JP2022146881A - ワーク研磨装置およびワーク研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨ヘッドにおいて、ワークを保持すると共に押圧するキャリアを吊持する吊持部材の形状が制御可能で、ワークの研磨形状を所望の形状に形成することができるワーク研磨装置およびワーク研磨方法を提供する。【解決手段】ワーク研磨装置１０は、研磨ヘッド１２と、研磨ヘッド１２を上下動させる駆動部５２とを備え、研磨ヘッド１２は、ヘッドベース部２０と、ヘッドベース部２０に第１吊持部材２６を介して吊持されるキャリア２２と、ヘッドベース部２０とキャリア２２との間に第１流体室３０と、圧力調整機構８６に接続された第１流路３２とを有し、ヘッドベース部２０若しくはキャリア２２と研磨パッド１６との間隔、又はヘッドベース部２０とキャリア２２との上下方向の間隔を検出するセンサ４８を備え、制御部は、センサ４８によって検出される間隔が所要間隔になるように駆動部５２又は圧力調整機構８６を駆動制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ワーク研磨装置およびワーク研磨方法に関する。

定盤の上方に設けられた研磨ヘッドの下面に保持されたワークを、定盤上面に貼付された研磨パッドに押圧すると共に、定盤および研磨ヘッドを相対的に運動させてワークを研磨するワーク研磨装置が知られている（特許文献１：特開２０１０－２４０７６７号公報）。

特許文献１に例示されるワーク研磨装置においては、研磨ヘッドが、その外形部をなすヘッド部材と、ヘッド部材に弾性部材を介して上下動可能に吊持された保持プレートを備えると共に、ヘッド部材と保持プレートの間に圧力室が画成されている。当該圧力室が加圧されることで保持プレートが下方へ押し下げられ、保持プレートの下面側に保持されたワークが定盤（研磨面）に押圧されて研磨される。

特開２０１０－２４０７６７号公報

特許文献１に例示されるワーク研磨装置では、ワークを保持する保持部材（同文献では、保持プレート。以下、これを「キャリア」と表示する）を吊持する吊持部材（同文献では、弾性部材）の形状変化により保持部材が上下動する構成となっている。しかしながら、吊持部材の形状はワークの研磨形状に影響を与え易く、ワークの研磨時には、吊持部材の形状が最適な形状に維持されないと、ワークの研磨品質が低下してしまうことになる。一方、研磨ヘッドの高さ位置を適切に調整すると共に、保持部材を押圧する加圧室の圧力を適切に調整することによって、吊持部材の形状を制御することができれば、ワークの研磨形状を所望の形状に形成できるようになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、研磨ヘッドにおいて、ワークを保持すると共に押圧するキャリアを吊持する吊持部材の形状が制御可能で、ワークの研磨形状を所望の形状に形成することができるワーク研磨装置およびワーク研磨方法を提供することを目的とする。

本発明は、一実施形態として以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。

本発明に係るワーク研磨装置は、上面に研磨パッドが貼付され、水平面内で回転する定盤と、前記定盤の上方に上下動可能且つ回転可能に設けられ、下面にワークを保持して回転させながら前記研磨パッドに押圧して研磨する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドの上面に固定されたヘッド軸と、前記ヘッド軸を上下動且つ回転させて前記研磨ヘッドを上下動且つ回転させる駆動部と、前記駆動部を駆動制御する制御部と、を備え、前記研磨ヘッドは、上面中央部に前記ヘッド軸が固定されたベース天板、および前記ベース天板の外縁部から下方に延びるリング状の側壁部を有するヘッドベース部と、前記ヘッドベース部の下方に位置し、前記ヘッドベース部に第１吊持部材を介して上下動可能に吊持され、下面側に前記ワークを保持すると共に前記ワークを押圧するキャリアと、前記ヘッドベース部と前記キャリアとの間に画成される第１流体室と、前記制御部により駆動制御される圧力調整機構に接続されて前記第１流体室内へ流体を供給する第１流路と、を有し、前記ヘッドベース部と前記キャリアとの上下方向の間隔、または、前記ヘッドベース部もしくは前記キャリアと前記研磨パッドとの上下方向の間隔、を検出するセンサをさらに備え、前記制御部は、前記センサによって検出される間隔が所要の間隔になるように前記駆動部または前記圧力調整機構を駆動制御することを特徴とする。

これによれば、ヘッドベース部もしくはキャリアの研磨パッドからの高さ位置、またはヘッドベース部とキャリアとの間隔を検出することにより、ヘッドベース部とキャリアとを連結する吊持部材の形状を把握することができる。そして、研磨ヘッドの上下動によりヘッドベース部の高さ位置を調整したり、第１流体室内の圧力調整によりキャリアの高さ位置を調整したりして、吊持部材の形状を所望の形状に制御することができる。

また、前記駆動部は、前記ヘッド軸を上下動させる上下動駆動機構として、前記制御部により駆動制御されるサーボモータを有し、さらにスプライン機構を備えて構成されていることが好ましい。これによれば、スプライン機構を備えるサーボ機構により、ヘッド軸を高精度に上下動させて、研磨ヘッド（ヘッドベース部）を所望の位置により正確に位置させることができる。

また、前記キャリアは、キャリア天板、前記キャリア天板の外縁部から下方に延びる外周リング部、および前記キャリア天板の下面側を覆うようにして、周縁部において前記外周リング部に固定された保持板を有し、前記ヘッドベース部に、前記第１吊持部材と、前記第１吊持部材よりも上方に位置する第２吊持部材と、を介して上下動可能に吊持され、前記第１流体室は、前記ヘッドベース部の下面、前記第２吊持部材、および前記キャリアの上面に囲まれて形成されていることが好ましい。これによれば、第２吊持部材により第１流体室と第１吊持部材とを仕切って、第１流体室内の圧力の影響を第１吊持部材に与えないようにすることができる。したがって、第１吊持部材を安定的に形状変化させることができ、これに第２吊持部材を追随させて形状変化させることで、２つの吊持部材を共に安定して正確に形状変化させることができる。

