JP4407064B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨装置に係り、特には被研磨材の研磨量を精度良く測定するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属、セラミック、半導体材料などの被研磨材の表面を研磨する研磨装置として、従来、たとえば、図３に示す構成のものが知られている。
【０００３】
この研磨装置は、被研磨材ｗの上下両面を同時に研磨できるようにしたものであって、被研磨材ｗを押圧する上ホイール１と、被研磨材ｗを支持する下ホイール２とを有し、両者１，２が回転軸心を一致させて配置されている。そして、上下のホイール１，２間には、被研磨材ｗを保持した状態で遊星回転されるキャリア３が上下のホイール１，２の周方向に沿って複数配置されている。
【０００４】
上ホイール１は、固定支持部材６に取り付けたエアシリンダ７によって上下動されるもので、この上ホイール１にはその上部中央にエアシリンダ７の下端部に固定された押圧ヘッド８を受け止める半球面状の受圧凹部１ａが、また、この受圧凹部１ａの底部から回転軸心方向に沿って貫通孔１ｂがそれぞれ形成されている。
【０００５】
そして、エアシリンダ７の押圧ヘッド８に上下のホイール１，２の相対的な変位を検出するための変位検出手段としての電気マイクロメータ１０が取り付けられている。この電気マイクロメータ１０は、たとえば直線型のポテンショメータで構成されており、変位検出ロッドとしてのプローブ１０ａが上ホイール１の貫通孔１ｂに挿通されて下方に突出している。
【０００６】
一方、下ホイール２は、モータ１１で回転駆動されるもので、その回転軸心方向に沿って貫通孔２ａが形成され、また、この貫通孔２ａの上部内壁は拡径されて後述のドライブシャフト１２の上部を収納する拡径部２ｂが形成されている。そして、下ホイール２の貫通孔２ａには、前記キャリア３を回転させるドライブシャフト１２がベアリング１３を介して下ホイール２と同心状に挿入配置されている。
【０００７】
このドライブシャフト１２は、下ホイール２とは別個にモータ１３で回転駆動されるもので、前述の拡径部２ｂに位置する部分には径方向外方に張り出したフランジ部１２ａが設けられ、このフランジ部１２の上部には、各々のキャリア３の外周部に形成されたギア状の凹凸部（図示せず）に係合するピン部１２ｃが上方に突出した状態で周方向に沿って多数配列して設けられている。さらに、フランジ部１２ａよりも上方の頂部には電気マイクロメータ１０のプローブ１０ａが当接する平坦面を有する基準テーブル１２ｂが形成されている。そして、上記のフランジ部１２ａと各ピン部１２ｃとがキャリア３に対して太陽歯車の役目を果たしている。
【０００８】
上記構成の研磨装置において、被研磨材ｗを研磨する際には、下ホイール２の上に被研磨材ｗを保持したキャリア３を配置して、キャリア３の外周の凹凸部をドライブシャフト１２のピン部１２ｃに係合させてから、エアシリンダ７を作動して押圧ヘッド８で上ホイール１を押圧することで、上下のホイール１，２間で被研磨材ｗを挟圧する。
【０００９】
この状態で、上下のホイール１，２と被研磨材ｗとの間に砥粒液を介在させつつ、下ホイール２とドライブシャフト１２とをそれぞれのモータ１１，１４で回転駆動する。すると、被研磨材ｗを保持するキャリア３の外周の凹凸部がドライブシャフト１２のピン部１２ｃに係合してキャリア３がホイール１，２の周方向に回転される。したがって、被研磨材ｗはキャリア３とともに遊星運動を行いつつ、被研磨材ｗの上下面が共に上下のホイール１，２との間の相対的な速度差によって研磨される。
【００１０】
ここで、被研磨材ｗの上下面が研磨されると、これに伴い、上ホイール１が変位して上下のホイール１，２間の距離が次第に短くなる。すると、ドライブシャフト１２の基準テーブル１２ｂに当接しているプローブ１０ａの伸縮量が変化するので、電気マイクロメータ１０からはその変化に応じた検出信号が出力される。そして、図外のコントローラは、この電気マイクロメータ１０からの検出出力に基づいて被研磨材ｗの厚さが予め設定した目標値に一致したか否かを判断し、被研磨材ｗの厚さが目標値に一致した時点で各モータ１１，１４を停止することにより、被研磨材ｗが所定の厚み寸法に仕上げられる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の研磨装置においては、電気マイクロメータ１０のプローブ１０ａをドライブシャフト１２の頂部にある基準テーブル１２ｂに当接させた状態でプローブ１０ａの伸縮量の変化から上下のホイール１，２の距離の変化を検出する構成になっているために、次の（１），（２）に指摘するような課題が残されている。
