JP4835968B2 - 両面研磨機 - Google Patents

Description

本発明は、例えばウエハなどの平坦面を有する被加工物の研磨に用いられる両面研磨機に関する。

両面研磨機（例えば、特許文献１参照）は、例えばウエハなどの平坦面を有する被加工物を研磨するために役立つ。面の平行度が、品質上不可欠な基準である。

通常、両面研磨機は、軸によって回転駆動される２つの定盤を有しており、これら定盤が、好ましくは互いに反対向きに回転する。軸は同軸である。各定盤は、研磨板および保持板をそれぞれ備えている。通常は、研磨板が鋼製の円盤を有しており、この鋼製の円盤が保持板へと堅固に固定される。研磨板の対向面は、研磨パッドで覆われている。平坦な被加工物が、いわゆるランナー板の穴に収容され、これらランナー板は、それぞれ歯付きリングまたはピン付きリングによって回転駆動可能となっている。被加工物は、定盤の間すなわち研磨間隙をサイクロイド軌道に沿ってそれぞれ移動する。したがって、上側および下側の定盤の有効な研磨面は環状の表面である。

通常は、研磨媒体が、懸濁液の形態で研磨間隙に導入される。研磨媒体を、一方で保持板と研磨板との間の通路を通し、他方で研磨板の軸に平行する穴を通して研磨間隙へと流し、冷却目的で使用することが知られている。さらに、保持板と研磨板の間に冷却用の通路（ラビリンス）を設け、例えば水などの冷却用媒体を導入することも知られている。冷却用媒体は、駆動軸内に軸方向に設けられた通路を通して供給され、これら通路は、回転継手を介して外部に設置された冷却源に接続されている。

特開平１０−２３５５５６号公報

前記被加工物は、上側および下側の研磨板間の研磨間隙を移動するため、その形状（表面の平行度）は、研磨板の形状によって、すなわち上側および下側の研磨板の形状の相違によって、つまりは研磨間隙によって、大きく左右される。

すでに述べたように、研磨の実行に必要な温度は、適切な冷却用媒体によって制御することができる。その温度は、例えば研磨工程の開始時では４０℃である。研磨のプロセスではかなりの加工熱が発生し、この加工熱によって研磨板が変形する。前述のように保持板と研磨板とは堅固に相互接続されており、両方の板の伸びが異なることによって、当該研磨板の作業面が凸状に変形する。研磨板の温度が低下すると、研磨間隙が再び均一となる。

本発明は、研磨面の半径方向全体にわたって、研磨間隙を常時ほぼ均一に保つことが可能な両面研磨機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１記載の両面研磨機は、研磨板及び保持板をそれぞれ具備してなる上側定盤と下側定盤が同軸廻りに相対的に回転駆動されるとともに、前記各定盤の間に平坦な被加工物の両面を加工するための研磨間隙が設けられてなる両面研磨機において、少なくとも前記上側定盤の前記保持板内に設けられ、温度流体を通す流体通路と、前記研磨板の温度を測定する温度測定装置と、該温度測定装置によって測定された温度に応じて前記流体通路に接続される前記温度流体の供給源の温度を制御することにより前記保持板の温度を変化させる制御手段と、前記各定盤に組み合わされ前記研磨間隙の半径方向に離間した少なくとも２点において前記研磨間隙の間隙幅を測定する間隔測定装置と、を備え、前記供給源は、温度制御流体の貯蔵室を有するとともに、該貯蔵室の体積が前記流体通路の体積と略同じであって、前記貯蔵室が加熱および冷却装置を備えたものである。

請求項２記載の両面研磨機は、前記上側研磨板の半径方向内側に少なくとも第１のセンサが配置され、半径方向外側に少なくとも第２のセンサが配置されたものである。

請求項３記載の両面研磨機は、前記間隔測定装置が、渦電流センサであることを特徴とするものである。

請求項４記載の両面研磨機は、前記上側定盤が軸によって駆動され、前記各センサが、前記軸内の経路及び集電リング機構を通じて前記間隔測定装置へ接続されたものである。

請求項５記載の両面研磨機は、前記上側定盤が軸によって駆動され、温度流体の前記供給源が、回転継手および前記軸内に該軸方向に沿って設けられた通路を介して前記保持板内の温度制御通路に接続されたものである。

