JP3797504B2

JP3797504B2 - 両面研磨機

Info

Publication number: JP3797504B2
Application number: JP4056497A
Authority: JP
Inventors: 嘉之上野; 公志武藤
Original assignee: Hamai Co Ltd
Current assignee: Hamai Co Ltd
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: JPH10235556A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の加工物の両面を同時に研磨（研削、ラッピング、ポリシング等）する両面研磨機に係り、特に大面積の加工物を効率よく研磨することができる両面研磨機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の両面研磨機として、図６、図７に示す遊星歯車式両面研磨機が知られている。図６は典型的な両面研磨機である遊星歯車式両面研磨機の上面図であり、図７は同両面研磨機の断面図である。１ａ〜１ｆは加工物、２ａ〜２ｂは定盤、３ａ〜３ｆはキャリア、４は太陽歯車、５は内歯歯車である。キャリア３ａ〜３ｆは外周に歯を有する歯車であって、太陽歯車４および内歯歯車５と噛み合い太陽歯車４のまわりに遊星運動をする。キャリア３ａ〜３ｆは太陽歯車４のまわりに等間隔に配置され、それらの中心部に形成された孔には加工物１ａ〜１ｆが挿入される。
【０００３】
研磨加工は、キャリア３ａ〜３ｆ内に挿入された加工物１ａ〜１ｆを下定盤２ａと上定盤２ｂの間に挟み上定盤２ｂに適当な加工圧を与えながら、太陽歯車４および内歯歯車５を回転させキャリア３ａ〜３ｆに遊星運動（太陽歯車のまわりの公転とキャリア中心まわりの自転）を与えることによって行われる。図６ではＡは太陽歯車４の回転方向を示す矢印、Ｂは内歯歯車５の回転方向を示す矢印、Ｃはキャリア３ａ〜３ｆの公転方向を示す矢印、Ｄはキャリア３ａ〜３ｆの自転を示す矢印である。図６の場合は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄいずれもが時計方向まわりであるが、太陽歯車４と内歯歯車５の回転の向きと大きさを選ぶことによって、キャリア３ａ〜３ｆの公転方向とその大きさおよび自転方向とその大きさをそれぞれ任意に独立して設定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の半導体シリコンウエハーの１２インチ化や、液晶表示板用ガラスプレートの大型化等の加工物の大型化に対応しようとすると、従来の両面研磨機では、次のような問題が生じてくる。
（１）大寸法の加工物の研磨を可能にするため、両面研磨機自体の大型化をしようとすると、定盤、内歯歯車等の大型部品を製作する設備に制約があり、コストが増大する。
（２）大型化して装置および各部品の寸法重量が大きくなると、運搬、設置、保守に特別の配慮や手当が必要となる。
【０００５】
（３）キャリアは、単位寸法が増大した加工物を複数保持するため、相応の大直径になる。この場合、キャリア公転による加工物と上、下定盤の相対研磨速度は大きさ等しく向きを逆に設定することができるので問題はないが、キャリアに対して自転を与えると、自転により上、下定盤との間で相殺できない不釣合いの速度差が生じる。その不釣合いの速度差は、キャリア自転（公転座標系上の）の角速度とキャリアの直径に比例する。この不釣り合い速度差に起因する加工物両面の研磨抵抗差が、キャリアと加工物の接触力として作用しその値が大きいと加工物とキャリアを破損させる。キャリアと加工物の接触力は、加工物と工具定盤の接触面積と上記不釣合速度差に起因する加工物両面の研磨抵抗差との積で与えられるので、加工物面積、キャリア直径およびキャリア自転の角速度が大きい程大きくなる。このような関係にあるため、面積の大きい加工物を大直径のキャリアに挿入して研磨する際には、加工物とキャリアが破損しないようキャリア自転の角速度を十分小さく設定しなければならない。
【０００６】
（４）また、大型化した場合に、キャリアの自転によって得られる平行度、平面度精度の自律的収斂と軌跡の全方向均等性（良好な綾目の加工紋）効果を実現するには、キャリア自転角速度に見合ったキャリア公転角速度（両者の角速度比ほぼ１対１）としなければならない。このとき上、下定盤のキャリア公転に対する相対速度を、大きさ等しく反対方向、すなわちキャリア公転角速度に対する上、下定盤の角速度比をほぼ１、−１に設定しなければならず、これらの条件下では、研磨能率は低下し、大型化による生産性向上の効果を減殺する。