また、前記キャリア天板の下面と前記保持板の上面との間に第２流体室が画成されると共に、前記第２流体室内へ流体を供給する第２流路が設けられ、前記保持板は、いずれも可撓性を有する上板と下板とからなる２層で構成され、前記上板が下に凹に形成されていることによって、前記上板と前記下板との間に第３流体室が画成されると共に、前記第３流体室内へ流体を供給する第３流路が設けられていることが好ましい。これによれば、第２流体室内の圧力を調整して上板の形状を所望に変化させることができる。また、第３流体室内の圧力を調整して下板の形状を所望に変化させることができる。このように、保持板（上板および下板）を所望の形状にし、それに保持板の下面側に保持されたワークを追随させて形状変化させた状態で、キャリア（すなわち、保持板）を下方へ押し下げてワークを研磨パッドに押圧することによって、ワークに対して所望の研磨効果を与えることができる。

また、前記キャリアの下面にリテーナリングが設けられていることが好ましい。これによれば、ワークの研磨時に、ワークを囲むようにして、ワークを保持板の下面側に保持し、回転されるワークの横滑り（径方向の飛び出し）を防止することができる。

また、本発明に係るワーク研磨方法は、研磨ヘッドにワークを保持して回転しながら下降させて、上方から研磨パッドに押圧して前記ワークを研磨するワーク研磨方法であって、前記研磨ヘッドにおける、上下動駆動機構に接続されて駆動源により上下動されるヘッドベース部と、前記ヘッドベース部の下方に吊持部材を介して前記ヘッドベース部に上下動可能に吊持されると共に、下面側に前記ワークを保持するキャリアとの上下方向の間隔、または、前記ヘッドベース部もしくは前記キャリアと、前記研磨パッドとの上下方向の間隔、を制御することを特徴とする。

これによれば、ヘッドベース部もしくはキャリアの研磨パッドからの高さ位置、またはヘッドベース部とキャリアとの間隔を検出することにより、ヘッドベース部とキャリアとを連結する吊持部材の形状を把握することができる。そして、研磨ヘッドの上下動によりヘッドベース部の高さ位置を調整したり、第１流体室内の圧力調整によりキャリアの高さ位置を調整したりして、吊持部材の形状を所望の形状に制御することができる。

本発明によれば、研磨ヘッドにおいて、ワークを保持すると共に押圧するキャリアを吊持する吊持部材の形状を制御することができ、ワークの研磨形状を所望の形状に形成することができる。

本発明の実施形態に係るワーク研磨装置の研磨ヘッドの例を示す概略図（正面断面図）である。 図１に示す研磨ヘッドのＩＩ部の拡大図である。 図１に示す研磨ヘッドの駆動部の例を示す概略図（正面断面図）である。 図１に示す研磨ヘッドおよび定盤の配置について説明する説明図であって、本発明の実施形態に係るワーク研磨装置の例を示す概略図（平面図）である。 実施形態に係るワーク研磨装置を用いて、本発明の実施形態に係るワーク研磨方法によってワークを押圧した際のワークへの荷重分布を示す写真である。 実施形態に係るワーク研磨装置を用いて、本発明の実施形態に係るワーク研磨方法によってワークを押圧した際のワークへの荷重分布を示す写真である。 実施形態に係るワーク研磨装置を用いて、本発明の実施形態に係るワーク研磨方法によってワークを押圧した際のワークの研磨量を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。本実施形態に係るワーク研磨装置１０（以下、「研磨装置１０」と表記する）は、ウェハ（例えば、シリコンウェハ）等の平板状（特に、円板状）のワークＷを研磨ヘッド１２によって保持し、定盤１４へ押圧しながら、研磨ヘッド１２と定盤１４とを相対的に運動させて研磨する装置である。

図１は、研磨ヘッド１２の例を示す概略図（正面断面図）である。図２は、図１に示す研磨ヘッド１２のＩＩ部の拡大図である。研磨ヘッド１２は、下面にワークＷを被研磨面Ｗａを下方に向けた状態で水平に保持して回転させると共に、水平面内で回転する定盤１４上面の研磨パッド１６に押圧してワークＷを研磨する作用を有する。

符号２０はヘッドベース部２０であって、ベース天板２０ａ、およびベース天板２０ａの外縁部から下方に延びるリング状の側壁部２０ｂを有している。ヘッドベース部２０の上面中央部には、上方に延びるヘッド軸１８が固定されている。ヘッド軸１８は、後述する駆動部５２により軸線を中心として回転する。したがって、ヘッドベース部２０は、ヘッド軸１８と共に、ヘッド軸１８を中心として回転する。また、ヘッド軸１８は、後述する駆動部５２により上下動する。したがって、ヘッドベース部２０は、ヘッド軸１８と共に上下動する。

次に、ヘッドベース部２０の下方に位置して、下面側にワークＷを保持すると共にワークＷを押圧する作用を有するキャリア２２が設けられている。キャリア２２は、キャリア天板２２ａ、キャリア天板２２ａの外縁部から下方に延びる外周リング部２２ｂ、およびキャリア天板２２ａの下面側を覆うようにして、周縁部において外周リング部２２ｂに固定された保持板３３を有している。