請求項６記載の両面研磨機は、第１のコントローラが、前記間隙幅の適切値Δμ_ｓｏｌｌと実際の測定値Δμ_ｉｓｔの差から適切な温度値Ｔ_ｓｏｌｌを決定し、第２のコントローラが、測定した研磨板の実際の温度と研磨板の適切な温度値Ｔ_ｓｏｌｌから制御手段のための制御値を算出するものである。

請求項７記載の両面研磨機は、前記研磨板内に冷却経路を具備してなる前記定盤に、別個独立の冷却回路が組み合わされたものである。

本発明による両面研磨機によれば、定盤に間隔測定装置が組み合わされ、研磨間隙の半径方向に離れた少なくとも２つの地点において研磨板間の間隔（間隙幅）を測定する。測定された間隔が少なくとも２つの地点において等しい場合、研磨板の作業面が平行度を備えていると確認することができる。一方、間隔が異なっている場合、少なくとも以前の測定で平行度が得られていたならば、研磨板に不適切な変形が生じていると確認することができる。尚、研磨板の作業面における機械加工上の誤差は考慮に入れていない。

研磨パッド間の間隔を測定することも可能であるが、通常は鋼材からなる研磨板の対向する作業面間の間隔を測定する方が、より容易且つより正確である。

本発明の実施例によれば、好ましくは、研磨間隙の半径方向内側および半径方向外側で間隔が測定される。これにより、研磨板が温度に起因して変形したか否かを、正確に判断することができる。

間隔の測定には種々のセンサを用いることができる。本発明の実施例では、渦電流センサを用いている。渦電流センサは、センサの交番磁界を利用して向かい側の研磨板に渦電流を生じさせ、この渦電流によってもたらされる電界をセンサの測定手段によって測定するという原理に拠るものである。受信した磁界の強度が間隔の測定値である。このような間隔の測定は、センサの測定領域に被加工物やランナー板が存在しない場合にのみ実行可能であり、そうでない場合には誤った測定結果が得られる。渦電流センサにおいては、送信磁界の生成のためのコイル、ならびに渦電流によって生成された磁界を受信するための受信コイルが必要とされる。

研磨間隙の間隔を測定して研磨板の変形を検知することにより、この変形の影響を補償し、あるいはこの変形を打ち消すための手段を提供することができる。

本発明の実施例によれば、少なくとも上側定盤の保持板内に、温度制御流体を貫流させるための流体通路が設けられる。この流体通路が、温度制御流体を供給する制御可能な供給源へと接続される。例えば、容器内に貯蔵した制御用液体が使用される。貯蔵室は、回転継手および上側定盤の軸に設けられた軸方向の通路を介して、保持板の温度制御通路へと接続することができる。温度制御流体用の貯蔵室は、その体積を比較的小さくすることが可能であり、例えば温度制御通路の体積と同じ、または温度制御通路の体積よりわずかに大きくすることができる。これにより、保持板の温度を迅速に変化させるため、流体の温度を迅速に変化させることができる。

さらに、研磨板の温度を測定するため、温度測定装置が設けられている。部分的にあるいは追加的に、研磨パッドの温度を測定することも可能である。測定した温度に応じ、温度制御流体の温度または保持板の温度をそれぞれ変化させる。

前述のように、保持板と研磨板の温度差によって研磨板が変形し、その結果として研磨板の半径にわたって研磨間隙が変化する。保持板の温度を研磨板の温度とほぼ同じにした場合、この不適切な研磨板の変形を回避できる。したがって、本発明の両面研磨機によれば、研磨プロセスの間、間隙の形状を、加工熱および所定の熱の原因となる研磨圧力とは無関係に、常に一定に保つことができる。

本発明による装置は、研磨間隙を一定に保つため、制御手段を備えている。この制御手段は、適切な研磨間隙の値と研磨間隙の実際の測定値との差から適切な温度値を決定する第１のコントローラを備えている。また、第２のコントローラが、測定した研磨板の実際の温度値および前記第１のコントローラによって決定された前記適切な温度値から、温度制御手段を制御する制御手段に対する調整値を算出する。所望の温度を速やかに達成するためには、温度制御媒体の貯蔵室に、加熱および冷却装置がさらに組み合わされていることが好ましい。

尚、本発明は、プロセス温度を最大値まで制限するための冷却装置が定盤に組み合わされているか否かは無関係である。前述した冷却手段はこのような研磨機において公知である。