【００１２】
（１） 電気マイクロメータ１０はあくまで接触式の変位検出手段であって、図４に示すように、回転駆動されるドライブシャフト１２の基準テーブル１２ｂの上面に当接している。このため、ドライブシャフト１２の回転に伴うベアリング１３等の振れが直接プローブ１０ａに伝わってプローブ１０ａ自体も振動する。また、プローブ１０ａの軸心とドライブシャフト１２の軸心とを精度良く一致させることが難しくて位置ずれが起こり易い。さらに、プローブ１０ａの軸心に対して基準テーブル１２ｂの上面が直交せずに傾斜して配置されることがある。そして、これらに起因して上下のホイール１，２間の距離の変化を正確に検出することが難しくなり、検出誤差を生じる要因となっている。
【００１３】
（２） また、下ホイール２とドライブシャフト１２とは別体であり、しかも、プローブ１０ａは基準テーブル１２ｂに接触しているだけなので、プローブ１０ａの伸縮量は必ずしも上下のホイール１，２間の距離の変化に１対１に対応していない。すなわち、ドライブシャフト１２がその軸方向に沿って若干のがた付きがあると、プローブ１０ａの伸縮量の変化が上下のホイール１，２間の距離の変化に正確に追従せず、これが検出誤差を招くことになる。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、上下のホイール間の相対的な距離の変化を高精度に検出することができ、これによって、被研磨材を確実に所望の厚み寸法になるまで研磨することができる研磨装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、被研磨材を押圧する上ホイールと、被研磨材を支持する下ホイールとを有し、上下のホイールの内の少なくとも下ホイールと前記被研磨材との間の相対的な速度差によって被研磨材を研磨する研磨装置において、次のようにしている。
【００１６】
すなわち、請求項１記載に係る本発明の研磨装置は、前記上ホイールと下ホイールとの相対的な変位を検出する非接触式の変位検出手段を有し、この変位検出手段は、前記下ホイールに形成された貫通孔の軸心に、励磁コイルと検出コイルとを有するプローブを挿入配置し、前記下ホイールの貫通孔の内周面の前記プローブの各コイルと略対向する位置にリング状のヨークを固定してなる差動トランスを備えているとともに、前記プローブの上部は、前記上ホイールにこれと一体的に上下動するように接合されて構成されていることを特徴としている。
【００１７】
この構成において、プローブは、その外方のヨークやその他の部材とは非接触の状態を保ちつつ上ホイールに対してこれと一体的に上下動するので、プローブの変位は上下のホイール間の距離の変化に正確に追従する。また、非接触で電磁的に変位量を検出するので、従来の振動等の誤差要因を取り除くことができる。したがって、上下のホイール間の相対的な距離の変化を直接かつ高精度に検出することができ、これによって、被研磨材を確実に所望の厚み寸法になるまで研磨することが可能となる。
【００１８】
請求項２記載に係る本発明の研磨装置は、請求項１記載の構成において、前記プローブからの検出出力と予め設定された研磨量の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて研磨条件を制御する制御手段を備えることを特徴としている。
【００１９】
これにより、被研磨材の肉厚の大小に応じて研磨条件を変更することが可能となり、加工能率を高くすることができ、かつ厚み寸法を高精度に制御することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態に係る研磨装置の要部を示す断面図、図２は変位検出手段部分の拡大図であり、図３に示した従来技術と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。
【００２２】
この実施の形態の研磨装置は、被研磨材ｗの上下両面を同時に研磨できるようにしたものであって、被研磨材ｗを押圧する上ホイール１と、被研磨材ｗを支持する下ホイール２とを有し、両者１，２が回転軸心を一致させて配置されている。そして、上下のホイール１，２間には、被研磨材ｗを保持した状態で遊星回転されるキャリア３が上下のホイール１，２の周方向に沿って複数配置されている。
【００２３】
上ホイール１は、固定支持部材６に取り付けたエアシリンダ７によって上下動されるもので、この上ホイール１にはその上部中央にエアシリンダ７の下端部に固定された押圧ヘッド８を受け止める半球面状の受圧凹部１ａが、また、この受圧凹部１ａの底部から回転軸心方向に沿って貫通孔１ｂが形成されている。さらに、押圧ヘッド８には、後述の変位検出手段１７を構成するプローブ１８の上端部が固定され、下部は上ホイール１の貫通孔１ｂに挿通されてそれよりも下方に突出している。