キャリア２２は、ヘッドベース部２０の側壁部２０ｂに、第１吊持部材２６と、第１吊持部材２６よりも上方に位置する第２吊持部材２８とを介して吊持されている。第１吊持部材２６の内端側は、キャリア２２の外周リング部２２ｂの下面と保持板３３の上面との間に挟まれて固定されている。また、第２吊持部材２８の内端側は、キャリア２２のキャリア天板２２ａの下面と外周リング部２２ｂの上面との間に挟まれて固定されている。ただし、第２吊持部材２８が第１吊持部材２６よりも上方に配設されていればよく、それらの固定位置は限定されない。

第１、第２吊持部材２６、２８は、いずれもゴム材料のダイアフラムから形成されており、キャリア２２は、第１、第２吊持部材２６、２８の形状変化を介して、ヘッドベース部２０に対して上下動する構成となっている。また、キャリア２２は、ヘッドベース部２０が回転すると、その回転力が第１、第２吊持部材２６、２８を介して伝達されて、回転される構成となっている。第１、第２吊持部材２６、２８は、上記のように、キャリア２２を上下動可能に吊持できるものであればその構成、材料は限定されない。すなわち、ダイアフラムに限定されず、例えばベローズ等としてもよい。また、ゴム材料に限定されず、樹脂材料、金属材料等としてもよい。当該構成および材料の選択によって、第１、第２吊持部材２６、２８の剛性または弾性を所望に設定できる。

なお、本願において第２吊持部材２８は必須の構成ではない。また、第２吊持部材２８は、第１吊持部材２６よりも剛性の低い材料で形成されること等によって、第１吊持部材２６の形状変化に追随して形状変化される構成となっている。

ヘッドベース部２０（ベース天板２０ａ）の下面、第２吊持部材２８、およびキャリア２２（キャリア天板２２ａ）の上面に囲まれて第１流体室３０が画成されている。第１流体室３０内は、制御部５０により駆動制御される圧力調整機構８６に接続される第１流路３２を介して流体が供給可能となっており、第１流体室３０内を正圧にしてキャリア２２を下方へ押し下げたり、一方、第１流体室３０内を負圧にしてキャリア２２を上方へ浮かせたりすることができる。これにより、キャリア２２の下面に保持されるワークＷに押圧力を付加したり、逆に弱めたり調整することができる。本実施形態では、流体を空気とし、第１流体室３０内の空気圧が調整される構成となっているが、この構成に限定されず、例えば流体を水、油等としてもよい。

次に、保持板３３は、いずれも可撓性を有する上板３４と下板３６とからなる２層で構成されている。本実施形態では、上板３４および下板３６をいずれもセラミックにより形成しているが、可撓性を有する他の材料を用いて形成してもよい。また、下板３６の下面には、下板３６を覆うようにして複数の孔を有する弾性シート体４５が設けられると共に、樹脂製のリテーナリング４６が設けられている。弾性シート体４５は、ワークＷの保持面（被研磨面Ｗａの逆側の面）に接触して保護する緩衝部材である。リテーナリング４６は、ワークＷの研磨時に、ワークＷを囲むようにして、ワークＷを弾性シート体４５を介して保持板３３の下面に保持し、回転されるワークＷの横滑り（径方向の飛び出し）を防止することができる。また、ワークＷの研磨時に、リテーナリング４６の高さ位置を調整することにより、ワークＷの外側領域となる研磨パッド１６をワークＷの被研磨面Ｗａとほぼ面一にして、ワークＷのエッジ部分の過研磨を防止することもできる。ただし、本願において弾性シート体４５およびリテーナリング４６は必須の構成ではない。

保持板３３の下板３６は内部が中空に形成されると共に、下面側に開口する複数の通孔３６ａを有している。また、中空部３６ｂは、図示しない配管を介して空気給排機構に接続されている。これにより、弾性シート体４５を介して、通孔３６ａからのエアバキュームによって下板３６の下面にワークＷを吸着保持することができる。また、弾性シート体４５を介して、通孔３６ａからのエアブローによって下板３６からワークＷを離反させることができる。ただし、下板３６内に中空部３６ｂや通孔３６ａを設けることなく、例えば、後述する第３流体室４２を真空（負圧）にしてワークＷを吸着保持する構成や、弾性シート体４５に含ませた水の表面張力のみを利用してワークＷを吸着保持する構成等としてもよい。なお、弾性シート体４５の孔は下板３６の構成に応じて適宜設ければよい。

ここで、上板３４の上面（保持板３３の上面）とキャリア天板２２ａの下面との間に第２流体室３８が画成されている。第２流体室３８内は、制御部５０により駆動制御される圧力調整機構８６に接続される第２流路４０を介して流体が供給可能となっており、第２流体室３８内を正圧にして、上板３４を下方へ押圧し、下方に反らせることができる。一方、第２流体室３８内を負圧にして、上板３４を上方に反らせることができる。したがって、上板３４の形状（反り具合）を所望に変化させることができる。

また、上板３４は下面が下に凹に形成されていることによって、上板３４と下板３６との間に第３流体室４２が画成されている。第３流体室４２内は、制御部５０により駆動制御される圧力調整機構８６に接続される第３流路４４を介して流体が供給可能となっており、第３流体室４２内を正圧にして、下板３６を下方へ押圧し、下方に反らせることができる。一方、第３流体室４２内を負圧にして、下板３６を上方に反らせることができる。したがって、下板３６の形状（反り具合）を所望に変化させることができ、下板３６の下面側に保持されたワークＷを追随させて形状変化させることができる。ただし、本願において第２流体室３８および第３流体室４２は必須の構成ではない。また、本実施形態では、第２流体室３８および第３流体室４２に供給する流体を空気とし、第２流体室３８および第３流体室４２内の空気圧が調整される構成となっているが、この構成に限定されず、例えば流体を水、油等としてもよい。