以上要約すれば、従来の両面研磨機の大型化による、大面積薄物加工物の多数枚同時加工は、大型機の製作や設置に係る困難の増大および研磨能率低下による生産性向上効果を減殺するという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題を解決するために、請求項１の発明は、下面に研磨面を形成した上定盤と、上面に研磨面を形成した下定盤と、これら上・下定盤間にあって上下に接する定盤に対し互いの回転軸を互いにずらして積層される１以上の中間定盤と、上下に接する定盤の中間ごとに配設されて加工物を保持するキャリアと、中間定盤の外周部に配設されて中間定盤の回転軸を定位置に保持する回転軸保持機構と、キャリアの外周部に配設されて上部に接する定盤の回転軸と下部に接する定盤の回転軸の中間位置にキャリアの回転軸を保持する回転軸保持機構と、定盤間の加工物が挟圧される方向に上・下定盤間を互い押圧しながら、上・下定盤の両方またはいずれか一方を同方向一定速度で回転駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明における中間定盤用の回転軸保持機構または／およびキャリア用の回転軸保持機構を、中間定盤または／およびキャリアの外周３カ所以上に設置されて中間定盤または／およびキャリアの外周面に当接するガイドローラにより構成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、上定盤または／および下定盤の外周部に歯車を形成して駆動手段と歯車を介して接続したことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
先ず、具体的な実施形態を説明する前に、本発明に係る両面研磨機の基本的な構成について説明する。図３および図４は、上下２枚の定盤により、加工物を研磨する場合を示し、図３は一部を破断して示した上面図であり、図４はその側面図である。図において、１ａ〜１ｆは加工物、２ａは上面を研磨面とした下定盤、２ｂは下面を研磨面とした上定盤、３は加工物１ａ〜１ｆを収納したキャリア、６ａ〜６ｄはキャリア３の外周部に当接してその回転軸心のまわりに自転自由に保持するガイドローラである。
【００１１】
Ｇはキャリアの回転軸心、Ｈは下定盤２ａの回転軸心、Ｉは上定盤２ｂの回転軸心、Ｋはキャリア３の回転軸心Ｇと下定盤２ａの回転軸心Ｈとの距離、Ｌはキャリア３の回転軸心Ｇと上定盤２ｂの回転軸心Ｉとの距離、Ｃはキャリア３の回転方向を示す矢印、Ｅは下定盤２ａの回転方向を示す矢印、Ｆは上定盤２ｂの回転方向を示す矢印である。図３および図４において、軸心Ｇ，Ｈ，Ｉは互いに同一平面に含まれ、距離Ｋと距離Ｌはその値が等しく、回転方向Ｃ，Ｅ，Ｆは全て同じで、かつ定盤２ａ，２ｂおよびキャリア３の回転角速度は全て等しく設定される。
【００１２】
このような構成と条件に設定されたことにより、加工物１ａ〜１ｆと下定盤２ａと上定盤２ｂとの相対的研磨摺動速度は加工物１ａ〜１ｆの全面にわたって均一となり、その大きさは、キャリア３と下定盤２ａ、上定盤２ｂとの軸心距離Ｋ，Ｌと、キャリア３（および定盤２ａ，２ｂ）の回転角速度との積となり、加工物１ａ〜１ｆの表裏面において互いに逆方向になる。これらのことから、加工物表裏面において均しい研磨能率が得られるとともに、加工物表裏における研磨抵抗が相殺され、研磨の軌跡が全方向に均等に形成される。
【００１３】
したがってキャリアと加工物の接触力は理論的には０となり、実際には発生しても微小な値となる。また、この構造は、定盤２ａ，２ｂとキャリア３を、それらの回転軸心Ｈ，Ｉ，Ｇを互いにずらして積層しただけの単純なものであり、定盤２ａ，２ｂの回転軸心Ｈ，Ｉは、それぞれの図示しない回転軸が軸受けに支えられることにより一定位置に保持され、また、キャリア３の回転軸心Ｇは、キャリア３の外周部に当接したガイドローラ６ａ〜６ｄによって一定位置に保持される。
【００１４】
本発明は、このような定盤２枚と中間にキャリアを挟んだ単位構造を段ごとに向きを変えながら積み重ねていくことにより構成するものである。その際、積層の中間に配置された定盤の両面が研磨作用面となる。すなわち、本発明は、３枚以上の定盤により２段以上の両面研磨層を構成するものであり、上下に接する研磨定盤のそれぞれの回転中心を、加工物を収容したキャリアの回転中心に関して等距離の反対側に配置し、さらに各定盤と加工物を収容した各キャリアとを同じ方向に均しい回転速度で回転させることにより、各段の両面研磨層において、加工物表裏面における均しい研磨能率が得られるとともに、加工物表裏面における研磨抵抗が相殺されてキャリアと加工物の接触力は微弱となる。また、加工物表面の研磨軌跡も全方向均等となる。なお、上述した、２枚の定盤とキャリアの組み合わせによる研磨方法を用いたものが「両面同時研磨装置」として、本発明の出願人により出願され特公平８−９１４０号として公告されている。