【００２４】
一方、下ホイール２は、モータ１１で回転駆動されるもので、その回転軸心方向に沿って貫通孔２ａが形成され、また、この貫通孔２ａの上部内壁は拡径されて後述のドライブヘッド１５を収納する拡径部２ｂが形成されている。そして、下ホイール２の貫通孔２ａには、前記キャリア３を回転させるドライブシャフト１２がベアリング１３を介して下ホイール２と同心状に挿入配置されている。
【００２５】
このドライブシャフト１２は、下ホイール２とは別個にモータ１４で回転駆動されるもので、その上部には樹脂等の非磁性体でできたドライブヘッド１５が固定されている。このドライブヘッド１５は、下ホイール２の拡径部２ｂ内に位置していて、その中央に平断面円形の凹部１５ａが形成されるとともに、その上部開口端の外方に張り出したフランジ部１５ｂには、各キャリア３の外周部に形成されたギア状の凹凸部（図示せず）に係合するピン部１５ｃが上方に突出した状態で周方向に沿って多数配列して設けられている。したがって、このドライブヘッド１５がキャリア３に対して太陽歯車の役目を果たしている。
【００２６】
さらに、この実施の形態では、上ホイール１と下ホイール２との相対的な変位を検出する非接触式の変位検出手段１７が設けられている。この変位検出手段１７は、図２に示すように、棒状のプローブ１８とリング状のヨーク１９とを備えた差動トランスからなる。
【００２７】
前記プローブ１８は、図２に示すように、支持筒２０を有し、この支持筒２０の上端が前述のごとく押圧ヘッド８に固定されており、これによって、プローブ１８は上ホイール１に対してこれと一体的に上下動するように接合されている。一方、支持筒２０の下端は上ホイール１の貫通孔１ｂを通ってドライブヘッド１５の凹部１５ａ内に突入しており、その突入部分には、円筒状をした電気的な絶縁材２１が固定され、この絶縁材２１の周囲に励磁コイル（１次コイル）２３と検出コイル（２次コイル）２４とが上下に所定の間隔を存して巻回されている。一方、ヨーク１９は、下ホイール２の拡径部２ｂの内周面であって、かつプローブ１８の各コイル２３，２４とドライブヘッド１５を挟んで略対向する位置に固定されている。
【００２８】
そして、上記のプローブ１８の各コイル２３，２４とヨーク１９とによって差動トランスが構成されている。この差動トランスを動作させるために、プローブ１８の励磁コイル２３には交流電源２５が接続される一方、検出コイル２４にはプローブ１８の変位に伴う電圧の変化を検出する電圧計２６が接続され、さらに、この電圧計２６には被研磨材ｗの研磨条件を制御する制御手段としてのコントローラ２７が接続されている。
【００２９】
次に、上記構成を有する研磨装置を用いて被研磨材ｗを研磨する場合の動作について説明する。
【００３０】
下ホイール２の上に被研磨材ｗを保持した複数のキャリア３を配置してその外周の凹凸部をドライブヘッド１５のピン部１５ｃに係合させてから、エアシリンダ７を下降させて押圧ヘッド８で上ホイール１を押圧することで、上下のホイール１，２間で被研磨材ｗを挟圧する。
【００３１】
この状態で、上下のホイール１，２と被研磨材ｗとの間に砥粒液を介在させつつ、下ホイール２とドライブシャフト１２とをそれぞれのモータ１１，１４で回転駆動する。すると、被研磨材ｗを保持するキャリア３の図示しない凹凸部がドライブヘッド１５のピン部１５ｃに係合してキャリア３がホイール１，２の周方向に回転される。したがって、被研磨材ｗはキャリア３とともに遊星運動を行いつつ、被研磨材ｗの上下面が共に上下のホイール１，２との間の相対的な速度差によって研磨される。
【００３２】
ここで、被研磨材ｗの上下面が研磨されると、これに伴い、上ホイール１が変位して上下のホイール１，２間の距離が次第に短くなる。すると、プローブ１８は、その外方のドライブヘッド１５やヨーク１９などの部材とは非接触の状態を保ちつつ上ホイール１と一体的に下降するので、プローブ１８の変位は上下のホイール１，２間の距離の変化に正確に追従する。したがって、従来の振動や軸ずれ等の誤差要因を取り除くことができる。
【００３３】
そして、プローブ１８が変位すると、励磁コイル２３とヨーク１９との間で生じている磁界の検出コイル２４を貫く磁束密度が同時に変化し、その変化量に応じて検出コイル２４に生じる起電力が変化する。したがって、上下のホイール１，２間の相対的な距離の変化を直接かつ高精度に検出することができる。そして、この検出コイル２４に生じる起電力が電圧計２６で検出されて、この検出した電圧値がコントローラ２７に取り込まれる。