研磨板の不適切な変形を打ち消し、あるいは補償する他の対策または手段としては、例えば機械的または磁気的手段によって例えば保持板を変形させることも可能である。

図１は、両面研磨機の上側定盤１０および下側定盤１２を示す図である。この両面研磨機における他の全ての部品は図示を省略している。上側および下側定盤１０，１２は、それぞれ軸によって反対方向に回転駆動されている。上側定盤１０は、下側定盤１２に対して持ち上げ可能となっており、さらに、ランナー板およびランナー板内の被加工物を下側定盤１２に載せるため、あるいはこれらを取り出すため、横方向へも移動可能となっている。ランナー板、被加工物（例えば、ウエハ）、及びランナー板の駆動手段は、従来公知のものであって図示を省略している。

上側定盤１０は、保持板１４および研磨板１６を有し、下側定盤１２は、下側保持板１８および下側研磨板２０を有している。この研磨板１６，２０間に研磨間隙２２が形成されている。各研磨板１６，２０の相対向する作業面は、研磨布または研磨パッド（不図示）でそれぞれ覆われている。上側定盤１０を被加工物へと作用させるための圧力は、上側定盤１０の重量によって生じ、おそらくは上側定盤１０の軸に作用する追加の圧力によって生じる。そのような圧力は、研磨プロセスについてあらかじめ定められている。一方、研磨間隙２２を平行とするため、上側定盤１０を自在継手を介して駆動軸に吊り下げることが知られている。これは、被加工物の外側面を平坦とする上で不可欠である。

図２は、保持板３２および研磨板３４を有する上側定盤３０を示す図である。この図２においても、図１と同様、保持板３２と研磨板３４は互いに堅固に取り付けられている。さらに、図２に示す冷却装置３６は、上側定盤３０を回転駆動する軸（不図示）内の通路３８を介して、定盤３０内のラビリンスすなわち通路系統に接続されている。このような冷却機構は従来公知のものである。研磨プロセスの際に、通常は鋼からなる研磨板３４が、保持板３２と異なる温度で加熱されると、研磨板３４の作業面が例えば凸状に変形する。研磨板３４の半径方向の伸びは、保持板３２のそれよりも大きい。そのような影響は、図１の手段によって回避できる。研磨板３４は、その半径方向の伸びが保持板３２より大きいが、図１に示す両面研磨機は、この伸びの違いによる影響を受けないものとなっている。

図１に示すように、２つのセンサ４０，４２が間隔測定装置４４に接続されている。センサ４０，４２は、例えば渦電流センサであるが、研磨板１６，２０の作業面間の間隔を、半径方向の異なる地点で測定する。図に示すように、センサ４２が環状の研磨面の半径方向内側に位置し、センサ４０が半径方向外側に位置している。測定によって得られた間隔（間隙幅）が等しい場合、研磨板１６の作業面は完全に平坦である。一方、測定点によって間隔が異なる場合、保持板１４と研磨板１６の温度の相違によって、研磨板１６の作業面に変形が生じている。

さらに、図１に示すように、研磨板１６の内部には温度センサ４６が設けられ、該温度センサ４６は温度測定装置４８に接続されている。各装置４４，４８は、上側定盤１０を回転駆動する中空軸（不図示）内の管路５０，５２を通じ、つまりは集電用組立体（不図示）を通じて、上側定盤１０に接続されている。このような信号伝送手段は公知である。

さらに、図１に示すように、保持板１４の内部には温度制御通路５４が設けられ、該温度制御通路５４は、供給通路５６および流出通路５８を通じて制御用流体の貯蔵室６０に接続されている。この通路５６，５８もまた、上側定盤１０を回転駆動する軸（不図示）内に設けられ、通路５６，５８と貯蔵室６０との接続は、回転継手（不図示）を通じて行なわれている。

前記温度制御用流体の貯蔵室６０の内部には、温度制御コイル６２が配置されており、この温度制御コイル６２は、冷却および／または加熱装置６４によって給電されている。この装置６４によって、貯蔵室６０内の流体の温度を速やかに調節することができ、したがって保持板１４の温度を操作することができる。研磨プロセスの間、保持板１４の温度は研磨板１６の温度とほぼ同じ温度とするのが好適である。