【００１５】
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。図１および図２はそれぞれ定盤が３枚の場合の上面図および側面図である。図１に示されるように、キャリア３ａ，３ｂに加工物１ａ〜１ｆがそれぞれ収容される。図２に示されるように加工物１ａ〜１ｆを収納したキャリア３ａは、定盤２ａと定盤２ｂの間に挟まれ、同じく加工物１ａ〜１ｆを収容したキャリア３ｂは定盤２ｂと定盤２ｃの間に挟まれる。定盤２ａと定盤２ｃは、加工物１ａ〜１ｆに接する側だけが研磨作用面であり、定盤２ｂは、両面とも研磨作用面である。
【００１６】
キャリア３ａ，３ｂは各々４個のガイドローラ６ａ〜６ｄ，６ｅ〜６ｈによって、それぞれの外周部が自転自由に支持されて回転軸心Ｇが保持される。定盤２ａ，２ｃは各々大小のガイドローラ７ｇ〜７ｉ，７ａ〜７ｃより、その外周部が自転自由に支持されて回転軸心Ｉが保持される。同様に、定盤２ｂは大小のガイドローラ７ｄ〜７ｆにより、その外周部が自転自由に支持されて回転軸心Ｈが保持される。このとき軸心Ｇ，Ｈ，Ｉは同一面（図２の紙面）内にあり、軸心Ｇと軸心Ｈの距離Ｋと、軸心Ｇと軸心Ｉの距離Ｌとが等しくなるように配置される。
【００１７】
これら定盤２ａ，２ｂ，２ｃと加工物１を収容したキャリア３ａ，３ｂとの積層体は、回転軸心Ｉと同軸に支持された回転駆動円板８ａ，８ｂによって上下方向から挟持され、矢印Ｍおよび矢印Ｎの方向からなる研磨加工圧力に見合う力で押圧される。このとき回転駆動円板８ａと定盤２ａの間および、回転駆動円板８ｂと定盤２ｃとの間は十分な回転力（トルク）が伝達できる条件で密接させる。この状態で、回転駆動円板８ａ，８ｂを矢印Ｆの方向に一定の回転速度で回転させると、定盤２と加工物１との摩擦力により、キャリア３は回転軸Ｇのまわりに矢印Ｃの方向に、定盤２ｂは回転軸Ｈのまわりに矢印Ｅの方向に、回転駆動円板８ａ，８ｂと等しい回転速度で回転する。なお、回転駆動円板８ａ，８ｂのいずれか一方のみで駆動して他方を従動させることも可能である。
【００１８】
このように定盤２と加工物１を収容したキャリア３とが、各々の回転軸まわりで回転駆動円板８と等しい回転速度でつれまわり（従動回転）するには、ガイドローラ６，７の従動回転抵抗が、定盤２と加工物１の間に発生する摩擦抵抗（摺動研磨抵抗）に比べて十分に小さいことが必要であり、また、定盤２と加工物１の間に生じる摺動抵抗によってなされる仕事量（消費されるエネルギー）は、定盤２と加工物１を収容したキャリア３が同方向に等回転速度で回転するときが最小になる。このとき、キャリア３ａ，３ｂに収容されている全ての加工物１は、定盤２ａ，２ｂ，２ｃの互いの間で全面均一の大きさであって、表裏面で方向反対となる相対的摺動研磨速度で研磨される。
【００１９】
その相対的摺動研磨速度の大きさは、定盤２とキャリア３の回転軸間距離に回転駆動円板８の回転角速度を乗じた値である。これらのことから、加工物表裏面における均しい研磨能率が得られ、また、加工物表裏の研磨抵抗が相殺されてキャリアと加工物の接触力が微小となり、さらに、研磨軌跡が全方向について均等となる。しかも、当然のことながら、これらの加工物１を１２枚同時に２枚だけの定盤間に挟んで研磨する従来機を用いた場合に比べれば、本発明の場合、同数の加工物を研磨しようとすると定盤の直径は小さくて済み、機械全体も小形に構成することが可能となる。
【００２０】
次に、第２の実施形態について説明する。図５は第２の実施形態の構成の要部を示す側面図である。この実施形態は、第１の実施形態に、両面研磨層をさらに１段増設したものである。すなわち、研磨定盤を４枚、加工物を収容したキャリアを３枚として、３段の両面研磨層を形成した場合である。定盤２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが各々それに接する複数のガイドローラによって自転自由に支持されて、回転軸心Ｈ，Ｉのいずれかに保持される。３枚のキャリア３ａ，３ｂ，３ｃが各々それに接する複数のガイドローラ６によって自転自由に支持されて、回転軸心Ｇに保持される。また、全ての定盤２と、加工物１を収容したすべてのキャリア３が、回転駆動円板８によって同一方向に等速回転させられる。これらについては、第１の実施形態と同じであるので、各部の構成と動作についての説明を省略する。
【００２１】