【００３４】
コントローラ２７は、電圧計２６の検出出力に基づいて予め設定した研磨厚さの目標値に対応した基準値との比較を行い、その比較結果に基づいて研磨条件を制御する。すなわち、コントローラ２７は、たとえば、被研磨材ｗの厚さが目標値に近付くにつれてエアシリンダ７による上ホイール１の押圧力を調整したり、各モータ１１，１４の回転速度を制御したりする。そして、被研磨材ｗの厚さが最終的に目標値に到達した時点で研磨動作を停止する。これにより、被研磨材ｗは所定の厚み寸法に精度良く仕上げられる。
【００３５】
なお、上下のホイール１，２とキャリア３の回転速度および回転方向についても特別な制約はなく、被研磨材ｗを研磨できれば、その条件を任意に設定することができる。
【００３６】
また、上記の実施の形態では、ドライブヘッド１５にピン部１５ｃを設けているが、ピン部１５ｃの代わりにドライブヘッド１５の外周に歯部を設けて太陽歯車として構成し、これに合わせて、キャリア３には外周にドライブヘッド１５の歯部とかみ合う歯部を設けた遊星歯車として構成することもできる。
【００３７】
さらに、この実施の形態の研磨装置は、上下面を同時に研磨する構成であるが、本発明はこれに限らず、たとえば、ドライブシャフト１２やドライブヘッド１５を省略して、上ホイール１に被研磨材ｗを固定し、下ホイール２を回転駆動することで、被研磨材ｗの下面のみを研磨する構成のものにも適用することができる。さらには、上下のホイール１，２は固定した状態で、ドライブシャフト１２でキャリア３のみを回転して被研磨材ｗを研磨する構成のものであってもよい。
【００３８】
要するに、上ホイール１で被研磨材ｗを押圧した状態で、少なくとも下ホイール２と被研磨材ｗとの間の相対的な速度差によって被研磨材ｗを研磨する構成の研磨装置であれば、本発明を広く適用することが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果を奏する。
【００４０】
（１） 請求項１記載の発明における研磨装置は、プローブがその外方のヨークやその他の部材と非接触の状態を保ちつつ上ホイールに対してこれと一体的に上下動するので、プローブの変位は上下のホイール間の距離の変化に正確に追従することになる。また、非接触で電磁的に変位量を検出するので、従来の振動や塵等の誤差要因を取り除くことができる。したがって、上下のホイール間の相対的な距離の変化を直接かつ高精度に検出することができる。このため、被研磨材を所望の厚み寸法になるまで精度良く研磨することが可能となる。
【００４１】
（２） 請求項２記載の発明における研磨装置は、請求項１記載の発明の効果に加えて、被研磨材の肉厚の大小に応じて研磨条件を変更することが可能となり、被研磨材を所望の厚み寸法になるまで精度良く研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の要部を示す断面図である。
【図２】図１の装置の変位検出手段の部分を拡大して示す断面図である。
【図３】従来の研磨装置の要部を示す断面図である。
【図４】従来の研磨装置における誤差要因の説明図である。
【符号の説明】
１ 上ホイール
２ 下ホイール
２ａ 貫通孔
２ｂ 拡径部
３ キャリア
１５ ドライブヘッド
１７ 変位検出手段
１８ プローブ
１９ ヨーク
２０ 支持筒
２１ 絶縁材
２３ 励磁コイル
２４ 検出コイル
２７ コントローラ（制御手段）

Claims (2)

1. 被研磨材を押圧する上ホイールと、被研磨材を支持する下ホイールとを有し、上下のホイールの内の少なくとも下ホイールと前記被研磨材との間の相対的な速度差によって被研磨材を研磨する研磨装置において、前記上ホイールと下ホイールとの相対的な変位を検出する非接触式の変位検出手段を有し、この変位検出手段は、前記下ホイールの回転軸心方向に沿って形成された貫通孔の軸心に、励磁コイルと検出コイルとを有するプローブを挿入配置し、前記下ホイールの貫通孔の内周面の前記プローブの各コイルと略対向する位置にリング状のヨークを固定してなる差動トランスを備えるとともに、前記プローブの上部は、前記上ホイールにこれと一体的に上下動するように接合されて構成されていることを特徴とする研磨装置。
2. 前記プローブからの検出出力と予め設定された研磨量の基準値とを比較し、その比較結果に基づいて研磨条件を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。

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