続いて、本実施形態に特徴的なセンサ４８について説明する。

研磨ヘッド１２の外部には、「ヘッドベース部２０とキャリア２２との上下方向の間隔Ｘ（例えば、図１および図２の矢印Ａで示すように、ヘッドベース部２０の側壁部２０ｂ下端と、キャリア２２の外周リング部２２ｂの下端との上下方向の間隔）」、または、「ヘッドベース部２０と研磨パッド１６との上下方向の間隔Ｙ（例えば、矢印Ｂで示すように、ヘッドベース部２０の側壁部２０ｂ下端と研磨パッド１６上面との上下方向の間隔）」、または、「キャリア２２と研磨パッド１６との上下方向の間隔Ｚ（例えば、矢印Ｃで示すように、キャリア２２の保持板３３の下端と研磨パッド１６上面との上下方向の間隔）」を検出するセンサ４８が設けられている。ここでいうキャリア２２は、吊持部材２６、２８により一体として吊持された部材全体を意味し、リテーナリング４６等が含まれる。また、これらの間隔Ｘ、ＹおよびＺにおいては、ヘッドベース部２０やキャリア２２のどの位置から（どの位置まで）の間隔を検出する構成でもよい。

センサ４８は、制御部５０に接続されており（図１および図３参照）、センサ４８からの情報（検出値）が制御部５０へ送られると、制御部５０は、センサ４８によって検出される間隔Ｘ、ＹまたはＺが所要の間隔となるように、後述する駆動部５２を駆動制御して研磨ヘッド１２を上下動させて研磨ヘッド１２の高さ位置を調整し、または圧力調整機構８６を駆動制御して第１流体室３０内の圧力を調整する構成となっている。

これによれば、ヘッドベース部２０もしくはキャリア２２の研磨パッド１６からの高さ位置、またはヘッドベース部２０とキャリア２２との間隔を検出することにより、ヘッドベース部２０とキャリア２２とを連結する吊持部材２６、２８の形状（詳しくは、ヘッドベース部２０との固定部位と、キャリア２２との固定部位との上下方向の位置関係により形成される吊持部材２６、２８の形状）を把握することができる。そして、研磨ヘッド１２の上下動によりヘッドベース部２０の高さ位置を調整したり、第１流体室３０内の圧力調整によりキャリア２２の高さ位置を調整したりして、吊持部材２６、２８の形状を所望の形状に制御することができる。その結果、ワークＷの研磨形状を所望の形状に形成することができるようになる。

また、センサ４８によって研磨ヘッド１２の高さ位置を研磨対象物であるワークＷに極めて近いところに位置するヘッドベース部２０やキャリア２２の高さ位置で直接検出し、制御することができる。したがって、研磨ヘッド１２やその上下動駆動機構５４に係る各部材の寸法誤差や組付誤差等の影響を極力小さくして、研磨ヘッド１２を所要の高さ位置に正確に位置させることができる。

なお、センサ４８には、超音波式、レーザ式等による公知の測長センサを用いればよい。センサ４８の位置は限定されず、間隔Ｘ、間隔Ｙまたは間隔Ｚが検出可能ないずれの位置に設けてもよい。センサ４８の個数も限定されない。

続いて、研磨ヘッド１２の駆動部５２について説明する。図３は、駆動部５２の例を示す概略図（正面断面図）である。駆動部５２は、ヘッド軸１８を上下動且つ回転させる作用によって研磨ヘッド１２を上下動且つ回転させる。駆動部５２は、上下動駆動機構５４および回転駆動機構５６を備えている。

上下動駆動機構５４は、制御部５０により駆動制御される駆動源６０、および駆動源６０により駆動される直動装置５８を備えている。本実施形態では、図３に示すように、駆動源６０がサーボモータ６０、直動装置５８がボールねじスプライン機構５８として構成されている。ボールねじスプライン機構５８は、スプライン外筒部５８ｂとスプライン係合するスプライン軸５８ａの上端がボールねじ軸（不図示）に螺合され、当該ボールねじ軸がタイミングベルトまたはギア機構（不図示）を介してサーボモータ６０により駆動されることによってスプライン軸５８ａが上下方向に駆動される構成となっている。スプライン外筒部５８ｂは、ベース枠６２に固定されている。スプライン軸５８ａの下端は、上下の支持板６４ａ、６４ｂ間をシャフト６４ｃで連結した伝達枠６４に固定されている。そして、ヘッド軸１８の上端が下の支持板６４ｂに連結部６６を介して軸線を中心として回転可能に連結されている。

回転駆動機構５６は、制御部５０により駆動制御される駆動源６８を備え、ヘッド軸１８を回転させる。本実施形態では、図３に示すように、駆動源６８がサーボモータ６８として構成されると共に、第１プーリー７０ａとベルト７２と第２プーリー７０ｂとを介してまたはギア機構（不図示）を介して回転される回転部７４が設けられている。回転部７４とヘッド軸１８とはスプライン係合してヘッド軸１８の上下動を許容しつつ、回転部７４の回転がヘッド軸１８に伝達されて軸線を中心として回転される構成となっている。すなわち、本実施形態では、回転部７４が直動装置５８の案内機構を兼用するロータリーボールスプライン機構７５のスプライン外筒部７４として構成され、スプライン軸１８として構成されるヘッド軸１８が上下動且つ回転される構成となっている。ロータリーボールスプライン機構７５は、スプライン外筒部７４、およびスプライン外筒部７４を回転可能に支持するフランジ部７８を備え、フランジ部７８を介して支持ボックス７６に固定されている。なお、サーボモータ６８も支持ボックス７６に固定されている。