研磨間隙２２の形状（図１）は、図３の制御回路によって制御することができる。すなわち、間隙の形状が制御すべき制御パス７０である。また、符号７２は、例えばセンサ４０，４２（図１）に代表される間隔測定装置を示している。ブロック７４から、間隔または間隙幅の均一度についての適切値がそれぞれ出力される。間隙幅は差がなく均一であることが好適である。間隙幅についての前記適切値と、間隙幅の差についての測定値から、第１のコントローラ７６によって適切な温度値Ｔ_ｓｏｌｌが算出される。この適切な温度値Ｔ_ｓｏｌｌが、実際の温度値Ｔ_ｉｓｔと比較される。第１の温度は、例えばセンサ４６によって測定される。図３では、温度測定装置が符号７８で示されている。温度差は、第２のコントローラ（温度コントローラ）８０に入力され、該第２のコントローラによって冷却または加熱装置に対する制御信号または調節信号が生成される。ここで、図１において装置６４のコイル６２に相当する冷却または加熱装置は、図３では符号８２で示されている。尚、冷却装置と加熱装置を別個独立に設けることも可能である。加熱は、例えば抵抗加熱（すなわち電気的な加熱）によって発生させることができ、一方、冷却を別な方法で実行することもできる。尚、図３では、センサ４０，４２の測定値の差がΔμ_ｉｓｔで示されている。さらに、加工熱によって必ず生じる可変外乱値が、図３では符号Ｚ（ブロック８４）で示されている。

さらに、例えば保持板１４の内部に電気加熱装置を設けて、加熱または冷却装置を保持板１４と一体化する等、保持板１４の温度を別の方法で変化させることも可能である。

本発明は、平坦面を有する被加工物の研磨に用いられる両面研磨機に適用することができる。

本発明の実施例に係る両面研磨機の定盤を示す概略図。 従来例に係る両面研磨機の上側定盤を示す図。 図１に示す上側定盤の保持板の温度を制御するための制御手段の回路を示す図。

符号の説明

１０，１２ 定盤
１４ 保持板
１６ 研磨板
２２ 研磨間隙
３６ 冷却装置
４０，４２ センサ
４８ 温度測定装置
５４ 温度制御通路
６０ 貯蔵室
６４ 測定装置
７６，８０ コントローラ

Claims (7)

1. 研磨板及び保持板をそれぞれ具備してなる上側定盤と下側定盤が同軸廻りに相対的に回転駆動されるとともに、前記各定盤の間に平坦な被加工物の両面を加工するための研磨間隙が設けられてなる両面研磨機において、
   少なくとも前記上側定盤の前記保持板内に設けられ、温度流体を通す流体通路と、前記研磨板の温度を測定する温度測定装置と、該温度測定装置によって測定された温度に応じて前記流体通路に接続される前記温度流体の供給源の温度を制御することにより前記保持板の温度を変化させる制御手段と、前記各定盤に組み合わされ前記研磨間隙の半径方向に離間した少なくとも２点において前記研磨間隙の間隙幅を測定する間隔測定装置と、を備え、
   前記供給源は、温度制御流体の貯蔵室を有するとともに、該貯蔵室の体積が前記流体通路の体積と略同じであって、前記貯蔵室が加熱および冷却装置を備えたことを特徴とする両面研磨機。
2. 前記上側研磨板の半径方向内側に少なくとも第１のセンサが配置され、半径方向外側に少なくとも第２のセンサが配置されたことを特徴とする請求項１に記載の両面研磨機。
3. 前記間隔測定装置が、渦電流センサであることを特徴とする請求項１記載の両面研磨機。
4. 前記上側定盤が軸によって駆動され、前記各センサが、前記軸内の経路及び集電リング機構を通じて前記間隔測定装置へ接続されたことを特徴とする請求項２または３に記載の両面研磨機器。
5. 前記上側定盤が軸によって駆動され、温度流体の前記供給源が、回転継手および前記軸内に該軸方向に沿って設けられた通路を介して前記保持板内の温度制御通路に接続されたことを特徴とする請求項２または３に記載の両面研磨機。
6. 第１のコントローラが、前記間隙幅の適切値Δμ_ｓｏｌｌと実際の測定値Δμ_ｉｓｔの差から適切な温度値Ｔ_ｓｏｌｌを決定し、第２のコントローラが、測定した研磨板の実際の温度と研磨板の適切な温度値Ｔ_ｓｏｌｌから制御手段のための制御値を算出することを特徴とする請求項１記載の両面研磨機。
7. 前記研磨板内に冷却経路を具備してなる前記定盤に、別個独立の冷却回路が組み合わされたことを特徴とする請求項１記載の両面研磨機。

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