルクを上回るように、前記供給ライン（３６）の少なくともいくつかにおける前記作業手段の圧力を減らすことを特徴とする、前記請求項６に記載の装置。
8. 前記穴（４８）は、前記装置（１０）の動作中に前記穴（４８）が加工対象のワークピースによって覆われる頻度に依存して群にまとめられることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記制御装置（３５）は、前記装置（１０）の動作中に各群の穴（４８）が加工対象のワークピースによって覆われる頻度に依存して、各群の前記供給ライン（３６）における前記作業手段の圧力を設定することを特徴とする、前記請求項８に記載の装置。
10. 平坦なワークピースを両面加工する装置を操作する方法であって、前記装置は、上部作業ディスク（４０）と下部作業ディスクとを備え、前記両作業ディスク（４０）は、互いに向き合うそれらの作業表面（４６）の間に、ワークピースを加工するための作業空隙を形成し、また前記作業ディスク（４０）の少なくとも一方は、液状作業媒体を前記作業空隙へと供給するため前記作業表面（４６）まで貫通する複数の穴（４８）を有する、方法において、
    前記穴（４８）をいくつかの群にまとめ、穴（４８）の各群を作業手段により加圧し、また前記穴群（４８）のそれぞれに供給される前記作業手段の圧力を互いに個別に調節することを特徴とする方法。
11. 前記作業ディスクの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの垂直シャフト（２０）に回転駆動によって加えられるトルクを測定し、前記測定装置によって測定されたトルクを参照トルクまたは参照トルク範囲と比較し、測定トルクが参照トルクまたは参照トルク範囲からずれる場合は、測定トルクが再び参照トルクと等しくなるかまたは参照トルク範囲内に入るように、前記供給ラインの少なくともいくつかにおける前記作業手段の圧力を変更することを特徴とする、前記請求項１０に記載の方法。
12. 前記測定トルクを所定の限度トルクと比較し、測定トルクが限度トルクを下回る場合は、測定トルクが再び前記限度トルクを上回るように、少なくともいくつかの群に供給される前記作業手段の圧力を減らす、前記請求項１１に記載の方法。
13. 前記穴（４８）は、前記装置の動作中に穴（４８）が加工対象のワークピースによって覆われる頻度に依存して群にまとめられることを特徴とする、前記請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記装置の動作中に各群の穴（４８）が加工対象のワークピースによって覆われる頻度に依存して、各群に供給される前記作業手段の圧力を設定することを特徴とする、前記請求項１３に記載の方法。
    

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