上下動駆動機構５４および回転駆動機構５６の構成は限定されず、ヘッド軸１８を上下動且つ回転させるいずれの構成としてもよい。一例として、上下動駆動機構５４としては、駆動源６０および直動装置５８が一体となったリニアモータ等を用いてもよく、加えて直動装置５８の案内機構も一体となったリニアモータアクチュエータ等を用いてもよい。この場合、回転駆動機構５６としては、スピンドル等を用いてヘッド軸１８を直接回転させてもよく、または回転駆動機構５６が内蔵されたリニアモータアクチュエータ等を用いてもよい（いずれも不図示）。また、本実施形態の変形例として、ボールねじスプライン機構５８とロータリーボールスプライン機構７５とでスプライン軸５８ａ、１８を同じくして構成してもよい。また、ロータリーボールスプライン機構７５に代えて、直動装置５８の案内機構としてリニアスライド等を設けると共に、回転駆動機構５６としてスピンドル等を設ける構成により、当該案内機構と回転駆動機構５６とを別体に構成してもよい（いずれも不図示）。ただし、本実施形態のように、上下動駆動機構５４においてスプライン機構５８、７５（ボールスプライン機構、ロータリーボールスプライン機構を含む）を備えて構成することにより、ヘッド軸１８の高さ位置に対し、精度の高い正確な位置決めが可能になる。

なお、図３に示すように、ヘッド軸１８は中空に形成され、この中空部内に配管８０が通され、配管８０の上端部がロータリージョイント８２に接続され、ロータリージョイント８２が配管８４を通じて流体供給源（不図示）を有する圧力調整機構８６に接続されている。一方、ヘッド軸１８内の配管８０は、研磨ヘッド１２における各流体室３０、３８、４２に通じており、これにより、圧力調整機構８６と各流体室３０、３８、４２とを連通する第１、第２、第３流路３２、４０、４４が形成され、各流体室３０、３８、４２内へ圧縮空気が供給できるようになっている（図１および図３参照）。圧力調整機構８６は制御部５０に接続されて各流体室３０、３８、４２内の圧力が調整可能となっている。

続いて、定盤１４は、平面視円板状に形成され（図４参照）、上面に研磨パッド１６が貼付されている。定盤１４は、回転駆動機構（不図示）が設けられて、水平面内で軸線を中心として回転可能に構成されている。また、研磨パッド１６上に研磨用のスラリーを供給するスラリー供給部（不図示）が設けられている。したがって、ワークＷの研磨時には、ワークＷにスラリーが供給されると共に、相互に回転する研磨ヘッド１２と定盤１４とが相対的に運動することによりワークＷと研磨パッド１６とが摺接してワークＷを研磨することができる。研磨パッド１６（研磨布）には、一例として、ポリウレタンシートや、ポリウレタンを含浸させた不織布シート等が用いられる。ただし、これ以外の材料で形成されてもよい。

続いて、研磨ヘッド１２および定盤１４の配置について説明する。本願の研磨装置１０における研磨ヘッド１２および定盤１４の配置は一切限定されず、研磨ヘッド１２および定盤１４の個数も限定されないが、一例として、以下のように配置することができる。

図４は、研磨ヘッド１２の配置例を示す説明図であって、本実施形態に係る研磨装置１０の例を示す概略図（平面図）である。本実施形態に係る研磨装置１０は、基体８８上面にワークＷの着脱（ローディングおよびアンローディング）が行われる仮置台９０および複数（本実施形態では、３個）の定盤１４が放射状に配設されている。一方、基体８８の上方には、支持部材９２（前述の支持ボックス７６およびベース枠６２）に各ヘッド軸１８が独立して上下動可能且つ回転可能に支持部材９２に支持されて吊持された複数の研磨ヘッド１２（本実施形態では、４個）が仮置台９０および各定盤１４と軸線９２ａを一致させて放射状に配設されている。支持部材９２は回転駆動機構（不図示）を有し、軸線９２ａを中心として回動可能（間欠的に且つ正逆方向に回転可能であることを含む）に構成されている。これによれば、支持部材９２を回動させることによって研磨ヘッド１２を軸線９２ａの周りを公転（間欠的に且つ正逆方向に公転することを含む）させることができる。

したがって、支持部材９２を回動させて研磨ヘッド１２を仮置台９０上から各定盤１４上へと順次移動させることができる。その結果、仮置台９０上に載置されているワークＷを研磨ヘッド１２で保持して持出し（ローディングし）、次いで各定盤１４上に順次移動して所定の研磨（例えば、粗研磨、中研磨、仕上げ研磨）を行った後、再び仮置台９０上に戻って研磨されたワークＷを載置する（アンローディングする）一連の研磨工程を実施することができる。このときの研磨ヘッド１２の移動（回転）の方向や順序は一切限定されない。また、定盤１４および研磨ヘッド１２の個数は限定されず、定盤１４と研磨ヘッド１２との個数が一致しなくてもよい。また、仮置台９０は、ローディングが行われるローディングステーションとアンローディングが行われるアンローディングステーションとが別々に設けられてもよい。

続いて、本実施形態に係るワーク研磨方法ついて、本実施形態に係るワーク研磨装置１０を用いた場合を例にして説明する。

先ず、研磨ヘッド１２を仮置台９０上に位置させ、通孔３６ａからのエアバキュームによって下板３６の下面（保持板３３の下面）にワークＷを吸着保持する。次いで、研磨ヘッド１２を移動させてワークＷを定盤１４上に位置させ、駆動部５２により研磨ヘッド１２を下降させていく。リテーナリング４６がワークＷの外側領域となる研磨パッド１６に当接すると、ワークＷを囲むようにして、ワークＷが下板３６の下面（保持板３３の下面）に保持される。ワークＷが研磨パッド１６に当接し、通孔３６ａからのエアブローによって下板３６からワークＷを離反させると共に、第１流体室３０からの空気圧によりキャリア２２（キャリア天板２２ａ）を押圧し、保持板３３を介して（詳しくは、弾性シート体４５を介して）、ワークＷの被研磨面Ｗａを定盤１４の研磨パッド１６に押圧することができる。そして、ワークＷにスラリーを供給すると共に、定盤１４と研磨ヘッド１２とを回転させて研磨パッド１６とワークＷとを摺接させることによってワークＷの被研磨面Ｗａを研磨することができる。