この実施形態が第１の実施形態と異なる部分は、積層の段数が３段と１段多いことと、それに対応して回転駆動円板８ａ，８ｂの軸心が一致せずに、定盤２ａ，２ｃと回転駆動円板８ａが共通の軸心Ｈとなり、定盤２ｂ，２ｄと回転駆動円板８ｂとが共通の軸心Ｉとなることである。しかし、回転駆動円板８ａ，８ｂはそれらの回転軸心は異なっても、積層体に加工圧力に相応の力で矢印ＭおよびＮ方向に積層体を挟みながら、同方向に等速で回転駆動して、定盤２およびキャリア３に同方向に等速回転の従動を生じさせることに変わりはない。したがって、全ての加工物１の表裏面が均等に研磨され、加工物の表裏面での研磨抵抗が相殺され、加工物１の全面で研磨の軌跡が全方向均等になることも第１の実施形態の場合と同じである。当然のことながら、この実施形態は第１の実施形態にくらべて、同一の大きさの機械であれば同時加工できる加工物の枚数が多くなる。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。この実施形態は、図示しないが、定盤をその上下で挟圧する回転駆動円板を用いないで回転駆動する構成としたものである。すなわち、第１または第２の実施形態において、定盤２と加工物１を収容したキャリア３の積層体の回転位置をガイドローラで保持した状態で、定盤２の外周にさらに必要があればキャリア３の外周にも接線方向の力を加えて回転駆動する構成としたものである。そのための具体的手段として、定盤２および必要があればキャリア３の外周に歯形加工を施して歯車として、これに比較的小径の駆動歯車を噛み合わせて駆動する。この場合、従動するガイドローラもまた歯車の従動車となるとともに、図５の回転駆動円板８ａ，８ｂに相当する積層体の両側には、積層体を挟みつける方向の加圧力を与え、定盤の回転に従動する従動加圧円板が配設される。
【００２３】
上述した各実施形態においては、キャリアと加工物との間で接触力の発生することがほぼなくなったことにより、相互に接触する加工物とキャリアの破損が解消される。また、加工物の表裏両面を均等な研磨能率で研磨できる両面研磨層を多段に積み重ねた構成にしたことにより、機械のサイズを製作・設置の容易な大きさのままで、大口径の半導体シリコンウェハのような大面積で薄物の加工物を多数枚同時に両面研磨することが可能となり、研磨層の段数に比例して生産性が向上する。
なお、実施形態では、両面研磨層を２段および３段とした場合の構成についてそれぞれ説明したが、さらに４段以上の構成とすることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、上・下定盤の間に１以上の中間定盤を保持して研磨部を多層構造としたことにより、同時に多数の工作物の研磨可能となり、その分、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の要部を示す上面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】本発明の基本的な構成を説明するための上面図である。
【図４】図３の側面図である。
【図５】第２の実施形態の構成の要部を示す側面図である。
【図６】従来例を示す上面図である。
【図７】図６の縦断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ〜１ｆ加工物
２，２ａ〜２ｄ定盤
３，３ａ〜３ｃキャリア
６，６ａ〜６ｈガイドローラ
７，７ａ〜７ｉガイドローラ
８ａ，８ｂ回転駆動円板
Ｇ，Ｈ，Ｉ回転軸心

Claims

下面に研磨面を形成した上定盤と、
上面に研磨面を形成した下定盤と、
これら上・下定盤間にあって上下に接する定盤に対し互いの回転軸を互いにずらして積層される１以上の中間定盤と、
上下に接する定盤の中間ごとに配設されて加工物を保持するキャリアと、
中間定盤の外周部に配設されて中間定盤の回転軸を定位置に保持する回転軸保持機構と、
キャリアの外周部に配設されて上部に接する定盤の回転軸と下部に接する定盤の回転軸の中間位置にキャリアの回転軸を保持する回転軸保持機構と、
定盤間の加工物が挟圧される方向に上・下定盤間を互い押圧しながら、上・下定盤の両方またはいずれか一方を同方向一定速度で回転駆動する駆動手段と、
を備えたことを特徴とする両面研磨機。
請求項１記載の両面研磨機において、
中間定盤用の回転軸保持機構または／およびキャリア用の回転軸保持機構を、中間定盤または／およびキャリアの外周３カ所以上に設置されて中間定盤または／およびキャリアの外周面に当接するガイドローラにより構成したことを特徴とする両面研磨機。
請求項１または請求項２記載の両面研磨機において、
上定盤または／および下定盤の外周部に歯車を形成して駆動手段と歯車を介して接続したことを特徴とする両面研磨機。