ここで、先ず、基本的に、ヘッドベース部２０の研磨パッド１６からの高さ位置は、駆動部５２による下降位置によって決められ、最適下降位置は経験値によって決められる。また、キャリア２２の研磨パッド１６からの高さ位置は、第１流体室３０が加圧されることにより、ワークＷが研磨パッド１６上に当接して押圧され、それ以上下降しない位置によって決められ、第１流体室３０の最適加圧力も経験値によって決められる。

ヘッドベース部２０とキャリア２２との最適位置における吊持部材２６、２８（実質的には、第１吊持部材２６）の変形度は、一例として、ほぼ水平となるように決定される。また、このときのヘッドベース部２０もしくはキャリア２２の研磨パッド１６からの高さ位置（ヘッドベース部２０と研磨パッド１６との間隔Ｙ、キャリア２２と研磨パッド１６との間隔Ｚ）、または、ヘッドベース部２０とキャリア２２との上下方向の間隔Ｘがセンサ４８によって検出され、ワークＷの研磨中、これらの高さ位置や間隔が常時所要位置、または、所要間隔を維持するように制御部５０によって制御される。また、定盤１４が複数配設される場合には、各定盤１４においてこれらの高さ位置や間隔が同じになるように制御される。

具体的には、制御部５０により、高さ位置が決められたキャリア２２に対して（キャリア２２は、ワークＷが研磨パッド１６に当接して押圧された位置で、研磨パッド１６との間隔が決まる）、駆動部５２（サーボモータ６０により駆動されるスプライン機構５８、７５）を介してヘッドベース部２０を上下動させることができる。また、制御部５０により、上下動を停止させたヘッドベース部２０に対して、第１流路３２を介してキャリア２２を上下動させることができる。このように、研磨ヘッド１２（ヘッドベース部２０およびキャリア２２）の高さ位置を高精度に制御して、ワークＷを最適な押圧力（所望の押圧力）で研磨パッド１６に押圧して研磨することができる。

また、センサ４８によって検出されるヘッドベース部２０もしくはキャリア２２の高さ位置（間隔Ｙもしくは間隔Ｚ）、またはヘッドベース部２０とキャリア２２との上下方向の間隔Ｘに基づいて、ヘッドベース部２０またはキャリア２２の高さ位置を調整することによって、吊持部材２６、２８に所望の形状変化を与え、テンションを変化させることができる。このとき、第２吊持部材２８によれば、第１流体室３０と第１吊持部材２６とを仕切って、第１流体室３０内の空気圧の影響を第１吊持部材２６に与えないようにすることができる。これにより、第１吊持部材２６を安定的に形状変化させることができ、これに第２吊持部材２８を追随させて形状変化させることで、２つの吊持部材２６、２８を共に安定して正確に形状変化させることができる。その結果、ワークＷの研磨形状を所望の形状に形成することができる。なお、吊持部材２６、２８（ここでは、特に第１吊持部材２６）の強度（剛性または弾性）設定を変更することで、吊持部材２６、２８の形状変化、テンションの変化を、ワークＷの研磨形状により大きく影響させることができる。また、側壁部２０ｂに連通路（不図示）を設け、この連通路を介して第１吊持部材２６と第２吊持部材２８との間に画成される空間２７を大気開放する構成としてもよい。これによれば、吊持部材２６、２８の動きをより安定させることができ、さらに正確に形状変化させることができる。連通路は、開閉可能に構成してもよい。

また、前述の通り、第２流体室３８によれば上板３４の形状を所望に変化させることができる。また、第３流体室４２によれば下板３６の形状を所望に変化させることができる。さらに、一例として、第２流体室３８により上板３４を所望の形状にしたうえで第３流体室４２内を真空にして、形状変化させた上板３４に下板３６を吸着させることによって、上板３４の形状に下板３６の形状を追随させることができる。このように、保持板３３（上板３４および下板３６）を所望の形状にし、それに保持板３３の下面側に保持されたワークＷを追随させて形状変化させた状態で、制御部５０によりキャリア２２（すなわち、保持板３３）を下方へ押し下げてワークＷを研磨パッド１６に押圧することによって、ワークＷに対して所望の研磨効果を与えることができる。その結果、ワークＷの研磨形状を所望の形状に形成することができる。

図５および図６は、以上説明した本実施形態に係るワーク研磨装置１０を用いて、本発明の実施形態に係るワーク研磨方法によって、円形のワークＷをそれぞれ所定の研磨条件で押圧した際の当該ワークＷへの荷重分布を示す写真である。図７は、当該ワークをさらに別の研磨条件で押圧した際の当該ワークＷの研磨量を示すグラフである。図５および図６は、写真は青色から赤色に近くなる程荷重が大きいことを示すが、紙面では概ね色が薄くなる程（背景色に近くなる程）荷重が大きいことを示す。

図５は、研磨条件として、第２流体室３８内、第３流体室４２内、および、下板３６内の中空部３６ｂを大気開放し、第１流体室３０内を一定の正圧にしてキャリア２２を押圧した状態を基準として、研磨ヘッド１２を基準の高さ位置から段階的に下降させて上方からの押圧力を高めた状態で、それぞれワークＷを押圧し荷重した際の当該ワークＷへの荷重分布を表す写真である。図５－Ｉは、研磨ヘッド１２が基準の高さ位置の状態を示す。図５－ＩＩは、研磨ヘッド１２が基準から－１．０ｍｍの高さ位置の状態を示す。図５－ＩＩＩは、研磨ヘッド１２が基準から－１．５ｍｍの高さ位置の状態を示す。図５－Ｉ～図５－ＩＩＩに示すように、研磨ヘッド１２の高さ位置を下降させることで、荷重が同心円状に広がるように大きくなっていくことが分かる。本例によれば、駆動部５２による研磨ヘッド１２の高さ位置に応じて吊持部材２６、２８の形状を変化させることにより、ワークＷに加わる荷重を調整することができる。

また、図６は、研磨条件として、下板３６内の中空部３６ｂを大気開放し、研磨ヘッド１２を下降させて所定の高さ位置に位置させて、第１流体室３０内を一定の正圧にすると共に第２流体室３８内を一定の負圧にした状態で、第３流体室４２内を大気開放した状態を基準とした。図６は、当該状態を基準として、第３流体室４２内を１０ｋＰａずつ段階的に正圧にまたは負圧にした状態で、それぞれワークＷを押圧し荷重した際の当該ワークＷへの荷重分布を表す写真である。図６－Ｉは、基準である第３流体室４２内を大気開放した状態（非加減圧状態として、０ｋＰａと表記する）を示す。図６－ＩＩは基準から１０ｋＰａ正圧の状態、図６－ＩＩＩは基準から２０ｋＰａ正圧の状態、図６－ＩＶは基準から３０ｋＰａ正圧の状態を示す。図６－Ｖは基準から－１０ｋＰａ負圧の状態、図６－ＶＩは基準から－２０ｋＰａ負圧の状態、図６－ＶＩＩは基準から－３０ｋＰａ負圧の状態を示す。

第３流体室４２内を大気開放した状態（図６－Ｉ）では、ワークＷ全体が比較的均一に荷重されている。これによれば、ワークＷを平坦な形状に研磨できる。また、第３流体室４２内を段階的に正圧にしていくと、ワークＷの中央部の荷重が徐々に増大し且つ周縁部の荷重が徐々に低減していくことが分かる（図６－ＩＩ～図６－ＩＶ）。これによれば、ワークＷの周縁部よりも中央部がよく研磨されるため、被研磨面Ｗａを下に向けた断面形状が中凸の形状に研磨できる。本例では、第３流体室４２内を加圧する程、ワークＷをより急勾配に形成できる。一方、第３流体室４２内を段階的に負圧にしていくと、ワークＷの周縁部の荷重が徐々に増大し且つ中央部の荷重が徐々に低減していくことが分かる（図６－Ｖ～図６－ＶＩＩ）。これによれば、ワークＷの中央部よりも周縁部がよく研磨されるため、被研磨面Ｗａを下に向けた断面形状が中凹の形状に研磨できる。本例では、第３流体室４２内を減圧する程、ワークＷをより急勾配に形成できる。

また、図７は、研磨条件として、下板３６内の中空部３６ｂを一定の正圧にし、研磨ヘッド１２を下降させて所定の高さ位置に位置させて、第１流体室３０内を一定の正圧にすると共に第２流体室３８内を大気開放した状態を基準として、第３流体室４２内を大気開放した状態（非加減圧状態として、０ｋＰａと表記する）、大気圧から１５ｋＰａ正圧の状態、大気圧から－１５ｋＰａ負圧の状態で、それぞれワークＷを押圧し荷重した際の当該ワークの研磨量を表すグラフである。横軸は円形のワークＷの半径を表し、ここでは中心点を０とし、外周点が１．０になるように換算して表記する。縦軸は研磨量を表すが、ここでは相対的な変化が分かればよいため、単位および目盛値の表記は省略する。

図７に示すように、第３流体室４２内を大気開放した状態では、ワークＷの研磨量は中心部から外周部に向かって右肩上がりに増大し、大気圧から－１５ｋＰａ負圧の状態では、さらに急峻に右肩上がりに増大した。これによれば、ワークＷの外周部に向かって徐々に研磨量が多くなるため、被研磨面Ｗａを下に向けた断面形状が中凹の形状、特に、逆ドーム型に研磨できる。本例では、第３流体室４２内を負圧にした方がより急勾配に形成できる。一方、第３流体室４２内を大気圧から１５ｋＰａ正圧の状態では、ワークＷの研磨量は、ワークＷ半径の真ん中付近（０．５付近）で変曲し、外周部に向かって右肩下がりに低減した。これによれば、ワークＷの中央部では比較的一定の研磨量で、周縁部では外周部に向かって徐々に研磨量が少なくなるため、被研磨面Ｗａを下に向けた断面形状が中凸の形状、特に、扁平底である椀を逆にしたような逆椀型に研磨できる。このように、下板３６内の中空部３６ｂを含む各流体室３０、３６ｂ、３８、４２内の圧力の状態および研磨ヘッド１２の高さ位置を調整することでワークＷの研磨形状を様々な形状に形成することができる。このときの各流体室３０、３６ｂ、３８、４２内の圧力の状態および研磨ヘッド１２の高さ位置、ならびにこれらの相互の関係は、構造上吊持部材２６、２８の形状に表れる。したがって、当該吊持部材２６、２８の形状を正確に把握して制御することで所望の研磨形状を形成することができる。

以上、説明した通り、本発明に係るワーク研磨装置によれば、ヘッドベース部もしくはキャリアの研磨パッドからの高さ位置、またはヘッドベース部とキャリアとの間隔を検出することにより、ヘッドベース部とキャリアとを連結する吊持部材の形状を把握することができる。そして、研磨ヘッドの上下動によりヘッドベース部の高さ位置を調整したり、第１流体室内の圧力調整によりキャリアの高さ位置を調整したりして、吊持部材の形状を所望の形状に制御することができる。その結果、ワークの研磨形状を所望の形状に形成することができるようになる。

本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１０ ワーク研磨装置
１２ 研磨ヘッド
１４ 定盤
１６ 研磨パッド
１８ ヘッド軸
２０ ヘッドベース部
２２ キャリア
２６ 第１吊持部材
２８ 第２吊持部材
３０ 第１流体室
３３ 保持板
３４ 上板
３６ 下板
３８ 第２流体室
４２ 第３流体室
４８ センサ
５０ 制御部
５２ 駆動部
５４ 上下動駆動機構
５６ 回転駆動機構
５８ 直動装置
６０ 駆動源
６２ ベース枠
６８ 駆動源
８６ 圧力調整機構
９２ 支持部材
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. 上面に研磨パッドが貼付され、水平面内で回転する定盤と、
   前記定盤の上方に上下動可能且つ回転可能に設けられ、下面にワークを保持して回転させながら前記研磨パッドに押圧して研磨する研磨ヘッドと、
   前記研磨ヘッドの上面に固定されたヘッド軸と、
   前記ヘッド軸を上下動且つ回転させて前記研磨ヘッドを上下動且つ回転させる駆動部と、
   前記駆動部を駆動制御する制御部と、を備え、
   前記研磨ヘッドは、
   上面中央部に前記ヘッド軸が固定されたベース天板、および前記ベース天板の外縁部から下方に延びるリング状の側壁部を有するヘッドベース部と、
   前記ヘッドベース部の下方に位置し、前記ヘッドベース部に第１吊持部材を介して上下動可能に吊持され、下面側に前記ワークを保持すると共に前記ワークを押圧するキャリアと、
   前記ヘッドベース部と前記キャリアとの間に画成される第１流体室と、
   前記制御部により駆動制御される圧力調整機構に接続されて前記第１流体室内へ流体を供給する第１流路と、を有し、
   前記ヘッドベース部と前記キャリアとの上下方向の間隔、または、前記ヘッドベース部もしくは前記キャリアと前記研磨パッドとの上下方向の間隔、を検出するセンサをさらに備え、
   前記制御部は、前記センサによって検出される間隔が所要の間隔になるように前記駆動部または前記圧力調整機構を駆動制御すること
   を特徴とするワーク研磨装置。
2. 前記制御部は、前記センサによって検出される間隔が所要の間隔になるように制御することにより、前記第１吊持部材を所望の形状に制御すること
   を特徴とする請求項１記載のワーク研磨装置。
3. 前記駆動部は、
   前記ヘッド軸を上下動させる上下動駆動機構として、前記制御部により駆動制御されるサーボモータを有し、さらにスプライン機構を備えて構成されていること
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のワーク研磨装置。
4. 前記キャリアは、
   キャリア天板、前記キャリア天板の外縁部から下方に延びる外周リング部、および前記キャリア天板の下面側を覆うようにして、周縁部において前記外周リング部に固定された保持板を有し、
   前記ヘッドベース部に、前記第１吊持部材と、前記第１吊持部材よりも上方に位置する第２吊持部材と、を介して上下動可能に吊持され、
   前記第１流体室は、前記ヘッドベース部の下面、前記第２吊持部材、および前記キャリアの上面に囲まれて形成されていること
   を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のワーク研磨装置。
5. 前記キャリア天板の下面と前記保持板の上面との間に第２流体室が画成されると共に、前記第２流体室内へ流体を供給する第２流路が設けられ、
   前記保持板は、いずれも可撓性を有する上板と下板とからなる２層で構成され、
   前記上板が下に凹に形成されていることによって、前記上板と前記下板との間に第３流体室が画成されると共に、前記第３流体室内へ流体を供給する第３流路が設けられていること
   を特徴とする請求項４記載のワーク研磨装置。
6. 前記キャリアの下面にリテーナリングが設けられていること
   を特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のワーク研磨装置。
7. 研磨ヘッドにワークを保持して回転しながら下降させて、上方から研磨パッドに押圧して前記ワークを研磨するワーク研磨方法であって、
   前記研磨ヘッドにおける、
   上下動駆動機構に接続されて駆動源により上下動されるヘッドベース部と、前記ヘッドベース部の下方に吊持部材を介して前記ヘッドベース部に上下動可能に吊持されると共に、下面側に前記ワークを保持するキャリアとの上下方向の間隔、
   または、
   前記ヘッドベース部もしくは前記キャリアと、前記研磨パッドとの上下方向の間隔、を制御すること
   を特徴とするワーク研磨方法。
8. 前記ヘッドベース部と前記キャリアとの上下方向の間隔、または、前記ヘッドベース部もしくは前記キャリアと前記研磨パッドとの上下方向の間隔、をセンサによって検出すること
   を特徴とする請求項７記載のワーク研磨方法。
9. 前記ヘッドベース部と前記キャリアとの上下方向の間隔、または、前記ヘッドベース部もしくは前記キャリアと前記研磨パッドとの上下方向の間隔、が所要の間隔になるように制御することによって、前記吊持部材を所望の形状に制御すること
   を特徴とする請求項７または請求項８記載のワーク研磨方法。
10. 前記吊持部材を所望の形状に制御することによって、前記ワークの研磨形状を所望の形状に形成すること
    を特徴とする請求項９記載のワーク研磨方法。

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